CN101107770B - 改进的管状发电机 - Google Patents

Abstract

一管状线性发电机包括一细长的转换器(12)，该转换器包括一连串的永磁体(13、14......)还包括一个或多个包含在其中并固定到一铁磁体套筒(31)的环形线圈(未示出)。所述转换器和电枢之间的相对运动使得线圈中产生电流。所述套筒是根据其一端或两端周围的磁导率而构造的，如(32)所示，以便减少套筒和永磁体之间沿所述转换器的磁阻力。

Description

改进的管状发电机

技术领域

本发明涉及对于管状线性发电机性能的改进。

背景技术

公开与此的管状发电机的改进可以用于各种发电机的电枢，所述发电机的电枢包括一个或多个环形线圈和所述转换器，该转换器包括一连串细长的磁极。一连串的磁极可以由大量纵向排列的永磁体形成，该磁极用于集中往复通过所述环形线圈。从磁极放射出的磁力线切割环形线圈卷，产生电能。一个如此结构的实施例是英国专利GB2079068及其外国同族专利的管状线性电动机，目前在世界范围内广泛使用。

(应该注意在本文中，电枢这个词指的是包含在发电机线圈中的零件，转换器这个词指的是包含在永磁体中的零件。电流作为所述两零件中彼此相对运动的结果而产生。另外，本领域技术人员可以理解，这里描述的这种永磁体发电机能够作为等同于一台电动机进行操作。因此，在本发明中发电机与电动机这两个词可以互换。)

需要把摆动机械能转换成电能的工业产品的数目正在增加。特别是把潮汐能转换成电能的工业产品。一种潮汐能转换器的实施例是一放置在海面上的浮体，该浮体的运动引起线性发电机的电枢和转换器之间的相对运动，因此把潮汐能转变为电能。

可以理解，为了使给定尺寸和成本的线性发电机产生的电能最优化，所述发电机需要尽可能高效地进行电磁转换。对于潮汐能转换器，能量转换效率是特别重要的考虑事项，其是产生足够电力的根本，以确保最初的资本投资有所回报。其产生的磁通量和/或其内在的结构的优化利用对任何电动机/发电机的效率有重大的贡献。

一个这样的优化利用磁通量的工具包括同轴设置并且连接到环形线圈形成电枢的铁磁体圆柱套筒。所述套筒存在的作用是以改善所述线圈内的磁链的方式抽出从转换器射出的磁通线。

在管状永磁线性发电机中使用任意形式的铁磁体套筒的缺点是无论怎样都会导致使用不利的磁阻。磁阻引起了所述发电机的运动部件相对于固定部件的运动方向上经受的机械力不均衡。这是由于电枢和铁磁体套筒的分散设置的磁极之间的凸极的磁吸引作用引起的凸极。如果凸极的磁吸引作用严重的话，磁阻能够引起机械震动，超过延长期甚至导致损坏。

发明内容

根据本发明，一线性发电机设有一环形电枢和一与其以相同中心定位的转换器，并且彼此可以沿纵轴相对运动，其中一磁力能穿透的套筒被固定且环绕在电枢的周围，所述套筒一端或两端的磁导率与套筒圆周的轮廓相符以便套筒和电枢相对于转换器运动时的纵向磁阻力的变化减小。当然这种磁阻力的减小是相对于如果各端有相同的磁导率时相应的磁阻力而言的。

在优选实施例中，所述套筒磁导率的轮廓线通过套筒端周围、套筒一端或两端材料的量的变化而得到，这样的变化是所述电枢的周围处套筒材料缺失的变化形式。优选地，沿所述周围有大量的变化的循环，以减小对于套筒上净作用力的任何倾向以变更“倾斜”或“偏转”方向(参见有一水平纵轴的发电机)。

完成这种缺失的一种方法是通过环绕所述电枢的横跨套筒边缘的纵向偏移的变化，例如这样一种偏移变化可能是正弦曲线、三角形曲线或城墙形曲线。通过该方法，当任何一条或多条特定的套筒边缘被吸引到一个特定磁极和/或一组磁极的某个方向上的时候，其他特定的边缘受到更小的吸引力或被吸引到相反的方向上，因此任意特定磁极或一组磁极对套筒的净吸引力被削弱，在一定范围之内，无论所述套筒相对于转换器在何种位置这种削弱都将存在。

实际上，所述轮廓线可以沿着预置的和连续的曲线导致所述套筒有一对略长的长度和一对略短的长度，每一对的长度彼此直接相对。作为选择，可以采用一城形轮廓线。在这种情况下，轮廓线在所述套筒的两端是有效的，所述套筒的总平均长度是故意选择的，以便仍然保留在所述套筒一端的任何剩余的磁阻力通过另一端保留的任何剩余磁阻力的反作用被平衡。

使用这样一种磁力可穿透的套筒，有利于改善作用在所述线圈上的磁通量，但也有重要的缺陷。实际上，这促使在套筒中产生涡流，涡流在所述转换器的永磁体中往复传播。这导致了制动作用和至少与制动作用同样重要的套筒材料发热。无论在发电机还是在电动机中，这都增加了在电枢线圈内发生的热损耗，显著的影响整体性能。

根据本发明的一方面，所述套筒包括大量单独的铁磁体元件或是由大量单独的铁磁体元件中构成，所述铁磁体元件用于抽出来自转换器的磁通线，但是每一个铁磁体元件都是成型和单独绝缘的以便充分消除围绕和/或沿着所述套筒圆周的涡流循环。

在本发明本方面的优选实施例中，所述单独的元件由不连续段体的铁磁体材料成型，例如软铁，平行设置并且互相横跨邻接以便形成上述套筒。所述段体可以通过适当的树脂或类似物被彼此粘结。所述单独的元件可以用有特别有利的磁导率属性的铁磁体材料制造，比如“硅铁合金”。

在另一实施例中，所述元件可以包括单独的微粒，例如嵌入在不导电的塑料材料中的小滚珠轴承。

上述布置的结合导致了线性发电机能够没有任何内在的有害的磁阻力或制动力的情况下充分操作并且在套筒内几乎没有或没有热损耗。总的来说，与未设有本发明的结构的套筒的发电机(或电动机)相比可以提高性能30％以上。

实际上，制造管状线性发电机的转换器时，根据所期望的性能选择不同等级的永磁体。例如，在需要高输出的情况下，成本当然不是问题，可以使用稀土元素的氧化物钕硼铁磁体。这些磁体的矫顽磁性很高并且几乎不会由于电枢线圈的电流循环引起消磁的风险，而消磁可使铁磁体处于不利的工作点。另一方面，如果使用低矫顽磁性的陶瓷磁体，例如已知的铁氧体，则可能会遇到这样的影响，因为其磁能(BH)曲线特性中可能存在明显的膝部(distinctiv knee)。使用这里描述的铁磁体套筒减小了这种风险，因为事实上其有助于沿所述转换器定位的永磁体的南北极磁耦合。(事实上，所述套筒形成一用于磁场传播的磁短路通道。)

无论如何，显然套筒起到了更有效的延伸出电枢线圈每一边的作用，而不是仅仅覆盖这样一个线圈。例如，套筒的最长的长度精确的覆盖所述环形电枢线圈的长度并且仅在其内表面上覆盖了所述电枢的端线圈。

根据本发明的特征，所述铁磁体套筒的长度加工成足够超过电枢线圈组的纵向总长度，以便与所述线圈组的每一端交叠确保避免引起所述磁体感应消磁，所述磁体足够提供给同样长度的转换器，磁体暴露在线圈外，处于以其为中心的所述电枢的尽头。

众所周知管状线性发电机或电动机的结构，其环形线圈浸在树脂中。这样做的目的是把线圈彼此相对的固定在适当位置，并且提供一热传导路径到外部的热传导表面。然而，这样一种用于管状线性发电机的结构是公开于此的改进的主题，可以理解，所述套筒离其同轴围绕的磁体有一径向距离，该距离会由于所述树脂层的厚度而增大。实际上，为了在套筒和磁体之间提供最佳的磁耦合，希望保持该径向距离尽可能小。

根据本发明的另一特征，所述独立元件包括生产过程中嵌入在树脂内的铁磁体套筒，树脂用于粘合线圈。通过这种方法，由所述元件形成的所述铁磁体套筒能够尽可能的接近所述线圈的外径，并且相对尽可能的接近所述电枢的磁极。

对于管状线性发电机的特别应用和前面描述的波能应用，希望能够制动所述电枢相对于转换器的运动。在本实施例中这可能是必要的，例如，由于畸波引起的突然的和意外的运动。一种这样的制动行动可以通过短路电枢线圈很方便的实现。所述电动势在所述线圈中循环能够有效的减缓转换器的运动。使用这里描述的铁磁体套筒用于这个目的是有优势的，但是正如已经描述的那样，套筒恰恰是设计用于阻止使用中的涡流循环的。

根据本发明的进一步的特征，大量或是所有的独立元件组成或包含在套筒之内，每个元件都通过导线以传导的方式连到公共转换开关工具，允许一个接一个的连接一经选择数目的元件或是所有的元件，并且以此来控制涡流循环。通过这种方式，尽管程度有限，所述套筒可以作为一附加的制动工具扮演期望的角色。

附图说明

下面将结合附图详细描述本发明，其中：

图1示出一种典型的管状线性发电机的电枢和转换器；

图2是发电机电枢周围的一铁磁体套筒的一条边缘的视图；

图3示出当使用一致长度的套筒时可能出现磁阻力；

图4是带有轮廓一致端(contoured end)的所述套筒的立体图；

图5示出了可能减小磁阻力的方法；

图6示出这种减小的磁阻力；

图7是包含所述套筒的单独元件的分解图；

图8示出了所述发电机的一细长套筒重叠线圈；图9示出了包含嵌入树脂的套筒的所述元件；以及

图10示出了一个能把套筒作为电磁闸的方法。

具体实施方式

图1、图2及其附图说明提供了用于帮助理解本发明的通常涉及的背景。

请参见图1，公开于此的改进的典型管状线性发电机整体上用附图标记10表示。所述转换器11包括一个非铁磁管12，其内轴向间隔设置一系列被磁化的永磁体13、14、15等等。可以看出所述磁体的同名极彼此相对。其结果是产生了如16、17和18所示的磁力齿，磁力齿从支撑所述永磁体的管子中放射状的发出，并且所示的同轴电枢线圈的旋转可以切割磁力齿，这里同轴电枢线圈用20、21、22和23表示。(注意，这些线圈被固定在另一个管子内部，为了清晰这里未示出。)迫使所述电枢和转换器之间相对运动导致电枢线圈中产生正弦交流电力。(这种安排与英国专利GB2079068公开的管状线性电动机的安排是相同的。)

可以理解，所述电枢线圈内产生的电动势依赖永磁体磁场的强度，并且使用弗莱明右手定则的原理，还依赖于切割方向与电枢线圈旋转的相对运动方向在多大程度上垂直。

请参见图2，示出了改善垂直性的方法，并且因此提高产生的电能总量。一铁磁体套筒，这里仅示出其一边24，该铁磁体套筒设置在所述线圈之上。所述套筒的影响是两部分。第一，套筒帮助更直接的从所述永磁体中抽出磁力线并且因此磁力线与所述固定永磁体的管道更垂直；第二，套筒提供了传播磁力线的现成的路径，如25、26和27所示。后一方面的影响有一重大好处，其帮助磁体更有效的运行，并且减少了使用中磁体退磁的可能性。

前面描述了使用套筒以增加输出的在该领域中常规的和已知的概念的轮廓，或者在所描述的作为线性电动机使用的结构的情况下，这里可用的推力是所述线圈被施以电压产生的。本发明的真正理念现在将结合剩余的附图详细描述。

使用如同2所示的简易铁磁体套筒有一显而易见的缺点。这是由于已知的磁阻的影响。磁阻意味着所述发电机的运动零件相对于所述静止零件在该方向上运动时所经受的机械力不平衡。这是由于所述凸极的磁吸引效应，该效应发生在所述电枢和所述铁磁体套筒的离散分布的磁极之间。(从图2可以看出，就像熟知的当把任何铁磁物体接近并插入永磁体的时候，所述套筒将尽力调准其相对于磁体的跨度，以便为磁体的磁场提供最佳通道。)磁阻能够导致抖动随之发生有害的机械影响。这样一种磁阻轮廓如图3所示。所述外加力如28所示，所述磁阻力是29并且合力是30。

参见图4，示出了减轻这种影响的方法。所述电枢线圈周围的套筒以31表示，并且套筒由大量的离散元件形成，其目的后文将要描述。可以看出，所述套筒端部的形状被更改以32表示。而不是其端部有一始终如一的周长，其端部由所示的轮廓代替。如图所示，所述轮廓取得了效果，所述套筒上部和底部在其右手边的延伸超过其侧部。在生产中实现这一点仅仅通过所述单个元件的适当的并置组成所述套筒。所述轮廓的目的是减小所述磁阻力。(注意，所述套筒的左手侧，所述侧部反相延伸超过顶部和底部。)

结合图5进一步的解释。所述套筒一端的顶部(在这种情况下最突出)以33表示，并且所述侧部和最少的突出部以34表示。所述转换器以35表示。所述元件33和34的叠放是经过选择的以便当一段设法拖到一组磁极的时候，另一段处在“之间”的状态，因此不会对这种力起作用。当所述电枢相对于转换器运动的时候，所述位置翻转。其间，套筒端的逐级的轮廓线帮助实现此过程。在套筒的这端，所述影响减小所述净连接力。

在所述套筒的另一端37，采用一相似的布置，除了所述元件的相对突出端是预设的(对其物理长度仔细的选择)以便所述另一端的行动对于第一端36是异相的，参见图4套筒的左手和右手端。这样进一步减小了磁阻的影响，与图3所示所示的原始振幅相比如图6所示的所述最终的净作用力38被充分的减小。另一种套筒端轮廓是可行的，例如城形轮廓线的组合，渐进曲线的结合，以便恰好进一步减少所述磁阻的影响。

现在将描述本发明的一个重要的方面。从如图4所示的套筒来看，其是由大量的离散元件形成。这样做的原因如下。

用固体导电材料制作这样的套筒(正如带有简单铁磁圆柱体的情况)会遭遇到重大的不利条件。这是在发电期间，所述套筒相对于转换器的适当的运动引起了在其中循环的寄生涡流。这些涡流会使套筒变热并且由于涡流产生了磁场因此会抵制所述电枢经过所述转换器，至少是有害的。这导致了一反向的力反作用于运动引起的力。这些影响在某种程度上可以通过在套筒上开槽而减小但是由于必须存在的材料被省略而减小了套筒的效力。

根据本发明形成的图4所示的套筒以31概括示出，该套筒也克服了由环形涡流引起的所述困难。这包括了多个细长的离散元件39、40等，每一个都由高磁导率的铁磁材料制成，例如软铁或“硅铁合金”(TRAPOFERM)。这些元件的每一个都与其它元件绝缘。所述元件连续的抽出所述磁力线，基本上就像套筒由一单个部件制成，但是因为它们互相绝缘，这几乎完全消除了涡流的循环，涡流被限定在所述纵向元件内部。因此根据输出来衡量有一重要的优点，该输出不会由于涡流产生任何显著的影响。

图7示出图2b所示的套筒零件的展开图。再一次示出离散的纵向元件39、40、41拼凑成所述套筒。每个元件在其整个长度上都是绝缘的以阻止电流传导至其旁边的元件。

参见图8，所示的装置42用于进一步减小磁体安置在转换器之内超过其安全操作点的可能性。(由于强退磁磁场的存在或者磁体暴露在这样的磁场且在高温下操作时存在这种可能性。)

综上所述，本发明中存在的套筒有助于磁体安全操作因为该套筒提供了一现成的传播磁场的路径。然而，所述套筒的(平均)长度制造成这样以便其仅覆盖所述电枢的线圈端，被套筒共轴环绕的所述磁体不会像更靠近中心的线圈一样得到相同的保护范围。因此套筒被制成具有超出的长度，具有如图43、44所示的有益边缘，该长度超过电枢线圈层的长度L。通过这种方式，套筒提供的磁场耦合可以被认为在整个有效磁体上良好延伸因此有助于在安全操作点内的功能。

众所周知，通过尽可能的减小磁间隙可以使电磁器械内的磁耦合最大化。用于达到此目的的装置，在此情况下参见图9所示的所述套筒管状线性发电机，图9为线圈和套筒的端视图。为了保护和联结的目的习惯于把线圈装入树脂中，如47所示以其代替铸模，而不是把组成套筒的独立元件装配到(硬化的)树脂上，这样会导致增大间隙。通过这种方式，组成套筒的独立元件尽可能的接近线圈表面48，并且因此所述与转换器磁体耦合的磁通量最大化。

众所周知，对于永磁体类型的旋转电动机，短路其电枢线圈可以有效的停止其电枢的运转。在管状线性发电机的情况下，短路其电枢线圈类似于对所述转换器相对于其电枢的运动提供一现成且高效的制动作用。然而，从上面的描述可以理解，当套筒的结构的真正避免了环形涡流的时候，所述套筒对该作用没有贡献。

可是，在特殊情况下，套筒对于在尽可能短的时间内阻止运动是有用的，尤其是在波能转换器中，例如可能会有未预料到的振幅波突然到来。

例如这可能引起驱动一线性发电机的减震器不适当的运动，结果会损坏到后者。

参见图10示出了使套筒能够对制动起作用的方法。每个元件49、50等都连接到相应的开关51、52等。每个开关的另一半连接到一汇流条53。通过接通所述开关中的一些或全部，能够提供一条通路，一些通路中会有涡流循环，虽然涡流是在一有限的程度内，因此容许所述套筒增加所述制动功能。

本领域技术人员可知本发明可以有多种变化。

Claims (9)

1.一种线性发电机，其有一圆环电枢和一与该电枢同心设置并穿过所述电枢的转换器，并且二者可以沿纵轴彼此相对运动，其中，一磁力能穿透的套筒被固定且环绕在该电枢的周围，所述套筒是根据其一端或两端周围的磁导率而构造的以便套筒上沿电枢相对于转换器的运动方向的纵向磁阻力的变化减小；其中所述套筒磁导率的轮廓线通过套筒端周围处套筒一端或两端材料的量的变化而得到，这样的变化以套筒材料缺失的变化形式设置在所述电枢的周围；其中所述套筒包括大量的独立铁磁体元件或由其组成，铁磁体元件用于从转换器中抽出磁通线，但是每一个铁磁体元件是成型的和单独绝缘的以便充分消除绕着和/或沿着所述套筒周围的涡流循环。

2.根据权利要求1所述的线性发电机，其特征在于：套筒材料量的变化是通过环绕所述电枢的横跨套筒的长度方向的边的纵向偏移的变化来实现，这样一种偏移变化的实施例可能是正弦曲线、三角形曲线或城墙形曲线。

3.根据权利要求2所述的线性发电机，其特征在于：所述套筒的两端是如此构造的，在所述套筒基体相反端边缘部的偏移是这样的以便两端的边缘部之间的距离在所述套筒周围是基本连续的。

4.根据权利要求1所述的线性发电机，其特征在于：所述独立元件由铁磁体材料的离散段组成，每一个独立元件都与其旁边的元件绝缘，彼此平行设置且相临以便形成所述电枢套筒。

5.根据权利要求4所述的线性发电机，其特征在于：所述铁磁体材料为软铁。

6.根据权利要求1所述的线性发电机，其特征在于：所述元件包括单独的微粒。

7.根据权利要求6所述的线性发电机，其特征在于：所述微粒为嵌入在塑料材料中的小滚珠轴承或铁结晶物。

8.根据权利要求1所述的线性发电机，其特征在于：大量或是所有的独立元件组成或包含在套筒之内，每个元件都通过导线以传导的方式连到公共转换开关工具，允许彼此选择比例的连接或是全部连接，并且以此来控制涡流循环。

9.根据上述任一项权利要求所述的线性发电机，其特征在于：所述套筒长度的最小值仍然超过所述电枢的纵向长度。

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