一种直线-旋转低速圆筒发电机

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种直线-旋转低速圆筒发电机。

背景技术：

传统直驱式海浪发电系统一般采用传统圆筒直线电机，行程短，直接将动子直线往复的运动的动能转换到初级绕组中产生电能向外发电。由于海浪运动速度很低，所发出的交流电频率较低，增大了后续整流损耗。同时，海浪往复运动行程长，无法充分利用其动能。然而考虑到机械强度、加工难度与制造成本，动子极距无法进一步变小，频率提高很困难，同时动子行程也无法进一步增大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种直线-旋转低速圆筒发电机，以解决相关技术中运行频率和有效行程低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种直线-旋转低速圆筒发电机，包括从外向内依次布置的定子、转子以及动子，所述转子与所述定子之间间隔有气隙，所述转子沿所述定子圆周方向做旋转运动，所述动子与所述转子之间间隔有气隙，所述动子沿轴向方向做直线往复运动；所述定子包括定子铁芯、定子永磁体、定子绕组，所述定子铁芯由多个u形硅钢片叠压而成的铁芯组成，相邻的两个所述铁芯中间插入沿圆周方向交替充磁的所述定子永磁体，相邻的两个所述铁芯以及插入其中的定子永磁体外套装所述定子绕组；所述转子包括多个沿圆周方向均布的转子铁芯，每个所述转子铁芯内侧壁面均表贴有转子永磁体；所述动子由一整个软磁材料(smc)构成，外周壁面具有多个突出其表面且沿轴向分布的凸齿。

进一步地，所述定子铁芯由ns(ns＝6k，k≥2)个u型硅钢片叠压而成的铁芯组成，形成2ns个定子齿，每个所述定子齿沿圆周方向长度相等。

进一步地，每相所述定子绕组由沿定子中心形成正交对称的ns/3个定子线圈串联而成。

进一步地，相邻的两个所述铁芯中间插入ns个沿圆周方向交替充磁的定子永磁体，其充磁方向长度与定子齿长度相等。

进一步地，所述定子有ns个定子槽，用于放置ns个定子绕组构成极对数为na的对称绕组。

进一步地，所述转子铁芯具有nr个，其中nr＝na+ns/2。

进一步地，每个所述转子铁芯由硅钢片叠压而成。

进一步地，每个所述转子铁芯底部都表贴有径向交替充磁的转子永磁体，其沿轴向方向宽度为lp，相同极性的永磁体沿轴向方向的间距为τh；所述凸齿的齿宽为lt，相邻两个所述凸齿的极距大小为τp；所述齿宽lt和齿距τp分别与所述转子永磁体沿轴向方向的宽度lp和极距τh相等。

进一步地，所述动子的长度大于所述定子铁芯与所述转子铁芯叠厚方向长度，所述定子铁芯与转子铁芯在铁芯叠厚方向的厚度是所述动子极距τp的整数倍。

进一步地，所述转子永磁体相互之间沿轴向方向错开预定的机械长度lm，其与对应的两个转子铁芯匝链的永磁磁链相位差角度θf满足lm＝τp×θf/2π。

根据以上技术方案，具有如下有益效果：转子每旋转2π/nr机械角度，定子绕组中就匝链到一个完整周期的对称永磁磁链；当转子每旋转4π/ns机械角时，转子铁芯中匝链到完整一个周期的相位互差4π/nr电角度的永磁磁链，同时沿定子中心对称的两个齿将匝链到完全一致的永磁磁链。因此，当转子旋转时，定子绕组匝链到的永磁磁链频率是转子铁芯上匝链的永磁磁链频率的2nr/ns倍。由于nr＝na+ns/2，实现了从转子铁芯到定子铁芯的磁链频率放大。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明实施例提供的一种直线-旋转低速圆筒发电机将动子直线往复的运动转换到转子切线旋转方向，进一步在定子绕组中感应出电能向外发电。其中定子绕组中匝链的磁链频率比动子直线运动的频率更高，而且绕组在外端，散热容易；所述电机铁芯涡流损耗小，采用集中式定子绕组下线简单，加工难度相对较低；铁芯由硅钢片叠压而成同时所述定子永磁体与绕组位于同一侧，动子由smc构成，相较于传统海浪发电圆筒直线电机，有效行程更长。相较于传统圆筒发电机，本申请所述电机散热简单、加工简单、行程更长而成本更低，特别是定子绕组中匝链的磁链频率比动子直线运动的频率更高，实现了频率放大功能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种直线-旋转低速圆筒发电机的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的定子结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的转子铁芯结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的转子永磁体结构示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的动子结构示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的转子永磁体沿转子铁芯轴向分布示意图。

其中：1、定子铁芯；2、定子永磁体；3、定子绕组；4、转子铁芯；5、转子永磁体；6、动子铁芯；abcde为5个沿圆周逆时针方向依次分布的转子铁芯；pqrst为5个沿圆周逆时针方向分布的包含永磁体的定子齿。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种直线-旋转低速圆筒发电机，适用于海浪发电，包括从外向内依次布置的定子、转子以及动子，所述转子与所述定子之间间隔有气隙，所述转子沿所述定子圆周方向做旋转运动，所述动子与所述转子之间间隔有气隙，所述动子沿轴向方向做直线往复运动；所述定子包括定子铁芯1、定子永磁体2、定子绕组3，所述定子铁芯1由多个u形硅钢片叠压而成的铁芯组成，相邻的两个所述铁芯中间插入沿圆周方向交替充磁的所述定子永磁体2，相邻的两个所述铁芯以及插入其中的定子永磁体2外套装所述定子绕组3；所述转子包括多个沿圆周方向均布的转子铁芯4，每个所述转子铁芯4内侧壁面均表贴有转子永磁体5；所述动子6由一整个软磁材料构成，外周壁面具有多个突出其表面且沿轴向分布的凸齿。

基于此，本发明实施例提供的一种直线-旋转低速圆筒发电机将动子直线往复的运动转换到转子切线旋转方向，进一步在定子绕组中感应出电能向外发电。其中定子绕组中匝链的磁链频率比动子直线运动的频率更高，而且绕组在外端，散热容易；所述电机铁芯涡流损耗小，采用集中式定子绕组下线简单，加工难度相对较低；铁芯由硅钢片叠压而成同时所述定子永磁体与绕组位于同一侧，动子由smc构成，相较于传统海浪发电圆筒直线电机，有效行程更长。相较于传统圆筒发电机，本申请所述电机散热简单、加工简单、行程更长而成本更低，特别是定子绕组中匝链的磁链频率比动子直线运动的频率更高，实现了频率放大功能。

本实施例中，所述定子铁芯1由ns(ns＝6k，k≥2)个u型硅钢片叠压而成的铁芯组成，形成2ns个定子齿，每个所述定子齿沿圆周方向长度相等。相邻的两个所述铁芯中间插入ns个沿圆周方向交替充磁的定子永磁体2，其充磁方向长度与定子齿长度相等。所述定子有ns个定子槽，用于放置ns个定子绕组3构成极对数为na的对称绕组。具体地，参考图2，所述定子铁芯1由12个u形硅钢片叠压而成的铁芯组成，相邻的两个所述铁芯中间插入12个沿圆周方向交替充磁的定子永磁体2；相应的，所述定子有12个定子槽，用于放置12个集中绕组构成的相对称的定子绕组3，每相所述定子绕组3由沿定子中心形成正交对称的4个定子线圈串联而成。

本实施例中，所述转子铁芯4具有nr个，其中nr＝na+ns/2。每个所述转子铁芯4底部都表贴有径向交替充磁的转子永磁体5，其沿轴向方向宽度为lp，相同极性的永磁体沿轴向方向的间距为τh；所述凸齿的齿宽为lt，相邻两个所述凸齿的极距大小为τp；所述齿宽lt和齿距τp分别与所述转子永磁体5沿轴向方向的宽度lp和极距τh相等。具体地，参考图3，转子4有10个齿，由硅钢片叠压而成的10个铁芯块构成；每个转子齿底部都表贴有沿电机径向方向交替充磁的永磁体5，永磁体沿轴向方向宽度为lp，相同极性的永磁体沿轴向方向的间距为τh；动子6由一整个软磁材料构成，其齿宽为lt，相邻两个齿间距，即极距的大小为τp；动子与转子之间无任何机械连接。如图2-图3所示，定子u形硅钢片铁芯沿圆周方向齿宽为7.5°机械角，与定子永磁体充磁方向长度与定子槽开口宽度相等。转子齿面向定子部分宽度为定子齿宽度的1.4倍，即10.5°机械角，而底部宽度为20°机械角。如图4-图5所示，动子由一整个软磁材料构成，且动子齿宽lt和齿距τp与图2所示的转子铁芯底部表贴的永磁体沿轴向方向的宽度lp和极距τh分别相等。

本实施例中，所述动子6的长度大于所述定子铁芯1与所述转子铁芯4叠厚方向长度，所述定子铁芯1与转子铁芯4在铁芯叠厚方向的厚度是所述动子6极距τp的整数倍。

本实施例中，所述转子永磁体5相互之间沿轴向方向错开预定的机械长度lm，其与对应的两个转子铁芯匝链的永磁磁链相位差角度θf满足lm＝τp×θf/2π。具体地，如图6所示，相邻的两个转子底下表贴的永磁体沿轴向方向相互错开一定的机械长度。其中转子铁芯c沿轴向方向超前铁芯aτp/5机械长度、铁芯e沿轴向方向超前cτp/5机械长度、铁芯b沿轴向方向超前eτp/5机械长度、铁芯d沿轴向方向超前铁芯bτp/5机械长度。

转子每旋转36°机械角度，定子绕组中就匝链到一个相位互差120°电角度的完整周期三相对称永磁磁链；当转子每旋转60°机械角时，转子铁芯中匝链到完整一个周期的相位互差72°电角度的五相永磁磁链，同时沿定子1中心对称的两个齿将匝链到完全一致的永磁磁链。其中，abcde这五个转子齿中匝链的永磁磁链相位从超前到滞后的关系依次为a、c、e、b、d。另外，当转子4旋转时，定子绕组匝链到的永磁磁链频率是转子铁芯上匝链的永磁磁链频率的60/36倍，即5/3倍。

当转子静止而动子铁芯沿轴向运动时，转子铁芯上将匝链出对称的正负交变的磁链，其相位互差4π/nr＝72°电角度，相互的相位超前与滞后状态与动子静止而转子旋转时所述的情况一致。当转子旋转的转速n与动子直线运动的速度v满足nr×n/60＝(2nr/ns)×v/τp，即10×n/60＝(5/3)×v/τp时，定子上沿圆周方向交替充磁的永磁体在转子上匝链的永磁磁链频率，与表贴的沿径向交替充磁的永磁体在转子铁芯上匝链的永磁磁链频率相等。动子直线运动的速度转换到定子绕组上感应的反电动势频率实现了2nr/ns＝5/3倍放大。

不同的推力对应于定子永磁体与转子底部表贴的永磁体在转子铁芯中匝链的永磁磁链的相位差的正弦值。当相位差为90°电角度时，动子受到外部最大的推力。通过简单测量该相位差角度就可直接计算出动子收到的外部推力大小及作用于转子上的转矩大小。同时，在外部推力从0n增大至最大过程中，定子永磁体的闭合磁路不对转子底部表贴的永磁体退磁，反之亦然。

相较于传统海浪发电圆筒直线电机，定子绕组在外端，散热容易，且由于采用集中式定子绕组下线简单，加工难度相对较低；定子为硅钢片叠压而成，铁芯涡流损耗小，且与所述定子永磁体与绕组位于同一侧，动子由smc构成，有效行程更长。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。