一种两自由度双定子永磁发电机

1.本发明涉及到电机技术，具体涉及到两自由度电机，特别涉及一种两自由度双定子永磁发电机。


背景技术：

2.两自由度电机的概念已经提出了近七十年的时间，随着电机理论的不断完善以及机械制造水平的不断提高，该类电机在智能加工制造、机器人、国防科技等领域的优势渐渐显现，从而引起了国内外众多学者的广泛关注。通过国内外学者近半个世纪的共同努力，两自由度电机在拓扑结构创新、理论分析深度方面取得了重要突破，其作为电动机在智能加工制造、机器人、国防科技等领域的应用取得了一些阶段性成果。近年来，随着全球环境污染和能源危机两大问题日益严重，清洁能源与可再生能源的有效开发成为了世界各国共同关注的课题。海上风能与波浪能的蕴藏量巨大，风能可以通过叶片收集，叶片带动旋转发电机进行发电，波浪能通过机械传统传动装置进行收集，转化成旋转方向的运动或直接驱动的直线方向的运动，分别带动旋转发电机或直线发电机进行发电。可以发现，海上风能和波浪能的收集与转换都需要各自的发电机及传动装置，这造成了较大的能量损失。因此，若有一种发电机可以将风能与波浪能同时收集并转化将能大大提高系统效率并降低系统体积。近年来有相关研究提出将两自由度电机作为发电机与风浪结合发电系统进行结合，这一想法是应对国家可持续发展战略的大胆创新，能为国家的环境保护、海上资源开发做出重要贡献。但是与两自由度电动机相比，两自由度发电机的研究还相对不足。除此之外，考虑到海上环境中设备的维护成本很高，这种风浪结合发电系统对所基于的两自由度发电机的结构及性能提出了较高的要求，亟待技术人员提出具有高发电性能、高可靠性的两自由度发电机新拓扑结构。
3.综上所述，提供一种两自由度双定子永磁发电机已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有风浪结合发电系统急需高发电性能、高可靠性的两自由度发电机的问题，本发明设计了一种两自由度双定子永磁发电机，结合磁通切换永磁电机的原理以及开关磁阻电机坚固的结构，以期满足发电系统的具体要求。
5.为了解决上述技术问题，本技术一种两自由度双定子永磁发电机，它由外定子铁心(1)、外定子永磁体(6)、外定子绕组(7)、动子(2)、内定子铁心(3)、内定子永磁体(4)、内定子绕组(5)、圆饼型辅助铁心(8)组成，外定子永磁体(6)沿切向充磁，内定子永磁体(4)沿轴向充磁，外定子铁心(1)、外定子永磁体(6)、外定子绕组(7)以及动子(2)外侧磁极和轭部构成旋转发电机单元，内定子铁心(3)、内定子永磁体(4)、内定子绕组(5)、圆饼型辅助铁心(8)以及动子(2)轭部和内侧磁极构成直线发电机单元。
6.可选地，旋转发电机单元横截面上共有m1相，其各相绕组串联连接，旋转发电机单
元共有2m1n1个磁极、2m1n1个永磁体，n1为自然数；直线发电机单元轴向面上共有m2相，其各相绕组串联连接，直线发电机单元共有(m2n2+1)磁极、(m2n2+1)个永磁体，n2为自然数。
7.可选地，外定子铁心(1)为2m1n1个u型结构铁磁环，内定子铁心(3)为m2n2个哑铃型铁心，外定子铁心(1)和内定子铁心(3)均是硅钢片叠压而成。
8.可选地，直线发电机单元为短初级、长次级结构，内定子在内定子定子铁心(3)和内定子永磁体(4)交替排布后，两侧再各自放置两个圆饼型辅助铁心(8)以削弱端部效应对电机性能的影响，圆饼型辅助铁心(8)由硅钢片叠压铁心。
9.可选地，外定子铁心(1)与外定子永磁体(6)沿圆周间隔交替放置，放置后旋转发电机单元共有2m1n1个磁极；内定子铁心(3)与内定子永磁体(4)沿轴向间隔交替放置，同时结合两侧的两个圆饼型辅助铁心(8)，直线发电机单元共有(m2n2+1)个磁极。
10.可选地，外定子绕组(7)缠绕在2m1n1个外定子磁极上，共有2m1n1个线圈，旋转发电机单元的每相绕组所属线圈共2n1个，缠绕方向相同；内定子绕组(5)缠绕在m2n2个哑铃型内定子铁心(3)的轭部，共有m2n2个线圈，旋转发电机单元的每相绕组所属线圈共n2个，缠绕方向相同。
11.可选地，动子(2)外侧沿圆周轴向开槽，其磁极个数小于等于(2m1n1‑
1)个，动子(2)内侧沿径向开槽，其相对于内定子总长度的动子(2)内侧磁极个数小于等于m2n2个。
12.可选地，外定子永磁体(6)沿切向充磁，且其相邻永磁体充磁方向交替相对，2m1n1个外定子永磁体(6)的充磁方向依次为(α,(α+1
×
360
°
/2m1n1+180
°
),(α+2
×
360
°
/2m1n1),(α+3
×
360
°
/2m1n1+180
°
),
……
(α+(2m1n1‑
1)
×
360
°
/2m1n1+180
°
))，内定子永磁体(4)沿轴向充磁，且其相邻永磁体充磁方向交替相对，(m2n2+1)个内定子永磁体(4)的充磁方向依次为(β,β+180
°
,β,β+180
°
,
……
)。
13.本发明的一种两自由度双定子永磁发电机的有益效果有：具有双电枢、双绕组结构，旋转发电机单元为集中绕组，直线发电机单元为环形绕组，绕组整体端部较短，两套独立绕组使得系统容错能力强、可靠性高、控制灵活；旋转发电机单元和直线发电机单元共用同一个动子，电机结构紧凑，集成度高；永磁体和绕组均安置在定子上，便于散热，动子结构上无绕组和永磁体，适合海浪发电系统的强震环境，发电机结构坚固可靠。
14.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书部分阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
16.图1是本发明的一种两自由度双定子永磁发电机轴向截面示意图。
17.图2是本发明的一种两自由度双定子永磁发电机横向截面示意图。
18.图3是本发明的一种两自由度双定子永磁发电机旋转发电机单元的绕组分布示意图。
19.图4是本发明的一种两自由度双定子永磁发电机直线发电机单元的绕组分布示意图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于本限定本发明。
21.下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
22.如图1和图2所示，为本技术实施例提供的一种两自由度双定子永磁发电机轴向截面示意图及一种两自由度双定子永磁发电机横向截面示意图。
23.本实施例的一种两自由度双定子永磁发电机由外定子铁心(1)、外定子永磁体(6)、外定子绕组(7)、动子(2)、内定子铁心(3)、内定子永磁体(4)、内定子绕组(5)、圆饼型辅助铁心(8)组成，外定子永磁体(6)沿切向充磁，内定子永磁体(4)沿轴向充磁，外定子铁心(1)、外定子永磁体(6)、外定子绕组(7)以及动子(2)外侧磁极和轭部构成旋转发电机单元，内定子铁心(3)、内定子永磁体(4)、内定子绕组(5)、圆饼型辅助铁心(8)以及动子(2)轭部和内侧磁极构成直线发电机单元。
24.本实施例旋转发电机单元选用三相电机，每相共有4个磁极，即m1＝3，n1＝2，旋转发电机单元共有12个磁极、12个永磁体；本实施例直线发电机单元选用三相电机，即m2＝3，而考虑动子直线行程的需求，选取n2＝3，本实施例直线发电机单元共有10个磁极、10个永磁体。外定子铁心具有12个u型结构铁磁环，内定子铁心为9个哑铃型铁心，外定子铁心和内定子铁心均是硅钢片叠压而成。外定子u型结构铁磁环与外定子永磁体沿圆周间隔交替放置；内定子哑铃型铁心与内定子永磁体沿轴向间隔交替放置，同时结合两侧的两个圆饼型辅助铁心。直线发电机单元的9个哑铃型铁心配合两次两个圆饼型辅助铁心所形成的直线发电机单元10个磁极，有助于削弱短初级、长磁极结构造成的端部效应对电机性能的影响。如图3所示为本实施例的一种两自由度双定子永磁发电机旋转发电机单元的绕组分布示意图，外定子绕组缠绕在12个外定子磁极上，共有12个线圈，分别是ra1、ra2、ra3、ra4、rb1、rb2、rb3、rb4、rc1、rc2、rc3、rc4，旋转发电机单元每相绕组所属线圈共4个，缠绕方向相同，ra1、ra2、ra3、ra4属于旋转发电机单元的a相，rb1、rb2、rb3、rb4属于旋转发电机单元的b相，rc1、rc2、rc3、rc4属于旋转发电机单元的c相。如图4所示为本实施例的一种两自由度双定子永磁发电机直线发电机单元的绕组分布示意图，内定子绕组缠绕在9个哑铃型内定子铁心的轭部，共有9个线圈，分别是la1、la2、la3、lb1、lb2、lb3、lc1、lc2、lc3，直线发电机单元的每相绕组所属线圈共3个，缠绕方向相同，la1、la2、la3属于直线发电机单元的a相，lb1、lb2、lb3属于直线发电机单元的b相，lc1、lc2、lc3属于直线发电机单元的c相。动子外侧沿圆周轴向开槽，其磁极个数小于等于11个，本实施例的动子外侧磁极个数选择为10个；动子内侧沿径向开槽，其相对于内定子总长度的动子内侧磁极个数小于等于9个，本实施例的动子内侧磁极个数选择为9个。外定子永磁体沿切向充磁，且其相邻永磁体充磁方向交替相对，12个外定子永磁体的充磁方向依次为(α,α+210
°
,α+60
°
,α+270
°
,α+120
°
,α+330
°
,α+180
°
,α+30
°
,α+240
°
,α+90
°
,α+300
°
,α+150
°
)，内定子永磁体沿轴向充磁，且其相邻永磁体充磁方向交替相对，10个内定子永磁体的充磁方向依次为(β,β+180
°
,β,β+180
°
,β,β+180
°
,β,β+180
°
,β,β+180
°
)。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本分发明的保护范围之内。