CN1771652A - 具有加速单元的直线发电机 - Google Patents

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Abstract

直线发电机，包括静止的绕组和布置为相对于绕组轴向往复的电枢磁体，或静止的磁体结构和布置为相对于静止磁体结构往复的移动绕组。所述电枢磁体或静止磁体结构的形式为由多个单独磁体结构组成的多磁极磁体，每个磁极结构包括一对磁体，该对磁体结合在一起使得相似极性的磁极彼此面对。此外，所述绕组的形式为双绕组结构，包括布置在多层叠置结构中的至少一个第一顺时针绕组和至少一个第二逆时针绕组。

Description

具有加速单元的直线发电机
技术领域
本发明涉及在美国专利申请No.10/170715中所公开类型的直线发电机，更具体而言，涉及包含下列单元之一的直线发电机：
电枢磁体或多磁极静态磁体结构，该多磁极静态磁体结构具有一系列N-S交替磁极，并使用一种新颖的结合方法构造，该结合方法克服了高剩磁和矫顽性的问题，从而增加了磁通密度；
静态或可移动绕组，利用一种新颖的绕制方法构造，使得在直线移动过程中，获得最大的磁力线切割。
背景技术
在直线发电机中，磁性单元和绕组之间作直线式往复运动。该直线式往复运动在绕组中产生抵抗磁性单元运动的抗磁效应，减小电动势。
通常，发电机的运动部分是一个电枢，由单个磁体组成，该磁体穿过线圈作直线运动。为了对抗由抗磁效应引起的损耗，在2002年7月14日提交的美国专利申请No.10/170715建议采用多个绕组和磁性单元，并给发电机加上加速单元。加速单元的形式可以是弹性单元，如位于移动磁体的行程端点处的橡皮塞或金属弹簧，以便当磁体与弹性单元接合时，施加机械回弹力并反转方向；也可以是磁性材料或系统，当移动的磁体接近其行程端点时产生排斥力；还可以是机械和磁性单元的组合。
这样的直线发电机既紧凑又高效，可以将发电机的运动转换为各种电子设备(如蜂窝电话(这是共同未决的美国专利申请No.10/170717的主题)、便携式CD播放器等)的再充电功率源。这样就不再需要从电网获取充电功率，节约了能量，并减少了与发电对应的污染，并鼓励使用可再充电电池，减少了与一次性不可再充电电池有关的环境破坏。
一直以来对这样的功率源的市场开发的一个限制是合适大小和价格的磁体和线圈的磁效率相对较低，因为合适大小和价格的磁体和线圈一般磁通密度较低，和/或提供磁力线的低效率的分布。尽管已经有较高效率的磁体/线圈结构，例如美国专利No.5347186和No.5818132中公开的稀土磁体；美国专利No.4500827中公开的复合电枢和多线圈结构；美国专利No.4709176中公开的盘绕磁心；或者美国专利No.5975714中公开的复合线圈和层叠钕盘形磁体，但是这些磁体和/或线圈结构一般来说造价昂贵和/或过大，因而无法用于上述应用中。
此外，尽管可以通过在线圈结构中加入渗透材料来提高磁力线的分布，但渗透材料的缺点是不仅增加了结构的复杂性，而且增加了抗磁效应。
发明内容
因此，本发明的第一个目的是提供一种直线发电机，其制造简便，且足够紧凑和高效，适于用作诸如蜂窝电话、便携式CD播放器、手持式电子游戏机等电子设备中的再充电功率源，从而减少对电网的需求，进而减少能耗和污染，并增加对可再充电电池的需求，减少固体废物。
本发明的第二个目的是提供一种用于直线发电机的具有更大磁通密度的电枢。
本发明的第三个目的是提供一种用于直线发电机的具有更多磁力线和改进的磁力线分布的绕组结构，以优化与电枢的相互作用，并且不需要渗透性磁性材料。
本发明的第四个目的是提供一种制造高效、廉价、小型直线发电机的方法。
根据本发明第一优选实施例的原理，这些目的是通过一种直线发电机实现的，该直线发电机由多个轴向排列的绕组和设计为在绕组内往复直线运动的一个多磁极电枢构成，还包括加速单元，且加速单元的形式可以是：弹性单元，如位于移动磁体的行程端点处的橡皮塞或金属弹簧，以便当磁体与弹性单元接合时，施加机械回弹力并反转方向；也可以是磁性材料或系统，当移动的磁体接近其行程端点时产生排斥力；还可以是机械和磁性单元的组合。
根据本发明第一优选实施例的原理，所述多磁极电枢由多个独立的串联磁体构成，每个磁体包含一个北极和一个南极。
根据本发明第二优选实施例的原理，本发明的目的还可以通过一种直线发电机实现，该直线发电机由多个轴向排列的绕组构成，这些绕组围绕一个静止的多磁极磁体结构，并相对于该磁体结构作往复直线运动。所述多磁极磁体结构优选包括位于轴向排列的绕组内的单个多磁极磁体，并且还可以包括位于绕组外的并行磁体结构，或位于轴向排列的绕组内部和外部的同轴磁体结构。
在本发明的每个优选实施例中，所述电枢或静止多磁极磁体结构可以由磁体对通过粘合、烧结、焊接、熔接、绑接或类似的材料或技术构造，或通过两种或多种这样的结合方法的组合来构造。所述材料或技术作用在至少一个磁体的平坦表面上，使得一对磁体的相似磁极相互面对以构成磁极结构。然后在每个磁体的端部将N-S交替极性的磁极结构结合以形成矩形平行六面体形状的多磁极磁体。已经发现，这样的磁体结构中的磁通密度比对应的常规四极磁体结构要高得多。
此外，在本发明的每个优选实施例中，绕组可以包括一个无芯或空芯双绕组结构，其中所述线圈包括多层叠置的至少一个第一顺时针绕组和至少一个第二逆时针绕组，以使通过电枢和/或静止多磁极磁体结构的磁力线最大化，以促进磁力线的分布，使得电枢中与磁通的感应最大化，从而产生最大能量。
附图说明
图1是根据本发明的第一优选实施例的原理构造的一个直线发电机的简化图，包括一个静止线圈和一个具有串联N-S-N-S交替布置的多磁极磁性电枢磁体。
图2是根据本发明的第二优选实施例的一个直线发电机的简化图，包括一个静止线圈和一个具有串联N-S-S-N交替布置的多磁极磁性电枢磁体。
图2A和2B是沿图2中的直线IV-IV截取的图2的截面图。
图3是根据本发明的第二优选实施例的原理构造的直线发电机的一种具体实现的简化图，包括一个移动线圈和一个具有串联N-S-S-N交替布置的静止多磁极磁性定子结构。
图4图3所示发电机的一种变换形式的简化图，包括具有串联N-S-S-N交替布置的多个静止多磁极磁性定子结构。
图5是沿图4中的直线V-V截取的图4的截面图。
图6是沿图4中的直线V-V截取的图4的另一种截面图。
图7是沿图4中的直线V-V截取的图4的另一种截面图。
图8为表示图1-7所示直线发电机中采用的多磁极电枢或定子结构的构造的简化图。
图9A和9B是使用图8所示方法构造的多磁极电枢或定子结构的简化图。
图10是适合用于图1所示直线发电机中的多绕组布置的简化图。
具体实施方式
参考图1和2，直线发电机1包括多个静止线圈绕组11和移动的多磁极电枢12，每个电枢由串联连接的双磁极磁体和/或N-S交替的单磁极结构14S和14N构成。图2A和2B示出沿图2中的直线IV-IV截取的图2的截面图。串联连接的双磁极磁体也可以由双磁极磁体对构造，如图8、9A和9B所示以及下面的描述。但是，本发明不限于多对双磁极磁体，而是还可以通过单对磁极结构实现。
为了克服由电枢12和绕组11的磁场之间的感应引起的拖曳，图1和图2所示两个优选实施例中的直线发电机包括加速单元13A和13B，位于绕组的每个端点处，在电枢12的相应的路径中，如图1和2所示。
加速单元13A和13B可以由弹性材料如橡胶、弹簧或其组合构成，也可以由产生反对电枢12的排斥力的磁性材料或系统构成，还可以由弹性和磁性单元结合构成。加速单元也可以是产生回弹或排斥力的机器、设备或系统的部件。此外，该第一实施例的绕组11可以是移动的，而电枢12可以是静止的，其中将加速单元针对绕组11布置，以产生反对绕组而不是电枢的排斥力。
可选地，根据本发明第二优选实施例的原理，图1和2的静止线圈和移动电枢磁体可以由位于移动线圈31内的静止多磁极磁体结构32代替，如图3所示。静止多磁极磁体结构32的构造可以与图1和/或2的多电枢相同，但相对于外壳(未示出)固定。类似地，在图3的具体例子中，加速单元(未示出)也可以布置为产生反对移动绕组31的排斥力。这些加速单元的配置可以类似于结合图1和2中的电枢12所描述的配置，但这不是必须的。
为了进一步增加通过线圈31的磁力线，可以将图2和3的发电机修改为包括附加的静止磁体结构42，这些磁体结构42不限于一层磁体结构，而是可以位于线圈31外部，如图4和5所示。磁体结构42也是由串联连接的双极磁体构成，尽管各个双极磁体不必与中心磁体结构的构造相同。
图6示出图4和5所示发电机结构的一种变换形式，其中多磁极磁体32由结合在一起的两个半圆柱结构组成，并且多磁极磁体42具有中空圆柱结构，包括结合在一起的两个弧形结构，线圈31和磁体32和42同轴排列。可选地，如图7所示，外部磁体结构可以包括具有近似半圆形截面的多个磁体42，或者由具有弧形截面的多个磁体(未示出)代替，这些磁体占发电机的圆周的三分之一、四分之一、或更小的段。本领域的技术人员容易理解，多个磁体42不限于上述形状。
如图8所示，图1-7所示的任意实施例中的磁极磁体结构12、32或42最好由N-S交替串联连接的磁体对1，2；3，4；和5，6构成，这些磁体对组成图9A和9B所示的磁极结构。每个磁体对1，2；3，4；和5，6包含至少两个具有端部7、8的单独平行六面体形状的双磁极磁体，该至少两个磁体在两个端部之间具有相似和/或相反的磁极，和/或在圆柱磁体结构的情况下，包括具有端部7、8的单独半圆柱形状的双磁极磁体(未示出)，该磁体在两个端部之间具有相似和/或相反的磁极。所述交替的磁极结构可以通过磁化一个金属磁心来制成，或者在优选实施例中通过结合分别磁化的磁极结构来制成，但本发明不限于形成或构造交替磁极结构的某一特定方法。
一个对中的每个磁体通过在一个磁体的至少一个侧面9上涂敷粘合剂来结合到该对中的另一个磁体，或者通过熔接、焊接、绑接、烧结、或任意其它合适的结合方法，或者通过两个或多个不同结合方法的组合，使得各个磁体的相似磁极彼此相对。
如图9A和9B所示，磁体对1，2；3，4；和5，6通过粘合、熔接、焊接、绑接、烧结等，或通过在磁体的对应端部7和8上执行上述结合方法中的任意两种或多种的组合来结合到一起，以形成多磁极电枢12或多磁极磁性定子结构32。如上所述，已经发现，所示多磁极磁体结构的磁通密度显著高于不按照所示方法将单个磁体构造成对的多磁体结构。
图1-7所示直线发电机的对应绕组11和/或31构成一个空心线圈，其中相邻的绕组按照相反的方向绕制，以便以最有效的方式与磁极磁体结构12和/或32的相反磁极进行磁感应。具体地，如图10所示，第一绕组11A可以按照沿线圈轴看时顺时针的方向绕制，第二绕组11B可以逆时针方向绕制，第三绕组11C可以顺时针方向绕制，第四绕组11D可以逆时针方向绕制。绕组11和/或31的间隔和个数根据各个磁极磁体12和/或32的磁极的间隔和个数很容易调整，以便针对磁极磁体结构的模拟运动进行优化，从而实现理想的磁力线切割效率和发电机的最大能量输出。
但是，本发明的绕组个数不限于附图所示的情况，只要至少包括一个线圈绕组即可。此外，绕组可以是多层叠层布置的至少一层。
为了避免发生不期望的磁阻，最好不要为绕组11和/或31提供渗透性材料。
以上详细描述了本发明的两个优选实施例，以使本领域的技术人员能够制作和使用本发明，但应当理解，在不脱离本发明的精神的情况下可以对上述实施例进行多种变化和修改。例如，如上所述，在由单个的双磁极磁体对构造电枢磁体时，这些单个的双磁极磁体和双磁极磁体对可以通过其它结合方式结合在一起，而不是采用粘合剂，如通过熔接、焊接、锡焊、烧结，或通过一种或多种这些方法的任意组合。此外，磁极结构的个数可以是大于1的任意数，即至少为2，且磁极磁体的结构形状不限于上述实施例，而可以包括矩形、椭圆形、或其它几何形状。此外，磁极磁体结构的布置也不限于N-S-N-S和/或N-S-S-N极性，而是可以扩展到N-S交替极性的其它组合。因此，本发明将不限于以上的描述或附图，其范围仅由所附的权利要求来限定。

Claims (49)

1.一种直线发电机，包括：沿一个轴排列的多个绕组；至少一个磁性电枢，该电枢布置为在施加外力时，沿所述轴相对于所述绕组移动；以及在所述轴的端部提供的至少一个加速单元，用于向所述磁性电枢施加一个力，以便使其移动方向反向，并加速其移动，其中所述磁性电枢包括至少一个磁极结构，该磁极结构具有串联布置的N-S交替极性的磁极。
2.如权利要求1所述的直线发电机，其中所述磁极结构包括一对具有两个端部和侧面的平行六面体形状的单独双磁极磁体，该对中的所述双磁极磁体在所述侧面处结合到一起，使得相似的磁极彼此面对，且所述对在所述单独磁体的端部结合在一起，组成所述磁极结构。
3.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过粘合剂结合在一起。
4.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过焊接结合在一起。
5.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过烧结结合在一起。
6.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过绑接结合在一起。
7.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述磁极结构通过粘合剂结合在一起。
8.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述磁极结构通过烧结结合在一起。
9.如权利要求2所述的直线发电机，其中所述磁极结构通过绑接结合在一起。
10.如权利要求1所述的直线发电机，其中所述绕组从所述轴的一个方向看，以交替的顺时针方向和逆时针方向绕制，且其中所述绕组具有至少一个，每个所述绕组以多层叠置的方式布置。
11.如权利要求1所述的直线发电机，其中所述加速单元由弹性材料制成。
12.如权利要求11所述的直线发电机，其中所述加速单元由橡胶制成。
13.如权利要求11所述的直线发电机，其中所述加速单元由弹簧制成。
14.如权利要求1所述的直线发电机，其中所述加速单元包括磁性材料或系统，该磁性材料或系统产生对所述磁性单元的排斥力。
15.如权利要求14所述的直线发电机，其中所述加速单元进一步包括弹性元件。
16.如权利要求14所述的直线发电机，其中所述加速单元包括一个磁体，该磁体的极性与对应电枢端部的一个磁极结构的极性相同，从而当磁性单元移动到靠近该端部时，排斥该磁性单元。
17.如权利要求1所述的直线发电机，其中在所述轴的每个端部提供至少一个所述加速单元。
18.如权利要求1所述的直线发电机，包括多个所述电枢。
19.构造用于权利要求1所述直线发电机中的磁体的方法，包括步骤：
提供至少一对单独平行六面体形状的双磁极磁体，每个单独平行六面体形状的双磁极磁体具有一对端面；
将所述单独平行六面体形状的双磁极磁体的侧面结合以形成所述对，使得相似的磁极彼此面对并粘合在一起；
结合所述磁体的端面以形成串联连接的磁体结构，包括至少两个N-S交替极性的相对磁极。
20.一种直线发电机，包括：
至少一个静止的磁性结构；
多个绕组，布置为当施加外力时，平行于所述结构的轴相对于所述磁性结构移动；和
在所述轴的端部提供的至少一个加速单元，用于向所述绕组施加一个力，以便使绕组的移动方向反向并加速它们的移动；
其中所述磁性结构包括至少一个磁极结构，该磁极结构具有串联布置的N-S交替极性的磁极。
21.如权利要求1或20所述的直线发电机，其中所述磁性结构包括沿所述轴延伸通过所述绕组的第一多磁极磁体。
22.如权利要求21所述的直线发电机，其中所述磁性结构包括至少一个在所述绕组的外侧平行于所述第一多磁极磁体延伸的附加多磁极磁体。
23.如权利要求22所述的直线发电机，其中所述第一多磁极磁体由结合在一起的两个半圆柱结构构成，且所述至少一个附加多磁极磁体是中空圆柱结构，具有结合在一起的两个弧形结构，并与所述第一多磁极磁体共轴。
24.如权利要求22所述的直线发电机，其中所述第一多磁极磁体是实心圆柱，且所述至少一个附加多磁极磁体具有半圆形截面。
25.如权利要求20所述的直线发电机，其中每个所述磁极结构包括一对具有两个端部和侧面的平行六面体形状的单独双磁极磁体，该对中的所述双磁极磁体在所述侧面处结合到一起，使得相似的磁极彼此面对，且所述对在所述单独磁体的端部结合在一起，组成所述磁极结构。
26.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过粘合剂结合在一起。
27.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过焊接或熔接结合在一起。
28.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过烧结结合在一起。
29.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述单独双磁极磁体通过绑接结合在一起。
30.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述磁极结构通过粘合剂结合在一起。
31.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述磁极结构通过烧结结合在一起。
32.如权利要求25所述的直线发电机，其中所述磁极结构通过绑接结合在一起。
33.如权利要求20所述的直线发电机，其中所述绕组从所述轴的一个方向看，以交替的顺时针方向和逆时针方向绕制，且其中所述绕组具有至少一个，每个所述绕组以多层叠置的方式布置。
34.如权利要求20所述的直线发电机，其中所述加速单元由弹性材料制成。
35.如权利要求34所述的直线发电机，其中所述加速单元由橡胶制成。
36.如权利要求34所述的直线发电机，其中所述加速单元由弹簧制成。
37.如权利要求20所述的直线发电机，其中所述加速单元包括磁性材料或系统，该磁性材料或系统产生对所述磁性单元的排斥力。
38.如权利要求37所述的直线发电机，其中所述加速单元进一步包括弹性元件。
39.如权利要求20所述的直线发电机，其中在所述轴的每个端部提供至少一个所述加速单元。
40.构造用于权利要求20所述直线发电机中的磁体的方法，包括步骤：
提供至少一对单独平行六面体形状的双磁极磁体，每个单独平行六面体形状的双磁极磁体具有一对端面和一对侧面；
将所述单独平行六面体形状的双磁极磁体的侧面结合以形成所述对，使得相似的磁极彼此面对并粘合在一起；
结合所述磁体的端面以形成串联连接的磁体结构，包括至少两个N-S交替极性的相对磁极。
41.一种用于直线发电机的磁体结构，包括具有串联布置的交替极性的至少一个磁极结构，其中所述磁极结构包括至少一对具有两个端部和侧面的单独平行六面体形状的双磁极磁体，所述对中的双磁极磁体在所述侧面结合在一起，使得相似的磁极彼此面对，且所述对在所述单独双磁极磁体的端部结合在一起，以形成所述磁极结构。
42.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述单独的双磁极磁体通过粘合剂结合在一起。
43.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述单独的双磁极磁体通过焊接或熔接结合在一起。
44.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述单独的双磁极磁体通过烧结结合在一起。
45.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述单独的双磁极磁体通过绑接结合在一起。
46.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述磁极结构通过粘合剂结合在一起。
47.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述磁极结构通过烧结结合在一起。
48.如权利要求41所述的磁体结构，其中所述磁极结构通过绑接结合在一起。
49.一种用于直线发电机中的绕组结构，包括：具有至少一个绕组的多个绕组，其中每个绕组在多层叠置布置的至少一层中形成，所述绕组包括至少一个第一顺时针绕组和至少一个第二逆时针绕组。
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