CN1771648A - 扭矩转换器和使用该转换器的系统 - Google Patents

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Abstract

一扭矩转换器包括一围绕一第一轴线转动的飞轮，该飞轮包括一第一本体部分，安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体的各个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸，安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体，多个第二永久磁体的各个磁体定位在对应的邻近对的多个第一永久磁体之间，以及一可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动的发生器圆盘，该发生器圆盘包括一第二本体部分及在第二本体部分内磁性地联接到多个第一和第二永久磁体的多个第三永久磁体。

Description

扭矩转换器和使用该转换器的系统
本申请要求对2003年1月17日提交的美国临时专利申请No.60/440,622的优先权，本文援引该专利以供参考。
技术领域
本发明涉及一扭矩转换器和使用该扭矩转换器的系统。具体来说，本发明涉及一扭矩转换器，其根据永久磁场的压缩和解压能放大一给定的扭矩。此外，本发明涉及一使用该扭矩转换器的系统。
背景技术
一般来说，扭矩转换器利用发生器圆盘和飞轮之间的机械联接来将扭矩从飞轮传输到发生器圆盘。然而，由于发生器圆盘和飞轮之间的摩擦力，某些提供给发生器圆盘的能量转换为摩擦能即热能，由此降低了扭矩转换器的效率。此外，摩擦力在扭矩转换器的所有移动部件上造成相当的机械磨损。
发明内容
因此，本发明涉及一扭矩转换器，其基本上避免了因现有技术中的局限和缺点所引起的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一具有输出增加的扭矩转换器。
本发明的另一个目的是提供一使用一摩擦磨损减小的扭矩转换器的系统。
本发明的另一个目的是提供一使用不产生热量的扭矩转换器的系统。
本发明的另一个目的是提供一使用飞轮和发生器圆盘之间没有物理接触的扭矩转换器的系统。
本发明的另一个目的是提供一使用允许一物体插入或驻留在飞轮和发生器圆盘之间的扭矩转换器的系统。
本发明的其它的特征和优点将在下面的描述中予以阐述，部分将从描述中得以明白，或通过本发明的实践而得以了解。通过在书面描述和附后的权利要求书以及附图中具体指出的结构，将可实现和达到本发明的目的和优点。
为了达到上述和其它的优点，并根据本发明的目的，如具体实施和一般性地描述的那样，扭矩转换器包括一围绕第一轴线转动的飞轮，该飞轮包括一第一本体部分，安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体中的每个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸，和安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体，多个第二永久磁体中的每个磁体定位在对应的邻近对的多个第一永久磁体之间；以及一可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动的发生器圆盘，该发生器圆盘包括一第二本体部分和在第二本体部分内磁性地联接到永久磁体的第一和第二磁极的多个第三永久磁体。
在另一方面，一用来产生电力的系统包括一电机、一联接到电机上的飞轮，该飞轮围绕第一轴线转动并包括一第一本体部分，安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体中的每个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸，安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体，多个第二永久磁体中的每个磁体位于对应的邻近对的多个第一永久磁体之间，可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动并磁性地联接到飞轮的至少一个发生器圆盘，发生器圆盘包括一第二本体部分，在第二本体部分内磁性地联接到永久磁体的第一和第二磁极的多个第三永久磁体，以及一联接到发生器圆盘的发电机。
在另一方面，一用来将扭矩转换为电力的系统包括一电机、一联接到电机上的飞轮，该飞轮围绕第一轴线转动并包括一第一本体部分，安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体中的每个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸，安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体；多个第二永久磁体中的每个磁体定位在对应的邻近对的多个第一永久磁体之间，可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动并磁性地联接到飞轮的至少一个发生器圆盘，每个发生器圆盘包括一第二本体部分，在第二本体部分内磁性地联接到永久磁体的第一和第二磁极的多个第三永久磁体，以及一联接到围绕第二轴线转动的第二本体部分的第二驱动轴。
应该理解到，上述的一般性描述和下面的详细描述都是示范的和解释的，并意图提供如权利要求书所阐述的本发明的进一步的解释。
附图的简要说明
所包括的诸附图提供对本发明的进一步的理解并构成本申请的一部分，附图示出本发明的实施例，它们连同说明书一起用来解释本发明的原理。在诸附图中：
图1是根据本发明的一示范的飞轮的布置图；
图2是根据本发明的一示范的发生器圆盘的布置图；
图3是根据本发明的图1的飞轮的示范的磁场的示意图；
图4是根据本发明的扭矩转换器的一示范的初始磁性压缩过程的示意图；
图5是根据本发明的扭矩转换器的一示范的磁性压缩过程的示意图；
图6是根据本发明的扭矩转换器的一示范的磁性解压过程的示意图；
图7是根据本发明在图5的磁性压缩过程中图1的飞轮的一示范的磁性力图形的示意图；
图8是使用根据本发明的扭矩转换器的一示范系统的示意图；以及
图9是使用根据本发明的扭矩转换器的另一示范系统的示意图。
具体实施方式
现具体参照本发明的所示实施例，诸实施例的实例图示在诸附图中。
图1是根据本发明的一示范飞轮的布置图。在图1中，飞轮109可由圆柱形内芯的复合材料例如尼龙材料形成，沿飞轮的圆周边缘可用诸如非磁性的不锈钢或酚醛材料的非磁性环116镶边。飞轮109可包括多个磁体，它们设置在飞轮109的多个等距离间隔的第一径向槽101内，其中，每个磁体可产生相对强的磁场，例如，48mgoe(磁性高斯奥斯特)或更大的磁体。此外，各个磁体可具有圆柱形，并可由一圆柱形背衬板203予以支承(图3)，背衬板可为设置在多个第一径向槽101的各个槽内的软铁或钢。
磁体在安装到飞轮109的多个第一径向槽101内之前可进行充电，其对未充电的材料施加近似为±485,500瓦特的电力(475伏x1022安)持续约0.01秒。或者，根据所要求的磁体的磁场强度，可施加特定量的功率和/或特定的时间对磁体充电。
在图1中，飞轮109还可包括沿飞轮109的圆周面设置在多个第二径向槽107内的多个抑制磁体，其中，抑制磁体的表面可从非磁性环116凹入。此外，多个第二径向槽107的各个槽可设置在多个第一径向槽101的各个槽之间。例如，八个抑制磁体中的每个磁体可设置在八个槽107的各个槽中，而八个磁体中的各个磁体可设置在八个槽101的各个槽内。当然，第一和第二槽101和107内的磁体总数可以变化。因此，八个槽107内的抑制磁体和飞轮109的八个槽101内的磁体具有面向飞轮109的圆周的北极磁场以及沿径向向内朝向飞轮109的中心部分的南极磁场。
设置在磁体南极的多个第一槽101内的磁体的端部处的背衬板203(在图3中)使磁场强度沿着一径向方向朝向飞轮109的圆周。因此，多个第一槽101内的磁体的磁场与设置在多个第二槽107内的抑制磁体的相互作用形成一如图3所示的磁场图形(MEP)，该图形是围绕飞轮109的圆周边缘部分的重复的弧形，即正弦曲线。
图2是根据本发明的一示范的发生器圆盘的布置图。在图2中，一较佳地由尼龙或复合的尼龙圆盘制成的发生器圆盘111可用不锈钢环112镶边。发生器圆盘111可包括彼此相对的两个矩形磁体301，其沿着一公共中心线CL通过发生器圆盘111的一中心部分C，其中，各个矩形磁体301可沿着发生器圆盘111的圆周部分设置。各个矩形磁体301可具有一第一长度L，其沿垂直于公共中心线的方向延伸，其中，矩形磁体301的厚度可以小于第一长度。此外，各个矩形磁体301可具有一相对大的磁场强度，例如约48mgoe或以上，其中，矩形磁体301平行于发生器圆盘的主表面的表面可以是南极和北极之一。尽管磁体301的总数显示为两个，但也可使用多个磁体301。此外，可以使用偶数或奇数的磁体301，并可调整磁体301之间的间隔以达到理想的磁结构。
图4是根据本发明的扭矩转换器的一示范的初始磁压缩过程的示意图，图5是根据本发明的扭矩转换器的一示范的磁压缩过程的示意图，而图6是根据本发明的扭矩转换器的一示范的磁解压过程的示意图。图4、5和6是从发生器圆盘的后面观看的示意图，即与具有矩形磁体301的发生器轮111的表面相对的表面，而飞轮109位于发生器轮111的后面。此外，飞轮109向下沿顺时针方向转动，而发生器轮111沿一向上的逆时针方向转动，其中，发生器圆盘111可与飞轮109间隔一小气隙，例如，在约3/8英寸至约0.050英寸的范围内。或者，小气隙可根据具体的应用确定。例如，需要一较大构造的飞轮和发生器圆盘的系统可要求较大或较小的气隙。同样地，需要较强或较弱磁体的系统可要求具有特定气隙范围的气隙。此外，为了解释起见，现将多个第一槽101简单地称之为驱动磁体101，而将多个第二槽107简单地称之为抑制磁体107。
在图4中，设置在发生器圆盘111上的两个矩形磁体301开始进入介于由驱动磁体101产生的两个北极之间的飞轮109的磁场图形(MEP)内的空间之一。驱动磁体101可以沿飞轮109的圆周的中心线设置，或可沿在一偏离结构内的飞轮的圆周设置。飞轮109内的驱动磁体101之间的间隙是这样一位置，其中，MEP为南极磁场最靠近飞轮109的外周缘。当飞轮沿着向下方向转动时，面向飞轮109的圆周边缘部分的发生器圆盘111上的矩形磁体301的北极受到飞轮109的驱动磁体101的北极的排斥。
在图5中，一旦发生器圆盘111上的矩形磁体301之一完全地直接占据在飞轮109的两个相邻驱动磁体101的北极之间的间隙，则飞轮109上的抑制磁体107的较弱的北极因发生器轮111上的矩形磁体301的北极的存在而受到排斥。因此，飞轮109的外圆周下方的MEP的北极和南极磁场均受到压缩(如图7中的点A所示)。
在图6中，当发生器圆盘111上的矩形磁体301开始转出该位置和远离飞轮109时，矩形磁体301的北极受到飞轮109上的尾部驱动磁体101的北极斥力和受到沿飞轮109的圆周部分的MEP内的先前压缩的北极和南极磁场的磁性解压(即，弹簧返回)而被强力地推开。MEP内的北极的弹簧返回力(即，磁性解压力)在矩形磁体301移离飞轮109时对发生器圆盘111的矩形磁体301提供附加的斥力。
接下来，如图4所示，另一初始的磁压缩过程开始，并重复磁性压缩和解压的循环。因此，飞轮109和发生器圆盘111的转动运动继续。
图8是使用根据本发明的扭矩转换器的一示范系统的示意图。在图8中，一使用图4-7的扭矩转换结构的用来产生电力的系统可包括一由电源101供电的电机105，其使用一变频电机控制驱动器103来可转动地驱动联接到飞轮109的一轴407(也如图4-7所示)。此外，发生器圆盘111可联接到驱动轴113，其中，发生器圆盘111的转动将致使驱动轴113转动。例如，驱动轴113的纵向轴线可以垂直于驱动轴107的纵向轴线设置。
在图8中，驱动轴113可以联接到一包括一转子119和多个定子117的发动机上。因此，转子119的转动可导致发电机对一变化的变压器121形成交变电流输出。因此，可变变压器121的输出可提供给一载荷123。
图9是使用根据本发明的扭矩转换器的另一示范系统的示意图。在图9中，多个发生器圆盘111可聚集围绕并被单个飞轮109驱动，其中，发生器圆盘111可以各连接到类似于图8中所示结构的AC发电机。
本发明可以进行修改对应用于移动的发电系统，例如，用于秘密活动技术的驱动系统，用于变速直接驱动系统的变体，用于泵、风扇和HVAC系统的驱动系统。此外，本发明可以进行修改用于需要无摩擦、无齿轮和/或无流体的传动的工业、商业和住宅车辆。此外，本发明可以进行修改用于需要内部叶轮系统的驱动通过管道的无摩擦的流体传动系统。此外，本发明可以进行修改用于随车携带的电池充电系统，以及用于航空器的动力系统(包括用于航空器的风扇和螺旋桨的传力系统)。
此外，本发明可以进行修改应用于零重力或低重力环境。例如，本发明可用于空间站和星际飞行器的发电系统。
扭矩转换器和使用本发明的扭矩转换器的系统可以作出各种修改和变化而不脱离本发明的精神或范围，这对本技术领域内的技术人员是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖对本发明的这些修改和变化，只要它们落入在附后的权利要求书和其等价物的范围之内。

Claims (29)

1.一扭矩转换器包括：
一围绕第一轴线转动的飞轮，所述飞轮包括：
一第一本体部分；
安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体中的每个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸；以及
安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体，多个第二永久磁体中的每个磁体定位在对应的邻近对的多个第一永久磁体之间；以及
一可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动的发生器圆盘，所述发生器圆盘包括：
一第二本体部分；以及
在第二本体部分内磁性地联接到多个第一和第二永久磁体的多个第三永久磁体。
2.权利要求1所述的扭矩转换器，其特征在于，所述飞轮还包括多个背衬板，各个背衬板邻近所述多个第一永久磁体中的各个磁体设置。
3.权利要求2所述的扭矩转换器，其特征在于，所述背衬板迫使一磁场强度沿着径向轴线方向朝向飞轮的圆周。
4.权利要求3所述的扭矩转换器，其特征在于，所述多个第一和第二永久磁体和所述背衬板形成沿着飞轮圆周的一正弦曲线磁力图形。
5.权利要求4所述的扭矩转换器，其特征在于，当所述飞轮围绕第一轴线转动时，所述多个第三永久磁体磁性地联接到所述多个第一和第二永久磁体。
6.权利要求5所述的扭矩转换器，其特征在于，所述正弦曲线的磁力图形的一部分在某一区域内变形，所述区域在所述多个第一和第二永久磁体之一和所述多个第三永久磁体之间。
7.权利要求6所述的扭矩转换器，其特征在于，当所述飞轮进一步围绕第一轴线转动时，所述正弦曲线的磁力图形的变形部分恢复。
8.权利要求1所述的扭矩转换器，其特征在于，所述飞轮和所述发生器圆盘被一气隙分离。
9.一用来产生电力的系统，包括：
一电机；
一联接到电机上的飞轮，所述飞轮围绕第一轴线转动并包括：
一第一本体部分；
安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体中的每个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸；以及
安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体，多个第二永久磁体中的每个磁体位于对应的邻近对的多个第一永久磁体之间；
可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动并磁性地联接到飞轮的至少一个发生器圆盘，每个发生器圆盘包括：
一第二本体部分；以及
在第二本体部分内磁性地联接到多个第一和第二永久磁体的多个第三永久磁体；以及
联接到至少一个发生器圆盘的至少一个发电机。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电机使用一驱动轴联接到飞轮以沿第一轴线转动飞轮，所述发电机使用一第二驱动轴联接到发生器圆盘。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述发电机圆盘包括一联接到第二驱动轴的转子和多个定子。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括一联接到至少一个发电机的可变化的变压器。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述飞轮还包括多个背衬板，各个背衬板邻近多个第一永久磁体中的各个磁体设置。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述背衬板迫使一磁场强度沿着径向轴线方向朝向飞轮的圆周。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个第一和第二永久磁体和背衬板形成一沿着飞轮圆周的正弦曲线的磁力图形，而所述当飞轮围绕第一轴线转动时，所述多个第三永久磁体磁性地联接到多个第一和第二永久磁体。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述正弦曲线的磁力图形的一部分在某一区域内变形，所述区域在多个第一和第二永久磁体之一和多个第三永久磁体之间。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，当所述飞轮进一步围绕第一轴线转动时，所述正弦曲线的磁力图形的变形部分恢复。
18.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述至少一个发生器圆盘包括多个发生器圆盘，它们各沿着飞轮的圆周设置。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述多个第一发生器圆盘围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动并磁性地联接到飞轮，所述多个第二发生器圆盘围绕垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线转动并磁性地联接到飞轮。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述至少一个发电机包括多个第一发电机，它们各联接到多个第一发生器圆盘之一，以及多个第二发电机，它们各联接到多个第二发生器圆盘之一。
21.一用来将扭矩转换为电力的系统，包括：
一电机；
一联接到电机上的飞轮，所述飞轮围绕第一轴线转动并包括：
一第一本体部分；
安装在第一本体部分内的多个第一永久磁体，多个第一永久磁体中的每个磁体沿相对于第一轴线的对应的径向轴线方向延伸；以及
安装在第一本体部分内的多个第二永久磁体，多个第二永久磁体中的每个磁体位于对应的邻近对的多个第一永久磁体之间；
可围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动并磁性地联接到飞轮的至少一个发生器圆盘，每个发生器圆盘包括：
一第二本体部分；以及
在第二本体部分内磁性地联接到多个第一和第二永久磁体的多个第三永久磁体；以及
一联接到围绕第二轴线转动的第二本体部分的第二驱动轴。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述电机使用第一驱动轴联接到飞轮以沿第一轴线转动飞轮。
23.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述飞轮还包括多个背衬板，各个背衬板邻近多个第一永久磁体中的各个磁体设置。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述背衬板迫使一磁场强度沿着径向轴线方向朝向飞轮的圆周。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述多个第一和第二永久磁体和背衬板形成沿着飞轮圆周的一正弦曲线磁力图形，而当所述飞轮围绕第一轴线转动时，所述多个第三永久磁体磁性地联接到多个第一和第二永久磁体。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述正弦曲线的磁力图形的一部分在某一区域内变形，所述区域在所述多个第一和第二永久磁体之一和所述多个第三永久磁体之间。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，当所述飞轮进一步围绕第一轴线转动时，所述正弦曲线的磁力图形的变形部分恢复。
28.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述至少一个发生器圆盘包括多个发生器圆盘，它们各沿着飞轮的圆周设置。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述多个第一发生器圆盘围绕垂直于第一轴线的第二轴线转动，并磁性地联接到飞轮，而所述多个第二发生器圆盘围绕垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线转动，并磁性地联接到飞轮。
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