专利名称：四个工作边无铁芯发电机的制作方法
技术领域：
本发明属于发电机设计和制造技术领域，涉及一种四个工作边无铁芯新型发电机 的制造。
背景技术：
目前，国内外已经有很多关于发电机的报道，其中无铁芯发电机因为去掉 了铁芯提高了发电效率。其中专利95105914.9涉及一种无铁芯激磁发电机，专利 200810035783. 1涉及一种无铁芯永磁同步直驱风力发电机，专利20091005^38. 4涉及 一种Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机，专利201010154369. X涉及一种恒压无铁芯盘 式风力发电机。但是这些发电机的线圈只有两个工作边，另外两个边为导通边，发电效率还 有待进一步提高。
发明内容
本发明目的是解决现有无铁芯发电机的线圈只有两个工作边，发电效率不高的问 题，提供一种四个工作边无铁芯新型发电机及其制造方法。本发明所提供的新型发电机的主要关键技术包括1)单一磁极磁铁的实施方法， 内层永久磁铁、外层永久磁铁和侧向永久磁铁的固定方法，2)包括不导磁轴承、中间层磁铁 和单一磁极磁铁部件的组成方法，3)线圈的绕制方法，4)线圈的传动方法等。发电机制作和发电实践表明，本发明所提供的4个工作边无铁芯发电机的制造方 法正确可行。本发明提供的四个工作边无铁芯发电机，核心部件为用单一磁极磁铁、永久磁铁、 不导磁轴承和内套外套组成的部件。绕制在该部件上的线圈与用轴固定的内层永久磁铁、 用支架固定的外层永久磁铁和用圆片固定的侧向永久磁铁组合，可以实现发电机四个边同 时切割磁力线和无铁芯功能。其中，单一磁极磁铁是在磁极沿环向的中间层的永久磁铁的 两N极或两S极同级之间放置的导磁材料块，在导磁材料块内形成单一磁极；位于中间层的 永久磁铁和单一磁极磁铁外径的两端开有两个环向的凹槽，凹槽内各嵌装有一个不导磁轴 承。用不导磁轴承，中间层的永久磁铁和单一磁极磁铁和内套外套组成一个部件。在单一磁极磁铁两端的轴向对应位置上放置侧向永久磁铁，侧向永久磁铁用一个 导磁圆片固定，圆片也起形成循环磁场的作用，圆片通过连接套与轴固定。内层永久磁铁固 定在轴上，轴也起形成循环磁场的作用。线圈转动时，连接套、侧向永久磁铁和圆片、内层永 久磁铁和轴固定不动。线圈绕制在已经固定了不导磁轴承和中间层的永久磁铁和单一磁极磁铁的组合 部件上，线圈的导线从内套穿入，再绕过外套进行绕制。线圈转动时不导磁轴承外圈及外套 旋转，轴承的内圈不动。线圈与线圈之间在环向留有间隙，用于放置驱动线圈转动的连接 杆。线圈绕制完成以后将线圈套入固定有内层永久磁铁的轴上。线圈的定位与转动通过连 接杆完成。
连接杆镶在线圈的间隙中间，其作用包括传动和散热。连接杆的两端穿入两端的 牙型连接器的槽中，牙型连接器的内孔与轴承的外圈紧密配合，轴承的内圈安装在连接套 上固定不动，轴承的外圈随牙型连接器转动，连接套固定在轴上，通过牙型连接器和放置在 线圈间隙中的不导磁材料制成的连接杆驱动线圈转动。在绕制好线圈的外径外面安装外层永久磁铁，外层永久磁铁嵌入用不导磁材料制 成的支架中，支架通过两个圆片与轴固定，支架外为包铁，包铁也起形成循环磁场的作用。 一侧的牙型连接器在外侧与驱动轮固定。发电机沿径向布置了三层磁铁，即用固定在轴上的内层永久磁铁、固定在不导磁 轴承上的中间层的单一磁极磁铁和固定在支架上的外层永久磁铁形成径向的两层磁场，且 两个径向磁场的磁极由内向外依次为S-N-S，或N-S-N，保证线圈在绕轴线转动时两个轴向 边切割磁力线。发电机在轴向布置了三层磁铁，由两端固定在导磁圆片上的侧向永久磁铁和固定 在不导磁轴承上的中间层的单一磁极磁铁形成轴向的两个磁场，且两个轴向磁场的磁极由 一侧向另一侧依次为S-N-S，或N-S-N，保证线圈在绕轴线转动时两个径向边切割磁力线。
本发明的优点和积极效果
本发明提出了一种四个工作边发电机的制造方法，能够使发电机在发电时只有线圈转 动，且线圈的四个边同时切割磁力线成为工作边。新型发电机的线圈容量比传统发电机提 高一倍以上，同时线圈的径向边也切割磁力线，可以提高发电机的发电效率一倍以上。
图1为四个工作边发电机线圈切割磁力线示意图，
图2-1和图2-2为由内套、外套、不导磁轴承、单一磁极磁铁和中间层永久磁铁构成的 组合部件示意图，该组合部件位于线圈的内部，其中，图2-1为内部结构，图2-2为外观， 图3为侧向永久磁铁固定方法/爆炸图， 图4是线圈绕制方法示意图， 图5为线圈传动方法示意图， 图6-1和图6-2为线圈驱动方法示意图/外套开槽， 图7为外层永久磁铁与外套固定方法示意图， 图8为单一磁极磁铁示意图， 图9是径向磁场结构示意图。图中，1为侧向永久磁铁，磁极方向沿轴向，2，3分别为线圈的径向边和轴向边， 4为内层永久磁铁，磁极沿径向，5为中间层的单一磁极磁铁，6为外层永久磁铁，磁极沿径 向，7为轴，8为内套，9为不导磁轴承，10为位于中间层的永久磁铁，磁极沿环向，11为外套， 12，13为连接套，14为固定侧向永久磁铁的圆片，15为连接杆，16为牙型连接器，17为轴承， 18为驱动轮，19为固定外层磁铁的支架，20为包铁，21为固定支架的圆片。
具体实施例方式实施例1
4下面结合附图对本发明提供的四个工作边无铁芯发电机的具体结构及特点说明如
下
1.本发明提供的四个工作边无铁芯新型发电机的主要特点为无铁芯，发电机工作时 只有线圈转动；线圈的4个边包括两个轴向边3和两个径向边2在转动过程中均切割磁力 线，成为工作边，详见图1，径向磁场分布见图9。无铁芯的新型发电机工作时，放置于线圈 内部的不导磁轴承9保证线圈的正常转动。不导磁轴承指采用陶瓷轴承或内外圈采用不导 磁材料，滚珠采用陶瓷或玻璃的特制轴承。2.基于四个工作边的新型发电机磁场设计，不导磁轴承9、位于中间层的永久磁铁 10、单一磁极磁铁5 (见图8)、内套8和外套11 (材料尼龙、铝或其它不导磁材料)构成一个 组合部件，见图2-1和图2-2，该组合部件用于绕制线圈，其中永久磁铁10和中间的导磁材 料块交替布置，在导磁材料块中形成单一磁极，这种具有单一磁极的导磁材料块以下称为 单一磁极磁铁5。位于中间层的永久磁铁和单一磁极磁铁在两端的外径开有环向的凹槽，见说明书 附图2-1，用于与不导磁轴承9的连接。具体方法是，首先将不导磁轴承装入中间层的永久 磁铁和单一磁极磁铁的环形凹槽中，再用内套8和外套11将2个不导磁轴承9、单一磁极磁 铁5和中间层的永久磁铁10连接在一起组成一个部件。3.侧向磁铁的放置方法，在单一磁极磁铁5的轴向对应位置上放置侧向永久磁铁 1，见图3。侧向永久磁铁的固定方法是，用一个具有一定厚度的导磁圆片14固定侧向永久 磁铁1，导磁圆片也起形成循环磁场的作用，圆片14通过连接套12和连接套13与轴7固 定，装配时，先将连接套12装在轴上，再将连接套13装在连接套12上，线圈转动时，连接套 12和连接套13、侧向永久磁铁1和圆片14固定不动。4.外层永久磁铁6用一支架19固定，支架用两个圆片21固定在轴7上，见图7 。在支架上按照外层磁铁的大小开槽，将外层永久磁铁6嵌入支架19中，支架材料为尼龙 或铝合金，见图7。通过控制固定支架开槽的尺寸，控制外层磁铁和单一磁极磁铁的径向距 离。支架外为包铁20，见图6。5.线圈的绕制方法是，在已经固定的不导磁轴承9、中间层的单一磁极磁铁5和 永久磁铁10的部件上绕制线圈，图2-2。线圈的导线从内套8穿入，再绕过外套11进行绕 制，见图4。线圈转动时不导磁轴承外圈旋转，内圈不动。线圈与线圈之间在环向留出一定 的间隙，用于放置驱动线圈转动的连接杆15，见图5。6.线圈转动方法是，通过牙型连接器16和放置在线圈间隙中间不导磁材料的连 接杆15实现，连接杆也起线圈的冷却作用，见图5。具体是，连接杆15的两端穿入两端牙型 连接器16的槽中，保证牙型连接器转动时带动线圈转动。牙形连接器的材料采用铝合金， 内孔与传动轴承17紧密配合，轴承的内圈安装在连接套12上固定不动，轴承的外圈随牙型 连接器转动。7.连接杆尺寸设计原则包括1)保证线圈传动的强度需要，2)保证线圈的散热需要。8.线圈的传动方法是，驱动轮18与一个牙型连接器16的外侧固定。工作时，驱 动轮带动牙型连接器转动，通过连接杆带动线圈转动，见图6-1和6-2。驱动轮可以是齿轮、 链轮或皮带轮。在外套19的一端开有一个环向的槽，用于穿入传动皮带、链条或用于齿轮啮合。 根据本发明四个工作边无铁芯发电机的上述设计内容，已经成功制作了四个工作 边无铁芯发电机实物。将发电机放置在专用的脚踏式机架上，发电实验证实，通过人力驱动 可以正常发电，效率高于两个工作边的发电机。
权利要求
1.一种四个工作边无铁芯发电机，其特征在于，该发电机的核心部件为用单一磁极磁 铁、永久磁铁和不导磁轴承及内套外套组成的部件，绕制在该部件上的线圈与内层磁铁、外 层磁铁和侧向磁铁的组合，可以实现发电机四个边同时切割磁力线和无铁芯功能，所述的 单一磁极磁铁是在磁极沿环向的中间层的永久磁铁的两N极或两S极同级之间放置导磁材 料块，在导磁材料块内形成单一磁极；位于中间层的永久磁铁和单一磁极磁铁外径的两端 开有两个环向的凹槽，凹槽内各嵌装有一个不导磁轴承；用不导磁轴承，中间层的永久磁铁 和单一磁极磁铁及内套外套组成一个部件；在单一磁极磁铁两端的轴向对应位置上放置侧向永久磁铁，侧向永久磁铁用一个导磁 圆片固定，圆片也起形成循环磁场的作用，圆片通过连接套与轴固定；内层永久磁铁固定在 轴上，轴也起形成循环磁场的作用；线圈转动时，连接套、侧向永久磁铁和圆片、内层永久磁 铁和轴固定不动；线圈绕制在已经固定了不导磁轴承、中间层的单一磁极磁铁和永久磁铁组成的部件 上；线圈的导线从内套穿入，再绕过外套进行绕制；线圈转动时不导磁轴承外圈及外套旋 转，内圈不动；线圈与线圈之间在环向留有间隙，用于放置驱动线圈转动的连接杆；线圈绕 制完成以后将线圈套入固定有内层永久磁铁的轴上；线圈的定位与转动通过连接杆完成；连接杆镶在线圈的间隙中间，其作用包括传动和散热；连接杆的两端穿入两端的牙型 连接器的槽中，牙型连接器的内孔与轴承的外圈紧密配合，轴承的内圈安装在连接套上固 定不动，轴承的外圈随牙型连接器转动，连接套固定在轴上，通过牙型连接器和放置在线圈 间隙中的不导磁材料制成的连接杆驱动线圈转动；在绕制好线圈的外径外面安装外层永久磁铁，外层永久磁铁嵌入用不导磁材料制成的 支架中，支架通过两个圆片与轴固定；支架外为包铁，包铁也起形成循环磁场的作用；一侧 的牙型连接器在外侧与驱动轮固定。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于沿径向布置了三层磁铁，即用固定在轴 上的内层永久磁铁、固定在不导磁轴承上的中间层的单一磁极磁铁和固定在支架上的外层 永久磁铁形成径向的两层磁场，且两个径向磁场的磁极由内向外依次为S-N-S，或N-S-N， 保证线圈在绕轴线转动时两个轴向边切割磁力线；在轴向布置了三层磁铁，由两端固定在导磁圆片上的侧向永久磁铁和固定在不导磁轴 承上的中间层的单一磁极磁铁形成轴向的两个磁场，且两个轴向磁场的磁极由一侧向另一 侧依次为S-N-S，或N-S-N，保证线圈在绕轴线转动时两个径向边切割磁力线。
全文摘要
本发明提出了一种四个工作边无铁芯发电机的制造方法，包括不导磁轴承、中间磁铁与单一磁极磁铁的装配方法，侧向磁铁的固定方法，线圈的绕制方法和线圈的传动方法以及外层磁铁的固定方法等。不导磁轴承指采用不导磁材料制作的轴承。线圈绕在由不导磁轴承与中间层永久磁铁、单一磁极磁铁和内套外套组成的部件上，线圈与线圈之间留出一定间隙。侧向永久磁铁用一个导磁圆片固定，圆片与轴通过连接套固定。通过镶在线圈间隙中的连接杆和牙型连接器带动线圈转动，牙型连接器固定在驱动轮上，驱动轮为链轮，皮带轮或齿轮。外层永久磁铁固定方法是，在有一定厚度的尼龙支架上按照外层磁铁的大小开槽，将外层磁铁嵌入尼支架中。
文档编号H02K1/06GK102130518SQ20111007487
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者叶金铎, 席玉廷, 徐力, 李哲 申请人:天津理工大学