CN103904853A

CN103904853A - 多路定子发电电动一体机

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Publication number: CN103904853A
Application number: CN201410137440.1A
Authority: CN
Inventors: 赵幼仪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2014-07-02

Abstract

一种多路定子发电电动一体机简称多路定子一体机，具有可以打开的左右壳体、发电电动盘式定子、盘式转子以及机轴，其中发电电动盘式定子、盘式转子的位置包括有轴向结构和径向结构两种，因此多路定子一体机的整体结构包括轴向一体机和径向一体机两种。由于采用了多路并联式定子线圈，大功率一体机大大提高了电动和发电能力，因而结构简单，成本低廉，体积小重量轻，在发电模式和电动模式两方面工作都很出色，可用于各类电动自行车、电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备。

Description

多路定子发电电动一体机

所属技术领域

本发明及发电机和电动机技术领域，涉及一种新型的发电电动一体机，该一体机与普通发电机、电动机相比，体积更小、重量更轻但更率更大动力更强，可用于电动自行车、电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备。

技术背景

在电动自行车和电动汽车上发电，以补充能量增大航程，是一项新的研究课题，各国都很重视，但很难取得满意效果。例如美国专利新技术ELECTRIC BICYCLE DRIVE SYSTEM WITH REGENERATIVE CHARGING(US2011/0001442A1)，是在现有的传动结构上增设了小型发电机，据该专利记载的技术内容分析，使用普通的小型发电机，很难在正常骑行状态下获得有效的功率。而美国专利PEDAL GENERATOR ELECTRIC BICYCLE（US2012/0202649A1）虽然在中轴脚踏上安装了发电机，但该车还在前轴上安装了轮毂电机，增大了成本、增加了重量，却牺牲了脚踏功能，笨重而效率低，显然还需做进一步改进。我国一项适用于助力车的电动发电一体机（ ZL03254965.2），虽然有了一个好的立意，但该发明在轮毂内安装了电动机和发电机两套装置，使得结构复杂而体积增大，实际上并不适用在电动助力车上。在电动自行车上安装的发电电动一体机必须结构简单、体积小重量轻，成本低而且易于装卸维修。

发明内容

本发明的目的，就是要提供一种结构简单、体积轻小、价廉高效而使用方便的发电电动一体机，该一体机可用于各类电动自行车、电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备。

为达到上述技术目的，本发明所采取的技术方案是：多路定子发电电动一体机简称多路定子一体机，具有可以打开的左右壳体、发电电动盘式定子、盘式转子以及机轴，发电电动盘式定子、盘式转子的位置包括有轴向结构和径向结构两种，因此多路定子一体机的整体结构包括轴向一体机和径向一体机两种。所述轴向一体机的构造是：在左右壳体的内侧壁上开设有定子安装槽，多路定子线圈就安装在定子安装槽内，构成发电电动盘式定子，在圆盘形的磁钢托盘圆面上开设有矩形或扇形槽，磁钢就安装在矩形或扇形槽内，构成盘式转子，盘式转子通过花键穿接在机轴上，左右壳体通过轴承穿接在机轴上固定在一起，定子线圈的导线从一侧机壳边缘上伸出。所述多路定子线圈的每一相线圈都是多路并联式线圈，即每一相线圈都不同于普通定子线圈的一路串联到底，多路并联式定子线圈是将每一相线圈的总数都分成M段如两段、或三段、或四段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端并接在一起，而将三相线圈的首端引出线从多路定子一体机中引出。多路并联式定子线圈等分M段的分段条件是：为保证一台在电动模式下火线电平为ε ₀的大功率发电电动一体机在发电模式下不变，那么在将每一相线圈等分成M段时，线圈绕线的匝数相应增大到M倍，线圈绕线的线径减小到ζ倍。所述线圈绕线的线径减小到ζ倍，是指等分M段线圈所选择的线圈绕线线径，与不等分线圈且保持火线电平ε ₀不变时所选线径之间的函数关系，使用计算式表达为ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]，d=ζd₀。所述径向一体机的结构是：在机轴上套装圆盘形定子支架，定子支架的外缘安装环形排列的多路定子线圈，在左右壳体的一侧壳体的圆环内侧壁上，安装有导磁环和圆环排列的磁钢，导磁环、磁钢和圆环侧壁共同构成径向盘式转子，与上述轴向结构相同，即每一相线圈都不同于普通定子线圈的一路串联到底，多路并联式定子线圈是将每一相线圈的总数都分成M段如两段、或三段、或四段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端并接在一起，而将三相线圈的首端引出线从多路定子一体机中引出。所述发电电动盘式定子各盘上的多路定子线圈最少可以只设一相，具有只设一相的多路定子线圈的大功率一体机设置直流换向器。所述轴向一体机和径向一体机内设置的发电电动盘式定子及盘式转子的数目均大于等于2时，多路定子一体机就形成多盘轴向一体机或多盘径向一体机，总称多盘一体机，多盘一体机的主体结构不变，只是发电电动盘盘式定子和盘式转子在数量上可以成倍增加。所述大功率一体机最简结构是只具有一个发电电动盘式定子及一个盘式转子。所述多盘一体机各盘上的定子线圈分段数目M、转子磁钢参数和线圈线径、绕法及层数都完全相同，必须具有相同的相位和相同的功率。

本发明由于设计了多路并联式定子线圈，在相同额定电压的条件下，与普通发电电动机相比，多路定子一体机体积更小、重量更轻、功率更强大，在电动自行车、电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备领域中有广泛的应用，因而发明的积极意义十分明显。

附图说明

下面结合附图及实施例，对本发明进一步说明

图1是本发明提出的一种多路定子一体机的轴向一体机结构示意图。

图2是本发明提出的另一种多路定子一体机的轴向一体机结构示意图。

图3是本发明提出的一种多路定子一体机的径向一体机结构示意图。

图4是本发明提出的一种最简多路定子一体机结构示意图。

图5-1是本发明提出的一种多路定子线圈结构示意图。

图5-2是本发明提出的一种三相多路定子线圈接法结构示意图。

图6是本发明提出的一种多盘轴向一体机结构示意图。

图7是本发明提出的一种多盘径向一体机结构示意图。

图1中、图2、图4、图6中，100是多路定子一体机，5是轴承，4.1是左壳体， 3A是发电电动盘式定子，A3是多路定子线圈，6是线圈导线，A2是磁钢， 2A是盘式转子，2.1是磁钢托盘，1.1是花键，4.2是右壳体，1是机轴，1.2是引线孔，7是安装环。

图3、图7中，2B是盘式转子，2.2是导磁环，B2是磁钢，3.1是铁芯，B3是定子线圈，3B是发电电动盘式定子，3.2是定子支架。

图5-1、图5-2中，a、b、c是分成三等份的一组三相多路定子线圈，Q是三段线圈并联的首端，Z是三个线圈并联的尾端。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，多路定子发电电动一体机简称多路定子一体机100，包括可以打开的左右壳体4.1和4.2、发电电动盘式定子、盘式转子以及机轴1组成，发电电动盘式定子、盘式转子的位置包括有轴向结构和径向结构两种，因此多路定子一体机的整体结构包括轴向一体机如图1、图2、图4所示，和径向一体机如图3所示两种。

如图1、图2、图4所示，轴向一体机的构造是：在左右壳体4.1和4.2的内侧壁上开设有定子安装槽，多路定子线圈A3就安装在定子安装槽内，构成发电电动盘式定子3A，在圆盘形的磁钢托板2.1的圆面上开设有矩形或扇形槽，磁钢B2就安装在矩形或扇形槽内，构成盘式转子2B，盘式转子2B通过花键1.1穿接在机轴1上，左右壳体4.1和4.2通过轴承5穿接在机轴1上固定在一起，多路定子线圈A3的导线6从一侧机壳边缘上伸出。

如图5-1、图5-2所示，多路定子线圈3的每一相线圈QZ都是多路并联式线圈，即每一相线圈都不同与普通定子线圈的一路串联到底，每一相多路并联式线圈的总数都分成M段如两段、或三段、或四段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端Z1、Z2、Z3并接在一起，而将三相线圈的首端Q1、Q2、Q3引出线分别从大功率一体机内引出。这里要强调的是，多路并联式定子线圈等分M段的分段条件是：为保证一台在电动模式下火线电平为ε ₀的大功率一体机在发电模式下ε ₀不变，那么在将每一相线圈等分成M段时，线圈绕线的匝数相应增大到M倍，线圈绕线的线径减小到ζ倍。所述线圈绕线的线径减小到ζ倍，是指等分M段线圈所选择的线圈绕线线径，与不等分线圈且保持火线电平ε ₀不变时所选线径之间的函数关系，使用计算式表达为ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]，d=ζd₀。

如图3所示，径向一体机的结构是：在机轴1上套装圆盘形定子支架3.2，定子支架3.2的外缘安装环形排列的多路定子线圈B3，构成径向发电电动盘式定子3B，在左右壳体4.1或4.2的一侧壳体的圆环内侧壁上，安装有导磁环2.2和圆环排列的磁钢B2，磁钢B2、导磁环2.2和圆环侧壁共同构成径向盘式转子2B；与上述轴向结构相同，即每一相线圈都不同与普通定子线圈的一路串联到底，每一相多路并联式定子线圈都是多路并联式线圈，即将每一相线圈的总数都分成M段如两段、或三段、或四段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端Z1、Z2、Z3并接在一起，而将三相线圈的首端Q1、Q2、Q3分别从多路定子一体机内引出。

如图6、图7所示，轴向一体机和径向一体机内设置的发电电动盘式定子及盘式转子的数目均大于等于2时，大功率一体机就形成多盘轴向一体机或多盘径向一体机简称多盘一体机，多盘一体机的主体结构不变，只是在发电电动盘式定子3A、3B和盘式转子2A、2B的数量上成倍增加；多路定子一体机最简结构是只具有一个发电电动盘式定子3A或3B及一个盘式转子2A或2B。所述各发电电动盘式定子上的多路定子线圈A3最少可以只有一相，具有一相多路定子线圈A3的多路定子一体机设置直流换向器。多盘一体机各盘上的定子线圈等分分段数目M、转子磁钢参数和线圈线径、绕法及层数都完全相同，必须具有相同的相位和相同的功率。

如图5-1、图5-2所示，QZ是一相等分为三段的多路定子线圈，和由三个QZ组成的三相多路定子线圈。

下面分析多路定子线圈的工作原理。

首先必须强调，简单将每一相线圈A3或B3等分M段并联制成的大功率电机，只能在电动模式下工作，只能是一台电动机。其火线电平ε ₀是动力电源外加的，虽然每一相线圈等分M段，线圈的总面积S₀减小到M倍，即S=S₀/M，但动力电源ε ₀不变，于是这台电机等于具有M路电源ε ₀的电机，电流I增大M倍，即I=MI₀当然变成了大功率电机。但是，这台大功率电机的电动和发电过程并不是可逆的，等分成M段的线圈并连到一起使用机械力驱动旋转，根据发电原理ε= NBSω，同一台电机，虽然线圈匝数N和磁感应强度B，以及转速ω保持不变，但线圈的有效面积S减小到M倍，变成了S₀/M，其火线电平ε= NBSω=NB（S₀/M）ω=ε ₀/M，换句话说，这台大功率电机在发电模式下工作，得到的火线电平仅仅是在电动模式下火线电平的M分之一，这当然无法正常使用。

为了不改变这台电机的定子、转子的尺寸，不改变磁钢的数目和大小，不改变电机的直径和厚度等所有的参数，但可以在发电模式下得到同样的火线电平ε ₀，我们可以改变线圈绕线的匝数N和线径d，即在决定将线圈等分为M段的同时，首先选择线圈线径较细的导线，把线圈绕线匝数增大到M倍，就可以达到目的了。这是因为，第一：匝数增大到M倍，线圈有效面积减小到M倍，即N=MN₀，S=S₀/M，则发电机产生的火线电平：

ε= NBSω=（MN）B（S₀/M）ω=NBSω=ε ₀

也就是说，将线圈匝数增大到M倍并等分为M段并联的定子线圈，在发电模式下工作，产生的火线电平不变。

第二，线圈线径选择是d和d₀的关系是d=ζd₀ ，其中ζ为：

ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]

使用ζ倍数选择的线圈绕线线径，能够满足线圈匝数增大到M倍时，d=ζd₀的较细导线基本能够绕制在原大小的线圈槽中。

第三，导线的截面Δ和导线通过的最大电流I之间的关系是：Δ=ρIL/U，这其中ρ和U是要求保持不变的量，则等分M段线圈中的电流I 与不等分尸的电流之比为：Δ/Δ₀=IL/I₀L₀，而：Δ/Δ₀=（d/d₀）²，其中d=ζd₀，所以：

IL/I₀L₀=（d/d₀）² 化简：

I=ζ²M I₀

这样，当M=3时，将M代入ζ²经计算ζ²=0.464²，所以：

I=0.464²×3×I=0.646I₀

每一等份段线圈中电流为I，但多路电子线圈分为路，则每一相线圈中的总电流ΣI=3I=1.94 I₀，由于每一等份段线圈所能达到的发电功率为T₀，则多路定子线圈M路并联的总功率就是：

ΣT=1.94 T₀

也就是说，多路并联式定子发电能力是原本来的1.94倍，将近增大了一倍。同样道理计算，当线圈4段时，总发电功率ΣT=2.8 T₀，将近增大了3倍，当M=5时，ΣT=3.5 T₀。可以说，本多路定子一体机在发电模式和电动模式上都十分出色。

Claims

1.一种多路定子发电电动一体机简称多路定子一体机，其特征在于：该多路定子一体机（100）具有可以打开的左右壳体（4.1）和（4.2）、发电电动盘式定子、盘式转子以及机轴（1），发电电动盘式定子、盘式转子的位置包括有轴向结构和径向结构两种，因此多路定子一体机的整体结构包括轴向一体机和径向一体机两种。

2.如权利要求1所述的多路定子一体机，其特征在于：轴向一体机的构造是：在左右壳体（4.1）和（4.2）的内侧壁上开设有定子安装槽，多路定子线圈（A3）就安装在定子安装槽内，构成发电电动盘式定子（3A），在圆盘形的磁钢托盘（2.1）圆面上开设有矩形或扇形槽，磁钢（A2）就安装在矩形或扇形槽内，构成盘式转子（2A），盘式转子（2A）通过花键（1.1）穿接在机轴（1）上，左右壳体（4.1）和（4.2）通过轴承（5）穿接在机轴（1）上固定在一起，定子线圈的导线（6）从一侧机壳边缘上伸出。

3.如权利要求2所述的多路定子一体机，其特征在于：多路定子线圈（A3）的每一相线圈都是多路并联式线圈，即每一相线圈都不同于普通定子线圈的一路串联到底，多路并联式定子线圈是将每一相线圈的总数都分成M段如两段、或三段、或四段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端（Z1）、（Z2）、（Z3）并接在一起，而将三相线圈的首端（Q1）、(Q2)、(Q3)的引出线从电机内引出。

4.如权利要求3所述的多路定子一体机，其特征在于：多路并联式定子线圈等分M段的分段条件是：为保证一台在电动模式下火线电平为（ε ₀）的多路定子一体机在发电模式下（ε ₀）不变，线圈绕线的匝数相应增大到M倍，线圈绕线的线径减小到ζ倍。

5. 如权利要求4所述的多路定子一体机，其特征在于：所述线圈绕线的线径减小到ζ倍，是指等分M段线圈所选择的线圈绕线线径，与不等分线圈且保持火线电平ε ₀不变时所选线径之间的函数关系，使用计算式表达为ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]，d=ζd₀。

6.如权利要求1所述的多路定子一体机，其特征在于：径向一体机的结构是：在机轴（1）上套装圆盘形定子支架（3.2），定子支架（3.2）的外缘安装环形排列的多路定子线圈（B3），构成径向发电电动盘式定子（3B），在左右壳体（4.1）或（4.2）的一侧壳体的圆环内侧壁上，安装有导磁环 (2.2)和圆环排列的磁钢（B2），导磁环（2.2）、磁钢（B2）和圆环侧壁共同构成径向盘式转子（2B）；与上述轴向结构相同，即每一相线圈都不同于普通定子线圈的一路串联到底，多路并联式定子线圈是将每一相线圈的总数都分成M段如两段、或三段、或四段，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端（Z1）、（Z2）、（Z3）并接在一起，而将三相线圈的首端（Q1）、（Q2）、（Q3）引出线从电机内引出。

7. 如权利要求1所述的多路定子一体机，其特征在于：轴向一体机和径向一体机内设置的发电电动盘式定子（3A）或（3B）及盘式转子（2A）或（2B）的数目均大于等于2时，车用一体机就形成多盘轴向一体机或多盘径向一体机简称多盘一体机，多盘一体机的主体结构不变，只是在发电电动盘式定子和盘式转子的数量上可以成倍增加。

8.如权利要求1所述的多路定子一体机，其特征在于：大功率一体机最简结构是只具有一个发电电动盘式定子（3A）或（3B）及一个盘式转子（2A）或（2B）。

9.如权利要求1、或2所述的多路定子一体机，其特征在于：各发电电动盘式定子（3A）上的多路定子线圈（A3）最少可以只有一相多路定子线圈（A3），具有一相多路定子线圈（A3）的车用一体机（100）设置直流换向器。

10.如权利要求1、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9所述的多路定子一体机，其特征在于：各盘上的定子线圈（A3）或（B3）等分分段数目M、转子磁钢（A2）或（B2）参数和线圈线径、绕法及层数都完全相同，必须具有相同的相位和相同的功率。