CN101288218B - 自调整的永磁发电机 - Google Patents

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Abstract

一种交流发电机，包括：永磁装置，用于产生旋转的磁场；电枢装置，用于容纳与所述永磁场相邻并且位于所述旋转的磁场内的至少两个磁场绕组；所述电枢装置的初级绕组，所述初级绕组连接到负载；和次级绕组，在所述电枢上从所述初级绕组偏移，所述次级绕组连接到电容性负载。

Description

自调整的永磁发电机
技术领域
本发明涉及一种交流发电机。
背景技术
1831年11月24日，在向英国皇家学会(Royal Society)宣读的论文中法拉第宣告了电磁感应的发现。发明家们立即开始开发各种设计方案的磁电机器。因此，在1832年，已经获知电流经过导体会产生磁场。过去已经创立了力线的概念，并且已经获知导线的线圈在永磁体的磁场内旋转将引起在导线中产生电压。
发电机包括两部分：磁场系统，其中早期的机器包括简单或复合的永磁体；和线圈或绕组系统，在其中产生电，这是都熟知的知识。两个系统的相对运动是必不可少的；然而，是磁体还是线圈移动并不重要，而且事实上，两种类型的结构都已使用。
在法拉第实验室证明后，向公众展示的第一个磁电机器1832年由Hippolyte Pixii在巴黎展出。在该机器中，场磁体相对于线圈旋转。其由手驱动，并且只不过是工作模型；但其仍然是根据法拉第原理构造的第一个实际的发电机。
发电机商业规模上的第一次生产是由E.M.Clarke进行的。在19世纪30年代，他作为科学仪表制造商在伦敦做生意。Clarke的设计与前人的不同之处在于，使得线圈在与磁体侧面平行的平面中旋转。Clarke似乎是第一个利用不同类型绕组进行试验的人，并且很快发现他可改变输出以适应使用者的需要。
1855年4月11日，英国专利No.806被授予丹麦的Soren Hjorth，标题为“改进的磁电电池(an improved magneto-electric battery)”。所描述的机器为发电机，其主励磁由电磁体获得。Hjorth认识到了可从电磁场系统获得的优点，即，磁场的场强可改变。他的专利附图显示了一种机器，其中使带有一系列线圈的旋转圆盘在两排(bank)电磁体之间转动，除此之外还有用于提供起始励磁的永磁体。
1866年12月，E.W.Von Siemens向柏林科学院(Berlin Academyof Sciences)递交了论文，描述了在没有使用永磁体的情况下将机械能转化为电能。1867年2月14日，他的兄弟Charles Siemens将论文内容告知伦敦的英国皇家学会，并且展示了手动驱动的模型发电机，证明了自励磁原理。
今天，通常认为Zenobe Gramme构造了第一个能够产生真正的连续电流的发电机。到1873年，Gramme公司在英国威斯敏斯特的钟塔提供了供公众试用的机器。到1874年，Gramme的发电机用于法国海军的至少两艘大型军舰中和俄国海军的一些舰艇中。
因此，发电技术的整个历史是从使用永磁场系统到使用电磁自励磁发电机的进步。这种进展的原因是，由永磁场励磁的同步交流发电机(即恒定转速交流发电机)产生与置于其上的负载成反比的电压。当负载增加时，输出电压降低。永磁交流同步发电机的这种缺点使其直到今天还不能得到商业使用。现有技术教导的所有传统发电机，即使用电磁体进行场励磁的那些发电机必须具有那些通过滑环或换向器电连接的旋转绕组。这些滑环或换向器及其相关联的电刷会由于磨损而发生故障。这样的滑环和换向器必须更换或维修。它们提出了本发明之前的现有技术没有克服的问题。
交流电由以固定旋转速度运行的发电机产生。这些发电机使绕组移动经过磁场，根据法拉第定律感应出电流。当感应电流的磁场是恒定的，并且导体经过磁场的速度也是恒定的时，则由发电机产生的电压将是置于发电机上的负载的正函数。当负载增加时，根据众所周知的用于预测交流电路行为的电学定律，输出电压将降低。
如果以恒速运行的交流发电机中的磁场通过永磁体的运动产生，则主磁场的磁场强度恒定；并且因此发电机的电压输出将与置于发电机输出上的负载成反比关系。电压输出与负载的这种反比关系直到今天还阻碍将永磁体用作同步交流发电机中的主磁场。由于永磁发电机不需要电连接到带有提供主磁场的永磁体的发电机的旋转部，因此永磁发电机简单、可靠。
本发明人了解到没有任何现有技术教导了在变化的电负载下以恒定速度运行并且避免了发电机电压随着负载增加而降低的老问题的永磁交流发电机。
大多数电负载包括需要进行电压调整以正确运行的电设备。由于其固有地固定的磁场，因此永磁交流发电机不能提供经过调整的电压输出。现有技术教导了电压调整绕场发电机(voltage regulated woundfield generator)的使用，其中，发电机用于产生磁场的部分为电磁体，其场强可根据置于主发电机上的负载需要通过电或磁反馈回路来改变。
这些绕场发电机依赖各种电压调整方式。例如，交流发电机可通过改变产生发电机的主磁场的电磁绕组的场强来提供电压调整，以便补偿由于对发电机输出的加载产生的电枢反应。这可通过使用外部电或磁电压调整器的反馈回路来实现。这些电压控制方式是电器设计领域的任何技术人员公知的。另外，现有技术还教导了使用距主绕组约90度设置的分离励磁绕组。这些励磁绕组通过增加电压来对主负载作出反应，这样就增大了主磁场，并且由此补偿由于对发电机输出施加的负载增加而产生的电抗。使主绕组经过外部无刷发电机的磁场也是现有技术中公知的，这具有增加主磁场强度来补偿增加的负载的作用。
发明内容
本发明为一种永磁发电机，其中主旋转磁场由永磁体提供。负载连接到缠绕在电枢周围的主绕组，所述电枢进一步设置有从初级绕组偏移90度并且连接到电容性负载的次级绕组。电容性负载的值选择成使得当对初级绕组施加满负载时，次级绕组的电抗将抵消初级绕组的电抗。
根据本发明，提供了一种交流发电机，包括：
a.永磁装置，用于产生旋转的永磁场；
b.电枢装置，用于容纳至少两个磁场绕组，所述磁场绕组与用于产生旋转的永磁场的所述永磁装置相邻并且位于所述永磁场内，所述磁场绕组包括初级绕组和次级绕组；
c.所述初级绕组在所述电枢装置上，连接到负载；和
d.所述次级绕组在所述电枢装置上从所述初级绕组偏移，所述次级绕组连接到电容性负载。
优选地，当横跨初级绕组施加满负载时，所述电容性负载的电枢电抗等于所述初级绕组的电枢电抗。
优选地，当横跨所述初级绕组施加满负载时，所述电容性负载的电枢电抗等于所述初级绕组的电枢电抗，并且所述偏移为约90度。
优选地，当横跨所述初级绕组施加满负载时，所述电容性负载的电枢电抗等于所述初级绕组的电枢电抗，所述偏移为约90度，并且所述永磁场以恒定角速度旋转。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例构造的发电机的示意性剖视图。
具体实施方式
永磁体101在轴103上沿箭头105所示的方向旋转。环形电枢107呈圆柱状围绕永磁体101。电枢107和永磁体101形成环状空间109。
电枢107适配有初级绕组槽111，所述初级绕组槽111容纳初级绕组113。初级绕组113与负载115并联连接，负载115为电负载。
电负载115可以是任何设备，这种设备的正常运行需要受到控制的电压。
电枢107还配备有从初级绕组偏移90度的次级绕组通道117，所述次级绕组通道117容纳次级绕组119。次级绕组119与电容性负载121并联连接。
电容性负载121的值选择成使得由电容性负载121和次级绕组119产生的电抗将与由电阻性负载115和初级绕组113形成的电路产生的电抗成正比。
本发明的初级绕组和次级绕组可以是单相或多相绕组。如果次级绕组为多相绕组，则电容性负载121将是多相电容性负载。
由永磁体101产生的永磁场(图中未示出)绕着电枢107旋转，在初级绕组113和次级绕组119中感应出电压。在满载时，电容性负载121具有足够的电容来提供等于负载115的电枢电抗的所需电枢性(armative)电抗。
从功能上讲，本发明中，在空载情况下，由旋转的永磁体101和连接到电容性负载121的次级电绕组119产生的励磁的矢量和将产生横跨初级绕组113的发电机标称输出电压。
当负载115横跨初级绕组113连接时，初级绕组的电抗将由次级绕组119和电容性负载121的电抗抵消。次级绕组119从初级绕组113偏移约90度，因而绕组119的电抗将与绕组113上的负载成正比。
因此，从空载到满载的情况下，由本发明教导的永磁交流发电机电压输出都相对恒定。因而，本发明由此实现永磁同步交流恒速发电机的电压调整而没有使用连接到任何绕场的外部调整器。
本发明人相信，本发明为交流恒压发电机技术领域中的全面进步。在本发明人看来，本发明的新颖性的结果是其能够提供恒速永磁发电机的电压调整输出而没有使用绕场。因而，虽然上面的示意性示例显示了本发明优选实施例的一般情况，但是本发明不应限于该特定实施例，而是应仅由所附权利要求及其等同物的范围限定。

Claims (4)

1.一种交流发电机，包括：
a.永磁装置，用于产生旋转的永磁场；
b.电枢装置，用于容纳至少两个磁场绕组，所述磁场绕组与用于产生旋转的永磁场的所述永磁装置相邻并且位于所述永磁场内，所述磁场绕组包括初级绕组和次级绕组；
c.所述初级绕组在所述电枢装置上，连接到负载；和
d.所述次级绕组在所述电枢装置上从所述初级绕组偏移，所述次级绕组连接到电容性负载。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中，当横跨初级绕组施加满负载时，所述电容性负载的电枢电抗等于所述初级绕组的电枢电抗。
3.根据权利要求1所述的发电机，其中，当横跨所述初级绕组施加满负载时，所述电容性负载的电枢电抗等于所述初级绕组的电枢电抗，并且所述偏移为约90度。
4.根据权利要求1所述的发电机，其中，当横跨所述初级绕组施加满负载时，所述电容性负载的电枢电抗等于所述初级绕组的电枢电抗，所述偏移为约90度，并且所述永磁场以恒定角速度旋转。
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