专利名称：永磁交流发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有永磁体转子的交流发电机的改进，属发电机领域。
背景技术：
永磁发电机已比较普遍，其结构大都是在枢槽中嵌有定子绕组，并与永磁体转子的励磁气隙磁场直接产生磁场的相互作用达到发电的目的。但目前永磁发电机的机电能量转换效率都在90％以下，η＜1。
发明内容
本发明的目的是提供一种机电能量转换效率大于1的单相永磁交流发电机。
实现本发明目的的技术方案是这种永磁交流发电机，由转轴、端盖、机壳、机座等构成，其特点是在转轴上连接有与转轴同心的心轴，在心轴的一端装有径向方向磁性的第一永磁体，在心轴的另一端装有与第一永磁体径向方向错位的磁性相反的径向方向磁性的第二永磁体，转轴与端盖转动连接后构成永磁体转子；在第一永磁体外周设置单向导磁的与第一永磁体同心圆周分布的第一定子轭铁，在第二永磁体外周设置单向导磁的与第二永磁体同心圆周分布的并与第一定子轭铁相对应的第二定子轭铁，在第一定子轭铁与第二定子轭铁间连接固定有框架轭铁，在框架轭铁的中部设有与框架轭铁相连接的中间轭铁，在中间轭铁两侧的框架轭铁上分别装有绕组，框架轭铁与机座固定连接后构成定子。
所述的第一永磁体可以是由至少一个相同弧面、相同磁性的永磁体组成的第一永磁体组，所述的第二永磁体可以是由与第一永磁体组相同个数、相同弧面、相同参数但磁性相反的永磁体组成的第二永磁体组。
所述的第一永磁体组中的永磁体和第二永磁体组中的永磁体沿等圆周等分均匀布置，每个永磁体磁性弧面的最佳弧长是第一永磁体组与第二永磁体组中永磁体个数相加后的永磁体总数等分圆周的弧长度。即永磁体磁性弧面的弧长l＝2πr/k，r为永磁体外弧面半径，k为第一永磁体个数和第二永磁体个数相加后的永磁体总数。
所述的第一永磁体组中的永磁体分别与第二永磁体组中的永磁体径向相对错位布置，错位布置的最佳错位角度是永磁体总数等分圆周的圆心角。即错位角度α＝2π/k＝360°/k。
所述的永磁体沿圆周方向展开形状可为矩形、圆形或其它异形。每个永磁体可以拼合组成也可以不拼合。
所述的第一定子轭铁的个数是第一永磁体个数的倍数个并沿等分圆周均匀布置组成第一定子轭铁组，所述的第二定子轭铁的个数是第二永磁体个数的倍数个并沿等分圆周均匀布置组成第二定子轭铁组，第一定子轭铁组中的定子轭铁个数与第二定子轭铁组中的定子轭铁个数相同。
所述的定子轭铁的宽度与永磁体磁性弧面的宽度相同。
所述的中间轭铁由分别与框架轭铁相连接的轭铁闭合后组成。
所述的各绕组可串联连接，或并联连接，也可串并联连接。
本发明的永磁交流发电机结构独特新颖，可发出单相交流电，3个相同的单相交流永磁发电机，正弦波电势相差120°时，还可组成三相交流永磁发电机。本发明的主要部件均可选用现有的Nd-Fe-B等高矫顽力永磁材料、冷轧热轧矽钢片等软磁材料并采用常规工艺加工制造。具有结构简单、加工制造容易、生产和使用成本低、可靠性高、寿命长、噪音低、机电能量转换效率大于1等特点，可广泛适用于生产、生活等各种场合，推广实施后必将产生较大社会效益和经济效益。
图1是本发明一种实施例的结构示意图。
图2是图1中I-I向剖视图。
图3是图1中II-II向剖视图。
图4是图1中III-III向剖面图。
图5是本发明另一实施例的结构示意图。
图6是图5中I-I向剖视图。
图7是图5中II-II向剖视图。
图8是图5中III-III向剖面图。
图9-14是描述本发明实施例1的工作原理的磁性弧面的面积、磁通变化、感应电势波形及退磁曲线图。
图中1第一永磁体，2心轴，3第一定子轭铁，4框架轭铁，5、7绕组，6中间轭铁，8第二定子轭铁，9第二永磁体，10转轴，11端盖，12机壳，13机座。
具体实施例方式
下面结合附图和给出的实施例对本发明作进一步描述。
实施例1参照图1、2、3、4，本实施例给出一个在心轴两端各由一个永磁体构成永磁体转子，即由一对N、S磁性永磁体构成永磁体转子的单相永磁交流发电机。这种永磁交流发电机，由转轴10、端盖11、机壳12、机座13等构成，在转轴上连接有与转轴同心的心轴2，在心轴的左端装有1个径向方向磁性的半圆周弧面的N磁性第一永磁体1，在心轴的右端与第一永磁体径向错位方向上装有1个相同弧面的与第一永磁体磁性相反的径向方向磁性的S磁性第二永磁体9，转轴与端盖连接后构成永磁体转子。在转子上永磁体总数为2个(k＝2)，每个永磁体的磁性弧面的弧长l＝2πr/2＝πr，第一永磁体与第二永磁体错位布置的错位角度为α＝2π/2＝360/2＝180度。在第一永磁体外周对应设置径向单向导磁的与第一永磁体呈同心圆周二等分均匀布置的2个第一定子轭铁3，即定子轭铁3-1和定子轭铁3-2，在第二永磁体外周对应设置径向单向导磁的与第二永磁体呈同心圆周二等分均匀布置的2个第二定子轭铁8，即定子轭铁8-1和定子轭铁8-2。每个定子轭铁的宽度与对应的永磁体磁性弧面的宽度相同。第一定子轭铁与第二定子轭铁相对应的每个定子轭铁间连接固定有2个框架轭铁4，在框架轭铁的中部设有与框架轭铁相连接的呈正方口字形闭合的中间轭铁6，中间轭铁将每个框架轭铁工作磁路分成左4-1、4-2和右4-3、4-4两部分，在中间轭铁两侧的框架轭铁上分别绕有4个同心式绕组5(5-1、5-2)、7(7-1、7-2)，各绕组可采用串联方式，或并联方式，或串并联方式连接，框架轭铁与机座固定连接后构成定子。第一永磁体与第一定子轭铁、第二永磁体与第二定子轭铁之间形成定子与转子之间的转动间隙δ。
本发明的单相永磁交流发电机当转子被拖动转动时，永磁体转子上一端的N磁性第一永磁体和另一端的S磁性第二永磁体同步转动，各永磁体磁性弧面与各自对应着的定子轭铁的弧表面积发生变化，进入对应的定子轭铁的磁通量随之发生变化，同时使与其相连接的框架轭铁中的磁通量发生变化。
现从图1、2、3、4所示位置起，以框架轭铁4(4-1、4-3)为例，说明转子转动后该框架轭铁中磁通的变化情况。N磁性第一永磁体1的N磁性弧面产生的磁通ΦNmx(ΦNmx＝BNm·Smx，BNm为N磁性永磁体磁性弧面的磁通密度，Smx为永磁体磁性弧面与对应的定子轭铁的弧表面积)过间隙为Φδx(Φδx＝ΦNmx)，因为转动间隙很小(δ＝0.2-0.5毫米)过间隙的漏磁通量影响可略去，磁通将全部进入与之对应的第一定子轭铁3-1，有磁通Φmix(Φmix＝Φδx＝ΦNmx)。定子轭铁是由径向方向单向导磁的软磁材料(实施例中为定向冷轧矽钢片)制成，沿圆周方向导磁性差，加之有空气豁口，永磁体磁性弧面是单相磁性，沿定子轭铁的圆周方向不形成磁路。通过其定子轭铁的磁通Φmix几乎全部导入相连接的左端框架轭铁4-1。磁通Φmix经中间轭铁6进入下端的框架轭铁4-4、及相对应的第二定子轭铁8-2，经转动间隙δ后与对应的S磁性第二永磁体9的S磁性弧面形成磁路，整体磁路经心轴2闭合。此位置时的右端框架轭铁4-3、与之相连接的定子轭铁8-1，不与右端的S磁性第二永磁体的S磁性弧面相对应，故框架轭铁4-3中没有磁通。
永磁体转子顺时针转动一周，框架轭铁4中的磁通变化情况如下框架轭铁左端4-1部分框架轭铁4-1与定子轭铁3-1相连接，定子轭铁3-1的弧表面与之对应的转子N磁性永磁体1的N磁性弧面的面积变化是SNmxSNm→0→SNm框架轭铁右端4-3部分框架轭铁4-3与定子轭铁8-1相连接，定子轭铁8-1的弧表面与之对应的转子S磁性永磁体9的S磁性弧面的面积变化是Ssmx0→Ssm→0由于永磁体磁性弧面与对应的定子轭铁弧表面发生变化，使相连接的框架轭铁中产生了脉动的磁通量变化。
框架轭铁左端4-1部分的磁通量变化是ΦmixΦNm→0→ΦNm，如图10所示。
框架轭铁右端4-3部分的磁通量变化是Φmix0→Φsm→0，如图11所示。
本实施例中转子永磁体的磁性弧面表面展开为矩形，如图9所示。
第一永磁体与第二永磁体尺寸参数相同，有Φm＝|ΦNm|＝|Φsm|，|Bsm|＝|BNm|＝Bm，Φm＝Bm·π·r·b，Φm为转子永磁体磁性弧面的最大磁通量，Bm为转子永磁体磁性弧面的工作磁通密度，r为转子永磁体磁性弧面的转动半径，b为转子永磁体磁性弧面的有效宽度。
转子被拖动均匀转动，使与之对应的定子轭铁、框架轭铁中磁通量的变化决定于转子永磁体磁性弧面与之对应的定子轭铁的弧表面之间的面积变化ΔΦmix＝ΔSmx·Bm＝Δαx·r·b·Bm，ΔΦmix为定子轭铁及相连接的框架轭铁中的磁通量，Δαx为转子永磁体磁性弧面与定子轭铁弧表面相对时的圆心角。
转子永磁体转动一周，框架轭铁的左端部分4-1及框架轭铁右端部分4-3与各自相对应的定子轭铁3-1、8-1的弧表面及与各自对应的转子永磁体1、9磁性弧面的转角位置及大小变化而产生磁通脉动变化一次，如图10、图11所示，脉动变化的频率等于转子一端永磁体的个数与转子转动频率的乘积。
被中间轭铁分成的框架轭铁左端部分4-1和框架轭铁右端部分4-3中的磁通量变化随转子永磁体磁性弧面与定子轭铁弧表面对应时的弧表面转角变化是三角形的脉动波，框架轭铁左端部分4-1与框架轭铁右端部分4-3的三角形脉动磁通波相位相反，相位相差180°，如图10、图11所示。
绕在框架轭铁左端部分4-1上的绕组5-1，由于框架轭铁中的磁通有三角形变率的脉动变化而感生电势，感生的电势是交变对称的矩形波，如图12所示。
em=NdΦmdt=NΔΦmΔt,]]>ΔΦm＝Bm·π·r·b，Δt=1k·n(k=2),]]>n为转子永磁体磁性弧面的转动频率(转/秒)，em为一个框架轭铁绕组感生的电势。
框架轭铁右端部分4-3中的三角形脉动变化的磁通在其绕组7-1所感生的电势同样是交变对称的矩形波，但与绕组5-1中的交变电势相位相反，相位相差180°，如图13所示。
在框架轭铁绕组中产生的感应电势的波形，决定于转子永磁体磁性弧面的形状及磁通密度的均匀度。若磁密均匀的磁性弧面表面展开形状为矩形时，绕组中产生的电势波形为交变对称的矩形波；若磁性弧面表面展开形状为圆形时，则绕组中产生的感应电势波形为交变对称的正弦波。三个相同的单相正弦波电势相位差120°时，可组成三相正弦波交流电源的永磁三相交流发电机。
框架轭铁上的绕组(本实施例中框架轭铁左端有2个绕组5-1、5-2，框架轭铁右端有2个绕组7-1、7-2，共4个绕组)的电势外输出时可串联连接，可并联连接，也可串并联连接。
框架轭铁上的绕组全串联输出时emax＝4em，imax＝i；框架轭铁上的绕组全并联输出时emax＝em，imax＝4i；em为一个绕组的电势，i为一个绕组的电流。
框架轭铁绕组接负载后有电流产生，有交流电功率输出，每个绕组的电功率为Pm＝em·i周期性交变的电功率用有效值表示Pc＝Pm/a＝em/a·i＝1/a·Φm·k·n·N·i对于矩形波电势a＝1，对于正形波电势a=2]]>N·i反映的是框架轭铁绕组在有负载输出电流i时，产生的磁势。空载时i＝0∑N·i＝0，拖动转子旋转的外施拖动功率，只耗用于转子转动的机械摩擦阻力。磁势∑N·i对永磁体转子磁性弧表面没有干涉作用。由于转子永磁体磁性弧面与定子轭铁弧面对应的是单相磁性，转子转动时不产生涡流阻力矩。转子永磁体磁性弧面在气隙中的与定子轭铁间的磁力线呈径向方向，转子永磁体磁性弧面与定子轭铁弧面是同心圆周，转子磁性弧面像在一个连续的铁平台上保持不变的气隙距离δ在运动，不产生沿圆周方向的切向磁力，只有沿径向方向的吸合磁力(与永磁体磁性弧面的磁性N或S无关)，因此没有转子沿圆周方向转动的磁阻力矩。
当绕组接负载后，有输出电流i时(i≠0)，由于框架轭铁左端部分的绕组5-1的磁势N·i与框架轭铁右端部分的绕组7-1的磁势N·i相等，相位相反，左、右端绕组的磁势所构成对转子左、右端永磁体磁性弧面的作用叠加后相抵消，∑N·i≈0。
在本实施例中转子永磁体用Nd-Fe-B(N35SH)永磁材料制造，它的退磁曲线近于矩形，见图14。
N35SH退磁曲线Hk＝15.6K0e，Bk＝11KG，Br＝11.8KG，Hcb＝10.6K0e，(HB)m＝33-37MG0e，μrec＝1.05。
转子永磁体在负载线上点工作，工作点上的磁路磁通密度最佳Bm＞9000G(实际是保证气隙磁密Bδ＞9000G)以保证框架轭铁绕组工作电势、电流输出的稳定，为此转子永磁体要有足够的厚度，以稳定磁路所需要的磁势，满足磁路有足够的工作磁通量(Bm＞9000G)。
从上述分析可以看出，本发明的永磁交流发电机，有以下几个特点1、由于永磁体转动，使定子轭铁、框架轭铁中产生周期性脉动的磁通变化，在框架轭铁绕组中感应产生了交变电势、电流而有电功率。在框架轭铁绕组无负载(i＝0，N·i＝0)与有负载(i≠0，∑N·i≈0)时相比，转子永磁体磁性弧面与定子轭铁弧表面对应的间隙中磁通密度(Bδ)变化及分布状况比较接近，总磁路磁阻运行中不变。在框架轭铁绕组有负载输出与无负载时的工况相比，对其拖动永磁体转子旋转的拖动功率增变之间没有守衡算式。
2、转子磁性弧面与定子轭铁弧表面是光滑的同心圆周表面，构成的是呈圆周的均匀气隙间隙，其气隙磁场(Hδ或Bδ)中的磁力线总是沿半径方向，即转子磁性弧面与定子轭铁弧表面的磁力线总是沿其圆周表面的法线方向，产生的磁力均是沿半径方向的吸引力，而与转子磁性弧面的磁性N或S无关，因此没有圆周切向磁力的产生。
3、本发明的永磁交流发电机，充分发挥了永磁体对外作功的能力和效率，发电机的输出功率比用于拖动发电机工作的机械功率要大，其机电能量转换效率大于1，远远优于传统发电机。
实施例2参照图5、6、7、8，这是一种由2对永磁体组成的永磁交流发电机，由转轴10、端盖11、机壳12、机座13等构成，在转轴上连接有与转轴同心的心轴2，在心轴的左端装有2个相同弧面、相同磁性径向相对布置的N磁性第一永磁体1组成的N磁性第一永磁体组1-1、1-2，在心轴的右端与第一永磁体组径向垂直方向上装有2个相同弧面、相同磁性径向相对布置的与第一永磁体磁性相反的S磁性第二永磁体9组成的S磁性第二永磁体组9-1、9-2，转轴与端盖连接后构成永磁体转子。转子上的永磁体总数为4个(k＝4)，每个永磁体的磁性弧面的弧长l＝2πr/4＝πr/2，第一永磁体组中的永磁体与第二永磁体组中的永磁体错位布置的错位角度为α＝2π/4＝360/4＝90度。在第一永磁体组外周对应设置单向导磁的与第一永磁体组呈同心圆周四等分均匀布置的4个第一定子轭铁3组成的第一定子轭铁组3-1、3-2、3-3、3-4，在第二永磁体外周对应设置单向导磁的与第二永磁体组呈同心圆周四等分均匀布置的4个第二定子轭铁8组成的第二定子轭铁组8-1、8-2、8-3、8-4。每个定子轭铁的宽度与每个永磁体磁性弧面的宽度相同。第一定子轭铁组与第二定子轭铁组相对应的每个定子轭铁间连接固定有4个框架轭铁4(4-1、4-2、4-3、4-4)，在框架轭铁的中部设有与框架轭铁相连接的呈正方口字形闭合的中间轭铁6，中间轭铁将每个框架轭铁工作磁路分成左、右两个部分，在中间轭铁两侧的框架轭铁上分别绕有共8个同心式绕组5(5-1、5-2、5-3、5-4)、7(7-1、7-2、7-3、7-4)，各绕组可采用串联方式，或并联方式，或串并联方式连接，框架轭铁与机座固定连接后构成定子。第一永磁体组与第一定子轭铁组、第二永磁体组与第二定子轭铁组之间形成定子与转子之间的转动间隙δ，与实施例1相同原理当转子被拖动转动时，永磁体转子上一端的N磁性第一永磁体组和另一端的S磁性第二永磁体组同步转动，各永磁体的磁性弧面与各自对应着的定子轭铁的弧表面积发生变化，在定子轭铁、框架轭铁中产生变化磁通，从而在对应的绕组中产生交变电势，绕组连接后输出交流电功率。
本发明发明人按实施例1实施一台永磁交流发电机，主要部件的参数为转子永磁体选用N35SH型Nd-Fe-B高矫顽力永磁材料，永磁体弧面转动半径r＝50毫米，永磁体磁性弧面弧长l＝157毫米、宽度b＝54毫米，永磁体厚15毫米；定子轭铁选用定向冷轧矽钢片，框架轭铁、中间轭铁选用普通热轧矽钢片，定子轭铁轴向方向宽54毫米，弧长方向宽100毫米，总宽120毫米；框架轭铁长400毫米、宽120毫米、高40毫米；绕组选用线径d＝1.6毫米铜线绕制，每组匝数N＝100匝，共400匝。
经内部实测该永磁交流发电机，外施拖动功率N＝0.84-1.2KW，转速46转/秒；永磁交流发电机输出电压320-240伏，输出电流5-8安培，输出功率＝1.6-1.92KW，机电能量转换效率η＝1.9-1.6。
权利要求
1.一种永磁交流发电机，由转轴、端盖、机壳、机座等构成，其特征在于在转轴上连接有与转轴同心的心轴，在心轴的一端装有径向方向磁性的第一永磁体，在心轴的另一端装有与第一永磁体径向方向错位的磁性相反的径向方向磁性的第二永磁体，转轴与端盖转动连接后构成永磁体转子；在第一永磁体外周设置单向导磁的与第一永磁体同心圆周分布的第一定子轭铁，在第二永磁体外周设置单向导磁的与第二永磁体同心圆周分布的并与第一定子轭铁相对应的第二定子轭铁，在第一定子轭铁与第二定子轭铁间连接固定有框架轭铁，在框架轭铁的中部设有与框架轭铁相连接的中间轭铁，在中间轭铁两侧的框架轭铁上分别装有绕组，框架轭铁与机座固定连接后构成定子。
2.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的第一永磁体可以是由至少一个相同弧面、相同磁性的永磁体组成的第一永磁体组，所述的第二永磁体可以是由与第一永磁体组相同个数、相同弧面、相同参数磁性相反的永磁体组成的第二永磁体组。
3.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的第一永磁体组中的永磁体和第二永磁体组中的永磁体沿等圆周等分均匀布置，每个永磁体磁性弧面的最佳弧长是第一永磁体组与第二永磁体组中永磁体个数相加后的永磁体总数等分圆周的弧长度。
4.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的第一永磁体组中的永磁体分别与第二永磁体组中的永磁体径向相对错位布置，错位布置的最佳错位角度是永磁体总数等分圆周的圆心角。
5.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的永磁体沿圆周方向展开形状可为矩形、圆形或其它异形，每个永磁体可以拼合组成也可以不拼合。
6.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的第一定子轭铁的个数是第一永磁体个数的倍数个并沿等分圆周均匀布置组成第一定子轭铁组，所述的第二定子轭铁的个数是第二永磁体个数的倍数个并沿等分圆周均匀布置组成第二定子轭铁组，第一定子轭铁组中的定子轭铁个数与第二定子轭铁组中的定子轭铁个数相同。
7.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的定子轭铁的宽度与永磁体磁性弧面的宽度相同。
8.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的中间轭铁由分别与框架轭铁相连接的轭铁闭合后组成。
9.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于所述的各绕组可串联连接，并联连接，也可串并联连接。
全文摘要
永磁交流发电机属发电机领域。本发明的永磁交流发电机的特点是在转子的一端装有径向方向磁性的第一永磁体，在转子的另一端装有径向方向错位的磁性相反的径向方向磁性的第二永磁体。在永磁体转子的外周设置单向导磁的与永磁体同心圆周分布的定子轭铁，在定子轭铁间连接固定有框架轭铁，在框架轭铁的中部设有与框架轭铁相连接的中间轭铁，在中间轭铁两侧的框架轭铁上分别装有绕组。这种永磁交流发电机具有结构简单、加工制造容易、生产和使用成本低、可靠性高、寿命长、噪音低、机电能量转换效率大于1等特点，可广泛适用于生产、生活等各种场合，推广实施后必将产生较大社会效益和经济效益。
文档编号H02K21/12GK1848611SQ20051001673
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月17日 优先权日2005年4月17日
发明者朱士华, 张利斌 申请人:朱士华, 张利斌