CN1582524A - 固定电磁发电机 - Google Patents

Abstract

一没有移动部件的电磁发电机(10，130，150，170)包括永磁体(12，154，174)和磁芯(16，132，156)，该磁芯包括第一和第二磁路(18，20)。第一输入线圈(26，166)和第一输出线圈(29，135，152，178)围绕所述第一磁路(18)的一部分延伸，同时第二输入线圈(28，138，168)和第二输出线圈(30，135，153，178)围绕所述第二磁路(20)的一部分延伸。所述输入线圈(26，28，138，168)交替地被脉动以在所述第二输出线圈(29，30，135，135，152，153，178)中提供感应电流脉冲。驱动电流通过每个输入线圈(26，28，138，166，168)在由输入线圈围绕且延伸的磁路中减少来自永磁体(12，154，174)的磁通量的水平。

Description

固定电磁发电机

技术领域

本发明涉及不用可移动部件就能用于发电的磁发电机，更特别地涉及这样一种装置，其具有在操作中不用通过输入线圈从外部输入电能来发电的能力。

本申请要求于2000年9月6日提交的序列号为09/656,313的共同待审美国申请的优先权。

背景技术

本专利文献描述了若干个磁发电机，每个磁发电机包括一个永磁体，两个在永磁体外部的磁路，每个磁路在永磁体相对的两极之间延伸，用于使磁通在两个磁路的任何一个之间交替流过的切换装置，以及一个或多个输出线圈，利用在该装置中的磁场的变化在所述输出线圈中感应出流动的电流。这些装置根据法拉第定律的推广而运行，表示出即使磁场源是固定的，在变化的磁场内的导体中仍感应出电流来。

在1963年7月23日的《工程师文摘》(Engineer’s digest)中由R.J.Radus对切换磁通主要地沿着在永磁体相对的两极之间的两个磁路进行流动的方法当作一个“磁通传递”原则进行了描述。该原则用于在S和N极的两个极中的一端产生强大的磁力而在另一端产生非常小的磁力，但没有用于永磁发电机的结构中。该效应可以由衔铁运动机械地产生，或由驱动通过围绕长型的极片14延伸的一个或多个控制线圈的电流电气地产生。在美国专利第3,165,723，3,228,013和3,316,514中描述了使用该效应的多个装置，这些专利在这里结合作为参考。

在美国专利第3,368,141中描述了朝向一个磁发电机发展的另一步骤，该专利在这里结合作为参考，其中该装置包括与具有围绕磁芯的一次和二次线圈的变压器结合的永磁体，并且具有从所述永磁体的每个磁极到磁芯的任何一端进行引导的两个用于磁通的磁路，因此，当在磁芯中交变电流感应出的磁通方向改变时，来自永磁体的磁通自动地被指引通过所述磁路，该磁路的方向对应由于电流引起的磁通通过磁芯所取的方向。这样，磁通被加强。该装置可以用于提高典型的感应负载交流电路的功率因数。

在其它描述磁发电机专利中来自一个或多个输出线圈的电流被描述为可以用于以发电机更传统的方式来驱动负载。例如，在这里结合作为参考的美国专利第4,006,401中描述了包括永磁体和磁芯元件的电磁发电机，其中从磁芯元件中的磁体流动的磁通，通过切换而迅速地被改变以在位于磁芯元件的线圈中产生交替电流。该装置包括一个永磁体和两个在磁体的N极和S极之间的磁通电路路径。每个电路路径包括两个用于交替地打开和关闭电路路径的切换装置，在位于磁芯元件上的绕组中产生交替电流。每个切换装置包括与电路路径交叉的切换磁路，且所述切换磁路具有一个线圈，通过电流被驱动通过所述线圈，感应磁通使延伸到永磁体的电路路径饱和。驱动这些线圈的电能直接从连续提供的交流电源的输出获得。所要的是一个不需要使用这种电流源的电磁发电机。

在这里结合作为参考的美国专利第4,077,001描述了一种磁发电机或dc/dc变换器，包括具有间隔开的磁极的永磁体和在磁体的磁极之间延伸的永磁场。可变磁阻的磁芯以与磁体固定的关系设置在磁场中且该磁芯的磁阻变化以使磁场的磁力线图案偏移。输出导体以与该磁体固定的关系设置在磁场中且设置成由偏移的永久磁力线切割使得在导体中感应出电压。磁通利用围绕部分磁芯延伸的切换线圈在交替的路径之间被切换，同时通过由触发器的输出驱动的一对晶体管使电流在这些切换线圈之间交替。由适当的频率振荡器驱动触发器的输出。用于该驱动电路的电源由附加的，单独的电源来提供。所要的是一个不需要使用这种电源的永磁发电机。

在这里结合作为参考的美国专利第4,904,926描述了利用磁场运动的另一种永磁发电机。该装置包括电绕组，该电绕组限定出在每端具有基部(base)的磁传导区域，该绕组包括用于移动在其中感应的电流的元件。该发电机进一步包括两极磁体，每个磁体具有第一和第二极，每个第一极与所述磁传导区域的一基部磁连通。所述发电机进一步包括第三极磁体，该第三极磁体定向在两极电磁体的第一极中间，该第三极磁体具有的磁轴大致横向于磁传导区域的轴，该第三磁体具有最靠近传导区域的极且与两极电磁体的第一极是磁吸引的关系，因此其中第一极是同性极。同样在发电机中包含线圈形式的元件用于循环地反转电磁体的磁极。这些反转装置，通过循环改变电磁体的磁极，使磁通线与在电磁体的第一极和第三磁体的最靠近的极之间的磁吸引关系联系在一起而相应地反转，产生横跨磁传导区域的拭擦效应(wipingeffect)，当磁通线在两个电磁体的相对的第一极之间振荡时，因此在输出线圈中感应出电子的移动且因此在输出线圈中产生电流。

在这里结合作为参考的美国专利第5,221,892描述了直流磁通压力变压器形式的永磁发电机，其中包括磁外壳(magnetic envelop)，该磁外壳具有限定了一个磁轴的磁极且特征在于磁通线图案在极性上对称于所述轴。使用控制元件将所述磁通线相对于磁外壳空间地设置，该控制元件相对于磁芯机械地固定。进一步提供的感应元件也相对于磁外壳机械固定。磁通相对于感应元件的空间位移产生电流。进一步提供有磁通阀，用于变化磁阻以产生一个相对放大的时域(time domain)图形并且减少跨过磁阀、并因此跨过所述感应元件的磁阻。

其它专利描述了利用超导元件以产生磁通移动的装置。这些装置根据迈斯纳效应来运行，所述迈斯纳效应描述了当结构经受到超导相的转变时磁通从超导结构内部的排出。例如，在这里结合作为参考的美国专利第5,011,821描述了一种电力产生装置，其中包括在由永磁体的N极和S极件所产生的磁场中设置一束导体。通过一对超导材料薄膜使磁场穿过导体束来回移动。薄膜中的一个设置在超导态的同时另一个薄膜在非超导态。当在这两种状态在两个薄膜之间循环反转时，通过导线束的磁场来回偏转。

在这里结合作为参考的美国专利第5,327,015描述了一种产生电脉冲的设备，包括由超导材料制成的管子，围绕管子的一端安装的磁通源，一个如线圈的装置沿管子安装，用于截取磁通，以及围绕管子安装的用于改变超导体温度的装置。当管子逐渐地变为超导，磁场收集在管子中，在用于截取的装置中产生电脉冲。一个反向的超导状态产生第二脉冲。

上述描述的授予专利的装置没有利用装置中产生的电源的一部分给用于变化磁路的切换装置提供电源。这样，类似于传统的旋转发电机，这些装置需要稳定的电源输入，其可以是以电源的形式来驱动这些永磁发电机中的一个的切换装置，或是转矩的形式来驱动传统的旋转发电机的转子。然而，发电机的磁性部分的主要的功能只是简单地根据精确的时间切换磁场。在大多数永磁发电机的传统的应用中，通过给线圈接通电压，以在线圈中产生磁场，而该磁场被用作超过永磁体的磁场，因此为给切换装置提供电源，必须给发电机提供大量的能量，减少了发电机的效率。

在磁性材料方面近来的发展，特别是在“现代磁性材料，原理以及应用”中由Robert C.O’Handley，John Wiley & Sons，New York，pp.456-468所述的提供的毫微(nanocrystalline)结晶的磁性合金，其特别适用于磁通的快速切换。这些合金主要包括结晶颗粒或微晶，每一个结晶颗粒或微晶至少具有几毫微米的尺寸。毫微结晶材料可以通过热处理非晶合金制成，所述非晶合金形成用于毫微结晶材料的初级粒子，为了促进大型成核将不能溶解的元素，如铜加入该非晶合金，并且为了抑制微粒增长将稳定，耐熔合金材料，如铌或钽的碳化物加入该非晶合金。大部分体积的毫微结晶合金包括具有大约2-40nm尺寸的随机分布的微晶。这些微晶从非晶的相成核并增长，在微晶生成过程中注入不能溶解的元素。在磁性术语中，每一个微晶是单畴(single-domain)微粒。剩余体积的毫微结晶合金由具有大约1nm厚度的微粒范围的形式的非晶相形成。

具有特别有用特性的磁性材料由非晶的钴-铌-硼(Co-Nb-B)合金形成，其具有近似零的磁致伸缩和相对强的磁化性，以及好的机械强度和耐腐蚀性。可以改变这种材料退火的处理以改变在材料中形成的结晶的尺寸，在DC矫顽磁性方面得到强的效果。毫微结晶的析出也提高了其它非晶合金的AC性能。

其它磁性材料由利用富铁非晶和毫微结晶合金形成，其中通常以钴为基的合金显示出的更大的磁化性。这种材料是，例如，铁-硼-硅-铌-铜(Fe-B-Si-Nb-Cu)合金。富铁非晶合金的导磁性被它们相对大的水平的磁致伸缩所限制，由这种非晶合金形成的毫微结晶材料显著地减小这种磁致伸缩的水平，使磁化容易。

还在用于永磁体的改进上，特别是在包括稀土元素的材料的改进上已经取得了进展。这种材料包括钐钴，SmCo₅，其用于形成具有对任何公知的材料的去磁的最高阻抗的永磁体材料。其它磁性材料，例如，由使用了铁，钕和硼的结合的材料制成。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种磁发电机，其在发电机的操作过程中不需要外部电源。

本发明的第二目的是提供一种磁发电机，其中改变磁路而不需要供给磁场过强的能量以改变其方向。

本发明的第三目的是提供一种磁发电机，其中在没有移动部件的情况下完成发电。

在本发明的设备中，以不需供给磁场过强的能量的方式转换来自一永磁体的磁通路。而且，自起始反复的转换处理用于将永磁体的磁通在装置中的交替磁路之间进行切换，通过由公知的用于低的能量水平的元件组成的控制电路提供能量来操作所述的反复转换。通过自转换，在发电机的操作过程中不需要外部电源，所具有的一个单独的电源，如电池，仅用于发电机启动的非常短的时间。

根据本发明的第一方面，提供一种电磁发电机，包括永磁体，磁芯，第一和第二输入线圈，第一和第二输出线圈和切换电路。永磁体在相对端上具有磁极。磁芯在永磁体的相对端之间包括第一磁路和第二磁路，围绕第一磁路延伸有第一输入和输出线圈，围绕第二磁路延伸有第二输入和输出线圈。切换电路将电流交替地驱动通过第一和第二输入线圈。驱动的电流通过第一输入线圈，使第一输入线圈产生磁场，该磁场与来自永磁体的磁通在第一磁路中的集中相反。驱动的电流通过第二输入线圈，使第二输入线圈产生磁场，该磁场与来自永磁体的磁通在第二磁路中的集中相反。

根据本发明的另一个方面，提供一种电磁发电机，包括一个磁芯，多个永磁体，第一和第二组多个输入线圈，多个输出线圈和一个切换电路。磁芯包括一对隔开的板，每个板具有中心孔，且第一和第二多个磁芯柱(post)在所述隔开的板之间延伸。每个永磁体在该对隔开的板之间延伸。每个永磁体在相对端上具有磁极，排列所有永磁体的磁场以在共同的方向延伸。每个输入线圈在磁芯柱和永磁体之间，围绕隔开的板的板的一部分延伸。切换电路将电流交替地驱动通过第一和第二组多个输入线圈。将电流驱动通过第一组多个线圈中的每一个输入线圈，使来自每侧磁芯柱的永磁体的第一组多个磁芯柱中的每一个磁芯柱中的磁通增加并使来自每侧磁芯柱的永磁体的第二组多个磁芯柱中的每一个磁芯柱中的磁通减少。驱动电流通过第二组多个输入线圈中的每个输入线圈，使来自每侧磁芯柱的永磁体的第一组多个磁芯柱中的每一个磁芯柱中的磁通减少并使来自每侧磁芯柱的永磁体的第二组多个磁芯柱中的每一个磁芯柱中的磁通增加。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的第一变型制造的磁发电机和相关的电路的部分地示意性前视图；

图2是图1的相关电路中的切换和控制电路的第一变型的示意图。

图3是在图2的电路中产生的驱动信号的图形；

图4是图1的相关电路中的切换和控制电路的第二变型的示意图；

图5是图3的电路中产生的驱动信号的图形；

图6A是图1的装置中的第一驱动信号的图形；

图6B是图1的装置中的第二驱动电压信号的图形；

图6C是图1的装置中的输入电压信号的图形；

图6D是图1的装置中输入电流信号的图形；

图6E是图1的装置中的第一输出电压信号的图形；

图6F是图1的装置中的第二输出电压信号的图形；

图6G是图1的装置中的第一输出电流信号的图形；

图6H是图1的装置中的第二输出电流信号的图形；

图7是图1的装置中测量的输出功率作为输入电压的函数的图形；

图8是图1的装置中从测量结果计算的性能系数作为输入电压的函数的图形；

图9是本发明的第一实施例的第二变型的剖视图；

图10是根据本发明的第二实施例的第一变型制造的永磁发电机的顶视图；

图11是图10的磁发电机的前视图；以及

图12是根据本发明的第二实施例的第二变型制造的磁发电机的顶视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例制造的电磁发电机10的部分地示意性前视图，其中包括永磁体12，以提供从永磁体12的N极14向外流动进入磁芯材料16的磁通的输入线。装配所述磁通磁芯材料16，以形成右磁路18和左磁路20，两个磁路在磁体12的N极14和S极22之间向外延伸。电磁发电机10通过切换和控制电路24驱动，该切换和控制电路交替地驱动电流通过右输入线圈26和左输入线圈28。这些输入线圈26、28中的每一个围绕磁芯材料16的一部分延伸，使右输入线圈26环绕右磁路18的一部分且左输入线圈28环绕左磁路20的一部分。右输出线圈29也环绕右磁路18的一部分，而左输出线圈30环绕左磁路20的一部分。

根据本发明的一优选变型，如此地设置所述切换和控制电路24和输入线圈26、28使得当给右输入线圈26供电时，北磁极出现在其左端31，其为最靠近永磁体12的N极14的端部，且使得当给左输入线圈28供电时，北磁极出现在其右端，该右端也是最靠近永磁体12的N极14的端部。这样，当磁化右输入线圈26时，抵制来自永磁体12的磁通通过右输入线圈26延伸。同样地，当磁化左输入线圈28时，抵制来自永磁体12的磁通通过左输入线圈28延伸。

因此，可以看到驱动电流通过右输入线圈26反对来自永磁体12的磁通在右磁路18中集中(concentration)，至少导致该磁通中的一部分被转移到左磁路20。另一方面，驱动电流通过左输入线圈28反对来自永磁体12的磁通在左磁路20中集中，至少导致该磁通中的一部分被转移到右磁路18。

当在图1的例子中，输入线圈26、28位于永磁体12的N极的两侧上，从永磁体12的N极沿着磁芯16的一部分延伸地被设置，应该明白，输入线圈26、28可以容易地替换到永磁体12的S极的两侧上，从永磁体12的S极沿着磁芯16的一部分延伸地被设置，同时对输入线圈26、28绕线，以形成当供电时，具有S极指向永磁体12的S极的磁场。通常，输入线圈26、28设置沿着永磁体的端部的两侧上的磁芯形成第一极，如N极，产生使输入线圈的第一极指向永磁体的第一极的极性的磁场。

进一步根据本发明的优选变型，输入线圈26、28决不用使磁芯材料16变得饱和那么大的电流来驱动。将磁芯材料16驱动到饱和意味着随后的增加的输入电流会有对应于磁通不再改变的效果，且因此输入电能被浪费。以这种方式，本发明的装置具有比美国专利第4,000,401的装置具有更高的有效使用输入电能的优点，在美国专利第4,000,401中将每一个磁路的两个端部的一部分被驱动到饱和以阻碍磁通流动。在所述电磁发电机10中，输入线圈26、28中的电流切换来促进另一个磁路中的磁通流动不需要有效地阻止磁路18，20之一的磁通流动。所述电磁发电机10通过改变磁通量分布图型进行工作，并不需要磁通完全从一侧切换到另一侧。

试验确认这种结构在对输入线圈26、28中使用能量以便在输出线圈29、30中产生电能的效率上，对输入线圈及驱动它们的电路的布置以当所述输入线圈被供电时通过它们驱动来自所述永磁体的磁通的选择上都是较好的。本发明的这种设置提供了高于示出的现有方法的显著的优点，例如在美国专利第4,077,001中通过被供电的线圈驱动磁通。

本发明的结构还具有优于美国专利第3,368,141和4,077,001的现有技术结构的优点，本发明的结构中环绕每个选择的磁路仅有单独的输入线圈26、28，所述磁通在两个交替的磁路18，20之间切换。美国专利第3,368,141和4,077,001中的每个在每个磁路上都需要两个输入线圈。本发明的这个优点在硬件的简化和能量转换的效率两个方面都是显著的。

右输出线圈29电连接到整流和滤波器33上，其具有通过调节器34驱动的输出，该调节器34通过使用一个分压器35提供合适的输出电压。线性调节器34的输出依次提供作为检测和切换电路36的输入。在起动的条件下，检测和切换电路36将切换和控制电路24连接到外部电源38，其为例如起动用蓄电池。在电磁发电机10完全起动后，所述检测和切换电路36检测来自调节器34的可用电压已经达到预定的水平，因此所述切换和控制电路24的电源输入从外部电源38切换到调节器34的输出。在该切换发生后，电磁发电机10在没有外部电源供应的情况下继续运行。

左输出线圈30电连接到一个整流器和滤波器40，其输出连接到一个调节器42，该调节器42的输出电压通过分压器43调节。调节器42的输出依次连接到一个外部负载44。

图2是切换和控制电路24的第一变型的示意图。一个振荡器50驱动触发器54的时钟输入，使触发器54的输出Q和Q’通过驱动电路56，58连接到功率场效应管(FET)60、62使得输入线圈26、28被交替驱动。根据本发明的优选变型，通过FET 60、62供应给线圈26、28的电压V来自检测和切换电路36的输出。

图3是图2的FET 60、62的栅极驱动信号的图形，FET 60的栅极驱动信号的电压由线64表示，且FET62的栅极驱动信号的电压由线66表示。两个线圈26、28都利用正电压驱动。

图4是切换和控制电路24的第二变型的示意图。在该变型中，振荡器70驱动触发器72的时钟输入，触发器72的输出Q和Q’被连接到用作触发电路的单触发器74、76。单触发器74、76的输出依次通过驱动电路78，80连接以驱动FET 82，84，使得输入线圈26、28利用比触发器72的输出的Q和Q’的持续时间更短的脉冲交替驱动。

图5是图4的FET 82，84的栅极驱动信号的图形，FET 82的栅极驱动信号的电压由线86表示，且FET84的栅极驱动信号的电压由线88表示。

再次参考图1，仅当右磁路18中的磁通量的水平改变时才在右输出线圈29中产生电能，且仅当左磁路20中的磁通量的水平改变时才在左输出线圈30中产生电能。由此对于特殊的永磁发电机结构需要决定能够提供最快的磁通实际改变的脉冲宽度，且然后通过图2的装置的振荡器50的频率的变化提供该脉冲宽度，使得所述被提供的脉冲宽度具有示于图3的信号，或者通过图4的单触发器74、76的持续时间的变化提供该脉冲，使得所述被提供的脉冲宽度在更低的振荡器频率下具有图5的信号。以这种方式，输入线圈不必留得比所需长度更长。当任何一个输入线圈留得使时间周期长于产生磁通方向变化所需的周期时，在对应的输出线圈中没有附加的能量产生的情况下在输入线圈中能量会通过发热而浪费掉。

已经进行了大量的试验来决定一个如图1的发电机10那样被制造的电磁发电机产生电力同时驱动所述切换和控制逻辑的恰当性，向输入线圈26、28提供电力，并驱动外部负载44。在该试验中使用的所述结构中，输入线圈26、28具有40匝18标准尺寸(gauge)的铜线，输出线圈29、30具有450匝18标准尺寸的铜线。永磁体12具有40mm的高度(在其S极和N极之间为1.575英寸)，在箭头89的方向宽度为25.4mm(1.00英寸)，在箭头90的方向，和其它方向，深度38.1mm(1.50英寸)。磁芯16在箭头89的方向具有90mm(3.542英寸)的高度，在箭头90的方向具有135mm(5.315英寸)的宽度和70mm的深度(2.756英寸)。磁芯16具有在箭头89的方向高度为40mm(1.575英寸)的中心孔以容纳在箭头90的方向宽度为85mm(3.346英寸)的永磁体12。磁芯16制造成两个“C”形的半部，在线92处连接，以容纳在该磁芯材料上的输出线圈29、30和输入线圈26、28的绕组。

磁芯材料是由Honeywell出售的名为METGLAS磁性合金2605SA1的层压铁基磁性合金。该磁体材料是铁，钕和硼的结合。

输入线圈26、28在87.5KHz的振荡频率下驱动，决定该振荡频率以使用如图2所示结构的切换控制电路来产生最佳的效率。该频率具有11.45微秒的周期。设置触发器54，例如，以在从振荡器输入的时钟信号的上升沿的时候被置位和复位，使得驱动FET60、62之一的每一个脉冲具有11.45微秒的周期，并且使同样被分开到每个FET上的随后的脉冲同样地被分开为11.45微秒。

图6A-6H是在提供75伏特的输入电压的运行期间图1和图2的装置中同时产生的信号的图形。图6A示出了驱动FET 60的第一驱动信号100，导通该FET 60以驱动右输入线圈26。图6B表示驱动FET 62的第二驱动信号102，导通该FET 62以驱动左输入线圈28。

图6C和6D示出了与来自电池电源的驱动两个FET60、62的电流相关的电压和电流信号。图6C示出了电压V的电平104。当电池的标称电压是75伏特时，当每次FET 60、62之一切换为导通状态时，一个衰变的瞬时信号106叠加在该电压上。该瞬时信号的特殊图形与电池的内阻有关，同样与永磁发电机10的大量的特性有关。相似地，图6D示出了从电池电源流进两个FET 60、62的电流106。由于信号104、106示出了流进两个FET 60、62的电流的效果，瞬时峰值间隔为11.45微秒。

图6E-6H示出了在输出线圈29、30测量的电压和电流值。图6E示出了右输出线圈29的电压输出信号108，同时图6F示出了左输出线圈30的电压输出信号110。例如，右输出线圈29的输出电流信号116包括第一瞬时峰值112，其为当左输入线圈28中的电流脉冲被接通而引导磁通经过右磁路18时所产生的，并且，当左输入线圈28被关闭同时右输入线圈26被打开时产生的第二瞬时峰值114。图6G示出了右输出线圈29的电流输出信号116，同时图6H示出了左输出线圈30的电流输出信号118。

图7是利用电磁发电机10测量的输出电能和八个从10V到75V变化的输入电压电平关系的图形。振荡器频率保持在87.5Khz。测量点由标记120表示，同时曲线122是由利用最小平方拟合的多项式回归分析产生的。

图8表示对于图7中的每一个测量点的定义为输出功率与输入功率的比率的性能系数的图形。在每一个测量点，所述输出能量实质上高于输入能量。利用对电压和电流的值的测量在每一个数据点上计算出实际的能量值，并且所述结果在整个信号的周期上求平均值。这些测量值与利用TextronicTHS730数字示波镜测量的RMS能量一致。

当电磁发电机10能够在没有饱和的情况下以更高的电压和电流下运行时，由于所使用的切换电路的电压限制，输入电压限制在75伏特。本领域的技术人员将会理解用于本应用中能够使切换电路能够处理更高电压的元件很容易得到。为描述在输入电压为100伏特下的操作，对所述试验测量的数据使用外推法，以输入电流为140ma，输入能量为14瓦特，同时得到每一个输出线圈29、30的输出能量为48瓦特，并且平均输出电流12ma和平均输出电压4000伏特的结果。这意味着每一个所述输出线圈29、30的性能系数将是3.44。

当一些应用需要输出电压为4000伏特时，也可以通过电磁发电机10的结构中的简单的变化而改变输出电压。所述输出电压可以通过减少输出绕组的匝数很容易地被减少。如果该匝数从450匝减小到12匝，输出电压降到106.7，随之导致每一个输出线圈29、30中的输出电流增加到0.5安培。以这种方式，可以通过变化输出线圈29、30的匝数而变化电磁发电机的输出电流和电压，不会使输出能量中产生实质上的变化，输出能量替代地由所述输入电流来决定，该输入电流决定切换过程中磁通往复移动的量。

在图8中绘制的曲线中，所有的性能系数都显著的大于1，表示在每个输出线圈29、30中测量的输出能量的水平实质上大于相应的驱动两个输入线圈26、28的输入能量。因此，如上述参考图1讨论的，很明显电磁发电机可以制造成自激励的形式。在图1的例子中，除了为起动发电机的开始过程中短暂地应用了来自外部电源38的能量外，驱动输入线圈26、28所需的能量完全来自右输出线圈29中产生的能量。如果单独的输出线圈29、30中产生的能量比足够驱动输入线圈26、28的还多，可以增加一个附加的负载126并由用于产生能量驱动输入线圈26、28的输出线圈29中产生的能量来驱动。另一方面，输出线圈29、30中的每一个可以用作驱动输出线圈能量需求的一部分，例如使输出线圈26、28中的一个给FET 60(如图2所示)提供电压V，同时另一个输出线圈将该电压提供给FET 62。

考虑到热力学的情况，应该注意，当电磁发电机运行时，其为一个不是处于热平衡状态的开放系统。所述系统接收来自永磁体的磁通的静态能量。因为该电磁发电机10是不用附加的能量输入而自转换的，系统的热力学运行是开放的耗散系统，从其环境中接收，收集以及耗散能量；在这种情况下，是从永磁体中存储的磁通中接收，收集以及耗散能量。电磁发电机的继续运行使永磁体退磁。在本发明中优选地使用包括稀土元素，如钐钴材料或含有铁，钕和硼的材料，这是因为这种磁性材料在应用中具有相对长的寿命。

由此，根据本发明优选的电磁发电机可以考虑不作为永动机，而是作为由永磁体辐射的磁通转换为电的系统，该电能既用于给装置自身供电也用于给外部负载供电。这类似于包括核反应堆的系统，其中大量的燃料棒辐射出能量，该能量用作保持链式反应的持续并加热水，该水用于发电以驱动外部负载。

图9是根据本发明的第一实施例的第二变型制造的电磁发电机130的剖视图。电磁发电机130通常与根据该实施例的第一变型制造的电磁发电机10的结构和运行相似，除了电磁发电机10的磁芯132制造成沿线134连接的两个半部，允许在绕线筒136放置在磁芯132的腿137上之前，每一个输出线圈135被缠绕在塑料绕线筒136上。图9还示出了输入线圈138的可替换的设置。在图1的例子中，两个输入线圈26、28都设置在磁芯16的上部，这些线圈26、28构造成建立在线圈26、28的内端31、32具有北磁极的磁场，由此这些北磁极最靠近具有北磁极的端部14。在图9的例子中，第一输入线圈26如上述参考图1描述的，但是第二输入线圈138邻接永磁体12的S极设置。该输入线圈138构造成在其内端142建立南磁极，使得，当输入线圈138接通时，来自永磁体12的磁通离开左磁路20而指向右磁路18。

图10和图11示出了根据本发明的第二实施例的第一变型制造的电磁发电机150。图10是其顶视图，图11是其前视图。该电磁发电机150包括在每个拐角的输出线圈152、153，和沿着输出线圈之间的每一侧面上延伸的永磁体154。磁芯156包括上板158，下板160和在每一个输出线圈152、153中延伸的方形磁芯柱。上板158和下板160都包括中心孔164。

对每一个永磁体154靠着上板158以一个同性极来取向，如N极。八个输入线圈166、168围绕着上板158在输出线圈152、153和永磁体154之间设置。设置每一个输入线圈166、168使其在与最靠近邻接的永磁体154的端部形成与邻接上板158的磁体154的磁极相同极性的磁极。因此，切换输入线圈166，以从邻接的输出线圈152转移永磁体154的磁通，该磁通被传递到穿过输出线圈153的磁路。然后，切换输入线圈168，以从邻接的输出线圈153转移永磁体154的磁通，该磁通被传递到穿过输出线圈152的磁路。这样输入线圈形成第一组输入线圈166和第二组输入线圈168，这些第一组和第二组输入线圈以参考图1用于单独线圈26、28描述的方式交替地被供电。所述输出线圈在线圈152中产生第一列脉冲的同时和在线圈153中产生第二列脉冲的同时产生电流。

这样，驱动电流通过输入线圈166，导致通过输出线圈153延伸的磁芯柱162中的来自永磁体154的磁通增加，并导致通过输出线圈152延伸的磁芯柱162中的来自永磁体154的磁通减少。另一方面，驱动电流通过输入线圈168，导致通过输出线圈153延伸的磁芯柱162中的来自永磁体154的磁通减少，并且导致通过输出线圈152延伸的磁芯柱162中的来自永磁体154的磁通增加。

虽然图10和图11示出了所有沿上板158配置的输入线圈166、168，应该明白某些输入线圈166、168可以可替换地被设置而围绕所述下板160，以通常如图9所示的方式，并且在每一个在永磁体154和邻接的在输出线圈152、153中延伸的磁芯柱162之间的磁路中具有一个输入线圈166、168，及设置每一个输入线圈166、168以产生具有与邻接的永磁体154的最近的磁极为同性极的磁场。

图12是本发明的第二实施例的第二变型的顶视图，其与参考图10和图11讨论的第一变型相似，除了上板172和类似的下板(未示出)是环形的，同时通过输出线圈178延伸的永磁体174和磁芯柱176是圆柱形的。输入线圈180参考如图9和图10所述的取向和转换。

虽然图12的例子示出了四个永磁体，四个输出线圈和八个输入线圈，可以理解上述的原则可以应用于具有不同数量元件的电磁发电机。例如，这样的装置可以制造成具有两个永磁体，两个输出线圈和四个输入线圈和具有六个永磁体，六个输出线圈和十二个输入线圈。

根据本发明，用于磁芯的材料优选的是毫微的结晶合金，和可替换的是非结晶合金。该材料优选的是层压形式。例如，磁芯材料是钴-铌-硼合金和铁基磁性合金。

还有根据本发明，永磁体材料优选的包括稀土元素。例如，永磁体材料是钐钴材料或铁，钕和硼的结合。

虽然本发明在一定程度上特别地描述了其优选的变型和实施例，应该理解这种描述仅仅是给出了例子，且在不脱离本发明的精神和范围的情况下在结构，制造和使用的细节中可以进行各种变化，包括元件的结合与设置。

Claims (26)

1.电磁发电机(10，130，150，170)，包括：

永磁体(12，154，174)，其在相对端上具有磁极(14，22，140)；

磁芯(16，132，156)，其包括在所述永磁体(12，154，174)的所述相对端之间的第一和第二磁路(18，20)，其中

所述磁芯(16，132，156)包括一封闭回路，

所述永磁体(12，154，174)在所述封闭回路内延伸，以及

设置所述永磁体(12，154，174)的相对端邻接所述封闭回路的相对侧，并且靠着组成所述封闭回路的所述磁芯(16，132，156)的内表面；

第一输入线圈(26，166)，围绕一部分所述第一磁路(18)延伸，

第二输入线圈(28，138，168)，围绕一部分所述第二磁路(20)延伸，

第一输出线圈(29，135，152，178)，围绕一部分所述第一磁路(18)延伸，用于提供第一电力输出；

第二输出线圈(30，135，153，178)，围绕一部分所述第二磁路(20)延伸，用于提供第二电力输出；以及

切换电路(24)，交替地驱动电流通过所述第一和第二输入线圈(26、28，138，166，168)，其中

通过所述第一输入线圈(26，166)驱动的所述电流，使所述第一输入线圈(26，166)在所述第一磁路(18)内产生与来自所述永磁体(12)磁通的集中相反的磁场，以及

通过所述第二输入线圈(28，138，168)驱动的所述电流，使所述第二输入线圈(28，138，168)在所述第二磁路(20)内产生与来自所述永磁体(12)磁通的集中相反的磁场。

2.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中

设置所述永磁体(12，154，174)的第一类型的磁极邻近所述封闭回路的第一侧，

设置所述第一和第二输入线圈(26、28，138，166，168)沿着所述封闭回路的第一侧，

通过所述第一输入线圈(26，166)驱动的所述电流，使所述第一输入线圈(26，166)在所述第一输入线圈(26，166)邻近所述永磁体(12，154，174)的端点处产生具有所述第一类型磁极的磁场，以及

通过所述第二输入线圈(28，138，168)驱动的所述电流，使所述第二输入线圈(28，138，168)在所述第二输入线圈(28，138，168)邻近所述永磁体(12，154，174)的端点处的产生具有所述第一类型磁极的磁场。

3.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述磁芯(16，132，156)含有毫微结晶的磁性合金。

4.根据权利要求3的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述毫微结晶的磁性合金是钴-铌-硼合金。

5.根据权利要求3的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述毫微结晶的磁性合金是铁基合金。

6.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中在不使所述磁芯(16，132，156)到磁饱和的情况下改变所述磁芯(16，132，156)中磁通密度。

7.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中

所述切换电路(24)对应于第一列脉冲驱动所述电流通过所述第一输入线圈(26，166)，

所述切换电路(24)对应于与所述第一列脉冲内的脉冲交替的第二列脉冲驱动所述电流通过所述第二输入线圈(28，138，166)，

所述第一和第二列脉冲中的所述脉冲的周期大约是11.5毫秒。

8.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述永磁体(12，154，174)由含有稀土元素的材料组成。

9.根据权利要求8的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述永磁体(12，154，174)主要由钐钴组成。

10.根据权利要求8的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述永磁体(12，154，174)主要由铁，钕，和硼组成。

11.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中一部分在所述第一输出线圈(29，135，152，178)中感应的电能为驱动所述切换电路(24)提供电源。

12.根据权利要求11的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述切换电路(24)在起动过程中由外部电源(38)驱动并且在所述起动过程之后的运行期间由所述第一输入线圈(29，135，152，178)中感应的电能驱动。

13.根据权利要求1的电磁发电机(130)，其中

设置所述永磁体(12)的第一类型的磁极(14)邻接所述封闭回路的第一侧，

设置所述永磁体(12)的与所述第一类型的磁极(14)相对的第二类型的磁极(140)邻接所述封闭回路的第二侧，

设置所述第一输入线圈(26)沿着所述封闭回路的所述第一侧，

设置所述第二输入线圈(138)沿着所述封闭回路的所述第二侧，

通过所述第一输入线圈(26)驱动的所述电流，使所述第一输入线圈(26)在所述第一输入线圈(26)的邻近所述永磁体(12)的端部处产生具有所述第一类型磁极的磁场，以及

通过所述第二输入线圈(138)驱动的所述电流，使所述第二输入线圈(138)在所述第二输入线圈(138)的邻近所述永磁体(12)的端部处产生具有所述第二类型磁极的磁场。

14.根据权利要求1的电磁发电机(10，130，150，170)，其中在所述第一输入线圈(29，135，152，178)中感应的电能的一部分为驱动所述切换电路(24)提供电源。

15.根据权利要求14的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述切换电路(24)在起动过程中由外部电源(38)驱动并且在所述起动过程之后的运行期间由所述第一输入线圈(29，135，152，178)中感应的电能驱动。

16.电磁发电机(10，130，150，170)，包括：

永磁体(12，154，174)，其在相对端上具有磁极(14，22，140)；

磁芯(16，132，156)，在所述永磁体(12，154，174)的所述相对端之间包括第一和第二磁路(18，20)，其中

第一输入线圈(26，166)，围绕一部分所述第一磁路(18)延伸，

第二输入线圈(28，138，168)，围绕一部分所述第二磁路(20)延伸，

第一输出线圈(29，135，152，178)，围绕一部分所述第一磁路(18)延伸，用于提供第一电力输出；

第二输出线圈(30，135，153，178)，围绕一部分所述第二磁路(20)延伸，用于提供第二电力输出；以及

切换电路(24)，驱动电流交替地通过所述第一和第二输入线圈(26、28，138，166，168)，其中通过所述第一输入线圈(26，166)驱动的所述电流，使所述第一输入线圈(26，166)在所述第一磁路(18)中产生与来自所述永磁体(12)磁通的集中相反的磁场，以及其中通过所述第二输入线圈(28，138，168)驱动的所述电流，使所述第二输入线圈(28，138，168)在所述第二磁路(20)中产生与来自所述永磁体(12)磁通的集中相反的磁场，其中在所述第一输出线圈(29，135，152，178)中感应的电能的一部分为驱动所述切换电路(24)提供电源。

17.根据权利要求24的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述切换电路(24)在起动过程中由外部电源(38)驱动并且在所述起动过程之后的运行期间由所述第一输入线圈(29，135，152，178)中感应的电能驱动。

18.电磁发电机(10，130，150，170)，包括

磁芯(156)，其包括一对隔开的板(158，160)，其中每个所述隔开的板(158，160)包括中心孔(164)，且第一和第二组多个磁芯柱(162，176)在所述隔开的板(158，160)之间延伸；

多个永磁体(154，174)，分别在所述成对的隔开的板(158，160)之间和所述多个磁芯柱(162，176)的相邻的磁芯柱(162，176)之间延伸，其中所述多个永磁体(154，174)中的每个永磁体(154，174)在相对端上具有磁极，其中所述多个永磁体(154，174)中的所有的永磁体(154，174)被定向以产生具有共同方向的磁场；

第一和第二组多个输入线圈(166，168)，其中第一和第二组多个输入线圈(166，168)中的每个输入线圈(166，168)在所述多个磁芯柱(162，176)中的磁芯柱(162，176)和所述多个永磁体(154，174)中的永磁体(154，174)之间围绕所述隔开的板(158，160)中的所述板(158，160)的一部分延伸；

输出线圈(152，153，178)，围绕所述第一和第二组多个磁芯柱(162，176)中的每一个磁芯柱(162，176)延伸，用于提供电力输出；

驱动电流交替地通过所述第一和第二组多个输入线圈(166，168)的切换电路(24)，其中驱动所述电流通过所述第一组多个输入线圈(166，168)中的每一个输入线圈(166，168)，使来自位于所述磁芯柱(162，176)每侧的所述多个永磁体(154，174)的磁通在所述第一组多个磁芯柱(162，176)中的每个磁芯柱(162，176)中增加和使来自位于所述磁芯柱(162，176)每侧的所述多个永磁体(154，174)的磁通在所述第二组多个磁芯柱(162，176)中的每个磁芯柱(162，176)中减少，且其中驱动所述电流通过所述第二组多个输入线圈(166，168)中的每个输入线圈(166，168)，使来自位于所述磁芯柱(162，176)每侧的所述多个永磁体(154，174)的磁通在所述第一组多个磁芯柱(162，176)中的每个磁芯柱(162，176)中减少和使来自位于所述磁芯柱(162，176)每侧的所述多个永磁体(154，174)的磁通在所述第二组多个磁芯柱(162，176)中的每个磁芯柱(162，176)中增加。

19.根据权利要求18的电磁发电机(150，170)，其中

每个输入线圈(166，168)围绕一部分磁路延伸，所述磁路通过位于邻接于所述输入线圈(166，168)的所述永磁体(154，174)相对端之间的所述磁芯(156)，

所述磁路通过邻接于所述输入线圈(166，168)的所述磁芯(156)中的磁芯柱(162，176)延伸，以及

通过所述输入线圈(166，168)驱动的电流，使所述输入线圈(166，168)产生与所述磁路中磁通的集中相反的磁场。

20.根据权利要求18的电磁发电机(150，170)，其中所述切换电路(24)在起动过程中由外部电源(38)驱动并且在所述起动过程之后的运行期间由所述第一输入线圈(135，152，178)中感应的电能驱动。

21.根据权利要求18的电磁发电机(150，170)，其中所述磁芯(156)由毫微结晶的磁性合金组成。

22.根据权利要求21的电磁发电机(150，170)，其中所述毫微结晶合金是钴-铌-硼合金。

23.根据权利要求21的电磁发电机(150，170)，其中所述毫微结晶合金是是铁基合金。

24.根据权利要求18的电磁发电机(150，170)，其中所述永磁体(154，174)由含有稀土元素的材料组成。

25.根据权利要求24的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述永磁体(154，174)主要由钐钴组成。

26.根据权利要求24的电磁发电机(10，130，150，170)，其中所述永磁体(154，174)主要由铁、钕、和硼组成。

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