CN102594083A

CN102594083A - 一种往复式永磁直线发电机

Info

Publication number: CN102594083A
Application number: CN2012100513802A
Authority: CN
Inventors: 张有权
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明旨在提供一种新的往复式永磁直线发电机，以期从根本上提高发电效率，包括动力传输杆、螺线管线圈绕组和永磁体，永磁体在螺线管线圈绕组中能够与螺线管线圈绕组沿轴向做往复相对运动；螺线管线圈绕组在轴向上分为多个相互独立的分绕组，多个分绕组的输出通过倒相-整流电路整合输出；每个分绕组的长度等于或小于永磁体的长度。本发明从根本上提高了往复式永磁直线发电机的发电效率，结构简明、实现成本较低，便于推广应用。

Description

一种往复式永磁直线发电机

技术领域

本发明涉及一种往复式永磁直线发电机。

背景技术

车辆在道路行驶产生的振动，船在海面航行海浪的冲击，及其他一些机械振动都是绿色能源；利用这类能量最直接有效的是往复式永磁直线发电机。但是尽管目前已出现了多种往复式永磁直线发电机设计，却都没有得到广泛应用，效率低是其主要原因。

在电磁感应现象的基础研究(如中学物理课本)中，有这么一个例子，把一个线框的一个边放进匀强磁场中，使其运动，线框产生电流；把这个边的对边放进匀强磁场中，使其运动，线框还产生电流。而把两个对边同时放进匀强磁场中，使其运动，而线框却不产生电流。对这一现象的传统解释是：穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中会产生感应电流；从而得出的结论：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，才有感应电流。

那么穿过电路的磁场不发生变化，电路真的不感应电流吗？实际上并非如此。从根本上看，只要导线在匀强磁场中做切割磁感线的运动，该导线就产生感应电流。一个线框的两个对边放进同一匀强磁场中，由于两个对边运动的方向，切割的磁力线的方向也一致，产生电流的方向也是一致的，而两个对边在同一方向上是连在一起的，这样就形成了两个方向完全相反的电流，反向电流相互抵消，所以就测不到电流。

假若把一个线框两对边分别放进两个磁力线方向完全相反的匀强磁场中使其运动，就能测到线框产生的电流。无独有偶，永磁体在螺线管内的运动也是反向电流相互抵消的例子，当螺线管的长度小于永磁体的长度，或者永磁体的运动幅度超出了螺线管的长度范围，螺线管因永磁体的运动正常产生电流。当螺线管的长度大于永磁体的长度，而且永磁体的运动幅度在螺线管的长度范围时，螺线管产生很小的电流，甚至不产生电流。原因在于，当螺线管的长度小于永磁体的长度时，螺线管只能切割永磁体一端的磁力线，产生一个方向的电流。而永磁体的运动幅度超出了螺线管的长度范围时，螺线管因永磁体的一个磁极超出其范围，另一个磁极的磁力线单独被切割而产生一个单向电流。而当永磁体的长度小于螺线管的长度，而且永磁体的运动幅度在螺线管的长度范围内时，螺线管同时切割永磁体的两个磁极，即N极和S极的磁力线，由于N极S极的磁力线方向相反，而在螺线管上产生两个方向完全相反的电流，两个反向电流相互抵消，因此就没有电流输出。

申请人总结得到：造成永磁直线发电机效率低的关键原因是反向电流的存在。

目前，本领域技术人员在设计各种往复式永磁直线发电机时，没有考虑到反向电流这一因素，而往往只是一味地增加磁场强度，这样做，也许能增加发电量，但在增加正向电流的同时也增加了反向电流，无法从根本上提高发电效率。

发明内容

本发明旨在提供一种新的往复式永磁直线发电机，以期从根本上提高发电效率。

为实现以上发明目的，本发明给出的基本技术方案如下：

一种往复式永磁直线发电机，包括动力传输杆、螺线管线圈绕组和永磁体，永磁体在螺线管线圈绕组中能够与螺线管线圈绕组沿轴向做往复相对运动；其特殊之处在于：螺线管线圈绕组在轴向上分为多个相互独立的分绕组，多个分绕组的输出通过倒相-整流电路整合输出；每个分绕组的长度等于或小于永磁体的长度(理论上可以接近于0)。每个分绕组的长度等于永磁体的长度时，产生的反向电流的比例较小，基本满足高效率的输出；随着其长度的减小，效率提高。

上述螺线管线圈绕组总长度大于或等于永磁体的行程(即永磁体完全在螺线管线圈绕组的范围内做往复运动)，可以保证机械做功能够得到完全转化。

假设磁中性区为永磁体两磁极之间的磁力线与永磁体长度方向的夹角小于30度的永磁体中部区域，则每个分绕组的长度等于或小于永磁体的磁中性区的长度。这样可以使效率理论上近似于100％。

上述的倒相-整流电路，具体可以采用：

将同时产生、且相位相反电流的两个分绕组反向串联，并在这两个分绕组的串联回路的总输出端接一个桥式整流电路；

或者每一个分绕组的输出端分别接一个桥式整流电路。

当然，倒相-整流电路也可以采用其他各种公知的可实现整流和倒相功能的电路形式(模拟电路、数字电路均可)。

上述整合输出是将各个桥式整流电路的输出端并联或串联输出，尤以串联效果更佳。

所有的分绕组在同一线圈骨架上绕制而成较好。

上述动力传输杆是与永磁体的一端刚性连接，这种以动力传输杆带动永磁体做往复运动的方式较适宜。

本发明具有以下技术效果：

1、从根本上提高了往复式永磁直线发电机的发电效率。

2、结构简明、实现成本较低，便于推广应用。

附图说明

图1：本发明原理示意图；

图2：传统永磁直线发电机螺线管线圈绕组示图；

图3：本发明螺线管线圈绕组第一种倒相-整流结构形式示意图；

图4：本发明螺线管线圈绕组第二种倒相-整流结构形式示意图；

图5：永磁体的磁中性区和磁极划分图。

附图标号说明：

1-线圈骨架，2-线圈绕组，3-永磁体，30-磁中性区，31-磁力线，4-动力传输杆，5-中心轴，6-发电机护壳，7-(两端的)护壳盖，8-桥式整流电路，9、10-反向串联接线，21、22、23、24-分绕组，a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2-分绕组输出接线端子。

具体实施方式

本发明采用两组或多组短螺线管线圈代替传统的长螺线管线圈，把这些短螺线管线圈组合在一起或依次绕在同一线圈骨架上，每组线圈的输出端接有倒相-整流电路。多个倒相-整流电路的输出端可以并联或串联。当永磁体在这样的线圈内运动时，两个磁极在同一线圈内运动的距离就会缩短，这样就会减少反向电流的产生，即产生的电流被反向抵消就少了，输出效率实现了质的提高。

当两个磁极分别在两组螺线管线圈内运动，两个螺线管线圈都产生电，由于两个磁极的磁力线方向相反，两个螺线管线圈产生的电流方向也相反，因此不能输送到同一电路，否则就会产生相互抵消。为了使同时产生电流的两组线圈产生的电流能同时输送到同一电路，本发明在线圈的输出端接有倒相-整流电路，分绕组产生的电流经倒相、整流后就可输送到同一电路输出。

关于倒相-整流电路，本发明给出以下两种具体形式。

一种是倒相、整流分别完成，即先把同时产生电流的两个分绕组反向串联，然后再将这两个分绕组的串联形成的输出端接一个桥式整流电路。另一种是倒相整流一次完成，即在每组绕组的输出端接一个桥式整流电路。

前一种方法好处是节省整流电路，缺点是要求两磁极进出两组绕圈时间要同步，否则，影响输出效率。而且，该方法适宜2组、4组螺线管线圈绕组的发电机。若超过4组，由于永磁体只有两个磁极，多组反向串联只能同时使两组线圈产生电流，而其余绕组由于不产生电流，就会成为产生电流线圈的负载，反而影响了输出效率。

后一种方法的好处是，由于每组螺线管线圈绕组接一个桥式整流电路，这样螺线管线圈绕组相互独立互不干扰，所以不要求磁极进出线圈同步。而且组数多时没有负载效应。缺点是组要的整流电路多。经倒相、整流的电流就可以输送到同一电路。

将所有的整流电路输出端并联或串联，可成为发电机总输出端。经试验，串联的输出效果优于并联。经实验，采用同样材料、直径以及绕线密度的线圈、同样的永磁体以及同等做功条件下，按照传统方式，发电电压为8-10V、电流为80-100μA，本发明产生的发电电压达到18-20V，电流150-200μA。

分绕组的长度有两个临界，一是分绕组的长度等于永磁体的长度，此临界值是纯反向电流和反向电流减少临界，另一个是分绕组的长度等于永磁体的磁中性区长度时，此临界值是单向电流与反相电流增加临界。在两个临界之间，即分绕组的长度由等于永磁体长度到等于永磁体的磁中性区长度，在这个范围内，随着分绕组的长度增加，反向电流增加，随着分绕组的长度减少，反向电流减少，当分绕组长度超过永磁体长度时，超出部分不产生单向电流，只产生反向电流。当每个螺线管(分绕组)长度减小到永磁体的磁中性区长度，螺线管不产生反向电流，效率能够达到90％(电路的电阻等损耗计算在内)，如果继续减小螺线管的长度，效率不发生改变，例如，永磁铁的磁中性区长10厘米，用一个9厘米的螺线管和9个1厘米螺线管，如果永磁体在这两个绕组中的往复运动(做功)相同，那么这两个绕组产生电量也近似相等。因此，每个螺线管的最佳长度可以是在大于0、等于或小于永磁体的磁中性区之间。

从图1可以看出，当永磁体向磁极S方向运动时，N极的磁力线先被螺线管线圈绕组21切割，S极的磁力线螺线管线圈绕组23切割，螺线管线圈绕组22处于磁中性区。螺线管线圈绕组21、23同时产生电流，因21、23产生的电流方向相反，不能输送到同一电路，否则21、23产生的电流就会相互抵消。因此要对21、23产生的电流进行倒相，由于21、23两线圈同时产生电流，即可以反向串联倒相，也可以桥式整流电路倒相。反向串联倒相，是把21、23两个绕组一个顺时缠绕，一个反时针缠绕。然后把两组的线头接在一起，线尾做为输出端。如绕组21的a1端与绕组23的c1端连结，那么，绕组21的a2与绕组23的c2就是绕组21、23的总输出端。在a2、c2端接一个桥式整流电路的输入端。由于前面采取了反向串联，21、23电流的反向达到一致，因此，桥式整流电路作用是把交变电流整成直流、和防止产生的电流在绕组间相互串流。如果用桥式整流电路倒相，就是在21的a1、a2端接一桥式整流电路，在23的c1、c2端接一个桥式整流电路。桥式整流电路把倒相、整流、防电流互串的功能一次完成。当永磁体继续向S极方向运动N极又被螺线管线圈绕组22切割，S极的磁力线被螺线管线圈绕组24切割，23处于永磁体的磁中性区。22、24产生的电流同样是相反电流，因此也就经过倒相、整流后输送总输出端。

假如永磁体继续向S极方向运动，可以在绕组24之外继续增加分绕组；这主要取决于永磁体的运动行程。对于这种分绕组超过四组以上的情况，如果采取第一种倒相-整流方式，可以构成多组反向串联(此时就不一定是相邻分绕组反向串联了)，只是，此时在永磁体的每一次往复运动周期内，将会有多余的绕组作为负载消耗电量，因负载效应而影响电流的输出效率。因此，对于这种分绕组超过四组以上的情况，最好采用第二种倒相-整流方式。

Claims

1.一种往复式永磁直线发电机，包括动力传输杆、螺线管线圈绕组和永磁体，永磁体在螺线管线圈绕组中能够与螺线管线圈绕组沿轴向做往复相对运动；其特征在于：螺线管线圈绕组在轴向上分为多个相互独立的分绕组，多个分绕组的输出通过倒相-整流电路整合输出；每个分绕组的长度等于或小于永磁体的长度。

2.根据权利要求1所述的往复式永磁直线发电机，其特征在于：螺线管线圈绕组总长度大于或等于永磁体的行程。

3.根据权利要求1所述的往复式永磁直线发电机，其特征在于：假设磁中性区为永磁体两磁极之间的磁力线与永磁体长度方向的夹角小于30度的永磁体中部区域，则每个分绕组的长度等于或小于永磁体的磁中性区的长度。

4.根据权利要求1至3任一所述的往复式永磁直线发电机，其特征在于，所述的倒相-整流电路采用：

或者每一个分绕组的输出端分别接一个桥式整流电路。

5.根据权利要求4所述的的往复式永磁直线发电机，其特征在于：所述整合输出是将各个桥式整流电路的输出端并联或串联输出。

6.根据权利要求4所述的的往复式永磁直线发电机，其特征在于：所有的分绕组是在同一线圈骨架上绕制而成，或者各个分绕组单独绕制后组合在一起。

7.根据权利要求4所述的的往复式永磁直线发电机，其特征在于：所述动力传输杆是与永磁体的一端刚性连接。