CN102130569A - 一种双磁环感应式磁能发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双磁环感应式磁能发电机，定子磁环、转子磁环、转子轭、转轴、转子感应绕组、转子磁桥、定子感应绕组、定子磁桥、定子轭和电动机。转、定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环，定、转子磁环的磁极数量比例为4/3倍或1.5倍或“等于或大于2的偶数”倍或“等于或大于2的偶数+0.5”倍；转子磁环和/或定子磁环相邻的S磁极与N磁极之间设有磁桥，磁桥上设有感应绕组。电动机带动转子转动时，转动的转子磁环相对于定子磁环是一个交变的磁场，转子磁铁和定子磁铁的恒定磁场变成脉动磁场，设在磁环的S磁极与N磁极之间的磁桥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

一种双磁环感应式磁能发电机

技术领域

本发明涉及一种能源、电力系统，特别是一种双磁环的感应式磁能发电机。

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：本人申请号为201010232986.7的“双磁环感应式磁能发电机”中的转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的三对极或三对极以上的磁环，磁环的磁极数量是3的公倍数；定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的六对极或六对极以上的磁环，磁环的磁极数量是6的倍数；定子磁环的磁极数量是转子磁环的磁极数量的2倍；磁桥作为定子磁环和/或转子磁环的磁路，磁桥上设有感应绕组；原动机带动转子转动时，定子磁环和转子磁环的恒定磁场变成脉动磁场，经过磁桥的磁通交替发生改变，感应绕组感应到电动势且产生电流。该发明的转子磁环与定子磁环磁极数量的公约数是6，定子磁环的磁极数量是转子磁环的磁极数量的2倍。经进一步的研究发现，能实现磁能发电的定子磁环与转子磁环的磁极数量比例还有4/3倍、1.5倍、2.5倍等。

本发明使定、转子磁环的磁极数量的比例范围得到拓宽，选择更灵活、适用范围更广。

发明内容

本发明是这样实现的：一种双磁环感应式磁能发电机，主要包括定子磁环(1、1.1、1.2)、转子磁环(2、2.1)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、定子感应绕组(7)、定子磁桥(8)、机壳(9)、定子轭(10)、电动机(11、12、17)、端盖(14)、轴承(15)和接线盒(16)，其特征是：

a.转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环，定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的4极或4极以上的磁环，定子磁环的磁极数量是转子磁环磁极数量的4/3倍或1.5倍或“等于或大于2的偶数”倍或“等于或大于2的偶数+0.5”倍，而且6不是转子磁环的磁极数量和定子磁环的磁极数量的公约数；或者，转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的4极或4极以上的磁环，定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环，转子磁环的磁极数量是定子磁环磁极数量的4/3倍或1.5倍或“等于或大于2的偶数”倍或“等于或大于2的偶数+0.5”倍，而且6不是转子磁环的磁极数量和定子磁环的磁极数量的公约数；

b.转子磁环和/或定子磁环相邻的S磁极与N磁极之间设有磁桥，磁桥上设有感应绕组；

c.转子磁环固定在转子轭上，或者，转子磁环通过转子磁桥固定在转子轭上，转子轭固定在转轴上；转轴通过轴承定位于端盖；接线盒设在机壳或端盖上；定子磁环固定在定子轭上，或者，定子磁环通过磁桥固定在定子轭上，或者，定子磁环直接固定在机壳上；电动机与转轴的输入端联接，或者，电动机的传动轴与转轴共轴。

工作原理：电动机带动转子转动时，转动的转子磁环相对于定子磁环是一个交变的磁场，定子磁环的S磁极与N磁极与转子磁环的S磁极和N磁极交替产生吸力和斥力，转子磁环和定子磁环的磁通发生交替变化，转子磁铁和定子磁铁的恒定磁场变成脉动磁场，设在磁环的S磁极与N磁极之间的磁桥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。

转子磁环的磁极数量与定子磁环的磁极数量或定子磁环的磁极数量与转子磁环的磁极数量比例为4/3倍的有8∶6、16∶12等等，比例为1.5倍的有6∶4、12∶8、18∶12等等，比例为“等于或大于2的偶数”倍的有4∶2、8∶4、16∶4等等，比例为“等于或大于2的偶数+0.5”倍的有10∶4、20∶8、30∶12等等。“等于或大于2的偶数”包括2、4、6、8、10、12等等，“等于或大于2的偶数+0.5”包括2.5、4.5、6.5、8.5、10.5、12.5等等。由于规定了6不是转子磁环的磁极数量和定子磁环的磁极数量的公约数，所以当转子磁环的磁极数量为6时，定子磁环的磁极数量不能是12、24等6的倍数，这是为了避免内容与申请号为201010232986.7的“双磁环感应式磁能发电机”冲突。

按以上转、定子磁环的磁极数量比例，无论S极与N极相间排列的转子磁环转到哪个角度，转子磁环受到的来自定子磁环的吸力和斥力都是相互对称抵消的，理论上转子磁环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。但实际上转子磁环和定子磁环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转子磁环与定子磁环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。

2极的磁环相当于磁环有1个S极向外、1个N极向外和1个S极向内、1个N极向内；4极的磁环相当于磁环有2个S极向外、2个N极向外和2个S极向内、2个N极向内；6极的磁环相当于磁环有3个S极向外、3个N极向外和3个S极向内、3个N极向内，余此类推。4极磁环可用磁对极表述为2对极磁环，6极磁环可表述为3对极磁环，8极磁环可表述为4对极磁环，余此类推。

所述磁环为永磁体磁环或电磁铁磁环或混励式磁环。磁环的磁极方向为径向或切向或轴向。

磁环的磁极既可以S极与N极相间排列，也可以参照步进电机磁铁磁极的排列组合方式，按一定的规则排列组合。磁环的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。以上排列组合方式的定子磁环作用于相同排列组合方式的转子磁环的吸力和斥力，理论上也可以相互对称抵消。比如，一个由4块磁钢组成的磁环按S-N-S-N的组合方式排列，则成为一个4极磁环，若按S-S-N-N的组合方式排列，则可视为一个2极磁环。

电磁铁磁环是由2个或2个以上电磁铁组成的、磁极设定为S极与N极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环，如2极、4极、6极、8极等，其公约数是2。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。磁环的各个励磁绕组可以用串联或并联的方法接线。

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阵列电磁铁磁环由径向电磁铁与切向电磁铁和/或三角形电磁铁组成。

电磁铁磁环预先设定了磁极的方向，接入电磁铁绕组的电源都是直流电，电磁铁磁环产生的磁场是恒定磁场。正如普通发电机的励磁绕组并不需要消耗太多的电能一样，电磁铁磁环需要消耗的电能也并不多。

永磁体磁环是由2块或2块以上的磁钢组成的S极与N极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环；或者，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磁极数量为偶数的2极或2极以上的永磁体磁环。

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阵列永磁体磁环是由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成的磁极数为偶数的磁环，磁环的S极和N极相间排列。根据Halbach阵列，4极或4极以上的的Halbach阵列磁环由8块或8块以上的磁钢组成，6极或6极以上的Halbach阵列由12块或12块以上的磁钢组成，8极或8极以上的Halbach阵列磁环由16块或16块以上的磁钢组成，余此类推。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。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。

无论永磁体磁环是一个完整的磁环还是由多块磁钢组成的磁环，都适宜事先将磁环固定在机壳或定子轭或转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。

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/或轴向磁钢组成的磁极数量为偶数的2极或2极以上S极与N极相间排列的磁环，磁环中的磁钢与电磁铁相间而设。

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。

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

磁钢与电磁铁在混励式Halbach阵列磁环中的主要有以下5种组合：

(1)径向磁钢+切向电磁铁

(2)切向磁钢+径向电磁铁

(3)径向电磁铁+切向磁钢+切向电磁铁+切向磁钢

(4)径向电磁铁+斜向磁钢+切向电磁铁+斜向磁钢

(5)径向电磁铁+斜向磁钢+切向电磁铁+径向磁钢+切向电磁铁+斜向磁钢

若磁环的磁极方向为轴向，则定子磁环设在转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轴向定子磁环，而Halbach阵列的转子磁环则在磁场增强的一侧设定子磁环。同样，若转子磁环的磁极方向为径向或切向，定子磁环可以设在转子磁环的外侧，也可以设在转子磁环的内侧，或转子磁环的内侧和外侧都设有定子磁环。

磁能发电机为双磁环感应式永磁能发电机或双磁环感应式电磁能发电机或双磁环感应式混合励磁磁能发电机或双磁环感应式多段磁能发电机或双磁环感应式并列混合励磁磁能发电机。永磁能发电机的转子磁环和定子磁环部是永磁体磁环；电磁能发电机的转子磁环和定子磁环都是电磁铁磁环；混合励磁磁能发电机中的转子磁环为永磁体磁环、定子磁环为电磁铁磁环，或者，转子磁环为电磁铁磁环、定子磁环为永磁体磁环；多段式磁能发电机的转子磁环有二段或二段以上，定子磁环有二段或二段以上，转子磁环为永磁体磁环、定子磁环为永磁体磁环，或者，转子磁环为电磁铁磁环、定子磁环为电磁铁磁环；并列式混合励磁磁能发电机的转子磁环为永磁体磁环和电磁铁磁环并列的多段式磁环，定子磁环为永久磁铁磁环和电磁铁磁环并列的多段式磁环。

磁桥作为磁环的主要磁通路，架设在磁环的S磁极与N磁极之间，转子磁桥的数量与转子磁环的磁对极数量相同，定子磁桥的数量与定子磁环的磁对极数量相同。设在磁桥上的感应绕组为绕线型绕组。

由于Halbach阵列结构的磁环的磁场是单边磁场，所以Halbach阵列结构的磁环磁极之间不设磁桥和感应绕组。

磁桥用导磁性材料制成，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。转子轭和定子轭用非导磁性材料制成。

电动机设置在发电机的机壳内，与发电机的主体部分共用转轴和机壳，或者，电动机设置在发电机的机壳外，与转轴的输入端联接。电动机的电源由蓄电池(18)或外部电源提供，或者，在转轴上设置人力启动杆(17)，磁能发电机启动后产生的电能输送给电动机。

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，或者，在机壳上设散热片。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。

磁能发电机为输出直流电或交流电的单相或三相发电机。单相与三相交流发电机的区别在于接线方法的不同。

附图说明

图1、图2为本发明第一实施例结构示意图。

图3、图4为本发明第二实施例结构示意图。

图5、图6为本发明第三实施例结构示意图。

图7为本发明第四实施例结构示意图。

图8为本发明第五实施例结构示意图。

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电机横截面结构示意图和图2电机轴向整体结构示意图，一种双磁环感应式永磁能发电机，主要包括定子永磁体磁环(1)、转子永磁体磁环(2)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、定子感应绕组(7)、定子磁桥(8)、机壳(9)、定子轭(10)、电动机定子(11)、电动机转子(12)、风扇(13)、端盖(14)、轴承(15)和接线盒(16)，其特征是：转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的6极永磁体磁环，定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的8极永磁体磁环，定子磁环的磁极数量是转子磁环磁极数量的4/3倍；转子磁环相邻的S磁极与N磁极之间设有转子磁桥，转子磁桥的数量与转子磁环的磁对极数量相同，转子磁桥有3个，转子磁环用磁对极表述则是3对极磁环；定子磁环相邻的S磁极与N磁极之间设有定子磁桥，定子磁桥的数量与定子磁环的磁对极数量相同，定子磁桥有4个，定子磁环是4对极磁环；转子磁桥上设有转子感应绕组，定子磁桥上设有定子感应绕组；转子磁环通过转子磁桥固定在转子轭上，转子轭固定在转轴上；转轴通过轴承定位于端盖；接线盒设在机壳上；定子磁环通过磁桥固定在定子轭上；电动机的传动轴与转轴共轴，电动机转子固定在转轴上，电动机定子固定在机壳上；风扇设在转轴上。电动机带动转子转动时，转动的转子磁环相对于定子磁环是一个交变的磁场，定子磁环的S磁极与N磁极与转子磁环的S磁极和N磁极交替产生吸力和斥力，转子磁环和定子磁环的磁通发生交替变化，转子磁铁和定子磁铁的恒定磁场变成脉动磁场，设在磁环的S磁极与N磁极之间的磁桥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。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3电机横截面结构示意图和图4电机轴向整体结构示意图，一种双磁环感应式电磁能发电机，主要包括定子电磁铁磁环(1.1)、转子电磁铁磁环(2)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、定子感应绕组(7)、定子磁桥(8)、机壳(9)、定子轭(10)、风扇(13)、端盖(14)、轴承(15)、接线盒(16)、电动机(17)和蓄电池(18)。定子电磁铁磁环是由12个电磁铁组成的设定为S磁极与N磁极相间排列的12极磁环，转子电磁铁磁环是由8个电磁铁组成的设定为S磁极与N磁极相间排列的8极磁环；定子磁桥有6个，定子磁桥的两端设有定子磁环电磁铁绕组，定子磁桥的两端亦是定子电磁铁磁环的一部分；转子磁桥有4个，转子磁桥的两端设有转子磁环电磁铁绕组，转子磁桥的两端亦是转子电磁铁磁环的一部分；电动机设在机壳外，电动机与转轴的输入端用联轴器联接。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第三实施例

参见图5电机横截面结构示意图和图6电机轴向整体结构示意图，一种基于混励式Halbach阵列磁环的双磁环感应式磁能发电机，主要包括定子混励式Halbach阵列磁环(1.2)、转子永磁体磁环(2)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、机壳(9)、定子轭(10)、电动机定子(11)、电动机转子(12)、风扇(13)、端盖(14)、轴承(15)、接线盒(16)和人工辅助启动杆。定子混励式Halbach阵列磁环是由8块切向磁钢和8个电磁铁组成的8极磁环，转子永磁体磁环是由4块磁钢组成的4极磁环。转子永磁体磁环的内侧设有2个磁桥，磁桥的一端与磁环内侧的S极联接，另一端与磁环内侧的N极连接，磁桥上设有感应绕组。定子混励式Halbach阵列磁环磁场增强的一边对着转子，磁场减弱的一边对着机壳，所以定子上不设磁桥和感应绕组。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第四实施例

参见图7电机横截面结构示意图，一种双磁环感应式永磁能发电机，主要包括定子永磁体磁环(1)、转子永磁体磁环(2)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、定子感应绕组(7)、定子磁桥(8)、机壳(9)、定子轭(10)、电动机、风扇、端盖、轴承和接线盒。转子永磁体磁环是S磁极和N磁极相间排列的4极磁环，定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的8极永磁体磁环，定子磁环的磁极数量是转子磁环磁极数量的2倍。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第五实施例

参见图8电机横截面结构示意图，一种双磁环感应式混合励磁磁能发电机，主要包括定子永磁体磁环(1)、转子电磁铁磁环(2.1)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、定子感应绕组(7)、定子磁桥(8)、机壳(9)、定子轭(10)、电动机、风扇、端盖、轴承和接线盒。定子永磁体磁环是由12块磁钢组成的12极磁环，转子电磁铁磁环是由8个电磁铁组成的8极磁环。其余未述部分同第一、第二实施例，不再重复。

Claims (10)

1.一种双磁环感应式磁能发电机，主要包括定子磁环(1、1.1、1.2)、转子磁环(2、2.1)、转子轭(3)、转轴(4)、转子感应绕组(5)、转子磁桥(6)、定子感应绕组(7)、定子磁桥(8)、机壳(9)、定子轭(10)、电动机(11、12、17)、端盖(14)、轴承(15)和接线盒(16)，其特征是：

a.转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环，定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的4极或4极以上的磁环，定子磁环的磁极数量是转子磁环磁极数量的4/3倍或1.5倍或“等于或大于2的偶数”倍或“等于或大于2的偶数+0.5”倍，而且6不是转子磁环的磁极数量和定子磁环的磁极数量的公约数；或者，转子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的4极或4极以上的磁环，定子磁环是S磁极和N磁极相间排列的磁极数量为偶数的2极或2极以上的磁环，转子磁环的磁极数量是定子磁环磁极数量的4/3倍或1.5倍或“等于或大于2的偶数”倍或“等于或大于2的偶数+0.5”倍，而且6不是转子磁环的磁极数量和定子磁环的磁极数量的公约数；

b.转子磁环和/或定子磁环相邻的S磁极与N磁极之间设有磁桥，磁桥上设有感应绕组；

c.转子磁环固定在转子轭上，或者，转子磁环通过转子磁桥固定在转子轭上，转子轭固定在转轴上；转轴通过轴承定位于端盖；接线盒设在机壳或端盖上；定子磁环固定在定子轭上，或者，定子磁环通过磁桥固定在定子轭上，或者，定子磁环直接固定在机壳上；电动机与转轴的输入端联接，或者，电动机的传动轴与转轴共轴。

2.根据权利要求1所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是所述转子磁环和定子磁环为永磁体磁环或电磁铁磁环或混励式磁环；转子磁环和定子磁环的磁极方向为径向或切向或轴向。

3.根据权利要求2所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是磁环的S极与N极相间排列，或者，参照步进电机磁铁磁极的排列组合方式，按一定的规则排列组合。

4.根据权利要求2所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是永磁体磁环是由2块或2块以上的磁钢组成的S极与N极相间排列的2极或2极以上的磁极数为偶数的磁环；或者，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2极或2极以上的磁极数为偶数的永磁体磁环；或者，永磁体磁环是由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组合而成的2极或2极以上磁极数为偶数的Halbach阵列磁环；或者，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2极或2极以上磁极数为偶数的Halbach阵列磁环。

5.根据权利要求2所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是电磁铁磁环是由2个或2个以上电磁铁组成的、磁极设定为S极与N极相间排列的2极或2极以上的磁极数为偶数的磁环；或者，电磁铁磁环是由径向电磁铁与切向电磁铁和/或三角形电磁铁组成的2极或2极以上的Halbach阵列电磁铁磁环，磁环的磁极数为偶数。

6.根据权利要求2所述一种双磁环感应式磁能发电机，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/或轴向磁钢组成的2极或2极以上S极与N极相间排列的普通阵列结构的磁环或Halbach阵列结构的磁环，磁环中的磁钢与电磁铁相间而设，磁环的磁极数为偶数。

7.根据权利要求1所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是磁桥用硅钢片叠压而成，转子磁桥的数量与转子磁环的磁对极数量相同，定子磁桥的数量与定子磁环的磁对极数量相同。

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

9.根据权利要求1所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是电动机设置在机壳内，与发电机的主体部分共用转轴和机壳，或者，设置在机壳外，与转轴的输入端联接；电动机的电源由蓄电池(18)或外部电源提供，或者，在转轴上设置人力启动杆(19)，磁能发电机启动后产生的电能输送给电动机。

10.根据权利要求1所述一种双磁环感应式磁能发电机，其特征是电机设有整流器，输出直流电或交流电；电机设有风扇或散热片或液体冷却装置。

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