高能效电动发电机的制作方法

在本文中公开的系统和技术总体上涉及一种兼做发电机的高能效感应电动机，更具体地说，涉及一种高能效电动发电机，与相同容量的常规电动机相比，该电动发电机通过收集和操纵在定子绕组中产生的emf，从而补充驱动该电动发电机的电力需求的一大部分以及供应电力以驱动电负载，从而消耗较少电流。

背景技术：

1、随着能源需求的急剧增加，各种部门(工业等)都在寻求采用能源的可持续形式并利用能源的可再生源。此外，还需要提供管理和节省产生的能源/电力的高能效设备，以满足能源要求和需求。

2、随着技术的进步，电动机已经在工业中用作各种应用中的主要驱动力，这需要过度使用能源。具体而言，感应电动机(诸如三相感应电动机)主要在工业和农业部门中使用，这些电动机消耗总发电量的65％。因此，与目前使用的标准电动机相比，存在节省大量能量的需求。此外，还需要降低这种具有更高效率的电动机的运行成本，以设计一种高能效电动机。

3、根据电动机的输入电力供应的类型和转子的类型，基本上有两种感应电动机。基于输入电力供应的类型，感应电动机被分为单相感应电动机和三相感应电动机。基于转子的类型，感应电动机被分为鼠笼式电动机和滑环式电动机或绕线类型。

4、以下内容说明了感应电动机的工作原理。当用ac输入电力供应馈送至感应电动机的定子绕组时，由于该ac输入电力供应，在定子绕组周围产生交变磁通。该交变磁通以同步速度旋转。该旋转的磁通被称为“旋转磁场”(rotating magnetic field，rmf)。

5、根据法拉第电磁感应定律，定子rmf与转子导体之间的相对速度在转子导体中产生感应电动势(electromotive force，emf)。转子导体被短路，并且由于该感应emf由此产生转子电流。这种电动机因其运行机理而被称为感应电动机。这与在变压器中发生的作用类似，因此感应电动机又被称为旋转变压器。

6、转子中的感应电流也会在其周围产生交变磁通。该转子磁通滞后于定子磁通。根据楞次定律，感应转子电流的方向趋向于起到对抗产生该电流的原因的作用。由于转子电流产生的原因是旋转定子磁通与转子之间的相对速度，因此转子会试图赶上定子rmf。因此，转子向着与定子磁通的方向相同的方向旋转，以最大限度地减小相对速度。但是，转子从未成功赶上旋转定子磁通或rmf的同步速度。这是单相和三相感应电动机的基本工作原理。

7、在三相感应电动机中，使用三相电力供应来平衡大电流的消耗。因此，需要三相电力供应来运行具有3hp及以上额定功率的感应电动机。

8、电动机(尤其是感应电动机)的能效是被高度研究的领域。通过提高感应电动机的效率，能够节省大量能量。使用常规的感应电动机设计方法来设计感应电动机很难达到工业效率标准。

9、目前现有的高效感应电动机包含高质量的芯和绕组材料来提高电动机的运行效率。这种设计变化并不划算。近年来，在节能方面进行了大量的工作和投资，而不是使用高质量的材料，以努力通过各种设计修改来提高电动机的电流效率。

10、在许多情况下，鼠笼式感应电动机是固定速度应用的首选。但是，由于占主导地位的绕组损耗，目前具有最佳效率的感应电动机在商业上不可获得。使用非晶铁芯和铜转子条是已经实施的用于提高效率的其它解决方案，但是，这种解决方案导致成本总体增加，并且其在工业级的实施不可行。

11、电动机被用作发电机来驱动不同类型的电负载，这些电负载可以包括但不限于可变扭矩负载(诸如风扇、泵)、恒定扭矩负载(诸如往复式压缩机、输送机、螺杆)和恒定功率负载(诸如机床)。驱动这些电负载的能量输出不稳定，并且因功率限制、扭矩和速度限制以及电流和电压限制而受到影响。为了满足扭矩要求，需要额定功率高于产生功率的电动机，尤其是在发电机速度与典型电动机速度相比非常低的情况下。此外，电动发电机的扭矩可能受到电动发电机的尺寸和类型的限制。因此，应选择具有高于发电机扭矩的持续扭矩的电动机类型。为了解决电流和电压限制问题，应选择给定电动机类型的适当绕组，该绕组即使在负载下也能产生所需的电压。

12、在将电动机用作发电机的常规使用中，机械能被转换成电能。这种转换与多种损耗相关联，例如机械损耗、耦合损耗、电损耗、热损耗和磁损耗。因此，对于实际应用，感应电动机很少被用作发电机，因为感应电动机通常因上述损耗而具有极低的功率输出。用永磁体构造的感应电动机能够产生具有较高效率的输出，但是对于某些应用来说，该功率输出仍然不足。

13、因此，鉴于上述困难，存在对高能效感应电动机的需求，该高能效电动机与任何相同容量的常规电动机相比消耗较少电流，并且高效地收集由电动机产生的电力，以补充驱动电动机的电力需求的一大部分，并且还供应电力以驱动电负载。

14、如本技术的其余部分所述并参考附图，通过将所说明的系统与本发明的一些方面进行比较，常规和传统方法的限制和缺点对于本领域普通技术人员将变得明显。

15、发明目的

16、本发明的主要目的是开发一种能够从单相或多相ac供应接收电力的高能效电动发电机。电动机功能支持机械负载，而发电机功能驱动电负载。所述电动发电机通过再发电来补充其输入功率需求的一大部分。

17、本发明的另一个目的是开发一种高能效电动发电机，该高能效电动发电机包括专门设计的电子控制模块，该电子控制模块与量身定制的定子绕组设计相结合，最适合于确保更高的电流效率。

18、本发明的另一个目的是开发一种高能效电动发电机，其中，由于在转子的完整旋转周期期间在定子绕组中产生的交变emf，感应电动机的定子绕组被连续供应合成电力，因此该交变emf(产生的emf)在电动机的连续运行期间充当供应电力的主要源。

19、本发明的另一个目的是开发一种高能效电动发电机，其中，由于在转子的完整旋转周期期间在定子绕组中产生的交变emf，电负载被连续地供应合成电力。

20、本发明的另一个目的是设计一种高能效电动发电机，该高能效电动发电机能够被工业化制造并且经济高效，从而可广泛用于需要电力和机械动力的应用。

技术实现思路

1、本发明公开了一种高能效电动发电机，与在至少一个附图中所示和/或结合至少一个附图所述的相同功率的常规电动机相比，该高能效电动发电机消耗较少电流。

2、电动发电机包括定子和转子，该定子包括主绕组，该主绕组用于在向定子的主绕组提供主ac电力供应时产生旋转磁场(rmf)，该转子被布置成因rmf而相对于定子的主绕组旋转。定子还包括两个附加绕组。第一附加绕组又被称为反馈emf绕组，其产生因转子的旋转而在反馈电动势绕组中感生的交变emf。在反馈电动势绕组中产生的交变emf随后通过与定子接口的电子控制单元(ecu)在转子的整个旋转周期中收集、处理并反馈至定子的主绕组。如此，在转子的旋转期间产生的能量满足电动发电机的工作所需的能量的一大部分。定子中的第二附加绕组又被称为电负载emf绕组，其产生因转子的旋转而在电负载emf绕组中感生的交变emf。随后通过与定子接口的ecu收集在电负载emf绕组中产生的交变emf，以向电负载供应电力。在转子的旋转期间如此产生的能量满足驱动电负载的能量需求。

3、通过阅读本发明的以下详细说明以及附图，能理解本发明的这些特征和优点以及其它特征和优点，在附图中，相同的附图标记始终指代相同的部件。