CN112727689A - 永磁发电机及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁发电机及发电系统，属于新能源发电装备领域，包括外壳、发电单元、风力机、驱动轴和双向压电驱动器；发电单元设于外壳，发电单元具有能上下移动的转子轴；风力机设于转子轴伸出外壳顶壁的一端；驱动轴与外壳沿上下方向滑动配合，转子轴的底端与驱动轴同轴设置，且转子轴的底端与驱动轴的顶端绕转子轴的轴线转动配合；双向压电驱动器设于外壳，且双向压电驱动器的驱动端与驱动轴接触配合，以驱动驱动轴上下移动。本发明提供的永磁发电机及发电系统，结构简单紧凑，体积较小，驱动力大，不会产生电磁干扰，同时能达到快速响应的效果，能满足智能化工业的发展要求。

Description

永磁发电机及发电系统

技术领域

本发明属于新能源发电装备技术领域，更具体地说，是涉及一种永磁发电机及发电系统。

背景技术

根据风能利用的原理，风力的强度在不同的高度下大小不同，通过调节风力发电机的高度达到最大利用功率。传统的电磁电机中，其高度调节机构体积庞大、有电磁干扰、机械结构复杂，随着智能化工业的不断发展，对电机运动执行机构的精密度、集成度和灵活度的要求日益提高，传统的发电机的高度调节方式显然已经不能满足智能化工业的发展要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁发电机及发电系统，旨在解决现有的发电机的高度调节机构体积庞大、有电磁干扰且机械结构复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种永磁发电机，包括：

外壳；

发电单元，设于所述外壳，所述发电单元具有能上下移动的转子轴；

风力机，设于所述转子轴伸出所述外壳顶壁的一端；

驱动轴，与所述外壳沿上下方向滑动配合，所述转子轴的底端与所述驱动轴同轴设置，且所述转子轴的底端与所述驱动轴的顶端绕所述转子轴的轴线转动配合；以及

双向压电驱动器，设于所述外壳，所述双向压电驱动器的驱动端与所述驱动轴接触配合，以驱动所述驱动轴上下移动。

作为本申请另一实施例，所述双向压电驱动器包括：

基座，所述基座的同一侧镜像对称的设有两个安装槽，两个所述安装槽的开口相背设置；

压电陶瓷片叠堆，设有两个且分别位于两个所述安装槽内；

第一柔性铰链，设有两个，且分别与所述基座的两端连接，所述压电陶瓷片叠堆靠近所述安装槽开口的一端通过第一直圆铰链与所述第一柔性铰链的一端连接；

第二柔性铰链，为梯型柔性铰链，两端分别与两个所述第一柔性铰链的另一端连接，所述第二柔性铰链形成所述驱动端；以及

预压力调节结构，设于所述基座，用于对所述压电陶瓷片叠堆施加预压力。

作为本申请另一实施例，所述预压力调节结构包括：

调节扭，连接于所述基座，且位于两个所述安装槽之间，所述调节扭能沿垂直于所述安装槽开口方向的方向移动，所述调节扭的调节端为圆锥状；

压杆，滑动贯穿所述安装槽的侧壁，所述压杆平行于所述安装槽的开口方向，所述压杆朝向所述调节端的一端具有与所述调节端配合的斜面；以及

压片，设于所述安装槽内，并与所述压杆的另一端连接，所述压片用于接触所述压电陶瓷片叠堆的一端。

作为本申请另一实施例，所述驱动轴上设有与所述驱动端滑动配合的滑槽，所述滑槽的槽底面为与所述驱动轴同心的圆面，所述驱动端的端面为与所述滑槽的槽底贴合的圆面。

作为本申请另一实施例，所述永磁发电机还包括：

轴承，所述轴承的外环固接于所述驱动轴，内环固接于所述转子轴；以及

滑动支架，固接于所述外壳，所述驱动轴与所述滑动支架沿上下方向滑动配合。

作为本申请另一实施例，所述驱动轴顶端固接有轴承盒，所述轴承设于所述轴承盒内，且所述轴承的外环固接于所述轴承盒；

所述轴承盒的外周面设有滑键，所述滑动支架上设有贯穿所述滑键并与所述滑键沿上下方向滑动配合的滑杆。

作为本申请另一实施例，所述发电单元还包括：

定子铁芯，设于所述转子轴外周，且固接于所述外壳；以及

线圈，绕设于所述定子铁芯。

作为本申请另一实施例，所述永磁发电机还包括伸缩铰链，所述伸缩铰链的一端与所述驱动轴的底端连接，另一端与所述外壳的底部连接。

本发明提供的永磁发电机的有益效果在于：与现有技术相比，本发明永磁发电机采用双向压电驱动器与驱动轴之间相互作用，可以使驱动轴上下移动，通过驱动轴的上下移动可以带动转子轴的上下移动，进而能带动风力机的上下移动，该调节结构简单紧凑，体积较小，驱动力大，不会产生电磁干扰，同时能达到快速响应的效果，能满足智能化工业的发展要求。

本发明还提供一种发电系统，包括上述的永磁发电机。

作为本申请另一实施例，所述发电系统还包括：

储能单元，与所述发电单元电气连接；

压力传感器，用于感测风压；

信号处理单元，与所述压力传感器通讯连接，还与所述双向压电驱动器电气连接，所述信号处理单元用于接收所述压力传感器的风压信号，并根据所述风压信号向所述双向压电驱动器输出电压信号；以及

供电单元，与所述发电单元电气连接，还分别与所述压力传感器、所述信号处理单元和所述双向压电驱动器电气连接。

本发明提供的发电系统的有益效果在于：与现有技术相比，通过采用上述的永磁发电机，避免因高度调节结构产生的电磁干扰影响系统的整体性能，发电机整体体积小，便于转移，同时双向压电驱动器响应速度快，能满足智能化工业的发展要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的永磁发电机的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的永磁发电机的内部结构示意图一；

图3为本发明实施例一提供的永磁发电机的内部结构示意图二；

图4为本发明实施例一提供的永磁发电机的内部结构剖视图，本图未装配风力机；

图5为图4中轴承盒和滑动支架的装配结构放大图；

图6为本发明实施例一采用的轴承盒、驱动轴、双向压电放大器和伸缩铰链的装配结构示意图；

图7为本发明实施例一采用的双向压电驱动器的主视结构示意图；

图8为本发明实施例一采用的双向压电驱动器的立体结构示意图；

图9为本发明实施例二采用的轴承盒、驱动轴和双向压电放大器的装配结构示意图；

图10为本发明实施例三提供发电系统的工作原理图，其中，实线箭头为信号传输方向，虚线箭头为电流传输方向。

图中：1、外壳；2、发电单元；201、转子轴；202、定子铁芯；203、线圈；3、风力机；4、驱动轴；5、双向压电驱动器；501、基座；502、压电陶瓷片叠堆；503、第一柔性铰链；504、第二柔性铰链；505、预压力调节结构；5051、调节扭；5052、压杆；5053、压片；5054、斜面；506、安装槽；507、第一直圆铰链；508、第二直圆铰链；6、滑槽；7、轴承；8、滑动支架；9、轴承盒；901、盒体；902、盒盖；10、滑键；11、滑杆；12、伸缩铰链；13、储能单元；14、压力传感器；15、信号处理单元；1501、信号发生器；1502、电压放大器；16、供电单元。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图6及图9，现对本发明提供的永磁发电机进行说明。所述永磁发电机，包括外壳1、发电单元2、风力机3、驱动轴4和双向压电驱动器5；发电单元2设于外壳1，发电单元2具有能上下移动的转子轴201；风力机3设于转子轴201伸出外壳1顶壁的一端；驱动轴4与外壳1沿上下方向滑动配合，转子轴201的底端与驱动轴4同轴设置，且转子轴201的底端与驱动轴4的顶端绕转子轴201的轴线转动配合；双向压电驱动器5设于外壳1，且双向压电驱动器5的驱动端与驱动轴4接触配合，以驱动驱动轴4上下移动。

需要说明的是，双向压电驱动器5的调节高度范围可以通过改变驱动轴4的长度来进行调节。

与现有技术相比，本发明永磁发电机采用双向压电驱动器5与驱动轴4之间相互作用，可以使驱动轴4上下移动，通过驱动轴4的上下移动可以带动转子轴201的上下移动，进而能带动风力机3的上下移动，该调节结构简单紧凑，体积较小，驱动力大，不会产生电磁干扰，同时能达到快速响应的效果，设计灵活性强，能满足智能化工业的发展要求，提高永磁发电机的可移动性。

可选的，双向压电驱动器5通过螺纹连接件固定于外壳1。

可选的，风力机3可以是鹦鹉螺等角螺线型风力机，也可以是替他种类的垂直型风力机。

可选的，双向压电驱动器5为直线型压电驱动器，更进一步的，可以是黏滑直线型压电驱动器，使得双向压电驱动器5的力矩大、响应速度快，还具有断电自锁的功能。

可选的，请参阅图2至图4、图6及图9，双向压电驱动器5设有多个，多个双向压电驱动器5绕转子轴201的轴线均匀分布。增加双向压电驱动器5的数量，可以增加驱动输出能力，双向压电驱动器5均匀分布，则能使驱动轴4受力均匀，便于有效夹持驱动轴4，有利于提高运行的平稳性。

可选的，图中未示出，双向压电驱动器5设有多个，多个双向压电驱动器5沿驱动轴4的轴向分布，形成多层结构，也能够增加驱动输出能力。其中，每一层可具有多个绕转子轴201的轴线均匀分布的双向压电驱动器5。

具体地，双向压电驱动器5具有偶数个，以进一步提高受力的稳定性和对驱动轴4夹持的可靠性。

请参阅图1及图4，为了降低检修操作难度，外壳包括底部壳体、上部壳体和上盖，上部壳体为上下均具有开口的筒状，设于下部壳体的顶端，上盖则盖设于上部壳体的顶部开口处，转子轴201伸出上盖，风力机3位于上盖之外。本实施方式中，底部壳体和上部壳体之间，以及上部壳体和上盖之间可以设置成可拆卸的连接方式(例如通过螺纹连接件进行连接)，方便后期拆装维修。

请参阅图2至图9，为了提高双向压电驱动器5的驱动能力及相应速度，双向压电驱动器5包括基座501、压电陶瓷片叠堆502、第一柔性铰链503、第二柔性铰链504和预压力调节结构505；基座501的同一侧镜像对称的设有两个安装槽506，两个安装槽506的开口相背设置；压电陶瓷片叠堆502设有两个且分别位于两个安装槽506内；第一柔性铰链503设有两个，且分别与基座501的两端连接，压电陶瓷片叠堆502靠近安装槽506开口的一端通过第一直圆铰链507与第一柔性铰链503的一端连接；第二柔性铰链504为梯型柔性铰链，两端分别与两个第一柔性铰链503的另一端连接，第二柔性铰链504形成驱动端；预压力调节结构505设于基座501，用于对压电陶瓷片叠堆502施加预压力。

本实施方式为双向梯型压电驱动器，预压力调节结构505对两侧压电陶瓷片叠堆502的提供预压力，经过第一柔性铰链503将预压力放大，再通过第二柔性铰链504产生出纵向和横向的耦合力，由于本实施方式的压电驱动器为双向对称设置，所以纵向力相抵消、横向力叠加，对驱动轴4产生轴向的夹紧力，进而对驱动轴4起到固定作用。在驱动时，对压电陶瓷片叠堆502施加锯齿波电压信号，使其产生缓慢膨胀和快速收缩两个阶段变化，通过不断重复两个阶段的周期性变化起到黏滑直线驱动目的，当一侧的压电陶瓷片叠堆502驱动时另一侧的压电陶瓷片叠堆502不工作，进而产生一个方向的驱动，反之为反向驱动，达到向上和向下的双向驱动效果。本实施方式的双向压电驱动器5结构设计合理，不仅响应速度快，驱动能力也很优秀。

另外，第一直圆铰链507能在第一柔性铰链503的另一端产生更大的纵向位移，并且可使压电陶瓷片叠堆502与第一柔性铰链503的接触平稳，提高压电驱动器位移的控制精度。

具体地，第一柔性铰链503和第二柔性铰链504之间通过焊接实现连接。

可选的，为了提高对预压力的放大效果，第一柔性铰链503为杠杆型柔性铰链。

可选的，基座501和第一柔性铰链503之间通过第二直圆铰链508连接。第一柔性铰链503输出的纵向位移作用于第二柔性铰链504，使其产生纵向和横向的耦合位移，横向位移提供对驱动轴4的预压力，纵向位移作为输出位移。

为简化预压力调节结构505的结构，请参阅图2至图9，预压力调节结构505包括调节扭5051、压杆5052和压片5053；调节扭5051连接于基座501，且位于两个安装槽506之间，调节扭5051能沿垂直于安装槽开口方向的方向移动，调节扭5051的调节端为圆锥状；压杆5052滑动贯穿安装槽506的侧壁，压杆5052平行于安装槽506的开口方向，压杆5052朝向调节端的一端具有与调节端配合的斜面5054；压片5053设于安装槽506内，并与压杆5052的另一端连接，压片5053用于接触压电陶瓷片叠堆502的一端。

本实施方式通过一个调节扭5051与两个压杆5052的斜面5054配合，可同时实现对两个压电陶瓷片叠堆502施加预压力，结构简单，操控方便。

上述实施方式中，调节扭5051与基座501螺纹连接，在调节扭5051旋拧到位后，其自锁于该位置，无需设置其他锁定结构，结构简单，具有良好的使用稳定性和调节连续性。

可选的，压片5053的面积不小于压电陶瓷片叠堆502的端面面积，保证压电陶瓷片叠堆5受力均匀。

可选的，参阅图2至图6及图9，驱动轴4上设有与驱动端滑动配合的滑槽6，滑槽6的槽底面为与驱动轴同心的圆面，驱动端的端面为与滑槽6的槽底贴合的圆面。滑槽6在驱动轴4的径向面上对驱动轴4起到限位作用，可减少双向压电驱动器5在驱动过程中造成的抖动，提高运行平稳性。另外，在前述的双向压电驱动器5的结构基础上，第二柔性铰链504所形成的驱动端为弧形切面，可以增大与驱动轴4的接触面积，以提高驱动能力。

可选的，请参阅图4至图6及图9，永磁发电机还包括轴承7和滑动支架8；轴承7的外环固接于驱动轴4，内环固接于转子轴201；滑动支架8固接于外壳1，驱动轴4与滑动支架8沿上下方向滑动配合。采用轴承连接的方式起到使转子轴201的旋转运动和驱动轴4的直线运动分离的作用，防止混合运动带来的摩擦阻碍，提高发电机的能量转化效率，提高控制精度。

在上述实施方式的基础上，滑动支架8为筒状构件，且滑动支架8的外周面具有向外凸出的连接体，连接体可通过焊接等方式固定在外壳1上。

可选的，轴承7为四点接触球轴承，其具有较好的径向滑动效果同时还能够承受较大的轴向负载能力。

可选的，请参阅图4至图6及图9，驱动轴4顶端固接有轴承盒9，轴承7设于轴承盒9内，且轴承7的外环固接于轴承盒9；轴承盒9的外周面设有滑键10，滑动支架8上设有贯穿滑键10并与滑键10沿上下方向滑动配合的滑杆11。轴承盒9能对轴承7起到良好的固定和保护作用，滑键10设于轴承盒9外周，为柱状构件，滑键10占用轴承盒9的外部空间小，还能起到良好的导向作用。

在上述实施方式的基础上，当驱动轴4仅设有一个的时候，一个驱动轴4对应于多个双向压电驱动器5，一个驱动轴4上设有多个滑槽6(如图4至图6所示)。当驱动轴4具有多个的时候，多个驱动轴4相互平行，且绕轴承盒9的轴线均匀分布，驱动轴4与双向压电驱动器5一一对应，每个驱动轴上分别设有一个滑槽6(如图9所示)，采用多跟驱动轴4有利于增大驱动力。

可选的，轴承盒9与驱动轴4焊接连接。

可选的，滑键10绕轴承盒9的轴线设有多个，以增加导向的平稳性。

为了简化轴承盒9的结构，同时便于进行轴承7的装配，请参阅图4至图6及图9，轴承盒9包括盒体901和盖设于盒体901顶部开口的盒盖902，盒体901与轴承7的外环固接，并与驱动轴4的顶端固接，盒盖902通过螺纹连接件固接于盒体901。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2至图4，发电单元2还包括定子铁芯202和线圈203；定子铁芯202设于转子轴201外周，且固接于外壳1；线圈203绕设于定子铁芯202。

具体的，转子轴201包括轴体和焊接于轴体外周的电磁转子，电磁转子由偶数对级永磁体组成，N、S级交替排列。定子铁芯202与外壳1焊接，定子铁芯202具有偶数对级，且比电磁转子中的永磁体的数量多。定、转子的极对数和风力的大小决定了发电量。具体地，永磁体的数量为八个，定子铁芯202的数量为十个。

通过风力的作用，风力机3带动转子轴201旋转，电磁转子与线圈203产生互感作用，进而使线圈203产生电流。

为了进一步提高驱动轴4移动的稳定性，请参阅图2至图4及图6，永磁发电机还包括伸缩铰链12，伸缩铰链12的一端与驱动轴4的底端连接，另一端与外壳1的底部连接。伸缩铰链12能对驱动轴4在驱动轴4的径向上起到限位作用，进一步避免驱动轴4倾斜，提高运行平稳性。

本发明还提供一种发电系统。请参阅图10，所述发电系统包括上述的永磁发电机。

本发明提供的发电系统，通过采用上述的永磁发电机，避免因高度调节结构产生的电磁干扰影响系统的整体性能，发电机整体体积小，便于转移，同时双向压电驱动器响应速度快，能满足智能化工业的发展要求。

可选的，参阅图10，发电系统还包括储能单元13、压力传感器14、信号处理单元15和供电单元16；储能单元13与发电单元2电气连接；压力传感器14用于感测风压；信号处理单元15与压力传感器14通讯连接，还与双向压电驱动器5电气连接，信号处理单元15用于接收压力传感器14的风压信号，并根据风压信号向双向压电驱动器5输出电压信号；供电单元16与发电单元2电气连接，还分别与压力传感器14、信号处理单元15和双向压电驱动器5电气连接。

在上述实施方式的基础上，信号处理单元15包括信号发生器1501和电压放大器1502，信号发生器1501分别与压力传感器14和电压放大器1502通讯连接，电压放大器1502还与双向压电驱动器5通讯连接。可选的，供电单元16为电池。

使用时，通过风力机3将风能转换为机械能带动发电单元2进行发电，一部分电能储存至储能单元13，另一部分电能储存至供电单元16，以供给双向压电驱动器5、压力传感器14、信号发生器1501和电压放大器1502工作。在可利用范围内的高度上设立较敏感的压力传感器14，以检测在不同高度上风力的强弱，并将反馈信号处理后的结果提供给信号发生器1501，信号发生器1501调制波形生成电压信号，再通过电压放大器1502放大电压信号，将电压放大器1502输出的电压信号接到压电陶瓷叠堆502上，以驱动驱动轴4移动，达到快速调节高度的目的。

本发明的发电系统能达到在小型风力发电系统中自适应调节高度的效果，且具有控制策略简单、响应速度快、低速大力矩、断电自锁的优点，驱动力大，有利于增加发电功率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.永磁发电机，其特征在于，包括：

外壳；

发电单元，设于所述外壳，所述发电单元具有能上下移动的转子轴；

风力机，设于所述转子轴伸出所述外壳顶壁的一端；

驱动轴，与所述外壳沿上下方向滑动配合，所述转子轴的底端与所述驱动轴同轴设置，且所述转子轴的底端与所述驱动轴的顶端绕所述转子轴的轴线转动配合；以及

双向压电驱动器，设于所述外壳，所述双向压电驱动器的驱动端与所述驱动轴接触配合，以驱动所述驱动轴上下移动。

2.如权利要求1所述的永磁发电机，其特征在于，所述双向压电驱动器包括：

基座，所述基座的同一侧镜像对称的设有两个安装槽，两个所述安装槽的开口相背设置；

压电陶瓷片叠堆，设有两个且分别位于两个所述安装槽内；

第一柔性铰链，设有两个，且分别与所述基座的两端连接，所述压电陶瓷片叠堆靠近所述安装槽开口的一端通过第一直圆铰链与所述第一柔性铰链的一端连接；

第二柔性铰链，为梯型柔性铰链，两端分别与两个所述第一柔性铰链的另一端连接，所述第二柔性铰链形成所述驱动端；以及

预压力调节结构，设于所述基座，用于对所述压电陶瓷片叠堆施加预压力。

3.如权利要求2所述的永磁发电机，其特征在于，所述预压力调节结构包括：

调节扭，连接于所述基座，且位于两个所述安装槽之间，所述调节扭能沿垂直于所述安装槽开口方向的方向移动，所述调节扭的调节端为圆锥状；

压杆，滑动贯穿所述安装槽的侧壁，所述压杆平行于所述安装槽的开口方向，所述压杆朝向所述调节端的一端具有与所述调节端配合的斜面；以及

压片，设于所述安装槽内，并与所述压杆的另一端连接，所述压片用于接触所述压电陶瓷片叠堆的一端。

4.如权利要求1所述的永磁发电机，其特征在于，所述驱动轴上设有与所述驱动端滑动配合的滑槽，所述滑槽的槽底面为与所述驱动轴同心的圆面，所述驱动端的端面为与所述滑槽的槽底贴合的圆面。

5.如权利要求1所述的永磁发电机，其特征在于，所述永磁发电机还包括：

轴承，所述轴承的外环固接于所述驱动轴，内环固接于所述转子轴；以及

滑动支架，固接于所述外壳，所述驱动轴与所述滑动支架沿上下方向滑动配合。

6.如权利要求5所述的永磁发电机，其特征在于，所述驱动轴顶端固接有轴承盒，所述轴承设于所述轴承盒内，且所述轴承的外环固接于所述轴承盒；

所述轴承盒的外周面设有滑键，所述滑动支架上设有贯穿所述滑键并与所述滑键沿上下方向滑动配合的滑杆。

7.如权利要求1所述的永磁发电机，其特征在于，所述发电单元还包括：

定子铁芯，设于所述转子轴外周，且固接于所述外壳；以及

线圈，绕设于所述定子铁芯。

8.如权利要求1所述的永磁发电机，其特征在于，所述永磁发电机还包括伸缩铰链，所述伸缩铰链的一端与所述驱动轴的底端连接，另一端与所述外壳的底部连接。

9.发电系统，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的永磁发电机。

10.如权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括：

储能单元，与所述发电单元电气连接；

压力传感器，用于感测风压；

信号处理单元，与所述压力传感器通讯连接，还与所述双向压电驱动器电气连接，所述信号处理单元用于接收所述压力传感器的风压信号，并根据所述风压信号向所述双向压电驱动器输出电压信号；以及

供电单元，与所述发电单元电气连接，还分别与所述压力传感器、所述信号处理单元和所述双向压电驱动器电气连接。

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