CN107453578B - 磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机 - Google Patents

磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机 Download PDF

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Abstract

磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，该电机包括定子组件和动子组件；定子组件和动子组件之间有气隙，平衡永磁体、定子铁心和嵌放于定子槽中的绕组共同构成了定子组件；动子组件包括铁磁极、励磁永磁体和动子轴，铁磁极和励磁永磁体交替安放，套装在非磁性轴动子轴上,定子组件、动子组件均为圆筒形结构。本发明具体优点如下：圆筒形磁通并联永磁直线振荡发电机绕组没有端部，利用率高，功率密度高。可以实现永磁直线电机动子位移（或速度）按正弦（或余弦）波运动。直线发电机负载时输出电压接近方波，整流后的波形谐波含量低、谐波幅值小，滤波电容容量小。本发明通过合理设计，可以得到较小的磁阻定位力，能将发电机空载推力波动减少75%。

Description

磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机
技术领域：本发明属于永磁直线振荡电机领域，尤其涉及一种简谐运动的圆筒形永磁直线振荡发电机的设计方法和结构。
背景技术：声波和波浪是自然界中最常见的一种可再生清洁能源，热声发电和波浪发电是人类新能源发电技术的一个有益补充，在这类型应用中采用永磁直线发电机可以省去旋转直线转换机构，提高系统的效率和功率密度，在某些应用中也使得振荡运动行程调制更为便捷。
声波和波浪是都属于典型的简谐运动方式，运动特征是位移和速度按正弦波(或余弦波)规律变化，如果要让电机的电磁阻尼力为正弦波，就得保证电机输出正弦波电压和正弦波电流，传统结构的圆筒形永磁直线发电机不能实现简谐运动输出正弦波电压。专利CN201010539540.9提出的混合磁路永磁直线发电机虽然能输出正弦波电压，但漏磁大、功率密度低。同时，在轴向长度有限的条件下实现大功率，直线电机的外径就得增大，大直径圆筒形直线电机带来了极大的磁阻定位力，影响了系统的性能。
发明内容：
发明目的：本发明目的是提供一种正弦波反电动势的大功率、短行程、高效率的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其目的是让电机产生的电磁阻尼力与系统匹配，致使振荡发电机处于谐振状态，解决目前直线振荡发电系统效率低的的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，该电机包括定子组件和动子组件；定子组件和动子组件之间有气隙，平衡永磁体、定子铁心和嵌放于定子槽中的绕组共同构成了定子组件；动子组件包括铁磁极、励磁永磁体和动子轴，铁磁极和励磁永磁体交替安放，套装在非磁性轴动子轴上,定子组件、动子组件均为圆筒形结构。
铁磁极与励磁永磁体交替安放，相邻的励磁永磁体充磁方向相异，且为轴向充磁。
发电机的定子齿的数量zt、定子槽的数量zs、铁磁极的数量pFe、励磁永磁体的数量pPM间的关系为zt+zs＝pFe+pPM-4、pFe＝pPM+1。
定子齿、定子槽、平衡永磁体、铁磁极、励磁永磁体五者轴向长度相同，(轴向长度就是图1的左右方向)从而使发电机处于平衡位置时的气隙磁场波形接近于方波，方波正、负半周的波形宽度接近于τ/2，τ为极距，当发电机谐振幅值小于τ/2时，都能保证发电机输出的电压和电流波形为正弦波，且发电机的电压和电流的频率是动子振荡频率的2倍。
励磁永磁体产生的永磁励磁磁通与绕组产生的绕组响应磁通为并联关系，当动子组件离开平衡位置时，绕组响应磁通与永磁励磁磁通方向相同；当动子组件趋近于平衡位置时，绕组响应磁通与永磁励磁磁通方向相反，通过链过绕组的磁通的增减而发电；动子组件每往复运动一周，绕组中就会输出2个周波的电流和电压。
定子铁心的两个纵向端部安装有平衡永磁体，轴向充磁，其轴向端面的极性与动子轴向靠近两个端部的励磁永磁体的极性相同，用来抵消部分定子齿与铁磁极间的吸力，平衡永磁体的存在，能将发电机空载推力波动减少75％。
平衡永磁体的径向高度hm初始值设计为(Ro-Ri)/2，Ro为定子外径，Ri为定子内径，采用商业有限元计算发电机空载时的轴向推力波动FD1，接着将平衡永磁体的径向高度改为hm-△hm，△hm为一增量，计算出轴向推力波动FD2，再将平衡永磁体的径向高度改为hm+△hm，计算出轴向推力波动FD3；比较FD1、FD2、FD3的大小，以最小者推力波动时的径向高度作为最优值，再分别在此基础上增减△hm1，直到找出最小推力波动时的平衡永磁体(6)的径向高度，也就是平衡永磁体的最佳高度。
△hm、△hm1比hm小一个数量级，△hm1比△hm小，如△hm选为hm/10，△hm1选为hm/20。
动子组件轴向的两个端部必须为一体式的铁磁极，材料为强度较高、导磁性能较好的钢材，用来夹紧动子组件，其他的铁磁极材料选用硅钢片。
动子轴为中空结构，材料为高强度、轻质、不导磁材料。
优点效果：
一种正弦波反电动势的大功率、短行程、高效率圆筒形磁通并联永磁直线振荡发电机，其特征在于：该电机为圆筒形结构，包括定子组件和动子组件，二者之间有气隙，平衡永磁体、定子铁心和嵌放于定子槽中的绕组共同构成了定子组件；铁磁极和励磁永磁体交替安放，套装在非磁性轴上共同构成了动子组件。铁磁极与励磁永磁体交替安放，相邻的励磁永磁体充磁方向相异，且为轴向充磁。所述动子组件轴向的两个端部必须为铁磁极，材料为强度较高、导磁性能较好的钢材，用来夹紧动子组件，其他的铁磁极材料最好选用硅钢片。所述定子铁心的两个纵向端部安装有平衡永磁体，轴向充磁，其轴向端面的极性与动子轴向靠近两个端部的励磁永磁体的极性相同，用来抵消部分定子齿与铁心磁极吸力，其径向高度hm初始值设计为(Ro-Ri)/2，Ro为定子外径，Ri为定子内径，采用商业有限元计算发电机空载时的轴向推力波动FD1，接着将永磁体的径向高度改为hm-△hm，△hm为一增量，△hm可以选为hm/10，计算出轴向推力波动FD2，再将永磁体的径向高度改为hm+△hm，计算出轴向推力波动FD3；比较FD1、FD2、FD3的大小，以最小者推力波动时的径向高度作为最优值，再分别在此基础上增减△hm1，△hm1可以选为hm/20，直到找出最小推力波动时的平衡永磁体的径向高度，也就是所设计发电机的最佳高度。
所述永磁直线振荡发电机的定子齿的数量zt、定子槽的数量zs、铁磁极的数量pFe、励磁永磁体的数量pPM间的关系为zt+zs＝pFe+pPM-4、pFe＝pPM+1。
所述定子齿、定子槽、平衡永磁体、铁磁极、励磁永磁体五者轴向长度相同，从而使发电机处于平衡点位置时的气隙磁场波形更加接近于方波，方波正、负半周的波形宽度接近于τ/2，当永磁直线振荡发电机谐振幅值小于τ/2时，利用上述方法都能保证永磁直线振荡发电机输出的电压和电流波形为正弦波，且发电机的电压和电流的频率是动振荡频率的2倍。发电机处于振荡运行时，永磁励磁磁通与绕组响应磁通为并联关系，当动子组件离开平衡位置时，绕组响应磁通与永磁励磁磁通方向相同；当动子组件趋近于平衡位置时，绕组响应磁通与永磁励磁磁通方向相反，通过链过绕组磁通的增减而发电；动子组件每往复运动一周，绕组中就会输出2个周波的电流和电压。
本发明与现有技术相比，具体优点如下：
圆筒形磁通并联永磁直线振荡发电机绕组没有端部，利用率高，功率密度高。
可以实现永磁直线电机动子位移(或速度)按正弦(或余弦)波运动，而空载反电动势波形为二倍频余弦波。
直线发电机负载时输出电压接近方波，整流后的波形谐波含量低、谐波幅值小，滤波电容容量小。
传统永磁直线振荡电机的磁阻定位力很大，本发明通过合理设计，可以得到较小的磁阻定位力，能将发电机空载推力波动减少75％。
附图说明：
图1是本发明的柱坐标系下永磁直线振荡发电机的剖面图；
图2是本发明的永磁直线振荡发电机三维结构图；
图3是本发明的永磁直线振荡发电机动子在平衡点处磁通并联示意图；
图4是本发明的永磁直线振荡发电机动子在非平衡点处磁通并联示意图；
图5是本发明的永磁直线振荡发电机动子右行时的动子受力图；
图6是本发明的永磁直线振荡发电机动子左行时的动子受力图；
图7是本发明的永磁直线振荡发电机不同平衡永磁体高度的推力波动图；
图8是本发明的永磁直线振荡发电机动子振荡、电流、电压波形图；
附图标记说明：
1.定子组件、2.定子铁心、3.绕组、4.定子齿、5.定子槽、6.平衡永磁体、7.动子组件、8.铁磁极、9.励磁永磁体、10.动子轴、11.绕组响应磁通、12.永磁励磁磁通、13.平衡永磁体与铁心磁极作用力、14.定子齿与铁心磁极吸力、15.平衡永磁体与铁心磁极斥力。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明提供一种大功率、低磁阻定位力、高效率、倍频永磁直线振荡发电机，该电机包括定子组件1和动子组件7，二者之间有气隙，定子铁心2和嵌放于定子槽5中的绕组3共同构成了定子组件1，定子铁心2的两个轴向端部各安装有一块平衡永磁体6；铁磁极8和励磁永磁体9交替安放，套装在非磁性动子轴10上，相邻的励磁永磁体9充磁方向相异，且为轴向充磁。
所述定子侧的平衡永磁体6在定子轴向的两个端部各有一块，轴向充磁，其轴向端面的极性与动子轴向靠近两个端部铁磁极8的励磁永磁体9的极性相同，平衡永磁体6与端部铁磁极8作用，产生了与运动方向相同的作用力13和15，用来抵消部分定子齿与铁心磁极吸力14。
平衡永磁体6径向高度hm初始值设计为(Ro-Ri)/2，Ro为定子外径，Ri为定子内径，采用商业有限元计算发电机空载时的轴向推力波动FD1，接着将永磁体6的径向高度改为hm-△hm，△hm为一增量，△hm可以选为hm/10，计算出轴向推力波动FD2，再将永磁体6的径向高度改为hm+△hm，计算出轴向推力波动FD3；比较FD1、FD2、FD3的大小，以最小者推力波动时的径向高度作为最优值，再分别在此基础上增减△hm1，△hm1可以选为hm/20，直到找出最小推力波动时的平衡永磁体6的径向高度，也就是平衡永磁体6的最佳高度。
所述动子组件轴向的两个端部必须为铁磁极8，材料为强度较高、导磁性能较好的钢材，用来夹紧动子组件，其他的铁磁极材料最好选用硅钢片。
所述永磁直线振荡发电机的定子齿4的数量zt、定子槽5的数量zs、铁磁极8的数量pFe、励磁永磁体9的数量pPM间的关系为zt+zs＝pFe+pPM-4、pFe＝pPM+1如图1所示，zt＝10，zs＝9，pFe＝12，pPM＝11。
所述定子齿4、定子槽5、平衡永磁体6、铁磁极8、励磁永磁体9五者轴向长度相同，从而使发电机处于图1位置时的气隙磁场波形更加接近于方波，方波正、负半周的波形宽度接近于τ/2，当永磁直线振荡发电机谐振幅值小于τ/2时，利用上述方法都能保证永磁直线振荡发电机输出的电压和电流波形为正弦波，且发电机的电压和电流的频率是动振荡频率的2倍。
发电机工作时，永磁励磁磁通12与绕组响应磁通11为并联关系，当动子组件7离开平衡位置时，绕组响应磁通11与永磁励磁磁通12方向相同；当动子组件7趋近于平衡位置时，绕组响应磁通11与永磁励磁磁通12方向相反，通过链过绕组3的磁通的增减而发电；动子组件7每往复运动一周，绕组3中就会输出2个周波的电流和电压。
结合附图：
如图1、2所示，本发明涉及一种高效率、低磁阻定位力、倍频圆筒形永磁直线振荡发电机，动子和定子之间有一个较小的均匀气隙；定子轴向两个端部安放有轴向充磁的环形永磁体，也就是平衡永磁体6。
平衡永磁体6轴向充磁，其轴向端面的极性与动子轴向靠近两个端部的励磁永磁体的极性相同，如图5-图6所示，平衡永磁体6与端部铁磁极8作用，产生了与运动方向相同的作用力13和15，用来抵消部分定子齿与铁心磁极吸力14。
平衡永磁体6径向高度初始值设计为hm＝27mm，Ro＝200mm，Ri＝147mm，采用商业有限元计算发电机空载时的轴向推力波动FD1，接着将永磁体的径向高度改为24mm和30mm，计算出轴向推力波动分别为FD2和FD3；FD3最小，再再增减平衡永磁体6的高度，轴向推力波动基本没变化，也就是hm＝30mm为最佳高度，计算结果如图7所示。
图1、2中永磁直线振荡发电机的定子齿4的数量zt＝10、定子槽5的数量zs＝9、铁磁极8的数量pFe＝12、励磁永磁体9的数量pPM＝11，他们之间的关系为zt+zs＝pFe+pPM-4、pFe＝pPM+1。
图1、2中定子齿4、定子槽5、平衡永磁体6、铁磁极8、励磁永磁体9五者轴向长度相同，均等于15mm，保证了发电机处于图1位置时的气隙磁场波形更加接近于方波，方波正、负半周的波形宽度接近于15mm，当永磁直线振荡发电机谐振幅值小于15mm时，都能保证永磁直线振荡发电机输出的电压和电流波形为正弦波，且发电机的电压和电流的频率是动振荡频率的2倍，电机的动子振荡频率与电机的电流、电压频率如图8所示。
发电机工作时，永磁励磁磁通12与绕组响应磁通11为并联关系，图3当动子组件7离开平衡位置向右运行时，绕组响应磁通11与永磁励磁磁通12方向相同；图4当动子组件7趋近于平衡位置时，绕组响应磁通11与永磁励磁磁通12方向相反，通过链过绕组3的磁通的增减而发电；动子组件7每往复运动一周，绕组3中就会输出2个周波的电流和电压。
上述图5、6结构的圆筒形磁通并联倍频永磁直线振荡发电机能削弱空载推力波动。上述图1、2结构的圆筒形磁通并联倍频永磁直线振荡发电机能够产生2倍频的电流、电压。
综上所述，本发明能够在简谐运动下输出正弦波电压和电流；电机输出的电压和电流的频率是简谐运动频率的2倍，降低了整流滤波电容的容量；电机空载推力波动小；电机功率密度高，约为传统直线振荡发电机的2倍。

Claims (7)

1.一种磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：该电机包括定子组件(1)和动子组件(7)；定子组件(1)和动子组件(7)之间有气隙，平衡永磁体(6)、定子铁心(2)和嵌放于定子槽(5)中的绕组(3)共同构成了定子组件(1)；动子组件包括铁磁极(8)、励磁永磁体(9)和动子轴(10)，铁磁极和励磁永磁体交替安放，套装在非磁性轴动子轴(10)上,定子组件(1)、动子组件(7)均为圆筒形结构；
发电机的定子齿(4)的数量zt、定子槽(5)的数量zs、铁磁极(8)的数量pFe、励磁永磁体(9)的数量pPM间的关系为zt+zs＝pFe+pPM-4、pFe＝pPM+1。
2.根据权利要求1所述的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：铁磁极与励磁永磁体交替安放，相邻的励磁永磁体充磁方向相异，且为轴向充磁。
3.根据权利要求2所述的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：定子齿(4)、定子槽(5)、平衡永磁体(6)、铁磁极(8)、励磁永磁体(9)五者轴向长度相同，从而使发电机处于平衡位置时的气隙磁场波形接近于方波，方波正、负半周的波形宽度接近于τ/2，τ为极距，当发电机谐振幅值小于τ/2时，都能保证发电机输出的电压和电流波形为正弦波，且发电机的电压和电流的频率是动子振荡频率的2倍。
4.根据权利要求1、2或3所述的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：励磁永磁体(9)产生的永磁励磁磁通(12)与绕组(3)产生的绕组响应磁通(11)为并联关系，当动子组件(7)离开平衡位置时，绕组响应磁通(11)与永磁励磁磁通(12)方向相同；当动子组件(7)趋近于平衡位置时，绕组响应磁通(11)与永磁励磁磁通(12)方向相反，通过链过绕组(3)的磁通的增减而发电；动子组件(7)每往复运动一周，绕组(3)中就会输出2个周波的电流和电压。
5.根据权利要求1或3所述的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：定子铁心(2)的两个纵向端部安装有平衡永磁体(6)，轴向充磁，其轴向端面的极性与动子轴向靠近两个端部的励磁永磁体(9)的极性相同，用来抵消部分定子齿(4)与铁磁极(8)间的吸力(14)，平衡永磁体(6)的存在，能将发电机空载推力波动减少75％。
6.根据权利要求4所述的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：平衡永磁体(6)的径向高度hm初始值设计为(Ro-Ri)/2，Ro为定子外径，Ri为定子内径，采用商业有限元计算发电机空载时的轴向推力波动FD1，接着将平衡永磁体(6)的径向高度改为hm-△hm，△hm为一增量，计算出轴向推力波动FD2，再将平衡永磁体(6)的径向高度改为hm+△hm，计算出轴向推力波动FD3；比较FD1、FD2、FD3的大小，以最小者推力波动时的径向高度作为最优值，再分别在此基础上增减△hm1，直到找出最小推力波动时的平衡永磁体(6)的径向高度，也就是平衡永磁体(6)的最佳高度。
7.根据权利要求6所述的磁通并联倍频圆筒型永磁直线振荡发电机，其特征在于：△hm、△hm1比hm小一个数量级，△hm1比△hm小，△hm选为hm/10，△hm1选为hm/20。
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