CN102651594A - 一种带c形定子铁心的开关磁阻发电机 - Google Patents

一种带c形定子铁心的开关磁阻发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带C形定子铁心的开关磁阻发电机，包括机座，机座上设置有多个定子和转子，机座包括用于固定转子的旋转部和用于固定定子的固定部，其中，定子包括C形定子铁心，C形定子铁心上设置有线圈，在C形定子铁心开口的两端为定子极，转子包括转子极，多个转子可在外力作用下依次相对每个定子的定子极同时做直线和旋转运动、使得磁路的磁阻发生变化并在线圈中产生感应电动势。本发明通过采用C形定子铁心，且在机座上设置多个定子和转子，使得转子可同时相对定子做直线和旋转运动，其转子较小，比较容易被驱动，适合用于低速运转发电的情况，例如风力发电，且整体结构简单可靠控制灵活，制造成本低。

Description

一种带C形定子铁心的开关磁阻发电机
技术领域
本发明涉及发电机，更具体地说，涉及一种带C形定子铁心的开关磁阻发电机。
背景技术
电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备。发电机的形式很多，包括：直流发电机、永久磁铁发电机、异步发电机、双馈发电机等等。但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成，定子由定子铁心、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁心(或磁极)、绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件构成。由轴承及端盖将发电机的定子、转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电动势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生感应电流。
但是，上述各种发电机都很难在低速环境下输出较大功率，且结构都很复杂，不利于操作和控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种带C形定子铁心的开关磁阻发电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种带C形定子铁心的开关磁阻发电机，包括机座，所述机座上设置有多个定子和转子，所述机座包括用于固定所述转子的旋转部和用于固定所述定子的固定部，其中，所述定子包括C形定子铁心，所述C形定子铁心上设置有线圈，在所述C形定子铁心开口的两端为定子极，所述转子包括转子极，多个所述转子可在外力作用下依次相对每个定子的所述定子极同时做直线和旋转运动、使得磁路的磁阻发生变化并在所述线圈中产生感应电动势。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述旋转部包括轴承和以所述轴承为中心向外发射出的多个长度相等的辐条，多个所述转子分别设置在每个所述辐条的端部；所述固定部包括设置在所述旋转部外围的环形框，多个所述定子设置在所述环形框内侧面上。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述旋转部包括轴承和连接在所述轴承上的环形框，多个所述转子分别设置在所述环形框的内侧面上；所述固定部包括设置在所述环形框内的中心轴和从所述中心轴向外发射出的多个长度相等、且固定不动的辐条，多个所述定子分别设置在每个所述辐条的端部。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述定子设置在所述机座的外部，所述转子设置在所述机座的内部，每个所述定子包括一个所述C形定子铁心。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述定子设置在所述机座的外部，所述转子设置在所述机座的内部，每个所述定子包括两个所述C形定子铁心。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述定子设置在所述机座的内部，所述转子设置在所述机座的外部，每个所述定子包括一个所述C形定子铁心。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述定子设置在所述机座的内部，所述转子设置在所述机座的外部，每个所述定子包括两个所述C形定子铁心。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述机座上设置有N个所述定子和K个所述转子；其中，所述N和K为不相等大于等于2的整数。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述开关磁阻发电机还包括连接所述线圈的相变换器电路，所述相变换器电路包括串联后连接在直流电源两端的第一器件和第二器件，以及串联后连接在直流电源两端的第三器件和第四器件，所述线圈连接在所述第一器件与所述第二器件的连接点、和所述第三器件与所述第四器件的连接点之间；其中，
在电动阶段，所述第一器件和所述第四器件导通，所述第二器件和所述第三器件截止；
在保持阶段，所述第二器件和所述第四器件导通，所述第一器件和所述第三器件截止；
在发电阶段，所述第二器件和所述第三器件导通，所述第一器件和所述第四器件截止。
本发明所述的开关磁阻发电机，其中，所述开关磁阻发电机还包括控制系统，所述控制系统包括连接直流电源的控制器，所述控制器与所述线圈连接、以在电动阶段将所述C形定子铁心磁化；所述控制器与所述旋转部连接、以驱动所述旋转部带动所述转子转动；所述控制系统还包括用于检测所述转子位置的位置传感器，所述位置传感器与所述控制器连接、以将所述转子位置信号发送给所述控制器。
本发明的有益效果在于：通过采用C形定子铁心，且在机座上设置多个定子和转子，使得转子可同时相对定子做直线和旋转运动，其转子较小，比较容易被驱动，适合用于低速运转发电的情况，例如风力发电，且整体结构简单可靠控制灵活，制造成本低，易于实施。多个转子可在外力驱动下相对定子作直线运动切割磁力线的同时，还能相对定子转动，依次切割多个定子的磁力线，使得多个线圈中均能产生感应电动势，提升发电效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1a是本发明较佳实施例的带C形定子铁心的开关磁阻发电机主要部分结构示意图；
图1b是图1a中带C形定子铁心的开关磁阻发电机中定子、转子位置分布示意图；
图2a是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子结构示意图一；
图2b是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子结构示意图二；
图2c是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子结构示意图三；
图3是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子、转子结构示意图一；
图4是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子、转子结构示意图二；
图5是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子、转子结构示意图三；
图6是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子、转子结构示意图四；
图7是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机中理想相电感曲线示意图；
图8是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子、转子位置(最大相电感)关系示意图一；
图9是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的定子、转子位置(最小相电感)关系示意图二；
图10是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的相变换器电路示意图；
图11a是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的相变换器电路电动状态示意图；
图11b是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的相变换器电路保持状态示意图；
图11c是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的相变换器电路发电状态示意图；
图12是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的相变换器电路在各个阶段相电感、相电流和相电压的变化曲线；
图13是本发明较佳实施例的开关磁阻发电机的控制系统框图。
具体实施方式
本发明较佳实施例的带C形定子铁心的开关磁阻发电机主要部分结构如图1a和图1b所示，其包括机座10，机座10上设置有多个定子20和转子30，机座10包括用于固定转子30的旋转部和用于固定定子20的固定部，定子20数目和转子30数目不同，以便于转子30在磁力作用下相对定子20转动。其中，如图2a、图2b和图2c所示，每个定子20均包括C形定子铁心21，该C形定子铁心21上设置有通电线圈23，线圈23在C形定子铁心21上缠绕的位置可以是如图2a、图2b或图2c中所示的任一位置，C形定子铁心21为非永久磁铁材料(如硅钢片)，在线圈23通电后会将该C形定子铁心21磁化，其磁力线24如图2a、图2b或图2c中虚线所示。在C形定子铁心21开口的两端为定子极22，转子30包括转子极31，多个转子30可在外力作用下依次相对每个定子20的定子极22同时做直线和旋转运动、使得磁路的磁阻发生变化并在线圈23中产生感应电动势。
本实施例的开关磁阻发电机中转子30结构较小，比较容易被驱动，适合用于低速运转发电的情况，例如风力发电。多个转子30可在外力驱动下相对定子20作直线运动切割磁力线24的同时，还能相对定子20转动，依次切割多个定子20的磁力线24，使得多个线圈23中均能产生感应电动势，提升发电效率。且该开关磁阻发电机整体结构简单可靠控制灵活，制造成本低，易于实施。
在进一步的实施例中，如图1a所示，上述旋转部包括可在外力作用下转动的轴承12，和以轴承12为中心向外发射出的多个长度相等的辐条13，相邻辐条13之间的弧度角优选设置为相等，多个转子30分别设置在每个辐条13的端部。上述固定部包括设置在旋转部外围的环形框11，多个定子20设置在环形框11内侧面上。即，转子30位于内部，定子20位于外部。这样，多个转子30可随着辐条13的转动旋转，依次切割定子20的磁力线24，在各个定子20的线圈23中产生感应电动势。
相应地，适用于上述实施例中的机座10结构的定子20和转子30结构如图3和图4中所示。图3中，定子20设置在机座10的外部，转子30设置在机座10的内部，每个定子20包括一个C形定子铁心21。图4中，定子20设置在机座10的外部，转子30设置在机座10的内部，每个定子20包括两个C形定子铁心21，这样可以进一步增加一个开关磁阻发电机中的定子20和转子30数目，进一步提高发电效率。
或者，上述实施例中，机座10的旋转部包括轴承和连接在轴承上的环形框，多个转子分别设置在环形框的内侧面上(未图示)。固定部包括设置在环形框内的中心轴和从中心轴向外发射出的多个长度相等、且固定不动的辐条，相邻辐条之间的弧度角优选设置为相等，多个定子分别设置在每个辐条的端部。即，转子位于外部，定子位于内部。这样，多个转子30可随着环形框的转动旋转，依次切割定子20的磁力线，在各个定子20的线圈23中产生感应电动势。
相应地，适用于上述实施例中的机座10结构的定子20和转子30结构如图5和图6中所示。图5中，定子20设置在机座10的内部，转子30设置在机座10的外部，每个定子20包括一个C形定子铁心21。图6中，定子20设置在机座10的内部，转子30设置在机座10的外部，每个定子20包括两个C形定子铁心21，这样可以进一步增加一个开关磁阻发电机中的定子20和转子30数目，进一步提高发电效率。
优选地，上述各实施例中，在机座10上设置有N个定子20和K个转子30；其中，N和K为不相等大于等于2的整数，以便于转子30在磁力推动作用下转动，如果定子20和转子30的数目相等，在线圈23通电后，定子极22会将转子极31吸死，无法转动。
例如，如图1a中所示的，在轴承12上设置10个辐条13，相邻辐条13间弧度角相等，每个辐条13的端部分别设置一个转子30，在环形圈11内侧等间距设置8个定子20，分别记作A、B、C、D、A’、B’、C’、D’，定子20和转子30位置分布如图1b所示。当采用图4和图6中具有两个C形定子铁心21的定子时，相应在每个辐条13的端部分别设置两个转子30。
开关磁阻发电机中理想相电感如图7中所示，其中，0、θrp/2和θ表示转子30所处的位置，如图8所示，转子30在θrp/2度位置时，定子极22与转子极31对准；如图9所示，转子30在0度位置时，定子极22与转子极31不对准。同时，图7中还示出了开关磁阻发电机中一个单元(一个转子30对应一个定子20)发电过程，其中包括转子30位置由0度至θrp/2度位置时的电动过程(激励过程)，和转子30由θrp/2度至θ度位置、相电感降低时的发电过程。
上述各实施例中，开关磁阻发电机还进一步包括连接线圈23的相变换器电路，如图10所示，相变换器电路包括串联后连接在直流电源VDC两端的第一器件K1和第二器件K2，以及串联后连接在直流电源VDC两端的第三器件K3和第四器件K4，线圈23连接在第一器件K1与第二器件K2的连接点、和第三器件K3与第四器件K4的连接点之间。
其中，如图11a所示，在电动阶段，第一器件K1和第四器件K4导通，第二器件K2和第三器件K3截止；如图11b所示，在保持阶段，第二器件K2和第四器件K4导通，第一器件K1和第三器件K3截止；如图11c所示，在发电阶段，第二器件K2和第三器件K3导通，第一器件K1和第四器件K4截止。
图12中示出了上述相变换器电路在各个阶段相电感、相电流和相电压的变化曲线。其中，L曲线代表相电感，V曲线代表相电压，i曲线代表相电流。正相电压和正相电流表示开关磁阻发电机从直流总线中吸取电流用于电动，负向电压和正向电流表示开关磁阻发电机向直流总线输出电流。
在更进一步的实施例中，如图13所示，开关磁阻发电机还包括控制系统40，控制系统40包括连接直流电源50的控制器41，控制器41与线圈23连接、以在电动阶段将C形定子铁心21磁化；控制器41与机座10的旋转部连接、以驱动旋转部带动转子30转动；控制系统40还包括用于检测转子30位置的位置传感器42，位置传感器42与控制器41连接、以将转子30位置信号发送给控制器41。图13中，C-core SRG 43包括开关磁阻发电机的定子和转子，或其他需要由控制器41进行控制的部件。
本发明通过采用C形定子铁心21，且在机座10上设置多个定子20和转子30，使得转子30可同时相对定子20做直线和旋转运动，其转子30较小，比较容易被驱动，适合用于低速运转发电的情况，例如风力发电，且整体结构简单可靠控制灵活，制造成本低，易于实施。多个转子可在外力驱动下相对定子作直线运动切割磁力线的同时，还能相对定子转动，依次切割多个定子的磁力线，使得多个线圈中均能产生感应电动势，提升发电效率。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种带C形定子铁心的开关磁阻发电机，包括机座(10)，所述机座(10)上设置有多个定子(20)和转子(30)，所述机座(10)包括用于固定所述转子(30)的旋转部和用于固定所述定子(20)的固定部，其特征在于，所述定子(20)包括C形定子铁心(21)，所述C形定子铁心(21)上设置有线圈(23)，在所述C形定子铁心(21)开口的两端为定子极(22)，所述转子(30)包括转子极(31)，多个所述转子(30)可在外力作用下依次相对每个定子(20)的所述定子极(22)同时做直线和旋转运动、使得磁路(24)的磁阻发生变化并在所述线圈(23)中产生感应电动势。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述旋转部包括轴承(12)和以所述轴承(12)为中心向外发射出的多个长度相等的辐条(13)，多个所述转子(30)分别设置在每个所述辐条(13)的端部；
所述固定部包括设置在所述旋转部外围的环形框(11)，多个所述定子(20)设置在所述环形框(11)内侧面上。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述旋转部包括轴承和连接在所述轴承上的环形框，多个所述转子(30)分别设置在所述环形框的内侧面上；所述固定部包括设置在所述环形框内的中心轴和从所述中心轴向外发射出的多个长度相等、且固定不动的辐条，多个所述定子(20)分别设置在每个所述辐条的端部。
4.根据权利要求2所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述定子(20)设置在所述机座(10)的外部，所述转子(30)设置在所述机座(10)的内部，每个所述定子(20)包括一个所述C形定子铁心(21)。
5.根据权利要求2所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述定子(20)设置在所述机座(10)的外部，所述转子(30)设置在所述机座(10)的内部，每个所述定子(20)包括两个所述C形定子铁心(21)。
6.根据权利要求3所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述定子(20)设置在所述机座(10)的内部，所述转子(30)设置在所述机座(10)的外部，每个所述定子(20)包括一个所述C形定子铁心(21)。
7.根据权利要求3所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述定子(20)设置在所述机座(10)的内部，所述转子(30)设置在所述机座(10)的外部，每个所述定子(20)包括两个所述C形定子铁心(21)。
8.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述机座(10)上设置有N个所述定子(20)和K个所述转子(30)；
其中，所述N和K为不相等大于等于2的整数。
9.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述开关磁阻发电机还包括连接所述线圈(23)的相变换器电路，所述相变换器电路包括串联后连接在直流电源两端的第一器件(K1)和第二器件(K2)，以及串联后连接在直流电源两端的第三器件(K3)和第四器件(K4)，所述线圈(23)连接在所述第一器件(K1)与所述第二器件(K2)的连接点、和所述第三器件(K3)与所述第四器件(K4)的连接点之间；其中，
在电动阶段，所述第一器件(K1)和所述第四器件(K4)导通，所述第二器件(K2)和所述第三器件(K3)截止；
在保持阶段，所述第二器件(K2)和所述第四器件(K4)导通，所述第一器件(K1)和所述第三器件(K3)截止；
在发电阶段，所述第二器件(K2)和所述第三器件(K3)导通，所述第一器件(K1)和所述第四器件(K4)截止。
10.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于，所述开关磁阻发电机还包括控制系统(40)，所述控制系统(40)包括连接直流电源(50)的控制器(41)，所述控制器(41)与所述线圈(23)连接、以在电动阶段将所述C形定子铁心(21)磁化；
所述控制器(41)与所述旋转部连接、以驱动所述旋转部带动所述转子(30)转动；
所述控制系统还包括用于检测所述转子位置的位置传感器(42)，所述位置传感器(42)与所述控制器(41)连接、以将所述转子(30)位置信号发送给所述控制器(41)。
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