專(zhuān)利名稱(chēng):一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，包括以下部件：定子結(jié)構(gòu)：包括定子鐵芯、定子繞組，定子鐵芯無(wú)間隙套接定子繞組；動(dòng)子結(jié)構(gòu)：包括動(dòng)子鐵芯、永磁體環(huán)組件，永磁體環(huán)組件采用表貼式結(jié)構(gòu)貼于動(dòng)子軸鐵芯的外圓周；所述定子結(jié)構(gòu)與動(dòng)子結(jié)構(gòu)之間間隙設(shè)置，動(dòng)子結(jié)構(gòu)位于定子結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)均采用圓筒型結(jié)構(gòu)，所述定子鐵芯采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型抖動(dòng)小、氣隙磁通密度正弦性好、輸出電能質(zhì)量高，特別適合近海岸、海島小波浪的海況下直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)中使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種直線(xiàn)電機(jī)，特別涉及一種筒形磁極組合無(wú)齒槽直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，主要應(yīng)用于波浪能發(fā)電裝置或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電領(lǐng)域中。

【背景技術(shù)】
[0002]波浪能發(fā)電具有能源清潔豐富、能量轉(zhuǎn)換原理簡(jiǎn)單，相對(duì)成本低的優(yōu)點(diǎn)。采用直線(xiàn)電機(jī)的直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置，省略傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中間的能量轉(zhuǎn)換裝置使得波浪能利用率提高，受到各國(guó)科學(xué)研宄者的關(guān)注。
[0003]目前所用帶齒槽結(jié)構(gòu)的永磁直線(xiàn)發(fā)電機(jī)邊端力或齒槽定位力較大，造成發(fā)電裝置能量損耗大，發(fā)電效率不高，機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)；此外電機(jī)多采用普通的徑向、軸向永磁的永磁體結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)氣隙磁通密度較低，且含有大量的諧波，發(fā)出的電能質(zhì)量不高；或采用Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu)，使陣列的一側(cè)磁場(chǎng)增強(qiáng)而另一側(cè)磁場(chǎng)減弱，且Halbach永磁體陣列中每極永磁體塊數(shù)越多產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)正弦性越好，雖可以改善上述問(wèn)題，但過(guò)于細(xì)致的充磁方向和安裝使得電機(jī)的制作和加工工藝就過(guò)于復(fù)雜，影響電機(jī)性能，增加了制作成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的永磁直線(xiàn)電機(jī)中抖動(dòng)較大，電機(jī)的氣隙磁通密度波形諧波含量大，輸出電能質(zhì)量不高。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，包括以下部件:定子結(jié)構(gòu):包括定子鐵芯、定子繞組，定子鐵芯無(wú)間隙套接定子繞組；動(dòng)子結(jié)構(gòu):包括動(dòng)子鐵芯、永磁體環(huán)組件，永磁體環(huán)組件采用表貼式結(jié)構(gòu)貼于動(dòng)子軸鐵芯的外圓周；所述定子結(jié)構(gòu)與動(dòng)子結(jié)構(gòu)之間間隙設(shè)置，動(dòng)子結(jié)構(gòu)位于定子結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)均采用圓筒型結(jié)構(gòu)，所述定子鐵芯采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)。
[0006]由于定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)均采用筒型結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)內(nèi)定子和動(dòng)子間的徑向作用力相互抵消；電機(jī)的定子采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)，減少了電機(jī)內(nèi)定子和動(dòng)子間的軸向作用力；此夕卜，本電機(jī)的筒型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也降低了平板式等其他普通直線(xiàn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象，增加了電機(jī)的穩(wěn)固性和效率；所以，電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候無(wú)阻力，耗能少，能量轉(zhuǎn)換率高、運(yùn)行時(shí)候抖動(dòng)小甚至沒(méi)有。
[0007]為克服電機(jī)的氣隙磁通密度波形諧波含量大，輸出電能質(zhì)量不高的缺點(diǎn)，所述永磁體環(huán)組件包括至少兩個(gè)的徑向充磁T型永磁體環(huán)和至少兩個(gè)的軸向充磁T型永磁體環(huán)，徑向充磁T型永磁體環(huán)和軸向充磁T型永磁體環(huán)交錯(cuò)排布，徑向充磁T型永磁體環(huán)的寬邊朝向定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)之間的間隙側(cè)；軸向充磁T型永磁體環(huán)的寬邊朝向動(dòng)子鐵芯側(cè)；相鄰的T型永磁體環(huán)的充磁方向相差90°，每四個(gè)連續(xù)排布的T型永磁體環(huán)組成一對(duì)NS磁極，其中每塊永磁體的寬度可以相同或不同，相鄰的磁極的寬度相同。T型永磁體環(huán)朝向氣隙一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)，朝向動(dòng)子鐵芯一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，因此動(dòng)子鐵芯側(cè)所需的鐵芯厚度可以減少，即有效的節(jié)省動(dòng)子鐵心的厚度，降低動(dòng)子的整體質(zhì)量，該特點(diǎn)適用于直驅(qū)海浪能發(fā)電裝置；τ型永磁體環(huán)的寬邊和窄邊的尺寸采用優(yōu)化配比K，K值調(diào)節(jié)范圍為0.5?0.8，通過(guò)調(diào)整K值，可以提高電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)峰值，減少電機(jī)氣隙磁通密度的諧波含量，提高了發(fā)電的電能質(zhì)量。
[0008]作為克服電機(jī)的氣隙磁通密度波形諧波含量大，輸出電能質(zhì)量不高缺點(diǎn)的另一種方案，所述永磁體環(huán)組件包括兩組以上的爪型磁極單元，每個(gè)爪型磁極單元包括三塊永磁體環(huán)，即中間的磁極永磁體環(huán)和兩側(cè)的導(dǎo)向永磁體環(huán)，磁極永磁體環(huán)均為徑向充磁，兩側(cè)導(dǎo)向永磁體環(huán)的充磁方向與磁極永磁體環(huán)的充磁方向夾角為45°，且相鄰的兩個(gè)爪型磁極單元的磁極永磁體環(huán)的充磁方向相差180°，相鄰的兩個(gè)爪型磁極單元組成一對(duì)NS磁極，磁極永磁體環(huán)的寬度W3為爪型磁極單元寬度的0.3?0.6倍，相鄰的兩個(gè)爪型磁極的單元之間的間隔(即極距)為爪型磁極單元寬度的1.5?1.8倍。電機(jī)的動(dòng)子作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)將在定子繞組中產(chǎn)生磁鏈，磁鏈的變化形成發(fā)電機(jī)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，永磁磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系如式(I)和式(2)的表述。
[0009]e = d Φ/dt = ndC>/dt(I)
[0010]Φ =J Br (z) dS = η D f Br (z) dz (2)
[0011]式(I)和⑵中，BJz)是磁通密度徑向值，Φ、Φ分別是繞組磁鏈和磁通，η表示繞組匝數(shù)，D為定子外徑。由此可以通過(guò)改變電機(jī)磁極的尺寸結(jié)構(gòu)來(lái)改變BJz)的值，進(jìn)而改變?chǔ)档闹?，使得電機(jī)氣隙磁通密度分布接近正弦分布，提高產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的正弦性，即減少電動(dòng)勢(shì)的諧波含量，提高電機(jī)輸出電能質(zhì)量。
[0012]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)方案，還設(shè)有密封圈和定子端蓋，密封圈套接定子鐵芯的外側(cè)，定子端蓋設(shè)置在定子結(jié)構(gòu)的兩端并貼合定子鐵芯的端面和密封圈的端面，通過(guò)壓扣機(jī)械裝置固定。在定子結(jié)構(gòu)中采用密封圈和定子端蓋，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組部分的防水，利于電機(jī)在水面情況下運(yùn)行。
[0013]作為本實(shí)用新型的另一種改進(jìn)方案，定子鐵芯采用硅鋼片疊成，定子端蓋采用非導(dǎo)磁性材料，兩端端蓋半徑尺寸大于定子鐵芯半徑。定子鐵芯采用硅鋼片疊成，可達(dá)到減小渦流損耗的優(yōu)點(diǎn)；端蓋如果采用導(dǎo)磁，也會(huì)有吸力，因此，端蓋采用非導(dǎo)磁性材料，可減小邊端力；兩端端蓋半徑尺寸大于定子鐵芯的半徑，方便安裝。
[0014]為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，動(dòng)子鐵芯的一端還設(shè)有壓蓋，壓蓋與定子端蓋間安裝壓簧裝置。在定子端蓋和動(dòng)子的壓蓋之間設(shè)有壓簧裝置，可以根據(jù)波浪波高的變化調(diào)整電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)行程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)與波浪浮子運(yùn)動(dòng)的諧振，使得電機(jī)在直驅(qū)波浪發(fā)電過(guò)程中得到最大的動(dòng)子推力，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0015]作為本實(shí)用新型的另一種改進(jìn)方案，定子繞組采用集中餅式定子繞組。相比分布繞組該繞組利用率高，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)幅值大。
[0016]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低、抖動(dòng)小，可用于直接驅(qū)動(dòng)的波浪能發(fā)電或者采用直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置中。

【附圖說(shuō)明】

[0017]圖1為本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本實(shí)用新型永磁體環(huán)組件的局部結(jié)構(gòu)示意圖(T形)。
[0020]圖4為本實(shí)用新型筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的氣隙磁通密度曲線(xiàn)圖。
[0021]圖5為本實(shí)用新型永磁體環(huán)組件的局部結(jié)構(gòu)示意圖(爪形)。
[0022]圖6為本實(shí)用新型筒形磁極組合無(wú)齒槽直線(xiàn)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電動(dòng)勢(shì)的諧波畸變率THD%與比率K之間的變化曲線(xiàn)。
[0023]圖7為本實(shí)用新型筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的動(dòng)子在某一位置時(shí)，空載磁力線(xiàn)分布圖。
[0024]圖8為本實(shí)用新型筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)定位力波動(dòng)曲線(xiàn)。

【具體實(shí)施方式】
[0025]如圖1-2所示，本實(shí)用新型提供了一種筒型磁極組合無(wú)齒槽直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，該永磁發(fā)電機(jī)主要包括定子鐵心1、集中餅式定子繞組2 ;動(dòng)子鐵心3、充磁方向呈90°等差的T型永磁體環(huán)4，交錯(cuò)安裝在動(dòng)子鐵心軸上，其中永磁體環(huán)采用釹鐵硼永磁材料，定子鐵心由娃鋼片疊成，動(dòng)子鐵心采用導(dǎo)磁性能好、硬度大的合金制成。
[0026]定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)間留有氣隙8，在定子鐵心結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)有密封圈9和定子端蓋10，定子端蓋采用非導(dǎo)磁性能的材料且外徑大于定子鐵心外徑，便于固定電機(jī)。在定子端蓋和動(dòng)子端蓋12之間裝有壓簧裝置11。
[0027]將電機(jī)的動(dòng)子軸的非壓簧側(cè)直接固定在波浪發(fā)電裝置的浮子部分，定子安裝在發(fā)電裝置的固定支架上，波浪的起伏運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)浮子帶動(dòng)電機(jī)動(dòng)子做往復(fù)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)定子繞組的主磁通發(fā)生大小和方向的變化，則在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的發(fā)電。
[0028]如圖3所示，T型永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)交錯(cuò)放置在動(dòng)子軸上，其中寬邊朝向氣隙側(cè)的T型永磁體環(huán)采用徑向充磁；寬邊朝向動(dòng)子鐵心軸的T型永磁體環(huán)采用軸向充磁。
[0029]如圖4所示，電機(jī)采用T型永磁體環(huán)組合結(jié)構(gòu)，T型永磁體環(huán)朝向氣隙一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)，朝向動(dòng)子鐵芯一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，因此動(dòng)子鐵芯側(cè)所需的鐵芯厚度可以減少，即有效的節(jié)省動(dòng)子鐵心的厚度，降低動(dòng)子的整體質(zhì)量。
[0030]如圖5所示為爪形磁極組合結(jié)構(gòu)，每個(gè)磁極(N級(jí)或S級(jí))采用3塊永磁體，在這種結(jié)構(gòu)中徑向充磁的永磁體環(huán)形成磁極，兩側(cè)的永磁體環(huán)對(duì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向起到導(dǎo)向作用。徑向充磁的永磁體環(huán)的寬度W3決定了永磁體的有效利用面積，從而有效減小軸向漏磁通，增強(qiáng)電機(jī)主磁通密度，提高氣隙磁場(chǎng)磁通密度的正弦性。
[0031]如圖6所示，T型永磁體環(huán)的具體尺寸將很大程度上影響電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，比率K為Wl和W2的比值，根據(jù)電磁場(chǎng)分析軟件分析得出，在本實(shí)用新型的筒型磁極組合無(wú)齒槽直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度為0.4m/s，其他參數(shù)指標(biāo)相同的情況下，當(dāng)K值為0.55左右時(shí)本電機(jī)的空載感應(yīng)電勢(shì)峰值可以達(dá)到最大值；當(dāng)1(值為0.75時(shí)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形諧波畸變率最低。
[0032]如圖7所示，為電機(jī)永磁體采用T型永磁體環(huán)，每對(duì)磁極為4塊永磁體結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的氣隙磁密曲線(xiàn)，當(dāng)每對(duì)磁極塊數(shù)為偶數(shù)時(shí)波形頂峰為凹形，塊數(shù)為奇數(shù)時(shí)波形登峰為凸形。
[0033]如圖8所示為電機(jī)定位力波動(dòng)曲線(xiàn)。電機(jī)定子采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)，電樞繞組采用餅式集中繞組，線(xiàn)圈的匝數(shù)和線(xiàn)徑隨設(shè)計(jì)要求而定，每個(gè)餅式繞組的空間尺寸與永磁體的合理配比可以減低電機(jī)動(dòng)子與定子間的定位力。
【權(quán)利要求】
1.一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，包括以下部件: 定子結(jié)構(gòu):包括定子鐵芯、定子繞組，定子鐵芯無(wú)間隙套接定子繞組； 動(dòng)子結(jié)構(gòu):包括動(dòng)子鐵芯、永磁體環(huán)組件，永磁體環(huán)組件采用表貼式結(jié)構(gòu)貼于動(dòng)子軸鐵芯的外圓周； 所述定子結(jié)構(gòu)與動(dòng)子結(jié)構(gòu)之間間隙設(shè)置，動(dòng)子結(jié)構(gòu)位于定子結(jié)構(gòu)內(nèi)；其特征是:所述定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)均采用圓筒型結(jié)構(gòu)，所述定子鐵芯采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:所述永磁體環(huán)組件包括至少兩個(gè)的徑向充磁T型永磁體環(huán)和至少兩個(gè)的軸向充磁T型永磁體環(huán)，徑向充磁T型永磁體環(huán)和軸向充磁T型永磁體環(huán)交錯(cuò)排布，徑向充磁T型永磁體環(huán)的寬邊朝向定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)之間的間隙側(cè)；軸向充磁T型永磁體環(huán)的寬邊朝向動(dòng)子鐵芯側(cè)； 相鄰的T型永磁體環(huán)的充磁方向相差90°，每四個(gè)連續(xù)排布的T型永磁體環(huán)組成一對(duì)NS磁極，其中每塊永磁體的寬度可以相同或不同，相鄰的磁極的寬度相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:所述永磁體環(huán)組件包括兩組以上的爪型磁極單元，每個(gè)爪型磁極單元包括三塊永磁體環(huán)，即中間的磁極永磁體環(huán)和兩側(cè)的導(dǎo)向永磁體環(huán)，磁極永磁體環(huán)均為徑向充磁，兩側(cè)導(dǎo)向永磁體環(huán)的充磁方向與磁極永磁體環(huán)的充磁方向夾角為45°，且相鄰的兩個(gè)爪型磁極單元的磁極永磁體環(huán)的充磁方向相差180°，相鄰的兩個(gè)爪型磁極單元組成一對(duì)NS磁極，磁極永磁體環(huán)的寬度W3為爪型磁極單元寬度的0.3?0.6倍，相鄰的兩個(gè)爪型磁極的單元之間的間隔為爪型磁極單元寬度的1.5?1.8倍。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:還設(shè)有密封圈和定子端蓋，密封圈套接定子鐵芯的外側(cè)，定子端蓋設(shè)置在定子結(jié)構(gòu)的兩端并貼合定子鐵芯的端面和密封圈的端面，通過(guò)壓扣機(jī)械裝置固定。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:定子鐵芯采用硅鋼片疊成，定子端蓋采用非導(dǎo)磁性材料，兩端端蓋半徑尺寸大于定子鐵芯半徑。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:動(dòng)子鐵芯的一端還設(shè)有壓蓋，壓蓋與定子端蓋間安裝壓簧裝置。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或5所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:動(dòng)子鐵芯的一端還設(shè)有壓蓋，壓蓋與定子端蓋間安裝壓簧裝置。8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或5所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:定子繞組采用集中餅式定子繞組。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:定子繞組采用集中餅式定子繞組。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種筒形磁極組合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其特征是:定子繞組采用集中餅式定子繞組。
【文檔編號(hào)】H02K35-02GK204290669SQ201420736262
【發(fā)明者】張靜, 孫建軍, 劉旭明, 鞠全勇, 周擴(kuò)建, 周洪 [申請(qǐng)人]金陵科技學(xué)院