专利名称：磁阀恒磁电能的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力工程技术和应用电子技术领域。
二、背景技术:电能作为二次能源的实际应用是十九世纪初开始的，由于它的产生、输送、使用诸方面比其它能源具有独特的优越性，激励人们在电力工程技术上攻破了许多难关，逐步在实用中创造出许多层出不穷的高新技术；现代的电力工程技术经过两个多世纪的发展，达到了现在日臻完美的程度，各行各业都在大量使用电能。可以说，当今世界已经到了不能缺少电能的境地！然而，电能是以消耗其他能源为代价换来的，用得最多的就是火力发电-要燃烧大量的煤来得到。目前严峻的事实告诉我们全球原煤一次性能源的储存量已不足使用200年！还没有电能应用历史的时间长！而原油一次性能源的储存量更少为十分之一，只有几十年了 ！并且上述的一次性能源都是不可再生能源，人类面临着紧切的能源枯竭！同时火力发电排放的大量CO2是对地球不勘重荷的环境污染“雪上加霜”，清洁廉价的新能源开发迫在眉捷！纵观古今中外获得电能的技术，不外乎是运用了火力蒸气能、水力落差能、风力转速能、潮汐波动能、生物质能、地热能、太阳能、核能、氢能……不胜数举。目前这些能源转换过程仍存在着一些难于克服的不足，如转换效率较低、影响环境较大、投入设备成本较高、控制管理环节较多、远距离输送损耗大等，在能源短缺的现代，这些问题显得尤为突出。本发明是一个能源转换的全新电能，据检索目前尚无报导可与之相比。
三、发明内容:本发明的目的是在严格遵守客观自然科学规律时，突破传统电能转换技术的束缚，大幅度提高转换效率，克服了高耗能、高成本，并且不污染环境，工作不受外界条件影响，用常规的产业工艺就可生产，`无论是家庭使用还是工业生产都十分廉价方便。本发明为了达到上述目的采用的解决办法是:用小功率的磁通阀门来控制流过磁路的强磁通的方向转换与大小变化，将恒磁能源在磁阀控制下提供变化的磁通切割绕在磁路上的线圈产生电能。这里遵循了电感线圈感生电势的公式E = -dO/dt的原理，发电机就是消耗机械能拖动发电机转子上的线圈在磁场内运转着切割变化的磁通而发电的；而本发明没有消耗机械能是使用了恒磁的磁能，故没有机械运转的各种损耗和缺点，与静止运行无机械磨损的变压器工作情况类似。恒磁是用永久磁体或磁钢，由最早的天然磁矿到现代高磁能积钕铁硼恒磁的应用，由于恒磁本身的属性决定它几乎是和太阳能一样的微消耗能源，使用与保管得当，长年累月难见它的磁能下降，而太阳能的实时利用还受气候、时节影响，恒磁就没有这些问题，几乎难得找到它的缺陷。正因为如此，本发明的消耗小小于变压器；在采用得当时，输出效率大大于I !且使用方便，其它的优越性比变压器更好。
四
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本发明的说明书附图的图1是工作原理说明图，图2是磁阀控制电路图，图3是实物结构组成图，图4是电能输出型式图。下面结合附图及实施例对本发明分别作详细说明。图1-1是一个磁损耗最小简单三角四面立体组成的整体全波磁路连接图，三角四面体的六条边就是整体磁路的六条分支磁路，每个分支磁路上只有一个元件，一种相同的元件只有两个，全体只由三种元件组成；四个面构成四个磁路网孔与四个接点相连，每个接点或网孔上都只有全体三种不同的元件，它们是磁阀K、恒磁SN、线圈L ;四个结点是a、b、C、d，每个结点是连接三个不同元件(即上述三种不同元件，下同)的交汇点。三角四面体的四个磁路网孔分别是:平面abd是磁路网孔A、平面bed是磁路网孔B、平面cda是磁路网孔C、平面abc是磁路网孔D，显然三角四面体的六条分支磁路分别是:磁路ab、dc，连接的是两个磁通阀门K1K2、磁路ac、db，连接的是两个永久磁体SNlSN2、磁路ad、be，连接的是两个电能线圈L1L2。这个整体磁路的工作原理是:在没有工作不输出电能时，K1K2都是接通的，即磁路ab、dc都让磁通顺利地通过，这时永久磁体的磁通由北极发出通过磁通阀门和磁路连通到达南极形成闭合磁回路，磁通路径是a-Kl_b_SN 2-d-K2-c_SNl回到a,这条闭合磁路将两个永久磁体的各自两极都短接(这样可有效的保护永久磁体不失磁)，磁路ad、be几乎没有磁通流过，线圈L1L2不能感生电能。当Kl加上控制信号iI时，Kl断开，K2未加保持接通，磁路ab被Kl切断见图1_2，这时只有磁路网孔B、C工作，SNl的磁通由a发出到d经K2回到c由上至下切割线圈LI，SN2的磁通由d发出经K2到c由右至左切割线圈L2回到b，Ll、L2同时在ol、o2输出端得到两组同相电能输出；当K2加上控制信号i2时，K2断开，Kl未加保持接通，磁路dc被K2切断，这时只有磁路网孔A、D工作，SNl的磁通由a发出经Kl到b由左至右切割线圈L2回到c，SN2的磁通由d发出到a经Kl回到b由下至上切割线圈LI，L1、L2同时反方向的在
ol、o2输出端得到两组同相电能输出；这样，在ol、o2上得到了一个周期的交流电能。只要
il、i2不断有规律交替地轮番输入到K1、K2，在ol、o2上就能得到源源不断的交流电能。这种工作情况与发电机一样，原理是相同的，且没有机械能转换又与变压器的工作原理类似。由三角四面体的分析可得到三种实际连接组成图，见图1_2(磁阀交叉连接)、图1_3(恒磁交叉连接)、图1-4 (线圈交叉连接)；在图1-2中，K交叉连接的方向不同，SN和L平行连接方向都相同；在图1-3中，SN交叉连接，K和L平行连接，只L方向不同，K、SN方向都相同；在图1-4中，L交叉连接，SN和K平行连接，只L方向相同，SN、K方向都不相同。显然根据三元素取I或取2的组合数为3，除上述3种连接外是不会再有其它组成了。从图1-2与图1-3可以看到只有一种兀件方向相反两种兀件方向相同，便于同方向放置两种元件，如果实际元件的连接适合这两种结构，应当优先考虑采纳，图1-4虽然只有L方向相同而SN与K方向都相反好象不便连接，但从SN与K的反相放置路径可以看到:从SNl的N极a点发出，经Kl顺向到达b点进入SN2的S极，SN2内部是S极到N极，再由SN2的N极d点发出，经K2顺向到达c点进入SNl的S极，从SNl内部S极到N极回到了出发点a，这样的不交叉顺向磁通闭合回路对恒磁磁通的高效运用和长效保护是较好的。上述三种连接方法适合磁路为矩形磁性材料的组成，如果磁性材料是环形时，要采用无交叉元件连接法，与上述方法对应也只有3种，见图1-5 (磁阀正交连接)、图1-6 (恒磁正交连接)、图1-7 (线圈正交连接)，因为所有元件通过环心轴的剖面时都在同一平面内，则圆环材料的任意过环心轴的相同剖面都在同一平面内，可以实现圆环材料的最短磁路连接；图1-5的恒磁SN与线圈L都是平行放置且都同向连接，漏磁很小，输出电能叠加效率很高；图1-6磁阀K与线圈L是平行放置，K方向相同而L方向相反便于磁路走向连接，可减少占用空间；图1-7磁阀K与恒磁SN是平行放置，但方向都相反连接，体积最小，具有图1-4的优点。根椐实际情况可选用最合适的连接来组成各方面要求尽可能好的最佳电能。图2-1是一种磁阀控制电路图，这是一个自激推挽脉冲功率发生器。其中，三极管BGUBG2的集电极输出接驱动变压器T的1、5端，中心抽头3端接提供工作电源C4的正极，基极输入端接RlCl和R2C2交叉正反饋网络，由R3R4R5给三极管提供稳定的直流工作点，显然只要加上电源，该电路就会自激产生振荡输出。振荡频率主要由R1C1、R2C2的时间常数决定，输出对称占宽比相同的方波脉冲时，RlCl与R2C2的参数完全相同。D4D5分别接在T3-1与T3-5的中心抽头上，与C4构成双边自举升压电路，可在BG1、BG2的集电极同时得至IJ 2倍的直流电源电压，提高了三极管的工作效率与电源利用率。L3C7是电源退藕电路，R8是D2的限流电阻，发光二极管用来指示电能工作状态，D3是用来引入电能反饋，R7与R6分压后用来引入可控硅Dl触发电压，如果电能输出负载开路将产生高电压触发可控硅导通短接三极管输入端停振无电能输出(关机时也可按OFF键停振)，只有接好负载按下开机键0N，启动电池通过ON接通供电使控制电路恢复工作。当负载短路时，通过D3接电能输出端的反饋电源消失。控制电路因得不到电源也停振不能触发电能输出，只有排除短路故障后重新开机才可恢复正常工作。磁通阀门的控制信号输入线圈L4、L5分别经由C5D6和C6D7接在BG1、BG2和T的1、5的输出端，由于这两端是180度相位差的脉冲输出，C5C6的反向去磁使磁阀完全导通，经二极管D6D7和电容C5C6得到的便是一对等值正负幅度不对称宽度对称的180度交替驱动方波，使磁通阀门交替接通稳定的工作输出电能。同时D4D5还有阻尼作用，C5C6还有缓冲作用，不至使T上的输出脉冲在跳变瞬间出现过高的尖峰。图2-2是磁阀线圈L4、L5上的波形图，由图可明显的看出两个开关是交替工作的，坐标纵轴上方的正电压是提供磁阀去磁完全导通所必需的。同时我们看到，这种磁阀开关的驱动电路是半波工作的，影响了它的效率，用交流全波驱动电路能解决这个问题，从图2-3的波形可以看到，两个磁阀线圈上的驱动电流只要相位保持相差90度就可交替通断磁路，实现这个要求的功能电路见图2-4。用CC4069的一对反相器与相应RC组成正负对称方波发生器，取CC4013的一对上升沿触发D锁存器的两个CP输入端分别连接到正负对称输出方波上，相应的D锁存器接成1/2分频输出，得到相应一对相位差90度的交替驱动方波脉冲，其输出波形可说明这一点，见图2-5波形图。
五具体实施方式
:取图1-4磁路组成的优点，画出实物结构图3-1。图中，画有斜线块(表示K)和黑白反差块(表示SN)及叉形线或椭园回旋线块(表示L)，O、、$、$'空白块图形，是连接磁通回路的直角r形软磁材料，电能线圈内的磁通回路W、W也是软磁材料，它是E、n形的，它们都是开环的，要与整体磁路连接才可形成闭合磁回路。只有磁阀K的软磁材料是闭环的0形，它自身构成了闭合磁回路，插入到整体磁路的ab.dc分支磁路中去，取到控制恒磁磁通变化的作用。显然，因为它的有效磁路长度比整体有效磁路长度要短，有效截面积不大，因此所需的i输入驱动功率也比较小，当输入脉冲Hmax时，Bmax很快饱和了。磁通也与电流一样，电流专找电阻小的地方流动,磁通也专找磁阻小的地方流通。磁性材料饱和后磁阻很大，相当于磁通阀门断开，即磁通无法再增大不能流通，取到了切断磁通的作用，恒磁体上的强大磁通只能选择没有加控制脉冲的未饱和的磁阻很小的磁通阀门路径通过线圈磁路，这样切割线圈便产生了强大的电能。图3-2已标注了实物大小尺寸，它们都是锰锌铁氧体软磁材料做成。线圈数据是K为00.15、LΦ0.57漆包线各绕180圈，T为Φ0.2漆包线共绕300圈，四均分三抽头。SN采用电动车盘式电机上的钕铁硼磁片，分别在Φ，Φ‘，Φ，Φ’上每两面依同极性方向贴上四片及中间主磁体两片，双路总计十片。在驱动磁通阀门功率为5W、频率20KHz时，电能线圈上可得到约50W输出，效率达到了 10 !这个磁阀恒磁电能仅重6市两(约300g)，总体积只有6X6X6cm3非常小巧，可装入衣服口袋，放在手掌上上使用方便。据目前已有的最佳铁基非晶软磁环形纳米晶材料积能比的参数可达到15-25W/g，如用这种材料同上述实物的重量、体积下电能输出可达2-5kW，与相同功率的传统设备相比，重量和体积下降超过几十倍！且输出转换效率的提高也超过了几十倍！这对于家庭用电是十分方便、十分经济、充分够用的。据查，目前已可生产出的硬(永久恒磁)软(交变磁通)磁性材料适用功率可达数十至数百kW，可实用于工业的电气化生产；对提供电力用途的巨大丽级以上的电能需求，合理拼接材料精心设计也可以达到，磁阀恒磁电能完全有可能大量取代传统电能，因地适宜满足人类各种用电的实际需要。图3-3是一种环形磁性材料的实物磁路结构示意图。仔细观察分析其构成实际与前述的三种结构无本质区别，不同处在主电能线圈L两侧同方向绕制的付线圈LI L2 与其反向连接，使输出端接上负载时的电流在主磁路内产生反向去磁磁通(这与变压器的情形一样)与主线圈反向连接付线圈的正向磁通相互抵消，以保正电能有正常输出。磁体是环形时采用环形磁路的突出优点是漏磁极小，适用功率最大。更简的整体磁路结构可用一对半波磁路合成全波交流输出，即在一付E型磁芯芯柱内插入一块永久磁体，两边柱各插入一个磁阀开关，在两边柱上同方向各绕一组圈数相同的线圈，并将它们同向连接，见图3-4。这样，当一边柱磁阀开关导通时，导通的线圈磁通与非导通的边柱负载电流磁通方向相同而抵消导通线圈负载电流磁通的去磁作用，电能即可正常输出。实用中可把这个方法用到任何交替导通的一对磁阀的控制磁路上去。最简的整体磁路结构只用K、SN、L(L分两段绕在同一芯柱上)各一个，磁阀驱动只用一个正弦交流电，正弦交流电一周内有正负两个峰值通断两次磁路，在磁阀开关两侧线圈的电流是同相叠加直接输出直流电能，见图3-5。磁阀恒磁电能的输出型式根据实际需要可直接输出高压、低压，改变L的绕制圈数即可达到。也可直接输出交流、直流，如图4-1就是一种不用大功率有源器件的全波交直流电能，它使用4只磁阀开关交叉对交替通断磁路，将一个永磁体两极的磁能交替换向送入软磁环磁路内，绕在换向交叉磁路上的电能线圈得到的是交流电，绕在同向重叠磁路上的电能线圈得到的是直流电。要求不高时可省去下半部的两只磁阀开关(当然下半部的交流输出也省去了)。还可以不用重、大体积的工频硅钢片逆变器制成大功率工频电能，将中心抽头的高频(20KHz)功率直流输出电能线圈(可在设计制造时绕制)的两端分别接到两只高频功率可控硅或IGBT的输入端，它们的输出端并联，各自的控制端分别接正负工频(50Hz)控制信号，这样两只管子按工频频率交替导通与截止而得到工频功率输出，见图4-2。
要求稳定功率输出的电能，对变化的负载电流取样，经过放大控制电路去控制磁阀驱动电流的变化，加深对主磁路的动态调整，相当于主磁通得到相应的磁势补充(当然要求恒磁体有足够的磁能积)而增大磁场强度去抵消变化的负载电流产生反磁通的去磁作用使永磁体送出的磁通密度能量恒定，保持电能的稳定功率输出。见图4-3。
权利要求
1.一种磁阀恒磁电能,它包括磁通阀门，永久磁体，电能线圈和磁通流动磁路及磁阀控制电路，其特征在于: (1)、磁阀控制电路输出的驱动脉冲ili2接到磁阀K1K2的输入线圈而交替通断磁通磁路； (2)、磁通阀门K1K2插入到整体磁路的ab、dc分支磁路中去，用来控制流过磁路的磁通的方向转换与磁通变化的大小； (3)、永久磁体S1N2通过连接磁路送出恒磁能源提供被磁阀K控制变化的磁通切割绕在磁路上的线圈L1L2转换成电能。
2.椐据权利要求1所述的磁阀恒磁电能，其特征在于磁阀K的磁路是闭环的O型结构，它的有效磁路长度比整体的有效磁路长度要短，有效截面积不大。
3.椐据权利要求1所述的磁阀恒磁电能，其特征在于磁阀控制电路是一个脉冲功率发生器，它的输出是一对等值正负幅度不对称宽度对称的相位差180度交替驱动方波脉冲；用交流全波驱动时，用CC4069的一对反相器与相应RC组成正负对称方波发生器，取CC4013的一对上升沿触发D锁存器的两个CP输入端分别连接到正负对称输出方波上，相应的D锁存器接成1/2分频输出，得到相应一对相位差90度的交替驱动方波脉冲。
4.椐据权利要求1所述的磁阀恒磁电能，其特征在于整体全波磁路为磁损耗最小的简单三角四面立体结构，三角四面体的六条边就是整体磁路的六条分支磁路，每个分支磁路上只有一个元件，一种相同的元件只有两个，全体只由三种元件组成；四个面构成四个磁路网孔与四个结点相连，每个结点或网孔上都只有全体三种不同的元件，它们是磁阀K、恒磁SN、线圈L，四个接点是a、b、c、d，每个接点是连接三个不同元件的交汇点。三角四面体的四个磁路网孔平面abd足磁路网孔A、平面bed是磁路网孔B、平面cba是磁路网孔C、平面abc是磁路网孔D，六条分支磁路是连接K1K2的ab、dc，连接SM1SM2的ac、db，连接L1L2的ad、be。
5.椐据权利要求4所述的磁阀恒磁电能，其特征在于整体磁路的实际结构有矩形磁路的磁阀交叉连接、恒磁交叉连接、线圈交叉连接及环形磁路的磁阀正交连接、恒磁正交连接、线圈正交连接共两类各3种结构。
6.椐据权利要求4所述的磁阀恒磁电能，其特征在于整体磁路的实际结构在主电能线圈L两侧同方向绕制的付线圈LI L2 与其反向连接，使输出端接上负载时的电流在主磁路内产生反向去磁磁通与主线圈反向连接付线圈的正向磁通相互抵消，或在一付E型磁芯芯柱内插入一块永久磁体，两边柱各插入一个磁阀开关，在两边柱上同方向各绕一组圈数相同的线圈，并将它们同向连接，当一边柱磁阀开关导通时，导通的线圈磁通与非导通的边柱负载电流磁通方向相同而抵消导通线圈负载电流磁通的去磁作用，电能即可正常输出。
7.椐据权利要求4所述的磁阀恒磁电能，其特征在于整体磁路的实际结构只用K、SN、L各一个，磁阀驱动用一个正弦交流电一周内有正负两个峰值通断两次磁路，在磁阀开关两侦_圈的电流是同相叠加直接输出直流电能。
8.椐据权利要求1所述的磁阀恒磁电能，其特征在于用4只磁阀开关交叉对交替将永磁体的磁能换向送入软磁环磁路内，在换向交叉磁路上的电能线圈与同向重叠磁路上的电能线圈同时得到交直流电。
9.椐据权利要求1所述的磁阀恒磁电能，其特征在于将中心抽头的高频功率直流输出电能线圈的两端分别接到两只高频功率可控硅或IGBT的输入端，它们的输出端并联，各自的控制端分别接正负工频控制信号得到工频功率输出。
10.椐据权利要求1所述的磁阀恒磁电能，其特征在于对负载电流取样放大去控制磁阀驱动电流的变化，加深主磁路的动态调整，保持电能的稳定输出。
全文摘要
一种磁阀恒磁电能，涉及电力工程技术和应用电子技术领域；为了提高电能转换效率，利用小功率的磁通阀门来控制流过磁路的强磁通的方向转换与大小变化，使微消耗的恒磁能源受磁通阀门控制提供变化的磁通切割磁路上的线圈转换成电能，和变压器类似运行没有机械部分。采用简单三角四面体磁路结构，磁路损耗最小；磁阀控制电路输出一对等值正负幅度不对称宽度对称的相位差180度交替驱动方波脉冲，用相位差90度的正弦电流驱动磁阀线圈激励电能稳定可靠地工作，输出效率大大于1！其实施为常规的产业工艺，已有成熟的高性能磁性材料，制造成本低，产品性能优越，不污染环境，工作不受外界影响，无论是家庭使用或是工业生产都十分廉价清洁方便。这种全新的能源是严格遵守自然科学规律，突破传统技术束缚的先进转换电能，目前尚无报导可与之相比。
文档编号H02K57/00GK103107682SQ201110387880
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者吴锟铻 申请人:吴锟铻