專利名稱：一種發電機的制作方法及發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高發電機能量轉換效率的發電機的制作方法及由該方法制作的發電機。
背景技術：
眾所周知，現有發電機的機電能量轉換效率很低。其中的一個重要原因在于當發電機輸出電流時，每個線包繞組都會產生一個磁場，而磁場磁力線的循環方向正好與旋轉磁場磁力線的運動方向處在同一個平面上。線包磁場的磁力線與旋轉磁場的磁力線相互抵觸直接阻礙旋轉磁場的旋轉運動。圖1、圖2所示是現有發電機旋轉磁場磁力線與線包磁力線相互干擾的示意圖。
在當今能源越來越緊缺的情況下，若能提高電機的機電能量轉換效率，必將具有相當重要的經濟意義和社會意義。
發明內容
本發明的目的意在克服上述現有技術的不足，提出一種能有效提高發電機轉換效率的發電機的制作方法及采用該方法制作的高效率的發電機。
實現上述目的的技術方案一種發電機的制作方法，將鐵芯上的每個線包繞組的相鄰鐵芯爪之間相互并攏在一起形成閉合的鐵芯環，用于減少線包磁場的磁力線穿過槽隙對旋轉磁場產生阻力。
在鐵芯上設置插槽，將線包單獨繞制成形后通過插槽安裝在鐵芯上，再將片狀的鐵芯爪穿過線包重疊嵌插在鐵芯上固定線包，形成閉合的鐵芯環。
一種發電機，包括永磁體和鐵芯，鐵芯上設置有相應數量按圓周方向上均勻排列的鐵芯爪極，各個鐵芯爪極上繞制有線包，所述的各個相鄰鐵芯爪極之間相互并攏在一起形成閉合的鐵芯環。
所述鐵芯上設置有復數個插槽，各個單獨繞制的線包通過對應的插槽安裝在鐵芯上，所述鐵芯爪由復數個鐵芯爪片重疊而成，各個鐵芯爪片穿過線包重疊嵌插在鐵芯上對應的插槽中固定線包。
在所述產生旋轉磁場的永磁體側面設置屏蔽環，使永磁體產生的旋轉磁場磁力線在線包區域之外時被擠壓變形以避開線包磁場的磁力線，進一步減少線包磁場的磁力線對旋轉磁場產生阻力。
所述永磁體的側面固定有屏蔽環，使旋轉磁場的端面寬度小于鐵芯的厚度，所述永磁體的上下兩側面與屏蔽環之間具有一間隙，用以對旋轉磁場磁力線的循環幅度進行約束，使其旋轉磁場的磁力線在進入鐵芯時低于鐵芯的厚度。所述屏蔽環材質均為純鐵、或鐵氧體。發電機的機殼采用非導磁材料，使得線包磁力線可以盡量舒展的循環，而不會受發電機機殼的引導使得磁力線擠壓變形。
采用上述技術方案，本發明有益的技術效果在于根據變壓器的工作原理，電磁能量的轉換并非一定要切割磁力線，也可以通過電磁感應的方式將電磁能量從初級線圈感應到次級線圈，而且變壓器的電磁能量轉換的效率甚高。
本發明創造性地將變壓器的工作原理引入發電機中，通過減少在線包區域之外旋轉磁場切割磁力線的方法，從而減少線包磁場的磁力線對旋轉磁場產生的阻力，大幅度地提高了電機的能量轉換效率。具體地說由于現有發電機的每個鐵芯極爪之間存在有槽隙，使得每塊旋轉磁場的磁塊在進入鐵芯槽隙時必需克服線包磁場的阻力，而當每塊旋轉磁場磁塊在離開鐵芯槽隙時則要克服要那個線包磁場和鐵芯極的引力。就多極無刷發電機的鐵芯來講(以YYF-300微型發電機為例)磁鐵與鐵芯的爪極數比是12∶9旋轉磁場在任何一個位置都要面臨三個進入鐵芯槽隙的阻力和離開鐵芯槽隙的引力。
本發明通過使鐵芯上的各個繞制有線包的相鄰鐵芯爪之間相互并攏在一起形成閉合的鐵芯環，以便減少線包磁場的磁力線穿過槽隙對旋轉磁場的運轉產生的阻力。將現有發電機的爪形鐵芯改成為如變壓器鐵芯一般的閉合鐵芯，屏蔽、引導線包繞組的磁力線走向，使得線包所產生的磁力線不會由槽隙中穿出，不會直接影響旋轉磁場的旋轉速度、降低線包磁場切換頻率(N、S極性的互換)。避免了由槽隙中穿出的那部分線包磁力線直接阻礙旋轉磁場的轉速，為旋轉磁場鋪平了一條“旋轉專用通道”。
采用閉合鐵芯，可以將線包的磁力線由連通鐵芯的表面導入相鄰的線包，加大了線包的磁通量。流經線包的磁通量越大，線包中產生的電勢越強。
通過在所述產生旋轉磁場的永磁體側面設置屏蔽環，使永磁體產生的旋轉磁場磁力線在線包區域之外時被擠壓變形以避開線包磁場的磁力線，進一步減少線包磁場的磁力線對旋轉磁場產生阻力。
發電機的機殼采用非導磁材料，使得線包磁力線可以盡量舒展的循環，而不會受發電機機殼的引導使得磁力線擠壓變形。
綜上所述，針對上述現有技術存在的缺陷，本發明通過合理的調整發電機線包的磁力線的走向和旋轉磁場磁力線的走向，在線包磁力線和旋轉磁場磁力線之間，通過屏蔽引導的方式使線包磁場的磁力線和旋轉磁場的磁力線之間在線包區域之外不再相互干擾，有效地減少了在線包區域之外原有線包磁場的磁力線對旋轉磁場運轉的阻力，減少了不必要的能量損耗，從而達到了提高機電能量轉換效率的目的。
圖1是現有發電機的結構立體示意圖。
圖2是圖1所示現有發電機去掉外殼和部分線包后的剖視結構示意圖。
圖3是圖1所示現有發電機的結構平面分布示意圖。
圖4是圖1所示現有發電機的線包磁力線和旋轉磁場磁力線的分布示意圖。
圖5是本發明對圖1所示電機改進后的發電機立體結構示意圖。
圖6是圖5所示發電機閉合槽隙后的線包磁力線分布示意圖。
圖7是圖5所示發電機的旋轉磁場磁力線與線包磁力線仍然干擾的情況示意圖。
圖8是對圖5進一步改進后的結構示意圖。
圖9是圖8所示安裝屏蔽環結構后，旋轉磁場磁力線與線包磁力線相互不干擾的情況示意圖。
圖10是安裝完畢后，旋轉磁場磁力線與線包磁力線、外殼、底板之間相互關系的分布示意圖。
圖11是改進前的發電機與本發明的發電機能量轉換效率測試裝置的結構框圖。
圖12是本發明另一種改進的發電機鐵芯及線包的裝配結構示意圖。
圖13是圖12中鐵芯的立體結構示意圖。
具體實施例方式圖1至3所示，為現有發電機的結構示意圖，包括永磁體1、鐵芯2、線包3、機殼7、底板8、主軸9、主套10。環狀的永磁體1旋轉時產生旋轉磁場。線包3繞制在鐵芯2的鐵芯爪21上，相鄰的鐵芯爪21之間存在用于安裝線包3的過線槽隙5。圖3是圖1所示現有電機的線包磁力線和旋轉磁場磁力線的平面分布示意圖。由圖1至4可見，由于相鄰的鐵芯爪21之間存在用于安裝線包3的槽隙5，使得現有發電機在輸出電流時，旋轉磁場磁力線14與線包磁力線15之間在線包3的區域之外相互存在大量的干擾。由于其干擾的存在，線包磁場的磁力線15對旋轉磁場磁力線14運轉產生較大的阻力，而導致一定的能量損耗。
實施例一、一種發電機及其制造方法，如圖5所示是對圖1所示發電機進行局部改進后的結構示意圖。改進的方法是采用導磁契塊13將槽隙5填平補齊。其它結構與圖1所示現有結構完全相同。圖6給出了線包磁力線15在被契塊13屏蔽引導后的新的線包磁力線16被擠壓變形的情況。圖7顯示，通過契塊13引導后的新的線包磁場的磁力線16與旋轉磁場磁力線14在線包區域之外還會存在相互干涉，因為旋轉磁場1的磁力線14還沒有被完全約束，仍還有待進一步的改進。
需要說明的是，由于一個完全閉合的圓環會拉平旋轉磁場極性的峰頂、谷底，使得旋轉磁場的輻射范圍受到影響。因此，應使每個相鄰鐵芯爪21之間的銜接部分必須處于半導通狀態，槽隙閉合后仍保留一條微小的接縫。使每個接縫存在一定程度的磁阻，當旋轉磁場的每個磁極磁力線經環行鐵芯表面引導時，大部分的磁場會流入相應的線包3。
實施例二、另一種發電機，如圖8所示，是對圖5所示發電機進一步改進后的局部結構示意圖。其改進之處在于在環狀的永磁體1的上下兩側及背面103固定有屏蔽環6，屏蔽環6呈雙“L”型結構，其中永磁體1的上下兩側面(101、102)與屏蔽環6之間具有一間隙104，用以對旋轉磁場磁力線的循環幅度進行約束，使其旋轉磁場的磁力線在進入鐵芯2時低于鐵芯2的厚度。屏蔽環6必須是鐵、或鐵氧體等導磁材料制成。圖9給出了設置屏蔽環6后磁力線的分布示意圖，圖9與圖7相比，線包磁場的磁力線16和改進后的新的旋轉磁場的磁力線17之間在線包區域之外不再相互干擾，永磁體1產生的旋轉磁場的磁力線在既不外露而且還將磁力較為集中的感應到線包2上。
為了進一步約束線包磁力線，發電機的機殼7、底板8采用非黑色金屬(通稱鐵)等非導磁材料制作，以避免吸收、屏蔽、引導磁場，使線包在輸出電流時產生的磁力線在循環時不受其影響。圖10所示是圖8所示電機改進后，旋轉磁場磁力線與線包磁力線、外殼、底板之間相互關系的分布示意圖。
在循環時的范圍越舒展，磁力線的線束就越多、線包內流過的磁通量越大，線包所產生的電壓、電流自然也就大了。反之磁力線的線束受到限制，磁力線的線束的數量就大打折扣。
實驗例和對比例圖11是對改進前發電機和對改進后發電機能量轉換效率的測試裝置結構圖。改進前發電機對應的是對比例，改進后發電機對應的是實驗例。測試條件測試電源RYI-3005穩壓電源；測試表頭MONASOR.K1.2.0；0-5A；0-30V；0-2A；0-30V；數位化光電轉速表DT-2234 C；
負載電阻1.8RJ；2.5RJ；5RJ；10RJ；22RJ；(5W瓷介電阻)；切換開關單刀撥動開關(驅動、負載)；變阻開關七位移動開關；驅動馬達永磁直流微型電動機(型號不詳)外形尺寸、直徑44.8mm；外殼長度49.8mm；被測電機1)改進前的YYF-300永磁交流微型發電機；2)改進后的YYF-300永磁交流微型發電機；整流電路板6只1004二極管、各一塊，直流輸出端并聯；傳動形式皮帶；傳動比1∶1；連接導線2平方毫米多股銅芯導線；表1至表4所測試的改進前發電動機(YYF-300)和改進后發電動機的不同之處在于改進后發電機是將改進前發電機(YYF-300)中的槽隙5用契塊13填平并在永磁體1的側面裝設屏蔽環6(參見圖4)，機殼、底板也換成了非導磁材料，其它結構(包括整體電流)完全一樣。
表1至表4給出了根據圖11發電機能量轉換效率測試裝置在不同負載、不同工作條件下的實驗例測試數據和對比例測試數據。其中表1對應的實驗例1-5和對比例1-5是在發電動機的輸入率功相同情況下的對比測試數據。(見說明書附圖)根據該數據可以看出，在同等情況下，電機改進后的能量轉換效率明顯優于改進前的能量轉換效率，特別是負載電阻在1.8～5歐姆時能量轉換的效率更是得到了大幅的提高。尤其是負載電阻在1.8歐姆時能量轉換的效率更是得到了大幅的提高，改進前的能量轉換效率是3.7％，改進后的能量轉換效率是10％，改進后的能量轉換效率比改進前的能量轉換效率提高約170％。當負載電阻在22歐姆時，本發明能量轉換的效率高達20.73％。
表2對應的實驗例6-10和對比例6-10是在相同輸出電壓情況下的對比測試數據，根據該數據可以看出，在相同輸出電壓的情況下，電機改進后的能量轉換效率明顯優于改進前的能量轉換效率。特別是在較大負載情況下(負載電阻小)，更是明顯。以負載電阻5歐姆為例，改進前的能量轉換效率是6.29％，改進后的能量轉換效率11.18％，改進后的能量轉換效率比改進前的能量轉換效率提高約80％。
表3對應的實驗例11-15和對比例11-15是在相同輸人驅動電壓情況下的對比測試數據，根據該數據可以看出，在相同輸人驅動電壓情況下，電機改進后的能量轉換效率也是明顯優于改進前的能量轉換效率。以負載電阻1.8歐姆為例，改進前的能量轉換效率是2.71％，改進后的能量轉換效率8.07％，改進后的能量轉換效率比改進前的能量轉換效率提高接近200％。當負載電阻在22歐姆時，本發明能量轉換的效率高達21.88％。
表4、對應的實驗例16-20和對比例16-20是在輸入限流(1.4A)情況下的對比測試數據。根據表4數據可以看出，在輸入限流情況下，電機改進后的能量轉換效率明顯優于改進前的能量轉換效率，負載越大(負載電阻越小)，能量轉換的效率提高越大。以負載電阻1.8歐姆為例，改進前的能量轉換效率是1.34％，改進后的能量轉換效率是4％，改進后的能量轉換效率比改進前的能量轉換效率提高約180％。以負載電阻22歐姆為例，改進前的能量轉換效率是16.69％％，改進后的能量轉換效率是19.5％，改進后的能量轉換效率比改進前的能量轉換效率提高約18％。
綜上所述，在同等情況下，本發明電機改進后的能量轉換效率比改進前的能量轉換效率得到了大幅提高，最高可達200％以上，這在當今能源緊缺的情況下，采用本發明具有相當重要的經濟價值和社會價值。進一步的改進按照現有發電機的齒爪式的鐵芯結構，如果沒有槽隙5，線包是無法安置到鐵芯2之中的。槽隙5只起到了過線的作用，但由于槽隙5的存在，線包2的磁力線會大量的從槽隙5穿出，阻礙旋轉磁場1的轉速，使磁場切換頻率下降。
實施例三、另一種改進的發電機，如圖12所示包括機殼7、主軸9、永磁體1、屏蔽環6、鐵芯爪2、鐵芯4、底板8、主軸9裝在主套10內、主套10上裝有鐵芯4；鐵芯4上設置有復數個插槽19，各個單獨繞制的線包3通過對應的插槽19安裝在鐵芯4上，所述鐵芯爪2由復數個鐵芯爪片201重疊而成，鐵芯極片2上裝有線輥11，線輥11內單獨繞制線包3。各個鐵芯爪片201按圖12中*號箭頭方向插入穿過線包3重疊嵌插在鐵芯4上對應的插槽19中固定線包3。鐵芯極片201與內鐵芯4相互咬合。嵌插后的鐵芯爪2之間相互只保留一條微小的接縫12。機殼7、底板8采用非導磁材料制作，在旋轉磁場1的兩側面裝設屏蔽環6。
線包3單獨繞制有幾個好處，一是可在相同體積的情況下增加匝數(提高電壓)，或加大線徑(加大電流)。并將漆包線線束排列更加緊密，以減少漆包線線束之間的間隙。漆包線線束之間的間隙越小，線束之間的磁旋渦越少，線包中的磁損耗越少，效率越高。
采用本實施例，徹底消除了解決由于繞制線包存在的槽隙問題。
發電機改進前后對比測試記錄表1、相同輸入功率
表2、相同輸出電壓
表3、相同輸入驅動電壓
表4、限制驅動電流輸入
權利要求
1.一種發電機的制作方法，其特征在于使鐵芯上的每個繞有線包的鐵芯爪極之間相互并攏形成相對閉合的鐵芯環，用于減少線包磁場的磁力線穿過槽隙對旋轉磁場產生阻力。
2.根據權利要求1所述的發電機的制作方法，其特征在于在鐵芯上設置插槽，將線包單獨繞制成形后通過插槽安裝在鐵芯上，再將片狀的鐵芯爪穿過線包重疊嵌插在鐵芯上固定線包，形成閉合的鐵芯環。
3.根據權利要求1或2所述的發電機的制作方法，其特征在于在所述產生旋轉磁場的永磁體側面設置屏蔽環，使永磁體產生的旋轉磁場磁力線在線包區域之外時被擠壓變形以避開線包磁場的磁力線，進一步減少線包磁場的磁力線對旋轉磁場產生阻力。
4.根據權利要求3所述的發電機的制作方法，其特征在于使所述屏蔽環的寬度與鐵芯厚度相等。
5.根據權利要求4所述的發電機的制作方法，其特征在于所述永磁體的上下兩側面與屏蔽環之間具有一定的間隙，用以對旋轉磁場磁力線的循環幅度進行約束，使其旋轉磁場的磁力線在進入鐵芯時低于鐵芯的厚度。
6.根據權利要求1或2所述的發電機的制作方法，其特征在于采用非導磁材料制造發電機機殼，使得線包磁力線可以盡量舒展的循環，而不會受發電機機殼的引導使得磁力線擠壓變形。
7.一種電機，包括永磁體和鐵芯，鐵芯上設置有復數個按圓周方向上均勻排列的鐵芯爪，各個鐵芯爪上繞制有線包，其特征在于所述的各個相鄰鐵芯爪之間相互并攏在一起形成閉合的鐵芯環。
8.根據權利要求8所述的電機，其特征在于所述鐵芯上設置有復數個插槽，各個單獨繞制的線包通過對應的插槽安裝在鐵芯上，所述鐵芯爪由復數個鐵芯爪片重疊而成，各個鐵芯爪片穿過線包重疊嵌插在鐵芯上對應的插槽中固定線包。
9.根據權利要求8所述的電機，其特征在于所述永磁體的側面固定有屏蔽環，使旋轉磁場的端面寬度小于鐵芯的厚度，所述永磁體的上下兩側面與屏蔽環之間具有一間隙，用以對旋轉磁場磁力線的循環幅度進行約束，使其旋轉磁場的磁力線在進入鐵芯時低于鐵芯的厚度。
10.根據權利要求9所述的電機，其特征在于所述屏蔽環是鐵、鋼或鐵氧體，電機的機殼采用非導磁材料。
全文摘要
本發明涉及一種發電機的制作方法，主要是將鐵芯上的每個繞有線包的鐵芯爪極之間、相互并攏形成一個相對閉合的鐵芯環。進一步地，在產生旋轉磁場的永磁體側面設置屏蔽環，屏蔽環的總寬度與鐵芯的厚度一致。本發明還公開了采用上述方法制作的發電機，包括永磁體和鐵芯鐵芯上設置有復數個插槽，各個單獨繞制的線包通過對應的插槽安裝在鐵芯上，鐵芯爪由復數個鐵芯爪片重疊而成，各個鐵芯爪片穿過線包重疊嵌插在鐵芯上對應的插槽中固定線包。各個相鄰鐵芯爪之間相互并攏在一起形成閉合的鐵芯環。采用上述技術方案，可大量減輕發電機的驅動力，大幅度高能量轉換效率。
文檔編號H02K21/22GK1945938SQ200610061909
公開日2007年4月11日 申請日期2006年7月28日 優先權日2006年7月28日
發明者石為民 申請人:石為民