一种新型节能发电机电机说明-(2)-1-1.doc

1 2 3 4 一、电机的结构电机运行时按上图1-4顺序运行（本文假定圆桶形转子顺时针方向旋转）。电机运行如图所示，中间的磁极和外圈电枢定子铁芯都是固定不动的，电机唯一的旋转部份是介于磁极和外圈电枢定子铁芯之间，黄色和灰色相间的圆桶形设备（圆桶形转子）以下将“圆桶形设备（圆桶形转子）”称为“圆桶形转子”其中的黄色部份为磁导率和空气接近的材料，灰色的部份是由硅钢片叠压而成的导磁体。由于圆桶形转子中两个部份材料的磁导率不同，当达到一定厚度时，在圆桶形转子旋转过程中就会在外圈定子电枢铁芯中产生一定量的磁通变化，磁通量的变化会在电枢中感应出电动势并由此产生电流来发电。二、单个导磁体的受力情况由于桶形转子中的导磁体本身没有磁性，导磁体在运动过程中受到磁极磁场及电枢电流在定子铁芯中产生的磁场的磁化作用成为磁体，其靠近磁极及电枢电流合成磁场的一端的极性为与磁极及电枢电流合成磁场极性相异的磁极，受到的力的方向为趋于使气隙缩短的方向（可不可以理解为磁阻转距，好像有一点差别）。而这使得当导磁体接近磁极及电枢电流合成磁场磁极时受到一个转矩，当导磁体离开磁极及电枢电流合成磁场磁极时受到一个相反方向的转矩。为简单起见，以下分析均为单一发电机为单一阻性负载供电时的情况。三、从电机导磁体运行位置进行分析负载时电枢中有电流，此电流产生的磁场与磁极产生磁场相互作用，会对圆桶形转子中的导磁体生作用力，但由于磁极和外圈定子电枢铁芯都是固定不动的，在任一时刻，此电机的磁场环境是以磁极的中轴线为对称轴，左右完全对称的磁场环境。(图中所示虚线) 圆桶形转子顺时针方向旋转此时为导磁体运行90度时的情况5设负载为阻性，即E与I同相位，当电机运行到图5所示位置时，电枢电流及激磁电动势均达到最大值，但由于对称的磁场环境，此时左右两个导磁体受到的力可相互在圆桶形转子上相互抵消，即，无论左边的导磁体受到何种方向及大小的力，右边的导磁体会受到如上图所示，以虚线为对称轴，方向对称，大小相等的力，这两个力可在圆桶形转子上相互抵消。 圆桶形转子顺时针方向旋转此时为导磁体接近磁极时的情况6 当电机运行到如图6所示位置时，此时左右两导磁体受到的力如图所示，不能在圆桶形设转子上相互抵消，此时圆桶形转子会受到一个转矩。圆桶形转子顺时针方向旋转此时为导磁体离开磁极时的情况7但当电机运行到如图7所示位置时(与图6对应的位置，如果图6相位角为150度，则图7相位角为30度)，则此时两个导磁体的受力与图6所示位置比较，也是以虚线为对称轴，大小相等，方向对称的力。注：此处是假设电枢电流为脉动直流的情况且E与I同相位，是不准确的分析，只是为了让大家有一个对称转矩的印象。注：此处可只看图6和图7的上半部份，图6所示上部左边的导磁体转过一个角度后到了图7所示上部右边与之前图6所示对应的位置。只看下半部份也是一样。由上可得，电机运行到图6所示位置时，圆桶形转子会产生一个转矩，但运行到图7所示位置时，圆桶形转子会产生一个方向相反，大小相等的转矩，这两个转矩在时间上不同，但如果在圆桶形转子上加装一个能够足以储存其能量的飞轮，则这两个转矩会在飞轮上抵消。总的来说，这个电机在理想状态下，平均电磁转矩为零，但电端口却有电流的存在。四、从电机运行时电枢电流与主磁场相位分析四一、以下设电枢电动势为直流时的情况注：电枢电动势为直流几乎不可能，但在没有实验之前只是作为一种可能进行论述，因内容与后面电枢电动势为交流时的情况相连贯，所以写出来，或可更好的了解（四二）节的内容。这个电机内磁通波形和电动势的波形应该是如下图8所示，其中绿色曲线为主磁通变化的波形，红色曲线为电动势的波形，若E与I同相，则该曲线也可以作为电流的波形，下图显示，当主磁通减小时电流增加，主磁通减小至零时，电流为最大值，此时电流为增磁作用，当主磁通增大时电流减小，主磁通增加至最大时，电流为零。但这样看主磁通的波形与电动势的波形之间的相位之间好像存在一点问题，之所以出现这样的波形，是由于这个电机内的磁极和外定子都是固定不可动的，电机的唯一运动部分是介于它们之间的圆桶形转子，因为圆桶形转子中的导磁体本身没有极性(不计磁滞)，只是起到导通和阻断磁路的作用，圆桶形转子虽然是在做圆周的机械运动，但电机内主磁场周期为180度，因此这个电机与其它电机电枢电动势为交流不同，运行时，电机内主磁场为脉动磁场(可不可以看作直流磁路)，电枢电动势为脉动直流，周期为180度，这样当电动势滞后磁通90度后就会出现这样的波形，且负载时若E与I同相，则电流波形也是该曲线，若电流波形基本为正弦波，在下图8中，当电机运行到图6位置和图7位置时，因为这两位置中相位角上是对称的，所以，电机运行到图6位置时电流和磁极主磁场的瞬时值大小与电机运行到图7位置时电流和磁极主磁场的瞬时值大小相等。因为这个电机的主磁极与定子是相对静止不动的，应该不存在因电枢电流作用使电机内磁场的相对位置发生改变情况，脉动直流虽有交流分量，但电流的实际方向并没有反转，所以在此情况下电枢电流为增磁性的。 8上图8中由A至B区间内均为图7所处位置，由B至A区间内均为图6所处位置，图中的A点(下标图1所处的位置)可近似地看作之前所说的使电机内磁场环境对称的轴线(此处表达有问题)，在图中标出了几个具有代表性的图6和图7所处瞬时位置的点，能较好地反映电机内主磁场及电流的状态，分别用紫色和蓝色在图中作了标注，观察上图会发现导磁体处于对称的机械位置时电机内主磁通的瞬时值和电枢电流的瞬时值也是对称的，由此所产生的电磁转矩也应该是在电机内以虚线为对称轴对称的。因为这种对称关系的存在，导致圆桶形转子中的导磁体受到平均电磁转矩为零，但电端口却有电流的存在，向外输出了电能。注：电枢电流为直流好像不符合磁通变化与电动势变化之间的规律，以下论述似乎更接近真实情况。四二、以下设电枢电动势为交流时的情况之所以认为电枢电动势为交流是因为这个电机的主磁极磁场方向虽然没有变化但磁通的变化方向是有变化的，而磁通的变化方向与电动势方向相关，当通过线圈的磁通变化方向有变化时，即存在正负的情况，就会产生交流电动势，如果电枢电动势是交流的，这个电机内磁通波形和电动势的波形应该是如下图9所示，其中绿色曲线为主磁通变化的波形，红色曲线为电动势的波形，若E与I同相，则该曲线也可以作为电流的波形，这样的波形似乎更符合磁通与电动势变化的规律。同样因为这个电机的主磁极与定子是相对静止不动的，应该不存在因电枢电流作用使电机内磁场相对位置发生改变情况，但由于电流为交流就会存在当电流为正时为增磁作用，当电流为负时为去磁作用。下图9中由A至B区间内均为图7所处位置，由B至A区间内均为图6所处位置，图中的A点(下标图1所处的位置)可近似地看作之前所说的使电机内磁场环境对称的轴线(此处表达有问题)，在图中标出了几个具有代表性的图6和图7所处瞬时位置的点，能较好地反映电机内主磁场及电流的状态，分别用紫色和蓝色在图中作了标注，观察下图会发现当电机运行到图6所处位置时，圆桶形转子中的导磁体基本处于电枢电流去磁作用周期内，当电机运行到图7所处位置时，圆桶形转子中的导磁体基本处于电枢电流增磁作用周期内，这样就不存在之前所说的对称情况了。 9电机运行到图6所处位置时电枢电流为去磁作用，此时电机内磁场可认为是如下图10所示，电枢电流在定子内产生一个与磁极磁场方向相反的磁场，可看作磁极N极所对应定子区域电枢电流产生的磁场极性为N极，同样，磁极S极所对应定子区域电枢电流产生的磁场极性为S极。圆桶形转子顺时针方向旋转此时为导磁体接近磁极时的情况10电机运行到图7所处位置时电枢电流为增磁作用，此时电机内磁场可认为是如下图11所示，电枢电流在定子内产生一个与磁极磁场方向相同的磁场，可看作磁极N极所对应定子区域电枢电流产生的磁场极性为S极，同样，磁极S极所对应定子区域电枢电流产生的磁场极性为N极。圆桶形转子顺时针方向旋转此时为导磁体离开磁极时的情况11 12这里有一个小实验如果在两个磁铁的同性磁极之间插入一个铁磁材料的小块(比如小铁块)，如上图12所示，在小铁块运动到靠近两个同性磁极之间时由于磁化作用，小铁块会被磁化成如上图所示的样子，靠近两个磁铁同性磁极的的一端会被磁化成与这两个同性磁极相异性的磁极，小铁块受到的力如上图箭头所示，受到的力的方向为趋于使气隙缩短的方向。 13如果在两个磁铁的异性磁极之间插入一个小铁块，如上图13所示，在小铁块运动到靠近两个同性磁极之间时由于磁化作用，小铁块会被磁化成如上图所示的样子，靠近两个磁铁异性磁极的的一端会被磁化成与这两个异性磁极相异性的磁极，小铁块受到的力如下图箭头所示，受到的力的方向为趋于使气隙缩短的方向。从图12及图13可以看出，铁块在移入两磁极之间的受力过程与铁块移出两磁极之间的受力过程是一个互为相反的过程。这是之前做过的一个实验，我本以为图12的情况下小铁块受到的力会很小，因为图12的情况下互为相反的两个磁场会相互抵消，但事实刚好与我实验前的想像相反，图12的情况下，小铁块受到的力似乎比图13的情况下小铁块受到的力还要大一些，以上两个图是后来为解释这种现象才画出的，不知道这个解释是不是合理，但图12的情况下小铁块受到的力比图13的情况下受到的力大却是事实。这个实验很简单，随便找两块磁铁和一个铁块做个实验就可以验证。之所以在这里要说这个实验是因为前面所分析的在电枢电流为交流的情况下，电枢电流在去磁作用周期内时，定子铁芯形成的磁场的极性与磁极磁场的极性以及圆桶形转子中的导磁体三者的关系如图10所示，与图12中的关系是一样的，而图9显示，电枢电流为去磁作用周期内时圆桶形转子中的导磁体正处于由两同性磁极之外向两同性磁极之间运动的过程，在这个过程的前半部份，导磁体会受到一个加速的力，在这个过程的后半部份，导磁体会受到一个减速的力，这两个半部份过程导磁体受到的力是互为相反的，应该可以相互抵消一部份，但从图9看，好像不能完全抵消，总的来说还是有加速的成份（此处有待进一步求证），按照图12实验的结果，这个力是相对比较大的力。电枢电流在增磁作用周期内时，定子铁芯形成的磁场的极性与磁极磁场的极性以及圆桶形转子中的导磁体三者的关系和如11所示，与图13中的关系是一样的，而图9显示，电枢电流为增磁作用时圆桶形转子中的导磁体正处于两异性磁极之间向两异性磁极之外运动的过程，在这个过程的前半部份，导磁体会受到一个加速的力，在这个过程的后半部份，导磁体会受到一个减速的力，这两个半部份过程导磁体受到的力也是互为相反的，也应该可以相互抵消一部份，但从图9看，好像也不能完全抵消，总的来说还是有减速的成份（此处有待进一步求证），按照图13实验的结果，这个力是相对比较小的力。如果按以上分析，这个电机在运行中除了电枢电流的输出外，圆桶形转子似乎还有加速的趋势。这个电机结构比较复杂，功率密度可能也会比较低，但发电过程中用的最多的是能源，如果能节能上述的问题就不太重要了，这个电机还可以作一些调整，比如将定子中与磁极对应的位置制作成内凸极的，这样桶形转子在两个凸极间运动，导磁体受到的就只有磁阻转矩，这样电机运行时电枢电流方向对导磁体受到的力的影响会不会有所改变（以下有比较详细的说明），还有就是磁极用较小的永磁，在磁极上绕制线圈，利用其自己感应的电流进行励磁，这样励磁电流就和电枢电流相位基本相同，不知道结果会是什么样，这里不能瞎猜。电机的电磁转矩实质上是电机内磁场相互作用的结果，这个电机的结构与以往的电机不同，电机内没有旋转磁场，磁极磁场和定子电枢电流所产的的磁场是两个位置相对固定的磁场，导磁体在这两个磁场之间运动。以上是假设电枢电动势为直流和交流两种情况进行的分析，事实上只可能出现其中的一种情况，这就需要精确的理论分析并用样机进行实验验证，而不是像我这样在这里猜测，希望进行深入研究。马嘉锟2013.02电话18999590103邮箱： 附：假设将电机变形时的情况如果将此电机作如下图14所示的变形就会更直观一些。14下图15，在桶形转子旋转过程中，主磁通会产生变化，此变化是由于导磁体与两凸极的相对运动使磁路气隙变化产生的，但磁极的B场强度基本不变。电枢电流的变化会使得定子铁芯的B场随电枢电流的变化而变化，且其波形与电流波形同相位。图6所在位置是导磁体由外旋转进入两凸极之间，此时电枢产生的磁场与磁极磁场方向相反，两凸极与导磁体的关系与图12所示一样，此时导磁体会受到一个使之加速的磁阻转矩，图7所在位置是导磁体由两凸极之间向外旋转的过程