转子及其电磁场以不同 角速度旋转的发电机和电动机 本说明书所描述之系统及方法涉及电机领域，如：电动机和发电机，更明确地涉及使该类机器在稳定运转时，致使转子(电枢)与其所产生之磁场以一可选不同的角速度机械旋转。换言之，稳定运转时，转子磁场(磁通量)以同步转速旋转，而转子的机械旋转速度被选定不同于转子磁场转速，因而省去了当转子机械转速不同于转子磁场转速时所需的转矩传动装置。
其应用之一范例为：以一原动机驱动一发电机，诸如一涡轮机，使其在高于一电力发动机之传统同步转速下更有效率地运作，(如：在频率为50赫兹或60赫兹电力状态下，其转速分别高于每分钟3000转或每分钟3600转)，并可避免在原动机与发电机之间使用转矩传动装置。
电动机与发电机的使用已超过一个世纪，其原理可追溯到法拉第(Faraday)和弗贵特(Fouquet)。此原理简述如下：
一电流沿着置于一磁场中的导线流通，产生一推力推动该导线相对于磁场运动，藉此将电力转变成机械力，反之，若藉由一机械力(大于该电磁力)使置于一磁场中的导线相对于该磁场移动，该导线产生一电流或于该导线两端产生电压，于是将机械动能转换成电力。为满足不同的电力产生标准，发明了不同类型的发电机/电动机系统。作为发电机和电动机之电机概略可归类为：(1)直流式(DC)、(2)交流式(AC)和(3)感应式。所有这些类型的电机都遵守法拉第电动定律，日后经伦茨(Lenz)更精确地描述为：置于一磁场中的带电流导线将产生一同时垂直于该电流及该磁通的力。
一典型直流式机器具有产生定子磁场(磁通)的定子，其于空间上(或至少相对于一转子之转轴方向上)本质上是静止不动的，及一带有电枢绕组的转子，该电枢绕阻端接到整流片上。电刷与整流片电接触以传送电力至该转子电枢绕组，藉此于该电枢产生一转子磁场，该电枢轴角与该定子磁场轴角形成一夹角，并产生一电动力。在该电枢旋转一可选角度后，一组新的整流片与该电刷电接触藉此持续提供电动力。当该电枢在一固定的定子磁场中稳定旋转时，该电枢在空间上亦产生近乎固定的磁场(仅相对于该整流片之磁场移动一角度)，但相对于该电枢绕组，其产生之磁场以近乎相同于该转子机械转速之角速度反向旋转。倘若该机器被作为一电动电动机运转，流经该电枢绕组之电流愈强，其产生的转矩就愈大。另一方面，由于该绕阻在固定之定子磁场中旋转，该电枢绕组亦会产生电力。其旋转愈快，同理该电枢绕阻产生之电力愈高。此电力(反电动力)抵消经由该整流器所提供之电力，以降低该电枢上之电流。此效应避免一典型DC电动机发生飞速转速(单位为每分钟之转数rpm)。该定子磁场和电枢磁场之组合扭曲该磁轴轴向。部份较高品质之直流电动机可依转速调整电刷位置以增进效率，继而增进该电动机之输出。这意味该电刷所在位置控制该电枢磁场之轴向。同理，在发电状态下该电刷有时亦依该发电机转速而转动以增进电力输出。
一典型交流发电机/电动机在一随时间而改变方向之磁场中运转。倘若将一直流发电机之整流器换成一对具有与其接触之一对电刷的导电环，(电力从该旋转之电枢引出)，该直流发电机即成为一典型交流发电机。
倘若将该电枢和该磁场之位置互换，可省去电刷。电力输出与该磁场强度成正比，其频率为一转速之直接函数。此倒置为一现代同步发电机之基本设计原理。该旋转磁场经由一对滑环和电刷获得直流电流。藉由调整此电流以控制该电力输出。该同步发电机之优点为该旋转磁场不横切过一设计的固定磁通，因而几乎不产生反电动力。该系统被进一步改良，藉此可经由一小型交流发电机将该电流整流为直流电流。该小型交流发电机之强度直接调节其直流电磁场强度。该小型交流转直流发电机可装配于与电枢之转轴相同之转轴上，其输出端被常态地与电枢之输入端相连，藉此省去该滑环和电刷。在电动机运转状态下，需提供一旋转磁场一简易作法为使用一具有三角型或Y型绕阻之三相交流电力。当该电枢在直流状态下，该交流机器转动该磁场；相反地，直流机器在直流(或固定)状态具有磁场，且该磁场在电枢内做反向旋转。
感应式电动机/发电机具有一藉由一三相交流或一单相交流电源所产生之旋转磁场，但藉由一自成短路之感应绕阻延迟一磁场角落。一较令人满意之简单电动机，事实上是将电枢绕组设计成鼠笼状。电枢和磁场的转速差使电枢感应或产生成电流。此转速差又称滑差转速。倘若感应式电动机以同步转速运转，线圈内之导体不与磁场产生实质上之相互感应，因此没有可产生运转力之感应电流。因此，感应电动机必须滞后或超前于磁场转速。所以感应式机器是一个组合模式地机器，其优点是结构简单，但不能做为等速或固定频率的机器。
交流同步发电机的转速与输电线频率相关，因此大部分60赫兹的机器具有每分钟3600转之转速，或此转速之整分数，且50赫兹的机器具有每分钟3000转之转速，或此转速之整分数。因此其为发电工业及机器设计者带来不少困难，因为，驱动发电机的原动机必须以同步转速运转(除了必需给予其一参考频率之感应发电机外)。随着原动机的逐步改进，某些原动机若是在非常高的转速下运作，即可产生非常高之功率。此意谓着，原动机的重量虽然可以减少，但取而代之的是笨重的转矩传动装置，因此增加成本及维护费用。
本说明书详述一旋转磁场同步发电机或电动机，其使用电力或电子控制以取代笨重的机械传动装置，由此原动机驱动转子使原动机(驱动或被驱动)不必在与电网频率直接相关的速度下旋转。50或60赫兹系统间之变更非常容易。利用电脑控制系统，只需修改控制程式即可达成此种变更。
在一例示性实施例中，电力被供应至电枢绕组，使所得之电磁场旋转之角速度选择性地不同于电动机旋转之角速度。因此，电动机之角速度与其所产生之磁场上的角速度限制间可不具关联性。藉此所得之一范例为，在无需传动装置的情况下，一高速旋转的涡轮机可以驱动一发电机之转子以对涡轮机自身而言最有效率的角速度旋转，而在定子绕组内所感应的电力是为所需的电网频率，即：50或60赫兹。另一范例为，一电动机可以非常简易且维持高效的状态下在各种转速下运转。
所述系统之一个优点为，当原动机和电机具有不同的运转转速时，其简化了机器结构，因此转矩传动装置可以被省略或不负荷输出转矩。所得之结果是降低尺寸、重量及造价。
另一优点为，以一电力或电子装置取代机械传动装置使变速或自动传动成为一连续过程。此特点将改变传统的车辆、船舶、涡轮推动飞行器、航天器以及其他应用领域中的动力推进观念。
另一优点为，使用体积小的电力导体将高压交流电动机转换成高压直流机器，藉以节省重量。交流电压比直流电压容易变更，在当今电子技术下，可轻易地将直流变成交流。
另一优点为，可在不受轴速影响的频率下运转电力系统。
本专利说明书所述的旋转磁场机器另一优点为，它本质上是一同步机器，但其转轴并不以同步转速旋转。
此机器之另一优点为，虽然其为同步机器，但亦可产生反电动力，可具有调节馈给电流的作用，使机器可在低电枢电流或低转矩下保持低的旋转速度。当起动一般大型电动电动机时，调速控制通常是一困难问题。起动电路可能非常复杂且操作困难。
另一优点为，使用非接触耦合，如光耦合，代替电刷和整流器，以便达到所谓的无刷运转。
可利用一固态电路提供脉波或波形整形，避免因两个整流器同时接触电刷造成的突然放电。
本专利说明书所述之系统的另一优点为，其可以很方便地增大或减小系统规模。因为系统在高转速、低转矩时可以产生相同的马力，反之亦然，进一步减少电动机/发电机的重量。
图1显示电机的基本原理。
图2显示典型直流电动机或发电机之结构原理。
图3显示一典型交流发电机的原理。
图4a为一剖面视图，显示一典型感应式电动机/发电机之原理；
图4b是一立体图，其显示一感应式电动机/发电机的鼠笼转子/电枢。
图5a是一剖面视图，显示一双磁极、同步、三相发电机/电动机的原理；图5b为一剖面图，主要显示一四磁极发电机/电动机的原理；
图5c显示一三相电磁场绕组的磁场外观特征。
图6是一剖面视图，显示一直流电动机/发电机及其绕组、整流器结构。
图7a显示一旋转磁场三相发电机/电动机；图7b显示一将电流馈送给旋转磁场电枢之电路，其与一用于无刷运转同步发电机/电动机的电路相同或相似。
图8a与8b显示电枢磁场(由电刷及整流器位置控制)，该电枢磁场以三相旋转磁场同步转速旋转，其转速可与转子转速不同。
图9a显示一机械旋转电刷装置；图9b显示一驱动电刷与转动轴一起旋转的典型传动装置；图9c是一典型传动装置之端面视图；图9d是一剖面视图，其显示图9b之详细情况。
图10显示一单片的固态整流装置的示例。
图11a至11d显示由电刷元件产生一电火花之整流运作及原因。
图12a显示由一机械整流系统所产生的电流波形；图12b显示由一电波整形所产生之滤波图。
图13显示一用于定子和转子之光耦合盘。
图14显示一使用二种不同色发光二极管(LED)之范例，该发光二极管耦接至滤色镜以将一信号传送至光电二极管。
图15a及15b显示一具有将控制延迟信号按顺序依次触发发光二极管之固态脉冲发生器。
图16a显示一用于产生方波脉冲之集成电路；图16b显示一将一触发脉冲转换成序列信号之电路；图16c显示一以光电二极管作为触发信号的高电压、高电流电路，以及一单一整流片之配置。
图17显示一电机之剖面视图。
图1显示一典型之电动交互机器的原理。直流电源1向一线圈10提供电流，产生一定子磁场20。一电源(或负载)2与线圈15相连，由该线圈在转子或电枢30上产生转子磁通量。电磁引力使电枢30旋转。倘若元件2是一负载，并且电枢30由一发动机(未图示)驱动使其相对于定子线圈10以一适当角速度旋转，则将在线圈15产生电能并提供给负载2。倘若元件2是一向线圈15提供适当变更电流之电源，转子30将相对于定子线圈10旋转。
图2显示一直流电动机/发电机的原理，其使用一由一永久磁铁所产生之直流磁场21。一转子31设有一电枢绕组16，其中x符号表示电流流入导线，·符号表示电流流出导线。当转子31旋转时，电刷40向绕组16馈给电流。当系统以一电动机稳定运转时，经由电刷40供给适当极性之电源至绕组16将产生一转子磁场，推动转子31使其相对于定子磁场21旋转。当系统以一发电机稳定运转时，使转子31相对于定子21旋转，从而在绕组16内感应电流，该电流经由电刷40被输出到一负载(未图示)。
图3显示一交流发电机的原理。定子磁场21为一直流磁场或永久磁场。电枢线圈18与滑环50和51相连，藉此当电枢线圈18在定子磁场21中旋转时，输出电流及电压。电枢线圈18之旋转产生一与标准交流电波形相匹配的正弦波形。
图4a显示一感应式电动机/发电机的原理。一单相交流电源经由一绕在磁极22的定子绕组23产生一旋转磁场。一时间延迟短路电路线圈24设置于磁极22的一角产生定子磁场旋转运动。转子是为一个鼠笼式电枢32，其以不同于供予磁场绕组23之交流频率的频率旋转，以产生一感应电流，所得之交互作用力推动或拉动转子32随之旋转。当转子32的转速低于旋转定子磁场的转速时，转速差在鼠笼电枢中产生电流。此即为感应式电动机之工作原理。相反地，当转子转速高于旋转磁场转速时，此系统则成为一发电机。
图4b显示一电枢32之立体图，该电枢具有终止于端点17之直线导体19而非绕组，以及支援转子结构之旋转运动的转轴60。
图5a为一剖面视图，显示一同步发电机/电动机，其具有双磁极及一三相定子磁场绕组24和一转子34，以藉由缠绕转子之线圈产生一旋转直流磁场。转子线圈同时亦可作为控制运转之装置。由于转子与定子磁场同步旋转，实质无感应电流，或反电动力。图5b为一剖面视图，显示一四磁极发电机，其具有一分布于周边之旋转磁场26及带有四个磁极的转子36。其电频率与双磁极机器相同，只是转子的转速实际上是图5a所示之双磁极机器的一半。图5c显示一三相电磁场绕组之特征，其中导线间的角度代表其相位间的夹角。
图6为一整流直流电动机之剖面视图，其中一定子产生一直流磁场21，且一转子16的线圈与整流片80和电刷40依一典型的方式相接触。每个整流片通常与两组电枢线圈连接。
图7a是一剖面视图，显示旋转磁场发电机的原理。定子线圈22的外部旋转磁场的配置与一三相交流发电机/电动机的配置相同。旋转磁场可为一单相系统，如感应式或其他类型之机器。内部转子为一典型的整流器式转子系统，具有与整流片80和与整流片80接触之电刷40，不同处在于电刷40安装在与转子同心的一转轴61上，并与外部磁场同步旋转。电刷40进一步与一对滑环50和51相连。电流经由电刷42和43与滑环相连。一直流电源(图中未示)之电源供应必要的电流。与图5a所示之已知同步发电机不同之处在于，该转子可以以不同于交流电源的转速旋转，因而可以产生反电动力电压。因此，磁场控制器是一电流反馈电路，而该已知系统可为不具反馈的电压控制。此设计之反电动力电压限制当感应电动机启动时所产生的电流突变。当转子在一同步转速旋转时，反电动力电压大致上消失，此时的发电机便像同步机器一样运转。当转子在一高于同步转速的速度旋转时(小型燃气轮机和高速汽油发动机均可能有此情况)，转子转速愈高，感应的反电动力电压愈大(或在恒压电源供电时，电流愈小)，因而，降低电动力或将一转子减速成一电动机。此意味着转子的转速可被自我限制。作为一发电机时，其效果刚好相反，因而需要一反馈控制电路，当转子加速时，增加电压之速率使其高于转子的加速度以产生自动调节效果。另一方面，作为一发电机时，其转速控制是由引擎所提供，所以不成问题。可以预见，无需修改(或略微修改)同样的无刷电路即可以代替滑环50和51以及电刷42和43。
图7b显示一可以像转子一样安装在转轴61上的小型交流发电机，经由整流将交流电转换成直流并将电流馈给到图7a中的旋转磁场线圈，从而省去滑环。此种构造的发电机又称无刷发电机。
图8a和8b显示之范例中，电刷以与磁场相同之方向及速度旋转(亦即同步)，而转子可以与其相反的方向被驱动。当这些设置在发电机运转时，反电动力电压与所馈给的电源电压串联(叠加)，因此产生同样的限制转矩。在所有的情形下，电刷的位置决定转子磁场的轴方向。ωB表示电刷转速、ωF表示旋转磁场转速、ωS表示转轴转速。ωS可以与ωF不同，但是ωB与ωF相等。
图9a显示一典型的机械结构，其中，转子的机械转动角速度可以选定为与其所产生之磁场转速不同。电枢转轴60由轴承72支承，但电枢40是安装在一不同的装置63上，此装置具有一个由另一轴承70所支承且与电枢转轴60同轴心的转轴62。图9b显示利用一具有齿轮74和73的传动系统耦合旋转电刷40和电枢转轴60，其中电刷40由轴承75支承，使装置63成为一电动耦合同步发电机之结构。图9c进一步显示传动装置并没有承受整个机器的转矩负载。周9d是一剖面视图，显示一连接套杆76将旋转电刷40和外齿轮74相连接的位置，其是耦合至电极端子X和Y。由于连接套杆76与转轴61不同轴心地设置在转轴外围，需要在两者之间垫有一环套77以填补其间之间隙。亦可采用其他传动装置，如行星式传动装置。
图10中的设计使用光触发的光感应器控制固态电路的导通，使转子的角速度不同于其旋转磁场之角速度。现代新型的固态晶体管，如：CM300HA-1ZE，可以在500伏电压下开关500安培的电流，故完全适合于此应用。整流器元件81与一对光耦合元件102和201耦合连接。这两个元件，其中一个为正向；另一个为反向。这些固态设备，分别端接到其各自的电流总线90和91，后者向转子绕组输送电流。根据本发明所揭示之系统，该正向及反向总线90和91也可以制成环状。正向设备102上具有一光感应器104；反向设备102上具有光感应器204。各设备由一发光二极管或专门设计的光开关系统装置触发以取代机械旋转式电刷。总线再依一般同步发电机/电动机所使用的方法连接，藉而由此构成一无刷机器。
图11a至11d显示了机械电刷系统的某些特性。当电刷与两个整流器元件相接触时，电刷将一段线圈短路，而在电流可被换向之前，被截留的磁能必需被释放出来。此种现象容易造成电流突增并出现火花。图11d显示电刷整流事实上是一个跃变过程，于一瞬间突然发生。由于线圈的感应现象，实际的整流过程不是理想的线性变化。
图12a显示非线性电刷整流过程造成的电流方波脉冲。光耦合中亦会出现此现象。但经过一个缓冲(光滑滤波)电路，方形脉波可以变成钟型波(图12b)，使电流实质上可以线性释放。图12b显示个别脉波的波幅包线。倘若使用三个脉冲，中间脉冲的波幅将大于两边的波幅。
图13例示了一个用以产生一旋转电磁场的光学环形装置，该旋转电磁场的角速度被选定成与一电机的转子的角速度不同。一固定环300由不透明绝缘材料制成，其具有多个发光二极管320和310，以触发正反电流控制电路。发光二极管按时间顺序发光，以模拟固定环300内的转动。二极管310触发正向元件(如图10所示的102)；二极管320触发反向元件(如图10所示的201)。此环可被制成圆拄状或其他形状而并不显著地影响其工作及效果。
图14例示了另一种光学装置，其可被用以产生一旋转电磁场，该旋转电磁场的角速度被选定成与一电机的转子的角速度不同。发光管120被一光源140触发。光通过一滤光片(如：红色)121。一前方具有一红色滤光片的旋转光感应器122接收来自发光管120之光信号而不产生干扰。位于180度角相对应的位置上的一绿色发光管130被同时触发，由其发出的光通过一绿色滤光片131，且由一旋转光感应器132所检测，当光感应器132被来自发光管130的光触发时，导通一反向电流。因此，红色及绿色元件的作用相当于电枢和整流器，但具有较佳的电动控制及改良的功用。发光管可以被控制使其按一顺序触发，如图15a和15b所讨论的。
图15a图示一固态装置，其信号通过一数位延迟电路140以产生一精准延迟的方波信号141、…、150，周而复始，其形状如图15b所示以模拟整流光信号。
图16a至16c图示为固态电路，其可完成图13至图15b所述功能。图16a图示的电路，其可产生可变宽度的方形脉冲(如图15b所示)，用以触发如前所述的发光电路。图16b图示一控制电路405的结构，其接收触发脉冲400，并按所选择的顺序激发成对的发光管410。图16c图示如图10所述之无刷光电开关电路的结构，其增加了与整流器440连接的电枢绕组450。未来，新的装置将不断研发出现，但其将不会改变本文所述的功能和基本原理。
图17为一旋转磁场电机主要组件的切面图。定子500装有定子线圈510，且整流片530是电气耦合至安装在转子(图中未示)上且在稳定状态下在定子500内旋转的电枢绕组。假设该机器在稳定状态下是以一发电机状态运转，该电枢绕组产生一旋转电磁场520，其在定子绕组510上感应电流，该电流被馈给至一负载。发光管560由前述的一光电开关装置所控制，以激发光电二极管562，考虑到负载有整流段530的定子的机械转速下，以按箭头550所示方向的顺序控制馈给整流片530上的电流，依一所欲之角速度旋转磁场520。转子与磁场520的角速度可依一发光管560激发顺序所决定的选定量形成角速度差，此可藉由电子或软件控制方式达成，因此可以随意选定及/或改变该速度差。假设该机器是以一电动机状态运转，可应用同样的原理，使旋转角速度被选定与负载整流片530的转子不同。
方法
在传统的发电机/电动机中，电枢和其产生的磁场本质上是以磁场绕组的同步转速旋转，使电枢仅可以同步转速旋转。相反地，而本文所述系统和方法在电枢阶层使用一同步磁场转速，却能使实际电枢转速为另一其他值。经由机械或电子(如：电脑)控制之旋转整流系统，不论电枢转速的数值ωA为何，并考虑到因独特几何所致之近似值，使电刷转速ωB等于磁场转速ωF(ωB=ωF)就可实现上述功能。保持电枢转速和电刷转速的差值，又称：转速差(转速差=ωA-ωB)。藉此容许由转速差产生的反电动力可以自身限制飞逸转速，并藉由感测电枢转轴转速而产生电脑反馈。磁场转速具有一相位角以电气地产生一“电刷转速”，使所得之电枢磁场同相，并以同步转速旋转。
因此，本文所述系统及方法使用一用于交流及直流电动机/发电机系统之电气地控制的转矩转换系统，而无需笨重、复杂的机械传动装置；因而减轻重量、复杂度、及造价。光控电刷移动系统在一交流同步电源应用中特别有效。已知当电动机转换速度时，通常需要改变或调节电刷的位置。以往，需要加装第三组电刷以能在一不同速度下移动。如今，可以光耦合整流装置代替，其中仅需要部分整流环，且发光管可藉由反馈在最大磁场强度上下自动地调整。本系统及方法可使整个发电系统简单、轻便、造价低廉。可以将光耦合整流概念组合应用于一直流电动机/发电机和同步交流电动机/发电机中，即使使用传动装置，亦可以不必负载转矩。当电动机被用于一能量转换装置，若其产生同步能量且转子是以高速旋转，输入转轴能以低转矩传输功率。藉此，实质上达成了机械传动装置之功能却没有机械传动装置之成本及问题。此手段所获致之结果的基础性改变了电动系统的设计的应用，如电气汽车及同步水轮机的运转等，此等应用之部分负载运转通常无法被最佳化。当然仍有多种应用。
适当的固态电路开关装置的广泛应用使本系统及方法更加便利。使用非光学系统，如局部磁脉冲或电场效用装置可以实现软耦合。当然，本系统及方法并不意味着废弃电刷系统，对于小型机器或其他特殊应用，电刷系统仍可以发挥其作用。
本发明已结合不同图示的较佳实施例予以说明，但可使用或改良其他相似实施例，在不背离精神和范畴时也可执行本发明相同功能的所述实施例。因此，本发明的范围并未受限于任何上述说明及图示，本发明的范围构建在如后附的权利要求书中。