一種電磁運動能量產生裝置的製作方法

2023-10-17 09:28:09 4

專利名稱：一種電磁運動能量產生裝置的製作方法
技術領域：
本發明隸屬機電能源動力領域，主要涉及一種利用電磁作用產生運動能量的裝置。
背景技術：
[0002]我們現在使用的各類電動機既是一種利用電流通過鐵芯線圈產生磁場，通過電流的通斷或換向在定子與轉子間形成定向磁力作用而驅動運轉的，在已有電力電子裝置中， 亦普遍見有由勵磁繞組和鐵心組成的電磁設備等相近技術的應用如工業裝置中的電勵起重器既是一種由電勵鐵芯磁性控制其完成吸力和脫放等不同工作狀態；電氣開關中的繼電器是當線圈中通入勵磁電流時鐵芯激磁產生磁力吸引銜鐵完成電路的接通與關斷等操控； 電氣裝置中所採用的旋轉電磁鐵、步進電機等亦是由鐵芯外部線圈中通入勵磁電流時驅動轉齒位移帶動機軸旋轉一定角度而達到操控目的；電力電子器件中的磁飽和穩壓器、磁飽和放大器是利用鐵磁臨界磁飽和點處磁導率的變化，以達減小次級輸出電壓變化或使控制信號電流產生大的變化增益。依此，所屬裝置是利用電激鐵磁變化特徵，提供一種磁力作用或磁性控制，其目的是以達能量轉換、操縱運移或工況控制等。[0003]而本專利申請是其電磁運動能量產生裝置及方法發明專利申請201210147466. 5 基礎上的實用裝置，亦是利用電流通過線圈激磁鐵芯的電磁作用力產生運動能量，並以抑制或減小鐵芯繞組在運動磁場中的感生反電勢與抗磁阻力，回收反饋勵磁繞組電感衰減能量，以大幅提高其供電能量的輸出效益比。發明內容[0004]為實現上述目的，本文所述電磁運動能量產生裝置是採用以下技術方案來實現的。[0005]電機既是一種用來進行電能和機械能之間相互變換的電磁裝置。其作用原理基於法拉第-楞次與畢奧-薩伐爾電磁基本定律。能量形式的變換依賴於電機定子與轉子之磁相互作用的運動，即必須具有磁力和與之相對運動的兩個部分。現有多數電機中都使用鐵磁材料構成鐵心，以便用較小的勵磁電流而獲得較大的磁通，在相同勵磁繞組匝數和電流條件下，鐵芯路徑中的磁感應強度可增大幾百甚至幾千倍。其電動機即是我們常見並廣泛使用的一種利用磁力來做功的機電能量轉換裝置，理論機電能量轉換方程式Ee(輸入電能量Π) = e_IY+IY2RY，Iy2Ry是電樞總電阻將電流動能轉化為熱量的部分，廠仁是轉化為機械能時由繞組中感生反電動勢所消耗(抵消)的能量，輸入能量與輸出能量總量相等。[0006]而本類所述運轉裝置是在類似於常規電機本體上，藉助定子與轉子高磁導高磁飽和鐵芯工作極上所設勵磁繞組的電流激磁作用，在定子與轉子電磁運轉的一定相位區間， 電激鐵芯磁飽和態相吸與或相斥推動轉子以達抑制或減小運動感生反電動勢與抗磁阻力， 並反饋勵磁繞組電感衰減能量，以用較少的電激勵磁輸入而利用鐵磁質間的磁力作用產生大的運動能量輸出，即(Em+IY2RY) > E6(UI)。EmS裝置產生的磁力運動能量，Iy2Ry為電樞電阻將輸入電流電子動能轉化為熱的部分，Ee(UI)為裝置輸入的總電量，因此它是與現有各種電機等動力機不同意義的一種機電能量產生裝置。[0007]磁動發電機則是把磁動和發電複合成一個工作系統，通過機電能量轉換及回輸維持磁動機的運行，使其成為一種輸出大於輸入而自持運轉的機電能量產生裝置。[0008]I裝置種類與工作特徵[0009](I)工作機的舉例說明[0010]磁阻電機是我們廣泛使用的一種電磁運轉裝置，裝置的電機本體由定子電樞凸極鐵芯及其上的勵磁繞組W和轉子鐵芯所組成，當輸入電功率時，通過電機定子與轉子極的電磁相吸產生轉矩而驅動運轉，為本裝置工作過程敘述的便利，現以這種電機為例予以說明。[0011]設有附圖2所示一雙凸寬極靴磁阻電機，當定子電樞鐵芯勵磁極與轉子鐵芯某一凸齒兩極相對有轉角α = % Ci1區間時(α<φ/2，φ為兩極間距)，接通定子勵磁線圈供電開關電激鐵芯有激磁感BFe，包括電流線圈本身磁感即有B = Bw+BFe，鐵芯線圈的磁感大為增強，轉子凸極齒受鐵磁相吸向定子與轉子極對齊位置做趨近運動，當其鐵磁相吸運動達近點時我們斷開繞組電流，轉子鐵芯將在慣性下越過近極位置向前遠離鐵芯極繼續運動， 只要我們操縱供電開關分別在其一定轉角位置時對勵磁線圈電流進行接通與斷開，對轉子極施以同方向的間歇吸引即可得到一種磁力作用的連續轉動而產生運動能量。其鐵芯線圈在通電過程中產生的感生反電動勢及抗磁阻力即與這種外磁變化相關,在鐵芯磁導非線性磁化區段，有等比於鐵芯中感抗作用的與其運動相對應的繞組感生反電勢ε _及抗磁阻力， 所產生的磁作用能Em與其反電勢所抵消褪減電能ε I相等，此即為我們通常所見磁阻電機的工作特徵。[0012]但如在電激鐵磁相吸時，電流線圈產生的激磁場使鐵芯磁化達磁飽和狀態後，其鐵芯磁導率既發生較大改變 ，深鐵磁飽和時的微分導磁係數d μ ^ I，近似為空心線圈的磁導率，此時即等效在其空心線圈中加入一個磁導 I磁感為B的鐵芯磁體。相對定子電樞鐵芯線圈，轉子在運轉過程中這種磁阻變化的感生作用是迭加在增高的鐵芯磁飽和區段的飽和磁感B上，因激磁飽和鐵芯在所述區間磁導率Λ 1，其感生反電勢等效激磁感很小，或者說感抗很小，且所設定子與轉子間運轉磁氣隙亦很小，此時可認為迴路磁導變化與勵磁繞組中的運動感生反電動勢及運動抗磁阻力也等同於空心線圈，但由這電流線圈所產生的磁通與鐵芯磁化產生的磁通之和卻比空心線圈時大為增強，磁作用力亦增大了， 過程磁作用運動能與反電動勢褪電能的比值發生改變。當所設裝置勵磁繞組激磁鐵芯運行在磁化曲線的磁飽和區段時，將具有似空心線圈的感生反電勢抗磁阻力而有大為增高了的磁飽和鐵芯的磁力作用。[0013]激磁繞組中同樣的鐵芯雖達鐵磁飽和比其非飽和時要增加激磁安匝，且隨著鐵心迴路氣隙的增大磁導率呈函數降低而需要更大的激磁安匝才可使鐵芯磁飽和，其線圈本身磁感亦增加，但這種增加因採用高磁導易飽和鐵芯和減小磁氣隙使激磁場要求降低，此時既便也達普通鐵心非飽和狀態時的激磁安匝要求，但因這磁飽和鐵芯線圈有近空心線圈時的感生作用特徵，反電勢抗磁阻力相比非飽和時大幅減小，總的輸入能量還是因為抗磁作用的減小而大幅降低，其能量效益比得到體現。此特徵既為本類裝置所要求的基本工作狀態。[0014](2)其它工作類型[0015]由上述裝置工作特徵，其磁極結構配製方法和工作要求的不同，亦可形成不同的裝置與組構，下面列舉一些不同組構種類予以描述如下[0016]裝置中電磁運轉本體當採用定子與轉子鐵芯均設置勵磁繞組雙向激磁至磁飽和相互作用方式時，相對上述組構方式，這種定子與轉子雙向激磁鐵芯磁飽和相吸與或相斥作用方式的優點是單體能量密度增高。因其定子與轉子勵磁繞組均產生運動感生反電勢， 其感生反電勢褪電能亦增大，此時的運轉效益比仍取決於激磁繞組輸入電能與輸出機械能之比。實際中因定轉子極間為有隙磁相鏈，改變鐵芯結構形狀和供電方式及減小運動氣隙而有利於工作段鐵芯激磁至磁飽和，並因定、轉子極在鐵芯激磁飽和態運轉過程中磁導率 Δ I的同隙運轉迴路，其過程的磁力運動與迴路磁導變化特徵均近於空心線圈，線圈的感生抗磁作用力被抑制，其磁力運動能量亦是由這種不平衡磁相互作用過程中飽和鐵芯磁力作用所產生。[0017]在類似磁滯電機這種組構方式的定轉子鐵芯通過採用高磁導高磁飽和材料和結構設計上以減小運動磁氣隙而利於工作段鐵芯激磁至磁飽和。這種組構方式和工作驅動亦比較簡單，我們只需操縱供電開關分別在其α。與Cii轉角時開與關，即可得到一種磁滯作用的連續轉動而產生機械運動能量。[0018]在類似雙極性反應式電機中，將永磁體組構於電機結構中既為一種混合勵磁電磁運轉方式。當以磁阻電機定子電樞鐵芯迴路中設置有永磁體的高導磁軛鐵細凹頸部上纏繞有激磁線圈，在轉子鐵芯極遠離或趨近磁極區域時，利用通入繞組電流所產生的飽和激磁提供一種某極抵消降磁而另極增磁作用，轉子的不同磁極將被吸引或依慣性而運動，當達另一磁極區域時轉換激磁繞組電流方向，轉子的不同鐵芯極將受定子磁體磁場作用繼續同向運動，依循重複，轉子被不斷驅動而旋轉，由不斷變換線圈激磁電流方向的抵磁形成了利用磁體的磁力作用。在運轉中，其激磁安匝與鐵芯迴路磁導率成反比，與此過程相關的是鐵芯迴路磁導變化產生的感應反電勢，因激磁段工作鐵芯處於磁飽和狀態，勵磁鐵芯線圈將感生空心狀態時的反電勢磁阻作用力而由鐵芯磁極作用力產生增大的運動輸出。[0019]再如一種類似電磁振蕩器這種組構的定子鐵芯通過採用高磁導高磁飽和材料和結構設計以減小運動磁氣 隙而利於工作段鐵芯激磁至磁飽和，我們只需對勵磁線圈通入一定頻率的矩形平頂間波電流使其相作用鐵芯微動而達驅動負載，即可得到一種振動能量的產生。[0020]當然，除上述所舉種類外仍存在許多以其它方式不同組構的工作機，這裡不再一一列舉，雖相關組構可以不同，但其激磁鐵芯基本工作狀態與特徵仍相同。[0021]由此可知，採用高導磁鐵芯並減小磁氣隙宜於降低其激磁強度，不同種類中如以電磁代替永磁、由定子與轉子單向電勵磁轉而採用雙向電激磁即可提高單體功率密度。不同的組構方式與工作過程僅是其功率密度或能量效益比不同而已。[0022](3)裝置種類[0023]前面描述了本類裝置中採用不同技術方案所組構的工作機，除上述裝置種類外， 遵循其基本工作方法與特徵，亦可組構多種不同類型的工作裝置。這類裝置依其運動形式有平移與旋轉運動兩大類，不同的種類中，有些能量效益比較高而有些則單體功率密度較高。按其結構形式與組合功能及用途，將會多種多樣，其組構方式、控制特徵等方面均有差異，但不同的僅是其組構與控制方法以及製造難易程度和單體功率密度或能量效益比有所 區別而已。[0024]磁極可為電磁、永磁、超導磁或複合方式設置，或以抵消永磁體磁通方式形成作用 磁極，極性可交替分布，亦可呈雙體結構、磁通平衡過極，以電磁代替永磁、定子與轉子雙向 電勵磁、全區、全程電磁作用方式可提高單體功率密度，雖其工作方式可多種不同，或其功 能用途及結構方式、控制特徵方面有所差異，由於其激磁鐵芯基本工作狀態與特徵相同，本 技術方案能夠完全覆蓋所述內容。[0025](4)裝置組構[0026]本發明所述電磁運動能量產生裝置是一種利用電激鐵芯磁飽和以達抑制或減小 鐵芯繞組運動感生反電動勢抗磁阻力而產生運動能量的裝置，裝置系統由電磁設備本體和 電流驅動控制兩部分所組成，電磁設備本體主要由電磁性材料所組構，電流驅動控制部分 由電子元器件等所組成。圖1所示即為其一工作系統模塊示意圖。圖中1-電源，2-逆變 與整流濾波，3-驅動與自動控制，4-轉子位置感測，5-電感能量反饋，6電磁設備本體，7-組 合的發電機，8-動能或電能輸出，9-發電能量回輸。系統由圖虛線左側的電子驅動控制部 分與右側的電磁動力發電設備本體組成，為電磁運轉與電子驅動技術的結合體。[0027]其基本特徵是在電磁設備本體結構的定子基體具有多個延伸部的磁極單元與 設置於各磁極單元區域外部周壁纏繞有若干可使電流通過產生激磁作用的勵磁線圈組成 的電樞體，和在其電樞體內側或外側鐵磁極緣表面相隔一定距離留有氣隙與其構成磁力作 用的裝設有鐵磁極齒或可使電流通過產生激磁作用的電勵鐵磁線圈繞組單元或由若干不 同排列的永磁體組構的電磁轉樞組合體，及使兩者保持相對位置相連的支承機架與控制部 件，所述轉樞軸支承可以是機械的或磁懸浮或氣浮等不同方式或其組合，電流驅動控制部 分包括對電磁設備本體工作磁極相互位置狀態進行感測的位相傳感、饋電驅動、繞組電感 能量反饋、運行狀態控制以及電源變換電路所組構，以旋轉或旋線或移動或振蕩微動方式 將磁力轉換為動力輸出。[0028]裝置採用易飽和磁化的高磁導率鐵芯材料並減小迴路磁阻以降低勵磁線圈激磁 飽和電流或匝數而減小激磁強度，減少感生反電勢和抗磁阻力，降低輸入能量而得到大的 功率輸出。故其作為裝置組構方法的首要即是以高磁導高磁飽和低飽和磁場低損耗低剩磁 飽和拐點明顯的鐵磁功能材料為工作鐵芯。[0029]所述工作鐵芯為鐵磁合金或金屬的不同種類材料以晶態、非晶態、微晶態的不同 薄片或微粉所組構，本類裝置不僅利用其具有較大的磁化作用，更重要的是利用其非線性 磁化存在磁飽和這一特徵，不論哪種類型或組構，採用高磁導率高磁飽和低剩磁低損耗磁 飽和特徵明顯的材料為工作鐵芯有利於減少勵磁繞組安匝而減小輸入功率，選用飽和磁場 與矯頑磁場小、磁致伸縮率低、電阻率高的鐵磁材料及減小磁氣隙提高鐵芯迴路磁導率可 減小勵磁安匝而降低激磁強度要求。[0030]影響鐵芯激磁磁飽和的是材料特性、系統磁阻、工作磁場，以及實現磁飽和控制， 輸出極限電磁力。鐵芯磁飽和需要較多的激磁安匝，磁氣隙的增大亦需更多勵磁安匝，特別 是在退磁場和大氣隙下則更需增加較多的安匝，減小這種磁氣隙則可減小激磁安匝而降低 激磁強度要求。因此，合理選擇設計激磁鐵芯氣隙與工作狀態為磁飽和高效益比區段為宜。[0031]裝置電子驅動控制部分主要由饋電驅動、位置感測、狀態控制等部件所組織。其電子驅動與控制及組成在諸如無刷電機、步進電機、開關磁阻電機等中已廣泛應用，亦有眾多 成熟技術方案可予借鑑。勵磁線圈鐵芯磁飽和激磁電流為可控直流電，以微電程控調製或 數控擬合迴路磁阻與感生反電勢作用下的激磁電流大小以減少輸入電能損耗而經濟運行。[0032](5)裝置工作特徵[0033]經以上說明可以看出，所述裝置其依據的基本物介特徵即是鐵芯磁化之磁導非線 性變化在相關電磁作用中的不同，裝置的運行是在定子與轉子高磁導高磁飽和鐵芯工作極 上所設勵磁繞組的電流激磁作用，在電磁運轉的一定相位區間，使線圈工作區域鐵芯電激 飽和磁化產生大的電磁作用力相吸與或相斥而推移轉動，是以電激鐵芯磁飽和而達抑制或 減小其激磁鐵芯繞組在運移磁場中的感生反電動勢與抗磁阻力。[0034]其基本工作狀態是鐵芯激磁磁飽和，所述工作鐵芯磁飽和是指維持具有這個狀態 特徵的一個區域範圍，磁飽和不同狀態其勵磁安匝與感生抗磁作用亦不同，設計勵磁工作 鐵芯與方式為飽和值高效益區段，以致其工作過程的綜合電磁作用能/反電動勢褪電能的 比最大為其優化選擇。[0035]這些裝置它們的共同點是[0036]①由工作鐵芯、導磁鐵軛與磁氣隙所組成的迴路鐵芯可為環形或多邊形且鐵芯的 極可為多數，工作極可以凸極、隱極、齒狀、爪狀或複合磁極，以有隙磁傳導、磁耦合方式組 成旋轉電樞而相互作用，磁極方向可軸向或徑向或平行以及混合方式布置，而構成工作磁 極的勵磁繞組可以設置在定子、轉子或定子與轉子鐵芯上的不同區段，組成內電樞或外電 樞。[0037]②包括可設於磁迴路不同位置的工作在磁飽和區的激磁鐵芯截面積或飽和磁感 小於導磁鐵芯體的不等截面或磁感連接體，可將其中配置有勵磁線圈部分的軟磁鐵芯或 齒，替代性或補充性地由相對於普通軟磁材料具有更有利可磁化性和剩磁更少性能更好的 鐵磁材料經一種合適的分段方式由不同材料來製造成組成體。[0038]③驅動控制部分是裝置的重要組成，由電子開關代替換向器與電刷呈無刷驅動， 可採用不同的非接觸位置感測和驅動控制，驅動控制與供電開關可以是電子器件或其集成 或其不同的組合，電子驅動饋電換流有利於提高裝置穩定性與可靠性，使結構簡化易於調 控運行。[0039]此類裝置單獨使用時可為一種超高效電機，把該類裝置與發電機以不同方式組合 或直接複合成一個工作系統，所產生的機械能量通過機電轉換與反饋回輸維持電機本體的 自身運轉，其成為一種輸出大於輸入而自持運轉的機電能量產生裝置；亦可以多組鏈級方 式形成複合能量機組，以降低啟動能量輸入而產生大的能量輸出。[0040]不論哪種類型，單體功率密度的提高均是通過提供全區、雙向、全程電磁相互作用 方式和速度的提高來達到的。[0041]2所採用的一些相關輔助技術[0042]本類裝置的實施受一些過程因素的影響，其有益性能並不能自然完全體現，除優 化結構類型工作狀態與過程參數外，仍需採用一些輔助技術方法以提高其實用性。[0043]①電感過渡時間的抑制[0044]裝置運行過程中其繞組鐵芯磁飽和理想激磁電流波形是一種前後沿陡峭的擬合 電流。因勵磁繞阻電感的存在使通電起始的電流滋長與關斷過渡時間延滯，其轉速與實用性受到限制。根據電磁過渡關係，提高勵磁線圈供電壓可減少電感電流滋長過渡時間，因此，採用高壓電容放電、高低壓、擬控電壓方法縮短勵磁繞組電感工作電流滋長過渡時間， 並以電容高壓充電方法縮短勵磁繞組電感衰減電流回貯時間，使工作線圈電感貯存的電磁場衰減能量重新返回供電電容或電源之儲電設備中而循環利用。[0045]②磁滯與鐵磁過渡時間的抑制[0046]根據鐵磁過渡關係式，鐵芯中磁場的建立與衰減時間tn = I/Xi · (d/ 31 )2 · μ σ， 其時間常數h = (d/ 31 )2 · μ σ (d為回流厚度，μ為導磁係數，σ為導電係數)，當t = 3. St1時可認為暫態實際結束。當採用厚度< O.1mm薄片及電阻率大的鐵芯材料時，其鐵磁過渡時間一般遠小於電感(電磁暫態)過渡時間。[0047]③電勢補償[0048]為進一步抑制或降低電勵磁繞組中的運動感生反電動勢，可在激磁鐵芯迴路導磁鐵軛磁通高變部位附加設置輔助繞組或另設獨立繞組以抵償感生反電勢方式反向串入勵磁繞組迴路，為勵磁繞組的感生變化提供一種波動抵消而進一步降低，亦可以電壓負反饋方式抵消或降低勵磁繞組中這種感生反電動勢的作用，以致勵磁繞組的綜合感生反電勢最小。[0049]④裝置的啟動[0050]根據不同組構類型，既可通過磁極的自身偏極、形狀極差、差極、變極、不等極或雙體設計等方式，使磁極外緣相對於其中心線兩側的區塊呈可使磁通發生偏移的不對稱狀結構以產生非對稱的磁交鏈而產 生起動轉矩建立自啟動能力或改善啟動死點的問題，亦可由公用電源或電池電磁輔助啟動，亦可採用外力起動。[0051]⑤必要時，也可以多組鏈級方式組成機組，以降低啟動能量輸入與產生大的能量輸出。[0052]因此，該類電磁能量產生裝置，通過不同相關輔助技術將顯著提高裝置性能及實用性。[0053]3本類裝置優越性及有益效果[0054]經檢索查詢，國內外現有各類文獻資料中尚未見有該種裝置的公開報導與使用， 以及該種裝置的說明，故此應屬機電能源領域的一項新型實用裝置。因該類裝置基於現行製造技術，以普通電磁材料及元器件為基礎，具有工藝簡單、技術成熟、成本較低，易於製造的特點，是現有技術中可有效產生機電能量輸出的一種理想裝置，因其具有綠色環保、安全可靠、使用方便、用途廣泛等特點，其不同種類將會在工農業生產、交通運輸、日常生活、航宇空間等方面得到廣泛應用，如製成發電機組、功率鏈機、分布電源等，將能夠大量減少現有能源消耗，改善生態環境，成為一種用之不竭的能源動力。


[0055]圖1其工作系統模塊示意圖[0056]圖中1-電源，2-逆變與整流，3-驅動與控制，4-轉子位置感測，5-電感能量反饋，6電磁設備本體，7-組合的發電機，8-動能或電能輸出，9-發電能量回輸。系統由虛線左側的電子驅動控制部分與右側的電磁動力發電設備本體組成。[0057]圖2a與圖2b為一種開關磁阻電磁動機本體結構平面與切面示意圖[0058]圖中1-電機轉軸,2-電機前端蓋,3-轉子鐵芯,4-定子鐵芯,5-電機外殼,6-定子 勵磁繞組，7-電機後端蓋，8-位置編碼器，9-電子驅動控制器，10-後外罩。[0059]圖3a與圖3b為一種定轉子雙勵電磁動機本體結構正視與切面圖[0060]圖中1-電機轉軸,2-電機前端蓋,3-轉子鐵芯,4-定子鐵芯,5-電機外殼,6-定子 勵磁繞組，7-電機後端蓋，8-位置編碼器，9-電子驅動控制器，10-後外罩，11-轉子勵磁繞 組，12-轉子繞組供電刷。[0061]圖4a與圖4b為一種永磁共轉子電磁動發電複合機本體結構平面與切面圖[0062]圖中1-電機外殼,2-電機上端蓋,3-電機中心轉軸,4-轉子招合金輪轂,5-轉子 鐵芯，6-轉子外磁體，7-轉子內磁體，8-發電定子鐵芯，9-繞組支架，10-發電繞組，11-定 子激磁鐵芯，12-定子激磁繞組，13-位置檢測，14-轉子啟動鐵芯，15-定子啟動繞組，16-外 殼體上的通風孔，17-輪輻上的自扇冷卻孔。
具體實施方式
[0063]本類工作機即以電激鐵芯磁飽和為其基本工作狀態，所述裝置除工作狀態與傳統 電機不同外，在裝置方法、結構特徵、運行過程、能量傳遞與電磁功率計算等方面基本相同。 既可在其基本類型的基礎上通過複合或以不同勵磁方式而變為不同種類，本說明書中業已 充分闡明。因其基本結構與原理仍相似，或僅是其工作方式或組構略有不同，在本具體實施 方案中予以選例說明。下面結合具體實施例以附圖2、3、4對不同機型予以詳細描述說明， 以便對本類裝置組構與方法的充分公開和補充。[0064]例1:一種開關磁阻電磁動機[0065]作為一種結構簡單的機型，本體電磁作用部分僅由定子電勵鐵芯極與其相對轉子 上的鐵芯作用極組成，定子激磁極通電後對轉子鐵芯極的電磁吸引而運轉，是現代電力電 子和微電控制技術的應用，它的特點是結構簡單，運行可靠，成本低廉，體積緊湊。[0066]該工作系統由磁阻電機本體和電子驅動控制兩大部分組成，驅動控制與能量反饋 部分為公知技術，這裡從略。下面即對其工作機予以說明。[0067]1.磁阻電磁動機本體結構[0068]圖2a與2b所示為本發明例I所述一種磁阻電磁動機本體部分結構示意和橫切剖 視圖，結構與現有鐵磁相吸運轉方式的開關磁阻電機、步進電機等基本相同。其本體具有安 裝在固定支承部上的定子鐵芯(4)和定子勵磁繞組(6)，與裝在支架上的轉子鐵芯(3)兩端 通過支承部軸承支撐著自由旋轉的電機轉軸(I)組成剛性相連可一起旋轉的共轉子體。定 子與轉子呈8/6極凸極大極面結構，極面外緣寬，在換極處轉子磁移交換磁通，保持定子激 磁磁導通路。對應勵磁定子極內緣與轉子外緣形成有一定的氣隙長度，在覆蓋定子和轉子 的外部裝有薄鋼板衝壓引伸而成具有加強筋的電機外殼(5)與其前端蓋(2)和後端蓋(7)， 後外罩(10)內安置位置編碼器(8)和電子驅動控制器(9)。[0069]定子電樞與轉子勵磁鐵芯採用厚度< O. 2mm無取向高磁飽高磁導低飽和磁場低 矩比低損耗(高電阻以減少渦流損耗，零矩比磁回線小以減少磁滯剩磁對衰減能量的損 耗)磁飽和拐點明顯的鐵基非晶、微晶或超導磁鐵鎳合金電磁薄片材料製作。[0070]為了儘量降低激磁強度要求，亦減小磁氣隙，利用定轉子間鐵芯的導磁作用，採用 定轉子大極靴以降低運轉磁阻易激磁於磁飽和。[0071]2.電子驅動控制電路部分[0072]裝置驅動控制部分的電路包括電源、電壓變換與整流濾波、驅動與自動控制、轉子 位置感測、電感能量反饋等幾部分。在PWM開關電源電路的輸入端常以大電容的方式實現 大電流供給。由於高磁導率鐵芯與其激磁至磁飽和的線圈繞匝較多，通常勵磁線圈的電感 亦較大，本例採用高壓斬波擬流單極性電子臂驅動，電感衰減能量反饋採用電容高壓回貯 方式。本電路的驅動原理是由電源所提供的電能轉換為不同的直流電壓後供驅動控制等部 分使用。在一定轉角位由位置編碼器(8)輸出位置控制信號，電子驅動器根據傳感器測取 的轉子鐵芯相對於定子勵磁極的位置分相分別向定子電樞勵磁繞組通入一定相序的可控 激磁電流，供電相隨轉子旋轉位置而呈間歇周期性變化，轉子鐵芯極受勵磁定子電磁吸引 而旋轉，通過轉軸向外輸出機械功率。其工作過程以下僅予以大致說明。[0073]其基本工作過程是[0074]當轉子鐵芯極旋轉達某相序兩極中點位置時，位置編碼器輸出控制信號驅動功率 電路的開關管導通，上述高壓貯能電容C和供電源向作為電源負載的定子相勵磁繞組線圈 高低壓恆流斬波供電，以滿足繞組電感電流滋長與作用過程中對電壓的要求，激磁線圈的 電流在電感阻滯下呈指數上升，工作電流按其相位置設定值維持斬波勵磁電流擬流供電， 激磁線圈電流的磁化場使定子鐵芯磁化並維持運行在磁飽和狀態而使兩鐵磁極間磁相互 吸引而驅動轉子旋轉，過程中通過取樣反饋控制電流按激磁鐵芯磁飽和要求擬合電流大 小，以降低輸入電功率，提高效益。[0075]當轉子相旋轉達兩極所設最近位置時傳感器輸出控制信號驅動開關管關閉切斷 定子相勵磁線圈電流，激磁繞組電感衰減電流通過開關管並聯的續流二極體向高壓儲能電 容C反饋回貯電感衰減能量轉化為電位能，因有大的關斷時間間隔，可從容反饋回流電感 衰減能量，為下一供電相勵磁線圈電感的滋長提供電磁能。[0076]上述步驟的重複進行，每相繞組依次通入電流驅動轉子不斷位移而運轉，控制開 關依次循序邏輯運行而驅動，通過轉軸向外輸出動力。[0077]在實際裝置的試製中，除結構參數與材料選擇外，電源效率與電感衰減能量反饋 等也是影響裝置效益比的另一重要因素。採用功能檢測方法，以控制供電導通時間與狀態 控制，實現電機的穩定運行。其過流、過壓、自動相位控制等功能均為共知技術，在此不予贅 述。[0078]例2 :—種定轉子雙勵電磁動機[0079]其本體結構與現有同步電機類基本相似，相互作用的定轉子極之齒槽通電時同相 雙勵磁至磁飽和而相互作用，其驅動電路與上例有所不同。[0080]1.雙勵電磁動機本體結構[0081]圖3a與3b所示為本發明例2所述一種定轉子雙勵電磁動機本體部分結構示意和 橫切剖視圖，結構與現有同步、異步電機基本相同，其本體具有安裝在固定支承部上採用整 體結構的定子鐵芯(4)和勵磁繞組(6)，裝在轉子支架上的轉子鐵芯(3)和轉子勵磁繞組(11)，與兩端通過支承部軸承支撐可自由旋轉的轉軸(I)組成剛性相連可一起旋轉的共轉 子體。定子與轉子呈隱極結構，對應定子極內緣與轉子外緣形成有一定的氣隙長度，後外罩(10)內在轉軸端設置有轉子繞組供電刷(12)，位置編碼器(8)和電子驅動控制板(9)。在 覆蓋定子和轉子的外部裝有金屬板衝壓引伸而成具有加強筋的電機外殼(5)與其前端蓋(2)和後端蓋(7)。在覆蓋定子和轉子的外殼支架及轉子與定子端面開有散熱孔和設置有 散熱部件，在轉子內形成流動換熱。[0082]定子電樞與轉子勵磁鐵芯採用厚度< O.1mm無取向高磁飽高磁導低飽和磁場低 矩比低損耗(高電阻以減少渦流損耗，零矩比磁回線小以減少磁滯剩磁對衰減能量的損 耗)磁飽和拐點明顯的鐵基非晶、微晶或超導磁鐵鎳合金電磁薄片材料製作。[0083]定子與轉子鐵芯同相以分布式或集中式繞制勵磁繞組。[0084]2.電子驅動控制電路部分[0085]裝置驅動控制部分的電路包括電源、電壓變換與整流濾波、驅動與微電控制、轉子 位置感測、電感能量反饋等幾部分。採用高壓斬波恆流雙勵磁雙極性電子橋驅動，電感能量 反饋採用電容高壓充貯方式。本電路的驅動原理是由電源所提供的電能轉換為不同的直流 電壓後供驅動控制等部分使用。在一定角度由位置感測器件(8)輸出位置控制信號，電子 驅動器根據傳感器測取的轉子鐵芯勵磁極相對於定子激磁鐵芯極的位置向定子電樞與轉 子電樞勵磁繞組按一定相序通入不同方向的激磁電流，其電流方向隨轉子旋轉位置而呈間 歇周期性變化，轉子勵磁極受定子電磁極吸引和排斥而驅動旋轉，通過轉軸向外輸出機械 功率。其工作過程以下僅予以大致說明。[0086]其基本工作過程是[0087]當轉子鐵磁吸引旋轉達兩極最近點位置時，位置編碼器按一定相序輸出控制信 號驅動功率電路的開關管導通向作為電源負載的定子和轉子勵磁繞組線圈直流高低壓斬 波擬流供電，以滿足繞組電感電流滋長與作用過程中對電壓的要求，供電中激磁線圈的電 流在電感阻滯下呈指數上升並達工作電流設定值斬波擬流供電，激磁線圈電流的磁化場使 定子與轉子鐵芯極磁化並維持磁飽和的電磁相互作用狀態，定轉子兩鐵磁極間磁相互作用 驅動轉子發生位移轉動，過程中通過取樣反饋控制電流按激磁鐵芯磁飽和要求，擬合電流 大小，以降低輸入電功率，提高裝置效益。[0088]當旋轉達所設轉子位置時傳感器輸出信號控制驅動開關管關閉切斷定子與轉子 勵磁線圈電流，激磁繞組電感衰減電流通過與開關管並聯的單向導電續流二極體向上述高 壓儲能電容回儲電感衰減放電轉化為電位能，為下一供電過程勵磁線圈電感的滋長提供電 磁能。[0089]在實際裝置的試製中，除結構參數與材料選擇外，電源效率與電感衰減能量反饋 等也是影響裝置效益比的另一重要因素。採用功能檢測方法，以控制供電導通時間與狀態 控制，實現電機的穩定運行。其過流、過壓、自動相位控制等功能均為共知技術，在此不予贅 述。[0090]例3 :—種永磁共轉子電磁動發電複合機[0091]作為一種小型電源，通常的應用狀態特別是在室內，要求結構緊湊體積小噪聲低， 故採用一體化結構可達這種使用效果。下面即對一種短軸立式永磁共轉子型電磁動發電復 合工作機予以說明。[0092]該工作系統由磁動發電機本體和電子驅動控制器兩大部分組成，本體結構見示意 圖6a、6b。電子驅動控制器與能量反饋部分為公知技術，這裡從略。[0093]1.電磁動發電複合機本體結構[0094]圖4a與圖4b所示即為本發明例4所述一種短軸立式永磁共轉子電磁動與發電兩者複合組構的電磁發電機本體結構示意圖，其構形採用立式短軸上單臂筒杯形雙支承飛輪共轉子體結構，其轉樞外圈與外側定子電樞構成發電主體，轉樞內圈與內置星形凸極式激磁電樞定子構成電激磁動主體。其本體具有安裝在固定支承部上的發電定子鐵芯(8) 和勵磁定子鐵芯(11)，發電定子鐵芯內側工程塑料支架(9)上設有不同用途的發電線圈繞組(10);勵磁定子體的鐵心採用不等截面結構，該鐵心包括勵磁段和導磁段，其中勵磁段鐵心的截面積或磁通面積小於導磁段鐵心的截面積或磁通面積，鐵心周邊呈放射狀延伸有數個末端設有勵磁極的工作在磁飽和區的延伸部，外緣形成對應轉子鐵軛內側弧徑的外凸極緣，且於各延伸部勵磁段上纏繞有勵磁線圈繞組(12)，勵磁繞組採用高壓恆流驅動方式； 軸心樞設於上述勵磁定子軛體中央空間，同軸兩端通過支承部上下軸承支撐著可自由旋轉的轉軸(3)，所述轉軸上同軸固定套接有有底圓筒狀轉樞體的轉轂和輪輻支架(4)和夾於內外兩定子空間中其內外圓表面與定子鐵心表面相對的轉軛鐵芯(5)，沿轉軛鐵芯內外圓周表面上固定有多極永磁體(7)和￠)，轉輞下壁設置有位置感測器(13)，沿邊部上下連接緊固孔由螺栓將轉子碟形鋁合金轉輻支架、轉軛輞體、環形鐵軛、相位感測器盤相連緊固在一起成轂輞複合體，和多極永磁體構成與轉軸剛性相連可一起旋轉的共轉樞體，其勵磁定子鐵芯(11)極緣和發電定子繞組支架(9)外緣與轉樞永久磁鐵出)、(7)間保持有一定的氣隙長度。[0095]啟動電機定子繞組(15)內置嵌合在勵磁電樞定子鐵芯內圈並被固定在底盤上， 起動後自動斷開。起動轉子鐵心(14)則剛性相連套合於上述複合轉樞的轉軸上並與之一起旋轉。[0096]在覆蓋定子和轉子的外部裝有金屬薄板衝壓引伸而成具有加強筋的碗形外殼(I) 與上下端蓋(2)，並起轉軸支承作用。使外殼體、定子部分和永磁飛輪共轉子體組構在一起形成有機連接整體。其殼體上下端面處開有多條能使冷卻風流通的通風通氣孔(16)。電機本體採用自扇冷卻方式，在轉子輪輻上一體地設置多個呈放射狀延伸的自扇通風冷卻的槽孔(17)，這種結構既有利於飛輪平穩運行 ，減少振動，利於通風散熱，又避免轉子支承剛性下降，同時能使工作機整體軸向長度設定得較短，結構緊湊。[0097]所述磁動發電機的發電定子非金屬結構絕緣槽內嵌有2個以上且各自獨立用於不同目的向內回輸充電與向外輸出電力多套複合功能繞組線圈，它們在電機機械上、電氣上獨立結構的繞組群，因而能容易確保絕緣，互不幹擾。其中有一個繞組群進行再生，將其變換整流後與外接電源或蓄電池連接用於回輸充電。另許繞組可進行控制作用和向外輸出電能。[0098]這種複合機結構中所述共轉子內外兩層磁鋼的極性是相對的，發電磁體和磁動磁體磁通共用轉子鐵心磁路形成內外層磁體兩極之間的兩個磁路獨立的雙層磁轉子結構，在磁鐵兩極之間的鐵軛截面的大小必須保證全磁通量時,而不會出現磁飽和。[0099]內電樞勵磁鐵芯採用厚度< O.1mm無取向高磁飽高磁導低飽和磁場低矩比低損耗(高電阻以減少渦流損耗，零矩比磁回線小以減少磁滯剩磁對衰減能量的損耗)磁飽和拐點明顯的鐵基非晶、微晶或超導磁鐵鎳合金電磁薄片材料製作。[0100]感生反電動勢輔助抵消繞組設置在激磁鐵芯導磁鐵軛段磁通高變部位，反向串入勵磁繞組迴路以輔助抵償繞組感生反電勢，利用這種輔助繞組為定子激磁繞組的感生電勢提供一種波動抵消，使定子激磁繞組中的感生反電勢進一步降低，因其匝數較少，對電磁滋長和鐵芯飽和磁通處的擾動較小，對輸出功率的影響也較小。[0101]2.電子驅動控制電路部分[0102]裝置驅動控制部分的電路包括電源、電壓變換與整流濾波、驅動與微電控制、轉子 位置感測、電感能量反饋與發電能量回輸等幾部分，電感能量反饋採用電容高壓充貯方式， 供電採用高壓恆流雙極性電子橋驅動。因電子驅動控制電路在現有各種無刷電機的驅動控 制中被廣泛應用，均為已有共知技術，其成品在市場上既可購得，在此不予以詳細表述，僅 對過程要求予以大致說明。[0103]本電路的驅動原理是由電源所提供的電能轉換為不同的直流電壓後供驅動控制 等部分使用。飛輪每旋轉一定角度由位置感測器件(13)輸出位置控制信號，電子驅動器根 據傳感器測取的轉子磁極相對於激磁定子鐵芯極的位置向電樞激磁繞組按一定相序通入 不同方向的激磁電流而轉換過極，通電方向隨轉子旋轉位置而呈間歇周期性變化，則轉子 磁極因受到激磁定子電磁極的吸引和排斥力矩而驅動旋轉，同時外側的發電機繞組向外輸 出電功率。[0104]其基本工作過程是[0105]當轉子鐵磁吸引旋轉達兩極最近點位置時，位置編碼器按一定相序輸出控制信 號驅動功率電路的開關管S1、S3導通向作為電源負載的定子勵磁繞組直流高低壓斬波恆流 供電，以滿足繞組電感電流滋長與作用過程中對電壓的要求，激磁線圈的電流在電感阻滯 下呈指數上升並達工作電流設定值，激磁線圈電流的磁化場使定子鐵芯極磁化並維持磁飽 和的電磁鐵狀態，轉子與定子兩鐵磁極間相互排斥發生位移轉動，過程中通過取樣反饋PWM 調製控制電流保持穩定工作狀態。[0106]當轉子旋轉達所設位置時傳感器輸出信號控制驅動開關管Sp S3關閉切斷定子勵 磁線圈電流，激磁繞組電感衰減電流通過與開關管並聯的單向導電的續流二極體向上述高 壓儲能電容回貯電感衰減放電轉化為電位能，因有大的關斷時間間隔，可從容反饋回流電 感衰減能量。[0107]此後轉子受前極鐵磁相吸繼續轉動至相吸低點位置a2時，位置編碼器按相序輸出 控制信號驅動電子橋另臂開關管s2、S4導通，開始與上周期相同而供電極性不同的激磁線 圈的供電過程，在這一供電過程，高壓儲能電容中的電能將重新進入供電線圈而轉化成電 感電磁能。[0108]當運轉達所設轉子位置時傳感器輸出信號控制驅動開關管S2、S4關閉，此時繞組 電感電流通過與開關管並聯續流二極體重新向儲能電容器充電，二極體的單向導電性阻止 回流。此時一個循序換流過程完畢。[0109]此過程的重複循環，轉子不斷被驅動而得到連續轉動。[0110]在實際裝置的試製中，除結構參數與材料選擇外，電源效率與電感衰減能量反饋 等也是提高裝置效益比的另一重要因素。
權利要求1.一種電磁運動能量產生裝置，裝置系統由電磁機械本體和電流驅動控制部分所組成，其基本特徵是在電磁設備本體結構的定子基體具有多個延伸部的磁極單元與設置於各磁極單元區域外部周壁纏繞有若干可使電流通過產生激磁作用的勵磁線圈組成的電樞體，和在其電樞體內側或外側鐵磁極緣表面相隔一定距離留有氣隙與其構成磁力作用的裝設有鐵磁極齒或可使電流通過產生激磁作用的電勵鐵磁線圈繞組單元或由若干不同排列的永磁體組構的電磁轉樞組合體，及使兩者保持相對位置相連的支承機架與控制部件，所述轉樞軸支承可以是機械的或磁懸浮或氣浮等不同方式或其組合，電磁驅動控制部分包括對電磁設備本體工作磁極相互位置狀態進行感測的位相傳感、饋電驅動、繞組電感能量反饋、運行狀態控制以及電源變換電路所組構，以旋轉或旋線或移動或振蕩微動方式將磁力轉換為動力輸出；裝置的運行是在定子與轉子高磁導高磁飽和鐵芯工作極上所設勵磁繞組的電流激磁作用，在電磁運轉的一定相位區間，使線圈工作區域鐵芯電激飽和磁化產生大的電磁作用力相吸與或相斥而推移轉動，是以電激鐵芯磁飽和而達抑制或減小其激磁鐵芯繞組在運移磁場中的感生反電動勢與抗磁阻力。
2.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於所述工作鐵芯為鐵磁合金或金屬的不同種類材料以晶態、非晶態、微晶態的不同薄片或微粉所組構，本類裝置不僅利用其具有較大的磁化作用，更重要的是利用其非線性磁化存在磁飽和這一特徵，不論哪種類型或組構，採用高磁導率高磁飽和低剩磁低損耗磁飽和特徵明顯的材料為工作鐵芯有利於減少勵磁繞組安匝而減小輸入功率，選用飽和磁場與矯頑磁場小、磁致伸縮率低、電阻率高的鐵磁材料及減小磁氣隙提高鐵芯迴路磁導率可減小勵磁安匝而降低激磁強度要求。
3.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於其基本工作狀態是鐵芯激磁磁飽和，所述工作鐵芯磁飽和是指維持具有這個狀態特徵的一個區域範圍，以致其工作過程的綜合電磁作用能/反電動勢褪電能的比最大為其優化選擇。
4.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於包括可設於磁迴路不同位置的工作在磁飽和區的激磁鐵芯截面積或飽和磁感小於導磁鐵芯體的不等截面或磁感連接體，可將其中配置有勵磁線圈部分的軟磁鐵芯或齒，替代性或補充性地由相對於普通軟磁材料具有更有利可磁化性和剩磁更少性能更好的鐵磁材料經一種合適的分段方式由不同材料來製造成組成體。
5.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於由工作鐵芯、導磁鐵軛與磁氣隙所組成的迴路鐵芯可為環形或多邊形且鐵芯的極可為多數，工作極可以凸極、隱極、齒狀、爪狀或複合磁極，以有隙磁傳導、磁I禹合方式組成旋轉電樞而相互作用，磁極方向可軸向或徑向或平行以及混合方式布置，而構成工作磁極的勵磁繞組可以設置在定子、轉子或定子與轉子鐵芯上的不同區段，組成內電樞或外電樞。
6.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於磁極可為電磁、永磁、超導磁或複合方式設置，或以抵消永磁體磁通方式形成作用磁極，極性可交替分布，亦可呈雙體結構、磁通平衡過極，以電磁代替永磁、定子與轉子雙向電勵磁、全區、全程電磁作用方式可提高單體功率密度，雖其工作方式可多種不同，或其功能用途及結構方式、控制特徵方面有所差異，由於其激磁鐵芯基本工作狀態與特徵相同，本技術方案能夠完全覆蓋所述內容。
7.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於為進一步抑制或降低電勵磁繞組中的運動感生反電動勢，可在激磁鐵芯迴路導磁鐵軛磁通高變部位附加設置輔助繞組或另設獨立繞組以抵償感生反電勢方式反向串入勵磁繞組迴路，為勵磁繞組的感生變化提供一種波動抵消而進一步降低，亦可以電壓負反饋方式抵消或降低勵磁繞組中這種感生反電動勢的作用，以致勵磁繞組的綜合感生反電勢最小。
8.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於採用高壓電容、高低壓、擬控電壓方法縮短勵磁繞組電感電流滋長與衰減回貯過渡時間。
9.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於勵磁線圈鐵芯磁飽和激磁電流為可控直流電，以微電程控調製或數控擬合迴路磁阻與感生反電勢作用下的激磁電流大小以減少輸入電能損耗而經濟運行。
10.權利要求1所述電磁運動能量產生裝置，其特徵在於把該類裝置與發電機以不同方式組合或直接複合成一個工作系統，亦可以多組鏈級方式形成複合能量機組。
專利摘要一種電磁運動能量產生裝置，摘要附圖所示為其裝置系統組成，是在類似於常規電機本體結構的定子與轉子高磁導率高磁飽和鐵芯工作極上所設勵磁繞組，電激鐵芯磁飽和以達抑制或減小其鐵芯繞組在運行中的感生反電動勢與抗磁阻力，反饋回收勵磁繞組電感能量，以用較少的電勵磁輸入功率而利用鐵磁質的磁力作用產生大的機械運動能量輸出。磁動發電機則是將其和發電機組成一個工作系統，通過機電能量轉換與回輸維持其電磁設備本身的使用，使其成為一種輸出大於輸入而自持運轉的機電能量產生裝置。
文檔編號H02N11/00GK202841019SQ20122023362
公開日2013年3月27日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者王世英 申請人:王世英