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超级电容转子

发布时间:2019-11-23 专利/申请号:201921963816.9

15万元

有效期限:2019-09-23 至 2029-09-22

实用新型专利
能源/动力/电力
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专利信息
专利号 专利名称 专利类型 行业分类 申请日期 有效期至 专利状态
201921963816.9

超级电容转子

实用新型专利 能源/动力/电力 2019-09-23 2029-09-22 即将授权
专利描述

超 级 电 容 转 子 (一)引言 异步电动机作为一种结构简单、使用方便的产品获得了广泛的应用。但它仍存在一些缺点,如其机械特性存在不稳定区段,功率因数低等等。1978年的美国专利《电容电动机》提出了新的构想,但由于它只生搬硬套地将由两极片卷绕而成的电容器作为转子安装到电机上,却始终无法如愿地造出电容电动机。 (二)原理、结构及性能 我于2002年提出申请的《电容转子异步电动机》弥补了电容性电动机的空白。2005年由广东网友吴鉴登先生为它首次制造出了样机。样机由5.5KW、2900转/分的电机改造。定子不改动,转转子长度120MM,直径135MM,0.5MM迭片200片,介质为电机漆包线用绝缘漆加钛白粉(比例3:1)。转子电容量为0.4µF。经过多次测试,电容量稳定。改造后的电动机为0.75KW,电源50HZ时转速130转/分,定子电流为1.2A。但力矩较小,可手力制动。 这样的产品当然缺乏使用价值。但是它重要的意义在于用实践验证了《电容转子异步电动机》原理正确性,同时还提出了如何能获得更大的转子电容量的课题,而今天超级电容器的出现为解决这个问题提供了机会。 《电容转子异步电动机的超级电容转子》(申请号201921963816.9)是引入了超级电容器技术的转子,称为超级电容转子,简称CDRZ。超级电容器虽然功率密度低但是电容量远远大于普通电容器,这正是重新设计《电容转子异步电动机》所急需的。转子如有了大的电容量,《电容转子异步电动机》的性能将可能随之大幅增长而大大提高它的实用价值;而功率密度似乎与我们目前的需要不太相关。 超级电容器虽能将普通电容器的电容量从μF级提高到103F级,但是,转子上直接用它也需解决如下问题:因为超级电容器在反向流通电流时可能影响其寿命,普遍不建议它在交流情况下使用;超级电容器的厚度有可能影响转子的导磁功能;转子转动中超级电容器的电解液/质可能会被甩出来;等等。但是,由于它可将传统电容器的电容量大大提高,因此我们仍愿意努力争取超级电容器在转子上的成功实现,哪怕转子电容量只能提高到10-3F级,那也是我们的渴望!于是我们利用超级电容器对转子重新进行了设计。 首先,将CDRZ的硅钢片迭片进行腐蚀处理以增加表面积,然后再如[图1]所示将迭片划分为若干(如32、36、40等等)相等的扇形;将每张迭片的扇形上都如[图1]所示设置一大一小的两个孔[图3],大孔和小孔的孔径都是ϕ1,大孔和小孔在每张迭片上都是中心对准而交换设置的;小孔中还设有3或4个牙,牙顶构成一个直径为ϕ2的圆。大小孔中都是穿入的直径相同而略大于ϕ2的连接导体,它与小孔中的牙的紧密咬合能使连接导体与该迭片达成可靠的电气连接,而大孔则是为避免该迭片与穿过大孔的连接导体连接。 在所有的奇数迭片的正面将其中的扇形A区都按照超级电容器制作原理(包括制作与敷设于迭片表面的石墨烯薄膜、浸润除水电解质及覆盖隔膜等)制作成一个个超级电容器A(以下简称C1)的一极,将每个奇数迭片的正面的扇形的左部半个边缘都用万能胶封住,万能胶的厚度要与超级电容器一致,并能耐受温度效应。而对该迭片上与A区相邻的B区扇形不作任何制作,让它空白。在所有的偶数迭片的反面按照A区之间的空位即B区上也制作成为一个个扇形的超级电容器B(以下简称C2)的一极,将每个偶数迭片的反面的扇形的左部半个边缘也都用万能胶封住,它与奇数迭片的空白扇形正好相对而构成一个电容器的两极;与B区相邻的扇形也让它空白,它将成为相对C1的另一极,这样就造成了C1与C2的反方向。并且在每个扇形中借助于其中的大小孔分别插入两根连接导体,它们将每个扇形的超级电容器的一极和对应的空白扇形的另一极分别连接起来各成为同一个超级电容器的两个极,将从超级电容器一极侧穿出的这两根连接导体穿入转子一端的端片上的两个小孔进行电气连接而将彼此连接成同电位的一端,这一端就是该超级电容器的的一个端点;将从空白扇形一极侧穿出的这两根连接导体的一端穿过转子另一端的端片上的两个大孔及绝缘垫后,先由连接片连为同电位的一点,再按照其超级电容器的方向选定同方向的二极管并且连接后才与该端片进行电气连接,这一端才是该超级电容器串联同向二极管后的另一端点。这两端之间就构成了一个包含着C1与同向二极管的单向导通的支路;而与它相邻的扇形经过另外两根连接导体类似地连接同样也构成了包含着C2与同方向二极管的单向导通的支路,但是这两条单向导通的支路的导通方向相反。这样在转子相邻的两个扇形上方向一正一反的两条单向导通的支路在两个端片上的并联,就是[图2]所示的CDRZ的一个单元电路,叫做超级电容堆,简称CDRD。 为了避免反向电流对超级电容器的损害,本设计在每个C1(或C2)的支路中都如[图2]所示串联一个二极管T1(或T2),并让二极管导通方向与其超级电容器的正方向相同,这样当转子的交流电流与超级电容器的正方向相反时此二极管将关断,保护了超级电容器;而转子的交流电流与二极管导通方向相同时,二极管的正向导通电阻极小,它打开门让电流正向地通过超级电容器,使超级电容器能正常地发挥作用。 迭片上大小孔的设置保证了每一根连接导体都具有对C1(或C2)与其对应的空白扇区之间能分别进行连接的选择性。 另外,在转子的两端各有一张厚度略厚的钢(或铜)质端片如[图4]所示,端片上不设任何超级电容器,但是保留着与每个迭片扇形中两个孔所对应的孔,只是这两个孔在端片上变成了大小一致:在对应着超级电容器一侧的就是两个小孔,而对应着空白扇形一侧的就是两个大孔。端片上的两个小孔可将同一扇形中的两根连接导体与端片实现电气连接而成为C1一端的端点;该两根连接导体的另一端都插入转子另一端的端片上的两个大孔,两根连接导体通过绝缘垫分别用螺母(或铆钉)固定在该端片上,两根连接导体又通过连接片连在一起再与选定了方向的二极管串联后才与该端片实现电气连接,成为C1支路的另一端。而将相邻的C2也仿此进行处理(C2、C1及各自串联二极管后的支路的两端分别连接于转子相反的两端上)后,则相邻的C2也成为一个与C1反并联而只能单向导通的超级电容器,而这两个反并联且只能单向导通的超级电容器正是通过它们在转子两端的端片实现了两者的反并联,这样它们就构成了[图2]中所示的超级电容器与其同方向二极管组合的两条支路反并联后构成的CDRD。 如能把扇形的宽度做得越窄,则越利于实现3个或更多的扇形能被同一定子磁极所覆盖,而可使电动机转动时转子中各磁极范围内相应的C1C2电路的切换更显平稳而无冲击。 随着转子的转动,相邻的各C1C2依次轮流地转入及转出定子磁极的覆盖面,但是在定子磁极的磁力线覆盖范围内的上述相邻而反向的扇形的C1C2在交流电势的推动下产生的交流电流的通断关系依然维持及相互匀速转换,它们产生的转子电容电流通过转子端片流向另一异性定子磁极的磁力线覆盖范围下的“对偶”C2C1的相应的电路,构成了一个转子电容电流在转子中循环流通的闭合回路。这样CDRD就实现了在CDRZ上的正常运行。 为了在CDRZ上安装[图2]中CDRD的C1或C2的二极管,将转子的两个端片都冲制翻出一个边,如[图4]中的A剖视图所示。沿着此翻边可(如用螺钉)固定一个略高的酚醛绝缘圆环,将转子上的二极管等固定安装在此绝缘圆环的内侧。如需要还可将绝缘圆环设制成具有内外两层的双层的绝缘圆环来扩大安装空间。 由于CDRD这样的设置,在交流电流流通时由于CDRD的正向支路的电阻及容抗都很小,电流流通时它所产生的电压降将很小,这使得与它并联的CDRD的反向支路所受到的反向电压也很小,又有反向二极管的阻隔,故保证了反向超级电容器的安全。 [图1]中还有与轴心等距离的为冷却转子而设置的两个通风孔A与B,每个迭片上的通风孔位置各不相同,它随着迭片按照轴心的顺序重叠叠放而逐渐构成两个相对而绕转子轴心呈螺旋状旋转的风道,并在转子两个端片上开出通孔。它使转子旋转时能自动吸风入通风道而冷却工作中的转子,以保证超级电容器不会超过其规定的工作温度。 转轴采用六边形截面的型钢制成,转子迭片的中心也相应地留出六边形轴孔。 (三)建议 为了确保各迭片上大小孔的位置正确,C1和C2的迭片应该用两套不同的模具分别冲制;此模具上都不设置通风孔的冲头。C1和C2迭片初次冲成并顺序排列后,才用通风孔的单冲模逐张迭片略微旋转地依次冲出每张迭片上的两个通风孔,以保证迭片依次迭合后它能构成顺着转子轴向而均匀地螺旋形旋转的两个通风道。端片上的通风孔只能将端片逐片上铣床铣出顺着螺旋形旋转而出口末端略带梢形扩大的通风孔,此通风孔的后侧可沿孔边起一个小孔沿,以利于当转子旋转时自动吸风入孔。 为了减少超级电容器的厚度对导磁功能的不利影响,超级电容器的扇形应该做得比较薄,而转子迭片却不必太薄。为了降低磁阻,迭片选择建议不低于0.35mm。 迭片及端片迭装完成后,可用连接导体锁固转子。锁固转子的形式可为在连接导体的末端设置螺母拧紧,也可将连接导体的两端设为铆钉头,用铆固的方法锁固转子。但是无论如何在端片的大孔侧都要设有绝缘垫。 为了防止迭片迭合时迭片之间构成电气连接,全部迭片应该涂以绝缘漆来隔断电感电流在迭片之间的通路。 转子组装完成后,应该用绝缘漆进行真空压力浸渍,转子外沿并涂以耐热性及弹性均好的绝缘漆加固,以保证在各种工作条件下转子上所有的断面绝无使电解质泄露的可能。 转子转动中C1和C2的电流不会发生阶跃式的突变,这是由于定子磁力线在转子表面上的磁密分布是渐变的而无阶跃突变,它只在N-S两磁极连线的中点才变为零,也就是说每个C1和C2只有转动到N-S两个磁力线区域的交界点时其中的电流才会渐变为零然后反向逐渐增大。而运行中每个定子磁场磁力线的覆盖范围下产生的总的电容电流的大小也是稳定不变的。这个特点造成了电容转子异步电动机的能稳定运行的良好的特性。 (四)结论 由于DRZ转子CDRZ中引入了超级电容器,转子的性质向电容性发生了大转变,必然给它的电机性质带来了重大的变化。 ①改变DRZ转子中连接导体的位置就可调整DRZ的性质:当连接导体设在让它不能切割定子磁场的磁力线的靠近转轴的地方时,这样就构成了纯电容性质的DRZ;纯电容性质的DRZ中某个定子磁场下C1(或C2)产生的电容电流穿过CDRZ的迭片间的间隙到达转子的两端的端片后流经端片与相邻的定子磁场下对偶的C2(或C1)而构成的闭合回路中流通,而此时转子上不存在电感电流流通的任何通路。由于超级电容器的电容量极大而内阻很小,使CDRZ的功率因数很低,比由传统的平板电容器构成的原始转子的功率因数低很多,造成容性DRZ的自然机械特性相当软但电容电流却很大,电磁力矩很小,长期工作时电机的发热仍很低,适于用作向电网供应电容电流来改善电网的功率因数而节能的专用设备。 ②当将连接导体设置在转子中比较靠近转子边缘的地方而能切割定子磁力线时,连接导体起到鼠龙条的作用,此时连接导体上产生的感应电势推动感应电流从某个定子磁场下的连接导体通过被它连接的迭片和相邻的定子磁场下对应的连接导体构成的闭合回路中流通,此时转子上同时存在电容电流和电感电流分别流通的回路。由于需要平衡的超前功率因数很低,转子上还要增加比较多的转子绕组(迭片上相应的进行开槽,甚至导致由转子绕组占据了迭片边缘位置而使C1、C2向内部略作退让),这样才可将其功率因数补偿至1而构成中性的DRZ。而由于引入了大量的有功分量,导致中性DRZ必然具有很大的电磁力矩,从而性能远超传统的DRZ。这样就构成了中性的DRZ,其机械特性类似于直流并激电动机。 ③而中性DRZ在结构上没有直流电动机的整流子和碳刷,不存在受到冲击负载时产生整流子环火的故障,故中性DRZ抗冲击负载的能力更强。中性DRZ在向用户输出机械能的同时还能向电网输出电容电流,从而有利于改善电网的功率因数实现节能;但使用直流电动机需要有交-直流电源变换装置配套,不但投资大,还造成电源变换中的能耗。 ④对于单相、两相、三相DRZ,或者高压DRZ,它的转子结构都基本相同,区别仅仅在于它们的定子分别为单相、两相、三相定子、隐极式或凸极式同步机定子、甚至高压定子而已。可见DRZ的制作成本将显著地低于其他电动机,用DRZ取代普通异步电动机甚至取代价格昂贵的直流电动机是电动机技术发展的可能的趋势。 经过这样改造的转子电容器CDRZ,虽然其电容量达不到103F级,实际上也不需要达到103F级,但它只要能达到10-3 F级,就足以使电容转子异步电动机获得进步而成为优秀的电动机新品种;何况本发明的改造还仅仅是为新技术成果在电动机上的应用抛砖引玉地开了个头呢,后续创新创造的光明前景将更鼓舞人心! 为了避免钢质的六角转轴将奇数与偶数迭片构成短路,采取如[图6]的措施:将全部偶数迭片的轴孔进行处理,即一次冲出轴孔、垫片及空隙,使偶数迭片与垫片被2~3mm的空隙所隔离,达到将奇数与偶数迭片相绝缘的目的;同时垫片还按照轴向冲成小波浪弯曲,以增加垫片对奇数迭片的挤压支持,防止在传递力矩时奇数迭片受力而变形。 虽然,CDRZ的制作工艺目前比较复杂,使其成本有一定的提高,这是DRZ的困难。但是想到引入超级电容器技术可能将普通平板电容器组成的样机的转子电容量从10-1μF级哪怕只提高到10-3 F级,那也是巨大的进步!它在电动机历史上首次创造出及实现了容性及中性电动机,这可能就是实现DRZ梦想的一个跨时代的飞跃!机遇在向有心人招手,来吧朋友,让我们一同来实现DRZ的飞跃! 发明人:黄群 电话:010-65366481 通信地址:北京市朝阳区金台西路2号内 民33楼305室 邮编:100026 电子信箱: 13717572579@163.com

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常见问题

发明专利与实用新型专利有什么区别?

虽然相较于实用新型专利,发明专利涉及范围更广,保护期限长达20年,但即使要求较高,授权期限较长,申请成功率更低,为提高成功率,您可以同时申请发明专利与实用新型专利。

商品外包装设计属于外观专利保护范畴吗?

属于,外包装的形状、图案及色彩的结合都可以申请外观专利。

实用新型专利的申请周期要多久呢?

实用新型专利的申请周期约为3-6个月。外观专利约为3-6个月,发明专利约为1-2.5年

申请外观之后还有必要申请实用新型吗?

外观和实用新型的保护课题不一样,外观是从外形设计上进行保护,实用新型是从功能上进行保护,主要需要根据产品的创新点来判断。对产品进行多个类型专利保护,可以有效防止侵权。

外观专利可以淘宝维权吗?

可以,在淘宝专利侵权投诉和申诉中,都需要提供专利证书。

保护发明专利每年都要缴纳费用吗?

专利权人应当自被授予专利权的当年开始,在专利保护期限内每年缴纳年费。没有按期缴纳,将视为放弃而终止该专利权。我司专利代理人会为您提供年费缴纳提醒,年费代缴服务。