低軸阻发电机创新原理及主要设计指标

一、前言：

  低軸阻发电机、顾名思义,就是通过不同于常规发电机的原理结构设计，使其发电时的电磁阻尼力在现有发电机的基础上大为降低，因此可使发电机输入的轴功率大大减小（电磁阻尼是常规发电机的主要轴阻力，所以是发电时消耗外动力能源的主要因素）。

  低軸阻发电机，是受到开关磁阻电动机具有回收电能的特点启发，采取了不同于开关磁阻电机的结构及控制电路设计，使其具有了回收发电动能的重要特点。回收发电动能可提高发电机的机→电转换效率，减小发电所需的轴功率供给，从而节约了动力能源的消耗。

  低軸阻发电机若开发成功，及尽快推广应用于各个领域，对节能减排、保护地球环境意义十分重大。

二、低轴阻发电机概述：

  低轴阻发电机，从构造原理上讲是一种高效能发电机。其特有的高效能，是通过特殊的主机结构创新设计实现的。在该设计中重点利用了电感的储、放能作用，将发电机的发电运行与电动运行有机的合为一体，电动运行时的能量来自电枢与储能电感的能量释放电流。

  低軸阻发电机是将发电过程中由定子电流对转子造成的电磁阻尼力，通过电感的储能延迟过程与能量释放过程，将其部分电磁阻尼力转化为电磁旋转动力的。现有发电机在发电工作时，感应电流的附加磁场始终是对转子产生阻尼力的（根据楞次定律：发电机中感应电流的磁场作用力方向总是与转子的旋转方向相反。也可以理解为：“来者拒，去者留”），虽然无法避免该阻尼磁场的产生，但是通过特殊手段却可以使这个阻尼磁场能量中的一部分转移和转化为动力，从而使发电机在较小的电磁轴阻状态下运转发电。

三、低軸阻发电机 低軸阻发电的实现方式

  常规发电机在对外输出电力的同时，其输出电流（感应电流）在发电机的电枢绕组中会同时产生一个附加的磁场能量（φ2）；在现有发电机中该附加磁场总是对转子做负功的，是阻碍发电机运转的电磁阻尼力。经过大量的试验与分析研究发现，发电机在发电时产生的电磁阻尼力并不是发电的必要条件（有些人认为：“发电机的电磁阻尼是发电的必要条件，发电机只有在外力的推动下克服电磁阻力做功才能够发出电来”...实际这种说法是错误的。）。该附加磁场虽然是必然要产生的，但也并不是不可利用的。研究认为：在常规发电机的原理构造与开关磁阻发电机的原理构造基础上，运用“电感储能转移式动能回收方案”就可以实现低电磁軸阻节能发电的目的。

  低軸阻发电的基本实现方式是使电枢主绕组（发电励磁绕组）产生的感应电流，在经过储能电感而对外输出给负载的同时，将其部分能量暂存；继而再将所储能量在滞后的时间段内通过设定的转移回路释放。能量释放时的电流同样输出供给负载，且在电枢副绕组（续流电动绕组）中所产生的附加磁场（“φ3”）就可以对发电机转子做正功，即产生正转矩（特别指出的是：在储能电感与电枢电感及负载电感释放所储磁能时，相当于一个新的电源串联回路）。

  低轴阻发电机为二相式构造，其二相主、副绕组的储、放能控制，分别通过两个独立的电子转换开关（模块）进行。另外，A、B二项各自设有独立的储能电感aL和bL。在发电工作时A、B两相定子绕组的附加磁场（感应电流和储能释放电流的磁场）对发电机转子的正、负作用力是随着转子转动位置交替变化的，即当A相为发电机状态时，B相为电动机状态；A相为电动机状态时，B相则为发电机状态。无论是处于哪种状态，无论是当前相的储能电感储能还是释放能量，其电流经过电枢主、副绕组的方向始终不变（各自设有半波整流器）。而且在两种状态下的输出电流，都为输出端储能电容器(或蓄电池组)充电及为负载供电。针对发电机的转子而言，可以简单的理解为：前一磁极转离某级定子极掌时所产生的周期（半波）感应电流，在经过当前相储能电感的储能滞后与控制释放后，将会对下一级的磁极产生顺转向旋转吸引力（即正转矩力）。

  因此，可以将低軸阻发电机看作是集发电机与电动机于一体的特殊电机，即当A相为发电运行时，B相就为电动运行（电动运行时其能量是由本相的储能电感所提供的），A相为电动运行时，B相就为发电运行（发电运行时定子的附加磁场φ2对转子仍产生负转矩）；电动运行时定子的附加磁场“φ3”是对转子产生正转矩的（“φ3”是储能电感及回路电感经过副绕组释放磁能时产生的，因为它与φ2不同不是由感应电流产生的，所以我们暂称它为“φ3”）。于是：在每个电流周期里，储能电感储能时段发电励磁绕组对转子产生负转矩，在储能电感储能释放时段续流电动绕组对转子产生正转矩。正负转矩相互抵消，以此降低发电机的电磁轴阻。

  在理论上是可以使低軸阻发电机的正转矩接近负转距的，如此就可使发电工作时的电磁阻尼力非常的低，发电效率非常高。其理论根据是：如果将低轴阻发电机的回路电感设计为接近“纯电感”的话，那么在电感释放所储磁能时的电流下降曲线、与在励磁储能时的电流上升曲线是近似正负相等的（电流下降区的平均电流与上升区的平均电流也是大致相等的。或者说：“在平均电流相等的条件下，上升与下降时间也应是相等的”）。根据纯电感的储、放能平衡特性，低轴阻发电机在理论上就可以将接近50﹪的负转矩磁能转化为正转矩磁能。如此，依据该理论“零（电磁）軸阻发电机”也是可以实现的。

  前面已经对低軸阻发电机的构造原理做了基本介绍，下面再进一步分析与理解低轴阻发电机的转子受力情形：随着发电机的旋转，转子的某磁极在转离定子的某极掌时，通过该相电枢绕组中的原磁通φ1即开始由多到少变化，此时输出端感应电动势的方向D端为正（见工作原理演示卡）、E端为负，整流二极管D1正偏导通、流过储能电感的上升电流使自感电动势的方向A端为正，B端为负；在起始时刻，其大小与电枢中产生的感应电动势相等但方向相反。随着电流的逐渐增大，转子磁极逐渐转离该极；当转子磁极xx转离当前相的定子磁极而与另一相的定子磁极极对极时，流过上一相储能电感的电流达到{zd0}值而完成储能过程；此刻，立即使储放能电子转换开关换向，储能电感及回路电感所储的磁能便因自感作用转化为电能经回路流过副绕组（续流电动绕组）而释放。此刻流过电枢副绕组的电流所激发的附加磁场“φ3”将对下一级转子磁极产生正向吸引力，此刻类似于电动机运行。如此，低軸阻发电机在发电旋转中A相和B相就轮番交替的重复着：发电运行→电动运行→发电运行→电动运行→发电运行的高速翻转过程；低軸阻发电机就可在低軸阻状态下高速运行发电了。

四、低軸阻发电机样机研发主要设计指标

  根据《低軸阻发电机设计任务书》的要求，提出如下研发指标（其序号与“低軸阻发电机设计任务书”对应）供参考：

  1、设计任务书提出：1KW低軸阻发电机样机，应有比开关磁阻发电机更高的发电效率。预计指标为：机→电转换效率≥80～90%。

  2、设计任务书提出：低軸阻发电机样机要具有比开关磁阻发电机更加简单可靠、成本低廉的控制系统。在研发样机时参照公司方提供的控制电路设计方案。

  3、设计任务书要求：低軸阻发电机样机的磁路方向为轴向。其设计可参照公司方提供的：“双组定子叠片加磁轭”的方案。

  4、设计任务书提出：低軸阻发电机样机的电枢绕组为“主、副双绕组”。其绕组数据因电机样机设计功率与输出电压而定。

  5、设计任务书要求低軸阻发电机样机的相数为二相、采取奇偶相间式构造。解释如下：即A相为奇数组；B相为偶数组。

  6、设计任务书要求：低軸阻发电机样机的构造为多极式构造。其具体极数应根据电机的直径与加工条件而定，但发电机的定子极数不能少于16对极；转子极数不能少于8对极（极极比为：2：1）。

  7、设计任务书要求：为提高低軸阻发电机的比功率和利用磁滞特性（为了弥补非纯感性回路引起的电流滞后角不足），低軸阻发电机样机为高转速设计。指标如下：

  7.1、要求转速达到10000转/分以上。

  7.2、比功率（Kw/Kg）约：0.2～0.5左右。

  8、设计任务书要求：低軸阻发电机样机采用低空气阻尼设计，即“真空转子室”构造。具体设计形式待共同研究。

  9、设计任务书要求：低軸阻发电机样机的A、B二相均为半波整流输出。其整流元件的具体数值根据发电机的设计功率与电压而定。

  10、设计任务书要求：低軸阻发电机样机的A相与B两相各自串接一个储能电感，在感应电流经过该电感后有接近90。的电流滞后角。

  其具体实施方式可以根据实际研发条件采用如下几种形式：

  10.1、在设计上尽量减小电流回路的直流电阻值，如尽量用较粗的导线绕制电枢绕组和储能电感（该方式适用于大功率电机），及在输出端采取技术措施。

  10.2、应用超导材料及技术来设计低軸阻发电机样机的电枢绕组与储能电感及负载电机（该方式投入较大）。

  10.3、利用现有铁磁材料的磁场变化落后（磁滞）特性（该方式的条件比较苛刻，因为必须使发电机的转速提高到十万转以上（高转速目前已不是问题了，因飞轮储能的轴转速已经达到20万转/分了），或是增加其电机的定子与转子极数。

  10.4、开发磁滞留时间＞0.1ms的软磁材料，用以做为低軸阻发电机的电枢铁芯。

  11、设计任务书提出：低軸阻发电机样机的储、放能控制，以电子开关来实现。其具体要求为：将电子开关电路设计为每相独立的模块器件，样机A、B相的储、放能控制仅需两只性能相同的控制模块完成。

五、结束语

  自从法拉第发现电磁感应定律及发明发电机近180年以来，发电机在得到广泛使用的同时，虽然也得到了不断的完善；但是，这种原理结构比较简单的常规发电机的工作效率并不是很理想了，尤其是现有中小功率常规发电机的机→电转换效率还需要进一步提高。

  在当今全世界大力呼吁：“节能减排，保护地球家园”的紧迫形式下，超越常规设计、突破发电机效率极限与开发利用其它新能源同等的必要和重要。低軸阻发电机的创新设计概念，就是采用了不同于常规发电机的独特构造原理，有望突破常规发电机的发电效率极限。因此说：低軸阻发电机是具有非常远大的开发价值和发展前景的。