CN108712051A - 一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机 - Google Patents
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Abstract
一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,该发电机主要由第一定子组件、第二定子组件、第三定子组件和运动组件构成;第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件为环形中空结构,三者之间各自独立且结构完全相同,第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件的中空结构之间轴向对应贯通且第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件沿运动组件的轴向依次套在运动组件的外围,即第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件与运动组件的相对位置不同;其节约了材料,降低了体积和重量;该电磁装置同时具有发电和电压变换功能,引入的三相高频变压器是电压变换装置的核心元件。
Description
技术领域:本发明属于多频域电磁装置,尤其涉及圆筒型永磁直线发发电机。
背景技术:圆筒型永磁直线电机不需要中间转换机构就能实现往复运动,属于直接驱动,具有高效率、高功率密度的优点,因此,其在海浪发电、热声发电等清洁、可再生能源领域中应用越来越广。在这些场合,永磁直线发电机输出的电压、功率和频率具有时变性的特点,需要将其输出的时变性电压变换为恒定的直流电压给蓄电池充电,进行能量回收。结合高频变压器的电力电子装置是将交变电压转化为恒定直流电压的一种有效的手段,但引入高频变压器的电力电子电压变换装置,增加了装置的重量和体积。为了解决上述问题,提出了一个新型的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,三相高频变压器和圆筒型直线永磁发电机共用铁心材料,装置能同时工作于变压器和发电机模式,提高了材料利用率。
发明内容:
发明目的:本发明目的是提供一种共用铁心材料的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的电磁装置,装置能同时实现发电和变压的功能;装置中的三相高频变压器结合电力电子技术具有交流/直流变换和高/低压变换的功能;该电磁装置具有小体积、小重量优点。
技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的:
一种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,该发电机主要由第一定子组件、第二定子组件、第三定子组件和运动组件构成;第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件为环形中空结构,三者之间各自独立且结构完全相同,第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件的中空结构之间轴向对应贯通且第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件沿运动组件的轴向依次套在运动组件的外围,即第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件与运动组件的相对位置不同;运动组件在第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件的贯通中空内腔中能沿轴向自由往复运动。
第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件间的间距均为a,间距a的确定准则为:保证三个定子组件中相对应的电枢线圈产生的感应电动势的相位相差120°,a=τ/3即满足要求,τ为极距;第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极与轴组成了运动组件;第一磁极、第二磁极、第三磁极和第四磁极依次套在轴外围;第一磁极和第三磁极为铁磁材料或永磁材料,当为永磁材料时,第一磁极和第三磁极的充磁方向相反(如图3所示的箭头方向:径向!);第三磁极和第四磁极必须是永磁材料,充磁方向相异(如图3所示的轴向!);轴为不导磁材料。
第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件均包括空心的铁心、原边线圈、副边线圈和电枢线圈,电枢线圈周向嵌入在空心的铁心的壁内,原边线圈和副边线圈轴向套住空心的铁心的壁和电枢线圈。
第一定子组件、第二定子组件和第三定子组件中的铁心上开设有多个周向槽和多个轴向槽;周向槽中嵌入电枢线圈,周向槽的开口朝向铁心的内部空心;轴向槽中嵌有原边线圈和副边线圈;铁心的材料必须为高频损耗小、导磁性能良好的材料,
铁心的材料选择软磁复合材料(SMC),或非晶合金、或纳米晶材料。
原边线圈、副边线圈和电枢线圈由多匝电磁线绕制而成;原边线圈和副边线圈为镂空方形,电枢线圈为环形饼状;原边线圈和副边线圈都与电枢线圈垂直。
通有电流的原边线圈和副边线圈在铁心中产生的变压器磁力线沿铁心周向分布;通有电流的电枢线圈在铁心中产生的电机磁力线为径向-轴向的闭合曲线(如图6所示的箭头方向);变压器磁力线与电机磁力线垂直正交,二者互相影响最小。
第一定子组件中多个电枢线圈进行串联形成圆筒型直线永磁发电机的X相电枢绕组,图7为三个电枢线圈串联结构;按照相同方法处理第二定子组件和第三定子组件中的多个电枢线圈分别得到圆筒型直线永磁发电机的Y相电枢绕组和Z相电枢绕组;最后将X、Y、Z三相电枢绕组的尾端联结到一点。
第一定子组件中多个原边线圈并联和多个副边线圈串联组成高频变压器的A相原边绕组和a相副边绕组,如图8所示;按照相同方法处理第二定子组件和第三定子组件中的多个原边线圈和多个副边线圈,分别得到高频变压器的另外两个B、C相原边绕组和b、c相副边绕组;三相高频变压器的原、副边绕组采用Y-Y联结,即A、B、C三相原边绕组的尾端联结到一点,a、b、c三相副边绕组的尾端联结到一点
三个定子组件中的铁心、原边线圈和副边线圈共同组成了三相高频变压器,该三相高频变压器工作于高频状态,频率高达20kHz以上;三个定子组件中的铁心、电枢线圈和运动组件共同组成了三相圆筒型直线永磁发电机,圆筒型直线永磁发电机的工作频率低于1kHz。
本发明具体优点效果如下:
一种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机包括三个定子组件和一个动子组件;定子组件为环形中空结构,三个定子组件各自独立且结构完全相同,只是与运动组件的相对位置不同;运动组件在中空内腔的定子组件中自由往复运动。
三个定子组件间的间距为a,间距a的确定准则为:保证三个定子组件中的电枢线圈产生的感应电动势的相位相差120°,一般a=τ/3即可满足要求,τ为极距;第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极与轴组成了一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的运动组件。
第一磁极和第三磁极可以为铁磁材料,也可为永磁材料,当为永磁材料时,第一磁极和第三磁极的充磁方向相反;第三磁极和第四磁极必须是永磁材料,充磁方向相异;轴为不导磁材料。
铁心、原边线圈、副边线圈和电枢线圈组成了三个定子组件;其中,铁心、原边线圈、副边线圈组成高频变压器的A、B、C三相,三相之间磁路无耦合;三相高频变压器工作于高频状态,频率可高达20kHz以上;其中铁心和电枢线圈组成了圆筒型直线永磁发电机的A、B、C三相,三相之间磁路无耦合,圆筒型直线永磁发电机的工作频率低于1kHz;三相高频变压器与圆筒型直线永磁发电机共用铁心,达到一体化的目的。
定子组件中的铁心上开设有多个周向槽和多个轴向槽;周向槽中嵌有电枢线圈;轴向槽中嵌有原边线圈和副边线圈;铁心的材料必须高频损耗小、导磁性能良好,可以选择软磁复合材料(SMC),或非晶合金、或纳米晶等材料。
一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的原边线圈、副边线圈和电枢线圈由多匝电磁线绕制而成;原边线圈和副边线圈近似镂空的方形,电枢线圈为环形饼状;高频变压器的三个原边线圈、三个副边线圈根据需要各自联结成星型或角形;三个电枢线圈根据需要可以联结成星型或角形;原边线圈和副边线圈都与电枢线圈垂直。
通有电流的原边线圈和副边线圈在铁心中产生的变压器磁力线沿周向分布;通有电流的电枢线圈在铁心中产生的电机磁力线为径向辐射分布;变压器磁力线与电机磁力线垂直正交,二者互相影响最小。
综上该种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机共用定子铁心,节约了材料,降低了体积和重量;该电磁装置同时具有发电和电压变换功能,引入的三相高频变压器是电压变换装置的核心元件。
附图说明:
图1是本发明的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的三维图;
图2是本发明的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的四分之三局部图;
图3是本发明的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的二维图;
图4是本发明的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机任一定子组件的结构爆炸图;
图5是本发明的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的铁心图;
图6是一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的磁力线图
图7是一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的电枢线圈联结图
图8是一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的原、副边线圈联结图
附图标记说明:
1.第一定子组件、2.第二定子组件、3.第三定子组件、4.运动组件、5.电枢线圈、6.原边线圈、7.副边线圈、8.第一磁极、9.第二磁极、10.第三磁极、11.第四磁极、12.轴、13.铁心、14.周向槽、15.轴向槽、16.电机磁力线、17.变压器磁力线。
具体实施方式:下面结合附图对本发明做进一步的说明:
一种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,该发电机主要由第一定子组件1、第二定子组件2、第三定子组件3和运动组件4构成;第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3为环形中空结构,三者之间各自独立且结构完全相同,第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3的中空结构之间轴向对应贯通且第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3沿运动组件4的轴向依次套在运动组件4的外围,即第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3与运动组件4的相对位置不同;运动组件4在第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3的贯通中空内腔中能沿轴向自由往复运动。
第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3间的间距均为a,间距a的确定准则为:保证三个定子组件中相对应的电枢线圈产生的感应电动势的相位相差120°,a=τ/3即满足要求,τ为极距;第一磁极8、第二磁极9、第三磁极10、第四磁极11与轴12组成了运动组件4;第一磁极8、第二磁极9、第三磁极10和第四磁极11依次套在轴12外围;第一磁极8和第三磁极10为铁磁材料或永磁材料,当为永磁材料时,第一磁极8和第三磁极10的充磁方向相反(如图3所示的箭头方向:径向!);第三磁极9和第四磁极11必须是永磁材料,充磁方向相异(如图3所示的轴向!);轴12为不导磁材料。
第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3均包括空心的铁心13、原边线圈6、副边线圈7和电枢线圈5,电枢线圈5周向嵌入在空心的铁心13的壁内,原边线圈6和副边线圈7轴向套住空心的铁心13的壁和电枢线圈5。
第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3中的铁心13上开设有多个周向槽14和多个轴向槽15;周向槽14中嵌入电枢线圈5,周向槽14的开口朝向铁心13的内部空心;轴向槽15中嵌有原边线圈6和副边线圈7;铁心13的材料必须为高频损耗小、导磁性能良好的材料,
铁心13的材料选择软磁复合材料(SMC),或非晶合金、或纳米晶材料。
原边线圈6、副边线圈7和电枢线圈5由多匝电磁线绕制而成;原边线圈6和副边线圈7为镂空方形,电枢线圈5为环形饼状;原边线圈6和副边线圈7都与电枢线圈5垂直。
通有电流的原边线圈6和副边线圈7在铁心13中产生的变压器磁力线17沿铁心13周向分布;通有电流的电枢线圈5在铁心13中产生的电机磁力线16为径向-轴向的闭合曲线(如图6所示的箭头方向);变压器磁力线17与电机磁力线16垂直正交,二者互相影响最小。
第一定子组件1中多个电枢线圈5进行串联形成圆筒型直线永磁发电机的X相电枢绕组,图7为三个电枢线圈5串联结构;按照相同方法处理第二定子组件2和第三定子组件3中的多个电枢线圈5分别得到圆筒型直线永磁发电机的Y相电枢绕组和Z相电枢绕组;最后将X、Y、Z三相电枢绕组的尾端联结到一点。
第一定子组件1中多个原边线圈6并联和多个副边线圈7串联组成高频变压器的A相原边绕组和a相副边绕组,如图8所示,多个原边线圈6并联组成高频变压器的A相原边绕组,多个副边线圈7串联组成a相副边绕组;按照相同方法处理第二定子组件2和第三定子组件3中的多个原边线圈6和多个副边线圈7,分别得到高频变压器的另外两个B、C相原边绕组和b、c相副边绕组;三相高频变压器的原、副边绕组采用Y-Y联结,即A、B、C三相原边绕组的尾端联结到一点,a、b、c三相副边绕组的尾端联结到一点
三个定子组件中的铁心13、原边线圈6和副边线圈7共同组成了三相高频变压器,该三相高频变压器工作于高频状态,频率高达20kHz以上;三个定子组件中的铁心13、电枢线圈5和运动组件4共同组成了三相圆筒型直线永磁发电机,圆筒型直线永磁发电机的工作频率低于1kHz。
下面结合附图对本发明做具体详细的说明:
如图1、图2所示,一种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机包括第一定子组件1、第二定子组件2、第三定子组件3和运动组件4;第一定子组件1、第二定子组件2、第三定子组件3为环形中空结构,三者各自独立且结构完全相同,只是与运动组件4的相对位置不同;运动组件4在第一定子组件1、第二定子组件2和第三定子组件3的中空内腔中能自由往复运动。
如图2、图3所示,一种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的第一定子组件1、第二定子组件2、第三定子组件3间的间距为a,间距a的确定准则为:保证三个定子组件中的电枢线圈产生的感应电动势的相位相差120°,一般a=τ/3即可满足要求,τ为极距;第一磁极8、第二磁极9、第三磁极10、第四磁极11与轴12组成了一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的运动组件4;第一磁极8和第三磁极10可以为铁磁材料,也可为永磁材料,当为永磁材料时,第一磁极8和第三磁极10的充磁方向相反;第三磁极9和第四磁极11必须是永磁材料,充磁方向相异;轴12为不导磁材料。
如图2、图4所示,一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机共用铁心,三相高频变压器工作于高频状态,频率可高达20kHz以上,圆筒型直线永磁发电机的工作频率低于1kHz;铁心13、原边线圈6、副边线圈7和电枢线圈5组成了第一定子组件1、第二定子组件2、第三定子组件3;其中,铁心13、原边线圈6、副边线圈7组成高频变压器的A、B、C三相,三相之间磁路无耦合;其中铁心13和电枢线圈5组成了圆筒型直线永磁发电机的A、B、C三相,三相之间磁路无耦合。
如图4、图5所示,第一定子组件1、第二定子组件2、第三定子组件3中的铁心13上开设有多个周向槽14和多个轴向槽15;周向槽14中嵌有电枢线圈5;轴向槽15中嵌有原边线圈6和副边线圈7;铁心13的材料必须高频损耗小、导磁性能良好,可以选择软磁复合材料(SMC),或非晶合金、或纳米晶等材料。
一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机的原边线圈6、副边线圈7和电枢线圈5由多匝电磁线绕制而成;原边线圈6和副边线圈7近似镂空的方形,电枢线圈5为环形饼状;高频变压器的三个原边线圈、三个副边线圈根据需要各自联结成星型或角形;三个电枢线圈根据需要可以联结成星型或角形;原边线圈6和副边线圈7都与电枢线圈5垂直。
如图6所示,通有电流的原边线圈6和副边线圈7在铁心13中产生的变压器磁力线17沿周向分布;通有电流的电枢线圈5在铁心13中产生的电机磁力线16为径向辐射分布;变压器磁力线17与电机磁力线16垂直正交,二者互相影响最小。
Claims (10)
1.一种一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:该发电机主要由第一定子组件(1)、第二定子组件(2)、第三定子组件(3)和运动组件(4)构成;第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)为环形中空结构,三者之间各自独立且结构完全相同,第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)的中空结构之间轴向对应贯通且第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)沿运动组件(4)的轴向依次套在运动组件(4)的外围;运动组件(4)在第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)的贯通中空内腔中自由往复运动。
2.根据权利要求1所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)间的间距均为a,间距a的确定准则为:保证三个定子组件中相对应的电枢线圈产生的感应电动势的相位相差120°,a=τ/3即满足要求,τ为极距;第一磁极(8)、第二磁极(9)、第三磁极(10)、第四磁极(11)与轴(12)组成了运动组件(4);第一磁极(8)、第二磁极(9)、第三磁极(10)和第四磁极(11)依次套在轴(12)外围;第一磁极(8)和第三磁极(10)为铁磁材料或永磁材料,当为永磁材料时,第一磁极(8)和第三磁极(10)的充磁方向相反;第三磁极(9)和第四磁极(11)必须是永磁材料,充磁方向相异;轴(12)为不导磁材料。
3.根据权利要求1所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)均包括铁心(13)、原边线圈(6)、副边线圈(7)和电枢线圈(5),电枢线圈(5)周向嵌入在铁心(13)的壁内,原边线圈(6)和副边线圈(7)轴向套住铁心(13)的壁和电枢线圈(5)。
4.根据权利要求3所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:第一定子组件(1)、第二定子组件(2)和第三定子组件(3)中的铁心(13)上开设有多个周向槽(14)和多个轴向槽(15);周向槽(14)中嵌入电枢线圈(5);轴向槽(15)中嵌有原边线圈(6)和副边线圈(7);铁心(13)的材料必须为高频损耗小、导磁性能良好的材料。
5.根据权利要求4所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:铁心(13)的材料选择软磁复合材料(SMC),或非晶合金、或纳米晶材料。
6.根据权利要求1-4中任意一相所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:原边线圈(6)、副边线圈(7)和电枢线圈(5)由多匝电磁线绕制而成;原边线圈(6)和副边线圈(7)为镂空方形,电枢线圈(5)为环形饼状;原边线圈(6)和副边线圈(7)都与电枢线圈(5)垂直。
7.根据权利要求3所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:通有电流的原边线圈(6)和副边线圈(7)在铁心(13)中产生的变压器磁力线(17)沿铁心(13)周向分布;通有电流的电枢线圈(5)在铁心(13)中产生的电机磁力线(16)为径向-轴向的闭合曲线;变压器磁力线(17)与电机磁力线(16)垂直正交,二者互相影响最小。
8.根据权利要求1、2、3、4或6所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:第一定子组件(1)中多个电枢线圈(5)进行串联形成圆筒型直线永磁发电机的X相电枢绕组;按照相同方法处理第二定子组件(2)和第三定子组件(3)中的多个电枢线圈(5)分别得到圆筒型直线永磁发电机的Y相电枢绕组和Z相电枢绕组;最后将X、Y、Z三相电枢绕组的尾端联结到一点。
9.根据权利要求1、2、3、4或6所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:第一定子组件(1)中多个原边线圈(6)并联和多个副边线圈(7)串联组成高频变压器的A相原边绕组和a相副边绕组,按照相同方法处理第二定子组件(2)和第三定子组件(3)中的多个原边线圈(6)和多个副边线圈(7),分别得到高频变压器的另外两个B、C相原边绕组和b、c相副边绕组;三相高频变压器的原、副边绕组采用Y-Y联结,即A、B、C三相原边绕组的尾端联结到一点,a、b、c三相副边绕组的尾端联结到一点。
10.根据权利要求1、2、3、4或6所述的一体化三相高频变压器/圆筒型直线永磁发电机,其特征在于:三个定子组件中的铁心(13)、原边线圈(6)和副边线圈(7)共同组成了三相高频变压器,该三相高频变压器工作于高频状态,频率高达20kHz以上;三个定子组件中的铁心(13)、电枢线圈(5)和运动组件(4)共同组成了三相圆筒型直线永磁发电机,圆筒型直线永磁发电机的工作频率低于1kHz。
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