CN106165267A - 无轴发电机 - Google Patents

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谢尔盖·奥斯特罗乌霍夫
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Vadim Kulikoff
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Abstract

一种磁发电机(1)，包括：定子(3)、具有旋转轴线(7)的转子(5)；转矩源，引起转子绕定子旋转；第一组磁体，包括设置在定子(3)上的一个或多个磁体(9)；以及第二组磁体，包括设置在转子(5)上的一个或多个磁体(11)。这些磁体(9、11)的同性极面对彼此，并且这些磁体(9、11)分别安置在定子(3)和转子(5)上，使得在旋转期间，转子(5)通过这些磁体(9、11)而相对于定子(3)磁性悬置。转子(5)为环形形状，导电线圈(19)缠绕在转子(5)周围，使得转子(5)在线圈(19)内旋转。

Description

无轴发电机
技术领域
本发明涉及使用机械能提供电力输出的电力发电机。
背景技术
典型的发电机包括：安装在轴上且相对于其纵向轴线能旋转的转子、定子，以及设置在转子或定子上的磁体(永磁体或电磁体)。转子在磁场内转动感应在可位于转子或定子上的电枢内产生电流。与这种类型的机器相关联的本质问题在于可运动部件摩擦引起的能量损耗。
进一步的问题在于，依赖化石燃料或间歇的输入能源来提供驱动转矩。为解决该问题，已尝试使用磁力生成驱动力，且已构建了利用磁通量能产生旋转的机器。磁马达为将磁力转化为机械运动的装置。磁马达使用(至少部分使用)安置在电机的转子和定子部件上的排斥磁体的能量感应转子旋转来实现运行。使用转子的机械输出而不进一步转化，也就是，磁马达可用作机械驱动，或者通过向电磁发电机提供马达的机械输出而将转子的机械输出转化为电力。例如，这些机器在WO2006/045333(Brady),EP 0256132 B1(Minato)和GB2282708 B(Adams)中描述。WO2006/045333使用永磁体来产生旋转，而GB 2282708使用电磁体和永磁体的组合。EP 0256132 B1使用永磁体来产生旋转而用电磁体进行制动。这种类型的机器在提供清洁能源的同时，具有相对复杂的构造。
本发明的目的是提供一种发电机，与现有技术相比，这种发电机能增加有用输出，降低复杂性，减少整体重量并且降低易摩擦磨损性。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种发电机，其包括：
定子；
转子，具有旋转轴线；
转矩源，促使转子绕定子旋转；
设置在定子上的第一组磁体，包括一个或多个磁体；
设置在转子上的第二组磁体，包括一个或多个磁体；
其中，第一组磁体和第二组磁体的同性极面相彼此，且第一组磁体和第二组磁体分别安置在定子和转子上，使得旋转时，通过第一组磁体和第二组磁体，转子相对于定子磁性地悬置；并且
其中，电导体安置在定子和转子之间的空间内，使得转子旋转时，感应生成导体内的电流。
在本发明中，使用时，转子仅由于第一组磁体和第二组磁体的相互排斥相对于定子悬置，除了需要磁力保持转子在旋转时悬置外，转子通过第一组磁体和第二组磁体悬置而没有其他支撑。因此，转子和定子上的磁体充当转子的径向磁轴承，且转子不需要相对于定子旋转地安装的轴。
优选地，转子大体为环形形状。
优选地，电导体包括电导线圈。
优选地，线圈围绕转子设置，使得转子相对于线圈且相对于定子悬置。
优选地，线圈环绕转子。优选地，使用时转子在线圈内旋转。
优选地，线圈包括至少一个绕组，更优选地，多个绕组。
优选地，线圈以大体上螺旋管形(toroidal configuration)构造环绕转子，这样，转子形成线圈的芯。线圈的这种设置在带轴的转子内是不可能实现的。线圈的这种设置提供更高效的电流感应。
要明白，术语“螺旋管形构造”应赋予广泛的意义，包括完全的或部分的螺旋管状整体形状，包括只有一个绕组以及具有多个绕组的实例。要理解的是，术语绕组应理解为包括整个绕组或部分绕组。
线圈可支撑在定子上或由定子外的结构支撑。
借助于转子旋转期间定子和转子的磁体，以及容置到定子和转子之间的空间的线圈，转子的环形状便于使转子的磁悬置。
优选地，环包括限定中央孔的环形带。优选地，该带具有小于中央孔半径的宽度(也就是，环形带的外径与中央孔的半径之间的差值)，且优选地，该宽度比中央孔的半径小两倍以上。
第一组磁体和第二组磁体可以为永磁体，比如，钕(Nd-Fe-B)或钐-钴(Sm-Co)磁体，但并不限于此。第一组磁体可以包括电磁体。
第一组磁体和/或第二组磁体优选地分别与定子和转子电绝缘，以阻止涡流从磁体传播至定子和/或转子的材料内。
定子和/或转子也由非磁性材料制作。
优选地，转子和定子之间的空间包括在定子和转子之间限定的空隙，并且第一组磁体和第二组磁体分别安置在定子和转子上，从而在空隙内形成径向(相对于转子的旋转轴线)磁通量场。
在优选设置中，第一组磁体中的磁体或每个磁体安置在定子的朝向间隙的大体径向(相对于转子的旋转轴线)的表面上。定子的朝向间隙的大体径向表面可以是径向向内的表面。优选地，第二组磁体中的磁体或每个磁体安置在转子的朝向间隙的大体径向(相对于转子的旋转轴线)表面。转子的朝向间隙的大体径向表面可以是径向向外的表面。
在优选设置中，第一组磁体包括多个磁体。优选地，第一组磁体围绕定子的朝向间隙的径向表面而周向地间隔开。第二组磁体包括多个磁体。优选地，第二组磁体围绕转子的朝向间隙的径向表面而周向地间隔开。
在优选设置中，定子围绕转子。
优选地，发电机包括阻止转子旋转时线性位移的稳定装置，该线性位移包括轴向位移和径向位移(相对于转子的旋转轴线)。稳定装置可安装在定子上。稳定装置可包括一个或多个限制构件。限制构件可围绕转子的外周缘设置以阻止转子的径向位移。限制构件可安装在转子的轴向相对的侧部以阻止轴向位移。采用的线圈优选地起到额外的或可替代的稳定装置的作用。缠绕在转子周围形成螺旋管形构造的线圈提供有利的稳定装置。
线圈优选地能够耦合到用户电路，电路可包括变压器或配电单元。
转子和定子可容置在防护罩内。防护罩可以是真空罩以消除或最小化转子旋转时的空气阻力。
优选地，转子的旋转轴线大体为水平的。
优选地，发电机包括用于启动和终止转子的旋转和悬置的致动装置。在一种实施方式中，优选地，致动装置适于驱使转子和/或定子彼此接合以使转子转动和悬置，和使二者彼此分离以停止转子的转动和悬置。可选择地或另外地，第一组磁体和/或第二组磁体中的磁体或每磁体可分别可移动地设置在定子和转子上，以形成或除去悬置转子所需要用的磁通量。
这样，本发明的磁发电机内的唯一活动工作部件为转子。此外，转子是无轴的，因此，最小化发电机的部件数量且减小本发明发电机的重量、复杂度、磨损以及制造和维修总成本。由于转子的环形形状，其更轻且与现有技术中的有轴转子相比较不再笨重，因此，进一步有助于减少发电机的整体重量和制造成本。
由于本发明不需要用轴，也不需要轴承来支撑轴，且也不会引起摩擦导致的能量消耗问题。没有摩擦也有助于减少发热，且因此防止磁体的去磁。
没有使用轴使得复杂度减小、部件减少，磨损减轻以及成本降低。这样，本发明提供高效、可靠、简单、相对便宜和便携的发电机。
本发明的发电机可很容易安装在需要就地生成电力的地方。本发明的发电机可用在陆地或车辆上，包括地面或海上运载工具上。本发明的发电机可用作电网电力供电中断时的备用系统，或实际中和与天气相关的发电设备(例如，风电机或太阳能发电机)相结合。对于本技术领域的专业人员而言，本发明的发电机的许多其他工业和家庭用途是显而易见的。
在一种设置中，促使转子相对于定子转动的转矩源包括第一组磁体和第二组磁体，其中，第一组磁体和第二组磁体的同性极相互面对设置，使得第一组磁体和第二组磁体间的排斥力引起转子绕定子转动。
在一种设置中，促使转子转动的转矩源包括设置在定子上的电磁体，且优选地该电磁体连接到激励电磁体的交流源上。
促使转子转动的转矩源可包括定子上的电磁体与第一组和第二组永磁体的组合。电磁体优选地连接到激励电磁体的交流源上。电磁体可用于提供初始转矩、制动，且用于控制和校正转子的转动和/或悬置。
转矩源也可由其他设备提供，比如，机械源，例如，涡轮机或内燃机。
根据本发明的第二个方面，提供一种生成电力的方法，该方法包括一下步骤：
(a)提供发电机，所述发电机包括：
定子；
转子，具有旋转轴线；
设置在定子上的第一组磁体，包括一个或多个磁体；
设置在转子上的第二组磁体，包括一个或多个磁体；
其中，第一组磁体和第二组磁体的同性极面相彼此，且第一组磁体和第二组磁体分别安置在定子和转子上，使得旋转时通过第一组磁体和第二组磁体使转子相对于定子磁性地悬置；
其中，电导体安置在定子和转子之间的空间内，使得转子旋转时感应生成导体内的电流；并且，其中转子大体为环形形状且电导体包括缠绕在转子周围的导电线圈；并且，其中转子是无轴的；
b)施加转矩到转子上，使得转子绕定子旋转且仅由于第一组磁体和第二组磁体的排斥力将转子相对于定子悬置，使得转子旋转时，除了磁力外不需要其他支撑来保持转子悬置。
该方法可包括通过第一组磁体和第二组磁体促使转子绕定子旋转，其中，第一组磁体和第二组磁体的同性极彼此面对地设置，使得第一组磁体和第二组磁体的排斥力促使转子绕定子旋转。
该方法可包括提供设置定子上、且连接到电流源的电磁体，并且通过激励电磁体促使转子绕定子旋转。
该方法可包括通过使用设置在定子上、且连接到激励磁体的电流源的电磁体与第一组永磁体和第二组永磁体的组合，促使转子绕定子旋转。电磁体可用于提供初始转矩、制动，且用于控制和校正转子的旋转和/或悬置。
可结合本发明的第二方面提供本发明第一方面的所有必要的、优选的或可选的特性，反之也是适用的。
具体实施方式
参考附图，仅以实例的方式，现将描述本发明的实施方式：
图1为根据本发明的发电机的示意性透视剖面图；
图2为环绕在图1中发电机的转子周围的线圈的示意性剖视图；以及
图3为图1和图2的转子的示意性剖视图。
参考图1至3，本发明的发电机总体由参考数字1表示。发电机1包括包围环状转子5的定子3。转子5具有大体水平的旋转轴线。第一组磁体9(在假想线内所示)设置在定子3上，而第二组磁体11设置在转子5上。磁体9和11可以是永磁体，例如，钕(Nd-Fe-B)或钐-钴(Sm-Co)磁体。第一组磁体9可包括电磁体。
定子3和转子5之间的空间包括在定子3的径向向内(相对于转子5的旋转轴线7)的表面(未用数字表示)与转子5的向外(相对于转子5的旋转轴线7)表面17之间限定的空隙15。定子磁体9围绕定子9的向内表面周向隔开以朝向空隙15。转子磁体11也围绕转子的向外表面17周向隔开且也朝向空隙15。因此，第一组磁体和第二组磁体9和11分别布置在定子3和转子5上以在间隙15内形成径向(相对于转子5的旋转轴线7)磁通量场。磁体9和11分别设置在定子3和转子5上，使得磁体9和11的同性极彼此面对地设置(也就是，磁体9和11在定子3和转子5的整个外周缘互相排斥)。通过磁体9和11排斥的同性极，在间隙15内形成的径向磁通量场促使转子5在旋转期间在定子3内磁性地悬置。转子5的环形形状有利于悬置。
电导线圈19形式的电导体安置在定子3和转子5之间的空间内，使得在转子5旋转时，在线圈19内生成感应电流。在当前描述的实施方式中，线圈19包括多个绕组且缠绕在转子5周围形成为螺旋管形构造，使得转子5形成线圈19的芯且使用时在线圈内旋转。
仅通过磁体9和11的排斥力，使转子5在定子3内悬置，且不需要其他支撑件来保持在旋转时转子5悬置。
环形转子5包括限定中央孔53的环形带51。环形带51的宽度W(也就是环形带51的外半径RB与中央孔53的半径RO的差值)比中央孔53的半径RO要小两倍以上，以便于转子5的悬置以及将线圈19容置在定子3和转子5之间的空间内。
发电机1包括阻止转子5旋转时线性位移的稳定装置，该线性位移包括轴向位移和径向位移(相对于转子的旋转轴线)。稳定装置可包括多个限制构件21，这些限制构可围绕转子5的外周缘设置在定子3上，以阻止转子5的径向位移。尽管附图中未示出，限制构件可进一步安装在转子5的轴向相对的侧部23和25处以阻止转子5的轴向位移。缠绕在转子5周围的环状线圈19也可起到额外或可替代的稳定装置的作用。
尽管附图中未示出，线圈19由定子3或在定子3外的其他支撑配置支撑。
尽管附图中未示出，磁体9和11优选地与定子3和/或转子5分别电绝缘，以阻止磁体9和11内的涡流传到定子3和转子5的材料内。
转子5和/或定子3优选地由非磁性材料制成。
尽管附图中未示出，线圈19能耦接到用户电路，该用户电路可包括变压器或配电单元。
尽管附图中未示出，转子5和定子3可容置在保护罩内。保护罩可以是真空罩以在转子5旋转时消除或最小化空气阻力。
尽管附图中未示出，发电机1可包括启动和终止转子5的旋转和/或悬置的致动装置。可采用致动装置，驱使转子5和/或定子3彼此接合以使转子5转动和悬置，且使两者彼此分离以停止转子5转动和悬置。可选择地或另外，第一组磁体和/或第二组磁体中的磁体或每个磁体9和11可分别可移动地设置在定子3和转子5上，以形成或除去悬置转子5需要的磁通量。
由于提供了转子5、环形形状以及旋转时转子5的悬置，转子5是本发明磁发电机1内的唯一活动工作部件。转子5是无轴的，因此与现有技术中的具有带轴转子的发电机相比较，发电机1的部件的数量相对减少。因此，本发明中发电机1的重量、复杂度、磨损以及制造和维修总成本减少。由于环形形状，相较于现有技术中的带轴转子，转子5较轻且不再笨重，因此，进一步有助于减少发电机的总体重量和制造成本。由于本发明不需要轴，也不需要轴承来支撑轴，且也不会引起摩擦导致的能量消耗问题。没有摩擦也有助于减少发电机1的发热，且因此阻止磁体9和11的去磁性。
无轴设置使得复杂度减小、部件减少，磨损减轻以及成本降低。这样，本发明提供高效、可靠、简单、相对便宜和便携的磁发电机1。
在一种设置中，可由第一组永磁体和第二组永磁体促使转子5绕定子3转动，其中，永磁体的相互面对的同性磁极之间的排斥力促使转子5绕定子3转动。
在一种设置中，定子3的第一组磁体9包括的电磁体可提供转矩源以促使转子5转动。电磁体可连接到激励电磁体的交流源(未示出)。
在另一种设置中，促使转子5转动的转矩源包括定子3上的电磁体和第一组永磁体和第二组永磁体的组合。电磁体可连接到激励电磁体的交流源上。可使用电磁体提供初始转矩、制动，且用于控制和校正转子5的旋转和/或悬置。
尽管上面已描述了本发明的特定实施方式，但应当理解的是，在由所附权利要求的限定的本发明的范围内可进行各种修改。

Claims (27)

1.一种发电机，包括：
定子；
转子，具有旋转轴线；
转矩源，促使所述转子绕所述定子旋转；
设置在所述定子上的第一组的磁体，包括一个或多个磁体；
设置在所述转子上的第二组的磁体，包括一个或多个磁体；
其中，所述第一组的磁体和第二组的磁体的同性极彼此面对，且所述第一组的磁体和所述第二组的磁体分别安置在所述定子和所述转子上，使得在旋转期间通过所述第一组的磁体和所述第二组的磁体使所述转子相对于所述定子磁性地悬置；
其中，电导体安置所述定子和所述转子之间的空间内，使得在所述转子旋转期间在所述电导体内感应生成电流；并且，
其中，所述转子大体为环形形状且所述电导体包括缠绕在所述转子周围的导电线圈；其中，所述转子是无轴的，且使用时仅通过所述第一组的磁体和所述第二组的磁体的排斥力而使所述转子相对于所述定子悬置，使得除了磁力外不需要其他支撑来使得所述转子在所述转子的旋转期间保持悬置。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述线圈以大体的螺旋管形构造缠绕在所述转子周围，使得所述转子形成所述线圈的芯。
3.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述第一组的磁体和所述第二组的磁体为永磁体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述转子和所述定子之间的所述空间包括限定在所述定子和所述转子之间的间隙，且所述第一组的磁体和所述第二组的磁体分别安置在所述定子和所述转子上，以相对于所述转子的旋转轴线在所述间隙内形成径向的磁通量场。
5.根据权利要求4所述的发电机，其中，所述第一组中的所述磁体或每个磁体安置在所述定子的朝向所述间隙的大体径向表面上，且第二组的所述磁体或每个磁体安置在所述转子的朝向所述间隙的大体径向表面上。
6.根据权利要求5所述的发电机，其中，所述第一组包括多个磁体且所述第一组的这些磁体围绕所述定子的朝向所述间隙的径向表面而周向地间隔开。
7.根据权利要求5或6所述的发电机，其中，所述第二组包括多个磁体且所述第二组的这些磁体围绕所述转子的朝向所述间隙的径向表面而周向地间隔开。
8.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子围绕所述转子。
9.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述发电机包括稳定装置以阻止所述转子在旋转期间线性位移，该线性位移包括相对于所述转子的旋转轴线的轴向位移和径向位移。
10.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述稳定装置设置在所述定子上。
11.根据权利要求9或10所述的发电机，其中，所述稳定装置包括一个或多个限制构件。
12.根据权利要求11所述的发电机，其中，所述限制构件设置在所述转子的外周缘以阻止所述转子的径向位移。
13.根据权利要求11或12所述的发电机，其中，所述限制构件设置在所述转子的轴向相对的侧部以阻止轴向位移。
14.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述线圈适于起到稳定装置的作用以阻止所述转子在旋转期间线性位移，该线性位移包括相对于所述转子的旋转轴线的轴向位移和径向位移。
15.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述线圈支撑在所述定子上或由在所述定子外部的结构支撑。
16.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述转子的旋转轴线是大体水平的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述发电机包括用于启动和终止所述转子的转动和/或悬置的致动装置。
18.根据权利要求17所述的发电机，其中，所述致动装置适于移动所述转子和/或所述定子以彼此接合从而使得所述转子旋转和悬置，以及移动所述转子和/或所述定子以彼此分离从而停止所述转子的旋转和悬置。
19.根据权利要求17或18所述的发电机，其中，所述第一组和/或所述第二组的所述磁体或每个磁体分别能移动地设置在所述定子和所述转子上，以形成或移除悬置所述转子所需的磁通量。
20.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，促使所述转子绕所述定子旋转的所述转矩源包括所述第一组的磁体和所述第二组的磁体，其中，所述第一组的磁体和所述第二组的磁体的同性极彼此面对，使得所述第一组的磁体和所述第二组的磁体之间的排斥力促使所述转子绕所述定子旋转。
21.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中，促使所述转子旋转的所述转矩源包括设置在所述定子上的电磁体。
22.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中，促使所述转子旋转的所述转矩源包括所述定子上的电磁体与所述第一组和所述第二组的永磁体的组合。
23.一种生成电力的方法，所述方法包括步骤：
(a)提供发电机，所述发电机包括：
定子；
转子，具有旋转轴线；
设置在所述定子上的第一组的磁体，包括一个或多个磁体；
设置在所述转子上的第二组的磁体，包括一个或多个磁体；
其中，所述第一组的磁体和第二组的磁体的同性极彼此面对，且所述第一组的磁体和所述第二组的磁体分别安置在所述定子和所述转子上，使得在旋转期间通过所述第一组的磁体和所述第二组的磁体，而使所述转子相对于所述定子磁性地悬置；
其中，电导体安置在所述定子和所述转子之间的空间内，使得在所述转子旋转期间，所述电导体内感应生成电流；并且其中，所述转子大体为环形形状，且所述电导体包括缠绕在所述转子周围的导电线圈；并且其中，所述转子是无轴的；
b)施加转矩到所述转子上，促使所述转子绕所述定子旋转，且仅通过所述第一组的磁体和所述第二组的磁体的排斥力将所述转子相对于所述定子悬置，使得在所述转子旋转期间除了磁力外不需要其他支撑来保持所述转子悬置。
24.根据权利要求23所述的方法，包括通过所述第一组的磁体和所述第二组的磁体促使所述转子绕所述定子旋转的步骤，其中，所述第一组的磁体和所述第二组的磁体的同性极彼此面对，使得所述第一组的磁体和所述第二组的磁体之间的排斥力促使所述转子绕所述定子旋转。
25.根据权利要求23所述的方法，包括以下步骤：提供设置在所述定子上且连接到电流源的电磁体，并且通过激励所述电磁体促使所述转子绕所述定子旋转。
26.根据权利要求23所述的方法，包括以下步骤：在所述第一组和所述第二组中提供永磁体，在所述定子上提供电磁体，将所述电磁体连接到激励所述电磁体的电流源上，且通过所述定子上的所述电磁体与所述第一组和所述第二组的永磁体的组合来促使所述转子绕所述定子旋转。
27.根据权利要求26所述的方法，包括以下步骤：使用所述电磁体提供初始转矩、制动，且用于控制和校正所述转子的旋转和/或悬置。
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