永磁式直流发电机的制作方法

本发明涉及永磁直流发电机领域，具体涉及一种沿轴向有双永磁体、双绕组结构的永磁式直流发电机。

背景技术：

传统的永磁直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理；其结构为沿轴向的永磁体和定子绕组都为单结构形式。目前永磁直流发电机产品已经系列化，发展方向是向着使用更为方便、节能和安全可靠。基于此设计发明了一种节能效果明显、沿轴向有双永磁体、双绕组结构的永磁式直流发电机，以满足目前日趋繁荣的工农业生产的需求。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种节能效果优良的永磁式直流发电机，确切地说是一种沿轴向双永磁体、双绕组结构的永磁式直流发电机；按转子永磁体的磁极可分为四极、六极、八极…永磁式直流发电机；但无论多少极的永磁式直流发电机，其定子和转子都是凸极结构形式，且定子凸极数是转子永磁磁极数的两倍；其转子上设有永磁磁极和转子铁磁质凸极(简称转子凸极)，且永磁磁极数等于转子凸极数；永磁式直流发电机感应产生的电动势是靠转子永磁磁场穿过定子凸极线圈磁通量的减少产生的。所采用的主要技术方案：一是利用了二极管单向导电的属性，使转子永磁磁场穿过定子凸极线圈的磁通量增加时线路断开、磁通量减少时线路导通；二是利用了磁场吸引铁磁质的属性，并且使该吸引力变为永磁式直流发电机发电时所需要的驱动力，从而达到节约能源的目的。下面结合附图、以转子四极永磁式直流发电机为例，对本发明的结构形式及工作原理作详细地说明。

结构形式

附图1-5表示转子四极(四个转子磁极)永磁式直流发电机的示意图，该方案主要由定子和转子两部分组成。定子部分主要由定子壳体100和安装在壳体内的定子铁芯组成，定子铁芯上设有定子凸极，凸极上绕有线圈。定子凸极和绕在凸极上的线圈又沿轴向分为左右两部分，且两部分的结构形式相同；这两部分中间设有定位件141；转子部分主要由转轴200和转子铁芯组成，转子铁芯上设有转子凸极和瓦片状转子永磁体，其中转子永磁体也沿轴向分左右两部分镶嵌在转子铁芯上，两侧永磁体外圆弧面的磁极极性相反、且每一侧永磁体外圆弧面的磁极极性相同。

如附图1-5所示，所述的定子部分包括：左侧凸极(111、113、115、117)、右侧凸极(112、114、116、118)、左侧凸极线圈(131、133、135、137)和右侧凸极线圈(132、134、136、138)。其中沿轴向相对应的两凸极成一条直线安装，其中凸极111和112、113和114、115和116、117和118分别沿轴向成一条直线安装。各个定子凸极上都设有长方形槽口用来安装定子磁路铁芯(121、122、123和124)，定子磁路铁芯是薄片状硅钢片叠压而成；定子铁芯为圆环状是用薄片状硅钢片叠压而成。其中磁路铁芯121插入定子凸极111和112的长方形槽口内、磁路铁芯122插入定子凸极113和114的长方形槽口内、磁路铁芯123插入定子凸极115和116的长方形槽口内、磁路铁芯124插入定子凸极117和118的长方形槽口内。所述的定子凸极线圈，其中凸极线圈131和132、135和136分别串联成一组线圈，然后再将这两组线圈串联成一组电枢绕组。串联的方法是从圆心看去左右两边线圈的电流流向相反。同样，所述的凸极线圈133和134、137和138分别串联成一组线圈，然后再将这两组线圈串联成一组电枢绕组。总之，所述的凸极线圈分别串联(或并联)成两组独立的电枢绕组，两组电枢绕组上分别串联一个二极管303和304。磁路铁芯121将凸极111和112连接在一起、磁路铁芯122将凸极113和114连接在一起、磁路铁芯123将凸极115和115连接在一起、磁路铁芯124将凸极117和118连接在一起。

转子的结构形式：参见附图1-4，转子部分主要包括转轴200、转子凸极211、212、213、214和四块瓦片状永磁磁极221、222、223、224以及转子磁路铁芯231、232、233和234。所述的转子凸极为圆环状，是用薄片状硅钢片(矽钢片)叠压而成，外圆环上设有用来镶嵌瓦片状永磁体的凹槽、中间的圆孔与转轴200过盈配合安装、圆环内设有与永磁体的数量相等的长方形槽口用来安装转子磁路铁芯。所述的永磁体分别安装在转子的左右两侧，并且每一侧永磁体外圆弧面(或内圆弧面)的磁极极性相同。附图中，左侧的永磁体外圆弧面显示为N极，右侧永磁体的外圆弧面显示为S极。

所述的永磁磁极和转子凸极，在转子上对称装配且个数相等；对于某一型号的永磁直流电机来说，定子凸极数是转子永磁磁极数的两倍。

发电原理

在附图1-5中，当转子上的永磁体221和223的外圆弧面(N极极面)分别与定子凸极113和117的极面相对应且静止时，转子上端永磁体221和永磁体222的磁路路径是：永磁体221的N极→定子与转子之间的气隙→定子凸极113→定子磁路铁芯122→定子凸极114→定子与转子之间的气隙→永磁体222的S极→永磁体222的N极→转子磁路铁芯232→永磁体221的S极。转子下端永磁体223和永磁体224的磁路路径是：永磁体223的N极→定子与转子之间的气隙→定子凸极117→定子磁路铁芯124→定子凸极118→定子与转子之间的气隙→永磁体224的S极→永磁体224的N极→转子磁路铁芯234→永磁体223的S极。此时穿过线圈133、134、137、138的磁通量最大。当转子转轴在外力f1的作用下顺时针旋转、并且闭合开关302时，根据电磁感应定律，穿过凸极线圈133、134、137、138的磁通量都逐渐减少产生感应电动势。由于以上凸极线圈内感应电流的方向与二极管304导通方向相同，所以此时通过负载301上端的电压为正“+”下端的为负“-”；根据右手定则，定子凸极113、114、117、118的极面上显示的磁性分别是S极、N极、S极和N极。虽然此时穿过凸极线圈131、132、135、136的磁通量都逐渐增多，也感应产生电动势，但此时电动势的方向与串联在线路中二极管303导通方向相反，所以此时没有电流通过负载301；定子凸极111、112、115、116的极面上也不显示磁极磁性。

在附图4所示的转子瞬间位置，根据异性磁极磁场相互吸引的属性，在这期间定子凸极113和114、117和118的磁场与转子永磁体221、222、223、224的磁场相互吸引产生阻碍转子顺时针旋转的阻转矩；根据磁极磁场吸引铁磁质的属性，此时永磁体221和222分别吸引定子凸极115和116产生使转子顺时针旋转的驱动转矩、永磁体223和224分别吸引定子凸极111和112也产生使转子顺时针旋转的驱动转矩；定子凸极113和114的感应磁极磁场吸引转子凸极211和212产生使转子顺时针旋转的驱动转矩、定子凸极117和118的感应磁极磁场吸引转子凸极213和214也产生使转子顺时针旋转的驱动转矩。

假如在附图4所示瞬间位置，驱动转子转轴旋转的外驱动力用f1表示、定子凸极的电流感应磁场与转子永磁体磁极磁场的相互吸引力之和用f2表示、转子永磁体磁场吸引定子凸极的吸引力之和用f3表示、定子凸极的电流感应磁场吸引转子凸极的吸引力之和用f4表示，那么此时作用在转子转轴上的外驱动力为：f1＝f2-f3-f4。

附图6-7表示转子永磁体223、224、221、222分别转离定子凸极111、112、115、116时的示意图。同理，此时定子凸极线圈131、132、135、136内产生感应电动势，并且该定子凸极线圈的感应电流的方向与二极管303导通方向相同，所以通过负载301的电流也是上端为正“+”下端为负“-”；凸极线圈133、134、137、138内也产生感应电动势，但此时电动势的方向与串联在线圈线路中二极管304导通方向相反，所以此时没有电流通过负载301。可见，在这期间作用在转子转轴上的外驱动力也是：f1＝f2-f3-f4。

由以上所述不难发现：本发明工作时，作用在转子转轴上的驱动力包括磁场吸引铁磁质的吸引力，减小了作用在转轴上的外驱动力，实现了节约能源的目的。这就是永磁式直流发电机节约能源的基本原理。

有益效果及特点：有益效果在于：一是利用了磁场吸引铁磁质的属性，并且使该吸引力变为永磁式直流发电机发电时所需要的驱动力，从而减小了驱动转子旋转的外力、达到了节约能源的目的；二是无需换向装置、使用寿命长、维修费用低。其特点在于：该直流发电机将所有绕在定子凸极上的线圈分为两组独立的电枢绕组，且两组电枢绕组成并联关系，每一组电枢绕组上都串联一个二极管；两定子电枢绕组与两个二极管连接时具有方向性，否则将失去节能功能。本发明主要是利用了二极管单向导电的属性，使转子永磁磁场穿过定子凸极线圈的磁通量增加时线路断开、磁通量减少时线路导通；发电机输出端的感应电动势完全靠转子永磁磁场穿过定子凸极线圈磁通量的减少产生；从波形上看，感应电动势是一个单向半波波形；两组电枢绕组内交替感应产生脉动直流电动势，两组脉动电动势叠加后形成发电机输出端的连续脉动直流电；直流感应电动势的大小与转子的旋转速度、永磁体的磁场强度、电枢绕组的匝数成正比；该直流发电机没有可逆性。弱点：一是功率密度小；二是与传统的直流发电机比较单位功率发电机的制造成本较高。

附图说明

附图1表示转子四极永磁式直流发电机的结构和工作原理示意图。

附图2表示附图1沿A-A向永磁式直流发电机的剖视图。

附图3表示附图1沿B-B向永磁式直流发电机的剖视图。

附图4表示转子四极永磁式直流发电机的工作原理示意图。

附图5表示转子四极永磁式直流发电机的线路示意图。

附图6表示转子四极永磁式直流发电机的工作原理示意图。

附图7表示转子四极永磁式直流发电机的线路示意图。

附图8表示转子六极永磁式直流发电机的工作原理示意图。

附图9表示转子六极永磁式直流发电机连接有半波变压器的线路示意图。

<100>壳体，<111>、<112>、<113>、<114>、<115>、<116>、<117>、<118>表示定子凸极，<121>、<122>、<123>、<124>表示定子磁路铁芯，<131>、<132>、<133>、<134>、<135>、<136>、<137>、<138>表示绕在定子凸极上的线圈，<141>定子凸极定位件，<200>表示转子转轴，<211>、<212>、<213>、<214>表示转子凸极，<221>、<222>、<223>、<224>表示转子永磁磁体，<231>、<232>、<233>、<234>表示转子磁路铁芯，<301>负载，<302>电源开关，<303>、<304>表示二极管，<305>表示半波变压器。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的结构和工作原理做作进一步说明

本发明所述的永磁式直流发电机有多种型号。具体设计制造某一型号的永磁式直流发电机时，应根据具体需要的技术参数设计成不同的结构形式；也可根据需要利用变压器的原理，通过半波变压器调节本发明输出直流电压的高低。

附图8和附图9表示六极永磁式直流发电机的结构及线路示意图，其中305表示半波变压器。六极永磁式直流发电机和四极永磁式直流发电机的结构原理相同，只是定子凸极及凸极线圈、永磁体和转子凸极的数量多。该直流发电机有十二个定子凸极、六块瓦片状永磁体、六个转子凸极铁芯、六个定子磁路铁芯和六个转子磁路铁芯。两组电枢绕组分别采用并联连接的方法，并且连接有半波变压器305。这样可使发电机的输出直流电压通过调节拖动设备的转速来改变发电机的输出电压、也可通过半波变压器改变其输出电压。

本发明所述的永磁式直流发电机，可根据需要设计转子八极、十极…等不同极数的永磁式直流发电机；所述的二极管，是一种只允许电流由单一方向流过的整流二极管。

具体设计实施本发明时，其双定子凸极是用薄硅钢片冲压成片状结构然后再叠压成形；也可设计成单独冲压成片状凸极，再叠压成一个独立的凸极，最后组合成一个整体定子凸极铁芯。具体设计实施本发明时，也可根据永磁式直流发电机的结构形式和工作原理设计制造直流电流励磁的直流发电机。