CN112956112A - 能够控制磁作用的装置、使用该装置的发电机及用于该装置的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种发电机，其允许转子与电枢之间相互磁作用的大小针对原动力波动或电负载波动而在发电机中自调节，使感生电动力的大小被控制以通过电压变化补偿原动力波动和电负载波动量，并从发电机感生出具有一致频率的电，而同时使原动机或负载装置及为其优化的部件稳定化。对此，本发明具有铁件结构，其中发电机的转子和电枢以凹凸结构彼此相互对应，本发明被构造为能够控制感生电动力的大小，这是因为，电枢响应于发电机的旋转速度、输出电压、或者频率的变化而沿轴向方向移动，由此可变地控制凹凸结构的相互对应长度。

Description

能够控制磁作用的装置、使用该装置的发电机及用于该装置 的部件
技术领域
本发明涉及一种能够控制磁作用的装置、包括该装置的发电机(且更具体地涉及一种发电机，其可响应于供应到转子轴的原动力的波动和从发电机感生的电的负载的波动控制发电机转子与电枢之间的磁作用，从而以电压变化补偿这样的波动并感生频率恒定的电)、和用于该装置的部件。
背景技术
发电机是被构造以将机械能和热能转变为电能的装置。通常，发电机包括：转子轴，用于从原动机接收旋转力；发电机外壳，其将发电机各部件安装其中加以保护；转子，其围绕转子轴安装并包括永磁体或场绕组以产生磁场；励磁机，用于将电供应到场绕组；电枢(即，定子)，被转子永磁体产生的磁场磁化并包括用于联结转子的绕组；轴承，用于可旋转地支撑转子轴的两端部分；润滑装置，用于将润滑剂供应到轴承；通风冷却装置，用于去除从发电机等产生的热量。
在发电机中，当转子轴(接收机械旋转能量)与转子(其中在其外周边上，单极、非极(缝部分)和其它极性分隔)一起旋转时(通过与转子轴的旋转互锁)，在电枢(通过其内周边围绕转子的外周边，与转子之间具有间隙)上发生交替磁作用。由于电磁相互作用，通过电枢磁铁芯中形成的交替磁通，在埋入电枢磁铁芯中的绕组中产生电磁波。所述波在绕组中交替感生，交流电的频率和电压通过转子的交替循环确定。
产生机械能的原动力的波动和电负载的波动直接影响发电机操作。发电机的操作速度和输出主要取决于将原动力提供给发电机的原动机的操作。此外，使用从发电机产生的电的负载的波动也直接影响发电机的操作。
根据电磁原理，当电流流动通过旋转的导体时，洛仑兹力自然出现，沿与旋转方向相反的方向起作用。因此，当发电机转子快速旋转以感生出具有高频率和电压的电时，阻碍发电机旋转的洛仑兹力与其成比例地增大。
由此，发电机的输出根据原动力的改变而增大或减小。另一方面，阻碍发电机操作的洛仑兹力根据使用从发电机所发电的负载的波动而成比例增大或减小。也就是说，如果供应到发电机的原动力的大小改变，则阻碍发电机旋转的洛仑兹力也与其成比例地增大或减小。洛仑兹力的增大或减小与发电机感生动力的大小彼此相关，原动力、负载和洛仑兹力的大小与转子轴的旋转速度的变化紧密相关。
由此，为了从发电机感生更多电，更大的机械能应从原动机供应到发电机以消除阻碍转子轴旋转的洛仑兹力。
因此，当供应到发电机的原动力的旋转速度改变或者使用从发电机所发电的负载的大小改变时，发电机的转子频率和电枢频率改变，使得转子与电枢之间发生不稳定磁作用，由此从发电机中感生出具有不稳定电压和频率的电。特别地，当使用风能作为原动力(其中风速变化大)时，如果风速弱则附接到转子的永磁体强烈吸引定子芯，由于制动现象使转子完全不旋转或微弱旋转。由此，当低于特定风速的弱风吹起时(也就是说，用于发电的原动力减小至预定量或更小)，发电完全停止。
为此原因，为了将稳定电供应到动力系统或用电设备，具有不规律频率和不稳定电压的电将通过变频器和变压器被处理为具有额定频率和额定电压的电流。特别地，易于控制电压，但变频过程需要高设备费用而且复杂，另外在整流过程中浪费大量能量。
考虑到上述问题，韩国专利注册公开物No.10-1136817提出了一种永磁体发电机，其具有移动类型的转子。
在以上现有技术中，发电机以一定方式构造而使得：当转子沿轴向方向根据转子轴的旋转力而移动时，转子永磁体和与其面对的电枢芯的平行平面是不同的。当旋转力减小时，转子移动而使得永磁体和电枢芯均仅有一部分相互面对，由此控制使得由于转子永磁体的吸引力所致的制动作用可能最小。因此，由于转子可旋转发电(即使外力等于或小于特定旋转力)，因而发电效率提高。
不过，具有如上所述优点的上述现有技术在结构上具有各种缺点。当考虑到转子控制磁作用从最大值至最小值(对于磁作用的最小值条件是如下状态：转子和电枢芯尽可能多地偏移，它们仅在端处相互部分地对应)的移动距离时，发电机的长度应增大至几乎数倍或更大，从而使所述装置尺寸增大。此外，将应固定到轴并随之旋转的转子构造成通过将花键结构应用于轴来沿轴向方向滑动和移动转子是不合理的，且可能难以维护。特别地，对于由于重量偏置将产生的振动和摩擦，存在很多空余。此外，由于气动缸用作移动转子的结构，因而难以使旋转的转子精确移动到侧向方向的正确位置。
作为另一问题，不仅离心力作用于旋转转子上，而且与电枢的相互吸引也作用于转子，使得转子沿侧向方向的移动不是优选的。当将润滑剂施加于花键时，电枢被所施加的润滑剂污染，可能或发生着火。由于异物滞留在间隙之间，因而可能发生各种问题，例如，由于发热所致的引燃，磁作用效率降低。
此外，难以将传统发电机应用于大容量发电机，而且在技术上难以使高速旋转的转子移动。进一步地，更难将传统发电机应用于高速转子类型的发电机，这是因为所述装置的使用寿命由于所产生的噪音和振动而显著缩短。
[现有技术文献]
[专利文献]
(专利文献1)：韩国专利注册公开物No.10-1136817。
发明内容
[将由本发明解决的问题]
因此，考虑到上述情形，本发明的目的在于：提供一种发电机，其允许转子与电枢之间相互磁作用的大小针对原动力波动或电负载波动而在发电机中自调节，使得感生电动力的大小被控制以通过电压变化补偿原动力波动和电负载波动量，并从发电机感生出具有一致频率的电，同时使原动机或负载装置及为其优化的部件稳定化。
因此，本发明的发电机不仅执行诸如高效管控器和生产制动装置等用于控制原动机操作的功能，而且还具有能够适当采取措施克服由于电负载增大或减小所致出口电抗的设施。
本发明的另一目的在于，提供一种发电机，其具有紧凑尺寸、高的能量转换、能量节省和效率，易于管理，并利于稳定保持动力供应需求系统及为其优化的部件。
[用于解决问题的方式]
为了实现上述目的，根据权利要求1的发明方案，提供一种磁铁件，用于发电机的转子中，用于转子的所述磁铁件包括：主体，其具有U形截面并沿纵向方向延伸；其中，所述主体的彼此面对的两个侧壁具有在其上端处形成的方形的凹凸结构的凸起和凹陷；所述凹凸结构的所述凸起形成转子磁极，而所述凹陷形成转子无磁区部，使得所述转子磁极和所述转子无磁区部交替重复设置。
根据权利要求2的发明方案，第一永磁体组的第一永磁体可插入到所述磁铁件的所述U形内凹入形成的第一缝中；所述转子磁极和所述转子无磁区部可以适应于安装其中的所述第一永磁体，所述第一永磁体的尺寸对应于所述转子磁极和所述转子无磁区部的高度；所述第一永磁体可以布置为使得其N、S极由于接触所述磁铁件的两侧上的每个内壁表面而被压住，所述N、S极的所有极性面朝相同的方向。
根据权利要求3的发明方案，所述转子磁极的所述上端是所述凸起，可以包括磁极聚集部件(头部件)，所述磁极聚集部件具有凸出超过所述磁铁件的壁厚度的爪；设置在所述转子磁极中的所述第一永磁体可以被安装为被所述磁极聚集部件的所述爪抓紧和支撑。
根据权利要求4的发明方案，提供一种转子，其被安装在发电机的转子轴上，用于发电机的所述转子包括：转子框架，其固定到所述转子轴以与所述转子轴一起旋转；多个第一槽，其在所述转子框架的整个周边上以预定间隔形成，并沿轴向方向延伸；根据权利要求2所述的转子磁铁件，其中，U形主体的每个下端的一部分插入和安装在所述第一槽中；其中，第二缝形成在各所述转子磁铁件之间的间隙中，第二永磁体组的第二永磁体按照与所述第一永磁体组相同的尺寸和方式插入到所述第二缝中，所述第二永磁体被布置以具有与所述第一永磁体相同的极性，其中所述转子磁铁件的壁表面介于所述第一永磁体和第二永磁体之间。
根据权利要求5的发明方案，所述转子框架可以通过多个分体单元主体的组件形成；保护盖可以通过螺栓紧固到所述组件的两侧。
根据权利要求6的发明方案，所述多个分体单元主体可以通过凹和凸联接部件以凹入和凸出联接方式而联接到所述分体单元主体的每个接触表面，所述凹和凸联接部件具有彼此对应的圆形或多边形的形状。
根据权利要求7的发明方案，提供一种磁铁件，用于发电机的电枢，用于电枢的所述磁铁件包括：其中，所述主体的彼此面对的两个侧壁具有在其上端处形成的方形的凹凸结构的凸起和凹陷；所述凹凸结构的所述凸起形成电枢磁极，而所述凹陷形成电枢无磁区部，使得所述电枢磁极和所述电枢无磁区部交替重复设置；在每个线轴装配到形成所述U形截面的两个侧壁后，线圈沿所述线轴缠绕以形成电枢绕组。
根据权利要求8的发明方案，提供一种电枢，其安装以围绕被安装到发电机的转子轴上的转子的外周边，在所述外周边与所述电枢之间具有间隙，用于发电机的所述电枢包括：电枢框架，其被制造为无磁中空柱形状并被安装以围绕所述转子的所述外周边；多个第二槽，其在所述电枢框架的内周边中在所述电枢框架的整个周边上以预定间隔形成，并沿轴向方向延伸；以及根据权利要求7所述的电枢磁铁件，其中，U形主体的每个下端的一部分插入和安装在所述第二槽中。
根据权利要求9的发明方案，所述电枢框架可以由单个柱主体或多个分体环形主体的组件形成；线性运动(LM)引导轨道可以沿轴向方向安装在所述电枢框架的外周边上的多个部分中以具有预定相位角；所述LM引导轨道可以被构造为：沿所述轴向方向沿设置在发电机外壳的内表面上的LM引导轴承的引导部引导线性运动，并且防止所述电枢框架沿周向方向旋转；所述LM引导轨道可以用作所述多个分体环形主体的紧固机构。
根据权利要求10的发明方案，在所述电枢磁铁件的各所述电枢绕组之间的空间可以绝缘。
根据权利要求11的发明方案，侧框架构件可以通过螺栓紧固到所述柱形电枢框架的两个开放侧；用于可旋转地支撑所述转子轴的套可设置在所述侧框架构件的中心处，所述套可被安装以沿所述转子轴在预定距离范围内滑动。
根据权利要求12的发明方案，提供一种发电机，包括：转子轴，其通过离合联接器连接到动力源的转子轴；根据权利要求4至6中任一项所述的用于发电机的转子，其安装在所述转子轴上以能够与所述转子轴一起旋转；根据权利要求8至10中任一项所述的用于发电机的电枢，其同心地安装以围绕发电机的所述转子的外周边且在所述外周边与所述电枢之间具有预定间隙，所述电枢被安装以允许在预定间隔范围内沿所述转子的轴向方向移动，并具有凹凸结构的凸起和凹陷，所述凸起和凹陷与对应的所述转子的凹凸结构的所述凸起和凹陷具有相同长度；发电机外壳，其围绕用于发电机的所述电枢的外周边以对其保护；线性马达，其被构造以通过能够沿所述轴向方向前进或后退的机构使所述转子移动；速度传感器，其被构造以探测所述转子轴的旋转速度；或者功率计，其被构造以测量所述发电机的输出电压和频率；以及控制器，其被构造以基于从所述速度传感器或所述功率计探测到的信息而控制和驱动所述线性马达；其中，所述控制器控制所述线性马达，使得在驱动所述发电机开始时或者当原动机的驱动速度减小时，所述电枢沿使得在电枢磁极尖端与转子磁极尖端之间的对应长度减小的方向移动到第一位置；而且相反地，所述控制器控制所述线性马达，使得当所述原动机的驱动速度增大时，所述电枢沿使得在所述电枢磁极尖端与所述转子磁极尖端之间的所述对应长度增大的方向移动到第三位置。
根据权利要求13的发明方案，侧框架构件可通过螺栓被紧固到所述电枢的所述柱形电枢框架的两个开放侧；用于可旋转地支撑所述转子轴的套(轴承壳体)可以设置在所述侧框架构件的中心处，所述套可以被安装以沿所述转子轴在预定距离范围内滑动。
根据权利要求14的发明方案，所述电枢沿所述轴向方向的移动距离可以对应于所述电枢磁铁件的凸起的宽度或凹陷的宽度。
根据权利要求15的发明方案，所述控制器可以基于由所述速度传感器探测到的旋转速度信息或由所述功率计探测到的所述发电机的输出电压和频率信息而控制所述电枢的沿所述轴向方向的移动距离。
根据权利要求16的发明方案，作为所述转子磁铁件的所述凸起的所述转子磁极的所述上端可包括磁极聚集部件(头部件)，所述磁极聚集部件具有凸出超过所述磁铁件的壁厚度的爪；分别设置在所述第一缝和所述第二缝中的第一永磁体组的第一永磁体和第二永磁体组的第二永磁体可被安装为被所述磁极聚集部件的所述爪抓紧和支撑，并与所述转子磁极接触。
根据权利要求17的发明方案，在所述电枢和所述转子中，形成所述无磁区部的所述凹陷所具有的长度可形成为长于形成所述磁极的所述凸起的长度。
根据权利要求18的发明方案，驱动所述发电机的所述动力源可以是以下中的任一种：风能，液压能/水能，热能，引擎驱动动力，蒸气能。
根据权利要求19的发明方案，埋入到所述转子磁铁件的所述第一缝中的所述第一永磁体组的所述第一永磁体可以在凸起区部中竖直安装且在凹陷区部中水平安装，可以被形成以匹配于在两侧上形成有壁构件的磁铁芯的上部分上形成的所述方形凹凸结构的所述凸起和所述凹陷，并可以通过金属粘接剂以紧密接触的方式固定以而使得相同的极面对所述磁铁芯。
根据权利要求20的发明方案，设置在端罩的所述轴承壳体中的中心引导部可形成为多边形形状，而多边形套或线性轴承可安装在所述电枢的两端处安装的所述侧框架的中心处，由此支撑所述电枢以线性往复。
根据权利要求21的发明方案，可安装有所述LM引导轨道的所述电枢框架的所述槽被构造以形成沿所述轴向方向的排放通路。
根据权利要求22的发明方案，沿所述轴向方向延伸的排放通路可以形成在所述电枢框架的在所述多个LM引导轨道之间的外表面上。
[有益效果]
由于本发明的发电机采用控制磁作用的装置，因而原动机输出波动和电负载波动通过利用磁作用调节以增大或减小电压而进行补偿，可以感生出具有规定频率的电。因此，可以在没有励磁系统的情况下从感生发电机感生出具有规定频率的电，发电机可起到与制动装置(用于控制原动机)和管控器(用于高效管理原动机操作)相同的作用，而且可以起到有效处理电负载波动的作用。因此，提供一种发电机，其具有原动机和电系统的高能量转换效率、高能量效率，并能够节省能量。特别地，在本发明的发电机中预计实现以下效果。
◎由于转子和电枢具有相互对应的凹凸结构，因而通过在2至3cm的小范围内将电枢移动到最小值并仅控制对应长度，施加于电枢的磁通强度可从最小值至最大值宽范围控制。由此，本发明的采用磁作用控制装置的发电机可从最小值至最大值控制原动力容量变化和电负载变化，使得多样性和经济性较高，特别地，发电机可按紧凑尺寸形成。
◎当在控制面板上简单地重置频率时，原动机和发电机的驱动器可根据重置频率控制，使其可以稳定感生出频率适用于用电设备的电。
◎由于磁铁芯的凹凸结构，因而将自然空气流通通路设置在转子与电枢之间，由此提供优良的冷却效果。因此，可以防止由于发热所致的转换效率降低。特别地，当在转子与电枢之间的磁作用最大时，由转子和电枢产生的吸引力最大，而发热也最大。不过，由于大的环形间隙在转子凹陷和电枢凹陷相互对应的部分中形成，因而确保空气流通通路，由此提供优良冷却效果。
◎在原动机的初始操作或低速操作过程中，发电机控制磁作用范围以减小在电枢与转子之间产生的强吸引，由此使反电动力最小。这样，原动机可快速进入正常操作状态。另一方面，当原动机进入过驱动状态时，通过控制磁作用范围以增大感生电动力，与其成比例的反电动力被传送到原动机，从而可解决原动机的超速操作。因此，可以省略分立的制动装置或管控器以控制原动机超速操作，由此解决非生产问题，例如发电机制造成本和能源浪费减少。
◎当原动机进入停止操作状态时，为了防止由于低速机械旋转能量导致感生电具有质量不佳的频率，可以通过控制负载以恒定保持转子轴旋转速度而减少用于原动机操作所消耗的动力源。
◎当本发明的发电机安装在所有功率发生设施(例如，现有的热电站、核电站、小型水力发电设施、风力发电机、太阳能发电设施、以及传输/转化设施)中时，能量生产率和转换效率可增大，能量损耗可显著减少。
◎即使转子轴的旋转速度细微波动，磁作用也立刻精确调节，使得转子轴的旋转速度几乎不波动。结果，由于电抗增大或减小而发生电压波动，但具有规定频率的电可连续稳定地产生和保持。
◎由于电枢的移动区部很短，因而通过将高效减速齿轮应用于小型线性伺服马达，电枢的移动可快速平滑地进行。
◎被安装以控制传输/转化变电站中电频率和电压的复杂、低能效、高成本、难维护的整流设施可被替换为本发明的包括磁作用控制装置的发电机。因此，可确保高能效和安全性。
◎本发明的发电机可产生可变速机械旋转能量，适合通过使用电子电路的输出负载。因此，用于运输设备(例如汽车和轮船)和工业设备中的机械传动结构可被替换为本发明的简单高效的电动马达。通过将本发明的磁作用控制装置作为电动马达应用于其它空调器、制冷机、电热吹风机、电加热器，等等，可获得高能效和节能效果。
附图说明
图1是立体图，例示出根据本发明的发电机。
图2是前视截面图，例示出根据本发明的发电机。
图3是前视立体剖视图，例示出根据本发明的发电机。
图4是根据本发明的发电机的沿线A-A所取的截面图。
图5是用于根据本发明的发电机的转子组件的一些部件的分解立体图。
图6是局部剖切立体图，例示出根据本发明的发电机的转子组件。
图7(a)是立体图，例示出根据本发明的转子框架的单元分体主体；图7(b)是立体图，例示出根据本发明通过组装分体单元主体而形成的转子框架。
图8的视图例示出根据本发明的具有矩形凹凸结构的U形电枢磁铁件。
图9是截面图，详细例示出将永磁体埋入转子磁铁件的方案，其中，(a)截面图例示出转子磁极尖端部分，而(b)截面图例示出转子无磁部分。
图10是侧视截面图，例示出根据本发明的转子的无磁端部分。
图11是立体剖视图，例示出根据本发明的已被组装制造的转子组件安装在转子轴上并装容在发电机外壳中的状态。
图12是立体图，例示出根据本发明的电枢的外部形状。
图13是前视图，例示出根据本发明的电枢的外部形状。
图14是立体图，例示出根据本发明的形成电枢的电枢框架。
图15是侧视图，例示出根据本发明的形成电枢的电枢框架。
图16是根据本发明的电枢的前视立体剖视图。
图17是本发明的电枢磁铁件的立体图。
图18是立体图，例示出电枢磁铁件，通过将线轴插入本发明的电枢磁铁件中并将线圈沿线轴外周边缠绕而完成电枢磁铁件。
图19(a)和(b)是立体图，例示出将电枢磁铁件安装到本发明的电枢框架的内表面上的过程。
图20是电枢的立体剖视图，例示出电枢磁铁件安装到根据本发明的电枢框架的内表面上的状态，其显示出在一侧上移除侧框架之后的内部结构。
图21是方框示意图，例示出本发明的功率发生系统和控制系统。
图22(a)、(b)、(c)的视图描述本发明的发电机的操作过程，其中，(a)截面图例示出电枢处于第一位置(最小负载位置)的状态，(b)截面图例示出电枢处于第二位置(设计负载位置)的状态，(c)截面图例示出电枢处于第三位置(最大负载位置)的状态。
图23是截面图，根据发电机操作状态例示出在转子磁极尖端与电枢磁极尖端之间的对应关系的方案，其显示出分别在时间(a)(最低负载(无负载)操作)、(b)(中心负载操作)、(c)(最大负载操作)时在转子磁极25与电枢磁极43a之间的对应关系。
具体实施方式
在下文中，本发明的构造将参照附图进行描述。
图1的立体图例示出根据本发明的发电机，图2的前视截面图例示出根据本发明的发电机，图3的前视立体剖视图例示出根据本发明的发电机，图4是根据本发明的发电机的沿线A-A所取的截面图。
本发明的发电机10具有中空柱形发电机外壳11，部件安装在外壳11中加以保护。发电机外壳11包括：在外侧上形成的用于冷却的折皱；和盖11a、11b，其覆盖外壳两侧而形成外壳11的一部分以保护内部各部件，这些盖通过使用诸如螺栓之类的紧固元件紧固到外壳主体的两侧。
此外，转子12和电枢13安装在外壳11中。转子12在其中心包括转子轴14。在本文中，转子12通过键被联接到转子轴14并被构造以随转子轴14一起旋转。转子轴14的向外延伸穿过盖11a的一端经由离合联接器15b连接到原动机15(其为动力源)的轴15a。因此，发电机被构造以通过轴15a和转子轴14接收原动机15的旋转驱动力，并将机械能转变为电能。
转子轴14由设置在轴承壳体17、17a中的轴承16、16a可旋转地支撑，用于保护轴承壳体17a的盖11a、11b通过螺栓被固定到发电机外壳11的两个开放端。电枢13安装在发电机外壳11的内周边上以围绕转子12的外周边。发电机外壳11被形成为：在尺寸上具有预定空隙18(电枢的能够允许移动的空间L1)，使得安装在其中的电枢13能够在预定距离L1内沿轴向方向线性往复。
此外，用于引导电枢13轴向移动的线性运动轴承，即，线性运动(LM)引导机构19(19a和19b)形成在发电机外壳11的内周边和电枢13的外周边上，沿平行于转子轴14的方向形成多行。因此，LM引导机构19协助电枢13在发电机外壳11内的预定空隙18(L1)内沿轴向方向平滑往复和线性移动。因此，电枢13以一定方式被构造而使得：禁止沿周向方向的旋转，而允许沿轴向方向在预定空隙18(L1)内移动，从而允许改变对转子12的相对位置。
虽然在图中未示出以避免复杂化，不过将油供应装置设置在每个盖11a、11b的一侧上，用于润滑和冷却轴承16。发电机外壳11具有在其一侧上形成的排放端口，用于当内部温度增大时将被加热的空气排出到外界以冷却内部部件。支撑构件20安装在发电机外壳11的下端部分处，如果可行，则支撑构件20优选地形成为校平器以防止振动和调节水平度。此外，可选地，用于将惯性力施加于转子12的飞轮和用于冷却从发电机(与飞轮接触)所散发热量的风扇可安装在发电机外壳11的外侧与离合联接器15b之间。
图5至7的视图例示出本发明的转子结构和转子框架。转子12包括：固定安装到转子轴14的转子框架21。转子框架21由无磁材料制成，并可形成为单个主体，不过如图7(a)中所示，多个分体单元主体21a,21b,21c……21r(将使用表示整个结构的代表性的附图标记21)以分体方式形成，并然后安装到转子轴14上以形成组装后的转子框架。此外，保护盖22附接到转子框架21的两侧，并使用螺栓固定于此。转子框架21被构造以牢固固定到转子轴14，以作为整体一起旋转，而不引起沿旋转方向的滑移。对此，转子框架21的单元分体主体21a,21b,21c……21r相应地通过键而联接到转子轴14，或者，设置有凹和凸联接部件56，其凹入和凸出的形状对应于彼此的接触表面以确保定位准确性。如图6和7中所示，凹和凸联接部件56也可形成为圆形凸起和圆形槽的组合类型。不过，优选的是，凹和凸部件通过多边形凹－凸组合而组合以防止相对滑移，然后将保护盖22安装到其两端部分上并通过螺栓紧固于此，使得整个组件整体固定到转子轴上以无滑移地一起旋转。
图10是例示出转子形状的侧视截面图。多个第一槽24(具有近似半圆形槽的形状)在形成转子12的转子框架21的外周边(在框架整个周边上)中以预定间隔t1沿平行于转子轴的方向凹入形成，以安装转子磁铁件23。磁铁件23的U形主体的下端的一部分装容在第一槽24中并通过螺栓(未示出)固定到转子框架21。转子磁铁件23的上端部分从第一槽24的表面沿径向方向凸出，使得彼此相邻的磁铁件23之间保持所述预定间隔t1。
图8是例示出根据本发明的转子磁铁件的视图。转子磁铁件23由铁制成，安装在转子框架21的多个第一槽24中，在侧视图中具有U形的截面，并相应地包括在其中心处凹陷部分中形成的第一缝27。转子磁铁件23具有的截面形状类似于马蹄磁体，由转子磁极25形成，转子磁极25是沿纵向方向位于第一缝27两侧上的凸起，转子磁极25的上端包括磁极聚集部件(头部件)28，通过使爪从壁表面向两侧以恰似箭头形状凸出而设置头部件28。
这样，垂直于转子轴沿径向方向延伸的转子磁铁件23具有作为凸起的转子磁极25和作为凹陷的转子无磁区部26，转子磁极25和转子无磁区部26在限定第一缝27的两侧上的上端处沿轴向方向交替形成，采取矩形凹凸结构的形式。转子无磁区部26通过在磁铁件的上部分上以预定间隔压冲以切除材料而形成。此外，第一永磁体组29(图5中显示具有多个第一永磁体)埋入转子磁铁件23中心处的第一缝27中，第二永磁体组31(具有多个第二永磁体31a、31b)埋入第二缝30中，第二缝30是在相邻转子磁铁件23(其布置在转子框架21d的第一槽24中)之间形成的空间部分。在此，如果所述凹陷的长度(宽度)形成为长于所述凸起的长度(宽度)，则更有利于使磁作用发生在从最小值到最大值的范围内。
图9的截面图详细例示出将永磁体埋入转子磁铁件中的方案，其中，(a)是例示出转子磁极尖端部分的截面图，而(b)是例示出转子无磁部分的截面图。
第一永磁体组29包括：第一永磁体，其具有接近大致矩形平行六面体形状的形状，埋入转子磁铁件23的第一缝27中(不过，磁体的形状、尺寸和高度根据第一缝的内表面的形状制造)，布置为使相同的极面对相同方向(在下文中，第一永磁体组是指整个第一永磁体，通过代表性附图标记29表示，作为凸起的转子磁极中安装的第一永磁体以附图标记29a表示，而作为凹陷的转子无磁区部中安装的第一永磁体以附图标记29b表示)。例如，第一永磁体29a安装在转子磁极25(为凸起)中，对准头部件28的高度，而第一永磁体29b安装在转子无磁区部26(为凹陷)中，对准壁表面26a、26b的上部分的高度，使得它们接近于转子磁铁件23的内表面埋入。此时，如图9中所示，当所有第一永磁体29a和29b的N极被布置为面对磁铁件23的一个侧壁表面25a和26a时，S极被布置为面对与其相反的另一侧壁表面25b和26b。
同时，第二永磁体组31包括：第二永磁体，其埋入相邻转子磁铁件23之间形成(通过沿周向方向以相互预定间隔t1连续安装形成)的第二缝30中，其形状、尺寸和布置方法与第一永磁体组29相同(在下文中，第二永磁体组是指整个第二永磁体，通过代表性附图标记31表示，竖直安装在第二缝中与作为凸起的转子磁极接触的高第二永磁体以附图标记31a表示，而水平安装的与作为凹陷的转子无磁区部接触的低第二永磁体以附图标记31b表示，其中其尺寸和形状取决于第二缝尺寸和形状)。埋入第一缝27中的第一永磁体组29和埋入第二缝30中的第二永磁体组31设置为使得：相同的极性相互对应，且转子磁铁件23的壁表面介于它们之间。例如，如果与磁铁件的其它侧壁表面25b、26b接触的第一永磁体组29的第一永磁体29a、29b的极性是S极，与其它侧壁表面25b、26b接触的第二永磁体组31的第二永磁体31a、31b的极性是S极(当所述极性是N极时为N极)，使得第一和第二永磁体被布置为相同极性相互接触。此外，第一永磁体组29竖直安装在转子磁极25中，而第二永磁体组31水平安装在转子无磁区部26中，然后使用金属粘接剂相互牢固紧密粘接。进一步地，在第一永磁体组和第二永磁体组分别埋入并固定到第一和第二缝中之后，有必要通过防止接触到湿气和异物而抑制氧化并防止由于摩擦和发热所致的损耗。为此原因，优选的是，用具有耐蚀性和耐磨性的非导电金属或合成树脂材料对这些永磁体进行涂覆。
当永磁体按如前所述的方法布置和安装时，S极强磁场聚集并通过与N和N极的相同极性接触的铁件壁表面的上端部分(特别是具有增强聚集功能的头部件28a)投放，而N极强磁场聚集并通过与S和S极的相同极性接触的铁件壁表面的上端部分(特别是具有增强聚集功能的头部件28b)投放。这样，与仅传统单极性被投放的情况相比，大至几乎两倍的磁场通过头部件28a和28b中的每个投放。结果，由于转子磁铁件23和第一和第二永磁体组29和31的布置结构，因而S极和N极均可使用，使得磁体的可用性较高，而且由于所述结构而无需分立的屏蔽结构。因此，转子12的体积可显著减小。
因此，转子磁铁件23、第一缝27、第二缝30、第一和第二永磁体组29、31形成转子磁轭。此时，多个转子磁极25(其为凸起)的周边环形组件形成转子磁极尖端32，而转子无磁区部26(其为凹陷)的环形组件形成转子无磁部分33。结果，以环形交替布置的转子磁极尖端32和转子无磁部分33沿轴向方向具有外直径的差异。不过，当采用电磁体转子而非永磁体时，磁极尖端和无磁部分可以通过将场绕组沿多个转子磁极25(其为凸起)缠绕而形成。
图11的视图例示出根据本发明的已被组装制造的转子12的组件安装在转子轴14上并装容在发电机外壳11中的状态。转子轴14通过轴承16、16a的结构被可旋转地支撑，而电枢13(将在下文中描述)组装到发电机外壳11中的转子12的外周边上，其采用封装形式而且在电枢与转子之间具有间隙。
图12的立体图例示出根据本发明的电枢的外部形状，图13的前视图例示出根据本发明的电枢的外部形状，图14的立体图例示出根据本发明的形成电枢的电枢框架，图15的侧视图例示出根据本发明的形成电枢的电枢框架，图16是根据本发明的电枢的前视立体剖视图。
电枢框架34由无磁材料制成为中空柱形状，装容在发电机外壳11的内周边上，安装为围绕转子12的外周边。电枢框架34可形成为单个中空柱主体。不过，如图中所示，优选的是，通过制造和组装多个分体环形主体34a至34j(代表性附图标记由34表示)(便于处理)而形成单个柱主体。这样，当电枢框架34通过分体环形主体34a至34j制造和组装时，用于将电枢13内产生的热量排出到外界的空气流通通路形成在相互接触界面上，或者，易于以分体环形主体实现具有复杂曲率的内部结构，因而优点在于：易于制造。
如图15的截面图中所示，多行(例如4个)LM引导轨道19a设置在电枢框架34的外周边上，相对于彼此的相位角为90°。LM引导轨道19a被构造与安装在发电机外壳11的内周边上的LM引导轴承19b联接，从而通过LM引导轴承19b引导电枢13沿轴向方向进行线性往复运动。这多个LM引导轨道19a通过诸如螺栓之类的固定元件分别与多个环形主体34a至34g紧固，所述固定元件由此还用作紧固元件以形成一个柱主体组件(电枢框架34)。
当发电机操作时，由于转子高速旋转时与空气的摩擦、转子场绕组的电流产生、和与其对应的电枢绕组的联结等而产生热量。因此，为了冷却，排放通路37a形成在沿平行于轴的方向的两侧上的发电机外壳的内周边中(在发电机外壳中设置有LM引导轨道19a)，并连通于在发电机外壳的侧部上设置的排放端口，由此执行散热功能。此外，其中安装有LM引导轨道19a的槽部分中存在空隙，所述空隙形成沿轴向方向的排放通路37b，由此执行类似的散热功能。
如图15中所示，多个第二槽35(具有大致半圆形的形状，沿轴向方向延伸，具有预定间隔t2)在电枢框架34的内周边(在整个周边上)中凹入地形成，侧框架36(形成为盘的形式，具有多个支撑肋)通过螺栓紧固到电枢框架34柱的两个开放侧。因此，其被构造以通过侧框架36阻挡电枢框架的开口，且套17(轴承壳体，用于可旋转地支撑穿过其中的转子轴14)设置在侧框架36的支撑肋的中心处(见图16)。此外，电枢13可沿轴向方向在预定区部范围L1内沿穿过套17的转子轴14而移动，套17用于稳定地引导转子轴以及用于在转子12的外周边与电枢13的内周边之间保持预定间隙。
图17是本发明的电枢磁铁件的立体图，图18的立体图例示出电枢磁铁件，通过将线轴插入本发明的电枢磁铁件中并将线圈沿线轴外周边缠绕而完成电枢磁铁件，图19(a)和(b)的立体图例示出将电枢磁铁件安装到本发明的电枢框架的内表面上的过程，图20是电枢的立体剖视图，例示出电枢磁铁件安装到根据本发明的电枢框架的内表面上的状态，其显示出在一侧上移除侧框架之后的内部结构。
图17至20的视图例示出安装到本发明的电枢框架中的电枢磁铁件38及其安装结构。电枢磁铁件38以一定方式安装而使得：其U形主体的下端安装在电枢框架34的内周边中形成的第二槽35中。电枢磁铁件38具有与转子磁铁件23相同的凹凸形状和凹凸宽度(长度)，并使用硅钢片材料制造以具有U形截面。电枢磁铁件包括在两侧上的两个电枢磁铁芯39(附图标记39是指整个侧壁表面)，它们沿垂直于转子轴的方向延伸以形成侧壁构件。此外，第一缝40通过在两侧上形成侧壁构件的电枢磁铁芯39之间的空间形成，也就是说，通过U形内部形成，第二缝41(间隔t2)在以预定间隔t2彼此相邻布置的相应的电枢磁铁件38之间形成。
在图17和18中所示的电枢磁铁件38中，电枢绕组42(其为通过在磁场中相对运动产生交流(AC)电压的线圈)沿形成侧壁的两侧上的电枢磁铁芯39缠绕。在此时，为了覆盖如前所述形成的线圈并保护绕组状态，具有卷轴形状的线轴48a插到电枢磁铁芯39上，在如前所述安装之后，线圈沿线轴48a的外周边缠绕以形成电枢绕组42。此外，矩形的凹凸结构在两侧上的电枢磁铁芯39(附图标记39是指整个侧壁表面)的上端处以预定间隔沿纵向方向重复形成。在此，凸起形成电枢磁极43a，凹陷形成电枢无磁区部44a。因此，电枢磁轭通过第一缝40、第二缝41、和电枢磁铁芯39(其上缠绕线圈)形成。
在图16至20中所示电枢磁铁件和电枢的截面形状中，在具有电枢绕组42的电枢磁铁件38安装在电枢框架34的内周边上的状态下，环形形式布置的电枢磁极43a的柱状组件形成电枢磁极尖端43，也以环形形式布置的电枢无磁区部44b的柱状组件形成电枢无磁部分44。如前所述地形成的电枢磁极尖端43和电枢无磁部分44在电枢13的内周边上按环形以预定宽度(凸起和凹陷的宽度)交替布置。
这样，当n个电枢磁铁件布置在电枢框架的内周边上时，电枢绕组设置在n个磁铁件的每个的两侧上安置的n*2磁铁芯中。因此，n*2多极多相在电枢中形成，它们连接为重叠绕组、波绕组、开放型绕组、封闭型绕组、环形绕组、高相绕组，等等，由此将其导引至输出端子。
此外，为了防止电枢绕组42由于电枢13的线性往复运动而被切断或损坏，优选的是，在电枢绕组的端部分处提供弹簧形式的额外绕组。
如图19和20中所示，具有缠绕电枢绕组42的电枢磁铁件38通过螺栓固定安装到所有第二槽35中，优选的是，在各电枢磁铁件38之间形成的分离空间45(在t2内)被填充以绝缘材料以防止在相邻电枢绕组42之间由于相互接触所致的短路。
如图2中所示，至少一个(在本发明的实施例中为两个)线性马达46被上下或左右安装在形成发电机10外壳11一部分的盖11b的侧上。对此线性马达46，使用步进马达或伺服马达。此外，线性马达46通过减速机构连接到电枢侧框架36，减速机构用于将马达的旋转运动转变为线性移位运动，例如为滚珠丝杠动力传递机构47(具有能够前进或后退的轴)。因此，线性马达被构造为：根据对线性马达46旋转驱动方向和供应脉冲量的控制，当滚珠丝杠动力传递机构47的轴在前进或后退时，将电枢13拉动或推动预定距离，由此允许电枢沿转子轴14沿轴向方向在移动空间18(L1)的范围内非常精确地滑动。本发明的最大特征之一在于：如下文中详细所述，不同于现有技术的是，构造不旋转电枢13沿轴向方向运动，而非作为高速旋转体的转子12，通过使重复凹凸结构的凸起部分的环形组件(见图5中的附图标记32和图20中的附图标记43)在一个节距区部的范围内(即，在小至如图2中所示移动长度L1的范围内)移动，磁作用可受控而从无负载至最大负载。这由于如下适当组合现象所致：其中，在从转子外周边凸出的磁极尖端处产生强烈磁场，而在沉陷的无磁部分处则几乎不产生磁场。
图21的方框示意图例示本发明的功率发生系统和控制系统。本发明的功率发生系统包括：速度传感器48，其设置在发电机外壳11的一侧上的盖11b上以实时探测转子轴14的旋转速度；控制器49，其被构造将由速度传感器48实时探测到的转子轴旋转速度与已被设定的额定旋转速度进行比较并且分析所述信息。控制器49可安装在发电机外壳11的一侧上或者可安装在分立部分处。
为了设定转子轴14应旋转的速度、设定拟从电枢13感生的频率、和在原动机与负载控制系统之间分享信息，控制器49包括：控制面板(未示出)。存储电池50安装在发电机外壳11中或接近发电机设置，使得速度传感器48、控制器49、线性马达46被供应以直流功率，并可用作增大或减小洛仑兹力大小的负载装置。此外，功率发生系统包括逆变器51，用于将由发电机10感生的交流(AC)电转变为直流(DC)以将电存储在存储电池50中。
根据包括本发明的发电机的功率发生系统，转子轴14通过离合联接器15b连接到原动机15的轴15a，以从原动机15获得旋转动力。通过转子12的旋转而在电枢13的电枢绕组42处感生出AC电，所产生的AC电通过设置在发电机外壳11中的输出端子而输出。在电压通过自动电压调整器52调整至恒定水平后，如前所述的电输出被供应到用电设备。此时，当从原动机15供应到转子轴14的动力过大或者使用由发电机10所转变电能的电动装置的负载急剧减小时，为了能够增大或减小洛仑兹力，发电机系统可具有分立的负载装置，并包括负载控制系统用于控制系统连接(从控制器49接收信息以执行与发电机10的协作)或者用电设备的负载。
在下文中，根据本发明的发电机10的操作过程将参照图22(a)、(b)、(c)详细描述。
图22(a)的视图例示出在发电机起动开始时电枢处于最小负载(无负载)状态的位置，图22(b)的视图例示出在发电机正常操作状态时电枢的位置，图22(c)的视图例示出在发电机最大功率操作状态时电枢的位置。图23是截面图，根据发电机操作状态例示出在转子磁极尖端与电枢磁极尖端之间的对应关系的方案，其显示出分别在时间(a)(最低负载(无负载)操作)、(b)(中心负载操作)、和(c)(最大负载操作)时在转子磁极25与电枢磁极43a之间的对应关系。
当功率发生开始时，首先，在原动机轴15a和转子轴14通过在这些轴中设置的离合联接器15b相互连接的状态下，原动机15(此原动机可为引擎、风力功率发生单元、或其它水力功率发生单元，等等)被驱动，而当原动机15被驱动时，转子轴14(已接收旋转动力)旋转。
不过，在功率发生开始时当原动机15开始驱动时，由于停机惯性力而需花费时间，直到发电机10正常操作。此外，在功率发生早期阶段中施加过大力，使得过大过负载施加于原动机和发电机系统。在功率发生的初始阶段，转子轴14的旋转速度较低，使得控制器49提前控制线性马达46以将电枢13沿轴向方向移动至图19(a)中所示位置，即，至最小负载位置(一种无负载状态，其被称为“第一位置”状态，此时，在左侧上的轴承16在转子轴上锁定到图22(a)的台阶部分57)。在这种“第一位置”状态，如图23(a)的方案示意图中所示，电枢13的电枢磁极尖端43(电枢磁极43a的环形组件)定位以对应于转子12的转子无磁部分33(转子无磁区部16的环形组件)；电枢13的电枢无磁部分44(电枢无磁区部44a的环形组件)定位以对应于转子12的转子磁极尖端32(转子磁极25的环形组件)。换言之，基于电枢磁极尖端43和转子磁极尖端32(也就是说，一对铁件)，电枢磁极43a和转子磁极25定位以相互尽可能多地偏移。
这样，当电枢磁极尖端和转子无磁部分(类似于电枢的无磁部分和转子的磁极尖端)定位相互面对时，两个尖端之间相互作用的电磁作用最小。因此，当原动机15被驱动时，操作在驱动状态下起动，在此状态下发电机负载最小，即，几乎无负载。因此，在起动开始时没有过大的过负载施加于原动机15，使得旋转速度快速增大而达到额定旋转速度。当原动机15的旋转速度逐渐增大时，控制器49进行控制以移动电枢13，电枢13的移动方向使得：电枢磁极尖端43和转子磁极尖端32的重叠量成比例于增大的旋转速度而增大(电枢从图22(a)的状态移动到图22(b)的状态)。因此，发电机10以适合于原动机15的旋转速度的负载状态被驱动以输出电。这样，自动控制发电机10的负载，使得发电机10的负载根据原动机15正常操作的过程的水平从最小状态逐渐增大。因此，原动机和发电机通过所述热身过程平滑进入额定操作状态并到达正常操作状态，而没有由于起动开始时的突然负载作用导致任何冲击或过大负载施加于原动机。
这样，当转子轴14的旋转速度低于规定旋转速度时，电枢13移动以减小磁作用范围，由此减小施加于被驱动的原动机15的负载。因此，原动机15的操作状态可快速平滑地进入规定旋转速度。在连接到发电机的原动机的初始操作过程中，根据控制器49基于由速度传感器48探测到的信息的命令，进行控制而使得：发电机10的电枢13自动移动到磁作用范围最小的第一位置(见图22(a))，原动机15以几乎无负载的状态操作。因此，原动机15易于起动，快速进入正常操作状态，而没有由于突然负载施加所致的冲击，并解决了在原动机15异常状态下发电机10发电表现不佳的低效问题。进一步地，即使当原动机15的操作停止时，电枢13受控移动到磁作用最小的第一位置。因此，不仅原动机未受由于排斥力所致的影响，而且在发电机10的转子和电枢中也不产生振动，可以感生出具有规定频率的电，直到所提供的机械旋转能量结束。
这样，在正常操作情形时(其中原动机15和发电机10在设计负载下正常操作，如图22(b)中所示)，电枢13移动到第二位置，以执行功率发生。不过，如果原动机15的驱动力增大至大于设计负载并且达到最大输出操作状态，则转子12的磁极尖端32和电枢13的磁极尖端43在最大范围内相互对应，也就是说，电枢13移动到第三位置(最大负载位置)，在此状态下，发电机被驱动(见图22(c)中左侧上的轴承16的位置)。此状态是发电机的最大输出操作状态。在此，根据原动机15和发电机10的驱动条件状态的设定，可以控制以通过以下方式执行操作：将转子12的磁极尖端32与电枢13的磁极尖端43之间的对应范围设定到第二位置状态(在第一位置与第三位置之间适当设定的任意位置，其中转子12的磁极尖端32与电枢13的磁极尖端43部分重叠且部分偏移，如图22(b)中所示)作为最优驱动条件、或者设定到第三位置状态(图22(c)的状态，其为最大负载位置)作为最优操作条件。
当转子12以图22(b)和22(c)中所示状态旋转时，感生电动力在围绕转子12外侧的电枢13的电枢绕组42中产生。因此，原动机15的机械能转变为电能而产生功率。此时，如果确定由速度传感器48探测到的转子轴14的旋转速度减小，则控制器49驱动线性马达46并控制使电枢13沿磁作用范围减小的方向(即，沿电枢磁极尖端43和转子磁极尖端32的对应长度减小的方向)移动(也就是说，通过适当控制电枢从第三位置至第二位置或者从第二位置至第一位置的移动量实现)，使得施加于原动机操作的负载减小。
相反地，当探测到的旋转速度增大时，控制器49驱动线性马达46并控制使电枢13沿磁作用范围增大的方向(即，沿电枢磁极尖端43和转子磁极尖端32的对应长度增大的方向)移动(也就是说，通过控制使电枢从第一位置或第二位置移动到第三位置而实现)，使得施加于原动机和发电机操作的负载可增大以输出更大电量。
根据本发明的控制系统，转子和电枢仅当转子轴以恒定速度旋转时恒定联结，使得可从发电机感生出具有恒定频率的电。例如，通过据此控制发电机负载，即使风力发电机中的风力剧烈波动，转子轴旋转速度也保持恒定，从而使其可以无困难地稳定产生具有恒定频率的功率。
本发明的特定优点是：转子磁极25(其为转子12的凸起)和转子无磁区部26(其为凹陷)沿轴向方向交替布置，与其对应的是，电枢13的电枢磁极43a的凸起和电枢无磁区部44a的凹陷也交替布置，使电枢13的移动量范围被设定为小至所述凸起的宽度(对应于长度L1)以覆盖原动力剧烈变化范围和宽频率波动。因此，存在如下优点：发电机尺寸不必很大。
此外，永磁体埋入第一缝(其为U形磁铁件中心中形成的空间)和第二缝(其为相邻布置的磁铁件之间形成的空间)中，使得不存在分立的空间或屏蔽物阻挡极性。因此，由于交替并不快速，因而磁作用过程(其中，转子磁极和电枢磁极相遇并相互作用)平滑进行，转子的多极构造易于实现。
此外，通过将n个转子磁铁件布置在n个第一槽(其沿平行于转子轴的方向设置在转子框架的外周边上)中设置n个第一缝，在彼此相邻布置的转子磁铁件之间形成n个第二缝。结果，2×n个转子磁铁芯凸起，而2×n个第一和第二缝沉陷以形成磁轭，由此形成2×n多极转子。
作为本发明的另一个优点，在磁铁件的U形结构中，由于剩磁相互传送到相反侧上的磁铁芯，因而不会出现由于无法转变为电荷的剩磁所导致的磁滞。
同时，当使用发电机10所感生电的负载增大或减小时，洛仑兹力的大小也与负载成比例地增大或减小，所述力作用于发电机10上导致电枢13中的转差频率。由此，从电枢中感生出的电的频率与转子12的交流频率具有差别。因此，优选的是，使用用于探测转子轴14的旋转速度的速度传感器48，探测到的结果用作检查原动机15与发电机10之间操作状态的信息。除了速度传感器48以外，当添加用于实时测量由发电机所转变电能的频率和电压的功率计55(例如，实时探测从输出端子所感生电的频率或电压的波动的传感器，等等)时，所添加传感器的探测信息与速度传感器48的探测信息一起使用以控制功率发生系统，从而克服原动力波动或负载量波动而从输出端子感生出具有规定频率的电，从而使系统高效。特别地，通过在电枢与转子之间的凹陷形成的环形间隙自然用作散热通路，使得高速高效发电机可以实现。进一步地，通过简单地在控制器控制面板上重置频率，可以感生出频率适用于用电设备的电。
此外，通过操作存储电池50或分立的负载装置53，不仅可以稳定发电机10的操作，而且还可以稳定原动机15的操作和分立负载装置的操作。另外，将信息提供至原动机的操作控制系统以增大或减小原动力输出，将信息提供至负载控制系统54以执行负载短路或负载分配的预防措施。因此，有组织的安全操作和能量效率可在这样的协作环境中实现。
另一方面，与负载(其使用从发电机10感生的电)的大小成比例的洛仑兹力作用于发电机10的电枢13上，由此产生电枢转差频率。因此，控制器49基于由在输出端子处的功率计55(例如，用于测量输出电压或频率的传感器、速度传感器，等等)探测到的信息、甚至考虑到电枢转差频率而进行控制，以将电枢13移动到正确位置，使得电枢转差频率问题可以解决，并可感生出具有精确规定频率的电能。
因此，除探测转子轴14的旋转速度的速度传感器48以外，控制器49还通过功率计55探测从发电机10输出的电的频率和电压信息，当然，可以基于这些信息中的每种或者集成信息而控制电枢13的移动。
同时，虽然图中未具体示出，不过根据本发明的另一实施例的构造，当发电机具有小尺寸时，其可按照一定方式构造而使得：不必在发电机外壳的内周边和电枢框架的外周边上提供线性轴承和引导轨道，设置在轴承壳体中的中心引导部形成为多边形形状，多边形套或线性轴承安装在电枢两端处安装的侧框架的中心中，使得电枢可由这些套或轴承支撑以线性往复。
虽然本发明已参照优选实施例进行描述，不过这些实施例意在例示本发明，而非意在限制本发明，而且本领域技术人员应理解，在不背离本发明的范围的情况下可进行各种变化和修改。由此，本发明的范围不局限于前述实施例，而将通过所附权利要求书及其等同方案限定。
[附图标记的描述]
10:发电机
11:发电机外壳
11a,11b:外壳的左、右盖
12:转子
13:电枢
14:转子轴
15:原动机
16,16a:轴承
17,17a:轴承壳体
18:空隙(移动空间L1)
19:LM引导机构
19a:LM引导轨道
19b:LM引导轴承
20:支撑构件
21:转子框架
22:保护盖
23:磁铁件
24:第一槽
25:转子磁极
26:转子无磁区部
27:第一缝
28:磁极聚集部件(头部件)
29:第一永磁体组
30:第二缝
31:第二永磁体组
32:转子磁极尖端
33:转子无磁部分
34:电枢框架
35:第二槽
36:侧框架
37a:排放通路
37b:排放通路
38:电枢磁铁件
39:电枢磁铁芯(侧壁)
40:第一缝
41:第二缝
42:电枢绕组
43:电枢磁极尖端
44:电枢无磁部分
43a:电枢磁极
44a:电枢无磁区部
45:分离空间
46:线性马达
47:动力传递机构
48:速度传感器
49:控制器
50:存储电池
51:逆变器
52:自动电压调整器
53:分立的负载装置
54:负载控制系统
55:功率计
56:凹和凸联接部件
57:台阶部分
t1,t2:间隙(空间)

Claims (22)

1.一种用于发电机的转子中的磁铁件，用于转子的所述磁铁件包括：
主体，其具有U形截面并沿纵向方向延伸；
其中，所述主体的彼此面对的两个侧壁具有在其上端处形成的方形的凹凸结构的凸起和凹陷；
所述凹凸结构的所述凸起形成转子磁极，而所述凹陷形成转子无磁区部，使得所述转子磁极和所述转子无磁区部交替重复设置。
2.根据权利要求1所述的用于转子的磁铁件，
其中，第一永磁体组的第一永磁体插入到在所述磁铁件的所述U形内凹入地形成的第一缝中；
所述转子磁极和所述转子无磁区部适应于安装其中的所述第一永磁体，所述第一永磁体的尺寸对应于所述转子磁极和所述转子无磁区部的高度；
所述第一永磁体布置为使得其N、S极由于接触所述磁铁件的两侧上的每个内壁表面而被压住，所述N、S极的所有极性面朝相同的方向。
3.根据权利要求1所述的用于转子的磁铁件，其中，
所述转子磁极的所述上端是所述凸起，包括磁极聚集部件(头部件)，所述磁极聚集部件具有凸出超过所述磁铁件的壁厚度的爪；
设置在所述转子磁极中的所述第一永磁体被安装为被所述磁极聚集部件的所述爪抓紧和支撑。
4.一种安装在发电机的转子轴上的转子，用于发电机的所述转子包括：
转子框架，其固定到所述转子轴以与所述转子轴一起旋转；
多个第一槽，其在所述转子框架的整个周边上以预定间隔形成，并沿轴向方向延伸；以及
根据权利要求2所述的转子磁铁件，其中，U形主体的每个下端的一部分插入和安装在所述第一槽中；
其中，第二缝形成在各所述转子磁铁件之间的间隙中，第二永磁体组的第二永磁体按照与所述第一永磁体组相同的尺寸和方式插入到所述第二缝中，所述第二永磁体被布置以具有与所述第一永磁体相同的极性，其中所述转子磁铁件的壁表面介于所述第一永磁体和第二永磁体之间。
5.根据权利要求4所述的用于发电机的转子，其中，
所述转子框架通过多个分体单元主体的组件形成；
保护盖通过螺栓紧固到所述组件的两侧。
6.根据权利要求5所述的用于发电机的转子，其中，
所述多个分体单元主体通过凹和凸联接部件以凹入和凸出联接方式而联接到所述分体单元主体的每个接触表面，所述凹和凸联接部件具有彼此对应的圆形或多边形的形状。
7.一种磁铁件，用于发电机的电枢，用于电枢的所述磁铁件包括：
其中，所述主体的彼此面对的两个侧壁具有在其上端处形成的方形的凹凸结构的凸起和凹陷；
所述凹凸结构的所述凸起形成电枢磁极，而所述凹陷形成电枢无磁区部，使得所述电枢磁极和所述电枢无磁区部交替重复设置；
在每个线轴装配到形成所述U形截面的两个侧壁之后，线圈沿所述线轴缠绕以形成电枢绕组。
8.一种电枢，其安装以围绕被安装到发电机的转子轴上的转子的外周边，在所述外周边与所述电枢之间具有间隙，用于发电机的所述电枢包括：
电枢框架，其被制造为无磁中空柱形状并被安装以围绕所述转子的所述外周边；
多个第二槽，其在所述电枢框架的内周边中在所述电枢框架的整个周边上以预定间隔形成，并沿轴向方向延伸；以及
根据权利要求7所述的电枢磁铁件，其中，U形主体的每个下端的一部分插入和安装在所述第二槽中。
9.根据权利要求8所述的用于发电机的电枢，
其中所述电枢框架由单个柱主体或多个分体环形主体的组件形成；
线性运动(LM)引导轨道沿轴向方向安装在所述电枢框架的外周边上的多个部分中以具有预定相位角；
所述LM引导轨道被构造为：沿所述轴向方向沿设置在发电机外壳的内表面上的LM引导轴承的引导部引导线性运动，并且防止所述电枢框架沿周向方向旋转；
所述LM引导轨道用作所述多个分体环形主体的紧固机构。
10.根据权利要求8所述的用于发电机的电枢，其中，
在所述电枢磁铁件的各所述电枢绕组之间的空间绝缘。
11.根据权利要求10所述的用于发电机的电枢，其中，
侧框架构件通过螺栓紧固到所述柱形电枢框架的两个开放侧；
用于可旋转地支撑所述转子轴的套设置在所述侧框架构件的中心处，所述套被安装以沿所述转子轴在预定距离范围内滑动。
12.一种发电机，包括：
转子轴，其通过离合联接器连接到动力源的转子轴；
根据权利要求4至6中任一项所述的用于发电机的转子，其安装在所述转子轴上以能够与所述转子轴一起旋转；
根据权利要求8至10中任一项所述的用于发电机的电枢，其同心地安装以围绕发电机的所述转子的外周边且在所述外周边与所述电枢之间具有预定间隙，所述电枢被安装以允许在预定间隔范围内沿所述转子的轴向方向移动，并具有凹凸结构的凸起和凹陷，所述凸起和凹陷与对应的所述转子的凹凸结构的凸起和凹陷具有相同长度；
发电机外壳，其围绕用于发电机的所述电枢的外周边以对其保护；
线性马达，其被构造以通过能够沿所述轴向方向前进或后退的机构使所述转子移动；
速度传感器，其被构造以探测所述转子轴的旋转速度；或者功率计，其被构造以测量所述发电机的输出电压和频率；以及
控制器，其被构造以基于从所述速度传感器或所述功率计探测到的信息而控制和驱动所述线性马达；
其中，所述控制器控制所述线性马达，使得在驱动所述发电机开始时或者当原动机的驱动速度减小时，所述电枢沿使得在电枢磁极尖端与转子磁极尖端之间的对应长度减小的方向移动到第一位置；而且
相反地，所述控制器控制所述线性马达，使得当所述原动机的驱动速度增大时，所述电枢沿使得在所述电枢磁极尖端与所述转子磁极尖端之间的所述对应长度增大的方向移动到第三位置。
13.根据权利要求12所述的发电机，其中，
侧框架构件通过螺栓被紧固到所述电枢的所述柱形电枢框架的两个开放侧；
用于可旋转地支撑所述转子轴的套(轴承壳体)设置在所述侧框架构件的中心处，所述套被安装以沿所述转子轴在预定距离范围内滑动。
14.根据权利要求13所述的发电机，其中，
所述电枢沿所述轴向方向的移动距离对应于所述电枢磁铁件的凸起的宽度或凹陷的宽度。
15.根据权利要求14所述的发电机，其中，
所述控制器基于由所述速度传感器探测到的旋转速度信息或由所述功率计探测到的所述发电机的输出电压和频率信息而控制所述电枢的沿所述轴向方向的移动距离。
16.根据权利要求12所述的发电机，其中，
作为所述转子磁铁件的所述凸起的所述转子磁极的所述上端包括：磁极聚集部件(头部件)，所述磁极聚集部件具有凸出超过所述磁铁件的壁厚度的爪；
分别设置在所述第一缝和所述第二缝中的第一永磁体组的第一永磁体和第二永磁体组的第二永磁体被安装为被所述磁极聚集部件的所述爪抓紧和支撑，并与所述转子磁极接触。
17.根据权利要求12所述的发电机，其中，
在所述电枢和所述转子中，形成所述无磁区部的所述凹陷所具有的长度形成为长于形成所述磁极的所述凸起的长度。
18.根据权利要求12所述的发电机，其中，
驱动所述发电机的所述动力源是以下中的任一种：风能，液压能，热能，引擎驱动动力，蒸气能。
19.根据权利要求17所述的发电机，其中，
埋入到所述转子磁铁件的所述第一缝中的所述第一永磁体组的所述第一永磁体在凸起区部中竖直安装且在凹陷区部中水平安装，被形成以匹配于在两侧上形成有壁构件的磁铁芯的上部分上形成的所述方形凹凸结构的所述凸起和所述凹陷，并通过金属粘接剂以紧密接触的方式固定以而使得相同的极面对所述磁铁芯。
20.根据权利要求12所述的发电机，其中，
设置在端罩的所述轴承壳体中的中心引导部形成为多边形形状，而多边形套或线性轴承安装在所述电枢的两端处安装的所述侧框架的中心处，由此支撑所述电枢以线性往复。
21.根据权利要求12所述的发电机，其中，
安装有所述LM引导轨道的所述电枢框架的所述槽被构造以形成沿所述轴向方向的排放通路。
22.根据权利要求12所述的发电机，其中，
沿所述轴向方向延伸的排放通路形成在所述电枢框架的在所述多个LM引导轨道之间的外表面上。
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