本发明涉及一种感应发电机，它有一对相同极性的相对转轴相互 对置的磁极。

感应发电机从相对古老年代就以一种电气用具所公知，并且以各 种各样适合于各个应用的形式得到实施。除应用于发电厂，船舶和飞 机外，还研制了便于家庭或消遣用途的感应发电机，并且得到了广泛 地使用。

感应发电机把动能转换成电能。由于有必要改善能量利用效率， 所以要求高效能量转换。

如众所周知，感应发电机是根据线圈中感应一个与穿过线圈的磁 通量减少率成正比的感应电动势这个原理(法拉第电磁感应定律)。按 照楞次定律，感应电动势以产生一个抗磁通量变化的电流的方向来产 生。

例如，如图1A和图1B所示，假定以垂直方向穿过环形线圈1的 磁通量φ如箭头所示A→B方向移动，按照法拉第电磁感应定律流过电 流I1，结果电流计2的指针顺时针方向(+方向)摆动，并且然后返回 到零值。当磁通量φ以B→C方向移动时，流过电流I2，结果电流计2 的指针逆时针方向(-方向)摆动，并且然后返回到零值。

通常，感应发电机构造为按照弗莱明右手定则，由导体切割磁力 线(图1A)或由磁力线穿过导体(图1B)而感应一个电动势。

感应发电机中的转子一般由一个交替安排有N极和S极的单件体 来实施。当有两个磁极时，N极和S极相互对置。当有两个以上磁极 时(例如四个磁极或六个磁极等等)，N极和S极交替，结果形成N-S -N-S-…次序。

在这个背景下，单极感应发电机是一个特例，其中感应电动势由 导体在移动或旋转时切割磁通量而产生，并且通过一个滑环提供直流 电流。换句话说，单极感应电动机其结构独特，特征在于无交替磁场 以相同方向移动。

在如上所述的常规感应发电机中，用高能量积和小反向磁导率(反 冲磁导率)为特征的铁氧体或稀土磁铁构造转子，以实现改善能量转换 效率。换个办法，在形成磁路中使转子的单极性与定子相互配合来降 低感应线圈中由于产生反磁场所引起的去磁程度。但是，尽管有这些 措施，由于转子铁心的反磁场所引起，更准确地说，由于电枢反应带 来的反磁场结果产生的去磁所引起的能量转换效率的降低仍是一个 严重问题。

本发明鉴于上述要点而研制，并且其目的是提供一种具有一对相 同极性的相对转轴相互对置的磁极的感应发电机，其中实现高能量转 换效率。

本发明提供一种具有一对相同极性的相对转轴相互对置的磁极的 感应发电机，包括：一个转轴，由外部装置驱动；偶数个(大于三个) 定子铁心，围绕所述转轴设置，在相邻定子铁心之间设置预定间隙； 一个第一单对极转子，设置在所述转轴中，由所述偶数个定子铁心所 围绕，并且具有第一和第二磁化磁铁，以便所述偶数个定子铁心保持 面对第一极性，所述第一和第二磁铁之间夹有一个磁体，并且在一个 横断面中相对所述转轴相互对置；一个第二单对极转子，设置在所述 转轴中，以便沿转轴按预定距离面对所述第一单对极转子，其由所述 偶数个定子铁心所围绕，并且具有第三和第四磁化磁铁，以便所述偶 数个定子铁心保持面对与所述第一极性的极性相反的第二极性，所述 第三和第四磁铁之间夹有一个磁体，并且相对所述转轴相互对置；以 及多个绕组，设置在所述偶数个定子铁心中，并且按照预定布置连 接，当所述第一和第二单对极转子旋转时，由第一，第二，第三和第 四磁铁产生一个在所述偶数个定子铁心中依次引起电磁感应的旋转 磁场；其特征在于：两个彼此相邻的绕组以相反方向缠绕，并串联连 接，从而通过合成由该两个绕组产生的电动势形成矩形波形，从而穿 过该两个绕组之一的磁力线数目的周期性增加和减少所引起的具有 矩形波形的电动势和穿过另一个绕组的磁力线数目的相关的周期性 减少和增加所引起的具有矩形波形的另一个电动势被合成，从而产生 具有矩形波形的周期性电压。

在本发明的一个方面，多个按照预定布置连接的绕组形成第一和 第二串联电路；

当所述第一和第二单对极转子旋转时，所述第一，第二，第三和 第四磁铁产生一个在所述偶数个定子铁心中依次引起电磁感应的旋 转磁场，所述第一串联电路输出一个具有矩形波形的周期性第一电动 势；以及

当所述第一和第二单对极转子旋转时，产生一个在所述偶数个定 子铁心中依次引起电磁感应的旋转磁场，所述第二串联电路输出一个 与第一电动势180°反相，并且与第一电动势具有相同周期的矩形波形 的周期性第二电动势。

本发明的感应发电机还可以包括：

旋转位置检测装置，用于检测所述第一和第二单对极转子在它们 旋转期间的位置；以及

开关装置，交替地使具有矩形波形，且由所述第一串联电路所提 供的所述第一电动势的正分量，或使具有矩形波形，且由所述第二串 联电路所提供的所述第二电动势的正分量以180°电气角度的间隔输 出。

在本发明的另一个方面，多个绕组包括一个第一绕组，设置在偶 数个定子铁心的第一定子铁心中，一个第二绕组，设置在与第一定子 铁心相邻的第二定子铁心中，以便与设置第一绕组方向相反的方向缠 绕，一个第三绕组，设置在与第二定子铁心相邻的第三定子铁心中， 以便与第一绕组相同的方向缠绕，一个第四绕组，设置在与第三定子 铁心相邻的第四定子铁心中，以便与设置第三绕组方向相反的方向缠 绕，第一至第四绕组按照预定布置相互连接。

在本发明的又一个方面，第一串联电路包括一个第一绕组，设置 在偶数个定子铁心的第一定子铁心中以第一方向缠绕，一个第二绕 组，与第一绕组串联连接，并且设置在与第一定子铁心相邻的第二定 子铁心中，以便以与第一方向相反的第二方向缠绕，一个第三绕组， 与第二绕组串联连接，并且设置在与第二定子铁心相邻的第三定子铁 心中，以便以第一方向缠绕，一个第四绕组，与第三绕组串联连接， 并且设置在与第三定子铁心相邻的第四定子铁心中，以便以第二方向 缠绕；以及

第二串联电路包括一个第五绕组，设置在第一定子铁心中以第二 方向缠绕，一个第六绕组，与第五绕组串联连接，并且设置在第二定 子铁心中，以便以第一方向缠绕，一个第七绕组，与第六绕组串联连 接，并且设置在第三定子铁心中，以便以第二方向缠绕，一个第八绕 组，与第七绕组串联连接，并且设置在第四定子铁心中，以便以第一 方向缠绕。

在本发明的再一个方面，第一至第四磁铁为弧形；以及

偶数个定子铁心具有弧形横断面。

在本发明的又一个方面，具有弧状横断面的弧形第一至第四磁铁 和定子铁心具有几乎相等的周长。

按照本发明，第一和第二单对极转子的旋转产生一个在偶数个定 子铁心中依次引起感应的旋转磁场。当穿过第一至第四绕组中一个绕 组的磁力线数目增加时，穿过第一至第四绕组中一个相邻绕组的磁力 线数目减少。也就是，对一个给定绕组，磁力线周期性地增加和减少。 穿过绕组的磁力线数目增加时所产生的电动势与穿过相邻绕组的磁 力线数目减少时所产生的电动势相合成，以便合成产生并输出一个具 有矩形波形的周期性直流电动势。这样，提供了高效能量转换，其中 消除了反磁场。

按照本发明的第一串联电路，第一和第二单对极转子产生一个在 偶数个定子铁心中依次引起感应的旋转磁场。当穿过第一至第四绕组 中一个绕组的磁力线数目增加时，穿过第一至第四绕组中一个相邻绕 组的磁力线数目减少。也就是，在一个给定绕组中，磁力线周期性地 增加和减少。因此，输出具有矩形波形的第一电动势。按照第二串联 电路，当穿过第五至第八绕组中一个绕组的磁力线数目增加时，穿过 第五至第八绕组中一个相邻绕组的磁力线数目减少。也就是，在一个 给定绕组中，磁力线周期性地增加和减少。因此，输出与第一电动势 180°反相，并且与第一电动势具有相同周期的第二电动势。按照旋转 位置检测装置输出的检测信号，开关装置有选择地使第一串联电路所 提供的第一电动势的正分量，或第二串联电路所提供的第二电动势的 正分量以180°间隔输出。这样合成并输出直流电动势。这样，提供高 效能量转换，其中消除了反磁场。

除广泛应用于发电厂，船舶，飞机等以外，本发明还可以获得家 庭应用，或可以方便地适合于消遣用途。

图1A和图1B是说明感应发电机的原理的示意图；

图2A和图2B是表示本发明第一实施例的示意图；

图3A和图3B是表示按照本发明第一实施例的单对极转子11N的 示意图；

图4A和图4B是表示按照本发明第一实施例的单对极转子11S的 示意图；

图5A和图5B是表示按照本发明第一实施例绕组怎样相互连接的 示意图；

图6A是示意表示按照第一实施例的旋转磁场怎样穿过绕组7c- 10c的示意图；

图6B表示磁路；

图7是表示按照第一实施例的输出电压的波形的示意图；

图8A和图8B是表示本发明第二实施例的示意图；

图9是表示按照第二实施例绕组怎样相互连接的示意图；以及

图10是表示按照第二实施例的输出电压的波形的示意图。

图2A和图3B表示本发明的第一实施例。具体地，图2A是纵断 面图，以及图2B是沿图2A直线1B-1B’所取的横断面图。

参考图2A和图2B，3表示一个由非磁性材料构成并且由一个外 部装置驱动的转轴；4a和4b表示用于支承转轴3的轴承；5a和5b 表示分别装有轴承4a和4b的法兰；以及6表示用于适应法兰5a和 5b的圆筒壳盖。

定子铁心7,8,9和10安排成围绕转轴3，在相邻定子铁心之间 设置等距间隙g1。各定子铁心7,8,9和10具有相同的弧状横断面。

在转轴3上设置单对极N极转子11N和单对极S极转子11S，以 便相互对置。单对极转子11N和11S由定子铁心7,8,9和10围绕， 在单对极转子与定子铁心之间设置一个小旋转间隙g0。

参考图2B，绕组7c和9c分别围绕定子铁心8和10顺时针方向 设置。绕组8c和10c分别围绕定子铁心8和10逆时针方向设置。绕 组7c,8c,9c和10c按照后文所述一种布置相互连接。

图3A和图3B表示单对极转子11N。具体地，图3A是纵断面图， 以及图3B是横断面图。

单对极转子11N具有相互位移180°的弧形磁铁12和13，并且被 磁化，以便其面对定子铁心7至10的表面为N极，以及其各内表面 为S极。弧形磁铁12和13构成为配合定子铁心7,8,9和10的外形。 参考图3B，符号N和N’用来区分磁铁12与13。

转子件14安排为连接弧形磁铁12和13。转子件14由弧形磁铁 12和13磁化，以便其面对弧形磁铁12和13的表面为S极，并且由 一种经受锻铸过程其中混合了若干百分率的有色金属的低碳钢所构 造的物质(例如硅钢)形成。由这样构造的转子件14所实施的铁心以匀 称磁场为特征，其中铁心对其周围介质所表现的磁导率接近单极磁场 中的峰值。

图4A和图4B表示单对极转子11S。具体地，图4A是纵断面图， 以及图4B是横断面图。

单对极转子11S具有相互位移180°的弧形磁铁15和16，并且被 磁化，以便其面对定子铁心7至10的表面为S极，以及其各内表面为 N极。弧形磁铁15和16构成为配合定子铁心7,8,9和10的外形。

转子件17安排为连接弧形磁铁15和16。转子件17由弧形磁铁 15和16磁化，以便其面对弧形磁铁15和16的表面为N极，并且由 一种经受锻铸过程其中混合了若干百分率的有色金属的低碳钢所构 造的物质形成。由这样构造的转子件17所实施的铁心以匀称磁场为特 征，其中铁心对其周围介质所表现的磁导率接近单极磁场中的峰值。

弧形磁铁12,13,15和16具有相同周长，这个长度还等于定子 铁心7,8,9和10的周围所形成的弧的长度。更准确地说，这个长度 是把整个假设周长减去间隙4g1后除以4而得到。参考图2A和图2B， 旋转间隙g0等于R1-R，如图3B和图4B所示，其中R1是转轴3 的中心与定子铁心7至10的内表面之间的距离，以及R是转轴3的 中心与单对极转子11N和11S的外表面之间的距离。

图5A至图5C表示绕组怎样相互连接。T1表示绕组的始端，T2 表示绕组的终端，以及18和19表示输出端。更准确地说，图5A表 示串联布置，图5B表示串并联布置，以及图5C表示并联布置。串联 布置使绕组中感应电动势彼此相加，并且提供一个高电压输出。并联 布置使绕组中感应电动势所产生的电流彼此相加，并且提供一个大电 流输出。

现在将参考图6A，图6B和图7叙述串联布置的发电操作。

图6A是示意表示单对极转子11S和11N所提供的旋转磁场怎样 穿过绕组7c至10c的示意图。图6B表示磁路。

参考图6A，φ1和φ2表示沿圆周2πR旋转的旋转磁场。图6A表 示弧形磁铁12和15在它们整个长度范围内与定子铁心7正好相对， 以及弧形磁铁13和16在它们整个长度范围内与定子铁心9正好相 对。

如图6B所示，磁通量φ1形成如下磁路：

转子件14(S)-弧形磁铁12(N)-定子铁心7-旋转间隙g0-弧形 磁铁15(S)-转子件17(N)

磁通量φ2形成如下磁路：

转子件14(S)-弧形磁铁13(N)-旋转间隙g0-定子铁心9-旋转 间隙g0-弧形磁铁16(S)-转子件17(N)

因此，形成并联磁路。在这种状态下，磁通量φ1穿过绕组7c，以 及磁通量φ2穿过绕组9c。

对磁通量φ1的旋转作集中叙述。具体地，将对磁通量φ1穿过绕组 的变化方式作叙述。

参考图7所示输出电压波形，在时刻t1整个磁通量φ1穿过绕组 10c。在时刻t2，整个磁通量φ1穿过绕组7c。在时刻t3，整个磁通量 φ1穿过绕组8c，在时刻t4，整个磁通量φ1穿过绕组9c。在时刻t5， 整个磁通量φ1穿过绕组10c。这样，磁通量φ1在时间T期间以图6A 中顺时针方向按恒速旋转。

在时刻t1与时刻t2之间，由于穿过绕组10c的磁通量φ的磁力线 的数目减少，所以在绕组10c中产生一个如图7中Ⅰ所示的具有降三 角波形的电动势。由于穿过绕组7c的磁通量φ的磁力线的数目增加， 所以在绕组7c中产生一个如图7中Ⅰ’所示的具有升三角波形的电动 势。因此，由这些三角波形之和所得到的一个正矩形波形输出到输出 端18和19。

在时刻t2与时刻t3之间，由于穿过绕组7c的磁通量φ的磁力线的 数目减少，所以在绕组7c中产生一个如图7中Ⅱ所示的具有升三角 波形的电动势。由于穿过绕组8c的磁通量φ的磁力线的数目增加，所 以在绕组8c中产生一个如图7中Ⅱ’所示的具有降三角波形的电动 势。因此，由这些三角波形之和所得到的一个负矩形波形输出到输出 端18和19。

在时刻t3与时刻t4之间，由于穿过绕组8c的磁通量φ的磁力线的 数目减少，所以在绕组8c中产生一个如图7中Ⅲ所示的具有降三角 波形的电动势。由于穿过绕组9c的磁通量φ的磁力线的数目增加，所 以在绕组9c中产生一个如图7中Ⅲ’所示的具有升三角波形的电动 势。因此，由这些三角波形之和所得到的一个正矩形波形输出到输出 端18和19。

在时刻t4与时刻t5之间，由于穿过绕组9c的磁通量φ的磁力线的 数目减少，所以在绕组9c中产生一个如图7中Ⅳ所示的具有升三角 波形的电动势。由于穿过绕组10c的磁通量φ的磁力线的数目增加，所 以在绕组10c中产生一个如图7中Ⅳ’所示的具有降三角波形的电动 势。因此，由这些三角波形之和所得到的一个负矩形波形输出到输出 端18和19。

当磁通量φ1使其旋转时，如图7所示输出一个具有合成矩形波形 且有T/2周期的电动势。由于当磁通量φ1使其旋转时磁通量φ2也使其 旋转，并且产生一个具有类似矩形波形的电动势输出，所以在端18 与19之间所得到的电动势大小实际上是图7所示的两倍。

这样，本实施例使得可能消除反磁场，并且提供一种具有一对相 同极性的相对转轴相互对置的磁极的感应发电机，该感应发电机以高 能量转换效率为特征。我们的操作实践已经证实，具有本实施例结构 的发电机提供足够高的能量转换效率，只需常规发电机所需驱动转矩 的1/5.2。

图8A和图8B表示本发明的第二实施例。具体地，图8A是纵断 面图，以及图8B是沿图8A直线7B-7B’所取的横断面图。

参考图8A和图8B，3表示一个由非磁性材料构成并且由一个外 部装置驱动的转轴；4a和4b表示用于支承转轴3的轴承；5a和5b 表示分别装有轴承4a和4b的法兰；以及6表示用于适应法兰5a和 5b的圆筒壳盖。

定子铁心7,8,9和10安排成围绕转轴3，在相邻定子铁心之间 设置等距间隙g1。各定子铁心7,8,9和10具有相同的弧状横断面。

在转轴3上设置单对极N极转子11N和单对极S极转子11S，以 便相互对置。单对极转子11N和11S由定子铁心7,8,9和10围绕， 在单对极转子与定子铁心之间设置一个小旋转间隙g0。

参考图8B，绕组7c和9c分别围绕定子铁心7和9顺时针方向设 置。绕组27c和29c分别围绕定子铁心7和9逆时针方向设置。绕组 8c和10c分别在定子铁心8和10中逆时针方向设置。绕组28c和30c 分别围绕定子铁心8和10顺时针方向缠绕。绕组7c,8c,9c,10c, 27c,28c,29c和30c按照后文所述一种布置相互连接。

在定子铁心7与10之间设置一个磁传感器(旋转位置检测装 置)31，并且在定子铁心7与8之间设置一个磁传感器(旋转位置检测 装置)32。磁传感器31和32检测磁场，以便检测单对极转子11N和 11S在它们操作期间的位置。

单对极转子11N具有如图3A和3B所示的布置，以及单对极转子 11S具有如图4A和4B所示的布置。

单对极转子11N具有相互位移180°的弧形磁铁12和13，并且被 磁化，以便其面对定子铁心的表面为N极，以及其各内表面为S极。 弧形磁铁12和13构成为配合定子铁心7,8,9和10的外形。

转子件14安排为连接弧形磁铁12和13。转子件14由一种经受 锻铸过程其中混合了若干百分率的有色金属的低碳钢所构造的物质 形成。由这样构造的转子件14所实施的铁心以匀称磁场为特征，其中 铁心对其周围介质所表现的磁导率接近单极磁场中的峰值。

单对极转子11S具有相互位移180°的弧形磁铁15和16，并且被 磁化，以便其面对定子铁心的表面为S极，以及其各内表面为N极。 弧形磁铁15和16构成为配合定子铁心7,8,9和10的外形。

转子件17安排为连接弧形磁铁15和16。转子件17由一种经受 锻铸过程其中混合了若干百分率的有色金属的低碳钢所构造的物质 形成。由这样构造的转子件17所实施的铁心以匀称磁场为特征，其中 铁心对其周围介质所表现的磁导率接近单极磁场中的峰值。

弧形磁铁12,13,15和16具有相同周长，这个长度还等于定子 铁心7,8,9和10的周围所形成的弧的长度。更准确地说，这个长度 是把整个假设周长减去间隙4g1后除以4而得到。参考图3A，图3B， 图4A，图4B和图8，旋转间隙g0等于R1-R。

图9表示绕组怎样相互连接。T1表示绕组的始端，T2表示绕组 的终端，以及18和19表示输出端。

从绕组中形成两个串联电路。开关SW1和SW2用来选择各串联 电路。开关控制电路40处理磁传感器31和32输出的检测信号，按照 检测信号有选择地驱动开关SW1和SW2。

如图9所示，第一串联电路包括在定子铁心7中顺时针方向设置 的绕组7c；与绕组7c串联连接并在与定子铁心7相邻的定子铁心8 中逆时针方向设置的绕组8c；与绕组8c串联连接并在定子铁心9中 顺时针方向设置的绕组9c；以及与绕组9c串联连接并在与定子铁心9 相邻的定子铁心10中逆时针方向设置的绕组10c。

如图9所示，第二串联电路包括在定子铁心7中逆时针方向设置 的绕组27c；与绕组27c串联连接并在定子铁心8中顺时针方向设置 的绕组28c；与绕组28c串联连接并在定子铁心9中逆时针方向设置 的绕组29c；以及与绕组29c串联连接并在定子铁心10中顺时针方向 设置的绕组30c。

按照上述结构，当单对极转子11N和11S旋转时，由弧形磁铁12, 13,15和16产生一个在定子铁心7至10中引起电磁感应的旋转磁场。 如参考图6和图7已作说明，当穿过绕组7c至10c中一个绕组的磁力 线数目增加时，穿过绕组7c至10c中一个相邻绕组的磁力线数目就减 少。也就是，对一个给定绕组，磁力线周期性地增加和减少，因此从 第一串联电路(7c-10c)输出一个具有与图7所示矩形波形相似的矩形 波形，并且周期为旋转周期的1/2的第一电动势。

当穿过绕组27c至30c中一个绕组的磁力线数目增加时，穿过绕 组27c至30c中一个相邻绕组的磁力线数目就减少。也就是，对一个 给定绕组，磁力线周期性地增加和减少，因此从第二串联电路(27c- 30c)输出一个与第一电动势180°反相，并且与第一电动势具有相同周 期的矩形波形的第二电动势。也就是，第二电动势与图7所示电动势 180°反相。

参考图10，按照磁传感器31和32输出的检测信号，开关SW1 和SW2以90°间隔实行转接。因此，以180°间隔交替选择具有矩形 波形并从第一串联电路提供的第一电动势的正分量Ⅰ和Ⅲ，以及具有 矩形波形并从第二串联电路提供的第二电动势的正分量Ⅱ和Ⅳ，并 且输出到输出端18和19。

这意味着本实施例保证有高效能量转换，其中消除反磁场，并且 适当合成和输出一个具有正电平的直流电动势。当然可能通过把开关 定时移相180°以合成并输出一个负直流电动势。