专利名称：磁转化发动机的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种发动机，特别涉及一种将电动机与发电机组合为一体的磁转化发动机，属于电机技术领域。
背景技术：
电机是现在普遍使用的实现电能—机械能相互转换的能量转换装置，在生活、生活的每一个领域都得到了广泛的应用。现代电机技术发展一百多年以来，技术上已经日益发展成熟，种类不断推陈出新，除了传统的变压器、直流电机、同步交流电机、异步交流电机外，近年来还发展出了步进电机、磁阻电机、直线电机等新型电机。
当前，随着人们环保意识的不断增强，为了保护大气不受污染，电动汽车的发展和普及已经成了必然的趋势。但是，目前发展电动汽车存在若干技术上的瓶颈，其中之一就是电机的问题。由于电动汽车使用的是蓄电池供电，在技术上最容易实现的是采用直流电机驱动，但传统的直流电机虽然调速方便，但存在转矩不足等缺陷，很难被在电动汽车中广泛使用。现在较为普遍的解决方式是通过电力电子变流技术将蓄电池输出的直流电转换为交流电，再通过交流电驱动车内安装的异步电动机。这主要是为了利用异步电动机工作转矩大的特点。但传统的异步电动机启动不是很方便，调速性能也没有直流电机好，在电动汽车需要突然启动加速时问题尤为突出，而且使用电力电子变流装置不仅成本会增加很多，而且其控制也颇为复杂，因此此项技术不是电动汽车的理想技术。
为了解决上述的问题，各大电动汽车厂商纷纷开发出新的电机驱动技术。有的大公司制造的电动汽车上另外安装了发电机组，用离合器切换，在汽车滑行时使其发电，向电池组充电，但这样使电动汽车造价提高，车身加重，加大了汽车的负担。也有用风力、太阳能发电来补充能量的，同样也存在价格高、车身重的缺陷。中国发明专利ZL 98108693.4也公开了一种主要用于电动汽车的多功能永磁直流无刷电机。该电机由电机本体、位置传感器、控制电路组成，传感器输出的换向信号送控制电路，控制电机各绕组轮流导通，电机各绕组由一开关控制，使其或串连或并联。该电机可以利用绕组换向时产生的反电势回收的能量。当汽车在运行途中滑行时，该电机兼作发电机，向主电池组供电，从而减少能量的消耗，提高能源的使用效率。还有的发明创造利用永磁材料的特性，在电机的转子内增加永磁环和感应增势环来增加电动机在做功过程中的磁场强度，从而降低电机启动时的所需要的电流，增大其运行中的转矩。
但上述的各种改进无一例外是在现有电机结构和运行方式上的修修补补，上述直流电机和交流电机的根本性缺陷并没有得到真正的消除。电动汽车界和其他社会各界迫切需要一种对现有的电机结构有根本性改进的新型电机的出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现实的迫切需要，提供一种新型的无污染、噪声低、起动速度快、性能可靠、使用成本低廉的磁转化发动机。该磁转化发动机由经过特殊设计的电动机与发电机组合而成，除电动机和发电机之外，还包括功率变换器、控制器和位置检测器等组成部分。
为解决上述的技术问题，本发明采用下述的技术方案一种磁转化发动机，其特征在于所述磁转化发动机包括发电机和电动机两部分，发电机和电动机的定子部分位于所述磁转化发动机的最外侧的两端，所述电动机的定子分为左段(12)和右段(10)，其结合处的内侧是电动机绕组铁芯(11)，电动机绕组铁芯(11)的周围为绕组线圈(5)所环绕；发电机的定子分为左段(9)和右段(6)，其结合处的内侧是发电机绕组铁芯(7)，所述发电机绕组铁芯(7)的周围为绕组线圈(5)所环绕；所述发电机定子左段(9)和所述电动机定子右段(10)结合处的内侧是转子中段(8)，转子中段(8)的两侧分别是转子左段(14)和转子右段(4)；所述电动机经功率变换器接入电源，电动机与位置检测器和电流检测器相连接，位置检测器和电流检测器接控制器，控制器接功率变换器；所述电动机定子各绕组并联在一起，各自由与之串接的功率变换器电路驱动；所述电动机定子绕组铁芯上开有缺口，转子永磁极与软磁极之间有缺口；所述发电机的转子圆周上均匀安装有永磁体，定子绕组铁芯的截面积与所述电动机定子绕组铁芯的截面积不同。
本磁转化发动机具有如下突出的特点1.体积小，结构简单，省电，比现有的直流有刷电机和异步电动机具有更高的效率，转速可调，用途广泛，能满足特殊负载的需要。
2.电机的电磁转矩与绕组电流方向无关，只需要单方向电流，这样，在功率变换器中每相可以只用一个开关器件，而且每个开关器件都与电动机绕组串联，于是就避免了交流电动机和无刷直流电动机驱动系统等的逆变器中存在的桥臂上，下两个开关器件同时导通而产生电源短路的危险，因而对保护电路的要求也相对较低，而且功率变换器结构简单，成本低，可靠性高。
3.电机驱动系统有较大的调速范围。由于转子的转动惯量小，转矩/转动惯量比值高，因此电动机有良好的动态响应。另外，本电机有较大的起动转矩，同时又没有像异步电动机在高转差率下起动时那样大的起动电流，因此它适宜频繁起动，制动的场合。
4.电机驱动系统运行时，电动机绕组通电状态是与转子位置变化相同步的，所以不会产生失步现象。另外，电动机绕组电流脉冲波形的前，后沿以及电流幅值都可以控制，从而转矩的大小和方向都能得到控制，而且可实现软起动和四象限运行，控制起来灵活方便。
5.本磁转化发动机在宽广的调速范围和功率范围内都具有高效率，可作为电源输出直流电，因此，不仅能适用于工、农业的生产，还可以用于解决城市，农村及边远地区用电的问题。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的整体结构图。
图2为A型电动机的转子结构图。
图3为B型电动机的转子结构图。
图4为电机绕组铁芯的结构示意图。
图5为三相九磁极的电机的绕组接线示意图。
图6为功率变换器的一个实施例的电路原理图。
图7为发电机和电动机的磁极展开图。
图8为A型电动机双向运行时的磁极展开图。
图9为B型电动机双向运行时的磁极展开图。
图10为电动机的运行特性图。
图11为电流斩波控制方式下的典型相电流波形。
图12为发电机利用机械能发电时的磁场分布图。
图13为发电机输出交流电的波形示意图。
图14为发电机利用磁阻发电时的磁场分布图。
图15为发电机输出直流电的波形示意图。
图16为发电机给电动机供电时的主电路原理图。
图17为A型电动机的一个实施例的磁通回路分布图。
图18为驱动控制系统的电动机的整体系统框图。
图19为电机的定子主视图。
图20为电机定子主视图的A-A剖面图。
图21为一种便于散热的电机结构的示意图。
具体实施例方式
本发明所述的磁转化发动机的整体结构如图1所示，其中1为轴承端盖，2为轴承，3为右端盖，4为转子右段，5为绕组线圈，6为发电机定子右段，7为发电机绕组铁芯，8为转子中段，9为发电机定子左段，10为电动机定子右段，11为电动机绕组铁芯，12为电动机定子左段，13为左端盖，14为转子左段，15为固定螺孔，16为定位内径，17为轴，18为转子紧固螺丝。从图中可以看出，本发明的重要特征在于发电机和电动机组合为一体。其中发电机和电动机的转子部分位于本磁转化发动机的最外侧的两端，由螺丝贯穿其中，使之紧密结合成一体。电动机的定子分为两段，分别是左段12和右段10，其结合处的内侧是电动机绕组铁芯11，电动机绕组铁芯11的周围为绕组线圈5所环绕。发电机的定子也分为两端，分别是左段9和右段6，其结合处的内侧是发电机绕组铁芯7，发电机绕组铁芯7的周围为绕组线圈5所环绕。发电机定子左段9和电动机定子右段10的结合处的内侧是转子中段8，转子中段8的两侧分别是转子左段14和转子右段4，它们也通过转子紧固螺丝18固定在一起。在磁转化发动机的左右端面分别是左右端盖13和3。它们和发电机、电动机的定子一起构成一个封闭空间。
下面分别对电动机和发电机的结构和工作原理详细说明如下一.电动机根据转子结构的不同，本发明中的电动机可分为两种类型A型机，B型机。图2所示为A型电动机的转子结构图，其转子的材料采用工业纯铁。A型电动机中由于定子，转子磁极的串联，使磁通线互相加强，从而在运行时相绕组电流下降，而转矩保持不变，如图17所示。图3是B型机的结构图，B型机与A型机所不同是转子软磁极1的间隔处安装了永磁极2，它能够产生两种转矩，一种是永磁磁阻转矩，另一种是电磁转矩，两种转矩同时作用转子上提高电动机的效率。根据使用性能的不同，B型电动机的转子磁极可以有多种组合，这里不再详述。定子采用铸铝合金或其它不导磁材料制作。在给定的圆周上均布安装电磁极，这样有利于步距相切，如图19所示。电磁极的铁芯采用硅钢板叠加而成，如图4所示。
电动机中的转子采用板式结构，以有利于散热，有利于磁极的优化设计。现有的开关磁阻电动机，它的电磁场利用率只有一半，随着转子，定子的直径加大，这一问题更为突出，但是开关磁阻电动机在转速和功率范围内均具有高输出和高效率。B型电动机在转子上安装了永磁体，使有效范围内的磁场都得到利用，这就避免了由于开关磁阻电动机由于单边的磁拉力所引起的转矩脉动，在电动机运行中，永磁场可以单独同定子铁芯产生磁阻转矩，并且永磁极与电磁极形成闭合回路，使磁通线互相加强，使绕组电流下降，提高电机的效率。
由于电动机的绝大部分能量都消耗在定子上，减少定子铁芯的体积，提高铁芯有效面积的利用率是电机技术创新改造的关键。本电动机的定子铁芯短，并且是独立的，这样使产生的磁场集中，磁场之间互不干扰，从而也就减少了定子铁芯的面积，提高铁芯的利用率，从而降低绕组电流，提高了电机的效率。定子铁芯装在定子内部，可实现油冷，降低电机的内部温度，使绕组铁芯不至于过热，由于油填充了定子空间，对于电机的电磁噪声也起抑制作用。
在图19所示的实施例中，定子安装了9个电磁极，如果把定子电磁线图X，Y，Z分别并联起来。形成X，Y，Z三相绕组，如图5所示。本电动机也可以根据需要设计成多极多相。表1是电动机定、转子磁极的设计方案。这里的极数选择是这样考虑的定子的磁极数量越多定子直径越大，步距角越小，运行越平稳，适用于低速，大转距。反之，定子的磁极数量越少，定子直径越小，步距角较大，适用于高速运行。
表1为使电机根据用户的实际需要运行，本电动机还需要安装驱动控制系统，该系统包括功率变换器，控制器和位置检测器。图18显示了配备有驱动控制系统的电动机的整体系统框图。其中电源经功率变换器进入电动机，电动机带动机械负载。电动机与位置检测器相连，位置检测器接控制器，控制器控制功率变换器，控制指令输入控制器内，对整个电机的运行进行控制。电动机同时与电流检测器相连接，而电流检测器采集的信号送控制器。
功率变换器是电机控制技术中常用的电力电子设备，用来为电机提供运行所需要的电能。它可用蓄电池供电，也可用发电机供电，在实际应用中则常用交流整流供电。功率变换器主要由电力电子器件及驱动电路，整流二极管等组成。本电动机所用的一种功率变换器的主电路如图6所示，图中S1-S6为开关器件，VD1-VD6为续流二极管，标有X，Y，Z的三个电感线圈代表电动机的三相绕组。每组有两个功率开关器件作为可控的主开关，图中X相的为S1和S4，Y相的S2和S5，Z相的S3和S6。每相又有两只二极管用来在开关关断时为绕组中的电流提供续流通路。功率变换器可以有多种形式，由于都是现有的成熟技术，此处不再详述。
控制器综合处理位置检测器，电流检测器提供的电机转子位置，速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对电机运行状态的控制，是驱动系统的指挥中枢。控制器由单片机及外围接口电路等组成。在驱动系统中，要求控制器具有下述性能1.电流斩波控制；2.角度位置控制；3.起动、制动、停车及四象限运行；4.速度调节。这种控制器的实现也是现有成熟的技术，此处不多赘述。
位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。它通常采用光电器件，霍耳元件或电磁线圈法进行位置检测。
由于A型机与B型机的不同之处仅在于B型机的转子安装有永磁铁而A型机没有，因此对B型机运行原理的说明就可以涵盖对A型机的说明了。下面仅以B型电动机为例对本电动机的运行原理进行说明。图7是本电动机磁极的展开图，图中的箭头方向为转矩方向，序号A、B、C说明的是给Y相绕组通电的过程，序号D说明的是开始开通时定、转子的磁极位置，序号E说明的是续流完毕时的位置及下一相绕组通电的情况。下面看一下三相绕组轮流通电的情况。设电动机为顺时针方向旋转。控制器根据位置检测器发出的信号做出判断，使开关S2和S5导通，则Y相绕组通电而X、Z两相绕组均不通电，这时Y相绕组产生N、S两磁极，如图7中序号A所示。转子永磁极切割磁力线产生转矩，如图7中序号B所示。Y相磁极同转子软磁极又产生了磁阻转距。由于X相不通电，转子永磁极又同X相铁芯产生永磁磁阻转距。因此，三种转距同时作用于转子上，会拉动转子向顺时针方向转动。当Y相磁极与定子软磁极相重合时，切向磁拉力消失，转子不受电磁转矩和永磁转矩的作用，就停止转动。此时可以看到，定子X相磁极与转子磁极的位置同图7中序号A所示的Y相定、转子磁极位置是类似的。控制器根据这样的转子位置信息关断Y相，于是Y相开始续流。同时X相绕组通电，与刚才Y相通电时的情况一样转子按顺时针方向旋转。只要按照Y-X-Z-Y的通电顺序给三相绕组轮流通电，就可使转子向顺时针方向连续旋转，每相绕组各通电一次，转子转过的角度是60。
这里特别指出，从磁极分布可以看出，本电动机只适合正方向运行，正向运行可以得到永磁极与电磁极共同产生的转矩。而反向运行只得到电磁转矩，并且转矩脉动较大。永磁转矩相互抵消为零，所以B型机只适合单向运转，不适合反向，这种运转方式适用于电动汽车发动机。为了满足电动机双向运行，可以改变磁极的分布，就可以实现。图8为A型电动机双向运行时的磁极展开图。图9为B型电动机双向运行时的磁极展开图。根据以上叙述的B型电动机单向运行原理，下面简单介绍反向运行。从图9不难看出，当给Y相绕组通电时，转子向正方向转动。当给X相绕组通电时，转子向逆时针方向转动，只要按照XYZX的顺序给绕组通电。这个通电顺序恰好与顺时针旋转时的相反。因此，改变各相绕组轮流通电的顺序，就可以改变电动机的转向。
为了使电动机产生较大转矩，必须保证供电绕组的最大电流，并且使各相绕组之间的最大电流连续导通，这样电机就不会产生脉动，能使电动机平稳运行。
下面根据图7说明如下。请参照图7中序号A所示，当转子磁极在Y相绕组所处的位置时，给Y相绕组通电，由于电感是逐渐增大的，因此难以获得较大电流，要获得较大的电流，需要电感尽可能小，为满足这一条件，应该在图7中序号D所示的转子磁极在Y相定子绕组所处位置时给Y相绕组开始通电，等到转子转到图7中序号A所示的位置时再完全开通，使Y相绕组获得最大电流。当转子软磁极同Y相绕组相重合时关断Y相。这时Y相绕组开始续流，当转子转到图7中序号E所示的Y相绕组的位置时，续流完毕。因为续流过程中，转子软磁极的宽度大于定子铁芯产生磁场部分的宽度，关断时磁场方向与原来的磁场方向相反，所以不会产生制动转矩。当X相绕组开始通电时，在没有关断Y相绕组之前开始开通，在关断Y相绕组时使X相绕组完全开通，这样就保证供电电流的连续性，使电机的磁场处于恒定状态，不产生转矩脉动。从以上可以看出，绕组铁芯的缺口部分，有利于开通角，关断角及绕组续流的选择。由于铁芯的截面积的减少，在对转矩影响不太大的情况下，可以节约电能。
如图10所示，本电动机的运行特性可分为三个区域恒转矩区，恒功率区，自然特性区(又称为串励特性区)。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩波控制(CCC)方式，也可采用调节相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制(APC)方式；在自然特性区，电源电压，开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称为串励特性区。转速n1，n2为各特性交接的临界转速，是电动机和设计时重要考虑的重要参数。n1是电动机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为电动机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；n2是能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控制条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降，n2亦称为第二临界转速。
本电动机在运行时可以采取多种运行控制方式，下面分述如下
1.低速斩波控制斩波控制就是利用功率变换器主电路中开关器件的通、断，控制电源电压加在导通相绕组上的有效时间，从而限制绕组通电过程中电流峰值的方法。常用的方法是用电流的上下限值来控制主电路开关器件的通、断。当某相开关器件导通时，该相电流就上升，当它上升到规定的电流上限值时，使开关器件关断，于是该相电流开始下降。当电流降至给定的电流下限值时，在使开关器件导通，于是电流又上升。如此重复下去，就可以在绕组通电期间把其电流维持在某个平均值上下波动如图11所示。显然，通过对电流上限值和下限值大小的调节，可以改变—相绕组的有效通电时间，改变相电流的平均值，从而调节电动机的输出转矩，达到调节转速的目的。由于相电流波形近似为平顶波，因此得到如图10所示的恒转矩机械特性，这种斩波控制常被称为电流斩波控制，简称CCC。
2.调压调速控制上面介绍的CCC控制是一种通过对电流限制的调节来控制绕组的方法，而对调压调速控制来说，更为直接的方法是通过实际转速值与给定转速值的比较，控制功率变换器主电路开关器件的通、断，来调节电源电压在通电相绕组上的有效时间长度，进而改变转矩，实现调速。绕组上所加的有效电压越高，电动机转速就越高。由于对绕组电压的调节通常采用脉宽调制(PWM)方式，因此这种控制方法也称为电压PWM方法。
3.高速角度位置控制电动机转速较高时，绕组通电时间相对低速而言是比较短的，较大的旋转电动势使相电流峰值不会像低速时那样大，而且相电流峰值的建立过程及续流过程会占有相当大的比例，因此在高速时一般不必采用CCC方式。在电动机转速高于图10中的临界转速，可以通过改变开通角和关断角来改变相电流的峰值，有效值及平均值，以调节电动机的输出转矩，这种控制方式称为角度位置控制方式，简称PC方式。
另外，从上述的电动机运行原理和图6所示的变换器电路中可以看出，由于电动机绕组中电流不必改变方向，因此，虽然每相使用两只主开关功率器件，但它们都是与绕组串联的，它们同时导通，同时关断。这一点与交-直-交同步电动机和变频调速的异步电动机中使用的逆变器是完全不相同的，因此也就不存在上述逆变器中需要采用措施加以避免上、下桥臂开关直通而使电源短路的问题。
二.发电机发电机的结构与B型电动机完全相同。它有两种发电方式，一种是传统的机械能发电，另一种是磁阻发电。
1.机械能发电在闭合回路中感生电流的方向，总是使得它所激发的磁场阻碍引起感生电流的磁通量的变化。为了判断电流的方向，首先要明确原有磁场的方向以及穿过闭合回路的磁通量是增加还是减少，然后根据楞次定律确定感生电流的方向。如图12中X相所示，设转子向顺时针方向旋转，当转子永磁极切割X相绕组时，穿过绕组的磁通量增加，X相绕组感生电流的磁场方向与转子永磁极的方向相反，阻碍磁通量的增加，产生的电流为感生正向电流。当转子永磁极与定子磁极相重合时，不再发生磁通量变化，电流为零。随着转子的继续转动，穿过X相绕组的磁通量减少，X相绕组感生电流的磁场方向与转子永磁极的磁场方向相同，阻碍原来磁通量的减少，感生电流为负半周感生电流。转子磁极每切割一次定子绕组，就是交流电的一个周期。电机在供电时，由每相绕组分别供电。在发电时转子上的永磁体分别同时切割二相绕组并输出交流电，如图13所示。由于绕组铁芯短，铁芯磁阻比常规的发电机的磁阻要小得多，并且转子两端的永磁极同时切割绕组，磁通量可以加强，可以提高发电效率。转子磁极采用永磁体，磁场是恒定的，因此在电机低速运行时也能发出充足的电。
2.磁阻发电本电机也可以采用磁阻方式发电，这种发电方式发电，是采用永磁磁场与定子铁芯产生磁阻性质的转矩及发电电流产生的磁场与转子软磁极产生磁阻性质的转矩，克服发电时产生制动转矩，或者说是安培力，并达到发电目的。如图14中X相所示，设转子顺时针方向转动，当X相绕组开路时，感生电流为零，也可以说是安培力等于零。这时x相的定子铁芯与转子永磁极产生磁阻性质的转矩，这一转矩为正向转矩，同时，当Y相绕组闭合时，穿过绕组的磁通量减少，绕组感生电流的磁场方向与永磁场的方向相同，阻碍原来磁通量减少，从而阻止转子转动，产生负向制动转矩，Y相绕组产生的电流为负半周的感生电流，这时，Y相绕组感生电流的磁场同转子软磁极也产生了磁阻性质的转矩，为正向转矩。随着转子的转动，Y相绕组处图7序号C的位置时，Y相绕组没有磁通量的变化，绕组电流为零。这时X相绕组所处的位置与刚才Y相绕组处的位置相同，X相绕组开始产生电流，只要是转子永磁极按照Y、X、Z、Y的顺序切割定子绕组，就可以连续不断输出直流电。从以上可以看出，在发电过程中，转子转过一个步距角，即产生两个正向转矩和一个负向转矩。本发电机就是利用正向转矩抵消负向转矩，达到发电目的，这种发电的方法同上面介绍的机械能发电法的不同之处是只利用反向电流，不利用正向电流，因为转子永磁极分别切割电机的三相绕组线圈，所以电机连续不断地输出直流电，其波形为如图15所示。电动机用于发电时，在三相绕组上分别串联二极管即可输出直流电，如果用于电动汽车惯性发电，不需要任何附加电路，利用功率变换器的续流二极管回馈给电源，达到对电池充电的目的。
根据以上介绍的发电特性，正向转矩抵消负向转矩分析如下一、正向转矩分析1.现有的永磁材料钕铁硼的剩余磁感应强度可达1.33-1.37T。开关磁阻电动机的定子磁极平均磁通密度取值在1.3-1.7T范围内。从以上两个数据来看，永磁体的磁感应强度非常接近电机定子磁极的磁感应强度，于是永磁磁阻性质的转矩也就非常接近电磁磁阻性质的转矩，也可以说成，产生电磁磁场所消耗的电流非常接近永磁磁场切割相绕组产生的感生电流。这里需要指出，永磁极同定子铁芯产生的磁阻性质的转矩同通电绕组产生的磁场与转子软磁极产生的磁阻性质的转矩原理是一样的，不一样的是磁场的位置的变化。
2.磁阻转矩与感生电流所激发的磁场有关，感生电流输出越大，磁场越强，产生的电磁磁阻性质的转矩越大，反之，当电流为零时，转矩为零，转子与定子之间处于平衡状态。
二、负向转矩的分析从图7序号D不难看出，Y相绕组闭合，处于发电状态，当Y相绕组与转子永磁极相重合时，穿过Y相绕组的磁通最大，随着转子的转动，Y相绕组的磁通量减少，而绕组电流的磁场反而增加，绕组的电流也上升。当转子转到图7序号B所示的Y相位置时，绕组的磁通量变化达到最大值，绕组电流的磁场也达到最大值，这时变化的磁场与绕组电流的磁场强度在理想的情况下是相等的，于是发电电流也达到最大值。随着转子的转动，绕组的磁通量变化继续减少，绕组电流的磁场强度也减少，发电输出的电流下降，当转子转到图7序号C的位置时，Y相绕组中没有磁通量的变化，绕组电流为零。从以上可以看出，Y相绕组电流在上升时，绕组电流磁场和变化的磁场的强度应该是原有永磁场的强度。当Y相绕组的电流下降时，绕组电流磁场与变化磁场同时下降。
从图7所示的定、转子磁极的展开图可以看到，当转子旋转到某一个位置，定、转子磁极之间正向与负向磁拉力都是相等的。实际转子的平衡就是正向转矩抵消负向转矩达到平衡。
根据以上分析，发电机在发电时产生的正向转矩是可以克服负向转矩，因此发电机在发电时，不产生制动转矩，只要保持转子一定转数就可以发电。
这里特别需要指出的是上面主要分析的是供电绕组与发电绕组产生的转矩，其它转子与定子之间的正负转矩互相抵消。
本磁转化发动机的运行方式可以有多种，分别针对不同的场合和需要，下面分述如下1.发电机与电动机供电运行从图7可以看出，发电机与电动机定、转子的结构及磁极分布是相同的，只是绕组铁芯的截面积不同，这样需要改变绕组匝数和电流强度，才能保证与电动机有相同的磁感应强度，以至达到同时供电所具备的条件，保证电机同步运行。根据以上组合方式，本电机适用于功率变化较大的负载，比如电动汽车主电机等。下面介绍一下通电时的情况如图16所示，控制器根据位置检测器发出的信号做出判断，给Y相绕组通电，这时关断VT4，同时触发导通S1，S4，VT1，这样Y相绕组接至直流电源VS上。电流iA通过续流二极管VD1，VD4形成回路，回馈到电源VS，从而使电流衰减为零。X，Z相的情况以此类推。
当电动机在中高速运行时，随着转子的线速度加快，使永磁极切割绕组的磁通线的数量增加，产生的感生电动势也增加。由于发电输出与电动输入是同步的，这样可以按照发电绕组与供电绕组的同相序接通。发电机输出单向脉冲电流，经过触发可控开关导通给电动机供电。这样就避免由于功率变换器触发频率的增多，使相绕组通电时间变短，所造成的绕组欠流现象，从而提高电动机的效率。接通方式如图16所示。这时同时关断VT1、VT2、VT3，同时触发导通VT4、VT5、VT6及S4、S5、S6，可以把发出的电流分别接在Y、X、Z相绕组上，保证三相绕组连续导通。续流电流iA通过VD1、VD4、VD2、VD5、VD3、VD6，回馈给电源衰减为零。
这种组合的优点在于适用于功率变化较大的负载，起动后可免去外电源供电，由发电机给电动机供电，维持恒定功率。缺点是发动机没有自起动能力，需要外电源辅助起动。
2.由发电机单独给电动机供电这种组合解决了电动机的起动问题。发电机的发电是由提供外部动力的小型电动机或小型发动机带动发电的。这样的组合适用于市区大型公交车使用。电动机的控制电路如图6所示，当给Y相绕组供电时，S1、S4同时触发导通，这样Y相的绕组接至直流电源VS上，电流iA将通过续流二极管VD1、VD4形成回路，如图中虚线所示，回馈到电源VS，从而使电流衰减为零，Y、Z的情况以此类推。
这种组合的优点在于解决了电动机起动问题，转速调节比上一种更容易实现。缺点在于发电机起动时用电动机辅助起动，在运行时对发电动转数进行调节。
本磁转化发动机的运行状况可以从供电电流和发电磁极两个角度进行分析。从供电电流的角度来看，根据图7中序号A所示的发电机定子磁极与转子永磁极的位置，从Y相不难看出，转子永磁极切割Y相绕组线圈，产生感生电流，此时的电流已达到有效值，经过触发可控硅给电动机Y相绕组通电，当转子转到图7中序号B所示的位置时，发电的电流已达到峰值，这时电机产生最大转矩。当转子转到图7中序号C所示的位置时，转子永磁极不切割Y相绕组线圈，电流衰减到最小，并且电动机Y相绕组停止供电。这时发电机X相绕组与刚才Y相绕组开始发电的情况是一样的，这时给电机X相绕组供电，以此类推，电动机就会不停地转动。
为满足如电动汽车主电机之类的特殊负载的需要，只有加大发电绕组铁芯的截面积，才能实现。从图7可以看到，电动机绕组铁芯有缺口，发电机绕组的铁芯没有缺口，这样就可以减少电动机绕组铁芯面积三分之一。因为发电电流的大小与磁场强度及铁芯的截面积有关，所以增大铁芯面积，磁通量变化增大，产生的电流也增大。于是用增加发电绕组的匝数提高电动势，给电动机供电，达到快速增速的目的。因此，改变发电绕组的匝数，可以得到不同的机械性能。
从发电磁极的角度来看，根据磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合这一基本原理，电机的磁场是独立的并且是有规律建立的，不会造成磁场之间的互相干扰，从图7中序号A所示的Y相绕组分析，由于Y相绕组处于发电状态，产生感生电流时的磁场方向与转子永磁场方向相同，于是Y相绕组铁芯经过气隙同转子软磁极形成闭合回路。从X相绕组分析，转子永磁极经过转子径向气隙，X相铁芯形成闭合回路。从Z相绕组分析，由于转子一侧上的永磁场的方向是相同的，互相排斥。这时Z相绕组铁芯与软磁极的磁阻较大，于是Z相绕组铁芯同转子软磁极不产生制动转矩。
本磁转化发动机比直流有刷电机和异步电动机具有更高的效率，其原理如下对于A型的电动机而言，图17显示了其一个实施例的磁通回路分布。A型电动机由四个转子，三个定子组成，定、转子磁极为偶数。从图17可以看出，电机的总磁场是由定子绕组串联形成的。电动机的输出转矩取决于绕组电流与每项匝数的乘积，由于绕组的串联，可以使每项绕组的匝数成倍减少，从而降低铜耗，节约电能，提高电机的效率。A型电动机的定子铁芯为工字型。因为转子直径加大，铁芯面积增大，在转子软磁极与定子电磁极产生转矩时磁通线的有效面积是有限的，磁极过大会造成磁能的浪费。因此，铁芯的面积控制在有效范围内可节约电能，提高效率。
对B型电动机而言，由于电动机的转子上安装了永磁体，有效解决开关磁阻电机单边的磁拉力所造成磁能的浪费，使磁能得到全部利用。同时，电机转子直径加大，由于力偶作用，可增大转矩。从图7中序号B所示可以看出在给Y相绕组通电时，Y相电磁极经过转子软磁极，永磁极X相铁芯形成闭合回路，使磁通线互相加强，于是，电机的磁场是由电磁极和永磁极共同产生的，因此，可以优化绕组电流和绕组匝数，绕组的匝数可以大大减少，并且绕组电阻也可大大下降，减少铜耗，从而使电机铁芯中的磁通脉动有所降低，同时也降低铁耗，提高效率。电动机在供电时，可以产生两种转矩，一种是电磁转矩，另一种是永磁转矩(不耗能)，两种转矩同时作用于转子上，机械效率可以提高。
现有的永磁无刷电动机长时间运行时，容易过热失磁，难以推广，解决永磁电机过热失磁现象是个难题。本磁转化发动机由于转子磁极安装永磁体，对于电机的过热提出较高的要求。因为电机过热会导致永磁体的失磁，使电动机的性能，明显下降，最高温度控制在80度以内，不会造成失磁现象。为此，本磁转化发动机采取如下措施1.为了有效防止过热，定子绕组的电流不能超过正常值的两倍，本电机在起动比异步电动机起动的电流要小的多，且电流控制也比较容易。电机的磁场是由永久磁钢磁场和绕组励磁磁场之和，绕组匝数可以减少，铜耗也减少，绕组的温升不至于过高。同时也提高电机的效率。
2.电机的定子壳体是采用铝合金制造，有利于散热。
3.由于电机的热量主要是由定子产生，定子内部采用油冷，外部加散热器，采用油自循环的冷却方法，这样可以取得良好的散热效果，是避免产生过热的有效途径。因此，电动机不会产生过热现象。永磁体也不会失磁。
4.电机应选用矫顽力非常高的磁钢，如钐钴，钕铁硼等，以免去磁。
5为了更好的散热，本磁转化发电机采用开放式结构，如图21所示。
本磁转化发动机可以用于作为电源输出直流电，可以适用于工业，农业的生产，可有效解决城市、农村及边远地区用电的困难。它还特别适合电动汽车使用。具体说明如下1.当电动机快速起动、爬坡及超车时，需要较大功率时，给发电机和电动机同时供电，驱动汽车行驶。当汽车达到一定速度时，关断电源，由发电机给电动机供电，维持车速。这时，可用间歇的供电方式，由发电机、电动机输出的电流同时对电池充电，因为在发电时不产生制动转矩，所以相当于汽车空档滑行。当速度下降，在由发电机发电给电机供电，周而复始的循环，维护汽车行驶速度，并达到储能的目的。当汽车需要减速、停车时，采用机械能发电，用控制充电电流的大小来实现制动力的大小，达到减速的目的，这种控制方法，比燃油发动机在档滑行时更容易控制，并具有较强的制动能力。
2.同一般的汽车一样，采用变速器，改变传动比，这就保证了电动汽车在低速行驶及维持车速时，使磁转化发动机正常工作，更显示出它的优越性。
3.由发电机单独给电动机供电，这种组合解决了电动汽车起动问题，因此，它适用于大型公交车。
4.随着现代储能技术的发展，利用蓄电池把汽车运行过程中发的电能全部储存起来，在电动车起动时释放出来，从而解决电动汽车起动问题。
需要声明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种磁转化发动机，其特征在于所述磁转化发动机包括发电机和电动机两部分，发电机和电动机的定子部分位于所述磁转化发动机的最外侧的两端，所述电动机的定子分为左段(12)和右段(10)，其结合处的内侧是电动机绕组铁芯(11)，电动机绕组铁芯(11)的周围为绕组线圈(5)所环绕；发电机的定子分为左段(9)和右段(6)，其结合处的内侧是发电机绕组铁芯(7)，所述发电机绕组铁芯(7)的周围为绕组线圈(5)所环绕；所述发电机定子左段(9)和所述电动机定子右段(10)结合处的内侧是转子中段(8)，转子中段(8)的两侧分别是转子左段(14)和转子右段(4)；所述电动机经功率变换器接入电源，电动机与位置检测器和电流检测器相连接，位置检测器和电流检测器接控制器，控制器接功率变换器；所述电动机定子各绕组并联在一起，各自由与之串接的功率变换器电路驱动；所述电动机定子绕组铁芯上开有缺口，转子永磁极与软磁极之间有缺口；所述发电机的转子圆周上均匀安装有永磁体，定子绕组铁芯的截面积与所述电动机定子绕组铁芯的截面积不同。
2.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于所述电动机的转子圆周上均匀安装有永磁体，所述电动机和发电机的定子圆周上均布安装电磁极。
3.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于与所述定子绕组相串接功率变换器电路包括两个功率开关器件，两个二极管和一个电感，其中一个功率开关器件的阳极接一个二极管的阳极，另一个功率开关器件的阴极接另一个二极管的阴极，它们之间并接在一起，与转子绕组相串接；所述两个功率开关器件的阴极和阳极之间接有电感。
4.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于所述发电机和电动机的定子部分由螺丝贯穿其中，结合成一体。
5.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于所述转子中段(8)与转子左段(14)、转子右段(4)通过转子紧固螺丝(18)固定在一起。
6.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于所述电动机的定子铁芯为工字型。
7.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于所述电动机和发电机的定子壳体为铝合金或其它不导磁的材料。
8.如权利要求1所述的磁转化发动机，其特征在于所述电动机和发电机的定子内部安装有油冷装置，外部安装有散热器。
全文摘要
本发明公开了一种由电动机和发电机组合而成的磁转化发动机，电动机经功率变换器接入电源，电动机与位置检测器和电流检测器相连接，位置检测器和电流检测器接控制器，控制器接功率变换器。电动机转子各绕组并联在一起，各自由与之串接的功率变换器电路驱动，控制器根据位置检测器发出的信号让电动机转子各绕组轮流导通。电动机转子绕组的铁芯上开有缺口。发电机的结构与电动机相同，但其转子绕组铁芯的截面积与电动机的不同。在电动机和发电机的转子圆周上均匀安装有永磁体。本磁转化发动机体积小，结构简单，省电，比现有的直流有刷电机和异步电动机具有更高的效率，转速可调，用途广泛，能满足特殊负载的需要。
文档编号H02K57/00GK1512649SQ02159590
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者高宗大 申请人:高宗大