專利名稱：無線轉子發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以磁場為媒介的將機械能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機技術領域。
背景技術：
1831年偉大科學家法拉第完成了“轉”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。綜觀已有磁媒發(fā)電機的基本結構，其主要型式只有兩大類第一類是旋轉電樞式，第二類是旋轉磁場式。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)展已近于極限，潛力殆盡，或者說已是窮途末路。特別是已有的發(fā)電機，無論是旋轉電樞式發(fā)電機還是電磁式旋轉磁場式發(fā)電機，其轉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)或換向器、電刷等電流引入或輸出部件。長期實踐表明，已有發(fā)電機90％以上的故障都發(fā)生于這些轉子部件上。所以，已有發(fā)電機存在著結構復雜、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，已有的永磁式旋轉磁場式發(fā)電機，雖然轉子無線圈，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)電機轉子上也沒有線圈，但是，因為其勵磁線圈位于機體中心的轉子腔內(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，徹底省掉轉子上的電樞線圈或勵磁線圈，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構還能夠提高性能的，一更具發(fā)展前途的新式旋轉銜鐵式發(fā)電機。提供新一類結構和性能都無比優(yōu)良的新式發(fā)電機。
本發(fā)明《無線轉子發(fā)電機》，由銜鐵式磁導體轉子，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)磁導體轉子。本專利文件中所稱的磁導體轉子，是指由以下幾種磁導體或它們的組合體，與主軸等組成的發(fā)電機轉子。這幾種磁導體是1.簡式連軸磁導體—如圖8中(84)所示，用磁性材料(例如硅鋼疊片)制作的磁導體，該磁導體與轉子主軸作直接機械連結和磁連結。該磁導體可以一個或多個制作在一起。
2.隔離式磁導體—如圖8中(85)所示，一個或多個用磁性材料制成的磁導體，隔以非磁性材料體(80)(例如灌鑄以硬鋁)，與轉子主軸以及其它構件作間接機械連結。各個隔離式磁導體之間也隔以非磁性材料。
3.復式磁導體—如圖8所示，混合采用一個或多個簡式連軸磁導體(84)、一個或多個隔離式磁導體(85)，和非磁性材料體(80)構成的組合磁導體。其中(84)與(85)相間布置。
4.帶環(huán)連軸式磁導體—如圖3所示，在一個或多個簡式連軸磁導體(31)的一側或兩側，增加一個或兩個用磁性材料制成的導磁環(huán)(32)，(33)而成。該導磁環(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)。它與轉子上的磁導體直接制作在一起。該集磁環(huán)比集電環(huán)具有更為理想的功能，它能夠向轉子直接輸送主磁通Φ，而無需在輸入電流后再在轉子上進行電磁轉換，省掉轉子上的進行這種電磁轉換的、多故障的一系列裝置。
5.帶環(huán)隔離式磁導體—如圖1所示，一組帶環(huán)隔離式磁導體(11)，由其1C段的一個或多個隔離式磁導體，與其1A段集磁環(huán)作磁連結，或者直接制作在一起而成。該帶環(huán)隔離式磁導體與轉子主軸之間，與另一組帶環(huán)隔離式磁導體(12)之間，與轉子上其它構件之間都隔以非磁性材料體(10)。圖中(12)的1B是包括于該組帶環(huán)隔離式磁導體的集磁環(huán)。
6.帶雙環(huán)復式磁導體—如圖2所示，該帶雙環(huán)復式磁導體。是一組帶環(huán)連軸式磁導體(21)，隔著非磁性材料體(20)，與一組帶環(huán)隔離式磁導體(22)構成的組合體。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)復式磁導體的中間(2C段)，就是一種不帶環(huán)的復式磁導體。
7.帶環(huán)連半軸式磁導體—如圖4所示，一組帶環(huán)連半軸式磁導體(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體制作在一起而成。該組帶環(huán)連半軸磁導體與其半軸(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)連半軸式磁導體(42)的集磁環(huán)。
上述幾種磁導體或其組合體，可以與主軸等構成發(fā)電機的轉子，包括內(nèi)轉子、外轉子和位于定子側面的側轉子。轉子上的每個磁導體，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，包括由永磁體構成的永磁式，由勵磁線圈及其鐵芯構成的電磁式，由勵磁線圈與永磁體構成的復合式磁場裝置。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(置于轉子外面的定子上)、內(nèi)置式(置于外轉子內(nèi)腔的定子上)、側置式(置于轉子一側或二側的定子上)、端置式(置于發(fā)電機的一個或兩個端部)磁場裝置。
內(nèi)外側置式磁場裝置的構造與已有發(fā)電機磁場裝置的構造基本相同，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構，一種是隔離式端置磁場裝置(51)，它與轉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和磁連結。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)磁導體轉子上的集磁環(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準配合間隙。
(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、三相或多相感應電動勢和電流的線圈。所謂電樞的含義，并不是可以轉動的轉子，只是其發(fā)電功能相同于旋轉電樞發(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、鏈式)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同向的幾個線圈(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，或者側定子上。
本發(fā)明《無線轉子發(fā)電機》的基本結構搭配將上述的各種銜鐵式磁導體轉子，各種靜止的磁場裝置，各種靜止電樞線圈和機殼等，適當搭配組合就可以進行各種型式發(fā)電機的整機設計。例如采用簡式連軸磁導體轉子、隔離式磁導體轉子、或者復式磁導體轉子，與外置、內(nèi)置或者側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、側磁極式磁導體轉子發(fā)電機的各種機型。又例如采用雙帶環(huán)隔離式磁導體轉子(由兩組帶環(huán)隔離式磁導體組成)、帶環(huán)連軸式磁導體轉子、帶雙環(huán)復式磁導體轉子、或者一個或兩個帶環(huán)連半軸磁導體轉子，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)磁導體轉子發(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)磁導體轉子發(fā)電機的由端置磁場裝置兼作的端蓋、機殼、定子電樞鐵芯、轉子磁導體及集磁環(huán)等，發(fā)電機主磁路中除主氣隙外的各段鐵磁路構件，都采用性能良好的相應磁性材料(例如電磁純鐵或硅鋼)制作。
本發(fā)明《無線轉子發(fā)電機》基本工作原理在原動機帶動下，作旋轉運動的，位于靜止磁場裝置和電樞線圈之間的轉子磁導體，在磁場裝置內(nèi)外側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磁極N′或S′。該旋轉磁極隔著主氣隙(發(fā)電機主磁通Φ通過的氣隙)，與定子電樞線圈鐵芯相對。由于，在運動中旋轉磁極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Φ，被變量地導入或?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定律，產(chǎn)生感應電動勢，向負載電器輸出電流。
本發(fā)明中的轉子磁導體，其結構與銜鐵相似，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)在是因為磁導體運動而產(chǎn)生線圈電流。所以，以銜鐵式磁導體為轉子主體的本發(fā)明《無線轉子發(fā)電機》，應當是有史以來的第三類磁媒發(fā)電機—旋轉銜鐵式發(fā)電機。本發(fā)明改變了已有的前二類旋轉電樞式發(fā)電機和旋轉磁場式發(fā)電機的基本結構。以集磁環(huán)取代集電環(huán)，以簡單的銜鐵式磁導體取代轉子上的電樞裝置或磁場裝置，徹底省掉了轉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)明具有結構簡單、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，即將提供一類結構性能無比優(yōu)良的新式發(fā)電機。


圖1雙帶環(huán)隔離式磁導體構造示意圖。
圖2帶雙環(huán)復式磁導體部分縱向剖視示意圖。
圖3帶雙環(huán)連軸式磁導體構造示意圖。
圖4雙帶環(huán)連半軸磁導體縱向剖視示意圖。
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)磁導體轉子發(fā)電機示意圖。
圖8外磁極復式磁導體轉子發(fā)電機示意圖。
圖9端磁極帶環(huán)連軸式磁導體轉子發(fā)電機示意圖。
具體實施例方式
下面結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)明整機結構方案及工作原理。
實施例(一)外磁極復式磁導體轉子發(fā)電機如圖8所示，發(fā)電機由復式磁導體轉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圈(82A)、(82B)、定子鐵芯(83)和端蓋等組成。該復式磁導體轉子由簡式連軸磁導體(84)、隔離磁導體(85)、非磁性材料體(80)和主軸等構成。其一個或多個簡式連軸磁導體和一個或多個隔離式磁導體在轉子上相間布置，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，轉子簡式連軸磁導體的個數(shù)(或齒數(shù))為N，隔離磁導體的個數(shù)為N，或者說磁導體個數(shù)為2N，N是正整數(shù)。轉子上的一個磁導體臨主氣隙的弧長(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，兩個磁導體的轉子的發(fā)電機為例，說明本實施例，外磁極復式磁導體轉子發(fā)電機的工作原理發(fā)電機工作時，設圖中所示的轉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，將隔離磁導體(85)磁化為磁極N′。同時，靜止的磁極S將簡式連軸磁導體(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ΦA為零。設轉子作逆時針方向旋轉，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ΦA開始正向增大。轉子轉至45°時，該磁通ΦA增至正向最大值Φm。轉子繼續(xù)運轉，隔離磁導體(85)開始接受靜止磁極S的磁化作用，該正向磁通ΦA開始減小。轉子轉至90°時，該合磁通ΦA，減小為零。轉子繼續(xù)運轉，隔離磁導體(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?ΦA，其絕對值逐漸增大。轉子轉至135°時，該反向磁通-ΦA的絕對值增大至最大值，即-Φm，其絕對值與正向Φm相等。此時，隔離磁導體(85)已在靜止磁極S的磁化下變換為S′極，則，簡式連軸磁導體(84)已變換為N′極。轉子繼續(xù)運轉，該反向磁通-ΦA的絕對值開始減小，轉子轉至180°時，該合磁通ΦA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。轉子繼續(xù)運轉，簡式連軸磁導體(84)接替了隔離磁導體(85)的位置和工作，開始了A相電樞線圈內(nèi)磁通變化的下一周期，如此循環(huán)，周而復始。
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)。
在轉子旋轉運動過程中，各個旋轉的磁導體因為輪換接受靜止N、S磁極方向交變的磁化，成為旋轉的極性交變的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ΦA＝ΦmSin2ωt(wb)，ΦB＝ΦmSin(2ωt-180°)(wb)，式中ΦA為A相電樞線圈內(nèi)磁通瞬時值，ΦB為B相電樞線圈內(nèi)磁通瞬時值，Φm為磁通最大值，Φm＝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2ωt可見轉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)法拉第電磁感應定律e=-Ndφdt,]]>可導出電樞線圈發(fā)電電動勢方程為eA＝-Emcos2ωt＝-Emsin(2ωt+90°)，eB＝-Emcos(2ωt-180°)＝-Emsin(2ωt-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Em＝2NωΦm。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構，可以與單純簡式連軸磁導體轉子，或單純隔離式磁導體轉子等前述的轉子搭配。但，與該復式磁導體轉子搭配，是內(nèi)、外、側磁極式發(fā)電機中的最佳方案。該復式磁導體轉子外磁極發(fā)電機，具有結構最簡單、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，已經(jīng)顯著超過了已有發(fā)電機。
實施例(二)端磁極雙帶環(huán)磁導體轉子發(fā)電機如圖7所示，本發(fā)電機由雙帶環(huán)式隔離磁導體轉子(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(72A～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。兩個磁場裝置的外磁極極性相異(內(nèi)磁極極性也相異)。
該雙帶環(huán)式隔離磁導體轉子的構造如圖1所示，是由兩組帶環(huán)隔離式磁導體(11)(12)，非磁性材料體(10)和轉子主軸等構成。轉子上的磁導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，分別對轉子上兩組帶環(huán)式磁導體的兩個集磁環(huán)(圖1之1A和1B)進行磁化，于是，轉子磁導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′)。該旋轉磁極磁力線，對靜止的電樞線圈(72A)(72B)(72C)導線進行切割。于是該三相電樞線圈產(chǎn)生感應電動勢，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磁場發(fā)電機相同，即eA＝Emsinωt，eB＝Emsin(ωt-120°)，eC＝Emsin(ωt+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子上的勵磁線圈，對轉子磁導體進行磁化，從而形成旋轉磁極。其余的設計與計算，基本上同于已有旋轉磁場式發(fā)電機。
本實施例中的轉子(74)也可以采用雙帶環(huán)連半軸式磁導體轉子，該轉子如圖4所示，是由兩組帶環(huán)連半軸導體(41)和(42)，以及它們各自的半軸(401)和(402)，和非磁性材料體(40)等構成。與該轉子搭配的兩個磁場裝置，全都改用臨軸式端置磁場裝置(61)。轉子(74)還可以采用帶雙環(huán)的復式磁導體轉子，該轉子由帶雙環(huán)復式磁導體和主軸等構成。與其搭配的帶環(huán)連軸磁導體集磁環(huán)端的磁場裝置，應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，凡是采用電磁式、復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，散熱條件最好，結構簡單效率高等優(yōu)點。
實施例(三)端磁極帶環(huán)連軸式磁導體轉子發(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)連軸式磁導體轉子(94)、外定子電樞鐵芯(91)、電樞線圈(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。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)連軸式磁導體轉子(94)，如圖3所示，是由一個或多個簡式連軸磁導體(31)，一個或兩個集磁環(huán)(32)(33)，和轉子主軸等構成。該轉子簡式連軸磁導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所示的轉子上有3個簡式連軸磁導體，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)連軸式磁導體轉子發(fā)電機的工作原理發(fā)電機工作時，設圖9中所示轉子(94)的位置為其初始位置(即角度為零)，轉子作順時針方向旋轉運動，臨軸式端置磁場裝置的內(nèi)磁極N通過轉子集磁環(huán)(圖3中的32或33)，將轉子的3個連軸式磁導體(31)等，磁化為三個同極性的作旋轉運動的磁極N′。該旋轉磁極磁力線隔著主氣隙，對靜止的四相電樞線圈(92A)(92B)(92C)(92D)導線進行旋轉切割，使其產(chǎn)生感應電動勢，輸出感生電流。換言之，雖然旋轉磁極的極性不變，但在旋轉運動中，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)生感應電動勢及感生電流。
該四相電樞線圈的磁通方程為ΦA=Φm|cos32ωt|,]]> 式中ΦA～D分別為A、B、C、D四相電樞線圈磁通瞬時值，各相電樞線圈磁通最大值Φm＝BgSg，Bg為主氣隙磁通密度，Sg為每相電樞鐵芯臨主氣隙面積。則，根據(jù)法拉第電磁感應定律e=-Ndφdt,]]>可導出各相感應電動勢方程為eA=Emsin32ωt(4n-13π≤ωt≤4n+13π,n∈Z)-Emsin32ωt(4n+13π≤ωt≤4n+33π,n∈Z)]]>式中eA為A相電動勢瞬時值，Em=32NωtΦm.]]>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構，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))多于轉子磁導體的個數(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式繞組，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)連軸式磁導體轉子，進行對稱雙端磁極雙環(huán)連軸式磁導體轉子發(fā)電機的整機設計。
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)電機的轉子最簡單，而且可以只有一個端置磁場裝置，所以整機結構也比較簡單。采用鐵芯緊套整體線圈結構，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。
前景展望本發(fā)明中的外磁極復式磁導體轉子發(fā)電機，帶環(huán)連軸式磁導體轉子發(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)電機和風力發(fā)電機。而，端磁極式雙帶環(huán)磁導體轉子發(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)的廣闊實用領域。所以，本發(fā)明《無線轉子發(fā)電機》，有希望閃耀著“中國創(chuàng)造”燦爛光輝，取代世界上已有的旋轉電樞發(fā)電機、旋轉磁場發(fā)電機，等等一切將機械能轉變?yōu)殡娔艿拇琶桨l(fā)電機。
權利要求
1.將機械能轉變?yōu)殡娔艿拇琶桨l(fā)電機，該發(fā)電機包括磁場裝置及轉子、電樞線圈及定子鐵芯、端蓋和機殼，其特征在于a.轉子主要由無線圈的銜鐵式磁導體與主軸構成，該磁導體可以是簡式連軸磁導體、隔離式磁導體、復式磁導體、帶環(huán)隔離式磁導體、帶環(huán)連軸式磁導體、帶環(huán)復式磁導體或帶環(huán)連半軸式磁導體，也可以是這些磁導體的組合；b.銜鐵式磁導體轉子，配用磁極與電樞線圈相間布置的靜止磁場裝置，或者配用靜止的端置式磁場裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機采用復式磁導體轉子，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，轉子上的復式磁導體中的一個或多個簡式連軸磁導體，與一個或多個隔離式磁導體相間布置。
3.如權利要求1或2所述的發(fā)電機，其特征是所述的一個磁導體(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，轉子上的磁導體的個數(shù)為2N(N是正整數(shù))。
4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機采用主要由帶環(huán)磁導體與主軸構成的轉子(74)，該轉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.如權利要求1或4所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機轉子(74)，采用雙帶環(huán)隔離式磁導體轉子，或者采用雙帶環(huán)連半軸式磁導體轉子，或者采用帶雙環(huán)復式磁導體轉子，分別相應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)，作直接機械連結和磁連結，其兩個內(nèi)磁極內(nèi)腔分別與轉子上的兩組集磁環(huán)相對；轉子(74)上的兩組磁導體是一對或多對被磁化形成的，作旋轉運動的磁極S′和N′，該旋轉磁極隔著主氣隙，與定子電樞線圈鐵芯(71)相對。
6.如權利要求1或4所述的發(fā)電機，其特征是發(fā)電機采用帶環(huán)連軸式磁導體轉子(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)作直接磁連結，其內(nèi)磁極內(nèi)腔面(62)與轉子集磁環(huán)(33)或(32)相對，則，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體(31)，是一個或多個作旋轉運動的磁極N′(或S′)，該旋轉磁極隔著主氣隙，與定子電樞線圈鐵芯(91)相對；或者，采用帶雙環(huán)的連軸式磁導體轉子，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)，分別與轉子上的兩個集磁環(huán)(32)和(33)相對。
7.如權利要求1或4所述的發(fā)電機，其特征是構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，采取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))，多于轉子上磁導體的個數(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準配合間隙。
10.如權利要求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、轉子磁導體及集磁環(huán)，發(fā)電機主磁路中除主氣隙以外各段磁路構件，均采用性能良好的相應的磁性材料(例如硅鋼)制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及電機技術領域，是一類新式將機械能轉變?yōu)殡娔艿拇琶桨l(fā)電機。本發(fā)電機磁場裝置及電樞線圈都是靜止的，其轉子以銜鐵式磁導體結構為主體。徹底省掉了轉子線圈及其集電環(huán)和電刷，根除了因此而造成的已有發(fā)電機結構復雜、可靠性差、成本高、散熱困難等嚴重缺點。發(fā)電機工作時，靜止的外置或端置磁場裝置，將轉子銜鐵式磁導體磁化為旋轉磁極S′N′，該旋轉磁極磁力線切割靜止的電樞線圈導線，產(chǎn)生感應電流。本發(fā)明探索出一種嶄新的發(fā)電原理，即將提供一類性能無比優(yōu)良的新式發(fā)電機，特別適于作為優(yōu)秀的汽車發(fā)電機、船舶發(fā)電機、風力發(fā)電機。而且，通用于火電、水電、核電等發(fā)電系統(tǒng)，通用于大中小型發(fā)電設備的廣闊實用領域。
文檔編號H02K3/04GK101090225SQ20061011512
公開日2007年12月19日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權日2006年6月17日
發(fā)明者呂崇圭, 呂西俠, 魏世杰, 肖彤, 藍虹 申請人:呂西俠