CN104467343A - 一种筒形磁极组合直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种筒形磁极组合直线发电机，包括以下部件：定子结构：包括定子铁芯、定子绕组，定子铁芯无间隙套接定子绕组；动子结构：包括动子铁芯、永磁体环组件，永磁体环组件采用表贴式结构贴于动子轴铁芯的外圆周；所述定子结构与动子结构之间间隙设置，动子结构位于定子结构内；所述定子结构和动子结构均采用圆筒型结构，所述定子铁芯采用无齿槽结构。本发明抖动小、气隙磁通密度正弦性好、输出电能质量高，特别适合近海岸、海岛小波浪的海况下直驱发电系统中使用。

Description

一种筒形磁极组合直线发电机

技术领域

本发明涉及一种直线电机，特别涉及一种筒形磁极组合无齿槽直线发电机，主要应用于波浪能发电装置或直线运动驱动的发电领域中。

背景技术

波浪能发电具有能源清洁丰富、能量转换原理简单，相对成本低的优点。采用直线电机的直驱式波浪能发电装置，省略传统发电系统中间的能量转换装置使得波浪能利用率提高，受到各国科学研究者的关注。

目前所用带齿槽结构的永磁直线发电机边端力或齿槽定位力较大，造成发电装置能量损耗大，发电效率不高，机械结构振动；此外电机多采用普通的径向、轴向永磁的永磁体结构，使得电机气隙磁通密度较低，且含有大量的谐波，发出的电能质量不高；或采用Halbach永磁体阵列结构，使阵列的一侧磁场增强而另一侧磁场减弱，且Halbach永磁体阵列中每极永磁体块数越多产生的空间磁场正弦性越好，虽可以改善上述问题，但过于细致的充磁方向和安装使得电机的制作和加工工艺就过于复杂，影响电机性能，增加了制作成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的永磁直线电机中抖动较大，电机的气隙磁通密度波形谐波含量大，输出电能质量不高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种筒形磁极组合直线发电机，包括以下部件：定子结构：包括定子铁芯、定子绕组，定子铁芯无间隙套接定子绕组；动子结构：包括动子铁芯、永磁体环组件，永磁体环组件采用表贴式结构贴于动子轴铁芯的外圆周；所述定子结构与动子结构之间间隙设置，动子结构位于定子结构内；所述定子结构和动子结构均采用圆筒型结构，所述定子铁芯采用无齿槽结构。

由于定子结构和动子结构均采用筒型结构，使得电机内定子和动子间的径向作用力相互抵消；电机的定子采用无齿槽结构，减少了电机内定子和动子间的轴向作用力；此外，本电机的筒型设计结构也降低了平板式等其他普通直线电机在运动时出现的抖动现象，增加了电机的稳固性和效率；所以，电机启动的时候无阻力，耗能少，能量转换率高、运行时候抖动小甚至没有。

为克服电机的气隙磁通密度波形谐波含量大，输出电能质量不高的缺点，所述永磁体环组件包括至少两个的径向充磁T型永磁体环和至少两个的轴向充磁T型永磁体环，径向充磁T型永磁体环和轴向充磁T型永磁体环交错排布，径向充磁T型永磁体环的宽边朝向定子结构和动子结构之间的间隙侧；轴向充磁T型永磁体环的宽边朝向动子铁芯侧；相邻的T型永磁体环的充磁方向相差90°，每四个连续排布的T型永磁体环组成一对NS磁极，其中每块永磁体的宽度可以相同或不同，相邻的磁极的宽度相同。T型永磁体环朝向气隙一侧磁场强度加强，朝向动子铁芯一侧磁场强度减弱，因此动子铁芯侧所需的铁芯厚度可以减少，即有效的节省动子铁心的厚度，降低动子的整体质量，该特点适用于直驱海浪能发电装置；T型永磁体环的宽边和窄边的尺寸采用优化配比K，K值调节范围为0.5～0.8，通过调整K值，可以提高电机的感应电势峰值，减少电机气隙磁通密度的谐波含量，提高了发电的电能质量。

作为克服电机的气隙磁通密度波形谐波含量大，输出电能质量不高缺点的另一种方案，所述永磁体环组件包括两组以上的爪型磁极单元，每个爪型磁极单元包括三块永磁体环，即中间的磁极永磁体环和两侧的导向永磁体环，磁极永磁体环均为径向充磁，两侧导向永磁体环的充磁方向与磁极永磁体环的充磁方向夹角为45°，且相邻的两个爪型磁极单元的磁极永磁体环的充磁方向相差180°，相邻的两个爪型磁极单元组成一对NS磁极，磁极永磁体环的宽度W3为爪型磁极单元宽度的0.3～0.6倍，相邻的两个爪型磁极的单元之间的间隔(即极距)为爪型磁极单元宽度的1.5～1.8倍。电机的动子作往复直线运动时，永磁体产生的磁场将在定子绕组中产生磁链，磁链的变化形成发电机的空载感应电动势，永磁磁链和感应电动势的关系如式(1)和式(2)的表述。

$e=\mathrm{d\ψ}/\mathrm{dt}=\mathrm{nd\Φ}/\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Φ}={\∫B}_r\left(z\right)\mathrm{dS}=\mathrm{\πD}{\∫B}_r\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，B_r(z)是磁通密度径向值，ψ、Φ分别是绕组磁链和磁通，n表示绕组匝数，D为定子外径。由此可以通过改变电机磁极的尺寸结构来改变B_r(z)的值，进而改变Φ的值，使得电机气隙磁通密度分布接近正弦分布，提高产生电动势的正弦性，即减少电动势的谐波含量，提高电机输出电能质量。

作为本发明的一种改进方案，还设有密封圈和定子端盖，密封圈套接定子铁芯的外侧，定子端盖设置在定子结构的两端并贴合定子铁芯的端面和密封圈的端面，通过压扣机械装置固定。在定子结构中采用密封圈和定子端盖，可以实现电机绕组部分的防水，利于电机在水面情况下运行。

作为本发明的另一种改进方案，定子铁芯采用硅钢片叠成，定子端盖采用非导磁性材料，两端端盖半径尺寸大于定子铁芯半径。定子铁芯采用硅钢片叠成，可达到减小涡流损耗的优点；端盖如果采用导磁，也会有吸力，因此，端盖采用非导磁性材料，可减小边端力；两端端盖半径尺寸大于定子铁芯的半径，方便安装。

为进一步提高系统的能量转换效率，动子铁芯的一端还设有压盖，压盖与定子端盖间安装压簧装置。在定子端盖和动子的压盖之间设有压簧装置，可以根据波浪波高的变化调整电机动子的运动行程，实现动子运动与波浪浮子运动的谐振，使得电机在直驱波浪发电过程中得到最大的动子推力，提高系统的能量转换效率。

作为本发明的另一种改进方案，定子绕组采用集中饼式定子绕组。相比分布绕组该绕组利用率高，产生的电动势幅值大。

本发明的优点是：结构简单、效率高、成本低、抖动小，可用于直接驱动的波浪能发电或者采用直线运动驱动的发电装置中。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明永磁体环组件的局部结构示意图(T形)。

图4为本发明筒形磁极组合直线发电机的气隙磁通密度曲线图。

图5为本发明永磁体环组件的局部结构示意图(爪形)。

图6为本发明筒形磁极组合无齿槽直线发电机产生的空载感应电动势及电动势的谐波畸变率THD％与比率K之间的变化曲线。

图7为本发明筒形磁极组合直线发电机的动子在某一位置时，空载磁力线分布图。

图8为本发明筒形磁极组合直线发电机定位力波动曲线。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明提供了一种筒型磁极组合无齿槽直线发电机，该永磁发电机主要包括定子铁心1、集中饼式定子绕组2；动子铁心3、充磁方向呈90°等差的T型永磁体环4，交错安装在动子铁心轴上，其中永磁体环采用钕铁硼永磁材料，定子铁心由硅钢片叠成，动子铁心采用导磁性能好、硬度大的合金制成。

定子结构和动子结构间留有气隙8，在定子铁心结构外侧设有密封圈9和定子端盖10，定子端盖采用非导磁性能的材料且外径大于定子铁心外径，便于固定电机。在定子端盖和动子端盖12之间装有压簧装置11。

将电机的动子轴的非压簧侧直接固定在波浪发电装置的浮子部分，定子安装在发电装置的固定支架上，波浪的起伏运动驱动浮子带动电机动子做往复的直线运动，经过定子绕组的主磁通发生大小和方向的变化，则在绕组中产生感应电动势实现发电机的发电。

如图3所示，T型永磁体环结构交错放置在动子轴上，其中宽边朝向气隙侧的T型永磁体环采用径向充磁；宽边朝向动子铁心轴的T型永磁体环采用轴向充磁。

如图4所示，电机采用T型永磁体环组合结构，T型永磁体环朝向气隙一侧磁场强度加强，朝向动子铁芯一侧磁场强度减弱，因此动子铁芯侧所需的铁芯厚度可以减少，即有效的节省动子铁心的厚度，降低动子的整体质量。

如图5所示为爪形磁极组合结构，每个磁极(N级或S级)采用3块永磁体，在这种结构中径向充磁的永磁体环形成磁极，两侧的永磁体环对产生的磁场方向起到导向作用。径向充磁的永磁体环的宽度W3决定了永磁体的有效利用面积，从而有效减小轴向漏磁通，增强电机主磁通密度，提高气隙磁场磁通密度的正弦性。

如图6所示，T型永磁体环的具体尺寸将很大程度上影响电机的动态性能，比率K为W1和W2的比值，根据电磁场分析软件分析得出，在本发明的筒型磁极组合无齿槽直线发电机的直线运动速度为0.4m/s，其他参数指标相同的情况下，当K值为0.55左右时本电机的空载感应电势峰值可以达到最大值；当K值为0.75时电机感应电动势波形谐波畸变率最低。

如图7所示，为电机永磁体采用T型永磁体环，每对磁极为4块永磁体结构时产生的气隙磁密曲线，当每对磁极块数为偶数时波形顶峰为凹形，块数为奇数时波形登峰为凸形。

如图8所示为电机定位力波动曲线。电机定子采用无齿槽结构，电枢绕组采用饼式集中绕组，线圈的匝数和线径随设计要求而定，每个饼式绕组的空间尺寸与永磁体的合理配比可以减低电机动子与定子间的定位力。

Claims (10)

1.一种筒形磁极组合直线发电机，包括以下部件：

定子结构：包括定子铁芯、定子绕组，定子铁芯无间隙套接定子绕组；

动子结构：包括动子铁芯、永磁体环组件，永磁体环组件采用表贴式结构贴于动子轴铁芯的外圆周；

所述定子结构与动子结构之间间隙设置，动子结构位于定子结构内；其特征是：所述定子结构和动子结构均采用圆筒型结构，所述定子铁芯采用无齿槽结构。

2.根据权利要求1所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：所述永磁体环组件包括至少两个的径向充磁T型永磁体环和至少两个的轴向充磁T型永磁体环，径向充磁T型永磁体环和轴向充磁T型永磁体环交错排布，径向充磁T型永磁体环的宽边朝向定子结构和动子结构之间的间隙侧；轴向充磁T型永磁体环的宽边朝向动子铁芯侧；

相邻的T型永磁体环的充磁方向相差90°，每四个连续排布的T型永磁体环组成一对NS磁极，其中每块永磁体的宽度可以相同或不同，相邻的磁极的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：所述永磁体环组件包括两组以上的爪型磁极单元，每个爪型磁极单元包括三块永磁体环，即中间的磁极永磁体环和两侧的导向永磁体环，磁极永磁体环均为径向充磁，两侧导向永磁体环的充磁方向与磁极永磁体环的充磁方向夹角为45°，且相邻的两个爪型磁极单元的磁极永磁体环的充磁方向相差180°，相邻的两个爪型磁极单元组成一对NS磁极，磁极永磁体环的宽度W3为爪型磁极单元宽度的0.3~0.6倍，相邻的两个爪型磁极的单元之间的间隔（即极距）为爪型磁极单元宽度的1.5~1.8倍。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：还设有密封圈和定子端盖，密封圈套接定子铁芯的外侧，定子端盖设置在定子结构的两端并贴合定子铁芯的端面和密封圈的端面，通过压扣机械装置固定。

5.根据权利要求4所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：定子铁芯采用硅钢片叠成，定子端盖采用非导磁性材料，两端端盖半径尺寸大于定子铁芯半径。

6.根据权利要求4所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：动子铁芯的一端还设有压盖，压盖与定子端盖间安装压簧装置。

7.根据权利要求1或2或3或5所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：动子铁芯的一端还设有压盖，压盖与定子端盖间安装压簧装置。

8.根据权利要求1或2或3或5所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：定子绕组采用集中饼式定子绕组。

9.根据权利要求4所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：定子绕组采用集中饼式定子绕组。

10.根据权利要求7所述的一种筒形磁极组合直线发电机，其特征是：定子绕组采用集中饼式定子绕组。