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，充分利用次级永磁体，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，齿槽力大等问题，提出一种圆筒形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。初级铁心为紧密叠压，各相之间不在存在间隙，从而提高了电机的空间利用率，对发电机功率密度也有所提升。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初级和次级，初级和次级均为圆筒形，横向磁通。其中初级包括a、b、c三相铁心和跑道型绕组，跑道型绕组绕制于初级铁心齿极极身上。次级包括次级铁心单元、隔磁片和次级磁钢，次级磁钢内嵌于次级铁心单元内，次级铁心单元与隔磁片间隔排列次圆筒形横向磁通的初级与次级同心安装，初级套装于次级外侧。初级齿极极靴与次级表面间存在气隙。
本发明在不增加电机用料成本和硅钢片冲片形状的情况下，设计了一种六极非圆周对称的初级铁心硅钢片冲片形状。定义电机运动方向为z轴方向，垂直z轴方向的平面为xy平面。本发明通过旋转各相初级铁心一定空间角度，使每相初级齿极极身在xy平面上错开。单片叠片齿极极靴在圆周上间隔60°空间角度均匀排布，齿极极身之间的间隔空间角度依次为：40°、100°、40°、40°、100°、40°。每段初级定子铁芯由硅钢片叠压而成。在初级定子铁芯中，以a相初级为0°位置，b相顺时针或逆时针旋转120°，c相同方向旋转240°，从而使得a相初级齿极极身、b相初级齿极极身、c相初级齿极极身之间错开一定空间，此空间作为线槽。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，初级为硅钢片紧密堆叠的曲面，没有槽口与间隙。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，构成圆筒形横向磁通的初级铁心。
本发明直线发电机的初级有多个三相初级单元，由于三相初级单元之间无间隙，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。
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。
本发明中，三相初级单元的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。
本发明的次级为圆筒形铁心，次级磁钢内嵌于次级铁心单元内，相邻次级磁钢之间圆周间隔60°，共嵌入六块。相邻磁钢的充磁方向相反，在xy平面上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，纵向相邻的两块次级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。次级铁心单元等距排布于z轴上，其间夹有隔磁片，次级铁心单元与隔磁片构成本发明横向磁通次级。纵向相邻的磁钢间会构成漏磁磁路，但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。
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。
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。
通过不同的组装方式，本发明可以用于双浮子、沉底式单浮子、“鸭式”等波浪能发电装置中。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本发明圆筒形横向磁通直线发电机结构示意图，图中：1圆筒形横向磁通直线发电机初级，2圆筒形横向磁通直线发电机次级，3a相初级铁心，4b相初级铁心，5c相初级铁心，6次级铁心单元，7隔磁片，8磁钢，9跑道形绕组。
图2本发明圆筒形横向磁通直线发电机俯视图，图中：3a相初级铁心，4b相初级铁心，5c相初级铁心，6次级铁心单元，9-1-1、9-1-2、9-1-3、9-1-4、9-1-5、9-1-6a相绕组，9-2-1、9-2-2、9-2-3、9-2-4、9-2-5、9-2-6b相绕组，9-3-1、9-3-2、9-3-3、9-3-4、9-3-5、9-3-6c相绕组，8-1、8-3、8-5径向向外充磁磁钢，8-2、8-4、8-6径向向内充磁磁钢。
图3本发明圆筒形横向磁通永磁同步直线发电机初级叠片，图中：10初级齿极极靴，11初级齿极极身，12叠压定位槽。
图4本发明圆筒形横向磁通永磁同步直线发电机实施例一，图中：1圆筒形横向磁通直线发电机初级，2圆筒形横向磁通直线发电机次级，13漂浮浮子，14连杆，15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1圆筒形横向磁通直线发电机初级，2圆筒形横向磁通直线发电机次级，19连杆，18防撞击弹簧，20密封机壳，21复位弹簧，17绳缆，16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。
如图1所示，本发明包括初级1和次级2，初级1和次级2均为圆筒形，横向磁通。其中初级包括a相初级铁心3、b相初级铁心4、c相初级铁心5和跑道型绕组9，跑道形绕组9绕制于初级铁心齿极极身上。次级包括次级铁心单元6，隔磁片7和次级磁钢8，次级磁钢8内嵌于次级铁心单元6内，相邻次级磁钢8之间间隔60°。次级铁心单元6与隔磁片7间隔排列。定义电机运动方向为z轴方向，垂直z轴方向的平面为xy平面。次级磁钢采用内嵌方式嵌于次级铁心单元内，圆筒形横向磁通的初级1与次级2同心安装，初级1套装于次级2外侧。初级齿极极靴与次级表面间存在气隙。a相初级铁心3、b相初级铁心4、c相初级铁心5的齿极极身错开一定角度，极身与极身之间的孔隙为线槽。a相初级铁心3、b相初级铁心4、c相初级铁心5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直线发电机初级铁心。
如图3所示，本发明圆筒形横向磁通永磁同步直线发电机初级叠片采用六极非圆轴对称结构，齿极极靴10在圆周上间隔60°均匀分布，极身11间隔角度依次为40°、100°、40°、40°、100°、40°，在堆叠叠片时通过叠压定位槽12进行定位，以a相初级铁心3为0°位置，b相初级铁心4顺时针或逆时针旋转120°后叠压定位槽位置与a相完全重合，c相初级铁心5同方向旋转240°后叠压定位槽位置与前两相完全重合，从而实现装配准确定位。
如图2所示，本发明圆筒形横向磁通永磁同步直线发电机装配完成后一共有18个初级齿极，其极靴处重合，极身错开一定角度，在极身与极身间留有孔隙，作为线槽。跑道型线圈9绕组通过线槽绕于初级铁心齿极极身上，a相绕组9-1-1、9-1-3、9-1-5、b相绕组9-2-1、9-2-3、9-2-5、c相绕组9-3-1、9-3-3、9-3-5与a相绕组9-1-2、9-1-4、9-1-6、b相绕组9-2-2、9-2-4、9-2-6、c相绕组9-3-2、9-3-4、9-3-6绕线方向相反。每个绕组间隔角度20°，沿圆周均匀分布。次级磁钢间隔角度60°沿圆周均匀分布，次级磁钢位置与初级齿极极靴位置一一对应，磁钢8-1、8-3、8-5充磁方向与磁钢8-2、8-4、8-6相反，z轴相邻次级磁钢的充磁方向也相反。
本发明直线发电机次级2长度长于初级1，次级长度根据实际工况下波浪能捕获装置的行程决定。
实施例一
本发明新型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所示为实施例一：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，发电系统整体漂浮于海面上，漂浮浮子13漂浮于海面上。本发明圆筒形横向磁通永磁同步发电机的初级1安装于漂浮浮子13内侧，次级铁心2通过连杆14连接于阻尼浮子15上，初级1和次级2同心安装，且初级1套于次级2外侧。
将本装置置于波浪中，漂浮浮子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。
实施例二
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20固定于海底海床上，漂浮浮子16漂浮于海面上。本发明圆筒形直线发电机的初级1整体固定在电机机壳20的内侧，次级2通过复位弹簧21与机壳底部相连，通过连杆19和绳缆17与漂浮浮子16相连，初级1和次级2同心安装，且初级1套于次级2外侧，当次级向上运动后，复位弹簧21可以使次级恢复到初始位置。机壳20顶端设置有防撞击弹簧18，防撞击弹簧18套于连杆19外，其作用在于防止次级铁心2剧烈向上运动时与电机外壳20的顶端直接相撞。
漂浮浮子16在波浪浮力作用下运动时，通过绳缆17带动连杆19运动。连杆19在电机外壳20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。