CN101964567A - 直驱式发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直驱式发电系统，该发电系统包括直线运动式内燃机和永磁直线发电机，直线运动式内燃机的活塞与永磁直线发电机的两端轴连接；永磁直线发电机包括初级铁心、初级线圈、次级铁心和非导磁材料轴，初级铁心、初级线圈、次级铁心、非导磁材料轴由外向内依次排列；初级线圈绕制在初级铁心的内侧，非导磁材料轴嵌在次级铁心的内部，在次级铁心外侧套装有Halbach阵列的永磁体，并使得永磁体外侧的磁场增强，内侧的磁场减弱。本发明采用直线运动式内燃机，是一种体积小、质量轻且发电效率高的永磁直线发电系统，适用于船舶用发电系统中。
Description
技术领域
本发明属于直线发电机领域。具体地说是一种可用于船舶用发电系统中的直驱式发电系统。
背景技术
随着全球经济一体化趋势的加快，船舶运输行业也显得越来越重要。尤其21世纪以来我国的造船行业迅猛发展，船舶中电气设备的增加对于船舶发电系统的能效、体积空间等要求越来越高。但是船舶中关键的电能生产设备，即船舶电站系统，由我国自主设计开发的极其少见，即使有效率也很难达到很好的效果。实践表明，同样拥有三台发电机的国产船舶电站系统在用电负荷高峰时要同时三台并联运行，但是国外的电站系统只需要两台就足够，一台做备用机。也就是说具有良好性能的船舶电站系统在能源的利用率方面能够发挥出其优秀的潜能。
传统的电站系统存在如下缺点：1、柴油机曲轴的存在增加了船舶电站设备的制造成本，并使得能量的转换效率大大降低；2、传统船舶电站中采用的是传统的同步发电机，发电机的能量转换效率较低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种直驱式发电系统，该直驱式发电系统采用直线运动式内燃机，是一种体积小、质量轻且发电效率高的永磁直线发电系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种直驱式发电系统，其特征在于：该发电系统包括直线运动式内燃机和永磁直线发电机，所述直线运动式内燃机的活塞与永磁直线发电机的两端轴连接；所述永磁直线发电机包括初级铁心、初级线圈、次级铁心和非导磁材料轴，所述的初级铁心、初级线圈、次级铁心、非导磁材料轴由外向内依次排列；初级线圈绕制在初级铁心的内侧，非导磁材料轴嵌在次级铁心的内部，在次级铁心外侧套装有Halbach阵列的永磁体，并使得Halbach阵列的永磁体外侧的磁场增强，内侧的磁场减弱。
本发明中，直线运动式内燃机活塞连接于圆筒形Halbach永磁直线发电机轴两端，在内燃机作直线运动过程中带动直线永磁发电机做直线运动，把直线运动的机械能转换成电能。
Halbach永磁阵列具有削弱一边磁场，增强另一边磁场的特性。本发明中发电机正是利用Halbach永磁阵列的这一特性，削弱次级内侧的磁场同时增强气隙磁场，提高了永磁体的利用率，增大了发电机的发电功率，减小了次级铁心中的损耗。
本发明采用Halbach永磁阵列，应用于船用直线发电机，具有以下几个优点：
(1)Halbach永磁阵列具有自屏蔽效应，其所产生的磁场具有单边性，使用Halbach永磁阵列可以使气隙一侧的磁场得到显著加强，而使次级内侧的磁场大大减弱，如此一来，提高了发电机的功率密度，提高了永磁体的利用率，同时减少了次级铁心中的涡流损耗。
(2)Halbach永磁阵列所产生的气隙磁场近似于正弦分布，大大减小了气隙磁感应密度的谐波分量，因而不必使用斜槽来抑制谐波分量的影响，从而简化了电机的结构，使电机的运行更加稳定。
(3)由于Halbach永磁阵列的自屏蔽效应，次级内侧基本上没有磁力线通过，所以次级可以不再使用铁心材料为磁力线提供通路，而使用非导磁材料来代替，这样可以减小发电机的体积和重量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中永磁直线发电机的结构示意图；
图3是本发明中永磁体布置方向图，其中(a)为相邻永磁体块磁化角度差为45°的永磁阵列，(b)为相邻永磁体块磁化角度差为60°的永磁阵列。
图4是常规阵列，相邻永磁体块磁化角度差为45°、60°时的气隙磁密比较图。
具体实施方式
一种本发明所述的直驱式发电系统，见图1和图2。该发电系统包括直线运动式内燃机20和永磁直线发电机10，直线运动式内燃机20的活塞与永磁直线发电机10的两端轴连接。永磁直线发电机10包括初级铁心1、初级线圈2、次级铁心5和非导磁材料轴6，初级铁心1、初级线圈2、次级铁心5、非导磁材料轴6由外向内依次排列；初级线圈2绕制在初级铁心1的内侧，非导磁材料轴6嵌在次级铁心5的内部，在次级铁心5外侧套装有Halbach阵列的永磁体4，并使得Halbach阵列的永磁体4外侧的磁场增强，内侧的磁场减弱。在Halbach阵列的永磁体4与初级线圈2绕组之间为气隙3。
本发明在圆筒型直线发电机的次级内层使用非导磁材料，然后用铁磁材料围绕在非导磁材料上，再将Halbach永磁阵列安装于铁磁材料的表面上，如图2所示。
由于Halbach永磁阵列产生的磁场具有单边性，所以，次级铁心的磁感应强度B很小，因而在次级铁心中引起的涡流损耗就很小；而在气隙中产生很强的磁场，从而在相同永磁材料情况下产生的感生电动势就大，提高了发电机的发电效率，使永磁材料得到了更加充分的利用。而且Halbach永磁阵列产生的磁场很接近正弦波，谐波分量很小，因而产生的漏抗很小，提高了发电机的运行稳定性。
初级铁心1和次级铁心5使用硅钢片，Halbach永磁阵列4使用钕铁硼永磁材料，让Halbach永磁阵列相邻永磁体块之间的磁化角度差为45°，此种情况下产生的气隙磁场谐波分量很小，要远远小于使用常规永磁阵列的情况，如图4所示，图4是常规阵列，相邻永磁体块磁化角度差为45°、60°时的气隙磁密比较图。其中平顶波①为使用常规永磁体时的气隙磁密波形，另外两个波形中，浅色的②是使用相邻永磁体块磁化角度差为60°的Halbach永磁阵列时的气隙磁密波形，深色的③是使用相邻永磁体块磁化角度差为45°Halbach永磁阵列时的气隙磁密波形。
由图4可知，得到的气隙磁密最大值比使用常规阵列增加了16％以上，显著的提高了永磁体的利用率，改善了发电机的发电效率。
将该发电机用于直线电站系统中，直线运动式内燃机的直线运动带动发电机的次级上下做直线往复运动。由于发电机次级的运动引起气隙磁场的变化，从而在初级绕组2中产生感应电动势，通过输电线路A、B、C向外供电。
本发明中Halbach永磁直线发电机由于产生的气隙磁密比使用常规永磁阵列的大，所以产生的感生电动势也大，向外输出的电能多，显然比使用常规永磁阵列的发电机发电效率高。
Claims (3)
1.一种直驱式发电系统，其特征在于：该发电系统包括直线运动式内燃机(20)和永磁直线发电机(10)，所述直线运动式内燃机(20)的活塞与永磁直线发电机(10)的两端轴连接；所述永磁直线发电机(10)包括初级铁心(1)、初级线圈(2)、次级铁心(5)和非导磁材料轴(6)，所述的初级铁心(1)、初级线圈(2)、次级铁心(5)、非导磁材料轴(6)由外向内依次排列；初级线圈(2)绕制在初级铁心(1)的内侧，非导磁材料轴(6)嵌在次级铁心(5)的内部，在次级铁心(5)外侧套装有Halbach阵列的永磁体(4)，并使得Halbach阵列的永磁体(4)外侧的磁场增强，内侧的磁场减弱。
2.根据权利要求1所述的直驱式发电系统，其特征在于：所述初级铁心(1)和次级铁心(5)由硅钢片制成。
3.根据权利要求1所述的直驱式发电系统，其特征在于：所述Halbach阵列的永磁体(4)采用钕铁硼永磁材料，且Halbach阵列的永磁体(4)中相邻永磁体块之间的磁化角度差为45°。
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