CN102655352A - 凸极式磁力平衡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凸极式磁力平衡器，主要包括转子凸极磁铁、转子导磁环、定子凸极磁铁和定子导磁环。凸极磁铁有若干凸极，三个凸极磁铁与两个导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个凸极磁铁设在两个导磁环的中间，另两个凸极磁铁分别设在两个导磁环的外侧，中间的凸极磁铁的磁极方向与外侧的两个凸极磁铁的磁极方向相反；定子凸极磁铁的S磁极与转子凸极磁铁的S磁极径向相对，定子凸极磁铁的N磁极与转子凸极磁铁的N磁极径向相对，即定子的磁极与转子的磁极设定为相斥的。磁力平衡器产生的斥力用于平衡特定拓扑结构的发电机切割磁力线产生的吸力，使发电机可以不再依靠外部动力而可以自行发电。

Description

凸极式磁力平衡器

技术领域

本发明涉及一种电动发电机的部件，特别是一种凸极式磁力平衡器。

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。

现有的发电机的基本原理都是导体切割磁力线而感应电动势并产生电流，导体切割磁力线的过程需要消耗足够的机械能，以克服装嵌导体的软铁与磁铁之间的吸力。

只要仔细地去观察，我们会发现一个有趣的现象：磁场的吸力效应并不能简单地用经典力学去解释，在不考虑磨擦力的前提下，若按照经典力学，转子铁被吸往定子磁铁的力与转子铁离开定子磁铁的所需克服的力应该是方向相反、大小相等的，但实际上，这对看似大小相等的力却是无法自己相互抵消的，因此发电机切割磁力线需要消耗大量的动能。然而，这对方向相反、大小相等的吸力虽然不能自己相互抵消，却可以用一对方向相反、大小相等的磁场斥力将其抵消。

本发明利用一对方向相反、大小相等的磁场斥力去平衡一对方向相反、大小相等的磁场吸力的原理，为发电机提供一种可以抵消特定拓扑结构的定子与转子之间吸力的凸极式磁力平衡器，使发电机可以不再依靠外部动力而可以自行发电。

发明内容

本发明是这样实现的：一种凸极式磁力平衡器，主要包括转子凸极磁铁(1、2、7、8)、转子导磁环(3)、定子凸极磁铁(4、5、9、10)和定子导磁环(6)，其特征是：转子凸极磁铁有若干凸极，三个转子凸极磁铁与两个转子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个转子凸极磁铁设在两个转子导磁环的中间，另两个转子凸极磁铁分别设在两个转子导磁环的外侧，中间的转子凸极磁铁的磁极方向与外侧的两个转子凸极磁铁的磁极方向相反；定子凸极磁铁有若干凸极，三个定子凸极磁铁与两个定子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个定子凸极磁铁设在两个定子导磁环的中间，另两个定子凸极磁铁分别设在两个定子导磁环的外侧，中间的定子凸极磁铁的磁极方向与外侧的两个定子凸极磁铁的磁极方向相反；定子凸极磁铁的S磁极与转子凸极磁铁的S磁极径向相对，定子凸极磁铁的N磁极与转子凸极磁铁的N磁极径向相对，即定子的磁极与转子的磁极设定为相斥的。

所述凸极磁铁为凸极电磁铁或凸极永久磁铁，一个凸极磁铁有2个或2个以上的凸极。定子凸极电磁铁由定子凸极铁心(4)和定子励磁绕组(5)组成，转子凸极电磁铁由转子凸极铁心(2)和转子励磁绕组(1)组成，定子凸极电磁铁向内凸，转子凸极电磁铁向外凸。铁心用软铁材料制成，如电工纯铁、锰锌铁氧体、硅钢片、单晶合金等，励磁绕组用漆包线绕制而成，如漆包铜线、漆包铝线、漆包合金线等。定子凸极永久磁铁是由若干定子磁钢(9)与定子磁轭(10)组成的一个整体，转子凸极永久磁铁是由若干转子磁钢(7)与转子磁轭(8)组成的一个整体，定子凸极永久磁铁向内凸，转子凸极永久磁铁向外凸，永久磁铁为铁氧体磁铁或稀土磁铁，磁钢装入磁轭后再用特制的夹具充磁。

磁轭和导磁环用软铁材料制成，一般用电工纯铁制成。

转子凸极铁心可以直接与转轴键连接，也可以在转子凸极铁心与转轴之间设置磁轭，磁轭用以固定转子凸极铁心和导磁环。定子凸极铁心或定子磁轭与定子导磁环卡位连接或销连接或螺纹连接或焊接成一个整体，再与机座或端盖连接。

由于定子与转子相斥，若定子磁铁与转子磁铁的位置有偏差，会产生一个轴向推力，因此连接转轴与端盖的轴承应采用能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承，转子凸极铁心或磁轭与转轴的键连接部位有止推设计，不但要能承受周向载荷，还要能承受轴向载荷。

所述磁力平衡器为电励磁凸极三段式磁力平衡器或混合励磁凸极三段式磁力平衡器或永磁凸极三段式磁力平衡器。电励磁凸极三段式磁力平衡器的定子和转子磁铁都是凸极电磁铁，混合励磁凸极三段式磁力平衡器的定子磁铁是凸极电磁铁，转子磁铁是凸极永久磁铁，而永磁凸极三段式磁力平衡器的定子磁铁和转子磁铁都是凸极永久磁铁。凸极三段式磁力平衡器不但磁路合理、漏磁通较少、效率高，还可以防止定子与转子相斥时产生轴向扭力。由于磁铁相斥时，磁极会向异极方向扭转，因此双段式凸极容易产生轴向扭力，使转轴偏向一侧，损坏设备。而单段式凸极的磁路从表面看较不合理、漏磁通较大，效率较低。但单段式凸极磁力平衡器和双段式凸极磁力平衡器结构较简单，成本较低，在斥力要求不高的场合仍可采用。另外，凸极式磁力平衡器与发电机放在一起设计，凸极式磁力平衡器的转子凸极磁铁的一侧与发电机的转子磁铁用导磁桥连接，和/或，凸极式磁力平衡器的定子凸极磁铁的背轭用导磁桥与发电机的定子磁铁连接，可以将凸极磁力平衡器的部份无用磁通，特别是转子轴心位置的磁通和定子背轭的磁通，导入发电机，一方面可以增加发电机的磁场密度、提高工作效率，另一方面凸极式磁力平衡器的磁路得到优化，减少漏磁通，使单段式凸极磁力平衡器也可在斥力要求高的场合使用。因此，可以将三段结构的凸极三段式磁力平衡器改成单段结构的凸极单段式磁力平衡器或双段结构的凸极双段式磁力平衡器。

定子磁铁与转子磁铁相斥的斥力是双向的，当两者靠近时，互相阻止对方靠近，当两者离开时，互相推开对方。这个双向的斥力与发电机切割磁力线时双向的吸力是相反的，因此磁力平衡器产生的双向斥力可以用来平衡特定拓扑结构的发电机切割磁力线时产生的双向吸力。

磁力平衡器产生的双向斥力可用曲线来表达，将连续产生的同方向的最大斥力点、最小斥力点和反方向的最大斥力点、最小斥力点连结起来即为波浪形，磁力平衡器的磁极之间的距离不同、磁场强度的不同和转子旋转的速度不同都会导致双向斥力产生的波形不同，可以是正弦波，也可以不是正弦波，波的高度表示斥力的大小，波的宽度表示波长。磁力平衡器产生的斥力用于平衡发电机切割磁力线产生的吸力，若两者的波形完全一致，则表示斥力与吸力可以完全相互抵消。磁力平衡器产生的斥力波与发电机切割磁力线产生的吸力波的特性有所不同，磁力平衡器的磁铁间距越密，产生的斥力波高度越小，最大的斥力越来越小，最小的斥力也是越来越小的，而发电机的磁铁越密，切割磁力时产生的最大吸力是不变的，最小的吸力却越来越大。因此磁力平衡器的凸极磁铁的凸极间距不能太密，与之相配的发电机的磁铁也不能太密。一般的小型磁力平衡器的相邻的定子凸极磁铁的凸极之间的间距和相邻的转子凸极磁铁的凸极之间的间距在2.5cm至6cm之间，微型磁力平衡器相邻的磁铁凸极之间的间距在1cm至2.5cm之间，一般不小于0.5cm，大、中型磁力平衡器的相邻磁铁凸极之间的间距则达到6cm以上。

磁力平衡器的定子凸极磁铁的凸极数量与转子凸极磁铁的凸极的数量相同，也可以不相同，但要与发电机定、转子的磁极数量之比相匹配，例如：发电机是6/4极的，与之匹配的磁力平衡器是6/4极的，发电机是6/6极的，与之匹配的磁力平衡器是6/6极或6/2极的。

磁力平衡器的磁极数量与发电机的磁极数量相同，也可以不相同，只要吸力与斥力可以同时产生、同步增强、同步减弱就可以了，如：磁力平衡器的定、转子是6/2极的，发电机的定、转子为6/3或6/6极的。

电励磁和混合励磁凸极式磁力平衡器的斥力大小是可以调节的，通过调节励磁电流的大小，就可以使磁力平衡器定、转子斥力与发电机的定、转子吸力的大小趋向相同，因此磁力平衡器设有磁场强度调节器，通过调节输入磁力平衡器的电流和电压，使磁力平衡器的磁场强度可以调节。电励磁和混合励磁凸极式磁力平衡器一般只需调节定子的磁场强度，就可以达到调节斥力大小的目的。若要调节转子的磁场强度，可以通过电刷和集电环接入可调节电源。如果磁力平衡器为无刷式磁力平衡器，其转子的励磁电源由励磁发电机提供，则可以通过控制励磁发电机的定子励磁电流，使励磁发电机输出的电流有强弱变化，亦可实现对磁力平衡器转子磁场强度的控制。磁场强度调节器一般与出线盒设在一起，出线盒设在机壳上，磁场强度调节器设在出线盒中。

永磁凸极式磁力平衡器的斥力大小也可以调节，但必须用机械的方法调整定、转子磁铁的距离，方法是：定子导磁环与机壳螺旋连接，只需旋转螺旋导磁环就可以实现转、定子磁铁轴向距离的调节。

接入电励磁或混合励磁凸极式磁力平衡器的电流为直流电，磁力平衡器凸极电磁铁产生的磁场是恒定磁场。磁力平衡器的转子励磁电源一般与发电机转子共用励磁电源，若是无刷发电，则转子的励磁电源由励磁机提供，若是有刷发电，则通过电刷和集电环供电。

永磁凸极式磁力平衡器适宜与永磁发电机相配使用，或者，永磁凸极式磁力平衡器与电励磁凸极式磁力平衡器一起与混励式发电机相配使用。电励磁和混合励磁凸极式磁力平衡器适宜与混励式或电励式发电机配合使用。

电励磁和混合励磁凸极式磁力平衡器工作时也会产生热能，若磁力平衡器与发电机设在同一机壳内，则可以共用风扇、散热片或液冷式冷却装置。

磁力平衡器一般与发电机设在同一机壳内，与发电机的转子共轴，也可以做成专门的磁力平衡机，有独立的机壳、电刷、电刷架、集电环、出线盒和风扇，通过联轴器与发电机连接。电刷用电刷架固定在机壳上，集电环设在转轴上，风扇设在转盘上或转轴上。

附图说明

图1、图2、图3为本发明第一实施例结构示意图。

图4、图5、图6为本发明第二实施例结构示意图。

图7为本发明第三实施例结构示意图。

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转子结构图、图2定子结构图、图3定转子截面平面图，一种电励磁凸极三段式磁力平衡器，主要包括转子励磁绕组(1)、转子凸极铁心(2)、转子导磁环(3)、定子凸极铁心(4)、定子励磁绕组(5)、定子导磁环(6)和转轴、轴承、磁轭、出线盒、机座、端盖、电刷架、电刷、集电环、风扇、磁场强度调节器。转子凸极铁心有6个凸极，转子凸极铁心上设有转子励磁绕组，组成转子凸极电磁铁，三个转子凸极电磁铁与两个转子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个转子凸极电磁铁设在两个转子导磁环的中间，另两个转子凸极电磁铁分别设在两个转子导磁环的外侧，中间的转子凸极电磁铁的磁极方向与外侧的两个转子凸极电磁铁的磁极方向相反；定子凸极铁心有6个凸极，定子凸极铁心上绕有定子励磁绕组，组成定子凸极电磁铁，三个定子凸极电磁铁与两个定子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个定子凸极电磁铁设在两个定子导磁环的中间，另两个定子凸极电磁铁分别设在两个定子导磁环的外侧，中间的定子凸极电磁铁的磁极方向与外侧的两个定子凸极电磁铁的磁极方向相反；中间的定子凸极电磁铁设定为S磁极对着转子，中间转子凸极电磁铁设定为S磁极对着定子，即中间定子凸极电磁铁的S磁极与中间转子凸极电磁铁的S磁极径向相对；两个外侧定子凸极电磁铁设定为N磁极对着转子，两个外侧转子凸极电磁铁设定为N磁极对着定子，即两个外侧定子凸极电磁铁的N磁极与两个外侧转子凸极电磁铁的N磁极径向相对；定子凸极电磁铁的相邻凸极之间的齿槽较宽、较深，齿距较大，转子凸极电磁铁的相邻凸极之间的齿槽较宽、较深，齿距较大；转子旋转时，定子磁场与转子磁场有两个方向的斥力，两个方向的最大斥力和最小斥力的点连接起来成波浪形；转子凸极铁心与转轴之间设有磁轭，磁轭与转轴键连接，转子凸极铁心、转子导磁环与磁轭键连接成一个整体，磁轭与转轴的键连接有止推设计，转轴用可同时承受径向和轴向载荷的轴承定位于端盖，可同时承受径向和轴向载荷的轴承有圆锥滚子轴承、角接触球轴承等；出线盒设在机座上，出线盒中设有磁场强度调节器；接入磁力平衡器的电流为直流电，磁力平衡器的电磁铁产生的磁场是恒定磁场；定子上设有电刷架和电刷，转轴上设有集电环，通过电刷和集电环将可调节的直流电接入转子凸极电磁铁；风扇设在转轴上。

第二实施例

参见图4定转子截面平面图、图5转子结构图、图6定子结构图，一种永磁凸极三段式磁力平衡器，主要包括转子永久磁铁(7)、转子磁轭(8)、转子导磁环(3)、定子永久磁铁(9)、定子磁轭(10)、定子导磁环(6)和转轴、轴承、机座、端盖。转子凸极永久磁铁由6块磁钢与转子磁轭组成，三个转子凸极永久磁铁与两个转子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个转子凸极永久磁铁设在两个转子导磁环的中间，另两个转子凸极永久磁铁分别设在两个转子导磁环的外侧，中间的转子凸极永久磁铁的磁极方向与外侧的两个转子凸极永久磁铁的磁极方向相反；定子凸极永久磁铁由6块磁钢与定子磁轭组成，三个定子凸极永久磁铁与两个定子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个定子凸极永久磁铁设在两个定子导磁环的中间，另两个定子凸极永久磁铁分别设在两个定子导磁环的外侧，中间的定子凸极永久磁铁的磁极方向与外侧的两个定子凸极永久磁铁的磁极方向相反；中间的定子凸极永久磁铁的S磁极对着转子，中间转子凸极永久磁铁的S磁极对着定子，即中间定子凸极永久磁铁的S磁极与中间转子凸极永久磁铁的S磁极径向相对；两个外侧定子凸极永久磁铁的N磁极对着转子，两个外侧转子凸极永久磁铁的N磁极对着定子，即两个外侧定子凸极永久磁铁的N磁极与两个外侧转子凸极永久磁铁的N磁极径向相对；定子凸极永久磁铁的相邻磁钢之间的间距较宽、较深，转子凸极永久磁铁的相邻磁钢之间的间距较宽、较深。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第三实施例

参见图7定转子截面平面图，一种混合励磁凸极三段式磁力平衡器，主要包括转子导磁环(3)、转子永久磁铁(7)、转子磁轭(8)、定子凸极铁心(4)、定子励磁绕组(5)、定子导磁环(6)和转轴、轴承、出线盒、机座、端盖、风扇、磁场强度调节器。转子凸极永久磁铁由6块磁钢与转子磁轭组成，三个转子凸极永久磁铁与两个转子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个转子凸极永久磁铁设在两个转子导磁环的中间，另两个转子凸极永久磁铁分别设在两个转子导磁环的外侧，中间的转子凸极永久磁铁的磁极方向与外侧的两个转子凸极永久磁铁的磁极方向相反；定子凸极铁心有6个凸极，定子凸极铁心上绕有定子励磁绕组，组成定子凸极电磁铁，三个定子凸极电磁铁与两个定子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个定子凸极电磁铁设在两个定子导磁环的中间，另两个定子凸极电磁铁分别设在两个定子导磁环的外侧，中间的定子凸极电磁铁的磁极方向与外侧的两个定子凸极电磁铁的磁极方向相反；中间的定子凸极电磁铁的S磁极对着转子，中间转子凸极永久磁铁的S磁极对着定子，即中间定子凸极电磁铁的S磁极与中间转子凸极永久磁铁的S磁极径向相对；两个外侧定子凸极电磁铁的N磁极对着转子，两个外侧转子凸极永久磁铁的N磁极对着定子，即两个外侧定子凸极电磁铁的N磁极与两个外侧转子凸极永久磁铁的N磁极径向相对。其余未述部分同第一、第二实施例，不再重复。

Claims (10)

1.一种凸极式磁力平衡器，主要包括转子凸极磁铁(1、2、7、8)、转子导磁环(3)、定子凸极磁铁(4、5、9、10)和定子导磁环(6)，其特征是：转子凸极磁铁有若干凸极，三个转子凸极磁铁与两个转子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个转子凸极磁铁设在两个转子导磁环的中间，另两个转子凸极磁铁分别设在两个转子导磁环的外侧，中间的转子凸极磁铁的磁极方向与外侧的两个转子凸极磁铁的磁极方向相反；定子凸极磁铁有若干凸极，三个定子凸极磁铁与两个定子导磁环轴向连结成一个整体，其中，一个定子凸极磁铁设在两个定子导磁环的中间，另两个定子凸极磁铁分别设在两个定子导磁环的外侧，中间的定子凸极磁铁的磁极方向与外侧的两个定子凸极磁铁的磁极方向相反；定子凸极磁铁的S磁极与转子凸极磁铁的S磁极径向相对，定子凸极磁铁的N磁极与转子凸极磁铁的N磁极径向相对，即定子的磁极与转子的磁极设定为相斥的。

2.根据权利要求1所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是所述磁力平衡器为电励磁凸极三段式磁力平衡器或混合励磁凸极三段式磁力平衡器或永磁凸极三段式磁力平衡器。

3.根据权利要求1所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是所述凸极磁铁为凸极电磁铁或凸极永久磁铁，一个凸极磁铁有2个或2个以上的凸极，定子凸极磁铁的凸极数量与转子凸极磁铁的凸极的数量相同或不相同。

4.根据权利要求2所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是将三段结构的凸极三段式磁力平衡器改成单段结构的凸极单段式磁力平衡器或双段结构的凸极双段式磁力平衡器。

5.根据权利要求2或4所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是凸极式磁力平衡器与发电机放在一起设计，凸极式磁力平衡器的转子凸极磁铁的一侧与发电机的转子磁铁用导磁桥连接，和/或，凸极式磁力平衡器的定子凸极磁铁的背轭用导磁桥与发电机的定子磁铁连接。

6.根据权利要求3所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是相邻的定子凸极磁铁的凸极之间的间距和相邻的转子凸极磁铁的凸极之间的间距大于0.5cm。

7.根据权利要求2或4所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是电励磁和混合励磁凸极式磁力平衡器的机壳上设有出线盒，出线盒中设有磁场强度调节器。

8.根据权利要求2或4所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是永磁凸极式磁力平衡器的定子导磁环与机壳螺旋连接。

9.根据权利要求1或2或4所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是连接转轴与端盖的轴承为能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承。

10.根据权利要求2或4所述一种凸极式磁力平衡器，其特征是电励磁和混合励磁凸极式磁力平衡器的定子设有电刷和电刷架，转子设有集电环和风扇。

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