无换向器多电压直流发电机 本发明涉及一种发电机，特别是直流发电机。
公知的直流发电机由定子的磁极，转子的电枢和换向器组成。定子的磁极由南极与北极称为一对，一台机器中一般由一对以上磁极组成。磁场顺定子圆周，呈南极与北极交替出现的异名磁极关系，电枢嵌在转子铁心槽内，在定子磁极构成的磁场中转动，切割磁力线产生电流。由于磁场是南北异名磁极构成，转动方向一致，产生交变脉动电流。脉动交变电流经换向器转变成直流电流。
公知的这种直流发电机，具有可逆使用性。由于采用机械换向器装置，结构复杂，常处于高速摩擦状态，因而磨损和被电流烧坏是不可避免的，且难以承受高电压大电流，经常需要维修。转子电枢和铁心在定子磁场中转动，产生交变电流和电磁力矩，电磁力矩总是阻碍转子的正向运动，交变电流在转子铁心中产生涡流损耗，交变磁场反复磁化转子铁心产生磁滞损耗，因而降低了发电机的工作效率，输出电功率总是小于或等于输入机械功率，是不易克服的。
本发明的目的即在于提供一种直流发电机，所述直流发电机能克服公知直流发电机的缺点，具有较好的使用效果。
为实现上述目的，本发明的方案为：所设计的直流发电机的内磁极为圆周形，外磁极亦为圆周形，两异名磁极套在一起，间隙里呈U圆环形磁力线呈辐状分布的均匀磁场，近似匀强磁场；一根绝缘直导线180度折回为两截，一截为电势线，另一截为电流线(电流线外用磁屏蔽)构成单电势导线，单电势导线并列串联组成圆环形电枢，圆环形电枢在圆环形均匀磁场中转动，切割匀强磁力线产生电动势，产生稳恒电流，经导线对外输出；在不同的单电势导线处抽头对外输出，呈不同电压。
按照上述方案，本发明的无换向器多电压直流发电机有别于公知技术的直流发电机，下面结合图示和实施例对方案进行详细的说明。
图1为本发明方案结构的磁路图；
图2为本发明方案地圆环形均匀磁场图；
图3为本发明方案的电单势导线结构截面图；
图4为本发明方案的磁场及力的方向分析图；
图5为本发明方案实施例的正视上剖图。
如图1及图2、图2是图1的左视图。外磁极(1)和内磁极(2)都成圆周形，外磁极(1)套在内磁极(2)外，其间隙磁力线呈辐状分布的圆环形，如图2中用箭头的细实线所表示的磁场及磁力线。励磁线圈(3)套在内磁极轴的中部产生磁化场的磁力线，以内磁极轴心为中心，沿两侧流经外磁极、磁场、回到内磁极呈封闭曲线。一台机器中只有一个励磁线圈，在图1中励磁线圈电流方向产生的磁场方向，外磁极(1)为北极N，内磁极(2)为南极S磁力线的方向从四周指向圆心如图2 。改变励磁线圈(3)的直流电大小，根据磁介质材料的磁化规律而改变磁场的强弱，改变电流方向，磁极和磁场方向随着改变。外磁极(1)和内磁极(2)的材料为典型永磁铁如钐钴合金、钕铁硼合金，或者为典型的软铁磁性材料，如纯铁、硅钢。励磁线圈(3)的材料最好为常温状态超导体，其次用导电率高的漆包线，如铜心线。
如图3所示是单电势导线的切面图，单电势导线是一根直导线折回180度如(5)和(7)，它是同一种材料，如铜，在外表面涂有绝缘层。在(5)的外周绝缘层外，套有由软磁性材料(6)，如纯铁或硅钢，经绝缘再套一层最好为完全抗磁的材料，如超导体，其次为典型的永磁铁材料(4)，如钐钴合金或钕铁硼合金。永磁铁的磁极如N和S。单电势导线的长度等于图1中磁极的宽度。一台机器中单电势导数为n，每一根导线的角度为，内弧长为，外弧长为，厚度为R-r。
单电势导线的作用。公知直流发电机的定子磁极为对称的异名磁极，转子铁心上的电枢经北极过去又从南极折回。当电枢切割磁力线运动时，产生电流方向正好与电枢走向一致，电流的终点可回到起点。在图2所示的圆环形均匀磁场中就不同，当两根一端连接的导线在匀强磁场中作切割磁力线运动，各根产生的电势方向一致，互相抵消，没有电流产生，更不能终点回到起点，除此，导线再没有构成回路的方法，这就需如图3所示的单电势导线，单电势导线(7)作切割磁力线运动，则产生电动势，叫做电势线。单电势导线(5)，由于矫顽力极大，剩磁很强的永磁铁(4)(或完全抗磁的超导体)，以同性相斥将外来磁力线排挤开，它就不被外来磁力线穿透、切割，不产生电动势。而自身(4)的磁力线穿透(5)不作相对运动，不切割磁力线，也不产生电动势。(4)对(5)进行了完全的磁屏蔽。(5)在磁场中运动，不产生电动势，只作(7)产生的电势电流的回路，叫做电流线。当(7)和(5)中有电流通过时，是大小相等的反向平行电流，产生以导线自身为同心圆的磁力线产生的磁场力相互对抗，对外没有电磁力。然而，(5)有磁屏蔽(6)，它产生的磁力线，将被导磁率极高的软磁性材料如纯铁所束缚，只能在周围流动，这就防止了它对(4)的永磁铁或超导体的破环。(7)产生的直线电流的磁场则弥散在导线周围。
能否成功地对电流线(5)进行磁屏蔽，是制造无换向器多电压直流发电机的关键。由于材料的关系，对图1产生的磁场图2有一定的要求。如(4)用矫顽力Hc最大为10700安培/米，最大磁惑应强度1.07T的钐钴合金SmC05时，图2的磁场与图3(7)产生的合成磁场应小于10700安培/米，磁感应强度应小于1.07T，否则(4)将会被改变磁极方向损环其磁屏蔽效果。如(4)用超导体，它可承受数T到数十T的磁场强度而不破环其完全抗磁性，适用于强磁场高电压大电流无换向器多电压直流发电机。若(4)的材料既能抗N，又能抗S，当励磁电流为交变电流产生交变磁场时，可发出交流电。
图4是本发明方案的磁场及磁力分析图，由n个图3所示的单电势导线并列串联组成圆环形电枢，电枢套在图1的内磁极(2)外，处在外磁极(1)里。圆环形电枢在圆环形均匀磁场中转动，单电势导线的电势线切割磁力线产生电势，产生电流，经电流线流回与另一电势线相连，n根电势线的电势代数和，即是整台机器的电势。机器的磁场强度不变磁场方向不变，导线的结构是固定的，线速度不变，将产生稳恒的直流电流。在不同处的单电势导线抽头将电势导出，产生不同电压。由于机器的结构是固定的，单电势导线的组合形式，运动状态是一致的，任意一个单电势导线所处的磁场，产生的电流，电流产生的磁场力，可代表整个电枢。为了说明整个电枢的方便，在电枢中任意切取两个单电势导线和对应的磁极出来，展开如图4说明它们的相互关系。
图4的外磁极为北极N2，内磁极是南极S2，它们间的磁场呈异名磁极吸引关系，且呈匀强磁场。电枢其中一根单电势导线由电势线(7)，电流线(5)，屏蔽永磁铁(4)，另一根单电势导线由电势线(7′)，电流线(5′)和屏蔽永磁铁(4′)组成。屏蔽永磁铁(4).(4’)产生的北磁极为N1，南磁极为S1，磁场强度和磁感应强度大于或等于外磁极N2和磁极S2产生的磁场强度和磁感应强度。磁场方向为北极N1与北极N2相对，相互排斥，南极S1与南极S2相对，相互排斥。用带箭头的细线表示磁力线，外磁极N2与内磁极S2产生的磁力线，在磁力线上划三个短划表示，屏蔽永磁铁N1和S1产生的磁力线，在磁力线上划二个短划表示，通电直导线产生的呈同心圆的磁力线，在磁力线上划一根短划表示。可见，N1.S1产生的屏蔽磁力线，排斥N2.S2产生的磁力线，N2.S2产生的磁力线不能从(4).(4′)内通过，不能使(5).(5′)产生电动势，产生电流，只能从电势线(7).(7′).(7″)通过，动生电动势，产生电流。当电枢的运动方向为反时针时，(7).(7′).(7″)切割N2.S2的磁力线产生电流，电流方向纸里朝外，电流线(5).(5′)从外流向纸里。电流线(5).(5′)的电流产生的磁力线被外套的纯铁束缚，对外不显磁性。电势线(7).(7′).(7″)电流产生的以导线为圆心的同心圆的磁力线，受N2.S2，N1.S1产生的磁力线的制约，分布在电势线与屏蔽永磁铁相靠的缝隙里如N和S。单根电势线电流产生的磁场较N2.S2和N1.S1产生的磁场弱，且磁力线又不相交，只能如北极N和南极S的磁力线，有的经势线，有的经屏蔽永磁铁构成闭合回路。屏蔽永磁磁铁N1.S1和电势线产生的N.S，它们的磁场磁力线虽流过电势线，但运动速度是同步的，没有相对运动，不切割，不会使电势线产生电流。
N2.S2，N1.S1和N.S三种磁场在圆环形均匀磁场中产生的磁场力。圆环外形磁极N2和圆环形内磁极S2构成的磁力线呈辐状分布的匀强磁场。在圆环形各处磁场强度相等，磁场力相等，磁场吸引力的方向指向圆心不产生切线力，整个圆周的吸引矢量力为零。在图4所示的结构中，屏蔽永磁铁(4).(4′)……被固定在共同轴心的圆周上，呈间格平行分布，N1排斥N2，S1排斥S2，排斥力在圆环形均匀磁场中指向圆心，圆周向心矢量合力为零，在切线上没有力产生，相对运动时，只产生二倍一面排斥磁场摩擦阻力，这种阻力很小。电势线(7).(7′)………也是单根间格平行分布，产生的磁场如N.S，以(7)的中线为界，对匀强圆环形外磁极N2的反时针和顺时针，既有排斥力N，又有相等的吸引力S；对匀强圆环形内磁极S2的反时针和顺时针，也有排斥力S和相等的吸引力N，这些较磁场力小的电磁力，也滑移为向心力，也切线合力为零。相对运动时，也产生二倍一面磁场摩擦力。电势线(7)与电流线(5)之间产生的电磁力，不论是吸引或是排斥，都发生为结构的内应力，对整个电枢的运动不发生影响。
对处在圆环形均匀磁场图2中的任何方向的磁极，不论磁场力的方向如何，将自动滑移为磁场向心力，作相对运动时向心力宏观上表现为它产生的磁场摩擦力。如由单电势导线并列串联组成的圆环形电枢，不管它产生的磁场对外磁极N和内磁极S呈完全的排斥关系，或者是完全吸引关系，不管它呈间格的排斥关系或者是间格的吸引关系，或者是排斥与吸引交替出现的关系，它们间的相互力将自动滑移为磁场向心力，作相对运动时，向心力宏观上表现为它产生的磁场摩擦力。又如屏蔽永磁铁(4)不固定，它将以自身某点为轴心，沿顺时针或反时针偏转，最终停留在N2与S1，N1与S2相吸的直线位置，吸引力的线通过圆环形均匀磁场的圆心。在偏转的过程中，以偏转的轴心为切点，由于磁场的近距离作用和同性相斥异性相吸的性质，顺时针和反时针方向切线力为零，切线合力为零。如果切线合力不为零。即屏蔽永磁铁(4)转到某种状态并保持，便会沿圆环形匀强磁场一个方向运动，成为永动机，事实上是不可能的。
圆环形均匀磁场与由异名磁极组成的非均匀磁场作发电机磁场的比较。公知发电机的电枢产生的电磁力，移近固定的定子磁极时相互排斥，离开磁极时相互吸引，排斥力和吸引力在转子电枢的运动方向即反切线方向，总是阻碍运动进行。而这种阻碍运动的力矩，几乎等于拖动发电机的机械转矩，是十分强大的。而圆环形均匀磁场作发电机的磁场，磁场呈圆环形匀强，即磁极无始无终，可认为无穷长，电枢产生的电磁力在无穷长的匀强磁场中运动，没有磁极移近的排斥力和离开时的，吸引力，由于磁场的近距离作用和同性相斥，异性相吸的性质，作用力的施力点或受力点在磁场中便自由滑移到最近点即向心线上，相对运动只产生磁场摩擦力。磁场摩擦力与电磁力比较是非常小的。因此，无换向器多电压直流发电机比现有直流发电机提高功率若干倍。
如图5所示为实施例正视上剖图。(7)由单电势导线组成圆环型电枢，电枢的一端与支撑盘(8)连接固定，支撑盘固定在轴(10)上。由外磁极(1)与内磁极(2)组成圆环形均匀磁场，端盖(9)与外磁极(1)相连，端盖(9)与内磁极(2)通过轴承(11)和(14)将转轴(10)托起，并保障电枢(7)在磁场间隙内自由转动。外直流电源的正负极经接线盒(15)传给励磁线圈(3)，线圈产生的励磁场磁化外磁极(1)为北极N，磁化内磁极(2)为南极S，使磁场里的磁场强度达到要求。动力机拖动转轴(10)沿反时针转动，电枢(7)也同步转动，单电势导线切割N，S产生磁力线产生电动势，产生电流。在电枢不同处的单电势导线抽头，各自经滑环和电刷(13)传给接线盒(12)里的接线柱。
本发明的无换向器多电压直流发电机与公知的直流发电机不同的是：无换向器多电压直流发电机只能作发电机，不能作电动机用。公知直流发电机的反电磁力矩消耗外转矩的百分之九十以上，无换向器多电压直流发电机只产生磁场摩擦力，不产生反电磁力矩，可提高功率若干倍；公知直流发电机受换向器结构限制，一般发出的电压和电流较小，无换向器多电压直流发电机不需换向器，可发出较高的电压和较大的电流；公知直流发电机只能输出一种电压，无换向器多电压直流发电机可输出几种不同电压，满足直流电动机的启动，调速和调功需要；公知直流发电机的输出功率小于或等于输入功率，无换向器多电压直流发电机输出电功率大于输入机械功率，这样，它可同现有直流电动机组成永动发电机或者永动电动机。