CN110880852B - 一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机，该电机的次级由轭板和永磁体阵列构成，初级电枢由调制层、空心绕组层与铁心层构成复合的电枢结构，调制层由调磁块和调制层绕组构成，绕组缠绕在调磁块上，调磁块在向气隙的一侧为倒角、圆角或是梯形状小齿结构，初级电枢的中间层为空心绕组层，它紧贴铁心层放置，铁心层起到导磁路径和固定支撑的作用，调制层和空心绕组层的绕组排布方案相同，通过串联或并联的方式连接。本发明在总体架构上集成了磁场调制型与无槽电机的绕组设计特点，能实现高的推力密度和过载能力，同时具有良好的动态性能和低的推力波动，适用于波浪能发电及振动发电、直线压缩机等领域。

Description

一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及到一种低推力波动的夹层电枢结构磁场调制型永磁直线电机。

背景技术

在混合动力电动汽车中，常装备由传统内燃机和发电机构成的车用发电装置，用以延长车辆的充电续航里程。相比旋转发电机系统，直线发电机省略了直线与旋转运动间的转换传动结构，直接利用燃烧室活塞的往复运动来驱动电机发电，不仅对各类燃料具有良好的适应性能，而且具有运行噪声小、能量转换效率高、瞬态响应特性好及机械结构紧凑等优点。直线发电机作为高度集约型的车载发电装置的核心部件，一方面用于实现活塞往复运动时动能和电能间的转化，另一方面需要输出电磁推力来控制活塞的往复运动规律，以完成输出功率调节等功能。这就要求直线电机具有较高的推力密度和过载能力，以减小自身重量和车内的空间占据。同时希望直线电机的推力波动要尽量小，动态响应能力要好，以便实现较好的速度控制，输出更为平滑的电压波形，即内燃机-直线发电机系统要求直线发电机具有良好的推力特性和动态性能。

众所周知，磁场调制型直线电机可以获得较高的推力密度，空心无槽绕组电机具有较好过载及动态响应能力。但上述电机类型受制于性能参数间的复杂制约关系，难以获得能够兼顾推力特性和动态性能的电机方案，无法满足内燃-直线发电机系统的对直线发电机综合性能的提升需求。

发明内容

为满足内燃-直线发电机系统对直线发电机在推力特性和动态性能等方面的提升需求，本发明结合现有磁场调制型电机与无槽电机的电枢绕组设计特点，提出一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机，能够实现高的推力密度和过载能力，同时具有良好的动态性能和较低的推力波动，从而适用于波浪能发电及振动发电、直线压缩机等领域。

本发明为达到上述发明目的采用如下技术方案：

本发明一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机，是由次级、初级电枢以及所述次级和初级电枢之间的气隙构成；所述次级由轭板和永磁体阵列组成，其特点在于，设置所述初级电枢由调制层、空心绕组层和铁心层组成多层的复合结构；

所述调制层为上层，包括调磁块和调制层绕组；所述调磁块沿电机运动方向等距离排布；所述调磁块在向所述气隙的一侧为倒角、圆角或是梯形状小齿结构；所述调制层绕组由多个线圈构成，每个线圈均环绕在所述调磁块上，所述调制层绕组的高度等于所述调磁块的高度；

所述空心绕组层为中间层，并紧贴下层的铁心层放置；空心绕组层绕组由多个线圈构成，且线圈缠绕在铁心层凸出的定位窄条上，用于定位和固定；设置所述调制层绕组和空心绕组层绕组的各相排布方式相同，并通过串联或并联的方式连接在一起。

本发明所述的磁场调制型永磁直线发电机的特点也在于：所述调磁块采用高导磁材料；且所述调磁块的个数Z、所述永磁体阵列的极对数p₁和初级电枢的电流磁场的极对数p₂之间关系满足：Z＝|p₁±p₂|，且调制比G＝p₁/p₂，G≤3；

在所述调制层中，所述调磁块的宽度和调磁层绕组宽度之和等于槽距τ_s，其中，调磁块的宽度取值为1/3τ_s～1/2τ_s。

所述调制层绕组与空心绕组层绕组的线圈数目、电密相同，但两层绕组的线圈匝数不同；

所述调制层绕组和空心绕组层绕组相数相同，为三相或为多相。

所述定位窄条采用非导磁、非导电材料，且插入并固定在铁心表面的浅槽中。

所述磁场调制型永磁直线发电机为单边结构，或为双边结构；

在双边结构中，所述初级电枢由两组调制层和一组空心绕组层组成，且两组调制层绕组和一组空心绕组层绕组的相数和排布方式相同，其中空心绕组层位于两组调制层的中间；所述空心绕组层的线圈缠绕在定位窄条上，并固定在上、下两层调磁块的中间；通过串联或并联的方式连接；

对于双边结构电机，所述次级处于镜像对称位置的永磁体的极性相反，并与多层复合的初级电枢形成串联磁路结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明充分利用电机中被调制的高谐波磁场，在一个极距范围内将永磁体磁链的运行速度放大，令电机产生出较高的推力密度。同时引入不存在磁饱和的空心绕组层，令电机具有较高的过载能力，以及较小的绕组电感，进而提升了电机的动态响应性能。

2、本发明采用倒角、圆角或是梯形小齿结构的调磁块，缓解了电机气隙磁导的突变，进而抑制了电机定位力，同时增大了电机的平均气隙长度，减小了无效的高频次谐波磁场，令电机具有较小的推力波动。

3、本发明可构成双边结构的多层复合电枢永磁直线发电机，能够获得更高的电磁推力。同时，本发明所提出的电机为平板形，或为圆筒形，可以适应对电机的外形有要求的各类应用场合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的空心绕组层的固定示意图；

图3是本发明的电机磁场分布图及绕组反电势合成情况；

图4a是本发明的调磁块优化方法二示意图；

图4b是本发明的调磁块优化方法三示意图；

图5是本发明的电机定位力的优化效果图；

图6是本发明的双边结构示意图；

图7是本发明的次级的第二种实施方式示意图；

图8a是本发明的平板形结构示意图；

图8b是本发明的圆筒形结构示意图；

图中标号：1次级；1a轭板；1b永磁体阵列；2初级电枢；2a调制层；2b空心绕组层；2c铁心层；3气隙；4调磁块；5调制层绕组；6空心绕组层绕组；7铁心；8定位窄条；9运动方向；10串联磁路；11倒角；12梯形小齿；13 Halbach型永磁体阵列；14平板形结构；15圆筒形结构。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

实施例1：如图1所示，一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机，是由次级1、初级电枢2以及初级电枢2和次级1之间的气隙3构成；次级由轭板1a和永磁体阵列1b组成；并设置初级电枢2由调制层2a、空心绕组层2b和铁心层2c组成多层的复合结构。

调制层2a为上层，包括调磁块4和调制层绕组5。调磁块4采用高导磁材料，沿电机运动方向等距离排列。次级1永磁体阵列1b的极对数p₁、调制块4的个数Z与初级电枢2电流产生的行波磁场的极对数p₂满足Z＝|p₁±p₂|的关系，且p₁/p₂的比值为调制比G。越大的G，代表电机的推力密度越高。由于空心绕组层2b的存在，较大的G会造成严重的漏磁问题，影响电机的功率因数，因此G≤3。调制块4由磁导率较高的导磁材料制成，对电机的气隙磁场进行调制后，形成富含谐波成分的电机磁场。

在调制层2a中，调磁块4的宽度和调磁层绕组宽度5之和等于槽距τ_s，其中，调磁块4的宽度取值为1/3τ_s～1/2τ_s。它的设计值既需要保证调磁块中磁通密度不能太高，又要为调制层绕组5的安置留出充足的空间。

调制层绕组5由多个线圈构成，可为端部不重叠的集中绕组，或为分布绕组，每个线圈均环绕在所述调磁块4上。调制层绕组5的高度等于调磁块4的高度。调磁块4面向气隙的一侧进行切圆角处理，以缓解电机气隙磁导的突变，进而抑制电机定位力，同时可以增大电机的平均气隙长度，减小部分高频次谐波磁场，进而减小电机的推力波动。

如图3所展示的空心绕组层线圈6的固定方式。空心绕组层2b为中间层，并紧贴下层的铁心7放置，由多个线圈构成，且每个线圈缠绕在铁心层2c凸出的定位窄条8上，定位窄条8采用非导磁、非导电材料制成，起到空心线圈定位和固定作用。定位窄条8插入铁心7表面所开出的浅槽中，并由强力胶粘贴固定。

调制层绕组5的线圈数目与空心绕组层6的线圈数目、绕组电密相同，但两层绕组的线圈匝数不同；设置调制层绕组5和空心绕组层绕组6的相数和排布方式相同，可为三相或为多相，通过串联或并联的方式连接在一起。复合的初级电枢2组装完成后，采用环氧树脂胶进行整体灌封，以保证足够的机械强度。

工作原理：直线电机按照磁场调制原理进行工作。复合电枢结构等同于在次级1与空芯电枢层2b之间插入磁调制层2a，调制块4的引入导致气隙磁导发生变化，对次级1的磁场和初级电枢2绕组电流产生电枢磁场进行调制。将电枢绕组安放在调制块4之间，充分利用经过调制后的气隙磁场，以保证电机具有相对较高的推力密度，同时减小漏磁以提高功率因数。中间的绕组层采用无槽空心结构，以利用无槽电机高动态、高推力-电流线性度的优点。次级1的永磁体阵列1b所产生的磁场经由气隙3，穿过调磁块4到达空心绕组6，并通过铁心7后返回，如图2所示。调制层绕组5和空心绕组6采用相同的排布方案，当次级1运动时，磁场分别在调制层绕组5和空心层绕组6中分别感应出同相位的电势，将两者进行叠加就可得到初级电枢2对外输出的电势，实现活塞往复运动时动能和电能间的转化，完成发电功能。另外，多层复合的电枢绕组在调制后的磁场中，可以输出平稳的电磁推力以来控制活塞的往复运动规律，以完成输出功率调节等功能。该直线发电机可以在发电和电动两种工作状态之间快速、高效地切换，以满足自由活塞式-内燃直线发电机系统的应用需求。

实施例2：如图4a所示，与实施例1不同之处在于，调磁块4面向气隙3的一侧进行倒角处理，可以获得与圆角处理方法一样的电磁效果，有效地抑制电机的定位力，但工艺实现更加简单。倒角11的距离和角度α₁和α₂根据具体的极数和槽数配合方案来选择。倒角11的距离不易太大，否则会令电机推力下降较快。

实施例3：如图4b所示，与实施例1和实施例2不同之处在于，调制块4在面向气隙3面的一侧切削开出上宽下窄的槽型，形成梯形小齿12。均匀的梯形小齿12可以缓解电机气隙磁导的突变，进而抑制电机定位力。梯形小齿12的齿高也不易过大，应在数个毫米之内。

实施例4：通过仿真计算来验证调磁块优化方法的有效性，如图5所示。以圆角处理的调磁块4为例，电机的定位力幅值相比未使用圆角处理时的情况下降了约50％。定位力波动是电机推力波动的重要来源。减小了定位力的幅值，可令电机在负载时的推力波动大大降低，进而获得更好的反电势波形和更平稳的推力输出。

实施例5：如图6所示，与实施例1不同之处在于，具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机是双边结构，初级电枢由两层调制层2a和一层空心绕组层2b组成，其中空心绕组层2b位于中间。双边的次级永磁体阵列1b是N、S极性相对，形成串联磁路结构10。该结构省去了铁心层2c，节约了铁磁材料，令初级电枢结构更加紧凑。空心绕组层的定位窄条8插入上层和下层的调磁块4的浅槽中，多层复合的初级电枢2同样采用环氧树脂胶进行整体灌封，以提高机械强度。

实施例6：如图7所示，与实施例1不同之处在于，电机的次级1永磁体阵列1b为Halbach型阵列13，可以有效地减小电机的漏磁，提高推力密度和功率因数。

实施例7：如图8a和图8b所示，具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机为平板形结构14，或为圆筒形结构15。在平板形结构14直线电机中，则复合的初级电枢2的调磁块4是四方体长条状；在圆筒形结构15直线电机中，复合的初级电枢2的调磁块4是圆环状的。不同的立体形态可以满足对发电或动力设备外形有要求的应用场合。

Claims (4)

1.一种具有复合电枢结构的磁场调制型永磁直线发电机，是由次级(1)、初级电枢(2)以及所述次级(1)和初级电枢(2)之间的气隙(3)构成；所述次级(1)由轭板(1a)和永磁体阵列(1b)组成，其特征在于，设置所述初级电枢(2)由调制层(2a)、空心绕组层(2b)和铁心层(2c)组成多层的复合结构；

所述调制层(2a)为上层，包括调磁块(4)和调制层绕组(5)；所述调磁块(4)沿电机运动方向(9)等距离排布；所述调磁块(4)在向所述气隙(3)的一侧为倒角、圆角或是梯形状小齿结构；所述调制层绕组(5)由多个线圈构成，每个线圈均环绕在所述调磁块(4)上，所述调制层绕组(5)的高度等于所述调磁块(4)的高度；

所述调磁块(4)采用高导磁材料；且所述调磁块(4)的个数Z、所述永磁体阵列(1b)的极对数p₁和初级电枢(2)的电流磁场的极对数p₂之间关系满足：Z＝|p₁±p₂|，且调制比G＝p₁/p₂，G≤3；

在所述调制层(2a)中，所述调磁块(4)的宽度和调磁层绕组(5)宽度之和等于槽距τ_s，其中，调磁块(4)的宽度取值为1/3τ_s～1/2τ_s；

所述空心绕组层(2b)为中间层，并紧贴下层的铁心层(2c)放置；空心绕组层绕组(6)由多个线圈构成，且线圈缠绕在铁心层(2c)凸出的定位窄条(8)上，用于定位和固定；设置所述调制层绕组(5)和空心绕组层绕组(6)的各相排布方式相同，并通过串联或并联的方式连接在一起。

2.根据权利要求1所述的磁场调制型永磁直线发电机，其特征在于：所述调制层绕组(5)与空心绕组层绕组(6)的线圈数目、电密相同，但两层绕组的线圈匝数不同；

所述调制层绕组(5)和空心绕组层绕组(6)相数相同，为三相或为多相。

3.根据权利要求1所述的磁场调制型永磁直线发电机，其特征在于：所述定位窄条(8)采用非导磁、非导电材料，且插入并固定在铁心(7)表面的浅槽中。

4.根据权利要求1所述的磁场调制型永磁直线发电机，其特征在于：所述磁场调制型永磁直线发电机为单边结构，或为双边结构；

在双边结构中，所述初级电枢(2)由两组调制层(2a)和一组空心绕组层(2b)组成，且两组调制层绕组(5)和一组空心绕组层绕组(6)的相数和排布方式相同，其中空心绕组层(2b)位于两组调制层(2a)的中间；所述空心绕组层(2b)的线圈缠绕在定位窄条(8)上，并固定在上、下两层调磁块(4)的中间；通过串联或并联的方式连接；

对于双边结构电机，所述次级(1)处于镜像对称位置的永磁体的极性相反，并与多层复合的初级电枢(2)形成串联磁路结构(10)。

Images