CN1167547A - 发电电动机 - Google Patents

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Abstract

发电电动机1其能量效率优异，能将在较长时间周期内产生电能，电机包括永久磁体转子2，与转子2同轴放置的电枢11及它们间的空气隙，合适数量的带有磁场线圈12的磁场铁芯13，和无刷控制电路，其特征在于一高BHmax永久磁体8放置在转子2的每一磁极5的底部，且产生电能的感应线圈15放置在电枢11的磁场线圈12旁边。

Description

发电电动机
本发明涉及一种发电电动机，它具有良好的能量效率。
电动机一般表现为将电能转换为机械能，由于电磁损耗，比如铁芯中的磁滞和涡流电流产生的所谓铁芯损耗，以及摩擦及振动产生的机械损耗，使得转换效率不能更好。为保持电动机正常工作，需要连续提供足够的电能以补偿这些转换损耗。
迄今为止，已提出了提高转换效率的许多方法，例如，改进包括电元件的电路和磁元件的材料，以及消除或减少摩擦产生的损耗，然而仍未得到满意的结果。
根本原因之一是旋转电机如电动机或发电机所必需的永久磁体的特性的限制。
目前，具有最高磁能积BHmax(B＝磁通密度，H＝矫顽磁力)的磁性材料为钕铁磁(Nd-Fe-B)，其BHmax值为36MGOe量级。然而，这种材料具有低居里点和较差的磁通密度温度特性。它在矫顽磁力较低时是无益的，如图1中去磁效应曲线A所示，其磁通密度随磁场强度增加而按比例减小。使用这种材料得不到足够的转换效率。
如果BHmax值较高且磁导系数大，这本质上表明存在大量能量可转换为电能或机械能。因此，如果某材料具有高BHmax值和大磁导系数，则其磁化更为困难，而且相当数量的能量将在磁化中消耗掉，因此，可以认为具有高BHmax值和大磁导系数的磁体自身拥有相应于为其磁化所需的大量磁能。
因此，积聚在上面所述的磁性材料中的磁能如能有效地加以利用，具有很高的能量效率的电动机或发电电动机是可以实现的。这样，实现一种利用较少的能量输入，通过再发电获得长期驱动的发电电动机就不只是梦想，如果能够得到具有高BHmax值和大磁导系数(下文简写为“高BHmax永久磁体”)的永久磁体的话。然而，这种磁性材料还没有发现。
本发明目的是提供一种效率很高的发电电动机，该电机在其转子的永久磁体部分使用了高BHmax永久磁体，它能非常有效地产生电能。
特别是，本发明目的在于提供一种发电电动机，该电机只需起始能量输入即可长时间持续自运行，且能实现有效的电能存储。该机使用特殊的永久磁体，该磁体具有至少50MGOe的BHmax值，大于100MGOe更好，和1.0到4.0的磁导系数，2.5到3.5更好，该磁体以双重结构形式得到，例如内层为Co-Fe-Y磁体，外层为Fe-Nd-B磁体。利用本发明，还可考虑从上述的电机中省掉感应线圈来产生需要较低能耗的电机。
这样，利用本发明设想提供一产生电能效率很高的发电电动机，由以下部分构成，一永久磁体转子，与转子同轴放置的电枢及位于其间的空气隙，带有磁场线圈的适当数量的磁场铁芯；一无刷控制电路，通过利用上述的高BHmax永久磁铁，其特征在于，在转子的每一磁极放置这种高BHmax永久磁体，使得其沿转子的轴向延伸，用于发电的感应线圈与转子的磁场线圈放置在一起。
图1是一般磁材料的去磁曲线。
图2是说明按照本发明的高BHmax永久磁体的去磁曲线。
图3说明本发明的发电电动机的实施例的轴向剖面图。
图4为图3所示的电机转子的透视图。
图5为图4转子的部分放大前视图。
图6说明本发明电机中无刷控制电路的实施例。
图7说明无刷控制电路的实施例。
图8为与可变电容器并联的感应线圈的接线图。
图9说明电机效率和转子转速间的关系。其中包括感应线圈电路失谐(实线)或利用可变电容器谐振于800r.p.m的转子转速(虚线)两种情况时的关系曲线。
在本发明的发电电动机中，永久磁体转子由多层铁芯构成，该铁芯由旋转轴和安装在其上的磁性材料组成。这里，磁性材料可以具有通常范围内的BHmax值。转子的磁极数目没有特别限定，可以是2、4或6磁极形式。
转子设计为圆柱形，其整个周边为均匀的精确的曲线，而转子设计为每一磁极以脊状凸出更好。在此脊状磁级的底部内，具有沿转子轴向伸展的切开的沟槽，用于放置相应形状的高BHmax永久磁体。
在本发明的上文中，高BHmax永久磁体应该有大于50MGOe的BHmax值，大于100MGOe更好，1.0到4.0的磁导系数，2.5到3.5更好。
满足上述条件的磁体是可实现的，如前所述，通过内层Co-Fe-Y磁体结合外层Fe-Nd-B磁体即可实现。而其他磁体组合也是可以的，只要满足上述条件。
因此，本发明电机其特征在于，把高BHmax永久磁体作为转子铁芯的一部分而不影响电机效率。
高BHmax永久磁铁的极性与脊状磁极的极性相一致。虽然高BHmax磁体的形状没有限定，但采用平面形状更好。这里，更好的是将平面高BHmax磁体放在脊状转子磁极底部，磁体在已切开空槽内扩展以覆盖整个脊状宽度，脊状磁极只有很少剩余未切部分或已切开空槽每边末端的边缘。磁极的外周边为统一的弧表面形状，将一边的某一部分切为平表面就更好。
围绕转子的脊状磁极，固定电枢有带有磁场线圈的适当数量的磁场芯，并与转子同轴放置，它们之间有一空气隙。更好的是，每一磁场铁芯平行于转子轴有一已切开贯通空槽，以放置高BHmax永久磁铁。
本发明的发电电动机有一无刷控制电路。对于无刷电路，含有不用电刷的控制机构，这里，磁阻元件(MR element)、霍尔元件(Hall-element)、线路开关、磁二极管，磁晶体管等等都可作为磁传感器，其输出用于控制磁场线圈的激励使得转子旋转。
本发明电机的特征在于，利用高BHmax永久磁体可得到更多的能量产生，其中一部分作为电能取出。为此，取出电能的感应线圈与电枢的磁场线圈安置在一起。将感应线圈尽可能靠近磁场线圈会更好一些。
如果省掉安装感应线圈，可用作普通的电动机。
最好将感应线圈与电容器并联，使得线圈电路调谐于较低转子转速所产生电流的频率，该速率如500-800r.p.m，借以甚至在较低转速下仍可有效产生电能。
本发明的电机按以下方式工作：转子的自发磁级通过激励磁场线圈被吸引到处于某一位置的磁场线圈，因此，磁场铁芯利用磁传感器探测到转子的磁极通过时，其输出信号用来供给控制电路以激励下一磁场线圈，同时使前一磁场线圈断电。通过重复这一系列操作，转子转动且机械能从其转动轴产生。
由于用于产生电能的感应线圈放置在电枢的每一磁场线圈附近，当转子磁极通过感应线圈时，感应电流便在线圈中产生，该电流可以作为电能取出。
高BHmax永久磁体具有至少50MGOe的BHmax值，高于100MGOe更好，该磁体安装于转子的每一磁极上。其磁通密度是如此之高以致于由通过感应线圈的磁通量产生的感应能量是非常大的，因此，一旦提供了起动功率，转子便继续由感应线圈取出的并存储于磁体上的电能驱动。
下面，将结合附加图表通过实施例方式对本发明的发电电动机进行更详细的说明。
参阅图3，本发明的发电电动机包括一个外壳1和由转轴3和铁芯4组成的转子2。铁芯4包括一永久磁体，其磁极形状为脊状5，其外周边为弧表面6和平表面7。
平板状的高BHmax永久磁体8***到切开的空槽9内，该空槽在转子2铁芯的每一脊状5的底部内轴向延伸。此高BHmax永久磁体的BHmax值为144.7MGOe且磁导系数为3，双重结构由Co-Fe-Y内层磁体和Fe-Nd-B外层磁体组成。
切成的空槽9放置平板状永久磁体8，空槽几乎占去整个脊状5宽度，在每边末端只有很小的未切边缘。
电枢11包含适当数量的磁场铁芯13，每一磁场铁芯带有一磁场线圈12，电枢与转子2同轴放置。在每一磁场铁芯13中，一平板状高BHmax永久磁体14被***放置，就象在转子的铁芯4中一样。
感应线圈15安放在每一磁场线圈12旁边，靠转子2的旋转激励。
图6和图7分别说明了无刷控制电路的机械结构和电路图，其中12a到12h的每一磁场线圈带有HG1到HG8的磁阻(MR)元件。
如果转子的磁极N1处于图6所示位置，霍尔元件HG1将产生一输出信号，该信号使晶体管Tr1的基极电位降低以激励磁场线圈12a，又使得铁芯13a作为S极来吸引转子2的磁极N1并使其旋转到和场线圈12a相对的位置。这里，晶体管TR1的基极电位随着磁场线圈12a激励电流的消失而减消，其电流消失是由磁场线圈12a离开了磁级N1而造成的，借此磁场铁芯13朝着磁极N1方向变成无作用的。当磁极N1到达对着磁场线圈12a的霍尔元件HG2位置时，霍尔元件HG2给出一电信号，驱动晶体管Tγ2激励磁场线圈12b，使得铁芯13作为S极吸引转子2的磁极N1使之进一步转动。转子2的磁极N2也进行同样的动作。
这样，通过将霍尔元件HG安置在由转子2的磁极N可接近的位置，位于转子转动方向下一位置的磁场线圈，若假定相应铁芯为S极，可由转子转动来相继地被激励，借以不用电刷使转子转动。
此外，感应线圈15放置在电枢11的磁场线圈12的旁边，由转子2的旋转来激励并产生电能。
图8说明一可变电容器16通过与感应线圈15并联接入到场线圈电路中。
图9说明电机效率和转子转速间的关系，当磁场线圈电路在转子2转速为800r.p.m左右谐振于感应电流频率时，其中虚线表示没有电容16的情况，而实线表示接入调谐电容16的情况。
根据利用上述发电电动机所做的实验，只对电机供给启动功率，电机驱动和电能存储意外地持续了一个月的时间。

Claims (13)

1.一种发电电动机，包括一永久磁体转子；与转子同轴放置的电枢以及它们间的空气隙，还包括合适数量的带有磁场线圈的磁场铁芯，一无刷控制电路，还包括电机转子的每一磁极内装有高BHmax永久磁体，但用于发电的感应线圈安装在电枢的每一磁场线圈旁边。
2.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，转子的每一磁极成脊状，高BHmax永久磁体放置在每一脊状磁极的底部切开的空槽中，空槽几乎占据脊状的整个宽度，在每边末端只有很小的空槽未切割边缘。
3.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，转子的每一磁极为脊状形，其外周边有弧形表面和平面部分。
4.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，高BHmax永久磁体为平板状。
5.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，它还包括高BHmax永久磁体的BHmax值至少为50MGOe。
6.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，高BHmax永久磁体的BHmax值至少为100MGOe。
7.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，高BHmax永久磁体的磁导系数为1.0到4.0。
8.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，高BHmax永久磁体的磁导系数为2.5到3.5。
9.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，高BHmax永久磁体放置在电枢场芯内。
10.如权利要求1所述的发电电动机，其特征是，在使感应线圈电路在转子较低转速时调谐于感应电流频率的电容与感应线圈并联。
11.一种电动机，包括永久磁体转子，与转子同轴放置的电枢及它们间的空气隙，合适数量的带有磁场线圈的磁场铁芯，一无刷控制电路，所述电机转子的每一磁极内装有高BHmax永久磁体。
12.如权利要求11所述的电动机，其特征是，转子的每一磁极为脊状，高BHmax永久磁体放置在每一脊状的基本部分，即切好的凹槽中，以扩展到脊状的几乎整个宽度，在每个侧端部只有小的未切去的槽的边缘。
13.如权利要求11所述的发电电动机，其特征是，转子的每一磁极为脊状，其外周边有弧形面和平面部分。
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