一种平板式横向磁通永磁同步直线发电机的制作方法

本发明涉及一种直线发电机，具体涉及一种横向磁通永磁同步直线发电机。

背景技术：

在波浪能发电系统，提取波浪能直线运动的能量有两种方法，其一，利用机械传动装置将直线运动转换为旋转运动，如连接气动系统、液压系统或齿轮箱等，但其中间环节复杂，降低了系统的可靠性和转换效率。其二，利用直线发电机。该方法不需要任何中间机构，这种方式结构简单，提高了系统的效率和可靠性。但是直线发电机系统的功率密度一般而言小于旋转电机系统。

为了提高永磁直线电机的功率密度，有学者提出了一种横向磁通拓扑结构，该结构电机的磁通方向所在平面与电机运动方向垂直，在设计上，该结构电机线负荷与气隙磁密之间相互独立，从而使得高功率密度电机的设计变得相对容易一些，但是其缺陷在与横向磁通结构初级铁心结构复杂，且漏磁较大。此后，日本东京大学有学者在文献中提出了一种采用旋转电机定子结构作为初级的横向磁通永磁直线电机，在该结构中，大大简化练电机初级铁心结构并可采用硅钢片叠压的方式加工初级铁心，从而减小练电机铁心漏磁。我国哈尔滨工业大学有学者在文献中提出一种双向交链横向磁通永磁直线同步发电机结构，该结构在上述东京大学电机结构上进一步改进，通过双向交链的方式进一步提升初级空间里利用率，充分利用次级磁钢，从而提高电机空载电势。

但是，这些结构的横向磁通永磁直线电机在纵向空间利用率、齿槽力等方面仍然存在改进空间。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有横向磁通永磁直线发电机空间利用率低，齿槽力大等缺点，提出一种平板式横向磁通永磁同步直线发电机。

本发明采用错相式设计，具有较高的空间利用率与功率密度，同时从气隙看初级为闭口，有助于减小齿槽力；初级铁心采用硅钢片堆叠，有效减小初级涡流损耗。本发明可用于点吸收直驱式波浪能发电系统。

本发明直线发电机包括平板式横向磁通初级铁心、平板式横向磁通次级铁心、次级磁钢及跑道形绕组。现定义电机运动方向为z轴方向，垂直z轴方向平面为xy平面。次级磁钢采用表贴方式沿z轴方向等间距平铺排列于平板式横向磁通次级铁心表面，平板式横向磁通初级与次级磁钢平行相对安装，平板式横向磁通初级齿极极靴与次级磁钢间存在气隙。跑道形绕组绕于平板式横向磁通初级铁心的齿极极身。

本发明在不增加电机用料成本的情况下，不同位置的初级铁心形状不同，使每相绕组在xy平面上错开。每段初级定子铁芯由硅钢片叠压而成。在初级定子铁芯中，a相初级齿极保持极靴位置不变，极身整体左移，c相初级齿极保持极靴位置不变，极身整体右移，从而a相初级齿与b相铁心间错开一定空间作为线槽。a、b、c三相初级铁心在z轴方向上紧密排布。从气隙往初级方向看，初级没有槽口与间隙，为硅钢片紧密堆叠的平面。如此，三相初级铁心构成一个三相初级单元。将一个三相初级单元在纵向所占据的空间定义为360°，也即每相铁心横跨宽度为120°。多个三相初级单元紧密堆叠构成所述的平板式横向磁通初级。

本发明的横向磁通次级铁心为平板式铁心。磁钢安装方式为表贴式，等间距标贴于次级铁心上。纵向相邻的磁钢充磁方向相反，横向相邻的磁钢充磁方向相反，纵向相邻的磁钢间构成的磁路为漏磁磁路，由于初级铁心采用硅钢片叠压而成，该漏磁可以得到有效的控制，横向相邻的磁钢之间构成的磁路为主磁路。为了保证三相电机的对称性，纵向相邻的两块磁钢横跨一个三相初级单元，也即两块磁钢横跨宽度为360°，其极距为一个三相初级单元z轴长度的一半。由于波浪能特性，电机运动速度较慢，电机电频率较低，所以次级铁心采用电工纯铁制作，以消除由于硅钢片叠压带来的加工问题。磁钢在次级铁心上等距排布，构成本发明横向磁通次级。

本发明的跑道形绕组通过a、b、c三相铁心错开的孔隙绕入，与所有初级齿极极身交链。总体来看，本发明电机的初级较次级短，次级长度根据适配波浪能发电装置的功率与有效行程而定。

本发明直线发电机的初级有多个三相初级单元，由于三相初级单元间无间隙，所以多个三相初级单元叠压后整个初级铁心的z轴长度较传统横向磁通电机有优势。为了避免初级铁心中z轴漏磁过大，硅钢片叠压时应刷多层绝缘漆，从而控制硅钢片叠压系数在75％左右最佳。

本发明直线电机的次级有多对磁钢等距排布，由于纵向相邻的磁钢间隙较小，容易产生较大的气隙漏磁，为了改善该问题，磁钢间距控制在4倍气隙宽度左右最佳。

本发明中三相初级单元个数与绕组匝数需根据具体电机设计指标，计算磁链后确定。

通过不同的组装方式，本发明可以组装为单边型、双边型、四边型、多边型等。直线发电机次级磁钢排布除了匀间隔阵列也可采用halbach阵列等。将该结构电机安装密封或支撑作用的机壳后，可组成一台完整的直线发电机。将直线发电机与波浪能捕获装置连接后形成完整的波浪能发电系统。

本发明工作原理和工作过程如下：

横向磁通直线发电机的磁通通过n极磁钢，经由初级铁心沿横向平面流入横向相邻的s极磁钢中，随后经由次级铁心流入相邻n极磁钢，从而构成完整磁路。在气隙和初级铁心中磁通量表现为方波形式。a、b、c三相初级齿极在空间位置上依次相差120°，故其磁通变化规律也依次相差120°。绕组交链的磁链与每极磁通之间存在线性关系，所以绕组磁链也符合120°的相位差。当次级以一定速度运行时，三相绕组交链磁链的变化也符合120°的相角差，交变的磁链会产生三相对称的电压，从而产生电能。

本发明的有益效果为：本发明磁路简单，有助于提高电机整体可靠性；本发明对材料利用率更高，功率体积密度与功率质量密度均可有所改进；本发明可以达到更小的齿槽力；本发明可采用叠压硅钢片，从而减小铁耗和纵向漏磁。

附图说明

图1本发明横向磁通直线发电机结构示意图，图中：1a相初级铁心，2b相初级铁心，3c相初级铁心，4第一a相跑道形绕组、7第二a相跑道形绕组，5第一b相跑道形绕组、8第二b相跑道形绕组，6第一c相跑道形绕组、9第二c相跑道形绕组，10第一次级磁钢、11第二次级磁钢、12第三次级磁钢、13第四次级磁钢，14次级铁心。

图2本发明横向磁通直线发电机磁路示意图，图中：1a相初级铁心，2b相初级铁心，3c相初级铁心，4第一a相跑道形绕组、7第二a相跑道形绕组，5第一b相跑道形绕组、8第二b相跑道形绕组，6第一c相跑道形绕组、9第二c相跑道形绕组，10第一次级磁钢、11第二次级磁钢、12第三次级磁钢、13第四次级磁钢，14次级铁心，15a相磁路示意，16b相磁路示意，17c相磁路示意。

图3本发明横向磁通永磁同步直线发电机实施例一，图中：18错相式直线发电机初级铁心，19跑道形绕组，20次级磁钢，21次级铁心。

图4本发明横向磁通永磁同步直线发电机实施例二，图中：18错相式直线发电机初级铁心、19跑道形绕组，20次级磁钢，21次级铁心，22双漂浮浮子，23连杆，24阻尼浮子。

图5本发明横向磁通永磁同步电机发电机实施例三，图中：18错相式直线发电机初级铁心，19跑道形绕组，20次级磁钢，21次级铁心，25连杆，26防撞击弹簧，29密封机壳，30复位弹簧，27绳缆，28漂浮浮子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为本发明平板式横向磁通永磁同步直线发电机的结构。图2所示为某一时刻本发明平板式横向磁通永磁同步直线发电机a、b、c三相初级铁心截面及磁通流向。

如图1所示，本发明包括平板式横向磁通初级铁心、平板式横向磁通次级铁心、次级磁钢及跑道形绕组。次级磁钢采用表贴方式沿z轴等间距平铺排列于平板式横向磁通次级铁心表面，平板式横向磁通初级与次级磁钢平行相对安装，平板式横向磁通初级齿极极靴与次级磁钢间存在气隙。跑道形绕组绕制于平板式横向磁通初级铁心齿极极身上。

a相初级铁心1、b相初级铁心2、c相初级铁心3的初级齿极极身错开一定距离，极身与极身之间的孔隙为线槽。a相初级铁心1、b相初级铁心2、c相初级铁心3沿纵向紧密排布组成一个三相初级铁心单元，三相初级铁心单元沿纵向紧密排布组成所述的平板式横向磁通初级。第一a相跑道形绕组4，第二a相跑道形绕组7分别绕制于a相初级铁心1的两组极身上，第一a相跑道形绕组4与第二a相跑道形绕组7的绕线方向相反；第一b相跑道形绕组5，第二b相跑道形绕组8分别绕制于b相初级铁心2的两组极身上，第一b相跑道形绕组5与第二b相跑道形绕组8的绕线方向相反；第一c相跑道形绕组6，第二c相跑道形绕组9分别绕制于c相初级铁心3的两组极身上，第一c相跑道形绕组6与第二c相跑道形绕组9的绕线方向相反。

第一次级磁钢10，第二次级磁钢11，第三次级磁钢12，第四次级磁钢13表贴于次级铁心14表面，其中第一次级磁钢10，第四次级磁钢13的充磁方向相同，且与第二次级磁钢磁钢11，第三次级磁钢12的充磁方向相反，多组次级磁钢在次级铁心14表面等间距排布，与次级铁心14组成平板式横向磁通次级，次级铁心14的长度长于初级铁心的长度，次级铁心14的长度根据实际工况下波浪能捕获装置的行程决定。

如图2所示，所述的直线发电机初级为错相式结构，a相初级铁心1、b相初级铁心2、c相初级铁心3的齿极极靴位置相同，a相初级铁心1的极身左移，c相初级铁心3的极身右移。a相磁路15在a相初级铁心1的截面上，b相磁路16在b相初级铁心2的截面上，c相磁路17在c相初级铁心3的截面上。三相跑道形绕组4、5、6、7、8、9通过极身错开的孔隙绕制于各相初级铁心的极身上。

实施例一

图3所示为可用于双边型横向磁通永磁同步直线发电机的本发明实施例一：双边型横向磁通永磁同步直线发电机。两套横向磁通永磁同步直线发电机初级18镜像对称放置。两组跑道形绕组19绕制于直线发电机初级齿极极身上，次级铁心21两面均匀排布次级磁钢20，相邻磁钢间充磁方向相反。当次级以一定速度运动时，线圈交链的磁链按正弦规律变化，从而产生电能。

实施例二

本发明横向磁通永磁同步直线发电机可用于双浮子漂浮式的直驱式点吸收波浪能发电系统。图4所示为实施例二：双浮子漂浮式的直驱式点吸收波浪能发电系统。如图4所示，双浮子漂浮式的直驱式点吸收波浪能发电系统整体漂浮于海面上，双漂浮浮子22漂浮于海面上。本发明横向磁通永磁同步发电机错相式初级铁心18安装于漂浮浮子22内侧，绕组19绕于三相初级铁心齿极极身，磁钢20表贴于次级铁心21表面，次级铁心21通过连杆23连接于阻尼浮子24上。

将本装置置于波浪中，双漂浮浮子22与阻尼浮子运动速度不同，使得电机初级、次级间产生相对运动，线圈中交链的磁链随时间变化，从而产生电能。

实施例三

本发明横向磁通永磁同步直线发电机可用于固定在海床上的直驱式波浪能发电系统。图5所示为实施例三：底部固定于海床的直驱式点吸收波浪能发电系统。如图5所示，电机密封机壳29固定于海底海床上，漂浮浮子28漂浮于海面上。本发明直线发电机的错相式初级铁心18整体固定在电机机壳29的内侧。初级绕组19绕于三相初级铁心齿极极身，磁钢20表贴于次级铁心21表面，次级铁心21通过复位弹簧30与机壳底部相连，通过连杆25和绳缆27与漂浮浮子28相连。当次级向上运动后，复位弹簧30可以使次级恢复到初始位置。机壳29顶端设置有防撞击弹簧26，防撞击弹簧26套于连杆25外，起作用在于防止次级铁心21剧烈向上运动时与电机外壳24的顶端直接相撞。

漂浮浮子28在波浪浮力作用下运动时，通过绳缆27带动连杆25运动。连杆25在电机外壳29顶端的限制下将上下、摇摆、旋转六个维度的运动转换为单纯的上下运动，再传递到次级上。从而使直线发电机初级、次级间有相对运动，线圈中交链的磁链随时间变化，从而产生电能。