CN101997399A

CN101997399A - 一种感应式磁能发电机

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Publication number: CN101997399A
Application number: CN2010102897070A
Authority: CN
Inventors: 李贵祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2011-03-30

Abstract

本发明涉及一种感应式磁能发电机，主要包括定子磁环、转子磁铁、转子轭、输入轴、感应绕组、磁桥铁芯和原动机。定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的四对极或四对极以上的磁环，磁环的磁极数量是4的公倍数；4个或4个以上的转子磁铁平均分布在转子轭上，其中，有一半转子磁铁的S极向轴排列，另一半转子磁铁的N极向轴排列；定子磁环的磁极数量是转子磁铁数量的2倍，两者都是偶数；磁桥铁芯作为转子磁铁和/或定子磁环的磁路，磁桥铁芯上设有感应绕组。原动机带动转子转动时，转动的转子磁铁相对于定子磁环是一个交变的磁场，转子磁铁和定子磁环的恒定磁场变成脉动磁场，通过磁桥铁芯的磁通量交替发生改变，感应绕组感应到电动势且产生电流。

Description

一种感应式磁能发电机

技术领域

本发明涉及一种能源、电力系统，特别是一种感应式磁能发电机。

技术背景

1821年法拉第发现通电导线能绕永久磁铁旋转，发明了永磁电机。1857年英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，发明了电励磁方式，开创了电励磁电机的新纪元。但以上电机都只是能量转换的工具。

现有技术：本人申请的“感应式磁能发电机”，转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的四对极或四对极以上的磁环，4个或4个以上定子磁铁对称或平均分布在磁环的周围，用机械的方法使转子磁环相对于定子磁铁是一个交变的磁场，转子磁环的S极与N极交替对定子磁铁产生吸力和斥力，定子磁铁和转子磁环的磁通发生交替变化，定子磁铁和转子磁环的恒定磁场变成脉动磁场，磁桥作为定子磁铁和/或转子磁环的磁路，经过磁桥的磁通交替发生改变，设在磁桥上的感应绕组感应到电动势且产生电流。

本发明将转子磁环改为定子磁环，定子磁铁改为转子磁铁，使磁桥铁芯绕组的尺寸变得更小、更紧凑，同时也使得磁能发电机的尺寸变得更小、更紧凑，效率更高、成本更低。

发明内容

本发明是这样实现的：一种感应式磁能发电机，主要包括定子磁环(1)、转子磁铁(2)、转子轭(3)、输入轴(4)、感应绕组(5)、磁桥铁芯(6)、机壳(7)和原动机，其特征是：

a.定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的四对极或四对极以上的磁环，磁环的磁极数量是4的公倍数；4个或4个以上的转子磁铁平均分布在转子轭上，转子磁铁的数量是2的公倍数，其中，有一半转子磁铁的S极向轴排列，另一半转子磁铁的N极向轴排列；定子磁环的磁极数量是转子磁铁数量的2倍，两者都是偶数；

b.磁桥铁芯作为转子磁铁和/或定子磁环的磁路的一部分，架设在转子磁铁内侧的磁极之间和/或架设在定子磁环外侧的磁极之间；磁桥铁芯用硅钢片叠压而成，磁桥铁芯上设有感应绕组；

c.原动机与输入轴连接，转子转动所需的动力由原动机提供，用机械转动的方法使转子磁铁相对于定子磁环成为一个交变的磁场，使转子磁铁和定子磁环的恒定磁场变成脉动磁场，从而使通过磁桥铁芯的磁通量交替发生改变，由感应绕组感应到电动势且产生电流。

工作原理：原动机带动转子转动时，转动的转子磁铁相对于定子磁环是一个交变的磁场，定子磁环的S极与N极交替对转子磁铁产生吸力和斥力，转子磁铁和定子磁环的磁通发生交替变化，转子磁铁和定子磁环的恒定磁场变成脉动磁场，通过磁桥铁芯的磁通量交替发生改变，感应绕组感应到电动势且产生电流。

由于定子磁环的磁极数量是转子磁铁的磁极数量的2倍，而且转子磁铁的磁极有一半S极对轴排列，另一半N极对轴排列，无论转子转到哪个角度，转子磁铁受到的来自定子磁环的吸力和斥力是相互抵消的，理论上转子磁铁受到的吸力和斥力的合力为零。因此转子转动所需克服的只是磨擦力。但实际上定子磁环和转子磁铁的各个磁极的磁通量难以做到完全一致，因此转子仍会受到少量来自磁环与磁铁的不能相互抵消的吸力和斥力的影响。

从总体上看，转子转动所需克服的阻力是很小的，而磁桥铁芯绕组感应电动势所输出的能量远远大于转子转动所需消耗的能量，从而实现能量的放大。

定子磁环的磁极数量是4的公倍数，如8极、12极、16极、20极等，用磁对极来表述则是4对极、6对极、8对极、10对极等等。8极(或4对极)的定子磁环相当于磁环有4个S极向外、4个N极向外和4个S极向内、4个N极向内。12极(或6对极)的永磁体磁环相当于磁环有6个S极向外、6个N极向外和6个S极向内、6个N极向内。

转子磁铁的数量是2的公倍数，如4个、6个、8个、10个等等。定子磁环的磁极数量是转子磁铁的数量的2倍，4个转子磁铁与8极(或4对极)转子磁环匹配，6个转子磁铁与12极(或6对极)定子磁环匹配，8个转子磁铁与16极(或8对极)定子磁环匹配，余此类推。

转子磁铁既可以S极与N极相间平均分布在转子轭上，也可以参照步进电机的磁铁排列组合方式，按一定的规则排列组合。永久磁铁的S极与N极的排列组合方式有：S-N-S-N或S-S-N-N或S-S-S-N-N-N或S-S-N-S-N-N或S-S-N-S-N-N-S-N等多种方式。定子磁环作用于以上排列组合方式的转子磁铁的吸力和斥力，理论上都可以完全相互抵消。

所述转子磁铁为永久磁铁或电磁铁，定子磁环是永磁体磁环或电磁铁磁环或混励式磁环。

转子磁铁和定子磁环的磁极方向为径向或切向或轴向。

电磁铁磁环是由8个或8个以上电磁铁组成的、磁极设定为S极与N极相间排列的4对极或4对级以上的磁环。电磁铁由铁芯和励磁绕组组成，铁芯一般由硅钢片叠压而成，励磁绕组为绕线型绕组或鼠笼型绕组。整个磁环的铁芯可以做成一个整体，也可以做成一个个独立的个体。磁环的各个励磁绕组可以用串联或并联的方法接线。

4对极(又称为8极)永磁体磁环由8块S极与N极相间排列的永久磁铁组成，6对极(12极)永磁体磁环由12块S极与N极相间排列的永久磁铁组成，8对极(16极)永磁体磁环由16块S极与N极相间排列的永久磁铁组成，余此类推。组成磁环的永久磁铁为弧形或扇形或梯形或方形永久磁铁。

此外，可以利用充模或压模的方法制造一个完整的磁环，然后在一个特制的夹具中进行充磁，采用该方法加工出的4对极或4对极以上(8极或8极以上)的永磁体磁环。磁环的磁对极数是2的公倍数，如6对极、8对极等等。

定子永磁体磁环为圆形永磁体磁环或正多边形永磁体磁环，转子永久磁铁为弧形或扇形或梯形或方形永久磁铁。

永磁体磁环包括普通阵列磁环和基于Halbach阵列的磁环。普通阵列磁环包括径向阵列磁环、切向阵列磁环和轴向阵列磁环，磁极方向分别为径向、切向和轴向。Halbach阵列磁环是由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成的四对极或四对极以上的永磁体分布形式的磁环，磁环的S极和N极相间排列。根据Halbach阵列，4对极的磁环至少由16块磁钢组成，通常4对极的磁环由16块或24块或48块磁钢组成。这种Halbach阵列磁环，磁场增强的一边对着气隙或磁桥，这样工作磁通得到增加，非工作磁通减少，使磁能发电机的功率密度相对得到了提高。正是由于Halbach阵列磁环存在以上优点，使得磁环的背铁采用铁磁性以外的材料制造成为可能。Halbach阵列磁环同样可以利用充模或压模的方法制造成一个完整的磁环。

无论磁环是一个完整的磁环还是由多块永久磁铁组成的磁环，都适宜事先将磁环固定在机壳或定子轭上再用特制的夹具进行充磁。其充磁方法与永磁电机的充磁方法相同。

电磁铁磁环也包括普通阵列磁环和基于Halbach阵列的磁环。普通阵列磁环包括径向阵列磁环、切向阵列磁环和轴向阵列磁环，磁极方向分别为径向、切向和轴向。Halbach阵列电磁铁磁环是由16个或16个以上径向电磁铁与切向电磁铁和/或三角形电磁铁组成的4对极或4对极以上的电磁环。

混励式磁环是由径向和/或切向和/或轴向电磁铁与径向和/或切向和/或斜向和/或轴向永久磁铁组成的4对极或4对极以上的磁环，磁环中的永久磁铁与电磁铁相间而设。

混励式磁环也分为混励式普通阵列结构的磁环和混励式Halbach阵列结构的磁环两类。

永久磁铁与电磁铁在混励式普通阵列磁环中的组合模式为：径向永久磁铁+径向电磁铁或轴向永久磁铁+轴向电磁铁。

永久磁铁与电磁铁在混励式Halbach阵列磁环中的主要有以下5种组合：

(1)径向永久磁铁+切向电磁铁

(2)切向永久磁铁+径向电磁铁

(3)径向电磁铁+切向永久磁铁+切向电磁铁+切向永久磁铁

(4)径向电磁铁+斜向永久磁铁+切向电磁铁+斜向永久磁铁

(5)径向电磁铁+斜向永久磁铁+切向电磁铁+径向永久磁铁+切向电磁铁+斜向永久磁铁

若磁环的磁极方向为轴向，则转子磁铁设在定子磁环的一侧或两侧，普通阵列的轴向转子磁环的两侧都可以有转子磁铁，而Halbach阵列磁环则在磁场增强的一侧设转子磁铁。当转子磁铁只设在磁环的一侧时，转子磁铁磁极的数量是磁环磁极数量的一半，当定子磁环的两侧都设有转子磁铁时，转子磁铁磁极的数量与定子磁环磁极的数量相同。同样，若磁环的磁极方向为径向或切向，转子磁铁可以设在定子磁环的外侧，也可以设在定子磁环的内侧，或定子磁环的内侧和外侧都设有转子磁铁，转子磁铁的磁极数量是定磁环的磁极数量的一半或相同。

磁能发电机为感应式永磁能发电机或感应式电磁能发电机或感应式混合励磁磁能发电机或感应式多段磁能发电机或感应式并列混合励磁磁能发电机。永磁能发电机的定子磁环和转子磁铁全部是永久磁铁；电磁能发电机的定子磁环和转子磁铁全部是电磁铁；混合励磁磁能发电机中的定子磁环为永磁体磁环、转子磁铁为电磁铁，或者，定子磁环为电磁铁磁环、转子磁铁为永久磁铁，或者，定子磁环为混励式磁环、转子磁铁为永久磁铁，或者，定子磁环为混励式磁环、转子磁铁为电磁铁；多段式磁能发电机的定子磁环有二段或二段以上，转子磁铁有二段或二段以上，定子磁环为永磁体磁环或电磁铁磁环或混励式磁环，转子磁铁为永久磁铁或电磁铁；并列式混合励磁磁能发电机的定子磁环为永磁体磁环和电磁铁磁环并列的多段式磁环，转子磁铁为永久磁铁和电磁铁并列的多段式磁铁。

磁桥铁芯分为转子磁桥铁芯和定子磁桥铁芯。转子磁桥铁芯作为转子磁铁的主要磁通路，架设在转子磁铁的内侧磁极上。两个转子磁铁之间设一个磁桥铁芯，一个磁桥铁芯上设一个感应绕组，或者，把磁桥铁芯做成一个整体，在磁桥铁芯上设多个感应绕组。定子磁环的两个磁极之间设一个磁桥铁芯，一个磁桥铁芯上设一个感应绕组，或者，把磁桥铁芯做成一个整体，在磁桥铁芯上设多个感应绕组。

由于Halbach阵列磁环的磁场是单边磁场，当Halbach阵列定子磁环磁场增强的一边对着转子磁铁时，只设转子磁桥铁芯绕组，而不设定子磁桥铁芯绕组；当Halbach阵列定子磁环磁场增强的一边对着机壳时，只设定子磁桥铁芯绕组，而不设转子磁桥铁芯绕组。

磁桥铁芯用导磁性材料制成，一般用硅钢片叠压而成。机壳用非导磁材料或导磁材料制成，当机壳作为主磁路的一部分时，机壳用软铁材料制成。转子轭用非导磁性材料制成。

原动机通常为带有蓄电池的电动机。机器起动后，磁能发电机产生的部分电能输送回电动机或蓄电池，以维持磁能发电机的持续循环运转。电动机运转所需的电能也可以由外来电源提供。水轮机等，也可以作为原动机。

与普通的发电机一样，电励磁及电能的输出需要有接线盒。与普通的发电机一样，磁能发电机的电磁铁和感应绕组在工作的过程中会产生热能，发电机需要加设风扇或液体冷却装置。与普通发电机一样，磁能发电机的电励磁需要用整流二极管或单向可控硅整流，将交流电转换成直流电输出也需要用整流二极管或单向可控硅整流。

跟普通发电机一样，磁能发电机分为直流式和交流式两大类，按相数分又为单相和三相发电机。单相与三相发电机的区别在于接线方法的不同。

附图说明

图1为本发明第一实施例截面结构示意图。

图2为本发明第二实施例截面结构示意图。

图3为本发明第三实施例截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

第一实施例

参见图1，一种感应式永磁能发电机，主要包括定子磁环(1)、转子磁铁(2)、转子轭(3)、输入轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥铁芯(6)、机壳(7)、定子磁桥铁芯(6.1)、定子感应绕组(5.1)、接线盒和原动机，其特征是：定子磁环是由12块磁钢组成的S磁极和N磁极相间排列的六对极永磁体磁环；转子磁铁是永久磁铁，6个转子磁铁S极与N极相间排列，平均分布在转子轭上，其中，有三个转子磁铁的S极向轴排列，有三个转子磁铁的N极向轴排列；定子磁环的磁极数量是转子磁铁数量的2倍；转子磁桥铁芯作为转子磁铁的主磁路，转子磁桥铁芯上设有感应绕组，每两个转子磁铁的内侧磁极之间架设有一个转子磁桥铁芯，共有3个转子磁桥铁芯；定子磁桥铁芯作为定子磁环的主磁路，定子磁桥铁芯上设有感应绕组，磁环外侧的每两个磁极之间架设有一个定子磁桥铁芯，共有6个定子磁桥铁芯。原动机与输入轴连接，原动机带动转子转动时，转动的转子磁铁相对于定子磁环是一个交变的磁场，定子磁环的S极与N极交替对转子磁铁产生吸力和斥力，转子磁铁和定子磁环的磁通发生交替变化，转子磁铁和定子磁环的恒定磁场变成脉动磁场，经过转子磁桥铁芯和定子磁桥铁芯的磁通交替发生改变，设在磁桥铁芯上的感应绕组感应到电动势且产生电流。感应绕组产生的电流通过接线盒向外输出。

第二实施例

参见图2，一种基于Halbach阵列磁环的感应式永磁能发电机，主要包括定子Halbach阵列磁环(1.1)、转子磁铁(2)、转子轭(3)、输入轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥铁芯(6)、机壳(7)、接线盒和原动机。定子Halbach阵列磁环是由8块径向永磁体、8块切向永磁体和32块斜向永磁体组成的四对极永磁体分布形式的磁环，磁环的S极和N极相间排列，磁环固定在机壳上，磁环磁场增强的一边对着转子。转子磁铁是永久磁铁，4个转子磁铁S极与N极相间排列，平均分布在转子轭上。转子磁桥铁芯作为转子磁铁的主磁路，转子磁桥铁芯上设有感应绕组，每两个转子磁铁的内侧磁极之间架设有一个转子磁桥铁芯，共有2个转子磁桥铁芯。由于Halbach阵列磁环的磁场是单边磁场，磁场增强的一边对着转子，所以不设定子磁桥铁芯及定子感应绕组。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第三实施例

参见图3，一种基于混励式Halbach阵列磁环的感应式磁能发电机，主要包括定子混励式Halbach阵列磁环(1.2)、转子磁铁(2)、转子轭(3)、输入轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、机壳(7)和原动机。定子混励式Halbach阵列磁环是一种由8块切向永久磁铁和8个径向电磁铁组成的4对极磁环，磁环的永久磁铁和电磁铁相间而设。其余未述部分同第一、第二实施例，不再重复。

Claims

1.一种感应式磁能发电机，主要包括定子磁环(1)、转子磁铁(2)、转子轭(3)、输入轴(4)、感应绕组(5)、磁桥铁芯(6)、机壳(7)和原动机，其特征是：

2.根据权利要求1所述一种感应式磁能发电机，其特征是所述转子磁铁为永久磁铁或电磁铁，定子磁环是永磁体磁环或电磁铁磁环或混励式磁环。

3.根据权利要求2所述一种感应式磁能发电机，其特征是转子磁铁和定子磁环的磁极方向为径向或切向或轴向。

4.根据权利要求2所述一种感应式磁能发电机，其特征是永磁体磁环是由8块或8块以上永久磁铁组成的4对极或4对极以上的圆形磁环或正多边形磁环；或者，利用充模或压模的方法制造一个完整的磁环，然后在一个特制的夹具中进行充磁，采用该方法加工出的4对极或4对极以上的圆形和正多边形磁环。

5.根据权利要求2所述一种感应式磁能发电机，其特征是永磁体磁环是由16块或16块以上径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组合而成的4对极或4对极以上的Halbach阵列圆形磁环或正多边形磁环；或者，利用充模或压模的方法制造一个完整的磁环，然后在一个特制的夹具中进行充磁，采用该方法加工出的4对极或4对极以上的Halbach阵列圆形和正多边形磁环。

6.根据权利要求2所述一种感应式磁能发电机，其特征是电磁铁磁环是由8个或8个以上电磁铁组成的、磁极设定为S极与N极相间排列的4对极或4对级以上的磁环；或者，电磁铁磁环是由16个或16个以上径向电磁铁与切向电磁铁和/或三角形电磁铁组成的4对极或4对极以上的Halbach阵列电磁铁磁环。

7.根据权利要求2所述一种感应式磁能发电机，其特征是混励式磁环是由径向和/或切向和/或轴向电磁铁与径向和/或切向和/或斜向和/或轴向永久磁铁组成的4对极或4对极以上的普通阵列结构的磁环或Halbach阵列结构的磁环，磁环中的永久磁铁与电磁铁相间而设。

8.根据权利要求1所述一种感应式磁能发电机，其特征是磁能发电机为感应式永磁能发电机或感应式电磁能发电机或感应式混合励磁磁能发电机或感应式多段磁能发电机或感应式并列混合励磁磁能发电机。

9.根据权利要求1所述一种感应式磁能发电机，其特征是所述原动机为带有蓄电池的电动机，发电机产生的部分电能输送回电动机或蓄电池，以维持磁能发电机的持续循环运转。

10.根据权利要求1所述一种感应式磁能发电机，其特征是磁能发电机为直流发电机或交流发电机。