本发明涉及直驱式波浪发电技术领域，尤其涉及一种圆筒直线电机。
背景技术：
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。在现有技术中，直线电机的绕组以及永磁体通常分别设置在直线电机的初级或者次级上，并不是同时放在电机一侧；在直线电机运动过程中，次级会带动永磁体以及绕组进行往复运动，次级通常由导磁材料制成，在频繁往复运动状态下，次级会产生大量的热量，导致永磁体因温度过高而发生永磁体失磁现象的发生。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种圆筒直线电机。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种圆筒直线电机，其包括：初级结构、次级结构、多组第十三凸极结构、多个第三永磁体、多个第四永磁体、多个第一绕组以及多个第二绕组，所述初级结构以及所述次级结构均为圆筒状，所述初级结构环套在所述次级结构的外侧，所述次级结构与所述初级结构同轴设置，多个所述第四永磁体安装在所述次级结构的外壁上；所述第十三凸极结构的一端安装在所述初级结构的内壁上，多个所述第三永磁体、多个第一绕组以及多个第二绕组均安装在多个所述第十三凸极结构上；所述第十三凸极结构远离所述初级结构的一端设置有多个凸齿部，相邻两个所述凸齿部之间形成一个第一凹槽部，相邻两个所述第十三凸极结构之间形成一个第二凹槽部，所述第三永磁体搭接在所述第一凹槽部中，所述第三永磁体的一端端面与所述第十三凸极结构的另一端端面平齐，每个所述第一凹槽部中设置有一个所述第三永磁体，相邻两个所述第三永磁体之间设置有一个所述凸齿部；所述第一绕组盘绕在位于所述第十三凸极结构两侧的凸齿部侧壁上，所述第一绕组的中部套设有所述第十三凸极结构位于所述第三永磁体与所述初级结构之间的部分，所述第一绕组的中部套设有三个凸齿部以及两个第一凹槽部；所述第二绕组套设在相邻两个第十三凸极结构中、邻近设置的两个凸齿部上。
本发明的有益效果是：绕组都放在初级结构静止的一侧使得次级结构结构简单，成本降低，另外，次级结构放在海水里，不会对永磁体绕组产生腐蚀，维护方便，可靠性高。此外，在次级结构上同时设置有起到辅助作用的永磁体，进一步提高直线电机的磁场力。永磁体和绕组都放在初级结构静止的一侧使得次级结构结构简单，成本降低，另外，次级结构放在海水里，不会对永磁体绕组产生腐蚀，维护方便，可靠性高。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述初级结构包括：多个单相一单元初级部件，；所述单相一单元初级部件为空心圆环状，所述单相一单元初级部件的内环壁上设置有多组所述第十三凸极结构，多组所述第十三凸极结构在所述单相一单元初级部件内壁沿圆周方向上等间距设置。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过多个单相一单元初级部件拼接形成初级结构，一方面，增大初级结构对次级结构产生的排出力，提高直线电机的动力性能；使得直线电机可以根据实际需要调整次级结构的长度，从而扩大或者缩小直线电机的行程；另一方面，各单元电机之间解耦，定位力可以通过多单元电机的原因抵消，便于初级结构的维护以及组装。
进一步地，多个所述第三永磁体以及多个所述第四永磁体均沿径向充磁。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过将直线电机的磁场设置为径向磁场，使得磁力线方向和运动方向垂直，电负荷和磁负荷解耦，初级结构轴向方向可以做m个单元构成多单元电机，降低了径向磁通直线电机边端力。永磁体放在初级结构上，且永磁体径向充磁，提高了直线电机的推力密度，降低了次级结构的质量。
进一步地，所述第一凹槽部在初级结构轴向上的宽度与所述凸齿部在初级结构轴向方向上的宽度的比值范围为：0.8-1.2。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置特殊参数的凸齿部以及凹槽部，提高了反电势正弦度，使得每多单元电机之间解耦，定位力可以通过多单元电机的原因抵消。
进一步地，所述凸齿部由多个第九叠片在轴向方向上相互间隔且交错叠加而成；多个所述第九叠片均为硅钢片。
采用上述进一步方案的有益效果是：使得初级叠片结构制造加工简单，便于初级结构的安装，提高直线电机的生产效率。
进一步地，所述第十三凸极结构远离所述次级结构的一端为一体式结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过将次级结构的一端设置为一体式结构，使得永磁体不直接贯穿凸极结构，电机工作容错性强，运行可靠性高，力密度高。
进一步地，所述次级结构包括：多个第十四凸极结构，所述第十四凸极结构由多个第五叠片以及多个第六叠片在轴向方向上相互间隔且交错叠加而成，每个所述第五叠片以及每个所述第六叠片均为圆环形，每个所述第五叠片的周侧设置有两两对称的三对凸缘；多个所述第十四凸极结构在轴向方向上夹设有第三凹槽部，所述第四永磁体插接在所述第三凹槽部中。
采用上述进一步方案的有益效果是：凸缘相互交错形成次级结构的凸起结构，使得次级叠片结构制造加工简单，便于次级结构的安装，提高直线电机的生产效率，次级结构运行可靠性高、次级结构质量轻、动态响应性好，可以提高发电机的力能品质；与现有技术中的直线电机相比，次级结构上不具有绕组，次级结构上具有小部分的永磁体，使得本发明的圆筒直线电机质量轻，控制响应灵敏，便于容错运行以及控制。永磁体放在初级结构上，且永磁体径向充磁，提高了直线电机的推力密度，降低了次级结构的质量。
进一步地，所述次级结构极距与所述初级结构极距的比值范围为：0.9-1.8，所述次级齿宽与所述次级极距的比值范围为：0.3-0.7。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置次级结构极距与所述初级结构极距的参数，使得直线电机反电势正弦度高，每个单元电机之间解耦，定位力可以通过多单元电机的原因抵消。
进一步地，所述第三永磁体和第四永磁体由钕铁硼材料制成。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高永磁体的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之一；
图2为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之二；
图3为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之三；
图4为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之四；
图5为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之五；
图6为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之六；
图7为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之七；
图8为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之八；
图9为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之九；
图10为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十；
图11为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十一；
图12为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十二；
图13为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十三；
图14为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十四；
图15为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十五；
图16为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十六；
图17为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十七；
图18为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十八；
图19为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十九。
附图标号说明：
1‐初级结构；11‐第十三凸极结构；111‐凸齿部；112a‐第一凹槽部；112b‐第二凹槽部；12a‐第三永磁体；12b‐第四永磁体；13a‐第一绕组；13b‐第二绕组；14‐单相一单元初级部件；15‐第七叠片；16‐第八叠片；17‐第九叠片；2‐次级结构；21‐第十四凸极结构；25‐第三凹槽部；31‐第五叠片；32‐第六叠片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
需要说明的是，本发明实施例的圆筒直线电机可以但不限于应用在直驱式波浪发电技术领域，作为直驱式波浪发电用发电机，当然本领域技术人员应当能够很容易想到，本发明的圆筒直线电机还可以作为电动机应用在其他领域。
如图1至图19所示，图1为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之一；图2为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之二；图3为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之三；图4为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之四；图5为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之五；图6为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之六；图7为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之七；图8为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之八；图9为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之九；图10为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十；图11为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十一；图12为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十二；图13为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十三；图14为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十四；图15为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十五；图16为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十六；图17为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十七；图18为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十八；图19为本发明实施例提供的直线电机的示意性结构框图之十九。
实施例1
如图2所示，本发明提供了一种圆筒直线电机，该圆筒直线电机包括：初级结构1、次级结构2、多组第十三凸极结构11、多个第三永磁体12a、多个第四永磁体12b、多个第一绕组13a以及多个第二绕组13b，所述初级结构1以及所述次级结构2均为圆筒状，所述初级结构1环套在所述次级结构2的外侧，所述次级结构2与所述初级结构1同轴设置，多个所述第四永磁体12b安装在所述次级结构2的外壁上；所述第十三凸极结构11的一端安装在所述初级结构1的内壁上，多个所述第三永磁体12a、多个第一绕组13a以及多个第二绕组13b均安装在多个所述第十三凸极结构11上；所述第十三凸极结构11远离所述初级结构1的一端设置有多个凸齿部111，相邻两个所述凸齿部之间形成一个第一凹槽部112a，相邻两个所述第十三凸极结构11之间形成一个第二凹槽部112b，所述第三永磁体12a搭接在所述第一凹槽部112a中，所述第三永磁体12a的一端端面与所述第十三凸极结构11的另一端端面平齐，每个所述第一凹槽部112a中设置有一个所述第三永磁体12a，相邻两个所述第三永磁体12a之间设置有一个所述凸齿部111；所述第一绕组13a盘绕在位于所述第十三凸极结构11两侧的凸齿部侧壁上，所述第一绕组13a的中部套设有所述第十三凸极结构11位于所述第三永磁体12a与所述初级结构1之间的部分，所述第一绕组13a的中部套设有三个凸齿部111以及两个第一凹槽部112a；所述第二绕组套设在相邻两个第十三凸极结构中、邻近设置的两个凸齿部上。
其中，本发明优选地选用了三个单相一单元初级部件，优选地选用了十八个第十三凸极结构11，十八个第十三凸极结构11每六个一组分别安装在三个单相一单元初级部件上；优选地选用了36个第三永磁体12a。
在实际应用中，不限于每个单相一单元初级部件的内壁上设置6个第十三凸极结构11，第十三凸极结构11的数量可以为6的倍数，例如，第十三凸极结构11的数量可以为6或者18等。能够抵消干扰次级运动的法向力。
上述结构中，直线电机可以由初极结构1以及次极结构2组成。其中，初极结构1和次极结构2同圆心。在实际应用过程中，初极结构1保持静止，仅次极结构2沿轴向作往复运动。初极结构1和次极结构2的铁芯均由硅钢片沿轴向叠制组合而成。
上述结构中，第十三凸极结构11可以为直线电机的铁芯，凸齿部111可以为直线电机铁芯的齿，第一凹槽部112a和第二凹槽部112b可以为直线电机铁芯的槽。直线电机的初极结构1与次极结构2并不完全接触，两者之间存在气隙，各部分初极结构1的凸极与次极结构2的凸极距离相等，气隙厚度也相同。具体地，初级结构1为中空腔体，可以在次级结构2的两端分别设置两个独立的轴承支座，轴承支座将次级结构悬架在初级结构1的中空腔体中，用于防止直线电机在运动过程中因摩擦产生阻力以及发热，以使直线电机可以正常工作。
图11为初极的凸极结构，由凸齿部111、第三永磁体12a、第四永磁体12b、第一凹槽部112a以及第二凹槽部112b构成。各第十三凸极结构11之间的槽内有电枢绕组，且各第十三凸极结构11之间的绕组的组数和电机相数一致。同时凸齿部顶部有虚齿，在相邻凸极的相邻虚槽内有与虚槽高度与宽度相匹配的绕组，这里的虚槽即为凹槽部，虚槽内的绕组的组数为电机相数减一，虚槽内放置的电枢绕组与凸极槽内的电枢绕组相互串联。在虚齿顶部还有与虛齿宽度相同的永磁体，永磁体不仅可以起到塞住虚槽口挡住电枢绕组作用，还可以对气隙磁场产生较大作用。永磁体具体的充磁方向示意图如图11所示。在凸极的最外侧的齿外面缠绕绕组，每一列沿轴向的凸极上缠绕的绕组电流方向一致，但是上部绕组与中、下部的绕组中电流方向相反，具体电流流向如图15。
如图15所示，图中的箭头代表绕组中电流的流动方向；图5中上部的第十三凸极结构11的绕组对应图15中的upper(高)，图5中中部的第十三凸极结构11的绕组对应图15中的middle(中)，图5中下部的第十三凸极结构11的绕组对应图15中的lower(低)。上部的第十三凸极结构11的绕组upper(高)的电流流动方向与中部的第十三凸极结构11的绕组middle(中)的电流流动方向以及下部的第十三凸极结构11的绕组的lower(低)的电流流动方向相反。
绕组都放在初级结构静止的一侧使得次级结构结构简单，成本降低，另外，次级结构放在海水里，不会对永磁体绕组产生腐蚀，维护方便，可靠性高。此外，在次级结构上同时设置有起到辅助作用的永磁体，进一步提高直线电机的磁场力。永磁体和绕组都放在初级结构静止的一侧使得次级结构结构简单，成本降低，另外，次级结构放在海水里，不会对永磁体绕组产生腐蚀，维护方便，可靠性高。能够抵消干扰次级运动的法向力。
实施例2
如图2和图8所示，在实施例1的基础上，本实施例的所述初级结构2包括：多个单相一单元初级部件14；其中，不导磁材料对各个单元的初级部件起到隔磁以及固定连接的作用。所述单相一单元初级部件14为空心圆环状，所述单相一单元初级部件14的内环壁上设置有多组所述第十三凸极结构11，多组所述第十三凸极结构11在所述单相一单元初级部件14内壁沿圆周方向上等间距设置。
在实际生产应用的过程中，该电机可根据需求改变电机的单元数，，故可以设实际电机的单元数为m，电机单相两单元对称结构的剖面示意图如图4所示，电机的初极剖面图如图5所示，由图可见该电机的单相初极部件的主体是一块空心圆柱的硅钢块，在实际生产过程中，单相初级部件通常由多个空心圆环形的板状结构相互叠加而成，需要说明的是，多个空心圆环形的板状结构可以为硅钢片，以使单相一单元初级部件可以导磁，从而为直线电机提供磁通路径。圆柱内壁为六组第一凸极结构11。图中所示剖面显示的为三组第十三凸极结构11，另外三组与其按照剖面对称。且初极结构由如图6至图8所示的两种硅钢片叠压而成。三组初极模块组成圆筒直线电机的三单元结构，单相三单元结构示意图如图9所示。此外，如图10所示，还可以组合成为单相四单元相结构。
通过将直线电机的第一绕组13a以及第三永磁体12a设置在保持静止的初级结构1上，防止因次级结构2运动造成温度过高而导致永磁体失磁现象的出现。永磁体和绕组都放在初级结构静止的一侧使得次级结构结构简单，成本降低，另外，次级结构放在海水里，不会对永磁体绕组产生腐蚀，维护方便，可靠性高。
和传统的横向磁通直线电机相比，本发明的第三永磁体12a放在初级结构1一侧，且径向充磁，提高了电机的推力密度，减轻了次级结构2的质量，并且加工制造简单。和传统圆筒型直线电机相比，本发明的磁场是径向磁场，磁力线方向和运动方向垂直，电负荷和磁负荷解耦，轴向方向可以做m个单元构成多单元电机，便于容错运行和控制。
通过多个单相一单元初级部件拼接形成初级结构，一方面，增大初级结构对次级结构产生的排出力，提高直线电机的动力性能；使得直线电机可以根据实际需要调整次级结构的长度，从而扩大或者缩小直线电机的行程；另一方面，每单元电机之间解耦，定位力可以通过多单元电机的原因抵消，便于初级结构的维护以及组装。
实施例3
如图12至图14所示，在实施例1的基础上，本实施例的多个所述第三永磁体12a以及多个所述第四永磁体12b均沿径向充磁。
为使得气隙中的磁密接近正弦波，各个第三永磁体12a以及各个第四永磁体12b的充磁方向不完全相同，但都沿径向充磁，各个第三永磁体12a以及各个第四永磁体12b的充磁方向示意图如图12所示，图中最左侧的第三永磁体12a的下侧可以为n级，图中最左侧的第三永磁体12a的上侧可以为s级，其余第三永磁体12a同理设置；图中最左侧的第四永磁体12b的下侧可以为n级，图中最左侧的第四永磁体12b的上侧可以为s级，其余第四永磁体12b同理设置。
通过将直线电机的磁场设置为径向磁场，使得磁力线方向和运动方向垂直，电负荷和磁负荷解耦，初级结构轴向方向可以做m个单元构成多单元电机，优选地，m的取值为6的倍数，这样的结构设计可以抵消干扰次级运动的法向力，降低了径向磁通直线电机边端力。永磁体放在初级结构上，且永磁体径向充磁，提高了直线电机的推力密度，降低了次级结构的质量。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例的所述第一凹槽部112a在初级结构轴向上的宽度与所述凸齿部111在初级结构轴向方向上的宽度的比值范围为：0.8-1.2。
其中，凸齿部111的宽度可以为4毫米。
通过设置特殊参数的凸齿部以及凹槽部，提高了反电势正弦度，使得每单元电机之间解耦，定位力可以通过多单元电机的原因抵消。
实施例5
如图6至图8所示，在实施例1的基础上，本实施例的所述凸齿部111由多个第九叠片17在轴向方向上相互间隔且交错叠加而成；多个所述第九叠片17均为硅钢片。
上述结构中，所述第二凹槽部112b由多个第七叠片15在轴向方向上相互叠加而成；所述第一凹槽部112a由多个第八叠片16在轴向方向上相互叠加而成；所述凸齿部111由多个第九叠片17在轴向方向上相互叠加而成；多个所述第七叠片15、多个所述第八叠片16以及多个所述第九叠片17均为硅钢片。
使得初级叠片结构制造加工简单，便于初级结构的安装，提高直线电机的生产效率。
实施例6
如图9所示，在实施例1至实施例5任一实施例的基础上，本实施例的所述第十三凸极结构11远离所述次级结构2的一端为一体式结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过将次级结构的一端设置为一体式结构，使得永磁体不直接贯穿凸极结构，电机工作容错性强，运行可靠性高，力密度高。
实施例7
如图16至图18所示，在实施例1至实施例5任一实施例的基础上，本实施例的所述次级结构包括：多个第十四凸极结构21，所述第十四凸极结构21由多个第五叠片31以及多个第六叠片32在轴向方向上相互间隔且交错叠加而成，每个所述第五叠片31以及每个所述第六叠片32均为圆环形，每个所述第五叠片31的周侧设置有两两对称的三对凸缘；多个所述第十四凸极结构21在轴向方向上夹设有第三凹槽部25，所述第四永磁体12b插接在所述第三凹槽部25中。
对于上述叠片的叠加方式可以为：十个第五叠片依次叠加且连接作为第一组叠片以及十个第六叠片依次叠加且连接作为第二组叠片，在第一组叠片的轴向方向上看去，第一组叠片中的周侧边相互重合；在第二组叠片的轴向方向上看去，第二组叠片中的凸缘相互重合；将第一组叠片以及第二组叠片依次叠加连接，在轴向方向上看去，第一组叠片和第二组叠片形成的组合的周侧具有六个等间距设置的凸缘。
其中，第十四凸极结构21的数量与第十三凸极结构11的数量可以相同。第十四凸极结构21由叠片相互叠加而成，次极结构2上面没有电枢绕组，次极结构为空心圆筒型形状，与初极结构的6个第十三凸极结构11相对应的，次级结构2上设置有六组次极齿，次极结构2只有简单的齿与轭组成。次极极距可根据不同的应用场景，设置为次级极距为初级极距的0.9-1.8倍，而次级齿宽为次级极距的0.3-0.7倍。
需要说明的是，在次级结构2的两端沿着次级结构2的轴向看去，所述次级齿在次级结构2圆周方向上的数量可以为6的倍数，例如，6个次级齿或者18个次级齿。能够抵消干扰次级运动的法向力。相应的，单相一单元初级部件14圆周方向上的第十三凸极结构11的数量与次级齿的数量相同。即，在次级结构2的两端沿着次级结构2的轴向看去，所述次级齿在次级结构2圆周方向上的数量为6时，相应的，单相一单元初级部件14圆周方向上的第十三凸极结构11的数量可以为6。
上述凸缘相互交错形成次级结构的凸起结构，使得次级叠片结构制造加工简单，便于次级结构的安装，提高直线电机的生产效率，次级结构运行可靠性高、次级结构质量轻、动态响应性好，可以提高发电机的力能品质；与现有技术中的直线电机相比，次级结构上不具有绕组，次级结构上具有小部分的永磁体，使得本发明的圆筒直线电机质量轻，控制响应灵敏，便于容错运行以及控制。永磁体放在初级结构上，且永磁体径向充磁，提高了直线电机的推力密度，降低了次级结构的质量。
实施例8
在实施例1至实施例5任一实施例的基础上，本实施例的所述次级结构极距与所述初级结构极距的比值范围为：0.9-1.8，所述次级齿宽与所述次级极距的比值范围为：0.3-0.7。
过设置次级结构极距与所述初级结构极距的参数，使得直线电机反电势正弦度高，每单元电机之间解耦，定位力可以通过多单元电机的原因抵消。
实施例9
在实施例1至实施例5任一实施例的基础上，本实施例的所述第三永磁体12a和第四永磁体12b可以由钕铁硼材料制成。
提高永磁体的可靠性。
实施例10
在实施例1至实施例9任一实施例的基础上，本实施例对本发明的圆筒直线电机的磁回路进行详细说明。
图19为该电机单相两单元剖面磁回路示意图，以此示意图为例，其余各单相单元及对称部分均与此图所示的结构相同。图中的虚线代表磁通的路径。磁力线从初级结构上部和下部凸极虚槽的永磁体n极。进入初级结构的轭部，之后通过初级铁心进入中间的凸极、后到达中部虚槽的永磁体s极，然后从中部虚槽内的永磁体n极进入气隙，通过气隙进入次级到达次级的永磁体s极，再从次级的永磁体n极分别向定子上、下部分发出磁力线到初级上下槽里的永磁体s极，构成电机的完整磁力线图。该电机的永磁体放在保持静止的初极铁心上，有效避免因次极结构2的运动造成次级结构2温度过高而导致永磁体失磁现象的出现。永磁体和绕组都放在初级结构静止的一侧使得次级结构结构简单，成本降低，另外，次级结构放在海水里，不会对永磁体绕组产生腐蚀，维护方便，可靠性高。能够抵消干扰次级运动的法向力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。