專利名稱：無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及以磁場為媒介的將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1831年偉大科學(xué)家法拉第完成了 "轉(zhuǎn)"磁為電的實驗，創(chuàng) 造了世界上第一部發(fā)電機，至今已經(jīng)走過了近兩個世紀的發(fā)展歷程。綜觀己有 磁媒發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)，其主要型式只有兩大類第一類是旋轉(zhuǎn)電樞式，第二 類是旋轉(zhuǎn)磁場式。實際上無可爭議，二者均已發(fā)展完善成熟，為人類社會進步 作出了巨大的貢獻。但是，二者的發(fā)展己近于極限，潛力殆盡，或者說已是窮途末路。特別是 已有的發(fā)電機，無論是旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機還是電磁式旋轉(zhuǎn)磁場式發(fā)電機，其轉(zhuǎn) 子上必需有電樞裝置或磁場裝置，必須有線圈，必須有集電環(huán)或無向器、電刷 等電流弓l入或輸出部件。長期實踐表明，已有發(fā)電機90%以±的故障都發(fā)生于 這些轉(zhuǎn)子部件上。所以，已有發(fā)電機存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、散熱困難、 體積大、成本高等一系列嚴重缺點。事實如此， 一百多年以來，雖經(jīng)歷代業(yè)'內(nèi) 人士長期研究改進，但是基于原理局限，對于上述這些嚴重缺點， 一直無法根 本解決。而，已有的永磁式旋轉(zhuǎn)磁場式發(fā)電機，雖然轉(zhuǎn)子無線圈，可是存在著磁場 不夠強大、失磁和輸出電壓難以調(diào)節(jié)等缺點；已有的無刷爪極式發(fā)電機轉(zhuǎn)子上 也沒有線圈，但是，因為其勵磁線圈位于機體中心的轉(zhuǎn)子腔內(nèi)，所以也存在散 熱條件差、制造工藝困難等問題。特別是為了讓勵磁線圈靜下來，減少故障， 該式發(fā)電機在性能方面作出重大犧牲，由于其主磁路中必須有四道氣隙，所以 磁阻劇增，比有刷發(fā)電機更加嚴重地損害了發(fā)電機的效率、功率和低速性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是探索新的發(fā)電原理，從根本上另辟新徑，在不 損害發(fā)電機工作性能的前提下，徹底省掉轉(zhuǎn)子上的電樞線瞎或勵磁線圈，及其 集電環(huán)和電刷等，根除已有發(fā)電機的上述一系列嚴重缺點，提供一類既能夠簡 化結(jié)構(gòu)還能夠提高性能的，更具發(fā)展前途的新式旋轉(zhuǎn)銜鐵式發(fā)電機。提供新一 類結(jié)構(gòu)和性能都無比優(yōu)良的新式發(fā)電機。
本發(fā)明《無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機》，由銜鐵式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，靜止的磁場裝置，靜止 的電樞線圈及其鐵芯和機殼等組成，現(xiàn)分述如下(一)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子。本專利文件中所稱的磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，是指由以下幾種磁 導(dǎo)體或它們的組合體，與主軸等組成的發(fā)電機轉(zhuǎn)子。這幾種磁導(dǎo)體是1. 簡式連軸磁導(dǎo)體 一 如圖8中(84)所示，用磁性材料(例如硅鋼疊片)制作的磁導(dǎo)體，該磁導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子主軸作直接機械連結(jié)和磁連結(jié)。該磁導(dǎo)體可以 一個或多個制作在一起。2. 隔離式磁導(dǎo)體 一 如圖8中(85)所示， 一個或多個用磁性材料制成的 磁導(dǎo)體，隔以非磁性材料體(80)(例如灌鑄以硬鋁)，與轉(zhuǎn)子主軸以及其它構(gòu) 件作間接機械連結(jié)。各個隔離式磁導(dǎo)體之間也隔以非磁性材料。.3. 復(fù)式磁導(dǎo)體 一 如圖8所示，混合采用一個或多個簡式連軸磁導(dǎo)體(84)、 一個或多個隔離式磁導(dǎo)體(85)，和非磁性材料體(80)構(gòu)成的組合磁導(dǎo)體。其 中(84)與(85)相間布置。4. 帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體 一 如圖3所示，在一個或多個簡式連軸磁導(dǎo)體G1) 的一側(cè)或兩側(cè)，增加一個或兩個用磁性材料制成的導(dǎo)磁環(huán)(32)， (33)而成。 該導(dǎo)磁環(huán)的功能與電路中的集電環(huán)的功能很相似，故以后稱之為集磁環(huán)。它與 轉(zhuǎn)子上的磁導(dǎo)體直接制作在一起。該集磁環(huán)比集電環(huán)具有更為理想的功能，它 能夠向轉(zhuǎn)子直接輸送主磁通。，而無需在輸入電流后再在轉(zhuǎn)子上進行電磁轉(zhuǎn)換， 省掉轉(zhuǎn)子上的進行這種電磁轉(zhuǎn)換的、多故障的一系列裝置。5. 帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體 一 如圖l所示， 一組帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體(11)，由其 1C段的一個或多個隔離式磁導(dǎo)體，與其1A段集磁環(huán)作磁連結(jié)，或者直接制作 在一起而成。該帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子主軸之間，與另一組帶環(huán)隔離式磁導(dǎo) 體(12)之間，與轉(zhuǎn)子上其它構(gòu)件之間都隔以非磁性材料體(10)。圖中(12) 的lfe是包括于該組帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體的集磁環(huán)。 .6. 帶雙環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體 一 如圖2所示，該帶雙環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體。是一組帶環(huán) 連軸式磁導(dǎo)體(21)，隔著非磁性材料體(20)，與一組帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體(22) 構(gòu)成的組合體。它們的2B段和2A段分別是各自的集磁環(huán)。如果，只看本帶雙環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體的中間(2C段)，就是一種不帶環(huán)的復(fù)式
磁導(dǎo)體。7.帶環(huán)連半軸式磁導(dǎo)體—如圖4所示， 一組帶環(huán)連半軸式磁導(dǎo)體(41)， 由其中一個集磁環(huán)4A，與其4C段一個或多個連半軸式磁導(dǎo)體制作在一起而成。 該組帶環(huán)連半軸磁導(dǎo)體與其半軸(201)直接壓裝在一起。它與另一組帶環(huán)連半 軸磁導(dǎo)體(42)及其半軸(402)之間，隔以非磁性材料體(40)。圖中4B,是 包括于帶環(huán)連半軸式磁導(dǎo)體(42)的集磁環(huán)。上述幾種磁導(dǎo)體或其組合體，可以與主軸等構(gòu)成發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，包括內(nèi) 轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和位于定子側(cè)面的側(cè)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子上的每個磁導(dǎo)體，都有一個臨主 氣隙的弧形面或平面。(二) 靜止磁場裝置。本專利文件中所指的靜止磁場裝置，包括由永磁 體構(gòu)成的永磁式，由勵磁線圈及其鐵芯構(gòu)成的電磁式，由勵磁線圈與永磁體構(gòu) 成的復(fù)合式磁場裝置。其勵磁線圈可以是集中式也可以是分布式繞組。該靜止磁場裝置還包括外置式(置于轉(zhuǎn)子外面的定子上)、內(nèi)置式(置于外轉(zhuǎn)子內(nèi)腔的定子上)、側(cè)置式(置于轉(zhuǎn)子一側(cè)或二側(cè)的定子上)、端置式(置于發(fā)電機的 一個或兩個端部)磁場裝置。內(nèi)外側(cè)置式磁場裝置的構(gòu)造與已有發(fā)電機磁場裝置的構(gòu)造基本相同，它的特征只是在于其磁極與電樞線圈相間布置。而靜止的端置式磁場裝置是本發(fā)明的首創(chuàng)。如圖5、 6所示，端置磁場裝置包括兩種結(jié)構(gòu)， 一種是隔離式端置磁 場裝置(51)，它與轉(zhuǎn)子主軸軸承之間隔以非磁性材料體(50);另一種是臨軸 式端置磁場裝置(61)，它與主軸直接相臨，與軸承作直接機械連結(jié)和磁連結(jié)。 這兩種磁場裝置的外圓部為外磁極N (或S)，內(nèi)腔部(52)， (62)為內(nèi)磁極S (或N)，其極性與外磁極極性相異。該端置磁場裝置可以兼作發(fā)電機端蓋。 發(fā)電機總裝時，端置磁場裝置內(nèi)磁極內(nèi)腔與帶環(huán)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上的集磁環(huán)， 徑向內(nèi)外相對，它們之間的間隙可以遠小于發(fā)電機的主氣隙，等于或者接近于 一般滑動軸承與軸之間的標(biāo)準(zhǔn)配合間隙。(三) 靜止的電樞線圈。本專利文件中所指的電樞線圈，是指能夠產(chǎn)生單 相、三相或多相感應(yīng)電動勢和電流的線圈。所謂電樞的含義，并不是可以轉(zhuǎn)動 的轉(zhuǎn)子，只是其發(fā)電功能相同于旋轉(zhuǎn)電樞發(fā)電機的電樞線圈的意思。
該靜止的電樞線圈可以是集中式繞組，線圈內(nèi)的凸極式電樞鐵芯只有一個 齒，也可以是分布式(同心式、鏈?zhǔn)?繞組，其多個電樞線圈內(nèi)的隱極式電樞 鐵芯有多個齒。其集中式繞組的一個線圈，或是分布式繞組的近鄰?fù)虻膸讉€ 線圈(即屬于同一個隱極的幾個線圈)，稱為一極電樞線圈。該電樞線圈可以 置于外定子上，也可以置于內(nèi)定子上，或者側(cè)定子上。本發(fā)明《無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機》的基本結(jié)構(gòu)搭配將上述的各種銜鐵式磁導(dǎo) 體轉(zhuǎn)子，各種靜止的磁場裝置，各種靜止電樞線圈和機殼等，適當(dāng)搭配組合就 可以進行各種型式發(fā)電機的整機設(shè)計。例如采用簡式連軸磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、隔離 式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、或者復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，與外置、內(nèi)置或者側(cè)置式靜止磁場裝置 搭檔，再配用靜止的電樞線圈、機殼和端蓋等，組成的外磁極、內(nèi)磁極、側(cè)磁 極式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機的各種機型。又例如采用雙帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子(由 兩組帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體組成)、帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、帶雙環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、 或者一個或兩個帶環(huán)連半軸磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，分別與兩個隔離式端置磁場裝置、臨 軸式端置磁場裝置、 一個隔離式端置磁場裝置和一個臨軸式端置磁場裝置、或 者一個或兩個臨軸式端置磁場裝置搭檔，再配用位于定子鐵芯的靜止電樞線圈 和機殼等，組成的端磁極式帶環(huán)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機的各種機型。本專利文件中所謂的鐵芯，是指所有的采用各種磁性材料制作的磁芯；端 磁極式帶環(huán)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機的由端置磁場裝置兼作的端蓋、機殼、定子電樞 鐵芯、轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體及集磁環(huán)等，發(fā)電機主磁路中除主氣隙外的各段鐵磁路構(gòu)件， 都采用性能良好的相應(yīng)磁性材料(例如電磁純鐵或硅鋼)制作。本發(fā)明《無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機》基本工作原理在原動機帶動下，作旋轉(zhuǎn)運 動的，位于靜止磁場裝置和電樞線圈之間的轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體，在磁場裝置內(nèi)外側(cè)置 磁極或端置磁極的磁化下，形成一個或多個(一對或多對)極性交變的或極性 不變的旋轉(zhuǎn)磁極N'或S'。該旋轉(zhuǎn)磁極隔著主氣隙(發(fā)電機主磁通O通過的氣隙)，與定子電樞線圈鐵芯相對。由于，在運動中旋轉(zhuǎn)磁極N'或S'與電樞線圈鐵芯相對位置及相對面積大小變化，引起磁路磁阻大小變化，以及該旋轉(zhuǎn)磁極極性交替變化的雙重原因，使之靜止磁場裝置產(chǎn)生的主磁通o，被變量地導(dǎo)入或?qū)С鲮o止的電樞線圈。所以，電樞線圈按照法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電
動勢，向負載電器輸出電流。本發(fā)明中的轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體，其結(jié)構(gòu)與銜鐵相似，其功能與銜鐵的逆向功能相 似，就是說以前是因為線圈電流而產(chǎn)生銜鐵運動，現(xiàn)在是因為磁導(dǎo)體運動而產(chǎn) 生線圈電流。所以，以銜鐵式磁導(dǎo)體為轉(zhuǎn)子主體的本發(fā)明《無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機》， 應(yīng)當(dāng)是有史以來的第三類磁媒發(fā)電機—旋轉(zhuǎn)銜鐵式發(fā)電機。本發(fā)明改變了已 有的前二類旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)磁場式發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)。以集磁環(huán)取代 集電環(huán)，以簡單的銜鐵式磁導(dǎo)體取代轉(zhuǎn)子上的電樞裝置或磁場裝置，徹底省掉 了轉(zhuǎn)子上任何形式的多故障的線圈、集電環(huán)及電刷等。所以，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu) 簡單、工作可靠、體積小、成本低，而且散熱條件好、效率高、性能好等一系 列重要優(yōu)點。本發(fā)明探索出一種嶄新的發(fā)電原理，開辟了一條嶄新的電機科技 發(fā)展之路，即將提供一類結(jié)構(gòu)性能無比優(yōu)良的新式發(fā)電機。


圖l雙帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體構(gòu)造示意圖。圖2帶雙環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體部分縱向剖視示意圖。 圖3帶雙環(huán)連軸式磁導(dǎo)體構(gòu)造示意圖。 圖4雙帶環(huán)連半軸磁導(dǎo)體縱向剖視示意圖。 圖5隔離式端置磁場裝置縱向剖視示意圖。 圖6臨軸式端置磁場裝置縱向剖視示意圖。 圖7端磁極帶環(huán)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機示意圖。 圖8外磁極復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機示意圖。 圖9端磁極帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合三個實施例表述本發(fā)明具體實施方式
，詳細說 明本發(fā)明整機結(jié)構(gòu)方案及工作原理。實施例(一)外磁極復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機如圖8所示，發(fā)電機由復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和靜止的外置式磁場裝置(81) N、 S磁極搭配，再配以靜止的電樞線圏(82A)、 (82B)、定子鐵芯(83)和端蓋等 組成。該復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子由簡式連軸磁導(dǎo)體(84)、隔離磁導(dǎo)體(85)、非磁性 材料體(80)和主軸等構(gòu)成。其一個或多個簡式連軸磁導(dǎo)體和一個或多個隔離 式磁導(dǎo)體在轉(zhuǎn)子上相間布置，它們都有一個臨主氣隙的弧形面。定子鐵芯上靜
止的磁極和靜止的電樞線圈，二者相間布置。磁場裝置的磁極極對數(shù)P為N，電樞線圈的個數(shù)(或極數(shù))為2N，轉(zhuǎn)子簡 式連軸磁導(dǎo)體的個數(shù)(或齒數(shù))為N，隔離磁導(dǎo)體的個數(shù)為N，或者說磁導(dǎo)體 個數(shù)為2N， N是正整數(shù)。轉(zhuǎn)子上的一個磁導(dǎo)體臨主氣隙的弧長(或面積)，等 于或接近于定子上的一個磁極和一極電樞線圈鐵芯，二者臨主氣隙的弧長(或 面積)之和。下面以圖8示出的有兩個磁極，兩個電樞線圈，兩個磁導(dǎo)體的轉(zhuǎn)子的發(fā)電 機為例，說明本實施例，外磁極復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機的工作原理發(fā)電機工 作時，設(shè)圖中所示的轉(zhuǎn)子位置為其初始位置(即角度為零)，此時，靜止的磁極 N隔著主氣隙，將隔離磁導(dǎo)體(85)磁化為磁極N'。同時，靜止的磁極S將簡 式連軸磁導(dǎo)體(84)磁化為磁極S'。此時，A相電樞線圈(82A)通入的正反向 磁通大小相等，其瞬時合磁通^A為零。設(shè)轉(zhuǎn)子作逆時針方向旋轉(zhuǎn)，由于該磁極 N'通入的正向磁通開始增大，而磁極S'通入的反向磁通開始減小，所以A相電 樞線圈的合磁通OA開始正向增大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至45。時，該磁通OA增至正向最大值 Om。轉(zhuǎn)子繼續(xù)運轉(zhuǎn)，隔離磁導(dǎo)體(85)開始接受靜止磁極S的磁化作用，該正 向磁通。A開始減小。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至90°時，該合磁通。A，減小為零。轉(zhuǎn)子繼續(xù)運轉(zhuǎn)， 隔離磁導(dǎo)體(85)受靜止磁極S的磁化作^用為主，所以通入A相電樞線圈合磁 通變?yōu)榉聪虼磐?OA，其絕對值逐漸增大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至135。時，該反向磁通-^A的 絕對值增大至最大值，即-Om，其絕對值與正向Om相等。此時，隔離磁導(dǎo)體 (85)已在靜止磁極S的磁化下變換為S'極，則,簡式連軸磁導(dǎo)體(84)已變換 為N'極。轉(zhuǎn)子繼續(xù)運轉(zhuǎn)，該反向磁通-OA的絕對值開始減小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至180。時， 該合磁通OA為零。至此，A相電樞線圈內(nèi)磁通變化已經(jīng)過了一個周期。轉(zhuǎn)子繼 續(xù)運轉(zhuǎn),簡式連軸磁導(dǎo)體(84)接替了隔離磁導(dǎo)體(85)的位置和工作，開始了 A相電樞線豳內(nèi)磁通變化的下一周期，如此循環(huán)，周而復(fù)始。 .B相電樞線圈(82B)內(nèi)磁通變化情況，與上述A相電樞線圈情況基本相同， 只是在相位上差了半個周期(反相)。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動過程中，各個旋轉(zhuǎn)的磁導(dǎo)體因為輪換接受靜止N、 S磁極方 向交變的磁化，成為旋轉(zhuǎn)的極性交變的N'S'磁極，又因為它與各個電樞線圈
鐵芯隔著主氣隙相對位置變化，及相對面積大小的變化，引起它與該電樞線圈 相鏈磁路的磁阻變化，所以，該雙重原因使之電樞線圈內(nèi)磁通瞬時值，按正弦規(guī)律作周期性變化。其方程為0>A=$mSin2o)t(wb)， <DB=OmSin (2 t-180°) (wb)，式中O)A為A相電樞線圈內(nèi)磁通瞬時值，OB為B相電樞線圈內(nèi)磁通瞬時值，Om為磁通最大值，$m=BgSg (Wb)， Bg為主氣隙磁通密度(單位T),Sg為每個電樞鐵芯臨氣隙面積(單位m2)。從式中2o)t可見轉(zhuǎn)子電角速度是機 械角速度的兩倍，所以，本實施例發(fā)電頻率是相似情況的其它發(fā)電機發(fā)電頻率的兩倍，對此我們稱之為倍頻發(fā)電。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律e--N f ，可導(dǎo)出電樞線圈發(fā)電電動勢方程為 eA=-Emcos2cot=-Emsin(2a)t+90。)， eB = -Emcos(2(ot-180°)= -Emsin(2 t - 90。)。式中eA為A相發(fā)電電動勢瞬時值，eB為B相發(fā)電電動勢瞬時值，各個電樞發(fā)電電動勢最大值^-2N(DOm。由此可見，本實施例發(fā)電電動勢，是情況相似的其它發(fā)電機發(fā)電電動勢的兩倍。由于B相發(fā)電電動勢和A相發(fā)電電動勢恰好反相，所以應(yīng)將B相電樞線圈 與A相電樞線圈反向串聯(lián)(或并聯(lián))，作為一相正弦波交流電輸出。這種具有磁極和電樞線圈相間布置特征的外磁極結(jié)構(gòu)，可以與單純簡式連 軸磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，或單純隔離式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子等前述的轉(zhuǎn)子搭配。但，與該復(fù)式磁 導(dǎo)體轉(zhuǎn)子搭配，是內(nèi)、夕卜、側(cè)磁極式發(fā)電機中的最佳方案。該復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子外磁極發(fā)電機，具有結(jié)構(gòu)最簡單、體積最緊湊、主磁通回路最短、主氣隙磁通 面的利用率最高、倍頻發(fā)電電動勢高等特點。整機實驗證明，本發(fā)明中的該種 發(fā)電機，不僅省掉了轉(zhuǎn)子上的線圈、集電環(huán)和電刷等部件，而且在功率、效率 等性能方面，己經(jīng)顯著超過了已有發(fā)電機。實施例(二) 端磁極雙帶環(huán)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機如圖7所示，本發(fā)電機由雙帶環(huán)式隔離磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子(74)，配用兩個兼作端 蓋的隔離式磁場裝置(圖5中的51)，外定子電樞線圈(72 A~C )及其鐵芯(71)，和機殼(73)等組成。這兩個磁場裝置分別位于發(fā)電機的兩個端部，其外磁極 止口壓裝于機殼兩端，與機殼及定子電樞鐵芯作直接磁連結(jié)。兩個磁場裝置的 外磁極極性相異(內(nèi)磁極極性也相異)。諒雙帶環(huán)式隔離磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的構(gòu)造如圖1所示，是由兩組帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體(11) (12)，非磁性材料體(10)和轉(zhuǎn)子主軸等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子上的磁導(dǎo)體位于 定子電樞鐵芯內(nèi)腔，兩個集磁環(huán)位于兩個磁場裝置內(nèi)磁極的內(nèi)腔內(nèi)。發(fā)電機工作時，兩個端置磁場裝置的兩個異極性的內(nèi)磁極N和S，分別對 轉(zhuǎn)子上兩組帶環(huán)式磁導(dǎo)體的兩個集磁環(huán)(圖1之1A和1B)進行磁化，于是， 轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體被磁化成一對或多對磁極N'和S'(圖1之11的C段和12的C段， 即圖7中的S'和N')。該旋轉(zhuǎn)磁極磁力線，對靜止的電樞線圈(72A)(72B)(72C) 導(dǎo)線進行切割。于是該三相電樞線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出三相正弦波交流電流。其發(fā)電電動勢方程與已有的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)電機相同，即eA =EmsinQ)t, eB=Emsin(o)t-120°), ec = Em sin(Q)t+120°)。式中解釋從略。對于本實施例本發(fā)明的重點是以靜止的端置磁場裝置代替轉(zhuǎn)子上的勵磁 線圈，對轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體進行磁化，從而形成旋轉(zhuǎn)磁極。其余的設(shè)計與計算，基本 上同于已有旋轉(zhuǎn)磁場式發(fā)電機。本實施例中的轉(zhuǎn)子(74)也可以采用雙帶環(huán)連半軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子 如圖4所示，是由兩組帶環(huán)連半軸導(dǎo)體(41)和(42)，以及它們各自的半軸(401) 和(402),和非磁性材料體(40)等構(gòu)成。與該轉(zhuǎn)子搭配的兩個磁場裝置，全 都改用臨軸式端置磁場裝置(61)。轉(zhuǎn)子(74)還可以采用帶雙環(huán)的復(fù)式磁導(dǎo)體 轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子由帶雙環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體和主軸等構(gòu)成。與其搭配的帶環(huán)連軸磁導(dǎo)體 集磁環(huán)端的磁場裝置，應(yīng)改配一個臨軸式端置磁場裝置(61)。本實施例的特點是實用范圍大，通用性強。對于火電、水電、核電廠站等 發(fā)電系統(tǒng)的偌大的實用領(lǐng)域所需要的大、中、小型發(fā)電機，單相、三相正弦波 交流發(fā)電機，皆可適用。本發(fā)明中，凡粵采用電磁式、復(fù)合式端置磁場裝置的 機型，其靜止的勵磁線圈的位置幾乎是發(fā)電機的最外部，而且鐵芯截面積最大， 所以具有線圈匝數(shù)少勵磁電流小，散熱條件最^，結(jié)構(gòu)簡單效率髙等優(yōu)點。 實施例(三)端磁極帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機 實際上，本實施例是實施例(二)的一種特殊機型。如附圖9所示，本發(fā) 電機由帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子(94)、外定子電樞鐵芯(91)、電樞線圏(92A~ D)、機殼(93)、 一個兼作端蓋的臨軸式端置磁場裝置(圖6中的61)，和另
一個用非磁性材料制成的端蓋等組成。電樞鐵芯(91)壓裝于機殼(93)內(nèi)腔， 由磁場裝置兼作的端蓋的止口壓裝于機殼的一個端部。該端蓋式磁場裝置的外 磁極與機殼及電樞鐵芯作直接磁連結(jié)。非磁性材料端蓋則壓裝于機殼的另一個 端部。發(fā)電機的帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子(94)，如圖3所示，是由一個或多個簡 式連軸磁導(dǎo)體(31)， 一個或兩個集磁環(huán)(32) (33)，和轉(zhuǎn)子主軸等構(gòu)成。該轉(zhuǎn) 子簡式連軸磁導(dǎo)體位于定子電樞鐵芯的內(nèi)腔，其集磁環(huán)則位于端置磁場裝置內(nèi) 磁極的內(nèi)腔(圖6中的62)。下面以圖9所示的轉(zhuǎn)子上有3個簡式連軸磁導(dǎo)體，定子上有4個電樞線圈 的發(fā)電機為例，說明本實施例端磁極帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機的工作原理: 發(fā)電機工作時，設(shè)圖9中所示轉(zhuǎn)子(94)的位置為其初始位置(即角度為零)， 轉(zhuǎn)子作順時針方向旋轉(zhuǎn)運動，臨軸式端置磁場裝置的內(nèi)磁極N通過轉(zhuǎn)子集磁環(huán) (圖3中的32或33)，將轉(zhuǎn)子的3個連軸式磁導(dǎo)體(31)等，磁化為三個同極 性的作旋轉(zhuǎn)運動的磁極N'。該旋轉(zhuǎn)磁極磁力線隔著主氣隙，對靜止的四相電樞 線圈(92A) (92B) (92C) (92D)導(dǎo)線進行旋轉(zhuǎn)切割，使其產(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 輸出感生電流。換言之，雖然旋轉(zhuǎn)磁極的極性不變，但在旋轉(zhuǎn)運動中，它與電 樞鐵芯相對位置，及相對面積的大小不斷變化，引起它與電樞線圈相鏈磁路的 磁阻大小不斷變化。所以，電樞線圈內(nèi)的磁通雖然方向不變，但其大小不斷變 化，于是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及感生電流。該四相電樞線圈的磁通方程為。A= <Dm |COS (Ot|, Db= 。m |c0s ( (Dt-45°)|, OC = 0>m |c0s ( I" 0>t - 90o)|, <DD = $m |c0s ( | t - 135°)| ,式中。a d分別為A、 B、 C、 D四相電樞線圏磁通瞬時值，各相電樞線圈磁通最大 值。m-BsSg， BS為主氣隙磁通密度，Sg為每相電樞鐵芯臨主氣隙面積。貝U， 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律6 = ->^^"，可導(dǎo)出各相感應(yīng)電動勢方程為eA= z Emsin cot (7t^(0tS兀，n￡Z ) .r. 3 丄,4n+l z ^ 4n+3 c 7 、-Emsm J cot (jr:^DtS7t ， n e Z )式中eA為A相電動勢瞬時值，Em= f"NQ)tO)m 。其余B、 C、 D各相電動勢瞬時值，分別比A相滯后45。、 90。、 135°。
發(fā)電機定子電樞鐵芯是直形或斜形的鐵芯(全開口槽)，或是可分解可拆裝 式鐵芯(裝后非全開口槽)，電樞線圈各部的內(nèi)周長等于或接近于鐵芯各部的外 圍長，該線圈繞組成形后，能夠以整體嵌裝方式緊緊地套裝在鐵芯的外圍。該 整體線圈緊套鐵芯結(jié)構(gòu)，也適用于發(fā)電機的其它機型，包括其凸極式或隱極式 鐵芯，及其集中式或分布式繞組，也適用于勵磁線圈及其鐵芯。本實施例中，電樞線圈的個數(shù)(或極數(shù))多于轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體的個數(shù)(或齒數(shù))。例如前者比后者為4N : 3N，或3N : 2N，即前者為4N后者為3N,或者前 者為3N后者為2N(N是正整數(shù))。本實施例還可以采用隱極式電樞鐵芯，及其 單相或多相分布鏈?zhǔn)嚼@組，分布同心式電樞繞組。對于較大功率的機型，可以 采用兩個臨軸式端置磁場裝置(圖6中的61)，分別置于發(fā)電機的兩個端部，配 用圖3所示的由一個或多個簡式連軸磁導(dǎo)體(31)、兩個集磁環(huán)(32) (33)和 主軸等組成的雙環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，進行對稱雙端磁極雙環(huán)連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn) 子發(fā)電機的整機設(shè)計。本實施例屬非正弦波單相或多相發(fā)電機，其電樞線圈內(nèi)磁通，單純是因為 旋轉(zhuǎn)磁極與電樞鐵芯相對位置變化，及相對面積大小的變化，引起磁阻變化而 產(chǎn)生的單向脈動磁通。本實施例發(fā)電機的轉(zhuǎn)子最簡單，而且可以只有一個端置 磁場裝置，所以整機結(jié)構(gòu)也比較簡單。采用鐵芯緊套整體線圈結(jié)構(gòu)，可以減小 銅損，節(jié)省銅線，而且，可以簡化工藝提高嵌線質(zhì)量。特別是，本實施例的各 種機型，主磁通回路中基本上只有一道氣隙，發(fā)電機效率極高。前暴展望 本發(fā)明中的外磁極復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機，帶環(huán)連軸式磁導(dǎo) 體轉(zhuǎn)子發(fā)電機，特別適于作為優(yōu)秀的汽車發(fā)電機、車輛發(fā)電機、船舶發(fā)電機和 風(fēng)力發(fā)電機。而，端磁極式雙帶環(huán)磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子發(fā)電機，則通用于大中小型火電、 水電、核電廠站等發(fā)電系統(tǒng)的廣闊實用領(lǐng)域。所以，本發(fā)明《無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機》， 有希望閃耀著"中國創(chuàng)造"燦爛光輝，取代世界上己有的旋轉(zhuǎn)電樞發(fā)電機、旋 轉(zhuǎn)磁場發(fā)電機，等等一切將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿拇琶桨l(fā)電機。
權(quán)利要求1.將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿拇琶桨l(fā)電機，該發(fā)電機包括磁場裝置及轉(zhuǎn)子、電樞線圈及定子鐵芯、端蓋和機殼，其特征在于a.轉(zhuǎn)子主要由無線圈的銜鐵式磁導(dǎo)體構(gòu)成，該磁導(dǎo)體可以是簡式連軸磁導(dǎo)體、隔離式磁導(dǎo)體、復(fù)式磁導(dǎo)體、帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體、帶環(huán)連軸式磁導(dǎo)體、帶環(huán)復(fù)式磁導(dǎo)體，或帶環(huán)連半軸式磁導(dǎo)體，也可以是這些磁導(dǎo)體的組合；b.銜鐵式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，配用靜止磁極線圈于兩電樞中間布置的磁場裝置，或者配用端置式靜止磁場裝置。
2 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機采用復(fù)式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，配用的靜止外置磁場裝置的磁極N或S，與電樞線圈(82A或82B) 二者 相間布置，共同位于外定子鐵芯(83)上，轉(zhuǎn)子上的復(fù)式磁導(dǎo)體中的一個或 多個簡式連軸磁導(dǎo)體，與一個或多個隔離式磁導(dǎo)體相間布置。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機，其特征是所述的一個磁導(dǎo)體(84 或85)臨主氣隙的面積或弧長，等于或接近于一個磁極N或S與一極電樞 線圈(82A或82B)內(nèi)鐵芯，二者臨主氣隙的面積或弧長之和；磁極的極對 數(shù)P為N ，電樞線圈的極數(shù)或個數(shù)為2N ，轉(zhuǎn)子上的磁導(dǎo)體的個數(shù)為2N ， N是正整數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機采用主要由帶環(huán)磁 導(dǎo)體與主軸構(gòu)成的轉(zhuǎn)子(74)，該轉(zhuǎn)子配用的端置磁場裝置(51或61)位于 發(fā)電機的端部，可以兼作發(fā)電機的端蓋，其外圓部是外磁極N或S ，其內(nèi) 部磁極是異性的S或N極，電樞線圈則位于定子電樞鐵芯(71)上。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機轉(zhuǎn)子(74)，采用 雙帶環(huán)隔離式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，或者采用雙帶環(huán)連半軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，或者采 用帶雙環(huán)^式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，分別相應(yīng)地配用兩個隔離式端置磁場裝置(51)， 或者兩個臨軸式端置磁場裝置(61)，或者一個隔離式端置磁場裝置(51)' 和一個臨軸式端置磁場裝置(61);這兩個磁場裝置分別位于發(fā)電機的兩個 端部，其兩個外磁極分別從兩端與機殼(73)及定子電樞鐵芯(71)，作直 接機械連結(jié)和磁連結(jié)，其兩個內(nèi)磁極內(nèi)腔分別與轉(zhuǎn)子上的兩組集磁環(huán)相對，轉(zhuǎn)子(74)上的兩組磁導(dǎo)體是一對或多對被磁化形成的，作旋轉(zhuǎn)運動的磁極 S'和N'，該旋轉(zhuǎn)磁極隔著主氣隙，與定子電樞線圈鐵芯(71)相對。
6. 如權(quán)利要求1或4所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機來用帶環(huán)連軸式 磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子(94)，配用的一個臨軸式端置磁場裝置(61)，位于發(fā)電機的一 個端部，該磁場裝置的外磁極與機殼(93)，及定子電樞線圈鐵芯(91) #直 接磁連結(jié)，其內(nèi)磁極內(nèi)腔面(62)與轉(zhuǎn)子集磁環(huán)(33)或(32)相對，貝lj , 被端置磁場裝置內(nèi)磁極經(jīng)集磁環(huán)磁化的簡式連軸磁導(dǎo)體(31)，是一個或多個 作旋轉(zhuǎn)運動的磁極N'或S'，該旋轉(zhuǎn)磁極隔著主氣隙，與定子電樞線圈鐵 芯(91)相對；或者，采用帶雙環(huán)的連軸式磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，配用分別位于發(fā)電 機兩端的兩個臨軸式端置磁場裝置(61)，其兩個內(nèi)磁極的內(nèi)腔(62)，分別 與轉(zhuǎn)子上的兩個集磁環(huán)(32)和(33)相對。
7. 如權(quán)利要求l或4所述的發(fā)電機，其特征是構(gòu)成磁場裝置或電樞 裝置的線圈及其鐵芯，該線圈各部的內(nèi)周長等于或接近于鐵芯各部的外圍 長，采奴成型后整體嵌裝方式，將線圈緊緊地套裝在鐵芯的外圍。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的發(fā)電機，其特征是靜止的集中式或分布式 電樞線圈的個數(shù)或極數(shù)，多于轉(zhuǎn)子上磁導(dǎo)體的個數(shù)或齒數(shù)，例如前者比 后者為4N:3N ， N是正整數(shù)。
9. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)電機，其特征是端置磁場裝置的內(nèi)磁極內(nèi)腔 與轉(zhuǎn)子集磁環(huán)之間的間隙，遠小于發(fā)電機的主氣隙，等于或接近于一般滑 動軸承與軸之間的標(biāo)準(zhǔn)配合間隙。
10 .如權(quán)利要求4所述的發(fā)電機，其特征是由端置磁場裝置兼作的端 蓋、機殼、電樞鐵芯、轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體及集磁環(huán)，發(fā)電機主磁路中除氣隙外各段 磁路構(gòu)件，均采用性能良好的相應(yīng)的磁性材料，例如硅鋼制作。
專利摘要本實用新型無線轉(zhuǎn)子發(fā)電機涉及電機技術(shù)領(lǐng)域，是一類將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男率酱琶桨l(fā)電機。本發(fā)電機采用靜止的外置中置端置磁場線圈，其轉(zhuǎn)子以銜鐵式一連軸磁導(dǎo)體、隔離式磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為主體。徹底省掉了轉(zhuǎn)子上的線圈及其集電環(huán)和電刷，根除了由此造成的已有發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、成本高等嚴重缺點。發(fā)電機工作時，靜止的磁場裝置將轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)體磁化為旋轉(zhuǎn)磁極S′N′，該旋轉(zhuǎn)磁極磁力線切割靜止的電樞線圈導(dǎo)線，產(chǎn)生感應(yīng)電流。
文檔編號H02K15/02GK201015174SQ20062013256
公開日2008年1月30日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月17日
發(fā)明者呂崇圭, 呂西俠, 彤 肖, 虹 藍, 魏世杰 申請人:呂西俠