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一种消感抗发电机的工作原理
    本发明属于一种具有消感抗性能的发电机的工作原理。

    目前，在发电机的设计领域中，由于电感性元件在电磁感应过程中产生的感抗是一种不利的因素。例如对永磁发电机来说，就是主要由于感抗的存在使其无法在高频及大功率发电机的领域中得到应用，因此，对这一问题的研究是很有意义的。

    本发明的目的是针对发电机中电感性元件地感抗问题，提出一种消感抗发电机的原理性技术方案。

    本发明是这样实现的：系统中具有磁铁(1)，带铁芯线圈(2)，其特征在于：在带铁芯线圈(2)的铁芯两端分别均布排有多个端面与相对的线圈铁芯端面形状相同的磁铁(1)，磁铁(1)排列的规律是沿可与处在两组磁铁之间的带铁芯线圈(2)作固定的有规律的相对周期运动的轨迹均布，且多个磁铁(1)与线圈铁芯端面相对的磁极面沿运动轨迹方向的排列间隔等于磁极面沿其运动方向的长度，两组磁铁均以相同的极性面对处在中间的带铁芯线圈(2)铁芯的两个端面，且留有不至在作相对运动时产生碰撞的间隙，两组磁铁(1)沿运动轨迹方向的排列方式按两组磁铁沿运动方向错开一个磁铁(1)与线圈铁芯相对的磁极面沿其相对运动方向的长度。带铁芯线圈(2)的线圈铁芯可在线圈绕组其他条件不变的情况下，由中间断开一段距离或在断开处用低磁导率的材料填充并固定。当系统作相对运动的运动轨迹为圆时，两组磁铁中的磁铁(1)的磁极面及线圈铁芯的两端面应按其所在位置对应制成圆弧形，沿相对运动方向的两边应分别与由圆心分别过线圈铁芯近圆心端沿运动方向的两边所引的两条直线重合，在两组磁铁的磁极面与线圈铁芯两端面间的空气隙中其总的磁通量应相等，且两组磁铁(1)在各自圆周上均布时应相互错开一个其圆弧所夹的圆心角。这种发电机的具体工作原理是这样的：当带铁芯线圈的铁芯位置处在与第二组磁铁的一个磁铁(1)的极面完全重合的位置时，由于第一组磁铁与第二组磁铁在运动方向上的排列位置正好差一个与带铁芯线圈相对的磁极面在运动方向上的长度，所以，这时第二组磁铁通过铁芯的磁通量达到最大，而第一组磁铁在理想情况下没有磁力线通过铁芯，设铁芯目前处在与两组磁铁作相对运动的状态下，磁极面与铁芯端面均制成矩形，且磁场的分布处于理想状态，根据电磁感应定律我们可以设这时铁芯刚开始运动，系统中的感应电动势及感应电流均等于零，随着铁芯的运动，铁芯的一端开始脱离第二组磁铁中的磁铁，而另一端却以同样的速度接近第一组磁铁的磁铁中心，这时，两磁对铁芯产生的磁通变化规律是一个在增加磁通量，一个在减少磁通量，所以说，这时两个磁极都对同一线圈发生作用并使线圈中产生了电流，由于两组磁铁是同极相对的，所以，根据右手定则可以明显看出这时由两端产生的电流其方向是相同的，也就是说两电流是相位相同并相互叠加的，当铁芯的另一端运动到与第一组磁铁的位置重合时，这时，虽说对铁芯而言磁通的变化率没有改变，但由于当铁芯继续运动时，第一组磁铁在铁芯中感应的磁通量已开始按逐步减少的规律变化，而第二组磁铁在铁芯中感应的磁通量开始按逐步增加的规律变化，所以，这时电流虽说仍然是相位相同并相互叠加的，但方向却与原来相反了，当铁芯继续运动而与第二组磁铁的位置重合时，电流又开始反向，从而完成了一个运动周期。从上述的相对运动过程中可以看出，由于是上下两磁铁同时对线圈作相对运动，所以相对于同等体积的传统发电机而言，在铁芯通过同等面积的磁极时，前者比后者的运动频率提高了一倍，同时，前者的合成电流也对应得到了提高，这一点对发电机的合理设计是很有利的。再来看由系统中由电感元件产生的感抗问题，根据楞次定律可以看出，虽然线圈中的合成电流是同方向的，但两电流一个是在磁通量增加的趋势下产生的，而另一个是在磁通量减少的趋势下产生的，这样一来，就使的由于电流的流动而在电感线圈中因感抗的原因产生的感应电流成相位相同但方向相反的情况，所以说，两感应电流是相互抵消的，也就是说，在理想情况下，电路是纯电阻性的，从而达到了消除电路中由感抗所造成的不良影响的目的。对于小型发电机而言，铁芯采用中部断开一段距离或在断开处固定连结一段低磁导率材料的结构可能会收到较好的效果。

    由于本发明可有效的消除由发电机中的电感元件产生的感抗造成的影响，所以对发电机的设计更新是有利的，尤其对永磁发电机的发展更为有利，所以说其效果是积极的。

    本发明有4个附图，图1是消感抗发电机基本工作原理的示意图，图中：(1)磁铁，(2)带铁芯线圈，(3)感应电流对带铁芯线圈相对运动的关系曲线，(4)、(5)由带铁芯线圈的感抗引起的两感应电流相对于原电流的对应关系曲线。图2是一种线圈铁芯与电机轴垂直的消感抗永磁发电机的基本原理示意图，图中：(1)机架，(2)螺母，(3)定子盘，(4)螺钉，(5)螺栓，(6)外压圈，(7)磁铁，(8)铁芯，(9)线圈，(10)螺钉，(11)转子盘，(12)外壳，(13)轴承，(14)电机轴，(15)螺母，(16)键，(17)内压圈。图3是图2的轴截面基本原理示意图，图中：(1)磁铁，(2)带铁芯线圈。图4是一种线圈铁芯与电机轴平行的消感抗发电机的基本原理示意图，图中：(1)电机轴，(2)轴承，(3)螺母，(4)端盖，(5)转子盘，(6)压圈，(7)螺钉，(8)带铁芯线圈，(9)，定子盘，(10)螺栓(11)电机壳，(12)螺母，(13)磁铁，(14)键，(15)隔圈，(16)螺钉，(17)电机座。

    本发明具体实施时，在一般情况下，采用转子作圆周运动的方法比较方便，对于大型发电机也可采用将转子固定在刚性较强的传送带上来相对于定子运动，这样做有利于制造大型及特大型的发电机，也可称这种发电机为履带式发电机，这种发电机可有效的克服传统大型发电机因转子体积过大转速较高时而出现的转子所用材料的强度不够。冷却降温困难等问题，当然这种发电机在设计过程中也会遇到一些新的问题，如：为了克服由于转子温度的变化而引起的总体长度的变化问题，需要增加机械补偿装置等等。对于中小型发电机而言，其具体结构设计时就比较灵活了，在同一原理下，线圈饶组及磁极的结构。输出的波形及各部件分布情况可按具体情况而定，为尽量减少两组磁铁间的直接影响，带铁芯线圈的长度应尽可能做的长一些，实际上这时的线圈绕组与两个串联的线圈绕组是等效的。我们来看一下如附图2所示的永磁发电机的情况，从图2中可以看出，圆盘形转子盘(3)的两端面同直径的圆周上通过螺钉(10)分别固定装有按一定规律分布的由铁芯(8)及线圈(9)组成的带铁芯线圈，电机轴(14)空套在定子盘上，并由两侧分别通过键(16)及螺母(15)固定装有中部环形槽中套装有带铁芯线圈的转子盘(11)，环形槽两侧与带铁芯线圈对应处，通过内压圈(17)。外压圈(6)及螺钉(4)固定装有同极相对的两组磁铁(7)，转子盘(11)的外侧，通过装在电机轴(14)两侧的轴承(13)分别装有中部轴承安装孔中装有轴承(13)外边缘通过多个螺栓(5)，螺母(2)与机架(1)定子盘(3)固定在一起的外壳(12)。这时可以看出，这种结构的发电机可以在同一根电机轴的情况下安装多层定子盘机构，也可在其直径方向上安装多组线圈与磁铁机构，这就是说，这种发电机同样可以大型化，而且，由于线圈绕组的体积相对较小，所以冷却问题也比较容易解决，这种发电机的另一个特点是由于带铁芯线圈在圆周上的均布数量可以设计的比较多，再加上当铁芯截面在相同的线速度下经过同等面积的磁极面时，其运动周期比传统形式的发电机的运动周期短一倍，即频率快一倍，所以，在同等工作频率要求下，这种发电机电机轴的工作转速相对于传统形式的发电机也要低很多，这一点也是很有利的。从图3中可以看到，利用加大内圈磁铁(1)的磁通密度或利用内，外圈磁铁(1)的磁极面相对于带铁芯线圈(2)的铁芯端面的空气隙的尺寸不同的方法都可以达到使内，外圈的磁铁(1)相对于铁芯的总磁通量在每个运动周期内均相等的目的，当然，如用电磁铁来做磁极，这个问题就比较容易解决了。再来看线圈铁芯与电机轴平行的情况，在图4中，电机轴(1)是通过固定在电机壳(11)两端的两端盖(4)中心部位的轴承(2)支承旋转的，两定子盘(9)中部的同一直径的圆周上，按一定规律均布排有铁芯沿电机轴(1)方向的带铁芯线圈(8)，在两定子盘(9)由两侧将带铁芯线圈(8)压紧的同时，还通过螺栓(10)及螺母(12)将两端盖(4)及置于端盖(4)与定子盘(9)之间的两隔圈(15)以及定子盘(9)一起，固定在中部通孔中制有起隔圈作用的内凸圆环的电机壳(11)的中部通孔中，这时，带铁芯线圈(8)铁芯的两端面，应在其自身被固定的同时，透过定子盘(9)并与定子盘(9)的外端面平齐或略有凸出，两转子盘(5)通过螺母(3)与键(9)固定在电机轴(1)上，其轴向位置在两定子盘(9)的外侧，两转子盘(5)上与带铁芯线圈(8)对应的位置上，分别通过压圈(6)与螺钉(7)固定装有多个端面与转子盘(5)内侧端面平齐或略有凸出的磁铁(13)，电机壳(11)由螺钉(16)固定在电机座(17)上。可以看出，这种结构在设计时同样可以沿电机轴的轴向和径向将由带铁芯线圈及磁铁等组成的发电机构设计成多层，总之，在同一原理下，具体采用哪种结构，应根据负载对发电机的不同要求及输出方式灵活考虑，才有可能真正发挥其作用。