CN101976929B - 混合磁路永磁直线发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合磁路永磁直线发电机，其特征在于：该永磁直线发电机主要包括定子铁心和动子；所述动子设置在定子铁心内，所述定子铁心上开槽形成多个定子齿，在所述定子齿上缠绕有定子绕组；所述动子的表面设置有多个永磁体，相邻永磁体的极性相反，形成纵向横向混合磁路；所述定子铁心的定子齿与永磁体之间形成气隙。本发明结构合理，效果明显，可以很好的解决以往的装置中存在的问题。

Description

混合磁路永磁直线发电机
技术领域
本发明涉及一种用于热声发电系统的新型混合磁路永磁直线发电机，是一种利用直线运动将声波型机械能转化为电能的装置，其应用于热声发电技术领域。
背景技术
热声发电技术是一种全新的热电转换技术，具有可靠性高、制作成本低、热效率高(30%～40%)以及环保等优点。特别是热声发电技术可利用太阳能、工业余热以及任何燃料燃烧产生的热能来工作，因而热声发电技术正在成为能源动力研究领域里的一项前沿技术。它包括两个子系统:热声发动机和直线发电机。通过热声发动机将热能转化成声功(也是一种机械能),再利用直线发电机将声功转化成电能。行波型热声发动机不论在效率上,还是在净输出功上,都已经达到了较高的水平,为实现热能到机械能的利用提供了一种有效的途径。
但目前的直线发电机与热声发动机之间需要中间传动机构来连接，其结构和施工操作都复杂，且原始电机轴向运动与径向磁场分布存在矛盾，大大影响其使用效果。
发明内容
发明目的：本发明提供一种混合磁路永磁直线发电机，其目的是解决以往的直线发电机与热声发动机之间需要中间传动机构来连接所造成的结构复杂和效率低的问题以及轴向运动与径向磁场分布存在矛盾的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
混合磁路永磁直线发电机，其特征在于：该永磁直线发电机主要包括定子铁心和动子；所述动子设置在定子铁心内，所述定子铁心上开槽形成多个定子齿，在所述定子齿上缠绕有定子绕组；所述动子的表面设置有多个永磁体，相邻永磁体的极性相反，形成纵向横向混合磁路；所述定子铁心的定子齿与永磁体之间形成气隙。
定子铁心采用旋转电机结构；定子绕组为集中绕组。
所述发电机既可以采用动子旋转的方式发电，也可以采用动子直线往复运动的方式发电；所述发电机与热声发动机匹配时，采用动子直线往复运动的发电方式；所述动子设置在动子轴上。
永磁体采用径向充磁方式。
所述动子直线往复运动的频率为0-200Hz之内，以便适合频率响应特性。
所述永磁体采用钕铁硼永磁体。
优点及效果：本发明提供一种混合磁路永磁直线发电机，其特征在于：该永磁直线发电机主要包括定子铁心和动子；所述动子设置在定子铁心内，所述定子铁心上开槽形成多个定子齿，在所述定子齿上缠绕有定子绕组；所述动子的表面设置有多个永磁体，多个永磁体之间纵向横向混合交替布置；所述定子铁心的定子齿与永磁体之间形成气隙。
本发明的混合磁路永磁直线发电机是一种利用动子的直线运动直接产生电能的机电能量转换装置。本发明的混合磁路永磁直线发电机省却了激磁损耗，提高电机的效率，降低电机的温升，同时钕铁硼永磁体具有强磁力和高矫顽力，有高的磁动势和气隙磁密，在减小电机体积和重量的同时可增加电机的出力。另外，为解决原始电机轴向运动与径向磁场分布的矛盾，本发明采用了混合磁路方式，即永磁体磁极沿径向交替排列，沿轴向也交替排列，形成纵向横向混合磁路，其结构如图2所示。
采用本发明的混合磁路永磁直线发电机体积小，质量轻，功率密度高。
混合磁路永磁直线发电机内部存在三维交变电磁场, 要想准确地弄清楚它在空间的分布情况和随时间的变化规律,从而求出电机的动稳态性能,采用传统的等效磁路的方法比较困难。因此,本发明利用有限元方法直接求出磁场分布,分析发电机的性能，配以适当的控制策略使发电机的机电能量转化达到效率最优。
本发明的混合磁路永磁直线发电机可以直接与行波型热声发动机输出端谐振管相连，不需要任何中间传动系统，可由热声发动机作为动力源直接带动发电机进行运动，将声能转化成电能，因此具备结构简单，体积小，加工方便，运行可靠等特点。
利用热声发动机发出的声能（机械能）带动本发明的混合磁路永磁直线发电机动子进行直线运动，动子磁通切割直线发电机定子绕组，产生感应电动势。
本发明的混合磁路永磁直线发电机可以直接应用于热声发电系统，不需要中间传动机构，在热声发动机直接拖动下进行直线运动，将声能直接转化为电能，设备结构简单，可靠性好。
本发明的具体优点如下：
1）本发明的实施使得热声发动机利用热声效应把热能转化为声能，没有机械运动部件，结构简单。本混合磁路永磁直线发电机由于采用具有强磁力和高矫顽力的钕铁硼永磁材料，在减小电机体积和重量的同时可增加电机的出力。两个子系统构成了结构匹配、热电转化效率较高的热声发电系统。
2）动子在热声发动机产生的声波压力作用下做直线往复运动，在永磁直线发电机内部产生一个随时间变化的磁场。
3）交变的磁场切割定子绕组产生感应电动势。在外电路闭合的情况下，热声发电系统通过热声发动机将热能转化为声能，再通过本发明的混合磁路永磁直线发电机将声能转化为电能。
4）本发明的混合磁路永磁直线发电机既可以旋转发电，也可以直线往复运动发电，与热声发动机匹配时，电机为直线往复运动方式。
另外：
1）            采用本发明的热声发电系统由热声发动机和混合磁路永磁直线发电机组成，结构简单，操作方便。
2）            采用本发明的热声发电系统直接以热能为驱动源，可以应用于电能缺乏的场合，特别是工业余热、燃料燃烧或是太阳能可利用率较高的地区。
3）            热声发电系统由热声发动机直接驱动本发明的混合磁路永磁直线发电机的动子运动，减少中间环节，可靠性好，节约成本。
4）            采用本发明的热声发电机的工质是氮气或是惰性气体，对环境友好，顺应了国家保护环境，可持续发展的愿景。
5）            本发明的混合磁路结构提高了发电机的热声电的转换效率。
6）            当本发明中定子、动子任意一端对齐时，还可以当旋转电机使用，以适用于特殊场合的应用。
附图说明：
图1是本发明的混合磁路永磁直线发电机的平面结构示意图；
图2是本发明的混合磁路永磁直线发电机的三维结构示意图；
图3是本发明的混合磁路永磁直线发电机的定子绕组结构示意图；
图4是本发明的混合磁路永磁直线发电机的动子和永磁体结构示意图；
图5是本发明的混合磁路永磁直线发电机空载时磁场分布示意图；其中图5-1为XY轴的平面磁通密度分布图；图5-2为ZY轴的平面磁通密度分布图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不因具体的实施例限制本发明。
如图1所示，本发明提供一种混合磁路永磁直线发电机，该永磁直线发电机主要包括定子铁心1和动子4；所述动子4设置在定子铁心1内，所述定子铁心1上开槽形成多个定子齿，在所述定子齿上缠绕有定子绕组2，定子绕组2为集中绕组，相比于环形绕组方式，集中绕组方式产生的感应电动势大，且结构简单，工艺性好；所述动子4的表面设置有多个永磁体5，多个永磁体5之间纵向横向混合交替布置，也就是说相邻永磁体5的极性相反，形成纵向横向混合磁路；所述定子铁心1的定子齿与永磁体5之间形成气隙6。定子铁心1采用旋转电机结构；永磁体5采用径向充磁方式。所述永磁体5采用钕铁硼永磁体时效果最好。
所述发电机既可以采用动子4旋转的方式发电，也可以采用动子4直线往复运动的方式发电，而直线往复运动方式是主要运动方式；所述发电机与热声发动机匹配时，采用动子4直线往复运动的发电方式。所述动子4设置在动子轴3上
所述动子4直线往复运动的频率为0-200Hz之内，以便适合频率响应特性。
如图2所示，本发明的混合磁路永磁直线发电机既可以旋转发电，也可以直线往复运动发电，与热声发动机匹配时，本发明采用直线往复运动方式。图3是本混合磁路永磁直线发电机的定子绕组结构示意图。定子绕组2采用集中绕组方式，相比于环形绕组方式，集中绕组方式产生的感应电动势大，且结构简单，工艺性好。图4是本混合磁路永磁直线发电机的动子和永磁体结构示意图。永磁体5位于动子4的表面，永磁体采用径向充磁方式，相邻永磁体的极性相反，形成纵向横向混合磁路。图5是本混合磁路永磁直线发电机空载时磁场分布示意图，  其中图5-1为XY轴的平面磁通密度分布图；图5-2为ZY轴的平面磁通密度分布图。本发明的混合磁路永磁直线发电机的磁路分布比常规电机的复杂，呈三维分布，既有横向磁场，又有纵向磁场，主要分为：①主磁场，是指经过定子磁轭闭合的部分；②极间漏磁，是指永磁体与相邻相反极性永磁体形成闭合回路。③端部漏磁。
本发明的混合磁路永磁直线发电机既有横向磁场又有纵向磁场，结构新颖，工业制造简单。热声发电系统在热声发动机产生的声波（即声能也就是机械能）的压力下直接带动本发明的混合磁路永磁直线发电机的动子进行直线运动，使动子磁通切割定子绕组，产生感应电动势，产生一个随时间变化的磁场，交变的磁场切割定子绕组产生感应电动势。在外电路闭合的情况下，热声发电系统通过热声发动机将热能转化为声能，再通过本发明的混合磁路永磁直线发电机将声能转化为电能。
本发明结构合理，效果明显，可以很好的解决以往的装置中存在的问题。

Claims (3)

1.混合磁路永磁直线发电机，其特征在于：该永磁直线发电机主要包括定子铁心（1）和动子（4）；所述动子（4）设置在定子铁心（1）内，所述定子铁心（1）上开槽形成多个定子齿，在所述定子齿上缠绕有定子绕组（2）；所述动子（4）的表面设置有多个永磁体（5），相邻永磁体（5）的极性相反，形成纵向横向混合磁路；所述定子铁心（1）的定子齿与永磁体（5）之间形成气隙（6）；
定子铁心（1）采用旋转电机结构；定子绕组（2）为集中绕组；
所述发电机既能够采用动子（4）旋转的方式发电，也能够采用动子（4）直线往复运动的方式发电；其中，当所述发电机与热声发动机匹配时，采用动子（4）直线往复运动的发电方式；所述动子（4）设置在动子轴（3）上；
永磁体（5）采用径向充磁方式。
2.根据权利要求1所述的混合磁路永磁直线发电机，其特征在于：所述动子（4）直线往复运动的频率为0-200Hz之内，以便适合频率响应特性。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的混合磁路永磁直线发电机，其特征在于：所述永磁体（5）采用钕铁硼永磁体。
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