TW201817129A

TW201817129A - 無刷電機

Info

Publication number: TW201817129A
Application number: TW106123721A
Authority: TW
Inventors: 派克斯頓格里高里
Original assignee: 能源動力科技有限公司
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2018-05-01
Also published as: WO2018009983A1

Abstract

一種無刷發電機1包括具有定子殼體3的大體為圓筒型的定子2，定子殼體用以容納兩個於直徑方向上相向的第一線圈5和6、兩個於直徑方向上相向的第二線圈7和8和兩個於直徑方向上相向的第三線圈9和10。線圈5和7雙股纏繞於一起；線圈6和8雙股纏繞於一起。線圈9和7於它們的閉合回路中連接；線圈10和8於它們的閉合回路中連接。轉子15具有大致為圓柱型的轉子芯16；轉子芯安裝的相對於定子2相對旋轉，並且具有於使用中與殼體3的大體為圓柱型的內表面21相鄰的連續的圓周週邊20。四個徑向間距相等的稀土永磁體23、24、25和26安裝到與週邊20相鄰的轉子芯16上，各個磁體的南極最靠近表面21。輸入軸31沿軸線32延伸，以允許轉子15圍繞該軸線相對於定子2旋轉，使得永磁體23、24、25和26中的至少一個永磁體其後的運動可以產生線圈5和6中的至少一個線圈的兩端的電壓。開關裝置的形式為控制電路35，用於接收產生的線圈5和6中的至少一個線圈的兩端的電壓，並選擇性地將電壓施加到電源插座40。

Description

無刷電動工具

本發明涉及一種電機，具體涉及一種無刷電機及其使用方法。

具體地，於本發明的實施例中，開發的係發電機。於本文中，將具體參閱對應的應用以描述前述實施例。然，應當理解，本發明並不限於該等使用領域。本發明還可用於更廣的使用環境中，例如，電動機和其它電機等。

整個說明書中對背景技術的任何討論，決不應被視為承認這種背景技術係顯而易見的、或者係構成本領域一般常識的一部分。

發電機幾乎無處不在，它係將機械能轉換成電能的機器。發電機的發展已經持續了一個多世紀。

轉子係由陶瓷或鋁鎳鈷永磁體或繞於疊片鐵芯上的銅線製成的線圈所組成的圓盤或圓筒。定子由線圈繞組或磁體組成、或者由線圈繞組和磁體組成。當轉子旋轉時，磁體使電流於繞組中流動，然後，前述電流用以為各種裝置提供電力。

普遍認為，先前的發電機的主要缺陷係將機械能轉換成電能時，效率相對較低。對於市售發電機而言，其轉換效率通常低於50％。這種低效係由多種損耗引起的，前述損耗包括：磁滯損耗，通常克服磁滯損耗所採用的常規方法係給繞組使用疊片鐵芯；惟，這會使發電機又貴又重；渦流損耗，通常克服渦流損耗所採用的常規方法係盡可能多地去除前述發電機中的導電金屬；以及於電動機和發電機中產生的磁阻力或反電磁力（反電動勢）。

考慮到發電機和其它電機的廣泛使用，即使發電機在操作效率上的一點改進也可獲得顯著的成本效益和環境優勢。是故，需要一種改進的電機。

本發明的目的係克服或改善先前技術的至少一個缺點、或提供有用的替代方案。

根據本發明的第一個方面，提供了一種無刷發電機，包括：定子，其具有複數間隔開的第一線圈、對應的複數間隔開的第二線圈和對應的複數間隔開的第三線圈，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；輸入軸，其允許前述轉子相對於前述定子旋轉，以使至少一個前述永磁體的運動能夠產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓；以及開關裝置，用以接收產生的至少一個前述第一線圈的兩端的電壓，並且選擇性地將前述電壓施加到電源插座。

於一個實施例中，前述電源插座包括用以選擇性地電連接到電氣負載的電氣端子。

於一個實施例中，前述電源插座包括設置於前述開關裝置和前述電氣端子之間的能量存儲裝置。

於一個實施例中，前述能量存儲裝置係電容器。

於一個實施例中，前述電源插座包括設置於前述能量存儲裝置和前述電氣端子之間的逆變器，前述逆變器用以於前述電氣端子處產生AC（交流）電壓。

於一個實施例中，前述永磁體係稀土磁體。

於一個實施例中，前述發電機包括偶數個永磁體。

於一個實施例中，前述永磁體以於直徑方向上相向的方式成對安裝到前述轉子芯上。

於一個實施例中，前述線圈具有軟鐵芯。

於一個實施例中，前述線圈基本上由銅繞組形成。

於一個實施例中，前述發電機包括偶數個第一線圈、第二線圈和第三線圈。

於一個實施例中，前述第一線圈、第二線圈和第三線圈的數量都係四的整數倍。

於一個實施例中，前述發電機包括兩個第一線圈、兩個第二線圈和兩個第三線圈。

於一個實施例中，前述轉子芯基本上由無定形金屬形成。

於一個實施例中，前述轉子芯基本上由至少一種無定形金屬形成。

於一個實施例中，至少一個永磁體的運動能夠直接產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓。

於一個實施例中，至少一個前述永磁體的運動能夠間接產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓。

於一個實施例中，至少一個前述永磁體的運動能夠直接產生至少一個前述第三線圈的兩端的電壓，這又會產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓。

於一個實施例中，前述開關裝置將前述電壓施加到前述電源插座，使得合成電流減少了前述發電機所受的反電動勢。

於一個實施例中，前述發電機包括感測器，前述感測器提供用以指示前述轉子相對於前述定子的旋轉位置的第一訊號，其中，前述開關裝置回應於前述訊號，以選擇性地將前述電壓施加到前述電源插座。

根據本發明的第二個方面，提供了一種無刷電動機，包括：定子，其具有複數間隔開的第一線圈、對應的複數間隔開的第二線圈和對應的複數間隔開的第三線圈，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；輸入軸，其允許前述轉子相對於前述定子旋轉，使得至少一個前述永磁體的運動能夠產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓；以及開關裝置，其用以選擇性地為前述第一線圈通電，使前述轉子相對於前述定子旋轉。

根據本發明的第三個方面，提供了一種無刷發電機/電動機，包括：定子，其具有第一組線圈和第二組線圈，其中，前述第一組線圈和前述第二組線圈彼此交替設置；轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上，使得於前述轉子芯旋轉期間，前述永磁體能夠交替地同時與前述第一組線圈和前述第二組線圈中的各個線圈相對；以及開關裝置，其用以於前述轉子芯相對於前述定子相對旋轉期間，選擇性地為前述第一組線圈和前述第二組線圈通電，並且選擇性地從前述第一組線圈和前述第二組線圈獲取電力。

根據本發明的第四個方面，提供了一種無刷電機，包括：定子，其具有複數間隔開的第一線圈、對應的複數間隔開的第二線圈和對應的複數間隔開的第三線圈，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；以及開關裝置，其用以下列操作中的一個或複數：為前述第一線圈通電、從前述第一線圈獲取電力、以及電隔離前述第一線圈。

根據本發明的第五個方面，提供了一種生成電壓的方法，前述方法包括以下步驟：提供複數間隔開的第一線圈，其與對應的複數間隔開的第二線圈一起設置於定子周圍；以及對應的複數間隔開的第三線圈，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；提供轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，前述永磁體安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；允許前述轉子相對於前述定子旋轉，使得至少一個前述永磁體的運動能夠產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓；以及提供用以接收產生的至少一個前述第一線圈的兩端的電壓、並且選擇性地將前述電壓施加到電源插座的開關裝置。

根據本發明的第六個方面，提供了了一種生成機械旋轉的方法，前述方法包括以下步驟：提供複數間隔開的第一線圈，其與對應的複數間隔開的第二線圈以及對應的複數間隔開的第三線圈一起設置於定子上，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；提供轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；允許前述轉子相對於前述定子旋轉，使得至少一個前述永磁體的運動能夠產生至少一個前述第一線圈的兩端的電壓；提供用以選擇性地為前述第一線圈通電，使前述轉子相對於前述定子旋轉的開關裝置；以及提供用以支撐前述轉子並將前述轉子的旋轉傳遞到機械負載的輸出軸。

根據本發明的第七個方面，提供了一種操作無刷發電機/電動機的方法，前述方法包括以下步驟：提供具有第一組線圈和第二組線圈的定子，其中，前述第一組線圈和前述第二組線圈彼此交替設置；提供轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上，使得於前述轉子芯旋轉期間，前述永磁體能夠交替地同時與前述第一組線圈和前述第二組線圈中的各個線圈相對；以及於前述轉子芯相對於前述定子相對旋轉期間，選擇性地為前述第一組線圈和前述第二組線圈通電，並且選擇性地從前述第一組線圈和前述第二組線圈獲取電力。

根據本發明的第八個方面，提供了一種操作無刷電機的方法，該方法包括以下步驟：提供定子，前述定子具有複數間隔開的第一線圈、對應的複數間隔開的第二線圈和對應的複數間隔開的第三線圈，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；提供轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；以及進行下列操作中的一個或複數：為前述第一線圈通電、從前述第一線圈獲取電力、以及電隔離前述第一線圈。

根據本發明的第九個方面，提供了一種無刷電機，包括：轉子，其具有：具有週邊的轉子芯，以及複數間隔開的永磁體，其安裝於前述轉子芯上，並提供與前述週邊相鄰的相應的磁極；以及定子，其具有並聯連接的複數間隔開的第一線圈和與相應的前述第一線圈磁耦合的複數間隔開的第二線圈，其中，前述定子容納前述轉子，以允許前述轉子於前述磁極和前述第一線圈之間的運動，使下列操作中的任何一項操作能夠引起另一項操作：前述定子和前述轉子之間的相對旋轉；以及前述第二線圈的兩端的電壓。

於一個實施例中，前述複數永磁體於前述週邊處呈現相同的極性。

於一個實施例中，前述複數永磁體於前述週邊處呈現交替的磁極性。

於一個實施例中，前述複數永磁體包括偶數個磁體。

於一個實施例中，前述磁體的數量係四的整數倍。

於一個實施例中，前述複數永磁體關於前述週邊等角度地間隔開。

於一個實施例中，每個第一線圈纏繞於相應的芯上。

於一個實施例中，每個第二線圈纏繞於相應的芯上，其中，前述第二線圈和對應的第一線圈共用前述芯。

於一個實施例中，前述第一線圈包括具有第一共同直徑的第一繞組，前述第二線圈包括具有第二共同直徑的第二繞組。

於一個實施例中，前述第一共同直徑約為0.50至0.60毫米。

於一個實施例中，前述第一共同直徑約為0.55毫米。

於一個實施例中，前述第二共同直徑約為0.40至0.50毫米。

於一個實施例中，前述第二共同直徑約為0.46毫米。

於一個實施例中，前述第一共同直徑大於前述第二共同直徑。

於一個實施例中，前述第一共同直徑比前述第二共同直徑長約18％至21％。

於一個實施例中，前述第一線圈係雙股的。

於一個實施例中，前述第二線圈係雙股的。

於一個實施例中，前述第二線圈與輸出端並聯連接。

於一個實施例中，前述第二線圈藉整流電路連接到前述輸出端。

於一個實施例中，前述整流電路係雙向的。

於一個實施例中，前述無刷電機包括啟動電路。

於一個實施例中，前述啟動電路包括設置於至少兩個前述第一線圈中間的至少一個線圈。

根據本發明的第十個方面，提供了一種操作無刷電機的方法，該方法包括以下步驟：提供轉子，其具有：具有週邊的轉子芯，以及複數間隔開的永磁體，其安裝於前述轉子芯上，並提供與前述週邊相鄰的相應的磁極；以及提供定子，其具有並聯連接的複數間隔開的第一線圈和與相應的前述第一線圈磁耦合的複數間隔開的第二線圈，其中，前述定子容納前述轉子，使得前述週邊轉過前述第一線圈，使下列操作中的任何一項操作能夠引起另一項操作：前述定子和前述轉子之間的相對旋轉；以及前述第二線圈的兩端的電壓。

根據本發明的第十一個方面，提供了一種無刷電機，包括：複數基本平行的板；由一個或複數前述板支撐的軸，其中，前述軸基本上垂直於前述板延伸；轉子，其安裝到前述軸以相對於前述板旋轉，其中前述轉子包括圓周型週邊，複數間隔開的永磁體位於或鄰近前述週邊設置，前述永磁體能夠產生相應的磁場；以及由一個或複數前述板支撐的複數線圈元件，並且，穿過前述線圈組合，能夠選擇性地移動磁場，以於前述轉子和前述線圈元件之間傳遞能量。

於一個實施例中，前述電機包括n個轉子和（n+1）塊板。

於一個實施例中，前述電機包括n個轉子和（n-1）塊板，其中，n＞2。

於一個實施例中，前述電機包括n個轉子和2n塊板。

於一個實施例中，使用中，前述板包括相對面，前述相對面具有用以接收前述線圈元件的相應的安裝結構。

於一個實施例中，前述安裝結構包括通道。

於一個實施例中，於前述板上加工出前述通道。

於一個實施例中，前述通道徑向延伸。

於一個實施例中，前述安裝結構可釋放地滑動接收前述線圈組合，以允許前述線圈組合選擇性的徑向移動。

於一個實施例中，每個元件包括由前述安裝結構接收的安裝框架、以及由前述框架支撐並且於使用中相對於前述安裝框架能夠徑向移動的至少一個線圈。

於一個實施例中，前述板彼此固定。

於一個實施例中，每個板包括兩個相對面、以及於前述相對面之間延伸的週邊邊緣。

於一個實施例中，前述板藉下列中的一個或複數構件至少部分地彼此固定：於相鄰板的相對面之間延伸的至少一個構件；以及於至少兩個前述板的邊緣之間延伸的至少一個構件。

根據本發明的第十二個方面，提供了一種操作無刷電機的方法，前述方法包括以下步驟：提供複數基本平行的板；藉一個或複數前述板支撐軸，其中，前述軸基本上垂直於前述板延伸；將轉子安裝到前述軸上以相對於前述板旋轉，其中前述轉子包括圓周型週邊，複數間隔開的永磁體位於或鄰近前述週邊設置，前述永磁體能夠產生相應的磁場；以及由一個或複數前述板支撐複數線圈元件，並且，選擇性地相對前述線圈組合移動前述磁場，以於前述轉子和前述線圈元件之間傳遞能量。

整個說明書涉及的“一個實施例”、“一些實施例”或“實施例”係指包含於本發明的至少一個實施例中的、與實施例相關的特定特徵、結構或特性的描述。是故，整個說明書所有地方出現的短語“於一個實施例中”、“於某些實施例中”或“於實施例中”不一定都係指同一實施例，但也有可能係指同一實施例。另，得於一個或複數實施例中以任何合適的方式組合前述特定特徵、結構或特徵，因為對於本領域普通技術人員來說，這於本發明中係顯而易見的。

於本文中，除非另有規定，文中所使用的用以描述普通事物的序數形容詞“第一”、“第二”、“第三”等僅用以將引用的同一類型的實體或相似物體區分開，並不係為了說明必須按照給定的順序、時間/空間上的排序、重要性、或其它方式來描述前述物體。

本文所使用的術語“示例性”不用以指示特性，僅用以提供示例。也就係說，“示例性實施例”僅作為示例的實施例，而不係必要的示例性特性的實施例。

參閱第一圖，提供了一種無刷電機1。前述電機1包括大致為圓筒型的具有定子殼體3的定子2，其中，前述殼體3用以容納如第二圖所示的兩個於直徑方向上相向的第一線圈5和6、兩個於直徑方向上相向的第二線圈7和8和兩個於直徑方向上相向的第三線圈9和10。前述線圈5和7雙股纏繞於一起；前述線圈6和8雙股纏繞於一起。前述線圈9和7於它們的閉合回路中連接；前述線圈10和8於它們的閉合回路中連接。轉子15具有大致為圓柱型的轉子芯16。前述轉子芯16安裝得能夠相對於前述定子2旋轉，並且具有在使用中與殼體3的大體為圓柱型的連續內表面21相鄰並相對的連續的圓周週邊20。四個徑向間距相等的稀土永磁體23、24、25和26安裝到與圓周週邊20相鄰的轉子芯16上，前述永磁體的南極最靠近內表面21。輸入軸31沿軸線32延伸，以允許轉子15圍繞該軸線32相對於定子2旋轉，使得永磁體23、24、25和26中的至少一個永磁體其後的運動得產生線圈5和6中的至少一個線圈的兩端的電壓。開關裝置的形式為控制電路35，用以接收產生的線圈5和6中的至少一個線圈的兩端的電壓，並選擇性地將前述電壓施加到電源插座40。

得藉各種外源中的一個外源機械驅動輸入軸31，使轉子15相對於定子3旋轉，從而使永磁體（23；24；25；26）相對於線圈（5；6；7；8；9；10）運動。例如，於一些實施例中，外源得係內燃機（諸如汽油發動機或柴油發動機）、風力發電系統、水力發電系統或其它類似的外源。

電源插座40包括用以選擇性地電連接到電負載43的兩個電氣端子41和42。於一些實施例中，電源插座40包括設置於電路35和電氣端子41和43之間的諸如電池和/或電容器（未示出）和逆變器（未示出）的能量存儲裝置，以存儲從線圈5和6產生的電壓中所獲得的能量，然後，將前述能量轉換成提供給電負載43的AC電壓。於其它實施例中，電源插座40包括降壓/升壓轉換器，用以向電負載43提供直流（DC）電壓。

本文中包括的永磁體（23；24；25；26）為大體上相同的稀土磁體。前述磁體通常為圓柱型，每個磁體具有統一的形式。於其它實施例中，複數單獨的磁體疊放到一起，並固定於一起形成永磁體（23；24；25；26）單體。

應該注意的係，於本實施例中使用四個周向間距相等的永磁體以兩兩於直徑方向上相向的方式安裝到轉子芯16上。優選地，於其它實施例中，還得使用偶數個等間距的永磁體。更優選地，使用的磁體的數量為四的整數倍。於一個優選實施方式中，使用八個永磁體。

所有的線圈（5；6；7；8；9；10）由纏繞於軟鐵芯（未示出）上的銅線形成。因為線圈5和7係雙股於一起的，係以，它們纏繞於共同的軟鐵芯上。類似地，線圈6和8纏繞於另一個共同的軟鐵芯上，這個軟鐵芯與前述軟鐵芯離分離。

應當注意，前述第一線圈、第二線圈和第三線圈的數量均為偶數。另，前述第一線圈、第二線圈和第三線圈的數量都係四的整數倍。

轉子芯16基本上由諸如無定形多晶鐵氧體的無定形金屬形成。於其它實施例中，使用不同的無定形金屬或無定形金屬的組合形成前述轉子芯。特別地，轉子芯16包括四個等角度分佈於徑向的無定形金屬構件（45；46；47；48）。前述無定形金屬構件於與輸入軸31接合的第一端和與前述構件相應的永磁體（23；24；25；26）接合的第二端之間延伸。前述無定形金屬構件（45；46；47；48）為剛性構件，並且通常為圓柱形的構件。而且，於使用中，前述構件用以使與其相應的永磁體（23；24；25；26）與週邊20保持緊鄰。

線圈（5；6；7；8；9；10）用以使得永磁體（23；24；25；26）的運動能夠直接產生至少一個第一線圈的兩端的電壓。

藉轉子15和定子3之間的相對旋轉，當永磁體運動到線圈5和6附近時，永磁體的合成運動能夠產生線圈5和6的兩端的電壓。另，當永磁體運動到線圈9和10附近時，永磁體的運動能夠直接產生線圈9和10的兩端的電壓，這又會（藉線圈7和8）分別產生線圈5和7的兩端的電壓。這種相互作用進一步受到控制電路35的影響，而且，控制電路35將產生的線圈5和6兩端的電壓施加到電源插座40，使得線圈5和6中的合成電流減少了電機1所受的反電動勢。

電機1包括感測器裝置（未示出）。前述感測器裝置包括複數感測器，用以提供表示前述發電機操作特性的相應的感測器訊號。前述訊號包括表示轉子15相對於定子3的旋轉位置的第一訊號以及定時資訊；從而控制電路35能夠響應於第一訊號選擇性地將電壓施加到電源插座40，以最小化反電動勢。

應當理解，控制電路35係固態轉換電路。前述固態轉換電路包括複數不同的電子部件，前述部件組合起來用以提供所需的轉換。於本實施例中，由於該等器件的起效快、低損耗的特性，主要使用金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）器件來提供所需的轉換。然，於其它實施例中，使用雙極型器件或雙極型器件和MOSFET器件的組合來提供所需的轉換。得理解，控制電路15包括處理器；前述處理器用以容納可被執行以控制MOSFET器件的軟體代碼，以回應於所接收的相關的感測器訊號來準確地轉換供給給線圈5和6的電流並且從線圈5和6獲取的電流。

電機1的操作如下。

被線圈（5；6；7；8；9；10）纏繞的軟鐵芯的軟鐵金屬實際上顯示的滯後損耗為零，具有很少（或沒有）磁記憶。而且，即使前述軟鐵金屬的磁極化程度幾乎和用以軟鐵芯的鐵或者其它合金的磁極化程度一樣，前述軟鐵金屬也不能維持任何電流。是故，於電機1的正常運行期間，前述軟鐵芯升溫不明顯。

電機1中的磁體的偶數配置提供了一種磁平衡。藉前述磁平衡，儘管於有磁體偏置的影響下，得使保持前述轉子15緊鄰最靠近的定子線圈所需的相對於定子3旋轉轉子15的功率最小化。已經發現，定子15的旋轉過程中的主要損失係由安裝於輸入軸31上的軸承的摩擦造成的。

控制電路35於適當的時刻使定子線圈5和6“打開”/“關閉”以“截斷”/“引導”流過所有線圈（5；6；7；8；9；10）的電流。這係為了最小化電機1中逐漸積聚的反電動勢。

已經發現，轉子16的最佳轉速約為2300 RPM。然，其它旋轉速度也係可用的。於約為1500 RPM至3000 RPM的範圍內的轉速都係合適的。

於另一個實施例中，具有轉子和定子的電機1被設置為電動機。於電動機中，用電能源代替電負載43；並且，控制電路35運行以選擇性地給線圈5和6通電，使得輸入軸31旋轉，以向外部機械負載（未示出）機械地提供旋轉能量。也就係說，控制電路35選擇性地直接切換線圈5和6兩端的直流電壓，這會產生線圈（7；8；9；10）兩端的電壓。當電壓被切換以於“開”和“關”之間的轉換時，於線圈中流動的電流的變化較大，是故，就會產生相對快速膨脹或收縮的磁場。應當理解，藉仔細確定應用到線圈5和6的電壓和電流的時間，得使該等線圈排斥磁體（而且，線圈9和10也會間接對其它磁體產生相同的作用），並產生動力。該實施例中的感測器裝置包括一個位置感測器，用以藉控制電路35方便線圈5和6的通電和斷電的正確定時。例如，這種位置感測器包括霍爾效應（Hall Effect）感測器、光學編碼器以及特殊感測線圈。

當給線圈5和6通電時，它們產生相應的膨脹的磁場，其會排斥相鄰的磁體，使得轉子15相對於定子6旋轉，並且促使輸入軸31機械旋轉。

已經發現，當速度較快（例如，2300 RPM）時，供給到線圈5和6的通電脈衝的“接通”時間很短。而且，因為每次脈衝時，電機1使用較少的能量就能維持電動機的給定輸出，係以，優化了電機1的效率。

本領域技術人員應當理解，線圈5和6的磁輸出將取決於芯材料的尺寸和類型、線圈中導線的匝數、導線的直徑、長度和材料以及施加到線圈的電流的時間特性。

於另一個實施例中，提供了一種電動機/發電機。於該實施例中，具有轉子和定子的電機1包括八個等間距的稀土永磁體。前述永磁體被設置為相同的兩組，每組中的永磁體具有相同的角位移。是故，得相對於週邊20，用一組中的永磁體來替換另一組中的永磁體。這得使控制電路35驅動一組永磁體作為發電機，另一組永磁體作為電動機；而且，如果需要，前述驅動動作得同時進行。前述電動機/發電機的優先轉速為2300 RPM。

於一個實施例中，當一個永磁體直接與其中一組中的第一線圈相鄰時，控制電路35藉短脈衝電流（當DC為16V時，電流為2Amps）為前述組中的第一線圈通電。這會使別的的永磁體被排斥並且使輸入軸31旋轉。當別的永磁體與前述第一線圈直接相鄰時，前述第一線圈又被通電，以此類推。藉使用雙股配置，得回收會被電動機中產生的反電動勢消耗的能量。

另一組線圈用以從前述電動機/發電機獲取電能，前述電能存儲於電池和/或電容器或其它能量存儲裝置中。

當電動機功能和發電機功能同時運行時，得回收僅於電動機功能的操作期間丟失的能量。

如本發明人所設想的，當以給定的速度、結構和材料操作前述電動機/發電機時，得獲得地球舒曼共振（Schumann Resonance）的效益。

於一個實施例中，提供了一種無刷電機，包括：定子，其具有複數間隔開的第一線圈、對應的複數間隔開的第二線圈和對應的複數間隔開的第三線圈，其中，每個第一線圈雙股纏繞於相應的第二線圈上，並且每個第三線圈於閉合電路中與相應的第二線圈連接；轉子，其具有：轉子芯，其安裝成相對於前述定子相對旋轉，並且具有於使用中與前述定子相鄰的週邊，以及複數間隔開的永磁體，其安裝到位於或鄰近前述週邊處的前述轉子芯上；以及開關裝置，其用以下列操作中的一個或複數：為前述第一線圈通電、從前述第一線圈獲取電能、以及電隔離前述第一線圈。

第三圖顯示了根據本發明的另一實施例提供的發電機51的細節。於第三圖中，由相應的圖式標記表示對應的特徵。發電機51係一種無刷電機；前述電機包括轉子；前述轉子具有轉子芯；前述轉子芯具有週邊（都沒有明確示出），用以支撐於前述週邊以提供北極磁極的八個等角度間隔的永磁體52。定子2具有彼此簡單平行連接的複數間隔開的第一線圈53。也就係說，線圈之間沒有中間的有源或無源部件，只有導體。複數間隔開的第二線圈54與相應的第一線圈53磁耦合。定子2接收轉子，使前述轉子於永磁體52的磁極和線圈53之間移動，使下列操作中的任何一項操作能夠引起另一項操作：前述定子和前述轉子之間的相對旋轉；以及第二線圈的兩端的電壓。

如圖所示，永磁體52於週邊呈現相同的極性，以方便線圈53和54的一致配置和纏繞。於其它實施例中，永磁體52於週邊呈現交替的磁極性；而且，對應地，纏繞線圈53和54或為線圈53和54通電。第三圖所示的實施例用以簡化佈線。於其它實施例中，例如，於單獨切換每個線圈53和/或54的情況下，前述轉子的週邊處的永磁體52能夠提供任何預定的磁極性組合或序列。

於該實施例中，複數永磁體為偶數個永磁體，而且，前述永磁體的數量係四的整數倍。另，永磁體52圍繞前述週邊等角度間隔開。

各個線圈53與相應的線圈54一起纏繞於相應的鐵芯（未示出）上。線圈53包括第一銅繞組，前述第一銅繞組的第一共同直徑為0.55mm；線圈54包括第二銅繞組，前述第二銅繞組的第二共同直徑為0.46mm。優選地，繞組中使用的銅的等級係相同的，並且線圈53之間的導電連接件也採用第一共同直徑。

於其它實施例中，前述第一共同直徑不係0.55mm。已經發現，優選的第一共同直徑約為0.50至0.60毫米。然，對於小型電機，得使用較小直徑的繞組。

於其它實施例中，前述第二共同直徑不係0.46毫米。已經發現，優選的第二共同直徑約為0.40至0.50毫米。然，對於小型電機，得使用較小直徑的繞組。

本發明人已經發現，實施例的提供的電機的優點係：前述第一共同直徑大於前述第二共同直徑；並且，更優選地，前述第一共同直徑比前述第二共同直徑長約18％至21％。

於第三圖所示的實施例中，線圈53和54都係雙股的。

線圈54經由整流電路並聯連接到輸出端55。前述整流電路包括用以每個線圈54的子電路56。應注意，子電路56係雙向的，以允許發電機51能像電動機一樣被操作。平滑電容器連接於限定輸出端55的輸出端子上，使得當轉子和定子相對於彼此旋轉時，能夠穩定由線圈54集中提供的整流電壓。

發電機51包括啟動電路57，其用以使定子和轉子之間實現旋轉運動。如果用以發電機51的外部旋轉源不能提供足夠的轉矩以克服發電機51內的任何靜摩擦力和磁力，那麼前述啟動電路就用以開始前述定子和前述轉子之間旋轉。於本實施例中，啟動電路57包括設置於兩個線圈53之間的單個啟動線圈58；前述單個啟動線圈58設置於兩個線圈53之間；藉切換（藉操作開關59）與諸如電池60的能量源串聯的啟動线圈58為啟動電路57選擇性通電，使定子和轉子之間實現所需的旋轉。於另一實施例中，使用不同的啟動電路。例如，於該等實施例中，當單獨切換線圈54（和線圈53）時，能夠選擇性地實現前述線圈的通電，以執行啟動電路57的操作。

於另一實施例中，複數類似的發電機51沿著公共軸連接於一起。也就係說，前述發電機和前述定子軸向間隔開，而且前述定子相對於彼此固定。並且，轉子於相應的定子內一致地旋轉。於一些實施例中，定子由單個定子構件構成；而且，單獨的繞組電路以軸向間隔開的形式安裝於前述定子構件上。於其它實施例中，前述定子包括複數平行的鋁板；前述鋁板上具有基本上中心對準的孔；前述軸藉前述孔延伸；並且，於使用中，將前述轉子安裝於前述孔之間。

第四圖示出了本發明的另一實施例。於第四圖中，由對應的圖式標記表示對應的特徵。於該實施例中，發電機61包括控制器；前述控制器得係控制器62，或者係基於微處理器的控制器62；前述控制器被程式控制為用以執行開關59和另一開關63的操作，以進一步細化前述發電機的操作。於本實施例中，藉諸如BEHLKE公司（商標為“BEHLKE”）製造和出售的型號為HTS71-02-C的開關單元，開關59和63得作為高電壓固態開關。於其它實施例中，使用不同的開關。

於其它實施例中，輸出端55用作入口，並且連接諸如整流主電源網路（或諸如電池或電池組的另一DC電源）的電源；並且，控制器62操作開關63，以選擇性地為線圈54通電，從而實現定子和轉子之間的旋轉。應當理解，於該操作模式下施加到輸出端的電壓將具有與圖中所示極性相反的極性。

現在參閱第五圖和第六圖。於第五圖和第六圖中，由對應的圖式標記表示對應的特徵。具體地，以發動機71的形式示出了本發明的又一個實施例。發電機71包括第三圖所示的定子和佈線。為清楚起見，省略了啟動電路57。

發電機71包括定子71a和安裝於軸71c上的轉子71b；前述軸71c允許前述定子和前述轉子之間的相對旋轉。定子71a具有鋁腳板72；從前述鋁腳板72向上延伸出兩個平行的間隔開的大致為正方型的鋁支撐板73和74。前述支撐板由8毫米厚的加工的鋁形成；前述支撐板藉螺栓或其它方式固定到鋁腳板72。支撐板73和74還藉八個周向等角度間隔開、並且軸向延伸的鋁間隔物75保持固定的平行結構。於該實施例中，前述間隔物由直徑為30毫米的圓鋁棒構成，其軸向長度約為130毫米。支撐板73和74的相對面上包括加工的徑向通道76，其中，兩兩相對的該等通道可滑動接收相應的線圈元件77。

每個線圈元件包括一起纏繞於共同線圈架上的相應的線圈53和54（第五圖和第六圖中未示出）。線圈53和54佈線如第三圖所示。一旦線圈元件77被接收到了相應的通道對中，就會對齊它們，使它們相應的徑向內端盡可能靠近轉子71b的徑向週邊。如係做的目的係儘量減少兩者之間的氣隙，同時防止直接的物理接觸。是故，必須考慮已經產生的加工公差、於給定維修期間的預期磨損以及安全餘量。一旦定位了每個線圈元件77，得藉相應的平頭螺釘徑向鎖定前述元件；然後，線圈53和54與其它元件連接於一起形成所需的一體電路。

第七圖示出了其中一個線圈元件77。具體地，線圈元件77包括線圈53和54，前述線圈一起形成纏繞於線圈架82上的複合繞組81。前述線圈架由間隔開的徑向內橫向構件83和徑向外橫向構件84支撐。前述構件83和84的橫向端包括類似的接合通道（未示出）；前述通道用以接收徑向延伸、並且橫向間隔開的引導構件85和86中的一個構件。藉相鄰杆87，引導構件85和86相對於彼此位置被固定。於線圈架82和杆87之間延伸的兩個間隔開的鎖定螺栓89和90形成的調節機構允許複合繞組81的選擇性軸向運動。也就係說，隨著螺栓89和90的轉動，當構件83和84被引導構件85和86引導時，複合繞組81軸向運動。

於使用中，由支撐板73和74上至少一對相應的相對的通道對來接收引導構件85和86。一旦將線圈元件77徑向定位並且固定到支撐板73和74上或其中的一個支援板上，技術人員能夠調節螺栓89和90以微調複合繞組81的任何的徑向位置。線圈元件77的這種形式還有助於隨後維修發電機71，因為於維修中，需要徑向調節發電機71的複合繞組81。

應當理解，能夠輕易地延伸鋁腳板72，以提供另的類似的支撐板的安裝結構，從而形成由相鄰的軸向隔開的機器形成的複合電機。也就係說，藉前述元件，能夠以基本上模組化的方式構造電機。對於具有雙轉子的機器，得僅使用三個適當的成形的板。也就係說，對於具有n個轉子的機器，僅需要（n+1）塊板。然，於n＞2的其它實施例中，得具有兩個端部轉子；即，其它的一個或複數轉子設置於這兩個端部轉子之間；前述端部轉子支撐於軸71c上，並且僅與一個相應的板相鄰。也就係說，對於n個轉子，則有（n-1）塊板。

於另的實施例中，前述板和前述轉子全部或部分地設置於殼體或其它外殼內。

是故，前述實施例提供了一種電機，其為發電機71，包括：複數基本上平行的支撐板73和74；由一個或複數前述支撐板73和74支撐的軸71c，其中前述軸基本上垂直於前述板延伸；安裝於軸71c上以相對於支撐板73和74旋轉的轉子71b，其中，前述轉子包括圓周週邊，於前述週邊處或鄰近前述週邊，設置有複數用以產生相應的磁場的間隔開的永磁體52；以及由一個或複數板（73；74）支撐的複數線圈元件，藉前述線圈元件，能夠選擇性地移動前述磁場，以於轉子71b和線圈元件77之間傳遞能量。

對於發電機71，能量的傳遞係指轉子71b的旋轉能量與線圈元件77的線圈產生的電能之間的傳遞。如果電機作為電動機操作，那麼能量傳遞係指將線圈元件77的線圈中的電能傳遞到轉子71b，作為旋轉能量。

發明人設想，能夠由太陽光線所引發的大氣中的帶電粒子所形成的量子泡沫中提取的能量來輔助前述實施例的設置的操作。這會於電流產生磁場脈衝的時刻，於空間的某處產生局部真空。周圍的大氣壓會進入前述真空空間，並且填充前述真空空間；而且，於該空間留有影響實施例的操作的帶電粒子。美國專利7,379,286（由Haisch等人公佈的）中討論了這種能量轉換方法，其公開的內容全部引入本發明。

本發明的不同優選實施例的主要優點如下。與先前發電機、電動機和其它電機相比，能源效率更高。提高了操作的靈活性。減少了用以給定輸出的尺寸和重量。降低了生命週期成本。結構簡單、損耗低。於轉子上使用稀土永磁體，而不使用線圈。由於轉子上使用的係永磁體，是故，無需向轉子線圈輸入能量。因為不再需要轉子和定子之間的電氣連接，係以不需要電刷，從而減少了損失。定子線圈需要的銅較少。因為得依靠磁鐵的特性產生所需的力，係以，不需要大量的帶有強電流的繞組。是故，降低了電阻損耗。工作溫度範圍廣泛。產生的熱量較少，並且不易受溫度變化和熱失控效應的影響。製造相對便宜。藉使用無定形多晶鐵氧體複合材料，得從機器中省略由金屬玻璃（Metglass）或特殊層壓鋼製成的昂貴的部件。也就係說，得由塑膠/鐵氧體的擠出部件製成電機的整個結構。降低I2R損耗。省略定子中的硬鐵芯。是故，就從電機中移除了熱源（由於感應而於常規電機中產生）。於轉子中使用一種或多種無定形金屬減少了通常於鐵中發現的磁滯損耗以及感應熱積聚。轉子中使用無定形金屬提供的磁能密度高達常規材料的10倍，是故，實現了更加緊湊和高效的設計。適應各種設計配置，例如，需要高功率輸出和/或低起動轉矩的設計配置。

於本文的描述中，闡述了許多具體細節。然，應當理解，也得於沒有該等具體細節的情況下實施本發明的實施例。於其它情況下，為了不模糊對本文的描述的理解，沒有詳細地示出眾所周知的方法、結構和技術。

類似地，應當注意，於申請專利範圍中使用的連接術語不應被解釋為僅限於直接連接或聯接。得使用術語“耦合”和“連接”及其衍生詞。應當理解，該等術語不係彼此的同義詞。是故，“裝置A耦合裝置B”的表達範圍不應該被限制於裝置A的輸出端直接連接到裝置B的輸入端的裝置或系統中。這意味著於裝置A的輸出端和裝置B的輸出端之間存於路徑；前述路徑得係包括其它裝置或手段的路徑。“耦合”或“連接”得意味著兩個或複數元件要麼直接物理接觸，要麼電接觸；或者雖然兩個或更複數元件彼此不直接接觸，但它們仍然彼此協作或相互作用。

是故，雖然已經描述了本發明的優選實施例，惟本領域技術人員應該認識到，於不脫離本發明的精神的情況下，得對其進行進一步的修改；而且，前述修改旨於表示落入本發明的範圍內的所有的這種改變和修改。得從框圖中添加或刪除功能，而且，得於功能塊之間互換操作。

1‧‧‧無刷電機
2‧‧‧定子
3‧‧‧殼體
5、6‧‧‧線圈
7、8‧‧‧線圈
9、10‧‧‧線圈
15‧‧‧轉子
16‧‧‧轉子芯
20‧‧‧圓周週邊
21‧‧‧內表面
23、24、25、26‧‧‧永磁體
31‧‧‧輸入軸
32‧‧‧軸線
35‧‧‧控制電路
40‧‧‧電源插座
41、42‧‧‧電氣端子
43‧‧‧電負載
45、46、47、48‧‧‧無定形金屬構件
51‧‧‧發電機
52‧‧‧永磁體
53、54‧‧‧線圈
55‧‧‧輸出端
56‧‧‧子電路
57‧‧‧啟動電路
58‧‧‧啟動線圈
59‧‧‧開關
60‧‧‧電池
61‧‧‧發電機
62‧‧‧控制器
63‧‧‧開關
71‧‧‧發電機
71a‧‧‧定子
71b‧‧‧轉子
71c‧‧‧軸
72‧‧‧腳板
73、74‧‧‧支撐板
75‧‧‧間隔物
76‧‧‧徑向通道
77‧‧‧線圈元件
81‧‧‧複合繞組
82‧‧‧線圈架
83‧‧‧徑向內部構件
84‧‧‧徑向外部構件
85、86‧‧‧引導構件
87‧‧‧杆
89、90‧‧‧螺栓

將參照圖式僅以示例的方式描述本發明的實施例，其中：圖根據本發明的一個實施例的電機的橫截面視圖。圖2係圖1所示的電機的爆炸圖，其示意性地示出了線圈之間的電連接。圖3係根據本發明的另一實施例的用以發電機的定子的佈線的示意圖。圖4係根據本發明的實施例的用以另一發電機/電動機的佈線的示意圖。圖5係根據本發明的另一個實施例的具有第三圖所示的佈線的定子的無刷電機的俯視圖。圖6係圖5所示的機器的側視圖。圖7係圖5所示的發電機中使用的其中一個元件的俯視圖。

Claims

一種無刷電機，包括：轉子，其具有：具有週邊的轉子芯，以及複數間隔開的永磁體，其安裝於前述轉子芯上，並提供與前述週邊相鄰的相應的磁極；以及定子，其具有並聯連接的複數間隔開的第一線圈和與相應的前述第一線圈磁耦合的複數間隔開的第二線圈，其中，前述定子容納前述轉子，以允許前述轉子於前述磁極和前述第一線圈之間運動，使下列操作中的任何一項操作能夠引起另一項操作：前述定子和前述轉子之間的相對旋轉；以及前述第二線圈的兩端的電壓。
如申請專利範圍第1項前述之無刷電機，其中，前述複數永磁體於前述週邊處呈現相同的極性。
如申請專利範圍第1項前述之無刷電機，其中，前述複數永磁體於前述週邊處呈現交替的極性。
如申請專利範圍第1項至第3項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述複數永磁體包括偶數個磁體。
如申請專利範圍第1項至第4項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述磁體的數量係四的整數倍。
如申請專利範圍第1項至第5項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述複數永磁體關於前述週邊等角度地間隔開。
如申請專利範圍第1項至第6項之任何一項前述之無刷電機，其中，每個前述第一線圈纏繞於相應的芯上。
如申請專利範圍第7項前述之無刷電機，其中，每個第二線圈纏繞於相應的芯上，前述第二線圈和對應的前述第一線圈共用前述芯。
如申請專利範圍第1項至第8項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述第一線圈包括具有第一共同直徑的第一繞組，前述第二線圈包括具有第二共同直徑的第二繞組。
如申請專利範圍第9項前述之無刷電機，其中，前述第一共同直徑約為0.50至0.60毫米。
如申請專利範圍第9或10項前述之無刷電機，其中，前述第一共同直徑約為0.55毫米。
如申請專利範圍第9項至第11項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述第二共同直徑約為0.40至0.50毫米。
如申請專利範圍第9項至第12項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述第二共同直徑約為0.46毫米。
如申請專利範圍第9項前述之無刷電機，其中，前述第一共同直徑大於前述第二共同直徑。
如申請專利範圍第9項前述之無刷電機，其中，前述第一共同直徑比前述第二共同直徑長約18％至21％。
如申請專利範圍第1項至第15項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述第二線圈與輸出端並聯連接。
如申請專利範圍第16項前述之無刷電機，其中，前述第二線圈藉整流電路連接到前述輸出端。
如申請專利範圍第17項前述之無刷電機，其中，前述整流電路係雙向的。
如申請專利範圍第1項至第18項之任何一項前述之無刷電機，其中，前述定子包括複數基本平行的板；軸基本上垂直於一個或複數前述板延伸，並由前述板支撐；前述轉子安裝於前述軸上，以相對於前述板旋轉，以及前述永磁體產生相應的磁場；複數線圈元件包括由前述第一、第二線圈組成的對，並由一個或複數前述板支撐；以及前述磁場選擇性地穿過前述元件，以於前述轉子和前述元件之間傳遞能量。
如申請專利範圍第19項前述之無刷電機，其中，於使用中，前述板包括相對的面，前述面具有可釋放地滑動接收前述線圈元件的相應的安裝結構，前述安裝結構徑向延伸。