專利名稱：無換向器多電壓直流發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，特別是直流發(fā)電機。
公知的直流發(fā)電機由定子的磁極，轉子的電樞和換向器組成。定子的磁極由南極與北極稱為一對，一臺機器中一般由一對以上磁極組成。磁場順定子圓周，呈南極與北極交替出現的異名磁極關系，電樞嵌在轉子鐵心槽內，在定子磁極構成的磁場中轉動，切割磁力線產生電流。由于磁場是南北異名磁極構成，轉動方向一致，產生交變脈動電流。脈動交變電流經換向器轉變成直流電流。
公知的這種直流發(fā)電機，具有可逆使用性。由于采用機械換向器裝置，結構復雜，常處于高速摩擦狀態(tài)，因而磨損和被電流燒壞是不可避免的，且難以承受高電壓大電流，經常需要維修。轉子電樞和鐵心在定子磁場中轉動，產生交變電流和電磁力矩，電磁力矩總是阻礙轉子的正向運動，交變電流在轉子鐵心中產生渦流損耗，交變磁場反復磁化轉子鐵心產生磁滯損耗，因而降低了發(fā)電機的工作效率，輸出電功率總是小于或等于輸入機械功率，是不易克服的。
本發(fā)明的目的即在于提供一種直流發(fā)電機，所述直流發(fā)電機能克服公知直流發(fā)電機的缺點，具有較好的使用效果。
為實現上述目的，本發(fā)明的方案為所設計的直流發(fā)電機的內磁極為圓周形，外磁極亦為圓周形，兩異名磁極套在一起，間隙里呈U圓環(huán)形磁力線呈輻狀分布的均勻磁場，近似勻強磁場；一根絕緣直導線180度折回為兩截，一截為電勢線，另一截為電流線(電流線外用磁屏蔽)構成單電勢導線，單電勢導線并列串聯(lián)組成圓環(huán)形電樞，圓環(huán)形電樞在圓環(huán)形均勻磁場中轉動，切割勻強磁力線產生電動勢，產生穩(wěn)恒電流，經導線對外輸出；在不同的單電勢導線處抽頭對外輸出，呈不同電壓。
按照上述方案，本發(fā)明的無換向器多電壓直流發(fā)電機有別于公知技術的直流發(fā)電機，下面結合圖示和實施例對方案進行詳細的說明。


圖1為本發(fā)明方案結構的磁路圖；圖2為本發(fā)明方案的圓環(huán)形均勻磁場圖；圖3為本發(fā)明方案的電單勢導線結構截面圖；圖4為本發(fā)明方案的磁場及力的方向分析圖；圖5為本發(fā)明方案實施例的正視上剖圖。
如圖1及圖2、圖2是圖1的左視圖。外磁極(1)和內磁極(2)都成圓周形，外磁極(1)套在內磁極(2)外，其間隙磁力線呈輻狀分布的圓環(huán)形，如圖2中用箭頭的細實線所表示的磁場及磁力線。勵磁線圈(3)套在內磁極軸的中部產生磁化場的磁力線，以內磁極軸心為中心，沿兩側流經外磁極、磁場、回到內磁極呈封閉曲線。一臺機器中只有一個勵磁線圈，在圖1中勵磁線圈電流方向產生的磁場方向，外磁極(1)為北極N，內磁極(2)為南極S磁力線的方向從四周指向圓心如圖2 。改變勵磁線圈(3)的直流電大小，根據磁介質材料的磁化規(guī)律而改變磁場的強弱，改變電流方向，磁極和磁場方向隨著改變。外磁極(1)和內磁極(2)的材料為典型永磁鐵如釤鈷合金、釹鐵硼合金，或者為典型的軟鐵磁性材料，如純鐵、硅鋼。勵磁線圈(3)的材料最好為常溫狀態(tài)超導體，其次用導電率高的漆包線，如銅心線。
如圖3所示是單電勢導線的切面圖，單電勢導線是一根直導線折回180度如(5)和(7)，它是同一種材料，如銅，在外表面涂有絕緣層。在(5)的外周絕緣層外，套有由軟磁性材料(6)，如純鐵或硅鋼，經絕緣再套一層最好為完全抗磁的材料，如超導體，其次為典型的永磁鐵材料(4)，如釤鈷合金或釹鐵硼合金。永磁鐵的磁極如N和S。單電勢導線的長度等于圖1中磁極的寬度。一臺機器中單電勢導數為n，每一根導線的角度為 ，內弧長為 ，外弧長為 ，厚度為R-r。
單電勢導線的作用。公知直流發(fā)電機的定子磁極為對稱的異名磁極，轉子鐵心上的電樞經北極過去又從南極折回。當電樞切割磁力線運動時，產生電流方向正好與電樞走向一致，電流的終點可回到起點。在圖2所示的圓環(huán)形均勻磁場中就不同，當兩根一端連接的導線在勻強磁場中作切割磁力線運動，各根產生的電勢方向一致，互相抵消，沒有電流產生，更不能終點回到起點，除此，導線再沒有構成回路的方法，這就需如圖3所示的單電勢導線，單電勢導線(7)作切割磁力線運動，則產生電動勢，叫做電勢線。單電勢導線(5)，由于矯頑力極大，剩磁很強的永磁鐵(4)(或完全抗磁的超導體)，以同性相斥將外來磁力線排擠開，它就不被外來磁力線穿透、切割，不產生電動勢。而自身(4)的磁力線穿透(5)不作相對運動，不切割磁力線，也不產生電動勢。(4)對(5)進行了完全的磁屏蔽。(5)在磁場中運動，不產生電動勢，只作(7)產生的電勢電流的回路，叫做電流線。當(7)和(5)中有電流通過時，是大小相等的反向平行電流，產生以導線自身為同心圓的磁力線產生的磁場力相互對抗，對外沒有電磁力。然而，(5)有磁屏蔽(6)，它產生的磁力線，將被導磁率極高的軟磁性材料如純鐵所束縛，只能在周圍流動，這就防止了它對(4)的永磁鐵或超導體的破環(huán)。(7)產生的直線電流的磁場則彌散在導線周圍。
能否成功地對電流線(5)進行磁屏蔽，是制造無換向器多電壓直流發(fā)電機的關鍵。由于材料的關系，對圖1產生的磁場圖2有一定的要求。如(4)用矯頑力Hc最大為10700安培/米，最大磁惑應強度1.07T的釤鈷合金SmC05時，圖2的磁場與圖3(7)產生的合成磁場應小于10700安培/米，磁感應強度應小于1.07T，否則(4)將會被改變磁極方向損環(huán)其磁屏蔽效果。如(4)用超導體，它可承受數T到數十T的磁場強度而不破環(huán)其完全抗磁性，適用于強磁場高電壓大電流無換向器多電壓直流發(fā)電機。若(4)的材料既能抗N，又能抗S，當勵磁電流為交變電流產生交變磁場時，可發(fā)出交流電。
圖4是本發(fā)明方案的磁場及磁力分析圖，由n個圖3所示的單電勢導線并列串聯(lián)組成圓環(huán)形電樞，電樞套在圖1的內磁極(2)外，處在外磁極(1)里。圓環(huán)形電樞在圓環(huán)形均勻磁場中轉動，單電勢導線的電勢線切割磁力線產生電勢，產生電流，經電流線流回與另一電勢線相連，n根電勢線的電勢代數和，即是整臺機器的電勢。機器的磁場強度不變磁場方向不變，導線的結構是固定的，線速度不變，將產生穩(wěn)恒的直流電流。在不同處的單電勢導線抽頭將電勢導出，產生不同電壓。由于機器的結構是固定的，單電勢導線的組合形式，運動狀態(tài)是一致的，任意一個單電勢導線所處的磁場，產生的電流，電流產生的磁場力，可代表整個電樞。為了說明整個電樞的方便，在電樞中任意切取兩個單電勢導線和對應的磁極出來，展開如圖4說明它們的相互關系。
圖4的外磁極為北極N2，內磁極是南極S2，它們間的磁場呈異名磁極吸引關系，且呈勻強磁場。電樞其中一根單電勢導線由電勢線(7)，電流線(5)，屏蔽永磁鐵(4)，另一根單電勢導線由電勢線(7′)，電流線(5′)和屏蔽永磁鐵(4′)組成。屏蔽永磁鐵(4).(4’)產生的北磁極為N1，南磁極為S1，磁場強度和磁感應強度大于或等于外磁極N2和磁極S2產生的磁場強度和磁感應強度。磁場方向為北極N1與北極N2相對，相互排斥，南極S1與南極S2相對，相互排斥。用帶箭頭的細線表示磁力線，外磁極N2與內磁極S2產生的磁力線，在磁力線上劃三個短劃表示，屏蔽永磁鐵N1和S1產生的磁力線，在磁力線上劃二個短劃表示，通電直導線產生的呈同心圓的磁力線，在磁力線上劃一根短劃表示。可見，N1.S1產生的屏蔽磁力線，排斥N2.S2產生的磁力線，N2.S2產生的磁力線不能從(4).(4′)內通過，不能使(5).(5′)產生電動勢，產生電流，只能從電勢線(7).(7′).(7″)通過，動生電動勢，產生電流。當電樞的運動方向為反時針時，(7).(7′).(7″)切割N2.S2的磁力線產生電流，電流方向紙里朝外，電流線(5).(5′)從外流向紙里。電流線(5).(5′)的電流產生的磁力線被外套的純鐵束縛，對外不顯磁性。電勢線(7).(7′).(7″)電流產生的以導線為圓心的同心圓的磁力線，受N2.S2，N1.S1產生的磁力線的制約，分布在電勢線與屏蔽永磁鐵相靠的縫隙里如N和S。單根電勢線電流產生的磁場較N2.S2和N1.S1產生的磁場弱，且磁力線又不相交，只能如北極N和南極S的磁力線，有的經勢線，有的經屏蔽永磁鐵構成閉合回路。屏蔽永磁磁鐵N1.S1和電勢線產生的N.S，它們的磁場磁力線雖流過電勢線，但運動速度是同步的，沒有相對運動，不切割，不會使電勢線產生電流。
N2.S2，N1.S1和N.S三種磁場在圓環(huán)形均勻磁場中產生的磁場力。圓環(huán)外形磁極N2和圓環(huán)形內磁極S2構成的磁力線呈輻狀分布的勻強磁場。在圓環(huán)形各處磁場強度相等，磁場力相等，磁場吸引力的方向指向圓心不產生切線力，整個圓周的吸引矢量力為零。在圖4所示的結構中，屏蔽永磁鐵(4).(4′)……被固定在共同軸心的圓周上，呈間格平行分布，N1排斥N2，S1排斥S2，排斥力在圓環(huán)形均勻磁場中指向圓心，圓周向心矢量合力為零，在切線上沒有力產生，相對運動時，只產生二倍一面排斥磁場摩擦阻力，這種阻力很小。電勢線(7).(7′)………也是單根間格平行分布，產生的磁場如N.S，以(7)的中線為界，對勻強圓環(huán)形外磁極N2的反時針和順時針，既有排斥力N，又有相等的吸引力S；對勻強圓環(huán)形內磁極S2的反時針和順時針，也有排斥力S和相等的吸引力N，這些較磁場力小的電磁力，也滑移為向心力，也切線合力為零。相對運動時，也產生二倍一面磁場摩擦力。電勢線(7)與電流線(5)之間產生的電磁力，不論是吸引或是排斥，都發(fā)生為結構的內應力，對整個電樞的運動不發(fā)生影響。
對處在圓環(huán)形均勻磁場圖2中的任何方向的磁極，不論磁場力的方向如何，將自動滑移為磁場向心力，作相對運動時向心力宏觀上表現為它產生的磁場摩擦力。如由單電勢導線并列串聯(lián)組成的圓環(huán)形電樞，不管它產生的磁場對外磁極N和內磁極S呈完全的排斥關系，或者是完全吸引關系，不管它呈間格的排斥關系或者是間格的吸引關系，或者是排斥與吸引交替出現的關系，它們間的相互力將自動滑移為磁場向心力，作相對運動時，向心力宏觀上表現為它產生的磁場摩擦力。又如屏蔽永磁鐵(4)不固定，它將以自身某點為軸心，沿順時針或反時針偏轉，最終停留在N2與S1，N1與S2相吸的直線位置，吸引力的線通過圓環(huán)形均勻磁場的圓心。在偏轉的過程中，以偏轉的軸心為切點，由于磁場的近距離作用和同性相斥異性相吸的性質，順時針和反時針方向切線力為零，切線合力為零。如果切線合力不為零。即屏蔽永磁鐵(4)轉到某種狀態(tài)并保持，便會沿圓環(huán)形勻強磁場一個方向運動，成為永動機，事實上是不可能的。
圓環(huán)形均勻磁場與由異名磁極組成的非均勻磁場作發(fā)電機磁場的比較。公知發(fā)電機的電樞產生的電磁力，移近固定的定子磁極時相互排斥，離開磁極時相互吸引，排斥力和吸引力在轉子電樞的運動方向即反切線方向，總是阻礙運動進行。而這種阻礙運動的力矩，幾乎等于拖動發(fā)電機的機械轉矩，是十分強大的。而圓環(huán)形均勻磁場作發(fā)電機的磁場，磁場呈圓環(huán)形勻強，即磁極無始無終，可認為無窮長，電樞產生的電磁力在無窮長的勻強磁場中運動，沒有磁極移近的排斥力和離開時的，吸引力，由于磁場的近距離作用和同性相斥，異性相吸的性質，作用力的施力點或受力點在磁場中便自由滑移到最近點即向心線上，相對運動只產生磁場摩擦力。磁場摩擦力與電磁力比較是非常小的。因此，無換向器多電壓直流發(fā)電機比現有直流發(fā)電機提高功率若干倍。
如圖5所示為實施例正視上剖圖。(7)由單電勢導線組成圓環(huán)型電樞，電樞的一端與支撐盤(8)連接固定，支撐盤固定在軸(10)上。由外磁極(1)與內磁極(2)組成圓環(huán)形均勻磁場，端蓋(9)與外磁極(1)相連，端蓋(9)與內磁極(2)通過軸承(11)和(14)將轉軸(10)托起，并保障電樞(7)在磁場間隙內自由轉動。外直流電源的正負極經接線盒(15)傳給勵磁線圈(3)，線圈產生的勵磁場磁化外磁極(1)為北極N，磁化內磁極(2)為南極S，使磁場里的磁場強度達到要求。動力機拖動轉軸(10)沿反時針轉動，電樞(7)也同步轉動，單電勢導線切割N，S產生磁力線產生電動勢，產生電流。在電樞不同處的單電勢導線抽頭，各自經滑環(huán)和電刷(13)傳給接線盒(12)里的接線柱。
本發(fā)明的無換向器多電壓直流發(fā)電機與公知的直流發(fā)電機不同的是無換向器多電壓直流發(fā)電機只能作發(fā)電機，不能作電動機用。公知直流發(fā)電機的反電磁力矩消耗外轉矩的百分之九十以上，無換向器多電壓直流發(fā)電機只產生磁場摩擦力，不產生反電磁力矩，可提高功率若干倍；公知直流發(fā)電機受換向器結構限制，一般發(fā)出的電壓和電流較小，無換向器多電壓直流發(fā)電機不需換向器，可發(fā)出較高的電壓和較大的電流；公知直流發(fā)電機只能輸出一種電壓，無換向器多電壓直流發(fā)電機可輸出幾種不同電壓，滿足直流電動機的啟動，調速和調功需要；公知直流發(fā)電機的輸出功率小于或等于輸入功率，無換向器多電壓直流發(fā)電機輸出電功率大于輸入機械功率，這樣，它可同現有直流電動機組成永動發(fā)電機或者永動電動機。
權利要求
1.無換向器多電壓直流發(fā)電機，具有固定的部份和轉動的部份，其特征在于一個勵磁圈線纏繞在內磁極軸上，內磁極與外磁極構成圓環(huán)形均勻磁場，由單電勢導線并列串聯(lián)組成圓環(huán)形電樞作切割磁力線運動產生穩(wěn)恒直流電。
2.根據權利要求1所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于一臺機器只有一個勵磁線圈(3)。
3.根據權利要求1和2所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于勵磁線圈(3)纏繞在內磁極(2)的軸上。
4.根據權利要求2所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于勵磁線圈(3)的材料最優(yōu)為超導體，其次為其它優(yōu)質導線。
5.根據權利要求1所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于外磁極(1)和內磁極(2)都呈圓周形。
6.根據權利要求(1)所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于單電勢導線(5)和(7)由一根直導線折回180度。
7.根據權利要求1和6所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于單電勢導線的電流線(5)外(4)的磁屏蔽材料最好為完全杭磁，如超導體，其次為永磁鐵磁極如N.S。
8.根據權利要求1和6所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于多個單電勢導線并列組成圓環(huán)形電樞。
9.根據權利要求8所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于相臨兩單電勢導線的電勢線(7′)與電流線(5)串聯(lián)接。
10.根據權利要求1所述的無換向器多電壓直流發(fā)電機，其特征在于在不同單電勢導線處抽頭輸出不同電壓。
全文摘要
無換向器多電壓直流發(fā)電機，由圓環(huán)形內磁極與圓環(huán)形外磁極構成圓環(huán)形均勻磁場；單電勢導線并列串聯(lián)組成圓環(huán)形電樞，轉動切割磁力線產生穩(wěn)恒電流；于不同單電勢導線處抽頭，產生不同電壓。電樞在圓環(huán)形均勻磁場中運動電流產生的電磁力表現為向心力產生的磁場摩擦力，與反電磁力矩那樣強大的阻力相比極小，輸出電功率大于輸入機械功率?？赏F有直流電動機組成永動發(fā)電機或者永動電動機。
文檔編號H02K29/00GK1134060SQ9511488
公開日1996年10月23日 申請日期1995年4月19日 優(yōu)先權日1995年4月19日
發(fā)明者楊仕元 申請人:楊仕元