一種廣域電機及其專屬電力網(wǎng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種廣域電機，特征是：在一種N相激勵繞組和有繞組電樞之間，于激勵的電路上設(shè)有一種同步器，建立起一種在磁路上對電樞為奇對稱性激勵的步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場或視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場的同步激勵；或/和，在一種螺旋激勵繞組和有繞組電樞之間，于激勵的磁路上對電樞采用一種磁路設(shè)計，建立起一種在磁路上對電樞為偶對稱性激勵的自同步同步激勵；和，勵磁電流為直流、交流、脈沖或多模電流。優(yōu)點是：能使直流和交流電機結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；能將電動機和發(fā)電機構(gòu)于一體；能減小電機的體積和重量，并轉(zhuǎn)換工作電網(wǎng)或場所；能為超導(dǎo)和磁流體電機的應(yīng)用與發(fā)展消除障礙；能構(gòu)建既經(jīng)濟，又高效的超高壓直流電力網(wǎng)和中、低壓交、直流兼容的通用多模電力網(wǎng)。
【專利說明】
-種廣域電機及其專屬電力網(wǎng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種電機，包括直流和交流電機，含超導(dǎo)和磁流體電機，特別是發(fā)電 機;同時，也設(shè)及電力網(wǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，已有技術(shù)的電機，不管是直流電機還是交流電機，在設(shè)計上人們總是不能擺 脫所建立的激勵磁場具有N. S磁極的思維定式。正是運種思維定式，導(dǎo)致了已有技術(shù)的電 機，在激勵上，由激勵繞組所建立的激勵磁場都有固定的磁極指向，因而都為"有極"電機。 最典型的例子就是傳統(tǒng)的直流電機和具有多極結(jié)構(gòu)的=相交流電機。運種"有極"電機，直 流激勵只能產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢，要獲得直流，需借助換向器，要獲得額定頻率的交流，則需 要電機的多極結(jié)構(gòu)。因此，已有技術(shù)的電機，不僅存在直流電機受換向器的制約，交流電機 受多極結(jié)構(gòu)的限制等缺陷，而且還存在超導(dǎo)電機不能使用有繞組電樞實現(xiàn)全超導(dǎo)和磁流體 電機不能直接發(fā)出交流電等不足。從而限制了超導(dǎo)電機和磁流體電機的應(yīng)用與發(fā)展，特別 是限制了超高壓、大電流和超大功率電機，如IX 1〇1<￥功率電機的研制;更為重要的是，直流 電機和交流電機不能通用互換，結(jié)構(gòu)上不能統(tǒng)一，不能做到一種結(jié)構(gòu)既可W作交流或直流 電機，又可W作脈沖電機。同時，還可W作多模電機。
[0003] 針對有換向器直流電機的公知缺陷，例如:存在電磁干擾、高次模損耗、功率受限、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等等，已有技術(shù)給出了多種無換向器的直流電機技術(shù)方案，例如：中國專 利申請公開號CN1453924A、CN2524419A、CN2545744Y和CN2492972A等等，但所有運些技術(shù)方 案，均只是利用磁隔離的技術(shù)手段來使電樞在激勵磁場中分為工作邊和非工作邊，只用對 工作邊的激勵來獲得直流或電磁力矩。運些方案，一方面，在激勵上仍屬"有極"電機的范 疇;另一方面，雖然磁隔離可W使電樞在切割磁力線上產(chǎn)生工作邊和非工作邊之分，來避免 其動生感應(yīng)電勢或電磁工作力矩的相互抵銷，然而，卻忽視了其磁橋(臂）上因漏磁通不可 避免的存在，在電樞非工作邊上仍然會產(chǎn)生較大的反向感應(yīng)電勢或電磁力矩，形成對工作 邊感應(yīng)電勢或電磁工作力矩的抵銷作用，再加上其導(dǎo)線利用率低，磁橋(臂)上磁密過高，其 銅損、鐵損比傳統(tǒng)電機成倍增加。因此，所述電機，仍然存在上述不足。
[0004] 眾所周知，電能的超高壓直流遠距離傳輸相對于交流具有很多優(yōu)點，例如:傳輸功 率容量大、損耗小和無集膚效應(yīng)等等。但已有技術(shù)由于受直流發(fā)電機功率的限制，因而在電 力網(wǎng)的始端都不能直接發(fā)出超高壓直流電輸入電力網(wǎng)，通常都是由交流發(fā)電通過逆變迭加 技術(shù)獲得超高壓直流后再行上網(wǎng)傳輸，運既增加了成本，又降低了效率。同時，在其輸出端 各段中、低壓通用電力網(wǎng)中，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)只能為用戶提供單一交流模式的電能。一種具有 與超高壓遠距離傳輸線相兼容的兼容直流(包括脈動直流)和交流的中、低壓多模電力網(wǎng)， 為用戶提供多種模式電能的用電選擇，一直是人們的百年夢想。然而，已有技術(shù)卻不能既經(jīng) 濟而又有效率的實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種不受傳統(tǒng)N. S磁極概念束縛的廣域電機。運種廣域電 機，在激勵上為遵循電磁感應(yīng)定律的一種"無極"概念的同步激勵電機，作發(fā)電機，分別用直 流、交流、脈沖或多模電流激勵，便能一步到位的分別直接產(chǎn)生直流、交流、脈沖或多模電壓 輸出；作電動機，在電樞中輸入相應(yīng)的電壓，在安培力的作用下，便能產(chǎn)生電磁力矩帶動轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)做功。從而克服已有技術(shù)的上述不足，并為有繞組電樞的全超導(dǎo)電機和磁流體電機 的應(yīng)用與發(fā)展消除障礙，打開通途。特別是給超高壓、大電流和超大功率電機，如1 X 1〇1<￥功 率全超導(dǎo)電機的研制帶來可能。同時，本發(fā)明也提供一種由其電機構(gòu)建的具有上述功能和 優(yōu)點的專屬電力網(wǎng)。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先引入發(fā)電機輸出電壓方程來導(dǎo)出本發(fā)明的任務(wù)。 發(fā)電機輸出電壓方程:輸出電壓=勵磁輸入X電機放大系數(shù)X電樞作用系數(shù)。其中：電樞作 用系數(shù)用K表示，與正交激勵函數(shù)關(guān)系為
，式中：C為電 樞激勵系數(shù)，從為電樞轉(zhuǎn)動角度，必為電樞對稱中屯、平面與激勵磁場對稱中屯、平面的交 角，在傳統(tǒng)"有極"電機中，分析電樞切割磁力線的過程，不難看出，在所述方程中，當勵磁輸 入為直流時，由電樞對稱中屯、平面與激勵磁場對稱中屯、平面的交角興的角度改變，導(dǎo)致其 正交激勵函數(shù)
有如下變化：當正交時，;# = 〇，則仿= 9〇D，
，此時感應(yīng)電勢有正向最大值；當與=9〇d，則記=18〇d，
， 此時感應(yīng)電勢為零;當巧=18(^則:仿=270*\
，此時感應(yīng)電勢有負向最大 值；當片=270°，則惟=360V,
，此時感應(yīng)電勢又回復(fù)到零，當:片=360°，則 仿=45〇d，
，此后周而復(fù)始?？梢娫谵D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周之間，所述的正交激勵函 數(shù)值從出現(xiàn)四個區(qū)間的交替變化，因而電機輸出為正弦形交流，運就是傳 統(tǒng)"有極"電機直流激勵最終只能得到交流的原因。通過上述的分析，不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電機輸 出電壓的方向、幅值和相位的變化是由激勵的方式所決定的，也即是所述好角度的周期性 變化，導(dǎo)致其正交激勵函數(shù)值也周期性變化造成的。如果所述的舞角度值在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過 程中能始終維持在其初始正交激勵函數(shù)值的一個區(qū)間范圍之內(nèi)，也即〇 ^押<90<\不為一 個周期性變量，則便能維持其感應(yīng)電勢的方向和相位不變，且顯然，當所述的苗角度偏離其 初始正交激勵狀態(tài)角度越小，其感應(yīng)電勢的幅值變化也就越小，而越接近于〇*^或等于〇*\其 正交激勵函數(shù)值就越接近最大值1或等于1，電機便有最大值輸出；當所述的#角度保持在 正交激勵狀態(tài)不變時，則就能保持電樞作用系數(shù)K為一個常數(shù)，當電機放大系數(shù)和電樞作用 系數(shù)均保持為一個常數(shù)時，則發(fā)電電壓輸出就與激勵輸入成線性正比關(guān)系，此時，電機便為 輸出與勵磁輸入成正比的一個放大器。本發(fā)明的任務(wù)就在于努力達成上述目標。為此，本發(fā) 明再引入下列定義與概念。
[0007] 1、多模電流:是指一種用直流或脈動直流與一定頻率的等幅正弦形交流所合成的 電流，當用脈動直流時，合成后其峰值點應(yīng)與交流零點值對應(yīng)。
[000引2、多模電機:是指輸入或輸出為多模電流的一種電機。
[0009] 3、正激勵磁場和負激勵磁場:前者，是指在磁路中從磁源發(fā)出指向被激勵對象（電 樞)的磁場;后者，是指在磁路中從被激勵對象指向（回到)磁源的磁場。
[0010] 4、奇對稱性激勵磁場和偶對稱性激勵磁場:前者，是指在繞組的圓周方向上呈王 180<^對稱分布的激勵磁場，如單相、=相或多相激勵繞組產(chǎn)生的激勵磁場;后者，是指在繞 組的圓周方向上呈均勻等幅同相分布的激勵磁場，如螺旋激勵繞組產(chǎn)生的激勵磁場。
[0011] 5、奇對稱性電樞和偶對稱性電樞:前者，是指其繞組導(dǎo)線在軸屯、線剖面方向上為 單應(yīng)導(dǎo)線的電樞;后者，是指其繞組導(dǎo)線在沿軸屯、線剖面方向上W軸屯、為對稱的雙應(yīng)導(dǎo)線 的電樞。
[0012] 6、奇對稱性激勵和偶對稱性激勵:前者，是指在奇對稱性激勵磁場中，電樞于激勵 的磁路上，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，其繞組的同應(yīng)導(dǎo)線在電樞的端面直徑方向上或/和圓周相距 180<^的軸向方向上，能產(chǎn)生方向相同的感應(yīng)電勢或電磁力矩的激勵;后者，是指在偶對稱性 激勵磁場中，電樞于激勵的磁路上，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，其繞組的同應(yīng)導(dǎo)線在電樞的端面直 徑方向上或/和圓周相距180*^的軸向方向上，能產(chǎn)生不被抵消的感應(yīng)電勢或電磁力矩的激 勵。
[0013] 7、步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場和視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場:例如，將奇對稱性激勵磁場的激勵 繞組設(shè)置在定子上，奇對稱性電樞設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個行程 的角度為A伴，通過設(shè)置一種隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的由電路開關(guān)構(gòu)成的同步器，使所述激勵繞 組，按旋轉(zhuǎn)方向在同一時刻有I ± ISOl-Aa區(qū)間的勵磁電流被接通而產(chǎn)生激勵磁場，且當 最后方一個A ?區(qū)間的勵磁電流斷開時，則最前方一個A心區(qū)間的勵磁電流就接通。運樣， 便產(chǎn)生了 W A a為步進角的隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的，且總是從最后面一個區(qū)間跳步到最前面一 個區(qū)間的旋轉(zhuǎn)激勵磁場，就象一排(列)±兵單人從隊伍最后面跑到隊伍最前面循環(huán)排隊的 前移一樣。因此，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過A心角度的行程內(nèi)，總有|±:180<^|-Aa區(qū)域內(nèi)的磁場相對于 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動保持不動，從而對電樞產(chǎn)生磁力線的切割運動。運種旋轉(zhuǎn)激勵磁場，稱為步進式 旋轉(zhuǎn)激勵磁場。不難看出，當步進角A :畔辛0(趨于零不等于零)時，所述的步進式旋轉(zhuǎn)激 勵磁場就趨近于連續(xù)旋轉(zhuǎn)的激勵磁場，且從視覺上看，由于其旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速 度相同，因而，又稱之為視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場。
[0014] 8、同步激勵:在所述的步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場或視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場中，由于磁場是 W步進角A :畔隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，因而在激勵過程中，前者，電樞的激勵區(qū)域?qū)⑹冀K維持其相 對不變，后者，電樞將始終趨近于正交激勵狀態(tài)不變。運樣，所述的正交激勵函數(shù)值將始終 保持在其初始的一個區(qū)間不變，所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢其方向和相位便能一直保持下來。因此， 當電樞在所設(shè)計的磁路上有感應(yīng)電勢或電磁力矩的輸出時，作發(fā)電機，用直流激勵便能一 步到位的直接產(chǎn)生直流，用交流激勵便能一步到位的直接產(chǎn)生交流，或者用多模電流激勵 便能一步到位的直接產(chǎn)生多模電壓。換句話說:產(chǎn)生的是直流、交流、脈沖或是多模電壓，貝U 完全取決于激勵信號即勵磁輸入是直流、交流、脈沖或是多模電流，并與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無關(guān)； 作電動機，相應(yīng)地在電樞中輸入直流、交流、脈沖或多模電流，則便能在安培力的作用下產(chǎn) 生電磁力矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功。運就徹底擺脫了已有技術(shù)直流電機的換向器和交流電機的 多極結(jié)構(gòu)，進而為超導(dǎo)電機使用有繞組的電樞實現(xiàn)全超導(dǎo)和磁流體電機直接發(fā)出交流電消 除了障礙。運種激勵稱為同步激勵。在該同步激勵中，由于激勵磁場為王.180*^的奇對稱性分 布，電樞具有向?qū)ΨQ的激勵區(qū)域，因而根據(jù)電磁感應(yīng)定律，激勵所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢 或電磁力矩，在其同應(yīng)導(dǎo)線則方向相同，故而不會自身抵消而有輸出。通過上述的分析，可 W看出，同步激勵是指在激勵過程中，所述的電樞對稱中屯、平面與激勵磁場對稱中屯、平面 的交角e，在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過程中，能始終保持在其初始正交激勵函數(shù)值的一個區(qū)間范圍之 內(nèi)，也即0含省<90<\不為一個周期性變量。根據(jù)運種定義，顯然，對于偶對稱性激勵磁場來 說，例如螺旋激勵繞組產(chǎn)生的磁場，由于磁場的同相圓周均勻分布特性，無論轉(zhuǎn)子處在何 位，電樞均處于正交激勵狀態(tài)，且始終護〇*\因此，所發(fā)生的激勵也為同步激勵。運種同步激 勵，由于所述e角度的不變是由磁場的偶對稱性決定的，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)位無關(guān)，因而，又稱為自 同步的同步激勵。在運種自同步的同步激勵中，由于激勵磁場為等幅同相分布，在進、出電 樞時其同應(yīng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電磁力矩將大小相等方向相反而相互抵消，為此，在 激勵的磁路上，對電樞采用一種磁路設(shè)計，通過該磁路設(shè)計，建立起一種在磁路上對電樞為 偶對稱性激勵的等幅同相激勵的自同步同步激勵，則便能避免所述的抵消而有輸出。
[0015] 綜上所述:本發(fā)明的目的是運樣實現(xiàn)的，其技術(shù)方案為:一種廣域電機，它由定子 和轉(zhuǎn)子兩部分組成，包括機座、機殼、輸入輸出裝置、激勵繞組、電樞、轉(zhuǎn)軸和磁隔離組件，其 特征在于： a、 所述的激勵繞組為一種奇對稱性激勵磁場的N相激勵繞組，所述的電樞為一種奇對 稱性電樞，在所述的激勵繞組與電樞之間，于激勵的電路上設(shè)有一種同步器，通過該同步 器，建立起一種在磁路上對電樞為奇對稱性激勵的等幅反向出180<^全激勵的步進式旋轉(zhuǎn)激 勵磁場或視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場的同步激勵;或/和 b、 所述的激勵繞組為一種偶對稱性激勵磁場的螺旋激勵繞組，所述的電樞為一種有繞 組電樞，在所述的激勵繞組與電樞之間，于激勵的磁路上對電樞采用一種磁路設(shè)計，通過該 磁路設(shè)計，建立起一種在磁路上對電樞為偶對稱性激勵的等幅同相激勵的自同步同步激 勵;和 C、在所述的同步激勵中，其勵磁電流為直流、交流、脈沖或多模電流，所述的直流含脈 動直流。
[0016] 運種廣域電機，由于采用了所述的同步激勵，能做到使電樞所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢其 方向和相位與勵磁輸入一致。因此，作發(fā)電機，分別用直流、交流、脈沖或多模電流激勵，便 能一步到位的直接產(chǎn)生直流、交流、脈沖或多模電壓輸出；作電動機，在電樞中分別輸入直 流、交流、脈沖或多模電壓，則便能在安培力的作用下，產(chǎn)生電磁力矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功。運 樣，通過所述同步激勵概念的提出，便擺脫了已有技術(shù)"磁極"概念的束縛，使電機在設(shè)計 中，便可根據(jù)電磁感應(yīng)定律只管磁路的設(shè)計，而成為"無極"電機，從而優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)。不 僅作直流電機能擺脫換向器的制約，而且能消除滿流損耗和集膚效應(yīng)的影響，提高直流激 勵的效率;作交流電機能擺脫所述的多極結(jié)構(gòu)和高次模等的困擾，而且還為超導(dǎo)電機使用 有繞組電樞實現(xiàn)全超導(dǎo)和磁流體電機直接發(fā)出交流電消除了障礙，打開了通途;特別是給 超高壓、大電流和超大功率電機，如1 X lO^W功率全超導(dǎo)電機的研制和超高壓直流電力網(wǎng)與 百年夢想的兼容交流和直流的多模電力網(wǎng)的建設(shè)帶來了可能。故實現(xiàn)了上述目的。
[0017] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述電機，，其特征在于所述的N相激勵繞組為一種 =相激勵繞組，該繞組設(shè)置在定子上，與電樞為一種端面對應(yīng)的軸向布局或/和籠形套裝對 應(yīng)的徑向布局，其中：在軸向布局中，所述激勵繞組其鐵忍由線槽均分為六瓣，導(dǎo)線在其中 =瓣正繞，=瓣反繞，并兩兩相串聯(lián);在徑向布局中，所述激勵繞組為籠形結(jié)構(gòu)，其軸向?qū)Ь€ 嵌入軸向槽中，端面導(dǎo)線按公知的盤繞法繞制，從而構(gòu)建起等幅丈180*^分布的奇對稱性激 勵磁場，在軸向布局與徑向布局之間，其激勵磁場對稱中屯、平面相互垂直，且處于同一平 面，所述的奇對稱性電樞設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，為一種單相繞組電樞;所述的同步器為一種設(shè)置在 所述=相激勵繞組電路中的環(huán)型換相開關(guān)，該開關(guān)由隨轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)的液態(tài)導(dǎo)電金屬接通 或斷開，并通過對其開關(guān)分布及角距的設(shè)計，從而設(shè)計出所述步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場的步進 角度。
[0018] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述電機，其特征在于所述的N相激勵繞組為一種電 流環(huán)激勵繞組，該繞組設(shè)置在定子上，與電樞為一種端面對應(yīng)的軸向布局，它由一應(yīng)或N應(yīng) 電流環(huán)串聯(lián)構(gòu)成，分為有鐵忍有導(dǎo)電隔片、有鐵忍無導(dǎo)電隔片或徑向線無鐵忍空屯、結(jié)構(gòu);所 述的奇對稱性電樞設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，為一種單相繞組電樞;所述的同步器為一種隨轉(zhuǎn)軸同步 旋轉(zhuǎn)的由液態(tài)導(dǎo)電金屬導(dǎo)通的電流環(huán)電路接點對，該接點對在所述電流環(huán)直徑方向上呈兩 點對稱分布，并在隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的過程中與所述電流環(huán)的導(dǎo)電隔片或環(huán)體電接通，從而 構(gòu)建起生180*^分布的奇對稱性激勵磁場，且通過對所述導(dǎo)電隔片沿同屯、角分布其疏密的設(shè) 計，來設(shè)計出所述步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場的步進角度Aff,當無導(dǎo)電隔片或徑向線時，則通過 所述接點對在旋轉(zhuǎn)過程中，其觸點在環(huán)體的不斷位移，形成相數(shù)趨于無窮大的所述步進角 A伴辛〇(趨于零不等于零)的視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場。
[0019] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述電機，其特征在于所述的螺旋激勵繞組設(shè)置在 定子上或轉(zhuǎn)子上，與對應(yīng)設(shè)置的電樞為一種端面對應(yīng)的軸向布局或/和籠形套裝對應(yīng)的徑 向布局;所述對電樞的磁路設(shè)計，其方案為： a、 所述的有繞組電樞為一種奇對稱性的單相繞組電樞，該電樞在其端面和柱面，分別 相對立的設(shè)有覆蓋其半個端面和半個柱面的半圓形與半圓形筒形磁隔離組件，從而使電樞 在所述的螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，分別僅有半個端面和對面的半個柱面 受到激勵，運樣，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，同一應(yīng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電磁力矩，則避免了 抵消而有輸出，所發(fā)生的激勵則為偶對稱性的等幅同相半激勵的自同步同步激勵;或 b、 所述的有繞組電樞為一種偶對稱性電樞，該電樞在其柱面上或端面上，設(shè)有圓對稱 性的泄磁凸緣，其繞組導(dǎo)線避開所述凸緣按公知技術(shù)同相繞制，并于所述凸緣上設(shè)置短路 補償環(huán)或短路線圈；或/和在所述凸緣上開設(shè)繞線線槽，其繞組導(dǎo)線在槽中按公知技術(shù)沿所 述凸緣一側(cè)順時針螺旋繞制，一側(cè)逆時針螺旋繞制，并也設(shè)置所述的短路補償環(huán)或短路線 圈；或者在上述基礎(chǔ)上再于電樞端面兼具設(shè)置導(dǎo)電銅盤或同向繞繞組;運樣在所述螺旋激 勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，同一應(yīng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或 電磁力矩，則避免了抵消而有輸出，所發(fā)生的激勵則為偶對稱性的等幅同相全激勵的自同 步同步激勵;或 C、所述的有繞組電樞為一種偶對稱性電樞，該電樞在其鐵忍圓柱面上或端面上，設(shè)有n 個等距的繞線齒，其繞組導(dǎo)線在該齒上按公知技術(shù)采用螺旋串繞的方法繞制，并在齒頂面 的一邊和鐵忍上沿同屯、角分布設(shè)有分路磁場的磁隔離組件，通過該磁隔離組件使激勵磁場 在齒兩邊產(chǎn)生分路，一路向上，一路向下，經(jīng)外磁路和導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸形成閉合回路，運樣，在所述 螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，同一應(yīng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng) 電勢或電磁力矩，則避免了抵消而有輸出，所發(fā)生的激勵則也為偶對稱性的等幅同相全激 勵的自同步同步激勵。
[0020] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述電機，其特征在于所述的激勵繞組和電樞在所 述的端面對應(yīng)軸向布局中均為前、后對稱設(shè)置，并在前、后電樞之間設(shè)有磁隔離組件，且采 用下列措施的多功能設(shè)計： a、 將所述的前、后電樞均設(shè)為線間絕緣的雙線繞繞組，當前、后電樞用直流或單向交流 激勵時，則構(gòu)成直流或單向交流電機；當前、后電樞分別用交流C相和B相激勵時，作兩相輸 出或輸入，則構(gòu)成二相交流電機，用雙線中其中一組單線繞組作輸出化端和Ub端，另一組單 線繞組反向串聯(lián)作輸出Ua端，作立相平衡電壓輸出或輸入，則構(gòu)成立相交流電機;或/和 b、 在前、后電樞之間設(shè)置一種公知技術(shù)的電磁離合器，通過該離合器使前或后電樞與 轉(zhuǎn)軸進行分、合，從而實現(xiàn)電機的全負荷或半負荷工作轉(zhuǎn)換;或 C、設(shè)置一種由雙向可控娃構(gòu)成的含公知控制電路的標示器來標度和改變其雙向可控 娃的導(dǎo)通角，用公知的電學(xué)公式經(jīng)由該導(dǎo)通角計算得到的對應(yīng)關(guān)系來調(diào)整電機的工作電 壓、功率或轉(zhuǎn)速或 d、其中：對奇對性激勵磁場的電機，設(shè)置一種由公知技術(shù)的精密繞線電位器構(gòu)成的標 示器來標度和改變所述前、后電樞中屯、正向電流之間的夾角或電樞與激勵繞組之間對稱中 屯、平面的夾角，用公知的電學(xué)公式經(jīng)由該夾角計算得到的對應(yīng)關(guān)系來調(diào)整電機的工作電 壓、功率或轉(zhuǎn)速;或者用公知的電學(xué)公式將電機的工作電壓、功率和轉(zhuǎn)速分別換算為W所述 前、后電樞中屯、正向電流之間的夾角為變量的電壓模擬值，設(shè)置一種由一只或=只公知技 術(shù)的四位半數(shù)字電壓表構(gòu)成的標示器來標度和改變其對應(yīng)關(guān)系，從而調(diào)整電機的工作電 壓、功率或轉(zhuǎn)速。
[0021] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述電機，其特征在于所述的激勵繞組和電樞均為 超導(dǎo)繞組，并設(shè)有公知技術(shù)的4.液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)，且其繞組導(dǎo)線材質(zhì)均為第二類硬超導(dǎo) 合金NbsSn，從而構(gòu)成全超導(dǎo)電機。
[0022] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述電機，其特征在于所述的激勵繞組和電樞均為 =個繞組，且分別作A相、B相和C相的=相設(shè)置，用直流或脈動直流與等幅正弦形交流組合 構(gòu)成的S相多模電流激勵，作S相多模電壓輸出或輸入，則構(gòu)成S相多模電機;或者，在此 基礎(chǔ)上再采用下列措施的多功能設(shè)計： a、 在所述的A相、B相和C相之外，再設(shè)置D相作第四個繞組，其中:A、B和C相作=相多模 發(fā)電機，D相作直流電動機，則構(gòu)成=相多模發(fā)電機和直流電動機為一體的同構(gòu)電機;或 b、 將所述電樞的A、B和C相均設(shè)為其繞組對稱中屯、平面相互正交的繞組對，在對中將一 組繞組作=相多模發(fā)電機，另一組繞組作=相多模電動機，則構(gòu)成=相多模發(fā)電機和=相 多模電動機為一體的同構(gòu)電機。
[0023] -種磁流體廣域發(fā)電機，它由定子和磁流體轉(zhuǎn)子兩部分組成，包括機座、機殼、激 勵繞組、輸入輸出裝置、磁流體發(fā)電導(dǎo)管及其保溫隔熱層，其特征在于所述的激勵繞組為螺 旋激勵繞組，且導(dǎo)線材質(zhì)為第二類硬超導(dǎo)合金NbsSn，并設(shè)有公知技術(shù)的4.2化液態(tài)氮冷卻系 統(tǒng)，將所述激勵繞組按其激勵磁場中屯、平面與所述發(fā)電導(dǎo)管的軸線相垂直而成對并排設(shè) 置，且對間其激勵磁場大小相等方向相反，從而構(gòu)成一相或一個基本的單相自同步同步激 勵發(fā)電單元，當相位相差120*^的^個相同的基本單相發(fā)電單元組合發(fā)電時，則構(gòu)成一個基 本的=相自同步同步激勵發(fā)電單元;在每個基本的單相發(fā)電單元內(nèi)，其輸出電極按磁力線 方向分=段設(shè)置，即前段、中段和后段，段內(nèi)磁力線方向相同，將其插置于所述導(dǎo)管內(nèi)，并抵 至軸屯、，且正、負電極間絕緣后相互重疊，各段電極間按感應(yīng)電勢方向一致輸出接線；在所 述發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)流動的所述磁流體在正、負電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E，與正、負電極間的平均 管內(nèi)環(huán)距L、磁流體的流速V和所述激勵繞組產(chǎn)生的激勵磁場Bs in O t，有函數(shù)關(guān)系：E = L. V. B. sin O t;當n個單元聯(lián)網(wǎng)發(fā)電時，則有函數(shù)關(guān)系:Ei=Es=Es=En= Ln. Vn. Bn. Sin O t;且在 所述的自同步同步激勵中，其勵磁電流為直流、交流、脈沖或多模電流，所述的直流含脈動 直流。
[0024] 一種本發(fā)明所述廣域電機的專屬電力網(wǎng)，它由超高壓直流傳輸電力網(wǎng)和中、低壓 通用電力網(wǎng)組成，其特征在于： a、 所述的超高壓直流傳輸電力網(wǎng)，在其輸電始端，直接用本發(fā)明所述的全超導(dǎo)電機作 發(fā)電機發(fā)出超高壓直流，通過一根與大地建立回路的導(dǎo)線傳輸;或/和 b、 在所述超高壓直流傳輸電力網(wǎng)的輸出端，直接用本發(fā)明所述的全超導(dǎo)一體同構(gòu)電機 對超高壓直流進行變壓和=相多模發(fā)電，輸出直流或脈動直流和等幅正弦形交流組合構(gòu)成 的中壓多模電壓，再對所述的中壓多模電壓，直接用本發(fā)明所述的全超導(dǎo)一體同構(gòu)電機進 行變壓輸出，或者，對含脈動直流的所述中壓多模電壓，用兩臺傳統(tǒng)變壓器串聯(lián)或?qū)⑵涑瑢?dǎo) 設(shè)計后串聯(lián)構(gòu)成的多模變壓器進行變壓輸出，從而構(gòu)建起交流和直流兼容的中、低壓通用 多模電力網(wǎng)，為用戶提供直流和正弦形交流或脈動直流和正弦形交流制式的用電選擇。
[0025] 在一個優(yōu)選的實施例中，根據(jù)上述專屬電力網(wǎng)，其特征在于在所述的全超導(dǎo)同構(gòu) 電機基礎(chǔ)上，還共軸設(shè)有由公知技術(shù)的SMES儲能反饋控制系統(tǒng)供電的結(jié)構(gòu)相同的全超導(dǎo)直 流助力電動機，從而將電力網(wǎng)在用電低谷期時由SMES儲存的電能轉(zhuǎn)換成動力，對所述全超 導(dǎo)一體同構(gòu)電機中的電動機進行助力，進而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。
[0026] 本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：一是在激勵的方式上有重大突破，提出了 一種全新的電機同步激勵理論，從源頭上解決了已有技術(shù)直流和交流電機存在的技術(shù)難題 和結(jié)構(gòu)限制，使直流電機和交流電機在繞線和結(jié)構(gòu)上都大為簡化，并能做到結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，且完 全是忠實于勵磁電流的線性放大器，因此，不僅結(jié)構(gòu)簡單、制造簡易和成本低廉，而且還提 高了電機的性能和效率，特別是提高了電機的激勵效率;二是能改變電機的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局， 并減小電機的體積和重量;=是給電機的設(shè)計和應(yīng)用拓展了巨大空間，為全超導(dǎo)電機和磁 流體電機的應(yīng)用與發(fā)展消除了障礙，特別是給超高壓、大電流和超大功率電機的制造，如1 X lO^W功率電機的研制帶來了可能；四是能轉(zhuǎn)換其工作電網(wǎng)，拓展工作場所，并能將電動機 和發(fā)電機構(gòu)于一體;五是能提供電機專屬的既經(jīng)濟，又高效的超高壓直流電力網(wǎng)和中、低壓 交流和直流兼容的通用多模電力網(wǎng)，實現(xiàn)了人們的百年夢想。
[0027]
【附圖說明】： 本發(fā)明下面將通過附圖（實施例)給予詳述： 圖1、為所述等幅反向全激勵同步激勵電機的一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2、為圖1定子激勵繞組結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖3、為圖1轉(zhuǎn)子電樞外磁路結(jié)構(gòu)示意B-B剖面示意圖； 圖4、為圖1電樞端面繞線及感應(yīng)電勢方向示意C-C剖面示意圖； 圖5、為圖1 一種同步器結(jié)構(gòu)示意機電原理圖； 圖6、為圖5-種改變開關(guān)角度示意機電原理圖； 圖7、為所述等幅反向全激勵同步激勵電機的另一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8、為所述等幅反向全激勵同步激勵電機的又一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9、為圖8電流環(huán)及同步器一種結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖10、為圖8電流環(huán)及同步器另一種結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖11、為圖8電流環(huán)及同步器又一種結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖12、為所述自同步同步激勵電機的一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13、為所述自同步同步激勵電機的另一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖14、為所述自同步同步激勵電機的又一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖15、為圖14 一種電樞結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖16，為圖14另一種電樞結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖17、為圖14又一種電樞結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖18、為圖14再一種電樞結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖19、為圖16電樞銅導(dǎo)電盤感應(yīng)電勢輸出取樣示意圖； 圖20、為圖19沿圓周方向的展開示意圖； 圖21、為本發(fā)明一種磁流體電機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖22、為圖21發(fā)電導(dǎo)管A-A、B-B和C-C剖面示意圖； 圖23、為所述等幅反向全激勵同步激勵電機一種多功能結(jié)構(gòu)示意圖； 圖24、為圖23兩相輸出接線圖； 圖25、為圖23S相輸出接線圖； 圖26、為圖23標示器一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖27、為圖23標示器一種結(jié)構(gòu)原理圖； 圖28、為圖23標示器工作原理圖； 圖29、為所述自同步同步激勵電機一種多功能結(jié)構(gòu)示意圖； 圖30、為圖23標示器另一種結(jié)構(gòu)原理圖； 圖31、為所述等幅反向全激勵和自同步同步激勵電機的一種組合結(jié)構(gòu)示意圖； 圖32、為本發(fā)明一種具有1 X lO^W功率全超導(dǎo)單相水能發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖33、為圖32激勵繞組繞制方法織網(wǎng)示意圖； 圖34、為圖33織網(wǎng)繞線端頭接線示意圖； 圖35、為圖32轉(zhuǎn)子端面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖36、為圖32轉(zhuǎn)子電樞結(jié)構(gòu)示意縱向剖面示意圖； 圖37、為圖32電樞槽中繞線示意剖面示意圖； 圖38、為圖32輸出導(dǎo)線線段間氨冷熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖39、為圖32液態(tài)導(dǎo)電金屬匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖40、為圖32的4.液態(tài)氮匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖41、為圖32的4.液態(tài)氮槽流道結(jié)構(gòu)示意圖； 圖42、為圖32轉(zhuǎn)軸及C〇2高壓氣體軸承結(jié)構(gòu)示意圖； 圖43、為圖32的C〇2高壓氣體軸承結(jié)構(gòu)示意A-A/B-B剖面示意圖； 圖44、為本發(fā)明一種全超導(dǎo)雙線繞組電機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4 5、為本發(fā)明一種全超導(dǎo)直流電動機和多模發(fā)電機構(gòu)為一體的同構(gòu)電機結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖46、為圖45電樞結(jié)構(gòu)示意A-A剖面示意圖； 圖47、為圖45電樞結(jié)構(gòu)示意B-B剖面示意圖； 圖48、為圖45發(fā)電機多模激勵和輸出接線示意圖； 圖49、為圖45電動機直流輸入接線示意圖； 圖50、為本發(fā)明一種全超導(dǎo)多模電動機和多模發(fā)電機構(gòu)為一體的同構(gòu)電機結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖51、為圖50電樞繞組對結(jié)構(gòu)布局示意圖； 圖52、為圖50多模輸入或輸出接線示意圖； 圖53、為本發(fā)明電機一種專屬電力網(wǎng)構(gòu)成布局示意圖； 圖54、為圖53-種含直流助力電動機的全超導(dǎo)同構(gòu)電機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖55、為圖53-種SMES儲能反饋控制系統(tǒng)工作原理方框圖； 圖56、為圖55-種多模變壓器等效電路原理及輸入輸出波形圖； 圖57、為圖56多模變壓器Tl中脈動直流波形變化示意圖； 圖58、為圖56多模變壓器T2中脈動直流波形變化示意圖； 圖59、為圖56輸入多模電壓波形圖； 圖60、為圖56輸出多模電壓波形圖。
[0028]【具體實施方式】： 一、一種具有所述奇對稱性激勵磁場的廣域電機，稱為:等幅反向全激勵同步激勵電機 (下同）。下述實施例，主要在于說明本發(fā)明所述步進式或視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場的建立、電機的 磁路設(shè)計和工作原理。
[00巧]實施例1 參照圖1，僅為了舉例，給出了所述等幅反向全激勵同步激勵電機的一種具體結(jié)構(gòu)?？?W看出，該電機，所述的激勵繞組1是設(shè)在定子上的，電樞2是設(shè)在轉(zhuǎn)子上的，它包括非鐵磁 外殼3、輸入輸出裝置4和轉(zhuǎn)軸5,其特征在于所述的激勵繞組1為一種=相激勵繞組，所述的 電樞2為一種奇對稱性的單相繞組電樞，并采用了一種端面對應(yīng)的軸向布局。運種布局相比 已有技術(shù)套裝對應(yīng)的徑向布局，一是在結(jié)構(gòu)上，不僅能最大限度的減小其空間占位，縮小電 機的體積，減小電機的重量，進而還能優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu);二是在磁路的設(shè)計上，不僅能安排 對電樞進行端面激勵，同時，還可徑向激勵，從而提高了電樞激勵安排的靈活性和繞組的利 用率。在該布局中，本實施例所建立的磁路為一種端面等幅出:180<\g向全激勵磁路，如圖所 示，用帶有箭頭的虛線6標示了其激勵磁場的方向和路徑（下同）。在所述激勵繞組1的電路 中設(shè)有一種由環(huán)型換相開關(guān)構(gòu)成的同步器7,通過該同步器7,將使電樞2獲得一種所述步進 式旋轉(zhuǎn)激勵磁場的同步激勵。作發(fā)電機時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E，其方向如圖箭頭所示（下 同）。
[0030] 參照圖2,給出了所述激勵繞組1的一種=相繞組的具體結(jié)構(gòu)?？蒞看出，該繞組其 定子鐵忍8由線槽均分為六瓣，其中繞組導(dǎo)線A、Y和Z為正繞，X、B和C為反繞，并按AX、BY、CZ 方式兩兩相串聯(lián)。由此，便能建立起端面等幅±180*^分布的奇對稱性激勵磁場。
[0031] 參照圖3,給出了所述電樞2其轉(zhuǎn)子鐵忍外磁路鐵忍9的一種具體結(jié)構(gòu)?？蒞看出， 該外磁路鐵忍9對應(yīng)定子鐵忍8也分為六瓣，并在磁路上與定子鐵忍8聯(lián)通。
[0032] 參照圖4、給出了所述電樞2在轉(zhuǎn)子端面的繞線結(jié)構(gòu)?？蒞看出，該電樞在其轉(zhuǎn)子鐵 忍10的端面設(shè)有一個楠圓形繞線線窩11，該線窩能使繞組端面導(dǎo)線和鐵忍截面得到最充分 的利用，同時能減小繞線在轉(zhuǎn)子端面的占位，并改善容線狀況;如圖所示，對應(yīng)于所述的奇 對稱性激勵磁場，按公知常識，該單相繞組電樞采用了一種"花樣繞法"，也即繞線從緊鄰對 稱分界面N-N處左邊一對槽a和b開繞，導(dǎo)線從槽a引出，經(jīng)本端面進入槽b，再到另一端，按槽 a^b^b ''反復(fù)繞至所設(shè)計導(dǎo)線數(shù)，再轉(zhuǎn)入繞相鄰的一對槽c^d^d ''，按相同繞法， 進而繞槽。如圖所示，在對稱分界面N-N的上半?yún)^(qū)域為+180<^激勵區(qū)，下半?yún)^(qū)域 為-180嘴A勵區(qū)。
[0033] 參照圖5,僅為了舉例，給出了所述同步器7的一種具體結(jié)構(gòu)和聯(lián)接電路。可W看 出，運種同步器，為一種設(shè)置在所述=相激勵繞組激勵電路中的環(huán)型換相開關(guān)，該開關(guān)由左 (正）電流環(huán)12、右（負）電流環(huán)13、左換相開關(guān)14和右換相開關(guān)15組成，所述的左或右換相開 關(guān)，由固定在轉(zhuǎn)軸5上的聯(lián)接套筒16、隨轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動的含有液態(tài)導(dǎo)電金屬的腔區(qū)17、絕緣 滑塊18和固定在定子上不動的絕緣外殼19與排列分布于該外殼內(nèi)的開關(guān)20構(gòu)成。所述的液 態(tài)導(dǎo)電金屬可為液態(tài)隸銅合金或鋼隸齊等;所述的開關(guān)20為已有技術(shù)，其結(jié)構(gòu)省略，且為了 看圖方便，圖中將其在圓周上展示。如圖所示，其工作原理如下： 通過開關(guān)K，勵磁電流，由左電流環(huán)12引入，經(jīng)左換相開關(guān)14在S相線扎A'、B'、C'、X'、 Y'和Z'中接通相應(yīng)相，再輸入到所述激勵繞組I的=相繞組線扎A、B、C、X、Y和Z中的對應(yīng)相 而產(chǎn)生激勵磁場，此時，若引入為正向電流，則必然在接通端產(chǎn)生正激勵磁場，在互為反繞 端產(chǎn)生負激勵磁場，并經(jīng)線扎4"、8"、(："^"、￥"和2"中對應(yīng)相導(dǎo)入右換相開關(guān)15，由右電流 環(huán)13引出完成電流回路。如圖所示，在換相為=相繞組的情況下，當所述液態(tài)導(dǎo)電金屬腔區(qū) 17的接通區(qū)域設(shè)為120*^，開關(guān)20的開關(guān)角距設(shè)為60叩寸，一方面，同一時刻便始終有二相處在 接通狀態(tài)而產(chǎn)生激勵磁場，其中當接通端產(chǎn)生的為正激勵磁場時，則互為反繞的另一端就 產(chǎn)生負激勵磁場；另一方面，在圖示轉(zhuǎn)動方向下，當AX、YB和CZ相依次斷開時，貝化Z、XA和BY 相就依次被接通，從而所產(chǎn)生的激勵磁場便^60*^為步進角隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，且在步進過程 中，由于步進角60*^正好等于一相的區(qū)域，因而，其正、負激勵磁場的邊界，便始終對應(yīng)在圖4 所示轉(zhuǎn)子端面電樞的正、負激勵區(qū)域之內(nèi)。運樣，作發(fā)電機時，無論轉(zhuǎn)子處在何位，當勵磁輸 入為直流時，由于直流激勵所產(chǎn)生的激勵磁場，其方向和磁通大小不會改變，因此，所述電 樞2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，其方向?qū)⒁恢北３植蛔?，輸出為直流，而成為直流發(fā)電機;當勵磁輸入 為交流時，由于交流激勵所產(chǎn)生的激勵磁場，其方向和磁通大小，是隨其頻率、幅值和相位 的變化而變化，因此，所述電樞2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢將隨之變化而變化，且與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位 置無關(guān)。具體地講，無論轉(zhuǎn)子處在何位，當勵磁輸入在交流的正半周時，則產(chǎn)生正向感應(yīng)電 勢，負半周時，因磁場反向則產(chǎn)生反向感應(yīng)電勢，故輸出為交流，而成為與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置 無關(guān)的交流發(fā)電機;用脈沖或多模電流激勵，情形也一樣。同理，作電動機時，將產(chǎn)生與發(fā)電 方向反向轉(zhuǎn)動的電磁力矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作功。
[0034] 參照圖6,僅為了舉例，給出了所述同步器7在圖5基礎(chǔ)上的一種改變開關(guān)角度的設(shè) 計。如圖所示，若將所述換相開關(guān)的液態(tài)導(dǎo)電金屬腔區(qū)17的接通區(qū)域設(shè)為180*\開關(guān)20的開 關(guān)角距設(shè)為30*\則有如下變化:如圖所示，在圖111-111位置，此時，4、￥、2為正激勵，8^、(：為負 激勵；當電樞轉(zhuǎn)過15*\此時，4、￥相和2半相為正激勵，乂、8相和(：半相為負激勵;當轉(zhuǎn)過30*\此 時，4、￥相為正激勵，乂、8相為負激勵；當轉(zhuǎn)過45*\此時，有4、￥相和(：半相為正激勵，乂、8相和2 半相為負激勵；當轉(zhuǎn)過60*\此時，4、￥、(：相為正激勵，乂、8和2相為負激勵。此后，電樞每轉(zhuǎn)過 60<\其正、負激勵均按上述=相^二相半^二相^二相半^ =相的循環(huán)激勵，其平均激勵 相數(shù)為2. 5相。若設(shè)電機電壓歸一化輸出值為1，按相的激勵方式計算，則
，即改進后，由于所述步進角度的減小，用=相激勵繞組便得到了相當于 六相激勵繞組的電壓輸出。
[0035] 實施例2 參照圖7,僅為了舉例，為了說明圖1所述電機其激勵布局的多樣性，給出了在圖1基礎(chǔ) 上的一種軸向激勵布局和徑向激勵布局相結(jié)合的具體結(jié)構(gòu)。如圖所示，該電機與圖1所示電 機相比其不同之處在于:所述的激勵繞組1還在電樞2外加設(shè)了籠形的=相激勵繞組21，該 繞組21可采用軸向?qū)Ь€嵌入軸向槽中，端面導(dǎo)線按公知的盤繞法繞制，并與圖1所示設(shè)置在 端面的=相激勵繞組并聯(lián)，且在激勵方向上相互垂直，對稱中屯、處于同一平面，之間設(shè)置由 銅、侶和不誘鋼等非鐵磁材料制作的磁隔離組件22,或者該22用空氣隙代替，其激勵磁場的 方向和路徑如圖中虛線6所示。運樣，通過所述的同步器7,將使所述電樞2在激勵過程中產(chǎn) 生迭加的感應(yīng)電勢或電磁力矩輸出。
[0036] 實施例3 參照圖8,僅為了舉例，為了得到更小的所述步進角度，給出了所述等幅反向全激勵同 步激勵電機又一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所示，該電機與圖1所示電機相比其不同之處在于:所述 的激勵繞組1為一種電流環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的同步器7為一種液態(tài)導(dǎo)電金屬接點對結(jié)構(gòu)。
[0037] 參照圖9,僅為了舉例，給出了所述電流環(huán)激勵繞組及其同步器7的一種具體結(jié)構(gòu)。 如圖所示，可W看出，該激勵繞組其電流環(huán)設(shè)有N應(yīng)，每應(yīng)由電流環(huán)23、定子鐵忍8和n片沿同 屯、角均布于定子鐵忍8的導(dǎo)電隔片24構(gòu)成，應(yīng)與應(yīng)之間串聯(lián)，并用絕緣材料絕緣;所述的同 步器7由固定在軸5的導(dǎo)電環(huán)25和隨軸5同步轉(zhuǎn)動的液態(tài)導(dǎo)電金屬接點對26構(gòu)成，該接點對 在直徑方向上呈對稱分布;所述的絕緣材料可選用聚四氣乙締薄膜，導(dǎo)電材料可選用金屬 銅。其工作原理如下：當勵磁電流通過輸入輸出裝置4引入到所述導(dǎo)電環(huán)25的a點，電流便從 a點分左右兩路匯集至b點，再經(jīng)所述液態(tài)導(dǎo)電金屬接點對26到達C點，并通過所述的導(dǎo)電隔 片24至所述電流環(huán)23的d點，此后，電流再從d點分左右兩路匯集至所述電流環(huán)23的e點，經(jīng) 所述隔片24至f點，再經(jīng)所述液態(tài)導(dǎo)電金屬接點對26引入到旋轉(zhuǎn)軸上與a點絕緣的g點，再從 g點引出到下一應(yīng)電流環(huán)，重復(fù)上述路徑，并完成電流回路。在上述過程中，根據(jù)電磁感應(yīng)定 律，由所述電流環(huán)23的電流方向（圖中箭頭所示），將在每應(yīng)建立起如圖所示的等幅±180<^ 分布的奇對稱性激勵磁場；當所述液態(tài)導(dǎo)電金屬接點對26隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)時，隨著轉(zhuǎn)過部 位磁場的焰滅，在轉(zhuǎn)到部位建立起新的磁場，所述的奇對稱性激勵磁場將W所述導(dǎo)電隔片 24的間距為步進角隨轉(zhuǎn)子電樞2同步旋轉(zhuǎn)，進而發(fā)生同步激勵。因此，用作發(fā)電機，將產(chǎn)生如 圖8所示E方向的感應(yīng)電勢輸出；同理，也可用作電動機。
[0038] 參照圖10,僅為了舉例，為了使所述的步進角度A々辛0,給出了一種與圖9等 效的所述激勵繞組1的電流環(huán)結(jié)構(gòu)?？蒞看出，該電流環(huán)與圖9所述電流環(huán)相比其不同之處 在于:所述的導(dǎo)電隔片24只有呈徑向線對稱設(shè)置的一組，并在其端頭設(shè)置所述的液態(tài)導(dǎo)電 金屬接點對26,所述定子鐵忍8由空氣隙替代。運樣，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，所述導(dǎo)電隔片24便 與液態(tài)導(dǎo)電金屬接點對26在電流環(huán)23內(nèi)轉(zhuǎn)動，其勵磁電流則通過該徑向線導(dǎo)電隔片24經(jīng)液 態(tài)導(dǎo)電金屬接點對26到達所述電流環(huán)23。根據(jù)全電流定律，其所建立的激勵磁場便與圖9所 述激勵繞組1等效。但由于其步進角度趨于零，因此，所建立的激勵磁場為視在旋轉(zhuǎn)激勵磁 場，因而，在激勵過程中，對所述電樞2的作用系數(shù)K將趨近于1，并保持不變。
[0039] 參照圖11，僅為了舉例，給出了一種比圖10更為簡化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)?？蒞看出，該 電流環(huán)與圖10所述電流環(huán)相比其不同之處在于：取消了所述的導(dǎo)電隔片24,勵磁電流將直 接通過所述定子鐵忍8尋最短路徑到達所述電流環(huán)23，如圖所示，用帶有箭頭的弧線標示了 其勵磁電流發(fā)散與匯集的狀態(tài)和方向。根據(jù)全電流定律，其所建立的激勵磁場也與圖9所述 激勵繞組1等效，其工作原理與圖10所述電流環(huán)相同。
[0040] 二、一種具有所述偶對稱性激勵磁場的廣域電機，稱為：自同步同步激勵電機（下 同）。下述實施例，主要在于說明本發(fā)明所述自同步同步激勵的建立、電機的磁路設(shè)計和工 作原理。
[0041 ] 實施例4 參照圖12,僅為了舉例，給出了所述自同步同步激勵電機一種具體結(jié)構(gòu)?？蒞看出，該 電機由于激勵繞組1采用了一種公知的螺旋激勵繞組，其激勵磁場具有偶對稱性，無論轉(zhuǎn)子 處于何位，電樞2均能獲得一種等幅同相的自同步同步激勵，因此，它無需前述等幅反向全 激勵同步激勵電機所述的同步器;但由于偶對稱性激勵磁場在進、出電樞時，根據(jù)電磁感應(yīng) 定律，在同應(yīng)導(dǎo)線上將產(chǎn)生大、小相等方向相反的感應(yīng)電勢或電磁力矩而相互抵消，因此， 為了避免運種抵消而獲得輸出，關(guān)鍵就在于對電樞采用什么樣的磁路設(shè)計。如圖所示，在本 實施例中，所述的激勵繞組1和電樞2在結(jié)構(gòu)的布局上與圖1所示電機相同，均為一種端面對 應(yīng)的軸向布局，且所述由螺旋激勵繞組構(gòu)成的激勵繞組1在定子上于電樞2的兩端也為對稱 設(shè)置;所述的電樞2為一種奇對稱性電樞，該電樞也采用與圖4相同的單相繞組電樞，其磁路 設(shè)計為:在其端面和柱面，分別相對立的設(shè)置覆蓋其半個端面和半個柱面的半圓形磁隔離 組件27與半圓形筒形磁隔離組件28,從而使電樞在所述的螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同相 激勵磁場中，分別僅有半個端面和對面的半個柱面受到激勵，形成如圖中箭頭6所示的磁路 設(shè)計，運樣，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在該磁路中，所發(fā)生的激勵則為偶對稱性的等幅同相半激 勵的自同步同步激勵，電樞在其同應(yīng)導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電磁力矩，則為同向迭加，避 免了抵消而有輸出，用作發(fā)電機，便能產(chǎn)生出如圖中E所示方向的感應(yīng)電勢輸出。同理，也可 用作電動機。
[0042] 實施例5 參照圖13,僅為了舉例，給出了所述自同步同步激勵電機的另一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所 示，可W看出，該電機是圖12所述電機其激勵與被激勵易位設(shè)置后，在定子上再行軸向布局 設(shè)置端面電樞的一種結(jié)構(gòu)。其不同之處在于:是將所述激勵繞組1的螺旋激勵繞組設(shè)在轉(zhuǎn)子 上，所述的電樞2設(shè)在定子上，且為一種軸向布局和籠形徑向布局的結(jié)合;此外，為了安裝的 方便，其籠形徑向布局的電樞2可采用公知的分=段制作的=截頭繞法，裝配后再在截頭處 封接連通。
[0043] 實施例6 參照圖14,僅為了舉例，給出了所述自同步同步激勵電機的又一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所 示，該電機與圖12所示電機相比，其區(qū)別僅在于電樞和對電樞的磁路設(shè)計。
[0044] 參照圖15,僅為了舉例，給出了圖14中所述電樞2的一種具體結(jié)構(gòu)和其磁路設(shè)計。 如圖所示，所述電樞2為一種偶對稱性電樞，該電樞在其鐵忍10的柱面上或端面上，設(shè)有圓 對稱性的泄磁凸緣29(由于原理相同，且為了看圖方便，本實施例僅給出了在其柱面上的設(shè) 置），其繞組導(dǎo)線30沿所述鐵忍10同相(指相位相同）繞制，被所述泄磁凸緣29擋住的導(dǎo)線轉(zhuǎn) 向其兩側(cè)走陰面，按公知技術(shù)，距凸緣邊距應(yīng)含3S(S為凸緣與定子鐵忍間的徑向間隙），空 隙處用非鐵磁材料貼裝，W減小漏磁場，其漏磁場應(yīng)< 0. lBmax(Bmax為凸緣中央磁場），為 抵消凸緣兩側(cè)端面的陰面導(dǎo)線由漏磁場產(chǎn)生的反向電磁力矩，在所述泄磁凸緣29上設(shè)有短 路補償環(huán)或短路線圈31。運樣，在所述螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，根據(jù)電磁 感應(yīng)定律，同一應(yīng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電磁力矩，則為同向迭加，避免了抵消，其總輸 出為各應(yīng)導(dǎo)線串聯(lián)之和，所發(fā)生的激勵則為偶對稱性的等幅同相全激勵的自同步同步激 勵。
[0045] 參照圖16,僅為了舉例，給出了圖14中所述電樞2的另一種具體結(jié)構(gòu)和其磁路設(shè) 計。如圖所示，可W看出，該電樞與圖15所示電樞相比其不同之處在于:在所述泄磁凸緣29 上設(shè)有繞線線槽32,其繞組導(dǎo)線30在槽中按公知技術(shù)沿所述凸緣29同向（指感應(yīng)電勢或電 磁力矩方向相同）繞制，即一側(cè)順時針螺旋繞制，一側(cè)逆時針螺旋繞制，所述的短路補償環(huán) 或短路線圈31是包圍兩側(cè)導(dǎo)線環(huán)繞所述凸緣29設(shè)置。運樣，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，其工作原理 與圖15所示電樞相同。此外，在其鐵忍10上還可兼具設(shè)置同向繞繞組或者與鐵忍10絕緣的 有內(nèi)外圓環(huán)形電極的銅導(dǎo)電盤33。
[0046] 參照圖17,僅為了舉例，給出了圖14中所述電樞2的又一種具體結(jié)構(gòu)和其磁路設(shè) 計?？蒞看出，該電樞是圖15和圖16所示電樞的結(jié)合。
[0047] 參照圖18,僅為了舉例，給出了圖14中所述電樞2的再一種具體結(jié)構(gòu)和其磁路設(shè) 計。如圖所示，該電樞也為一種偶對稱電樞，與圖15所示電樞相比其不同之處在于:在所述 鐵忍10的柱面上設(shè)有n個等距的軸向繞線齒34,其繞組導(dǎo)線30在該齒上按公知技術(shù)采用螺 旋串繞的方法繞制，并在齒頂面的一邊和鐵忍10上沿同屯、角分布設(shè)有分路磁場的磁隔離組 件35,通過該磁隔離組件35使激勵磁場在齒34兩邊產(chǎn)生分路，如圖，一路(如右）向上，一路 (如左）向下，經(jīng)外磁路和導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸形成閉合回路，運樣，在所述螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同 相激勵磁場中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，所述繞線齒34上同一應(yīng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電磁 力矩，則為同向迭加，避免了抵消，其總輸出為各應(yīng)導(dǎo)線串聯(lián)之和，所發(fā)生的激勵也為偶對 稱性的等幅同相全激勵的自同步同步激勵。
[0048] =、一種自同步同步激勵的磁流體廣域發(fā)電機。下述實施例，主要在于說明本發(fā)明 磁流體發(fā)電機的工作原理，特別是交流發(fā)電。
[0049] 參照圖19,給出了所述圖16中銅導(dǎo)電盤33在端面等幅同向激勵磁場中，其瞬時感 應(yīng)電勢的輸出取樣。如圖所示：用X標示了其瞬時等幅而同相的激勵磁場，其幅值用B表示， 用T標示了其瞬時等幅而同相的感應(yīng)電勢，其輸出用E表示。從圖中可W看出，B和E在銅導(dǎo) 電盤33中均為均勻分布。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可得出E=L.V. B sincot，式中：L為參與切割 磁場的導(dǎo)線長度(銅盤可視為由等長的徑向?qū)Ь€組成），V為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，Sin COt為勵磁 輸入信號的頻率和相位。由該式可W看出，輸出E的振幅，即放大倍數(shù)取決于L.V. B，頻率和 相位取決于sin O t。由此可見：當直流激勵時，由于sin O t=l，因而輸出的E為直流；當交流 激勵時，由于sin O t不受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速V的影響，因而其輸出E的頻率和相位與輸入的sin O t相 同，例如，用50化的交流激勵，就能得到50化的交流電輸出。由此，聯(lián)想到磁流體發(fā)電問題， 已有技術(shù)只能實現(xiàn)直流發(fā)電，要獲得交流，必須通過逆變技術(shù)。從此，我們便找到了一種磁 流體發(fā)電機直接發(fā)出交流電或多模電壓的途徑或者方法。
[0050]參照圖20,給出了圖19沿圓周方向的展開示意圖。如圖所示:在Y軸方向為等幅同 向的感應(yīng)電勢Ei至En,在X軸方向各交點為等幅同相激勵磁場Bi至Bn;在磁流體發(fā)電中，當我 們把每個交點看作一個發(fā)電單元，把沿X軸看作磁流體的流動方向，各交點之間的距離看作 一個發(fā)電單元的磁流體導(dǎo)管長度，在該長度內(nèi)，根據(jù)其管型和管徑大小，我們可W計算磁流 體在正、負輸出電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電勢的距離Ln;在磁流體流速從Vi至Vn的情況下，令Ei=Es =Es=En= Ln. Vn. Bn sin Ot,則各單元將發(fā)出幅值、頻率和相位相同的感應(yīng)電勢，進行聯(lián)網(wǎng)輸 出，便是一臺磁流體發(fā)電機。當令Sin COt=I時，即直流激勵，發(fā)出的則為直流，當用頻率和相 位為Sin COt的交流激勵時，發(fā)出的則為同頻同相的交流，同理，也可用脈沖和多模電流激 勵。在實際應(yīng)用中，考慮到磁流體在導(dǎo)管中的壓力損失而至各發(fā)電單元的流速不等，特別是 越往下游流速越慢的情況，我們可W令Vi.Bi=V2. B2=V3.B3=Vn.Bn，即根據(jù)流速Vn的不同，在 Sin W t相同的情況下，我們可W采用自動控制技術(shù)，來調(diào)節(jié)Bn使其和磁流體流速Vn的乘積相 等，而進行聯(lián)網(wǎng)輸出。由此，我們便導(dǎo)出了磁流體發(fā)電機在實際應(yīng)用中的具體方案。
[0化1 ]實施例7 參照圖21，僅為了舉例，給出了一種磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖?？蒞看出，運種電機， 它由定子和磁流體轉(zhuǎn)子兩部分組成，包括機座、機殼、激勵繞組、輸入輸出裝置、磁流體發(fā)電 導(dǎo)管及其保溫隔熱層，其特征在于所述的激勵繞組為螺旋激勵繞組，且導(dǎo)線材質(zhì)為第二類 硬超導(dǎo)合金NbsSn，并設(shè)有公知技術(shù)的4.液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)，將所述激勵繞組按其激勵磁場 中屯、平面與所述發(fā)電導(dǎo)管的軸線相垂直而成對并排設(shè)置，且對間其激勵磁場大小相等方向 相反，從而構(gòu)成一相或一個基本的單相自同步同步激勵發(fā)電單元，由相位相差120*^的=個 相同的基本單相發(fā)電單元構(gòu)成一個基本的=相自同步同步激勵發(fā)電單元;在每個基本的單 相發(fā)電單元內(nèi)，其輸出電極按磁力線方向分=段設(shè)置，即前段、中段和后段，段內(nèi)磁力線方 向相同，將其插置于所述導(dǎo)管內(nèi)，并抵至軸屯、，且正、負電極間絕緣后相互重疊，各段電極間 按感應(yīng)電勢方向一致輸出接線;在所述發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)流動的所述磁流體在正、負電極間產(chǎn)生 的感應(yīng)電勢E，與正、負電極間的平均管內(nèi)環(huán)距L、磁流體的流速V和所述激勵繞組產(chǎn)生的激 勵磁場Bsino t，有函數(shù)關(guān)系:E= L.V.Bsino t;當n個單元聯(lián)網(wǎng)發(fā)電時，貝有函數(shù)關(guān)系:Ei=E2 =Es=…En= Ln.Vn.Bnsino t，式中Bnsino t當為多模電流時，則為Bn(l+sin〇 t)，且在所述的 自同步同步激勵中，其勵磁電流為直流、交流、脈沖或多模電流，所述的直流含脈動直流。
[0052] 參照圖22,給出了所述發(fā)電導(dǎo)管37的A-A、B-B和C-C剖視圖?？蒞看出，該導(dǎo)管為圓 形結(jié)構(gòu)，所述的輸出電極36是插置在其中的，并抵至圓屯、，可計算得出其輸出電極之間的平 均管內(nèi)環(huán)距L=JI. r;如圖所示，用通過圓屯、帶有箭頭的線條標示了等幅同相激勵磁場Bsin CO t或多模B(l+sin cot)的方向，用帶有箭頭的圓圈標示了在發(fā)電導(dǎo)管37中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E 的方向；A-A剖視圖標示了在中段電極的Bsin Wt或多模B(l+sin Ot)和E的方向，B-B和C-C 剖視圖標示了在前段、后段電極中Bsin COt或多模B(l+sin cot)和E的方向，并給出了各段電 極間按感應(yīng)電勢方向一致的線路輸出接法，即前、后段電極并聯(lián)后，再和中段電極串聯(lián)。
[0053] 四、具體應(yīng)用典型。
[0054] ( -）、多功能電機。下述實施例，主要在于說明本發(fā)明在上述電機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上， 有不可窮舉的多功能組合應(yīng)用。實施例中僅給出了常用的幾種具體設(shè)計。
[0化5] 實施例8 參照圖23,僅為了舉例，給出了如圖1所述電機的一種多功能應(yīng)用。如圖所示，該電機是 將轉(zhuǎn)子對稱地分為前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子，與此相對應(yīng)，也將所述電樞2分為前電樞和后電樞，并 在前、后電樞之間設(shè)有磁隔離組件39和一種公知技術(shù)的電磁離合器40,通過該離合器使前或 后電樞與轉(zhuǎn)軸進行分、合，從而實現(xiàn)電機的全負荷或半負荷工作轉(zhuǎn)換，W獲得電機的最高效 率;在此基礎(chǔ)上，若將所述前、后電樞均設(shè)為線間絕緣的雙線繞繞組，并將雙線繞組的4個端頭 作為輸入或輸出端子。用作發(fā)電機，當前、后電樞用直流、脈沖或單向交流激勵時，則構(gòu)成直 流、脈沖或單向交流電機;當前、后電樞分別用交流C相和B相激勵時，前電樞將產(chǎn)生一對Ec,后 電樞將產(chǎn)生一對Eb的感應(yīng)電勢；用作兩相輸出時，可用圖24所示接線方法輸出，用作=相交 流輸出時，由于Ec + Eb + Ea=O,因此Ea=-(Ec + Eb )，故可分別將所述前、后電樞雙線中一 組單線繞組的Ec、Eb分別輸出作化、Ub相，另一組單線繞組的Ec、Eb反向串聯(lián)后輸出作Ua相， 其接線如圖25所示；用作電動機，只需在電樞的相應(yīng)端輸入相電壓，就是一種直流、脈沖或 者交流單相、兩相或=相電動機。作=相交流電動機時，雖然A相無激勵繞組和電樞，但仍可 在Ua端輸入A相交流。同時，根據(jù)本發(fā)明對電樞作用系蠻
中e的定義，我們還可W通過所述的標示器41來調(diào)整所述0的角度，從而調(diào)節(jié)電機的工作電 壓、功率或者轉(zhuǎn)速。具體應(yīng)用中，可通過改變所述前、后電樞中屯、正向電流之間的夾角心來 實現(xiàn)，用公知的電學(xué)公式：電壓I
，式 中:Ul為單個電樞繞組的電壓，Ia為電樞繞組的電流，Ra為電樞繞組的電阻，nmax為最高轉(zhuǎn)速。 經(jīng)由該夾角計算得到的對應(yīng)關(guān)系來調(diào)整電機的工作電壓、功率或轉(zhuǎn)速;或者用公知的電學(xué) 公式將電機的工作電壓、功率和轉(zhuǎn)速分別換算為W所述前、后電樞中屯、正向電流之間的夾 角為變量的電壓模擬值，設(shè)置一種由一只或=只公知技術(shù)的四位半數(shù)字電壓表構(gòu)成的標示 器41來標度和改變其對應(yīng)關(guān)系，從而調(diào)整電機的工作電壓、功率或轉(zhuǎn)速。
[0056]參照圖26、27、28，僅為了舉例，給出了所述標示器41的一種采用模擬正弦形電位 器來預(yù)置電機工作電壓、功率和轉(zhuǎn)速的數(shù)字式顯示技術(shù)方案原理圖。如圖26所示，可通過轉(zhuǎn) 盤來標度和調(diào)節(jié)所述前、后電樞中屯、正向電流之間的夾角心；如圖27所示，圖中向上箭頭表 示前電樞中屯、正向電流方向，向下箭頭表示后電樞中屯、正向電流方向，通過設(shè)置前電樞正 弦形電位器RPi和后電樞正弦形電位器RP2來調(diào)節(jié)兩繞組中屯、正向電流之間的夾角心，模擬 其正交激勵函數(shù)
i工作原理如圖28所示?？蒞看出，通過預(yù)置心角度，我們便 可W預(yù)先求知電機的工作電壓、功率或者轉(zhuǎn)速，并通過標示器41來標示。
[0化7] 實施例9 參照圖29,僅為了舉例，給出了如圖12所述電機的一種多功能應(yīng)用。如圖所示，該電機 是用磁隔離39來將所述電樞2分為前、后電樞的，而電樞的雙線繞繞組設(shè)置，C、B相激勵和輸 出、輸入接線方法，則與圖23所述電機相同。
[0058] 參照圖30，僅為了舉例，為了適應(yīng)圖23和圖29兩種電機，給出了所述標示器41的另 一種結(jié)構(gòu)及工作原理。如圖所示，該標示器由一種含公知控制電路的單個雙向可控娃構(gòu)成， 通過改變雙向可控娃的導(dǎo)通角，我們便能用公知的電學(xué)公式經(jīng)由該導(dǎo)通角計算得到的對應(yīng) 關(guān)系來標度和調(diào)整電機的工作電壓、功率或轉(zhuǎn)速。
[0059] 實施例10 參照圖31，僅為了舉例，給出了一種同時具有等幅反向全激勵同步激勵和自同步同步 激勵的電機組合方案。如圖所述，該電機采用了電樞分段設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案，其電樞在兩端面 的激勵繞組為奇對稱性激勵磁場的激勵繞組，本實施例中選用了如圖8所述電機的電流環(huán) 激勵繞組，該激勵繞組與電樞為端面對應(yīng)的軸向布局；中段電樞的激勵繞組為偶對稱性激 勵磁場的螺旋激勵繞組，該激勵繞組與電樞為籠形套裝對應(yīng)的徑向布局，為了將兩種不同 的所述同步激勵統(tǒng)一，避免相互干擾，其兩端電樞E4、Es的端面導(dǎo)線按圖4繞制，軸向?qū)Ь€按 公知的盤繞方法繞制;其中段電樞Ei、E2、E3則可從圖16;運樣，該電機便是如圖8和如圖14所 述電機的組合，其磁路設(shè)計和工作原理也分別與之相同，在工作中將產(chǎn)生El巧2+E3巧4+Es同 向迭加的感應(yīng)電勢或同向迭加的電磁力矩輸出。在實際應(yīng)用中，運種分段激勵，感應(yīng)電勢或 電磁力矩同向迭加輸出的結(jié)構(gòu)方案，特別適宜于為了減小轉(zhuǎn)動慣量，將轉(zhuǎn)子作成細長結(jié)構(gòu) 的電機。
[0060] (二）、全超導(dǎo)電機。下述實施例，主要在于說明在上述電機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可進行 全超導(dǎo)或全超導(dǎo)多功能設(shè)計。實例中僅給出了幾種為構(gòu)建本發(fā)明所述電力網(wǎng)用電機的具體 設(shè)計。
[OOW] 實施例11 參照圖32,僅為了舉例，給出了一種具有IX IO^W功率全超導(dǎo)單相水輪發(fā)電機的具體 結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)。如圖所示，該電機是在圖12所示電機的基礎(chǔ)上進行的全超導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。與 圖12所示電機相比，其不同之處在于:設(shè)計了由4.液態(tài)氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)來對由第二類硬 超導(dǎo)合金NbsSn導(dǎo)線繞成的所述激勵繞組1和電樞2進行冷卻，該冷卻系統(tǒng)由4.液態(tài)氮導(dǎo) 管42、液態(tài)氮匯流環(huán)43、與43連通的軸上槽流道44和激勵繞組1與電樞2構(gòu)成的內(nèi)腔間隙45 及其繞組內(nèi)部通道組成，并通過密封抽成真空，使所述的4.液態(tài)氮在真空密封環(huán)境下循 環(huán);為了使所述激勵繞組1和電樞2在超導(dǎo)狀態(tài)下其繞組電阻始終為零，根據(jù)公知常識，除運 行環(huán)境溫度不得高于4.外，還應(yīng)使其磁感應(yīng)強度不得超過IOT，電流密度J含lOKA/cm 2，為 此，電樞2在其兩端下端面所述的半圓形磁隔離組件28還覆蓋了上端面的楠圓形繞線線窩 部份;為了阻止外界熱量由電樞2的輸出導(dǎo)線向內(nèi)部傳遞，所述輸出導(dǎo)線46采用了不同材料 的=段設(shè)置，其中：第一段為銅導(dǎo)體，第二段為熱電材料BiTe,此種材料具有從低溫區(qū)吸熱 向高溫區(qū)傳熱而致冷的特性，且由于其本身傳熱極慢，只有銅材料的二百分之一，因此，它 是攔截外部熱量傳入的極佳材料，將第一段與第二段焊接，并在第二段上設(shè)置由氨氣冷卻 循環(huán)管47導(dǎo)熱的熱交換器48來將熱量導(dǎo)出，第=段為在絕緣的旋轉(zhuǎn)軸基底銅上覆蓋了一層 第二類硬超導(dǎo)合金NbsSn材料構(gòu)成的超導(dǎo)覆層，所述硬超導(dǎo)合金NbsSn與一般的軟超導(dǎo)合金 材料的不同之處在于當溫度超過臨界溫度Tc時，不會立刻恢復(fù)到常溫時的電阻值，而是與 溫度成線性關(guān)系，因此，使用在溫度過渡區(qū)是適宜的，第二段與第=段通過液態(tài)導(dǎo)電金屬匯 流環(huán)49聯(lián)接，所述的液態(tài)導(dǎo)電金屬可選用隸銅或鋼隸齊等，由于其接觸面積大，電阻小、傳 輸電流大、散熱快和損耗小，因而能承載大功率;所述半圓筒形磁隔離組件27和半圓形磁隔 離組件28,也采用在基底銅上覆蓋一層所述的超導(dǎo)覆層來作為磁場的屏蔽材料，在超導(dǎo)態(tài) 下，由于任何磁場均不能穿透超導(dǎo)體，因此，超導(dǎo)覆層是一種極好的磁場屏蔽與引導(dǎo)材料， 而基底銅是為了在超導(dǎo)態(tài)下的導(dǎo)熱；所述的轉(zhuǎn)軸5和電機的定子材料，推薦選用耐壓> 7.化v/mm、導(dǎo)熱系數(shù)A < 6.1 X l〇-6cal/cm. S. C哺具有合金剛強度的高"材料，即高絕緣 性、高絕熱性和高強度，首選碳納米管纖維材料或等同材料;為了減小轉(zhuǎn)軸5的摩擦損耗，其 軸承50可采用C〇2高壓氣體軸承，其壓力P>80kg/cm2,摩擦系數(shù)f<lXl(T4,且為了冷卻方 便，作為水輪發(fā)電機則可將其置于絕熱層外，直接利用江、河、湖、海等自然界水冷進行熱交 換，并最終冷卻至環(huán)境溫度;本機在真空和密封狀態(tài)下工作，因此，對氣密性和液體密封性 提出了很高的要求，特別是轉(zhuǎn)動與非轉(zhuǎn)動的接合部位，例如:在所述的液態(tài)氮匯流環(huán)43、液 態(tài)導(dǎo)電金屬匯流環(huán)49及定子、轉(zhuǎn)子接合部位的密封;所述的轉(zhuǎn)子其本體材料可采用銅或侶 鐵青銅等具有高強度和高導(dǎo)熱率的非鐵磁材料，其電樞繞組骨架則采用諸如聚四氣乙締等 介質(zhì)損耗小的材料包覆，其介質(zhì)損耗角正切要求化nS ^ 2X 1(T4。
[0062] 參照圖33,給出了圖33中所述激勵繞組1的繞制方法織網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示， 將繞組導(dǎo)線從編號1至n根縱向按線圈長度等距排列，其線端在內(nèi)圈和外圈按圈圍等距橫向 排列并折轉(zhuǎn)引致一側(cè)，致卷成后線端均勻分布在內(nèi)圈和外圈上，在卷制過程中，每根導(dǎo)線間 加一根或兩根不誘鋼絲與導(dǎo)線分層并行，并在橫向再設(shè)置正交的不誘鋼絲并焊接，由縱向、 橫向不誘鋼絲構(gòu)成支撐網(wǎng)架;將所述織網(wǎng)順著導(dǎo)線長度方向卷繞成密繞狀態(tài)，將端面作支 撐的不誘鋼絲與環(huán)向正交的不誘鋼絲焊接成一個整體支撐網(wǎng)架。
[0063] 參照圖34,給出了所卷繞成的螺旋激勵繞組內(nèi)、外圈導(dǎo)線線端接線圖。如圖所示， 將作有編號1至n標記的內(nèi)圈線端與外圈對應(yīng)編號r至rT標記的線端錯一位號對號焊接連 接，將內(nèi)圈1號線端和外圈尾號rT號線端留作輸入或輸出端子。按設(shè)計功率IX IO^W(下同） 計算，具體參數(shù)如下：該螺旋激勵繞組導(dǎo)線為第二類硬超導(dǎo)合金NbsSn,線徑1mm，總長 15518434mm，不誘鋼絲線徑1mm，成型后線圈長1113.2mm，厚1696.35mm，內(nèi)徑4347mm，外徑 7740mm，由不誘鋼絲支撐網(wǎng)架與超導(dǎo)線間形成的層間縫隙作為繞組內(nèi)部4.2化液態(tài)氮循環(huán) 通道，其激勵磁通為38.96wb。
[0064] 參照圖35,給出了轉(zhuǎn)子端面的一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所示，在轉(zhuǎn)子的端面于所述的金 屬本體上設(shè)有楠圓形繞線線窩11和繞線線槽51，所述的電樞2其繞制方法與圖4所示電樞繞 法相同，槽中導(dǎo)線每線間用聚四氣乙締材料絕緣，并形成有4.液態(tài)氮循環(huán)通道，且該通 道與所述的4.液態(tài)氮流道44連通;在轉(zhuǎn)子的上半圓柱面由所述的半圓筒形磁隔離組件 27進行磁隔離，在轉(zhuǎn)子的下半端面及上半端面的楠圓形繞線線窩部分由所述的磁隔離組件 28進行磁隔離;在所述的轉(zhuǎn)軸5上設(shè)有通向轉(zhuǎn)子的4.2化液態(tài)氮槽流道44、磁隔離組件52和 第=段輸出導(dǎo)線46,所述的磁隔離組件27、28、52和輸出導(dǎo)線46均由含基底銅的所述超導(dǎo)覆 層構(gòu)成，并用聚四氣乙締材料絕緣。按設(shè)計功率計算，其具體參數(shù)如下：電樞導(dǎo)線材料為第 二類硬超導(dǎo)合金NbsSn，線徑0.36mm，電樞安應(yīng)數(shù)I： L . H=298.904 X IO5安應(yīng)，激勵磁通 38.96wb，轉(zhuǎn)子外徑4347mm，楠圓形繞線線窩：最大直徑
，最小直徑
，式中山為轉(zhuǎn)軸軸徑，化為轉(zhuǎn)子槽數(shù)，bo為槽寬，繞線線窩深301mm， 窩底引線槽深25 mm，槽寬55mm，端面楠圓等效圓直徑2996 mm，楠圓面積7049100 mm2,轉(zhuǎn)子 端面及縱向槽數(shù)各78，槽深276mm，槽寬55mm，電樞繞組每線:27層X 72根/層并聯(lián)，每槽繞線 數(shù)12線;所述的超導(dǎo)覆層，其基底銅厚2 mm，Nb3Sn超導(dǎo)層0.2 mm;轉(zhuǎn)軸直徑:最高處1650mm， 最低處1550 mm。
[0065] 參照圖36,給出了繞成后的轉(zhuǎn)子電樞縱向結(jié)構(gòu)示意剖視圖。如圖所示，通過緊固件 53將所述由非鐵磁材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子本體54固定在所述的轉(zhuǎn)軸5上，其內(nèi)設(shè)有4.2?液態(tài)氮流 道55,并與所述軸上流道44相通，使其上繞制的所述電樞導(dǎo)線56通過其內(nèi)部通道和腔壁通 道45被浸沒在4.2化液態(tài)氮中，在所述流道44、45和56設(shè)有密封圈57,用于氣密性和防止所 述4.液態(tài)氮泄漏，在電樞的上半圓柱面和下半端面設(shè)有由所述超導(dǎo)覆層構(gòu)成的磁隔離 組件27、28,在其與繞組之間及繞組與轉(zhuǎn)子本體54之間設(shè)有聚四氣乙締材料絕緣層58,其 厚度至少不低于6.5 mm，耐壓要求為220kv/mm。
[0066] 參照圖37,給出了所述電樞導(dǎo)線56在槽中的繞線示意剖視圖。如圖所示，由所述導(dǎo) 線W間距0.72mm每層72根，共27層并聯(lián)焊接成一體構(gòu)成一線，層間用同徑的師3Sn超導(dǎo)迴形 線作支撐構(gòu)成內(nèi)部4.液態(tài)氮通道，每槽串繞12線，線間用聚四氣乙締材料絕緣并形成絕 緣層58。
[0067] 參照圖38,給出了一種在第二段BiTe導(dǎo)線上的氨冷熱交換器48的結(jié)構(gòu)示意圖。根 據(jù)設(shè)計，該熱交換器由n(81)個熱交換單元構(gòu)成，每個單元交換的熱量由氨氣冷卻循環(huán)管導(dǎo) 出。按設(shè)計，氨氣流量0.2515m^/s，熱交換量597.22cal/s。
[0068] 參照圖39,給出了所述液態(tài)導(dǎo)電金屬匯流環(huán)49在轉(zhuǎn)軸5上的一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所 示，在轉(zhuǎn)軸5的表面設(shè)有由所述超導(dǎo)覆層構(gòu)成的所述第=段導(dǎo)線46,將所述的液態(tài)導(dǎo)電金屬 匯流環(huán)49固定其上，該匯流環(huán)由液態(tài)導(dǎo)電金屬及其匯流腔59、與第二段BiTe導(dǎo)線焊接在一 起的銅外殼60和兩端的密封圈構(gòu)成。按設(shè)計，其匯流腔60內(nèi)徑1700 mm，與軸配合面直徑 1650 mm,寬50 mm。
[0069] 參照圖40,給出了所述液態(tài)氮匯流環(huán)43在轉(zhuǎn)軸5上的一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所示，它 由4.液態(tài)氮匯流腔61、銅外殼62和兩端的密封圈構(gòu)成，并與所述4.液態(tài)氮導(dǎo)管42相 通。在轉(zhuǎn)軸5上設(shè)有n(128)個4.2化液態(tài)氮槽流道44和用于防漏磁的由所述超導(dǎo)覆層構(gòu)成的 磁隔離組件52;所述的第=段導(dǎo)線46在此轉(zhuǎn)入所述槽流道44的底部直至與電樞導(dǎo)線引出線 端子區(qū)連接，其間并與外界電絕緣。該液態(tài)氮匯流環(huán)43與所述液態(tài)導(dǎo)電金屬匯流環(huán)49之間 的距離由試驗確定，W確保液態(tài)導(dǎo)電金屬不被凍結(jié)，且所述匯流環(huán)49至電樞的距離應(yīng)不小 于1500 mm，W確保轉(zhuǎn)軸5上磁隔離組件52有足夠的磁隔離和最小的漏磁場。按設(shè)計，其液態(tài) 氮匯流腔內(nèi)徑1850 mm，與軸配合面直徑1650mm。
[0070] 參照圖41，給出了 4.液態(tài)氮槽流道44的一種具體結(jié)構(gòu)。
[0071] 如圖所示，該槽流道為按設(shè)計數(shù)W軸屯、角均布，通過該槽將4.液態(tài)氮輸送至所 述轉(zhuǎn)子電樞2,并在槽底埋設(shè)有第=段導(dǎo)線46。按設(shè)計，該流道共128槽，槽間壁厚2 mm，槽深 47.3 mm，外弧長38 mm，內(nèi)弧長34 mm，槽內(nèi)應(yīng)能耐受Iatm大氣壓力;所述的第S段導(dǎo)線46， 其基底銅厚2 mm，NbsSn超導(dǎo)層在所述匯流環(huán)49至43之間厚0.7 mm，在匯流環(huán)43至電樞2引 出線之間前段厚0.2 mm，后段在保證超導(dǎo)體斷面積不變的情況下，過渡到與電樞2引出線端 子區(qū)連接;所述的磁隔離組件52,其基底銅厚2 mm，Nb3Sn超導(dǎo)層厚0.2 mm。
[0072] 參照圖42、43,給出了所述轉(zhuǎn)軸5及其C〇2高壓氣體軸承50的一種具體結(jié)構(gòu)。如圖42 所示，在W水能作為原動力的情況下，在轉(zhuǎn)軸5的端部設(shè)有懸吊式水輪發(fā)電機托盤63,其內(nèi) 設(shè)有水冷卻管64;所述C〇2高壓氣體軸承50由累體65、C〇2高壓累腔66、累分區(qū)壓力工作室67、 伺服軸向位置控制閥68及其壓力傳感器69和伺服軸屯、位置控制閥70及其壓力傳感器71并 各密封圈構(gòu)成;所述的伺服軸向位置控制閥68由均布在累體65端面的壓力傳感器69檢測托 盤63與累體65的端面壓力形成的軸向位置姿態(tài)電信號控制其自動啟停，通過調(diào)整C〇2高壓 累腔66的壓力來糾偏，從而保證轉(zhuǎn)軸5在端面上呈懸浮狀態(tài);所述的伺服軸屯、位置控制閥70 由均布在累體65軸配合面的壓力傳感器71檢測與轉(zhuǎn)軸巧由面壓力形成的軸屯、位置姿態(tài)電信 號控制其自動啟停。如圖43所示，通過調(diào)整累分區(qū)各壓力工作室67的壓力來糾偏，從而保證 轉(zhuǎn)軸5在軸屯、上呈懸浮狀態(tài)。按設(shè)計，0)2氣體壓力^ 80kg/cm2,摩擦系數(shù)f <1 X 1(T4。所述 的伺服位置控制閥、壓力傳感器和密封圈等為已有技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)省略。
[0073] 本電機用直流激勵便能發(fā)出直流，用交流激勵便能發(fā)出交流。同理，也可作為電動 機。按設(shè)計功率，通過計算，電機參數(shù)如下： 1、 電機輸出功率:交流:2005MV. A，直流1002MW，交流電壓：1200KV，交流電流:16666A; 2、 電機轉(zhuǎn)速:500r/min; 3、 電機絕緣：內(nèi)部組件之間M.3X106 V，外部輸出與接地之間M.95X 106 V; 4、 電機總損耗:3006 kw; 5、 電機效率：99.965%。
[0074] 6、4.2化液態(tài)氮:流量 1.041m3/s，管壓 16.883KPa; 7、 電機體積：巫 10000mm X 7864mm; 8、 電機質(zhì)量:2.500Xl〇6kg。
[00對實施例12 參照圖44,僅為了舉例，給出了一種全超導(dǎo)雙線繞繞組電機結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該 電機與圖32所述電機相比其不同之處僅在于：其激勵繞組1采用了B相、C相激勵的結(jié)構(gòu)形 式，其電樞2為線間絕緣的雙線繞繞組，并按圖25所示接成=相平衡電壓輸出。
[0076] 實施例13 參照圖45、46、47、48、49，僅為了舉例，給出了一種將12001(￥超高壓直流變換到351(￥^ 相多模電壓的自同步同步激勵全超導(dǎo)直流電動機和多模發(fā)電機構(gòu)成一體的同構(gòu)電機結(jié)構(gòu) 示意圖。如圖45所示，該電機設(shè)有A、B、C和D相相互獨立的激勵繞組和電樞繞組，其中A、B和C 相激勵繞組和電樞作35KVS相多模發(fā)電機使用，D相激勵繞組和電樞作1200KV直流電動機 使用。在電動機工作時，通過對發(fā)電機采用直流或脈動直流與正弦形交流組合構(gòu)成的多模 電流進行激勵，將發(fā)出與激勵電流波形相同的=相多模電壓，從而將1200KV超高壓直流變 換為35KVS相多模電壓，進而為構(gòu)建本發(fā)明專屬電力網(wǎng)起到將超高壓直流進行變壓和提供 多模發(fā)電的作用。如圖46所示，在A-A剖視部分給出了 A相電樞的結(jié)構(gòu)，該電樞采用前述實施 例中所述的單相繞組繞法，B相和C相電樞與此相同；如圖47所示，在B-B剖視部分，給出了 D 相電樞的結(jié)構(gòu)，該電樞可采用前述實施例中圖17所述的同相及同向繞法，其中，磁隔離阻件 采用超導(dǎo)覆層;在轉(zhuǎn)軸5上設(shè)有液態(tài)氮匯流環(huán)43和多個液態(tài)導(dǎo)電金屬匯流環(huán)49,其中1、2、3 和4作為A相、B相和C相電樞的輸出，其多模激勵和輸出接線方法如圖48所示;5、6作為D相電 樞輸入，其輸入接線如圖49所示?？蒞看出，該電機在=相多模發(fā)電中，由于除=相交流外， 每相還兼容有直流或脈動直流輸出，為了獲得如圖48所示的=相多模電壓輸出，其電樞繞 組有別于前述實施例中的雙線繞繞組，采用了 A相、B相和C相的=相設(shè)置;該電機其超導(dǎo)材 料、4.2化液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)、超導(dǎo)螺旋激勵繞組、輸出輸入設(shè)置、超導(dǎo)覆層、液態(tài)導(dǎo)電金屬匯 流環(huán)和液態(tài)氮匯流環(huán)等超導(dǎo)設(shè)計與圖32所示全超導(dǎo)電機相同。按設(shè)計功率，電機參數(shù)如下： 直流電動機:直流功率200MW，輸入電壓1200KV，輸入電流166.666A，激勵磁通3.922wb， 電機轉(zhuǎn)速1500r/min。
[0077] 多模發(fā)電機:輸出功率200麗，其中：直流功率133.3331胖，交流功率66.666 1胖，輸 出S相多模電壓交、直流均為35KV，電流1269.84A，激勵磁通3.922wb，直流變壓比
[007引實施例14 參照圖50、51、52，，僅為了舉例，給出了 一種將35KVS相多模中壓變換到4.66服VS相 多模低壓的自同步同步激勵全超導(dǎo)=相多模電動機和=相多模發(fā)電機構(gòu)為一體的同構(gòu)電 機結(jié)構(gòu)示意圖。如圖50所示，該電機A相、B相和C相均采用了其繞組對稱中屯、平面相互垂直 的繞組對結(jié)構(gòu)，在對中一組繞組作電動機時，另一組繞組便作發(fā)電機;其電樞的結(jié)構(gòu)布局如 圖51所示，其輸入或輸出接線如圖52所示;該電機其超導(dǎo)材料、4.液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)、超導(dǎo) 螺旋激勵繞組、輸出輸入設(shè)置、超導(dǎo)覆層、液態(tài)導(dǎo)電金屬匯流環(huán)和液態(tài)氮匯流環(huán)等也與圖32 所示全超導(dǎo)電機結(jié)構(gòu)相同。按設(shè)計，電機參數(shù)如下： S相多模電動機:輸入多模相電壓交、直流各為35KV，電流1270A，激勵磁通3.889wb，功 率200MW，其中：直流功率133.333MW，交流功率66.666 MW。
[0079] S相多模發(fā)電機:輸出多模相電壓4.66服V，電流9515A，激勵磁通3.889wb，功率 200MW，其中：直流功率133.333MW，交流功率66.666 MW。
[0080] 進一步，利用相同結(jié)構(gòu)的電機，還可將4.666KVS相多模低壓變換到380V或/和 220V〇
[0081] (S)、專屬電力網(wǎng)。
[0082] 實施例15 參照圖53,僅為了舉例，給出了本發(fā)明電機一種專屬電力網(wǎng)構(gòu)成布局示意圖。如圖所 示，該電力網(wǎng)由超高壓直流傳輸電力網(wǎng)和中、低壓通用電力網(wǎng)組成，其特征在于所述的超高 壓直流傳輸電力網(wǎng)，在其輸電始端，直接由本發(fā)明全超導(dǎo)電機作發(fā)電機發(fā)出超高壓直流，通 過一根與大地建立回路的導(dǎo)線傳輸;在其輸出端，直接用本發(fā)明的全超導(dǎo)同構(gòu)電機對超高 壓直流進行變壓和=相多模發(fā)電，輸出直流或脈動直流和等幅正弦形交流組合構(gòu)成的中壓 =相多模電壓，對所述的中壓=相多模電壓，直接用本發(fā)明的全超導(dǎo)同構(gòu)電機進行多級變 壓輸出；或者，對含脈動直流的所述中壓=相多模電壓，則采用兩臺傳統(tǒng)變壓器串聯(lián)或?qū)⑵?全超導(dǎo)設(shè)計后串聯(lián)構(gòu)成的多模變壓器進行多級變壓輸出，從而構(gòu)建起交、直流兼容的多模 中、低壓通用電力網(wǎng)，為用戶提供直流和等幅正弦形交流或脈動直流和等幅正弦形交流制 式的用電選擇。
[0083] 為了保證電力網(wǎng)的穩(wěn)定供電，本發(fā)明引入已有技術(shù)的SMES儲能反饋控制系統(tǒng)，在 用電低谷期時對電力網(wǎng)進行儲能，在用電高峰期時則將儲備的電能通過本發(fā)明下述電機對 電力網(wǎng)進行助力發(fā)電，從而保證電力網(wǎng)的輸出功率能在10-20%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0084] 參照圖54,僅為了舉例，給出了一種在圖45所示電機基礎(chǔ)上設(shè)有助力電機的全超 導(dǎo)一體同構(gòu)電機結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該一體同構(gòu)電機由全超導(dǎo)的=相多模發(fā)電機72、 SMES直流助力電動機73和超高壓直流電動機74在轉(zhuǎn)軸5上同軸構(gòu)成，其各自的電樞、輸入輸 出結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)均從上述實施例。工作時，首先由所述電動機74將超高壓直流轉(zhuǎn)換 成動力，再通過所述電機72進行變壓和發(fā)出=相多模電壓，在此過程中，當電網(wǎng)處在用電高 峰期時，則由SMES儲能反饋控制系統(tǒng)向所述電機73供電，從而將電網(wǎng)在用電低谷期時儲存 的電能轉(zhuǎn)換成動力，對所述電機74進行助力，進而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。
[0085] 參照圖55,僅為了舉例，給出了一種SMES儲能反饋控制功能塊的工作原理方框圖。 如圖所示，該功能塊由本發(fā)明電機或多模變壓器、公知技術(shù)的高精度電壓/電流互感器、全 波整流器、超導(dǎo)磁儲能電感、大功率水負載、可變觸發(fā)脈沖、自動控制器、4.2化超低溫冷卻 系統(tǒng)和基準電壓發(fā)電機構(gòu)成。其工作原理如下：自動控制器通過高精度電壓互感器感知多 模中、低壓通用電力網(wǎng)隨負載變化的多模輸出電壓與基準電壓發(fā)電機的基準電壓之間的差 值，從而產(chǎn)生誤差信號，提供給其自動跟蹤執(zhí)行元件產(chǎn)生動作，一方面，在用電低谷期時，由 多模中、低壓通用電力網(wǎng)，通過本發(fā)明電機或多模變壓器、與自動控制器聯(lián)通的高精度電流 互感器和可變觸發(fā)脈沖，經(jīng)全波整流器向超導(dǎo)磁儲能電感充電；另一方面，在用電高峰期 時，由超導(dǎo)磁儲能電感向助力電動機供電，從而增加發(fā)電機的輸出功率。同時，還可根據(jù)誤 差信號的大小，通過自動跟蹤執(zhí)行元件來改變電機的激勵磁通或轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)電機的輸出， 進一步保證電力網(wǎng)的穩(wěn)定輸出，而大功率水負載是為了保障系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的安全。根據(jù) 設(shè)計，其輸出電壓穩(wěn)定度可達1 X 1(T2，頻率穩(wěn)定度可達1 X 1(T3，輸出功率可在10-20%范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0086] 參照圖56，57、58、59和60，僅為了舉例，給出了 一種多模變壓器的等效電路原理及 輸入、輸出波形圖。通常認為，麥克斯韋電磁方程組僅適用于交變電流，而不適用于脈動直 流，現(xiàn)發(fā)明人將其作廣義解后，可將脈動直流納入，并認為運是麥克斯韋電磁方程組所述變 化的一種普遍現(xiàn)象，而交變電流，只是其普遍變化中的一個特例。如圖56所示，可W看出，該 多模變壓器由兩臺傳統(tǒng)變壓器Tl和T2串聯(lián)構(gòu)成；當輸入脈動直流111和等幅正弦形交流Il2組 合構(gòu)成的多模電流Ii時，經(jīng)過該多模變壓器的變化，在輸出的多模感應(yīng)電勢E4中，其脈動直 流部分E"仍回歸為脈動直流。圖中：Il、l2為多模電流，化、化為多模電壓，Ei、E2、&和E4為多 模感應(yīng)電勢，其中：&和E3大小相等方向相反，01、O 2為多模磁通;如圖57、58所示，111、121、 Ui1、Ei1、E21、拉1瓜1、巫11、巫21和巫31為其脈動直流部分，Il2、l22、貼、Ei2、E22、E32、E42、巫12、巫22和 (632為其等幅正弦形交流部分，其中脈動直流部分隨時間t其相位的變化，用序號表示，在圖
，如設(shè)^為50化，則/ =端，而6"與巫2減巫3袖位上差90*\迫使6"回歸為脈動直流。如圖 59、60所示，給出了所述多模變壓器其多模輸入和輸出電壓波形圖。當所述多模變壓器線圈 應(yīng)數(shù)聽等于巧時，其變壓比等于巧/巧>1。因而在實際應(yīng)用中，為了降低變壓損耗，所述 的多模變壓器，推薦作成超導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0087] 綜上所述，本發(fā)明已通過具體的實施例對其發(fā)明進行了詳述，當然不用說在本發(fā) 明的基礎(chǔ)上可根據(jù)已有技術(shù)的知識對本發(fā)明從屬權(quán)利要求所述的技術(shù)方案進行變化和組 合，但所有運些變化和組合均不超出其獨立權(quán)利要求所述的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種廣域電機，它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，包括機座、機殼、輸入輸出裝置、激勵繞 組、電樞、轉(zhuǎn)軸和磁隔離組件，其特征在于： a、 所述的激勵繞組為一種奇對稱性激勵磁場的N相激勵繞組，所述的電樞為一種奇對 稱性電樞，在所述的激勵繞組與電樞之間，于激勵的電路上設(shè)有一種同步器，通過該同步 器，建立起一種在磁路上對電樞為奇對稱性激勵的等幅反向士 180*3全激勵的步進式旋轉(zhuǎn)激 勵磁場或視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場的同步激勵;或/和 b、 所述的激勵繞組為一種偶對稱性激勵磁場的螺旋激勵繞組，所述的電樞為一種有繞 組電樞，在所述的激勵繞組與電樞之間，于激勵的磁路上對電樞采用一種磁路設(shè)計，通過該 磁路設(shè)計，建立起一種在磁路上對電樞為偶對稱性激勵的等幅同相激勵的自同步同步激 勵;和 c、 在所述的同步激勵中，其勵磁電流為直流、交流、脈沖或多模電流，所述的直流含脈 動直流。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣域電機，其特征在于所述的N相激勵繞組為一種三相激勵繞 組，該繞組設(shè)置在定子上，與電樞為一種端面對應(yīng)的軸向布局或/和籠形套裝對應(yīng)的徑向布 局，其中：在軸向布局中，所述激勵繞組其鐵芯由線槽均分為六瓣，導(dǎo)線在其中三瓣正繞，三 瓣反繞，并兩兩相串聯(lián);在徑向布局中，所述激勵繞組為籠形結(jié)構(gòu)，其軸向?qū)Ь€嵌入軸向槽 中，端面導(dǎo)線按公知的盤繞法繞制，從而構(gòu)建起等幅反向ilso* 3分布的奇對稱性激勵磁場， 在軸向布局與徑向布局之間，其激勵磁場對稱中心平面相互垂直，且處于同一平面;所述的 奇對稱性電樞設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，為一種單相繞組電樞;所述的同步器為一種設(shè)置在所述三相 激勵繞組電路中的環(huán)型換相開關(guān)，該開關(guān)由隨轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)的液態(tài)導(dǎo)電金屬接通或斷開， 并通過對其開關(guān)分布及角距的設(shè)計，從而設(shè)計出所述步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場的步進角度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣域電機，其特征在于所述的N相激勵繞組為一種電流環(huán)激勵 繞組，該繞組設(shè)置在定子上，與電樞為一種端面對應(yīng)的軸向布局，它由一匝或N匝電流環(huán)串 聯(lián)構(gòu)成，分為有鐵芯有導(dǎo)電隔片、有鐵芯無導(dǎo)電隔片或徑向線無鐵芯空心結(jié)構(gòu);所述的奇對 性電樞設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，為一種單相繞組電樞;所述的同步器為一種隨轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)的由液 態(tài)導(dǎo)電金屬接通的電流環(huán)電路接點對，該接點對在所述電流環(huán)直徑方向上呈兩點對稱分 布，并在隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的過程中與所述電流環(huán)的導(dǎo)電隔片或環(huán)體電接通，從而構(gòu)建起土 180°分布的奇對稱性激勵磁場，且通過對所述導(dǎo)電隔片沿同心角分布其疏密的設(shè)計，來設(shè) 計出所述步進式旋轉(zhuǎn)激勵磁場的步進角度，當無導(dǎo)電隔片或徑向線時，則通過所述接點對 在旋轉(zhuǎn)過程中，其觸點在環(huán)體的不斷位移，形成相數(shù)趨于無窮大的所述步進角度趨于零不 等于零的視在旋轉(zhuǎn)激勵磁場。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣域電機，其特征在于所述的螺旋激勵繞組設(shè)置在定子上或 轉(zhuǎn)子上，與對應(yīng)設(shè)置的電樞為一種端面對應(yīng)的軸向布局或/和籠形套裝對應(yīng)的徑向布局，所 述對電樞的磁路設(shè)計，其方案為： a、所述的有繞組電樞為一種奇對稱性的單相繞組電樞，該電樞在其端面和柱面，分別 相對立的設(shè)有覆蓋其半個端面和半個柱面的半圓形與半圓形筒形磁隔離組件，從而使其在 所述的螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，分別僅有半個端面和對面的半個柱面受 到激勵，這樣，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，同一匝導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電磁力矩，則避免了抵 消而有輸出，所發(fā)生的激勵則為偶對稱性的等幅同相半激勵的自同步同步激勵;或 b、所述的有繞組電樞為一種偶對稱性電樞，該電樞在其柱面上或端面上，設(shè)有圓對稱 性的泄磁凸緣，其繞組導(dǎo)線避開所述凸緣按公知技術(shù)同相繞制，并于所述凸緣上設(shè)置短路 補償環(huán)或短路線圈；或/和在所述凸緣上開設(shè)繞線線槽，其繞組導(dǎo)線在槽中按公知技術(shù)沿所 述凸緣一側(cè)順時針螺旋繞制，一側(cè)逆時針螺旋繞制的同向繞制，并也設(shè)置所述的短路補償 環(huán)或短路線圈；或者在上述基礎(chǔ)上再于電樞端面兼具設(shè)置導(dǎo)電銅盤或同向繞繞組;這樣，在 所述螺旋激勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，同一匝導(dǎo)線所產(chǎn)生的 感應(yīng)電勢或電磁力矩，則避免了抵消而有輸出，所發(fā)生的激勵則為偶對稱性的等幅同相全 激勵的自同步同步激勵;或 C、所述的有繞組電樞為一種偶對稱性電樞，該電樞在其柱面上或端面上，設(shè)有η個等距 的繞線齒，其繞組導(dǎo)線在該齒上按公知技術(shù)采用螺旋串繞的方法繞制，并在齒頂面的一邊 和鐵芯上沿同心角分布設(shè)有分路磁場的磁隔離組件，通過該磁隔離組件使激勵磁場在齒兩 邊產(chǎn)生分路，一路向上，一路向下，經(jīng)外磁路和導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸形成閉合回路，這樣，在所述螺旋激 勵繞組產(chǎn)生的等幅同相激勵磁場中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，同一匝導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或 電磁力矩，則避免了抵消而有輸出，所發(fā)生的激勵則也為偶對稱性的等幅同相全激勵的自 同步同步激勵。5. 根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的廣域電機，其特征在于所述的激勵繞組和電樞，在所述 的端面對應(yīng)軸向布局中均為前、后對稱設(shè)置，并在前、后電樞之間設(shè)有磁隔離組件，且采用 下列措施的多功能設(shè)計： a、 將所述的前、后電樞均設(shè)為線間絕緣的雙線繞繞組，當前、后電樞用直流或單向交流 激勵時，則構(gòu)成直流或單向交流電機；當前、后電樞分別用交流C相和B相激勵時，作兩相輸 出或輸入，則構(gòu)成二相交流電機，用雙線中其中一組單線繞組作輸出Uc端和U B端，另一組單 線繞組反向串聯(lián)作輸出UA端，作三相平衡電壓輸出或輸入，則構(gòu)成三相交流電機;或/和 b、 在前、后電樞之間設(shè)置一種公知技術(shù)的電磁離合器，通過該離合器使前或后電樞與 轉(zhuǎn)軸進行分、合，從而實現(xiàn)電機的全負荷或半負荷工作轉(zhuǎn)換;或 c、 設(shè)置一種由雙向可控硅構(gòu)成的含公知控制電路的標示器來標度和改變其雙向可控 硅的導(dǎo)通角，用公知的電學(xué)公式經(jīng)由該導(dǎo)通角計算得到的對應(yīng)關(guān)系來調(diào)整電機的工作電 壓、功率或轉(zhuǎn)速;或 d、 其中：根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的廣域電機，設(shè)置一種由公知技術(shù)的精密繞線電位器 構(gòu)成的標示器來標度和改變所述前、后電樞中心正向電流之間的夾角或電樞與激勵繞組之 間對稱中心平面的夾角，用公知的電學(xué)公式經(jīng)由該夾角計算得到的對應(yīng)關(guān)系來調(diào)整電機的 工作電壓、功率或轉(zhuǎn)速;或者用公知的電學(xué)公式將電機的工作電壓、功率和轉(zhuǎn)速分別換算為 以所述前、后電樞中心正向電流之間的夾角為變量的電壓模擬值，設(shè)置一種由一只或三只 公知技術(shù)的四位半數(shù)字電壓表構(gòu)成的標示器來標度和改變其對應(yīng)關(guān)系，從而調(diào)整電機的工 作電壓、功率或轉(zhuǎn)速。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的廣域電機，其特征在于所述的激勵繞組和電樞均為超導(dǎo)繞組， 并設(shè)有公知技術(shù)的4.2\液態(tài)氦冷卻系統(tǒng)，且其繞組導(dǎo)線材質(zhì)均為第二類硬超導(dǎo)合金Nb 3Sn， 從而構(gòu)成全超導(dǎo)電機。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的廣域電機，其特征在于所述的激勵繞組和電樞均為三個繞組， 且分別作A相、B相和C相的三相設(shè)置，用直流或脈動直流與等幅正弦形交流組合構(gòu)成的三相 多模電流激勵，作三相多模電壓輸出或輸入，則構(gòu)成三相多模電機;或者，在此基礎(chǔ)上再采 用下列措施的多功能設(shè)計： a、 在所述的A相、B相和C相之外，再設(shè)置D相作第四個繞組，其中：A、B和C相作三相多模 發(fā)電機，D相作直流電動機，則構(gòu)成三相多模發(fā)電機和直流電動機為一體的同構(gòu)電機;或 b、 將所述的A、B和C相均設(shè)為其繞組對稱中心平面相互垂直的繞組對，在對中將一組繞 組作三相多模發(fā)電機，另一組繞組作三相多模電動機，則構(gòu)成三相多模發(fā)電機和三相多模 電動機為一體的同構(gòu)電機。8. -種磁流體廣域發(fā)電機，它由定子和磁流體轉(zhuǎn)子兩部分組成，包括機座、機殼、激勵 繞組、輸入輸出裝置、磁流體發(fā)電導(dǎo)管及其保溫隔熱層，其特征在于所述的激勵繞組為螺旋 激勵繞組，且導(dǎo)線材質(zhì)為第二類硬超導(dǎo)合金Nb 3Sn，并設(shè)有公知技術(shù)的4.2\液態(tài)氦冷卻系 統(tǒng)，將所述激勵繞組按其激勵磁場中心平面與所述發(fā)電導(dǎo)管的軸線相垂直而成對并排設(shè) 置，且對間其激勵磁場大小相等方向相反，從而構(gòu)成一相或一個基本的單相自同步同步激 勵發(fā)電單元，由相位相差120* 3的三個相同的基本單相發(fā)電單元構(gòu)成一個基本的三相自同步 同步激勵發(fā)電單元;在每個基本的單相發(fā)電單元內(nèi)，其輸出電極按磁力線方向分三段設(shè)置， 即前段、中段和后段，段內(nèi)磁力線方向相同，將其插置于所述導(dǎo)管內(nèi)，并抵至軸心，且正、負 電極間絕緣后相互重疊，各段電極間按感應(yīng)電勢方向一致輸出接線;在所述發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)流 動的所述磁流體在正、負電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E，與正、負電極間的平均管內(nèi)環(huán)距L、磁流 體的流速V和所述激勵繞組產(chǎn)生的激勵磁場Bsincot，有函數(shù)關(guān)系:E= L.V.Bsincot;當η個 單元聯(lián)網(wǎng)發(fā)電時，貝U有函數(shù)關(guān)系:Ει=Ε2=Ε3=…En= Ln. Vn.Bnsin ω t，式中Bnsin ω t當為多模電 流時，則為Bn(l+sinω t)，且在所述的自同步同步激勵中，其勵磁電流為直流、交流、脈沖或 多模電流，所述的直流含脈動直流。9. 一種權(quán)利要求6或7所述廣域電機的專屬電力網(wǎng)，它由超高壓直流傳輸電力網(wǎng)和中、 低壓通用電力網(wǎng)組成，其特征在于： a、 所述的超高壓直流傳輸電力網(wǎng)，在其輸電始端，直接用權(quán)利要求6所述的全超導(dǎo)電機 作發(fā)電機發(fā)出超高壓直流，通過一根與大地建立回路的導(dǎo)線傳輸;或/和 b、 在所述超高壓直流傳輸電力網(wǎng)的輸出端，直接用權(quán)利要求7中a項多功能全超導(dǎo)一體 同構(gòu)電機對超高壓直流進行變壓和三相多模發(fā)電，輸出直流或脈動直流和等幅正弦形交流 組合構(gòu)成的中壓多模電壓，再對所述的中壓多模電壓，直接用權(quán)利要求7中b項多功能全超 導(dǎo)一體同構(gòu)電機進行變壓輸出，或者，對含脈動直流的所述中壓多模電壓，用兩臺傳統(tǒng)變壓 器串聯(lián)或?qū)⑵涑瑢?dǎo)設(shè)計后串聯(lián)構(gòu)成的多模變壓器進行變壓輸出，從而構(gòu)建起交流和直流兼 容的中、低壓通用多模電力網(wǎng)，為用戶提供直流和正弦形交流或脈動直流和正弦形交流制 式的用電選擇。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的專屬電力網(wǎng)，其特征在于在權(quán)利要求7所述多功能全超導(dǎo)一 體同構(gòu)電機基礎(chǔ)上，還共軸設(shè)有由公知技術(shù)的SMES儲能反饋控制系統(tǒng)供電的全超導(dǎo)直流助 力電動機，從而將電力網(wǎng)在用電低谷期時由SMES儲存的電能轉(zhuǎn)換成動力，對權(quán)利要求7中所 述多功能全超導(dǎo)一體同構(gòu)電機中的電動機進行助力，進而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。
【文檔編號】H02K3/12GK105827082SQ201610328276
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】焦聚義, 焦明, 焦陽
【申請人】焦聚義