专利名称：一种节能的电磁感应类产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁感应类产品，如变压器、电机、电磁铁等。
在电磁感应类产品中，电感元件是必不可少的，这些电感元件通常是电感线圈，或称绕组。现有的电磁感应类产品中，电感线圈的绕线方式都是向同一方向绕线，第一层从上排到下，则第二层就从下排到上，第三层又从上排到下，如此类推。这样排线的方式造成层与层间的电流方向相反，正如一根U型导线，其中电流虽然仍沿同一方向流动，但相邻平行导线中的电流方向却相反。这造成层间互感磁场互相干扰，阻碍了本身绕组的磁场变化；为了抵消反向自感电势，也加大了电源的输入电流，从而产生了多余的无功损耗。
另一方面，电工基础理论告诉我们，电感具有限流特性，电感量大，其感抗也大，电感量小其感抗也小，电感与感抗成正比关系，感抗的大小与通过线圈的电流成反比关系。感抗的作用决定了设备容量(功率)的大小。电感量的大小由绕组的匝数来决定。也就是说，如果一次绕组的匝数相对减少，也就会减少一次绕组的感抗，其通过绕组的电流相对增大，表现为输出功率大，但这样所需的激磁电流过大，增加了无功损耗，增大了所需的输入电流，表现为空载电流过大。相反，如果一次绕组相对匝数过多，其感抗大，产生限流作用，将会影响和限制一次绕组的输出功率，减少设备的容量。
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种节能的电磁感应类产品，减少线圈中层间干扰，并在不增大线圈匝数和线圈电流的情况下，增加容量。
本发明实现上述目的的方案是一种节能的电磁感应类产品，包括至少一个电感线圈N，其特征是所述电感线圈N包括多层绕组，层与层间的连接方式是第一层的底部接头接至第二层的顶部，第二层的底部接头接至第三层的顶部，依此类推；在所述电感线圈N上还增设一个附加绕组N’，该附加绕组N’的两端与电容C的两端相连，构成闭合回路。
由于采用了以上的方案，采用新的绕线方法，使多层线圈的层与层间电流都沿同一方向流入，也同一方向流出，各层绕组的磁场方向相同，类似于平行导线中电流同向流动，避免了层间磁场的互相干扰和抵消，相当于相对增加了有效匝数。同时，利用电容中电流超前电压90度的特点，使附加绕组的感应电流相位与原电流在时间上形成同步，这样附加绕组就起到增加一次绕组匝数的作用，从而在不增大一次绕组线圈匝数和线圈电流的情况下，增加了容量。
图1a、图1b是验证感应电流和原电流方向关系的示意图。
图2a、图2b是交流电在其周期内的方向分析示意图。
图3a、图3b是验证感应电流磁场和附加绕组磁场的作用示意图。
图4a现有技术中线圈绕法示意图。
图4b、图4c是本发明线圈接线方式示意图。
图5a、图5b、图5c是本发明附加绕组的几种接法示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一见图4a、图4b、图4c，所示为一种用于电磁感应类产品的电感线圈，所述电感线圈N包括多层绕组，其中图4a是现有技术的绕线方式，图4b、图4c是本发明实施例的绕线方法。
从图4b、图4c中可见，其层与层间的连接方式是第一层的底部接头接至第二层的顶部，第二层的底部接头接至第三层的顶部，依此类推，这与图4a所示的现有绕法是不同的。
又见图5a、图5b、图5c，所示是本发明附加绕组的几种接法示意图。在所述电感线圈N上增设一个附加绕组N’，该附加绕组N’的两端与电容C的两端相连，构成闭合回路。在图5b中，附加绕组N’和电容C之间还串接一个可变电阻R。在图5c中所示的情况适用于变压器，即所述电磁感应产品为变压器，其次级线圈N”两端与可变电阻R两端相连，附加绕组N’与电容C串联后与N”并联。
申请人上述方案是基于其自创的“零点学说”和“感应电流的方向定律”而提出的。为了清楚完整描述本发明，下面先从介绍上述理论开始论述。
理论一感应电流的方向定律(“陈氏定律”)感应电流与原电流是同一方向流动的。感应电流滞后原电流180度，其形成的磁场，促使新产生的反向电流按正比率跟随其变化，进行电能的传递及转换。
图1a、1b是验证感应电流和原电流同一方向流动的实验。图中，F是口形铁芯，K是开关，Q是电池，P、P’是电流计，+、-是电流计的同名端及异名端，电路外的箭头为假定的电流方向，磁路内的箭头表示磁力线的方向。用导线把各点连接成图1a的电路。当把开关K合上时，可以看到两个电流计P、P’的指针向同一方向摆去。将这个电路里的B、A’连线断开，Q、B’连线断开，改为使Q与B连接，就成为图1b的感应电流方向测试电路。当把开关K合上时，可看到两个电流计P、P’的指针向同一方向摆去。按图1b的电路，可分析感应电流与原电流在时间上的关系先有原电流的流动，才有磁力线的形成；磁力线的方向，决定了感应电流的方向。电工基础理论告诉我们在感性电路里，电压超前电流90度，感应电动势滞后原电流90度，所以我们可以说感应电流滞后原电流180度。电能的传递见理论三图3a的说明。
理论二零点学说一个闭合回路内，存在两个零点，电流从零开始，也从零终结。图2a、图2b是交流电在其周期内的方向分析示意图。其中F是变压器，N是一次绕组，外接交流电源(用～表示)，N’是二次绕组，A、B点分别是其两端，O点是其匝数的中心抽头，也就是书本上所说的中性点，正负电动势的平衡零点与其重合。O’表示起始零点所在位，R是负载，C、D表示为其两端，K是开关。用导线把A、D点连接，B、K点连接，构成图2a电路，用电压表来测量A、B两点及C、K两点，电压表表示同一数值。测量A、O两点及B、O两点，其电压表示都是A、B两点电压的1/2数值。我们已知一次绕组N的磁力线方向决定了二次绕组N’的电流流出的方向。假定箭头所指为上半周电流的方向，把K向C合闸时，“电压到零，引发电流过零点”(起始零点O’的位置就在C点)。牵一发而动全身，O点到B点段，绕组内匝数的一半，负电子整体移动效应，产生启动强电流(瞬间)，电流从O点开始，从B点流出，流过负载R，再从A点流回O点终结。在绕组另一半匝数内，电流随负电子中和正电子的数量逐步减弱，到O点中和完毕，完成电流流动的一个过程。图2b是下半周电流流动的一个过程。经上半周电流流动，形成一个闭合回路，启动零点已位移到负载R的中点O’，下半周电流方向改变了，电流从O点到A点整体流出，经负载R从B点流回到O点，完成一个下半周电流流动的过程，正如书本上说的一个周期内电流两次过零点。我们可以得出结论一个闭合回路内，存在两个零点，电流从零开始，也从零终结。电流流动的每一过程都存在电流由强转弱的过程。正电荷是不移动的，移动的是负电子。通过图1b实验结论原电流形成的磁力线方向决定了感应电流流出的方向。
理论三 附加绕组所产生磁场的作用，在不改变一次绕组的感抗下起着增加一次绕组的匝数的效应，并降低了一次绕组的输入电流。图3a、图3b是由待试变压器F、电抗变压器F’、调压变压器F”、电流表P、P’、电压表P”、四位分接开关K构成的电路图。见图3a，待试变压器F内E、D两点为一次绕组N的两端，A’、D’两点为二次绕组(附加绕组)N’的两端，其匝数约20匝，D、D’和A’、E是两绕组的同名端及异名端，A、B、C点为一次绕组N的抽头点，各点间的匝数为AB＝BC＝CD＝A′D′。一次绕组N的匝数与负载电流的关系是非线性。A、E间的匝数必须能配合输入220V交流电压，达到产生正常标准值的激磁电流(空载电流)。将绕组N的A、B、C、D四点分别接进四位开关K的四个位置，用导线把待试变压器F内的绕组N的E点、电抗变压器F’内具有一定电抗值的绕组N”的一端，电压表P”一端、调压变压器F”的输出O点连在一起。待试变压器F内的二次绕组(附加绕组)N’的D’点连接电抗变压器F’的绕组N”另一端，A’点串连电流表P’与电压表P”另一端，接调压变压器F”的输出端。开关K的活动闸刀串电流表P与调压变压器F”输入端共接电源。
旋转调压变压器F”的旋柄，使电压表P”的输出电压指示为零，扳动开关K的闸刀，分别先后连接A、B、C、D四点，观察电流表P在这四点电流值变化并记录下来。把开关K的闸刀扳向C点连接，旋转调压变压器F”的旋柄，提升输出电压使电流表P’的电流值与纪录中电流表P在C点时的电流值相同。观察电流表P的电流值已升为纪录中B点时的电流值。继续旋转调压变压器F”的旋柄提升输出电压使电流表P’的电流值增加一倍，观察电流表P的现时电流值已升为纪录中A点时的电流值。这说明了感应电流的磁场作用抵消了一次绕组的有效匝数，从而减少了一次绕组中的感抗值，促使新出现的反向电流增大，电能就是这样利用磁场进行传递。
图3b是把待试变压器F内绕组N’的两端D’改为与电流表P’串连，A’与电抗变压器F’绕组N”串连，这样就形成电流同时从N、N’绕组的同名端流入，使电流在N、N’绕组内同时都按同一方向流动的电流图。按上方法把实验重作，旋动调压变压器F”的旋柄提升电压，使电流表P’的电流值达到在纪录中电流表C点时的电流值。观察到电流表P现时电流值与纪录中D点的电流值相同。这说明了附加绕组N’(二次绕组)所产生的磁场作用在不改变一次绕组N的感抗下起着增加一次绕组N的匝数的效应，并降低了一次绕组N的输入电流(空载电流)。
根据上述理论，我们来分析本发明的技术方案。图4a是常规变压器一个四层绕组。这种绕线方法其层与层间螺线管导线的磁场相互间互相推斥，一次绕组本身多个相互间不同方向的磁场产生互感应现象，磁场互相干扰(大电流时引发电磁震动及电磁噪音)妨碍了本身绕组(原电流)的磁场变化，严重影响了电流过零点的速度(电流过零点速度对弧焊电源特别重要，断弧现象、焊弧不稳定由此产生)，为了抵消反向自感电势，也加大了电源的输入电流，从而产生无功损耗。也证明了阻碍原电流磁场变化的是其绕组本身的自感现象。
图4b、图4c是应用使电流沿磁路同一方向流动的理论的绕组分解图。一个多层螺线管实际上可看成由多个单层螺线管串连而成。用绕线工艺及接线方法，使电流流过绕组内每一单匝线圈时，都同一方向流入，同一方向流出，(每匝线圈两端方向)形成绕组只产生一个自感磁场，其磁力线方向与电流方向的磁力线同向(其原理就象通过同一方向电流的多根平行导线，多根导线只形成一个磁场)，相对增加了输入有效匝数。图4b中，第一层导线从上方排列到下方后从尾端的导线拉回上方，再同一方向使导线从上方排列到下方，同一方法继续绕第三、四层，形成各层都是逐个尾头连接的同向螺线管。电流从A点流入，E点流出，其电流经B、C、D点总是从上方沿螺线管流向下方(沿磁路同一方向)，绕组间多层螺线管只形成一个磁场。从图上也可看出其层与层间的电压最高点只有图4a中层间电压的1/2，绕组间绝缘强度得到提高，减少绕组在过电压时的损坏，其不存在推斥磁场，绕组导线在过电流时不易松散，杜绝过电流时绕组暴裂现象。图4b所示绕线工艺适宜匝数多、导线细的绕组，对于导线粗、匝数少的绕组，每层螺线管适宜独立同向绕制，头尾端导线留在绕组外，用预置层间连接线在绕组外尾端(下方)与头端(上方)按顺序分别连接，构成如图4b所示绕组。图4c是用四个同一方向绕制的饼形线圈串联而成的绕组，同样达到使电流沿磁路同一方向流动的理念目的。饼形线圈的绕法是用一定匝数长度的扁导线，在导线中点开始，一段顺时针绕动，另一段反时针绕动，使每段导线的每匝导线都层叠在上一匝导线的面上，就成为一个只有两根导线宽、具有一定厚度及匝数的、导线两端都在表面的饼形线圈。把这些饼形线圈多个串联起来就形成一个使电流沿磁路同一方向流动的绕组。
电工基础理论告诉我们，电感具有限流特性，电感量大，其感抗也大，电感量小其感抗也小，电感与感抗成正比关系，感抗的大小与通过线圈的电流成反比关系。感抗的作用决定了设备容量(功率)的大小。电感量的大小由绕组的匝数来决定。也就是说，如果一次绕组的匝数相对减少，也就会减少一次绕组的感抗，其通过绕组的电流相对增大，表现为输出功率大，但这样所需的激磁电流过大，增加了无功损耗，增大了所需的输入电流，表现为空载电流过大。相反，如果一次绕组相对匝数过多，其感抗大，产生限流作用，将会影响和限制一次绕组的输出功率，减少设备的容量。
感应电流的方向定律(陈氏定律)为解决这一问题指出了一条道路。根据陈氏定律，在磁路上增加附加绕组，其电流是感应电流，与原电流(一次绕组)是同方向变化的，但滞后180度。如果在附加绕组两端串联、并联电容器，利用容性电路的原理电容器两端电流超前电压90度的特性，容性与感性电流的时间差180度。这样，附加绕组的感应电流就好象搭乘了电容器这列“东方快车”把滞后180度的时间差迎头赶上，使附加绕组的感应电流与原电流出现时间上的同步，其相互之间形成的磁力线同向，使附加绕组的磁场作用起着增加一次绕组有效匝数的作用。
图5a、图5b、图5c是使附加绕组产生与原电流同步的电流图解。其中F是铁芯，N是主绕组(一次绕组)，N’是附加绕组，A、B是其两端，N”是二次绕组，D、E是其两端，C为电容器，K是双向可控硅(代可变电阻)。其中图5a是用电容器C进行固定补偿的方法；图5b是增加双向可控硅K作为可变电阻的作用，用现有技术控制双向可控硅的导通角随二次绕组压降而改变，控制其通过附加绕组的电流值，进行自动补偿；图5c是利用二次绕组N”抵消附加绕组M’的电压，使电容器两端电压是其两绕组的电位差，随着电位差的改变，通过附加绕组N’的电流也随着改变。双向可控硅K是起着开关作用，截断电流流经二次绕组N”。
电磁铁类(电磁感应类)产品其种类及应用范围是很广泛的，从钢铁工业的吸铁盘到各种动力的磁制动，大型磨床的磁座到自动化工艺的接触器、石化工业的大型磁阀到日常生活的洗衣机放水装置，都体现出来。如果能在不改变该产品的体积及不增大其输入电流的条件下提高其磁场强度，也即是说提高其磁效应的效率，这就是节能。
电磁铁的绕组按图4b、图4c的方法绕制，不论其输入的是直流或交流电，绕组所形成的磁场只有一个并与电流方向形成的磁场同向，因为没有层间反向磁场的抵消作用，相对磁场强度得以加强。更因绕组内没有存在防碍原电流磁场变化的因素，交变电磁场所产生的电磁噪声及吸合不牢的现象得以消除。按图3a、图3b实验理念减少电磁铁绕组一定匝数，相当于减少输入感抗，增大了输入功率(电流)。在绕组面上再绕一定匝数的附加绕组，按图5a在附加绕组N’的两端A、B点并联电容器C，利用电容器C两端电流超前电压90度的特性，使附加绕组N’流过与主绕组N同步的低电压并经电容器限流的短路电流，从而其产生的磁场作用起着增加主绕组N匝数的作用。也即是说主绕组N减少输入感抗，增大了输入功率，增加了铁芯(电磁铁)F的磁场强度，附加绕组N’所形成的磁场进一步加强铁芯F(电磁铁)的磁场强度，其形成的电抗作用，限制了输入电流的增长，降低了需输入的电流值，达到节能的目的。图5c中F是变压器铁芯，N是一次绕组，N’是附加绕组，A、B是其两端，N”是二次绕组，E、D是其两端，A、E和B、D分别是附加绕组与二次绕组的同名端及异名端。附加绕组N’的匝数比二次绕组的匝数稍多。把B、D两点连接。假定附加绕组N’的感应电压为240V，二次绕组N”的感应电压为220V。那么，A、E两点因为方向抵消作用只有20V在这两点间串联电容器C，附加绕组N’、二次绕组N”、电容器C之间合成一个闭合回路，20V的短路电压引发了超前于电压90度的短路电流。当二次绕组因负载受无功功率的影响而产生压降，那么电容器C两端电压就会增高，短路电压越高，其短路电流越大，通过附加绕组的超前电压90度的电流越大。进行了自动补偿的作用。为了让这超前电压90度的电流不在绕组N”中通过，在电容器一端，两绕组B、D连接点并连双向可控硅K作为开关，作瞬时的通断，使这超前电压90度的电流从最短距离通过，形成由附加绕组N’、电容器C、双向可控硅K构成的超前电压90度的短路电流回路。电容器应用于低电压上，大大地降低成本及体积。其调整简单容易。
我国电动机年耗电量约占工业总耗电量的68％，在日常生活中，家用电器、医疗器械、娱乐游戏等所应用的小电动机数量众多，占人类生活用电的比例也不小。电动机、发电机都象电磁铁一样是利用磁效应的道理来制造。有些电机也应用电容器绕组来运行。增设附加绕组这一方法与众不同的地方在于是应用少匝数、低电压、并联体积小、容量大的电容器，它的作用只是增强电动机的磁极强度。附加绕组所产生的感应磁场的加入，使电动机能软起动，不产生过多的起动电流，减轻冲击电流对电机、设备及电网的损害。在不改变主绕组的感抗下(不减匝数)起着增加主绕组匝数的作用，从而减少输入电流。这样也减少电动机绕组导线截面积，在电机线槽内留下空间，放置附加绕组的线圈。
整流电源的应用范围很广泛，电解、电镀、直流电焊、各类直流电动机的供电等，其耗电量不可忽视。为了更进一步使整流电源节电，本发明的方案配合四相整流技术的多种运用，使整流电源输出四相相位差90度的正弦波，其波谷浅、波纹平滑，交流有效值与平均值的比率为1.25∶1的直流电源。更可做到三相电源输入端三相不对称率低于3％的优于世界的先进水平。
被国家机械工业部列为十大耗能产品的弧焊电源，其耗电量也不容忽视。应用本发明的方案将使弧焊电源的电气性能得到广泛改善，提高其电流过零点速度及焊弧稳定性。尤其对占弧焊电源数量75％的交流弧焊机品种，世界上还未能解决其因下降特性引起的功率因数低下(45-50％)的难题。也因应用增设附加绕组的方法，流过同步电流而得以突破。
电力变压器应用本发明将成为高效率变压器，具有瞬时过电流不易损坏的特性及自动补偿无功功率的功能。厂家可配套生产简单装置的电容箱，挂在变压器旁一起销售，免除用户再购置价格不菲而体积庞大的电容柜。
以上是应申请人要求代笔，并不代表本代理人意见。
权利要求
1.一种节能的电磁感应类产品，包括至少一个电感线圈N，其特征是所述电感线圈N包括多层绕组，层与层间的连接方式是第一层的底部接头接至第二层的顶部，第二层的底部接头接至第三层的顶部，依此类推；在所述电感线圈N上还增设一个附加绕组N’，该附加绕组N’的两端与电容C的两端相连，构成闭合回路。
2.如权利要求1所述的电磁感应类产品，其特征是在附加绕组N’和电容C之间还串接一个可变电阻R。
3.如权利要求2所述的电磁感应类产品，其特征是所述产品为变压器，其次级线圈N”两端与可变电阻R两端相连，附加绕组N’与电容C串联后与N”并联。
全文摘要
本发明公开一种节能的电磁感应类产品,包括至少一个有多层绕组的电感线圈,层与层间的连接方式是:第一层的底部接头接至第二层的顶部,第二层的底部接头接至第三层的顶部,依此类推;在所述电感线圈上还增设一个附加绕组,该附加绕组的两端与电容的两端相连,构成闭合回路。该绕线方式使各层的磁力线方向相同,避免层间干扰,而附加绕组产生与原磁场同向的磁力线,在不改变初级线圈的感抗下,减小初级线圈的输入电流。
文档编号H01F7/06GK1242583SQ99116270
公开日2000年1月26日 申请日期1999年7月8日 优先权日1999年7月8日
发明者陈章泰 申请人:陈章泰