[发明专利]低速电磁涡轮机

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于产生机电功的装置。尤其而非排他地，本发明涉及电磁涡轮机。

背景技术

电测量理论中公知的方面是，在电流通过简单棒式导体时，其感应出与电流流动方向垂直的磁场。由于所感应出的磁场，包括电流的各个移动电荷受到力的作用。施加到各个移动电荷上的力产生转矩。该原理是支持诸如电动机和发电机的装置的基础。

最常见的DC电动机由三个主要构件组成，即，定子、电枢/转子以及换向器。通常，定子提供与在电枢中感应出的场相互作用以产生运动的磁场。换向器每半个旋转使电枢中流动的电流反向，从而使电枢中的场反向以保持其在场内沿一个方向旋转。最简单形式的DC电动机能够由以下三个关系式来描述：

e_a＝KΦω

V＝e_a+R_ai_a

T＝KΦi_a

其中，e_a为反电动势，V为施加到电动机的电压，T为转矩，K为电动机常数，Ф磁通，ω为电动机的转速，R_a为电枢电阻，以及i_a为电枢电流。

典型电动机中的磁场是静态的（在定子上）且利用永磁体或利用线圈形成。在电流施加到电枢/转子上时，电枢中每个导体上的力由F=i_a×B给出。反电动势是由于电枢内的导体旋转通过静态场引起的相对磁通率的变化而产生的。因此，电枢电压回路包含了反电动势以及绕组中的电阻损耗。因此，DC电动机的速度控制主要通过施加到电枢上的电压V，而转矩与磁通和电流的乘积成比例。

因此，为了使得DC电动机中的转矩最大化，假设仅仅是将磁场或所供给的电流进行增大的问题。然而，实际上，存在多方面限制。例如，能够经由永磁体产生的磁场的大小受多种因素限制。为了使永磁体产生非常大的磁场，则磁体的物理尺寸要相对大（例如，尺寸为230mm N35的磁体能够产生几千高斯（kG）的磁场）。非常大的磁场能够利用多个磁体来产生，而磁体的尺寸和数量再次增大了系统的整体尺寸和重量。电动机的尺寸和重量都是诸如电驱动系统等应用中的重要设计考虑。产生较大磁场可利用标准线缆线圈，但是尺寸、重量和加热效应使得标准线圈的使用不切实际。

需要考虑的对转矩有影响的另一因素是由于电枢/转子内形成的涡流所造成的阻力产生。在如下情况下产生涡流：即，磁场中具有短暂变化、通过导体的磁场的变化、或者由于磁场源与导电材料的相对运动引起的变化。涡流按照楞次定律感应出与原磁场的变化相反的磁场，造成了导体和磁体之间的斥力或拉力。对于假设材料和场为均匀的简单导体的情况而言的涡流以及忽略趋肤效应所造成的功耗（P）能够通过下式计算：

其中，B_p为峰值磁通密度，d为线缆的厚度或直径，ρ为电阻率，σ为电导率，μ为磁导率，f为频率（场变化）以及贯入深度（D）。

从上面的等式能够看出，随着磁场增强，涡流的大小和效应增强，即，磁场越高，则涡流所产生的拉力越大。除了磁场强度之外，电枢中的导电元件的电阻率和厚度也是因素。对电枢中的导电元件的材料的选择在很大程度上影响能够施加到电枢的电流量。

鉴于前述情况，提供能够以相对高强度磁场工作且能够减轻上述现有技术缺陷中的至少一些缺陷的用于产生机电功的装置和系统是有益的。

发明内容

本发明公开的内容

应当理解的是，在整篇说明书中术语“涡轮机”用于指代包括有响应暴露于大致均匀的场而产生机械功的一个或多个转子的结构。

因此，在本发明的一个方案中，提供一种涡轮机，所述涡轮机包括：

相斥布置的一对磁性元件；

鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，所述鼓组件包括绕鼓设置的多个导电元件，其中将所述导电元件连接以形成通过所述鼓的电路；以及

施加电流通过所述电路引起鼓旋转。

在本发明的另一方案中，提供一种涡轮机，所述涡轮机包括：

相斥布置的一对磁性元件；

多个鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，每个鼓组件均包括绕鼓设置的多个导电元件，其中将导电元件连接以形成通过每个鼓的电路，并且其中，鼓电接合在一起以形成通过涡轮机的电流路径；以及

施加电流通过所述电流路径使所述鼓组件共同地旋转。