CN108539924A - 一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，属于引信用电源领域。本发明公开一种集成磁流变转速控制装置的一体化的微小型涡轮式磁电发电机，发电机的一体化设计主要依赖于机械结构，发电机端盖、发电机壳体和基座靠螺纹连接，内筒卡在基座的同心环形槽内，动子磁铁和转轴紧密配合，发电机转轴通过发电机端盖和壳体的中心圆孔借助轴承与整体结构同轴，轴套和涡轮与转轴螺纹连接，因此发电机的机械零件配合紧凑且整体结构同轴度较高。本发明要解决的技术问题为：解决引信用微小型涡轮发电机的实际应用，具有下述优点：(1)结构尺寸小、紧凑；(2)制造装配简单易行；(3)工作稳定性好；(4)效率高，实用性强。

Description

一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机

技术领域

本发明涉及一种一体化小型磁电式涡轮发电机，还涉及一种涡轮发电机的转速控制装置，具体涉及一种含磁流变转速控制装置的一体化小型磁电式涡轮发电机，属于引信用电源领域。

背景技术

引信电源是引信的重要组成部分，承担着为引信电子线路、安全系统及发火系统中的电火工品的作用提供可靠能量的重要任务。引信中应用的电源主要分为化学电源和物理电源。其中化学电源主要有锂电池、核电池、燃料电池等，其存在着激活时间长、可靠性差、不适宜长期储存，且含有有毒化学物质，不符合环保要求等诸多问题，难以满足现代引信对电源的要求。引信物理电源主要有太阳能电池、压电发电机、磁电发电机等。物理电源中的磁电式发电机工作原理主要是基于电磁感应现象，通过回路中磁通量的变化来获取能量。这种发电机可以从环境中直接获取能量，具有可靠性好、效率高、发电性能好、环境适应性强、寿命长的特点。磁电式发电机又分为振动式和旋转式。振动式磁电发电机有诸多限制，实用性不强，相反旋转式磁电发电机利用环境中的机械能驱动转子轴旋转，从而带动转子磁体或转子线圈转动，与定子线圈或定子磁体产生相对运动进而在线圈上产生感应电压。旋转磁电发电机拥有诸多优点，在引信电源领域有着很好的应用前景，因此在弹丸引信中多采用旋转式的磁电式发电机。

涡轮式发电机是一种利用弹道空气压力作驱动力的电源，旋转式磁电发电机与涡轮相结合形成的磁电式涡轮发电机是一种非常优良的引信用物理电源。发电机输出电压及功率随弹丸的飞行速度(涡轮转速)变化而变化，飞行速度越高，输出电压越大。对于飞行速度范围较大的弹丸，需要保证其在全弹道上都能正常可靠地连续提供足够的电能，发电机必须兼顾低速和高速两种情况。在低速条件下，发电机要能够可靠起动并输出足够的电能；在高速条件下，发电机的转速有可能超出机械零件的极限转速，从而使发电机损坏不能正常工作。目前常见的限制转速的方法一是通过调节气流，二是通过机械摩擦或机械装置限制涡轮转速的升高，三是提高转子的阻力矩，但是这些方法都有一些明显的缺陷。因此，含转速控制装置的磁电发电机就成为了磁电式涡轮发电机大规模使用的关键技术。

磁流变材料是一种日益受到重视的新型智能材料。在外加磁场作用下会发生磁流变效应从而引起引起磁流变材料黏度的变化，从而使得磁流变材料施加在沉浸在其中的转轴上的阻尼力矩发生改变，实现转速的调节。本发明中采用基于磁流变材料的转速控制装置具有响应速度快、力矩连续可调等优点。

发明内容

针对上述问题，本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，要解决的技术问题为：巧妙利用机械结构设计，实现发电机和转速控制装置的一体化设计，同时采用了基于磁流变效应的转速控制装置，使得整体发电机具有下述优点：(1)结构紧凑、尺寸大小适中；(2)制造装配简单易行；(3)工作稳定性好；(4)效率高，实用性强；(5)工作原理简单、控速效果好；(6)响应速度快、力矩连续可调。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，主要由涡轮、发电机转轴、轴承、定子线圈、动子磁铁、轴套、导磁上盖、发电机端盖、发电机壳体和基座、内筒、控制电路、励磁线圈和磁流变材料等部分组成。其中，涡轮、发电机转轴、轴承、定子线圈、动子磁铁、发电机端盖、发电机壳体组成涡轮发电机的主体部分，而轴套、导磁上盖、基座、内筒、控制电路、励磁线圈和磁流变材料组成转速控制装置。集成磁流变转速控制装置的一体化的微小型涡轮式磁电发电机的端盖、发电机壳体和基座通过螺纹进行连接，确保了整体外部结构的同轴度；发电机壳体和端盖均开了中心圆孔，用于放置轴承，并使得发电机转轴穿过端盖和发电机壳体，确保了发电机转轴和整体结构的同轴度；轴承分别位于发电机转轴的两侧轴肩处，用于定位；涡轮和轴套分别安装在发电机转轴的两端，通过螺纹连接；动子磁铁利用转轴的轴肩定位且与转轴紧密配合保持同轴；定子线圈均匀的分布着三个凸起，在发电机壳体上加工有三个槽，定子线圈的凸起刚好卡在槽内，实现对定子的固定；定子线圈处于两个动子磁铁的中间；内筒和基座分别由不同材料制作而成，在基座上有环形的凹槽，便于将内筒与基座进行连接并保持同轴度；磁流变材料被填充在内桶中，作为转速控制的执行元件；励磁线圈位于内筒和基座内壁之间，两端引线穿过基座底部的孔接到控制电路板上；发电机端盖、发电机壳体、内筒采用金属非导磁材料，轴套、导磁上盖、基座采用金属导磁材料。

所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其巧妙地利用螺纹连接将发电机部分和转速控制装置部分结合在一起，将大部分的零件安装在壳体和基座内部，实现了一体化的目标，使得整体发电机结构紧凑、外观简单，同时还实现了非常高的同轴度。为了保证发电机性能的稳定，良好的同轴度是十分必要的，高的同轴度的实现主要体现在四个方面：1、借助发电机端盖、发电机壳体和基座三个部件之间的螺纹连接构成了整体的基本结构，由于螺纹的特性，使得整体外壳结构同轴；2、发电机转轴通过端盖和发电机壳体上的中心圆孔，中心圆孔内有轴承，通过轴承和中心圆孔定位转轴，实现了发电机转轴、定子、动子、涡轮、轴套等与总体结构的同轴；3、动子磁铁通过轴肩定位，与转轴紧密配合，涡轮和伸入到磁流变材料中的轴套均通过螺纹连接和转轴固定在一起，很好的实现了同轴；4、基座底部加工有环形槽，环形槽和基座整体同轴度很高，且环形槽的宽度和内筒的壁厚相同，安装时将内筒放置于环形槽内压紧，实现了高度同轴，同时还起到了很好的密封作用。这样的一体化和同轴设计使得所述的发电机主要的优点是：1、结构紧凑、尺寸大小适中；2、制造装配简单易行，同轴度很高；3、工作稳定性好。

所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其轴套、导磁上盖和基座采用金属导磁材料，主要是基于磁回路的设计考量，轴套、导磁上盖、基座和磁流变材料共同构成了一个闭合的磁回路，这样做能够使磁力线更加集中地穿过内筒中的磁流变材料，减少磁力线的密度损失，提高磁流变材料中的磁力线密度，提高控速装置的效率；发电机端盖、发电机壳体、内筒采用金属非导磁材料，一般是铝材，主要目的是为了防止励磁线圈产生的磁场磁力线通过这些零件，而且选用铝材不但有利于密封，还能起到磁屏蔽作用，使磁力线更加集中地穿过磁流变材料。

所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，选用磁流变材料作为转速控制装置的执行元件。磁流变材料是一种新型的智能材料，在外加磁场作用下，磁流变材料发生磁流变效应，其中的铁磁颗粒被磁化而产生有序化的运动，在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向形成链状结构，该过程能够在瞬间(毫秒级)引起磁流变材料黏度的变化，从而改变施加在沉浸在磁流变材料中的轴套上的阻尼力矩。当涡轮的转速达到预定条件时，控制电路对励磁线圈通电产生磁场，进而产生磁流变效应，实现转速的调节和控制。采取磁流变材料控速具有控制原理简单、响应速度快、控速效果好、力矩连续可调等优点。

有益效果：

1、相比于现有引信中的物理电源，本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，由于采用一体化设计，实现涡轮发电机和转速控制装置的整合，结构紧凑、尺寸适中、原理简单。

2、本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，采用巧妙地机械结构设计，不仅仅实现了前述的一体化，制造装配简单易行，同轴度很高，发电机工作十分稳定、性能优异，可以提高使用寿命。

3、本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，在充分借鉴相关研究的基础上，对基于磁流变材料的转速控制装置的磁路进行了特殊设计，选用金属导磁材料制作基座、导磁上盖和轴套，使用金属非导磁材料制作内筒、发电机壳体等零件，增加了穿过磁流变材料的磁力线的密度，还提高了整体的效率，具有原理简单、响应速度快、控速效果好、力矩连续可调等优点。

附图说明

图1为发电机总体结构图。

其中：1-涡轮、2-发电机转轴、3-轴承、4-定子线圈、5-动子磁铁、6-轴套、7-导磁上盖、8-发电机端盖、9-发电机壳体、10-基座、11-内筒、12-控制电路、13-励磁线圈、14-磁流变材料。

图2为本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机的发电机部分结构示意图；

其中：1-涡轮、2-发电机转轴、3-轴承、4-定子线圈、5-动子磁铁、8-发电机端盖、9-发电机壳体。

图3为本发明公开的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机的转速控制装置部分结构示意图。

其中：2-发电机转轴、6-轴套、7-导磁上盖、10-基座、11-内筒、12-控制电路、13-励磁线圈、14-磁流变材料。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

1、本实施例公开一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机如图1所示。主要由涡轮1、发电机转轴2、轴承3、定子线圈4、动子磁铁5、轴套6、导磁上盖7、发电机端盖8、发电机壳体9和基座10、内筒11、控制电路12、励磁线圈13和磁流变材料14组成；其中，涡轮1、发电机转轴2、轴承3、定子线圈4、动子磁铁5、发电机端盖8、发电机壳体9组成涡轮发电机的主体部分，而轴套6、导磁上盖7、基座10、内筒11、控制电路12、励磁线圈13和磁流变材料14组成转速控制装置。经过考虑，选择了磁铁作为动子，被转轴2的轴肩定位，并与转轴2紧密配合，动子线圈4位于两个转子磁铁5的中间；定子线圈4均匀的分布着三个凸起，在发电机壳体9上加工有三个槽，定子线圈4的凸起刚好卡在槽内，实现对定子的固定；端盖8、发电机壳体9和基座10通过螺纹进行连接，确保了整体结构的同轴度；轴承3分别位于发电机转轴2的两侧轴肩处，轴肩用于定位；发电机壳体9和端盖8均开了中心圆孔，由于放置轴承3，并使得发电机转轴穿过端盖8和发电机壳体9，确保了发电机转轴2和整体外部结构的同轴度；涡轮1和轴套6分别安装在发电机转轴2的两端，通过螺纹连接，与发电机转轴2同轴；内筒11和基座10分别由不同材料制作而成，在基座10上有环形的凹槽，便于将内筒11与基座10进行连接并保持同心度；磁流变材料14被填充在内桶11中，作为转速控制的执行元件；励磁线圈13位于内筒和基座内壁之间，两端引线穿过基座底部的孔接到控制电路板上；发电机端盖8、发电机壳体9、内筒11采用金属非导磁材料，轴套6、导磁上盖7、基座10采用金属导磁材料。

图1所示的实施方案中，组装完成的一体化发电机整体高度为30mm(不计转轴2和涡轮1突出部分，仅指从端盖8上表面到基座10下表面)，所用的轴承3为681ZZ高速系列(尺寸为1.5*4*2)，发电机端盖8、发电机壳体9、内筒11采用硬铝(金属非导磁材料)，轴套6、导磁上盖7、基座10采用45号钢(金属导磁材料)，结构设计转速范围为0-50000r/min，采用的螺纹为标准三角螺纹，内筒11壁厚为2mm，发电机转轴2采用的是P20模具钢，总长度约24mm，磁流变材料多采用磁流变脂，励磁线圈则使用螺线管形式，用漆包线绕制而成。

最后需要注意的是，以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，目的在于帮助进一步理解本发明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：主要由涡轮(1)、发电机转轴(2)、轴承(3)、定子线圈(4)、动子磁铁(5)、轴套(6)、导磁上盖(7)、发电机端盖(8)、发电机壳体(9)和基座(10)、内筒(11)、控制电路(12)、励磁线圈(13)和磁流变材料(14)组成；其中，涡轮(1)、发电机转轴(2)、轴承(3)、定子线圈(4)、动子磁铁(5)、发电机端盖(8)、发电机壳体(9)组成涡轮发电机的主体部分，而轴套(6)、导磁上盖(7)、基座(10)、内筒(11)、控制电路(12)、励磁线圈(13)和磁流变材料(14)组成转速控制装置。集成磁流变转速控制装置的一体化的微小型涡轮式磁电发电机的端盖(8)、发电机壳体(9)和基座(10)通过螺纹进行连接，确保了整体外部结构的同轴度；发电机壳体(9)和端盖(8)均开了中心圆孔，用于放置轴承(3)，并使得发电机转轴穿过端盖(8)和发电机壳体(9)，确保了发电机转轴(2)和整体结构的同轴度；轴承(3)分别位于发电机转轴(2)的两侧轴肩处，用于定位；涡轮(1)和轴套(6)分别安装在发电机转轴(2)的两端，通过螺纹连接；动子磁铁(5)利用转轴(2)的轴肩定位且与转轴(2)紧密配合保持同轴；定子线圈(4)均匀的分布着三个凸起，在发电机壳体(9)上加工有三个槽，定子线圈(4)的凸起刚好卡在槽内，实现对定子的固定；定子线圈(4)处于两个动子磁铁(5)的中间；内筒(11)和基座(10)分别由不同材料制作而成，在基座(10)上有环形的凹槽，便于将内筒(11)与基座(10)进行连接并保持同轴度；磁流变材料(14)被填充在内桶(11)中，作为转速控制的执行元件；励磁线圈(13)位于内筒和基座内壁之间，两端引线穿过基座底部的孔接到控制电路板上；发电机端盖(8)、发电机壳体(9)、内筒(11)采用金属非导磁材料，轴套(6)、导磁上盖(7)、基座(10)采用金属导磁材料。

2.如权利要求1所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：发电机的一体化，而一体化在于巧妙地将发电机部分和转速控制装置部分结合在一起，主要是借助发电机端盖(8)、发电机壳体(9)和基座(10)三个部件实现，它们之间通过螺纹连接实现了一体化，同时还具有很高的同轴度。此外，发电机转轴(2)通过端盖(8)和发电机壳体(9)上的中心圆孔以及中心圆孔中的轴承定位，很好的实现了与端盖(8)、发电机壳体(9)等同轴，动子磁铁(5)利用转轴(2)的轴肩定位且与转轴(2)紧密配合保持同轴，涡轮(1)和轴套(6)分别安装在发电机转轴(2)的两端，通过螺纹连接保证了一体化和同轴度，内筒(11)放置于基座(10)底部的环形槽中，实现与整体结构同轴，所述的发电机主要的优点是：1、结构紧凑、尺寸大小适中；2、同轴度很高，工作稳定性好；3、整体发电机工作原理简单、控速效果好。此外，采用磁流变材料作为执行元件，具有响应速度快、力矩连续等优点。

3.如权利要求1或2所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：基座(10)的内部底面上加工有环形槽，其槽的宽度与内筒(11)的壁厚相同，巧妙地实现基座(10)与内筒(11)两个不同材料的零件的同轴配置。

4.如权利要求1或2所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：是一种典型的磁电式发电机，采用了磁铁作为动子而线圈作为定子，动子磁铁(5)随转轴转动，定子线圈(4)于是切割磁感线，在线圈中产生感生电动势。为实现定子的位置稳定，在定子线圈(4)上均匀的分布着三个凸起(两两中心线之间的夹角为120°)，刚好放在发电机壳体(9)上预留的三个槽内，实现了定子的固定。

5.如权利要求1或2所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：轴套(6)、导磁上盖(7)、基座(10)采用金属导磁材料，采用导磁材料制作主要是基于磁回路的设计考量，轴套(6)、导磁上盖(7)、基座(10)和磁流变材料(14)共同构成了一个闭合的磁回路，这样做能够使磁力线更加集中地穿过内筒(11)中的磁流变材料(14)，减少磁力线的密度损失，提高磁流变材料(14)中的磁力线密度，同时能够提高控速装置的效率。

6.如权利要求1或2所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：发电机端盖(8)、发电机壳体(9)、内筒(11)采用金属非导磁材料，一般是铝材，主要目的是为了防止励磁线圈产生的磁场磁力线通过这些零件，选用铝不但有利于密封，还能够有效使磁力线更加集中地穿过内筒(11)中的磁流变材料(14)。

7.如权利要求1或2所述的一种集成磁流变转速控制装置的微小型涡轮式磁电发电机，其特征在于：所述的磁流变材料(14)采用磁流变液或磁流变脂。