[发明专利]可变转矩马达/发电机/传动装置

说明书

一种马达/发电机/传动系统包括：轴；定子环，该定子环具有绕着该定子环的周边设置的多个定子线圈，其中，该多个定子线圈的每个相包括相应一组多条平行非绞合导线，该多条平行非绞合导线在中间抽头处用电子开关分开，该电子开关用于将该定子线圈的每个相的平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接；联接到该轴的转子支撑结构；第一转子环和第二转子环，该第一转子环和该第二转子环各自具有与该轴的转动轴线重合的转动轴线，该第一转子环或该第二转子环中的至少一个被可滑动地联接到该转子支撑结构，并且被配置成沿着该转子支撑结构在第一轴向方向上或在第二轴向方向上平移。

相关申请的交叉引用

本申请是于2016年10月24日提出的、名称为“可变转矩马达/发电机/传动装置”的美国非临时专利申请第15/332,824号的部分延续(CIP)申请，所述专利文献是于2015年7月31日提出的美国非临时专利申请第14/815,733号(美国专利第9,479,037号)的分案，所述美国非临时专利申请第14/815,733号根据35U.S.C.§119(e)要求于2014年8月1日提出的美国临时申请第62/032,468号；于2015年4月13日提出的美国临时申请第62/146,694号；以及于2015年4月13日提出的美国临时申请第62/146,725号的权益。本申请还根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年4月13日提出的美国临时申请第62/322,052号、于2016年6月22日提出的美国临时申请第62/353,413号以及于2016年9月26日提出的美国临时申请第62/399,907号的权益。前述美国临时申请及非临时申请通过引用全部并入本文。

背景技术

迄今为止，超过99.9％的全球产生电力来自于具有转动运动的某种形式的发电机。太阳能面板占约0.05％。马达使用了65％到70％的全球工业用电以及约57％的全部消耗功率。这涉及全球电功率的估计16,000以上太瓦-时(TWh)的年消耗量。由于这种消耗趋势以及效率改进，常规现代发电机和马达能够以接近其额定每分钟转数(RPM)及转矩规格的90％到98％的效率范围运行。出于此原因，可以认为现代发电机和马达工业非常成熟并且不能作出很大的增量改进。然而，虽然发电机和马达中的高效率额定值的窄带很高，但当这些相同的发电机和马达在规定的RPM和/或转矩额定值范围之外运行时，效率有时大幅降低30％到60％。

虽然最常规的发电系统使用连续的RPM和转矩功率源，但是现在新兴的可再生能源由于功率源可变、不定时并且大部分时间不可以预测而具有更大的RPM和转矩变化。由于在常规发电和配电领域已达极限，因此对可再生能源中对上述转矩敏感并且仍然高效的发电机的需求可能具有非常高的优先级。同样，在马达行业中存在对具有工业用途的高效率与更宽运行范围的更大需求，并且尤其在运输行业中由于对混合动力及“插电式”电动载具的需求指数地增加。由于现实世界的运行状态需要启动、停止以及可变负载，因此马达的效率很少保持恒定。

现代载具交流发电机将内燃机的某些转动动力转换成电功率，以便运行电子设备并且维持蓄电池充电。这些交流发电机效率大体上为50％到60％。在2007年，存在约八亿零六百万辆载具，而现今估计在运行的载具超过十亿辆。几乎16％的人造CO₂来自这些载具。这些交流发电机中的甚至很小量的效率改进也可以引起在减少排放方面作出大幅改进，并且使燃料燃烧显著减少。这种交流发电机效率损失主要由于在转子线圈系统(电磁体)中的气隙和低效。由于不能有效地针对可变负载调节输出，转子中的永磁体大体上并不在载具交流发电机中使用。

永磁体交流发电机(PMA)现今用于小型风力机中。它们通常具有高启动速度，这是由于转子的齿槽效应和定子的天然磁性吸引而往往需要大致最小的风速来克服该限制。它们还缺乏在较低速度范围中产生有效功率所需的RPM范围，并且在非常高的风速下具有电流限制。它们不具有调节其输出的能力，这是由于该构型在给定RPM下允许最大发电。定子选择限制了最大电流或电压；其具有非常有限的效率范围。