CN102223106A

CN102223106A - 永磁式压力电子发电机技术

Info

Publication number: CN102223106A
Application number: CN2010101492880A
Authority: CN
Inventors: 周耀瑜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-18
Filing date: 2010-04-18
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明揭示一种永磁式压力电子发电机技术方案。本发明发电机主要由间隙很少，且分别安装有压电元件(2、2′)和永磁元件(3、3′)的定子(1′+2′+3′)和转子(1+2+3+4+5)，以及整流电路组成。发电机利用压电效应，当转子转动时将发电机内部永磁体的娇顽磁力不断转换成电势能，无任何废弃物排放，无电磁辐射，重量轻，噪音低；转子转力矩与转换电能的磁力方向垂直正交，互相影响很少，为机械内力和外驱动力共同做功发电，相对外驱动力做功而言，发电机能量转换效率可以远远大于1，使人类研制永动发电机的梦想变为现实。

Description

永磁式压力电子发电机技术

技术领域

本发明揭示一种永磁式压力电子发电机技术方案。

该发明发电机核心主要由间隙很小，且分别安装有压电元件和永磁元件的定子和转子，以及整流电路组成。利用压电效应，将发电机内部永磁体的娇顽磁力转换成电能，无任何废弃物排放，无电磁辐射，重量轻，噪音低；转子转力矩与转换电能的磁力保持正交关系，互相影响很少，为机械内力和外驱动力共同做功发电，相对外驱动力做功而言，发电机能量转换效率可以远远大于1，使人类研制永动发电机的梦想变为现实。

背景技术

发电机的种类很多，就发电原理来说，主要有电磁感应式发电机、光电效应发电机和压电效应发电机等，它们的共同特点是将各种形式外部能源转换成电能，能量转换效率总小于1。

发明内容

本发明发电机属于一种压电效应发电机，它的核心主要由一个直径较大的定子(1′+2′+3′)和一个直径较少的转子(1+2+3+4+5)，以及整流电路组成。定子和转子分别以一个持力圆筒(1、1′)为基础，定子持力圆筒(1′)的内侧面和转子持力圆筒(1)的外侧面或为光滑圆柱面，或为齿形柱面。首先按均匀排列方式将若干厚度方向极化长条形压电元件(2、2′)的一个电极粘结在定子圆筒的内侧面和转子圆筒的外侧面，或镶嵌粘结在平直齿槽底，使发电机定子和转子上压电元件的极化方向均与所在位置的径向方向重合；然后将相同数量厚度方向磁化的长条形永磁元件(3、3′)按照N-S相间排列形式粘结在定子和转子上压电元件的另一个电极上，粘结在一起的压电元件和永磁元件构成一个压力发电单元，呈放射状、均匀分布在定子和转子上；最后用绝缘材料将所有空隙填实、粘牢、整平，使定子圆筒内侧面和转子圆筒外侧面成为N-S相间、光滑圆柱形磁极面，以及各压电元件的电极间相互绝缘。发电机定子和转子的磁极面间的间隙(距离)很小，且转子转动时又不互相碰触，即定子内径大于和趋于转子外径。根据磁库伦定律，当外力驱动转子转动时，使定子和转子上的磁体相互产生强大吸引力或排斥力(F_磁力＝cm₁m₂/r²，c为常数，真空中等于1，m₁、m₂分别为两个磁性体的磁荷量，r为它们间的距离)，尤其是周期性变化的径向磁力传递到压电元件上，使压电元件的两个电极间产生相同频率的交变电势能。经过整流滤波电路输出直流电，外部再经过稳压、逆变电路输出为满足人们需要的直流电或交流电。

上述压电元件涉及的压电材料类型不限。只要其压电转换效率高，机械强度大，韧性好，不易被压坏，均可用于本发明电发机。其次，压电材料本身是很好的绝缘体，因此，定子和转子上全体压电元件可由一个包含相同数量电极对的径向极化压电圆筒来代替。

压电单元的电极与整流器联接方法主要有三种：(1)各压电单元的电极完全分开，分别与整流器输入端连接；(2)相间的多个同步压力发电单元并联或串联后再与整流器的输入端连接；(3)其中之一同性电极并联在一起，而另一电极互相分开，再各自与整流器的输入端连接。

基本整流电路，实际由若干个输出端并联的桥式整流电路组成。整流电路主要由相同参数的二极管组成，非常利于制造成环形集成电路，然后安置在定子和转子的两端或转子圆筒内，使发电机结构更为紧凑、简洁。也可以采用其它类型整流方式。

本发明发电机一个重要特点是：转子磁极面上的每个磁元所受的斥力或引力都可以分解为径向和切向两个分力，任何状态下整个转子所受全部磁力的合力都等于或趋于0；而真正转换电能的磁力主要为径向磁力，它与转子转力矩方向相互垂直成正交关系，即二者相互影响很少或几乎没有影响，外力F_外主要作用是抵消转子轴承的转动摩擦阻力F_摩，而轴承转动摩擦系数μ很少，|F_外|可能会远远小于|F_压|，故本发明发电机为机械内力和外驱动力共同做功发电，相对施加外力做功而言，能量的转换效率就可能远远大于1。

任何形式的外动力都可驱动本发明发电机发电，从能源循环利用和绿色环保角度出发，着重利用非碳能源做驱动力。如：(1)配置专用电动机和相应的启动蓄电池，共同组成一个无源永动发电机；(2)利用外部用电设备的转动部件来驱动，共同组成一个无源永动设备；(3)利用自然的风力、水力等动力来驱动，构成一个无碳环保型高效发电机或发电机组等。

本发明发电机输出电能与定子和转子上磁性体间的磁力大小有重要关系，因此，尽可能选择矫顽磁力大、磁能量密度高的磁性材料，如钕铁硼永磁材料；其次，确保磁力线集中通过定子和转子之间的空隙；第三，将定子与转子间的间隙设计尽可能地小，以使压力发电单元一次压电转换过程中产生的电量(Q与ΔF_压成正比)最多。

发电机定子和转子上的单一永磁元件在定子和转子的磁极面上可以呈单极性(N或S)，也可以通过与不同外形的软磁材料结合呈现二极性(NS、SN、SNS或NSN)。

本发明发电机输出电量除与选择的压电元件、永磁元件的材料类型、形态、尺寸和整流方式有关外，同时与定子和转子上的压力发电单元数量、转子转速的乘积成正比(W_总∝n₁n₂vQ，式中n₁、n₂分别为定子和转子上的压力发电单元数，v为定子的转速(周/秒))。压力发电单元越多、转子转速越快，发电机发电量就越多。

当其它参数固定后，本发明成品发电机主要通过改变转子的转速来实现对输出电量的控制。当发电直接用于诸如电动车、电风扇等电动器具时，转子的转速可以直接由这些设备的转动部件控制，这样可以简化发电机控制，并使输出电量灵活满足实际需要。

附图说明

附图：为本发明发电机核心部分结构(横截面)原理图。图中，1、1′分别为转子和定子持力圆筒，2、2′分别为转子和定子上的压电元件(包含压电元件的二个电极)，3、3′分别为转子和定子上的永磁元件，4为转子的支撑件，5为转子的转轴，1、2、3、4、5构成发电机转子，1′、2′、3′构成发电机定子，6为转子和定子间的间隙。

具体实施方式

根据附图1所示原理，按照以下步骤可以生产无源永动发电机。

(1)用厚2mm内径152mm高50mm绝缘塑料圆筒嵌入到厚1mm内径156mm高60mm的不锈铁圆筒内制成定子圆筒；用厚1mm外径106mm高60mm不锈铁圆筒嵌入到厚2mm外径110mm高50mm绝缘塑料圆筒制成转子圆筒，转子圆筒用铁质端盖作支撑件，并一起固定在转轴上；

(2)用PLS-51压电材料制成规格为4.5×4.5×49，厚度方向极化的压电元件；

(3)用钕铁硼材料烧结成规格为5×5×49的永磁元件；

(4)定子的内侧面均匀粘结76个压力发电单元，转子的外侧面均匀粘结68个压力发电单元。制作定子和转子时注意磁极面上的磁极要N S相间排列。

(5)将17个独立桥式整流器所有输出端按同极性关联，均匀置入转子持力圆筒内并固定好，将转子上每相间17的4个压电元件的同性电极并联后分别与整流器的输入端连接好；

(6)将19个独立桥式整流器所有输出端按同极性关联，安置在定子持力圆筒外并固定好，将定子上每相间19的4个压电元件的同性电极并联后分别与整流器的输入端连接好；

(7)将制成的定子和转子安装在发电机机壳内，固定好位置，确保定子和转子同心，二者间的间隙为0.1～0.5mm；

(8)转子上的整流器的二个输出端通过转轴上二个动触点引出，并与定子上整流器的输出端并联，再并联一个220uF100V电容器，正极串联一个二极管后，再与一个10Ah12V蓄电池并联，然后输出到逆变器的输入端，逆变器的输出端接入一个开关后，连接到80W220V～的电动机。电动机用于驱动发明发电机转子，使转子转速达到3000转/分左右。

完成上述步骤后，一个简单的本发明发电机表示制作完成，启动电动机，发电机输出电能不仅能满足电动机需要，蓄电池电压还会快速提升，说明本发明发电机相对外驱动力做功而言发电效率大于1。

理论分析：如果上述发电机内的一个压力发电单元一次压电转换输出电量为Q，则1秒时间，整个发电机输出电量为(68×76×3000/60＝)258400Q，表明本发明发电机发电效率非常显著，且发电机的体积能量密度和重量密度都高于现有的发电机和电池。

说明：以上仅提供一个简单参考实例，随设计发电机规格、尺寸大小、驱动方式不同，以及选用压电材料和永磁材料类型、参数不同，制造出来本发明发电机的发电效果会有所不同。一般，通过增大发电机尺寸和选用高品质压电元件和永磁元件等办法来增大功率输出，而成品发电机则主要通过改变转子转速来达到改变输出电能的目的。

Claims

1.本发明揭示一种永磁式压力电子发电机技术方案。

本发明发电机技术特点：利用压电体压电效应，将发电机内部永磁体的娇顽磁力不断转换成电能的电子发电机。发电机核心主要由分别安装有压电元件和永磁元件的一个直径较大的定子和一个直径较少的转子，以及整流电路组成。

2.权利1所述发电机的定子和转子，分别以一个持力圆筒为基础，定子持力圆筒的内侧面和转子持力圆筒的外侧面或为光滑圆柱面，或为齿形柱面。

3.权利1所述定子和转子上的一个厚度方向极化的长条形压电元件的一个电极面与一个量厚度方向磁化的长条形永磁元件的一个磁极面结合在一起，共同构成一个压力发电单元。

4.权利3所述若干压力发电单元的压电元件电极一侧面向持力圆筒、另一侧磁极N-S相间排列方式呈放射状、均匀分布在权利2所述的定子圆筒的内侧面和转子圆筒的外侧面，或其齿槽里，并用绝缘材料将所有空隙填实、粘牢、整平，使定子圆筒内侧面和转子圆筒外侧面成为N-S相间、光滑圆柱形的磁极面，以及要求各压电元件的电极间相互绝缘。

5.权利4所述发电机定子圆筒内侧和转子圆筒外侧的磁极面的磁极均匀、有规律地呈N-S相间排列布局，在转子转动时，定子和转子不互相碰触的情况下二者间的间隙(距离)尽可能少，即定子内径大于和趋于转子外径。当外力驱动转子转动时，使定子和转子磁极面上的磁体相互产生强大吸引力或排斥力，尤其是周期性变化的径向磁力传递到压电元件上，使压电元件的两个电极间产生相同频率的交变电势能，经过整流电路输出为直流电。

6.权利1、4、5所述发电机一个重要特点是：转子磁极面上的每个磁元所受的斥力或引力都可以分解为径向和切向两个分力，任何状态下整个转子所受全部磁力的合力都等于或趋于0；而真正转换电能的磁力主要为径向磁力，它与转子转力矩方向相互垂直成正交关系，即二者相互影响很少，故本发明发电机为机械内力和外驱动力共同做功发电，通过增大发电机尺寸和选用高品质压电元件和永磁元件等办法来增大功率输出，而成品发电机则主要通过改变转子转速来达到改变输出电能的目的。

7.权利4所述发电机定子和转子上的压电元件的极化方向与所在位置的径向方向重合。其次，定子和转子上的全体压电元件可分别由一个包含相同数量电极对的径向极化压电圆筒来代替。

8.权利4所述发电机定子和转子上的单一永磁元件在定子和转子的磁极面上可以呈单极性(N或S)，也可以通过与不同外形的软磁材料结合呈现二极性(NS、SN、SNS或NSN)。