专利名称：不可逆交流发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁电感应领域，确切的说是不可逆交流发电装置。
背景技术：
磁和电以不同的形式存在于自然界中，人类为了利用电或磁通常根据需要运用不同的方法使电磁相互转换。如三相同步电机就是一种磁电相互转换的装置，有时候利用该装置发电作为发电机使用，也可把三相同步电机接通三相交流电源当作电动机使用。所以三相同步电机是一种磁电可以相互转换、具有可逆性的装置。通常人们把这种电磁转换现象称为电磁感应现象，电磁感应现象遵循电磁感应定律。其中磁转换电的方法可分为两类，一类是闭合回路所包围的面积通过的磁通量(磁感应强度的通量)发生变化时，回路中会产生感生电流；另一类是导体(闭合回路中的一部分)在磁场中运动切割磁力线时在导体中也会产生感生电流。对于前一类磁电转换的例子很多，如变压器工作时副边线圈内的电流是由于原线圈内电流产生的磁场的变化而感应产生的，其变换过程为首先电变换为磁然后再由磁转换为电。变压器即可以作为升压装备也可作为降压装备使用，所以变压器具有可逆性。变压器的工作原理符合楞次定律，即原线圈内的电流产生的变化磁场转换为副线圈内的感生电流时，副线圈内的感生电流产生的磁通量，总是企图或反抗原线圈内电流产生的磁通量的改变。
发明内容
本发明涉及不可逆交流发电装置。为了说明本发明的发电原理，先做三个电磁转换的实验。参照附图1，给绕在铁心I上的线圈6接通直流电源5时，线圈6的绕法为从铁心I的任意一端看去都是顺时针。线圈6内的电流在铁心I内感应产生磁场，根据流入线圈6的电流方向2，再根据右手 螺旋定则判定铁心I的左端为N极右端为S极。参照图2，同样在铁心Ia上缠绕线圈6，所不同的是线圈的绕法变为:用同一根电磁线分别顺时针和逆时针各绕总圈数的二分之一圈。当闭合开关4，给绕在铁心Ia上的线圈6接通直流电源5并串联负载3时铁心Ia不呈现磁性。其原因为:线圈6的左端一半线圈和右边的一半线圈内的电流同样在铁心Ia内感应产生磁场；根据流入线圈6的电流方向2，再根据右手螺旋定则判定:线圈6内左端部分线圈使铁心Ia的左端为N极右端为S极，右端线圈使铁心Ia的左端为S极右端为N极，根据叠加原理得铁心Ia不呈现磁性。参照图3，线圈6的左端一半线圈和右端的一半线圈的绕向相同，只是接法与图2不同，把右端线圈的首端与左端线圈的首端连接使两端的线圈组成一个线圈。同样闭合开关4，给绕在铁心Ib上的线圈6接通直流电源5并串联负载3时铁心Ib也不呈现磁性。其原理为:线圈6内的电流同样在铁心Ib内感应产生磁场，根据流入线圈6的电流方向2，由右手螺旋定则判定:线圈6的左端部分线圈使铁心Ib的左端为N极右端为S极,右端部分线圈使铁心Ib的左端为S极右端为N极，根据叠加原理得铁心Ib也不呈现磁性。
以上图2、图3所示的两个实验线圈绕在同一段铁磁质铁心上，如果将以上实验线圈绕在闭合铁心上再重复上述的实验结果相同。以上两个实验线圈内有电流通过时铁心内不呈现磁性，该现象可由铁磁质的磁畴理论来分析解释，因为铁心的材质为铁磁质材料，符合磁畴理论的条件。在图2、图3中铁心la、lb内，当线圈6内有电流流动，由于左端一半线圈和右端一半线圈通过的电流方向相反，产生的磁通量相等方向相反，实际作用在铁心上的外磁场的代数和为零，所以铁心不呈现磁性。总结以上实验可得以下结论:“两个或两个以上(偶数)圈数相等且绕在同一铁心上的线圈，不管用什么方法连接，当线圈内有电流通过时，使相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，那么该铁心不呈现磁性”。结论中，铁心不呈现磁性与作用在线圈两端的电压及通过电流的大小无关；所说的两个或两个以上(偶数)连接成一个线圈，作为不可逆交流发电装置的感应线圈；所说的相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，是指邻线圈内电流产生的磁场在闭合磁路内的方向相反。本发明正是利用了这一结论，提供了不可逆交流发电装置。不可逆交流发电装置可通过下列两种方法来实现。方法一如图4、图5所示的方法一涉及一种采用类似变压器的日子形铁心结构形式的不可逆交流发装备。励磁线圈13相对感应线圈14a、14b静止的不可逆交流发电装置，该装置的结构形式可参照图4来说明。在图4中，铁心7的形状类似变压器的日字形铁心。铁心7有三个心柱，其中中间一个心柱用于缠绕励磁线圈13，中间心柱与铁心上端断开并设置有间隙8，也可以设置为中间心柱的下端也与日字形铁心的下端设置有间隙；感应线圈14a、14b分别绕在日字形铁心7两侧的心柱上且圈数相等，线圈14a、14b的绕法为:从日字形铁心7上面一侧看去右端线圈14a的绕法为逆时针、左端线圈14b的绕法为顺时针；线圈14a和线圈14b的连接方法为两线圈的首端连接。采用类似变压器的日子形铁心结构形式的不可逆交流发电装置的磁电转换原理可参照图4、图5加以说明。在图4中，如果将两边心柱上的两个线圈14a和14b按图4所示的方法串联在一起并与交流电源10连接。当闭合开关12时，电源电流在线圈14a、14b内便形成串联闭合回路。此时根据电流的方向2和右手螺旋定则可判断出线圈14a和线圈14b各自所产生的磁场方向。在图4所示的瞬间，线圈14a和线圈14b内电流产生的磁场的磁路均为沿日字形铁心7的外环闭合，其中右边线圈14b产生的磁场方向9用空心箭头表不、左边线圈14a广生的磁场方向11用实心箭头表不。可见由于右端的线圈14a和左端的线圈14b产生的磁场方向在铁心7内方向相反，所以此时铁心7不呈现磁性，其结果和图
2、图3的实验结果相同。另外在这期间由于日字形铁心7不呈现磁性，所以没有磁通穿过中间心柱上绕的线圈13所包围的面积，在线圈13中也就不会产生感生电动势和电流感生。如图5所示,如果给励磁线圈13接通正弦交流电源16,或交流电源16用直流电源再通过逆变器获得。设此瞬间电流的方向17用实心箭头表示，并使线圈14a、14b与负载15形成闭合回路。那么此瞬间线圈13内电流产生的磁场18通过间隙8及铁心7的外环形成左右两条回路，通电线圈13产生的磁场18的方向可根据右手螺旋定则判断。此瞬间磁场18分别穿过感应线圈14a和线圈14b所包围的面积并产生感生电动势和感生电流2。此时感生电流2通过负载15、开关12形成闭合回路。另外由于感应线圈14a和感应线圈14b内的感生电流产生的磁场对日字形铁心7没有影响。此时铁心7内所呈现的磁性是通电线圈13内的电流单独产生的。总之以图4、图5所述的采用类似变压器的日子形铁心结构形式的交流发电装置的特点为:第一没有可逆性，当给线圈14a、14b接通交流电时，铁心7不呈现磁性，没有穿过线圈13的磁通，线圈13中没有感生电动势和感生电流产生；当给励磁线圈13接通交流电源时在感应线圈14a和14b内产生感应交流电。第二其结构特点是，铁心7采用日字形且在中间心柱上设置有间隙8。第三是励磁线圈13和感应线圈14a、14b在空间位置上相对静止。另外，从效果上看好像与楞次定律相矛盾，实际上用电磁感应理论来分析上述的交流发电过程与楞次定律不相矛盾，因为如果单独分析励磁线圈13与感应线圈14a或感应线圈14b两两之间的磁磁关系，完全符合楞次定律，即感生电流产生的磁场的方向，总是企图使感生电流本身所产生的通过回路面积的磁通量，去补偿或者说反抗引起感应电流的磁通的改变。图5所示的交流发电中感应电流产生的磁场不是没有去补偿或反抗引起感生电流的磁通的改变，而是因为图4和图5所示的铁心7装置不同于常规的日字形铁心的结构形式，再就是感应线圈14a和14b圈数相等、感生电流的方向相反,产生的磁场方向也相反从而使该交流发电装置没有可逆性。以上所述的采用类似变压器的日子形铁心结构形式的不可逆交流发电装置，利用该结构形式即可制造单相不可逆交流发电装备也制造成三相不可逆交流发电装备。当用日字形铁心制造三相不可逆交流发电装置时，是将三个相同的单相日字形铁心的不可逆交流发电装置组合在一起，然后将三个励磁线圈和三个感应线圈分别按星形法连接。方法二图6所示的方法二涉及一种采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式的不可逆交流发电装置。励磁磁极21a相对磁感应线圈20a、20b、20c、20d旋转的不可逆交流发电装置。该装置的结构形式可参照图6、图7和图8来说明。图6所示的是三相不可逆交流发电装置其中一相的横截面示意图。定子铁心19为环形装配固定在壳体25内；转子21位于在定子铁心19中间，转子21轴的两端与壳体25的端盖旋转装配成一体，转子有四个磁极21a。图7表示定子四极环形铁心19的结构，定子四极铁心19也可以设计为六极以上的偶数极；环形铁心19外侧设置有凸檐19a，内侧设有凸檐19b，环形铁心19内外形成的凹处用于沿径向绕置感应线圈20a、20b、20c、20d，感应线圈20a、20b、20c、20d在定子铁心上的绕法为:如果从线圈20a的左上端沿逆时针方向向感应线圈看去，其中感应线圈20a顺时针缠绕、感应线圈20b逆时针缠绕、感应线圈20c顺时针缠绕、感应线圈20d逆时针缠绕。图8表示转子21四极的结构形式，该转子也可以设为六极以上的偶数极；转子21上设置有永久磁铁21a,永久磁铁21a的N极S极的排序为:从转子磁极的内右侧起逆时针旋转依次为N — S — N — S ;转子磁场也可由励磁线圈内的电流提供。一种采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式的不可逆交流发电装置，其交流发电原理可参照图6和图9所示的方法来说明。图6表示转子21逆时针旋转至转子21的各磁极21a恰好与定子铁心19上所设置在内测的凸檐19a相对的瞬间位置。在图9中，当给感应线圈20a、20b、20c、20d接通交流电源26且串联有负载24，当闭合控制开关23时线圈20a、20b、20c、20d便有同一强度的电流通过。根据右手螺旋定则可以判断出线圈20a、线圈20b、线圈20c和线圈20d各自在铁心19内产生各自的磁场方向27。再根据图2、图3所示的实验得出的结论，可判定此时定子铁心19不呈现磁性。在图6中21表示转子磁力线的方向；23表示感应线圈上的控制开关；24表示串联在感应线圈上的负载。当转子21逆时针旋转、开关23断开时，转子磁力线21穿过定子线圈20a、20b、20c、20d所包围的面积发生变化产生感应电动势；定子铁心19内只呈现转子励磁磁场。当开关23闭合转子磁场旋转时，感应线圈20a、20b、20c、20d内产生的感应电流产生的感应磁场对转子磁场也没有影响，所以定子铁心19内也只呈现转子励磁磁场。图10表示转子磁极21a旋转至与定子铁心19的凹处相对的位置，此时转子磁场切割定子线圈内侧部分导线，在感应线圈内也产生感生电流。此时转子磁极21a受安培力的阻碍作用，定子铁心19内仍然只呈现转子磁场。上述的是采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式，其特征在于三个独立定子铁心的每片圆环铁心的内侧外侧都利用冲床加工成凹凸形状；内侧外侧的凹处用来沿径向缠绕感应线圈；圆环的内侧凸显部分用来传导转子磁通；圆环的外侧凸显部分用来与装置的壳体相配合装配。对于三相交流电的不可逆交流发电装置，是将三个独立的定子绕组依次装入不可逆交流发电装置的壳体内，并且三个独立的定子绕组在空间相差120°、三个定子绕组用同一结构形式的转子励磁磁场和三个定子绕组按星形法连接。具体的方法为:将三个感应线圈的首端(或末端)连在一起作为三相感应电源的零线，另外三个末端(或首端)便分别是三相交流感应电源的A相、B相和C相。总之以上所述的采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式的不可逆交流发电装置的特点是:第一没有可逆性、节能。也就是当转子磁场旋转时，转子磁场穿过定子感应线圈产生交流电动势和电流；当给感应线圈接通交流电时，定子铁心呈现磁性，当感应线圈内的电动势和感生电流是由转子旋转磁场产生的时，同样铁心也不呈现磁性；所以感生电流产生的磁场不会对转子磁场产生阻碍作用。第二是结构形式不同于传统的同步电机。该交流发电装置的定子铁心19为圆环形且圆环的内侧外侧设有凹凸部分，凹处用来沿径向缠绕感应线圈；圆环的内侧凸显部分用来传导转子磁通；圆环的外侧凸显部分用来与壳体25相配合装配；而传统的同步电机的铁心则是环形铁心内的槽口只设在定子铁心的内环一侧，另外线圈的绕法及缠绕的部位也不同。第三是转子励磁磁场相对定子感应线圈在空间相对转动。当然从效果上看当转子励磁磁场旋转时，在定子线圈内感生电流产生的磁场对旋转磁场没有影响与楞次定律相矛盾。而实际上用电磁感应理论来分析，上述的交流发电原理与楞次定律也不相矛盾，可解释为该磁电转换是一种特例、是对楞次定律适用范围的一种拓宽。所说的与楞次定律不相矛盾是指，如果单独分析每两个相邻的转子磁极的磁场对两个磁极中间的线圈内电流产生的磁场之间的磁磁关系，完全符合楞次定律，即感生电流产生的磁场的方向总是去补偿或反抗弓I起感生电流的磁通的改变。图6所示的当开关23闭合时，感生电流产生的磁场不是没有去补偿或反抗引起感生电流的磁通的改变，是因为相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，铁心不呈现磁性的结果。通过对以上两种不同结构形式的不可逆交流发电方法的原理分析来看，与传统的交流发电装备相比，不可逆交流发电装置的有益效果主要是有效的消除了感生电流产生的磁场对引起感生电流磁场的阻碍作用，从而达到减少能源消耗的目的。
图1表示绕在同一铁心上线圈，其绕向相同，在通有直流电时铁心所呈现磁性的示意图。图2表示绕在同一铁心上的线圈，并将该线圈平均分为两部分，其两部分线圈绕向相反，在通有直流电时铁心不呈现磁性的示意图。图3表示绕在同一铁心上线圈，并将该线圈平均分为两部分，其两部分线圈绕向相同但连接方式为首尾相连，在通有直流电时铁心不呈现磁性的示意图。图4表示在日子形铁心的三个心柱上，励磁线圈绕在中间心柱上；感应线圈绕在两侧的两个心柱上。给感应线圈接通交流电源时，铁心内磁场路径的示意图。图5表示给绕在日字形铁心的中间心柱上的励磁线圈接通交流电时，绕在两侧心柱上的感应线圈的电流及铁心内磁场路径的示意图。图6表示感应线圈开路、转子磁场旋转至转子磁极与定子内凸檐相对时，通过定子铁心内磁场路径的示意图。图7表示定子铁心的几何形状示意图。图8表示转子及转子磁极的径向剖面示意图。图9表示给感应线圈接通交流电源时在定子铁心内磁场路径的示意图。图10表示感应线圈接通负载、转子磁场旋转至转子磁极与定子内侧凹部分相对时，定子铁心内磁场路径不意图。
具体实施例方式本发明所提供的不可逆交流发电装置，是利用了“两个或两个以上(偶数)圈数相等且绕在同一铁心上的线圈，不管用什么方法连接，当线圈内有电流通过时，使相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，那么该铁心不呈现磁性”的性质来实现的。本发明所涉及的第一种不可逆交流发电装置，所采用的实施方式为励磁线圈与感应线圈相对静止的方法。该装置借鉴了变压器的基本结构原理来设计的。其制造工艺与制造传统的变压器的工艺类似。图5所表示的是不可逆单相交流电的交流发电方装置，其铁心为日字形，铁心的三个心柱的中间一个心柱与日字形上面的部分断开并设置一定的间隙
8。缠绕感应线圈的铁心是由单片娃钢片叠压而成,材质一般采用铁磁质0.23-0.5mm的厚的薄硅钢片；也可采用粉末状铁心，并使各铁磁质粉末状之间相互绝缘。励磁电磁线圈绕在中间心柱上；感应线圈分别以均等的圈数绕在日字形铁心两端的两个心柱上。具体的绕法为:当两个心柱上的线圈的绕向从该装置的上端看去，采用同向缠绕时，一个线圈的首端与另一个线圈的末端线连接，或采用一个线圈的末端与另一个线圈的首端连接；如果采用反向缠绕时，则采用一个线圈的首端与另一个线圈的首端连接，或采用一个线圈的末端与另一个线圈的末端连接组成一个感应线圈。对于加工制造三相交流电的不可逆交流发电装置时，可将三个图5所示的单相不可逆交流发电装置组合在一起，也就是将三个励磁绕组和三个感应绕组分别并联即可形成一个三相交流电的不可逆交流发电装置。并联的方法为:将三个相同的产生单相交流电的不可逆交流发电装置的三个励磁线圈的首端(或末端)连在一起作为励磁绕组的零线，另外三个末端(或首端)便分别是三相励磁交流电源的A相、B相和C相；将三个感应线圈的首端(或末端)连在一起作为三相感应电源的零线，另外三个末端(或首端)便分别是三相交流感应电源的A相、B相和C相。本发明所涉及的第二种不可逆交流发电装置，所采用的实施方式为励磁磁场与感应线圈相对旋转的方法。该装置的结构形式与传统的同步电机类似。图6表示转子磁场采用永久磁铁励磁的三相交流发电不可逆装备其中一相的原理示意图。该实施方式其制造工艺与制造同步电机的工艺相似但定子结构形式不同。其中定子铁心19为圆环形且圆环的内侧外侧利用冲床加工有凹凸部分、缠绕感应线圈的铁心是由单片硅钢片叠压而成；材质采用铁磁质0.23-0.5mm的薄硅钢片且各硅钢片的凹凸处对齐叠装而成。也可采用粉末状铁心，并使各铁磁质粉末状之间相互绝缘。如图9表示四个感应线圈20a、20b、20c、20d分别绕在定子铁心19的凹处。缠绕方法为:如果四个感应线圈20a、20b、20c、20d均采用相同绕向的绕法，那么四个感应线圈20a、20b、20c、20d依次首端与末端线连接；如果四个感应线圈20a、20b、20c、20d依次分别采用正向反向缠绕，那么连接方法应为首端与末端依次连接。对于三相不可逆交流发电装置，可采用将三个相同的定子绕组依次同时装配在定子外壳25内并且使三个定子绕组在空间相差120°即可。
权利要求
1.本发明所提供的不可逆交流发电装置，是利用了“两个或两个以上(偶数)圈数相等且绕在同一铁心上的线圈，不管用什么方法连接，当线圈内有电流通过时，使相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，那么该铁心不呈现磁性”的性质来实现的；该装置有两种结构形式:一种采用类似变压器的日子形铁心结构形式、励磁线圈缠绕在中间心柱上，感应线圈绕在日字形铁心两侧的心柱上，利用该结构形式即可制造单相不可逆交流发电装备也制造成三相不可逆交流发电装备；另一种采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式，所不同的是定子铁心由三个独立的定子铁心组成，每个铁心的端面均为内外侧凹凸圆环形结构，利用该结构形式可产生三相交流电的不可逆交流发电装置。
2.如权利要求书I所述的两个或两个以上(偶数)圈数相等且绕在同一铁心上的线圈，其特征在于两个或两个以上(偶数)连接成一个线圈，作为不可逆交流发电装置的感应线圈。
3.如权利要求书I所述的相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，其特征在于是指相邻线圈内电流产生的磁场在闭合磁路内的方向相反。
4.如权利要求书I所述的类似变压器的日子形铁心结构形式，其特征在于日子形铁心的中间心柱的一端与日子形铁心断开并设有间隙；也可以采用中间心柱的两端都与日子形铁心断开并设有间隙。
5.如权利要求书I所述的类似变压器的日子形铁心结构形式，其特征在于当用日字形铁心制造三相不可逆交流发电装置时，是将三个相同的单相日字形铁心的不可逆交流发电装置组合在一起，然后将三个励磁线圈和三个感应线圈分别按星形法连接。
6.如权利要求书I所述的采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式，其特征在于三个独立定子铁心的每片圆环铁心的内侧外侧都利用冲床加工成凹凸形状；内侧外侧的凹处用来沿径向缠绕感应线圈；圆环的内侧凸显部分用来传导转子磁通；圆环的外侧凸显部分用来与装置的壳体相配合装配。
7.如权利要求书I所述的采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式，其特征在于当用圆环形铁心制作产生三相交流电的不可逆交流发电装置时，是将三个独立的定子绕组依次装入不可逆交流发电装置的壳体内，并且三个独立的定子绕组在空间相差120°。
8.如权利要求书I所述的采用与传统同步电机类似的圆环形铁心结构形式，其特征在于当用圆环形铁心制作产生三相不可逆交流发电装置时，是将三个独立的定子绕组按星形法连接。
9.如权利要求书I所述的不可逆交流发电装置，其特征在于缠绕感应线圈的铁心是由单片硅钢片叠压而成；厚度为0.23mm-0.5mm的薄硅钢片；也可采用粉末状铁心且各铁磁质粉末状之间相互绝缘。
全文摘要
本发明涉及不可逆交流发电装置，属于电磁感应领域。该装置利用了“两个或两个以上(偶数)圈数相等且绕在同一铁心上的线圈，不管用什么方法连接，当线圈内有电流通过时，使相邻线圈内电流产生的磁场方向在铁心内反向，那么该铁心不呈现磁性”的性质，提供了不可逆交流发电装置。所谓的不可逆是指该装置只能作为发电装备使用，而不能作电动装备使用；不可逆交流发电装置即可制作成单相交流发电装备，也可制作成三相交流发电装备。在有益效果方面，不可逆交流发电装备工作时能够有效地消除感应绕组内电流产生的磁场对励磁磁场的阻碍作用，从而达到减少能源消耗的目的。
文档编号H02J17/00GK103138404SQ20111040643
公开日2013年6月5日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者丁士来, 丁世东, 郭国勤, 李晓利, 丁显 申请人:丁士来