CN202841019U - 一种电磁运动能量产生装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁运动能量产生装置，摘要附图所示为其装置系统组成，是在类似于常规电机本体结构的定子与转子高磁导率高磁饱和铁芯工作极上所设励磁绕组，电激铁芯磁饱和以达抑制或减小其铁芯绕组在运行中的感生反电动势与抗磁阻力，反馈回收励磁绕组电感能量，以用较少的电励磁输入功率而利用铁磁质的磁力作用产生大的机械运动能量输出。磁动发电机则是将其和发电机组成一个工作系统，通过机电能量转换与回输维持其电磁设备本身的使用，使其成为一种输出大于输入而自持运转的机电能量产生装置。

Description

一种电磁运动能量产生装置

技术领域

本发明隶属机电能源动力领域，主要涉及一种利用电磁作用产生运动能量的装置。

背景技术

我们现在使用的各类电动机既是一种利用电流通过铁芯线圈产生磁场，通过电流的通断或换向在定子与转子间形成定向磁力作用而驱动运转的，在已有电力电子装置中，亦普遍见有由励磁绕组和铁心组成的电磁设备等相近技术的应用：如工业装置中的电励起重器既是一种由电励铁芯磁性控制其完成吸力和脱放等不同工作状态；电气开关中的继电器是当线圈中通入励磁电流时铁芯激磁产生磁力吸引衔铁完成电路的接通与关断等操控；电气装置中所采用的旋转电磁铁、步进电机等亦是由铁芯外部线圈中通入励磁电流时驱动转齿位移带动机轴旋转一定角度而达到操控目的；电力电子器件中的磁饱和稳压器、磁饱和放大器是利用铁磁临界磁饱和点处磁导率的变化，以达减小次级输出电压变化或使控制信号电流产生大的变化增益。依此，所属装置是利用电激铁磁变化特征，提供一种磁力作用或磁性控制，其目的是以达能量转换、操纵运移或工况控制等。

而本专利申请是其电磁运动能量产生装置及方法发明专利申请201210147466.5基础上的实用装置，亦是利用电流通过线圈激磁铁芯的电磁作用力产生运动能量，并以抑制或减小铁芯绕组在运动磁场中的感生反电势与抗磁阻力，回收反馈励磁绕组电感衰减能量，以大幅提高其供电能量的输出效益比。

发明内容

为实现上述目的，本文所述电磁运动能量产生装置是采用以下技术方案来实现的。

电机既是一种用来进行电能和机械能之间相互变换的电磁装置。其作用原理基于法拉第-楞次与毕奥-萨伐尔电磁基本定律。能量形式的变换依赖于电机定子与转子之磁相互作用的运动，即必须具有磁力和与之相对运动的两个部分。现有多数电机中都使用铁磁材料构成铁心，以便用较小的励磁电流而获得较大的磁通，在相同励磁绕组匝数和电流条件下，铁芯路径中的磁感应强度可增大几百甚至几千倍。其电动机即是我们常见并广泛使用的一种利用磁力来做功的机电能量转换装置，理论机电能量转换方程式：E_e(输入电能量UI)＝ε^-I_γ+I_γ ²R_γ，I_γ ²R_γ是电枢总电阻将电流动能转化为热量的部分，ε^-I_γ是转化为机械能时由绕组中感生反电动势所消耗(抵消)的能量，输入能量与输出能量总量相等。

而本类所述运转装置是在类似于常规电机本体上，借助定子与转子高磁导高磁饱和铁芯工作极上所设励磁绕组的电流激磁作用，在定子与转子电磁运转的一定相位区间，电激铁芯磁饱和态相吸与或相斥推动转子以达抑制或减小运动感生反电动势与抗磁阻力，并反馈励磁绕组电感衰减能量，以用较少的电激励磁输入而利用铁磁质间的磁力作用产生大的运动能量输出，即(E_m+I_γ ²R_γ)＞E_e(UI)。E_m为装置产生的磁力运动能量，I_γ ²R_γ为电枢电阻将输入电流电子动能转化为热的部分，E_e(UI)为装置输入的总电量，因此它是与现有各种电机等动力机不同意义的一种机电能量产生装置。

磁动发电机则是把磁动和发电复合成一个工作系统，通过机电能量转换及回输维持磁动机的运行，使其成为一种输出大于输入而自持运转的机电能量产生装置。

1装置种类与工作特征

(1)工作机的举例说明

磁阻电机是我们广泛使用的一种电磁运转装置，装置的电机本体由定子电枢凸极铁芯及其上的励磁绕组W和转子铁芯所组成，当输入电功率时，通过电机定子与转子极的电磁相吸产生转矩而驱动运转，为本装置工作过程叙述的便利，现以这种电机为例予以说明。

设有附图2所示一双凸宽极靴磁阻电机，当定子电枢铁芯励磁极与转子铁芯某一凸齿两极相对有转角α＝α₀～α₁区间时(

为两极间距)，接通定子励磁线圈供电开关电激铁芯有激磁感B_Fe，包括电流线圈本身磁感即有B＝B_w+B_Fe，铁芯线圈的磁感大为增强，转子凸极齿受铁磁相吸向定子与转子极对齐位置做趋近运动，当其铁磁相吸运动达近点时我们断开绕组电流，转子铁芯将在惯性下越过近极位置向前远离铁芯极继续运动，只要我们操纵供电开关分别在其一定转角位置时对励磁线圈电流进行接通与断开，对转子极施以同方向的间歇吸引即可得到一种磁力作用的连续转动而产生运动能量。其铁芯线圈在通电过程中产生的感生反电动势及抗磁阻力即与这种外磁变化相关，在铁芯磁导非线性磁化区段，有等比于铁芯中感抗作用的与其运动相对应的绕组感生反电势ε^-及抗磁阻力，所产生的磁作用能E_m与其反电势所抵消褪减电能εI相等，此即为我们通常所见磁阻电机的工作特征。

但如在电激铁磁相吸时，电流线圈产生的激磁场使铁芯磁化达磁饱和状态后，其铁芯磁导率既发生较大改变，深铁磁饱和时的微分导磁系数dμ_r≈1，近似为空心线圈的磁导率，此时即等效在其空心线圈中加入一个磁导μ_r≈1磁感为B的铁芯磁体。相对定子电枢铁芯线圈，转子在运转过程中这种磁阻变化的感生作用是迭加在增高的铁芯磁饱和区段的饱和磁感B上，因激磁饱和铁芯在所述区间磁导率Δμ_r≈1，其感生反电势等效激磁感很小，或者说感抗很小，且所设定子与转子间运转磁气隙亦很小，此时可认为回路磁导变化与励磁绕组中的运动感生反电动势及运动抗磁阻力也等同于空心线圈，但由这电流线圈所产生的磁通与铁芯磁化产生的磁通之和却比空心线圈时大为增强，磁作用力亦增大了，过程磁作用运动能与反电动势褪电能的比值发生改变。当所设装置励磁绕组激磁铁芯运行在磁化曲线的磁饱和区段时，将具有似空心线圈的感生反电势抗磁阻力而有大为增高了的磁饱和铁芯的磁力作用。

激磁绕组中同样的铁芯虽达铁磁饱和比其非饱和时要增加激磁安匝，且随着铁心回路气隙的增大磁导率呈函数降低而需要更大的激磁安匝才可使铁芯磁饱和，其线圈本身磁感亦增加，但这种增加因采用高磁导易饱和铁芯和减小磁气隙使激磁场要求降低，此时既便也达普通铁心非饱和状态时的激磁安匝要求，但因这磁饱和铁芯线圈有近空心线圈时的感生作用特征，反电势抗磁阻力相比非饱和时大幅减小，总的输入能量还是因为抗磁作用的减小而大幅降低，其能量效益比得到体现。此特征既为本类装置所要求的基本工作状态。

(2)其它工作类型

由上述装置工作特征，其磁极结构配制方法和工作要求的不同，亦可形成不同的装置与组构，下面列举一些不同组构种类予以描述如下：

装置中电磁运转本体当采用定子与转子铁芯均设置励磁绕组双向激磁至磁饱和相互作用方式时，相对上述组构方式，这种定子与转子双向激磁铁芯磁饱和相吸与或相斥作用方式的优点是单体能量密度增高。因其定子与转子励磁绕组均产生运动感生反电势，其感生反电势褪电能亦增大，此时的运转效益比仍取决于激磁绕组输入电能与输出机械能之比。实际中因定转子极间为有隙磁相链，改变铁芯结构形状和供电方式及减小运动气隙而有利于工作段铁芯激磁至磁饱和，并因定、转子极在铁芯激磁饱和态运转过程中磁导率Δμ_r≈1的同隙运转回路，其过程的磁力运动与回路磁导变化特征均近于空心线圈，线圈的感生抗磁作用力被抑制，其磁力运动能量亦是由这种不平衡磁相互作用过程中饱和铁芯磁力作用所产生。

在类似磁滞电机这种组构方式的定转子铁芯通过采用高磁导高磁饱和材料和结构设计上以减小运动磁气隙而利于工作段铁芯激磁至磁饱和。这种组构方式和工作驱动亦比较简单，我们只需操纵供电开关分别在其α_o与α_i转角时开与关，即可得到一种磁滞作用的连续转动而产生机械运动能量。

在类似双极性反应式电机中，将永磁体组构于电机结构中既为一种混合励磁电磁运转方式。当以磁阻电机定子电枢铁芯回路中设置有永磁体的高导磁轭铁细凹颈部上缠绕有激磁线圈，在转子铁芯极远离或趋近磁极区域时，利用通入绕组电流所产生的饱和激磁提供一种某极抵消降磁而另极增磁作用，转子的不同磁极将被吸引或依惯性而运动，当达另一磁极区域时转换激磁绕组电流方向，转子的不同铁芯极将受定子磁体磁场作用继续同向运动，依循重复，转子被不断驱动而旋转，由不断变换线圈激磁电流方向的抵磁形成了利用磁体的磁力作用。在运转中，其激磁安匝与铁芯回路磁导率成反比，与此过程相关的是铁芯回路磁导变化产生的感应反电势，因激磁段工作铁芯处于磁饱和状态，励磁铁芯线圈将感生空心状态时的反电势磁阻作用力而由铁芯磁极作用力产生增大的运动输出。

再如一种类似电磁振荡器这种组构的定子铁芯通过采用高磁导高磁饱和材料和结构设计以减小运动磁气隙而利于工作段铁芯激磁至磁饱和，我们只需对励磁线圈通入一定频率的矩形平顶间波电流使其相作用铁芯微动而达驱动负载，即可得到一种振动能量的产生。

当然，除上述所举种类外仍存在许多以其它方式不同组构的工作机，这里不再一一列举，虽相关组构可以不同，但其激磁铁芯基本工作状态与特征仍相同。

由此可知，采用高导磁铁芯并减小磁气隙宜于降低其激磁强度，不同种类中如以电磁代替永磁、由定子与转子单向电励磁转而采用双向电激磁即可提高单体功率密度。不同的组构方式与工作过程仅是其功率密度或能量效益比不同而已。

(3)装置种类

前面描述了本类装置中采用不同技术方案所组构的工作机，除上述装置种类外，遵循其基本工作方法与特征，亦可组构多种不同类型的工作装置。这类装置依其运动形式有平移与旋转运动两大类，不同的种类中，有些能量效益比较高而有些则单体功率密度较高。按其结构形式与组合功能及用途，将会多种多样，其组构方式、控制特征等方面均有差异，但不同的仅是其组构与控制方法以及制造难易程度和单体功率密度或能量效益比有所区别而已。

磁极可为电磁、永磁、超导磁或复合方式设置，或以抵消永磁体磁通方式形成作用磁极，极性可交替分布，亦可呈双体结构、磁通平衡过极，以电磁代替永磁、定子与转子双向电励磁、全区、全程电磁作用方式可提高单体功率密度，虽其工作方式可多种不同，或其功能用途及结构方式、控制特征方面有所差异，由于其激磁铁芯基本工作状态与特征相同，本技术方案能够完全覆盖所述内容。

(4)装置组构

本发明所述电磁运动能量产生装置是一种利用电激铁芯磁饱和以达抑制或减小铁芯绕组运动感生反电动势抗磁阻力而产生运动能量的装置，装置系统由电磁设备本体和电流驱动控制两部分所组成，电磁设备本体主要由电磁性材料所组构，电流驱动控制部分由电子元器件等所组成。图1所示即为其一工作系统模块示意图。图中：1-电源，2-逆变与整流滤波，3-驱动与自动控制，4-转子位置感测，5-电感能量反馈，6电磁设备本体，7-组合的发电机，8-动能或电能输出，9-发电能量回输。系统由图虚线左侧的电子驱动控制部分与右侧的电磁动力发电设备本体组成，为电磁运转与电子驱动技术的结合体。

其基本特征是：在电磁设备本体结构的定子基体具有多个延伸部的磁极单元与设置于各磁极单元区域外部周壁缠绕有若干可使电流通过产生激磁作用的励磁线圈组成的电枢体，和在其电枢体内侧或外侧铁磁极缘表面相隔一定距离留有气隙与其构成磁力作用的装设有铁磁极齿或可使电流通过产生激磁作用的电励铁磁线圈绕组单元或由若干不同排列的永磁体组构的电磁转枢组合体，及使两者保持相对位置相连的支承机架与控制部件，所述转枢轴支承可以是机械的或磁悬浮或气浮等不同方式或其组合，电流驱动控制部分包括对电磁设备本体工作磁极相互位置状态进行感测的位相传感、馈电驱动、绕组电感能量反馈、运行状态控制以及电源变换电路所组构，以旋转或旋线或移动或振荡微动方式将磁力转换为动力输出。

装置采用易饱和磁化的高磁导率铁芯材料并减小回路磁阻以降低励磁线圈激磁饱和电流或匝数而减小激磁强度，减少感生反电势和抗磁阻力，降低输入能量而得到大的功率输出。故其作为装置组构方法的首要即是以高磁导高磁饱和低饱和磁场低损耗低剩磁饱和拐点明显的铁磁功能材料为工作铁芯。

所述工作铁芯为铁磁合金或金属的不同种类材料以晶态、非晶态、微晶态的不同薄片或微粉所组构，本类装置不仅利用其具有较大的磁化作用，更重要的是利用其非线性磁化存在磁饱和这一特征，不论哪种类型或组构，采用高磁导率高磁饱和低剩磁低损耗磁饱和特征明显的材料为工作铁芯有利于减少励磁绕组安匝而减小输入功率，选用饱和磁场与矫顽磁场小、磁致伸缩率低、电阻率高的铁磁材料及减小磁气隙提高铁芯回路磁导率可减小励磁安匝而降低激磁强度要求。

影响铁芯激磁磁饱和的是材料特性、系统磁阻、工作磁场，以及实现磁饱和控制，输出极限电磁力。铁芯磁饱和需要较多的激磁安匝，磁气隙的增大亦需更多励磁安匝，特别是在退磁场和大气隙下则更需增加较多的安匝，减小这种磁气隙则可减小激磁安匝而降低激磁强度要求。因此，合理选择设计激磁铁芯气隙与工作状态为磁饱和高效益比区段为宜。

装置电子驱动控制部分主要由馈电驱动、位置感测、状态控制等部件所组织。其电子驱动与控制及组成在诸如无刷电机、步进电机、开关磁阻电机等中已广泛应用，亦有众多成熟技术方案可予借鉴。励磁线圈铁芯磁饱和激磁电流为可控直流电，以微电程控调制或数控拟合回路磁阻与感生反电势作用下的激磁电流大小以减少输入电能损耗而经济运行。

(5)装置工作特征

经以上说明可以看出，所述装置其依据的基本物介特征即是铁芯磁化之磁导非线性变化在相关电磁作用中的不同，装置的运行是在定子与转子高磁导高磁饱和铁芯工作极上所设励磁绕组的电流激磁作用，在电磁运转的一定相位区间，使线圈工作区域铁芯电激饱和磁化产生大的电磁作用力相吸与或相斥而推移转动，是以电激铁芯磁饱和而达抑制或减小其激磁铁芯绕组在运移磁场中的感生反电动势与抗磁阻力。

其基本工作状态是铁芯激磁磁饱和，所述工作铁芯磁饱和是指维持具有这个状态特征的一个区域范围，磁饱和不同状态其励磁安匝与感生抗磁作用亦不同，设计励磁工作铁芯与方式为饱和值高效益区段，以致其工作过程的综合电磁作用能/反电动势褪电能的比最大为其优化选择。

这些装置它们的共同点是：

①由工作铁芯、导磁铁轭与磁气隙所组成的回路铁芯可为环形或多边形且铁芯的极可为多数，工作极可以凸极、隐极、齿状、爪状或复合磁极，以有隙磁传导、磁耦合方式组成旋转电枢而相互作用，磁极方向可轴向或径向或平行以及混合方式布置，而构成工作磁极的励磁绕组可以设置在定子、转子或定子与转子铁芯上的不同区段，组成内电枢或外电枢。

②包括可设于磁回路不同位置的工作在磁饱和区的激磁铁芯截面积或饱和磁感小于导磁铁芯体的不等截面或磁感连接体，可将其中配置有励磁线圈部分的软磁铁芯或齿，替代性或补充性地由相对于普通软磁材料具有更有利可磁化性和剩磁更少性能更好的铁磁材料经一种合适的分段方式由不同材料来制造成组成体。

③驱动控制部分是装置的重要组成，由电子开关代替换向器与电刷呈无刷驱动，可采用不同的非接触位置感测和驱动控制，驱动控制与供电开关可以是电子器件或其集成或其不同的组合，电子驱动馈电换流有利于提高装置稳定性与可靠性，使结构简化易于调控运行。

此类装置单独使用时可为一种超高效电机，把该类装置与发电机以不同方式组合或直接复合成一个工作系统，所产生的机械能量通过机电转换与反馈回输维持电机本体的自身运转，其成为一种输出大于输入而自持运转的机电能量产生装置；亦可以多组链级方式形成复合能量机组，以降低启动能量输入而产生大的能量输出。

不论哪种类型，单体功率密度的提高均是通过提供全区、双向、全程电磁相互作用方式和速度的提高来达到的。

2所采用的一些相关辅助技术

本类装置的实施受一些过程因素的影响，其有益性能并不能自然完全体现，除优化结构类型工作状态与过程参数外，仍需采用一些辅助技术方法以提高其实用性。

①电感过渡时间的抑制

装置运行过程中其绕组铁芯磁饱和理想激磁电流波形是一种前后沿陡峭的拟合电流。因励磁绕阻电感的存在使通电起始的电流滋长与关断过渡时间延滞，其转速与实用性受到限制。根据电磁过渡关系，提高励磁线圈供电压可减少电感电流滋长过渡时间，因此，采用高压电容放电、高低压、拟控电压方法缩短励磁绕组电感工作电流滋长过渡时间，并以电容高压充电方法缩短励磁绕组电感衰减电流回贮时间，使工作线圈电感贮存的电磁场衰减能量重新返回供电电容或电源之储电设备中而循环利用。

②磁滞与铁磁过渡时间的抑制

根据铁磁过渡关系式，铁芯中磁场的建立与衰减时间t_n＝1/n²·(d/π)²·μσ，其时间常数t₁＝(d/π)²·μσ(d为回流厚度，μ为导磁系数，σ为导电系数)，当t＝3.5t₁时可认为暂态实际结束。当采用厚度≤0.1mm薄片及电阻率大的铁芯材料时，其铁磁过渡时间一般远小于电感(电磁暂态)过渡时间。

③电势补偿

为进一步抑制或降低电励磁绕组中的运动感生反电动势，可在激磁铁芯回路导磁铁轭磁通高变部位附加设置辅助绕组或另设独立绕组以抵偿感生反电势方式反向串入励磁绕组回路，为励磁绕组的感生变化提供一种波动抵消而进一步降低，亦可以电压负反馈方式抵消或降低励磁绕组中这种感生反电动势的作用，以致励磁绕组的综合感生反电势最小。

④装置的启动

根据不同组构类型，既可通过磁极的自身偏极、形状极差、差极、变极、不等极或双体设计等方式，使磁极外缘相对于其中心线两侧的区块呈可使磁通发生偏移的不对称状结构以产生非对称的磁交链而产生起动转矩建立自启动能力或改善启动死点的问题，亦可由公用电源或电池电磁辅助启动，亦可采用外力起动。

⑤必要时，也可以多组链级方式组成机组，以降低启动能量输入与产生大的能量输出。

因此，该类电磁能量产生装置，通过不同相关辅助技术将显著提高装置性能及实用性。

3本类装置优越性及有益效果

经检索查询，国内外现有各类文献资料中尚未见有该种装置的公开报导与使用，以及该种装置的说明，故此应属机电能源领域的一项新型实用装置。因该类装置基于现行制造技术，以普通电磁材料及元器件为基础，具有工艺简单、技术成熟、成本较低，易于制造的特点，是现有技术中可有效产生机电能量输出的一种理想装置，因其具有绿色环保、安全可靠、使用方便、用途广泛等特点，其不同种类将会在工农业生产、交通运输、日常生活、航宇空间等方面得到广泛应用，如制成发电机组、功率链机、分布电源等，将能够大量减少现有能源消耗，改善生态环境，成为一种用之不竭的能源动力。

附图说明

图1其工作系统模块示意图

图中：1-电源，2-逆变与整流，3-驱动与控制，4-转子位置感测，5-电感能量反馈，6电磁设备本体，7-组合的发电机，8-动能或电能输出，9-发电能量回输。系统由虚线左侧的电子驱动控制部分与右侧的电磁动力发电设备本体组成。

图2a与图2b为一种开关磁阻电磁动机本体结构平面与切面示意图

图中1-电机转轴，2-电机前端盖，3-转子铁芯，4-定子铁芯，5-电机外壳，6-定子励磁绕组，7-电机后端盖，8-位置编码器，9-电子驱动控制器，10-后外罩。

图3a与图3b为一种定转子双励电磁动机本体结构正视与切面图

图中1-电机转轴，2-电机前端盖，3-转子铁芯，4-定子铁芯，5-电机外壳，6-定子励磁绕组，7-电机后端盖，8-位置编码器，9-电子驱动控制器，10-后外罩，11-转子励磁绕组，12-转子绕组供电刷。

图4a与图4b为一种永磁共转子电磁动发电复合机本体结构平面与切面图

图中1-电机外壳，2-电机上端盖，3-电机中心转轴，4-转子铝合金轮毂，5-转子铁芯，6-转子外磁体，7-转子内磁体，8-发电定子铁芯，9-绕组支架，10-发电绕组，11-定子激磁铁芯，12-定子激磁绕组，13-位置检测，14-转子启动铁芯，15-定子启动绕组，16-外壳体上的通风孔，17-轮辐上的自扇冷却孔。

具体实施方式

本类工作机即以电激铁芯磁饱和为其基本工作状态，所述装置除工作状态与传统电机不同外，在装置方法、结构特征、运行过程、能量传递与电磁功率计算等方面基本相同。既可在其基本类型的基础上通过复合或以不同励磁方式而变为不同种类，本说明书中业已充分阐明。因其基本结构与原理仍相似，或仅是其工作方式或组构略有不同，在本具体实施方案中予以选例说明。下面结合具体实施例以附图2、3、4对不同机型予以详细描述说明，以便对本类装置组构与方法的充分公开和补充。

例1：一种开关磁阻电磁动机

作为一种结构简单的机型，本体电磁作用部分仅由定子电励铁芯极与其相对转子上的铁芯作用极组成，定子激磁极通电后对转子铁芯极的电磁吸引而运转，是现代电力电子和微电控制技术的应用，它的特点是结构简单，运行可靠，成本低廉，体积紧凑。

该工作系统由磁阻电机本体和电子驱动控制两大部分组成，驱动控制与能量反馈部分为公知技术，这里从略。下面即对其工作机予以说明。

1.磁阻电磁动机本体结构

图2a与2b所示为本发明例1所述一种磁阻电磁动机本体部分结构示意和横切剖视图，结构与现有铁磁相吸运转方式的开关磁阻电机、步进电机等基本相同。其本体具有安装在固定支承部上的定子铁芯(4)和定子励磁绕组(6)，与装在支架上的转子铁芯(3)两端通过支承部轴承支撑着自由旋转的电机转轴(1)组成刚性相连可一起旋转的共转子体。定子与转子呈8/6极凸极大极面结构，极面外缘宽，在换极处转子磁移交换磁通，保持定子激磁磁导通路。对应励磁定子极内缘与转子外缘形成有一定的气隙长度，在覆盖定子和转子的外部装有薄钢板冲压引伸而成具有加强筋的电机外壳(5)与其前端盖(2)和后端盖(7)，后外罩(10)内安置位置编码器(8)和电子驱动控制器(9)。

定子电枢与转子励磁铁芯采用厚度＜0.2mm无取向高磁饱高磁导低饱和磁场低矩比低损耗(高电阻以减少涡流损耗，零矩比磁回线小以减少磁滞剩磁对衰减能量的损耗)磁饱和拐点明显的铁基非晶、微晶或超导磁铁镍合金电磁薄片材料制作。

为了尽量降低激磁强度要求，亦减小磁气隙，利用定转子间铁芯的导磁作用，采用定转子大极靴以降低运转磁阻易激磁于磁饱和。

2.电子驱动控制电路部分

装置驱动控制部分的电路包括电源、电压变换与整流滤波、驱动与自动控制、转子位置感测、电感能量反馈等几部分。在PWM开关电源电路的输入端常以大电容的方式实现大电流供给。由于高磁导率铁芯与其激磁至磁饱和的线圈绕匝较多，通常励磁线圈的电感亦较大，本例采用高压斩波拟流单极性电子臂驱动，电感衰减能量反馈采用电容高压回贮方式。本电路的驱动原理是由电源所提供的电能转换为不同的直流电压后供驱动控制等部分使用。在一定转角位由位置编码器(8)输出位置控制信号，电子驱动器根据传感器测取的转子铁芯相对于定子励磁极的位置分相分别向定子电枢励磁绕组通入一定相序的可控激磁电流，供电相随转子旋转位置而呈间歇周期性变化，转子铁芯极受励磁定子电磁吸引而旋转，通过转轴向外输出机械功率。其工作过程以下仅予以大致说明。

其基本工作过程是：

当转子铁芯极旋转达某相序两极中点位置时，位置编码器输出控制信号驱动功率电路的开关管导通，上述高压贮能电容C和供电源向作为电源负载的定子相励磁绕组线圈高低压恒流斩波供电，以满足绕组电感电流滋长与作用过程中对电压的要求，激磁线圈的电流在电感阻滞下呈指数上升，工作电流按其相位置设定值维持斩波励磁电流拟流供电，激磁线圈电流的磁化场使定子铁芯磁化并维持运行在磁饱和状态而使两铁磁极间磁相互吸引而驱动转子旋转，过程中通过取样反馈控制电流按激磁铁芯磁饱和要求拟合电流大小，以降低输入电功率，提高效益。

当转子相旋转达两极所设最近位置时传感器输出控制信号驱动开关管关闭切断定子相励磁线圈电流，激磁绕组电感衰减电流通过开关管并联的续流二极管向高压储能电容C反馈回贮电感衰减能量转化为电位能，因有大的关断时间间隔，可从容反馈回流电感衰减能量，为下一供电相励磁线圈电感的滋长提供电磁能。

上述步骤的重复进行，每相绕组依次通入电流驱动转子不断位移而运转，控制开关依次循序逻辑运行而驱动，通过转轴向外输出动力。

在实际装置的试制中，除结构参数与材料选择外，电源效率与电感衰减能量反馈等也是影响装置效益比的另一重要因素。采用功能检测方法，以控制供电导通时间与状态控制，实现电机的稳定运行。其过流、过压、自动相位控制等功能均为共知技术，在此不予赘述。

例2：一种定转子双励电磁动机

其本体结构与现有同步电机类基本相似，相互作用的定转子极之齿槽通电时同相双励磁至磁饱和而相互作用，其驱动电路与上例有所不同。

1.双励电磁动机本体结构

图3a与3b所示为本发明例2所述一种定转子双励电磁动机本体部分结构示意和横切剖视图，结构与现有同步、异步电机基本相同，其本体具有安装在固定支承部上采用整体结构的定子铁芯(4)和励磁绕组(6)，装在转子支架上的转子铁芯(3)和转子励磁绕组(11)，与两端通过支承部轴承支撑可自由旋转的转轴(1)组成刚性相连可一起旋转的共转子体。定子与转子呈隐极结构，对应定子极内缘与转子外缘形成有一定的气隙长度，后外罩(10)内在转轴端设置有转子绕组供电刷(12)，位置编码器(8)和电子驱动控制板(9)。在覆盖定子和转子的外部装有金属板冲压引伸而成具有加强筋的电机外壳(5)与其前端盖(2)和后端盖(7)。在覆盖定子和转子的外壳支架及转子与定子端面开有散热孔和设置有散热部件，在转子内形成流动换热。

定子电枢与转子励磁铁芯采用厚度≤0.1mm无取向高磁饱高磁导低饱和磁场低矩比低损耗(高电阻以减少涡流损耗，零矩比磁回线小以减少磁滞剩磁对衰减能量的损耗)磁饱和拐点明显的铁基非晶、微晶或超导磁铁镍合金电磁薄片材料制作。

定子与转子铁芯同相以分布式或集中式绕制励磁绕组。

2.电子驱动控制电路部分

装置驱动控制部分的电路包括电源、电压变换与整流滤波、驱动与微电控制、转子位置感测、电感能量反馈等几部分。采用高压斩波恒流双励磁双极性电子桥驱动，电感能量反馈采用电容高压充贮方式。本电路的驱动原理是由电源所提供的电能转换为不同的直流电压后供驱动控制等部分使用。在一定角度由位置感测器件(8)输出位置控制信号，电子驱动器根据传感器测取的转子铁芯励磁极相对于定子激磁铁芯极的位置向定子电枢与转子电枢励磁绕组按一定相序通入不同方向的激磁电流，其电流方向随转子旋转位置而呈间歇周期性变化，转子励磁极受定子电磁极吸引和排斥而驱动旋转，通过转轴向外输出机械功率。其工作过程以下仅予以大致说明。

其基本工作过程是：

当转子铁磁吸引旋转达两极最近点a₁位置时，位置编码器按一定相序输出控制信号驱动功率电路的开关管导通向作为电源负载的定子和转子励磁绕组线圈直流高低压斩波拟流供电，以满足绕组电感电流滋长与作用过程中对电压的要求，供电中激磁线圈的电流在电感阻滞下呈指数上升并达工作电流设定值斩波拟流供电，激磁线圈电流的磁化场使定子与转子铁芯极磁化并维持磁饱和的电磁相互作用状态，定转子两铁磁极间磁相互作用驱动转子发生位移转动，过程中通过取样反馈控制电流按激磁铁芯磁饱和要求，拟合电流大小，以降低输入电功率，提高装置效益。

当旋转达所设转子位置时传感器输出信号控制驱动开关管关闭切断定子与转子励磁线圈电流，激磁绕组电感衰减电流通过与开关管并联的单向导电续流二极管向上述高压储能电容回储电感衰减放电转化为电位能，为下一供电过程励磁线圈电感的滋长提供电磁能。

在实际装置的试制中，除结构参数与材料选择外，电源效率与电感衰减能量反馈等也是影响装置效益比的另一重要因素。采用功能检测方法，以控制供电导通时间与状态控制，实现电机的稳定运行。其过流、过压、自动相位控制等功能均为共知技术，在此不予赘述。

例3：一种永磁共转子电磁动发电复合机

作为一种小型电源，通常的应用状态特别是在室内，要求结构紧凑体积小噪声低，故采用一体化结构可达这种使用效果。下面即对一种短轴立式永磁共转子型电磁动发电复合工作机予以说明。

该工作系统由磁动发电机本体和电子驱动控制器两大部分组成，本体结构见示意图6a、6b。电子驱动控制器与能量反馈部分为公知技术，这里从略。

1.电磁动发电复合机本体结构

图4a与图4b所示即为本发明例4所述一种短轴立式永磁共转子电磁动与发电两者复合组构的电磁发电机本体结构示意图，其构形采用立式短轴上单臂筒杯形双支承飞轮共转子体结构，其转枢外圈与外侧定子电枢构成发电主体，转枢内圈与内置星形凸极式激磁电枢定子构成电激磁动主体。其本体具有安装在固定支承部上的发电定子铁芯(8)和励磁定子铁芯(11)，发电定子铁芯内侧工程塑料支架(9)上设有不同用途的发电线圈绕组(10)；励磁定子体的铁心采用不等截面结构，该铁心包括励磁段和导磁段，其中励磁段铁心的截面积或磁通面积小于导磁段铁心的截面积或磁通面积，铁心周边呈放射状延伸有数个末端设有励磁极的工作在磁饱和区的延伸部，外缘形成对应转子铁轭内侧弧径的外凸极缘，且于各延伸部励磁段上缠绕有励磁线圈绕组(12)，励磁绕组采用高压恒流驱动方式；轴心枢设于上述励磁定子轭体中央空间，同轴两端通过支承部上下轴承支撑着可自由旋转的转轴(3)，所述转轴上同轴固定套接有有底圆筒状转枢体的转毂和轮辐支架(4)和夹于内外两定子空间中其内外圆表面与定子铁心表面相对的转轭铁芯(5)，沿转轭铁芯内外圆周表面上固定有多极永磁体(7)和(6)，转辋下壁设置有位置感测器(13)，沿边部上下连接紧固孔由螺栓将转子碟形铝合金转辐支架、转轭辋体、环形铁轭、相位感测器盘相连紧固在一起成毂辋复合体，和多极永磁体构成与转轴刚性相连可一起旋转的共转枢体，其励磁定子铁芯(11)极缘和发电定子绕组支架(9)外缘与转枢永久磁铁(6)、(7)间保持有一定的气隙长度。

启动电机定子绕组(15)内置嵌合在励磁电枢定子铁芯内圈并被固定在底盘上，起动后自动断开。起动转子铁心(14)则刚性相连套合于上述复合转枢的转轴上并与之一起旋转。

在覆盖定子和转子的外部装有金属薄板冲压引伸而成具有加强筋的碗形外壳(1)与上下端盖(2)，并起转轴支承作用。使外壳体、定子部分和永磁飞轮共转子体组构在一起形成有机连接整体。其壳体上下端面处开有多条能使冷却风流通的通风通气孔(16)。电机本体采用自扇冷却方式，在转子轮辐上一体地设置多个呈放射状延伸的自扇通风冷却的槽孔(17)，这种结构既有利于飞轮平稳运行，减少振动，利于通风散热，又避免转子支承刚性下降，同时能使工作机整体轴向长度设定得较短，结构紧凑。

所述磁动发电机的发电定子非金属结构绝缘槽内嵌有2个以上且各自独立用于不同目的向内回输充电与向外输出电力多套复合功能绕组线圈，它们在电机机械上、电气上独立结构的绕组群，因而能容易确保绝缘，互不干扰。其中有一个绕组群进行再生，将其变换整流后与外接电源或蓄电池连接用于回输充电。另许绕组可进行控制作用和向外输出电能。

这种复合机结构中所述共转子内外两层磁钢的极性是相对的，发电磁体和磁动磁体磁通共用转子铁心磁路形成内外层磁体两极之间的两个磁路独立的双层磁转子结构，在磁铁两极之间的铁轭截面的大小必须保证全磁通量时，而不会出现磁饱和。

内电枢励磁铁芯采用厚度≤0.1mm无取向高磁饱高磁导低饱和磁场低矩比低损耗(高电阻以减少涡流损耗，零矩比磁回线小以减少磁滞剩磁对衰减能量的损耗)磁饱和拐点明显的铁基非晶、微晶或超导磁铁镍合金电磁薄片材料制作。

感生反电动势辅助抵消绕组设置在激磁铁芯导磁铁轭段磁通高变部位，反向串入励磁绕组回路以辅助抵偿绕组感生反电势，利用这种辅助绕组为定子激磁绕组的感生电势提供一种波动抵消，使定子激磁绕组中的感生反电势进一步降低，因其匝数较少，对电磁滋长和铁芯饱和磁通处的扰动较小，对输出功率的影响也较小。

2.电子驱动控制电路部分

装置驱动控制部分的电路包括电源、电压变换与整流滤波、驱动与微电控制、转子位置感测、电感能量反馈与发电能量回输等几部分，电感能量反馈采用电容高压充贮方式，供电采用高压恒流双极性电子桥驱动。因电子驱动控制电路在现有各种无刷电机的驱动控制中被广泛应用，均为已有共知技术，其成品在市场上既可购得，在此不予以详细表述，仅对过程要求予以大致说明。

本电路的驱动原理是：由电源所提供的电能转换为不同的直流电压后供驱动控制等部分使用。飞轮每旋转一定角度由位置感测器件(13)输出位置控制信号，电子驱动器根据传感器测取的转子磁极相对于激磁定子铁芯极的位置向电枢激磁绕组按一定相序通入不同方向的激磁电流而转换过极，通电方向随转子旋转位置而呈间歇周期性变化，则转子磁极因受到激磁定子电磁极的吸引和排斥力矩而驱动旋转，同时外侧的发电机绕组向外输出电功率。

其基本工作过程是：

当转子铁磁吸引旋转达两极最近点a₁位置时，位置编码器按一定相序输出控制信号驱动功率电路的开关管S₁、S₃导通向作为电源负载的定子励磁绕组直流高低压斩波恒流供电，以满足绕组电感电流滋长与作用过程中对电压的要求，激磁线圈的电流在电感阻滞下呈指数上升并达工作电流设定值，激磁线圈电流的磁化场使定子铁芯极磁化并维持磁饱和的电磁铁状态，转子与定子两铁磁极间相互排斥发生位移转动，过程中通过取样反馈PWM调制控制电流保持稳定工作状态。

当转子旋转达所设位置时传感器输出信号控制驱动开关管S₁、S₃关闭切断定子励磁线圈电流，激磁绕组电感衰减电流通过与开关管并联的单向导电的续流二极管向上述高压储能电容回贮电感衰减放电转化为电位能，因有大的关断时间间隔，可从容反馈回流电感衰减能量。

此后转子受前极铁磁相吸继续转动至相吸低点位置a₂时，位置编码器按相序输出控制信号驱动电子桥另臂开关管S₂、S₄导通，开始与上周期相同而供电极性不同的激磁线圈的供电过程，在这一供电过程，高压储能电容中的电能将重新进入供电线圈而转化成电感电磁能。

当运转达所设转子位置时传感器输出信号控制驱动开关管S₂、S₄关闭，此时绕组电感电流通过与开关管并联续流二极管重新向储能电容器充电，二极管的单向导电性阻止回流。此时一个循序换流过程完毕。

此过程的重复循环，转子不断被驱动而得到连续转动。

在实际装置的试制中，除结构参数与材料选择外，电源效率与电感衰减能量反馈等也是提高装置效益比的另一重要因素。

Claims (10)

1.一种电磁运动能量产生装置，装置系统由电磁机械本体和电流驱动控制部分所组成，其基本特征是：在电磁设备本体结构的定子基体具有多个延伸部的磁极单元与设置于各磁极单元区域外部周壁缠绕有若干可使电流通过产生激磁作用的励磁线圈组成的电枢体，和在其电枢体内侧或外侧铁磁极缘表面相隔一定距离留有气隙与其构成磁力作用的装设有铁磁极齿或可使电流通过产生激磁作用的电励铁磁线圈绕组单元或由若干不同排列的永磁体组构的电磁转枢组合体，及使两者保持相对位置相连的支承机架与控制部件，所述转枢轴支承可以是机械的或磁悬浮或气浮等不同方式或其组合，电磁驱动控制部分包括对电磁设备本体工作磁极相互位置状态进行感测的位相传感、馈电驱动、绕组电感能量反馈、运行状态控制以及电源变换电路所组构，以旋转或旋线或移动或振荡微动方式将磁力转换为动力输出；装置的运行是在定子与转子高磁导高磁饱和铁芯工作极上所设励磁绕组的电流激磁作用，在电磁运转的一定相位区间，使线圈工作区域铁芯电激饱和磁化产生大的电磁作用力相吸与或相斥而推移转动，是以电激铁芯磁饱和而达抑制或减小其激磁铁芯绕组在运移磁场中的感生反电动势与抗磁阻力。 

2.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：所述工作铁芯为铁磁合金或金属的不同种类材料以晶态、非晶态、微晶态的不同薄片或微粉所组构，本类装置不仅利用其具有较大的磁化作用，更重要的是利用其非线性磁化存在磁饱和这一特征，不论哪种类型或组构，采用高磁导率高磁饱和低剩磁低损耗磁饱和特征明显的材料为工作铁芯有利于减少励磁绕组安匝而减小输入功率，选用饱和磁场与矫顽磁场小、磁致伸缩率低、电阻率高的铁磁材料及减小磁气隙提高铁芯回路磁导率可减小励磁安匝而降低激磁强度要求。 

3.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：其基本工作状态是铁芯激磁磁饱和，所述工作铁芯磁饱和是指维持具有这个状态特征的一个区域范围，以致其工作过程的综合电磁作用能/反电动势褪电能的比最大为其优化选择。 

4.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：包括可设于磁回路不同位置的工作在磁饱和区的激磁铁芯截面积或饱和磁感小于导磁铁芯体的不等截面或磁感连接体，可将其中配置有励磁线圈部分的软磁铁芯或齿，替代性或补充性地由相对于普通软磁材料具有更有利可磁化性和剩磁更少性能更好的铁磁材料经一种合适的分段方式由不同材料来制造成组成体。 

5.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：由工作铁芯、导磁铁轭与磁气隙所组成的回路铁芯可为环形或多边形且铁芯的极可为多数，工作极可以凸极、隐极、齿状、爪状或复合磁极，以有隙磁传导、磁耦合方式组成旋转电枢而相互作用，磁极方向可轴向或径向或平行以及混合方式布置，而构成工作磁极的励磁绕组可以设置在定子、转子或定子与转子铁芯上的不同区段，组成内电枢或外电枢。 

6.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：磁极可为电磁、永磁、超导磁或复合方式设置，或以抵消永磁体磁通方式形成作用磁极，极性可交替分布，亦可呈双体结构、磁通平衡过极，以电磁代替永磁、定子与转子双向电励磁、全区、全程电磁作用方式可提高单体功率密度，虽其工作方式可多种不同，或其功能用途及结构方式、控制特征方面有 所差异，由于其激磁铁芯基本工作状态与特征相同，本技术方案能够完全覆盖所述内容。 

7.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：为进一步抑制或降低电励磁绕组中的运动感生反电动势，可在激磁铁芯回路导磁铁轭磁通高变部位附加设置辅助绕组或另设独立绕组以抵偿感生反电势方式反向串入励磁绕组回路，为励磁绕组的感生变化提供一种波动抵消而进一步降低，亦可以电压负反馈方式抵消或降低励磁绕组中这种感生反电动势的作用，以致励磁绕组的综合感生反电势最小。 

8.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：采用高压电容、高低压、拟控电压方法缩短励磁绕组电感电流滋长与衰减回贮过渡时间。 

9.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：励磁线圈铁芯磁饱和激磁电流为可控直流电，以微电程控调制或数控拟合回路磁阻与感生反电势作用下的激磁电流大小以减少输入电能损耗而经济运行。 

10.权利要求1所述电磁运动能量产生装置，其特征在于：把该类装置与发电机以不同方式组合或直接复合成一个工作系统，亦可以多组链级方式形成复合能量机组。 

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