CN110380588A

CN110380588A - 一种高效直流发电机

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Publication number: CN110380588A
Application number: CN201910593165.7A
Authority: CN
Inventors: 夏玉峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2019-10-25

Abstract

本发明的一种高效直流发电机，包括底座，支撑架，导线，感应线圈，环形磁场圈，撑线杆，磁场盖，圆环电刷，线圈轴，磁场轴，轴承等。环形磁场圈由多个马蹄形磁铁以圆形排列组成，相邻磁铁的磁场方向相反。感应线圈由多匝导线组成，在该磁铁形成的均匀磁场中作切割磁感线运动，线圈呈凹凸状缠绕在撑线杆上，支撑感应线圈并通过连接处于圆心的线圈轴传导动力推动线圈转动。环形磁场圈外围有磁场盖，用来固定环形磁场圈，并通过连接磁场轴推动环形磁场旋转。环形磁场圈和感应线圈分别向相反方向旋转增大相对速度，产生巨大感应电动势并通过导线形成闭合回路产生电流，通过圆环电刷连接导线将电流传导出去，从而产生稳定的直流电。

Description

一种高效直流发电机

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种新型高效的直流发电机。

背景技术

当前，由于人口的大量增长和社会的快速发展，人类对能源的需求量急剧增加。据统计，2017年全球的发电总量达到255512.8亿千万时，其中中国发电量为64951.4亿千瓦时，独占全球发电量的四分之一，发电量位居世界第一，相当于美国、俄罗斯、日本这三个国家的发电量之和，可见中国的发电量惊人。

传统发电机是将机械能转换为电能的装置，其原理是法拉第电磁感应定律，即闭合线圈在磁场中做切割磁感线运动即会产生感应电动势，从而形成电流产生电能，其主要原因是由于闭合线圈中磁通量发生变化，感应电动势的大小正比于磁通量变化的速率。传统发电机一般产生交流电，需要通过换向器和电刷转换为正、负电刷上引出直流电动势，使直流发电机的结构复杂，并且在转换过程中存在能量损失(效率为80％)。然而大多数用电器都是使用直流电，都需要将交流电经过转换和整流滤波后才能使用，因此如何高效的发出直流电来满足人们日益增长的需求，是一个亟待解决的重大问题。

本发明提出的一种高效直流发电机，可直接发出稳定的高压直流电而不需要经过电流转换，结构简单，效率极高，具有巨大的应用价值。

发明内容

本发明的一种高效直流发电机，包括底座，支撑架，导线，感应线圈，环形磁场圈，撑线杆，磁场盖，圆环电刷，线圈轴，磁场轴，轴承等。环形磁场圈由多个马蹄形磁铁以圆形排列组成，磁铁的两只脚朝向圆心，相邻磁铁的磁场方向相反。感应线圈由多匝导线组成，该线圈形似城墙线，其凹处和凸处分别位于相邻的马蹄形磁铁中，在该磁铁形成的均匀磁场中作切割磁感线运动，线圈的凹处和凸处之间均有撑线杆，用来支撑感应线圈并通过连接处于圆心的线圈轴传导动力推动线圈转动。环形磁场圈外围有磁场盖，用来固定环形磁场圈，并通过连接磁场轴推动环形磁场旋转。环形磁场圈和感应线圈分别向相反方向旋转增大相对速度，产生巨大感应电动势并通过导线形成闭合回路产生电流，通过圆环电刷连接导线将电流传导出去，从而发电。

进一步，所述环形磁场圈为多个马蹄形磁铁以圆形排列组成，其两只脚朝向圆心，相邻马蹄形磁铁磁场方向相反，其中间有间隙，磁铁两侧边缘线指向圆心，磁铁断面为扇形。

进一步，所述感应线圈由多匝导线组成，该线圈形似城墙线，其凹处和凸处分别位于相邻的马蹄形磁铁中，并与马蹄形磁铁的边缘线吻合，在该磁铁形成的均匀磁场中作切割磁感线运动。

进一步，所述撑线杆中部有凹痕，感应线圈缠绕在凹痕内。撑线杆的构造与权利要求3所述感应线圈一致，不过每一个凹处和凸处的中点多一个支杆连接处于圆心的线圈轴，通过外力驱动线圈轴使撑线杆做圆周运动，则感应线圈在环形磁场圈内做切割磁感线运动。

进一步，所述感应线圈的多匝导线含有进线端和出线端，由于感应线圈通过做圆周运动切割磁感线，因此进线端和出线端也会做圆周运动。通过导线将进线端与出线端分别连接固定于线圈轴上的两个圆环电刷，从而将感应线圈中产生的电流传导到两个圆环电刷上，再通过导线连接圆环电刷将电流传导到用电设备上，实现电能的输出。

进一步，所述环形磁场圈中的多个马蹄形磁铁由磁场盖固定，磁场盖中间有连接杆并固定于驱动盘上，驱动盘的中部安装驱动环并通过联轴器与磁场轴相连，通过外力驱动磁场轴促使环形磁场圈做圆周运动，其转动方向与线圈轴转动方向相反，从而增大感应线圈切割磁感线的速度，增大感应电动势。

进一步，所述轴承用来固定和支撑线圈轴和磁场轴，线圈轴末端通过轴承固定于驱动盘上，磁场轴末端通过轴承固定于线圈轴上，线圈轴和磁场轴的始端固定于支撑架上，支撑架通过底座固定。

进一步，所述环形磁场圈的外围还可以有多圈(由里至外分别称为第二圈，第三圈，……)环形磁场，且相邻环形磁场圈的转动方向相反。第二圈环形磁场的转动方向与第一圈环形磁场内感应线圈的转动方向相同，但其速率快于该感应线圈，从而产生相对运动。通过在撑线杆的支杆上安装分支结构连接第二圈环形磁场内部的第二圈感应线圈，使第二圈感应线圈切割磁感线产生电流，从而成倍增大输出电流，提高发电量。更外围的环形磁场和感应线圈可同此建造。

进一步，权利要求8所述的多圈环形磁场和感应线圈均属于第一级发电圈，可在轴向方向上依同样的方法建造多级发电圈，此多级发电圈的感应线圈通过撑线杆安装于同一线圈轴上，其环形磁场圈通过磁场盖由同一磁场轴驱动，则大大提高单位驱动做功的发电效率，增大产电能力。

本发明有如下几点创新之处：

1、利用马蹄形磁铁产生特殊的匀强磁场，并且构造独特的感应线圈，使其在磁场中做圆周运动时产生恒定方向的电流；

2、设计环形磁场圈和感应线圈的运动方向相反，从而增大感应线圈切割磁感线的速度，提高感应电动势；

3、在第一环形磁场圈的外围安装相同构造的第二圈环形磁场圈，使其转动方向与第一圈相反，其内部有第二圈感应线圈，不仅可增大发电量，而且由于两圈感应线圈相对磁场的运动方向相反，产生的安培力方向相反，可以使线圈轴受到的合外力矩减小或者为零，降低线圈轴的负荷；

4、在此直流发电机中心轴的方向上构造多级发电圈，大大提高单位驱动力的发电效率，提高发电功率，节约空间。

附图说明

图1为实施例中的一种高效直流发电机整机示意图(所示发电机为单圈二级发电机)；

图2为实施例中的一种高效直流发电机整机的正视透视图。

图3为实施例中的一种高效直流发电机的发电部位截面图。

图4为实施例中的一种高效直流发电机的发电部位磁场分布图

图中：1是线圈轴；2是支撑架；3是底座；4是马蹄形磁铁；5是磁场盖；6是连接杆；7是驱动盘；8是联轴器；9是磁场轴；10是电刷，101是进线端电刷，102是出线端电刷；11是线圈轴轴承；12是驱动环； 13是第一级发电圈；14是第二级发电圈；15是凹痕；16是撑线杆；17是支杆；18是感应线圈；19是线圈进线端；20是线圈出线端；21是相邻马蹄形磁铁之间的间隙；22是磁场圈轴承。图4中“★”指磁感线方向垂直纸面向里，“●”指磁感线方向垂直纸面向外。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所述的附图作简单地介绍。显而易见，下面的描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

具体实施方式

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

一种高效直流发电机的整机构造如图1所示，该图所示发电机为单圈二级发电机，其他细节见图2 至图4。发电机通过支撑架2固定于底座3上，线圈轴1和磁场轴9同轴固定于支撑架上，分别通过外力驱动线圈轴1和磁场轴9向相反方向转动，由马蹄形磁铁4制造均匀磁场，在本实施例中由8个马蹄形磁铁构造成单圈环形磁场，相邻马蹄形磁铁的磁场方向相反(见图4)，其间有狭小缝隙21，通过磁场盖5 固定所有马蹄形磁铁。为了能驱动环形磁场圈旋转，在磁场盖中均匀穿入连接杆6，并将连接杆固定于驱动盘7上，驱动盘中部连接驱动环12，驱动环与联轴器8相连，联轴器与磁场轴9连接，外力驱动磁场轴即可带动整个环形磁场圈旋转。为了防止磁场在转动的过程中振动，在磁场轴的末端(图2所示第一级发电圈右侧)通过第二个驱动盘固定连接杆6，并将该驱动盘与磁场轴轴承22连接，使磁场轴末端固定于线圈轴1上，实现磁场轴的两端固定。

在环形磁场圈中安装撑线杆16，通过支杆17固定于线圈轴1上，在本实施例中撑线杆有8根(见图 4)，每一根撑线杆呈扇形，其两侧边缘与每一个马蹄形磁铁的的边缘齐平。撑线杆的外缘与马蹄形磁铁之间有1-2cm的间隙，在撑线杆的内缘和外缘的中部均有凹痕15，感应线圈一圈圈缠绕在凹痕内，其缠绕方式类似城墙线(见图4中较粗的凹凸线)。感应线圈的两端分别为进线端19和出线端20，并分别固定连接在两个环形电刷101和102上，该环形电刷固定于线圈轴1上，中间以撑线杆支杆17分开，由于环形电刷和感应线圈以同样的角速度旋转，故两个线端和电刷可以固定连接。环形电刷为金属圆环，其与线圈轴1接触的部位为环形陶瓷绝缘体，通过两根导线201和202分别连接电刷101和102，该导线沿着线圈轴将电流导出至发电机外部，分别与固定电刷103和104滑动连接，将电流导至电刷103和104上，再通过导线将电流传导至用电设备。第二级产生的电流用导线以相同的方式将其传导至固定电刷103和104 上。

上述说明了本发明的发电机组成和结构，以下阐述发电机的原理和使用方法。

当外力(火力，水力，风力，人力等)驱动线圈轴旋转时，固定于线圈轴上的撑线杆转动，缠绕在线圈轴凹痕内的感应线圈开始转动。由于感应线圈处于由马蹄形磁铁形成的均匀磁场中，在其中转动时切割磁感线产生感应电动势E，根据法拉第电磁感应定律，产生的感应电动势的大小为：

其中，E为产生的感应电动势，n为线圈匝数，为磁通量变化量，Δt为发生变化所用时间。

由该公式可以推断出，直导线在磁场中垂直磁场方向切割磁感线时的感应电动势E：

E＝BLV (2)

其中B为磁感应强度，L为切割磁感线的导线长度，V为导线的速度。

本发明中感应线圈做圆周运动切割磁感线，且只有沿着半径方向(径向)的导线会切割磁感线产生感应电动势，根据右手定则，可以判断感应线圈中的电流方向在其旋转的过程中不会改变，即会产生恒定的直流电。

设感应线圈的匝数为n，线圈轴的角速度为ω₁(rad/s)，磁场轴的角速度为-ω₂(rad/s)(“-”表示与线圈轴的转速方向相反)，径向上切割磁感线的导线长度为L1，感应线圈内缘半径为r，马蹄形磁铁的个数为N，马蹄形磁铁内产生的均匀磁感应强度为B，则，

L＝nNL₁ (3)

则此单圈单级发电机产生的感应电动势E₁为：

根据图4所示的磁场分布，若线圈轴为顺时针转动，根据右手定则，则感应线圈中电流的方向为顺时针方向。

此外为了进一步增大该发电机的感应电动势，可以构造多圈多级发电机。设发电机第二圈环形磁场中感应线圈绕线圈轴旋转的内缘半径为R，感应线圈的径向长度为L2，此时磁场轴和线圈轴的旋转方向相同，但磁场轴的角速度ω₃大于ω₁，其他参数(B，n，N)与第一圈环形磁场相同，则第二圈感应线圈产生的感应电动势E₂为：

当线圈轴顺时针旋转时，由于ω₃大于ω₁，则第二圈感应线圈相对第二圈环形磁场圈逆时针旋转，因此E₂与E₁的方向相反，即产生的感应电流方向相反，根据图4所示的磁场分布，第二圈感应线圈中电流的方向为逆时针方向。由于是直流电，通过改变接线可将两圈感应线圈中的电流合并。

因此，该双圈单级发电机产生的感应电动势E＝E₁+E₂，若发电圈的级数为M，且每级发电圈的构造参数一致，则此多圈多级直流发电机的总电压为E₀＝ME，即：

由于第一圈感应线圈和第二圈感应线圈相对其环形磁场圈的旋转方向相反，根据楞次定律和安培左手定则，第一圈感应线圈受到的安培力F₁为逆时针方向，第二圈感应线圈受到的安培力F₂为顺时针方向，则只要调节适当的参数，即可使F₁和F₂对线圈轴的合外力矩为零，这样可极大降低线圈轴的负荷，实现给予线圈轴一个初始转速，在不持续供给动力的情况下，线圈轴即可在安培力F₁和F₂的作用下持续转动。

以下探讨满足线圈轴合外力矩M为零时各参数的条件：

根据安培力公式可知：

F＝BIL (8)

其中F为安培力，B为磁感应强度，I为导线中的电流，L为导线长度。

设第一圈感应线圈的电阻为R₁，第二圈感应线圈的电阻为R₂，则安培力F₁和F₂为：

则合外力矩M为：

经化简后得：

即只要各参数满足式(13)的条件，则可使线圈轴的合外力矩M＝0。

通过上述实施案例，系统的分析了一种高效直流发电机的结构组成，发电原理和发电量，使得一种高效产生直流电的发电方式成为可能，该方法无需先通过产生交流电再通过变换滤波等方式变为直流电，使得产生直流电更加便捷效率更高，不仅构造简单实用，节约成本，还极大的提高能源的利用率，具有较高的应用价值。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，所涉及的各类参数并不代表和限定实际值的大小，因此本发明并不局限于此示例。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.本发明的一种高效直流发电机，包括底座，支撑架，导线，感应线圈，环形磁场圈，撑线杆，磁场盖，圆环电刷，线圈轴，磁场轴，轴承等。环形磁场圈由多个马蹄形磁铁以圆形排列组成，磁铁的两只脚朝向圆心，相邻磁铁的磁场方向相反。感应线圈由多匝导线组成，该线圈形似城墙线，其凹处和凸处分别位于相邻的马蹄形磁铁中，在该磁铁形成的均匀磁场中作切割磁感线运动，线圈的凹处和凸处之间均有撑线杆，用来支撑感应线圈并通过连接处于圆心的线圈轴传导动力推动线圈转动。环形磁场圈外围有磁场盖，用来固定环形磁场圈，并通过连接磁场轴推动环形磁场旋转。环形磁场圈和感应线圈分别向相反方向旋转增大相对速度，产生巨大感应电动势并通过导线形成闭合回路产生电流，通过圆环电刷连接导线将电流传导出去，从而发电。

2.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述环形磁场圈为多个马蹄形磁铁以圆形排列组成，其两只脚朝向圆心，相邻马蹄形磁铁磁场方向相反，其中间有间隙，磁铁两侧边缘线指向圆心，磁铁断面为扇形。

3.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述感应线圈由多匝导线组成，该线圈形似城墙线，其凹处和凸处分别位于相邻的马蹄形磁铁中，并与马蹄形磁铁的边缘线吻合，在该磁铁形成的均匀磁场中作切割磁感线运动。

4.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述撑线杆中部有凹痕，感应线圈缠绕在凹痕内。撑线杆的构造与权利要求3所述感应线圈一致，不过每一个凹处和凸处的中点多一个支杆连接处于圆心的线圈轴，通过外力驱动线圈轴使撑线杆做圆周运动，则感应线圈在环形磁场圈内做切割磁感线运动。

5.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述感应线圈的多匝导线含有进线端和出线端，由于感应线圈通过做圆周运动切割磁感线，因此进线端和出线端也会做圆周运动。通过导线将进线端与出线端分别连接固定于线圈轴上的两个圆环电刷，从而将感应线圈中产生的电流传导到两个圆环电刷上，再通过导线连接圆环电刷将电流传导到用电设备上，实现电能的输出。

6.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述环形磁场圈中的多个马蹄形磁铁由磁场盖固定，磁场盖中间有连接杆并固定于驱动盘上，驱动盘的中部安装驱动环并通过联轴器与磁场轴相连，通过外力驱动磁场轴促使环形磁场圈做圆周运动，其转动方向与线圈轴转动方向相反，从而增大感应线圈切割磁感线的速度，增大感应电动势。

7.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述轴承用来固定和支撑线圈轴和磁场轴，线圈轴末端通过轴承固定于驱动盘上，磁场轴末端通过轴承固定于线圈轴上，线圈轴和磁场轴的始端固定于支撑架上，支撑架通过底座固定。

8.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，所述环形磁场圈的外围还可以有多圈(由里至外分别称为第二圈，第三圈，……)环形磁场，且相邻环形磁场圈的转动方向相反。第二圈环形磁场的转动方向与第一圈环形磁场内感应线圈的转动方向相同，但其速率快于该感应线圈，从而产生相对运动。通过在撑线杆的支杆上安装分支结构连接第二圈环形磁场内部的第二圈感应线圈，使第二圈感应线圈切割磁感线产生电流，从而成倍增大输出电流，提高发电量。更外围的环形磁场和感应线圈可同此建造。

9.如权利要求1所述的一种高效直流发电机，其特征在于，权利要求8所述的多圈环形磁场和感应线圈均属于第一级发电圈，可在轴向方向上依同样的方法建造多级发电圈，此多级发电圈的感应线圈通过撑线杆安装于同一线圈轴上，其环形磁场圈通过磁场盖由同一磁场轴驱动，则大大提高单位驱动做功的发电效率，增大产电能力。