专利名称：磁能发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电装置，尤其是利用永磁体磁能发电的磁能发电机。
(二)
背景技术：
目前，已知利用永磁体磁能发电的发电装置有中国专利申请02110875.7号 所述的磁动发电机。上述磁动发电机包括磁动部分和发电部分。它的磁动部分由 装有7l^体的转子和定子构成，任务是借助磁斥力驱动转子揭:取7Jat体的磁能并 将这些磁能转换为机械能。它的发电部分由定子电枢和装有永磁体的转子构成， 任务是将磁动部分发生的M能转换为电能向外界输出。但是，由于在实践中所 述磁动部分难以提取7^Cf兹体的磁能并将这些磁能转换为机械能，上述现有技术不 能实现利用^体磁能发电的任务。
(三)
发明内容
针对克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种能利用#体磁能
发电的磁能发电机。该磁能发电机被激活后，能长期、高效地提取7JC磁体的磁能
并把这些磁能以机械能的形式大量储存起来再以电能的形式向外界输出。 本发明的技术方案如下
一种磁能发电机，它包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮、两套电机装置和
控制器。
上述高真空密封壳体的壳身正对飞轮轮盘径向外缘处，设有用于防止飞轮轮 盘碎片外逸的安全墙。所述安全墙的轴向长度略大于飞轮轮盘的轴向长度，它采 用高强纤维短丝增强树脂材料制造或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂粘合而成， 它的厚度与实现防止飞轮轮盘碎片外逸的任务相适应。
上述磁轴承包括用于磁悬浮运动支承的永磁材料部件对和用于防止所述永 磁材料部件对发生自我碰撞的替代碰撞部件对。组成所迷替代碰撞部件对的两个 替代碰撞部件均采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，它们分别固定在高真空密
4封壳体和飞轮转轴上，它们的最大间隙小于所对应的永磁材料部件对的最大间 隙，而且发生碰撞时的碰撞处位于飞轮转轴的中轴线上或中轴线附近。上述飞轮包括转轴和固定连接在转轴上的轮盘。所述轮盘径向依任务划分为 内环、中环和外环等三个圓环。内环的任务是把中环固定在转轴上和让中环在保证高速运行可靠性的前提下有最大旋转半径,它采用高强纤维短丝增强树脂材料 制造。中环的任务是提供转动惯量，它是一个钢环或是一个均匀地插布有轴向钢 管的高强纤维短丝增强树脂材料虚拟圆环。外环的任务是提高中环承受离心力作 用的能力和在中环损坏时防止其破碎物外逸，它采用高强纤维短丝增强树脂材料 制造或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂粘合而成。上述两套电机装置都是旋转永磁磁极式电机装置，它们的永磁磁极或定子电 枢都可以受控轴向移动从而改变能量转换的量值(因为轴向移动永>#磁极或定子 电枢可以改变工作磁通量值而工作磁通量值与能量转换量值成正比)。所述永磁 磁极位于飞轮转轴上，与飞轮轮盘同步旋转。上述控制器包括用于控制两套电机装置工况、能量转换量值和能量流向的控制电路及其辅助设施。所述辅助设施包括用于监测永磁磁极转速的i殳施和用于轴 向移动永磁磁极或定子电枢的设施。控制器的控制模式包括1、 在外界有电流输入(磁能发电机被激活阶段)而永磁磁极转速未达到额 定最大值(额定最大值是指能正常工作的最大值。由于所述7JC^磁极与飞轮轮盘同步旋转，所以它们的额定最大值等价；又由于飞轮轮盘釆用适宜以极高速旋转 的材料和结构，因此其额定最大值可以非常大，例如每分钟250000转)时，令 两套电机装置处于能量转换最大量值的电动工况。2、 在外界有电流输入而永磁磁极转速达到额定最大值时，停止外界电流输 入和令两套电机装置处于能量转换量值为零的关停工况。3、 在外界无电流输入和无需向外界供电(磁能发电机待机阶段)而永磁磁 极转速未达到额定最大值时，令两套电机装置分别处于能量转换最大量值的发电 工况和电动工况，并将处于发电工况电机装置所生电能向处于电动工况电机装置 的定子电枢输出。4 、在外界无电流输入和无需向外界供电而永磁磁极转速达到额定最大值时， 令两套电机装置处于能量转换量值为零的关停工况。5、 在需要向外界正常供电(磁能发电机正常发电阶段)而M磁极转速达 到额定最小值(额定最小值是指能正常工作的最小值。由于通常发电机装置的永 磁磁极转速低于每分钟3000转时发电量很小，难以完成下述在向外^电的同 时维持永磁磁极实时转速的任务，因此所述额定最小值不宜低于每分钟3000转) 时，令两套电机装置分别处于发电工况和电动工况，并将处于发电工况电机装置 所生电能分别向外界和处于电动工况电机装置的定子电枢输出，从而在向外界供 电的同时维持^c^^^极的实时转速。6、 在需要向外界正常供电而永磁磁极转速未达到额定最小值时，令两套电 机装置处于发电工况，并将所生电能全部向外界输出。7、 在需要向外界菲正常供电时(例如需要飞轮轮盘停转，也就是需要磁能 发电机脱离激活状态时)，令两套电机装置处于能量转换最大量值的发电工况， 并将所生电能全部向外界输出。本发明能够达成目的理由在于1、由于本发明的电机装置是7^c磁电机装置，其转换出来的标的能量中包括 永磁体磁能贡献的份额(例如普通^c磁电机装置的效率通常比电励磁电机装置提 高15-20%,所提高部分便属于磁能贡献的份额)，也就是说，它们进行机电(或 电机)能量转换时也在提取M体的磁能，因此本发明的电机装置被激活后能够提取永磁体的磁能。又由于永磁电机装置提取7JC^体磁能的量值与其永磁磁极的转速成正比(根据7^c磁电机装置的能量转换公式E-C(J)n，式中c是转矩常 数，4 是永磁磁极的气隙磁通，n是7^磁极的转速，E是标的能量，其中包括 7JC^体磁能贡献的份额)而本发明永磁磁极的额定最大转速可以非常大，能提取 到的磁能量值也就非常大，因此本发明能够高效地提取7lUt体的磁能。2、由于本发明的能大量储能的飞轮轮盘(因为飞轮轮盘提供转动惯量的中 环受外环保护转速可以非常大和被内环支持有最大旋转半径)与电机装置的永磁磁极同步旋转，因此它能够将电机装置提取的7lU^体的磁能以M能的形式大量储存起来，再通过电机装置以电能的形式向外界输出。3、由于本发明的高真空密封壳体和磁轴承提供了机喊能耗小到可以忽略不 计的工作环境与及在控制器的控制下两套电机装置可以互馈能量，飞轮轮盘和电 机装置的永磁磁极上的机械能在磁能发电机的待机阶段只有增加而不会损耗，在6磁能发电机的正常发电阶段仍然保持在额定最小值，因此本发明被激活后能够长 期保持激活状态，也就是i兌能够长期工作。下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。(四)
附图1是依据本发明的一种磁能发电机结构示意图。 附图2是依据本发明的又一种磁能发电机结构示意图。
具体实施方式
在本发明的实施例中，磁能发电机结构如附图l和附图2所示，它们都包括 高真空密封壳体(l)、磁轴承(2)、飞轮(3)、两套电机装置(4)和(5)与及控制器 (6)。上述高真空(通常气压低于10—4Pa属于高真空)密封壳体(l)的壳身正对飞轮轮盘(3b)径向外缘处，设有用于防止飞轮轮盘碎片外逸的安全墙(la)。安全 墙(la)的轴向长度略大于飞轮轮盘(3b)的轴向长度，它的厚度与实现防止飞轮轮 盘(3b)碎片外逸的任务相适应。在附图1中，安全墙(la)采用高强纤维(例如 碳纤维或玻璃纤维)短丝增强树脂(例如环氧树脂)材料制造。在附图2中，安全 墙(la)采用高强纤维长丝层层缠绕以树脂粘合而成。上述磁轴承(2)包括用于磁悬浮运动支承的永磁材料部件对(2a)和用于防 止永磁材料部件对(2a)发生自我碰撞的替代碰撞部件对(2b)。为了达成防止永磁 材料部件对(2a)发生自我碰撞的目的，组成替代碰撞部件对(2b)的两个替代碰撞 部件分别固定在高真空密封壳体和飞轮转轴上，它们的最大间隙小于所对应的永 磁材料部件对的最大间隙。为了提高替^撞部件对(2b)的高速运行可靠性，组 成替代碰撞部件对(2b)的两个替代碰撞部件均采用极耐碰撞的高强纤维短丝增 强树脂材料制造，而且，为了减少撞击力，替代碰撞部件对(2b)发生自我碰撞时 的碰撞处位于飞轮转轴(3a)的中轴线上或中轴线附近。上述飞轮(3)包括转轴(3a)和固定连接在转轴上的轮盘(3b)。所述轮盘径向 依任务划分为内环(3ba)、中环(3bb)和外环(3bc)等三个圓环。内环(3ba)的任务 是把中环(3bb)固定在转轴(3a)上和让中环(3bb)在保证高速运行可靠性的前提 下有最大旋转半径，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造。中环(3bb)的任务 是提供转动惯量，在附图1中，它是一个钢环；在附图2中，它是一个均匀地插布有轴向钢管(3bba)的高强纤维短丝增强树脂材料虚拟圓环。外环(3bc)的任务 是提高中环(3bb)承受离心力作用的能力和在中环(3bb)损坏时防止其破碎物外 逸，在附图1中，外环(3bc)采用高强纤维短丝增强树脂材料制造；在附图2中， 外环(3bc)采用高强纤维长丝层层缠绕以树脂粘合而成。上述电机装置(4)和(5)都是旋转永Jt磁极式电机装置。电机装置(4)包括永 磁磁极(4a)和定子电枢(4b)。电机装置(5)包括永磁磁极(5a)和定子电枢(5b)。 永磁磁极(4a)和(5a)都位于飞轮转轴(3a)上，与飞轮轮盘(3b)同步旋转。在附图 l中，永磁磁极(4a)和(5a)可以在控制器(6)的控制下轴向移动从而改变电机装 置(4)能量转换的量值。在附图2中，定子电枢(4b)和(5b)可以在控制器(6)的 控制下轴向移动从而改变电机装置(5)能量转换的量值。上述控制器(6)包括用于控制电机装置(4)和(5)的工况、能量转换量值和能 量流向的控制电路(6a)及其辅助设施(6b)。在附图1中，辅助设施(6b)包括用于 监测永磁磁极转速的设施(6ba)和用于轴向移动永磁磁极的设施(6bb)。在附图2 中，辅助设施(6b)包括用于监测永磁磁极转速的设施(6ba)和用于轴向移动定子 电枢的设施(6bc)。
控制器(6)的控制模式包括1、 在外界有电流输入(磁能发电机被激活阶段)而永磁磁极转速未达到额 定最大值(实施例的所述额定最大值是每分钟250000转)时，通过轴向移动永 磁磁极或定子电枢，令电机装置(4)和(5)处于能量转换最大量值(此时永磁磁极 与定子电枢的相对位置如附图1所示)的电动工况。2、 在外界有电流输入而永磁磁极转速达到额定最大值时，停止外界电流输 入并令电机装置(4)和(5)处于能量转换量值为零(此时^磁极与定子电枢的相 对位置如附图2所示)的关停工况。3、 在外界无电流输入和无需向外界供电(磁能发电机待机阶段)而永磁磁 极转速未达到额定最大值时，令电机装置(4)处于能量转换最大量值的发电工况 和令电机装置(5)处于能量转换最大量值的电动工况，并将电机装置(4)所生电能 向电机装置(5)的定子电枢输出。4、 在外界无电流输入和无需向外^供电而7JUt磁极转速达到额定最大值时， 令电机装置(4)和(5)处于能量转换量值为零的关停工况。5、 在需要向外界正常供电(磁能发电机正常发电阶段)而永磁磁极转速未8达到额定最小值(实施例的所述额定最小值是每分钟3000转)时，令电机装置 (4)和(5)处于发电工况，并将所生电能全部向外界输出。
6、 在需要向外界正常供电而永磁磁极转速达到额定最小值时，令电机装置 (4)处于发电工况和电机装置(5)处于电动工况，并将电机装置(4)所生电能分别 向外界和电机装置(5)的定子电枢输出，从而在向外界供电的同时维持永磁磁极 实时转速。
、 在需要向外界非正常供电时(例如需要磁能发电机脱离激活状态时)，令 电机装置(4)和(5)处于能量转换最大量值的发电工况，并将所生电能全部向外界 输出。通过上述实施例，本专业的普通技术人员应能了解本发明的实质，而且明白 在该实质的前提下不难对实施例的细微之处作出各种各样调整和变化，所以本发 明不局限于上述实施例，只要涉及权利要求所述特征均属于本发明的范围。
权利要求
1、一种磁能发电机，其特征在于它包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮、两套电机装置和控制器；上述高真空密封壳体的壳身正对飞轮轮盘径向外缘处，设有用于防止飞轮轮盘碎片外逸的安全墙，所述安全墙的轴向长度略大于飞轮轮盘的轴向长度，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂粘合而成，它的厚度与实现防止飞轮轮盘碎片外逸的任务相适应；上述磁轴承包括用于磁悬浮运动支承的永磁材料部件对和用于防止所述永磁材料部件对发生自我碰撞的替代碰撞部件对，组成所述替代碰撞部件对的两个替代碰撞部件均采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，它们分别固定在高真空密封壳体和飞轮转轴上，它们的最大间隙小于所对应的永磁材料部件对的最大间隙，而且发生碰撞时的碰撞处位于飞轮转轴的中轴线上或中轴线附近；上述飞轮包括转轴和固定连接在转轴上的轮盘，所述轮盘径向依任务划分为内环、中环和外环等三个圆环，内环的任务是把中环固定在转轴上和让中环在保证高速运行可靠性的前提下有最大旋转半径，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，中环的任务是提供转动惯量，它是一个钢环或是一个均匀地插布有轴向钢管的高强纤维短丝增强树脂材料虚拟圆环，外环的任务是提高中环承受离心力作用的能力和在中环损坏时防止其破碎物外逸，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂粘合而成；上述两套电机装置都是旋转永磁磁极式电机装置，它们的永磁磁极或定子电枢都可以受控轴向移动从而改变能量转换的量值，所述永磁磁极位于飞轮转轴上，与飞轮轮盘同步旋转；上述控制器包括用于控制两套电机装置工况、能量转换量值和能量流向的控制电路及其辅助设施，所述辅助设施包括用于监测永磁磁极转速的设施和用于轴向移动永磁磁极或定子电枢的设施，控制器的控制模式包括在外界有电流输入而永磁磁极转速未达到额定最大值时，令两套电机装置处于能量转换最大量值的电动工况，在外界有电流输入而永磁磁极转速达到额定最大值时，停止外界电流输入和令两套电机装置处于能量转换量值为零的关停工况，在外界无电流输入和无需向外界供电而永磁磁极转速未达到额定最大值时，令两套电机装置分别处于能量转换最大量值的发电工况和电动工况，并将处于发电工况电机装置所生电能向处于电动工况电机装置的定子电枢输出，在外界无电流输入和无需向外界供电而永磁磁极转速达到额定最大值时，令两套电机装置处于能量转换量值为零的关停工况，在需要向外界正常供电而永磁磁极转速达到额定最小值时，令两套电机装置分别处于发电工况和电动工况，并将处于发电工况电机装置所生电能分别向外界和处于电动工况电机装置的定子电枢输出，从而在向外界供电的同时维持永磁磁极的实时转速，在需要向外界正常供电而永磁磁极转速未达到额定最小值时，令两套电机装置处于发电工况，并将所生电能全部向外界输出，在需要向外界非正常供电时，令两套电机装置处于能量转换最大量值的发电工况，并将所生电能全部向外界输出。
全文摘要
本发明公开了一种能利用永磁体磁能发电的磁能发电机。它包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮、两套电机装置和控制器。所述飞轮用于储能，它能高速旋转。所述两套电机装置用于提取永磁体的磁能，借助其永磁磁极与飞轮同步旋转，它们可以在控制器的控制下互馈能量从而长期保持工作状态。该磁能发电机被激活后，能长期、高效地提取永磁体的磁能并把这些磁能以机械能的形式大量储存起来再以电能的形式向外界输出。
文档编号H02N11/00GK101557182SQ20091005140
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月18日 优先权日2009年5月18日
发明者密 严, 唐荫溥 申请人:严 密;唐荫溥