CN102035323A - 使用磁流体轴承的发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用磁流体轴承的发电机。此发电机包括定子，其具有多个磁体，该多个磁体由可磁化材料磁轭相互隔开。一个转子安置在定子之间，转子在水平面上旋转。转子包括多个线圈，在旋转期间因为穿过由定子产生的磁场而产生电流。第一磁流体轴承组被安置在第一定子和转子之间，第二磁流体轴承组被安置在转子和第二定子之间。第三组磁流体轴承被安置在靠近转子的圆周围，并被设置以将转子置于中心位置。在一个实施例里，发电机是由风力驱动，并被容纳在一个风力收集外壳内。

Description

使用磁流体轴承的发电机

技术领域

本发明通常涉及发电机，特别涉及包括磁流体轴承(ferrofluid bearings)以进行平滑旋转的发电机。

背景技术

发电机是一种已经比较完善的设备，其中机械能通过磁电效应被转化成电能。当磁通量（magnetic flux）发生变化时，通常是电导体移动穿过一个磁场，这时就有电流流过电导体。通常使用各种机械能用于所需运动，如蒸汽（由矿物燃料或核燃料产生）、水、压缩空气、以及风力。通常发电机都有一个被称为转子（rotor）的旋转部件，以及一个被称为定子（stator）的固定不动的部件。电导体则是导线圈/绕组的形式，可置于转子或定子上。类似地，提供磁场的磁体（或是永磁体或是电磁体）也可置于转子或定子上。

由于转子相对于定子进行旋转，发电机和许多有旋转部件的机器一样，在相关旋转部件之间使用轴承。但是，传统的球轴承在低转速时有较高的转矩（rotational torque），而在高转速时有较低的转矩。产生的摩擦热会削弱球轴承使用的润滑剂，进而损坏轴承。此外，在高转速时，球轴承可能发生振动，在小的设计公差时,这会产生问题。

因此，就有需要改进现有技术的发电机，使其具有改进的轴承以确保在一个较长运行生命周期内的平滑运行。

发明概述

本发明使用各种构造的磁流体轴承以确保在一个或多个定子之间和在一个或多个转子之间的平滑相对旋转。本发明也使用磁流体轴承以将转子置于中心位置，以保持转子和定子之间的同轴性。

在一个实施例里，发电机包括第一和第二定子，每个定子包括多个磁体，其被磁化材料磁轭相互隔开。磁体的设置，使得相邻磁体之间的磁化方向交替相反，由此磁通量集中在磁化材料里。在一个实施例里，磁通量几乎垂直于定子平面。一个转子安置在定子之间，转子在水平面上旋转。转子包括多个线圈，在旋转期间，因为穿过由定子产生的磁场而产生电流。

第一组磁流体轴承被安置在第一定子和转子之间，第二组磁流体轴承被安置在转子和第二定子之间。第三组磁流体轴承被安置在靠近转子的圆周围，并被设置以将转子置于中心位置。转子圆周围可以是内围或外围。

另外，磁体也可以安置在转子上，而线圈安置在定子上。

在一个实施例里，本发明的发电机用于一个风力收集装置，以提供发电所需的机械能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一个发电机的部分截面的透视图。

图2是图1发电机的俯视图。

图3A描述上部位置的磁流体轴承，而图3B描述下部位置的磁流体轴承和侧部位置的磁流体轴承。

图4A-4C分别是磁流体轴承灵活的安装配置以允许轴承强度变化的侧视图、截面图和俯视图。

图5A-5B分别是磁体在转子上和线圈在定子上的发电机的侧视图和截面图。

图6A-6B分别是灵活的磁体构造的侧视图和截面图，以产生径向磁化方向相对于转子旋转方向。

图7是磁流体轴承用于顶部和底部轴承以及侧部轴承，关于轴承长度和转子长度的详情。

图8描述用来收集电力的电连接器。

图9A-9D描述关于沿着转子外围、内围或内外围组合而安置的侧部磁流体轴承的多种构造。

图10A-10B显示当使用较少数量磁流体时磁流体轴承的构造。

图11A-11B显示当使用比图10更多数量磁流体时磁流体轴承的构造。

发明详述

参照附图，图1描述本发明一个实施例的一个发电机100。发电机100包括定子10和转子20。每个定子10包括磁体12与可磁化材料14交替排列（图2中更清楚），可磁化材料14充当磁轭。磁体被排列成与相邻磁体磁方向相反。这样，磁化材料14传输并聚集磁通，使其方向与转子旋转方向垂直。

转子20包括多个线圈22，旋转时，因为穿过由定子产生的磁场而产生电流。线圈被嵌入在一种聚合材料24内，可选择地，线圈不需要磁心以避免形成涡电流（eddy current）。转子有一个垂直轴，在各个附图里都是在水平面上旋转。

为了使转子和定子之间的相对运动成为可能，并使转子置于中心位置，可以将各种磁流体轴承安置在发电机100上。磁流体轴承是基于磁流体材料。磁流体是磁体或磁化颗粒的胶状悬浮（colloidal suspension），如氧化铁颗粒，其颗粒尺寸通常在30和150埃（angstroms）之间。表面活性剂（如油酸、氢氧化四甲铵、柠檬酸和大豆卵磷脂）在一端吸收颗粒，而在另一端吸收载液（通常是如合成碳氢或合成油脂的润滑剂）。这样确保即使在强磁场情况下也能分离颗粒。在有磁场情况下，磁流体移动到最高磁通量的区域，并留在此区域，即使在高负荷情况下。因此，轴承可以由磁流体制成，而不需要特别的防漏密封。

磁流体属性，如粘度和饱和磁化强度，是由颗粒组成、颗粒尺寸、颗粒浓度和所选择的载液和表面活性剂来决定的。在轴承应用里使用时，饱和磁化强度越高，磁流体轴承能够承受的负荷越大。对本发明的实施例，通常选择大约50mT到60mT的饱和磁化强度。为了最小化滑动摩擦（sliding friction），选择低粘度的载液。对本发明的实施例，粘度值通常小于40厘泊（centipoise）。不同于机械轴承，磁流体轴承的硬度与转速成比例，这是因为润滑载液的流体动力效应（hydrodynamic effect）。

从Ferrotec公司（Nashua, NH,美国）可以购得磁流体材料。

由于磁流体移动到最高磁通量的区域，如附图3A和3B所示，磁流体轴承30和磁流体轴承40被吸引到可磁化的磁轭材料14处，其中通量被密集地集中用于发电机100。磁流体轴承30被安置在底部定子和转子之间，而磁流体轴承40被安置在转轮和顶部定子之间。第三组磁流体轴承50被安置在靠近转子的圆周围（为了清晰起见，转子未在图3B内显示）。将转子置于中心位置，这特别适用于转子没有一个中心轴的实施例。

依照不同轴承组30、40和50所需的负荷承载，可以根据磁体12的尺寸和强度、磁化材料14的尺寸、以及以上所述的磁流体组成进行客户化定制磁流体轴承。图4A描述了这些因素的各种组合以建立有着显著不同属性的磁流体轴承组。在图4B的例子里，磁流体轴承30必须支撑转子20的重量，因此其比磁流体40更大。在任何磁流体轴承组30、40和50内，各个轴承都可能有不同的属性。例如，在轴承组40里，由于所选的可磁化磁轭材料14的尺寸、所选磁体12的尺寸和所选磁流体材料的数量，单个轴承42和44可以有不同的尺寸和形状。

依照所使用的磁流体数量，磁流体轴承采用不同的构造。例如，如图10A-10B所示，磁流体轴承30、40和50在磁轭材料的边缘靠近磁体处形成多个圆形轴承。当使用更多数量的磁流体时，沿着磁轭材料的长度上形成一个连续的轴承，如图11A和11B所示。

如图7所示，因为轴承的硬度有了改进，靠近磁流体轴承的转子20的表面长度应该比轴承（30、40）的长度更长。类似地，对侧部轴承，转子厚度应该比轴承50的长度更大。

尽管图1和2的实施例使用的磁体安置在定子上，线圈安置在转子上，但是，磁体和线圈也可以分别安置在转子及定子上。此实施例在图5进行描述，其中发电机200包括在定子210上的线圈以及在转子220上的磁体222和磁化材料224。

一个轻薄的绝缘外壳90包住发电机100，同时容纳磁体52用于侧部磁流体轴承50（如图2所示）。如图9A所示，用于侧部磁流体轴承50的磁体的磁化方向不受限制，只要所选择的构造能够在磁流体安置的区域内产生较高的磁通量密度。因此，图9A的磁体52的极性可以是任何方向，如图所示。此外，对侧部轴承50，可以使用多种构造以将转子置于中心位置，如将轴承置于转子20的外围上（图9A和9B）、置于转子20的内围上（图9C）或一个外围和内围组合上（图9D）。

在本发明的一个实施例里，发电机100有由风力给予的机械能。为了使转子旋转并产生电力，风力驱动叶片60（图1、2）。在图1和2的实施例里，该发电机的构造是用于风力从发电机底部吹向发电机顶部。在此实施例里，轴承组40抵抗向上的推力。通过被嵌入或连接到叶片60的导线，收集来自线圈22的电力。

如图8所示，一个电连接器70将来自所有线圈的电力转移到一个中央采集电缆80。当定子是磁体而转子包括线圈时，连接器70包括一个或多个引线72、74，其从叶片中心62延伸到一个插槽76。插槽76包括圆形轨道78，轨道内有液体金属79（如镓、镓合金）。旋转时，引线72、74在圆形轨道内旋转，将产生的电力传递到液体金属79。采集电缆80也被电连接到液体金属，从而产生的电力沿着采集电缆传递到一个将使用电力的目标点。或者，当定子包括线圈而转子包括磁体时，在线圈内产生的电流通过定子里的导线或其它电连接器被传递到采集电缆80。

在一个实施例里，本发明的发电机被容纳在一个风力收集装置内。风力收集装置是一个全向的风力收集器，其汇集并加速来自进风口的风力，将风向上发送，穿过叶片60以驱动转子旋转。风力收集装置的其它细节在待决的美国专利申请（申请号12/901,529）内披露，在此其披露通用引用被结合到本发明。但是，应该理解，本发明的发电机能够使用各种形式的机械能来驱动转子如蒸汽动力和水力。

尽管以上已经描述了本发明的有关实施例，但这些实施例是非限制性的。本领域技术人员将会理解，可以对其作出许多改变和修改。这些改变和修改被看作是所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种发电机，包括：

第一和第二定子，每个定子包括多个磁体，这些磁体由多个可磁化材料相互隔开，磁体的排列使得相邻磁体之间的磁化方向交互相反，从而磁通量被聚集在磁化材料内；

一个转子，其被安置在第一和第二定子之间，并被设置以在水平面上旋转，转子有多个线圈，在旋转期间，因为穿过由定子产生的磁场而产生电流；

第一磁流体轴承组，其被安置在第一定子和转子之间；

第二磁流体轴承组，其被安置在转子和第二定子之间；

第三磁流体轴承组，其被安置在靠近转子的圆周围，并被设置以将转子置于中心位置。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中磁体的设置使得磁通量都集中在可磁化材料里，且方向垂直于定子平面。

3.根据权利要求1所述的发电机，还包括置于转子中心的叶片，转子由风力驱动旋转。

4.根据权利要求3所述的发电机，还包括置于转子中心的电连接器，与一个靠近该电连接器的的插槽电连接，插槽内有液体金属。

5.根据权利要求1所述的发电机，其中第一、第二和第三磁流体轴承组中的每个磁流体组有互相不同的属性。

6.根据权利要求5所述的发电机，其中所述不同属性包括以下一个或多个：轴承硬度、磁流体粘度、磁流体饱和磁化强度、磁流体颗粒尺寸、磁流体颗粒组成、磁流体载液组成、磁流体数量、轴承尺寸或轴承形状。

7.根据权利要求1所述的发电机，其中靠近第一或第二或第三磁流体轴承组中的各个磁流体轴承的转子的表面长度比各个轴承的长度更长。

8.根据权利要求4所述的发电机，还包括嵌入在叶片里的导线，用来将电力从线圈传输到电连接器。

9.一种发电机，包括：

第一和第二定子，每个定子包括多个线圈，其在旋转期间因为穿过磁场而产生电流；

一个转子，其被安置在第一和第二定子之间，并被设置以在水平面上旋转；转子有多个磁体，这些磁体由多个可磁化材料相互隔开；磁体的排列使得相邻磁体之间的磁化方向交互相反，由此磁通量被聚集在可磁化材料里；

第一和第二磁流体轴承组，分别被安置在第一定子和转子之间以及转子和第二定子之间；和

第三磁流体轴承组，其被安置在靠近转子的圆周围，并被设置以将转子置于中心位置。

10.根据权利要求9所述的发电机，其中磁体的设置使得磁通量都集中在磁化材料里，且方向垂直于转子表面。

11.根据权利要求9所述的发电机，还包括置于转子中心的叶片，转子由风力驱动旋转。

12.根据权利要求9所述的发电机，还包括一个电连接器，其被安置在定子上用于电连接。

13.根据权利要求9所述的发电机，其中第一、第二和第三磁流体轴承组中的每个磁流体轴承组有互相不同的属性。

14.根据权利要求13所述的发电机，其中所述不同属性包括以下一个或多个：轴承硬度、磁流体粘度、磁流体饱和磁化强度、磁流体颗粒尺寸、磁流体颗粒组成、磁流体载液组成、磁流体数量、轴承尺寸或轴承形状。

15.根据权利要求9所述的发电机，其中靠近第一或第二或第三磁流体轴承组的各个磁流体轴承的转子的表面长度比各个轴承的长度更长。

16.一种风力收集装置，包括根据权利要求1所述发电机。

17.一种风力收集装置，包括根据权利要求9所述发电机。

18.根据权利要求1所述的发电机，其中靠近转子圆周围并将转子置于中心位置的第三组磁流体轴承组被安置靠近转子的外围、转子的内围、或转子外围和转子内围的组合。

19.根据权利要求9所述的发电机，其中靠近转子的圆周围并将转子置于中心位置的第三组磁流体轴承组被安置靠近转子的外围、转子的内围、或转子外围和转子内围的组合。

20.根据权利要求1所述的发电机，其中第一、第二或第三磁流体轴承组中的任何一个磁流体轴承的形状是由用来建立各个磁流体轴承的磁流体数量控制。

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