本发明属于发电技术领域，具体涉及一种径向式被动发电系统及发电方法。
背景技术：
发电机作为发电系统中重要的组成部件，其主要由定子、转子及配电机构、运转机构组成。定子和转子一般由铁芯和线圈组成，转子上的线圈称为励磁线圈，定子上的线圈称为发电绕组。运转机构为转子提供转动动力，使定子、发电绕组与励磁线圈产生的励磁磁场之间产生相对的切割运动，从而产生感应电流。现有的发电系统在发电过程中存在能量损耗大，能量转化率低。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的在于提供一种径向式被动发电系统及发电方法，以有效地改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
一方面，本发明实施例提供了一种径向式被动发电系统，包括：电动机；径向式被动发电机，用于在所述电动机的驱动下提供大于所述电动机输出功率的、稳定的交流电；降压整流电路，用于将所述径向式被动发电机输出的所述交流电降压整流成直流电输出；逆变电路，用于将所述降压整流电路输出的所述直流电逆变为所述电动机的驱动电流，使所述径向式被动发电机循环发电；初始动力输入装置，用于提供启动所述电动机所需的初始输入动力。
结合一方面的一种实施方式，所述径向式被动发电机包括：第一转子、第二转子以及定子，所述定子套设于所述第一转子且所述定子位于所述第一转子和所述第二转子之间，所述第一转子转动能通过磁拉力带动所述第二转子转动，所述定子安装有线圈。
结合一方面的又一种实施方式，所述第一转子包括连接盘和绕所述连接盘周向间隔设置的多个导磁性凸起，所述第二转子安装有分别与所述导磁性凸起一一匹配的多个磁体。
结合一方面的又一种实施方式，所述第二转子设置有导流桥，所述导流桥用于将相邻的所述磁体的磁路导通。
结合一方面的又一种实施方式，所述初始动力输入装置包括启动电池。
结合一方面的又一种实施方式，所述初始动力输入装置包括风力或水力发电装置。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发电方法，包括：初始动力输入装置提供初始输入动力，利用所述初始输入动力启动电动机；所述电动机在启动后，提供持续不断的、稳定的动力，在所述电动机的驱动下，径向式被动发电机提供大于所述电动机输出功率的、稳定的交流电；降压整流电路将所述径向式被动发电机输出的所述交流电降压整流成直流电输出；逆变电路将所述降压整流电路输出的所述直流电逆变为所述电动机的驱动电流，使所述径向式被动发电机循环发电。
结合另一方面的一种实施方式，所述径向式被动发电机包括：第一转子、第二转子以及定子，所述定子套设于所述第一转子且所述定子位于所述第一转子和所述第二转子之间，所述第一转子转动能通过磁拉力带动所述第二转子转动，所述定子安装有线圈。
结合另一方面的又一种实施方式，所述第一转子包括连接盘和绕所述连接盘周向间隔设置的多个导磁性凸起，所述第二转子安装有分别与所述导磁性凸起一一匹配的多个磁体。
结合另一方面的又一种实施方式，所述第二转子设置有导流桥，所述导流桥用于将相邻的所述磁体的磁路导通。
本发明实施例提供的径向式被动发电系统，包括：电动机；径向式被动发电机，用于在所述电动机的驱动下提供大于所述电动机输出功率的、稳定的交流电；降压整流电路，用于将所述径向式被动发电机输出的所述交流电降压整流成直流电输出；逆变电路，用于将所述降压整流电路输出的所述直流电逆变为所述电动机的驱动电流，使所述径向式被动发电机循环发电；初始动力输入装置，用于提供启动所述电动机所需的初始输入动力。由于径向式被动发电机能够提供大于电动机输出功率的、稳定的交流电，使得整个发电系统仅在启动时需要外部动力，当发电系统正常运作后，径向式被动发电机输出的电能反过来用于为电动机提供动力，使整个发电系统自循环。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1示出了本发明实施例提供的径向式被动发电机的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的第一转子的结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的第二转子安装磁体后的结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的定子的结构示意图；
图5示出了本发明实施例提供的一种径向式被动发电系统的结构示意图；
图6示出了本发明实施例提供的发电方法的流程示意图。
图标：100－径向式被动发电机；110－第一转子；112－连接盘；114－导磁性凸起；130－第二转子；132－通孔；134－磁体；136－导流桥；138－轴承；150－定子；152－线圈；1000－径向式被动发电系统；200－电动机；300－降压整流电路；400－逆变电路；500－启动电池。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
发电机作为发电系统中重要的组成部件，其主要由定子、转子及配电机构、运转机构组成。定子和转子一般由铁芯和线圈组成，转子上的线圈称为励磁线圈，定子上的线圈称为发电绕组。运转机构为转子提供转动动力，使定子、发电绕组与励磁线圈产生的励磁磁场之间产生相对的切割运动，从而产生感应电流。现有的发电系统在发电过程中存在能量损耗大，能量转化率低。
研究人在研究的过程中发现：现有的发电机由定子和转子及配电机构、运转机构组成，而定子和转子则由铁芯和线圈组成，转子上的线圈称为励磁线圈。定子上的线圈称为发电绕组。定子的铁芯和转子的铁芯有一定的缝隙。工作时励磁线圈通电产生磁场并使得转子铁芯形成极性相间的励磁体，从而建立主磁场。电动机拖动转子旋转(给发电机输入机械能)，励磁线圈产生的励磁磁场跟随轴体一起旋转，磁路通过转子铁芯到定子铁芯形成闭合磁路，由于转子在电动机的带动下旋转，主磁场跟随轴体一起旋转，使得定子铁芯及发电绕组与主磁场之间产生了相对的切割运动，从而产生感应电流。铁芯的作用是增加磁导率，避免真空磁导率的负面作用，但由于铁芯的构成为导磁材料，磁场对导磁材料产生一定的磁拉力，在主磁场旋转时铁芯之间就会产生磁拉力，这个磁拉力在整个发电机系统中起到的是阻力的影响(负面的作用)。
同时，铁芯是由一片片的硅钢组成的，就会在磁路中形成涡流，从而形成铁损(能量的损耗)，铁芯是随着转轴一起运动的，铁芯由大量的硅钢组成，具有一定的重量，从而增加了电动机的起动扭力和运转负荷，限制了发电机功率的提升。
综合以上的情况可知现有发电机的弊端，使得在发电过程中存在能量损耗大，能量转化率低等问题。
需要说明的是，针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
鉴于此，本发明实例提供了一种径向式被动发电机100，如图1所示。径向式被动发电机100主要包括第一转子110、第二转子130以及定子150。定子150套设于第一转子110且定子150位于第一转子110和第二转子130之间。第一转子110转动能通过磁拉力带动第二转子130转动。
传统发电机中的铁芯一般由多片硅钢叠合组成。铁芯的作用是增加磁导率，避免真空磁导率的负面作用。但由于铁芯的构成为多片导磁材料(即上述硅钢)，磁场会对各片导磁材料产生一定的磁拉力。在主磁场旋转时硅钢片之间就会产生磁拉力，该种磁拉力使得各个硅钢片之间相互妨碍，使得铁芯的转动需要克服这种磁拉力带来的阻力，增加了铁芯转动动力的损耗，从而限制了传统发电机功率的提升。
本实施例提供的径向式被动发电机100，将定子150安装于第一转子110和第二转子130之间，第一转子110受动力装置的驱动进行转动。由于第一转子110和第二转子130之间存在磁拉力，第一转子110的转动能够通过磁拉力带动第二转子130进行转动，从而将磁拉力转变成驱动第二转子130转动的动力。由此，第一转子110的转动动力(即动力装置提供的驱动动力，例如电动机、水轮机、蒸汽涡轮机、风力机等为第一转子110提供的转动动力)不再需要克服磁拉力带来的阻力，提高了输入动力的有效利用率。在动力装置动力输入相同的情况下，本发明实施例提供的径向式被动发电机100具有更高的发电功率。
请参照图2，图2所示为第一转子110的结构示意图。本实施例中，第一转子110包括连接盘112和绕连接盘112周向间隔设置的多个导磁性凸起114。请再参照图1和图3，图3所示为第二转子130安装磁体134后的结构示意图。图1可以观察到，第二转子130上开设有六个通孔132(其他实施例中可以调整通孔132数量)，图3中示出了磁体134放置到通孔132后的状态。第二转子130安装有分别与导磁性凸起114一一匹配的多个磁体134。当然，其他实施例中，也可以是第一转子110包括连接盘112和绕连接盘112周向间隔设置的多个磁性凸起(相当于磁体134)。第二转子130安装有分别与磁性凸起一一匹配的多个导磁体(相当于导磁性凸起114)。本发明中，保证第一转子110和第二转子130相互之间能够产生磁拉力即可，因此第一转子110上也可以设置磁性凸起，第二转子130上可以设置导磁体。
连接盘112主要用于和动力装置的转动轴传动连接，以便于带动第一转子110进行转动。导磁性凸起114按照该种方式设置可以尽量降低第一转子110的质量，从而降低动力装置的启动扭力和运转负荷，使用户在动力装置的选择上具有更多的选择性。本发明中，“多个”均理解为至少2个。导磁性凸起114与磁体134一一匹配，可以理解为导磁性凸起114与磁体134的安装位置需要尽量保证一一对应(如图3所示)，才能使磁拉力更顺利地带动磁体134进行转动。第二转子130采用多个磁体134的组合方式，较传统上使用励磁线圈和铁芯，其整体重量大幅度降低，减少了发电机启动和运行的能量需求。
导磁性凸起114的材质包括无磁金属。导磁性凸起114主要采用导磁性材料制成，导磁性材料即是可以传导磁场的材料。本发明实施例中主要采用无磁金属(例如硅钢片、或者铁制品和稀土元素形成的合金)制备导磁性凸起114。由于只需要保证导磁性凸起114能够与磁体134之间产生磁拉力即可，则导磁性凸起114整体可以不完全采用导磁性材料制成，例如可以只保证导磁性凸起114与磁体134相对的那一面采用导磁性材料制成，当然也可以使导磁性凸起114和连接盘112均采用导磁性材料制成。
第二转子130上还进一步设置有导流桥136。导流桥136用于将相邻的磁体134的磁路导通。导流桥136为导磁性材料(例如铁)制成的连接件，其形成可以不作具体限制，例如可以是块状的导磁体，也可以是环状的导磁体。导流桥136两端分别与相邻的两个磁体134相连，由于导流桥136的导磁作用，相邻磁体134的磁路被导通，也为整个主磁场(即导磁性凸起114与磁体134之间形成的磁场)起到了聚磁的效果，使得磁通量有所增加，最终使径向式被动发电机100的功率有所提升。
另外，传统铁芯的硅钢片之间还会在磁路中形成涡流，从而形成铁损。铁损包括磁性材料的磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗。磁滞损耗是指铁磁材料作为磁介质，在一定励磁磁场下产生的固有损耗(在电能转换磁能过程中所产生的损耗)；涡流损耗是指磁通发生交变时，铁芯产生感应电动势进而产生感应电流，感应电流呈旋涡状，称之为涡流，感应电流在铁芯电阻上产生的损耗就是涡流损耗；剩余损耗是指除磁滞损耗和涡流损耗以外的损耗，所占比重较小。本实施例中，导流桥136的设置使得主磁场的磁路闭合，从而避免了涡流的产生，进而防止了涡流损耗的产生。由于铁损中减少了涡流损耗的部分，使得径向式被动发电机100在发电过程中的发热量大大减小，径向式被动发电机100连续正常工作的时长延长，径向式被动发电机100的检修率也大大降低。
其他实施例中，导流桥136还可以进一步分布于第二转子130的两端，且两端的导流桥136交错布置。由于通孔132在第二转子130的轴线方向上贯穿第二转子130，因此，磁体134的两端分别可在第二转子130的两端上露出，导流桥136可以选择设置在第二转子130的任意一端。交错布置可以理解为，例如，若第二转子130的一端设置有两个导流桥136，这两个导流桥136分别位于该端面上的上下两个位置；第二转子130的另一端设置有两个导流桥136，这两个导流桥136分别位于该端面上的左右两个位置。交错布置可以提高第二转子130的平衡性。
第二转子130与定子150可以通过轴承138转动连接。第二转子130可以选择多种固定方式，只要保证第二转子130能够转动即可，例如其他实施例中第二转子130还可以与第一转子110直接相连，在定子150上开设一条环形通孔，使第二转子130与第一转子110能够实现直接相连，同时还能保证第二转子130能够转动。本实施例中，第二转子130与第一转子110通过磁拉力间接相连，第二转子130与定子150通过轴承138转动连接。
第二转子130上除磁体134以外的其他部分可以使用非导磁性材料(一般指铁钴镍及其合金以外的金属及其对应合金)，第二转子130也可以仅仅由多个磁体134组成，磁体134通过定子150和轴承138固定即可。
请参照图4，图4所示为定子150的结构示意图。
定子150的材质包括陶瓷或电木。电木是塑料中第一个投入工业生产的品种。电木的化学名称叫酚醛塑料，它具有较高的机械强度、良好的绝缘性，耐热、耐腐蚀，因此常用于制造电器材料，如开关、灯头、耳机、电话机壳、仪表壳等，“电木”也由此而得名。陶瓷和电木的绝缘性较好，能够较好地防止线圈152之间发生短路。陶瓷和电木与其他绝缘材料相比，陶瓷和电木的强度更高，耐热性更好，能够大幅度提高定子150的结构强度和耐热性能。
定子150上安装有多个线圈152，且多个线圈152相互平行。线圈152之间相互平行安装能够使线圈152产生的感生磁场基本能够相互抵消，同时该种安装还能使感生磁场和主磁场(指磁体134和导磁性凸起114之间产生的磁场)相互垂直，使得感生磁场对主磁场基本不会产生影响，减少了能量的不必要损耗，有利于提高径向式被动发电机100的发电功率。本实施例中线圈152采用图4中所示的布置方式，其他实施例中，也可以采用其他方式进行布置。
进一步地，多个线圈152沿定子150的圆周方向均匀布置于定子150上。线圈152的均匀布置有利于感应电流的均匀产生，有利于保持径向式被动发电机100的发电稳定性。
线圈152为铜条或铜片。一般，线圈152生产过程中一般都是直接制备成条状或者片状。本实施例中，可以在定子150上开设置放线圈152的凹槽(图中未示出)，并使任意形状的线圈152均能够放置到凹槽内，便于线圈152的置换和铜条或铜片的直接使用，节约二次加工成本。
径向式被动发电机100的工作原理是：
第一转子110受动力装置的驱动进行转动。由于第一转子110和第二转子130之间存在磁拉力，第一转子110的转动能够通过磁拉力带动第二转子130进行转动。第一转子110的转动动力不再需要克服磁拉力带来的阻力，提高了输入动力的有效利用率。在动力装置动力输入相同的情况下，本发明实施例提供的径向式被动发电机100具有更高的发电功率。
第一转子110和第二转子130开始转动后，导磁性凸起114与磁体134之间产生主磁场，线圈152与主磁场产生相对的切割运动，从而产生感应电流。导流桥136两端分别与相邻的两个磁体134相连，由于导流桥136的导磁作用，相邻磁体134的磁路被导通，也为整个主磁场起到了聚磁的效果，使得磁通量有所增加，最终使径向式被动发电机100的功率有所提升。
需要说明，本发明实施例中仅示出和详细描述了径向式被动发电机100的一部分结构，径向式被动发电机100内部的其他常用零部件的结构可以参照传统市售发电机。
本发明实施例还提供了一种应用上述的径向式被动发电机100的径向式被动发电系统1000，如图5所示。该径向式被动发电系统1000包括：电动机200、降压整流电路300、逆变电路400以及初始动力输入装置。其中，初始动力输入装置包括启动电池500。
电动机200，用于提供持续不断的、稳定的动力。其中，电动机200是指由电能驱动的机器，包括两相电机、三相电机等。
径向式被动发电机100，用于在所述电动机200的驱动下提供大于所述电动机200输出功率的、稳定的交流电，进一步地，当所述电动机200在启动后，提供持续不断的、稳定的动力，在所述电动机200的驱动下，径向式被动发电机100提供大于所述电动机200输出功率的、稳定的交流电。其中，该径向式被动发电机100的结构可以参见上述的描述。
降压整流电路300用于将所述径向式被动发电机100输出的所述交流电降压整流成直流电输出。该降压整流电路300包括：降压器和整流器，该部分内容可以参见现有市面上常使用的降压器和整流器。
其中，该降压整流电路300输出的电压还用于为供电负载供电，此外，还可以用于为启动电池500充电。
逆变电路400用于将所述降压整流电路300输出的所述直流电逆变为所述电动机200的驱动电流，使所述径向式被动发电机100循环发电。该逆变电路400可以采用逆变器来代替。
初始动力输入装置，用于提供启动所述电动机200所需的初始输入动力。其中，所述初始动力输入装置包括启动电池500。此外，初始动力输入装置可以是风力、水力等动力装置。本实施例中仅示出了初始动力输入装置为启动电池500的情形，其类型为锂电池、聚合物电池、铅锌电池等，只要能够为电动机200提供电能即可。优选地，启动电池500为锂电池。
此外，本发明实施例还提供了一种应用于上述的径向式被动发电系统1000的发电方法，如图6所示。该方法包括如下步骤：
步骤S101：初始动力输入装置提供初始输入动力，利用所述初始输入动力启动电动机。
步骤S102：所述电动机在启动后，提供持续不断的、稳定的动力，在所述电动机的驱动下，径向式被动发电机提供大于所述电动机输出功率的、稳定的交流电。
步骤S103：降压整流电路将所述径向式被动发电机输出的所述交流电降压整流成直流电输出。
步骤S104：逆变电路将所述降压整流电路输出的所述直流电逆变为所述电动机的驱动电流，使所述径向式被动发电机循环发电。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。