CN101394112B - 一种高效发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效发电机，其外定子包括环形外定子铁芯和外定子绕组，延伸于外定子铁芯的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的内圆周表面槽，外定子绕组连续的绕制于外定子铁芯的内圆周表面槽和外圆周表面槽之上，在转子上，沿中心轴中心对称的设置有多对励磁体，每对励磁体的设置方式为，两励磁体朝向内圆周表面槽的一侧磁极的极性相反，两励磁体之间具有一定的间距，励磁体具有一定的厚度，以保证当转子转动时，其中一个励磁体通过一个内圆表面槽，该内圆表面槽内的绕组线圈切割励磁体的磁场，而另一个励磁体不通过任何一个内圆表面槽，该励磁体的磁场不被任何外定子绕组线圈切割。

Description

一种高效发电机

技术领域

本发明属于一种发电机，尤其指一种同步交流发电机。 

现有技术中的发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。其中，定子，由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由励磁、风扇及转轴等部件组成，由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。 

图1是一种典型的发电机的结构，其包括中心轴800，固定不动的定子801和可旋转的转子802，其中，转子802内设有励磁体，定子801为外定子，包括定子铁芯811和绕组812，定子铁芯811内表面设有轴向平行设置的延伸于整个定子铁芯的多个内圆周表面槽，其中，在这些凹槽内等间隔的设有绕组812；当转子由外力带动转动时，其内的励磁体激励绕组产生感生电动势，当绕组外接负载时，绕组内有电流流过，产生磁场，进而产生电磁力阻碍转子转动。这样，会使部分功率消耗掉，进而降低了发电机的效率。 

本发明的一个目的，在于解决现有技术中的不足之处，提供一种高效的发电机。 

为实现上述目的，本发明的高效发电机包括机壳、固定于机壳内中心轴、固定于机壳的外定子、以及与外定子同轴设置的可绕中心轴转动的转子；按照本发明，所述外定子包括环形外定子铁芯和外定子绕组，延伸于外定子铁芯的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的内圆周表面槽，外定子绕组连续的绕制于外定子铁芯的内圆周表面槽和外圆周表面槽之上，在转子上，沿中心轴中心对称的设置有多对励磁体，每对励磁体的设置方式为，两励磁体朝向内圆周表面槽的一侧磁极的极性相反，两励磁体之间具有一定的间距，励磁体具有一定的厚度，以保证当转子转动时，其中一个励磁体通过一个内圆表面槽，该内圆表面槽内的绕组线圈切割励磁体的磁场，而另一个励磁体不通过任何一个内圆表面槽，该励磁体的磁场基本不被任何外定子绕组线圈切割。 

优选的是，外定子铁芯还包括与内圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个外圆周表面槽。通过设置外圆周表面槽，一方面可以更牢靠的固定外定子绕组，另一方面，还可以减小磁阻，增加发电机的效率。 

进一步的，转子还包括固定装置，固定装置包括一对用以固定励磁体的圆盘和一对用以将圆盘耦接于中心轴的连接盘。 

优选的是，圆盘及连接盘由不导磁的材料制成，如不锈钢或铝合金。 

优选的是，还包括设置于转子与中心轴之间的，固定于中心轴的内定子，内定子包括环形的内定子铁芯和内定子绕组，延伸于内定子铁芯的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的外圆周表面槽，内定子绕组连续的绕制于内定子铁芯的外圆周表面槽之上。 

优选的是，内圆周表面槽的宽度是一个励磁体厚度的两倍，内圆周表面槽 间的内圆周间距(弧长)为内圆周表面槽宽(弧长)的两倍，任意两励磁体在外定子内圆面一端的间隔为四倍槽宽，任意两励磁体在内定子外圆的的一端的间距分别为交替出现的一倍槽宽和四倍槽宽。 

优选的是，励磁体的宽度也可以是外定子内圆周表面槽宽的一倍，这样外定子内圆周表面槽的槽间间隔为槽宽的三倍，任意两励磁体在外定子内圆面一端的间隔为五倍槽宽，任意两励磁体在内定子外圆的的一端的间距分别为交替出现的一倍槽宽和五倍槽宽。 

优选的，所述内定子的外圆周表面槽槽宽(弧长)等于外定子内圆周表面槽槽宽(弧长)，内定子外圆周表面槽的槽间距(弧长)等于外定子内圆周表面槽间的内圆周表面槽的槽间距(弧长)。 

优选的，内定子铁芯还包括与其外圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个内圆周表面槽。通过设置内圆周表面槽，一方面可以更牢靠的固定内定子绕组，另一方面，还可以减小磁阻，增加发电机的效率。 

进一步的，外定子铁芯内圆周表面与内定子铁芯外圆周表面的圆周弧长比为三比二。 

进一步的，励磁体呈多个中心对称的V字型设置。 

本发明的有益效果在于，通过在外定子的外圆周表面设置的凹槽，可以抵消产生的侧磁场，并因此减小了发电机所做的负功，增大了发电机的效率。 

附图说明

图1为现有技术中的一种发电机的结构原理图。 

图2为依照本发明的一种具体实施方式的高校发电机的结构剖视图。 

图3为图2中的剖视图的一个扇形部分的放大图。 

图4为依照本发明的一种具体实施方式的固定装置中的圆盘的结构图。 

图5为依照本发明的一种具体实施方式的外定子铁芯的结构图。 

图6为依照本发明的第二种具体实施方式中的高效发电机的结构剖视图。 

图7为图6中的剖视图的一个扇形部分的放大图。 

图8为依照本发明的第二种具体实施方式中的固定装置中的圆盘结构图。 

图9为依照本发明的第二种具体实施方式的外定子铁芯的结构图。 

图10为依照本发明的第二种具体实施方式的内定子铁芯的结构图。 

图11为中心轴配合内定子、转子后的的结构侧视剖视图。 

具体实施方式

本发明涉及一种高效高频发电机，用以高效的产生电能，下面结合附图，对本发明的特征作详细说明： 

图2为依照本发明的一种具体实施方式的高效高频发电机的结构剖视图，该高效高频发电机，参照图2，包括机壳1，设置于机壳内的中心轴2，固定于机壳1的外定子3，以及与外定子同轴设置的，可绕中心轴转动的转子4。其中，参照图3，转子4包括多组励磁体41和固定装置42，多组励磁体41沿中心轴2轴对称设置，每组励磁体包括第一励磁体411和第二励磁体412，第一励磁体和第二励磁体的设置于朝向外定子的一侧的磁极具有相反的磁性。例如，如果第一励磁体411的朝向外定子的磁极为N极，那么，第二励磁体朝向外定子的磁 极就为S极。 

多组励磁体41通过固定装置42固定于中心轴上，固定装置42包括一对固定励磁体的圆盘421和将圆盘421耦接于中心轴的连接盘422，图4示出了圆盘421的结构，如图所示，其具有供中心轴通过的中心孔423，以及连接轴流风扇或带轮的的固定孔424。多组励磁体41设置于两圆盘之间。圆盘需要由不导磁的材料制成，例如不锈钢或铝合金等。 

外定子3的结构如图3所示，包括环形外定子铁芯31和外定子绕组32，外定子铁芯的结构如图5所示，参照图5可见，延伸于外定子铁芯31的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的内圆周表面槽311和与内圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个外圆周表面槽312；其中，内圆周表面槽311的槽宽W1，(所述的槽宽以弧长计，此后相同)不小于第一励磁体411或第二励磁体412的宽度的两倍，相邻内槽间的外定子铁芯部分的间隔W2(所述的间隔以弧长计，此后相同)等于两倍的内圆周表面槽槽宽W1，外定子外圆周表面槽32的槽宽与外定子内圆周表面槽的槽宽相等。外定子绕组32连续的绕制于外定子铁芯31的内圆周表面槽和外圆周表面槽之上。 

其中，外定子铁芯31可以采用0.2或0.5毫米厚的硅钢片或其他软导磁材料冲制叠压制成。在每个内圆周表面槽及内圆周表面槽内还要垫入绝缘材料。例如绝缘纸等。 

外定子绕组32的缠绕方式如下：可以从外圆周表面槽向内圆周表面槽绕也可从内圆周表面槽向外圆周表面槽绕，两者任选其一。如图7所示是从外圆周表面槽槽A开始向内圆周表面槽槽B绕制，当这两个槽绕满或绕够预先设定的 匝数后，再从槽A斜绕到内圆周表面槽槽D后转到外圆周表面槽槽C。直到把槽C、D绕满后，再从槽C对角斜跨到内圆周表面槽槽F。以这样的方式，可以依次把所有的槽都绕上线。通过外定子铁芯每个槽的绕线匝数要相等，线的横截面积要相等。优选的，为了减少线圈内阻，可以把多根漆包线或纱包线并行绕制。 

当转子相对外定子转动，并且外定子绕组32的输出端连接负载时，绕组中有电流流过，此时，根据通电线圈内产生磁场的原理、外定子绕组32会产生磁场，每个槽内的绕组线圈产生的磁场的磁力线方向或磁极方向可由安培定则判定。运用安培定则把定子铁芯每个槽的绕组线圈产生的磁场极性都标示出来即可看出相邻两个槽之间的铁芯均为相反的两个极性。由于它们的极性相反，又在同一个区域内，因此，产生侧磁场可以相互抵消。由于磁场的磁感线并没有全部从铁芯内部走。总有一部分会从空气中穿过而到另一极，与变压器的漏磁现象相同，定子铁芯表面还会显现较弱的磁场。把通电时电流形成的磁场看作是电磁感应电流产生的磁场。这些磁场兑现磁感应系统做的总功为负功。感应电流受到的安培力是通过磁场来实现的，没有磁场就不会产生力。本发电机的电子线圈感应电流产生的磁场可抵消一部分。感应电流对电磁感应系统做的负功也相应减小，发电机的效率得到提高。 

多对励磁体41可以采用多个强磁永磁铁，励磁体的长度与外定子铁芯硅钢片叠装厚度相等或稍长。这样便于把励磁体固定在转子上，励磁体的厚度W3为磁极正对的槽的槽宽度的一半。假设内圆周表面槽的宽度为8毫米，励磁体的厚度即为4毫米。 

本发明的第二种具体实施方式中的高效发电机的结构剖视图如图6所示，包括包括机壳1，设置与机壳内的中心轴2，固定于机壳1的外定子3，与外定子同轴设置的，可绕中心轴转动的转子4，以及设置于转子4与中心轴2之间的，还包括固定于中心轴的内定子5。 

其中，参照图7，转子4包括多组励磁体41和固定装置42，多组励磁体41沿中心轴2轴对称设置，每组励磁体包括第一励磁体411和第二励磁体412，第一励磁体和第二励磁体的设置于朝向外定子的一侧的磁极具有相反的磁性。例如，如果第一励磁体411的朝向外定子的磁极为N极，那么，第二励磁体朝向外定子的磁极就为S极。 

多组励磁体41通过固定装置42固定于中心轴上，固定装置42包括一对用以固定励磁体的圆盘421和将圆盘耦接于中心轴2的连接盘422，图8示出了圆盘421的结构，如图所示，其具有供中心轴通过的中心孔423，以及连接轴流风扇或带轮的的固定孔424。多组励磁体41设置于两圆盘之间。圆盘需要由不导磁的材料制成，例如不锈钢或铝合金等。 

外定子3的结构如图7所示，包括环形外定子铁芯31和外定子绕组32。其中，外定子铁芯的结构如图9所示，参照图9，延伸于外定子铁芯31的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的内圆周表面槽311和与内圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个外圆周表面槽312；其中，内圆周表面槽31的槽宽W1等于第一励磁体411或第二励磁体412的宽度W3的两倍，相邻内槽间的外定子铁芯部分的间隔W2大于两倍的内圆周表面槽槽宽W1，外定子外圆周表面槽312的槽宽与外定子内圆周表面槽的槽宽相等。外定子绕组32连续的绕 制于外定子铁芯31的内圆周表面槽和外圆周表面槽之上。 

内定子5的结构如图7所示，包括环形的内定子铁芯51和内定子绕组52。其中，图10示出了内定子铁芯的结构，参照图10，延伸于内定子铁芯51的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的内圆周表面槽511和与内圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个外圆周表面槽512；其中，内圆周表面槽511的槽宽(弧长)W4可以等于第一励磁体411或第二励磁体412的宽度W3的两倍，相邻内槽间的内定子铁芯部分的弧长W5大于等于两倍的内圆周表面槽槽宽(弧长)W4，内定子外圆周表面槽512的槽宽与内定子内圆周表面槽的槽宽相等。内定子绕组52连续的绕制于内定子铁芯51的内圆周表面槽和外圆周表面槽之上。其绕制方式与外定子的绕组绕制方式相同。 

作为一种优选的实施方式，外定子铁芯31内圆周表面与51内定子铁芯外圆周表面的圆周弧长比为三比二。即内定子铁芯外圆周长应为外定子铁芯内圆周长的三分之二，内定子铁芯内圆周表面槽(或外圆周表面槽)的个数也为外定子铁芯的槽的个数的三分之二。外定子铁芯的内圆表面槽和内定子铁芯外圆表面槽的宽度和内圆周表面槽与槽之间间隔(弧长)比为一比二。例如，把内圆周表面槽的宽度(弧长)设为8毫米，那么，内圆周表面槽与槽之间的间隔(弧长)应为16毫米。 

作为另一种可行的实施方式，励磁体的宽度也可以是外定子内圆周表面槽宽的一倍，这样外定子内圆周表面槽的槽间间隔为槽宽的三倍，任意两励磁体在外定子内圆面一端的间隔为五倍槽宽，任意两励磁体在内定子外圆的的一端的间距分别为交替出现的一倍槽宽和五倍槽宽。 

外定子铁芯的外圆周面与内定子铁芯的内圆周面不是励磁正对面，它们的槽的宽度弧长与相邻槽与槽之间的间距弧长就不必按上述比例。 

此外，为了得到最佳的发电效果，同一个定子铁芯上的槽的宽度及深度均要相等。同一个圆周上的槽与槽之间间隔弧长也应相等。 

同一个定子铁芯，外定子铁芯或内定子铁芯，内圆周表面槽的个数与外圆周表面槽的个数要相等。具体个数由实际铁芯的圆周弧长及设计宽度决定。由于同一个定子铁芯内圆周表面弧长与外圆周表面弧长总是不相等。实际运用时，内圆周表面槽的个数与外圆周表面槽的个数相等。内定子铁芯内圆周表面相邻槽与槽之间间隔可以制作得很小，但不应为零。 

励磁体可以采用多个强磁永磁铁，当发电机的设计尺寸较大时，也可采用绕线式电磁铁；励磁体的长度与外定子铁芯硅钢片叠装厚度相等或稍长。这样便于把励磁体固定在转子上，励磁体宽度为外定子铁芯内圆与内定子铁芯外圆的磁极对应点距离，因为磁铁需要转动，所以励磁体宽度要比他们的直线距离稍微短一点点。只要励磁体转动时，不会与定子相摩擦即可。励磁体的厚度W2为磁极正对的槽的槽宽度的一半。假设外定子内圆周表面槽(或内定子外圆周表面槽)的宽度为8毫米，励磁体的厚度即为4毫米。 

当内定子铁芯外圆周长等于外定子铁芯内圆周长2/3时，外定子铁芯内圆周每间隔四倍槽宽弧长建立一个磁场。即与一块磁铁的一个磁极正对着，另一个磁极对着内定子铁芯外圆周表面。内定子铁芯外圆周磁场间隔有两种，一种为相邻的磁场的间隔为铁芯槽宽。另一种为相邻磁场间隔为铁芯槽宽四倍。以上的间隔尺寸取圆弧的长度。并非两点间的直线长度。 

圆盘内圆正好比内定子铁芯外圆稍大，转动时不会摩擦。圆盘外圆正好比外定子铁芯内圆稍小，转动时不会摩擦。参照图4、8，圆盘上所画阴影部分为励磁体的一条宽边的排放位置，在图7中，每对励磁体呈多个中心对称的V字型放置。阴影上下两端分别为一块励磁体的两个磁极，V字型底部两个励磁体411、412靠得很近的两磁极的间距弧长为为一个槽的槽宽(弧长)。如图所示。V字型下端磁极均正对着内定子铁芯外圆弧表面。V字型上端磁极正对着外定子铁芯内圆周表面。V字型上端的磁极间距为四倍槽间距(弧长)。如图7中位置X1所示的弧长，两相邻V字型摆放底部磁极的间距为四倍槽宽(弧长)，如图中位置X2所示的弧长。上面两磁极间距仍为四倍槽宽(弧长)。 

以上所述磁极正对定子铁芯的间距是在内定子铁芯外圆表面弧长为外定子铁芯的内圆周表面弧长的三分之二的情况下才适用。当遇到小定子铁芯外圆周长不为大定子铁芯内圆周长的三分之二时，相邻两励磁体磁极正对定子铁芯的间距应作相应调整。第一、第二励磁体不再符合对称V字摆放，无论相邻的相邻两磁极间的间距如何调整，一定要满足磁铁转动，定子铁芯线圈与磁铁作相对运动时，线圈切割磁极磁感线，且在同一个时间段内，同一个定子铁芯线圈切割的磁场极性相同，即都为N极磁场或都为S极磁场。只有满足以上条件，同一线圈同时切割多个磁场磁感线产生的电能才会使其累计。 

优选的，外定子铁芯内圆半径减去内定子铁芯的外圆半径，差值为60毫米，内定子铁芯的槽的深度为170毫米至200毫米之间，这样的铁芯利用率最高。 

如果在同一个时间段内，同一个定子线圈即有切割N极磁场，又有切割S极磁场，线圈切割多个磁场产生的感应电流方向用安培定则判断出来，结合铁 芯线圈的绕线方向。可以判断出线圈的感应电流方向不为同一个方向。有的电流方向为顺时针，有的为逆时针。同一线圈电流方向相反，产生的电能相互抵消。向外界提供的电能将大大降低，或根本不能输出电能。 

在安装内、外定子铁心时，先把内定子铁芯装到中心轴上，预先设定的位置，使内定子铁心5与中心轴2连为一体，再把转子4套到内定子铁芯51外圆周上，转子4通过其固定装置42借助一对轴承配合于中心轴2上，这样转子就可以绕中心轴自由旋转。固定装置42的其中一个圆盘安装轴流风扇，另一个圆盘安装皮带轮。外定子3安装到机壳1上。再把装有内定子铁芯及转子的中心轴放入外定子铁芯内圆中，让两定子铁芯线圈与转子正对。机壳1可以由两个有足够承压能力的端盖连接组成，其内圆周面可以具有通风槽11，以便轴流风扇产生的风可以流过，从而为外定子降温，机壳的外圆周表面可以设置锯齿形槽12，以便进一步散热。中心轴2，参照图2、11与内定子相配合的部分也可以设置轴向通风槽21，这样，轴流风扇产生的风也可从该槽流过，进而为内定子降温。 

外定子绕组32和内定子绕组52的接线端可以从机壳1引出，作为输出。 

在固定机壳与中心轴之前，应先转动中心轴使内定子铁芯的槽与外定子铁芯的部分槽的中点与圆心在一条直线上，如图所示。这样可以减小磁阻，增加穿过线圈绕组的磁通量，增大磁感应量。 

按照要求把内定子、外定子和转子都装好后。外力经皮带轮驱动转子绕中心轴做圆周运动。内、外定子绕组32由于电子感应作用在定子绕组中便感应出电动势。在同一段时间，同一个定子铁芯绕组感应的电流方向用右手定则判定。 各匝线圈感应的电流方向相同。电动势相加。线圈首尾两端有电位差，能向外界输送电能。当励磁转子和定子铁芯尺寸和绕组匝数设计合理时，在额定转速下发电机可发出额定电压，向外界输出额定电流。由于本发电机的励磁极对数较多，所以发电的频率较电网频率要高。 

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。 

Claims (11)

1.一种发电机，包括机壳、固定于机壳内中心轴、固定于机壳的外定子、以及与外定子同轴设置的可绕中心轴转动的转子；其特征在于：所述外定子包括环形外定子铁芯和外定子绕组，延伸于外定子铁芯的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的内圆周表面槽，外定子绕组连续的绕制于外定子铁芯的内圆周表面槽和外圆周表面槽之上，在转子上，沿中心轴中心对称的设置有多对励磁体，每对励磁体的设置方式为，两励磁体朝向内圆周表面槽的一侧磁极的极性相反，两励磁体之间具有一定的间距，励磁体具有一定的厚度，以保证当转子转动时，其中一个励磁体通过一个内圆表面槽，而另一个不通过任何一个内圆表面槽。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：外定子铁芯还包括与内圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个外圆周表面槽。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：转子还包括固定装置，固定装置包括一对用以固定励磁体的圆盘和一对用以将圆盘耦接于中心轴的连接盘。

4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于：圆盘和连接盘由不导磁的材料制成。

5.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于：圆盘和连接盘由不锈钢或铝合金制成。

6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：还包括设置于转子与中心轴之间的，固定于中心轴的内定子，内定子包括环形的内定子铁芯和内定子绕组，延伸于内定子铁芯的轴向有多个具有相同槽宽和槽深的外圆周表面槽，内定子绕组连续的绕制于内定子铁芯的外圆周表面槽之上。

7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于：外定子内圆周表面槽的宽度是一个励磁体厚度的两倍，内圆周表面槽间的内圆周间距为内圆周表面槽宽的两倍，任意两励磁体在外定子内圆面一端的间隔为四倍槽宽，任意两励磁体在内定子外圆的的一端的间距分别为交替出现的一倍槽宽和四倍槽宽。

8.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于：励磁体的宽度是外定子内圆周表面槽宽的一倍，这样外定子内圆周表面槽的槽间间隔为槽宽的三倍，任意两励磁体在外定子内圆面一端的间隔为五倍槽宽，任意两励磁体在内定子外圆的的一端的间距分别为交替出现的一倍槽宽和五倍槽宽。

9.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于：所述内定子的外圆周表面槽槽宽等于外定子内圆周表面槽槽宽，内定子外圆周表面槽的槽间距等于外定子内圆周表面槽间的内圆周表面槽的槽间距。

10.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于：内定子铁芯还包括与其外圆周表面槽数量、槽宽相等的，径向设置位置相同的多个内圆周表面槽。

11.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：励磁体呈多个中心对称的V字型设置。

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