CN101595628B - 开关磁阻线性电动机/发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明针对不确定地作为发电机或电动机运行的线性开关磁阻电机，其具有将质量相对功率的比率以及制造成本最优化的一系列特性。该机器具有由单个磁通量穿过的几个气隙，其中获得磁力。该磁通量由设置在有源部件中的一组线圈(6)提供，这些有源部件是两个磁轭(4)和(5)，磁通量封闭在该两个磁轭(4)和(5)中，在所提及的磁路中可存在磁通量不封闭在其中的其他有源部件。当一组无源元件，通常是变换器(1)和(2)，相对有源元件移动时，产生关于产生磁力的位置的磁路磁阻的变化。本发明最独特的特征是磁通量仅通过两个对接的有源部件(4-5)返回，从而实现期望的质量、重量和成本的降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率系数的开关磁阻机器，该机器在任何线性情形中能作为电动机或发电机运行。这种机器具有使得它的制造非常经济的一些特点，无论什么情况下需要执行致动或从外部机械源获取电能，都可以应用它；特别适合于需要最小化输出或获取的功率和重量或成本之间的比的情形。
虽然本发明可应用于任何需要相似功能的其他情形，但是本发明优选应用领域是利用来自由波浪产生的海平面波动的海洋能发电。
背景技术
在前面段落中提及的本发明优选应用领域中，即利用来自海平面波动的海洋能发电的应用领域中；存在基于由两个部分组成的浮筒的能量获取***，该两个部分中的一个随海面自由漂浮，而另一个相对第一个具有减小的振幅；这致使这种相对运动是往复的，从而能够从浮筒-海洋***中获取能量。这种运动的主要特点是存在大的作用力和小的速度，这对于有效能量获取设备来说是很大的困难。
如公知的那样，波浪是由风在大的海面上不停的作用而引起的。它们传输数千公里而几乎不损失能量。波浪能量的特征在于比风能更可预测且更集中，使得波浪是一种重要的世界能量资源。估算的全球波浪能源是2TW，这与世界平均电能消耗相当。
用于从以大的作用力对速度比为特征的***获取能量的传统解决方案是以混合使用液压、机械和电的***为基础。这些***是复杂的，且它们在不利环境中的维护是非常昂贵的。特别地由于往复运动，这种由如此多的机械零件构成的复杂***的可用性必然是很低的。
另一方面，在开关磁阻电动机器的通常设计中，线圈产生的磁通量在横穿过变换器和定子之间的仅一个气隙后封闭，为了该目的，这迫使这些构件具有大质量的铁磁材料。
以更具体的方式说，在传统的开关磁阻机器中，每个线圈仅在一个气隙中产生磁通量，这意味着不使用会产生更高的成本和重量的大量铁磁材料。
我们能够提到存在用于从波浪振荡直接产生能量的其他发电机，其在变换器中使用稀土永磁体，使得该机器的成本非常高。即使没有外部栅格，这些机器在运行期间具有开路电压，使得它的维护更危险，并在失效情形中不能部分断开它的多个相中的一个。UppsalaUniversity(Sweden)已经提出了基于放置在八边形部分上且具有在定子中的分布式绕组的永磁体的线性机器的其他设计，这是一个更昂贵且更难于制造的方案。
欧洲专利申请EP0527593应该被认为是本发明的最接近的现有技术。该专利申请描述了一种电驱动马达，其包括：壳体；多个配合到所述壳体内的定子部分，其中每一个所述定子部分都包括多个定子磁极；多个能够在所述多个定子部分之间移动的转子；以及，用于在所述多个定子部分之间移动所述转子的电磁装置。然而，该专利申请没有给出在中心定子中包括线圈的可能性的教导。
发明内容
本发明中提出的发电机/电动机，也就是所提出的线性开关磁阻机器，是一种完全机电的用于在与前述环境相似的环境中产生电能的非常有利的解决方案，因此相对于在至今已知的***，能够实现更高的可用性和相对低得多的维护成本。
本发明中提出的机器的一般操作与开关磁阻机器相似，使得，一组线圈与移动部件的位移相同步而被供能，因此，当根据处于发电机模式或电动机模式中的操作，当磁阻分别增加或降低时，相应的相被供能。
当需要获得大的作用力对重量的比率时(这就是在海洋能的前述应用中的情况)，对传统开关磁阻机器进行的修改使得它的功能性大幅度改善。通过消除与气隙作用力的产生不直接相关的机器零件，可实现材料方面的高经济性并且可获得的功率密度大幅度增加。另一方面，本发明的机器允许更长的变换器结构非常经济；在该机器中有用运转的增加仅意味着很小的附加成本。
为了该目的，在根据本发明设计的更多具体方法中，相同的磁通量横穿过几个气隙，将一个变换器组与其他定子组连结，并仅在两个定子或末端变换器中封闭，其在下文中被称作“磁轭”。在每个气隙上，可以通过开关适当的相获得作用力，使得可获得的作用力和机器重量的比率非常高。
线圈可与定子或变换器连接。在线圈与变换器连接的情况下，将需要使用集电环或挠性连接件。在本发明中，几个气隙和线圈串联设置，这可在下文提及的相应附图中观察到。
本发明可应用于与开关磁阻机器的操作相容的任意数量的变换器和定子磁极，而且可应用于任意数量的变换器和定子。同样，它可应用于叠片铁磁结构或断层(massif)铁磁结构。
本发明的固有优势是一旦它仅由断层铁磁材料或叠片铁磁材料制成，该无源结构是非常便宜且轻便的。这样的改进使得对于更长时间的运行机器的分层剥离(scaling)是非常经济的。同样，该机器具有低惯性的无源部件(在它是变换器的情况下)，这对于需要长时间运转和快速加速的致动器来说是非常有吸引力的。
有源和无源元件都可具有不影响它的磁特性的机械增强件。
为了降低铁损耗，用于该变换器和定子的计划材料将是磁体叠片，虽然在非常低速应用中可以使用实心磁铁。为了提供线匝绝缘，线圈可由漆包铜制造。在线圈外部，将应用由环氧树脂浸渍的玻璃纤维制成的接地绝缘件。为了降低接线端数量，全部线圈都是串联连接的。
将利用轨道和滑动单元以与电梯相似的方法实施变换器和定子之间的滑动引导。
该机器必须通过电力电子设备驱动，在相应的阶段(时刻)该电力电子设备负责接通或断开每个相，在相应的阶段(时刻)中磁阻变化是适当的，从而在电动机模式中增加磁阻，而在发电机模式中降低磁阻。一组存在传感器检测变换器和定子之间的相对位置，以将该机器的运动与电力电子驱动器的运行同步。
根据前述原因可以认识到，本发明能够在很多工业应用领域使用，作为发电机或致动器。本发明设计的特性使它非常适合通过使用电机制造的标准技术进行大规模生产。
本发明提供的机器设计可很好地升级至更大的功率，只要通过增大它的三个尺寸中的任意一个就可增加它的功率，这三个尺寸包括：有源部件中的磁极数量、机器的宽度和中间变换器和定子的数量。因此，该机器可产生的功率与它的有源部件的体积成比例。可仅通过增加相同部件的数量实现所提到的功率增大。
附图说明
为了补充所作的描述并且为了帮助根据优选实施例的示例理解本发明的特性，也附上了与该优选实施例相对应的一组附图。该实施例为了解释的目的而提供，因此，它不限制本发明的范围。
图1示出了根据本发明制造的线性开关磁阻机器即具有两个变换器和一个中间定子的机器的示意性视图。
图2以示意方法示出了流过上图所描述的机器的磁通量。
具体实施方式
如前所述，图1示出了具有两个变换器(1)和(2)的机器，该两个变换器由于在它们之间的机械联接件(没有示出)而一致地运动。也是固定的两个磁轭(4)和(5)和放置在变换器(1)和(2)之间的中间定子(3)同时在两个变换器上施加作用力。基准(reference)(6)确定相应的线圈。
另一方面，图2示出了用箭头表示的在该机器中循环的磁通量；该通量由在相(a)中流通的电流产生，相(a)的线圈(6)由对应于一个线圈的两侧的以(a)和(a’)表示的块指示。在图2中可以观察到的是，由与磁轭(4)和(5)及中间定子(3)连接的线圈的磁动势(magneto-motive force)提供的相同通量仅通过磁轭(4)和(5)返回一次。
在所述图2中，可以观察到可通过该机器的布局获得的大功率密度，该机器的布局消除了在传统设计中用于磁通量返回所需的但不产生任何磁力的大量材料。同样，由于可消除的非必要的大量材料，本发明的机器表现出很重要的经济优势。
根据本发明的实际实施例的示例，线性开关磁阻机器将会是三相机器，其具有与变换器中四个磁极相应的定子中的六个磁极，该三相机器是旋转电机中最广泛使用的机器，且优选地适用于线性开关磁阻机。与前述附图相对应的设计是基于两个连接的定子、前述磁轭(4)和(5)和中心定子(3)的，它们全部具有供集中线圈(6)连接的磁极。变换器(1-2)设置在每对定子之间。所有变换器都是机械连结的，因此一致地运动。
Claims (3)
1.一种线性开关磁阻电动机/发电机，包括：
定子(3)和两个变换器(1，2)，其中所述定子放置在所述两个变换器(1，2)之间；以及
两个磁轭(4，5)，具有供线圈连接的磁极，使得由所述线圈产生的磁通量穿过所述两个变换器(1，2)和定子(3)以自身封闭；并且
所述线性开关磁阻电动机/发电机包括几个气隙，使得磁通量横穿过两个变换器(1，2)以及定子(3)，具有以下特性：磁通量仅穿过两个磁轭(4，5)封闭，该两个磁轭(4，5)由两个对接定子限定，磁通量大部分垂直于中间铁磁元件的气隙；
所述电动机/发电机由电力电子设备驱动，所述电力电子设备负责在磁阻变化是适当的相应时刻接通或断开每个相，从而在电动机模式中增加磁阻，而在发电机模式中降低磁阻，并且
其中，所述定子(3)包括连接有一组中间线圈(6)的磁极，并且，
其中，该组中间线圈(6)引导磁通量穿过它的内部，使得磁动势不仅由与两个磁轭(4，5)连接的线圈产生；并且
其中，通过增大所述线性开关磁阻电动机/发电机的以下三个参数中的任意一个来增加所述线性开关磁阻电动机/发电机的功率：磁极数量、线性开关磁阻电动机/发电机的宽度、和中间变换器和定子的数量，并且其中，所述线性开关磁阻电动机/发电机能够产生的功率与所述线性开关磁阻电动机/发电机的有源部件的体积成比例，并且能够仅通过增加相同部件的数量来增加所述线性开关磁阻电动机/发电机的功率。
2.根据权利要求1所述的线性开关磁阻电动机/发电机，其中，所述电动机/发电机还包括一组存在传感器，用于检测两个变换器和定子之间的相对位置。
3.如权利要求1所述的线性开关磁阻电动机/发电机，其中，由于两个变换器(1，2)的机械联接，两个变换器(1，2)一致地运动，并且其中所述两个变换器也被相同的磁通量横穿，使得作用在它们上的作用力累积。
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