CN105553148B - 一种转轴偏转式永磁发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转轴偏转式永磁发电机，涉及发电机技术领域。定子在转子的外围，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯，转子磁轭内芯的周围上分布有若干转子永磁体，在圆周方向上各转子永磁体的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体之间设有非导磁材料制成的隔磁片；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组；定子的与转子相对侧为凹面形状；所述的转轴为双侧或单侧轴，与转子磁轭内芯连接。本发明在转子偏转即转子轴线与定子轴线呈现一定角度后仍可正常发电，且发电稳定，结构简单、成本较低。如加上偏转用的集中式绕组，在需要主动调节转子偏转角度时也可使其短时进入电动状态。可广泛应用于风力发电、车辆等领域。

Description

一种转轴偏转式永磁发电机

技术领域

本发明专利涉及发电机技术领域。

背景技术

多自由度运动的实现，目前在电动机中考虑较多，先后出现了直流式、步进式、同步式、磁阻式、感应式、超声波式等结构的电动机，但在发电机领域中，将多自由度驱动的思想进行创新设计和应用，具有十分重要的意义和价值，还很少进行专门研究和设计。对于多自由度传动等，传统方法是采用多个单自由度驱动元件配合机械传动装置来实现，容易导致精度和效率下降，往往体积较为庞大，成本较高。在传统发电机中，要求传动轴与定子所在发电机平面具有严格的垂直关系，在诸如风力发电等应用领域，往往不允许原动机与转轴线发生偏转，或者需要采用专门的联轴器等进行连接，这使得结构复杂、成本高。

永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点而应用广泛。近年来，永磁同步发电机因其无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点。系统省去了齿轮箱，大大减小了系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低了维护成本。

目前还没有转轴偏转式永磁发电机的报道和有效应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种转轴偏转式永磁发电机，本发明提高了永磁同步发电机的适用性，发电机在发电状态中转子不仅可绕轴自转，在转子偏转即转子轴线与定子轴线呈现一定角度后仍可正常发电，故有更广泛的适应性和灵活性，发电稳定，且结构简单、成本较低。如加上偏转用的集中式绕组，在需要主动调节转子偏转角度时也可使其短时进入电动状态，驱动转子发生偏转至期望角度。本发明可广泛应用于风力发电、车辆等领域。

本发明的主要技术方案是：一种转轴偏转式永磁发电机，其特征在于主要包括定子、转子和发电机外壳，定子固定于发电机外壳上，定子在转子的外围，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯，所述转子磁轭内芯中心固定有转轴，所述转子磁轭内芯的周围上分布有若干转子永磁体，在圆周方向上各转子永磁体的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体之间设有非导磁材料制成的隔磁片；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组，发电机处于发电状态时使用；定子的与转子相对侧为凹面形状，与转子的凸面形状匹配，之间具有间隙；所述的转轴为双侧或单侧轴，转轴与转子磁轭内芯固定连接；当转轴转动时，转子磁轭内芯随之旋转，当转轴偏转时，转子磁轭内芯也随之偏转；发电机处在发电状态时，分布式绕组导通，由原动机带动发电机发电。

优选的，所述转轴为单侧轴时，所述转轴与转子磁轭内芯的连接结构为A：转子磁轭内芯与关节轴承的外圈或内圈固定连接，关节轴承的主螺杆端固定连接在发电机外壳上，与转子磁轭内芯固定连接的转轴伸出发电机外壳外部；所述的转轴为双侧轴时，所述转轴与转子磁轭内芯的连接结构为B：转子磁轭内芯与转轴固定连接，在转子磁轭内芯两侧的转轴上分别设有滑轨轴承及其轴承座，滑轨轴承起支撑转轴并使转轴得以旋转的作用。

进一步改进，所述定子包括由导磁材料制成的定子磁轭，定子磁轭包括均匀等分的定子极靴，定子极靴间为定子槽，定子极靴上设有定子集中式绕组；集中式绕组在发电机中间平面两侧均匀对称分布有两层；当发电机处在电动状态时，集中式绕组导通供电，电能由外部输入，能驱动转子发生偏转。

优选的，所述的定子内侧面设有36个定子槽，在导磁材料制成的定子磁轭的每一层上套有均匀等分的12个匝数可调的集中式绕组。

优选的，所述的分布式绕组为单层链式绕组，漆包线绕制，绕层间没有绝缘层，定子槽型为梨形槽。

优选的，所述的偏转角度范围为±30º。

优选的，所述的转子外形具有单层圆鼓状外形或球状凸面，相对应的定子具有与之匹配的凹面。

优选的，所述的转子永磁体是以钕铁硼材料烧结制成，径向或者轴向充磁，外形呈球面状的一部分。

优选的，所述的转子永磁体对于转子磁轭内芯间的结构为表贴式、嵌入式、内置式或嵌入内置混合式。

本发明的积极效果是，与现有技术相比，本发明提高了永磁同步发电机的适用性，发电机在发电状态中转子不仅可绕轴自转，在转子偏转即转子轴线与定子轴线呈现一定角度后仍可正常发电，故有更广泛的适应性和灵活性，发电稳定，且结构简单、成本较低。如加上偏转用的集中式绕组，在需要主动调节转子偏转角度时也可使其短时进入电动状态，驱动转子发生偏转至期望角度。本发明可广泛应用于风力发电、车辆等领域。

本发明采用圆鼓状外形转子结构有利于实现三自由度运动，能有效地减小传动结构的复杂度，提高传动性能。通过转子中心与关节轴承的连接，可以使转轴得以偏转，增加了发电机的灵活适应性。

采用凹球面状定子磁极铁芯结构与转子外凸球面配合，能够保证运动过程中定转子的恒定气隙。

在定子槽和定子磁轭上分别有分布式绕组和集中式绕组，通过控制器进行控制，可以保证发电机可以运行在发电机和电动机两个不同的工作状态。

本发明根据需要转轴可以为双侧轴和单侧轴的结构，可适应不同应用场合。

本发明的转子磁极、线圈放置方式可调，可灵活调整气隙、线圈形状，可以根据使用目的对定转子作用效果进行微调。

在风力发电、车辆等领域，可实现直驱运行，增强发电机对转轴发生一定偏转的适应性，亦可用在其它领域，由于转子具有一定角度范围的主动偏转能力的优点使其应用领域广，可以省去复杂的传动与柔性轴连接等，且可方便地实现发电与电动状态的切换。应用于风力发电，能提高的风能利用率；启动风速低，输出转矩稳定，易于电能整流储存，风机的使用寿命长，发电效率高，结构简单，占用空间面积少。尤其适用于中小型风力发电或中小功率场合使用，有利于产生较大的经济效益和社会效益。

为了更好的理解本发明，以下结合实施例及其附图作解释说明，但本发明要求保护的范围不仅局限于本实施例表示的范围。

附图说明

图1为本发明实施例1双侧轴式发电机的立体结构示意图。

图2为图1中的两外侧双滑轨轴承座的装配结构示意图。

图3为图2中两外侧滑轨轴承座中的导槽形状及转轴运动轨迹示意图。

图4为定子和转子三维结构示意图（永磁体为表贴式）。

图5为图4的定子和转子的二维平面图。

图6为图4中的转子和线圈剖视示意图。

图7为图5中的表贴式转子永磁体的结构示意图。

图8为本发明实施例2单侧轴式发电机的立体结构示意图。

图9为图8中的关节轴承装配结构示意图。

图10为本发明嵌入式转子永磁体的结构示意图。

图11为本发明内置式转子永磁体的结构示意图。

图12为本发明嵌入和内置混合式转子永磁体的结构示意图。

图13为本发明电动状态原理图。

图14为本发明控制系统框图。

图中各标号说明:1—转子永磁体，2—转子磁轭内芯，3—发电机外壳，4—转子轴套筒，5—转轴，6—分布式绕组，7—集中式绕组，8—定子磁轭，9—隔磁片，10-滑轨轴承，11-关节轴承，12-端盖，13-螺栓。

具体实施方式

参见附图1-12，该转轴偏转式永磁发电机，其特征在于主要包括定子、转子和发电机外壳，定子固定于发电机外壳上，定子在转子的外围，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯2，所述转子磁轭内芯2中心固定有转轴5，所述转子磁轭内芯2的周围上分布有若干转子永磁体1，在圆周方向上各转子永磁体1的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体1之间设有非导磁材料制成的隔磁片9；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组6，发电机处于发电状态时使用；定子的与转子相对侧为凹面形状，与转子的凸面形状匹配，之间具有间隙；所述的转轴5为双侧或单侧轴，转轴5与转子磁轭内芯2固定连接；当转轴5转动时，转子磁轭内芯2一起旋转，当转轴5偏转时，转子磁轭内芯2也一起偏转；发电机处在发电状态时，分布式绕组6导通，由原动机带动发电机发电。所述转轴5为单侧轴时，所述转轴5与转子磁轭内芯2的连接结构为A：转子磁轭内芯2与关节轴承11的外圈或内圈固定连接，关节轴承(11)的主螺杆端固定连接在发电机外壳上，转轴5伸出发电机外壳外部；所述的转轴5为双侧轴时，所述转轴5与转子磁轭内芯2的连接结构为B：转子磁轭内芯2与转轴5固定连接，在转子磁轭内芯2两侧的转轴5上分别设有滑轨轴承10及其轴承座，滑轨轴承10起支撑转轴5并使转轴5得以旋转的作用。转子磁轭内芯2通过套筒4与转轴5采用螺纹连接固定。所述定子包括由导磁材料制成的定子磁轭8，定子磁轭8包括均匀等分的定子极靴，定子极靴间为定子槽，定子极靴上设有定子集中式绕组7；集中式绕组7在发电机中间平面两侧均匀对称分布有两层；当发电机处在电动状态时，集中式绕组7导通供电，电能由外部输入，能驱动转子发生偏转。所述的定子内侧面设有36个定子槽，在导磁材料制成的定子磁轭8的每一层上套有均匀等分的12个匝数可调的集中式绕组7。

所述的分布式绕组6为单层链式绕组，漆包线绕制，绕层间没有绝缘层，定子槽型为梨形槽。所述的偏转角度范围为±30º。所述的转子外形具有单层圆鼓状外形或球状凸面，相对应的定子具有与之匹配的凹面。所述的转子永磁体1是以钕铁硼材料烧结制成，径向或者轴向充磁，外形呈球面状的一部分。所述的转子永磁体1对于转子磁轭内芯2间的结构为表贴式、嵌入式、内置式或嵌入内置混合式。

当发电机处在发电状态时，分布式绕组6导通，由原动机的机械转矩带动旋转，进而带动发电机进行发电；当发电机处在电动状态时，集中式绕组7按照一定规则导通供电，电能由外部输入，驱动转子发生偏转。

如图2所示，双侧轴式发电机外侧滑轨轴承起到支撑转轴的作用，同时可以在一定范围内偏转，所开槽形为水平面内偏转，若需要垂直和其它方向偏转，亦可沿其它方向开与偏转运动范围相配的槽形。

如图9所示，单侧轴式发电机关节轴承结构，以表贴式永磁体为例，固定在转子中心的关节轴承通过螺杆与发电机外壳底部相固连，转子可以绕转轴5的轴线360度旋转，并且可以进行偏转（偏转范围±30º），转轴5穿过端盖12上开的喇叭口与外部相连。

如图13所示，是发电机电动状态原理图。为更加清楚的说明，图中未画出定子上的分布式绕组6。发电机通过对定子上的集中式绕组7分别通以不同方向的电流，使得转子永磁体1受到偏转方向的力，实现偏转运动，图中X轴为转轴线方向，Y轴为X轴垂直方向，XY轴代表了水平面，在当前转子位置下，对图中所示4个集中式绕组7通以电流使之产生图中所示的磁场极性，与转子永磁体1作用产生同极相斥、异极相吸的力，使转子产生如图中所示的水平面内的运动；同时原动机带动转轴5也可同时进行绕X轴的自转方向运动，如图所示，由此即可实现发电机转轴5在自转基础上的水平面内的偏转，调节结束后进入发电状态，此时集中式绕组7不再作用。

如图7、10、11、12所示，是发电机转子永磁体1可安装的结构示意图，包括：表贴式、嵌入式、内置式或嵌入内置混合式结构，沿转子产生的磁场波形和强度不同，根据使用场合和发电机性能要求灵活选择。

如图14所示，是转轴偏转式永磁发电机的控制系统框图，控制器采用单片机，主要功能在于发电机发电和电动状态的控制、各种信号的检测和与上位机的通信等。单片机实时检测发电机的各种信号，通过对电压、电流和转速信号的检测，获取发电机的状态信息。具体过程为：首先通过外部传感器或给定信号来判断是否需要进行偏转运行，若不需要，直接控制发电机使其发电，当需要进行偏转运行时，发电机控制器控制发电机进入电动状态，使转子及转轴5发生一定角度的主动偏转，再控制发电机处在发电状态，使发电机发电运行。工作人员可通过上位机，观测显示数据，了解发电相关信息，同时可以通过键盘按键操作，控制发电机的起动、停止、运行等状态。

所述关节轴承11不是悬空的，它底端是由主螺杆安装在底座上，是个内部为圆球，外面为轴承球壳的结构，使其只能围绕球心旋转。

未述及部分本专业技术人员均可实施。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (1)

1.一种转轴偏转式永磁发电机，其特征在于主要包括定子、转子和发电机外壳，定子固定于发电机外壳上，定子在转子的外围，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯(2)，所述转子磁轭内芯(2)中心固定有转轴(5)，所述转子磁轭内芯(2)的周围上分布有若干转子永磁体(1)，在圆周方向上各转子永磁体(1)的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体(1)之间设有非导磁材料制成的隔磁片(9)；转子永磁体(1)是以钕铁硼材料烧结制成，径向或者轴向充磁，外形呈球面状的一部分；定子包括由导磁材料制成的定子磁轭(8)，定子磁轭(8)包括均匀等分的定子极靴，定子极靴间为定子槽，定子极靴上设有定子集中式绕组(7)；集中式绕组(7)在发电机中间平面两侧均匀对称分布有两层；定子内侧面设有36个定子槽，在导磁材料制成的定子磁轭(8)的每一层上套有均匀等分的12个匝数可调的集中式绕组(7)；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组(6)，发电机处于发电状态时使用；定子的与转子相对侧为凹面形状，与转子的凸面形状匹配，之间具有间隙；所述的转轴(5)与转子磁轭内芯(2)固定连接；当转轴(5)转动时，转子磁轭内芯(2)随之旋转，当转轴(5)偏转时，转子磁轭内芯(2)也随之偏转；发电机可根据需要工作在发电或电动状态，当处在发电状态时，分布式绕组(6)导通，由原动机带动发电机发电；当发电机处在电动状态时，集中式绕组(7)导通供电，电能由外部输入，能驱动转子发生偏转；所述的转轴(5)为双侧轴，所述转轴(5)与转子磁轭内芯(2)的连接结构为：转子磁轭内芯(2)与转轴(5)固定连接，在转子磁轭内芯(2)两侧的转轴(5)上分别设有滑轨轴承(10)及其轴承座，滑轨轴承(10)起支撑转轴(5)并使转轴(5)得以旋转的作用。