轨道运行多转子单极系统
本帖最后由 能量海 于 2012-11-3 17:49 编辑
美国专利号 6,822,361
美国 Cl. 310/178 ~2004年十一月23日
轨道运行多转子单极系统
罗斯奇•弗拉基米尔•维塔利耶维奇 (俄罗斯，莫斯科) ；戈丁•塞尔吉•米哈伊洛维奇 (俄罗斯，莫斯科)。
摘要——一个轨道运行的多转子单极机器，采用轴向平行，圆柱形地、电气传导磁体配置，圆周环绕中央定子环的垂直轴、在转子磁体和定子之间即有紧密接触、又有防滑处理的滚动。一个轴承可旋转地固定每一个磁体的每一端到对应的导电圆形端板，每个都略宽于定子。位于定子中央的电传导轴紧紧地吸附着上 圆形端板，而一个电绝缘轴同时吸附圆形端板底部的中央 所述定子的中心位于一个导电轴刚性地附加到一个最佳的圆形端板，和一个电绝缘的轴承装置底部的中心的到一个同轴内圆筒，位于轴和定子之间。
受让人： 能源和推进系统有限责任公司 (CA，巴伦西亚)
参考引用
美国专利文献：
406,068 ~ Jul., 1889 ~ Tesla ~ 310/178
645,943 ~ Mar., 1900 ~ Dalen, et al. ~ 310/178
3,185,877 ~ May., 1965 ~ Sears ~ 310/178
3,465,187 ~ Sep., 1969 ~ Breaux ~ 310/178
5,241,232 ~ Aug., 1993 ~ Reed ~ 310/178
5,278,470 ~ Jan., 1994 ~ Neag ~ 310/178
5,977,684 ~ Nov., 1999 ~ Lin ~ 310/178
6,051,905 ~ Apr., 2000 ~ Clark ~ 310/178
国外专利文献：
2,094,066 ~ Sep., 1982 ~ GB
2000-324,786 ~ Nov., 2000 ~ JP
2001-286,117 ~ Oct., 2001 ~ JP
2003-47,226 ~ Feb., 2004 ~ JP
主审查员：穆林斯•伯顿~律师，代理人或公司：我们的伙伴有限责任公司
说明
发明的领域
本发明大体上涉及到直流电机和发电机领域，即其运行无需换向和/或整流，以及尤其是对于多转子单极机，它们的EMF（电动势）得自于共旋磁体和金属盘的实施。
背景
早在1831，迈克尔•法拉第发现，用一根细线悬停的圆柱形磁棒接触底部的水银可以产生电，而如果磁铁中点的外缘做成第二个电接触点，它会沿着其轴心旋转。他的实验是个一体式单极机，因为磁铁和导体是连在一起的。这种法拉第发电机也被称为非周期性的、单极或同极发电机，因为这种机器无需磁极的换向和交互来发电。
电输出的类型是最常见的是直流电（DC），除非具体手段有意被设计成提供径向传导的中断，从而模拟出交流电（AC）。从历史上看，20 世纪初托马斯•爱迪生推崇直流电，而同一时期尼古拉•特斯拉和乔治•西屋则倡导交流电。在未来，随着环境温度超导电缆的出现，直流电会重返并变得时髦起来。因此，高效率的单极发电机需要在未来市场满足对直流电的需求。
单极发电机通常有一个盘或鼓在带有滑动触点的恒定磁场中旋转。不过滑动触点常呈现出高电阻。单极机的制造和操作用于海洋船舶的电力推进或电磁导轨炮已经广为人知。这种机器包括电动机和发电机，其中电流流经的导体是机器转子旋转期间的磁场中的导体。
在单极电动机的情况下，电流将生成一个垂直于其流经导体的方向以及磁场的洛伦兹力。在单极发电机的情况下，电压感应取决于在磁场内移动的导体转速、磁场和半径。当从单极发电机汲取出电流时，它同时也因为与电机同样的原因而生成了洛伦兹力，但被称为回扭矩或电枢反应。一般的参考信息包括用于减少回扭矩的基本原理可以在托马斯•华隆的单极手册里找到（The Homopolar Handbook by Thomas Valone ，ISBN 0-9641070-1-5）。
先有技术很少包括用盘旋转磁体的一体单极机。更罕见的是滚动接触的理念。去除滑动触点在《行星单极发电机》里有说明，IBM技术披露通报，17卷6号，1786至1787页，1974年11月，H. D. 范阮达若詹。
用一个导电带或滚动接触来采集磁场通量切割转子的电流，转子通过一个环形磁场实现行星运动。
由巨大的离心力引起巨大应力，不平衡的转子是一个明显的劣势，阻止了高速运行。所以，只有低转率才适用于IBM的设计。
哈撒韦的美国专利号5,587,618 的“直流单极机”演示了导电性轨道运行轴和一个静止盘形磁化电枢之间的相对运动的类似概念。
然而，这种设计应用于实际则有点麻烦。科学应用国际公司声称里德的美国专利第5,241,232号：导电带双盘“单极电机发电机”显然正是尼古拉•特斯拉在1889年的美国第406,968号专利“直流发电机”，它也有两个导电带连接的单极磁化转子。有带的双单极机解决了困扰这个领域的问题之一：即在轴的低速表面提供两个滑动触点。不过，现在的发明只要求轴上有一个滑动触点。这些导电带机同样演示了原理、多转子概念、行星设计，通过坐标转换的过程，由于相对运动是单极发电机运行的关键。用达伦的美国专利号645,943的“直流发电机”演示滚动接触的理念，那是两个相反的方向转动的盘，而其外缘又彼此接触。然而 然而，本发明中每个盘轴必须保持固定就位，而每个轴则在轨道中运行。
单极机可以像电机那样具有可逆功能，就像飞轮，并能用作能量存储装置。首次是在1950年代用在交通运输应用中，飞轮动力公交车被设计成在每一站进行飞轮加速。合成转子目前已经开发到了可以用非常高的转速（每秒100,000转）旋转，而由于转子边缘的抗张强度使速度受到限制。利用多转子设计，大盘的离心力可以大大减少，并仍保持着高能量存储或产出。通过使用磁性轴承，转子轴上的摩擦力可以减小到足以使这样的转子可以数天维持大部分能量。
IBM-范阮达若詹行星转子是不平衡的，并由于其环形磁场设计而具有一个低的磁通切割率。哈撒韦直流电机有很多不平衡的导电材料绕中央磁化盘做轨道运行，限制了旋转速度。
导电带设计可能被氧化和延滞，甚至需要在每个轴上还有带齿的定时皮带。以单极发电机的大多数圆盘模式，都是与鼓型设计相反的，滑动触点是仅有的阻性抑制机器的功率输出的最重要的因素。内电阻是一台单极发电机的输出能力的唯一限制，重要的是要减少所有内电阻源，为给定的输入扭矩来获得最大功率输出。不要使用高电阻碳刷、中等阻值的银石墨电刷、或危险的导电液体如水银等、低温焊料、或钠钾等的，而是要彻底消除磁化转子高速外缘的摩擦滑动。此外，不要维持两个滑动接触，它促成了摩擦力和电阻力，即使在辊式和带式设计中，也要把数量削减一半，到只有一个高强度电流的滑动触点。
概要
本发明通过同步旋转一个多元化的磁体和一个金属盘而获得直流电。它包括一个改进的带有动态的平衡的、轴向平行的、圆柱形的、导电磁体配置的、圆周形环绕中央定子环的垂直轴的单极电机。这样的设计可以被称为分布式发电，因为每个磁体转子只产生一小部分的通过机器传送的电流。因此，导电轴承接触磁体转子的每一端的中心可能携带只有十分之一或更小的总电流。
多转子轨道运行单极同样也不包括在每个磁化的转子边缘的滑动触点，而是利用适当的滚动方式分别连接磁体以及定子环以紧密接触，并在磁体和定子间在其绕定子轨道运行时使之防滑滚动。磁化的转子维持旋转同步，并用轴承装置可转动地固定每个磁体的顶端和底端到一个对应的导电圆形端板，来相等彼此的相对位置。
如果作为电动机使用，电能是通过的导电性的定子上的触点来提取或输入的，而在位于机器中心的机器的导电轴此时牢牢地贴到顶部圆形端板，与所有的各个磁化转子一起旋转。所需要的只是单个的、大电流、移动触点是一个导电推力轴承，它支承着中轴。一个绝缘推力轴承同时把轴从底圆形端板的中心隔开。定子，当然是静止的，通过标准的电连接实现第二接触方式，而无需任何相对运动的滑动接触。定子可在磁化转子相反的方向任意磁化，以增强抗磁力或磁通密度。
附图构成本说明的一部分，并包括对本发明的示例性实施，可以用各种形式实施。要理解的是本发明的某些实例的若干方面显得有点夸张或放大，这是为了便于更易于理解本发明。
问题
本发明解决的问题是，它产生大功率直流电力而无需换向和整流，否则内电阻损耗会是很高的。
1. 要求换向和整流来产生直流电。
2. 有赖于有多个通常具有高速触点的电刷。
3. 在单极机或系统内不通过多转子轨道运行磁体来分布磁场功率发电。
4. 内电阻损耗通常很高。
5. 既没有效率，也不符合成本效益。
6. 大多数应用既复杂，又不实用。
现有技术
一个初步的、有限的对现有技术的检索尚未完成，但发明人对现有技术是详尽熟悉的。下面是现有技术配置的典型的例子，以逆时顺供读者参考。
11) 2000年4月18日公布的理查德•克拉克（Richard Clark）的非临时实用型美国专利“单极发电机”，6,051,905号。
10) 1999年11月2日介绍的泰德•林（Ted Lin）日非临时实用型美国专利“作为纯直流发电机或电机的旋转电机结构”，第5,977,6845号。
09) 1999年1月26日由约瑟夫•平克顿（Joseph Pinkerton）获得的非临时实用型美国专利“无刷发电机”，第5,864,198号。
08) 1996年12月24日发布的乔治•哈撒韦（George Hathaway）的非临时实用美国专利“直流单极机”，第5,587,618号。
07) 1994年1月11日授予撒迦利亚内亚格（Zacharias Neag）的非临时实用美国专利“作为直流（DC）高压发电机或电动机的单极机”，第5,278,470号。
06) 1993年8月31日授予杰伊•里德（Jay Reed）的非临时实用美国专利“单极电动机-发电机”，第5,241,232号。
05) 1991年4月30日以查理•麦卡洛（Charley McCullough）的名义发布的非临时实用美国专利“用于发电的装置和方法”，第5,011,821号。
04) 1969年9月2日昂妮齐姆•布里奥克斯（Onezime Breaux）的非临时实用美国专利“具有平行定位的法拉第盘结构的单极发电机”，第3,465,187号。
03) 1965年5月25日安东尼•西尔斯（Anthony Sears）的非临时实用美国专利“直流单极发电机”，第3,185,877号。
02) 1900年3月27日授予发明人古斯塔夫达伦（Gustaf Dalen）的非临时实用美国专利“直流发电机”，第645,943号。
01) 1889年授予的非临时实用美国专利人正是尼古拉•特斯拉本人的“直流电机”，第406,968号。
现有技术装置没有已知的申请人或他的律师表明发明人的确切实施，即构造一个朴素的、简练的和便宜的系统，作为一个轨道运行多转子单极直流电发电机。
目的
不幸的是，没有任何现有技术装置单独地或甚至以组合的形式，作为由发明人为这个系统确立的如下枚举的所有目的。
1. 本发明的目的是提供新一代的高功率直流电发电的装置、方法和系统，无需换向和整流。
2. 本发明的主要目的是轨道运行多转子圆柱形磁体，以滚动接触消除摩擦，并产生直流电。
3. 本发明的另一个目的是提供高效、低噪音、低电阻的高强度电流的发电机。
4. 本发明的另一个目的是使用现成材料进行的动态平衡配置。
5. 本发明的另一个目的通过减少内应力而比同类的只有一个转子的单极机更安全。
6. 本发明的另一个目的是围绕着空芯提供分布式发电。
7. 本发明的另一个目的是提供一种简单，快捷，朴素的实用方法来生成更有效率的和更有成本效益的直流电。
8. 本发明的另一个目的是促进和鼓励其他发明人在单极机器、尤其在共旋磁体和圆盘方面的实施做更多的研究。
9. 本发明的另一个目的是提供一个集成的和灵活的系统。
10. 本发明的另一个目的是提供这样一种系统：易于使用，且只需要 很少的训练就能制造和应用。
11. 发明的另一个目的是它能在安全、环境、能源消耗方面符合所有的联邦、州、地方和其它的私人标准。
12. 本发明的另一个目的是可以用模块化标准的材料和部件制造，并易于维护。
本发明的其它优势和特点在于其设计的简洁、优雅的，易于制造、 检修和应用，甚至从下面的对附图的简述和对相关附图最佳模式优选实施的详细介绍，也变得颇具美感。
附图简介
图.1 是一个典型的现有技术的单极发电机的图解。
图.2是磁化的转子和定子的透视图和剖视图。
图.3是完整的轨道运行多转子机的立面图。
图.4是本发明的截面图。
图.5是本发明的俯视图。
最佳模式优选实施的详细说明
如图中所示，其中像数字所代表的部件遍及几个视图通常在图1中表明的是现有技术的状况。
以下为优选实施的详细说明。不过，可以理解的是，本发明可以以各种形式实施。因此，本文所公开的具体的细节不应被解释为限制性的，而是作为声明的依据和作为指导受从事于本发明实际上的任何适当系统、结构或方式的熟练技工的代表性基础。
首先看看图.2，所示的是本发明的一个实施的一部分的立体剖视图，显示多个转子中的一个是轴向磁化的（B）。这种众多的并行安装构成多转子单极机，与环形定子紧密接触，可以与转子磁场相反的方向上任意磁化。
每个转子20都有自己的沿圆周直立安装轴21，以动态平衡地围绕一个中央直立轴配置在一个导电但低磁导率的铜制的——黄铜或青铜——轴杆21上，这会穿透整个磁化转子中心，并可转动地连接到环形端板31、32上的轴承33的顶部和底部，如图.3所示。运行中，转子绕定子环做轨道循环，可能会或可能不会也被磁化。
本发明的更完整的图示是图3的立面图，以一些转子20通过导电性的轴承33可转动地连接到环形端板31顶部和环形端板32底部。顶部端板31紧紧地贴着中央轴34，支承着轨道运行多转子单极发电机组件。图3中也以看到固定环定子23的中空圆形设计，可以任意磁化，以提高性能输出。
在图4里可以更完整见到底部环形端板32的中央有一个大洞，可以在里面连接绝缘轴承44，其最佳的可以是一个非接触式的、低摩擦的磁轴承，因为转子组件的重量是由导电性的推力轴承41传送的。底部端板32因而与静止的内圆桶——定子的内芯电绝缘。里面的同样大小和形状的圆形组件板49最好导电地、牢牢地使内圆桶43贴附着定子环23。根据本发明，图4 是带有一个剖面的侧十字截面边视图，使得中央轴34和空心内圆筒设计43可见。
绝缘轴承42把中央轴34与内圆筒43隔开。轴承42和44都电维持每个转子的电动势（emf）电压的极性的隔离。导体的正、负极性无疑取决于转子磁体的旋转方向。导体45来自定子组件，并最终从每个转子20的外缘散发同极效应，传导通过滚动方式47和48生成的电。相反极性的导体46的电放射来自每个转子20的中央轴21是连接到导电的推力轴承41的。
根据本发明的一个重要的功能，是如图. 4所示的紧密接触和防滑滚动装置47和48的一个实施。正如业内熟知的良好的附着摩擦力具有高的摩擦系数（1.6或更好），但在两个表面之间要求有足够低的电阻，可以在定子23和转子20的相对的表面上用一种铜的粘附涂层，可以在转子和定子的外表面电镀或火焰喷涂铜。
滚动装置47和48的另一实施方案采用了由美国航空航天局戈达德航天中心的齿轮机电旋转接头（1994年12月的NASA技术简报），具有弹性好、低噪音的行星齿轮接触定子冕状齿轮的优势。它是由美国航空航天局设计的，以克服滑动触点的缺点，并确保高附着摩擦力所需的滚动电接触。
在其中的一个实施中，弹性齿轮是由一个具有任意合理齿数的、平均直径 6.35 毫米的自洁式材料——铍铜合金制成的。产生滚动接触的另一个理念是利用了磁性链轮设计，有着少量的稀土（例如钐钴）磁体，垂直嵌入定子环和转子磁铁的表面。磁性链轮因此采用等距磁体标准地安装在定子和转子的轴上。
为了说明本发明的一个重要特征，图. 5显示了一个平面图，从顶部俯视转子20围绕定子组件43具有的外缘定子环23的均衡分布，它是等距的、并且更是动态平衡的，所以离心力是相等且相反的。
运行理论
运行的主要原理基于这样的事实：旋转的筒形磁体创建了一个根据法拉第定律和洛伦兹力而产生的同极的电动势。物理上，一个旋转的、非惯性的坐标参考系构形只能以爱因斯坦的广义相对论正确分析，利用蒂林度量。
尤其当旋转的筒形磁体与圆盘已同步，并造成共旋，这样的共旋构形使得发电机本身就像一个地球磁场。当发明人更仔细地探究这种对应性时，了解到地球的熔融的、电传导的铁核芯在一个同轴的圆形配置中包括的还不只一个，而是数个旋涡。发明人在研究场旋转佯谬时偶然发现了这个概念，并发现轨道运行的、多转子单极发电机组装将类似于地球的导电的、多涡流的、磁的、熔融的铁核心。
一个DIY（自己动手）的民间科学家可以通过对截获的线性磁场与旋转磁场进行比较而轻易解决场旋转佯谬。在前者的构形中，不管磁体是否相对于线匝的捡拾线圈移动了，或反之亦然，仪表都给出相同的读数；而后者的构形中只有当圆盘相对于桶形磁体的旋转磁场移动了，仪表的读数才能看到，而不是磁体相对于圆盘移动。前者符合狭义相对论，而后者有赖于广义相对论。两者在外延上都是所谓的“相对论”。
装配和使用
本发明的制造、装配和使用是非常简单的，甚至是直观的。一个一般技能的人以这里披露的工艺技术和材料可以很容易地依照所提供的教学组装本发明的系统。
申请人已经描述了本发明的本质。虽然本发明参照一个说明性实施例中已经做过描述，该描述无意于做限制性的解释。说明性实施的各种修改和组合、以及本发明的其它实施，对于一个一般技能的人，在技巧方面参考本说明，是显而易见的。
变型
由于本发明的设计的简洁和优雅，对于它的再设计如果不是不可能的，至少也是非常困难的。尽管如此，可以在不脱离本发明精神的情况下对这个设计做出许多变化。这种预期变型的例子涵盖如下：
1. 设备的形状和尺寸、颜色等，或包装由此可以修改。
2. 可以增加其它的互补功能和特性。
3. 本发明的系统也适用于其它相关用途。
4. 除了桶形磁体，还可以采用其它类型的磁体和圆盘上的安装模式来产生轨道运行、旋转磁场。
5. 本发明可以以数个数量级依比例放大和缩小。
7. 可以为未来的小科学家开发成教育和娱乐的实验科学玩具版本。
8. 可以反向采用单极发电机作为一个电动机，将电能转换成机械能。
9. 可以基于这种磁体和圆盘共旋的概念精心制做一个单极伺服电机的版本。
10. 可以用电磁铁的同等构形代换桶形永磁体。
11. 生成的电动势的一部分可以反馈到桶形电磁铁，以探索不违反任何自然法则的自激式发电机的可能性。
其它的改变例如美学上的，以及当市面上出现可用的替代的较新的材料——它实质上用相同的方法执行同样的功能，得到相同的效果而不偏离本发明的精神。
以下是以最佳模式优选实施中使用的、以及使用原始设备制造商的备用实施的、和改造市场所使用的元件一览表。为方便读者索引，参考数字被安排在按数字升序进行排序。
10 = 现有技术
20 = 转子
21 = 轴，杆
23 = 静止环形定子（磁化可选）
31 = 顶端圆形端板
32 =底端圆形端板
33 = 轴承
34 = 中央轴
41 = 导电推力轴承
42 = 绝缘轴承
43 = 静止中空内圆桶
44 = 绝缘轴承
45 = 相反极性导体
46 = 相反极性导体
47 = 防滑滚动装置
48 = 防滑滚动装置
49 = 内圆装配板
注意：应该注意的是，现有技术的使用单极的、同极的、非循环的和法拉第圆盘发电机是可以互换的。
虽然本发明参照一个说明性实施例中已经做过描述，该描述无意于做限制性的解释。说明性实施的各种修改和组合、以及本发明的其它实施，对于一个一般技能的人，在技巧方面参考本说明，是显而易见的。因而可以预见附加的权利要求涵盖的任何此类的修改、实施等，通过附加声明的界定，都应列入本发明的事实范畴。
声明
特此声明：
1. 轨道运行多转子单极机的组成：
轴向平行的多元化、相等间距、桶形的磁体转子配置圆周围绕中央定子环外缘，其轴线平行于每个磁体转子轴；
滚动装置分别连接到磁体转子和定子环，以紧密接触，并使磁体转子和定子环之间能够高摩擦地防滑滚动；
装置用于启动和维持磁铁转子围绕定子环轨道滚动是必须的；
轴承装置可转动地固定每个磁体转子的顶部和底部到一个对应的圆形端板；
位于定子环中央的轴装置牢牢地连接到顶部圆形端板；
电绝缘的轴承装置可转动地把底部的圆形的端板固定到位于轴和定子环之间的同轴的内筒；而
圆形组件装置用于把内筒紧紧地贴附到定子环。
2. 声明1的单极机，其中内圆筒、圆形装配装置、磁体转子轴装置、圆形端板，和定子环至少部分地由导电材料制成的。
3. 声明1的单极机，其中滚动装置由一个导电的机电旋转接头组成。
4. 声明1的单极机，其中滚动装置由导电的镀铜的定子环和磁体转子组成。
5. 声明1的单极机，其中定子环由导电磁性材料组成。
6. 一个方法用于启动和维持滚动圆桶磁体的轨道运行的配置，平行于并沿圆周围绕中央定子环的垂直轴，同时紧密接触并吸引着防滑滚动装置于转子磁体和定子环之间，通过向对应的圆形端板移动而可旋转地固定到各转子磁体的顶端和底端，牢牢地连接到顶部圆形端板一个在定子环中并与其同轴的垂直轴，通过电绝缘轴承的方式把底部圆形端板的中央固定到一个位于轴和定子环之间的共轴的内圆筒，并通过圆形装配的方式牢牢连接内圆筒到定子环。
7. 轨道运行多转子单极机组成：
一个轴向平行、间距相同、桶形的、磁体转子配置的多元化；圆周性地围绕着中央定子环的外缘——其轴平行于每个磁体转子轴；
滚动装置各自连接着磁体转子和定子环，以此紧密接触并使磁体转子和定子环之间具有高摩擦防滚动；
装置用于启动和维持磁铁转子围绕定子环轨道滚动是必须的；
轴承装置可转动地固定每个磁体转子的顶部和底部到一个对应的圆形端板；
位于定子环中央的轴装置牢牢地连接到顶部圆形端板；
电绝缘的轴承装置可转动地把底部的圆形的端板中央固定到位于轴和定子环之间的同轴的内筒；而
圆形组件装置用于把内筒紧紧地贴附到定子环；其中所谓的内圆桶、所谓的圆形装配装置、所谓的磁体转子、所谓的轴装置、所谓的圆形端板、以及所谓的定子环，至少有一部分是用导电材料制造的。
8. 声明7的单极机，其中滚动装置由一个导电的机电旋转接头组成。
9. 声明7的单极机，其中滚动装置由导电的镀铜的定子环和磁体转子组成。
10. 声明7的单极机，其中定子环由导电磁性材料组成。
美国专利号 6,822,361
美国 Cl. 310/178 ~2004年十一月23日
轨道运行多转子单极系统
罗斯奇•弗拉基米尔•维塔利耶维奇 (俄罗斯，莫斯科) ；戈丁•塞尔吉•米哈伊洛维奇 (俄罗斯，莫斯科)。
受让人： 能源和推进系统有限责任公司 (CA，巴伦西亚)
参考引用
美国专利文献：
406,068 ~ Jul., 1889 ~ Tesla ~ 310/178
645,943 ~ Mar., 1900 ~ Dalen, et al. ~ 310/178
3,185,877 ~ May., 1965 ~ Sears ~ 310/178
3,465,187 ~ Sep., 1969 ~ Breaux ~ 310/178
5,241,232 ~ Aug., 1993 ~ Reed ~ 310/178
5,278,470 ~ Jan., 1994 ~ Neag ~ 310/178
5,977,684 ~ Nov., 1999 ~ Lin ~ 310/178
6,051,905 ~ Apr., 2000 ~ Clark ~ 310/178
国外专利文献：
2,094,066 ~ Sep., 1982 ~ GB
2000-324,786 ~ Nov., 2000 ~ JP
2001-286,117 ~ Oct., 2001 ~ JP
2003-47,226 ~ Feb., 2004 ~ JP
主审查员：穆林斯•伯顿~律师，代理人或公司：我们的伙伴有限责任公司
说明
发明的领域
本发明大体上涉及到直流电机和发电机领域，即其运行无需换向和/或整流，以及尤其是对于多转子单极机，它们的EMF（电动势）得自于共旋磁体和金属盘的实施。
背景
早在1831，迈克尔•法拉第发现，用一根细线悬停的圆柱形磁棒接触底部的水银可以产生电，而如果磁铁中点的外缘做成第二个电接触点，它会沿着其轴心旋转。他的实验是个一体式单极机，因为磁铁和导体是连在一起的。这种法拉第发电机也被称为非周期性的、单极或同极发电机，因为这种机器无需磁极的换向和交互来发电。
电输出的类型是最常见的是直流电（DC），除非具体手段有意被设计成提供径向传导的中断，从而模拟出交流电（AC）。从历史上看，20 世纪初托马斯•爱迪生推崇直流电，而同一时期尼古拉•特斯拉和乔治•西屋则倡导交流电。在未来，随着环境温度超导电缆的出现，直流电会重返并变得时髦起来。因此，高效率的单极发电机需要在未来市场满足对直流电的需求。
单极发电机通常有一个盘或鼓在带有滑动触点的恒定磁场中旋转。不过滑动触点常呈现出高电阻。单极机的制造和操作用于海洋船舶的电力推进或电磁导轨炮已经广为人知。这种机器包括电动机和发电机，其中电流流经的导体是机器转子旋转期间的磁场中的导体。
在单极电动机的情况下，电流将生成一个垂直于其流经导体的方向以及磁场的洛伦兹力。在单极发电机的情况下，电压感应取决于在磁场内移动的导体转速、磁场和半径。当从单极发电机汲取出电流时，它同时也因为与电机同样的原因而生成了洛伦兹力，但被称为回扭矩或电枢反应。一般的参考信息包括用于减少回扭矩的基本原理可以在托马斯•华隆的单极手册里找到（The Homopolar Handbook by Thomas Valone ，ISBN 0-9641070-1-5）。
先有技术很少包括用盘旋转磁体的一体单极机。更罕见的是滚动接触的理念。去除滑动触点在《行星单极发电机》里有说明，IBM技术披露通报，17卷6号，1786至1787页，1974年11月，H. D. 范阮达若詹。
用一个导电带或滚动接触来采集磁场通量切割转子的电流，转子通过一个环形磁场实现行星运动。
由巨大的离心力引起巨大应力，不平衡的转子是一个明显的劣势，阻止了高速运行。所以，只有低转率才适用于IBM的设计。
哈撒韦的美国专利号5,587,618 的“直流单极机”演示了导电性轨道运行轴和一个静止盘形磁化电枢之间的相对运动的类似概念。
然而，这种设计应用于实际则有点麻烦。科学应用国际公司声称里德的美国专利第5,241,232号：导电带双盘“单极电机发电机”显然正是尼古拉•特斯拉在1889年的美国第406,968号专利“直流发电机”，它也有两个导电带连接的单极磁化转子。有带的双单极机解决了困扰这个领域的问题之一：即在轴的低速表面提供两个滑动触点。不过，现在的发明只要求轴上有一个滑动触点。这些导电带机同样演示了原理、多转子概念、行星设计，通过坐标转换的过程，由于相对运动是单极发电机运行的关键。用达伦的美国专利号645,943的“直流发电机”演示滚动接触的理念，那是两个相反的方向转动的盘，而其外缘又彼此接触。然而 然而，本发明中每个盘轴必须保持固定就位，而每个轴则在轨道中运行。
单极机可以像电机那样具有可逆功能，就像飞轮，并能用作能量存储装置。首次是在1950年代用在交通运输应用中，飞轮动力公交车被设计成在每一站进行飞轮加速。合成转子目前已经开发到了可以用非常高的转速（每秒100,000转）旋转，而由于转子边缘的抗张强度使速度受到限制。利用多转子设计，大盘的离心力可以大大减少，并仍保持着高能量存储或产出。通过使用磁性轴承，转子轴上的摩擦力可以减小到足以使这样的转子可以数天维持大部分能量。
IBM-范阮达若詹行星转子是不平衡的，并由于其环形磁场设计而具有一个低的磁通切割率。哈撒韦直流电机有很多不平衡的导电材料绕中央磁化盘做轨道运行，限制了旋转速度。
导电带设计可能被氧化和延滞，甚至需要在每个轴上还有带齿的定时皮带。以单极发电机的大多数圆盘模式，都是与鼓型设计相反的，滑动触点是仅有的阻性抑制机器的功率输出的最重要的因素。内电阻是一台单极发电机的输出能力的唯一限制，重要的是要减少所有内电阻源，为给定的输入扭矩来获得最大功率输出。不要使用高电阻碳刷、中等阻值的银石墨电刷、或危险的导电液体如水银等、低温焊料、或钠钾等的，而是要彻底消除磁化转子高速外缘的摩擦滑动。此外，不要维持两个滑动接触，它促成了摩擦力和电阻力，即使在辊式和带式设计中，也要把数量削减一半，到只有一个高强度电流的滑动触点。
概要
本发明通过同步旋转一个多元化的磁体和一个金属盘而获得直流电。它包括一个改进的带有动态的平衡的、轴向平行的、圆柱形的、导电磁体配置的、圆周形环绕中央定子环的垂直轴的单极电机。这样的设计可以被称为分布式发电，因为每个磁体转子只产生一小部分的通过机器传送的电流。因此，导电轴承接触磁体转子的每一端的中心可能携带只有十分之一或更小的总电流。
多转子轨道运行单极同样也不包括在每个磁化的转子边缘的滑动触点，而是利用适当的滚动方式分别连接磁体以及定子环以紧密接触，并在磁体和定子间在其绕定子轨道运行时使之防滑滚动。磁化的转子维持旋转同步，并用轴承装置可转动地固定每个磁体的顶端和底端到一个对应的导电圆形端板，来相等彼此的相对位置。
如果作为电动机使用，电能是通过的导电性的定子上的触点来提取或输入的，而在位于机器中心的机器的导电轴此时牢牢地贴到顶部圆形端板，与所有的各个磁化转子一起旋转。所需要的只是单个的、大电流、移动触点是一个导电推力轴承，它支承着中轴。一个绝缘推力轴承同时把轴从底圆形端板的中心隔开。定子，当然是静止的，通过标准的电连接实现第二接触方式，而无需任何相对运动的滑动接触。定子可在磁化转子相反的方向任意磁化，以增强抗磁力或磁通密度。
附图构成本说明的一部分，并包括对本发明的示例性实施，可以用各种形式实施。要理解的是本发明的某些实例的若干方面显得有点夸张或放大，这是为了便于更易于理解本发明。
问题
本发明解决的问题是，它产生大功率直流电力而无需换向和整流，否则内电阻损耗会是很高的。
1. 要求换向和整流来产生直流电。
2. 有赖于有多个通常具有高速触点的电刷。
3. 在单极机或系统内不通过多转子轨道运行磁体来分布磁场功率发电。
4. 内电阻损耗通常很高。
5. 既没有效率，也不符合成本效益。
6. 大多数应用既复杂，又不实用。
现有技术
一个初步的、有限的对现有技术的检索尚未完成，但发明人对现有技术是详尽熟悉的。下面是现有技术配置的典型的例子，以逆时顺供读者参考。
11) 2000年4月18日公布的理查德•克拉克（Richard Clark）的非临时实用型美国专利“单极发电机”，6,051,905号。
10) 1999年11月2日介绍的泰德•林（Ted Lin）日非临时实用型美国专利“作为纯直流发电机或电机的旋转电机结构”，第5,977,6845号。
09) 1999年1月26日由约瑟夫•平克顿（Joseph Pinkerton）获得的非临时实用型美国专利“无刷发电机”，第5,864,198号。
08) 1996年12月24日发布的乔治•哈撒韦（George Hathaway）的非临时实用美国专利“直流单极机”，第5,587,618号。
07) 1994年1月11日授予撒迦利亚内亚格（Zacharias Neag）的非临时实用美国专利“作为直流（DC）高压发电机或电动机的单极机”，第5,278,470号。
06) 1993年8月31日授予杰伊•里德（Jay Reed）的非临时实用美国专利“单极电动机-发电机”，第5,241,232号。
05) 1991年4月30日以查理•麦卡洛（Charley McCullough）的名义发布的非临时实用美国专利“用于发电的装置和方法”，第5,011,821号。
04) 1969年9月2日昂妮齐姆•布里奥克斯（Onezime Breaux）的非临时实用美国专利“具有平行定位的法拉第盘结构的单极发电机”，第3,465,187号。
03) 1965年5月25日安东尼•西尔斯（Anthony Sears）的非临时实用美国专利“直流单极发电机”，第3,185,877号。
02) 1900年3月27日授予发明人古斯塔夫达伦（Gustaf Dalen）的非临时实用美国专利“直流发电机”，第645,943号。
01) 1889年授予的非临时实用美国专利人正是尼古拉•特斯拉本人的“直流电机”，第406,968号。
现有技术装置没有已知的申请人或他的律师表明发明人的确切实施，即构造一个朴素的、简练的和便宜的系统，作为一个轨道运行多转子单极直流电发电机。
目的
不幸的是，没有任何现有技术装置单独地或甚至以组合的形式，作为由发明人为这个系统确立的如下枚举的所有目的。
1. 本发明的目的是提供新一代的高功率直流电发电的装置、方法和系统，无需换向和整流。
2. 本发明的主要目的是轨道运行多转子圆柱形磁体，以滚动接触消除摩擦，并产生直流电。
3. 本发明的另一个目的是提供高效、低噪音、低电阻的高强度电流的发电机。
4. 本发明的另一个目的是使用现成材料进行的动态平衡配置。
5. 本发明的另一个目的通过减少内应力而比同类的只有一个转子的单极机更安全。
6. 本发明的另一个目的是围绕着空芯提供分布式发电。
7. 本发明的另一个目的是提供一种简单，快捷，朴素的实用方法来生成更有效率的和更有成本效益的直流电。
8. 本发明的另一个目的是促进和鼓励其他发明人在单极机器、尤其在共旋磁体和圆盘方面的实施做更多的研究。
9. 本发明的另一个目的是提供一个集成的和灵活的系统。
10. 本发明的另一个目的是提供这样一种系统：易于使用，且只需要 很少的训练就能制造和应用。
11. 发明的另一个目的是它能在安全、环境、能源消耗方面符合所有的联邦、州、地方和其它的私人标准。
12. 本发明的另一个目的是可以用模块化标准的材料和部件制造，并易于维护。
本发明的其它优势和特点在于其设计的简洁、优雅的，易于制造、 检修和应用，甚至从下面的对附图的简述和对相关附图最佳模式优选实施的详细介绍，也变得颇具美感。
附图简介
图.1 是一个典型的现有技术的单极发电机的图解。
图.2是磁化的转子和定子的透视图和剖视图。
图.3是完整的轨道运行多转子机的立面图。
图.4是本发明的截面图。
图.5是本发明的俯视图。
最佳模式优选实施的详细说明
如图中所示，其中像数字所代表的部件遍及几个视图通常在图1中表明的是现有技术的状况。
以下为优选实施的详细说明。不过，可以理解的是，本发明可以以各种形式实施。因此，本文所公开的具体的细节不应被解释为限制性的，而是作为声明的依据和作为指导受从事于本发明实际上的任何适当系统、结构或方式的熟练技工的代表性基础。
首先看看图.2，所示的是本发明的一个实施的一部分的立体剖视图，显示多个转子中的一个是轴向磁化的（B）。这种众多的并行安装构成多转子单极机，与环形定子紧密接触，可以与转子磁场相反的方向上任意磁化。
每个转子20都有自己的沿圆周直立安装轴21，以动态平衡地围绕一个中央直立轴配置在一个导电但低磁导率的铜制的——黄铜或青铜——轴杆21上，这会穿透整个磁化转子中心，并可转动地连接到环形端板31、32上的轴承33的顶部和底部，如图.3所示。运行中，转子绕定子环做轨道循环，可能会或可能不会也被磁化。
本发明的更完整的图示是图3的立面图，以一些转子20通过导电性的轴承33可转动地连接到环形端板31顶部和环形端板32底部。顶部端板31紧紧地贴着中央轴34，支承着轨道运行多转子单极发电机组件。图3中也以看到固定环定子23的中空圆形设计，可以任意磁化，以提高性能输出。
在图4里可以更完整见到底部环形端板32的中央有一个大洞，可以在里面连接绝缘轴承44，其最佳的可以是一个非接触式的、低摩擦的磁轴承，因为转子组件的重量是由导电性的推力轴承41传送的。底部端板32因而与静止的内圆桶——定子的内芯电绝缘。里面的同样大小和形状的圆形组件板49最好导电地、牢牢地使内圆桶43贴附着定子环23。根据本发明，图4 是带有一个剖面的侧十字截面边视图，使得中央轴34和空心内圆筒设计43可见。
绝缘轴承42把中央轴34与内圆筒43隔开。轴承42和44都电维持每个转子的电动势（emf）电压的极性的隔离。导体的正、负极性无疑取决于转子磁体的旋转方向。导体45来自定子组件，并最终从每个转子20的外缘散发同极效应，传导通过滚动方式47和48生成的电。相反极性的导体46的电放射来自每个转子20的中央轴21是连接到导电的推力轴承41的。
根据本发明的一个重要的功能，是如图. 4所示的紧密接触和防滑滚动装置47和48的一个实施。正如业内熟知的良好的附着摩擦力具有高的摩擦系数（1.6或更好），但在两个表面之间要求有足够低的电阻，可以在定子23和转子20的相对的表面上用一种铜的粘附涂层，可以在转子和定子的外表面电镀或火焰喷涂铜。
滚动装置47和48的另一实施方案采用了由美国航空航天局戈达德航天中心的齿轮机电旋转接头（1994年12月的NASA技术简报），具有弹性好、低噪音的行星齿轮接触定子冕状齿轮的优势。它是由美国航空航天局设计的，以克服滑动触点的缺点，并确保高附着摩擦力所需的滚动电接触。
在其中的一个实施中，弹性齿轮是由一个具有任意合理齿数的、平均直径 6.35 毫米的自洁式材料——铍铜合金制成的。产生滚动接触的另一个理念是利用了磁性链轮设计，有着少量的稀土（例如钐钴）磁体，垂直嵌入定子环和转子磁铁的表面。磁性链轮因此采用等距磁体标准地安装在定子和转子的轴上。
为了说明本发明的一个重要特征，图. 5显示了一个平面图，从顶部俯视转子20围绕定子组件43具有的外缘定子环23的均衡分布，它是等距的、并且更是动态平衡的，所以离心力是相等且相反的。
运行理论
运行的主要原理基于这样的事实：旋转的筒形磁体创建了一个根据法拉第定律和洛伦兹力而产生的同极的电动势。物理上，一个旋转的、非惯性的坐标参考系构形只能以爱因斯坦的广义相对论正确分析，利用蒂林度量。
尤其当旋转的筒形磁体与圆盘已同步，并造成共旋，这样的共旋构形使得发电机本身就像一个地球磁场。当发明人更仔细地探究这种对应性时，了解到地球的熔融的、电传导的铁核芯在一个同轴的圆形配置中包括的还不只一个，而是数个旋涡。发明人在研究场旋转佯谬时偶然发现了这个概念，并发现轨道运行的、多转子单极发电机组装将类似于地球的导电的、多涡流的、磁的、熔融的铁核心。
一个DIY（自己动手）的民间科学家可以通过对截获的线性磁场与旋转磁场进行比较而轻易解决场旋转佯谬。在前者的构形中，不管磁体是否相对于线匝的捡拾线圈移动了，或反之亦然，仪表都给出相同的读数；而后者的构形中只有当圆盘相对于桶形磁体的旋转磁场移动了，仪表的读数才能看到，而不是磁体相对于圆盘移动。前者符合狭义相对论，而后者有赖于广义相对论。两者在外延上都是所谓的“相对论”。
装配和使用
本发明的制造、装配和使用是非常简单的，甚至是直观的。一个一般技能的人以这里披露的工艺技术和材料可以很容易地依照所提供的教学组装本发明的系统。
申请人已经描述了本发明的本质。虽然本发明参照一个说明性实施例中已经做过描述，该描述无意于做限制性的解释。说明性实施的各种修改和组合、以及本发明的其它实施，对于一个一般技能的人，在技巧方面参考本说明，是显而易见的。
变型
由于本发明的设计的简洁和优雅，对于它的再设计如果不是不可能的，至少也是非常困难的。尽管如此，可以在不脱离本发明精神的情况下对这个设计做出许多变化。这种预期变型的例子涵盖如下：
1. 设备的形状和尺寸、颜色等，或包装由此可以修改。
2. 可以增加其它的互补功能和特性。
3. 本发明的系统也适用于其它相关用途。
4. 除了桶形磁体，还可以采用其它类型的磁体和圆盘上的安装模式来产生轨道运行、旋转磁场。
5. 本发明可以以数个数量级依比例放大和缩小。
7. 可以为未来的小科学家开发成教育和娱乐的实验科学玩具版本。
8. 可以反向采用单极发电机作为一个电动机，将电能转换成机械能。
9. 可以基于这种磁体和圆盘共旋的概念精心制做一个单极伺服电机的版本。
10. 可以用电磁铁的同等构形代换桶形永磁体。
11. 生成的电动势的一部分可以反馈到桶形电磁铁，以探索不违反任何自然法则的自激式发电机的可能性。
其它的改变例如美学上的，以及当市面上出现可用的替代的较新的材料——它实质上用相同的方法执行同样的功能，得到相同的效果而不偏离本发明的精神。
以下是以最佳模式优选实施中使用的、以及使用原始设备制造商的备用实施的、和改造市场所使用的元件一览表。为方便读者索引，参考数字被安排在按数字升序进行排序。
10 = 现有技术
20 = 转子
21 = 轴，杆
23 = 静止环形定子（磁化可选）
31 = 顶端圆形端板
32 =底端圆形端板
33 = 轴承
34 = 中央轴
41 = 导电推力轴承
42 = 绝缘轴承
43 = 静止中空内圆桶
44 = 绝缘轴承
45 = 相反极性导体
46 = 相反极性导体
47 = 防滑滚动装置
48 = 防滑滚动装置
49 = 内圆装配板
注意：应该注意的是，现有技术的使用单极的、同极的、非循环的和法拉第圆盘发电机是可以互换的。
虽然本发明参照一个说明性实施例中已经做过描述，该描述无意于做限制性的解释。说明性实施的各种修改和组合、以及本发明的其它实施，对于一个一般技能的人，在技巧方面参考本说明，是显而易见的。因而可以预见附加的权利要求涵盖的任何此类的修改、实施等，通过附加声明的界定，都应列入本发明的事实范畴。
声明
特此声明：
1. 轨道运行多转子单极机的组成：
轴向平行的多元化、相等间距、桶形的磁体转子配置圆周围绕中央定子环外缘，其轴线平行于每个磁体转子轴；
滚动装置分别连接到磁体转子和定子环，以紧密接触，并使磁体转子和定子环之间能够高摩擦地防滑滚动；
装置用于启动和维持磁铁转子围绕定子环轨道滚动是必须的；
轴承装置可转动地固定每个磁体转子的顶部和底部到一个对应的圆形端板；
位于定子环中央的轴装置牢牢地连接到顶部圆形端板；
电绝缘的轴承装置可转动地把底部的圆形的端板固定到位于轴和定子环之间的同轴的内筒；而
圆形组件装置用于把内筒紧紧地贴附到定子环。
2. 声明1的单极机，其中内圆筒、圆形装配装置、磁体转子轴装置、圆形端板，和定子环至少部分地由导电材料制成的。
3. 声明1的单极机，其中滚动装置由一个导电的机电旋转接头组成。
4. 声明1的单极机，其中滚动装置由导电的镀铜的定子环和磁体转子组成。
5. 声明1的单极机，其中定子环由导电磁性材料组成。
6. 一个方法用于启动和维持滚动圆桶磁体的轨道运行的配置，平行于并沿圆周围绕中央定子环的垂直轴，同时紧密接触并吸引着防滑滚动装置于转子磁体和定子环之间，通过向对应的圆形端板移动而可旋转地固定到各转子磁体的顶端和底端，牢牢地连接到顶部圆形端板一个在定子环中并与其同轴的垂直轴，通过电绝缘轴承的方式把底部圆形端板的中央固定到一个位于轴和定子环之间的共轴的内圆筒，并通过圆形装配的方式牢牢连接内圆筒到定子环。
7. 轨道运行多转子单极机组成：
一个轴向平行、间距相同、桶形的、磁体转子配置的多元化；圆周性地围绕着中央定子环的外缘——其轴平行于每个磁体转子轴；
滚动装置各自连接着磁体转子和定子环，以此紧密接触并使磁体转子和定子环之间具有高摩擦防滚动；
装置用于启动和维持磁铁转子围绕定子环轨道滚动是必须的；
轴承装置可转动地固定每个磁体转子的顶部和底部到一个对应的圆形端板；
位于定子环中央的轴装置牢牢地连接到顶部圆形端板；
电绝缘的轴承装置可转动地把底部的圆形的端板中央固定到位于轴和定子环之间的同轴的内筒；而
圆形组件装置用于把内筒紧紧地贴附到定子环；其中所谓的内圆桶、所谓的圆形装配装置、所谓的磁体转子、所谓的轴装置、所谓的圆形端板、以及所谓的定子环，至少有一部分是用导电材料制造的。
8. 声明7的单极机，其中滚动装置由一个导电的机电旋转接头组成。
9. 声明7的单极机，其中滚动装置由导电的镀铜的定子环和磁体转子组成。
10. 声明7的单极机，其中定子环由导电磁性材料组成。
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