CN104335465A - 磁性转移励磁的电力电动机-发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其包括定子（1）和转子（2），该转子（2）带有相对于定子和转子静止的外芯（3），所述外芯（3）包括：连接到定子（1）的外轴向部分或轴向电枢（6），通过气隙（4）与转子（2）进行通信的内部，第三部分，盘（8），该第三部分连接另外两个部分，其中，转子不具有任何励磁线圈，并因此没有集电环或集电刷。所述外芯（3）具有在其外轴部分（6）上的轴向永磁体（12）和永磁体（10），以及在另外两个部分中或盘（8）上的电磁体（11）。所述转子不具有刷来创建磁场，而是通过磁体（10）外芯（3）的线圈创建磁场，磁性流通过气隙向旋转的转子传递感应流，因此无需集电环或集电刷。

Description

磁性转移励磁的电力电动机-发电机

技术领域

所主张的机器涉及电磁发电机和电磁电动机领域。该机器是一种将机械能、例如移动力，转换为电能，以及将电能转换为机械能的设备。其是一种电机，磁流通过转移，从静磁流源穿过被动气隙而进入转子。

背景技术

具有这样的汽车交流发电机：其电磁激励为静态式的，但其磁流穿过四个气隙，且其定子中的磁路的形状为传统类型；所有这些都使得其与本发明所主张的完全不同。

本发明专利的其中一个申请人所拥有的实用新型U 200402396，如本发明专利所主张的那样，具有静态的电磁激励，以及单个中轴线圈，每个极只有两个气隙。

然而，本专利的方案包括利用在盘上或轴向电枢上的仅一个中心永久轴向磁体12和若干永磁体10进行励磁，它们可单独使用或与多个励磁线圈11结合使用，在结合使用时所述磁体的磁芯并入在盘8的中心部分与盘8的外部环形冠之间，或者在电枢6的两个环之间；转子和定子机的形状和分布是专用于本专利的；有多种流变化，在提出的实施例中有三种；所有这些使得它与前面提及的实用新型在其结构和产生的效果上有本质的不同。

本发明与前述实用新型的不同还在于，由于转子2上增加的鼠笼18，这种新型基本同步交流发电机转换为异步电动机-发电机，其中的一种被认为首选地用于驱动电动车和混合动力车，以及用于风力涡轮机，不存在传统同步发电机中由于这种增加而产生的问题。

发明内容

下面对传统机器的技术问题以及本发明提出的合理的解决方案进行介绍。

a）在所有发电机中，尤其是针对汽车和风力发电的发电机中，在低速时获得动力而不增加机器的尺寸是个问题，这是因为在高速时电压已经远远足够，并因此须由所选的调节系统所限制。

图3展示了在本发明的情况中，在三相定子的线圈R上，每匝的流变化如何为3×F，三倍于传统的情况。因为流是单向的，这可能只能在当前主张的机器中进行。

图4为传统的交流发电机，其展示了转子极33只在相位“R”的线圈所包含的三个定子极其中之一上产生连续的流变化F，而在图3的改进的交流发电机中，在相位“R”所包含的三个极上同时产生变化，每个极应当具有相同的流，即，3×F。

应用相关电子技术公式的电压计算说明了这种主张。

基本公式：

电压 = 流量变化 / 发生变化所用的时间

如正确地应用，则本公式将会证实这种主张，且用试验加以确认。

b）传统交流发电机在低速时的冷却也是一个问题，因为这种冷却限制了可以获得的能量。定子绕组的电导体的横截面决定了每个线圈的匝数，而这又决定了线圈电压。所获得的每匝的电压越大，电阻损耗就越小，这是因为对于相同的线圈电压，所需的每个线圈的匝数更少。

很明显，随着电压的显著提高和线圈导线长度的减小，本发明减少了不想要的热的产生，从而欧姆电阻也因此减小。

c）传统的汽车交流发电机具有的另一个问题是，励磁线圈需要的铜的量，以及这些励磁线圈生成的热量。

图1展示了根据本发明的交流发电机的示意性设置，从中可以看出，带有芯、即电磁体的励磁线圈11完全取代了外芯的盘8的圆形冠，在每个励磁线圈11之间有通风窗20。此外，这些线圈是层数很少的线圈，这是其是传统的汽车交流发电机的线圈总数除以电磁体的数目得到的数，并且，这些线圈具有与外芯和空气接触的大的表面，其结果是使得冷却直接而有效。线圈13缠绕在中心磁体12上。全部或部分电磁体可能被永磁体10替代，永磁体10的北极面向相同的方向，朝着盘的外围，如图2，方位30，或者反之亦然；其结果是永磁体10的各流量结合在一起，带来总流量。

计算结果表明，对于相同数量的安培匝数和相等的铜线直径，这种布置所需的铜线长度只占传统设备铜线长度的一小部分，并且，由于大直径芯上的中央线圈被小的芯上的多个线圈所替代，其比起传统设备具有大得多的冷却表面和小得多的欧姆电阻。更低的欧姆电阻使得励磁电流生成的热量更少。此外，十分重要的是，在为电磁体的情形中，励磁中使用的铜的量远少于传统设备。在多个线圈的版本中，该数量占传统设备的三分之一。因此，其生成少得多的热。计算结果表明，对于主动气隙中相同的感应，铜的量约为传统的三分之一，散热为一半或更少。此外，尽管有几个线圈，但是由于它们更小并有少得多的铜，因此成本更低。

由于它们产生更少的热量，并且，由于它们连接到位于机器外部的显著的铁块，比起单一的大直径的中心线圈，具有更大的表面，其与冷却介质（通常为空气）的接触大上许多并更有效，因此励磁线圈冷却要好得多。简单计算表明，汽车交流发电机的表面在同等暴露给主动气隙中的感应下，带有多个线圈的要比带有一个中心线圈的大得多。

空气冷却风扇28无需一定安装在转子上。可能会有直径更大更高效的另一个风扇21安装在永磁衔铁的外部，但是在机器的电枢27中。

这使得当生成电能时产生的热量能够缓慢地排到外面。这是非常重要的。

同样的，在有空间的情况下可能增加安培匝数的数量，不会由于规模而影响转子或定子的尺寸。这也是很重要的。

d）在传统的汽车交流发电机中，如图4所述，励磁线圈或线圈35在旋转的转子上，因此这意味着需要环和刷36以向它们施加电励磁电流。

在本发明中，没有环或刷，这是因为励磁线圈是固定的。这也减少了成本。

e）使用永磁体而不是励磁线圈是很有价值的，因为在励磁中不使用铜；但缺点是，在已知的发电机中永磁体放置在转子上。由于永磁体给予特定的固定感应且随着转子旋转，因此，必须利用复杂而昂贵手段通过定子进行电压调节。

f）带有传统永磁体的风力涡轮机具有某一启动转矩，称为“齿槽转矩”（cogging），该齿槽转矩防止风力涡轮机在特定风速下启动，即使其一旦启动便足以能产生能量。

由于励磁磁体或磁体10未在转子上，因此，本发明解决了e）和f）这两个问题；励磁磁体或磁体10在外芯上，因此它们是静态的，并可以通过卷绕在其上的电导丝13的线圈，或通过永磁体和电磁体的结合，来调节励磁磁体或磁体10，以调节和消除齿槽转矩。这通过以下方式实现：参见图2。

永磁体10和电磁体11的磁极性面向相同的方向，例如，朝向盘8的外围。参见图2，位置30。因此，永磁体10与电磁体11之间的流增加了，该流穿过外芯3到达定子，并通过气隙5和4返回至外芯的中心部分，该中心部分由其上带有线圈13的永磁体12形成，再到达盘4并从盘3到达具有软铁芯的磁体11，以及永磁体10的芯，从而完成磁路。然而，如果移除了软铁芯电磁体11，那么磁体的流通过盘8的圆形冠流转，并通过该圆形冠返回到磁体相反极，励磁和齿槽转矩因此消失了。参见图2中的闭合电路31。

如果只有永磁体10和12，则随着其上的绕组13被反向电流所励磁，永磁体10和12从磁体的流中减去其自身的流，直到它们相互抵消。在磁体10和12失去磁力的情况下，绕组13还用来恢复磁体的磁力。

本发明所主张的结合永磁体（该永磁体上有线圈或没有线圈）以产生励磁的电磁体，也可以应用在发电机上，其中，励磁安装在转子中，如图4所示，由于这个原因，这同样作为独立权利要求而提出。

在两种情况下，上面描述的形式能够实现非常简单和低成本的调节，并由于永磁体的出现，消除了齿槽转矩或启动转矩。这对于风力涡轮机是十分重要的，尤其是具有在3和8 kW之间的能量的风力涡轮机。

g）传统的同步交流发电机不能转换为异步电动机，这是因为其具有这样的问题：在启动过程中以及在较小程度上而言地在正常运行中，由于磁路通过感应线圈所在转子的极闭合了，定子的旋转场在电感绕组中感生了危险电流。参见图4。

具有利用磁转移技术励磁的发电机具有第二或被动气隙4，如说明书所述的，参见图1，其中只有流传输而没有流变化。这意味着没有感应电流，并且，当作为同步发电机运作时，产生出变化为流的主动气隙6，以及感应电压和电流。

当作为次异步（hypo-asynchronous）发动机或超异步（hyper-asynchronous）发电机时，只有既有的扩散流和调节流穿过第二气隙4。这已经被实验证实这些流是非常小的。

这使得被主张为同步发电机的机器和异步机器与带鼠笼或线圈转子启动的传统同步交流发电机具有本质区别，前者中有两个气隙是激活的。如下所解释的，这个区别是非常重要的。

由适当的多相电压和电流系统提供的、定子所产生的旋转场，在传统的同步交流发电机的励磁线圈中产生高感应电压，这是因为激励线圈在转子中并被转子穿越。参见图4。这是危险的，使用已知的昂贵设备来避免出现这种情况。在用于通过磁转移励磁的本发明的布置中，感应电流闭合在转子的芯上，而不会明显影响不在转子、而是在外芯上的励磁绕组。参见图3，电流32。

h）在转子中设有传统的永磁体的发电机中，不可能有到异步发动机的转换，因为这会使磁体退磁。

本发明不具有上述问题，因为磁体不是在转子中，而是在外芯中，定子线圈感生的电流不会到达外芯，线圈如在传统的异步电机中一样闭合在转子的衔铁上。参见图3，电路32。

附图说明

图1为本发明的交流发电机的截面图，其中线圈和永磁体在盘中，位于轴向电枢和中央芯中；

图2为磁体、电磁体、调节和抗齿槽线圈在盘上的分布；

图3为本发明的交流发电机中的流的示意图；

图4为传统的交流发电机中的流的示意图。

具体实施方式

以下是对本发明的实施例和可能的变化的描述，其技术包含在解释和权利要求中，但是所阐述的具体细节并不对本发明的范围构成限制。

形成本发明的部分的所有组件都被包含进来以便更好理解本发明，即使它们在其他实施例中有不同的编号和外形。

本机器具有铝的前护罩22，该前护罩22容纳机器的轴24的旋转前轴承23，该轴24在其位于另一轴承25上的另一端旋转，所述轴承25的支撑件26保持在外部磁芯3的盘中以便保证气隙4和5。铝的外盖27封闭保护电枢，该保护电枢包含主要风扇21。还有另外两个内部风扇28。

图3展示了设有鼠笼18的本发明的异步发电机的截面图，其中，带有通风道19，以将其转变为异步机器。

定子1通过机械接触连接到外芯3，其交替地通过第二的或被动的气隙4面向转子2。

感应线圈11和永磁体10插在磁路29中，它们的极与场30朝向相同的方向，如图2所示。中心永磁体12被穿过被动气隙传递到转子2的总流所穿越。

通过主动气隙5，转子2的极16面向定子的极14。参加图3。

在图2中，电磁体11和永久励磁磁体10位于盘9上，而不是安装在外轴向部分6上。运行是一样的。

电磁体12以位于盘8上的其他永磁体10相同的方式位于被线圈13围绕的中心区域。

图1中的具有闭合线29的磁性流，开始于电磁体或永磁体，接着穿过盘8，流过轴向芯6，轴向和径向地穿越定子衔铁1，从后者穿到定子2极，通过主动气隙5；它从转子2穿过被动气隙4到中心永磁体12；从这里，通过机械接触，到盘9并返回到电磁体或永磁体10和11。

以下有几种方式工作为异步发电机：

a）采用依靠电磁体的励磁。优点：低的铜含量，在转子和定子中低的欧姆热量，传统的电压调整。

b）采用依靠永磁体的励磁。优点：非常低的制造成本。所主张的磁性调整和保留：每个永磁体具有缠绕在该永磁体上的线圈13，通过这些应用，采用合适的电流，可以抵消磁性流，并且可以调整其值，或者可以保留其磁性。

c）采用依靠电磁体和永磁体的混合励磁。优点：a）中提到的低的铜含量和励磁中的低热量。没有齿槽转矩，永磁体不用退磁，根据励磁简单和廉价的调节。

d）采用只依靠中心永磁体的励磁。非常低成本的解决方案，典型的低功率风力涡轮机。

所有这些都具有这样的优势：能够通过在定子上增加鼠笼18而转换为异步机器。

适当提供的电磁体相当于永磁体，二者都具有向相等的极性面向，例如，朝向盘8的外围参见图2，位置30；其创建了整个磁场，以及在主动气隙5中的感应B，在该处产生了流变化，该流变化生成定子绕组中的电压。

随着励磁从电磁体上移走，永磁体的流关闭其自身，消除了齿槽转矩，并且，更容易以低的成本调节电压。这种磁场作用表现在图2中，盘8中，位置31。

这要求电磁体的数量和永磁体的数量要相同。

带着芯的励磁线圈的成本要低于汽车交流发电机的单个中心线圈的成本，因为，它的芯的直径小得多，从而具有少得多的铜。简单的计算说明了这种情况。

关于合适的磁材料的衔铁的极或突出，例如，减少磁滞现象造成的损耗的薄磁板，图3和4显示了传统交流发电机和本发明的交流发电机的不同。

在本发明的发电机中，如图3所示，以气隙测量的定子极14的宽度和转子16的宽度相等，而定子的对应的凹槽15和转子的对应的凹槽17可以等于极的宽度或者大百分之二十五以改变电压波形的形状。在图3中，它们是相等的。

每个定子极面向一个转子极，并且，线圈的每匝包括三个定子极，对于相同速度和流量，流变化为三倍，电压从而也为三倍。

在传统的交流发电机中，如图4所示，每个转子极33，面向三个定子极，精确地说，面向平均极距所包含的三个定子极。随着转子的旋转，其极33改变单个定子极上的流，直到下一个凹槽，因此意味着，流变化为本发明的交流发电机的三分之一。

图3展示了当本发明的机器作为异步运作时的力线闭合，电路32。通过多相电流，例如，三相电流，在定子中创建的旋转磁场的力线，闭合在转子的芯中，因为磁路的长度小于图2，位置30（部分的）和图1中的位置29的电路，并具有更小的电阻。

如图4所示，带有永磁体的传统同步电机的转子在它的极上具有励磁磁体或磁铁37。在本发明中，永磁体具有缠绕在其每一个上的线圈，通过这些线圈，可以改变产生的磁场，以便调整电压，避免齿槽转矩，并在它失去磁性的时候恢复磁性。

通过与上述相类似的方式结合永磁体和电磁体，将励磁安装在图2的盘8的位置31上，也能达到相同的效果。

图1的位置34为铝电枢的通气窗。

Claims (7)

1.一种通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其中定子（1）和转子（2）的衔铁由磁导材料制成，所述转子（2）在所述定子（1）中旋转，所述转子（2）和所述定子（1）通过磁导材料的外部芯（3）连通，所述芯（3）与所述转子（2）和所述定子（1）均不同，并且相对于所述转子（2）和所述定子（1）是静止的，所述芯（3）通过直接接触连接到定子的衔铁上，并通过第二气隙（4）连接到转子的衔铁上，所述第二气隙（4）通过主动气隙（5）朝向所述定子；

所述芯（3）具有：外部轴向部分，该外部轴向部分直接连接到定子的衔铁，称为轴向电枢（6）；内部部分，称为中央芯（7），该中央芯（7）通过第二气隙与转子的衔铁连通；以及第三部分，称为盘（8），该第三部分位于所述外部轴向部分和内部部分之间，并将它们连接在一起；这些部分全都由磁导材料制成，剩磁很小或为零，如软铁和磁钢薄片；

关于作为异步发电机运，所述定子（2）没有任何类型的励磁线圈，因此意味着它没有集电环或集电刷；

定子的衔铁在每个突出上支持传统的多相绕组（9）或单个线圈；

在1到12行所限定的所述磁性转移励磁的电力电动机-发电机，形成现有技术的一部分，其特征在于本发明的目的，其中，外芯（3）具有由永磁体（10）和电磁体（11）替代的或形成的、轴向电枢（6）的完整环形截面，以及盘（3）的完整圆形冠，以及在它们每两个和由轴向永磁体（12）替代或形成的中央芯部段之间的通气窗（20）。

2.根据权利要求1所述的通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其特征在于，所述永磁体（10）和轴向永磁体（12）分别被电导纤维绕组（13）所环绕，其中，所述永磁体（10）和轴向永磁体（12）是对应的磁芯，两者形成带有永磁体芯的电磁体。

3.根据权利要求1和2所述的通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其特征在于，所述定子的突起（14）和凹槽（15），以及所述转子的突起（16）和凹槽（17）在主动气隙（5）中具有相同的角宽度，该角宽度应当为零，并且这些突起和凹槽占据主动气隙（5）的整个表面，于是，在该表面上其相互等间距地分布。

4.根据权利要求1和2所述的通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其特征在于，在气隙中测量的所述定子（4）和转子（16）的突起具有相同的角宽度，该角宽度应当为零，为比平常窄高至百分之二十五并等于凹槽的宽度，并且这些突起和凹槽占据主动气隙（5）的整个表面，于是，它们相互等间距地分布。

5.根据权利要求1、2、3和4所述的通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其特征在于，所述转子设有鼠笼形式的绕组，该绕组有着和传统异步发动机相同的形式。

6.根据权利要求1、2、3、4和5所述的通过磁性转移励磁的电力电动机-发电机，其特征在于，所述鼠笼在转子的每个凹槽留下自由空间或通风道（19），该自由空间或通风道（19）从所述衔铁的一端跨到另一端。

7.一种电力电动机-发电机，其中励磁位于转子中，其特征在于，励磁由电磁体和永磁体形成，所述永磁体可能被电导绕组所环绕。