CN208046333U - 具有定子和转子的发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及具有定子和转子的发电机。该发电机具有定子和转子,并且定子包括在轴向端部处具有至少一个轴向偏移线圈的中心轴,使得中心轴的主要中心部分不被线圈包围,线圈被配置成使中心轴磁化。定子包括多个发电层，每个发电层包括围绕中心轴周向设置的发电绕组，以及转子包括与主要中心部分对齐的磁化层。发电层的至少一个发电层为包括管状体和至少一个轴向偏移线圈的管状组件的形式，其中管状体与中心轴同轴，至少一个轴向偏移线圈在轴向端部处，使得管状体的主要中心部分不被线圈包围，线圈被配置成使管状体磁化。

Description

具有定子和转子的发电机

技术领域

本实用新型涉及电机且具体涉及发电机。本实用新型更具体地涉及具有中心磁轴的发电机。

背景技术

在常规的发电机设计中，发电机的最内中心部分为转子，该转子为发电机的旋转构件。该旋转部分为生成发电机的EMF(电磁场)的磁场源(即，磁化构件或磁化层)。该转子生成的磁场与作为定子的一部分的绕组中的导体相交或将其“切断”并且生成电流。申请人了解具有多个转子层和/或多个定子层的发电机设计。

在申请人了解的大多数常规设计中，磁场源为转子，而定子总是静止的且为用于发电机的导体。在其他设计中，定子不是磁场的来源。申请人指出，期望增加磁通密度以增加发电机的发电能力。

申请人期望一种发电机，其中定子辅助使磁场成形并加强磁场，但其为发电层而不是磁化层。

实用新型内容

因此，本实用新型提供了一种具有定子和转子的发电机，其中：

定子包括中心轴并且在中心轴的轴向端部处具有至少一个轴向偏移线圈(被称为盘绕部分)，使得中心轴的主要中心部分不被线圈包围，该线圈被配置成使中心轴磁化，使得中心轴具有轴向间隔开的不同的磁极，其中一个极设置在盘绕部分处以及另一个极设置在主要中心部分处；

定子包括多个发电层，每个发电层包括围绕中心轴周向设置、相对于中心轴固定并且与中心轴的主要中心部分径向对齐的发电绕组；

转子包括围绕第一发电层同轴布置并且与主要中心部分径向对齐的磁化层，该磁化层具有径向间隔开的不同的磁极，其中内部磁极具有与中心轴的对齐的主要中心部分不同的极性；以及

发电层的至少一个发电层为管状组件的形式，该管状组件包括：

管状体，该管状体与中心轴同轴；以及

至少一个轴向偏移线圈(被称为盘绕部分)，该轴向偏移线圈在管状体的轴向端部处，使得管状体的主要中心部分不被线圈包围，该线圈被配置成使管状体磁化，使得管状体具有轴向间隔开的不同的磁极，其中一个极设置在盘绕部分处以及另一个极设置在主要中心部分处；

其中发电绕组设置在管状体的中心部分处或与管状体的中心部分径向对齐。

主要中心部分可被认为是中心轴的能动部分或磁化部分，即使中心轴通常为发电层。

中心轴可在其单个端部处具有单个线圈。在此情况下，中心轴可具有两个磁极，一个磁极在盘绕部分处以及一个磁极在主要中心部分处。主要中心部分和盘绕部分可为N-S或S-N(其中贯穿本说明书，N代表北极，S代表南极)。

中心轴可具有一对线圈，其中每个端部处有一个线圈。在此情况下，中心轴可具有三个磁极，在每个线圈部分处有一个磁极以及在主要中心部分处有一个磁极。三个磁极可交替，例如N-S-N或S-N-S。

中心轴可轴向向外突出越过发电层。更具体地，盘绕部分可向外突出越过发电层，而主要中心部分可被发电层包围或包裹。如果有两个线圈，那么中心轴的两端可轴向向外突出越过发电层。

主要中心部分可比盘绕部分大1-5倍或长1-5倍，并且更具体地可长2-3倍。

发电层可为第一发电层，并且发电机可包括多个发电层。发电层可都包括定子。发电层可相对于彼此和中心轴固定。发电层可相对于发电机的支撑结构或壳体固定。

可存在多个磁化层。磁化层与一个或多个发电层可交替布置。磁化层可都包括转子。磁化层可相对于彼此固定。替代地，磁化层可为反向旋转的。磁化层可具有交替的极性。

可存在N个磁化层和N个发电层，其中N为1或更大。

可存在N个磁化层和N+1个发电层，其中N可为1或更大，例如2。最外层可为发电层。最外层可为静止的。发电机可包括包裹最外层的圆柱形金属套筒。金属套筒和最外层可搁置在发电机的框架上或者固定到发电机的框架。金属套筒可用于提供磁通量回路以及使磁场成形。

通过改进，在存在三个或更多个磁化层(即，N≥3)的情况下，交替磁化层可为旋转的，从而形成转子的一部分，而剩余的磁化层可为静止的，从而形成定子的一部分。一组磁化层(例如，静止的磁化层)可在转子旋转时进行电子切换，以便维持交替的极性布置。

所述(或每个)磁化层可由永磁体或电磁体提供。如果磁化层由电磁体提供，则这些电磁体可为电子可切换的以切换或反转它们的极性。

根据本实用新型的发电机的构型的目的可为：

■增加磁化层之间的磁通量,从而提高发电机的效率；

■矫直磁化层之间的磁场，使其与(一个或多个)发电层中的导体垂直相交或被其切割；

■由于最内部(即，中心轴)通过磁链将所有层吸引到中心，所以减小了离心力负荷；

■减小极之间的距离，并且从而提高发电机的效率。

可注意到，管状组件具有的构型与中心轴的构型相似。管状组件可形成定子的一部分。

管状组件可在其单个端部处具有单个线圈。在此情况下，管状组件可具有两个磁极，一个磁极在盘绕部分处以及一个磁极在主要中心部分处。主要中心部分和盘绕部分可为N-S或S-N。

管状组件可具有一对线圈，其中每个端部处有一个线圈。在此情况下，管状组件可具有三个磁极，在每个线圈部分处有一个磁极，以及在主要中心部分处有一个磁极。三个磁极可交替，例如N-S-N或S-N-S。

管状组件的主体可由金属(例如，钢铁)制成。

管状体可具有圆形或多边形(例如，正方形、矩形)横截面轮廓。

管状组件的主体可包括多个层压件。管状组件的发电绕组可设置在层压件之中。

磁化层可径向设置在管状组件内部。磁化层可设置在管状组件的两侧上。所述或每个磁化层可与管状组件的主要中心部分对齐。所述或每个磁化层的相邻极可具有与管状组件的主要中心部分不同的极性。如果在管状组件的每侧上存在磁化层，则磁化层的相邻极可与管状组件的主要中心部分相同和不同。例如，管状组件的主要中心部分可具有S极性，以及所述或每个磁化层的相邻极可为N。

如果存在磁性套筒，则管状体可物理地或磁性地耦接到磁性套筒。

附图说明

现将参考附图以举例的方式进一步描述本实用新型。

在附图中：

图1示出根据本实用新型的发电机的实施例的示意性轴向剖视图，该发电机包括作为发电层的管状组件；

图2示出根据本实用新型的发电机的另一个实施例的示意性轴向剖视图，该发电机包括作为发电层的两个管状组件；

图3示出根据本实用新型的发电机的另一个实施例的示意性轴向剖视图，该发电机包括作为发电层的偏移管状组件；以及

图4示出根据本实用新型的发电机的另一个实施例的示意性轴向剖视图，该发电机包括作为发电层和磁性套筒的偏移管状组件。

具体实施方式

图1示出根据本实用新型的发电机300的第一实施例。在所有附图中，为了进行清楚的说明，各层的厚度和层之间的间隙可不按比例，它们可被放大或缩小。

发电机300是用于从机械旋转输入产生输出电力的发电机。发电机300具有形成发电机300的定子的基础的中心轴202。中心轴302为圆柱形且为细长的。中心轴302具有围绕其每个端部缠绕的两个轴向偏移线圈204、204.1。线圈204、线圈204.1的存在用于将中心轴202分为三部分：两个盘绕部分206和主要中心部分208。主要中心部分208比每个盘绕部分106长约三倍。

线圈204、204.1在使用中通电并用作电磁体以使中心轴202磁化。因此，当线圈204、204.1通电时，中心轴202产生三个轴向间隔开的磁极。在该示例中，盘绕部分204、204.1具有S极性且主要中心部分208具有N极性。

发电绕组210围绕中心轴202的主要中心部分208设置。这些发电绕组210基本上构成发电层220。绕组210可紧密靠近甚至邻接中心轴202。

磁化层222围绕发电层220设置，以产生延伸穿过发电层220的磁通量(通常由数字234表示)。磁化层222由电磁体212提供。由磁化层222提供的一对磁极径向隔开，并且排列成使得磁化层222的异性极(S)与主要中心部分208的极(N)对齐。磁通量234在磁化层222与中心轴202的主要中心部分208之间直线延伸，使得发电层220的绕组210在完整的旋转中垂直于至少两个点与磁场234相交。

另外，发电机300具有多个发电层和磁化层220-228。在该实施例中，存在N+1个发电层220、224、228和N个磁化层222、226，其中N＝2。在该示例中，中心轴202的主要中心部分208和磁化层222、226具有径向交替的磁极，这些磁极被布置为N-S-N-S-N并且因此提供从中心轴202向外(或向内，视情况而定)延伸的相对径向的直的磁场或磁通量234。磁化层222、226由电磁体212提供。

发电机300具有被配置成旋转，因而形成发电机300的转子结构的一部分的磁化层222、226。尽管未示出，但是磁化层222、226耦接至发电机200的旋转输入端。当磁化层222、226相对于发电层220、224、228旋转时，径向向外指向的磁通量234类似于车轮的辐条一样旋转，并且与发电层220、224、228的绕组210以直角相交，从而在绕组210中感应出电流。

尽管未示出，但是电子控制可用于改变包括中心轴202的线圈204、204.1的(一个或多个)磁化层222、226的极。因为每个层222、226上的极具有相同的极性，所以磁化层222、226可被配置成沿相同的方向旋转或者可沿相反的方向旋转。磁化层222、226也可以以相同的速度或不同的速度沿相反的方向旋转。

由于现在主动参与生成磁通量234的中心轴202同轴地位于内部磁化层222内的事实，所以中心轴202将磁场源之间的距离减半。根据库仑定律，电荷上的力与电荷之间的距离的平方间接地成比例，因此根据库仑定律，该行为(磁场源的定位)与距离的减小成比例地增加了电荷上的力，并且因此提高了发电机200的整体效率。

发电机300还包括单个管状组件310。管状组件310具有由钢铁制成并且与中心轴202同轴的圆柱状的管状体312。(尽管未示出，但是管状312包括多个层压层，并且发电绕组210缠绕在限定在层压层之中和其之间的槽内。)发电绕组210与中心轴202的主要中心部分202径向对齐。

仅示出了管状体312的小的轴向区段。管状体312突出越过发电机300的中心区段，该中心区段与主要中心部分208和磁体212对齐。与中心轴202类似，管状组件300被分为主要中心部分和盘绕部分，它们与中心轴202的对应部分208、206对齐。管状体312的盘绕部分被如此称谓是因为线圈324围绕管状体312的每个端部部分设置。

在使用中，线圈314被有效地通电以将管状组件310转换成具有轴向间隔的极的电磁体(同样，与中心轴202如何操作类似的方式)。极(在该示例性实施方式中)为N-S-N，在盘绕部分处为N且在管状组件310的主要中心部分处为S，极N-S-N与中心轴202的极构型S-N-S相反。

申请人认为添加管状组件310将显著增强所生成的磁场234的强度。因此，随着发电层222、226移动通过更强的磁场234(反之亦然)，它们将产生更多的电流。

虽然管状组件310本身可形成定子的一部分，但是申请人注意到，可需要开关布置以在转子旋转(例如，每180°)时切换管状组件310的极性。可使用已知的开关布置。

图2示出类似于图1的发电机300的发电机350，不同之处在于发电机350包括第二管状组件320(除(第一)管状组件310之外)。第二管状组件320具有与第一管状组件310几乎相同的构型，但具有更大的直径，从而起到径向外侧发电层228的作用。第二管状组件320具有管状体322，管状体322在每个端部处具有绕组324，以产生轴向间隔开的磁极。在该构型中，极为S-N-S，与第一管状组件310的极相反。

图3示出类似于图1的发电机400，类似之处在于发电机400提供了单个管状组件330，但是不同之处在于管状组件330轴向不对称，管状组件330具有管状体332，管状体332仅具有单个盘绕部分并且仅在一端处具有线圈334。同样，所述部分或管状组件330和中心轴202径向对齐。

图4示出基于图3的示例但还具有金属套筒250的发电机450，金属套筒250与发电机450的支撑框架(未示出)紧固在一起。最外侧的发电层252被安装到套筒250的内部以及中心轴202的至少一端处。这用于隔离和增强其中的磁通量234。通过将中心轴202的一端连接到外发电层252的最外侧表面，将提供磁通量回路。

同样，在图2至图4中的发电机350、400、450中可包括开关布置以反转通过线圈314、324、334的电流的方向，从而当转子相对管状组件310、320、330转动时(例如，每90°或180°，这取决于发电机300、350、400、450具有多少个周向极)交换由管状组件310、320、330生成的极的极性。

图1至图4中的管状组件310、320、330用于增加磁场234的强度或密度，所述强度和密度可通过使用磁性套筒250进一步增强。这将对应地在发电绕组210中引起更大的电流。然而，这可带来更大的机器复杂性成本。因此，精确的构型可为设计选择的问题，这取决于成本、尺寸、发电机输出和效率等。

Claims (5)

1.一种具有定子和转子的发电机，其特征在于：

所述定子包括中心轴并且在所述中心轴的轴向端部处具有至少一个轴向偏移线圈，所述轴向偏移线圈被称为盘绕部分，使得所述中心轴的主要中心部分不被所述线圈包围，所述线圈被配置成使所述中心轴磁化，使得所述中心轴具有轴向间隔开的不同的磁极，其中一个极设置在所述盘绕部分处以及另一个极设置在所述主要中心部分处；

所述定子包括多个发电层，每个发电层包括围绕所述中心轴周向设置、相对于所述中心轴固定并且与所述中心轴的所述主要中心部分径向对齐的发电绕组；

所述转子包括围绕第一发电层同轴布置并且与所述主要中心部分径向对齐的磁化层，所述磁化层具有径向间隔开的不同的磁极，其中内部磁极具有与所述中心轴的对齐的主要中心部分不同的极性；以及

所述发电层的至少一个发电层为管状组件的形式，所述管状组件包括：

管状体，所述管状体与所述中心轴同轴；以及

至少一个轴向偏移线圈，所述轴向偏移线圈被称为盘绕部分，所述轴向偏移线圈在所述管状体的轴向端部处，使得所述管状体的主要中心部分不被所述线圈包围，所述线圈被配置成使所述管状体磁化，使得所述管状体具有轴向间隔开的不同的磁极，其中一个极设置在所述盘绕部分处以及另一个极设置在所述主要中心部分处，其中所述发电绕组设置在所述管状体的所述中心部分处或与所述管状体的所述中心部分径向对齐。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机包括多个磁化层，并且其中磁化层设置在所述管状组件的两侧上。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述中心轴具有以下两者中的任一个：

单个线圈，所述单个线圈在所述中心轴的单个端部处，并且所述中心轴具有两个磁极，一个磁极在所述中心轴的所述盘绕部分处，以及一个磁极在所述中心轴的所述主要中心部分处，所述两个磁极为N-S或S-N；或者

一对线圈，其中所述中心轴的每个端部处有一个线圈，并且所述中心轴具有三个磁极，在所述中心轴的每个盘绕部分处有一个磁极，以及在所述中心轴的所述主要中心部分处有一个磁极，所述三个磁极交替为N-S-N或S-N–S。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，

最外层为静止的；以及

所述发电机包括包裹所述最外层的圆柱形金属套筒，所述金属套筒用于提供磁通量回路以及使磁场成形。

5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述中心轴的所述轴向偏移线圈的极性和所述管状体的极性以及所述磁化层的极性在所述转子旋转时电子地切换或可切换，以便保持交替的极性布置。