技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电力系统，特别是一种磁力平衡的爪极式无刷发电机。技术背景
[0002] 1821年法拉第发现通电
导线能绕永久磁
铁旋转，发明了永磁电机。1857年英国的惠斯通用电
磁铁代替永久磁铁，发明了电励磁方式，开创了电励磁电机的新纪元。但以上电机都只是
能量转换的工具。
[0003] 现有的发电机的基本原理都是导体切割
磁力线而感应电动势并产生
电流，导体切割磁力线的过程需要消耗足够的机械能，以克服装嵌导体的软铁与磁铁之间的吸力。
[0004] 只要仔细地去观察，我们会发现一个有趣的现象：
磁场的吸力效应并不能简单地用经典力学去解释，在不考虑磨擦力的前提下，若按照经典力学，
转子铁被吸往
定子磁铁的力与转子铁离开定子磁铁的所需克服的力应该是方向相反、大小相等的，但实际上，这对看似大小相等的力却是无法自己相互抵消的，因此发电机切割磁力线需要消耗大量的
动能。然而，这对方向相反、大小相等的吸力虽然不能自己相互抵消，却可以用一对方向相反、大小相等的磁场斥力将其抵消。
[0005] 本发明利用一对方向相反、大小相等的磁场斥力去平衡一对方向相反、大小相等的磁场吸力的原理，在爪极式发电机中加入与切割磁力线的吸力相当的磁场斥力，使电动发电机可以不再依靠外部动力而可以自行发电。
发明内容
[0006] 本发明是这样实现的：一种磁力平衡的爪极式无刷发电机，主要包括电枢、平行磁极、爪极、主磁极、卡环、
转轴、机座、端盖、接绕盒、励磁调节器、
整流器和
风扇，电枢由电枢铁心(3)和
电枢绕组(1)组成，平行磁极由平行磁场铁心(4)和平行磁场绕组(2)组成，主磁极由主磁场绕组(6)和磁轭(10)组成，爪极由一个中间爪极(5)和两个侧爪极(8、11)组成，其特征是：电枢、平行磁极与主磁极分两段设置，每段用两个卡环(7)连接成一个整体，再固定在机座和/或端盖上，主磁极设在内层，若干电枢与若干平行磁极相间设在外层；中间爪极设在两段主磁极的中间，两个侧爪极分别设在两个主磁极的外侧，爪极与主磁极之间留有气隙，爪极固定在转轴(9)上，转轴从主磁极的磁轭中间的圆孔穿过；两个主磁极接入反向直流电，与爪极一起组成一个磁场模式为S-N-S或N-S-N的三极磁场；平行磁极的两个磁极端分别与中间爪极和侧爪极的爪端的旋转轨迹相对且留有气隙，电枢铁心的两端分别与中间爪极和侧爪极的爪端的旋转轨迹相对且留有气隙；平行磁极与同段主磁极接入同向直流电，即平行磁极与爪极设定为相斥的。
[0007] 所述发电机为磁力平衡的双段爪极式单相
交流发电机或磁力平衡的双段爪极式三相交流发电机，电枢绕组由绕在电枢铁心上的线圈按单相输出或三相输出的接线方法连接而成。三相交流发电机的电枢绕组布线结构：每个绕组由一个绕圈组成，绕在电枢铁心上的3个相同的电枢绕组按空间间隔120度放置，或者，在120度机械
角度里，均匀分布有三相线圈，另外两个120度里同样各自分布有三相线圈，3相绕组按星形接法或三角形接法将三相绕组尾端连在一起引出即中性线，3相绕组的引出端为相线。三相交流发电机的爪极的极爪数量至少有4个，电枢至少有三个，平行磁极至少有三个，平行磁极与电枢相间而设，平均分布在卡环上。
[0008] 爪极上有若干直爪或弯爪或平斜爪或弯斜爪。平斜爪是指爪极的爪从径向看是平的，不是弯的，但又朝切向倾斜一定的角度，弯斜爪是指爪极的爪从径向看是朝轴向弯曲90度角的，但又朝切向倾斜一定的角度。爪极用软铁材料制成，如电工纯铁。中间爪极由于连接两个相同的磁极，磁通量较大，因此中间爪极要有足够的厚度，中间爪极一般比侧爪极要厚2倍以上。中间爪极的内侧中线上可以开一个凹槽，做成“人”形，以使两个相同磁极的磁势成为并联的磁势，而不是直接相对。中间爪极为一个整体，或者，中间爪极由两个爪极合成，两个爪极之间用非铁
磁性材料连接。
[0009] 平行磁场铁心和电枢铁心为直条形或斜条形铁心；条形铁心的两端平直，条形铁心呈“一”字型，或者，条形铁心的两端凸起，条形铁心呈“工”字型。从径向看，直条形铁心与转轴是平行的，斜条形铁心与转轴是交叉的。铁心用软铁材料制成，一般用
硅钢片叠压而成，表面涂上绝缘油漆，一般涂环
氧树脂。
[0010] 卡环上平均分布有矩形孔，平行磁场铁心和电枢铁心绕上绕组后，两端分别插在两个卡环的矩形孔中固定。主磁极放置两个卡环内侧的大孔中，主磁极的磁轭与卡环连接且固定在一起。铁心、磁轭与卡环用卡位连接或键连接或销连接或
螺纹连接或
焊接的方法固定。卡环用非
铁磁性材料制成，如
铝合金。
[0011] 磁场绕组和电枢绕组用漆包线绕制而成，如漆包
铜线、漆包铝线、漆包合金线等。
[0012] 主磁极的磁轭用软铁材料制成，可以用纯铁或低
碳铁磁性合金
铸造成一个整体，或者，中间部份用硅钢片叠压而成，两侧用电工纯铁或低碳铁磁性合金铸造。
[0013] 磁场模式为S-N-S或N-S-N的三极磁场在现有电机产品的应用中比较罕见，或根本就没有。但这种磁场模式应用在有相斥磁场的环境中却是一种理想的磁场模式。三极磁场与三极磁场相斥产生的轴向扭力较低，不会对转轴产生很大的轴向扭力。因此三极磁场在需要避免产生较大轴向扭力的相斥环境中，具有两极磁场不可比拟的优势。
[0014] 发电机的电枢切割主磁场的磁力线时，平行磁场同步与主磁场相斥，以抵消主磁场与电枢的吸力。电枢与主磁极的吸力是双向的，电枢铁心与爪极的极爪接近和电枢铁心离开爪极的极爪，所产生的吸力分别是顺
时针方向和逆时针方向的，两者大小相当、方向相反，但两者并不能自己相互抵消，需要用平行磁场与主磁场的斥力才能将这对吸力抵消。平行磁场与主磁场的斥力也是双向的，当两者靠近时，互相阻止对方靠近，当两者离开时，互相推开对方。
[0015] 发电机的电枢与主磁场的双向吸力可用曲线来表达，将连续产生的同方向的最大吸力点、最小吸力点和反方向的最大吸力点、最小吸力点连结起来即为波浪形，可以是
正弦波，也可以不是正弦波，波的振幅表示吸力的大小变化。
[0016] 平行磁场与主磁场的双向斥力与发电机切割磁力线时双向的吸力是相反的，因此平行磁场与主磁场产生的双向斥力可以用来抵消电枢切割主磁场的磁力线时产生的双向吸力。若两者的
波形完全一致，则表示斥力与吸力可以完全相互抵消。
[0017] 由于平行磁极与电枢相间而设，两者都在转轴的同一段
位置上，只要平行磁极、电枢与主磁场对称设置，电枢与主磁场的吸力还可以最大限度地抵消平行磁极与主磁场相斥时产生的轴向扭力。因此，磁力平衡的双段爪极式无刷发电机去掉其中一段电枢、主磁极、平行磁极、卡环和中间爪极，改造成磁力平衡的单段爪极式无刷发电机，以简化结构、降低成本。磁力平衡的单段式爪极无刷发电机没有中间爪极，电枢、主磁极和平行磁极只有一段，卡环只有两个。由于两极磁场与两极磁场相斥时，磁极会向异极方向扭转，如果平行磁极、电枢与主磁场做得不够对称、标准，相斥的磁场容易使转轴偏向一侧，损坏设备。因此单段式爪极无刷发电机的制造难度实际上要比双段式爪极无刷发电机的制造难度更高。磁力平衡的单段式爪极无刷发电机若采用磁
轴承，则可以用
磁轴承的磁力去平衡可能产生的轴向扭力。
[0018] 连接转轴与端盖的轴承为深沟球轴承或
圆锥滚子轴承或角
接触球轴承或磁轴承。由于发电机中存在相斥的磁场，所采用的轴承要能同时承受一定的径向
载荷和轴向载荷，单段式发电机甚至要求采用有纠偏转能力的磁轴承。
[0019] 一段电枢有3个或3个以上电枢，一段平行磁极有3个或3个以上的平行磁极，同段电枢与同段平行磁极相间而设，两者数量相同。两段电枢轴向对齐，两段平行磁极轴向对齐，或者，一段电枢与另一段平行磁极轴向对齐，即两段电枢与两段平行磁极交叉对齐。
[0020] 一个侧爪极有4个或4个以上的极爪，极爪的数量是2的整数倍，如6个、8个、10个等等。一段电枢和一段平行磁极的数量之和与一个侧爪极的极爪数量相同，或者，一段电枢和一段平行磁极的数量之和是一个侧爪极的极爪数量的3倍或6倍或9倍或12倍或15倍。如一个侧爪极有6个极爪，则一段电枢和一段平行磁极的数量之和为6或18或36或54等等。当然18倍、21倍等3的整数倍都是可以的，但一般发电机不会采用太大的倍数。
[0021] 爪极与平行磁极的斥力大小是可以调节的，用励磁调节器调节主磁极与平行磁极励磁电流和
电压的大小，就可以使爪极和平行磁极的斥力与爪极和电枢的吸力的大小趋向相同。由于励磁调节器不但要能调节吸力与斥力的大小，还要能调节
输出电压的大小，要做到两者同步调节并不容易。可以设置两个励磁调节器，分别调节主磁极和平行磁极的电流和电压，当主磁极的电压有变化时，平行磁极的自动励磁调节器可以自动作出相应的调节。
[0022] 接入发电机的励磁电流为直流电，主磁极和平行磁极产生的磁场是恒定磁场。
[0023] 由于发电机的吸力与斥力可以相互抵消，实际上
原动机带动转子转动并不需要消耗太多的机械能。因此，发电机一般用
电动机作为原动机，实现以电发电。电动机用
联轴器与发电机的转轴联接，或者，电动机与发电机共机壳。电动机一般也采用无刷电动机。
[0024] 发电机工作时也会产生
热能，若电动机与发电机设在同一机壳内，则可以共用风扇、
散热片或液冷式冷却装置。
接线盒设在机壳上。风扇设在转轴上，或者，在爪极上铸有
风扇叶片。励磁调节器一般采用自动励磁调节器，自动励磁调节器设在端盖内。
附图说明
[0025] 图1、图2、图3、图4、图5为本发明第一
实施例结构示意图。
[0026] 图6为本发明第二实施例结构示意图。
[0027] 图7为本发明第三实施例结构示意图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
[0029] 第一实施例
[0030] 参见图1定、转子结构合成图，图2定子结构分解合成图，图3弯爪式侧爪极结构图，图4中间爪极结构图，图5直爪式侧爪结构图。一种磁力平衡的爪极式三相交流无刷发电机，主要包括电枢、平行磁极、爪极、主磁极、卡环、转轴、机座、端盖、接绕盒、励磁调节器、整流器和风扇，电枢由电枢铁心(3)和电枢绕组(1)组成，平行磁极由平行磁场铁心(4)和平行磁场绕组(2)组成，主磁极由主磁场绕组(6)和磁轭(10)组成，爪极由一个中间爪极(5)和两个侧爪极(8、11)组成，其特征是：电枢、平行磁极与主磁极分两段设置，每段用两个卡环(7)连接成一个整体，再固定在机座和/或端盖上，主磁极设在内层，电枢与平行磁极相间设在外层，每段有3个电枢和3个平行磁极，两段电枢轴向对齐，两段平行磁极轴向对齐；中间爪极设在两段主磁极的中间，两个侧爪极分别设在两个主磁极的外侧，爪极与主磁极之间留有气隙，爪极固定在转轴(9)上，转轴从主磁极的磁轭中间的圆孔穿过；两个主磁极接入反向直流电，与爪极一起组成一个磁场模式为S-N-S或N-S-N的三极磁场；平行磁极的两个磁极端分别与中间爪极和侧爪极的爪端的旋转轨迹相对且留有气隙，电枢铁心的两端分别与中间爪极和侧爪极的爪端的旋转轨迹相对且留有气隙；平行磁极与同段主磁极接入同向直流电，即平行磁极与爪极设定为相斥的。侧爪极有6个弯极爪，中间爪极有12个弯极爪，平行磁场与主磁场产生的双向斥力用来抵消电枢切割主磁场的磁力线时产生的双向吸力；转轴用可同时承受径向和轴向载荷的
角接触球轴承定位于端盖；出线盒设在机座上；接入磁力平衡器的电流为直流电，磁力平衡器的电磁铁产生的磁场是恒定磁场；端盖内设有两个自动励磁调节器，一个自动励磁调节器用于调节主磁极的励磁电流，一个自动励磁调节器用于调节平行磁极的励磁电流；侧爪极上铸有风扇叶片。电枢绕组布线结构：每个绕组由一个绕圈组成，绕在电枢铁心上的3个相同的电枢绕组按空间间隔120度放置，按星形接法将三相绕组尾端连在一起引出即中性线，3相绕组的引出端为相线。
[0031] 第二实施例
[0032] 参见图6定、转子分解合成图，一种磁力平衡的爪极式无刷电动发电机，主要包括电枢、平行磁极、爪极、主磁极、卡环(7)、转轴(9)、机座、端盖、接绕盒、励磁调节器、整流器、风扇和电动机，电枢由电枢铁心(3)和电枢绕组(1)组成，平行磁极由平行磁场铁心(4)和平行磁场绕组(2)组成，主磁极由主磁场绕组(6)和磁轭(10)组成，爪极由一个中间爪极(5)和两个侧爪极(8)组成。两段电枢轴向与两段平行磁极交叉对齐。电动机与发电机设在同一机壳内，共用转轴、励磁电源、出线盒等。电动机为三相交流无刷电动机。其余未述部分同第一实施例，不再重复。
[0033] 第三实施例
[0034] 参见图7单段式定、转子结构合成图，一种磁力平衡的单段式爪极无刷电动发电机，主要包括电枢、平行磁极、爪极、主磁极、卡环(7)、转轴(9)、机座、端盖、接绕盒、励磁调节器、整流器、风扇和电动机，电枢由电枢铁心(3)和电枢绕组(1)组成，平行磁极由平行磁场铁心(4)和平行磁场绕组(2)组成，主磁极由主磁场绕组(6)和磁轭(10)组成，爪极由两个侧爪极(8)组成。电枢、平行磁极与主磁极采用单段结构，两个卡环(7)连接成一个整体，再固定在机座和/或端盖上，主磁极设在内层，3个电枢与3个平行磁极相间设在外层；两个侧爪极分别设在两个主磁极的外侧，爪极与主磁极之间留有气隙，爪极固定在转轴(9)上，转轴从主磁极的磁轭中间的圆孔穿过。轴承采用磁轴承。其余未述部分同第一实施例，不再重复。
