適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的製作方法

2023-06-01 16:21:40 4

本發明涉及一種發電機，特別是涉及一種適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機。

背景技術：

發電機是目前已廣泛使用的一種設備，然而，現有的發電機基本都需要工作在高速運行的狀態才能達到其額定運行的狀況，而只有在額定運動狀態的附近才能達到較高的能量轉換效率，這就限定了發電機在風能、海洋能等低速運行且能量不穩定的能源領域的使用。

在世界能源日益緊缺的今天，風能、海洋能等綠色可再生能源已成為人們不斷開發利用的重要能源，因此設計一種適應低速且能在較寬速度範圍內能高效運行的直線發電機顯得尤為重要。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於解決現有技術中發電機需要高速運行才能達到較高的能量轉換效率的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機，所述適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機包括定子及動子；

所述定子包括定子鐵心、定子固定軸及定子繞組；所述定子鐵心為環狀，套置於所述定子固定軸的外圍，且所述定子鐵心外側沿其周向設有多個定子槽；所述定子固定軸為中空結構，內部設有導線總通孔及相導線通孔，所述導線總通孔沿所述定子固定軸的軸向貫穿所述定子固定軸，所述相導線通孔貫穿所述定子固定軸的側壁以實現與所述導線總通孔相連通；所述定子繞組沿所述定子鐵心周向依次穿過所述定子槽，並經由所述相導線通孔及所述導線總通孔引出；

所述動子在外力的驅動下可沿所述定子固定軸的軸向做直線運動；所述動子包括動子鐵心、第一永磁體、第二永磁體及第一非導磁材料結構；所述動子鐵心及所述第一非導磁材料結構為環形，沿所述定子固定軸的軸向交替套置於所述定子及所述定子固定軸外圍；所述動子鐵心內沿其周向設有多個安裝孔，所述第一永磁體及所述第二永磁體交替置於所述安裝孔內，所述第一永磁體與所述第二永磁體的極性方向均沿所述動子鐵心的周向且相對。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述定子還包括：第一定子間隔定位裝置、第二定子間隔定位裝置及定子支撐臺；

所述定子鐵心及裝配於所述定子鐵心中定子槽內的定子繞組構成定子的一相，所述定子包括多相；

所述第一定子間隔定位裝置及所述第二定子間隔定位裝置均套置於所述定子固定軸的外圍，且分別位於所述定子的不同相之間，適於隔離定位所述定子的不同相，以得到不同相之間的電角度差；

所述定子支撐臺套置於所述定子固定軸的外圍，與所述定子固定軸為一體結構，適於支撐所述定子。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述定子還包括第一緩衝儲能單元，所述第一緩衝儲能單元位於所述定子支撐臺遠離所述定子的一側，適於緩衝動子運行產生的壓力。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述定子還包括緩衝墊圈，所述緩衝墊圈套置於所述定子固定軸的外圍，且位於所述定子遠離所述定子支撐臺的一側。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述緩衝墊圈內側沿所述定子固定軸軸向方向上設有緩衝墊圈鍵槽，適於所述緩衝墊圈在所述定子固定軸上的裝配定位。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述定子還包括第二緩衝儲能單元，所述第二緩衝儲能單元位於所述緩衝墊圈遠離所述定子的一側，適於緩衝動子運行產生的壓力。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述第一定子間隔定位裝置、所述第二定子間隔定位裝置及所述緩衝墊圈內均設有與所述相導線通孔相對應的貫通孔。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述定子鐵心內側沿所述定子固定軸軸向方向上設有定子鐵心鍵槽，適於所述定子鐵心在所述定子固定軸上的裝配定位。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述動子還包括外殼、端蓋、第二非導磁材料結構及動子支架；

所述外殼位於所述動子鐵心及所述第一非導磁材料結構的外圍；

所述端蓋位於所述外殼的兩端；

所述第二非導磁材料結構為環形，套置於所述定子固定軸的外圍，且位於所述動子鐵心及所述第一非導磁材料結構組成的交替結構的兩端；

所述動子支架位於所述第二非導磁材料結構的內側，適於將所述動子裝配於所述定子固定軸上。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述定子固定軸上設有導軌鍵，所述動子支架內側設有導軌鍵槽，所述導軌鍵與所述導軌鍵槽對應設置，所述動子通過所述導軌鍵槽及所述導軌鍵裝配於所述定子固定軸上。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選方案，所述導軌鍵與所述導軌鍵槽之間具有導軌間隙。

作為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的一種優選法方案，所述定子與所述動子之間設有氣隙。

如上所述，本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機，具有以下有益效果：

1、定子鐵心及裝配於定子鐵心中定子槽內的定子繞組構成定子的一相，這樣既有利於模塊化的實現，使得發電機的相數和各相之間的排列方式不受限制，同時增加了發電機的極數，這樣就一方面可以根據欲轉換能量的大小自由組合定子和動子，另一方面使得發電機在低速運行時也可以獲得較高的輸出電壓；這種結構增加了發電機單相電樞線圈有效切割磁力線的導線長度，從而增加了發電機單相輸出電壓的幅度，增加發電機的低速輸出能力。這樣的結構最終都會有利於發電機能量轉換效率的提高。

2、定子鐵心及裝配於定子鐵心中定子槽內的定子繞組構成定子的一相，繞線簡單，減小了加工成本。

3、兩個動子鐵心之間以絕磁材料填充，強迫主磁路由每個動子鐵心內的永磁體發出，經動子鐵心、氣隙、定子鐵心和電樞線圈匝鏈，這樣其磁力線所在的平面垂直於發電機動子的運動方向，即為「橫向」磁場電機，具有較高的能量轉換密度；定子鐵心和動子鐵心採用矽鋼片疊置而成，同時動子採用聚磁式結構，使得發電機具有良好的導磁和抑制鐵損的能力，同時能夠獲得高的氣隙磁通密度。

4、動子部分通過動子支架上的導軌鍵槽與定子固定軸上的導軌鍵裝配在一起，導軌鍵槽和導軌鍵之間有導軌間隙，在導軌間隙中填充潤滑油，由於動子上沿圓周方面均勻的裝有第一永磁體及第二永磁體，所以動子和定子之間沿圓周方向具有均勻分布的徑向吸力，從而使動子和定子固定軸之間達到一個磁懸浮的效應，這樣就極大的減小了動子沿定子固定軸軸向移動時二者之間的摩擦力，減小能量損耗，提高發電機效率。

附圖說明

圖1顯示為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的結構示意圖。

圖2顯示為圖1沿AA』方向的截面結構示意圖。

圖3顯示為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機中動子鐵心與第一非導磁材料結構交替疊置的結構示意圖。

圖4顯示為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機中定子鐵心與定子繞組構成的定子的一相的結構示意圖。

圖5顯示為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機中定子固定軸的結構示意圖。

圖6顯示為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機中緩衝墊圈的結構示意圖。

圖7顯示為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的俯視結構示意圖。

圖8顯示為圖7中A區域的放大示意圖。

圖9顯示為圖7中B區域的放大示意圖。

元件標號說明

10 定子鐵心

101 定子槽

102 定子鐵心鍵槽

11 定子固定軸

111 導線總通孔

112 相導線通孔

113 導軌鍵

12 定子繞組

131 第一定子間隔定位裝置

132 第二定子間隔定位裝置

14 定子支撐臺

15 第一緩衝儲能單元

16 緩衝墊圈

161 緩衝墊圈鍵槽

162 貫通孔

17 第二緩衝儲能單元

20 動子鐵心

211 第一永磁體

212 第二永磁體

22 第一非導磁材料結構

23 外殼

24 端蓋

25 第二非導磁材料結構

26 動子支架

261 導軌鍵槽

27 導軌間隙

28 氣隙

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖9。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，雖圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

請參閱圖1至圖4，本發明提供一種適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機，所述適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機包括定子及動子；

所述定子包括定子鐵心10、定子固定軸11及定子繞組12；所述定子鐵心10為環狀，套置於所述定子固定軸11的外圍，且所述定子鐵心10外側沿其周向設有多個定子槽101；所述定子固定軸11為中空結構，內部設有導線總通孔111及相導線通孔112，所述導線總通孔111沿所述定子固定軸11的軸向貫穿所述定子固定軸11，所述相導線通孔112貫穿所述定子固定軸11的側壁以實現與所述導線總通孔111相連通；所述定子繞組12沿所述定子鐵心10周向依次穿過所述定子槽101，並經由所述相導線通孔112及所述導線總通孔111引出；

所述動子在外力的驅動下可沿所述定子固定軸11的軸向做直線運動；所述動子包括動子鐵心20、第一永磁體211、第二永磁體212及第一非導磁材料結構22；所述動子鐵心20及所述第一非導磁材料結構22為環形，沿所述定子固定軸11的軸向交替套置於所述定子及所述定子固定軸11外圍；所述動子鐵心20內沿其周向設有多個安裝孔，所述第一永磁體211及所述第二永磁體212交替置於所述安裝孔內，所述第一永磁體211與所述第二永磁體212的極性方向均沿所述動子鐵心20的周向(即圓周方向)且相對。

作為示例，所述定子固定軸11的形狀可以為圓柱形；所述定子鐵心10的形狀可以為圓環形；所述定子槽101的形狀需要與所述定子繞組12的截面形狀相匹配，以確保所述定子繞組12可以裝配在所述定子槽101內，所述定子槽101可以為圓形孔、方形孔、或梨形孔等，優選地，所述定子槽101為梨形孔。所述定子槽101採用梨形孔可以增加其面積利用率，增大了所述定子繞組12的放置空間，提高了發電機電流輸出能力，降低了銅耗。

作為示例，所述定子鐵心10及裝配於所述定子鐵心10中定子槽101內的所述定子繞組12構成所述定子的一相，具體結構如圖4所示。所述定子鐵心10及裝配於所述定子鐵心10中定子槽101內的所述定子繞組12構成所述定子的一相，這樣既有利於模塊化的實現，使得發電機的相數和各相之間的排列方式不受限制，又使得繞線簡單，減小了加工成本。

作為示例，所述定子包括多個如圖4所示的相，且所述定子還包括：第一定子間隔定位裝置131、第二定子間隔定位裝置132及定子支撐臺14；請結合圖2參閱圖5，所述第一定子間隔定位裝置131及所述第二定子間隔定位裝置132均套置於所述定子固定軸11的外圍，且分別位於所述定子的不同相之間，適於隔離定位所述定子的不同相，以得到不同相之間的電角度差；所述定子支撐臺14套置於所述定子固定軸11的外圍，與所述定子固定軸11為一體結構，適於支撐所述定子。所述第一定子間隔定位裝置131及所述第二定子間隔定位裝置132及所述定子支撐臺14的形狀可以為圓環形。

作為示例，所述第一定子間隔定位裝置131與所述第二定子間隔定位裝置132均為非導磁材料結構，所述第一定子間隔定位裝置131與所述第二定子間隔定位裝置132的厚度相同，高度不同。將所述第一定子間隔定位裝置131與所述第二定子間隔定位裝置132的高度設置為不同，是為了使得不同相的定子之間間隔不同，使得空間位置和三相或多相電時間位置配合，以三相電為例，空間相差120°，對應電角度相差120°。

作為示例，所述定子每一相的所述定子繞組12均通過所述相導線通孔112進入所述導線總通孔111，然後接出所述發電機以輸出電能。

作為示例，所述定子還包括第一緩衝儲能單元15，所述第一緩衝儲能單元15位於所述定子支撐臺14遠離所述定子的一側，適於緩衝動子運行產生的壓力。所述第一緩衝儲能單元15的數量可以根據實際需要進行設定，圖5中以所述第一緩衝儲能單元15的數量為三個作為示例，但並不以此為限，三個所述第一緩衝儲能單元15沿所述定子支撐臺14的周向均勻分布。

作為示例，請參閱圖6，所述定子還包括緩衝墊圈16，所述緩衝墊圈16套置於所述定子固定軸11的外圍，且位於所述定子遠離所述定子支撐臺14的一側。所述緩衝墊圈16的形狀可以為圓環形。

作為示例，為了便於所述緩衝墊圈16在所述定子固定軸11上的裝配定位，所述緩衝墊圈16內側沿所述定子固定軸11的軸向方向上設有緩衝墊圈鍵槽161，所述緩衝墊圈鍵槽161的數量可以根據實際需要進行限定，圖6中以所述緩衝墊圈鍵槽161的數量為三個作為示例，但並不以此為限，三個所述緩衝墊圈鍵槽161沿所述緩衝墊圈16的周向均勻排布。

作為示例，所述定子還包括第二緩衝儲能單元17，所述第二緩衝儲能單元17位於所述緩衝墊圈16遠離所述定子的一側，適於緩衝動子運行產生的壓力。所述第二緩衝儲能單元17的數量可以根據實際需要進行設定，圖6中以所述第二緩衝儲能單元17的數量為三個作為示例，但並不以此為限，三個所述第二緩衝儲能單元17沿所述緩衝墊圈16的周向均勻分布。

作為示例，所述第一定子間隔定位裝置131、所述第二定子間隔定位裝置132及所述緩衝墊圈16內均設有與所述相導線通孔112相對應連通的貫通孔162，以確保所述定子繞組12可以經由所述相導線通孔112及所述導線總通孔111引出。

作為示例，請繼續參閱圖4，為了便於所述定子鐵心10與所述定子固定軸11的裝配定位，所述定子鐵心10內側沿所述定子固定軸11的軸向方向上設有定子鐵心鍵槽102，所述定子鐵心鍵槽102的數量可以根據實際需要進行限定，圖4中以所述定子鐵心鍵槽102的數量為三個作為示例，但並不以此為限，三個所述定子鐵心鍵槽102沿所述定子鐵心10的周向均勻排布。

作為示例，所述動子鐵心20及所述第一非導磁材料結構22的形狀均可以為於圓環形，所述第一永磁體211及所述第二永磁體212的形狀可以為長方形。所述第一永磁體211及所述第二永磁體212安裝時極化方向不同，二者極化方向相對，使得相鄰的所述動子鐵心20部分形成交互的N極、S極。

作為示例，內部鑲嵌有所述所述第一永磁體211及所述第二永磁體212的所述動子鐵心20與所述第一非導磁材料結構22沿所述定子固定軸11的軸向交替排布，位於所述第一非導磁材料結構22兩側的所述動子鐵心20的N極、S極交替排布。

作為示例，請繼續參閱圖1，所述動子還包括外殼23、端蓋24、第二非導磁材料結構25及動子支架26；所述外殼23位於所述動子鐵心20及所述第一非導磁材料結構22的外圍；所述端蓋24位於所述外殼23的兩端；所述第二非導磁材料結構25為環形，套置於所述定子固定軸11的外圍，且位於所述動子鐵心20及所述第一非導磁材料結構22組成的交替結構的兩端，用於所述動子兩端的固定；所述動子支架26位於所述第二非導磁材料結構25的內側，適於將所述動子裝配於所述定子固定軸11上。需要說明的是，位於所述動子鐵心20及所述第一非導磁材料結構22組成的交替結構的兩端的所述第二非導磁材料結構25具有不同的高度。

作為示例，如圖7及圖8所示，所述定子與所述動子之間設有氣隙28，所述氣隙28即為所述定子與所述動子之間的縫隙，所述定子固定軸11上設有導軌鍵113，所述動子支架26內側設有導軌鍵槽261，所述導軌鍵113與所述導軌鍵槽261對應設置，所述動子通過所述導軌鍵槽261及所述導軌鍵113裝配於所述定子固定軸11上。

需要說明的是，圖7為本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的俯視結構示意圖，為了便於說明本發明的適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機的內部結構，圖7中所述端蓋24並未示出。

作為示例，如圖7及圖9所示，所述導軌鍵113與所述導軌鍵槽261之間具有導軌間隙27，所述導軌間隙27的寬度小於所述氣隙28的寬度，所述導軌間隙27中可以填充潤滑油。由於所述動子上的所述第一永磁體211及所述第二永磁體212沿所述動子鐵心20的周向均勻分布，而定子整體也是沿周向均勻分布，所以二者之間的徑向吸力沿圓周均勻分布，從而可以使所述動子與所述定子固定軸11之間達到一個磁懸浮的效應，這樣就極大的減小了所述動子沿所述定子固定軸11軸向移動時二者之間的摩擦力，減小能量損耗，提高發電機效率。

所述動子在外力的驅動下可沿所述定子固定軸11的軸向做直線運動，即發電時，所述動子在外部機械設備的帶動下整體沿所述定子固定軸11的軸向做直線運動，其磁場會穿過所述定子鐵心10，穿過所述定子鐵心10的磁場因為所述動子的運動而發生變化，從而在所述定子繞組12中產生感應電動勢，達到發電的目的。

綜上所述，本發明提供一種適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機，所述適應低速範圍內變速運行的橫向磁場直線發電機包括定子及動子；所述定子包括定子鐵心、定子固定軸及定子繞組；所述定子鐵心為環狀，套置於所述定子固定軸的外圍，且所述定子鐵心外側沿其周向設有多個定子槽；所述定子固定軸為中空結構，內部設有導線總通孔及相導線通孔，所述導線總通孔沿所述定子固定軸的軸向貫穿所述定子固定軸，所述相導線通孔貫穿所述定子固定軸的側壁以實現與所述導線總通孔相連通；所述定子繞組沿所述定子鐵心周向依次穿過所述定子槽，並經由所述相導線通孔及所述導線總通孔引出；所述動子在外力的驅動下可沿所述定子固定軸的軸向做直線運動；所述動子包括動子鐵心、第一永磁體、第二永磁體及第一非導磁材料結構；所述動子鐵心及所述第一非導磁材料結構為環形，沿所述定子固定軸的軸向交替套置於所述定子及所述定子固定軸外圍；所述動子鐵心內沿其周向設有多個安裝孔，所述第一永磁體及所述第二永磁體交替置於所述安裝孔內，所述第一永磁體與所述第二永磁體的極性方向均沿所述動子鐵心的周向且相對。定子鐵心及裝配於定子鐵心中定子槽內的定子繞組構成定子的一相，這樣既有利於模塊化的實現，使得發電機的相數和各相之間的排列方式不受限制，同時增加了發電機的極數，這樣就一方面可以根據欲轉換能量的大小自由組合定子和動子，另一方面使得發電機在低速運行時也可以獲得較高的輸出電壓；這種結構增加了發電機單相電樞線圈有效切割磁力線的導線長度，從而增加了發電機單相輸出電壓的幅度，增加發電機的低速輸出能力，這樣的結構最終都會有利於發電機能量轉換效率的提高；定子鐵心及裝配於定子鐵心中定子槽內的定子繞組構成定子的一相，繞線簡單，減小了加工成本；兩個動子鐵心之間以絕磁材料填充，強迫主磁路由每個動子鐵心內的永磁體發出，經動子鐵心、氣隙、定子鐵心和電樞線圈匝鏈，這樣其磁力線所在的平面垂直於發電機動子的運動方向，即為「橫向」磁場電機，具有較高的能量轉換密度；定子鐵心和動子鐵心採用矽鋼片疊置而成，同時動子採用聚磁式結構，使得發電機具有良好的導磁和抑制鐵損的能力，同時能夠獲得高的氣隙磁通密度；動子部分通過動子支架上的導軌鍵槽與定子固定軸上的導軌鍵裝配在一起，導軌鍵槽和導軌鍵之間有導軌間隙，在導軌間隙中填充潤滑油，由於動子上沿圓周方面均勻的裝有第一永磁體及第二永磁體，所以動子和定子之間沿圓周方向具有均勻分布的徑向吸力，從而使動子和定子固定軸之間達到一個磁懸浮的效應，這樣就極大的減小了動子沿定子固定軸軸向移動時二者之間的摩擦力，減小能量損耗，提高發電機效率。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。