CN103066782A - 磁电式微发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁电式微发电机，该磁电式微发电机由微发电机和动力源两部分组成的。其中微发电机采用盘式永磁微发电机，动力源采用风动涡轮。磁电式微发电机依靠涡轮转化风能获取能量，并通过盘式永磁微发电机将旋转机械能转化为电能，是一种高功率能量密度的微能源器件。在本发明中转子中的磁体是采用轴向多极充磁技术加工的整体式轴向多极、环形磁体，并将磁体和磁轭固结为一个整体；同时采用单相、同心式绕组平面线圈作为定子，线圈采用浮动式安装方法。以上设计使得该磁电式微发电机具有结构简单、体积小、功率密度大、输出电压波形好（正弦波）、启动风速低的优点。

Description

磁电式微发电机

技术领域

本发明涉及一种发电机，具体涉及一种磁电式微发电机，属于能源开发技术领域。

背景技术

近年来微机电系统得到了良好且稳定的发展。微机电系统是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的系统。相比微型传感器和微型执行器的迅速发展，微能源器件的发展较为缓慢。其困难主要集中在难以制造出高质量、高功率能量密度的微能源器件。微能源器件可分为两大类：微型化学电池和微发电机。微型化学电池目前存在的主要问题是自身携带能量有限，需要定期人为补充能量，自持力差。而微发电机则可以从环境中主动获取能量，属于自换能器，不需定期人为补充能量，同时自身无污染，因而有着良好的发展前景。

磁电式微发电机为盘式永磁同步单相微发电机，依靠涡轮转化风能获取环境能量，是一种高功率能量密度的微能源器件。但传统的此类微发电机，如英国伦敦帝国理工学院设计的轴流式气动微型涡轮发电系统、美国加州大学伯克利分校设计的可变磁阻微发电机、法国LEG的研究小组设计的平面微发电机、美国佐治亚理工学院和麻省理工学院的合作设计的微发电机，体积大、结构复杂、转化效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种磁电式微发电机，该微发电机将风能转换为电能，该装置不仅能为微机电系统提供能量，同时也可在有限的空间中为其他系统提供能量，具有体积小、结构简单、功率密度大、内阻较小、启动风速低的优势，适于短时段特殊应用的需要。

本发明的磁电式微发电机包括：盘式永磁微发电机和涡轮。其中盘式永磁微发电机包括壳体、中心轴、两个转子、下支撑板、上支撑板和定子。

其中转子包括磁体和磁轭，磁体和磁轭通过磁力相互吸引形成一个双层的环形结构。采用轴向多极充磁技术为磁体充磁，使磁体的N极和S极均匀间隔排列。

定子包括线圈基板和m层线圈，其中m为大于等于2的偶数。m层线圈依次层叠固定在线圈基板的上表面。每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈。每一层线圈均是由两个或两个以上回形线圈围绕线圈基板的轴心相邻排列而成，所有回形线圈相互串联。

盘式永磁微发电机的整体连接关系为：壳体为中空的圆柱体，壳体两端均开口，上端开口处固接上支撑板，下端开口处固接下支撑板。中心轴沿壳体的轴线依次穿过上支撑板和下支撑板，并通过上支撑板和下支撑板上的轴承活动连接在壳体的中心位置。中心轴底部穿过下支撑板的部分通过螺母定位。两个转子均位于壳体内部，固接在中心轴上。其中两个转子的磁体相对，且两个转子之间有间隙，用于安装定子。所述定子浮动安装在两个转子之间的中心轴上，具体为：定子通过线圈基板的中心孔套装在两个转子之间的中心轴上。同时线圈基板通过其圆周面上的支架套装在壳体上的轴向凹槽内，保证线圈基板不与靠近下支撑板的转子接触，且能够沿中心轴的轴向上下移动。线圈产生的电压通过线圈基板上的两根导线引出。

涡轮同轴固接在盘式永磁微发电机中心轴上方位于壳体之外的部分。

在保证两个转子可以正常转动的情况下，尽可能减小上转子和下转子间的间隙或尽可能增多线圈的层数。

有益效果

（1）本发明中的磁体是采用轴向多极充磁技术加工的一体式轴向多极、环形磁体，与传统的拼接式多级磁体相比，采用整体式磁体结构更加简单，在高速转动时不会发生脱离现象，在冲击时不易损坏，因而有着优良的抗冲击性能；同时省去了传统的拼接式多级磁体中的紧固结构，因而可有效提高空间的利用效率，减小体积，增大功率密度。

（2）本发明的转子中磁体和磁轭固结为一个整体，克服了传统单转子结构中由于磁体与磁轭间相对运动而带来的磁阻力矩，因而可以获得很低的启动风速和较高的工作效率；同时由于磁轭与磁体固连，磁轭中磁场恒定不变，磁轭不会产生基本铁损，从而提高了能量的转换效率。

（3）本发明中的线圈采用浮动式安装方法，能够自动调整线圈与上下磁体间位置，因此线圈与上下磁体间的间隙可以做的很小，从而达到减小发电机体积和提升输出电压的目的。

（4）本发明中的线圈为单相、同心式绕组平面线圈，采用平面线圈可以最大程度的减小轴向尺寸、增大线圈工作处磁感应强度，达到减小体积和提高输出电压的目的；与三相线圈和多相线圈相比，采用单相线圈形式有助于减小因整流造成的能量损失，还可简化整流电路，减小线圈制作难度；同心式线圈与叠绕组线圈和波绕组线圈相比，结构简单，适合平面加工、成品率高。具体而言采用这种结构的线圈，可以有效利用线圈的表面积，增大线圈的包围面积，从而提高输出电压幅值和发电机的功率密度。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为采用盘式永磁微发电机结构的磁电式微发电机整体结构图。

其中：1-壳体、2-中心轴、3-磁轭、4-磁体、5-下支撑板、6-上支撑板、7-定子、8-涡轮

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供的磁电式微发电机包括发电设备和动力源两部分。

所述发电设备采用盘式永磁微发电机，盘式永磁微发电机与其他微发电机相比，具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、易于维护保养、轴向结构紧凑、易于散热和功率密度大等优点；其简单紧凑的结构，有助于提升盘式永磁微发电机的抗冲击能力。

该磁电式微发电机整体结构如图1所示。其中盘式永磁微发电机包括壳体1、中心轴2、上转子、下转子、下支撑板5、上支撑板6和定子7。

其中转子包括磁体4和磁轭3，磁体4和磁轭3通过磁力相互吸引固结为一个整体，克服了传统单转子结构中由于磁体4与磁轭3间相对运动而带来的磁阻力矩，因而可以获得很低的启动风速和较高的工作效率；同时由于磁轭3与磁体4固连，磁轭3中磁场恒定不变，磁轭3不会产生基本铁损，提高了能量的转换效率。所述磁体4采用轴向多极充磁技术加工的整体式环形磁体，提高了空间利用率和功率密度，提升了发电机的在高转速情况下和冲击时的稳定性。在本实施中，该环形磁体有6个N极和6个S极。实现方法为：将环形磁体均分为12个扇形，采用轴向多极充磁技术对该环形磁体充磁，使6个N极和6个S极间隔排列。

定子7包括线圈基板和线圈，其中线圈为采用柔性电路板加工技术（FPC）或LIGA（准LIGA）技术加工的单相、同心式绕组平面线圈。线圈固定在线圈基板上，所述线圈为环形结构，线圈由至少上下两层线圈组成（或为层数为偶数的多层线圈）。每一层线圈均是由多个外形为扇形的回形线圈围绕线圈基板的轴心相邻排列而成，各个回形线圈相互串联。采用这种结构，可以有效利用线圈的表面积，增大线圈的包围面积，从而提高输出电压幅值和发电机的功率密度。

盘式永磁微发电机的整体连接关系为：所述壳体1为中空的圆柱体，壳体1两端均开口，上端开口处固接上支撑板6，下端开口处固接下支撑板5，由此形成封闭的腔体。中心轴2沿壳体1的轴线依次穿过上支撑板6和下支撑板5，并通过其上的轴承活动连接在壳体1的中心位置。中心轴2底部穿过下支撑板5的部分通过螺母定位。该盘式永磁微发电机为双转子结构，有上下两个转子，上转子和下转子均位于壳体1内部，固接在中心轴2上。两个转子的磁体4相对，两个转子之间有一定间隙，用于安装定子7，定子7浮动式安装在位于两个转子之间的中心轴2上。具体安装方式为：定子7通过线圈基板的中心孔套装在中心轴2上，可上下浮动；同时线圈基板的圆周面上加工有扇形支架，扇形支架套装在壳体1上的轴向凹槽内，保证线圈基板不与靠近下支撑板5的转子接触，且能够沿中心轴2的轴向移动。

所述动力源采用辐流式涡轮8或其他结构形式的涡轮机，涡轮8同轴固定在盘式永磁微发电机中心轴2的顶部，在风力的作用下涡轮8持续绕中心轴2转动，同时产生的转动力矩驱动盘式永磁微发电机的转子绕中心轴2转动，从而使微发电机正常工作。

其工作过程为：在风的吹动下，涡轮8带动中心轴2及转子转动；上下转子间构成的轴向稳定磁场相对于发电机的壳体1和定子7线圈发生转动；线圈基板上单个回形线圈所包围面积中的磁通量开始发生周期性的改变，根据法拉第电磁感应定律可知，回形线圈中会产生感应电动势，各个回形线圈相互串联，产生较大的输出电压，并通过线圈基板上的两根导线引出。

由于定子7为浮动式安装，能够自动调整线圈与上下磁体4间的位置，因此线圈与上下磁体4间的间隙可以做的很小，在保证两个转子可以正常转动的情况下，尽可能减小上转子和下转子间的间隙，或尽可能增多线圈的层数，以达到减小发电机体积和提升输出电压的目的。在本发明中为减小体积并提升气隙间磁感应强度，两个转子之间的间隙较小，仅比线圈厚度稍厚。而由于定子7采用浮动式安装，因而在转子转动时，定子7不会与转子发生持续摩擦而严重影响转子工作。线圈通过与上下转子的碰撞，线圈能够自动调整其在两个转子之间的位置，从而解决要求转子之间间隙尽量小和由此带来的转子可靠转动的矛盾，可使发电机在相同体积下提高其发电能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁电式微发电机，包括盘式永磁微发电机和涡轮（8）；其特征在于，所述盘式永磁微发电机包括壳体（1）、中心轴（2）、两个转子、下支撑板（5）、上支撑板（6）和定子（7）；

所述转子包括磁体（4）和磁轭（3），磁体（4）和磁轭（3）通过磁力相互吸引形成一个双层的环形结构；采用轴向多极充磁技术为磁体（4）充磁，使磁体（4）的N极和S极均匀间隔排列；

所述定子（7）包括线圈基板和m层线圈，其中m为大于等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈；

所述盘式永磁微发电机的整体连接关系为：壳体（1）为中空的圆柱体，壳体（1）两端均开口，上端开口处固接上支撑板（6），下端开口处固接下支撑板（5）；中心轴（2）沿壳体（1）的轴线依次穿过上支撑板（6）和下支撑板（5），并通过上支撑板（6）和下支撑板（5）上的轴承活动连接在壳体（1）的中心位置；中心轴（2）底部穿过下支撑板（5）的部分通过螺母定位；两个转子均位于壳体（1）内部，固接在中心轴（2）上；其中两个转子的磁体相对，且两个转子之间有间隙，用于安装定子（7）；所述定子（7）浮动安装在两个转子之间的中心轴（2）上；

所述涡轮（8）同轴固接在盘式永磁微发电机中心轴（2）上方位于壳体（1）之外的部分；

线圈产生的电压通过线圈基板上的两根导线引出。

2.如权利要求1所述的一种磁电式微发电机，其特征在于，所述浮动安装方式为：定子（7）通过线圈基板的中心孔套装在两个转子之间的中心轴（2）上；同时线圈基板通过其圆周面上的支架套装在壳体（1）上的轴向凹槽内，保证线圈基板不与靠近下支撑板（5）的转子接触，定子（7）能够沿中心轴（2）的轴向上下移动。

3.如权利要求1所述的一种磁电式微发电机，其特征在于，所述每一层线圈均是由两个或两个以上回形线圈围绕线圈基板的轴心相邻排列而成，所有回形线圈相互串联。

4.如权利要求1、2或3所述的一种磁电式微发电机，其特征在于，在保证两个转子能够正常转动的情况下，尽可能减小上转子和下转子间的间隙。

5.如权利要求1、2或3所述的一种磁电式微发电机，其特征在于，在保证两个转子能够正常转动的情况下，尽可能增多线圈的层数。

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