高效率发电系统及其操作方法

通过引用加入

本申请是美国非临时专利申请，其要求2019年1月3日提交的题为“高效率发电系统及其操作方法(A High Efficiency Power Generation System and a Method ofOperating Same”的第62/787,975号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及发电系统，更具体地，涉及一种使用感应的高效率发电系统及其操作方法。

背景技术

用于在发电厂中发电的当前技术通常利用燃料源(诸如煤、石油、天然气、核能或太阳能)来发电。在组合循环发电厂中，碳氢化合物用来产生热量。热量用来使水沸腾以产生蒸气，高压蒸气用来使涡轮机自旋，该涡轮机继而使连接到转子的轴自旋，所述转子上定位有电磁体(或永磁体)。转子被固定线圈(定子)包围。在一些情况下，风力或瀑布可用来使涡轮机自旋。在简单循环发电厂中，随着热燃烧气体通过涡轮机膨胀，其使旋转叶片自旋。旋转叶片使发电机自旋以发电。

电磁体通常由DC电压供电以产生其磁场。转子的旋转及因此电磁体经由轴的旋转致使电磁体的磁场线与固定线圈(定子)交叉。根据法拉第定律，这导致在线圈(定子)的导线中感应交流电。电磁体旋转得越快(且因此磁场线亦随其旋转)，定子中的感应电流便越大。图1示出通过旋转轴旋转的磁体附近的固定线圈。磁场线在图1中被呈现为虚线。随着电磁体旋转，磁场线随其旋转且这致使这些线与固定线圈交叉。这实际上跨线圈产生电动势(emf)或电位。在图1中，这通过依据时间的Vemf表示。

亦可在一替代配置中应用法拉第定律，其中导线环在两个固定磁体之间旋转且曲柄用来致使此旋转。这产生连续变动电压，其继而根据法拉第定律产生交流电。曲柄转得越快，产生的电流便越大。

在上文所描述的系统设定中，致使轴旋转的组件被涉及且具有高维护成本。另外，系统的可操作性及效率与此系统的诸多部分(包含锅炉、涡轮机、轴及其等任何联接器)的恰当操作相关联。此外，归因于轴的机械移动导致转子的旋转移动及磁体及/或线圈的旋转移动(取决于设定)，由于热量及摩擦而在系统中损失大量能量。实际上，估计利用上文所描述的传统设定的电厂发电机的效率不超过60％。此外，用来产生轴的旋转所需的机械能的燃料源负面地影响环境。因而，期望一种新能量产生系统来增加发电效率并且还克服此等缺陷。

发明内容

本发明具有若干方面。在本发明的一个方面中，描述一种感应发电系统。该系统包含从电力供应器接收激励电压的至少一个固定电磁体，其中该至少一个固定电磁体具有北极、南极及磁场。该系统也包含定位于该磁场内部且与该磁场的磁场线相交的至少一个固定线圈。在一些实施例中，该至少一个固定线圈在该至少一个固定电磁体的该北极及该南极的至少一者的外部及附近。在其他实施例中，该电磁体是中空螺线管且该至少一个固定线圈被定位于该电磁体的内部。在该系统中，该电力供应器经组态以被配置为修改自该电力供应器供应至该至少一个固定电磁体的电流的变化率，使得当由该电力供应器激励该至少一个固定电磁体时，在该至少一个固定线圈中感应电动势(EMF)。

在一相关实施例中，该系统进一步包含调制器，该调制器用于修改自该电力供应器供应至该至少一个固定电磁体的该电流的该变化率，使得当由该调制器控制的电力供应器激励该至少一个固定电磁体时，在该至少一个固定线圈中感应电动势(EMF)，从而产生感应电流。该调制器可用来通过将包含脉冲波、方波、三角波、三角脉冲、正弦波及锯齿波的一或多个调制信号施加至该电力供应器的电流信号来修改该电流的该变化率。

在又一相关实施例中，该至少一个固定电磁体包括两个或更多个电磁体且使得在该两个或更多个电磁体的各磁极外部及附近是至少一个固定线圈。

在一些实施例中，该电源可为AC或DC电压电源。在其他实施例中，该固定线圈被配置为使得该电磁体的磁场线与相交于该磁场线的该至少一个固定线圈的表面的法线方向之间的角度为零。此允许最大化暴露于该磁场线的表面区域且始终将此配置维持于适当位置。

在其中意欲于最大化储存于系统中的电磁体的磁场中的位能的采集的情况下的一些实施例中，该电磁体可被配置为使得该北极及该南极被成形为使它们的表面区域最大化，同时维持分离该北极及该南极的空间。这些形状的实例是球形或盒形，但应理解，在本发明的范畴内预期有其他形状。为了防止磁场线在所述磁极之间的空间内自该北极通过至该南极，所述磁极之间的空间被具有防止磁场线在此空间中自该北极移动至该南极的特性的材料填充。在此实施例中，该至少一个固定线圈将包含定位成彼此相邻以覆盖该北极及该南极的至少一者的整个表面区域的一系列线圈。在一些相关实施例中，用来分离该两个磁极的材料可由非磁性材料制成。在其他相关实施例中，该材料可使用电压控制磁(VCM)制成。在这些实施例中，外部供电调制器可用来将经调制的电流施加至该VCM层，这致使该VCM的极性被切换，因此防止所述磁场线通过该VCM层且迫使所述磁场线在该北极及该南极的表面区域的表面外部自该北极通过至该南极。这继而允许所述磁场线与定位于该北极及该南极的任一者或两者外部的固定线圈交叉。

在另一相关实施例中，该感应发电机系统可进一步包括定位于该至少一个固定电磁体与该至少一个固定线圈之间的薄VCM层。在其中该定子在该电磁体外部的一些实施例中，该至少一个固定线圈经定位成接近该VCM层，该VCM层经定位成接近该北极及该南极的至少一者且该至少一个固定线圈经定位于所述磁极的任一者或两者外部及附近。在其中该定子经定位于该电磁体内部的实施例中，该VCM层经定位于该至少一个固定电磁体与该定子的该至少一个固定线圈之间。这些配置的任一者中的该薄VCM层可由其自身的电力供应器供电。当供应足够电力时，该VCM层中的磁极性反转。这致使该VCM层阻止所述磁场线自电磁体磁极通过至所述磁极外部的线圈。在一些实施例中，调制器用来调制由该VCM电力供应器供应的电流的持续时间以便控制反极性的持续时间。这实际上产生通过该电磁体外部的线圈的磁场的开-关-开机制，其继而在外部线圈中感应EMF及电流。

在其他实施例中，该感应发电机系统中的电磁体可为包括硬磁体区段及软磁体区段的电永磁体(EPM)。该系统进一步包含第二电力供应器，该第二电力供应器用于将电流施加至该EPM的该硬磁体区段的仅一个区段以反转该硬磁体的那个区段的磁极性。通过反转该硬磁体的那个区段中的极性，这致使该电磁体外部的磁场线消失，因为所述磁场线将由于电磁体的硬磁体部分的一个区段中的极性变化而仅在自南极行进至北极的循环中在磁性材料内部流动。然而，当极性再次反转使得两个硬磁体区段具有相同极性时，这致使所述磁场线在该电磁体的外部自该北极流动至该南极且由此与该电磁体的外部的线圈交叉。在一些相关实施例中，该系统配备有调制器，该调制器被配置为用于控制该第二电力供应器的电流的频率及持续时间，由此控制反转该硬磁体区段的仅一个区段的磁极性的频率。这实际上模拟跨定位于该电磁体的该北极及该南极的外部的线圈的磁通量及磁场的变化，其最终在线圈中感应EMF及电流。

本发明的另一方面涉及一种使用磁感应发电的方法，该方法包含：使用电力供应器为固定电磁体供电；修改自该电力供应器供应至该电磁体的电流的变化率；及在定位于该电磁体的磁场内部且与该磁场的磁场线相交的至少一个固定线圈上感应电流，其中感应在由该电力供应器激励该至少一个电磁体时发生。此方法可使用上文及本发明中所描述的任何系统来应用。

本发明的另一方面涉及一种修改传统的感应发电机以增加输出效率的方法，该方法包含：将该传统的感应发电机的转子及其中的电磁体安装为相对于该传统感应发电机的定子固定。该方法亦包含禁止该转子的任何旋转移动且移除促进此移动的任何系统组件。这意谓着传统上用来旋转该轴的旋转轴可完全自系统移除，这是因为不再需要其功能。在没有旋转轴的情况下，涡轮机及移动涡轮机所需的所有机构亦将自系统剔除。该方法进一步包含将已调制的电流施加至该固定转子上的电磁体，使得供应至该电磁体的该已调制电流存在快速变化率的步骤。最后，该方法包含归因于该电流的该快速变化率而在该定子的绕组上感应电动势(EMF)及电流的步骤。归因于剔除对轴及涡轮机的机械移动的需要而同时维持在定子绕组中感应EMF及电流的能力，对该传统的感应系统进行此修改的结果是增加的感应发电机的效率。通过剔除所有机械要求，可显著地降低能量损失，其继而导致系统中的效率增加。

如本发明的详细描述中将展示的，本发明的其他方面及实施例将系显而易见的。

附图说明

随附的附图表示本发明的非限制性实例实施例。

图1示出根据现有技术的在由旋转轴旋转的磁体附近的固定线圈处感应的emf电压。

图2示出根据现有技术的感应发电机的部分纵向截面视图。

图3示出根据本发明的一实施例的感应发电机的透视图。

图4示出图3中所展示的实施例的感应发电机的部分纵向截面视图。

图4A示出传统感应发电机及本发明中所描述的发明感应发电机中的转子处的磁场的一般行为与定子处产生的磁通量及EMF之间的比较。出于比较目的，在需要时标准化化所有功能且施加相移。

图5示出根据本发明的一实施例的表示感应发电机的转子及定子的LR串行电路的示意图。

图6示出当V(t)是直流电压供应器时图5中所示出的LR电路中的电流I(t)随时间的行为。

图7示出根据本发明的一实施例的感应发电机的部分截面视图，其中提供多个电磁体及对应定子区段。

图8示出根据本发明的另一实施例的实例性感应发电机的截面视图。

图8A示出根据本发明的又一实施例的实例性感应发电机的截面视图。

图9示出利用使用电压控制磁(VCM)构建的材料的根据本发明的一实施例的感应发电机的截面视图。

图10示出根据本发明的一实施例的其中利用电永磁体(EMP)的感应发电机的截面视图。

图11A及图11B示出示意图，该示意图示出分别处于开及关构造的PEM中的磁场线的性能。

图12示出根据本发明的另一实施例的感应发电机的透视图。

图12A示出图12的感应发电机的电磁体线圈的部分透视图，其中部分地插入定子线圈。

图12B示出图12中的感应发电机的电磁体线圈及定子的侧视图。

图13示出根据本发明的另一实施例的感应发电机的透视图。

图13A示出图13的感应发电机的电磁体线圈的部分透视图，其中部分地插入定子线圈及VCM层。

图13B示出图13中的感应发电机的电磁体线圈、定子线圈及VCM层的侧视图。

具体实施方式

贯穿下文描述，阐述特定细节以便向熟习此项技术者提供更透彻理解。然而，可能未详细展示或描述公知组件以避免不必要地模糊本发明。技术实例的下文描述并非意欲为穷举性或将系统限于任何实例实施例的精确形式。据此，应以阐释性而非限制性意义看待说明书和附图。

本发明提出一种使用感应产生电能的系统及其操作方法。由本发明中所描述的系统产生的能量的效率高于此项技术中已知的发电厂中达成的最大效率。该系统通过考虑法拉第感应定律来达成。

法拉第定律预测磁场将如何与电路相互作用以产生电动势(EMF)。此现象被称为电磁感应且用于变压器、电感器及诸多电动马达、发电机及螺线管中。该定律规定，当通过被导电环围封的表面的磁通量随时间变动时，该导电环上存在EMF。EMF被定义为当单位电荷已行经导电环的一圈时完成的电磁功。此关系在下述方程式(1)中在数学上展示：

其中(ε)为EMF且Φ

Φ

其中

麦斯威尔-法拉第方程式描述空间变动电场总是伴随时变磁场的事实。具体而言，磁通量变化在闭合环路上方产生电场。这在数学上被表示为：

其中Σ是由闭合轮廓

再者，已知在线圈中，磁场可由载流导体产生。在此情况下，磁场的行为类似于条形磁体的行为。磁场与电流之间的关系被表达为如下：

B＝μnI (5)

其中μ是芯材料的相对磁导率，n＝N/l是螺线管每单位长度的匝数且I是电流。因此，磁场与线圈中的电流I成正比。

图2示出法拉第感应定律在用于通过旋转转子上的电磁体位置来在定子中产生EMF连同在发电机中产生其磁场的发电厂中的当前应用的表示。向电磁体供应DC电压以产生其磁场。因而，磁场被视为不变。磁体的旋转及磁场的旋转致使磁通量自零变为最大，这是因为磁场线与定子表面的法线之间的角度

因此，轴的旋转控制发电机中的转子的旋转及磁场的旋转。因而，其被视为限制当前使用的电磁发电机且影响这样的系统的效率，因为该系统将归因于摩擦、热量等而遭受能量损失。具体而言，效率经计算为(输入-损失)x 100％，其中损失归咎于用来引发机械移动的所有能量且其中输入是磁场通量随时间的变化。

传统上，电流的产生由法拉第感应定律、麦斯威尔-法拉第方程式以及方程式(6)中所呈现的劳伦兹力来解释：

F＝Q·vxB (6)

其中F是点电荷Q上的力且v是电荷Q在均匀磁场B中的速度。方程式(6)描述运动EMF使得施加于磁场中的线圈上的电荷粒子上的力致使电位差(EMF)且电荷归因于此电位差而移动，从而在线圈中产生电流。若线圈保持固定且磁场移动，则适用相同方程式。

自点电荷的观点来看，当线圈在均匀磁场中移动时，其随着电荷与磁场线交叉而经历磁场的变化。在替代视图中，随着磁场线与电荷交叉，电荷仍经历磁场的变化。因此，可设想针对电荷，唯一相关方面是磁场跨电荷的变化率。电荷不知道线圈是否在移动或磁场是否在移动。相反，相关的是，是否存在磁场线跨电荷的变化率。换言之，自电荷的角度来看，相关的是磁场量值或强度是否存在突然变化(dΦB/dt)。例如，电荷将自与其相交的磁场线的数目的随时间变化而经历EMF。

在本发明中，对感应发电机的配置及操作方式引入根本性变化。更具体而言，取代移动发电机的转子以使定子上的磁通量具有变化率，通过适时改变磁场B来改变磁通量，该磁场B通过随时间改变供应至转子中的电磁体的电流来建立。因而，在本发明中，剔除对使转子及电磁场旋转的需要或对使固定磁体之间的线圈旋转的需要。实际上，假定建立相同磁通量变化率，这允许在定子中感应相同EMF，而不必实体地移动转子或电磁体。自线圈上电荷的观点来看，通过改变电流的变化率(及磁场的变化率)，与单位电荷相交的磁场线的数目将随时间而变动。根据法拉第感应定律，这导致在定子处产生EMF。

因此，剔除对轴、涡轮机以及传统发电厂中用来为涡轮机及轴供应动力的系统的所有组件的需要。在无需轴、涡轮机及其他组件的情况下，剔除归因于摩擦、热量、扭矩等所致的能量损失。在无需自发电机的总输出减去该能量损失的情况下，这允许增加感应发电机的效率。

图3示出根据本发明的一实例性实施例的感应发电机300的部分透视图。在图3中，转子1被展示为通过将线圈3缠绕于转子1的区段周围且跨线圈3的端部自一电力供应器5供应电位差来形成电磁体2。图3展示电磁体2的北极N及南极S。电磁体的芯可由本领域中已知的用于组装电磁体的任何材料制成。通过非限制性实例，芯可为铁芯。图3展示定位于电磁体2的北极及南极附近的定子4。如图3中所展示，转子1及定子4两者是固定的。图4展示发电机300的部分纵向截面视图。

图3中的芯被展示为具有单体结构且由一种材料制成。然而，应理解，在本发明的其他实施例中，芯可采用不同形式及/或可由两种或更多种不同材料制成。本领域中用于线圈3及定子4的任何已知材料皆可在本发明(包含但不限于超导材料)中用来最小化线圈及导线的电阻。

在图3及图4中所描述的实施例中，提供频率调制器6。调制器6允许控制及改变由电力供应器5将电流供应至电磁体2的频率。在一些实施例中，调制器6可与电力供应器分离且具有自身电力供应器，诸如图3中所展示的电力供应器。在其他实施例中，该调制器可经内建至电力供应器中。本领域中已知的任何电力供应器皆可用于任一配置。在一些实施例中，可自定子中专用于此目的的额外线圈获得此电力供应器。在这些实施例中，系统的初始工作将需要外部电源。在系统操作一段时间之后，专用额外线圈处感应的EMF将循环回至系统中以补充外部电源。这类似于当前既有的发电厂技术，其中，在一些操作循环之后由系统的定子中的专用线圈产生的EMF补充供应至电磁体的DC电压外部电力供应。这是可能的，因为在定子中添加专用线圈将允许采集储存于磁场中的一些潜在磁能，否则该磁能将无法被采集。

由于调制器6用来改变及控制将来自电力供应器5的电流提供至电磁体2的频率，因此电力供应器可为AC或DC。再者，在调制器6中可使用本领域中已知的不同调制信号来调制电力供应器5的电流频率。通过非限制性实例，调制器6可将以下组合的任一者施加至电力供应器5的电流：脉冲波、方波、三角波、三角脉冲、正弦波、锯齿波、或本领域中已知的用于频率调制的其他形式的波或脉冲。

如方程式(5)中所指示，磁场与由电力供应器供应至电磁体的电流成正比。再者，根据方程式(3)，EMF被展示为与通量随时间的变化成比例。此外，通过使转子1及定子4保持固定且通过将系统配置以定向定子绕组，使得磁场与定子绕组的表面的法线之间的角度为零，将方程式(2)简化为：

Φ

在已知表面积且通过将系统配置为使得所有定子绕组的表面积皆相同的情况下，方程式(7)展示通量与磁场成正比。因此，通过组合方程式(7)与方程式(5)及(3)，展示定子处产生的EMF与由电力供应器供应至转子处的电磁体的电流的变化率成正比。

图4A展示传统感应发电机及本发明中所描述的发明感应发电机中的转子处的磁场的一般行为与定子处产生的磁通量及EMF之间的比较。出于比较目的，在需要时正规化所有功能且施加相移。在图4A-(1)中，通过向电磁体提供DC电压来将传统感应发电机中的磁场维持于恒定位准。使用方程式(2)来绘制那个系统的磁通量，可观察到该通量与

图5展示表示转子的一LR串行电路，其中电阻R是线圈的电阻且电感器L表示缠绕于电磁体周围的当电路闭合(即，开关为开)时随时间经受电压及电流变动的线圈。图5亦展示表示图3中的感应发电机300的定子侧上的定子绕组的电感器。应理解，在其他实施例中，可使用同步发电机的更多等效发电电路。再者，在一些实施例中，可通过在V相位的输出处添加电容器以减少所需激励电压的量来改良发电机的效率。再者，在一些实施例中，可通过在定子线圈的输出处添加电容器以改良输出EMF来改良发电机的效率。

参考图5中所示的电路，在闭合电路中且当电压源是DC时，电流I(t)开始流动通过该电路但未立即达到如由欧姆定律所判定的其V/R的最大值。此电路中电流随时间的行为在图6中展示且遵循以下数学表达式：

其中L/R表示时间常数(τ)且其中V/R表示在5倍常数值之后的最终稳定状态电流值。一旦电流达到此最大稳定状态，线圈的电感随即减小至零，从而行为更像短路且有效地自该电路移除电感器。

电流I(t)随时间的变化率(dI(t)/dt)的图6中所展示的曲线的斜率。因此，组合方程式(8)、(7)、(5)及(3)，定子侧处的EMF可被表达为如下：

其中

根据方程式(9)，通过改变供应至转子处的电磁体的电流随时间的变化率来在定子处产生EMF。再者，自图6所见，电流I的频率越高(即，瞬态时间t＝0之后的步进的时间周期越短)，产生的EMF便越高。然而，应注意，必须对系统施加实践条件，其中时域中的无穷小步进必须大于零。

返回参考图5中所展示的电路，在闭合电路中且此时，当电压源是AC时，可通过求解以下常微分方程式来表达电流随时间的行为：

其中左侧表示具有A作为信号振幅且f作为频率的随时间的电压，且其中右侧的第一项表示鉴于转子侧上的电流I(t)跨电阻R的电压且第二项表示鉴于转子侧上的电流I(t)跨电感L的电压。使用常微分方程式原理，I(t)可被呈现为如下：

组合方程式(8b)、(7)、(5)及(3)，可根据上述方程式(9)表达定子侧处的EMF。根据方程式(9)，通过改变供应至转子处的电磁体的电流随时间的变化率来在定子处产生EMF。

返回至图3中的感应发电机300的所描述设定，应注意，调制器6可被配置以增加被提供至电磁体2的电力供应器的电流的频率。在此实施例中可使用本领域中已知的不同频率调制器。在系统中可增加多高频率的限制将受限于由使用者选择的调制器的实体能力。

在传统感应发电机中，旋转轴负责控制及改变电磁体的旋转速度及磁场的旋转速度。根据工业标准，转子通常以3,000RPM/50Hz或3,600RPM/60Hz旋转以产生所期望电压输出。尽管该轴能够以更高RMP建立旋转，但实际上并未如此做，因为用来达成此旋转速度的扭矩量将对系统造成过大负担且将降低感应发电机系统的总体效率。再者，以此速度操作可能致使过多热量，过多热量可能危害操作该轴的机械机构的完整性。出于此原因，传统感应发电机通常以3,000RPM/50Hz或3,600RPM/60Hz操作以在允许该轴以此速度旋转所消耗的能量与由系统产生的总能量输出之间达到平衡。

相较之下，本发明中所提出的感应发电机不具有相同限制。如上文所述，转子保持固定。再者，如方程式(9)中所提供，产生的EMF与电流的变化率成比例。为调制器供电的能量需求显著地低于机械地旋转传统感应发电机中的轴的能量需求。此外，本领域中的已知频率调制器允许将频率控制于45KHz范围中。这近似为可使用轴机构旋转传统转子的最大RPM速度的900倍。给定以此速率控制频率的能量需求不对系统造成负担且给定无旋转转子的机械约束(如传统系统中存在的机械约束)，与传统感应发电机相较，这允许显著地增加新的感应发电机的效率。

通过使用调制器增加电流的频率，电流的变化率增加且因此磁场的变化率亦增加。电流及磁场的此变化率增加可导致减小磁场的量值。此是可合理理解的，因为随着频率增加，电流累积于电感器中的时间周期将减小。为了在新系统的感应发电机中达成高效率，可能期望在所使用的调制器频率与所达成的最佳电压输出之间建立平衡。

磁场线的一些一般性质是这些线绝不彼此交叉且其等密度随着与磁极的距离增加而减小。在图3中，图中的实施例展示仅覆盖转子中的电磁体的磁极附近的定子区段。如此做是因为此发电机中的转子是固定的且亦因为系统的设计使得定子的位置仅与磁极的位置对准以在磁场线与定子绕组的表面积的法线的间达成

通过不将定子定位在磁场的区段中，未采集一些磁势能。为了对此进行补救，下文将描述不同实施例。一项实施例可在发电机的转子区段中包括一个以上电磁体。图7中展示此设计的非限制性实例。发电机700的转子701被展示为具有六个固定的磁极。定子区段704被配置以在六个磁极的每一个附近覆盖三个电磁体702。为了避免来自转子中的不同电磁体的磁干扰，可在系统中的相邻磁极之间的间隙区域中使用具有低磁导率的材料。可使用本领域中的具有此能力的任何已知材料。应理解，在其他实施例中电磁体的数目可大于或小于三个。再者，电磁体的芯材料可皆由相同材料或不同材料制成。此外，磁场的强度(strength)或强度(intensity)对于三个电磁体的每一个可相同或其可不同。可使用单个电力供应器来将激励电压提供至系统中的所有电磁体或可使用单独电力供应器。在本发明的一项实施例中，转子将在各连续电流信号之间以120度相位循环3相正弦电流。随时间改变值的电流将在定子区段中感应EMF，其等效于磁通量的变化率。

在一替代实施例中，设想发电机转子的不同设计以尽可能多地覆盖定子中的感应EMF的区域。例如，这可通过增加北极及南极的表面区域，使得两个磁极形成在其之间具有空间的球形形状的几乎两个互补瓣来达成。接着可使用具有球形形状的定子来覆盖实质上球形的转子。此设计最大化覆盖转子的定子的表面区域。这允许通过将磁场暴露于覆盖转子的定子绕组来利用实质上整个磁场。在此实施例中，如图8中所见，设想磁极彼此非常接近且相反。已知磁场线在磁体外部自北极移动至南极时寻求最小阻力路径。为了防止磁场线在将电磁体的两个球形瓣801分离的小空隙中自北极移动至南极且迫使磁场线采取球形形状外部的路径，使得其它们可与定子804相交且在定子804中感应EMF，可在北极与南极之间放置使用电压控制磁(VCM)建置的薄层807，如图8中所展示。替代地，可使用不良导磁率的材料取代VCM材料。本领域已知的具有这些特性的任何材料皆可用于此目的。如在较早实施例中所提供，提供电力供应器805及调制器806以为电磁体供电且控制及改变由电力供应器提供电流的频率。

在图8中所呈现的实例性实施例中，磁极及周围定子的形状被配置为球形。然而，应理解，本发明中设想有其他形状。通过非限制性实例，北极及南极可形成在其之间具有空间的盒形状的两个互补部分，如图8A中所见。定子将形成为互补形状且定位于北极及南极的对应区段外部及附近，使得在电磁体的磁场线与定子绕组的表面区域的法线的间维持

图9展示另一替代实施例，其中发电机900被展示为具有相同于图3及图4中所呈现的设定。然而，在此实施例中，使用电压控制磁(VCM)建置的薄层910针对北极及南极的每一个定位于转子901与定子904之间。此层的放置可用来阻止磁场线到达定子904。脉冲宽度调制器(PWM)(未展示)可用来控制何时薄层910切换极性且因此充当磁场线阻挡器时的频率及何时其允许磁场线通过的频率。因此，PWM允许模拟跨定子904的绕组的开-关-开高速磁场。在此实施例中，转子901可被设定于足够高电流以允许可将高磁场快速地设定为开-关，从而允许在磁通量(或磁场)高速变化的情况下感应EMF。这实际上允许感应可匹配或超越具有机械轴机构的传统发电机的高EMF。应注意，若PWM用来调制薄VCM层910的开-关-开切换效应，则可能不需要调制器906来为电磁体902的线圈903提供激励电压。再者，在此实施例中，DC电压905可用来将激励电压提供至电磁体。

图10展示本发明的另一个实例性实施例，其中利用电永磁体(EPM)。在图10中所呈现的感应发电机1000中，电磁体1002由两个区段1002a及1002b制成。电磁体区段1002a及1002b的每一个由两个区段组成，其中一个区段1002c由“硬”(高矫顽力)磁性材料制成且另一区段1002d由“软”(低矫顽力)磁性材料制成。在图10中，阴影部分表示由硬磁性材料制成的区段。应理解，具有此等特性的任何已知材料皆可用于此实施例。线圈1003被展示为缠绕于电磁体区段1002a及1002b的每一个周围且电力供应器1005用来为电磁体供电。独立于线圈1003的额外线圈1012被展示为针对两个电磁体区段的仅一者缠绕于硬磁材料区段周围(在图10中所展示的实例中电磁体的区段1002b的硬区段1002c周围)且由单独的电力供应器1011供电。额外电力供应器1011及线圈1012用来改变电磁体的磁场线的行为。具体而言，当无电力被提供至线圈1012时，电磁体将充当先前在图3中所描述的电磁体，其中磁场线将在电磁体外部自北极流动至南极且呈非相交线的死循环形成物。这可称被为开(ON)配置。在图11A中以虚线展示此配置中的磁场线的行为的表示。

然而，在足够电力被施加至图10中的线圈1011的情况下且归因于硬磁性材料的不同矫顽力，仅那个区段中的磁极的极性将反转。磁场线的一般特性的中的一个是其在磁性材料中自南极流动至北极。随着电磁体的一个区段中的南极及北极的变化且给定磁场线总是寻求最小电阻路径，这导致磁场线在电磁体内部流动及磁场线在电磁体外部消失。这可被称为关(OFF)配置。图11B中展示此现象的示意图。因此，当软磁性材料及硬磁性材料具有相反磁化时，电磁体不产生跨其磁极的净外部磁场，而当它们的磁化方向对准时，电磁体产生外部磁场。

调制器1013在图10中所展示的实施例中用于控制由电力供应器1011供应至线圈1012的电流的频率及持续时间。调制器1013可与电力供应器1005分离或成一体。由于控制供应至线圈1012的电流的频率及持续时间，取决于所使用的调制器1013的限制，可由调制器1013以快速速率控制电磁体的区段1002b的区段1002c的磁极的反转，这将导致外部磁场的开-关配置。这实际上允许中断电磁体外部的磁场线。自定子绕组1004上的一点电荷的观点来看，与电荷相交的磁场线的出现及消失的速率将仿真磁场及通量随时间跨此电荷的变化。因而且鉴于方程式(3)及(7)，由于磁场以及磁通量的此变化率，在定子线圈1004中将感应EMF。

如先前所论述，电磁体的芯可由本领域中已知的用于形成电磁体的任何材料组成。在一些实施例中，电磁体可由没有芯的线圈产生。即，此实施例中的电磁体由中空螺线管产生。图12展示表示此结构的感应发电机1200的一实例性实施例。在图12中，电磁体1202通过具有螺线管线圈1203且跨线圈1203的端部为线圈供应与电力供应器1205具有电位差而形成。本领域中已知，当电流通过螺线管时，其在螺线管内部产生具有平行于螺线管的纵轴的磁场线的恒定、均匀磁场。

螺线管内的磁场取决于线圈匝的电流及密度。为了利用此性质，在图12中，定子1204被放置于线圈1203内部。这允许定子线圈位于由螺线管内部的电磁体产生的磁场线的路径中。图12A展示其中定子线圈1204部分地插入至线圈1203中的图12中的发电机的部分透视图。通过定向定子线圈，使得线圈表面的表面区域的法线平行于磁场线，这允许始终最大化暴露于磁场线的表面区域。应理解，本领域中已知的各种技术可用于相对于螺线管堆叠定子线圈以最小化集肤及近接效应且最大化EMF输出。

图12B展示图12的线圈1203及定子线圈1204的侧视图。如图12、图12A及图12B中所展示，定子绕组不同于电磁体线圈1203的绕组。在此实例性实施例中，定子线圈被展示为与电磁体线圈相比较每单位长度具有更多匝。在其他实施例(未展示)中，电磁体线圈每单位长度所具有的匝数可等于或小于定子线圈每单位长度所具有的匝数。

在图12中所展示的实施例中，调制器1206用来改变及控制将来自电力供应器1205的电流提供至电磁体1202的频率。类似于所公开的其他实施例，电力供应器可为DC或AC。亦可使用本领域已知的不同调制信号。

螺线管内部或外部的磁场可使用迭加原理且亦参考毕奥-萨伐尔定律获得。根据上述内容，建立方程序(10)：

其中B

方程式(10)描述转子上的电流是稳定的情况。在其中电流随时间变化的情况下，可根据方程式(11)找到总磁场：

其中μ

组合方程式(3)、(5)及(11)，允许我们表达定子侧处的一组电缆上的EMF或感应电压，其中定位于与转子(即，螺线管)中的最后一个线圈相距距离D处的单个线圈具有N匝及面积As，该最后一个线圈具有半径R且由电流I

其中应理解，只要磁通量在随时间变化，便将感应EMF。换言之，只要磁场B在随时间变化且只要I

图13展示图12中的发电机的变体实施例。在图13中，发电机1300包括电磁体1302，该电磁体1302在螺线管线圈1303与定位于螺线管内部的定子线圈1304之间具有薄VCM层1310。此配置中的薄层1310可由其自身电源(未展示)供电。当提供足够电力时，VCM层中的磁极性反转。这致使VCM层阻止磁场线通过定子线圈。在这些实施例中，调制器(未展示)用来调制由VCM电力供应器供应的电流的持续时间以便控制反极性的持续时间。这实际上产生通过电磁体内部的定子线圈1304的磁场的开-关-开机制，其继而在定子线圈中感应EMF及电流。

图13A展示其中VCM层及定子线圈1304部分地插入电磁体线圈1303内部的图13中的发电机的部分透视图。图13B展示电磁体线圈1303、定子线圈1304及VCM层1310的侧视图。类似于图12中的实施例，定子绕组被展示为不同于电磁体线圈的绕组。在其他实施例中，定子绕组可具有相同于或小于电磁体线圈的绕组的绕组。

在一些实施例中，壳体可用来保持磁场。这类似于变压器中使用的情况。此壳体可与本发明中所描述的任何实施例一起使用。在其中定子被定位于电磁体的外部的实施例中，壳体可被放置于定子层上方。在其中定子被定位于电磁体内部的实施例中，壳体可被放置于电磁体线圈的外部。

现将描述一种操作任何上述实施例的方法。在此方法中，在感应发电机的转子侧处提供电磁体。亦提供包括绕组的定子，其中该定子被定位于该电磁体的磁场内部且与该电磁体的磁场线相交。在一些实施例中，该定子至少在对应于北极及南极的电磁体的区段外部及附近。在其中电磁体是中空螺线管的其他实施例中，该定子被定位于该电磁体内部。该方法进一步包含将该电磁体的位置及配置安装为相对于该定子固定的步骤。该定子被配置使得定子绕组相对于磁场线的定向致使磁场线与定子绕组的表面的法线的间的角度为零，因此始终最大化暴露于磁场线的表面区域。该方法亦包含提供调制器，该调制器用来控制及改变用于为该电磁体供电的电力供应器的电流的频率。给定上述方程式(3)、(5)及(7)至(9)中建立的磁通量、磁场与电流之间的直接比例关系，由于该调制器改变施加至该电磁体的电流的速率，在定子绕组中感应EMF。

上述系统及方法描述新的感应发电机及其操作方法的不同实施例。应理解，本发明的范畴亦涵盖其中使用混合系统的系统及方法。具体而言，预想其中在感应发电机中暂时使用固定磁体及定子的任何系统应被涵盖为本发明的部分。

在本申请中，参考感应发电机的转子区段。然而，如上文所述，此区段中的电磁体保持固定。因而，应理解，本发明中对转子的参考仅仅为了提供对既有技术的组件的比较。其应被认为是实例性的且非限制性的。实际上，本发明中对转子的任何参考可被理解为参考感应发电机的中央区段。本发明中对定子的任何参考亦可被理解为参考包括线圈绕组的区段。该定子可在中心区段外部且在形成于此区段上的磁极的表面附近，或在一些实施例中当电磁体是中空螺线管时可在电磁体内部。

本发明描述一种新的感应发电机及其操作方法。然而，应理解，本发明的范畴亦涵盖修改既有感应发电机以增加该发电机的效率。用于修改感应发电机以增加其发电的效率的方法包含以下步骤：将转子及其中的电磁体安装为相对于感应发电机的定子固定；移除或停用传统上用来旋转感应发电机的转子的旋转轴；以及调制供应至电磁体以为其供电的电流，使得供应至电磁体的电流存在快速变化率。此修改的结果是由于供应至电磁体的电流的快速变化而在定子绕组处感应EMF而无需移动。

因此，根据本发明中所描述的系统及方法，新的感应发电机有利地提供使用感应的发电的改良效率且通过剔除对传统感应发电机的区段供电的燃料源的需要而减少环境破坏。此外，剔除轴、涡轮机及为涡轮机及轴供应动力所需的传统系统的所有组件降低维护成本且减少归因于部件故障而停机的机会。此外，其通过使用碳氢化合物等来极大地减少当前发电的不利环境效应。

除非内文另有明确要求，否则贯穿说明书及权利要求：

·“包括(comprise、comprising)”及类似者应在包含性意义而非排他性或穷举性意义上进行理解；即，在“包含但不限于”的意义上。

·“连接”、“耦合”或其等任何变体意味两个或多个组件之间的任何连接或耦合(直接或间接)；这些组件之间的耦合或连接可为实体的、逻辑的或其组合。

·“本文中”、“上方”、“下方”及类似含义字词在用来描述本说明书时应指代本说明书整体且非本说明书的任何特定部分。

·“或”在参考两个或更多个项目的清单时涵盖该字词的所有以下解释：清单中的任何项目、清单中的所有项目及清单中的项目的任何组合。

·单数形式“一”、“一个”及“该”亦包含任何适当复数形式的含义。

·“电源”及“电力供应器”指代呈适于操作电子电路的形式的任何电力源。

用于本说明书及任何随附权利要求(若存在)中的指示方向的字词(诸如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“垂直”、“横向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下方”、“上方”、“下面”、“上”、“下”及类似者)取决于所描述及所表示的设备的特定定向。本文中所描述的目标可采取各种替代定向。据此，这些方向术语未被严格地定义且不应被狭义地解释。

在上文参考组件(例如，电路、模块、总成、装置等)的情况下，除非另有指示，否则对那个组件的参考(包含对“构件”的参考)应被解释为包含执行所描述组件的功能的任何组件作为那个组件的等效物(即，功能上等效)，包含在结构上等效于在本发明的所表示的实例性实施例中执行该功能的所公开的结构的组件。

出于表示目的，本文中已描述装置及方法的特定实例。其仅是实例。本文中所提供的技术可应用于除上文所描述的实例以外的装置及方法。在本发明的实践中，诸多更改、修改、添加、省略及置换是可能的。本发明包含对于本领域技术人员而言将显而易见的所描述实施例的变动，包含通过以下步骤获得的变动：用等效特征、组件及/或动作替换特征、组件及/或动作；混合及匹配来自不同实施例的特征、组件及/或动作；组合来自如本文中所描述的实施例的特征、组件及/或动作与其他技术的特征、组件及/或动作；及/或省略来自所描述实施例的组合特征、组件及/或动作。

因此，下文随附权利要求及此后引入的权利要求意欲于被解释为包含诸如可合理推断的所有这样的修改、置换、添加、省略及子组合。权利要求的范围不应受由实例中所阐述的较佳实施例限制，而应被赋予与整个说明书一致的最宽泛解释。