專利名稱：分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領域：
本項技術(shù)方案涉及的分立磁流能量單元及組合是一種電能、磁能、機械 能的轉(zhuǎn)換形式，分立磁流能量單元及組合的做功形式和控制系統(tǒng)有多種工 作模式和運行方式，適用范圍包括采用傳統(tǒng)技術(shù)電能、磁能和機械能轉(zhuǎn)換 的電動機為驅(qū)動源的裝置、電力驅(qū)動源形式的車輛、工程機械、自動控制 及執(zhí)行機構(gòu)、家用電器等，屬于電力驅(qū)動源應用范疇。
2.
背景技術(shù)：
① 釆用傳統(tǒng)技術(shù)的電動機影響電能、機械能轉(zhuǎn)換效率的工作模式
采用傳統(tǒng)技術(shù)電動機的工作模式是決定電能、機械能轉(zhuǎn)換效率的重要因 素，經(jīng)典的形式是產(chǎn)生交變磁場作用于相對應物體(轉(zhuǎn)子)及在磁場內(nèi)磁 通部分的載流導體產(chǎn)生作用力矩。交流電動機工作時需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場對 轉(zhuǎn)子做功，其通電線圏內(nèi)的電流強度、方向不斷變化，直流電動機工作時 線圈內(nèi)的電流方向也是不斷切換需要周期性的倒相。依據(jù)電磁學基本定 律"感性元件自身的感生電動勢方向與原方向相反且瞬時增加，，其實際 的物理現(xiàn)象是采用傳統(tǒng)技術(shù)的交流、直流電動機工作模式存在附加的感 抗、無功(不作功也耗能)、工作時溫度上升等不利因素，使之再進一步 提高電能、機械能轉(zhuǎn)換的效率非常困難，當其容量大到一定程度還會引發(fā) 一系列電氣問題。多相式、永磁式、無刷式、串激等類型也只是形式上的 變化，并沒有(產(chǎn)生附加的感抗和無功)質(zhì)的區(qū)別。
② 釆用傳統(tǒng)技術(shù)的電動機影響電能、機械能轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)問題 釆用傳統(tǒng)技術(shù)電動機是電能源轉(zhuǎn)換為機械能及圓周轉(zhuǎn)動的作功和運行形
式，傳統(tǒng)技術(shù)電動機的結(jié)構(gòu)形式和做功輸出力矩點，實際上就是電動機的 定子、轉(zhuǎn)子之間的"氣隙，，位置。按照機械效率及作功輸出力矩的有益效 果分析應該是"氣隙"的位置離電動機轉(zhuǎn)動軸心(力臂)越遠越好，或 者說電動機的結(jié)構(gòu)形式在實際工程應用時相對于機械效率的有益效果應設 計的越扁平越好。若是以電動機的電能、機械能轉(zhuǎn)換的電氣特性有益效果 分析電動機的有效做功載流線段在磁場內(nèi)的磁通部分是越長越好(相對 于電動機的同軸方向)，實際工程設計產(chǎn)品的電動機定子、轉(zhuǎn)子磁路之外 的線段只是連接導體并不參與電能、機械能轉(zhuǎn)換和做功，那么電動機的結(jié) 構(gòu)形式按照電氣特性的有益效果就應該是設計得越細長越好。機械做功輸 出力矩的有益效果和電氣特性的電能、機械能轉(zhuǎn)換的有益效果，要選擇的
電動機結(jié)構(gòu)形式設計成為"扁平型"或者"細長型"是工程應用、設計產(chǎn) 品的舍取問題且關(guān)系到電能、機械能轉(zhuǎn)換及效率問題。
另一方面，采用傳統(tǒng)技術(shù)的電動機定子、轉(zhuǎn)子之間的電磁感應相互作用 是通過所對應的"極孰"傳遞能量，實際運行中因為有"電動機的啟動、 連續(xù)轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動方向"等事件的限制，結(jié)構(gòu)上這樣的傳遞能量"極靴"在
工程設計時都是做成定子、轉(zhuǎn)子"極靴"對數(shù)不相等的形式。例如工程 設計典型產(chǎn)品的內(nèi)轉(zhuǎn)子型電動機的轉(zhuǎn)子"極靴"要比定子的"極靴"相差 幾個，而這多出的幾個不能——對應的"極靴"在工作循環(huán)周期內(nèi)傳遞能 量時一直是處于預傳遞能量—傳遞能量—預傳遞能量—"的循環(huán)工作 狀態(tài)?；蛘邠Q一種說法采用傳統(tǒng)技術(shù)電動機每一個傳遞能量的"極靴" 上都具備了相同的電磁能量，但由于工作循環(huán)周期中這多出的幾個而不能 ——對應的"極靴"上的電磁能量不能在同一時刻都傳遞到對應的能量作 用對象(轉(zhuǎn)子)上，這也是因為電動機的結(jié)構(gòu)形式影響到電能、機械能轉(zhuǎn) 換效率的因素。
釆用傳統(tǒng)技術(shù)的電動機定子、轉(zhuǎn)子之間的磁通路形式在工程設計成為產(chǎn) 品后就不再變化，由此形成了電動機的"軸"輸出功率的普遍結(jié)構(gòu)形式。
"軸"輸出功率的結(jié)構(gòu)形式在實際應用中很少直接采用，多為減速力矩變 換、力矩傳輸、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線、曲線運動等，其目的是所需的轉(zhuǎn)速、力 矩、運動形式等，這就需要有"動力傳輸系統(tǒng)及機構(gòu)"同樣"動力傳輸系 統(tǒng)及機構(gòu)"也是影響電能、機械能轉(zhuǎn)換和使用效率的因素。 3.
發(fā)明內(nèi)容
① 本項技術(shù)方案要解決的問題
s.提出分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法，是為了電力驅(qū)動源的 能量轉(zhuǎn)換過程中提高電能、機械能的轉(zhuǎn)換效率。
6.提出分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法，是為了電力驅(qū)動源的 能量轉(zhuǎn)換過程中由于裝置本身的結(jié)構(gòu)形式影響電能、機械能轉(zhuǎn)換效率。
c.提出分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法，是為了簡化電力驅(qū)動 源的能量傳遞過程和結(jié)構(gòu)形式。
② 4支術(shù)方案
分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法是由分立磁流能量單元、脈沖 源時序和控制系統(tǒng)組成。
a.分立磁流能量單元的基本形式
在某一幾何外型并構(gòu)成磁回路通道的磁介質(zhì)材料上，當一定數(shù)值的電流 強度流過磁介質(zhì)材料上的閉合線圈時，由磁介質(zhì)材料中磁疇反應出的電磁 效應、磁通量及強度，是一種能量的轉(zhuǎn)換過程和表現(xiàn)形式。分立磁流能量
單元的基本形式參閱說明書附圖I-I,其中的#f是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì) 機構(gòu)，用導磁材料制成是分立磁流能量單元的磁路通道，電流經(jīng)過的通電 線圏Z是電能源轉(zhuǎn)換為磁能的機構(gòu)。實際中磁介質(zhì)材料內(nèi)形成的磁路和磁 路通道中產(chǎn)生的磁通及強度使得通電線圈Z、磁介質(zhì)的磁回路機構(gòu)#纟、磁 通量^及磁通強度》形成了一個具有能量的機構(gòu)，即為分立磁流能量單 元，用&表示。這里的#纟是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)，閉合線圏Z是電 流流過并將電能源轉(zhuǎn)換為磁能的機構(gòu)，磁通量^和磁通強度A是能量轉(zhuǎn) 換的物理量。
6.分立磁流能量單元作功的基本形式
遵循電磁學理論定律"磁通是沿磁阻最小的路徑閉合"和"因磁場扭 曲而產(chǎn)生的法向方向、切向方向磁扭力"的基本原則，具有磁流能量的機 構(gòu)即分立^f茲流能量單元&其能量是以力或力矩的形式作用于自身或相對 物體，能量轉(zhuǎn)換及做功形式如說明書附圖1-4、說明書附圖1-5中的模型1 和模型2所示。
分立磁流能量單元對于直線、往復運動模式的應用裝置模型1 當說明書附圖1-4中的模型1所示分立磁流能量單元機構(gòu)&的通電線 圈Z有電流流過，將產(chǎn)生由構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的W初始位置 向方向的位置移動趨勢并且閉合現(xiàn)象，電流流過閉合線圏Z并將電 能源轉(zhuǎn)換為磁能的分立磁流能量單元機構(gòu)&的磁通量^和磁通強度》是 能量轉(zhuǎn)換物理量的能量表達形式，也就是平行、直線、往復運動形式的機 械能能量。
分立磁流能量單元&將電能源轉(zhuǎn)換為機械能能量的表達式為
<formula>formula see original document page 5</formula>其中^是電磁力；尸f是J軸方向的電磁力矩；/，是/軸方向的電磁力 矩；尸z是Z軸方向的電磁力矩；^S是移動距離，當裝置應用的是直線、 往復運動形式并且沒有f軸向和Z軸向的位置移動時，F(xiàn)軸方向的電^f茲力 矩和Z軸方向的電磁力矩等于零，即
<formula>formula see original document page 5</formula>
直線、往復運動形式分立磁流能量單元的作功表達式為<formula>formula see original document page 5</formula>分立磁流能量單元對于圓弧、轉(zhuǎn)動運動模式的應用裝置模型2 當說明書附圖1-5中的模型2所示分立磁流能量單元機構(gòu)&的通電線 圏Z有電流流過，將產(chǎn)生由構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W的c' ^初始位 置向cd方向的位置移動趨勢并且閉合現(xiàn)象，電流流過閉合線圈Z并將電 能源轉(zhuǎn)換為磁能的分立磁流能量單元機構(gòu)&的磁通量^和磁通強度"是
能量轉(zhuǎn)換物理量的能量表達形式，也就是圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式的機械能的 能量。
分立磁流能量單元&將電能源轉(zhuǎn)換為機械能能量的表達式為
,=尸x + ^ + A 其中,是電磁力；尸f是J軸方向的(法向方向)電磁力矩；尸7是尸軸 方向的(切向方向)電磁力矩；尸z是Z軸方向的電磁力矩；cW是移動距 離，當裝置采用的是圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式并且沒有Z軸向的位置移動時， Z軸方向的電磁力矩等于零，即
Z7 -尸Z +尸7
這一過程可進一步表達為
當分立磁流能量單元機構(gòu)&的通電線圈Z有電流流過，說明書附圖1-5的模型2所示的構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)附的c' ^向"位置移動并 且閉合這一工作周期內(nèi)的由初始狀態(tài)的<^ cr位置至結(jié)束狀態(tài)的W位置 這一過程中的接通工作電源或者斷開工作電源及相對應的脈沖源時序及組 合而得到的切向方向尸/電磁力矩或法向方向尸x電磁力矩。如說明書附圖 1-5的模型2所示，分立磁流能量單元^通電時的初始狀〃 ^位置至 結(jié)束狀態(tài)的ccM立置這一工作周期內(nèi)，構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W受到的 作用力是切向方向尸/和法向方向尸i電磁力矩并有一個轉(zhuǎn)換變化過程。在 一個通電工作周期內(nèi)，某一段時序內(nèi)是切向方向尸7電磁力矩為主要做功 的力矩如說明書附圖2-1中的j段(sl);某一段時序內(nèi)是法向方向尸x 電^f茲力矩為主要做功的力矩如說明書附圖2-1中的C段(s3);某一段時 序內(nèi)是切向方向尸/和法向方向,x的電磁力矩共同做功的力矩如說明書附 圖2-1中的》段(s5-8 )。分立磁流能量單元^基本工作模式的脈沖源 時序是通過切向方向尸7和法向方向尸x電磁力矩做功的時域選擇，得到不 同方向的電磁力矩，分立磁流能量單元機構(gòu)&可以通過脈沖源時序的時 域選擇得到單一切向方向尸/的電》茲力矩，或者單一法向方向Fx的電磁力 矩及做功邏輯。
當裝置釆用的是圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式如說明書附圖1-5中的模型2所示 有轉(zhuǎn)動圓心。和轉(zhuǎn)動半徑v 存在、構(gòu)成磁回路的f茲介質(zhì)機構(gòu)#纟就可以沿
著轉(zhuǎn)動半徑^的圓弧運動，這樣、單一切向方向/^的電磁力矩形成了裝 置的驅(qū)動邏輯，單一法向方向電磁力矩形成了裝置的制動邏輯。實際 應用中分立磁流能量單元&可與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)祈在采用的是 圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式裝置中可以互為對應的"定子、轉(zhuǎn)子"而分立磁流能 量單元&與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)附在相同的硬件機構(gòu)上滿足了驅(qū)動
和制動兩種運動形式邏輯。
圓弧、轉(zhuǎn)動形式電磁流能量單元的作功表達式為
-必F
c.分立磁流能量單元的電氣特性
如上所述,分立磁流能量單元的磁介質(zhì)材料內(nèi)形成的磁路和磁路通道中 產(chǎn)生的磁通量^及磁通強度》與通電線圏Z和磁介質(zhì)的磁回路機構(gòu)附、 形成了一個具有能量的^L構(gòu)或有能量的分立單元，實際上電能源轉(zhuǎn)換為》茲 能源的過程是電流強度通過閉合線圈Z激活了構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)物質(zhì)中 的磁疇作定向(有序)運動形成的磁流，通電線圏Z的電流強度對應的物 理量是磁通量0和磁通強度A電流方向?qū)奈锢砹渴谴磐鞣较?。?分立磁流能量單元的作功基本形式論述中分立磁流能量單元&作功的充 要條件是磁回路的閉合過程和脈沖源時序的時序域選擇，而磁回路的閉合 過程實際上與磁通量^和A茲通強度》的磁流方向無關(guān)，也就是與電流強 度的方向無關(guān)，那么實際上分立磁流能量單元作功形式的基本電氣特性就 是與輸入電源的形式和種類無關(guān)，即在分立磁流能量單元的實際應用中沒 有使用交流、直流及單相、多相電源或者換相、倒相的限制。
分立磁流能量單元的通電閉合線圈Z也是一種有內(nèi)阻和電感量的感性元 件，在說明書附圖1-5的模型2裝置中如果沒有諸如電流的方向和電流的 換相、倒相的使用限制，那么在實際應用上受到"感性元件自身的感生電 動勢和電流方向與原方向相反且瞬時增加"的影響相對于采用傳統(tǒng)技術(shù)的 電動機要小的很多或者是"感抗"的影響減少很多，也沒有采用傳統(tǒng)技術(shù) 的電動機的"無功"現(xiàn)象產(chǎn)生和相應的補償機構(gòu)。由于分立磁流能量單元 作功基本形式的充要條件之一是脈沖源時序，而脈沖源時序的脈沖幅值、 幅寬、頻率、通電時序段及組合等參數(shù)都是以數(shù)字式的工作模式，那么實 際應用中的較大容量裝置的啟動和運行中的輕重負荷、過激磁、諧振蕩等 問題都可以由脈沖源時序和控制系統(tǒng)解決，對于實際應用分立磁流能量單 元及組合為驅(qū)動源的裝置其本身的硬件設施和電氣適用條件要求可以降的 很低。
J.脈沖源時序和控制系統(tǒng)
如前所述，分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的工作模式是將具有分立 磁流能量單元&的機構(gòu)作為有能基本單元，工作能量取自于電能，工作 時分立磁流能量單元機構(gòu)對電能輸入的類型如交流直流、單相多相和電 流方向無需限制，也無需產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場或電流換相、倒相，其工作模式僅 需為按特定的時限接通電源、斷開電源及其時限的組合，這就是脈沖源時 序的基本形式和工作模式。結(jié)合說明書附圖1-5和說明書附圖2-1以分立
磁流能量單元機構(gòu)對于圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式
的應用裝置模型2說明脈沖源時序的基本形式和運行邏輯。
當分立磁流能量單元機構(gòu)^的通電線圏Z有電流流過，將產(chǎn)生由構(gòu)成 》茲回路的磁介質(zhì)機構(gòu)#f的c' fl^初始位置向cd方向的位置移動趨勢并且 閉合現(xiàn)象，說明書附圖1-5的模型2所示構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)#,的位 置移動并且閉合這一工作周期內(nèi)的由初始狀態(tài)的^ ^位置至結(jié)束狀態(tài)的 cd位置，這一過程中的接通工作電源或者斷開工作電源及相對應的脈沖源 時序及組合而得到的切向方向尸y電》茲力矩或法向方向電磁力矩。分立 ^磁流能量單元勘通電時的初始狀^ ^位置，至結(jié)束狀態(tài)的a/位置這一 工作周期內(nèi)，構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)價受到的作用力是切向方向尸/和 法向方向/^電磁力矩在一個通電工作周期內(nèi)有一個轉(zhuǎn)換變化過程，某一段 時序內(nèi)是切向方向,j電磁力矩為主要做功的力矩如說明書附圖2-1中的^ 段；某一段時序內(nèi)是法向方向/^電磁力矩為主要做功的力矩如說明書附圖 2-1中的C段；某一段時序內(nèi)是切向方向,y法向方向尸x的電磁力矩共同 做功的力矩如說明書附圖2-1中的"段。說附圖2-1所示的^區(qū)域時 序段是電磁力切向方向尸y力矩的主要部分，C區(qū)域時序段是電磁力法向方 向尸x力矩的主要部分，"區(qū)域時序段是電磁力矩切向方向尸y法向方向尸z 合成部分。脈沖源時序的工作模式是將這幾個時域區(qū)分或組合并控制其接 通、斷開相應的時序,殳而得到相對應的切向方向尸/和法向方向尸x的電磁 力矩或者其兩者的組合電磁力矩。當裝置采用的是圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式如 說明書附圖1-5模型2所示的有轉(zhuǎn)動圓心O和轉(zhuǎn)動半徑A存在、那么構(gòu)成 磁回路的》茲介質(zhì)才幾構(gòu)就可以沿著轉(zhuǎn)動半徑A的圓弧運動并作功輸出力 矩，這樣單一切向方向尸7的電磁力矩形成了裝置的驅(qū)動邏輯和單一法向 Fx電磁力矩形成了裝置的制動邏輯，而"區(qū)域時序段的電磁力矩切向方向 F7和法向方向Fx合成部分脈沖源時序合成對應的工作模式是說明書附圖 1-5模型2所示的轉(zhuǎn)動運動的緩啟動和緩制動邏輯。
分立磁流能量單元的能量轉(zhuǎn)換方法的控制系統(tǒng)是按實際應用裝置的運行 模式作選擇和設計，結(jié)合說明書附圖1-5、說明書附圖2-1和說明書附圖2 -2以分立磁流能量單元機構(gòu)對于圓弧、轉(zhuǎn)動運動形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出 運行模式的模型2應用裝置說明相對應的控制系統(tǒng)i^/的工作模式和運行邏 輯。若分立磁流能量單元&、份......ife組合及主體A與構(gòu)成磁回路的磁介
質(zhì)機構(gòu)#^及主體#分別屬于電磁力矩作用的相對物體，當分立磁流能量單 元&、 ......組合及主體yV分別或者同時按照設定的區(qū)域時序段接通電
源時，將對構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W及主體#產(chǎn)生電磁力矩或作用力。 而分立磁流能量單元&、 W......&及主體iV的各分立磁流能量單元之間的
8
先后工作次序、接通電源時域時序段選擇、電流強度等參數(shù)的變化或者各 種參數(shù)之間的編程，則可以確定構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)#f及主體#的受
力方向、力矩大小、速率及運動形式等。如說明書附圖2-2構(gòu)成磁回路的 磁介質(zhì)機構(gòu)廚及主體#中若有半徑j (力臂)和圓心0的存在，則構(gòu)成 磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W及主體#受到切向方向尸y電磁力矩的作用做圓周 運動，并且具有因單個分立磁流能量單元與多個分立磁流能量單元及組 合、脈沖的寬度、幅值、頻率等參數(shù)的改變或者其參數(shù)的編程使得裝置具 有啟動、轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動力矩的控制能力。由于脈沖源時序和 控制系統(tǒng)的工作特性，使得分立磁流能量單元的能量轉(zhuǎn)換方法的結(jié)構(gòu)形 式無需再定義或局限于傳統(tǒng)電動機的軸輸出功率的范疇，例如電力驅(qū)動車 輛的車輪就可以和構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W組成一體，不再需要"動力 傳輸系統(tǒng)及機構(gòu)"。
分立^P茲流能量單元的能量轉(zhuǎn)換方法的控制系統(tǒng)Jw實際工作中有一個必要 條件是模擬量的實時讀取及處理，在分立磁流能量單元&機構(gòu)中除了能量 轉(zhuǎn)換作功的閉合線圈Z以外還有另一組數(shù)據(jù)采樣線圏^ 。當采用說明書 附圖1-5和說明書附圖1-3的應用裝置模型2所示的構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì) 機構(gòu)#,的<^ ^ 位置和cd位置或者其他的位置時，分立磁流能量單元 的數(shù)據(jù)采樣線圈實時讀取到分立磁流能量單元&與構(gòu)成磁回路的磁介 質(zhì)機構(gòu)附不同位置時的相對應的模擬量，如微小的電流變化量^ /y /或者 微小的電壓變化量4 〃 r。分立磁流能量單元^機構(gòu)中的數(shù)據(jù)采樣線圈 的模擬量實時讀取及處理實際上就是選擇實時的分立磁流能量單元&和構(gòu) 成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W不同位置時相對應的模擬量，也是分立磁流能量 單元的能量轉(zhuǎn)換方法的控制系統(tǒng)vTw實際工作中給脈沖源時序?qū)崿F(xiàn)工作模式 的指令依據(jù)。在說明書附圖2-2中由于分立磁流能量單元Aa和分立磁流能 量單元說6&7J在同一時刻相對應的構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)W幾何位置 不同，分立磁流能量單元&和分立磁流能量單元份0>7 機構(gòu)中的數(shù)據(jù) 采樣線圈r的模擬量實時讀取也不同，通過模擬量實時讀取及處理和數(shù)值 換算就可以得到脈沖源時序需要的切向方向尸/做功區(qū)域時序段和法向方向 ,x做功區(qū)域時序段或者切向方向,y和法向方向,x共同做功區(qū)域時序段， 并由控制系統(tǒng)^給不同位置的分立磁流能量單元做功指令，實現(xiàn)了裝置 的啟動、轉(zhuǎn)動方向和連續(xù)轉(zhuǎn)動或者制動等工作形式。同樣也可以通過電流 強度、脈沖源寬度、幅值、頻率等參數(shù)的改變或者其參數(shù)的編程使得裝置 具有轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動力矩的控制能力，對于分立磁流能量單元及組合控制 系統(tǒng)h還可以根據(jù)應用裝置的實際的機械特性選擇分立磁流能量單元的 獨立、循環(huán)工作或組合、循環(huán)工作。
脈沖源時序和控制系統(tǒng)是一種數(shù)字量形式的能量密度表迷方法，例如按 分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法，以電力驅(qū)動方式應用于圓周運 動做功方式的工作形式，對于以每分鐘/2轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動速率、歷牛/米輸出力
矩的裝置，單位時間內(nèi)脈沖源時序和控制系統(tǒng)需發(fā)ir個單位的脈沖工作波 源，當脈沖源時序和控制系統(tǒng)在同樣時段內(nèi)發(fā)出c^個單位的脈動工作波 源時，實際上將以數(shù)字量形式改變裝置的能量密度，同樣還可以通過變化 脈沖源時序輸出的脈沖寬度、幅值等參數(shù)得到對應的轉(zhuǎn)動速度、力矩等相 應的數(shù)據(jù)和運行邏輯，其物理意義為單位時間內(nèi)的作功能量變化及力矩 特性、速度特性和運行邏輯等。在自動控制應用中的線性運動及行程等， 由于有按脈沖源時序合成的完全數(shù)字化工作新理念的推出，可擴展更廣泛 的應用領域。例如當應用于轉(zhuǎn)動裝置時，控制方法可以由系統(tǒng)發(fā)出的 c4個脈動工作波源以及脈動工作波源的脈沖寬度、幅值、頻率等參數(shù)實 現(xiàn)按每分鐘"轉(zhuǎn)、7//2轉(zhuǎn)，或者只轉(zhuǎn)"轉(zhuǎn)、7// 轉(zhuǎn)，甚至還可以在一個旋 轉(zhuǎn)周期內(nèi)按多種速率，不同的力矩，以及不同旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動方式的運 行邏輯。同理，自動控制技術(shù)中的線性與非線性運動等也無需傳動、轉(zhuǎn)動 變換為線性運動等機構(gòu)或系統(tǒng)，線性與非線性、曲線運動也可以按適用的 按脈沖源時序及控制方法實現(xiàn)數(shù)字意義上的理想化"步進"運行邏輯。 e.分立磁流能量單元及組合的應用
分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法，是以分立磁流能量單元為基 礎，相對于被應用裝置以理想的力或力矩應力位置和機械特性采用優(yōu)化、 合理的結(jié)構(gòu)布局及控制系統(tǒng)，高效率地將電能轉(zhuǎn)換為機械能和運行形式。 優(yōu)化、合理的結(jié)構(gòu)布局其設計原則是按被應用裝置的實際運行方式、機械 特性等參數(shù)為依據(jù)和不同模式的控制方法，目的是獲得最理想的能量轉(zhuǎn)換 效率和使用效率，分立磁流能量單元及組合的結(jié)構(gòu)對于不同的應用裝置有 著充分的設計、優(yōu)化空間。
(1) 在分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于家用電器類的空調(diào) 機、電水箱的制冷壓縮機的結(jié)構(gòu)設計中，因其工作模式及運行方式無需再 做圓周運動的運行特征和功率輸出形式，如前述、這時的分立磁流能量單 元及組合其做功形式由脈沖源時序合成工作模式中的分立磁流能量單元機 構(gòu)對于直線、往復形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式的應用裝置模型1時 的"法向方向/^的電^f茲力矩工作通電時域"就可以簡單實現(xiàn)家用電器類 空調(diào)機、電冰箱制冷壓縮機的工作模式及往復運行特征，分立磁流能量能 單元及組合的結(jié)構(gòu)設計、排序、控制方法等參閱具體實施例和說明書附圖 3-1、說明書附圖3-2、說明書附圖3-3。
(2) 在分立磁流能量能單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動自行車項目
中由磁介質(zhì)材料(電工鋼片)制成的磁回路機構(gòu)可分布于車圈的最外緣， 按自行車的使用范疇及特性，分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應 用于電動自行車項目設計中，由于無需靜態(tài)的啟動能力和轉(zhuǎn)動方向限制
(控制系統(tǒng)對于反向轉(zhuǎn)動事件閉鎖能源輸出)，理論上僅用一組分立磁流 能量單元就可以實現(xiàn)自行車的驅(qū)動/制動及運行模式。解決方案是以脈沖 源時序合成控制的切向方向/^電磁力矩為驅(qū)動車輛，由脈沖源時序合成 控制的法向方向尸f電磁力矩為制動(如果有必要)車輛。
(3) 分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于家用電器類的洗衣機 裝置設計中，不再局限于傳統(tǒng)電機的軸輸出功率形式，分立磁流能量單元 可以兩組或者多組排列，結(jié)構(gòu)設計時分立磁流能量單元按最合理的機械運 動形式及應力位置如轉(zhuǎn)桶的邊緣分布。其工作模式即脈沖源時序的通電時 域選擇所對應的是切向方向尸y電磁力矩和法向方向尸x電磁力矩的做功和 實際的運行效果。兩組或多組分立磁流能量單元的結(jié)構(gòu)設計是以理想的工 作模式適應于洗衣機，如靜態(tài)啟動、正反方向轉(zhuǎn)動及變速運動等，分立磁 流能量單元及組合可與洗衣機的轉(zhuǎn)桶合為一體，實現(xiàn)"無傳動"結(jié)構(gòu)形 式，減去現(xiàn)有產(chǎn)品上的傳動機構(gòu)和減纟展^U勾。
(4) 光盤驅(qū)動"ra等)裝置采用分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn) 換方法，磁介質(zhì)材料(導磁粉末涂料)的磁回路機構(gòu)有序的涂復在光盤表 面，其光盤自身就是"轉(zhuǎn)子"，減去現(xiàn)有產(chǎn)品控制速度和傳動機構(gòu)的大量 外圍元件，并且可以通過導磁粉末涂料的"有序"涂復在光盤表面實現(xiàn)
"加密和防偽"能力。兩組分立磁流能量單元及脈沖源時序合成和控制系 統(tǒng)的"電磁力矩的切向方向電磁力矩/^及通電時域"就可以完成啟動及 正常運轉(zhuǎn)功能，如有必要還可以采用"電》茲力矩的法向方向電^茲力矩尸x 及通電時域"實現(xiàn)減速和制動功能，由于通電時域的脈沖源時序完全數(shù)字 數(shù)字化的工作模式使得光盤驅(qū)動的讀取速度(轉(zhuǎn)動速度)和速度變化的精 準度有著階段性的提高。
(5) 分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動汽車的驅(qū)動/制 動裝置設計時，可將分立磁流能量單元及組合的磁介質(zhì)材料制成的磁回路 機構(gòu)與車輪做成一體，所需較大的輸出功率和功率變化，可將分立磁流能 量單元及組合的結(jié)構(gòu)設計中在車輪輪轂的有限空間內(nèi)多組排列，分立磁流 能量單元及組合和控制方法可以很筒單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)動速度和速度變化、包括 驅(qū)動/制動輪的單輪、多輪運行控制，分立磁流能量單元及組合的繞組線 圏還可以分成"低速大力矩繞組線圈和高速小力矩繞組線圏"等設計方 案，同樣也不需要減速器、變速器、差速器和"動力傳輸系統(tǒng)及機構(gòu)"。
③有益效果
分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法是一種合理、高效率的電能、 磁能、機械能的能量轉(zhuǎn)換方式。相對于采用傳統(tǒng)技術(shù)電動機的感性元件通 有的附加感抗、無功耗能、工作時溫度上升等不利因素，由于分立磁流能 量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法的工作才莫式無需產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場、換相和極性 倒相等運行條件，而采用脈沖源時序及控制方法的工作形式，比應用傳統(tǒng) 技術(shù)電動機工作模式的電源輸入方式，更有效的利用了電源能量及提高了 轉(zhuǎn)換效率。
分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法采用的電能、磁能、機械能的 能量轉(zhuǎn)換方式、工作模式、結(jié)構(gòu)方式和控制系統(tǒng)在作功輸出機械能時原則 上不再需要采用傳統(tǒng)技術(shù)電動機普遍的"軸"輸出功率和需要有"動力傳 輸系統(tǒng)及機構(gòu)"的結(jié)構(gòu)形式，在提高工作效率的同時還將擴大其適用范
圍。例如分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動車輛的驅(qū) 動、制動的硬件設施"二合一"形式，分立磁流能量單元及組合可與車輪 作為一體，除了電力驅(qū)動機構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)簡單外，相對與車輛本身還可以 省去傳動系統(tǒng)、齒輪變速系統(tǒng)、差速系統(tǒng)等繁雜機構(gòu)，且由于數(shù)控系統(tǒng)的 多樣性，可靠性等諸多功能，將電力驅(qū)動的車輛做成智能化、模糊化、安 全優(yōu)先中斷等運行方式成為可能和簡單。 4.
說明書附圖l-l、 1-2、 1-3是分立磁流能量單元的基本結(jié)構(gòu)形式，由分 立磁流能量單元組和構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)及控制系統(tǒng)組成。其中& 表示分立磁流能量單元，附是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)，用導磁材料或 永磁材料制成，是分立磁流能量單元的磁路通道。Z是通電線圈即電能源 轉(zhuǎn)換為磁能的機構(gòu)，當構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)放是用永磁材料制成時分 別由通電線圈W和產(chǎn)生對應的順時方向》茲通流^與逆時方向》茲通流 。 i/是數(shù)據(jù)采樣線圈，實時讀取分立磁流能量單元^與構(gòu)成磁回路 的磁介質(zhì)機構(gòu)附不同位置時相對應的模擬量和極性等，如微小的電流變 化量4 ///或者微小的電壓變化量」K， e是數(shù)據(jù)采樣線圈i/的工作電 源。"和5 z是磁通流強度即電能源轉(zhuǎn)換為磁能的能量轉(zhuǎn)換物理量。 是脈沖源時序和控制系統(tǒng)， 〃是工作電源，J是能源、數(shù)據(jù)總線。#和# 是分立磁流能量單元及組合的主體與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的主體電磁 力矩作用的相對物體，5是#和#之間的相對氣隙，v 和0是;f莫擬半徑 (力臂)和圓心(轉(zhuǎn)動)。
說明書附圖l-4、 1-5是分立磁流能量單元的作功基本形式，模型l是 分立磁流能量單元機構(gòu)對于直線、往復運動形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行 模式的應用裝置，模型2是分立磁流能量單元機構(gòu)對于圓弧、轉(zhuǎn)動運動形
式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式的應用裝置。其中尸是電磁力，尸x是J 軸方向的電磁力矩，尸y是/軸方向的電磁力矩。fa表示分立磁流能量單 元，價是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)。Z是通電線圏即電能源轉(zhuǎn)換為磁能的 機構(gòu)。是脈沖源時序和控制系統(tǒng)，"是工作電源，J是能源、數(shù)據(jù)總 線。#和#是分立磁流能量單元及組合的主體與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機 構(gòu)的主體電磁力矩作用的相對物體，W和aV是分立磁流能量單元的作 功的初始位置和結(jié)束位置，W和是分立磁流能量單元的作功的初始 位置和結(jié)束位置。^是電磁力,的變化角度，5是#和#之間的相對氣 隙，A和O是才莫擬半徑和轉(zhuǎn)動圓心。
說明書附圖2-l是分立磁流能量單元的脈沖源時序域的基本形式，相對 應于說明書附圖1-5的模型2，分立磁流能量單元機構(gòu)的圓弧、轉(zhuǎn)動運動 形式應用裝置的脈沖源時序域是0到6 1的A段是切向方向尸y電磁力矩 的主要部分，6 3到64的C段是法向方向尸z電磁力矩的主要部分，6 1 到6 3的B段是切向方向,7、法向方向Fz的電磁力矩共同部分。分立磁 流能量單元的脈沖源時序域確定的基本原則是通過交點P，令s5區(qū)域和 s6區(qū)域面積相等或者是s7區(qū)域和s8區(qū)域面積相等，得到sl區(qū)域和s3區(qū) 域面積以及對應的通斷角6 1和6 3,即切向方向,y電磁力矩的j段和法 向方向尸x電磁力矩的C殳以及切向方向尸7和法向方向尸x電i茲力矩共同 做功的力矩萬段。切向方向尸y和法向方向尸x電磁力矩共同做功的A段在 一個工作周期內(nèi)，構(gòu)成f茲回路的磁介質(zhì)機構(gòu)受到的切向方向Fy和法向方向
^r電磁力矩有一個轉(zhuǎn)換變化過程，e i到e 2段時序內(nèi)是切向方向&電磁 力矩逐漸減少而法向方向尸I電磁力矩逐漸增加，這對于有相應機械特性需
求的應用裝置有這很重要的意義，例如減速、緩制動等等。說明書附圖2-l中,是電磁力，尸i是J軸方向的電磁力矩，尸y是f軸方向的電磁力矩。 說明書附圖2-2是分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法的控制系統(tǒng) 的基本形式，控制系統(tǒng)是按實際應用裝置的運行模式作選擇和設計，結(jié)合 說明書附圖l-5、說明書附圖2-1以分立磁流能量單元機構(gòu)對于圓弧、轉(zhuǎn) 動運動形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式的應用裝置模型2說明相對應的 控制系統(tǒng)^/的組件名稱，其中分立磁流能量單元^3 f辦…^7組合構(gòu)成主 體#， 構(gòu)成/ 茲回路的》茲介質(zhì)才幾構(gòu)及主體#， #和#分別屬于電磁力矩作 用的相對物體，當分立磁流能量單元&、 組合及主體#分別或者
同時按照設定的區(qū)域時序段接通電源時，將對構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)#f 及主體#產(chǎn)生電磁力矩或作用力，而分立磁流能量單元&, &...&及主體 #的各電磁流能量單元之間的先后工作次序、接通電源時域時序段選擇、 電流強度等參數(shù)的變化或者各種參數(shù)之間的編程，則可以確定構(gòu)成磁回路
的磁務庸機構(gòu)i/,及主休i/的疊力古向、力矩大小、速率及逸動形式等。
說明書附圖2-2中&、 A6…f/ 表示分立磁流能量革元及組合，W是構(gòu) 成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)，fw是脈沖源時序和控制系統(tǒng)，"是工作電源。A 和#是電磁流能量卑元及組合的主體與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的主體電 磁力矩作用的相對物體，5是#和#之間的相對氣隙，A和0是模擬半徑 (力臂)和圓心(轉(zhuǎn)動)。
i兌明書附圖3-1、 3-2、 3-3是分立磁流能重皁元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法
應用子家用電器類的空調(diào)、電冰箱制冷壓縮機的結(jié)構(gòu)^L計，因其工作模式 及運行方式無需再做圓周運動的運行特征和功率輸出形式，這時的分立磁 流能量單元及組合其做功形式由脈沖源時序合成工作模式中的分立磁流能 量單元機構(gòu)對于直線、往復形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式的應用裝置 模型1時的"法向方向尸"的電磁力矩工作通電時域"就可以簡單實現(xiàn)家用 電器類空調(diào)、電冰箱制冷壓縮機的工作模式及往復運行特征。其中l(wèi).分 立磁流能量卑元A組動力繞組2.分立磁流能量單元B組動力繞組；3.分 立磁流能量單元A'組動力繞組4.分立磁流能量單元B'組動力繞組；5. 工作電源6.脈沖源時序和控制系統(tǒng)7.動力、數(shù)據(jù)總線8.分立磁流能 量皁元A'傳感器繞組9.分立磁流能量皁元B'傳感器繞組1G.分立磁 流能量單元A組磁通流ll.分立磁流能量單元B組磁通流12.分立磁流 能量革元A組；13.分立磁流能量皁元B組14.固定螺栓15.活塞環(huán) 16.壓力室17.固定、安裝支架18.活塞19.傳感器邏輯圖20.汽缸 體21.壓力閥門組22.構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)(由電工鋼片制成)。
說明書附圖4-1是分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動 自行車的總體布局，由分立磁流能量卑元和磁介質(zhì)材料制成的磁回路^ 可分布于車架和車圖的外緣，形成電磁力矩相對應的驅(qū)動機構(gòu)，其中1. 是分立磁流能量單元(共1組)2.是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)(由電工 鋼片制成共8組)
說明書附圖4-2是應用于電動自行車的分立磁流能量卑元機構(gòu)，其中 3.是電動自行車的鋁質(zhì)車團4.是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì);^ (由電工鋼片 制成共8組)5.是分立磁流能量皁元與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的相對 氣隙；6.是分立磁流能重單元的傳感器繞組7.是動力、數(shù)據(jù)總線8.是 分立磁流能量皁元的動力繞組9.是分立磁流能量卑元本體IO.是固定 螺栓ll.是脈沖源時序和控制系統(tǒng)；12.是電源。
說明書附圖4-3是應用于電動自行車的分立磁流能量單元機構(gòu)的磁通路 圖，其中13.是分立磁流能量單元磁流能量的磁回路設計14.是分立磁 流能量單元與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的相對氣隙15.表示電動自行車
的車圏；16.表示應用于電動自行車的分立磁流能量單元機構(gòu)(固定在車 架上)；17.是分立^f茲流能量單元的動力繞組。
說明書附圖4-4是應用于電動自行車的分立磁流能量單元的結(jié)構(gòu)形式， 其中18.是分立磁流能量單元與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的相對氣隙； 19.是分立f茲流能量單元的動力繞組；20.是電動自行車車圈的輪幅；21. 是電動自行車的車圈的外緣；22.是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)(由電工鋼 片制成共8組)；23.是分立磁流能量單元機構(gòu)本體。 5.具體實施例
例l.分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于空調(diào)、電冰箱的 制冷壓縮才幾
① 現(xiàn)有技術(shù)主流產(chǎn)品的運行模式和機體結(jié)構(gòu)問題
采用傳統(tǒng)技術(shù)制冷壓縮機的運行方式主要是活塞往復式，驅(qū)動源電動機 的負載是活塞在汽缸內(nèi)的壓縮力矩，工作時電動機輸出軸上的負載是周期 變化的，負載的最大轉(zhuǎn)動力矩比平均轉(zhuǎn)動力矩大的多，這是因為最大轉(zhuǎn)動 力矩是在活塞運動到汽缸上止點時產(chǎn)生的。活塞的壓縮行程使之運動需要 能量，而要使活塞運動到上止點時需要的能量更多，這樣的工作方式可以 比擬為"打氣筒"式的工作模式，也就是說電動機的工作負載力矩是脈動 的，這對于電動機的電氣特性并不是最佳的方式，也是影響電能、機械能 轉(zhuǎn)換效率及整個裝置的工作效率的問題。
現(xiàn)有技術(shù)制冷壓縮機的應用產(chǎn)品電水箱、空調(diào)機的壓縮機與驅(qū)動電動機 等部件大都是密封在同一容器(裝置)內(nèi)，由此引起的機械運動的潤滑、 冷確、制冷介質(zhì)與電動機的介電特性及絕緣等諸多問題，結(jié)構(gòu)設計上電動 機、壓縮機、制冷介質(zhì)等密封為一體的方式要做特殊要求。電動機的動力 輸出通過轉(zhuǎn)軸輸出力距還需經(jīng)過動力傳輸機構(gòu)、與活塞的運動形式變換機 構(gòu)，運行時不可避免的振動、噪聲，各部件是工作在非常嚴酷的條件下， 這都是現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題。
② 本項技術(shù)方案要解決的問題
a.提出分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的制冷壓縮機技術(shù)方案，是為了 提高電力驅(qū)動源的電能、機械能的轉(zhuǎn)換效率。
6.提出分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的制冷壓縮機技術(shù)方案，是為了 提高電力驅(qū)動源的能量傳遞過程中，由于結(jié)構(gòu)形式影響裝置的使用效率。
c.提出分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的制冷壓縮機技術(shù)方案，是為了 簡化裝置(制冷壓縮機)的結(jié)構(gòu)。
③ 技術(shù)方案
采用分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的制冷壓縮機，是由分立磁流能量
單元組、控制系統(tǒng)、活塞和汽缸組、空氣壓縮室和壓力閥門組等組成的機 電一體化、自動控制、智能模糊運行方式等多項技術(shù)的全新裝置。 3.分立》茲流能量單元的結(jié)構(gòu)和磁路設計
因空調(diào)、電水箱制冷壓縮機的工作模式及運行方式，本項分立磁流能量 單元能量轉(zhuǎn)換方法應用制冷壓縮機技術(shù)方案的分立磁流能量單元設計無需 再定義或局限與傳統(tǒng)電機的軸輸出功率和圓周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線、往復的范 疇。這時的分立磁流能量單元及組合的做功形式，是由脈沖源時序合成工 作模式中的"分立磁流能量單元機構(gòu)對于直線、往復形式能量轉(zhuǎn)換及功率 輸出運行模式的應用裝置模型1."時的"法向方向,X的電磁力矩工作通 電時域"邏輯就可以簡單實現(xiàn)空調(diào)、電冰箱制冷壓縮機的工作模式及往復 運行特征。
說明書附圖3-1是分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于家用 電器類的空調(diào)、電冰箱制冷壓縮機的結(jié)構(gòu)設計。其中20是銅質(zhì)材料的 汽缸體、內(nèi)置可移動的活塞18及活塞環(huán)15組件，活塞的兩端封閉且不需 要聯(lián)桿等機構(gòu)，由復合材料和磁介質(zhì)材料合成的活塞18也是分立磁流能 單元磁通路的一部分。汽缸體的兩端是壓力室16和壓力閥門組21,外表 面是構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)(電工鋼片)22組件和安裝支架17,分立 f茲流能量單元A和A' 、 B和B'動力繞組的1和3、 2和4以及傳感器繞 組8、 9組件，由此構(gòu)成了分立磁流能量單元及組合應用于空調(diào)、電冰箱 制冷壓縮才幾的結(jié)構(gòu)i殳計。
作為電水箱、空調(diào)機的制冷壓縮機磁路、結(jié)構(gòu)設計，分立磁流能單元的 作功電磁力是以壓縮機活塞工作時的最佳應力位置分布，磁路是以最佳的 磁路閉合時的氣隙(壓力室)與機械、電氣特性選擇的結(jié)構(gòu)形式(參閱說 明書附圖3-2的磁通路圖)設計，這時的能量轉(zhuǎn)換電氣特征(氣隙特征) 與機械特性(活塞打氣筒式的工作模式)相互優(yōu)化組合。而由復合材料及 磁介質(zhì)材料合成的活塞(活塞與分立磁流能單元為一體也是的磁路一部 分)與分立磁流能單元及組合形成一個整體，因此無需再有動力傳輸及轉(zhuǎn) 動變換為直線運動系統(tǒng)，實現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換和無傳動的結(jié)構(gòu)形式，大 大減少了圓周旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的運動所需能量及運動時的振動和噪音。而傳統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)動部分的密封、散熱等問題也可以考慮的相對簡單，使得分立磁流
能量單元及組合應用于空調(diào)、電水箱裝置更象是一種在"家里工作"的機 械裝置。
6.電氣及控制系統(tǒng)設計
參閱說明書附圖3-2中磁通路圖部分，當分立磁流能量單元A (A') 組的動力繞組內(nèi)有電流時，構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)即汽缸內(nèi)活塞將產(chǎn)生
位置移動趨勢并且向A組汽缸體的壓力室閉合現(xiàn)象，同時A組的壓力閥門 組接通儲氣室而B組的壓力閥門組打開；當分立磁流能量單元B ( B') 組的動力繞組內(nèi)有電流時，構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)即汽缸內(nèi)活塞將產(chǎn)生 位皇移動趨勢并且向B組汽缸體的壓力室閉合現(xiàn)象，同時B組的壓力閥門 組接通儲氣室而A組的壓力閥門組打開；分立磁流能量單元A(A')組 和B(B')組動力繞組采用"直線、往復形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行 模式的應用裝置模型1的法向方向尸x的電磁力矩工作通電時域"實現(xiàn)了 空調(diào)、電水箱制冷壓縮機的工作模式及往復運行特征和運行邏輯。
說明書附圖3-3中的19是傳感器部分，傳感器讀取的模擬量實際數(shù)值 是微小電壓變化量4 // r或者微小電流變化量4 〃/,其實際的物理意義 是分立磁流能量單元數(shù)據(jù)采樣線圈得到的因活塞位置移動和變化時 磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)內(nèi)的磁通流變化Z1 w ^和磁通流強度J//》，也就是 不同的活塞位置有相對應的微小電壓〃 r或者微小電流///，由此控制系 統(tǒng)經(jīng)過實時讀取一莫擬量及數(shù)值處理后，分別接通和斷開相對應的分立^茲流 能量單元A(A')組或者B (B')組動力繞組電源，實現(xiàn)制冷壓縮機的 活塞連續(xù)、往復工作運行。
④有益效果
分立磁流能量單元及組合的磁路和磁路通道中產(chǎn)生的磁通量及磁通強度 形成了 一個具有能量的機構(gòu)，實際上電能源轉(zhuǎn)換為磁能源的過程是電流強 度激活了構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)中的磁疇作定向運動形成的磁流，分立磁流 能量單元作功的充要條件是磁回路的形成和閉合過程，而磁回路的閉合過 程實際上與磁通量和磁通強度的磁流方向無關(guān)，也就是與電流強度的方向 無關(guān)，那么實際上分立磁流能量單元作功形式的基本電氣特性就是與輸入 電源的形式和種類無關(guān)，即在分立^f茲流能量單元的實際應用中沒有使用交 流直流、單相多相電源或者換相倒相的限制。分立磁流能量單元的通電閉 合線圈也是一種有內(nèi)阻和電感量的感性元件，如果沒有電流的方向和電流 的換相、倒相的使用限制，那么在實際應用上受到"感性元件自身的感生 電動勢和電流方向與原方向相反且瞬時增加"的影響相對于采用傳統(tǒng)技術(shù) 的電動機要小的很多或者"感抗"減少很多，也沒有傳統(tǒng)技術(shù)的電動機的 "無功"現(xiàn)象產(chǎn)生和相應的補償機構(gòu)，其實際的物理意義是提高了電力驅(qū) 動源的電能、機械能的轉(zhuǎn)換效率。
分立磁流能單元的作功電磁力是以壓縮機活塞工作時的最佳應力位置分 布選擇的結(jié)構(gòu)和磁路，這時能量轉(zhuǎn)換的電氣特征(氣隙特征)與機械特性 (活塞打氣筒式的工作模式)相互優(yōu)化組合。而由磁介質(zhì)材料制成的活塞 與分立磁流能單元形成一個整體，無需再有動力傳輸及轉(zhuǎn)動變換為直線運
動系統(tǒng)和機構(gòu)，減少了轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的能量和振動、噪音，實現(xiàn)高效率的能量 轉(zhuǎn)換和無傳動的結(jié)構(gòu)形式。
例2.分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動自行車 按自行車的使用范疇及特性，分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法 應用于電動自行車項目設計中，磁介質(zhì)材料制成的磁回路機構(gòu)可分布于車 圈的外緣，由于無需靜態(tài)的啟動能力和轉(zhuǎn)動方向限制，理論和結(jié)構(gòu)上僅用 一組分立磁流能量單元就可以實現(xiàn)自行車的驅(qū)動或者制動模式。解決方案 是以脈沖源時序合成控制的切向方向尸/電磁力矩為驅(qū)動車輛，由脈沖源 時序合成控制的法向方向尸i電磁力矩為制動(如果有必要)車輛。
① 現(xiàn)有技術(shù)主流產(chǎn)品的運行模式和機體結(jié)構(gòu)問題
常見的電動自行車作為驅(qū)動力源的形式主要有直流電機等類別。傳統(tǒng)方 式的直流電機工作時所需產(chǎn)生的強極性磁場對轉(zhuǎn)子作功，實際中通電線圏 內(nèi)需將電流作倒相處理，形成固有的"感抗"其實際的物理現(xiàn)象為無功耗 能、工作溫度上升等不利因素，其電能、機械能的轉(zhuǎn)換效率再進一步提高 非常困難。
現(xiàn)有技術(shù)電動自行車主流產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式以直接驅(qū)動即輪轂式電機為 主，輪轂式電機屬于典型的"扁平型"結(jié)構(gòu)，電動機有效做功載流線段在 磁場內(nèi)磁通部分的長度有限，電動機定子、轉(zhuǎn)子磁路之外的線段只是連接 導體并不參與電能、機械能轉(zhuǎn)換和做功。以電動機電氣特性的電能、機械 能轉(zhuǎn)換有益效果分析，"扁平型"電動機產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征影響了電能、機 械能的轉(zhuǎn)換效率。
② 本項技術(shù)方案要解決的問題
a.提出分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的電動自行車技術(shù)方案，是為了 提高電力驅(qū)動源的電能、機械能的轉(zhuǎn)換效率。
提出分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的電動自行車技術(shù)方案，是為了 提高電力驅(qū)動源的能量傳遞過程中，由于結(jié)構(gòu)形式影響裝置的使用效率。
c.提出分立磁流能量單元能量轉(zhuǎn)換方法的電動自行車技術(shù)方案，是為了 簡化電動自行車的結(jié)構(gòu)和保留自行車的基本特性(外形與騎行能力)。
③ 才支術(shù)方案
采用分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法的電動自行車技術(shù)方案， 是由分立磁流能量單元組、控制系統(tǒng)和電源、自行車車架等組成的機電一 體化、自動控制等多項技術(shù)的全新裝置。
a.分立磁流能量單元的結(jié)構(gòu)和磁路設計
說明書附圖4-2和說明書附圖4-4是分立磁流能量單元的結(jié)構(gòu)設計，包 括分立磁流能量單元的動力繞組、分立磁流能量單元的傳感器繞組、動力
數(shù)據(jù)總線、安裝支架等組件。其中3.是電動自行車的鋁質(zhì)車圈和構(gòu)成磁 回路的磁介質(zhì)機構(gòu)4.(由電工鋼片制成共8組)組合成一個整體部件；5. 是分立磁流能量單元與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的相對氣隙；6.是分立磁 流能量單元的傳感器繞組；7.是動力、數(shù)據(jù)總線；8.是分立磁流能量單元 的動力繞組；9.是分立磁流能量單元本體(由電工鋼片制成共1組)；10. 是與車架固定螺栓；ll.是脈沖源時序和控制系統(tǒng)；12.是電源；20.是電 動自行車車圈的輪幅；21.是電動自行車的車圈的外緣。
說明書附圖4-3是分立磁流能量單元動力繞組和車圏的外緣分布的構(gòu)成 磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的磁流磁路設計圖。其中13.是分立磁流能量單元 磁流能量的磁回路理想設計通路；14.是分立磁流能量單元與構(gòu)成磁回路 的磁介質(zhì)機構(gòu)的相對氣隙；15.表示電動自行車的車圈；16.表示應用于電 動自行車的分立磁流能量單元機構(gòu)(固定在車架上)；17.是分立磁流能
量單元的動力繞組。 6.電氣及控制系統(tǒng)i殳計
參閱說明書附圖4-3,分立磁流能量能單元組的結(jié)構(gòu)設計是將磁介質(zhì)材 料(電工鋼片)制成的磁回路機構(gòu)分布于車圏的邊緣，按自行車的使用范 疇及特性，當分立磁流能量單元組的動力繞組和傳感器繞組在自行車的騎 行中相互位置接近、相切時，控制系統(tǒng)以脈沖源時序控制的切向方向尸7 電磁力矩為驅(qū)動車輛，由脈沖源時序控制的法向方向尸x電磁力矩為減速 和制動車輛。
分立磁流能量單元的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動自行車的控制系統(tǒng)實際工 作中有一個必要條件是模擬量的實時讀取及處理，在分立磁流能量單元機
構(gòu)中除了能量轉(zhuǎn)換作功的動力繞組以外還有另 一組數(shù)據(jù)采樣線圈。動力繞 組和磁通路機構(gòu)與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)的相對位置發(fā)生變化時，分立 磁流能量單元機構(gòu)中的數(shù)據(jù)采樣線圈實時讀取到分立磁流能量單元與構(gòu)成 磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)不同位置時的相對應的模擬量，如微小的電流變化量 」〃 7或者微小的電壓變化量^ /yr。分立磁流能量單元機構(gòu)中的數(shù)據(jù)采 樣線圈的模擬量實時讀取及處理實際上就是選擇實時的分立磁流能量單元 和構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)不同位置時的相對應的模擬量，也是分立磁流 能量單元的能量轉(zhuǎn)換方法的控制系統(tǒng)實際工作中給脈沖源時序?qū)崿F(xiàn)工 作模式的指令依據(jù)。由于分立磁流能量單元在同一時刻相對應的構(gòu)成磁回 路的磁介質(zhì)機構(gòu)幾何位置不同，分立磁流能量單元機構(gòu)中的數(shù)據(jù)采樣線圈 的模擬量實時讀取也不同，通過模擬量實時讀取及處理和數(shù)值換算就可以 得到脈沖源時序需要的切向方向F/做功區(qū)域時序段和法向方向^r做功區(qū) (通斷角e)，且由控制系統(tǒng)給出不同位置的分立磁流能量單元做功指 令，實現(xiàn)了電動自行車的驅(qū)動和連續(xù)轉(zhuǎn)動或者制動等工作^t式。同樣也可 以通過電流強度、脈沖源寬度(進角前置)、幅值、頻率(對應上述的8 組在車圈邊緣平均分布構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu))等參數(shù)的改變或者其參 數(shù)的編程使得裝置具有轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動力矩的控制能力。對于分立^ 茲流能 量單元及組合的控制系統(tǒng)"還可以根據(jù)應用裝置的實際的機械特性選擇
分立磁流能量單元的獨立、循環(huán)工作，例如電動自行車也可以做成單輪 驅(qū)動和雙輪3K動的形式。 ④有益效果
分立磁流能量單元、脈沖源時序及控制方法的工作形式是一種合理、高 效的能量轉(zhuǎn)換方式，相對于傳統(tǒng)電力驅(qū)動源的電動機工作模式所產(chǎn)生的感 性元件通有的"感抗"電氣特性，由于分立^f茲流能量單元及組合的工作才莫 式，無需產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場、極性倒相等使用條件，而采用脈沖源時序及控制 方法的工作形式，比應用傳統(tǒng)技術(shù)電動機工作模式的電源輸入方式，更有 效的利用了電源能量及提高了轉(zhuǎn)換效率。
分立磁流能單元的作功電磁力是以電動自行車運行模方式的最佳應力位 置分布選擇的結(jié)構(gòu)和磁路，這時能量轉(zhuǎn)換的電氣特征(氣隙特征)與機械 特性(作用力臂在車圈的外緣)相互優(yōu)化組合，而由磁介質(zhì)材料復合制成 的車圈與分立磁能單元磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)形成一個整體，無需再有動力
傳輸系統(tǒng)和機構(gòu)，減少車輛的驅(qū)動能量。
本項分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法應用于電動自行車的技術(shù) 方案及結(jié)構(gòu)形式，在實際應用中可以使得驅(qū)動力源工作在理想的效率最高 區(qū)域，對應于車輛行駛包線范圍內(nèi)動力源可以是理想的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩輸出動 力，而結(jié)構(gòu)設計和技術(shù)方案及總體布局又是一種完整意義上的自行車(和 普通自行車的外形與騎行能力完全一樣)，確保了完整意義上的自行車騎 行功能。
權(quán)利要求
1. 本項技術(shù)方案涉及的分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法是一種電能、磁能、機械能的轉(zhuǎn)換形式，其特征是電流強度流過由磁介質(zhì)材料構(gòu)成的磁回路通道上的閉合線圈時，磁介質(zhì)材料中磁疇產(chǎn)生的電磁效應、磁通量及強度，形成一種能量的轉(zhuǎn)換過程和表現(xiàn)形式，并由此確立的分立磁流能量單元及組合的能量機構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1.所述，分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法的 技術(shù)方案，其特征是分立磁流能量單元及組合的電磁力矩，是經(jīng)過時序 域選擇得到可以控制的電磁力矩方向和作功形式，并由此應用的直線、往 復運行形式和圓弧、轉(zhuǎn)動運行形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式的裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1.所述，分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法的 技術(shù)方案，其特征是分立磁流能量單元及組合的電磁力矩作功是經(jīng)過模 擬量實時讀取及處理后確立的分立磁流能量單元與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機 構(gòu)之間相對位置，是控制系統(tǒng)的指令依據(jù)，并由此實現(xiàn)對應的工作模式和 直線、往復運行形式和圓弧、轉(zhuǎn)動運行形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式 的裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1.所述，分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法的 技術(shù)方案，其特征是分立磁流能量單元的作功形式是由單個分立磁流能 量單元或者多個分立磁流能量單元組合組成，并由此實現(xiàn)的直線、往復運 行形式和圓弧、轉(zhuǎn)動運行形式能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行模式的裝置。
全文摘要
分立磁流能量單元及組合的能量轉(zhuǎn)換方法是一種電能、磁能、機械能的轉(zhuǎn)換形式。由于分立磁流能量單元的工作模式無需產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場、電流換相、倒相等運行條件，比傳統(tǒng)技術(shù)的電動機工作模式更有效的利用了電源能量及提高了轉(zhuǎn)換效率。在構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)上產(chǎn)生的能量和電磁力矩，通過實時讀取并處理的分立磁流能量單元與構(gòu)成磁回路的磁介質(zhì)機構(gòu)不同位置時相對應的模擬量數(shù)據(jù)后，脈沖源時序和控制系統(tǒng)給以相對應指令實現(xiàn)直線、往復運動或圓弧、轉(zhuǎn)動運動行形式的能量轉(zhuǎn)換及功率輸出運行邏輯。適用范圍包括采用傳統(tǒng)技術(shù)電動機為驅(qū)動源的裝置、車輛、工程機械、自動控制及執(zhí)行機構(gòu)、家用電器等，屬于電力驅(qū)動源應用范疇。
文檔編號H02K57/00GK101388594SQ20081002131
公開日2009年3月18日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
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