本發(fā)明涉及一種利用磁鋼物質(zhì)產(chǎn)生電能和/或機(jī)械能的磁能發(fā)動機(jī)。

磁能發(fā)動機(jī)系七十年代末期以后出現(xiàn)的新機(jī)器，旅美華人林安東經(jīng)過九年努力研制成功“脈沖電磁動能發(fā)動機(jī)”（《世界發(fā)明》1984年第5期）並于1981年分別在美國、日本登記專利，1983年5月國際專利第WO83/01353號公布了該發(fā)明申請?！秴⒖枷ⅰ?985年1月15日報(bào)導(dǎo)美國人約瑟夫、紐曼花了十九年時(shí)間研制了一種利用電磁力產(chǎn)生能的機(jī)器樣機(jī)，紐曼聲稱這裝置使用電磁力不斷產(chǎn)生能，樣機(jī)發(fā)出的能相等于它使用的能的至少十倍。……這部機(jī)器使用蓄電池來激發(fā)一系列磁力，磁力借把物質(zhì)變成能的作用永無休止地產(chǎn)生和再產(chǎn)生能。

《世界發(fā)明》80年第一期報(bào)導(dǎo)美國發(fā)明家H·R約翰遜設(shè)計(jì)的一種永磁鐵發(fā)動機(jī)。且做了一輛用這種永磁鐵發(fā)動機(jī)為動力的小型車，文章稱當(dāng)時(shí)該車已正常行駛兩年多，且正在進(jìn)行功率為10-12馬力的永磁鐵發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的磁能發(fā)動機(jī)由手動曲軸、發(fā)電機(jī)、蓄電裝置、驅(qū)動和控制電路、步進(jìn)電機(jī)、蓄能器等組成。容量大時(shí)其步進(jìn)電機(jī)的永久磁鐵裝設(shè)方式不甚合理，在轉(zhuǎn)速高時(shí)風(fēng)損大，效率低;加之繞組供電方式為交流-直流-直流脈沖型，在容量大時(shí)技術(shù)難點(diǎn)多，故很難制出大功率磁能發(fā)動機(jī)。

本發(fā)明的目的是用一臺有電動和發(fā)電繞組的電機(jī)代替現(xiàn)有磁能發(fā)動機(jī)的步進(jìn)電機(jī)和發(fā)電機(jī)，而所用電機(jī)是工業(yè)中已廣泛使用的永磁類同步、步進(jìn)電機(jī)中的一種。同時(shí)提供兩種新型步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)克服現(xiàn)有步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的缺陷，迅速實(shí)現(xiàn)大功率磁能發(fā)動機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)，為人類早日提供廉價(jià)電能、熱能和機(jī)械能。

本發(fā)明是根據(jù)以下見解實(shí)現(xiàn)的：任一臺永磁類同步，步進(jìn)電機(jī)當(dāng)滿足一定條件時(shí)，都能使磁鋼放出能量，要使磁鋼放出較多磁能應(yīng)滿足以下一些條件：

1、電機(jī)只有步進(jìn)運(yùn)行（定子磁場是間斷前進(jìn)的步進(jìn)磁場）才會出現(xiàn)使磁鋼放能的永磁互感力矩分量。

2、應(yīng)在轉(zhuǎn)子失調(diào)角θ＝π-δ（δ-換相角）時(shí)給定子加直流脈沖，或θ＝π-δ和θ＝2π-δ時(shí)給定子加正、負(fù)脈沖即加交流脈沖。

3、直流脈沖電流理想脈寬τ為(π)/2或(2π)/(m)（m＞4時(shí)），交流脈沖電流理想脈寬τ為(π)/(m)（m-定子繞組相數(shù)）。

4、脈沖電流是幅值隨時(shí)間而變化的變電流。

5、同樣的脈沖電流引起的磁鋼磁通變化越大。磁鋼釋放的磁能越多。

6、θ＝(3π)/2和θ＝π處定、轉(zhuǎn)子磁路磁阻值相差越大越好。

7、驅(qū)動回路中的發(fā)電和電動繞組電感在脈沖電流上升時(shí)從磁鋼和轉(zhuǎn)子吸收的能（除電阻損耗外）在脈沖電流降為零前應(yīng)全部送還轉(zhuǎn)子和磁鋼。

8、永磁類同步電機(jī)力矩與頻率無關(guān)，脈沖頻率f越高，磁能發(fā)動機(jī)輸出功率越大，力能指標(biāo)越好。

下面結(jié)合附圖說明滿足上述見解的作法及實(shí)施例的工作情況。

參照圖1，〔1〕為起動裝置，起動裝置的作用是將轉(zhuǎn)子從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速。由于磁能發(fā)動機(jī)是依靠自身發(fā)電產(chǎn)生勵磁電能，故轉(zhuǎn)子必須靠起動裝置施加初始動能。在無公用電源場合，小容量磁能發(fā)動機(jī)的起動裝置是一臺增速器和手動曲軸;大容量磁能發(fā)動機(jī)可采用氣壓或液壓馬達(dá)或蓄電池-直流電機(jī)直接或經(jīng)減速器帶動磁能發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在有公用電源場合，起動裝置可以是一臺轉(zhuǎn)速相同的電機(jī)。起動裝置容量可按磁能發(fā)動機(jī)的風(fēng)損、摩擦損和必要的起動加速度選擇。

本發(fā)明是從永磁同步機(jī)、永磁步進(jìn)電機(jī)、永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)、磁滯起動永磁同步機(jī)、永磁盤式電機(jī)等電機(jī)中任選一種，在其定子中裝電動和發(fā)電兩套繞組，代替現(xiàn)有磁能發(fā)動機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)和發(fā)電機(jī)。在容量大（如大于10KW）時(shí)轉(zhuǎn)子〔2〕多采用星形磁鋼凸極結(jié)構(gòu)，為使步距角小磁極極數(shù)應(yīng)盡可能多些，以提高運(yùn)行頻率和容量。永磁磁極可以切向、徑向或混合布置。在容量?。ㄈ缧∮?0KW）時(shí)轉(zhuǎn)子〔2〕可采用隱極結(jié)構(gòu)（如永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)）其轉(zhuǎn)子磁鋼軸向布置。

為滿足上述放能條件5，轉(zhuǎn)子磁鋼應(yīng)采用回復(fù)磁導(dǎo)率μγec＞2或(B)/(μδH)＞7的“軟”永磁材料。目前可供采用的有鋁鎳鈷、鐵鉻鈷（或鐵鈷鉻）、鐵鎳鋁、鐵鈷釩、鎢鋼、鉻鋼、鐵鎳錳等?！败洝庇来挪牧献魍箻O磁鋼轉(zhuǎn)子時(shí)的缺點(diǎn)是體積大、磁鋼材料消耗多。本發(fā)明在設(shè)計(jì)大功率磁能發(fā)動機(jī)的星形磁鋼凸板轉(zhuǎn)子時(shí)采用復(fù)合磁極結(jié)構(gòu)，即磁極由“軟”、“硬”兩種永磁材料組成，所謂“硬”永磁材料即(B)/(μOH)≤3（B-磁感應(yīng)、H-磁場強(qiáng)度、μO-空氣磁導(dǎo)率）的永磁材料如硬鐵氧體、錳鋁碳、稀土鈷、混合稀土鈷、釹鐵合金等。復(fù)合磁極中“軟”永磁的體積比“硬”永磁體積大（參見圖5）。由于“硬”永磁材材料矯頑力大，即使作成凸極結(jié)構(gòu)也不易退磁，但它不易放出磁能。而“軟”永磁材料易放出磁能也容易退磁，“軟”“硬”材料結(jié)合，取長補(bǔ)短就能造出性能優(yōu)良的大功率磁能發(fā)動機(jī)。

大容量磁能發(fā)動機(jī)采用永磁同步機(jī)或磁滯起動的永磁同步機(jī)時(shí)，其定子〔3〕的沖片形狀應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)沖片相似。（槽寬大于齒寬參見圖4），沖片材料應(yīng)選用適于中頻運(yùn)行的G1～G4冷軋單取向薄帶硅鋼（厚度0.05，0.08，0.2毫米）。定子槽高較一般步進(jìn)電機(jī)高以放下發(fā)電和電動兩套繞組及增加的絕緣材料為度。小容量磁能發(fā)動機(jī)采用永磁步進(jìn)電機(jī)、永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)時(shí)，定子沖片與這類電機(jī)沖片相似，不同點(diǎn)只是槽高加大，沖片材料選用厚為0.05，0.08或0.2毫米的G1～G4冷軋單取向硅鋼片。定子繞組結(jié)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)相似，即每個齒上套一個電動線圈一個發(fā)電線圈。繞組的相數(shù)可從2至9的整數(shù)中選取。步進(jìn)電機(jī)中相數(shù)增大有步距角小，動穩(wěn)定區(qū)加寬，運(yùn)行頻率提高等優(yōu)點(diǎn)。故直流脈沖勵磁最好采用五相繞組，交流脈沖勵磁最好采用三相繞組。由于電機(jī)步進(jìn)運(yùn)行，電動繞組只有部分時(shí)間通過電流，故可按步進(jìn)電機(jī)的允許電流密度選擇導(dǎo)線，發(fā)電繞組如果有電負(fù)載則按同類發(fā)電繞組的電流密度選擇導(dǎo)線。當(dāng)向外界電負(fù)載供電時(shí)，為適應(yīng)用電器具〔7〕的電壓等級，發(fā)電繞組可制成兩套，一套為驅(qū)動用發(fā)電繞組〔8〕專用作向電動繞組〔9〕供給勵磁電流，另一套為供電用發(fā)電繞組〔10〕向用電器具〔7〕供應(yīng)電能（如圖1虛線所示），自然發(fā)電繞組也可以是一套帶抽頭的繞組，一些抽頭向外供電，一些抽頭向電動繞組供電;大容量磁能發(fā)動機(jī)的發(fā)電和電動繞組本身還可以再分成兩組或多組彼此沒有電連接的繞組。

電子開關(guān)〔5〕、觸發(fā)或基極電流控制環(huán)節(jié)〔4〕與發(fā)電繞組〔8〕、電動繞組〔9〕共同構(gòu)成新型步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)。其中一種是直接將發(fā)電繞組〔8〕產(chǎn)生的交流電用單向可控半導(dǎo)體功率器件（可控硅，可關(guān)斷可控硅、大功率晶體管、大功率場效應(yīng)管等）整流變成脈寬為(π)/2或(2π)/(m)（m＞4時(shí)）的直流脈沖供給電動繞組〔9〕稱為交流-直流脈沖型步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)。另一種是直接將發(fā)電繞組〔8〕產(chǎn)生的交流電用雙向半導(dǎo)體功率器件（如雙向可控硅、反並聯(lián)接的可控硅、大功率晶體管、功率場效應(yīng)管等）變換成脈寬為(π)/(m)的交流脈沖供給電動繞組〔9〕稱為交流-交流脈沖型步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)。

發(fā)電繞組〔8〕與電動繞組間的連接，可采用發(fā)電繞組〔8〕的相電壓向電動繞組〔9〕相繞組供電，也可采用發(fā)電繞組〔8〕的線電壓向電動繞組〔9〕相繞組供電，對于三相磁能發(fā)動機(jī)定子，前者相當(dāng)于Y/Y或△/△連接，后者相當(dāng)于Y/△連接。

當(dāng)采用本發(fā)明所述兩種步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)，磁能發(fā)動機(jī)的電機(jī)也可由兩臺結(jié)構(gòu)類似的多相單繞組永磁類電機(jī)組成，其中一臺作步進(jìn)電機(jī)一臺作發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)繞組與步進(jìn)電動機(jī)繞組間的連接辦法與上述雙繞組磁能發(fā)動機(jī)相同。這種磁能發(fā)動機(jī)也可稱為雙電機(jī)式磁能發(fā)動機(jī)。

保持磁能發(fā)動機(jī)勵磁回路功率因數(shù)接近不變是提高運(yùn)行頻率的有效措施之一，因此可在發(fā)電繞組和電動繞組間串接無感電熟負(fù)載，以使運(yùn)行頻率提高時(shí)，電抗雖增大回路電阻也增大，使回路功率因數(shù)接近不變或變化較緩慢。

觸發(fā)或基極電流控制環(huán)節(jié)〔4〕的同步信號取自電動或發(fā)電繞組電壓，因繞組感應(yīng)電勢包含轉(zhuǎn)子位置信息故可準(zhǔn)確控制換相角，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)閉環(huán)控制。而〔4〕可以是簡單的晶體管分立元件電路甚或是阻容元件組成的簡單電路，〔4〕也可以是各種性能優(yōu)良的用集成元件、微機(jī)或其組合構(gòu)成的復(fù)雜電路。

機(jī)械負(fù)載〔6〕與磁能發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子軸〔14〕同軸連接或經(jīng)減速箱降速后連接，〔6〕也可以是一臺三相同步發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生工頻交流電，給工頻用電負(fù)載供電。

圖2是本發(fā)明一種具體實(shí)施例的縱向剖面圖，該實(shí)施例系采用永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子磁鋼〔11〕為環(huán)形，用“軟”永磁材料（如鋁鎳鈷32）制作，因磁極軸向布置，定子去磁磁勢等效磁勢較小，磁鋼不易被短路電流去磁。磁鋼〔11〕兩端各裝一段導(dǎo)磁鐵芯〔12〕，每段導(dǎo)磁鐵芯〔12〕上有Zr個小齒，但二段導(dǎo)磁鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定子鐵芯〔13〕用厚為0.08毫米的冷軋單取向硅鋼片制成，定子沖片上有ZS個齒和槽均布，齒層尺寸選擇與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相似但齒槽較深用來安放電動繞組〔9〕和發(fā)電繞組〔8〕，繞組結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子軸〔14〕系用鎳鉻不銹鋼制作，軸一端與起動裝置相連，另一端與機(jī)械負(fù)載相連。

這種步進(jìn)電機(jī)只當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼與定子磁勢相互作用時(shí)才會產(chǎn)生電磁力矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子用起動裝置起動到額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在開路的電動和發(fā)電繞組內(nèi)將感生電勢如圖3eaD和ebF所示（設(shè)B相發(fā)電繞組與A相電動繞組通過電子開關(guān)相連），當(dāng)轉(zhuǎn)子失調(diào)角為π-δ時(shí)給可控硅電子開關(guān)加觸發(fā)脈沖，因此時(shí)eaD與ebF方向相同，閉合回路中便會產(chǎn)生電流（由于電子開關(guān)接通瞬間eaD和ebF方向相同回路中總會產(chǎn)生脈沖電流，故蓄電裝置不是必須的。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量足夠大時(shí)，蓄能裝置（飛輪）也不是必須配備的。）在π-δ＜θ＜π區(qū)間，脈沖電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在其作用下速度有所降低。而繞組中電流繼續(xù)上升，當(dāng)θ＞π后電流產(chǎn)生的力矩為電動力矩，轉(zhuǎn)子加速其速度回升，當(dāng)ebF＝eaD時(shí)脈沖電流達(dá)到極大值，繞組電感儲能達(dá)到極大值，因電動繞組匝數(shù)WD較發(fā)電繞組匝數(shù)WF多，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)有｜eaD｜＞｜ebF｜的關(guān)系成立，eaD與ebF之差使繞組電流iD變小，因此時(shí)仍在電動區(qū)，電動力矩為正，繞組電感中的儲能（除電阻消耗一部分外）在eaD作用下全部返回轉(zhuǎn)子和磁鋼。只要電動和發(fā)電繞組的匝數(shù)比適當(dāng)（互連繞組的相位差和匝數(shù)比決定勵磁電流脈寬和換相角），當(dāng)θ＝(3π)/2時(shí)可作到繞組中電流剛好降為零。

電動和發(fā)電繞組同時(shí)通過電流，因此只有（WD-WF）ID這部分磁勢產(chǎn)生電動力矩和電動功率，為使磁能發(fā)動機(jī)單位重量產(chǎn)生的功率大些，只有提高磁能發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速才行。永磁類電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)為常值。故速度越高功率越大換言之磁能發(fā)動機(jī)的比功率與運(yùn)行頻率成正比，本發(fā)明的雙繞組結(jié)構(gòu)和新型步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)采用普通半導(dǎo)體功率器件就可作到中頻運(yùn)行，（頻率升高不會產(chǎn)生換相困難的氅?。?。本例中定子有Zs＝36個齒，轉(zhuǎn)子有Zγ＝42個齒，運(yùn)行拍數(shù)m1＝m＝3故當(dāng)轉(zhuǎn)子速度為3000轉(zhuǎn)/分時(shí)脈沖電流頻率f＝3000/60×42×3＝6000步/秒，即磁鋼每秒放能次數(shù)達(dá)6300次。

大容量磁能發(fā)動機(jī)的橫向剖面示意圖見圖4，該實(shí)施例永磁磁極〔11〕切向布置，自然也可采用徑向或混合布置方式。磁極〔11〕均布在非導(dǎo)磁環(huán)〔16〕上，而〔16〕套在軸〔14〕上，磁極〔11〕之間是由高導(dǎo)磁材料制成的極塊〔15〕。定子鐵芯〔13〕的每個齒上套有電動繞組〔9〕和發(fā)電繞組〔8〕的線圈。定子槽寬大于齒寬，因此磁路在θ＝(3π)/2與θ＝π的磁阻值相差甚大。圖4實(shí)施例永磁磁極〔11〕系復(fù)合磁極，其結(jié)構(gòu)在圖5示出，磁極〔11〕由“軟”永磁部分〔11R〕和“硬”永磁部分〔11Y〕組成“硬”永磁部分〔11Y〕采用YX-20稀土鈷永磁材料“軟”永磁部分〔11R〕采用鋁鎳鈷32永磁材料。復(fù)合磁極中“軟”永磁部分〔11R〕的體積約為〔11Y〕體積的3～4倍。

下面對圖面加以說明

圖1是本發(fā)明示意系統(tǒng)圖。其中：

1-起動裝置（如手動曲軸及增速器）

2-永磁轉(zhuǎn)子

3-定子

4-觸發(fā)或基極電流控制環(huán)節(jié)

5-電子開關(guān)（由半導(dǎo)體單向或雙向可控功率器件組成）

6-機(jī)械負(fù)載

7-用電器具

8-驅(qū)動用發(fā)電繞組

9-電動繞組

10-供電用發(fā)電繞組

14-軸

圖2是本發(fā)明一種具體實(shí)施例的縱向剖面圖

其中：

11-永磁磁極

12-導(dǎo)磁鐵芯

13-定子鐵芯

圖3繞組感應(yīng)電勢和脈沖電流波形圖

eaD-電動繞組a相感應(yīng)電勢

ebF-發(fā)電繞組b相感應(yīng)電勢

iD-脈沖電流

δ-換相角

τ-脈沖寬度

圖4是一種大容量磁能發(fā)動機(jī)具體實(shí)施例的橫向剖面圖

15-極塊（高導(dǎo)磁材料制成）

16-非導(dǎo)磁環(huán)

圖5是圖4磁能發(fā)動機(jī)的復(fù)合磁極結(jié)構(gòu)示意圖

11Y-復(fù)合磁極的“硬”永磁部分

11R-復(fù)合磁極的“軟”永磁部分

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用工業(yè)中已廣泛采用的永磁類同步機(jī)、步進(jìn)電機(jī)作磁能發(fā)動機(jī)的電機(jī)，用普通半導(dǎo)體功率器件就能實(shí)現(xiàn)中頻運(yùn)行。驅(qū)動系統(tǒng)采用閉環(huán)控制且不需采用位置傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、元器件少、可靠性高、維護(hù)容易，這些優(yōu)點(diǎn)能早日實(shí)現(xiàn)大功率磁能發(fā)動機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。

由于磁能發(fā)動機(jī)產(chǎn)生能的機(jī)理與核能發(fā)電相似都是基于物質(zhì)轉(zhuǎn)換為能這一原理，但磁能發(fā)動機(jī)是在常溫、常壓下使物質(zhì)（磁鋼）轉(zhuǎn)換為能，是一種最完全、無污染、壽命長、噪聲小的新能源裝置，經(jīng)計(jì)算0.35毫克磁鋼可以產(chǎn)生8760度電，因此磁能發(fā)動機(jī)所生電能的成本是最低的。從而為人類提供新型廉價(jià)供能系統(tǒng)。