CN102934337A - 发电机以及使用发电机的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的线性发电机提供的是对支承机构的负担和力的脉动小、缩小磁极间距而能形成高频的线性发电机，为此，包括：配置成夹入并保持被配置在可动体上的磁铁的多个磁极、将夹入并保持可动体的磁铁的磁极连续地连接的芯件、被集中缠绕在多个磁极上的绕组、以及由将磁铁的磁极交替排列的磁铁列或将磁铁的极性交替排列的磁铁列和磁性材料构成的可动体，配置成夹入并保持磁铁的磁极和具有将保持磁铁的磁极连续地连接的芯件的磁极，沿着可动体的长度方向配置有多个，在多个磁极配置通用的绕组。

Description

发电机以及使用发电机的发电装置

技术领域

本发明涉及线性发电机以及使用线性发电机的发电装置。

背景技术

为了将往复运动的能量转换成电能，采用了将往复运动转换成旋转运动来驱动旋转式发电机、或是转换成热或流体能来驱动涡轮发电机等的方式。

但是，这些方法由于是将往复运动转换成旋转运动或是转换成热或流体能之后转换成电能，因此转换次数增加，从而增加了损失且系统变得庞大。

另外，为了提高发电效率，有效的是缩小磁极间隔而形成高频，提高电压。因此，在旋转式电气设备中，专利文献1中登记了有效地利用横向磁通的旋转机。根据该专利，可以抑制马达周围的电磁耦合量减少而造成设备性能下降。

并且，还发表了将专利文献1所登记的专利的磁路结构应用于线性发电机。

根据非专利文献1，提出了利用横向磁通的发电机的方案。根据该结构，使同极相向地配置永久磁铁，在其之间配置磁通集中部件。在其旁边使极性相反地配置磁铁和磁通集中部件。将这些部件夹入地配置C形的定子铁芯，在C形的中心部配置定子绕组。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3645663号公报

非专利文献

非专利文献1：“用于直接驱动式波能量转换的传统和TFPM线性发电机”IEEE能量转换汇刊，第20卷第2期，2005年6月

发明内容

发明所要解决的课题

以上技术具有以下问题。将由磁铁构成的部件夹入的定子铁芯上下配置，具有相当于磁铁间距的量的错位。因此，在横向磁通设备的端部，只在上下的一方存在定子铁芯，磁铁与定子铁芯的吸引力增大。

无论是由磁铁构成的部件侧还是铁芯侧在移动的情况下都需要一些机械支承。存在因磁铁与定子铁芯的吸引力增加了对支承机构的负担、需要对支承机构进行维修和保养的问题。

而且，最外侧的定子铁芯由于在该定子铁芯的外侧没有磁路，因此还存在因端部的影响而导致磁路发生变化、产生力的脉动等的问题。

本发明的目的在于为了解决上述问题，提供对支承机构的负担和力的脉动小、能缩小磁极间距而形成高频的线性发电机。

用于解决课题的手段

本发明的线性发电机包括：配置成夹入并保持被设置在可动体上的磁铁的多个磁极、将夹入并保持可动体的磁铁的磁极连续地连接的芯件、集中缠绕在多个磁极上的绕组、以及由将磁铁的磁极交替排列的磁铁列或将磁铁的极性交替排列的磁铁列和磁性材料构成的可动体，配置成夹入并保持磁铁的磁极和具有将保持磁铁的磁极连续地连接的芯件的磁极，沿着可动体的长度方向配置有多个，在多个磁极配置通用的绕组。

通过使配置了多个的磁极的极性为相同极性，降低磁极间的漏磁通，从而可以缩小磁极间距并实现高频。

而且，通过使进行夹入的磁极的位置错开，可以减少端部的影响，降低了力的脉动和对支承机构的负担。而且，相对于可动体的行进方向将可动体形成为两层或多层的结构，可以抵消作为力的脉动和对支承机构的负担的吸引力。

另外，本发明的线性发电机也可以具有由磁铁或磁铁与磁铁固定部件构成的可动体、配置成将可动体夹入的多个磁极、连接多个磁极的芯件、以及配置在多个磁极上的绕组。

另外，本发明的线性发电机具有可动体贯穿由磁极和连接磁极的芯件构成的定子的结构，在磁路上具有在可动体的移动方向贯穿的空间，在由磁极和连接磁极的芯件构成的磁路上具有开口部。

另外，在本发明的线性发电机中，由磁极和连接磁极的芯件以及绕组构成的定子是固定的，由磁铁和磁铁固定部件构成的可动体进行移动。或者，上述可动体固定，而定子进行移动。

发明的效果

本发明具有以下效果，即：通过抵消作用于可动体的吸引力、力矩，减少了对可动体支承机构的负担。另外，通过使上下的芯件相对于可动体错开，变得容易调整脉动。根据本发明的效果，由于多个磁极具有相同的磁性，从而可以缩小磁极间距，即使在短的往复运动的行程也可以高效率地发电，从而可以提供减少了对可动体支承机构的负担的线性发电机。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的线性发电机的示意性的代表图。

图2是本发明的第一实施例的变型例的发电单元的示意图。

图3是本发明的第二实施例的发电单元的结构图。

图4是本发明的第二实施例的发电单元在Y-Z平面剖切的示意图。

图5是本发明的第二实施例的第一变型例的发电单元的示意图。

图6是本发明的第二实施例的第二变型例的发电单元的示意图。

图7是表示连接磁极的芯件的分割例的图。

图8是表示使用了经过层积的部件的例子的图。

图9是表示经过层积和分割的例子的图。

图10是表示连接了可动体的例子的图。

图11是在发电单元的结构例的截断面剖切的图。

图12是表示磁极或/和连接磁极的芯件的变型例的图。

图13是表示改变了层积数量的例子的图。

图14是本发明的第三实施例的示意图。

图15是表示本发明的第三实施例的连接了可动体的例子的图。

图16是表示三相线性发电机的结构例的图。

图17是表示线性发电机的磁通的例子的图。

图18是表示绕组的配置例的图。

图19是表示可动体的第一结构例的图。

图20是表示可动体的第二结构例的图。

图21是表示与轮胎连接的例子的图。

图22是表示构成波力发电机的例子的图。

图23是表示发电系统的结构例的图。

图24是表示第二发电系统结构例的图。

具体实施方式

以下就本发明的实施例进行说明。

第一实施例

以下表示本发明的实施方式。图1表示第一实施例的示意图。图1表示以三相构成的本发明的线性发电机。表示的是为了了解内部而将由三个发电单元101构成的线性发电机的图中的最靠前的发电单元101在Y-Z平面切断的示意图。

本发明的线性发电机由定子和可动体8构成，所述定子由磁极1、连接多个磁极的芯件2以及缠绕在多个磁极上的绕组3构成，所述可动体8由磁铁4和磁铁固定部件6构成。连接磁极的芯件2被分割成上部和下部。为了用上下相同的部件构成所分割的连接磁极的芯件，在形成相同形状的位置分割上侧的部件和下侧的部件，但分割的位置并不局限于上下的形状形成相同形状的位置。

另外，将连接上下磁极的芯件设计成在上下拼接的部分上设置三角形的缺口，以便容易定位，但不受该形状的限制。通过将连接磁极的芯件分割成上下部分，可以相对地错开上下的磁极和连接磁极的芯件。

通过错开上下的磁极和连接磁极的芯件，可以降低在可动体8上产生的力的脉动。另外，通过调整该错位，可以调整作用于可动体的力。

另外，贯通磁极1和连接磁极的芯件2地插入可动体8。为了将由磁铁固定部件6和多个磁铁4构成的可动体8夹入，按上下各四个极构成磁极1。磁极1的数量并不限于四个。用层积部件构成磁极1和连接磁极的芯件2。

通过用层积后的部件构成，如果使上下的磁极1和连接磁极的芯件2错开，就可以将错开而伸出的部分拆开，向错开方向的相反侧设置，因此具有不使形状发生大的变化就可以进行调整等效果。

如果在X-Y平面看发电单元101，则形成左右对称，例如，构成这样的磁路，即，磁铁4的磁通通过上侧的磁极1，经过连接磁极的芯件2，通过下侧的磁极1，返回磁铁4。

通过这样环绕可动体8地配置连接磁极的芯件2，可以形成短的磁路，并且也可以提高发电单元101的强度。连接磁极的芯件也可以构成为非左右对称。

图2是使图1所示的线性发电机的磁极1的形状朝向磁铁4变细的例子。图2（a）表示发电单元101的主视图。图2（b）表示在Y-Z平面剖切的发电单元101的示意立体图。图2（c）表示在Y-Z平面剖切的示意侧视图。

如图2（a）所示，与磁铁4相向地配置绕组3，由磁铁4和磁铁固定部件6构成的可动体被连接磁极的芯件2环绕。图2（b）表示磁极1向着磁铁4变细的例子。在图2（b）中，磁极1形成为向着磁铁4变细的形状，但并不受该形状的限制。

如图2（c）所示，用相同磁化方向的磁铁将磁铁固定部件6夹入地配置磁铁4，沿Z方向在相邻方向，交替地配置有反向磁化了的磁铁。磁铁4的箭头表示磁铁的磁化方向。另外，相对于排列在Z方向的磁铁的间距，磁极1的间距大致形成两倍地排列。

如图所示，相对于磁铁的Z方向的间距P，使间距为大致2nP（n=1、2、3…）地配置磁极1。在本实施例中，利用磁性材料构成磁铁固定部件6，但也可以用非磁性材料构成。

另外，在将磁铁固定部件6夹入地配置的磁铁4上，可以一体构成排列在Y方向的磁铁，将磁铁嵌入梯子状的磁铁固定部件中。

另外，在图2（c）中，可动体8在Z方向进行往复运动，从而由磁铁4形成的磁通与绕组3交链，并在绕组3中产生电动势，可进行发电。也可以配置多个发电单元101，构成多相的线性发电机。

图2是将可动体8夹入地配置的上下的磁极1的中心大致一致、在Z轴方向未错开的状态。该状态的特征是，作用于可动体8的向着Y方向的力在上下被抵消，从而可以减小。

另外，如果因组装精度或磁铁特性的不均等产生了力的脉动，也可以错开上下的磁极1来调整力的脉动。

这样，本发明的线性发电机可以根据用途，调整上下的磁极位置，从而减小作用于可动体的力。

第二实施例

图3表示本发明的第二实施例的线性发电机的示意图。图4表示在图3的线性发电机的Y-Z面剖切的图。

如图3所示，可动体8由磁铁4和磁性体的极片5构成，可动体8构成为两层。

另外，在图4中，箭头表示磁铁的磁化方向。磁铁按照磁铁间距P交替配置被向+Z方向磁化的磁铁4a和被向-Z方向磁化的磁铁4b，在各个磁铁之间配置由磁性体形成的极片5。与构成为两层的可动体8分别相向地配置定子，该定子由磁极1和连接磁极的芯件2以及缠绕在多个磁极上的绕组3构成。

将单侧的磁极1的间距配置成相对于可动体8为大致2nP（n=1、2、3…）（在图中n=1）。另外，与上下的各个可动体8相向的磁极1在可动体的上下错开与磁铁间距P大致相等的距离a。

如图4所示地对称配置上下的线性发电机，机械地连接上下的可动体8，从而可以抵消作用于可动体8的吸引力或力矩。而且，可以使上侧的线性发电机和下侧的线性发电机的连接磁极的芯件的一部分通用，线性发电机也可以小型地构成。

通过使图4所示的上下可动体在Z方向进行往复运动，在绕组3上产生电动势，可以进行发电。

图5表示使上下的可动体的磁化方向相同地配置时在绕组3上产生的电动势的方向。

图6是用磁铁4a和磁铁4b构成可动体的例子。如图6所示，即便交替连接磁铁4a和磁铁4b也可以构成可动体。

在图4、图5和图6中表示了将与可动体相向的磁极的位置在可动体的上下错开大致磁铁间距的例子，但可动体上下的磁极的错位也可以不是大致磁铁间距。通过调整错开了大致磁铁间距的上下磁极的错位，可以抵消作用在上下的线性发电机的可动体上的吸引力或力矩。

图7是将构成为两层的线性发电机的连接磁极的芯件分割成三部分的例子。如图7所示，是将连接磁极的芯件分割成上侧分割芯件2a、下侧分割芯件2c和中央分割芯件2b、将上侧分割芯件2a和下侧分割芯件2c分割成相同形状的例子。

图8是使用了层积芯件2d构成发电机的例子。

图9是用层积分割芯件2e构成发电机的例子。

图10是排列三个图4所示的发电单元101、构成三相线性发电机的例子。各个发电单元101配置成相对于磁铁列每120°地错开电相位。

另外，用连接部件7结合可动体的端部。通过这样连接上下可动体，可以减少作用于上下各个可动体的力矩或吸引力的影响。另外，也可以提高可动体的刚性。

图11（a）（b）（c）表示本发明的线性发电机的结构。为了了解磁极和磁铁的配置等，图11的各图表示在Y-Z截面切断的图。图11（a）是在平板形的磁铁固定部件6上粘贴了磁铁4的结构。该结构由于是在平板形的铁等的板上粘贴磁铁的结构，因此具有加工性好的特征。

图11（b）是在磁铁固定部件6上加工出了配置磁铁用的槽的结构，在Y方向排列的磁铁之间具有突起部9。如果将该突起部9作为磁性材料，则具有与绕组3交链的磁通增加的效果。另外，磁铁固定部件6和突起部9可以一体地构成，也可以用分开的部件构成。如果设置突起部9，就可以将凹陷部也作为用于定位磁铁4的槽使用。

图11（c）表示将可动体夹入的磁极1和连接磁极的芯件2相对于可动体使上下的芯件错开、另外将可动体的磁铁的位置在磁铁固定部件6的表背错开的实施例。这样，也可以在可动体的表背错开磁铁位置。

图12是为了了解磁极1和连接磁极的芯件2的结构、部分地剖切了线性发电机的图。图12是重叠层积钢板来构成本发明的线性发电机的磁极1和连接磁极的芯件2的例子。

图12（a）是相对于可动体8使上下的磁极1在可动体8的行进方向对齐地构成的图。图12（b）是相对于可动体8使上下的磁极1在可动体的行进方向错开地构成的图。图12（c）是将磁极1的形状构成为矩形的例子。

图13是用层积钢板构成了线性发电机的例子。为了了解线性发电机的内部，表示在可动体的行进方向剖切了发电机的图。图13仅表示磁极1、连接磁极的芯件2以及绕组3的定子。

通过用层积钢板加工磁极1和连接磁极的芯件2，从而可以通过调整层积数量来任意调整磁极1的间距。通过改变层积数量，可像磁极间距b和磁极间距c那样调整磁极1的位置。磁极间距b由12张层积钢板构成，磁极间距c由14张层积钢板构成。

第三实施例

图14表示本发明的第三实施例。

图14表示将图2的线性发电机组装在图4所示的线性发电机之间的实施例。图14（a）表示在Y-Z平面剖切线性发电机的图。

图14（b）表示图14（a）的立体图。另外，图14（c）表示线性发电机的立体图。图14的最上部的线性发电机和最下部的线性发电机所产生的力矩互为反向，因此可以抵消而减小力矩。

另外，中央部的线性发电机的上下的磁极关于可动体是对称的，作用于中央部的可动体的力矩小。通过连接这三个可动体，可以减少彼此的力矩、朝Y方向的吸引力。

本实施例说明了三层的可动体结构，但通过配置成减小力矩、吸引力，也可以构成为进一步增加了可动体的多层结构。

另外，图14所示的最上部、中央部、最下部的线性发电机之间的连接磁极的芯件，由于磁通方向相反，磁饱和降低，因此可以形成得较细，从而装置也变得更小。

图15是机械地紧固了图14的线性发电机的每个可动体8的图。这样也可以连接各个可动体8。图16是排列三个图15所示的线性发电机而构成三相线性发电机的例子。

第四实施例

图17是两层的线性发电机的主视图。示意地表示由磁铁产生的磁通10。图17（a）是上下各个线性发电机的主视图。图17（b）表示合并了两个发电机时的磁通10的方向。

图17（b）的连接磁极的芯件2f，是在图17（a）所示的两个发电机中将上侧发电机的下侧的连接磁极的芯件2和下侧发电机的上侧的连接磁极的芯件2通用，从而可以使线性发电机小型化。

第五实施例

图18是组装了两层可动体8的线性发电机。是将绕组3配置在上侧的可动体8的上方和下侧的可动体8的下方的例子。这样，绕组3的位置和数量并不受本实施例所记载的限制。

第六实施例

图19和图20是表示本发明的可动体的实施方式的例子。图19（a）是在平板的磁铁固定部件6上加工出槽后粘上磁铁4的例子。图19（b）是在磁铁固定部件6上设置凹部后配置磁铁4的例子。

图20（a）是仅用磁铁4和极片5构成可动体的例子。图20（b）是用框架11围住图20（a）的可动体来提高强度的实施例。磁性材料和非磁性材料都可以构成框架11。

本发明的线性发电机例如也可以通过与汽车的轮胎连接而利用行驶时的振动能量进行发电，或者利用波的能量而作为潮汐或波力发电装置构成。

图21表示与汽车的轮胎连接的例子。在轴113上连接车轮111和轮胎110。在车轮111上通过连杆部112连接线性发电机102。可以通过轮胎110的上下运动的能量进行发电。

图21是将连杆部112连接在车轮111上，但只要是可以将轮胎的运动能量向线性发电机102传递的结构，则可以是任意的方式。另外，也可以将线性发电机安装在汽车的悬挂部或减震器部。

图22是用本发明的线性发电机构成波力发电装置的例子。图22（a）是将线性发电机102设置在海面上的例子。图22（b）是将线性发电机102设置在海水中的例子。

图22是在线性发电机102上连接浮标120、利用浮标120的浮力使线性发电机的可动体进行直线运动来进行发电的结构。通过将波力和潮汐力形成的水面的上下运动转递到本发明的线性发电机上，无论是否是图22所示的发电形式，都可以构成使用了本发明的线性发电机的发电装置，只要能得到相同的效果，则任何形式均可。

第七实施例

图23表示本发明的第七实施例。本发明的线性发电机102与三相换流器连接。将由线性发电机发电产生的三相交流电通过三相换流器200转换成直流电。

在三相换流器200上连接DC/AC逆变器201，通过DC/AC逆变器被转换成一定频率，与系统连接。通过使用本发明的线性发电机，能够通过缩小磁极间距而提高发电得到的交流电的频率，可以提高发电效率。

而且，由于漏磁通少，因此无效的磁通减少，从而可以降低电感。由于可以降低电感，故换流器的容量变小，可以提供小型的发电系统。而且，由于可以减轻支承机构的负担，故而可以减少维护的次数。

图23表示三相的线性发电机、三相的系统的例子，但不受该结构的限制。

第八实施例

图24表示本发明的第八实施例的说明图。图24是利用了波力的发电系统。在可动体上连接了浮标120的线性发电机102与三相换流器200连接，各三相换流器200通过DC/AC逆变器201与系统连接。

波121由于波的高度随着时间进行变化，因此利用线性发电机102产生的交流电也形成正弦波的波形。在波的最高处，设置在线性发电机102上的浮标120的速度为零，各线性发电机102的发电量随着时间而变化。

因此，通过将多个线性发电机102呈并列或网格状等地排列在波的行进方向，可以使发电量平滑。虽然在该系统结构中对于各线性发电机102都需要三相换流器200，但在本发明的三相发电机102中，除了可缩小磁极间距来提高发电产生的交流电频率以提高发电效率之外，还可以通过降低漏磁通来减小电感，因此还可以减小换流器的容量。而且，由于可以减轻对支承机构的负担，因此可以形成小型的支承机构，能够将整个系统形成为小型。

在本发明的实施例中，表示了改变了磁极和连接磁极的芯件以及可动体的形状的情况的一个例子，但只要能得到相同的效果，则不局限于此。

本实施例中所述的磁性体可以使用SS400或S45C等铁类材料或硅钢板等高磁率部件。

本发明的实施例中所示的可动体可以利用推力轴承或LM导轨、辊等进行支承，能保持磁极和可动体的空隙。

本发明的磁极和连接磁极的芯件也可以一体地构成。

附图标记说明

1磁极，2连接磁极的芯件，2a上侧分割芯件，2b中央分割芯件，2c下侧分割芯件，2d层积芯件，2e层积分割芯件，3绕组，4磁铁，4a右向磁铁，4b左向磁铁，5极片，6磁铁固定部件，7连接部件，8可动体，9突起部，10磁通，11框架，101发电单元，102线性发电机，110轮胎，111车轮，112连杆部，113轴，120浮标，121波，200三相换流器，201DC/AC逆变器。

Claims (17)

1.一种线性发电机，其特征在于，该线性发电机具有多个磁极，该多个磁极配置成将可动体夹入，该可动体交替地排列了磁铁的极性，所述线性发电机具有被同样地缠绕在配置成将可动体夹入的多个磁极上的绕组，所述线性发电机具有连接多个磁极的芯件。

2.一种线性发电机，其特征在于，该线性发电机具有多个磁极，该多个磁极配置成将可动体夹入，该可动体交替地排列了磁铁的极性，所述线性发电机具有被同样地缠绕在配置成将可动体夹入的多个磁极上的绕组，所述线性发电机具有连接多个磁极的芯件，抵消了作用于可动体的可动体行进方向以外的力。

3.根据权利要求1或2所述的线性发电机，其特征在于，相对于可动体行进方向的磁铁间距P，将磁极的间距配置成大体2nP（n=1、2、3…）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的线性发电机，其特征在于，由磁极和连接磁极的芯件构成的部件被分割。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的线性发电机，其特征在于，利用在可动体行进方向层积的部件，构成磁极或者连接磁极的芯件或者由磁极和连接磁极的芯件构成的部件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的线性发电机，其特征在于，配置成将可动体夹入的多个磁极在可动体行进方向错开地配置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述线性发电机具有磁极与磁铁面相向的平面，可动体贯穿由磁极以及连接磁极的芯件构成的定子。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述线性发电机具有可动体，该可动体将磁铁配置在具有平面的磁性体的上表面和下表面。

9.根据权利要求8所述的线性发电机，其特征在于，在可动体行进方向排列的磁铁之间设有磁性体的凸部。

10.根据权利要求8或9所述的线性发电机，其特征在于，配置在可动体的磁性体上的上表面和下表面的磁铁的位置，在上表面和下表面在可动体行进方向错开。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述线性发电机具有两个以上的可动体，两个以上的可动体配置成相对于可动体行进方向的轴对称。

12.根据权利要求11所述的线性发电机，其特征在于，连接有两个以上的可动体。

13.一种发电装置，其特征在于，使用了根据权利要求1至12中任一项所述的线性发电机。

14.一种线性发电系统，其特征在于，所述线性发电系统具有根据权利要求1至12中任一项所述的线性发电机，所述线性发电系统具有将发电形成的能量转换成直流的换流器，所述线性发电系统具有将直流转换成交流的DC/AC逆变器。

15.一种车辆用电磁悬挂，其特征在于，使用了根据权利要求1至12中任一项所述的线性发电机。

16.一种波力发电装置，其特征在于，使用了根据权利要求1至12中任一项所述的线性发电机。

17.根据权利要求14所述的线性发电系统，其特征在于，排列有多个线性发电机。

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