CN1945938B - 一种发电机的制作方法及发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机的制作方法，主要是将铁芯上的每个绕有线包的铁芯爪极之间、相互并拢形成一个相对闭合的铁芯环。进一步地，在产生旋转磁场的永磁体侧面设置屏蔽环，屏蔽环的总宽度与铁芯的厚度一致。本发明还公开了采用上述方法制作的发电机，包括永磁体和铁芯铁芯上设置有复数个插槽，各个单独绕制的线包通过对应的插槽安装在铁芯上，铁芯爪由复数个铁芯爪片重叠而成，各个铁芯爪片穿过线包重叠嵌插在铁芯上对应的插槽中固定线包。各个相邻铁芯爪之间相互并拢在一起形成闭合的铁芯环。采用上述技术方案，可大量减轻发电机的驱动力，大幅度高能量转换效率。

Description

一种发电机的制作方法及发电机

技术领域

本发明涉及一种提高发电机能量转换效率的发电机的制作方法及由该方法制作的发电机。

背景技术

众所周知，现有发电机的机电能量转换效率很低。其中的一个重要原因在于：当发电机输出电流时，每个线包绕组都会产生一个磁场，而磁场磁力线的循环方向正好与旋转磁场磁力线的运动方向处在同一个平面上。线包磁场的磁力线与旋转磁场的磁力线相互抵触直接阻碍旋转磁场的旋转运动。图1、图2所示是现有发电机旋转磁场磁力线与线包磁力线相互干扰的示意图。

在当今能源越来越紧缺的情况下，若能提高电机的机电能量转换效率，

必将具有相当重要的经济意义和社会意义。

发明内容

本发明的目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种能有效提高发电机转换效率的发电机的制作方法及采用该方法制作的高效率的发电机。

实现上述目的的技术方案：

一种外转式发电机的制作方法，在铁芯上设置插槽，将线包单独绕制成形后通过插槽安装在铁芯上，再将片状的铁芯爪穿过线包重叠嵌插在铁芯上固定线包，相邻二组铁芯爪间相抵接形成相对闭合。

上述的发电机的制作方法，每一所述线包单独绕制于一线辊之上。

上述的发电机的制作方法，所述铁芯爪片插入穿过所述线包叠嵌插在铁芯上对应的插槽中固定线包；铁芯爪片与铁芯相互咬合。

上述的发电机的制作方法，在产生旋转磁场的永磁体侧面设置屏蔽环，使永磁体产生的旋转磁场磁力线在线包区域之外时被挤压变形以避开线包磁场的磁力线，进一步减少线包磁场的磁力线对旋转磁场产生阻力，所述屏蔽环呈双“L”型结构。

一种外转式电机，包括永磁体和铁芯，铁芯上设置有复数个按圆周方向上均匀排列的铁芯爪，各个铁芯爪上绕制有线包，所述铁芯上设置有复数个插槽，各个单独绕制的线包通过对应的插槽安装在铁芯上，所述铁芯爪由复数个铁芯爪片重叠而成，各个铁芯爪片穿过线包重叠嵌插在铁芯上对应的插槽中固定线包；相邻二组铁芯爪间相抵接形成相对闭合。

上述的电机，所述永磁体的侧面固定有屏蔽环，使旋转磁场的端面宽度小于铁芯的厚度，所述永磁体的上下两侧面与屏蔽环之间具有一间隙，用以对旋转磁场磁力线的循环幅度进行约束，使其旋转磁场的磁力线在进入铁芯时低于铁芯的厚度，所述屏蔽环呈双“L”型结构。

所述屏蔽环材质均为纯铁、或铁氧体。发电机的机壳采用非导磁材料，使得线包磁力线可以尽量舒展的循环，而不会受发电机机壳的引导使得磁力线挤压变形。

采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：

根据变压器的工作原理，电磁能量的转换并非一定要切割磁力线，也可以通过电磁感应的方式将电磁能量从初级线圈感应到次级线圈，而且变压器的电磁能量转换的效率甚高。

本发明创造性地将变压器的工作原理引入发电机中，通过减少在线包区域之外旋转磁场切割磁力线的方法，从而减少线包磁场的磁力线对旋转磁场产生的阻力，大幅度地提高了电机的能量转换效率。具体地说：

由于现有发电机的每个铁芯极爪之间存在有槽隙，使得每块旋转磁场的磁块在进入铁芯槽隙时必需克服线包磁场的阻力，而当每块旋转磁场磁块在离开铁芯槽隙时则要克服要那个线包磁场和铁芯极的引力。就多极无刷发电机的铁芯来讲(以YYF-300微型发电机为例)磁铁与铁芯的爪极数比是12∶9：旋转磁场在任何一个位置都要面临三个进入铁芯槽隙的阻力和离开铁芯槽隙的引力。

本发明通过使铁芯上的各个绕制有线包的相邻铁芯爪之间相互并拢在一起形成闭合的铁芯环，以便减少线包磁场的磁力线穿过槽隙对旋转磁场的运转产生的阻力。将现有发电机的爪形铁芯改成为如变压器铁芯一般的闭合铁芯，屏蔽、引导线包绕组的磁力线走向，使得线包所产生的磁力线不会由槽隙中穿出，不会直接影响旋转磁场的旋转速度、降低线包磁场切换频率(N、S极性的互换)。避免了由槽隙中穿出的那部分线包磁力线直接阻碍旋转磁场的转速，为旋转磁场铺平了一条“旋转专用通道”。

采用闭合铁芯，可以将线包的磁力线由连通铁芯的表面导入相邻的线包，加大了线包的磁通量。流经线包的磁通量越大，线包中产生的电势越强。

通过在所述产生旋转磁场的永磁体侧面设置屏蔽环，使永磁体产生的旋转磁场磁力线在线包区域之外时被挤压变形以避开线包磁场的磁力线，进一步减少线包磁场的磁力线对旋转磁场产生阻力。

发电机的机壳采用非导磁材料，使得线包磁力线可以尽量舒展的循环，而不会受发电机机壳的引导使得磁力线挤压变形。

综上所述，针对上述现有技术存在的缺陷，本发明通过合理的调整发电机线包的磁力线的走向和旋转磁场磁力线的走向，在线包磁力线和旋转磁场磁力线之间，通过屏蔽引导的方式使线包磁场的磁力线和旋转磁场的磁力线之间在线包区域之外不再相互干扰，有效地减少了在线包区域之外原有线包磁场的磁力线对旋转磁场运转的阻力，减少了不必要的能量损耗，从而达到了提高机电能量转换效率的目的。

附图说明

图1是现有发电机的结构立体示意图。

图2是图1所示现有发电机去掉外壳和部分线包后的剖视结构示意图。

图3是图1所示现有发电机的结构平面分布示意图。

图4是图1所示现有发电机的线包磁力线和旋转磁场磁力线的分布示意图。

图5是本发明对图1所示电机改进后的发电机立体结构示意图。

图6是图5所示发电机闭合槽隙后的线包磁力线分布示意图。

图7是图5所示发电机的旋转磁场磁力线与线包磁力线仍然干扰的情况示意图。

图8是对图5进一步改进后的结构示意图。

图9是图8所示安装屏蔽环结构后，旋转磁场磁力线与线包磁力线相互不干扰的情况示意图。

图10是安装完毕后，旋转磁场磁力线与线包磁力线、外壳、底板之间相互关系的分布示意图。

图11是改进前的发电机与本发明的发电机能量转换效率测试装置的结构框图。

图12是本发明另一种改进的发电机铁芯及线包的装配结构示意图。

图13是图12中铁芯的立体结构示意图。

具体实施方式：

图1至3所示，为现有发电机的结构示意图，包括永磁体1、铁芯2、线包3、机壳7、底板8、主轴9、主套10。环状的永磁体1旋转时产生旋转磁场。线包3绕制在铁芯2的铁芯爪21上，相邻的铁芯爪21之间存在用于安装线包3的过线槽隙5。图3是图1所示现有电机的线包磁力线和旋转磁场磁力线的平面分布示意图。由图1至4可见，由于相邻的铁芯爪21之间存在用于安装线包3的槽隙5，使得现有发电机在输出电流时，旋转磁场磁力线14与线包磁力线15之间在线包3的区域之外相互存在大量的干扰。由于其干扰的存在，线包磁场的磁力线15对旋转磁场磁力线14运转产生较大的阻力，而导致一定的能量损耗。

实施例一、一种发电机及其制造方法，如图5所示是对图1所示发电机进行局部改进后的结构示意图。改进的方法是采用导磁契块13将槽隙5填平补齐。其它结构与图1所示现有结构完全相同。图6给出了线包磁力线15在被契块13屏蔽引导后的新的线包磁力线16被挤压变形的情况。图7显示，通过契块13引导后的新的线包磁场的磁力线16与旋转磁场磁力线14在线包区域之外还会存在相互干涉，因为旋转磁场1的磁力线14还没有被完全约束，仍还有待进一步的改进。

需要说明的是，由于一个完全闭合的圆环会拉平旋转磁场极性的峰顶、谷底，使得旋转磁场的辐射范围受到影响。因此，应使每个相邻铁芯爪21之间的衔接部分必须处于半导通状态，槽隙闭合后仍保留一条微小的接缝。使每个接缝存在一定程度的磁阻，当旋转磁场的每个磁极磁力线经环行铁芯表面引导时，大部分的磁场会流入相应的线包3。

实施例二、另一种发电机，如图8所示，是对图5所示发电机进一步改进后的局部结构示意图。其改进之处在于：在环状的永磁体1的上下两侧及背面103固定有屏蔽环6，屏蔽环6呈双“L”型结构，其中永磁体1的上下两侧面(101、102)与屏蔽环6之间具有一间隙104，用以对旋转磁场磁力线的循环幅度进行约束，使其旋转磁场的磁力线在进入铁芯2时低于铁芯2的厚度。屏蔽环6必须是铁、或铁氧体等导磁材料制成。图9给出了设置屏蔽环6后磁力线的分布示意图，图9与图7相比，线包磁场的磁力线16和改进后的新的旋转磁场的磁力线17之间在线包区域之外不再相互干扰，永磁体1产生的旋转磁场的磁力线在既不外露而且还将磁力较为集中的感应到线包2上。

为了进一步约束线包磁力线，发电机的机壳7、底板8采用非黑色金属(通称铁)等非导磁材料制作，以避免吸收、屏蔽、引导磁场，使线包在输出电流时产生的磁力线在循环时不受其影响。图10所示是图8所示电机改进后，旋转磁场磁力线与线包磁力线、外壳、底板之间相互关系的分布示意图。

在循环时的范围越舒展，磁力线的线束就越多、线包内流过的磁通量越大，线包所产生的电压、电流自然也就大了。反之磁力线的线束受到限制，磁力线的线束的数量就大打折扣。

实验例和对比例：

图11是对改进前发电机和对改进后发电机能量转换效率的测试装置结构图。改进前发电机对应的是对比例，改进后发电机对应的是实验例。

测试条件：

测试电源：RYI---3005稳压电源；

测试表头：MONASOR.K1.2.0；0-5A；0-30V；0-2A；0-30V；

数位化光电转速表：DT-2234C；

负载电阻：1.8RJ；2.5RJ；5RJ；10RJ；22RJ；(5W瓷介电阻)；

切换开关：单刀拨动开关(驱动、负载)；

变阻开关：七位移动开关；

驱动马达：永磁直流微型电动机(型号不详)外形尺寸、直径44.8mm；外壳长度49.8mm；

被测电机：1)改进前的YYF-300永磁交流微型发电机；

          2)改进后的YYF-300永磁交流微型发电机；

整流电路板：6只1004二极管、各一块，直流输出端并联；

传动形式：皮带；

传动比：1∶1；

连接导线：2平方毫米多股铜芯导线；

表1至表4所测试的改进前发电动机(YYF-300)和改进后发电动机的不同之处在于：改进后发电机是将改进前发电机(YYF-300)中的槽隙5用契块13填平并在永磁体1的侧面装设屏蔽环6(参见图4)，机壳、底板也换成了非导磁材料，其它结构(包括整体电流)完全一样。

表1至表4给出了根据图11发电机能量转换效率测试装置在不同负载、不同工作条件下的实验例测试数据和对比例测试数据。其中：

表1对应的实验例1-5和对比例1-5是在发电动机的输入率功相同情况下的对比测试数据。(见说明书附图)

根据该数据可以看出，在同等情况下，电机改进后的能量转换效率明显优于改进前的能量转换效率，特别是负载电阻在1.8～5欧姆时能量转换的效率更是得到了大幅的提高。尤其是负载电阻在1.8欧姆时能量转换的效率更是得到了大幅的提高，改进前的能量转换效率是3.7％，改进后的能量转换效率是10％，改进后的能量转换效率比改进前的能量转换效率提高约170％。当负载电阻在22欧姆时，本发明能量转换的效率高达20.73％。

表2对应的实验例6-10和对比例6-10是在相同输出电压情况下的对比测试数据，根据该数据可以看出，在相同输出电压的情况下，电机改进后的能量转换效率明显优于改进前的能量转换效率。特别是在较大负载情况下(负载电阻小)，更是明显。以负载电阻5欧姆为例，改进前的能量转换效率是6.29％，改进后的能量转换效率11.18％，改进后的能量转换效率比改进前的能量转换效率提高约80％。

表3对应的实验例11-15和对比例11-15是在相同输人驱动电压情况下的对比测试数据，根据该数据可以看出，在相同输人驱动电压情况下，电机改进后的能量转换效率也是明显优于改进前的能量转换效率。以负载电阻1.8欧姆为例，改进前的能量转换效率是2.71％，改进后的能量转换效率8.07％，改进后的能量转换效率比改进前的能量转换效率提高接近200％。当负载电阻在22欧姆时，本发明能量转换的效率高达21.88％。

表4、对应的实验例16-20和对比例16-20是在输入限流(1.4A)情况下的对比测试数据。根据表4数据可以看出，在输入限流情况下，电机改进后的能量转换效率明显优于改进前的能量转换效率，负载越大(负载电阻越小)，能量转换的效率提高越大。以负载电阻1.8欧姆为例，改进前的能量转换效率是1.34％，改进后的能量转换效率是4％，改进后的能量转换效率比改进前的能量转换效率提高约180％。以负载电阻22欧姆为例，改进前的能量转换效率是16.69％％，改进后的能量转换效率是19.5％，改进后的能量转换效率比改进前的能量转换效率提高约18％。

综上所述，在同等情况下，本发明电机改进后的能量转换效率比改进前的能量转换效率得到了大幅提高，最高可达200％以上，这在当今能源紧缺的情况下，采用本发明具有相当重要的经济价值和社会价值。进一步的改进：

按照现有发电机的齿爪式的铁芯结构，如果没有槽隙5，线包是无法安置到铁芯2之中的。槽隙5只起到了过线的作用，但由于槽隙5的存在，线包2的磁力线会大量的从槽隙5穿出，阻碍旋转磁场1的转速，使磁场切换频率下降。

实施例三、另一种改进的发电机，如图12、图13所示：包括机壳7、主轴9、永磁体1、屏蔽环6、铁芯爪2、铁芯4、底板8、主轴9装在主套10内、主套10上装有铁芯4；铁芯4上设置有复数个插槽19，各个单独绕制的线包3通过对应的插槽19安装在铁芯4上，所述铁芯爪2由复数个铁芯爪片201重叠而成，铁芯爪2上装有线辊11，线辊11内单独绕制线包3。各个铁芯爪片201按图12中*号箭头方向插入穿过线包3重叠嵌插在铁芯4上对应的插槽19中固定线包3。铁芯爪片201与铁芯4相互咬合。嵌插后的铁芯爪2之间相互只保留一条微小的接缝12。机壳7、底板8采用非导磁材料制作，在旋转磁场1的两侧面装设屏蔽环6。

线包3单独绕制有几个好处，一是可在相同体积的情况下增加匝数(提高电压)，或加大线径(加大电流)。并将漆包线线束排列更加紧密，以减少漆包线线束之间的间隙。漆包线线束之间的间隙越小，线束之间的磁旋涡越少，线包中的磁损耗越少，效率越高。

采用本实施例，彻底消除了解决由于绕制线包存在的槽隙问题。

发电机改进前后对比测试记录

表1、相同输入功率

表2、相同输出电压

表3、相同输入驱动电压

表4、限制驱动电流输入

Claims (10)

1.一种外转式发电机的制作方法，其特征在于：在铁芯上设置插槽，将线包单独绕制成形后通过插槽安装在铁芯上，再将片状的铁芯爪穿过线包重叠嵌插在铁芯上固定线包，相邻二组铁芯爪间相抵接形成相对闭合。

2.根据权利要求1所述的发电机的制作方法，其特征在于：每一所述线包单独绕制于一线辊之上。

3.根据权利要求2所述的发电机的制作方法，其特征在于：所述铁芯爪片穿过所述线包重叠嵌插在铁芯上对应的插槽中固定线包；铁芯爪片与铁芯相互咬合。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的发电机的制作方法，其特征在于：在产生旋转磁场的永磁体侧面设置屏蔽环，使永磁体产生的旋转磁场磁力线在线包区域之外时被挤压变形以避开线包磁场的磁力线，进一步减少线包磁场的磁力线对旋转磁场产生阻力，所述屏蔽环呈双“L”型结构。

5.根据权利要求4所述的发电机的制作方法，其特征在于：使所述屏蔽环的宽度与铁芯厚度相等。

6.根据权利要求4所述的发电机的制作方法，其特征在于：所述永磁体的上下两侧面与屏蔽环之间具有一定的间隙，用以对旋转磁场磁力线的循环幅度进行约束，使其旋转磁场的磁力线在进入铁芯时低于铁芯的厚度。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的发电机的制作方法，其特征在于：采用非导磁材料制造发电机机壳，使得线包磁力线可以尽量舒展的循环，而不会受发电机机壳的引导使得磁力线挤压变形。

8.一种外转式电机，包括永磁体和铁芯，铁芯上设置有复数个按圆周方向上均匀排列的铁芯爪，各个铁芯爪上绕制有线包，其特征在于：所述铁芯上设置有复数个插槽，各个单独绕制的线包通过对应的插槽安装在铁芯上，所述铁芯爪由复数个铁芯爪片重叠而成，各个铁芯爪片穿过线包重叠嵌插在铁芯上对应的插槽中固定线包；相邻二组铁芯爪间相抵接形成相对闭合。

9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于：所述永磁体的侧面固定有屏蔽环，使旋转磁场的端面宽度小于铁芯的厚度，所述永磁体的上下两侧面与屏蔽环之间具有一间隙，用以对旋转磁场磁力线的循环幅度进行约束，使其旋转磁场的磁力线在进入铁芯时低于铁芯的厚度，所述屏蔽环呈双“L”型结构。

10.根据权利要求8或9所述的电机，其特征在于：还包括线辊，每一所述线包单独绕制于一线辊之上。

Images