專利名稱：永磁式壓力電子發(fā)電機技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭示一種永磁式壓力電子發(fā)電機技術(shù)方案。該發(fā)明發(fā)電機核心主要由間隙很小，且分別安裝有壓電元件和永磁元件的定子和轉(zhuǎn)子，以及整流電路組成。利用壓電效應(yīng)，將發(fā)電機內(nèi)部永磁體的嬌頑磁力轉(zhuǎn)換成電能，無任何廢棄物排放，無電磁輻射，重量輕，噪音低；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)力矩與轉(zhuǎn)換電能的磁力保持正交關(guān)系，互相影響很少，為機械內(nèi)力和外驅(qū)動力共同做功發(fā)電，相對外驅(qū)動力做功而言，發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率可以遠遠大于1，使人類研制永動發(fā)電機的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。
背景技術(shù)：
發(fā)電機的種類很多，就發(fā)電原理來說，主要有電磁感應(yīng)式發(fā)電機、光電效應(yīng)發(fā)電機和壓電效應(yīng)發(fā)電機等，它們的共同特點是將各種形式外部能源轉(zhuǎn)換成電能，能量轉(zhuǎn)換效率總小于1。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明發(fā)電機屬于一種壓電效應(yīng)發(fā)電機，它的核心主要由一個直徑較大的定子 (1' +2' +3')和一個直徑較少的轉(zhuǎn)子(1+2+3+4+5)，以及整流電路組成。定子和轉(zhuǎn)子分別以一個持力圓筒(1、1')為基礎(chǔ)，定子持力圓筒(1')的內(nèi)側(cè)面和轉(zhuǎn)子持力圓筒(1) 的外側(cè)面或為光滑圓柱面，或為齒形柱面。首先按均勻排列方式將若干厚度方向極化長條形壓電元件(2、2')的一個電極粘結(jié)在定子圓筒的內(nèi)側(cè)面和轉(zhuǎn)子圓筒的外側(cè)面，或鑲嵌粘結(jié)在平直齒槽底，使發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子上壓電元件的極化方向均與所在位置的徑向方向重合；然后將相同數(shù)量厚度方向磁化的長條形永磁元件(3、3')按照N-S相間排列形式粘結(jié)在定子和轉(zhuǎn)子上壓電元件的另一個電極上，粘結(jié)在一起的壓電元件和永磁元件構(gòu)成一個壓力發(fā)電單元，呈放射狀、均勻分布在定子和轉(zhuǎn)子上；最后用絕緣材料將所有空隙填實、粘牢、 整平，使定子圓筒內(nèi)側(cè)面和轉(zhuǎn)子圓筒外側(cè)面成為N-S相間、光滑圓柱形磁極面，以及各壓電元件的電極間相互絕緣。發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的磁極面間的間隙(距離)很小，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時又不互相碰觸，即定子內(nèi)徑大于和趨于轉(zhuǎn)子外徑。根據(jù)磁庫倫定律，當(dāng)外力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，使定子和轉(zhuǎn)子上的磁體相互產(chǎn)生強大吸引力或排斥力(FeA= CmlivV2, c為常數(shù)，真空中等于Lrn1^2*別為兩個磁性體的磁荷量，r為它們間的距離)，尤其是周期性變化的徑向磁力傳遞到壓電元件上，使壓電元件的兩個電極間產(chǎn)生相同頻率的交變電勢能。經(jīng)過整流濾波電路輸出直流電，外部再經(jīng)過穩(wěn)壓、逆變電路輸出為滿足人們需要的直流電或交流電。上述壓電元件涉及的壓電材料類型不限。只要其壓電轉(zhuǎn)換效率高，機械強度大，韌性好，不易被壓壞，均可用于本發(fā)明電發(fā)機。其次，壓電材料本身是很好的絕緣體，因此，定子和轉(zhuǎn)子上全體壓電元件可由一個包含相同數(shù)量電極對的徑向極化壓電圓筒來代替。壓電單元的電極與整流器聯(lián)接方法主要有三種(1)各壓電單元的電極完全分開，分別與整流器輸入端連接；(2)相間的多個同步壓力發(fā)電單元并聯(lián)或串聯(lián)后再與整流器的輸入端連接；(3)其中之一同性電極并聯(lián)在一起，而另一電極互相分開，再各自與整流器的輸入端連接。基本整流電路，實際由若干個輸出端并聯(lián)的橋式整流電路組成。整流電路主要由相同參數(shù)的二極管組成，非常利于制造成環(huán)形集成電路，然后安置在定子和轉(zhuǎn)子的兩端或轉(zhuǎn)子圓筒內(nèi)，使發(fā)電機結(jié)構(gòu)更為緊湊、簡潔。也可以采用其它類型整流方式。本發(fā)明發(fā)電機一個重要特點是轉(zhuǎn)子磁極面上的每個磁元所受的斥力或引力都可以分解為徑向和切向兩個分力，任何狀態(tài)下整個轉(zhuǎn)子所受全部磁力的合力都等于或趨于0 ； 而真正轉(zhuǎn)換電能的磁力主要為徑向磁力，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)力矩方向相互垂直成正交關(guān)系，即二者相互影響很少或幾乎沒有影響，外力F*主要作用是抵消轉(zhuǎn)子軸承的轉(zhuǎn)動摩擦阻力F,而軸承轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)μ很少，|F,h ι可能會遠遠小于IFffi ι，故本發(fā)明發(fā)電機為機械內(nèi)力和外驅(qū)動力共同做功發(fā)電，相對施加外力做功而言，能量的轉(zhuǎn)換效率就可能遠遠大于1。任何形式的外動力都可驅(qū)動本發(fā)明發(fā)電機發(fā)電，從能源循環(huán)利用和綠色環(huán)保角度出發(fā)，著重利用非碳能源做驅(qū)動力。如(1)配置專用電動機和相應(yīng)的啟動蓄電池，共同組成一個無源永動發(fā)電機；(2)利用外部用電設(shè)備的轉(zhuǎn)動部件來驅(qū)動，共同組成一個無源永動設(shè)備；(3)利用自然的風(fēng)力、水力等動力來驅(qū)動，構(gòu)成一個無碳環(huán)保型高效發(fā)電機或發(fā)電機組等。本發(fā)明發(fā)電機輸出電能與定子和轉(zhuǎn)子上磁性體間的磁力大小有重要關(guān)系，因此， 盡可能選擇矯頑磁力大、磁能量密度高的磁性材料，如釹鐵硼永磁材料；其次，確保磁力線集中通過定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙；第三，將定子與轉(zhuǎn)子間的間隙設(shè)計盡可能地小，以使壓力發(fā)電單元一次壓電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的電量(Q與AFffi成正比)最多。發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子上的單一永磁元件在定子和轉(zhuǎn)子的磁極面上可以呈單極性(N 或S)，也可以通過與不同外形的軟磁材料結(jié)合呈現(xiàn)二極性(NS、SN、SNS或NSN)。本發(fā)明發(fā)電機輸出電量除與選擇的壓電元件、永磁元件的材料類型、形態(tài)、尺寸和整流方式有關(guān)外，同時與定子和轉(zhuǎn)子上的壓力發(fā)電單元數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的乘積成正比
-H1H2VQ,式中ηι、η2分別為定子和轉(zhuǎn)子上的壓力發(fā)電單元數(shù)，V為定子的轉(zhuǎn)速(周/秒))。 壓力發(fā)電單元越多、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，發(fā)電機發(fā)電量就越多。當(dāng)其它參數(shù)固定后，本發(fā)明成品發(fā)電機主要通過改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對輸出電量的控制。當(dāng)發(fā)電直接用于諸如電動車、電風(fēng)扇等電動器具時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以直接由這些設(shè)備的轉(zhuǎn)動部件控制，這樣可以簡化發(fā)電機控制，并使輸出電量靈活滿足實際需要。


附圖為本發(fā)明發(fā)電機核心部分結(jié)構(gòu)(橫截面)原理圖。圖中，1、1'分別為轉(zhuǎn)子和定子持力圓筒，2、2'分別為轉(zhuǎn)子和定子上的壓電元件(包含壓電元件的二個電極)，3、 3'分別為轉(zhuǎn)子和定子上的永磁元件，4為轉(zhuǎn)子的支撐件，5為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸，1、2、3、4、5構(gòu)成發(fā)電機轉(zhuǎn)子，1' >2'、3'構(gòu)成發(fā)電機定子，6為轉(zhuǎn)子和定子間的間隙。
具體實施例方式根據(jù)附圖1所示原理，按照以下步驟可以生產(chǎn)無源永動發(fā)電機。(1)用厚2mm內(nèi)徑152mm高50mm絕緣塑料圓筒嵌入到厚Imm內(nèi)徑156mm高60mm 的不銹鐵圓筒內(nèi)制成定子圓筒；用厚Imm外徑106mm高60mm不銹鐵圓筒嵌入到厚2mm外徑IlOmm高50mm絕緣塑料圓筒制成轉(zhuǎn)子圓筒，轉(zhuǎn)子圓筒用鐵質(zhì)端蓋作支撐件，并一起固定在轉(zhuǎn)軸上；(2)用PLS-51壓電材料制成規(guī)格為4. 5X4. 5X49，厚度方向極化的壓電元件；(3)用釹鐵硼材料燒結(jié)成規(guī)格為5X5X49的永磁元件；(4)定子的內(nèi)側(cè)面均勻粘結(jié)76個壓力發(fā)電單元，轉(zhuǎn)子的外側(cè)面均勻粘結(jié)68個壓力發(fā)電單元。制作定子和轉(zhuǎn)子時注意磁極面上的磁極要N S相間排列。(5)將17個獨立橋式整流器所有輸出端按同極性關(guān)聯(lián)，均勻置入轉(zhuǎn)子持力圓筒內(nèi)并固定好，將轉(zhuǎn)子上每相間17的4個壓電元件的同性電極并聯(lián)后分別與整流器的輸入端連接好；(6)將19個獨立橋式整流器所有輸出端按同極性關(guān)聯(lián)，安置在定子持力圓筒外并固定好，將定子上每相間19的4個壓電元件的同性電極并聯(lián)后分別與整流器的輸入端連接好；(7)將制成的定子和轉(zhuǎn)子安裝在發(fā)電機機殼內(nèi)，固定好位置，確保定子和轉(zhuǎn)子同心，二者間的間隙為0. 1 0. 5mm ；(8)轉(zhuǎn)子上的整流器的二個輸出端通過轉(zhuǎn)軸上二個動觸點引出，并與定子上整流器的輸出端并聯(lián)，再并聯(lián)一個220uF100V電容器，正極串聯(lián)一個二極管后，再與一個 10Ahl2V蓄電池并聯(lián)，然后輸出到逆變器的輸入端，逆變器的輸出端接入一個開關(guān)后，連接到80W220V 的電動機。電動機用于驅(qū)動發(fā)明發(fā)電機轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到3000轉(zhuǎn)/分左
右ο完成上述步驟后，一個簡單的本發(fā)明發(fā)電機表示制作完成，啟動電動機，發(fā)電機輸出電能不僅能滿足電動機需要，蓄電池電壓還會快速提升，說明本發(fā)明發(fā)電機相對外驅(qū)動力做功而言發(fā)電效率大于1。理論分析如果上述發(fā)電機內(nèi)的一個壓力發(fā)電單元一次壓電轉(zhuǎn)換輸出電量為Q， 則1秒時間，整個發(fā)電機輸出電量為(68X76X3000/60 = ) 258400Q，表明本發(fā)明發(fā)電機發(fā)電效率非常顯著，且發(fā)電機的體積能量密度和重量密度都高于現(xiàn)有的發(fā)電機和電池。說明以上僅提供一個簡單參考實例，隨設(shè)計發(fā)電機規(guī)格、尺寸大小、驅(qū)動方式不同，以及選用壓電材料和永磁材料類型、參數(shù)不同，制造出來本發(fā)明發(fā)電機的發(fā)電效果會有所不同。一般，通過增大發(fā)電機尺寸和選用高品質(zhì)壓電元件和永磁元件等辦法來增大功率輸出，而成品發(fā)電機則主要通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來達到改變輸出電能的目的。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明揭示一種永磁式壓力電子發(fā)電機技術(shù)方案。本發(fā)明發(fā)電機技術(shù)特點利用壓電體壓電效應(yīng)，將發(fā)電機內(nèi)部永磁體的嬌頑磁力不斷轉(zhuǎn)換成電能的電子發(fā)電機。發(fā)電機核心主要由分別安裝有壓電元件和永磁元件的一個直徑較大的定子和一個直徑較少的轉(zhuǎn)子，以及整流電路組成。
2.權(quán)利1所述發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子，分別以一個持力圓筒為基礎(chǔ)，定子持力圓筒的內(nèi)側(cè)面和轉(zhuǎn)子持力圓筒的外側(cè)面或為光滑圓柱面，或為齒形柱面。
3.權(quán)利1所述定子和轉(zhuǎn)子上的一個厚度方向極化的長條形壓電元件的一個電極面與一個量厚度方向磁化的長條形永磁元件的一個磁極面結(jié)合在一起，共同構(gòu)成一個壓力發(fā)電單元。
4.權(quán)利3所述若干壓力發(fā)電單元的壓電元件電極一側(cè)面向持力圓筒、另一側(cè)磁極N-S 相間排列方式呈放射狀、均勻分布在權(quán)利2所述的定子圓筒的內(nèi)側(cè)面和轉(zhuǎn)子圓筒的外側(cè)面，或其齒槽里，并用絕緣材料將所有空隙填實、粘牢、整平，使定子圓筒內(nèi)側(cè)面和轉(zhuǎn)子圓筒外側(cè)面成為N-S相間、光滑圓柱形的磁極面，以及要求各壓電元件的電極間相互絕緣。
5.權(quán)利4所述發(fā)電機定子圓筒內(nèi)側(cè)和轉(zhuǎn)子圓筒外側(cè)的磁極面的磁極均勻、有規(guī)律地呈 N-S相間排列布局，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，定子和轉(zhuǎn)子不互相碰觸的情況下二者間的間隙(距離) 盡可能少，即定子內(nèi)徑大于和趨于轉(zhuǎn)子外徑。當(dāng)外力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，使定子和轉(zhuǎn)子磁極面上的磁體相互產(chǎn)生強大吸引力或排斥力，尤其是周期性變化的徑向磁力傳遞到壓電元件上，使壓電元件的兩個電極間產(chǎn)生相同頻率的交變電勢能，經(jīng)過整流電路輸出為直流電。
6.權(quán)利1、4、5所述發(fā)電機一個重要特點是轉(zhuǎn)子磁極面上的每個磁元所受的斥力或引力都可以分解為徑向和切向兩個分力，任何狀態(tài)下整個轉(zhuǎn)子所受全部磁力的合力都等于或趨于0 ；而真正轉(zhuǎn)換電能的磁力主要為徑向磁力，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)力矩方向相互垂直成正交關(guān)系，即二者相互影響很少，故本發(fā)明發(fā)電機為機械內(nèi)力和外驅(qū)動力共同做功發(fā)電，通過增大發(fā)電機尺寸和選用高品質(zhì)壓電元件和永磁元件等辦法來增大功率輸出，而成品發(fā)電機則主要通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來達到改變輸出電能的目的。
7.權(quán)利4所述發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子上的壓電元件的極化方向與所在位置的徑向方向重合。其次，定子和轉(zhuǎn)子上的全體壓電元件可分別由一個包含相同數(shù)量電極對的徑向極化壓電圓筒來代替。
8.權(quán)利4所述發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子上的單一永磁元件在定子和轉(zhuǎn)子的磁極面上可以呈單極性(N或S)，也可以通過與不同外形的軟磁材料結(jié)合呈現(xiàn)二極性(NS、SN、SNS或NSN)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種永磁式壓力電子發(fā)電機技術(shù)方案。本發(fā)明發(fā)電機主要由間隙很少，且分別安裝有壓電元件(2、2′)和永磁元件(3、3′)的定子(1′+2′+3′)和轉(zhuǎn)子(1+2+3+4+5)，以及整流電路組成。發(fā)電機利用壓電效應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時將發(fā)電機內(nèi)部永磁體的嬌頑磁力不斷轉(zhuǎn)換成電勢能，無任何廢棄物排放，無電磁輻射，重量輕，噪音低；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)力矩與轉(zhuǎn)換電能的磁力方向垂直正交，互相影響很少，為機械內(nèi)力和外驅(qū)動力共同做功發(fā)電，相對外驅(qū)動力做功而言，發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率可以遠遠大于1，使人類研制永動發(fā)電機的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。
文檔編號H02N2/18GK102223106SQ201010149288
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月18日
發(fā)明者周耀瑜 申請人:周耀瑜