CN102655383A - 盘型磁力平衡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)和“U”形磁铁(3、4，7、8，11，12)，其特征是：定子环上固定有一个或一个以上径向排列的“U”形磁铁，转盘上固定有一个或一个以上径向排列的“U”形磁铁，定子“U”形磁铁的S磁极端与转子“U”形磁铁的S磁极端轴向相对，定子“U”形磁铁的N磁极端与转子“U”形磁铁的N磁极端轴向相对，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

盘型磁力平衡器

技术领域

本发明涉及一种电动发电机的部件，特别是一种盘型磁力平衡器。

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盘型磁力平衡器，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：一种盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)和“U”形磁铁(3、4，7、8，11，12)，其特征是：定子环上固定有一个或一个以上径向排列的“U”形磁铁，转盘上固定有一个或一个以上径向排列的“U”形磁铁，定子“U”形磁铁的S磁极端与转子“U”形磁铁的S磁极端轴向相对，定子“U”形磁铁的N磁极端与转子“U”形磁铁的N磁极端轴向相对，即定子的磁极与转子的磁极设定为相斥的。

所述“U”形磁铁为电磁铁或永久磁铁。“U”形电磁铁由“U”形铁心和励磁绕组组成，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。永久磁铁为铁氧体磁铁或稀土磁铁或橡胶磁铁。

所述磁力平衡器为电励式盘型磁力平衡器或混励式盘型磁力平衡器或永磁式盘磁力平衡器。电励式盘型磁力平衡器的定子和转子磁铁都是“U”形电磁铁，混励式盘型磁力平衡器的定子磁铁是“U”电磁铁，转子磁铁是“U”永久磁铁，而永磁式盘磁力平衡器的定子磁铁和转子磁铁都是“U”形永久磁铁。

由于转子“U”形磁铁和定子“U”形磁铁径向设置，“U”形磁铁的两头在空间上的位置为径向，即S磁极与N磁极径向排列，而“U”形磁铁的两个磁极端的方向则为轴向，因此转子“U”形磁铁的两个磁极端与定子“U”形磁铁的两个磁极端是轴向相对的。由于定子“U”形磁铁和转子“U”形磁铁径向排列，两者的磁极端轴向相斥时，对转子产生的主要作用力为垂直于轴面的切向扭力矩和平行于轴的轴向推力。若定子磁铁和转子磁铁不采用“U”形设计，两极轴向排列、轴向相对，则容易产生一个作用于转子的轴向扭力矩，使转轴偏离轴心线，产生不利的影响。

若干个定子“U”形电磁铁直接固定在定子环上，或者，将若干个定子“U”形电磁铁用卡环连成一个整体再固定在定子环上，或者，若干个定子“U”形电磁铁的铁心做成一个有若干对“U”形凸极的整体，在该铁心上设若干励磁绕组。若干个转子“U”形电磁铁直接固定在转盘上，或者，将若干个转子“U”形电磁铁用卡环连成一个整体再固定在转盘上，或者，若干个转子“U”形电磁铁的铁心做成一个有若干对“U”形凸极的整体，在该铁心上设若干励磁绕组。由于若干个“U”形电磁铁径向排列时，内侧磁极的间距较小，为了加大内侧磁极的间距，可将“U”形铁心做成一个外多极、内少极的整体，如铁心外侧有6个凸极，而内侧只有3个凸极。为了增强磁极之间的间隔效果，可在磁极之间充填导磁性能低的材料(亦称非导磁材料)。若干永久磁铁直接固定在定子环或转盘上，或者，若干永久磁铁用卡环连成一个整体，再固定在定子环或转盘上，或者，若干永久磁铁做成一个有多对凸极的整体，再固定在定子环或转盘上，或者，永久磁铁做成一个外多极、内少极的整体，再固定在定子环或转盘上。

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。因此磁力平衡器的磁铁间距不能太密，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磁铁之间的间距和相邻的转子磁铁之间的间距在2cm至5cm之间，微型磁力平衡器相邻的磁铁之间的间距在0.5cm至2cm之间，一般不小于0.3cm，大、中型磁力平衡器的相邻磁铁之间的间距则达到5cm以上。

磁力平衡器的定子“U”形磁铁与转子“U”形磁铁的数量相同，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。

电励式和混励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。电励式和混励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(10)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：转盘与转轴螺旋连接，推力轴承设在螺旋式位置调节器上，螺旋式位置调节器与机壳螺旋连接，只要将转轴固定，用螺旋式位置调节器旋转转盘即可实现转、定子磁铁距离的调节，或者，或者，定子环与机壳或端盖螺旋连接，也可以将定子环固定在一个螺旋环上，通过螺旋环与机壳或端盖螺旋连接，只需旋转定子环就可以实现转、定子磁铁距离的调节。

接入电励式或混励式磁力平衡器的电流为直流电，磁力平衡器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。

由于磁力平衡器还产生一个轴向推力，因此要在单段式磁力平衡器的转盘与机壳之间设置推力轴承(6)，以支承轴向推力。如果磁力平衡器做成双段式，则会对转子产生两个方向相反、大小相同的轴向推力，就无需使用推力轴承。

永磁式磁力平衡器适宜与永磁发电机相配使用，或者，永磁式磁力平衡器与电励式磁力平衡器一起与混励式发电机相配使用。混励式磁力平衡器中既有电磁铁又有永久磁铁，转子永久磁铁对着定子永久磁铁，转子电磁铁对着定子电磁铁，或者，转子永久磁铁与转子电磁铁相间而设、定子永久磁铁与定子电磁铁相间而设。混励式磁力平衡器适宜与混励式发电机配对，用磁力平衡器的永磁斥力抵消发电机的永磁吸力，用磁力平衡器的电磁斥力抵消发电机的电磁吸力。

永磁式或混励式磁力平衡器的永磁体可以先充磁再装入转子盘和定子环，也可以事先将磁钢固定在转子盘和定子环，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。

转子转盘和定子环用非导磁材料或导磁材料制成，当转子转盘和定子环作为主磁路的一部分时，转子转盘和定子环用软铁材料制成，如电工纯铁。

电励式和混励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、散热片等冷却装置。

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。

图8为本发明第四实施例结构示意图。

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、图2、图3，一种电励式盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)、转子励磁绕组(3)、转子“U”形铁心(4)、转轴(5)、推力轴承(6)、定子“U”形铁心(7)、定子励磁绕组(8)、机壳、端盖(9)、出线盒(10)、电刷架、电刷、集电环、风扇和磁场强度调节器。6个定子“U”形电磁铁的铁心做成一个有6对径向“U”形凸极的整体，在该铁心上设6个定子励磁绕组，该定子铁心绕组固定在定子环上；6个转子“U”形电磁铁的铁心做成一个有6对径向“U”形凸极的整体，在该铁心上设6个转子励磁绕组，该转子铁心绕组固定在转盘上；定子“U”形电磁铁的数量与转子“U”形电磁铁的数量相同；定子“U”形电磁铁的S磁极端与转子“U”形电磁铁的S磁极端设定为轴向相对，定子“U”形电磁铁的N磁极端与转子“U”形电磁铁的N磁极端设定为轴向相对，即定子的磁极与转子的磁极设定为相斥的。定子电磁铁的相邻“U”形凸极之间和转子电磁铁的相邻“U”形凸极之间有适当的间距间隔，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；转盘与机壳之间设有推力轴承；出线盒设在机壳上，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电磁铁；定子环固定在机壳上；转盘固定在转轴上，转盘的盘缘上设有风扇叶片。推力轴承为可承受轴向推力的轴承或可同时承受轴向推力和径向压力的轴承。

第二实施例

参见图4、图5、图6，一种双段电励式盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)、转子励磁绕组(3)、转子“U”形铁心(4)、转轴(5)、定子“U”形铁心(7)、定子励磁绕组(8)、机壳、端盖(9)、出线盒(10)、电刷架、电刷、集电环、风扇和磁场强度调节器。转盘的两侧都固定有径向排列的“U”形转子电磁铁，转子铁心为外多极、内少极的整体，铁心外侧有6个凸极，而内侧只有3个凸极；定子环有两个，两个定子环分别固定在转盘两侧的机壳上，两个定子环靠近转盘的一侧固定有“U”形定子电磁铁，定子铁心为外多极、内少极的整体，铁心外侧有6个凸极，而内侧只有3个凸极。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第三实施例

参见图7，一种混励式盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)、转子励磁绕组(3)、转子“U”形铁心(4)、转轴(5)、推力轴承(6)、定子“U”形铁心(7)、定子励磁绕组(8)、机壳、端盖(9)、出线盒(10)、转子“U”形永久磁铁(11)、定子“U”形永久磁铁(12)、电刷架、电刷、集电环、风扇和磁场强度调节器。若干转子“U”形电磁铁和若干转子“U”形永久磁铁相间而设，径向固定在转盘上，若干定子“U”形电磁铁和若干定子“U”形永久磁铁相间而设，径向固定在定子环上。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第四实施例

参见图8，一种永磁式盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)、转轴(5)、推力轴承(6)、机壳、端盖(9)、出线盒(10)、转子“U”形永久磁铁(11)和定子“U”形永久磁铁(12)。定子环上径向固定有若干定子“U”形永久磁铁，转盘上固定有若干转子“U”形永久磁铁。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

Claims (10)

1.一种盘型磁力平衡器，主要包括定子环(1)、转盘(2)和“U”形磁铁(3、4，7、8，11，12)，其特征是：定子环上固定有一个或一个以上径向排列的“U”形磁铁，转盘上固定有一个或一个以上径向排列的“U”形磁铁，定子“U”形磁铁的S磁极端与转子“U”形磁铁的S磁极端轴向相对，定子“U”形磁铁的N磁极端与转子“U”形磁铁的N磁极端轴向相对，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所述一种盘型磁力平衡器，其特征是所述磁力平衡器为电励式或混励式或永磁式盘型磁力平衡器。

3.根据权利要求1所述一种盘型磁力平衡器，其特征是所述“U”形磁铁为“U”形电磁铁或“U”形永久磁铁。

4.根据权利要求1或3所述一种盘型磁力平衡器，其特征是若干个定子“U”形磁铁直接固定在定子环上，或者，将若干个定子“U”形磁铁用卡环连成一个整体再固定在定子环上，或者，定子“U”形磁铁作为一个有若干对“U”形凸极的整体直接固定在定子环上，或者，定子“U”形磁铁作为一个外多极、内少极的整体直接固定在定子环上；若干个转子“U”形磁铁直接固定在转盘上，或者，将若干个转子“U”形磁铁用卡环连成一个整体再固定在转盘上，或者，转子“U”形磁铁作为一个有若干对“U”形凸极的整体直接固定在转盘上，或者，转子“U”形磁铁作为一个外多极、内少极的整体直接固定在转盘上。

5.根据权利要求1所述一种盘型磁力平衡器，其特征是磁力平衡器的定子“U”形磁铁与转子“U”形磁铁的数量相同或不相同。

6.根据权利要求1所述一种盘型磁力平衡器，其特征是相邻的定子磁铁之间的间距和相邻的转子磁铁之间的间距大于0.3cm。

7.根据权利要求2所述一种盘型磁力平衡器，其特征是电励式和混励式磁力平衡器的机壳上设有出线盒(10)，出线盒中设有磁场强度调节器。

8.根据权利要求2所述一种盘型磁力平衡器，其特征是永磁式磁力平衡器的定子环与机壳或端盖(9)螺旋连接。

9.根据权利要求1或2所述一种盘型磁力平衡器，其特征是磁力平衡器为单段式，转子转盘与机壳之间设有推力轴承(6)，或者，磁力平衡器为双段式。

10.根据权利要求2所述一种盘型磁力平衡器，其特征是电励式和混励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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