CN1272975A - 无负荷发电机 - Google Patents

Abstract

本发明的发电机具有:附着固定在以转轴3为旋转中心的两个轨道1、1′上的环状永久磁铁排列2、2′，与环状永久磁铁排列2、2′的外周面相距一定间隔附着固定的磁感应一次铁心4、4′，附着固定在上述磁感应一次铁心4、4′上并形成有两个耦合孔6、6′的磁感应二次铁心5、5′，分别***相互相对的上述磁感应二次铁心5、5′的相互对应的各两个耦合孔6、6′并耦合的3次铁心8、8′及感应绕组7、7′。环状永久磁铁排列2、2′其N极与S极交替地连续,并由沿轴向对应的磁体极性相反的成对的8组构成。

Description

无负荷发电机

技术领域

本发明涉及发电机，具体涉及能抵消或排除发电中转子承受的2次性反向负荷、使发电效率达到最大的无负荷发电机。

背景技术

发电机是将例如物理、化学或原子能等多种能源产生的机械能变换成电能的机器，近年来，虽然开发出了直线运动的发电机，但其大部分还是旋转式的发电机。无论发电机大小如何还是直流/交流发电机，共同的原理都是由电磁感应作用产生电动势的。

发电机必须有形成磁场用的永久磁铁或电磁铁这样的强磁体，以及产生电动势的导体，做成两者之中任一个以另一个为基准可旋转的结构。根据上述磁体及导体之中是哪一个进行旋转，可以分成使磁场旋转的旋转磁场型及导体旋转的旋转电枢型。

此外，虽然也可以使用永久磁铁产生磁场，但一般广泛使用的是在铁心上绕上励磁绕组并使其中通过直流电流的电磁铁。一般情况下，即使使用强磁体并提高旋转速度，但从一根导体产生的电动势也不会那么高，所以，一般采取的方式是在发电机中放入多根导体，并将各导体产生的电动势串联相加来获得大功率。

如上所述，普通发电机是使磁体(或永久磁铁)或导体(电磁铁、电磁感应绕组等)作机械旋转而发电的，此时，绕组中会流过因磁感应(电磁感应)而产生的反向电流，形成拉住转子的相反磁场，因此存在的缺点是，转子会受到达到其本身发电量的2倍以上的无用负荷。

图6所示为在如上所述旋转磁场型发电机中，如上所述那样的负荷作用于转子的状态的示意图。

如图6所示，在转轴106的周围，在其外周面配置N极与S极相互交替的永久磁铁排列104。在该永久磁铁排列104的再外圈并相隔一定间隔，配置有磁感应铁心100，在磁感应铁心100上卷绕有绕组102。

随着永久磁铁排列104的旋转，永久磁铁排列104在绕组102内产生的磁场发生变化，绕组102中流过感应电流。由于该感应电流导致绕组102产生磁场110，使永久磁铁排列104在妨碍其旋转方向上受到斥力的作用。

例如在图6所示的例子中，磁场110是在永久磁铁排列104侧为S极的磁场，但由于永久磁铁104的旋转，永久磁铁排列104的S极向着该绕组102靠近，因此，产生上述那样的斥力作用。

在发电机的磁感应铁心上所绕的电枢感应绕组中，如果流过反向电流，承受与转子的旋转力相反的负荷，感应绕组的电枢反向磁场的强度就与发电量成正比，会产生相当于瞬间使用量的2倍以上的负荷。

例如，使用100W的电时，形成200W以上的反向磁场，明显妨碍转子旋转运动的负荷量会作用于转子。

顺便提一下，历来，所有的发电机不仅承受机械性的一次负荷即未使用电时的负荷，而且，用电时，还承受与用电量成正比的2次性反向电流导致的负荷，受到高达瞬间使用量的2倍以上的负荷的作用。

这样的负荷量是传统的发电机发电效率低的主要原因之一，所以必须解决如上所述的问题。

本发明的目的在于，通过抵消发电机机械负荷之外的2次性负荷、也即因绕在磁感应铁心上的电枢感应绕组的反向电流产生的负荷，提供一种该2次性负荷完全不起作用的、可高效率发电的发电机。

本发明摘其要点是，一种无负荷发电机，具有转轴、第1环状磁体排列、第2环状磁体排列、第1多个第1磁感应一次铁心、第1多个第2磁感应一次铁心、第1感应绕组及第2感应绕组。

第1环状磁体排列是在以转轴为旋转中心的第1旋转轨道的外周上依次排列N极和S极。第2环状磁体排列是在以转轴为旋转中心并与第1旋转轨道有规定间隔的第2旋转轨道的外周上，依次排列极性与第1旋转轨道上的相对位置的极性相反的磁体。第1多个第1磁感应一次铁心相对第1环状磁体排列的第1外周面保持规定间隔，并沿第1外周面固定。第1多个第2磁感应一次铁心相对第2环状磁体排列的第2外周面保持规定间隔，并沿第2外周面固定。第1多个第1及第2耦合磁感应铁心在沿转轴方向相对的第1及第2磁感应一次铁心之间分别成对设置以组成闭合磁路。第1感应绕组分别卷绕在第1耦合磁感应铁心上。第2感应绕组分别卷绕在第2耦合磁感应铁心上，其卷绕方向与第1感应绕组相反。

理想的是，在本发明的无负荷发电机中，第1环状磁体排列含有沿第1旋转轨道的外周上配置的永久磁铁排列，第2环状磁体排列含有沿第2旋转轨道的外周上配置的永久磁铁排列。

此外理想的是，本发明的无负荷发电机还具有设于第1磁感应一次铁心的各外周上并有第1和第2耦合孔的第1多个第1磁感应二次铁心，以及设于第2磁感应一次铁心的各外周上并有第3和第4耦合孔的第1多个第2磁感应二次铁心，第1耦合磁感应铁心***第1和第3耦合孔，使第1和第2磁感应二次铁心耦合，第2耦合磁感应铁心***第2和第4耦合孔，使第1和第2磁感应二次铁心耦合。

或者，理想的是，在本发明的无负荷发电机中，沿绕转轴的旋转方向配置的第1多个第1感应绕组分别相互呈Z形连接，沿绕转轴的旋转方向配置的第1多个第2感应绕组分别相互呈Z形连接。

或者，理想的是，在本发明的无负荷发电机中，第1多个是8个，沿绕转轴的旋转方向配置的8个第1感应绕组分别相互呈Z形连接，沿绕转轴的旋转方向配置的8个第2感应绕组分别相互呈Z形连接。

因此，本发明主要优点是，将反方向卷绕在并列铁心上的两个感应绕组互相作用，使上述两个感应绕组中流动的反向电流(感应电流)所生成的反向磁场相互抵消，从而使妨碍转子旋转运动的2次性负荷完全不起作用，提供一种即使使发电机在最高速度运转的情况下，也不会承受比该情况未进行发电时的机械负荷即旋转负荷还要大的负荷的无负荷发电机。

本发明的其它优点在于，与传统发电机不同，转子旋转时不会发生反向电流产生的反向磁场，所以可排除1次性转子重量及转子力学能量之外的能量负荷，与传统发电方式相比，可提高发电量，可增加电力生产及提高经济效率。

附图的简单说明

图1为示出在本发明一实施例的旋转磁场型发电机中，永久磁铁和磁感应铁心及绕组的配置剖视图。

图2为示出本发明一实施例的永久磁铁转子的磁极排列及配置在其周围的一个磁感应绕组配置的概略局部示意图。

图3为示出本发明实施例的磁感应绕组和铁心的结构图。

图4为示出本发明无负荷发电的磁感应铁心及绕组部分的磁力线流向的放大平面图。

图5为围绕中心轴的展开图，示出在本发明的包围永久磁铁转子的第3次铁心上连接并卷绕有励磁绕组的状态。

图6为示出传统发电机中2次负荷产生的示意图。

实施发明的最佳形态

以下根据附图说明本发明的无负荷发电机的构成及动作。

图1示出了垂直于本发明无负荷发电机转轴3的剖面的结构。

而图2示出了与本发明无负荷发电机转轴3平行的剖面结构的一部分。即，图2仅抽出如后面将说明的那样配置在转轴3周围的8组磁感应一次铁心4、4’等之中的1组来表示。

参照图1及图2来说明本发明的无负荷发电机的结构，在对转轴3设置的左右两轨道1、1’上，以一定间隔附着固定环状的永久磁铁排列2、2’。永久磁铁排列2、2’的各永久磁铁以其在转轴的外周面上的极***替为N极或S极的配置固定在左右两轨道1、1’上。上述永久磁铁排列2、2’可绕轴自由旋转。而且，沿转轴3方向相对的永久磁铁排列2的极性与永久磁铁排列2’的极性相互相反配置。

如图2所示，在与上述永久磁铁排列2、2’相距一定间隔的位置，转轴3与固定壳体9通过轴承10连接。

在上述固定壳体9上，固定着卷绕有绕组的磁感应一次铁心4、4’并与永久磁铁排列2及2’留有规定间隔。

并且，在该固定壳体9上还附着固定有磁感应二次铁心5、5’，其由附着固定于磁感应一次铁心4、4’上的厚度很薄的多个铁心重叠而成，并形成有两个耦合孔6、6’。

在磁感应二次铁心5、5’的各耦合孔6、6’内***有磁感应三次铁心8、8’，使磁感应二次铁心5、5’相互耦合。

在该磁感应铁心8、8’上卷绕有相互相反方向的感应绕组7、7’。

图3示出了从与转轴3垂直的方向看到的图1及图2所示的磁感应二次铁心5、5’、磁感应铁心8、8’及磁感应绕组7、7’的构成。

如上所述，在使磁感应二次铁心5、5’相互耦合的磁感应铁心8、8’上卷绕有相互反方向的感应绕组7、7’。

在如图1-图3说明的那样构成中，如果使发电机的转轴3旋转，永久磁铁排列2、2’就旋转，感应绕组7、7’中产生磁感应电流(电磁感应电流)，可以将这样产生的电流取出至外部加以使用。

如图3所示，本发明发电机的磁感应铁心8、8’上卷绕有相互相反的绕组，因感应电流流动而生成的磁场的方向沿转轴3的周围形成N极与S极交替相对。

图4为说明一组磁感应二次铁心5、5’、磁感应铁心8、8’及感应绕组7、7’所产生感应磁场用的示意图。

在磁感应二次铁心5、5’两端部的铁片中，因永久磁铁排列2、2’的S极及N极的旋转运动而由感应绕组8产生的反向电流磁场例如为图4中的MA的方向，而相反由感应绕组8’产生的反向电流磁场为图4中的MB的方向。即，使电流流动产生的磁场相互抵消。此时，为了消除因涡流产生的热量，铁心由多片铁片构成。

因此，转子的磁场不受电流流动的影响，消除了因感应磁化现象而产生的负荷，对转子提供克服其本身1次机械负荷进行旋转所需的动能。

此时，包括磁感应二次铁心5、5和磁感应三次铁心8、8’的磁路应该形成口型，不能形成口型时，反向磁场的一部分会产生妨碍转子旋转的电磁力起作用。

此外，转子的永久磁铁排列2、2’如图2所示，设置成左右侧相互相反来形成磁通路径，各转子的磁体交替配置方式例如极数配置成8极，以提高发电效率。

现详细说明动作原理。当使图1中转子旋转1周时，安装在转子外部的的永久磁铁2、2’的S极及N极连续在上部的感应一次铁心4产生磁场，如图2所示，从转子一侧的轨道沿感应一次铁心4、感应2次铁心5、感应三次铁心8、感应二次铁心5’、感应一次铁心4’及转子另一轨道而形成磁场。

因此，在受到该磁场影响的绕组中电流流动而产生电流，例如将其用作发电的电力来点电灯或当作动力使用时，因流过绕组的电流而形成反向磁场。但因为如图4所示，在磁感应二次铁心5、5’的两端，各S、N及N、S的相同大小的反向磁场相互抵消，所以，对安装在图2的转子上的永久磁铁2、2’无任何影响。因此，转子处于除本身重量及力学上阻力之外不受其它阻力的无负荷状态。

图5示出了卷绕在8极的感应三次铁心8、8’上的磁感应绕组7、7’的相互接线方式。

见图5，磁感应绕组7、7’的接线方法为，将感应绕组7’的1a1线(卷绕在第1个磁感应铁心8上的绕组一端的引出线)与1a2’连接(卷绕在第2个磁感应铁心8上的绕组一端的引出线)，再将1a2线(卷绕在第2个磁感应铁心8上的绕组另一端的引出线)与1a3’连接，以下依次通过Z形连接方式连续连接1a线、1a’线而形成流过电流的结构。同时感应绕组7通过Z形连接方式连接1b1线等，形成连续连接1b线、1b’线的结构。这样将磁感应绕组7、7’的各条1b线、1b’线及1a线、1a’线连接，整体形成引出并使用4条电线的结构。

如上所述根据本发明进行发电时，即，由感应绕组7、7形成闭合电路时，卷绕在发电机的磁感应铁心上的感应绕组7、7’中产生感应电流，各感应绕组7、7’分别生成的感应磁场会产生妨碍转子旋转的很大的负荷。但如图4所示，通过将上述绕组7卷绕成与上述另一绕组7’的卷绕方向相反的办法，由卷绕在磁感应铁心4上的感应绕组7、7’的反向电流(感应电流)产生的磁场就不会通过磁感应铁心4，结果是，反向磁场不会通过永久磁铁2、2’。

因此，由于图2所示的永久磁铁2、2’的交替而S极与N极交替时，每一次都如图4所示，MA及MB的箭头方向相反，左右反向磁场完全抵消。因此，反向电流导致的逆磁性不会因永久磁铁2、2’而受到影响，因此，本发明的发电机不会承受机械性一次负荷之外的任何负荷。

如以上说明的那样，本发明的无负荷发电机意味着，可以使发电机的机械性负荷之外的二次负荷，即卷绕在磁感应铁心上的感应绕组中流过的反向电流所产生的负荷为零。本无负荷发电机即使由磁感应(电磁感应)产生的电流100％使用，在机械性一次负荷之外，反向电流导致的磁场二次负荷也完全不会作为负荷起作用。

另外，在以上说明中，转子的磁极数为8极，但本发明并不限于该结构，比这更少的极数或比这多的极数时均可以发挥该效果。

此外，在以上的构成中，转子侧的磁体为永久磁铁，但本发明并不受此限制，例如转子侧的磁体也可以是电磁铁。

还有，在以上的说明中，是对旋转磁场型的发电机结构进行了说明，但也可以是旋转电枢型的发电机。

(实验例)

以下，根据本发明具体的实验例子，更详细地说明本发明的发电机。

用本发明的发电机和传统的发电机，测定发电效率和负荷量，并比较测定结果。

(实验例1)

使用电池充电用的12极交流(AC)发电机，分别测定使用发电量的50％时和使用100％时的各发电量和负荷。上述发电机是单相交流电机，所使用的动力源是220V，1750rpm及效率为60％。0.5HP电机的动力，用电流×电压计进行测定，其结果如表1所示。

(实验例2)

用与实验例1相同的条件进行测定，使用的是根据本发明制成的与上述已有样机的产品有相同条件的发电机。用电流×电压计进行测定，结果如表1所示。

(表1)

发电机种类	使用50％的电时		使用100％的电时
					发电量(W)	负荷量(W)	发电量(W)	负荷量(W)
	传统发电机	100	221	14					347
本发明的发电机					100	220	183	200

(使用50％电及100％电时交流发电机的发电量及负荷量)

从上述实验例1的结果可推测，传统发电机的用电量为100％时比50％时发电量显著下降，这是由于使用100％的电时，作用于发电机的反向负荷大幅度增大而造成的。

与此相对照，本发明的发电机在使用50％的电与使用100％的电时的负荷量无这么大的差异，相反，使用100％时负荷量稍许(20W左右)下降。从这一点可知，与传统的发电机用电量增大则发电量急剧减少的现象相反，本发明的发电机随着用电量的增大，发电量增大到将近2倍。

结论是，上述负荷量可推定为如上所述是相对于发电机机械性负荷的数值，可确认其它的二次负荷即电枢的感应绕组产生的反向电流导致的负荷为零。

(实验例3)

使用具有与实验例1类似条件的12V直流(DC)发电机，在相同的条件下进行测定(效率80％)。测定结果如下。

(表2)(表1)

发电机种类	使用50％电时		使用100％电时
					发电量(W)	负荷量(W)	发电量(W)	负荷量(W)
	传统发电机	103	290	21					298
本发明的发电机					107	282	236	272

(使用50％电及100％电时的直流发电机的发电量及负荷量)

直流发电机比交流发电机的效率高(80％)，但相反，由于使用电刷，也引起成本上升。与上述表1一样，使用100％电时的负荷量比使用50％电时稍有减少，发电量增加到2.2倍以上。

(实验例4)

使用具有与实验例1类似条件的220V单相交流(AC)发电机(0.5HP)，使转速(rpm)发生变化并100％使用所发的电，在此条件下进行测定。测定结果如下表3所示。

(表3)

1750rpm		3600rpm		5100rpm
						发电量(W)	负荷量(W)	发电量(W)	负荷量(W)	发电量(W)	负荷量(W)
130	160	210	228	307	342

(使本发明的发电机转速发生变化时的发电量及负荷量)

如上述表3所示，转速(rpm)从1750增加至3600及5100，电量相应从130增加至210及307W，发电量与负荷量的差异减小，结果是，由于转速(rpm)的增大，负荷量相对减小。

(实验例5)

在与实验例1相同的条件下使本发明发电机的永久磁铁N、S极数发生变化，在100％使用所发的电的条件下进行测定。

测定结果如下。

(表4)

2极		4极		8极
						发电量(W)	负荷量(W)	发电量(W)	负荷量(W)	发电量(W)	负荷量(W)
80	152	130	200	265	296

(使本发明发电机的永久磁铁极数发生变化时的发电量及负荷量)

从上述表4可知，极数越增加，负荷量也与电量一起增大。但发电量相对负荷量的比例是单调增大的。可以认为，在上述表中，负荷量仅机械性的一次负荷在起作用，电的二次负荷并未起作用。

可以认为，当极数增多时，转子在旋转一周期间，绕组切割的磁力线增加的数量就是所增多的极数，所以电动势也增大，发电量增大。而机械性负荷量与极数的增多无关是固定的值，所以，机械性负荷量相对减小，负荷量与发电量之差减小。

以上详细说明了本发明，但这仅是为了举例，并非是限定，显然应该理解为，发明的精神及范围仅由所附的权利要求书所限定，

Claims (7)

1.一种无负荷发电机，其特征在于，具有：

转轴；

第1环状磁体排列(2)，其在以所述转轴为旋转中心的第1旋转轨道的外周上依次排列N极和S极；

第2环状磁体排列(2’)，其在以所述转轴为旋转中心并与所述第1旋转轨道有规定间隔的第2旋转轨道的外周上，依次排列极性与所述第1旋转轨道上的相对位置的极性相反的磁体；

第1多个第1磁感应一次铁心(4)，其相对所述第1环状磁体排列的第1外周面保持规定间隔，并沿所述第1外周面固定；

所述第1多个第2磁感应一次铁心(4’)，其相对所述第2环状磁体排列的第2外周面保持规定间隔，并沿所述第2外周面固定；

各所述第1多个第1及第2耦合磁感应铁心，其在沿所述转轴方向相对的所述第1及所述第2磁感应一次铁心之间成对设置以组成闭合磁路；

第1感应绕组(8)，其分别卷绕在所述第1耦合磁感应铁心上；

第2感应绕组(8’)，其分别卷绕在所述第2耦合磁感应铁心上，卷绕方向与所述第1感应绕组相反。

2.根据权利要求1所述的无负荷发电机，其特征在于，

所述第1环状磁体排列含有沿第1旋转轨道的外周上配置的永久磁铁排列；

所述第2环状磁体排列含有沿第2旋转轨道的外周上配置的永久磁铁排列。

3.根据权利要求2所述的无负荷发电机。其特征在于，

沿所述绕转轴的旋转方向配置的所述第1多个所述第1感应绕组分别相互呈Z形连接；

沿所述绕转轴的旋转方向配置的所述第1多个所述第2感应绕组分别相互呈Z形连接。

4.根据权利要求2所述的无负荷发电机，其特征在于，

所述第1多个为8个；

沿所述绕转轴的旋转方向配置的8个所述第1感应绕组分别相互呈Z形连接；

沿所述绕转轴的旋转方向配置的8个所述第2感应绕组分别相互呈Z形连接。

5.根据权利要求1所述的无负荷发电机，其特征在于，还具有：

设于所述第1磁感应一次铁心的各外周上并有第1和第2耦合孔的所述第1多个第1磁感应二次铁心；

设于所述第2磁感应一次铁心的各外周上并有第3和第4耦合孔的所述第1多个第2磁感应二次铁心；

所述第1耦合磁感应铁心***所述第1和所述第3耦合孔，使所述第1和所述第2磁感应二次铁心耦合；

所述第2耦合磁感应铁心***所述第2和所述第4耦合孔，使所述第1和所述第2磁感应二次铁心耦合。

6.根据权利要求5所述的无负荷发电机，其特征在于，

沿所述绕转轴的旋转方向配置的所述第1多个所述第1感应绕组分别相互呈Z形连接；

沿所述绕转轴的旋转方向配置的所述第1多个所述第2感应绕组分别相互呈Z形连接。

7.根据权利要求5所述的无负荷发电机，其特征在于，

所述第1多个是8个；

沿所述绕转轴的旋转方向配置的8个所述第1感应绕组分别相互呈Z形连接；

沿所述绕转轴的旋转方向配置的8个所述第2感应绕组分别相互呈Z形连接。

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