閆江峰，王秀平，曲春雨，徐 楠（沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136）

一種新型高效直流發(fā)電機(jī)

閆江峰，王秀平，曲春雨，徐 楠
（沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136）

本文基于電磁感應(yīng)原理，將傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改進(jìn)后可以確保電機(jī)線圈邊全部參與了磁場切割，完成機(jī)電能量交換，有效的提高了電機(jī)的功率密度，是一種有益的理論和實(shí)踐的訓(xùn)練。

高效；直流發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)

1　引言

隨著人類的不斷進(jìn)步，社會的不斷發(fā)展，能源危機(jī)變得越來越嚴(yán)峻，石油、煤炭等不可再生資源的枯竭、能量傳遞過程中資源的浪費(fèi)、風(fēng)能、光伏等可再生資源的利用率不高，這些問題一直不斷困擾著每一個人，將現(xiàn)有資源的最大化利用成為了一個迫在眉睫的問題。提高電機(jī)的效率和功率密度，具有重要的意義［1-4］。

作為一名在校大學(xué)生，利用學(xué)校提供的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機(jī)會，開展電機(jī)相關(guān)問題的分析和研究，鍛煉動手實(shí)踐能力的同時(shí)，也進(jìn)一步提高了知識的綜合應(yīng)用能力，為將來工作和進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文基于傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)原理，即將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能電磁感應(yīng)原理，經(jīng)過詳細(xì)的分析看出，傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)，在運(yùn)行時(shí)四個線圈邊只有兩個線圈邊參與了磁場切割，參與了機(jī)電能量交換，因此，通過改變結(jié)構(gòu)，設(shè)法將線圈的四條邊同時(shí)參與切割磁場，這樣可以提高磁場利用率，從而發(fā)出更多的電能，提高功率密度。線圈全切割型高效直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的高效利用，是傳統(tǒng)直流電機(jī)的一種改革與創(chuàng)新。

2　原理與結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)是通過外力驅(qū)動電樞旋轉(zhuǎn)，線圈的兩個有效元件邊受到了定子磁場的切割，產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢，并通過電刷和換向器，輸出直流電。本文提出的線圈全切割型高效直流電機(jī)，其設(shè)計(jì)也是基于電磁感應(yīng)原理，通過改變結(jié)構(gòu)，確保一個線圈的四個元件邊均參與切割磁場，因而在相同的情況下，發(fā)出更多的電能，從而實(shí)現(xiàn)線圈的高效利用。

線圈全切割型高效直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括兩個磁體，磁體上下對應(yīng)的徑向方向轉(zhuǎn)軸，以及軸向方向包圍磁體的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸之間利用軸承連接，徑向方向的轉(zhuǎn)軸兩端分別連接在軸承的內(nèi)壁，軸向方向的轉(zhuǎn)軸兩端分別連接在軸承的外壁上，而其整個機(jī)體工作時(shí)是保持磁體空間位置不發(fā)生改變，而軸承內(nèi)的每個滾珠的中心位置相對與磁體不發(fā)生位移，只使內(nèi)壁與外壁沿著不同的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。整個機(jī)體利用磁體上下及周圍包裹的轉(zhuǎn)軸切割磁體產(chǎn)生的磁力線從而產(chǎn)生電能，由上下兩個輸出端連接負(fù)載。設(shè)計(jì)的直流發(fā)電機(jī)的截面圖如圖2所示。圖1-2中，各個標(biāo)號對應(yīng)的結(jié)構(gòu)組成，1.上端輸出；2.軸承外壁；3.上磁體；4.軸向方向轉(zhuǎn)軸；5.下磁體；6.下端輸出；7.上徑向轉(zhuǎn)軸；8.軸承滾珠；9.軸承內(nèi)壁；10.下徑向轉(zhuǎn)軸。

圖1　電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2　高效直流發(fā)電機(jī)截面圖

3　電機(jī)加工與測試

根據(jù)理論分析和計(jì)算機(jī)繪圖，進(jìn)行了高效直流發(fā)電機(jī)的加工，加工成的電機(jī)如圖3所示。

圖3　高效直流發(fā)電機(jī)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)的目的為得到真實(shí)有效的數(shù)據(jù)，以證明本設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生預(yù)期的電能。將萬用表的表筆的正端接在整體裝置的上輸出端，表筆的負(fù)端接在下輸出端將電機(jī)的軸面沿上端到下端的逆時(shí)針（順時(shí)針）方向勻速旋轉(zhuǎn)讀取電筆上的示數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同情況下，發(fā)出的電壓是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的1.2倍左右，驗(yàn)證了理論分析的有效性。

4　結(jié)論

直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于我們的生活當(dāng)中，線圈全切割型高效直流電機(jī)的研究對與直流電機(jī)具有重要意義，本文利用原有的直流電機(jī)發(fā)電原理，改變原有電機(jī)結(jié)構(gòu)從而開發(fā)出線圈全切割型高效直流電機(jī)，該發(fā)明具有良好的發(fā)電性能、運(yùn)行穩(wěn)定以及便于新型電機(jī)的開發(fā)，更好的為電機(jī)的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

［1］柯巖.變頻器諧波對電機(jī)效率的影響分析.電力學(xué)報(bào)，2010，25（03）:221-223.

［2］張昊，殷強(qiáng)，馬冬梅.電機(jī)效率測試技術(shù)的研究.電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（05）:41-44.

［3］張立偉，胡廣艷，溫旭輝，鄭瓊林.異步電機(jī)效率優(yōu)化算法設(shè)計(jì).中國鐵道科學(xué)，2008，29（01）:82-87.

［4］張智華.高效電機(jī)效率測試方法的選取與分析.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（04）:80-83.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.241

閆江峰，研究方向:新型結(jié)構(gòu)電機(jī)與控制。