一种两级磁极提高磁通变化频率的方法及直发电机与流程

本发明涉及一种直发电机的方法，具体涉及两级磁极提高磁通变化频率的方法及直发电机，属于发电领域。

背景技术：

随着风能，海流能及海浪能发电技术的发展，需要高可靠性免维护的发电机。由于风能，海流能及海浪能的能量密度低，风速与海流速低，海浪高变化较低，为了提高发电机的效率，现在通常采用增速齿轮来提高转速。而这些低转速输入的增速齿轮的转矩通常极大，所以不但成本高，而且故障率也很高。

为了提高整体可靠性及发电效率，业界目前主要采用感应子或双凸极结构的发电机。两者的区别是：感应子发电机的磁通来源于定子磁轭中嵌入永磁体或通过励磁，使定子凸极成为一个固定磁极，再通过与旋转的感应子(转子)上的凸极的耦合气隙变化，在定子磁极中产生磁通的大小变化，根据电磁感应定律，在定子磁极上的电枢绕组会产生感应电压，并向外输出电能；而双凸极发电机的转子凸极一般是极性依次交替排列的永磁体磁极，当转子旋转时，会在定子磁极中产生磁通的大小、方向的变化，根据电磁感应定律，同样在定子磁极上的电枢绕组会产生感应电压，并向外输出电能。

根据电磁感应定律，感应电压与电枢匝数、磁通变化率的乘积成正比。因此，在匝数与磁通一定的条件下，可通过提高磁通变化频率来提高发电机效率。要想提高频率，就要增加转子的磁极数，而每个定子磁极上都要有电枢绕组，且大发电功率也要求磁极尺寸足够大，所以磁极尺寸及磁极之间的间距(极距)不可能太小，因此在发电机体积一定的前提下电枢绕组内的磁通变化频率难以提高到直发电机所需要的程度。根据目前风力发电机桨叶15转/分的转速，若要发电频率达到50hz，转子的极数要200。据资料，目前的双凸极电机最大才接近100极。随着电机极数的增减，电枢绕组、体积、重量也相应增加，其造价不菲。

由于发电机极数的制约，当前风力发电机与海流发电机采用双凸极发电机后，随着极数的增加，将大功率增速齿轮箱的变比大幅下降，但是还不能完全取消，所以只是大幅降低了增速齿轮箱的变比，即所谓“半直发电机”。

有鉴于此，本发明提出了一种两级磁极减小极距增加发电机磁极数的方法以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了两级磁极提高磁通变化频率的方法及直发电机。本发明将一个电枢绕组所围的一个磁极的磁靴上增加一级次磁极或者将一个主磁极直接分成若干个次磁极，提高了现有发电机的可靠性与能量转换效率。

本发明的技术方案是：一种两级磁极提高磁通变化频率的方法，其特征在于：将一个电枢绕组所围的主磁极的磁靴上增加一级次磁极或者将一个主磁极直接分成若干个次磁极，次磁极的占空比为相数分之一；动磁极相应改为与次磁极的占空比及截面相同，磁极高度大于耦合气隙的20倍；次磁极与动磁极的磁极高度和宽度，满足动磁极移动中，磁路的最大磁阻为最小磁阻之比为5～20。

本发明还公开了一种径向磁耦合直发电机，包括：定子磁轭、励磁绕组、主磁极、感应绕组、次磁极、转子磁极，励磁绕组置于相隔180度的两个最大间距的主磁极间隙之中，感应绕组分别包围a、b、c三相的主磁极，其特征在于：每个主磁极上增加设置次磁极，次磁极占空比为1/3，转子磁极与次磁极的尺寸相同，a、b、c三相的次磁极依次错开一个次磁极宽度的距离。

根据如上所述的一种径向磁耦合直发电机，其特征在于：每相定子磁极采用2组相差180度的对称磁极，使定子磁极对转子磁极的磁耦合力相抵消。

本发明还公开了一种磁通轴向耦合直发电机，包括固定盘和转盘，其特征在于：固定盘包括b相次磁极、励磁绕组、c相感应绕组、c相次磁极、定磁轭盘、a相次磁极、a相感应绕组、b相感应绕组，励磁绕组外层分别均匀设置a相感应绕组、b相感应绕组、c相感应绕组，其中a相感应绕组内设置3个a相次磁极，b相感应绕组内设置3个b相次磁极，c相感应绕组内设置3个c相次磁极，转盘包括动磁轭盘和动磁极，动磁极均匀的分布在动磁轭盘。

本发明还公开了一种直线直发电机，包括固定部和移动部，其特征在于：移动部包括动磁极、动磁轭板，动磁极均匀设置在动磁轭板上，移动部包括a相感应绕组、b相感应绕组、c相感应绕组，a相感应绕组、b相感应绕组和c相感应绕组都分别设置3个次磁极，励磁绕组设在在a相感应绕组、b相感应绕组、c相感应绕组的一侧，励磁绕组设置多个励磁磁极。

根据如上所述的一种直线直发电机，其特征在于：次磁极对应励磁磁极设置，次磁极、励磁磁极与动磁极、定磁轭板形成磁回路。

本发明的有益效果是：1、由于增加磁通变化频率，可进一步大幅降低了增速齿轮箱的变比，甚至完全取消增速齿轮箱，既节省发电设备成本，又提高了可靠性；2、一台直发电机只需2～3项即可，每相只需要2个电枢绕组；3、由于动磁极与次磁极的耦合面及间隙相同，可通过尽量减小次级磁极的方式，使同样体积的感应子电机或双凸极电机数倍提高极数，做成无增速齿轮箱的直发电机，降低了发电设备制造成本；4、采用励磁方式，比永磁直发电机成本更低，且方便控制发电功率。

附图说明

图1为磁通径向耦合直发电机(状态1)。

图2为磁通径向耦合直发电机(状态2)。

图3为磁通径向耦合直发电机(状态3)。

图4为磁通轴向耦合(盘式发电机)直发电机的固定盘。

图5为磁通轴向耦合(盘式发电机)直发电机的转盘。

图6为磁通轴向耦合(盘式发电机)直发电机的典型状态(a状态)。

图7为磁通轴向耦合(盘式发电机)直发电机的典型状态(b状态)。

图8为磁通轴向耦合(盘式发电机)直发电机的典型状态(c状态)。

图9为图6的局部放大图。

图10为直线直发电机的组成示意图。

图11为图10的左视图。

图12为直线直发电机的a状态示意图。

图13为直线直发电机的b状态示意图。

图14为直线直发电机的c状态示意图。

图15为直线直发电机工作状态下左视图。

附图标记说明：定子磁轭101、励磁绕组103、主磁极104、感应绕组105、次磁极106、转子磁极107、b相次磁极201、励磁绕组202、c相感应绕组203、c相次磁极204、定磁轭盘205、a相次磁极206、a相感应绕组207、b相感应绕组208、动磁极209、动磁轭盘210、励磁磁极211、动磁极301、动磁轭板302、a相感应绕组303、b相感应绕组304、次磁极305、c相感应绕组306、励磁绕组307、励磁磁极308、定磁轭板309。

具体实施方式

概念定义：

主磁极：定子上，被一个电枢包围的磁轭截面总和。

次磁极：定子上，被一个电枢包围的磁轭均匀分隔的若干相同的小磁极。

为了更好的理解本发明，下面结合附图与实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明公开了一种两级磁极提高磁通变化频率的方法，将一个电枢绕组所围的一个磁极(简称：主磁极)的磁靴上增加一级次磁极或者将一个主磁极直接分成若干个次磁极，次磁极的占空比为相数(如本文为三相，则为三分之一)分之一(本例图1中为三分之一)；转子磁极(简称：动磁极)相应改为与次磁极的占空比及截面相同，磁极高度大于耦合气隙的20倍为宜；次磁极与动磁极的磁极高度和宽度，满足动磁极移动中，磁路的最大磁阻为最小磁阻之比为5～20。

实例一，如图1所示，本发明直发电机之一，图1是一种径向磁耦合直发电机，包括：定子磁轭101、励磁绕组103、主磁极104(包括：a1,a2；b1,b2；c1,c2)、感应绕组105、次磁极106、转子磁极107。每个主磁极104上增加设置次磁极106，次磁极106占空比为1/3(即：相邻两个次磁极间的距离为次磁极宽度的两倍)，转子磁极107与次磁极106的尺寸相同，a、b、c三相的次磁极106依次错开一个次磁极宽度的距离，这样转子在旋转时，转子磁极会依次与a、b、c三相的次磁极处于最佳耦合。本发明中，励磁绕组103置于相隔180度的两个最大间距的主磁极间隙之中，感应绕组105分别包围a、b、c三相的主磁极104。

如图1所示，本发明的励磁绕组103通电流后产生磁场，图中h表示磁场，箭头表示磁场h的方向。磁场经定子磁轭101，定子主磁极104(b1)，定子次磁极106(b1)，气隙1，转子磁极107，气隙2，定子次磁极106(b2),定子主磁极104(b2)，回到定子磁轭101。

由于转子磁极107与定子上的三相定子次磁极106的耦合面积之和保持不变，气隙也不变，所以整个磁路磁阻基本不变，磁路中的磁通总和也基本保持不变。

经过以上一个状态循环周期，每相主磁极104内的磁通都发生了一次交变，即输出一次电能。而转子仅转动了一个次磁极106的间距对应的而角度。所以发电机磁通变化频率为f＝60*p*n

其中f：发电机电压频率(即主磁极内磁通的变化频率)；

p：转子磁极数；

n：转子转速(转/分)。

由于次磁极106的尺寸不受主磁极104及感应绕组105的尺寸影响，所以可以设计得尽量小，这样转子磁极107的数量p可大幅增多。

根据电磁感应定律:

e＝m*dφ/dt

dφ/dt＝f*φ0(忽略漏磁与两边次磁极的分磁通)

其中：m:感应绕组的线圈匝数

φ0：磁路中的磁通总和

所以e＝60*p*n*m

依据上式，在同样转速下，随着磁极107的数量p的大幅增多，感应电压频率可以更高，在要求发电电压与功率一定的约束条件先，可以减少感应绕组的匝数及磁极的截面，也可以降低励磁电流(即降低φ0)；或者要获得同样输出功率，所要求发电机的输入转速更低，甚至不需要调速器，实现真正的直发。

图1为状态1。在该状态，转子磁极107与b相主磁极(104)b1,b2上的次磁极106最佳耦合，则b相主磁极(104)b1,b2内的磁通处于最大值。当转子顺时针继续转动，从状态1—>状态2过程中，b相主磁极(104)b1,b2的磁通开始下降，c相主磁极(104)c1,c2的磁通继续增加，a相主磁极(104)a1,a2的磁通继续下降到最低后转入上升。

当动磁极顺时针转动一个次磁极对应角度时，到达状态2。在该状态，转子磁极107与c相主磁极(104)c1,c2上的次磁极106最佳耦合，则c相主磁极(104)c1,c2内的磁通处于最大值。当转子继续顺时针转动从状态2—>状态3过程中，c相主磁极(104)c1,c2的磁通开始下降，a相主磁极(104)c1,c2的磁通继续增加，b相主磁极(104)b1,b2的磁通继续下降到最低后转入上升。

当动磁极顺时针转动一个次磁极对应角度时，到达状态3。在该状态，转子磁极107与a相主磁极(104)a1,a2上的次磁极106最佳耦合，则a相主磁极(104)a1,a2内的磁通处于最大值。当转子继续顺时针转动从状态3—>状态1过程中，a相主磁极(104)a1,a2的磁通开始下降，b相主磁极(104)b1,b2的磁通继续增加，c相主磁极(104)c1,c2的磁通继续下降到最低(即：转子磁极107位于c1,c2定子次磁极106的中间时)后转入上升。

当动磁极顺时针转动一个次磁极宽度时，回到状态1，进入下一个状态循环周期。

实例二，如图4至图9所示，本发明直发电机之二，磁通轴向耦合直发电机(即：盘式发电机)，包括固定盘和转盘，固定盘包括b相次磁极201、励磁绕组202、c相感应绕组203、c相次磁极204、定磁轭盘205、a相次磁极206、a相感应绕组207、b相感应绕组208。励磁绕组202外层分别均匀设置a相感应绕组207、b相感应绕组208、c相感应绕组203，其中a相感应绕组207内设置3个a相次磁极206(a1、a2、a3)，b相感应绕组208内设置3个b相次磁极201(b1、b2、b3)，c相感应绕组203内设置3个c相次磁极204(c1、c2、c3)。转盘包括动磁轭盘210和动磁极209，动磁极209均匀的分布在动磁轭盘210。

本发明的每个次磁极206与励磁磁极211(图中为a相)成对设置，两者位于同一个圆盘半径上，励磁磁极211位于内圆周上，a相次磁极206(即感应磁极)位于外圆周上，便于动磁极209与其形成磁回路；全部励磁磁极均被励磁绕组包围。

如图9所示，定磁轭盘205，a相次磁极206，a相感应绕组207，励磁磁极211，励磁绕组202与动磁轭盘210及动磁极209之间的位置关系示意图，图6为a相次磁极与动磁极最佳耦合状态，图7，图8分别为b，c相次磁极与动磁极处于最佳耦合状态示意图。

其工作原理与过程与实例一，基本相同。

实例三，如图10至图15所示，本发明直发电机之三，直线直发电机包括固定部和移动部：移动部包括动磁极301、动磁轭板302，动磁极301均匀设置在动磁轭板302上，移动部包括a相感应绕组303、b相感应绕组304、c相感应绕组306，a相感应绕组303、b相感应绕组304和c相感应绕组306都分别设置若干个次磁极305，励磁绕组307设在在a相感应绕组303、b相感应绕组304、c相感应绕组306的一侧，励磁绕组307设置多个励磁磁极308。次磁极305对应励磁磁极308设置，如图11，次磁极305、励磁磁极308可与动磁极301、定磁轭板309形成磁回路；全部励磁磁极均被励磁绕组包围。

如图15所示，定磁轭板309，次磁极305(所有的次磁极都是感应磁极)，感应绕组，励磁磁极308，励磁绕组307与动磁轭板302及动磁极301之间的位置关系示意图，图12为a相次磁极与动磁极最佳耦合状态，图13,图14分别为b，c相次磁极与动磁极处于最佳耦合状态示意图。

其工作原理与过程与实例一，基本相同。

本发明总体的工作原理为：因为定子次磁极与动磁极耦合面积之和为恒定，所以励磁磁路中的磁阻也基本恒定。若a相次磁极与动磁极处于最佳耦合(即a相次磁极与动磁极的耦合面重合)状态时，则a相磁阻远小于其他相磁阻，此时a相内磁通最大；当动磁极移动到两个a相次磁极中间时，a相磁阻最大，此时a相内磁通最小。因此，当动磁极移动一个次磁极距离时，a相主磁极内的磁通会发生从最大—>最小—>最大的循环。根据电磁感应定律，a相感应绕组中会产生一次电压与电流(即发电)。

与a相感应绕组一样，在b相与c相感应绕组中同样会产生一次电能输出，只是依次相差一个次磁极距离。

上述实施例对本发明做了详细说明。当然，上述说明并非对本发明的限制。本发明也不仅限于上述例子，相关技术人员在本发明的实质范围内所作出的变化、改型、添加或减少、替换，也属于本发明的保护范围。