一款静止磁通发电机的制作方法

本发明涉及一款静止磁通发电机，属于新能源发电技术中的可以直接提取永磁能转化为电能但极少消耗其它能量的发电。

背景技术：

1、自从发电机问世一百多年来，技术一直处于不断的创新和完善之中，完美提取永磁能也是这样。传统发电机由于是通过机械运动，即磁铁与铁芯之间或铁芯与铁芯之间的相对运动，使铁芯中的磁通量和磁通方向发生周期性变化，造成线圈电流产生的磁通总是阻碍运动的进行，导致永磁能转化为电能的同时又消耗了大量的机械能，相当于将机械能转化为电能。一方面永磁能被白白的浪费，人们为了得到电能而苦苦挖掘化石燃料和核能燃料去用这些燃料换取机械能再转化为电能，另一方面无数专家学者为了提高发电效率而劳心费神殚精竭虑，但是仍然举步维艰收效甚微，因为老方法已经穷途末路。一直以来，有一个现象被人们忽视，那就是线圈相对于铁芯的连续运动和跳跃运动，不改变铁芯中的磁通量和磁通方向，却改变了线圈中的磁通量和磁通方向，这样产生电能所带来的磁通，几乎并不阻碍运动部件或驱动机构的运动，虽然可以极大地不可以思议的提高发电能效，却一直没有人尝试过。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：传统的发电机由于是通过机械运动使铁芯中的磁通量和磁通方向发生周期性变化，造成线圈电流的磁通总是阻碍运动的进行，消耗了更多的机械能降低了效率，无法在发电机中直接提取永磁能转变为电能，只能将机械能转化为电能。本发明采用线圈相对于铁芯运动包括连续运动和跳跃运动的方案，使线圈电流的磁通由于被屏蔽无法产生阻碍力，或者虽然有阻碍力但是产生在磁铁和铁芯这些固定部件之间，对运动机制的抵抗极其微小甚至没有。从而极大地提高了发电效率，相当于直接在发电机中提取永磁能或提取励磁的电能转变为电能。

2、线圈相对于铁芯的运动有两个技术方案：一个是线圈相对于铁芯的连续运动；一个是线圈相对于铁芯的跳跃运动。本发明提供的技术方案是第一个，线圈相对于铁芯的连续运动。

3、连续运动的技术方案是，将铁芯做成多个直板桥和桥洞的形状，或者其它形状的桥和桥洞的形状，磁铁或励磁线圈的磁通经由桥墩流过直板桥身或桥身，再到相邻的桥墩回到另一极或回到另一个磁铁的另一极，使每相邻两个直板桥身内或桥身内的磁通方向相反，于是整体上这些桥身内的磁通大小和方向就呈现有规则的近似方波的分布，但铁芯的屏蔽效应使桥面上方空气中没有磁通，于是桥面上的煎饼线圈在相对运动中能够感应直板桥身内或桥身内的磁通而发电，却不能产生桥面上空气中的楞次定律阻碍力，让煎饼线圈相对于铁芯桥面无阻力发电运行。

4、直板桥铁芯的局部剖视图如图3（a）如图3（b）。

5、线圈相对于铁芯的圆周运动，以一个绕两层的煎饼线圈为例，当线圈运动到图3（b1）的位置时，相当于传统发电机中线圈中的磁通量最大，当线圈由图3（b1）的位置运动到图3（b2）的位置，相当于线圈内的磁通由最大变化到0，当线圈由图3（b2）的位置运动到图（b3）的位置，相当于线圈内的磁通由0变化到反向最大……。由此线圈中的磁通大小和方向在相对运动中呈现周期性变化，线圈中产生感生电动势。

6、由于铁芯屏蔽了磁铁或励磁线圈散布在煎饼线圈周围空气中的磁通，感生电流带负荷后产生的分布在煎饼线圈周围的磁通就无法产生阻碍力。进入铁芯浅层的磁通又回到空气中另一个线圈的另一极，形成了一个个回路而不能到达磁铁，只能产生线圈与铁芯之间的吸引力。进入铁芯和流出铁芯回到空气的磁通量相同，都表现为吸引力。即使磁通太强穿透了铁芯，与磁铁或励磁线圈直接作用，也只是铁芯与磁铁之间或铁芯与励磁线圈之间的作用力，煎饼线圈与铁芯之间仍为吸引力，这与电磁铁内部的线圈与铁芯之间在工作时候没有排斥力的道理相同。所以发电机运行只需克服因铁芯深浅不一所致吸引力时大时小的影响，和克服叠片铁芯微弱涡流所致阻力的影响，阻力非常的小，相当于直接将永磁能或励磁能转化为了电能。这样就解决了传统发电机的转子与定子相对运动中总是克服楞次阻碍力消耗更多机械能无法直接将永磁能转化为电能的技术问题。

7、该方案的两个关键部件是铁芯和煎饼线圈，二者可以互为转子和定子。煎饼线圈和骨架作为转子时需要将电引到滑环，再从电刷上引出电压输出线。

8、铁芯是板桥结构的铁芯。铁芯中嵌入多个磁铁，或者不用磁铁而采用励磁线圈的方式，让铁芯板桥中静止磁通的大小和方向，在与线圈相对运动方向上呈现有规则的如同正负方波一样的变化。对于圆柱式发电机，从图5可以直接看到板桥结构的形状；对于圆盘式发电机，铁芯的外形如图1（a）或如图2（a），其局部单元剖面形状如图3.

9、磁铁的充磁方向在铁芯中的布置有两种方法，一种是磁极方向与铁芯和线圈的相对表面互相垂直，如图2（a）就是盘式的互相垂直的类型；另一种是磁极方向与铁芯和线圈的相对表面互相平行或相切，当平行或相切时，相邻两个磁铁的极性相对。如图1（a）是圆盘式平行式的，图中铁芯中还没有嵌入磁铁；如图 1（b）为圆盘式平行式的半开式铁芯示意图，图中放置了一部分磁铁，可以看到磁极方向。这些铁芯在局部剖面结构上均可以看到直板桥的结构，桥洞桥墩为梯形或其它形状，如图3（a）和3（b）。

10、铁芯直板桥的厚度不是以图中为准，而是既要有尽量大的磁通密度，又要有尽量大的厚度。

11、如图2（a）为磁极方向与相对表面垂直的铁芯与磁铁示意图，这种铁芯不能使用整体式的，可以采用上下两半铁芯中间夹磁铁合并在一起的方式。这种铁芯也是如图3（b）那样采用直板桥和桥墩的局部剖面构造，桥墩为梯形。当磁铁强度较强时，可以适当增加桥墩高度，以使屏蔽更有效；当磁铁强度较弱时，可以适当增大磁铁面积和增大板桥的长度，以使板桥内磁通密度更大或磁通饱和值能够适当。

12、这种铁芯在磁铁的边缘处可以稍高于磁铁平面，使磁铁嵌入铁芯一些，就像图3（b）的磁铁宽度两侧的铁芯那样处理，并且磁铁径向长度两侧边缘的铁芯也那样处理，便于磁铁的磁通全部走铁芯通道。

13、该发电机铁芯采用直板桥和孔洞的方式，一是使磁铁远离煎饼线圈，降低磁铁的反向磁通的影响（这主要是对于磁极方向与铁芯线圈相对表面互相平行的类型而言的）；二是使铁芯直板桥的厚度适当，便于形成较高甚至接近饱和点附近的磁通密度；三是留出空气通道，便于散热；四是有利于更彻底的屏蔽线圈周围空气中的磁通，多余的磁通从桥洞空气中流过，铁芯外面就没有磁通了。

14、线圈是自粘煎饼线圈，由多个煎饼线圈嵌入煎饼骨架中与煎饼骨架一体化充当转子或定子，制作时一般是将放好止动架或板的煎饼线圈放入骨架的铸型中用强力胶水或树脂浇注使其与骨架一体化。骨架和线圈的形状对于圆柱式发电机是圆柱曲面式的薄饼形状，对于圆盘式发电机是圆盘平面式的薄饼形状。图1（c）是圆盘式发电机的定子线圈骨架，外圈有4个耳朵和螺丝孔用于径向同心度定位，里面嵌有若干个煎饼线圈，每个煎饼线圈的两头已经折弯，骨架在折弯处有拱形的突出，用以固定煎饼线圈的折弯处；其中有三个煎饼线圈没有放入，是为了看到骨架与线圈的分界面。图1（d）左图是煎饼线圈绕好并折弯好的样式轮廓形状。

15、对于小容量发电机，可以采用常规漆包线绕制线圈，煎饼线圈可以是多层。煎饼线圈制作时层与层之间加一些压紧后几乎没有厚度的高强度尼龙细线并延伸出来一些，用高强度胶水牢固的粘固在一起。煎饼线圈凝固后再将线圈和骨架的铸型用高强度胶水一体化浇注。

16、对于大容量发电机，还可以采用异形漆包线绕制线圈，煎饼线圈可以是单层或多层。当它是单层的时候，如图4（c），可以采用宽度等于骨架厚度的扁线或薄铜皮的异形漆包线1，匝数可以与多层的相当。这种煎饼线圈中部穿透有矩形或其它形状的孔洞4或6，一方面穿过一些绝缘的止动板或架5，板或架5两端伸出线圈进入骨架便于承受力量；另一方面煎饼线圈的起始端转换为其它形状3的漆包线（一般是将导线7中的几股分别压成渐扁再冷焊）从孔洞6中引出来(末端也要转换3但不过孔洞)。制作时先将宽度为骨架厚度的薄铜皮绕成长度超过设计值一个厚度的线圈，线圈两头的圆弧部分从一半厚度处切开，再按照设计好的线圈长度超过一个厚度将两头圆弧切断，得到中间部分和折弯部分共五个部分，然后将折弯部分转90度与中间部分进行冷焊连接，再冲孔洞，再刷绝缘漆，再粘结，这种方法每匝约有八个焊缝。较少焊缝的方法是，将薄铜皮绕制成较大厚度（即铜皮宽度）的单层线圈，再按照图4（c）的形状将中间的厚度（即铜皮宽度）切割出来，并冲出中间的孔洞，再冷焊连接折弯处的上下连接线（边切边焊），再切割掉两头的圆弧部分。图4（c）的示意图相邻两匝之间间距太大，实际上应该是挨在一起的。

17、当它是多层的时候，异形漆包线的形状可以是矩形、扁圆形或其它横截面形状的漆包线，这些异形漆包线也可以是用多股合一的软漆包线用特定胶水定型而成。如图4(d)是槽齿形的漆包线，它的槽和齿是在两侧呈现一上一下的分布，线圈外圈的齿可以卡住骨架起止动作用，内圈的起咬合作用；如图4(e)是人字形的，它两个侧面分别起到止动和被咬合作用。不论哪种形状，都可以设置凹槽和止动板，有两种类型，分别是凹槽和止动板在首、尾层表面的类型和在第一、第二层之间的类型，以矩形漆包线为例，如图4(a)和4(b)是截面形状为矩形的4层煎饼线圈最外圈几根的局部样式示意图，另一侧及内圈其它部位与其类似，也要在合适的对应的位置做出凹槽并穿过止动板，4(a)和4(b)分别代表了止动架放在表面和放在第一、二层之间。其中图4(a)的凹槽2开在了煎饼表面处，其中止动板3放进凹槽2中，其中止动板3在伸出线圈的位置下落一个台阶，该台阶的平面4有微小的倾斜度，可以让矩形固定框5得到适当的压紧力，然后被胶水固定。在煎饼线圈的另一边还有一个固定框与5对称。煎饼线圈的中心如果有空间也可以放一个半开式固定框。其中图4(a)的凹槽处漆包线宽度也可以像图4(b)的右侧凹槽处那样变宽。其中图4(b)的凹槽2开在了一、二层之间，可以使止动板更厚一些(该图没有画出止动板但要知道也有止动板和固定框)，且在第一层的凹槽背面开出一对小沟3，这些小沟3可以掩盖绝缘丝通过这里与止动板捆扎在一起，将最靠近铁芯的首尾层线圈固定牢固。图4(b)左侧的两个凹槽处漆包线宽度不变，但右侧变宽了，免于该处的载流能力减小。图4(b)示意图将四个凹槽放到一个图上是为了便于说明，实际上不一定，即可以单一或混合，变宽和不变宽各有优劣。

18、就像图4(b)显示的那样，按照凹槽处的截面形状，分为凹槽处变宽类型和不变宽类型，图4(b)右侧的两侧都变宽的类型适用于一头小半圆一头大半圆中间是梯形的煎饼线圈。另外，在变宽的类型中，又分为一侧变宽的类型和两侧变宽的类型。如图2（b）就是第一层的一侧变宽的类型俯视示意图。其中第二层的折弯处分别在最左最右两端，紧挨着第一层的折弯处2并有胶水粘连（图中未画）；其中第一匝从图2（b）的下部开始绕线，每半匝就要进行一次折弯2；不折弯部分的中间凹槽处3都要改变截面形状，保证凹槽处或止动架4处漆包线3的横截面积不变小；其中相邻两匝之间和两层之间都有胶水5粘结固定；其中第四匝末尾6的下部如果有间隙要放置固定柱，那么固定柱两侧的漆包线只需要一侧变宽，且6的下部没有胶水5。

19、多层线圈的绕线方式是要绕成狭长的煎饼形状的线圈，要一层一层的绕。第一层由外向内，再绕第二层由内向外，线圈的层数为双数，使线圈漆包线的首尾都在外面。线圈的长度要比磁铁长度稍长。对于圆盘式发电机的煎饼线圈长度，具体是每一头至少都要长出线圈最大宽度一半的约0.5倍或更长（越长折弯后包围的磁通越多，但同时要考虑其它因素），超出（包括大于和小于）铁芯直径的部分弯折成弧形直角，使其在相对旋转时对铁芯形成半包围状态。一半厚度向上折弯一半厚度向下折弯。图1（d）右图为绕线方式示意图，右图只画出了第一层线圈的绕线方式及折弯方式，其它层的与它类似或镜像对称。对于圆柱式发电机单个煎饼线圈的绕线方式及形状与此相似，只是长度很长，且宽度方向是曲面形状。圆柱式发电机的煎饼线圈，两头如果折弯是要折弯成平面直角，且圆柱式线圈作为转子时折弯后的装配顺序是先装线圈再装骨架铸型，然后两者浇注粘结。

20、图1（d）左图如果是单层就是焊接好且粘结好的轮廓或样子（还没有插入止动板条）；如果是多层就是按照图1（d）右图的方式绕好多层后还未放入止动架的轮廓或样子。图1（d）的两头超出铁芯的部分都折弯成了弧形直角。该线圈的方案包括折弯的方案和不折弯的简易方案，虽然两个方案都能发电，但由于折弯后形成线圈对铁芯的半包围状态，显然折弯的方案能感应更多的磁通以及能量密度更大。

21、图1（c）和图1（d）所画线圈形状为两个半圆形中间夹一个矩形。但实际制作时也可以设计成两个半径不同的半圆形中间夹一个梯形，梯形的两腰与径线重合，这样的好处一是使漆包线垂直于磁通方向，二是使相邻两煎饼线圈之间的吸引力较平均，三是若是大容量使用异型漆包线，可以利用半径较大一侧的空间，使凹槽处漆包线两侧都变宽，留给止动板空间。

22、圆柱式发电机的结构如图5，它由偶数个磁铁布置在铁芯的桥下，或者桥下采用励磁的方式，使圆周运动方向的板桥桥身中的磁通大小和方向呈现有规则的如同正负方波一样的分布，让煎饼线圈相对于铁芯板桥的桥面做圆周运动，从而产生感生电动势。当采用励磁式的时候，也可以让铁芯作为转子，煎饼线圈作为定子。

23、圆盘式多级发电机的结构如图6，它的每一套磁铁可以维持两个铁芯盘面，做成图1（a）或图2（a）那样的铁芯转子或铁芯定子，采用多级结构，定子之间用定位环定位，转子之间用轴套定位，处于中间位置的煎饼线圈的前后两侧都可以在转动时感应铁芯中的磁通，提高了能量密度。

24、煎饼线圈带电所产生的磁通与铁芯之间的吸引力主要是通过气隙相等来抵消，依靠线圈中的止动架来抵抗。当采用圆柱式发电机时，是利用径向对称的两个吸引力互相抵消。当采用盘式多级发电机时，中间的每个线圈或铁芯都受到前后两个吸引力，当气隙相等时就互相抵消了。

25、至于怎样保持气隙均等，可以在装配时同时采用两个措施：第一个是轴的两端一端使用推力轴承或推力轴承加向心轴承，另一端使用向心轴承；第二个是故意让全部转子的轴向受力不平衡，推力轴承那一端受吸引力大，另一端受吸引力小。使全部转子轴向受力不平衡有三个方法: 第一个方法是让发电机竖直运行，利用转子的重量使轴向受力不平衡，第二个方法是让个别转子或个别定子不发电，或者个别转子或个别定子多发电，从而使吸引力偏向一端；第三个方法是在轴上再增加一套无刷电机的转子和定子，利用无刷电机的轴向推力使转子的受力不均衡。加装无刷电机后，就不需要外部动力机械了。

26、除此之外，还有一个不采用推力轴承也能维持气隙均等的方法：这就是在发电机转轴上加装盘式无刷电机的转子和定子，但让无刷电机产生前后两个方向的轴向推力，从而可以使整体的转子都稳定在某一个位置不动。轴的两端都使用向心轴承。这个方法也不需要外部的动力机械。