專利名稱：使用磁流體軸承的發(fā)電機的制作方法
使用磁流體軸承的發(fā)電機技術(shù)領域
本發(fā)明通常涉及發(fā)電機，特別涉及包括磁流體軸承(ferrofluid bearings)以進 行平滑旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機。
背景技術(shù)：
發(fā)電機是一種已經(jīng)比較完善的設備，其中機械能通過磁電效應被轉(zhuǎn)化成電能。當 磁通量(magnetic flux)發(fā)生變化時，通常是電導體移動穿過一個磁場，這時就有電流流過 電導體。通常使用各種機械能用于所需運動，如蒸汽(由礦物燃料或核燃料產(chǎn)生)、水、壓縮 空氣、以及風力。通常發(fā)電機都有一個被稱為轉(zhuǎn)子(rotor)的旋轉(zhuǎn)部件，以及一個被稱為定 子(stator)的固定不動的部件。電導體則是導線圈/繞組的形式，可置于轉(zhuǎn)子或定子上。 類似地，提供磁場的磁體(或是永磁體或是電磁體)也可置于轉(zhuǎn)子或定子上。
由于轉(zhuǎn)子相對于定子進行旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機和許多有旋轉(zhuǎn)部件的機器一樣，在相關(guān) 旋轉(zhuǎn)部件之間使用軸承。但是，傳統(tǒng)的球軸承在低轉(zhuǎn)速時有較高的轉(zhuǎn)矩(rotational torque)，而在高轉(zhuǎn)速時有較低的轉(zhuǎn)矩。產(chǎn)生的摩擦熱會削弱球軸承使用的潤滑劑，進而損 壞軸承。此外，在高轉(zhuǎn)速時，球軸承可能發(fā)生振動，在小的設計公差時，這會產(chǎn)生問題。
因此，就有需要改進現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)電機，使其具有改進的軸承以確保在一個較長 運行生命周期內(nèi)的平滑運行。
發(fā)明概述本發(fā)明使用各種構(gòu)造的磁流體軸承以確保在一個或多個定子之間和在一個或多個轉(zhuǎn) 子之間的平滑相對旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明也使用磁流體軸承以將轉(zhuǎn)子置于中心位置，以保持轉(zhuǎn)子和 定子之間的同軸性。
在一個實施例里，發(fā)電機包括第一和第二定子，每個定子包括多個磁體，其被磁化 材料磁軛相互隔開。磁體的設置，使得相鄰磁體之間的磁化方向交替相反，由此磁通量集中 在磁化材料里。在一個實施例里，磁通量幾乎垂直于定子平面。一個轉(zhuǎn)子安置在定子之間， 轉(zhuǎn)子在水平面上旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子包括多個線圈，在旋轉(zhuǎn)期間，因為穿過由定子產(chǎn)生的磁場而產(chǎn)生 電流。
第一組磁流體軸承被安置在第一定子和轉(zhuǎn)子之間，第二組磁流體軸承被安置在轉(zhuǎn) 子和第二定子之間。第三組磁流體軸承被安置在靠近轉(zhuǎn)子的圓周圍，并被設置以將轉(zhuǎn)子置 于中心位置。轉(zhuǎn)子圓周圍可以是內(nèi)圍或外圍。
另外，磁體也可以安置在轉(zhuǎn)子上，而線圈安置在定子上。
在一個實施例里，本發(fā)明的發(fā)電機用于一個風力收集裝置，以提供發(fā)電所需的機 械能。


圖1是本發(fā)明一個實施例的一個發(fā)電機的部分截面的透視圖。
圖2是圖1發(fā)電機的俯視圖。
圖3A描述上部位置的磁流體軸承，而圖:3B描述下部位置的磁流體軸承和側(cè)部位 置的磁流體軸承。
圖4A-4C分別是磁流體軸承靈活的安裝配置以允許軸承強度變化的側(cè)視圖、截面 圖和俯視圖。
圖5A-5B分別是磁體在轉(zhuǎn)子上和線圈在定子上的發(fā)電機的側(cè)視圖和截面圖。
圖6A-6B分別是靈活的磁體構(gòu)造的側(cè)視圖和截面圖，以產(chǎn)生徑向磁化方向相對于 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。
圖7是磁流體軸承用于頂部和底部軸承以及側(cè)部軸承，關(guān)于軸承長度和轉(zhuǎn)子長度 的詳情。
圖8描述用來收集電力的電連接器。
圖9A-9D描述關(guān)于沿著轉(zhuǎn)子外圍、內(nèi)圍或內(nèi)外圍組合而安置的側(cè)部磁流體軸承的 多種構(gòu)造。
圖10A-10B顯示當使用較少數(shù)量磁流體時磁流體軸承的構(gòu)造。
圖1IA-IIB顯示當使用比圖10更多數(shù)量磁流體時磁流體軸承的構(gòu)造。
發(fā)明詳述參照附圖，圖1描述本發(fā)明一個實施例的一個發(fā)電機100。發(fā)電機100包括定子10和 轉(zhuǎn)子20。每個定子10包括磁體12與可磁化材料14交替排列(圖2中更清楚)，可磁化材料 14充當磁軛。磁體被排列成與相鄰磁體磁方向相反。這樣，磁化材料14傳輸并聚集磁通， 使其方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向垂直。
轉(zhuǎn)子20包括多個線圈22，旋轉(zhuǎn)時，因為穿過由定子產(chǎn)生的磁場而產(chǎn)生電流。線 圈被嵌入在一種聚合材料M內(nèi)，可選擇地，線圈不需要磁心以避免形成渦電流(eddy current)。轉(zhuǎn)子有一個垂直軸，在各個附圖里都是在水平面上旋轉(zhuǎn)。
為了使轉(zhuǎn)子和定子之間的相對運動成為可能，并使轉(zhuǎn)子置于中心位置，可以將各 種磁流體軸承安置在發(fā)電機100上。磁流體軸承是基于磁流體材料。磁流體是磁體或磁化 顆粒的膠狀懸浮(colloidal suspension)，如氧化鐵顆粒，其顆粒尺寸通常在30和150埃 (angstroms)之間。表面活性劑(如油酸、氫氧化四甲銨、檸檬酸和大豆卵磷脂)在一端吸收 顆粒，而在另一端吸收載液(通常是如合成碳氫或合成油脂的潤滑劑)。這樣確保即使在強 磁場情況下也能分離顆粒。在有磁場情況下，磁流體移動到最高磁通量的區(qū)域，并留在此區(qū) 域，即使在高負荷情況下。因此，軸承可以由磁流體制成，而不需要特別的防漏密封。
磁流體屬性，如粘度和飽和磁化強度，是由顆粒組成、顆粒尺寸、顆粒濃度和所選 擇的載液和表面活性劑來決定的。在軸承應用里使用時，飽和磁化強度越高，磁流體軸承能 夠承受的負荷越大。對本發(fā)明的實施例，通常選擇大約50mT到60mT的飽和磁化強度。為 了最小化滑動摩擦(sliding friction)，選擇低粘度的載液。對本發(fā)明的實施例，粘度值通 常小于40厘泊(centipoise)。不同于機械軸承，磁流體軸承的硬度與轉(zhuǎn)速成比例，這是因 為潤滑載液的流體動力效應(hydrodynamic effect)。
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由于磁流體移動到最高磁通量的區(qū)域，如附圖3A和;3B所示，磁流體軸承30和磁 流體軸承40被吸引到可磁化的磁軛材料14處，其中通量被密集地集中用于發(fā)電機100。磁 流體軸承30被安置在底部定子和轉(zhuǎn)子之間，而磁流體軸承40被安置在轉(zhuǎn)輪和頂部定子之間。第三組磁流體軸承50被安置在靠近轉(zhuǎn)子的圓周圍(為了清晰起見，轉(zhuǎn)子未在圖;3B內(nèi)顯 示)。將轉(zhuǎn)子置于中心位置，這特別適用于轉(zhuǎn)子沒有一個中心軸的實施例。
依照不同軸承組30、40和50所需的負荷承載，可以根據(jù)磁體12的尺寸和強度、磁 化材料14的尺寸、以及以上所述的磁流體組成進行客戶化定制磁流體軸承。圖4A描述了 這些因素的各種組合以建立有著顯著不同屬性的磁流體軸承組。在圖4B的例子里，磁流體 軸承30必須支撐轉(zhuǎn)子20的重量，因此其比磁流體40更大。在任何磁流體軸承組30、40和 50內(nèi)，各個軸承都可能有不同的屬性。例如，在軸承組40里，由于所選的可磁化磁軛材料 14的尺寸、所選磁體12的尺寸和所選磁流體材料的數(shù)量，單個軸承42和44可以有不同的 尺寸和形狀。
依照所使用的磁流體數(shù)量，磁流體軸承采用不同的構(gòu)造。例如，如圖10A-10B所 示，磁流體軸承30、40和50在磁軛材料的邊緣靠近磁體處形成多個圓形軸承。當使用更多 數(shù)量的磁流體時，沿著磁軛材料的長度上形成一個連續(xù)的軸承，如圖IlA和IlB所示。
如圖7所示，因為軸承的硬度有了改進，靠近磁流體軸承的轉(zhuǎn)子20的表面長度應 該比軸承(30、40)的長度更長。類似地，對側(cè)部軸承，轉(zhuǎn)子厚度應該比軸承50的長度更大。
盡管圖1和2的實施例使用的磁體安置在定子上，線圈安置在轉(zhuǎn)子上，但是，磁體 和線圈也可以分別安置在轉(zhuǎn)子及定子上。此實施例在圖5進行描述，其中發(fā)電機200包括 在定子210上的線圈以及在轉(zhuǎn)子220上的磁體222和磁化材料224。
一個輕薄的絕緣外殼90包住發(fā)電機100，同時容納磁體52用于側(cè)部磁流體軸承 50 (如圖2所示)。如圖9A所示，用于側(cè)部磁流體軸承50的磁體的磁化方向不受限制，只 要所選擇的構(gòu)造能夠在磁流體安置的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較高的磁通量密度。因此，圖9A的磁體52 的極性可以是任何方向，如圖所示。此外，對側(cè)部軸承50，可以使用多種構(gòu)造以將轉(zhuǎn)子置于 中心位置，如將軸承置于轉(zhuǎn)子20的外圍上(圖9A和9B)、置于轉(zhuǎn)子20的內(nèi)圍上(圖9C)或一 個外圍和內(nèi)圍組合上(圖9D)。
在本發(fā)明的一個實施例里，發(fā)電機100有由風力給予的機械能。為了使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 并產(chǎn)生電力，風力驅(qū)動葉片60 (圖1、2)。在圖1和2的實施例里，該發(fā)電機的構(gòu)造是用于 風力從發(fā)電機底部吹向發(fā)電機頂部。在此實施例里，軸承組40抵抗向上的推力。通過被嵌 入或連接到葉片60的導線，收集來自線圈22的電力。
如圖8所示，一個電連接器70將來自所有線圈的電力轉(zhuǎn)移到一個中央采集電纜 80。當定子是磁體而轉(zhuǎn)子包括線圈時，連接器70包括一個或多個引線72、74，其從葉片中心 62延伸到一個插槽76。插槽76包括圓形軌道78，軌道內(nèi)有液體金屬79 (如鎵、鎵合金)。 旋轉(zhuǎn)時，引線72、74在圓形軌道內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生的電力傳遞到液體金屬79。采集電纜80也 被電連接到液體金屬，從而產(chǎn)生的電力沿著采集電纜傳遞到一個將使用電力的目標點?；?者，當定子包括線圈而轉(zhuǎn)子包括磁體時，在線圈內(nèi)產(chǎn)生的電流通過定子里的導線或其它電 連接器被傳遞到采集電纜80。
在一個實施例里，本發(fā)明的發(fā)電機被容納在一個風力收集裝置內(nèi)。風力收集裝置 是一個全向的風力收集器，其匯集并加速來自進風口的風力，將風向上發(fā)送，穿過葉片60 以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。風力收集裝置的其它細節(jié)在待決的美國專利申請(申請?zhí)?2/901,5 ) 內(nèi)披露，在此其披露通用引用被結(jié)合到本發(fā)明。但是，應該理解，本發(fā)明的發(fā)電機能夠使用 各種形式的機械能來驅(qū)動轉(zhuǎn)子如蒸汽動力和水力。
盡管以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的有關(guān)實施例，但這些實施例是非限制性的。本領域 技術(shù)人員將會理解，可以對其作出許多改變和修改。這些改變和修改被看作是所附權(quán)利要 求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機，包括第一和第二定子，每個定子包括多個磁體，這些磁體由多個可磁化材料相互隔開，磁體 的排列使得相鄰磁體之間的磁化方向交互相反，從而磁通量被聚集在磁化材料內(nèi)；一個轉(zhuǎn)子，其被安置在第一和第二定子之間，并被設置以在水平面上旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子有多個 線圈，在旋轉(zhuǎn)期間，因為穿過由定子產(chǎn)生的磁場而產(chǎn)生電流； 第一磁流體軸承組，其被安置在第一定子和轉(zhuǎn)子之間； 第二磁流體軸承組，其被安置在轉(zhuǎn)子和第二定子之間；第三磁流體軸承組，其被安置在靠近轉(zhuǎn)子的圓周圍，并被設置以將轉(zhuǎn)子置于中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中磁體的設置使得磁通量都集中在可磁化材料 里，且方向垂直于定子平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，還包括置于轉(zhuǎn)子中心的葉片，轉(zhuǎn)子由風力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)電機，還包括置于轉(zhuǎn)子中心的電連接器，與一個靠近該電 連接器的的插槽電連接，插槽內(nèi)有液體金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中第一、第二和第三磁流體軸承組中的每個磁流 體組有互相不同的屬性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)電機，其中所述不同屬性包括以下一個或多個軸承硬度、 磁流體粘度、磁流體飽和磁化強度、磁流體顆粒尺寸、磁流體顆粒組成、磁流體載液組成、磁 流體數(shù)量、軸承尺寸或軸承形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中靠近第一或第二或第三磁流體軸承組中的各個 磁流體軸承的轉(zhuǎn)子的表面長度比各個軸承的長度更長。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)電機，還包括嵌入在葉片里的導線，用來將電力從線圈傳 輸?shù)诫娺B接器。
9.一種發(fā)電機，包括第一和第二定子，每個定子包括多個線圈，其在旋轉(zhuǎn)期間因為穿過磁場而產(chǎn)生電流； 一個轉(zhuǎn)子，其被安置在第一和第二定子之間，并被設置以在水平面上旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子有多個 磁體，這些磁體由多個可磁化材料相互隔開；磁體的排列使得相鄰磁體之間的磁化方向交 互相反，由此磁通量被聚集在可磁化材料里；第一和第二磁流體軸承組，分別被安置在第一定子和轉(zhuǎn)子之間以及轉(zhuǎn)子和第二定子之 間；和第三磁流體軸承組，其被安置在靠近轉(zhuǎn)子的圓周圍，并被設置以將轉(zhuǎn)子置于中心位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機，其中磁體的設置使得磁通量都集中在磁化材料里， 且方向垂直于轉(zhuǎn)子表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機，還包括置于轉(zhuǎn)子中心的葉片，轉(zhuǎn)子由風力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機，還包括一個電連接器，其被安置在定子上用于電連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機，其中第一、第二和第三磁流體軸承組中的每個磁流 體軸承組有互相不同的屬性。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)電機，其中所述不同屬性包括以下一個或多個軸承硬度、磁流體粘度、磁流體飽和磁化強度、磁流體顆粒尺寸、磁流體顆粒組成、磁流體載液組 成、磁流體數(shù)量、軸承尺寸或軸承形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機，其中靠近第一或第二或第三磁流體軸承組的各個 磁流體軸承的轉(zhuǎn)子的表面長度比各個軸承的長度更長。
16.一種風力收集裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)電機。
17.一種風力收集裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求9所述發(fā)電機。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中靠近轉(zhuǎn)子圓周圍并將轉(zhuǎn)子置于中心位置的第 三組磁流體軸承組被安置靠近轉(zhuǎn)子的外圍、轉(zhuǎn)子的內(nèi)圍、或轉(zhuǎn)子外圍和轉(zhuǎn)子內(nèi)圍的組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機，其中靠近轉(zhuǎn)子的圓周圍并將轉(zhuǎn)子置于中心位置的 第三組磁流體軸承組被安置靠近轉(zhuǎn)子的外圍、轉(zhuǎn)子的內(nèi)圍、或轉(zhuǎn)子外圍和轉(zhuǎn)子內(nèi)圍的組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中第一、第二或第三磁流體軸承組中的任何一個 磁流體軸承的形狀是由用來建立各個磁流體軸承的磁流體數(shù)量控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用磁流體軸承的發(fā)電機。此發(fā)電機包括定子，其具有多個磁體，該多個磁體由可磁化材料磁軛相互隔開。一個轉(zhuǎn)子安置在定子之間，轉(zhuǎn)子在水平面上旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子包括多個線圈，在旋轉(zhuǎn)期間因為穿過由定子產(chǎn)生的磁場而產(chǎn)生電流。第一磁流體軸承組被安置在第一定子和轉(zhuǎn)子之間，第二磁流體軸承組被安置在轉(zhuǎn)子和第二定子之間。第三組磁流體軸承被安置在靠近轉(zhuǎn)子的圓周圍，并被設置以將轉(zhuǎn)子置于中心位置。在一個實施例里，發(fā)電機是由風力驅(qū)動，并被容納在一個風力收集外殼內(nèi)。
文檔編號F16C32/04GK102035323SQ201010571460
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月10日
發(fā)明者李致淳, 陳浩然 申請人:香港應用科技研究院有限公司