适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的制作方法

本发明涉及一种发电机，特别是涉及一种适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机。

背景技术：

发电机是目前已广泛使用的一种设备，然而，现有的发电机基本都需要工作在高速运行的状态才能达到其额定运行的状况，而只有在额定运动状态的附近才能达到较高的能量转换效率，这就限定了发电机在风能、海洋能等低速运行且能量不稳定的能源领域的使用。

在世界能源日益紧缺的今天，风能、海洋能等绿色可再生能源已成为人们不断开发利用的重要能源，因此设计一种适应低速且能在较宽速度范围内能高效运行的直线发电机显得尤为重要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决现有技术中发电机需要高速运行才能达到较高的能量转换效率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机，所述适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机包括定子及动子；

所述定子包括定子铁心、定子固定轴及定子绕组；所述定子铁心为环状，套置于所述定子固定轴的外围，且所述定子铁心外侧沿其周向设有多个定子槽；所述定子固定轴为中空结构，内部设有导线总通孔及相导线通孔，所述导线总通孔沿所述定子固定轴的轴向贯穿所述定子固定轴，所述相导线通孔贯穿所述定子固定轴的侧壁以实现与所述导线总通孔相连通；所述定子绕组沿所述定子铁心周向依次穿过所述定子槽，并经由所述相导线通孔及所述导线总通孔引出；

所述动子在外力的驱动下可沿所述定子固定轴的轴向做直线运动；所述动子包括动子铁心、第一永磁体、第二永磁体及第一非导磁材料结构；所述动子铁心及所述第一非导磁材料结构为环形，沿所述定子固定轴的轴向交替套置于所述定子及所述定子固定轴外围；所述动子铁心内沿其周向设有多个安装孔，所述第一永磁体及所述第二永磁体交替置于所述安装孔内，所述第一永磁体与所述第二永磁体的极性方向均沿所述动子铁心的周向且相对。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述定子还包括：第一定子间隔定位装置、第二定子间隔定位装置及定子支撑台；

所述定子铁心及装配于所述定子铁心中定子槽内的定子绕组构成定子的一相，所述定子包括多相；

所述第一定子间隔定位装置及所述第二定子间隔定位装置均套置于所述定子固定轴的外围，且分别位于所述定子的不同相之间，适于隔离定位所述定子的不同相，以得到不同相之间的电角度差；

所述定子支撑台套置于所述定子固定轴的外围，与所述定子固定轴为一体结构，适于支撑所述定子。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述定子还包括第一缓冲储能单元，所述第一缓冲储能单元位于所述定子支撑台远离所述定子的一侧，适于缓冲动子运行产生的压力。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述定子还包括缓冲垫圈，所述缓冲垫圈套置于所述定子固定轴的外围，且位于所述定子远离所述定子支撑台的一侧。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述缓冲垫圈内侧沿所述定子固定轴轴向方向上设有缓冲垫圈键槽，适于所述缓冲垫圈在所述定子固定轴上的装配定位。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述定子还包括第二缓冲储能单元，所述第二缓冲储能单元位于所述缓冲垫圈远离所述定子的一侧，适于缓冲动子运行产生的压力。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述第一定子间隔定位装置、所述第二定子间隔定位装置及所述缓冲垫圈内均设有与所述相导线通孔相对应的贯通孔。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述定子铁心内侧沿所述定子固定轴轴向方向上设有定子铁心键槽，适于所述定子铁心在所述定子固定轴上的装配定位。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述动子还包括外壳、端盖、第二非导磁材料结构及动子支架；

所述外壳位于所述动子铁心及所述第一非导磁材料结构的外围；

所述端盖位于所述外壳的两端；

所述第二非导磁材料结构为环形，套置于所述定子固定轴的外围，且位于所述动子铁心及所述第一非导磁材料结构组成的交替结构的两端；

所述动子支架位于所述第二非导磁材料结构的内侧，适于将所述动子装配于所述定子固定轴上。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述定子固定轴上设有导轨键，所述动子支架内侧设有导轨键槽，所述导轨键与所述导轨键槽对应设置，所述动子通过所述导轨键槽及所述导轨键装配于所述定子固定轴上。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选方案，所述导轨键与所述导轨键槽之间具有导轨间隙。

作为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的一种优选法方案，所述定子与所述动子之间设有气隙。

如上所述，本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机，具有以下有益效果：

1、定子铁心及装配于定子铁心中定子槽内的定子绕组构成定子的一相，这样既有利于模块化的实现，使得发电机的相数和各相之间的排列方式不受限制，同时增加了发电机的极数，这样就一方面可以根据欲转换能量的大小自由组合定子和动子，另一方面使得发电机在低速运行时也可以获得较高的输出电压；这种结构增加了发电机单相电枢线圈有效切割磁力线的导线长度，从而增加了发电机单相输出电压的幅度，增加发电机的低速输出能力。这样的结构最终都会有利于发电机能量转换效率的提高。

2、定子铁心及装配于定子铁心中定子槽内的定子绕组构成定子的一相，绕线简单，减小了加工成本。

3、两个动子铁心之间以绝磁材料填充，强迫主磁路由每个动子铁心内的永磁体发出，经动子铁心、气隙、定子铁心和电枢线圈匝链，这样其磁力线所在的平面垂直于发电机动子的运动方向，即为“横向”磁场电机，具有较高的能量转换密度；定子铁心和动子铁心采用硅钢片叠置而成，同时动子采用聚磁式结构，使得发电机具有良好的导磁和抑制铁损的能力，同时能够获得高的气隙磁通密度。

4、动子部分通过动子支架上的导轨键槽与定子固定轴上的导轨键装配在一起，导轨键槽和导轨键之间有导轨间隙，在导轨间隙中填充润滑油，由于动子上沿圆周方面均匀的装有第一永磁体及第二永磁体，所以动子和定子之间沿圆周方向具有均匀分布的径向吸力，从而使动子和定子固定轴之间达到一个磁悬浮的效应，这样就极大的减小了动子沿定子固定轴轴向移动时二者之间的摩擦力，减小能量损耗，提高发电机效率。

附图说明

图1显示为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的结构示意图。

图2显示为图1沿AA’方向的截面结构示意图。

图3显示为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机中动子铁心与第一非导磁材料结构交替叠置的结构示意图。

图4显示为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机中定子铁心与定子绕组构成的定子的一相的结构示意图。

图5显示为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机中定子固定轴的结构示意图。

图6显示为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机中缓冲垫圈的结构示意图。

图7显示为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的俯视结构示意图。

图8显示为图7中A区域的放大示意图。

图9显示为图7中B区域的放大示意图。

元件标号说明

10 定子铁心

101 定子槽

102 定子铁心键槽

11 定子固定轴

111 导线总通孔

112 相导线通孔

113 导轨键

12 定子绕组

131 第一定子间隔定位装置

132 第二定子间隔定位装置

14 定子支撑台

15 第一缓冲储能单元

16 缓冲垫圈

161 缓冲垫圈键槽

162 贯通孔

17 第二缓冲储能单元

20 动子铁心

211 第一永磁体

212 第二永磁体

22 第一非导磁材料结构

23 外壳

24 端盖

25 第二非导磁材料结构

26 动子支架

261 导轨键槽

27 导轨间隙

28 气隙

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1至图4，本发明提供一种适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机，所述适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机包括定子及动子；

所述定子包括定子铁心10、定子固定轴11及定子绕组12；所述定子铁心10为环状，套置于所述定子固定轴11的外围，且所述定子铁心10外侧沿其周向设有多个定子槽101；所述定子固定轴11为中空结构，内部设有导线总通孔111及相导线通孔112，所述导线总通孔111沿所述定子固定轴11的轴向贯穿所述定子固定轴11，所述相导线通孔112贯穿所述定子固定轴11的侧壁以实现与所述导线总通孔111相连通；所述定子绕组12沿所述定子铁心10周向依次穿过所述定子槽101，并经由所述相导线通孔112及所述导线总通孔111引出；

所述动子在外力的驱动下可沿所述定子固定轴11的轴向做直线运动；所述动子包括动子铁心20、第一永磁体211、第二永磁体212及第一非导磁材料结构22；所述动子铁心20及所述第一非导磁材料结构22为环形，沿所述定子固定轴11的轴向交替套置于所述定子及所述定子固定轴11外围；所述动子铁心20内沿其周向设有多个安装孔，所述第一永磁体211及所述第二永磁体212交替置于所述安装孔内，所述第一永磁体211与所述第二永磁体212的极性方向均沿所述动子铁心20的周向(即圆周方向)且相对。

作为示例，所述定子固定轴11的形状可以为圆柱形；所述定子铁心10的形状可以为圆环形；所述定子槽101的形状需要与所述定子绕组12的截面形状相匹配，以确保所述定子绕组12可以装配在所述定子槽101内，所述定子槽101可以为圆形孔、方形孔、或梨形孔等，优选地，所述定子槽101为梨形孔。所述定子槽101采用梨形孔可以增加其面积利用率，增大了所述定子绕组12的放置空间，提高了发电机电流输出能力，降低了铜耗。

作为示例，所述定子铁心10及装配于所述定子铁心10中定子槽101内的所述定子绕组12构成所述定子的一相，具体结构如图4所示。所述定子铁心10及装配于所述定子铁心10中定子槽101内的所述定子绕组12构成所述定子的一相，这样既有利于模块化的实现，使得发电机的相数和各相之间的排列方式不受限制，又使得绕线简单，减小了加工成本。

作为示例，所述定子包括多个如图4所示的相，且所述定子还包括：第一定子间隔定位装置131、第二定子间隔定位装置132及定子支撑台14；请结合图2参阅图5，所述第一定子间隔定位装置131及所述第二定子间隔定位装置132均套置于所述定子固定轴11的外围，且分别位于所述定子的不同相之间，适于隔离定位所述定子的不同相，以得到不同相之间的电角度差；所述定子支撑台14套置于所述定子固定轴11的外围，与所述定子固定轴11为一体结构，适于支撑所述定子。所述第一定子间隔定位装置131及所述第二定子间隔定位装置132及所述定子支撑台14的形状可以为圆环形。

作为示例，所述第一定子间隔定位装置131与所述第二定子间隔定位装置132均为非导磁材料结构，所述第一定子间隔定位装置131与所述第二定子间隔定位装置132的厚度相同，高度不同。将所述第一定子间隔定位装置131与所述第二定子间隔定位装置132的高度设置为不同，是为了使得不同相的定子之间间隔不同，使得空间位置和三相或多相电时间位置配合，以三相电为例，空间相差120°，对应电角度相差120°。

作为示例，所述定子每一相的所述定子绕组12均通过所述相导线通孔112进入所述导线总通孔111，然后接出所述发电机以输出电能。

作为示例，所述定子还包括第一缓冲储能单元15，所述第一缓冲储能单元15位于所述定子支撑台14远离所述定子的一侧，适于缓冲动子运行产生的压力。所述第一缓冲储能单元15的数量可以根据实际需要进行设定，图5中以所述第一缓冲储能单元15的数量为三个作为示例，但并不以此为限，三个所述第一缓冲储能单元15沿所述定子支撑台14的周向均匀分布。

作为示例，请参阅图6，所述定子还包括缓冲垫圈16，所述缓冲垫圈16套置于所述定子固定轴11的外围，且位于所述定子远离所述定子支撑台14的一侧。所述缓冲垫圈16的形状可以为圆环形。

作为示例，为了便于所述缓冲垫圈16在所述定子固定轴11上的装配定位，所述缓冲垫圈16内侧沿所述定子固定轴11的轴向方向上设有缓冲垫圈键槽161，所述缓冲垫圈键槽161的数量可以根据实际需要进行限定，图6中以所述缓冲垫圈键槽161的数量为三个作为示例，但并不以此为限，三个所述缓冲垫圈键槽161沿所述缓冲垫圈16的周向均匀排布。

作为示例，所述定子还包括第二缓冲储能单元17，所述第二缓冲储能单元17位于所述缓冲垫圈16远离所述定子的一侧，适于缓冲动子运行产生的压力。所述第二缓冲储能单元17的数量可以根据实际需要进行设定，图6中以所述第二缓冲储能单元17的数量为三个作为示例，但并不以此为限，三个所述第二缓冲储能单元17沿所述缓冲垫圈16的周向均匀分布。

作为示例，所述第一定子间隔定位装置131、所述第二定子间隔定位装置132及所述缓冲垫圈16内均设有与所述相导线通孔112相对应连通的贯通孔162，以确保所述定子绕组12可以经由所述相导线通孔112及所述导线总通孔111引出。

作为示例，请继续参阅图4，为了便于所述定子铁心10与所述定子固定轴11的装配定位，所述定子铁心10内侧沿所述定子固定轴11的轴向方向上设有定子铁心键槽102，所述定子铁心键槽102的数量可以根据实际需要进行限定，图4中以所述定子铁心键槽102的数量为三个作为示例，但并不以此为限，三个所述定子铁心键槽102沿所述定子铁心10的周向均匀排布。

作为示例，所述动子铁心20及所述第一非导磁材料结构22的形状均可以为于圆环形，所述第一永磁体211及所述第二永磁体212的形状可以为长方形。所述第一永磁体211及所述第二永磁体212安装时极化方向不同，二者极化方向相对，使得相邻的所述动子铁心20部分形成交互的N极、S极。

作为示例，内部镶嵌有所述所述第一永磁体211及所述第二永磁体212的所述动子铁心20与所述第一非导磁材料结构22沿所述定子固定轴11的轴向交替排布，位于所述第一非导磁材料结构22两侧的所述动子铁心20的N极、S极交替排布。

作为示例，请继续参阅图1，所述动子还包括外壳23、端盖24、第二非导磁材料结构25及动子支架26；所述外壳23位于所述动子铁心20及所述第一非导磁材料结构22的外围；所述端盖24位于所述外壳23的两端；所述第二非导磁材料结构25为环形，套置于所述定子固定轴11的外围，且位于所述动子铁心20及所述第一非导磁材料结构22组成的交替结构的两端，用于所述动子两端的固定；所述动子支架26位于所述第二非导磁材料结构25的内侧，适于将所述动子装配于所述定子固定轴11上。需要说明的是，位于所述动子铁心20及所述第一非导磁材料结构22组成的交替结构的两端的所述第二非导磁材料结构25具有不同的高度。

作为示例，如图7及图8所示，所述定子与所述动子之间设有气隙28，所述气隙28即为所述定子与所述动子之间的缝隙，所述定子固定轴11上设有导轨键113，所述动子支架26内侧设有导轨键槽261，所述导轨键113与所述导轨键槽261对应设置，所述动子通过所述导轨键槽261及所述导轨键113装配于所述定子固定轴11上。

需要说明的是，图7为本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的俯视结构示意图，为了便于说明本发明的适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机的内部结构，图7中所述端盖24并未示出。

作为示例，如图7及图9所示，所述导轨键113与所述导轨键槽261之间具有导轨间隙27，所述导轨间隙27的宽度小于所述气隙28的宽度，所述导轨间隙27中可以填充润滑油。由于所述动子上的所述第一永磁体211及所述第二永磁体212沿所述动子铁心20的周向均匀分布，而定子整体也是沿周向均匀分布，所以二者之间的径向吸力沿圆周均匀分布，从而可以使所述动子与所述定子固定轴11之间达到一个磁悬浮的效应，这样就极大的减小了所述动子沿所述定子固定轴11轴向移动时二者之间的摩擦力，减小能量损耗，提高发电机效率。

所述动子在外力的驱动下可沿所述定子固定轴11的轴向做直线运动，即发电时，所述动子在外部机械设备的带动下整体沿所述定子固定轴11的轴向做直线运动，其磁场会穿过所述定子铁心10，穿过所述定子铁心10的磁场因为所述动子的运动而发生变化，从而在所述定子绕组12中产生感应电动势，达到发电的目的。

综上所述，本发明提供一种适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机，所述适应低速范围内变速运行的横向磁场直线发电机包括定子及动子；所述定子包括定子铁心、定子固定轴及定子绕组；所述定子铁心为环状，套置于所述定子固定轴的外围，且所述定子铁心外侧沿其周向设有多个定子槽；所述定子固定轴为中空结构，内部设有导线总通孔及相导线通孔，所述导线总通孔沿所述定子固定轴的轴向贯穿所述定子固定轴，所述相导线通孔贯穿所述定子固定轴的侧壁以实现与所述导线总通孔相连通；所述定子绕组沿所述定子铁心周向依次穿过所述定子槽，并经由所述相导线通孔及所述导线总通孔引出；所述动子在外力的驱动下可沿所述定子固定轴的轴向做直线运动；所述动子包括动子铁心、第一永磁体、第二永磁体及第一非导磁材料结构；所述动子铁心及所述第一非导磁材料结构为环形，沿所述定子固定轴的轴向交替套置于所述定子及所述定子固定轴外围；所述动子铁心内沿其周向设有多个安装孔，所述第一永磁体及所述第二永磁体交替置于所述安装孔内，所述第一永磁体与所述第二永磁体的极性方向均沿所述动子铁心的周向且相对。定子铁心及装配于定子铁心中定子槽内的定子绕组构成定子的一相，这样既有利于模块化的实现，使得发电机的相数和各相之间的排列方式不受限制，同时增加了发电机的极数，这样就一方面可以根据欲转换能量的大小自由组合定子和动子，另一方面使得发电机在低速运行时也可以获得较高的输出电压；这种结构增加了发电机单相电枢线圈有效切割磁力线的导线长度，从而增加了发电机单相输出电压的幅度，增加发电机的低速输出能力，这样的结构最终都会有利于发电机能量转换效率的提高；定子铁心及装配于定子铁心中定子槽内的定子绕组构成定子的一相，绕线简单，减小了加工成本；两个动子铁心之间以绝磁材料填充，强迫主磁路由每个动子铁心内的永磁体发出，经动子铁心、气隙、定子铁心和电枢线圈匝链，这样其磁力线所在的平面垂直于发电机动子的运动方向，即为“横向”磁场电机，具有较高的能量转换密度；定子铁心和动子铁心采用硅钢片叠置而成，同时动子采用聚磁式结构，使得发电机具有良好的导磁和抑制铁损的能力，同时能够获得高的气隙磁通密度；动子部分通过动子支架上的导轨键槽与定子固定轴上的导轨键装配在一起，导轨键槽和导轨键之间有导轨间隙，在导轨间隙中填充润滑油，由于动子上沿圆周方面均匀的装有第一永磁体及第二永磁体，所以动子和定子之间沿圆周方向具有均匀分布的径向吸力，从而使动子和定子固定轴之间达到一个磁悬浮的效应，这样就极大的减小了动子沿定子固定轴轴向移动时二者之间的摩擦力，减小能量损耗，提高发电机效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。