CN103280910B - 轴向磁场磁电式微发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轴向磁场磁电式微发电机，由微发电机部分和动力源部分组成。其中微发电机部分采用单转子的盘式永磁微发电机的结构，动力源为涡轮。微发电机部分包括发电机外壳、上定子、下定子、线圈和中心轴。其中定子由磁轭和磁铁构成；上定子和下定子分别通过外壳内表面的环形凸起安装在外壳内部，在该结构中将上磁轭和下磁轭分别作为发电机的上、下盖板，能够有效降低发电机的轴向结构尺寸。作为发电机转子的线圈位于上定子和下定子之间，线圈与中心轴相连，涡轮通过中心轴带动线圈转动。本发明的发电机具有结构简单、体积小、功率密度大、抗冲击能力强的优点。

Description

轴向磁场磁电式微发电机

技术领域

本发明涉及一种磁电式微发电机，具体涉及一种轴向磁场磁电式微发电机，属于能源开发技术领域。

背景技术

近年来微小型机电***发展迅速，机电***体积的缩小，要求能源供给装置也要小型化。微能源器件可分为两大类：微型化学电池和微发电机。微型化学电池目前存在的主要问题是自身携带能量有限，需要定期人为补充能量，自持力差。而微发电机则可以从环境中主动获取能量，属于自换能器，不需定期人为补充能量，同时自身无污染，因而有着良好的发展前景。

盘式永磁同步单相微发电机依靠风动涡轮转化风能获取环境能量，是一种高功率能量密度的能源器件。目前国内外此类微发电机均采用磁铁磁轭转动式，如英国伦敦帝国理工学院设计的轴流式气动微型涡轮发电***、美国加州大学伯克利分校设计的可变磁阻微发电机、法国LEG的研究小组设计的平面微发电机、美国佐治亚理工学院和麻省理工学院的合作设计的微发电机，该类微发电机体积大、结构复杂、转化效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轴向磁场磁电式微发电机，该发电机结构简单、体积小、功率密度大、启动风速低、抗冲击能力强。

本发明的轴向磁场磁电式微发电机，包括：涡轮、发电机外壳、上磁轭、下磁轭、上磁铁、下磁铁、线圈和中心轴；其中中心轴包括上连接轴、中连接轴和下连接轴。

所述发电机外壳为两端开口的筒形结构，在发电机外壳2内表面的中间位置加工有环形凸起。

所述上磁轭为具有阶梯状中心孔的圆柱形结构；在其大孔径所在侧的端面上加工用于放置上磁铁的环形凹槽，该环形凹槽外圆周面处的壁厚小于发电机外壳内表面环形凸起的厚度；所述上磁轭和上磁铁通过磁力相互吸引固结为一个整体，形成发电机的上定子；所述下磁轭和下磁铁采用相同的结构形成发电机的下定子。

所述上定子安装在发电机外壳内部环形凸起的上表面；所述下定子安装在发电机外壳内部环形凸起的下表面；其中上磁铁和下磁铁相对放置。

所述线圈为具有中心孔的圆盘形结构，其位于上定子与下定子之间，且线圈与上磁铁和下磁铁之间均有间隙；所述线圈的上表面和下表面各有一条输出线，两条输出线在线圈上表面和下表面中心孔***分别绕成两个平面环形结构。

所述上连接轴为由导电材料制成的阶梯轴，上连接轴位于上磁轭的中心孔内，其轴径较大端与上磁轭中心孔孔径较大部分间隙配合；上连接轴的轴径较大端的端部穿过上磁轭的中心孔与线圈上表面输出线形成的环形结构紧密接触；其轴径较小端从顶部穿出上磁轭的中心孔，且上连接轴的轴肩与上磁轭中心孔的轴肩相对，并在两轴肩之间安装一圈滚珠；沿上连接轴的下端面在其中心加工带有内螺纹的盲孔。

所述下连接轴为导电材料制成的阶梯轴，其采用与上连接轴相同的方式安装在下磁轭的中心孔内；其中下连接轴轴径较大端的端部与线圈下表面输出线形成的环形结构紧密接触，其轴径较小端的端部与下磁轭的下表面间有间隙；在下连接轴的中心加工带有内螺纹的通孔，该通孔通过线圈中心孔与上连接轴中心的盲孔贯通。

带有外螺纹的中间连接轴依次穿过下连接轴、线圈和上连接轴，与下连接轴和上连接轴上的内螺纹匹配连接；所述线圈为发电机的转子。

所述涡轮同轴固接在上连接轴顶部位于发电机外壳之外的部分。

所述线圈包括m层线圈，其中m为大于等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈。

所述线圈中每一层线圈均由两个以上外形为扇形的回形线圈绕其轴心相邻排列而成，每一层线圈中的各个回形线圈相互串联。

所述上定子和下定子与发电机外壳的连接处均采用过盈配合的安装形式。

有益效果

本发明所设计的轴向磁场磁电式微发电机采用线圈转动式结构，该结构的发电机具有结构简单、体积小、功率密度大和抗冲击能力强的优势。具体为：

（1）将上磁轭和下磁轭分别作为发电机的上、下盖板，能够有效降低发电机的轴向结构尺寸。

（2）发电机的磁体安装在外壳内部的环形凸起上，其所受冲击力由外壳凸起来承受，提高了发电机的抗冲击能力。

（3）在本发明中采用滚珠代替轴承，由滚珠承担连接轴的导向和支撑作用，减小了轴向尺寸，降低了成本。

（4）由上下连接轴、滚珠，及上下磁轭构成的两条输出回路，简化了结构；

（5）在本发明中磁轭与磁体相互吸引固结后作为定子，不仅形成发电机所需的磁回路，还起到支撑中心轴的作用，省去了专门的支撑结构，简化了发电机结构，使得发电机的轴向尺寸进一步缩小。

（6）在本发明的微发电机中，发电机定子中的磁铁由发电机外壳支撑；由滚珠确定转轴与磁轭的相对运动位置，起支承和导向作用；转子为质量较小的线圈，这些设计都有助于提高发电机抗冲击的能力。

（7）采用单相、同心式绕组平面多层线圈，可以有效利用线圈的表面积，增大线圈的包围面积，从而提高输出电压幅值和发电机的功率密度。同时，采用平面线圈还可以减小轴向尺寸、增大线圈工作处磁感应强度，达到减小体积和提高输出电压的目的；采用单相线圈形式有助于减小因整流造成的能量损失，可简化整流电路，结构简单，适合平面加工、成品率高。

附图说明

图1为涡轮动力源工作示意图；

图2为本发明的轴向磁场磁电式微发电机结构图；

图3线圈的结构示意图。

其中：1-涡轮、2-发电机外壳、3-上磁轭、4-下磁轭、5-上磁铁、6-下磁铁、7-线圈、8-上连接轴、9-中连接轴、10-下连接轴、11-滚珠。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种轴向磁场磁电式微发电机，该微发电机结构简单、体积小、功率密度大、抗冲击能力强。

所述轴向磁场磁电式微发电机由微发电机和动力源两部分组成，其工作原理如图1所示。其中微发电机采用盘式永磁微发电机的结构。盘式永磁微发电机对比与其他微发电机相比具有结构简单、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优点；简单紧凑的结构，可提高磁微发电机的抗冲击能力。动力源采用风力驱动的涡轮。涡轮可以获取环境中的风能并转化为驱动微发电机运动的机械能。在风力的作用下涡轮持续绕轴转动，产生的转动力矩可驱动微发电机转子绕轴转动，从而使发电机工作。

所述轴向磁场磁电式微发电机的具体结构如图2所示，其中微发电机部分采用单转子的盘式永磁微发电机结构，包括发电机外壳2、上定子、下定子、线圈7和中心轴；其中上定子包括上磁轭3和下磁轭4；下定子包括上磁铁5和下磁铁6；中心轴包括上连接轴8、中连接轴9和下连接轴10。

其中发电机外壳2为两端开口的筒形结构，在发电机外壳2内表面的中间位置加工有环形凸起。

上磁轭3为圆柱形结构，其中心孔为阶梯孔；在其大孔径所在侧的端面上加工用于放置上磁铁5的环形凹槽，该环形凹槽外圆周面处的壁厚小于发电机外壳2内表面环形凸起的厚度。所述上磁轭3和上磁铁5通过强大的磁力相互吸引固结为一个整体，形成发电机的上定子；所述下磁轭4和下磁铁6采用相同的结构形成发电机的下定子。所述上定子安装在发电机外壳2内部环形凸起的上表面；所述下定子安装在发电机外壳2内部环形凸起的下表面；其中上磁铁5和下磁铁6相对放置；从而在上、下两个定子之间建立轴向的稳定磁场。上定子和下定子与发电机外壳2的连接处均采用过盈配合的安装形式。该种结构形式中磁铁由发电机外壳2作为支撑，提高了发电机的抗冲击能力。

线圈7位于发电机外壳2内部上定子与下定子之间；且线圈与上磁铁5和下磁铁6之间均有间隙。本实施例中线圈7为具有中心孔的圆盘形结构，其结构如图3所示。线圈7包括m层线圈，其中m为大于等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈。每一层线圈均由多个外形为扇形的回形结构线圈围绕其轴心相邻排列而成，各个回形线圈相互串联。线圈7的上表面和下表面各有一条输出线，该输出线在线圈7表面中心孔***绕成平面环形结构。所述线圈7为发电机的转子。采用这种结构形式的线圈，可以有效利用线圈的表面积，增大线圈的包围面积，从而提高输出电压幅值和发电机的功率密度。同时，采用平面线圈可以减小轴向尺寸、增大线圈工作处磁感应强度，达到减小体积和提高输出电压的目的；采用单相线圈形式有助于减小因整流造成的能量损失，可简化整流电路，结构简单，适合平面加工、成品率高。各个回形线圈相互串联，可产生较大的输出电压。

上连接轴8为由导电材料制成的阶梯轴，其轴径较大端的直径小于上磁轭3中心阶梯孔较大孔的孔径，轴径较小端的直径稍小于上磁轭3中心阶梯孔较小孔的孔径，从而与上磁轭3中心阶梯孔的较小孔形成滑动配合。所述上连接轴8位于上磁轭3的中心孔内，且使上连接轴8的轴肩与上磁轭3中心阶梯孔的轴肩相对。上连接轴8的轴径较大端穿过上磁轭3的中心孔与线圈7的上表面的输出线形成的环形结构紧密接触。轴径较小端从顶部穿出上磁轭3的中心孔。在上连接轴8的轴肩与上磁轭3阶梯孔的轴肩之间安装一圈滚珠，本实施例中在这里采用滚珠替换轴承，有利于缩小整个发电机的轴向尺寸。同时沿上连接轴8的下端面在其中心加工有带有内螺纹的盲孔；所述盲孔的直径略大于与线圈7中心孔的直径相同。

下连接轴10同样为导电材料制成的阶梯轴，其采用与上连接轴8相同的方式安装在下磁轭4的中心孔内。其中下连接轴10轴径较大端与线圈7下表面的输出线形成的环形结构紧密接触；其轴径较小端与下磁轭的下表面间有间隙。在下连接轴10的中心加工带有内螺纹的通孔，所述通孔的直径略大于与线圈7中心孔的直径相同，该通孔通过线圈7中心孔与上连接轴8中心的盲孔贯通。上连接轴8和下连接轴10通过滚珠保持在上磁轭3和下磁轭4之间。

所述中间连接轴9上加工有外螺纹，线圈7套在中间连接轴9上，上连接轴8和下连接轴10分别通过内内螺纹拧紧在中连接轴10的上、下端。使得上连接轴8和下连接轴10与线圈7上下表面上的输出线形成的环形结构紧密接触，并将线圈上、下表面的两个输出线与上、下连接轴紧紧挤压在一起，以保证线圈的输出线与上、下连接轴可靠接触。同时，中间连接轴9还起到将发电机输出两极之间的绝缘作用。

其中上连接轴8、上磁轭3及其之间的滚珠构成发电机的一条输出回路，下连接轴10、下磁轭4及其之间的滚珠构成发电机的另一条输出回路，两条回路将发电机线圈上产生的电能引出。

本发明中两个磁轭与磁体不仅形成发电机所需的磁回路，还起到支撑中心轴的作用，简化了发电机的结构，缩小了发电机的机构尺寸。

所述涡轮2同轴固接在上连接轴8位于发电机外壳2之外部分的顶部。

该微发电机的工作原理为：在风的吹动下，涡轮带动中心轴及线圈7相对于上、下定子间产生旋转运动；在线圈上单个回形线圈所包围面积中的磁通量发生周期性的改变，在回形线圈中会产生感应电动势；并由上下连接轴、滚珠，及上下磁轭构成的两条输出回路将线圈7产生的电压引出。

本发明的发电机在保持原有轴向磁场磁电发电机的优点的基础上，在相同的发电能力下，可进一步简化结构、提高抗冲击能力、减小轴向尺寸、降低成本。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.轴向磁场磁电式微发电机，其特征在于，包括：涡轮(1)、发电机外壳(2)、上磁轭(3)、下磁轭(4)、上磁铁(5)、下磁铁(6)、线圈(7)和中心轴；其中中心轴包括上连接轴(8)、中连接轴(9)和下连接轴(10)；

所述发电机外壳(2)为两端开口的筒形结构，在发电机外壳(2)内表面的中间位置加工有环形凸起；

所述上磁轭(3)为具有阶梯状中心孔的圆柱形结构；在其大孔径所在侧的端面上加工用于放置上磁铁(5)的环形凹槽，该环形凹槽外圆周面处的壁厚小于发电机外壳(2)内表面环形凸起的厚度；所述上磁轭(3)和上磁铁(5)通过磁力相互吸引固结为一个整体，形成发电机的上定子；所述下磁轭(4)和下磁铁(6)采用相同的结构形成发电机的下定子；

所述上定子安装在发电机外壳(2)内部环形凸起的上表面；所述下定子安装在发电机外壳(2)内部环形凸起的下表面；其中上磁铁(5)和下磁铁(6)相对放置；

所述线圈(7)为具有中心孔的圆盘形结构，其位于上定子与下定子之间，且线圈(7)与上磁铁(5)和下磁铁(6)之间均有间隙；所述线圈(7)的上表面和下表面各有一条输出线，两条输出线在线圈(7)上表面和下表面中心孔***分别绕成两个平面环形结构；

所述上连接轴(8)为由导电材料制成的阶梯轴，上连接轴(8)位于上磁轭(3)的中心孔内，其轴径较大端与上磁轭(3)中心孔孔径较大部分间隙配合；上连接轴(8)轴径较大端的端部穿过上磁轭(3)的中心孔与线圈(7)上表面输出线形成的环形结构紧密接触；其轴径较小端从顶部穿出上磁轭(3)的中心孔，且上连接轴(8)的轴肩与上磁轭(3)中心孔的轴肩相对，并在两轴肩之间安装一圈滚珠(11)；沿上连接轴(8)的下端面在其中心加工带有内螺纹的盲孔；

所述下连接轴(10)为导电材料制成的阶梯轴，其采用与上连接轴(8)相同的方式安装在下磁轭(4)的中心孔内；其中下连接轴(10)轴径较大端的端部与线圈(7)下表面输出线形成的环形结构紧密接触，其轴径较小端的端部与下磁轭(4)的下表面间有间隙；在下连接轴(10)的中心加工带有内螺纹的通孔，该通孔通过线圈(7)中心孔与上连接轴(8)中心的盲孔贯通；

带有外螺纹的中间连接轴(9)依次穿过下连接轴(10)、线圈(7)和上连接轴(8)，与下连接轴(10)和上连接轴(8)上的内螺纹匹配连接；所述线圈(7)为发电机的转子；

所述涡轮(1)同轴固接在上连接轴(8)顶部位于发电机外壳(2)之外的部分。

2.根据权利1所述的轴向磁场磁电式微发电机，其特征在于，所述线圈(7)包括m层线圈，其中m为大于等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈。

3.根据权利2所述的轴向磁场磁电式微发电机，其特征在于，所述线圈(7)中每一层线圈均由两个以上外形为扇形的回形线圈绕其轴心相邻排列而成，每一层线圈中的各个回形线圈相互串联。

4.根据权利1所述的轴向磁场磁电式微发电机，其特征在于，所述上定子和下定子与发电机外壳(2)的连接处均采用过盈配合的安装形式。