專利名稱：永磁體發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及用于與風(fēng)力渦輪機(jī)一起使用的永磁體發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明延伸至用于制造永磁體發(fā)電機(jī)的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置并且是眾所周知的。法拉第定律中能夠發(fā)現(xiàn)這些發(fā)電機(jī)的基本操作原理，法拉第定律在最基本的形式中陳述了在垂直通過磁場(chǎng)的電導(dǎo)體的端部之間產(chǎn)生電勢(shì)差。更具體地，在任何閉合電路中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)(EMF)等于通過電路的磁通量的時(shí)間變化率。發(fā)電機(jī)在其最簡(jiǎn)單的形式中包括轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分而定子是固定部分。一種特定類別的發(fā)電機(jī)使用安裝在轉(zhuǎn)子或定子上的永磁體(PM)以建立發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)(磁通)。這些發(fā)電機(jī)稱為永磁體發(fā)電機(jī)。導(dǎo)電材料(通常為銅線)的線圈固定到發(fā)電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子上，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)電繞組的運(yùn)動(dòng)在繞組中感應(yīng)出電流。如此感應(yīng)的電流可以隨后用于給電器供電或者通過例如使電池充電來儲(chǔ)存電荷。發(fā)電機(jī)目前使用在多種應(yīng)用中，但是正變得越來越普遍地用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，這主要是因?yàn)榻柚陲L(fēng)力發(fā)出的電被認(rèn)為是清潔的能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械(主要是旋轉(zhuǎn))能，隨后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成有用的電能。基本的風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括安裝在用于在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)的軸上的多個(gè)翼型葉片。該旋轉(zhuǎn)被賦予發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)進(jìn)而發(fā)電。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在多個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)這種缺點(diǎn)是大多數(shù)這種發(fā)電機(jī)利用鐵芯定子。除了與鐵芯相關(guān)的高成本以外，它們還沉重并且需要另外的資源和支持以安裝、穩(wěn)定和維護(hù)。鐵芯定子還經(jīng)受齒槽轉(zhuǎn)矩，這是由于PM電機(jī)的轉(zhuǎn)子的永磁體與定子槽之間的相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。它也被稱為定位轉(zhuǎn)矩或“無電流”轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)于鐵芯發(fā)電機(jī)的操作而言是不期望的成分。其在較低速度時(shí)是特別突出的并且自身表現(xiàn)為不連續(xù)旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的另外的缺點(diǎn)是與其維修和維護(hù)相關(guān)的費(fèi)用。具體地，當(dāng)在轉(zhuǎn)子或定子上的繞組磨損或有缺陷時(shí)，需要高度熟練的技術(shù)人員進(jìn)行維修或維護(hù)。傳統(tǒng)的鐵芯定子的重量和難操縱性也經(jīng)常需要使用機(jī)械或技術(shù)人員組以進(jìn)行甚至常規(guī)的維護(hù)。一種改進(jìn)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(已經(jīng)獲得一些成功，尤其是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中獲得一些成功)被公知為雙側(cè)轉(zhuǎn)子、空氣芯式永磁體發(fā)電機(jī)。由于其空氣芯定子，發(fā)電機(jī)不會(huì)存在上述由重鐵芯發(fā)電機(jī)所導(dǎo)致的一些缺點(diǎn)。這些發(fā)電機(jī)具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如無芯損耗、零齒槽轉(zhuǎn)矩，定子與轉(zhuǎn)子之間無吸引力以及可原位更換故障定子的能力。但是，定子仍然難以維修和維護(hù)，并且仍然需要高度熟練的技術(shù)人員和昂貴的設(shè)備來做這些。另外，這些機(jī)器經(jīng)受兩個(gè)PM轉(zhuǎn)子之間的大的吸引力，并且由于它們具有轉(zhuǎn)子與定子之間的較大空氣隙的事實(shí)而通常需要較大數(shù)量的PM磁體進(jìn)行操作
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種至少部分緩解上述問題中的一些的永磁體發(fā)電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于永磁體發(fā)電機(jī)的空氣芯定子，所述空氣芯定子包括基部，所述基部具有圍繞其表面的間隔開的附接結(jié)構(gòu)；以及多個(gè)定子模塊，每個(gè)定子模塊具有互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)，其中，所述定子模塊各包括至少一個(gè)非重疊導(dǎo)電繞組，并且借助于所述附接結(jié)構(gòu)以并列配置的方式可釋放地固定至所述基部，以形成基本圓形的定子本體。本發(fā)明的另外的特征設(shè)置為使所述基部為圓盤形并且限定有圍繞其周緣的孔，所述孔用作所述附接結(jié)構(gòu)；并且每個(gè)定子模塊由聚合物樹脂、優(yōu)選地由環(huán)氧樹脂一體模制而成，并且具有局部圓形外表面、弧形本體和凸緣，所述凸緣沿所述本體的凹入曲率的方向從所述本體的邊緣基本垂直地突出，所述互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)為在所述凸緣中限定且間隔開的孔，以與位于所述基部上的所述附接結(jié)構(gòu)相配準(zhǔn)，從而容許將所述模塊栓接至所述基部。本發(fā)明的又一特征提供為使所述模塊的所述外表面在所有所述模塊固定至所述基部時(shí)形成基本連續(xù)的環(huán)狀定子表面；所述定子模塊的所述本體在固定至所述基部時(shí)形成從所述基部基本垂直突出的基本連續(xù)的環(huán)狀定子本體；每個(gè)定子模塊包括以并列配置的方式布置在所述弧形本體上的多個(gè)基本橢圓形導(dǎo)電線圈，線圈的縱向軸線彼此基本平行且延伸跨過所述環(huán)狀定子本體的寬度；所述線圈為非重疊的且緊湊纏繞的，并且在模制所述定子模塊期間嵌入所述聚合物樹脂內(nèi)，而所述線圈的連接區(qū)域延伸到所述模塊的外部以用于在所述模塊本體外部的電連接。本發(fā)明還提供了用于產(chǎn)生電力的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)包括渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子安裝用于由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)；以及發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)聯(lián)接至所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，使得所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括設(shè)置在兩個(gè)大致環(huán)狀轉(zhuǎn)子部分之間的磁性空氣隙中的空氣芯定子，所述轉(zhuǎn)子部分安裝為在所述空氣芯定子的相反兩側(cè)上一起旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子部分包括交替極性的永磁體陣列，使得當(dāng)所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所述永磁體往復(fù)地驅(qū)動(dòng)磁通在所述轉(zhuǎn)子部分之間穿過所述空氣芯定子；所述風(fēng)力渦輪機(jī)的特征在于，所述空氣芯定子由多個(gè)定子模塊構(gòu)成，每個(gè)定子模塊支承位于所述磁性空氣隙中的一個(gè)或更多個(gè)緊湊纏繞的導(dǎo)電線圈。本發(fā)明的另外的特征設(shè)置為使所述空氣芯定子包括基部，所述基部能夠固定到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的固定支承結(jié)構(gòu)上，并且所述多個(gè)定子模塊以并列配置的方式固定至所述基部，每個(gè)定子模塊具有大致弧形的本體，使得所述定子模塊的所述本體在固定至所述基部時(shí)形成從所述基部基本垂直突出且突出到磁性空氣隙內(nèi)的基本連續(xù)的環(huán)狀定子本體；每個(gè)定子模塊由聚合物樹脂、優(yōu)選地由環(huán)氧樹脂一體模制而成，一個(gè)或更多個(gè)緊湊纏繞的導(dǎo)電線圈嵌入所述樹脂內(nèi)并且構(gòu)造為在所述定子模塊本體的外部電連接；每個(gè)線圈具有由多個(gè)單獨(dú)絕緣的導(dǎo)線構(gòu)成的多相繞組，所述導(dǎo)線以集中方式纏繞而具有兩個(gè)獨(dú)立部分，即有效長(zhǎng)度部分和端匝部分，所述端匝部分在使用時(shí)設(shè)置在所述磁性空氣隙的外部而主要周向地橫穿，并且所述有效部分設(shè)置在所述磁性空氣隙內(nèi)而主要非周向且垂直于所述磁性空氣隙的方向橫穿。本發(fā)明還進(jìn)一步提供了用于永磁體發(fā)電機(jī)的模塊化定子的定子模塊，所述定子模塊包括一體模制的、聚合物樹脂本體，所述本體具有大致弧形的形狀；和凸緣，所述凸緣沿所述本體的凹入曲率的方向從所述本體的邊緣基本垂直地突出；在所述凸緣中限定的至少一個(gè)孔；以及至少一個(gè)導(dǎo)電繞組。本發(fā)明的另外的特征提供為使所述導(dǎo)電繞組為緊湊纏繞的線圈，所述線圈具有纏繞為大致橢圓形形狀的多個(gè)導(dǎo)電繞組，所述線圈嵌入所述模塊本體內(nèi)；并且所述定子模塊包括嵌入所述本體中的多個(gè)線圈，使得所述線圈并列地布置而線圈的主軸線彼此平行且跨過所述模塊本體的寬度。本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種制造雙側(cè)轉(zhuǎn)子、徑向磁通、空氣芯式永磁體發(fā)電機(jī)的方法，所述方法包括下述步驟將多個(gè)交替極性的永磁體的陣列附接至鐵磁性背鐵磁軛且將所述陣列固定到所述發(fā)電機(jī)的兩個(gè)徑向間隔開的轉(zhuǎn)子部分的內(nèi)表面上，使得所述永磁體驅(qū)動(dòng)磁通往復(fù)地通過所述定子部分之間的空氣隙；將具有多個(gè)附接結(jié)構(gòu)的定子基部固定到所述發(fā)電機(jī)的固定支承結(jié)構(gòu)上；將多個(gè)單獨(dú)模制的、非磁性定子模塊橫向地插入所述空氣隙內(nèi)，其中每個(gè)模塊具有弧形模塊本體、互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)和嵌入所述模塊本體中的至少一個(gè)導(dǎo)電繞組；以及借助于在所述基部上的所述附接結(jié)構(gòu)和所述模塊的所述互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)將每個(gè)定子模塊固定至所述定子基部，使得當(dāng)所有所述定子模塊以并列配置的方式連接至所述定子基部時(shí)所述定子模塊的所述模塊本體形成位于所述空氣隙中的環(huán)狀定子本體。本發(fā)明的另外的特征提供為使所述方法包括下述步驟將至少一個(gè)緊湊纏繞的線圈嵌入到每個(gè)模塊本體內(nèi)，并且將多個(gè)線圈嵌入到每個(gè)定子模塊本體內(nèi)，使得它們并列地布置而主軸線彼此平行并且跨過所述環(huán)狀定子本體的寬度。


現(xiàn)在將僅通過示例參照附圖描述本發(fā)明，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的示意性局部剖視立體圖2是圖1中所示的發(fā)電機(jī)的第二局部剖視立體圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的模塊定子的示意立體圖4是雙轉(zhuǎn)子空氣芯RFPM發(fā)電機(jī)的橫截面；
圖5是表示在不同地點(diǎn)的風(fēng)速分布的示例的圖6是在說明書中提到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效電路；
圖7是表示渦輪葉片的功率曲線的圖8是表示對(duì)于給定的空氣隙磁通密度而言磁體成本和高度對(duì)比磁體等級(jí)的圖9是示出了典型的發(fā)電機(jī)特征的表格；
圖10表示具有4mm的磁軛壁厚度的磁軛變形；
圖11是PM發(fā)電機(jī)的電磁FE場(chǎng)的圖12是表示發(fā)電機(jī)零件的近似成本的餅圖13是表示發(fā)電機(jī)零件的質(zhì)量分布的餅圖14是表示代表用于發(fā)電機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)的開路相電壓的圖15是簡(jiǎn)化的負(fù)載測(cè)試相圖，其中δ = 51° ；以及
圖16是表示當(dāng)在三相平衡的電阻負(fù)載系統(tǒng)中使用時(shí)FE計(jì)算的發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的圖Io
具體實(shí)施方式
在圖1和圖2中圖示的本發(fā)明的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)整體上由附圖標(biāo)記(1)表示，并且包括呈軸形式的主支承結(jié)構(gòu)(3)，該主支承結(jié)構(gòu)(3)作為用于整個(gè)發(fā)電機(jī)的支承部。在該設(shè)計(jì)中不旋轉(zhuǎn)的軸借助于穿過位于軸基部(7)中的螺栓孔( 的非永久螺栓連接而緊固至風(fēng)力渦輪機(jī)塔或機(jī)艙(未示出)。兩個(gè)相似的深溝槽滾珠軸承(9)設(shè)置在軸上。軸承將固定軸( 連接到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(11)上。為了將軸承保持在位且間隔開，鋁墊片(1 在介于軸承之間的軸上滑動(dòng)。圓形夾具或卡環(huán)(1 防止前軸承(17)從軸的端部滑落，而位于軸基部(7)中的臺(tái)階(19)將后軸承保持在位。轉(zhuǎn)子軸承轂和前板09)用于使兩個(gè)轉(zhuǎn)子部分與軸承接合。轉(zhuǎn)子轂具有圍繞兩個(gè)軸承的密配合，并且通過多個(gè)平頭螺釘(未示出)緊固在位。圓形前板09)借助于另外的螺釘(3 連接到從轂突出的凸緣(31)上。轉(zhuǎn)子部分(其是一對(duì)圓柱形鐵磁性鋼轉(zhuǎn)子，分別形成內(nèi)轉(zhuǎn)子(33)和外轉(zhuǎn)子(35))借助于另外的螺釘(37)間隔開地安裝在前板的周緣上。轉(zhuǎn)子(33和35)是同心的并且限定介于它們之間的均勻空氣隙(39)。由鋁制造的前板還用于安裝三個(gè)翼型提升葉片(未示出)。葉片等距(120度)地間隔開以確保平衡的組件。轉(zhuǎn)子(33和35)部分地用作用于多個(gè)交替極性永磁體陣列的磁軛。在當(dāng)前實(shí)施例中，在內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子上設(shè)有32個(gè)永磁體。在外轉(zhuǎn)子(3 上的磁體設(shè)置為面向內(nèi)，而在內(nèi)轉(zhuǎn)子(3 上的磁體設(shè)置為面向外，并且兩者均朝向空氣隙。當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體在位于空氣隙中的轉(zhuǎn)子部分之間往復(fù)地驅(qū)動(dòng)磁通。定子03)具有由鋁制造的圓形基部板05)?；堪?5)借助于多個(gè)螺栓G7)安裝在主軸(3)的基部(7)上。墊圈板09)也可以在基部05)的頂部上附接到定子G3)的內(nèi)部，以協(xié)助定子^幻的制造和安裝，但是，申請(qǐng)人預(yù)見，這種墊圈板在優(yōu)選組件中可以省略。定子還具有環(huán)狀定子本體(51)，定子本體(51)具有圖3中更詳細(xì)示出的圓筒形定子外表面(52)，定子本體(51)由八個(gè)等尺寸的、聚合物樹脂(在當(dāng)前示例中為環(huán)氧樹脂)的、模制而成的定子模塊(5 構(gòu)成。每個(gè)模塊單獨(dú)地模制而成，并且具有帶局部圓形外表面(56)的弧形模塊本體(5 和沿模塊本體的凹入曲率的方向從模塊本體垂直突出的凸緣(57)。凸緣(57)限定有用作附接結(jié)構(gòu)的三個(gè)螺栓孔(59)，模塊(53)可通過這些螺栓孔(59)穿過在基部板0 的周緣上限定的、呈螺栓孔形式的互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)(60)栓接到基部板0 上。應(yīng)當(dāng)理解的是，一旦所有定子模塊已經(jīng)并列地固定至基部板，各個(gè)模塊本體(55)就形成連續(xù)的、環(huán)狀定子本體(51)。每個(gè)定子模塊(5 還具有在弧形模塊本體(5 內(nèi)模制而成的三個(gè)銅線圈(61)。線圈通過強(qiáng)粘接環(huán)氧樹脂保持在一起。線圈基本為橢圓形，并且并列地布置在弧形本體上，它們的主軸線彼此平行且跨過環(huán)狀定子本體(51)的寬度。線圈是非重疊的且是緊湊纏繞的。應(yīng)當(dāng)理解的是，線圈在模制定子模塊期間嵌入環(huán)氧樹脂中并且它們可以在環(huán)氧樹脂的外部電連接。為了使這成為可能，多相繞組包括多根單獨(dú)的絕緣導(dǎo)線，導(dǎo)線(以集中的方式)纏繞為具有兩個(gè)獨(dú)立部分，即有效長(zhǎng)度部分和端匝部分。端匝部分典型地位于磁性空氣隙的外部并且主要周向地橫穿。相反，有效長(zhǎng)度部分典型地位于磁性空氣隙中并且主要非周向且垂直于磁性空氣隙的方向橫穿。八個(gè)定子模塊中的每一個(gè)均在模具中單獨(dú)生產(chǎn)，并且隨后使用緊固螺栓(65)和墊片(67)固定到最終定子組件(6 中的鋁定子基部板上。線圈連接部在鑄造環(huán)氧樹脂模塊之后制成，并且在環(huán)氧樹脂外部電連接，環(huán)氧樹脂進(jìn)而作為有效的絕緣器。定子組件由此是模塊化的并且能夠制造為使得模塊能夠在相同設(shè)計(jì)的任意其它定子之間互換。這將確保這些定子的維護(hù)和維修是不需要高度熟練的技術(shù)人員的簡(jiǎn)單任務(wù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，一旦支承軸、轉(zhuǎn)子部分、前板和定子基部板已經(jīng)固定在位，定子模塊就可以被橫向地引入介于轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)，并且并列地固定至基部板。它們隨后可以電連接以用于操作。在操作期間，轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致前板和兩個(gè)轉(zhuǎn)子部分一起旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部分和由永磁體驅(qū)動(dòng)而穿過空氣隙的關(guān)聯(lián)磁通旋轉(zhuǎn)將在固定模塊化定子的線圈中感應(yīng)電流?？梢詫?duì)上述實(shí)施例進(jìn)行多種修改而不偏離本發(fā)明的范圍。具體地，定子可以具有任意數(shù)量的模塊，并且每個(gè)模塊可以具有介于一個(gè)與很多個(gè)之間的纏繞線圈。換言之，模塊可以包含多個(gè)線圈或者少至單個(gè)銅繞組。例如，還設(shè)想的是定子模塊可以單獨(dú)出售并且由此可以便宜且容易地更換具有缺陷線圈或繞組的模塊。如果發(fā)現(xiàn)特定的模塊有缺陷，則其可以從定子基部板中簡(jiǎn)單地拆卸，從轉(zhuǎn)子部分之間橫向地移除，并且替換為可使用模塊。已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)在降低單元的總重量方面是特別有效的，并且在低到中等功率水平下操作的直接驅(qū)動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有特別的應(yīng)用。通過考慮如上所述的本發(fā)明，申請(qǐng)人通過分析建模和設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過使用某些特定的參數(shù)來優(yōu)化根據(jù)本發(fā)明的具有非重疊空氣芯式定子繞組的雙轉(zhuǎn)子徑向磁通永磁體風(fēng)力發(fā)電機(jī)。下文闡釋建模和設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)以及從中得到的結(jié)論。應(yīng)當(dāng)理解的是，建模和設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)以及其結(jié)論決非限制本發(fā)明的范圍。在本說明書的其余部分中，下列符號(hào)將具有所 丨
Bg平均空氣隙磁通密度(T)。
Br剩余磁通密度(T)。
Bp空氣隙中的峰值磁通密度(T)。
C1機(jī)器常數(shù)1(參見附錄)。
C2機(jī)器常數(shù)2 (參見附錄)。
δ電流與感應(yīng)EMF之間的相角(度)。
ds平均定子直徑(m)。
d銅線直徑(m)。
Cli內(nèi)彎曲磁體的平均直徑(m)。
d0外彎曲磁體的平均直徑(m)
δ C端部繞組長(zhǎng)度與有效長(zhǎng)度之間的比率。
g定子空氣隙長(zhǎng)度(m)。
hm磁體高度(厚度)(m)。
Hc矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)。
Irms額定發(fā)動(dòng)機(jī)電流的RMS值㈧。
j繞組中的電流密度(A/mm2)。
kf銅占空因子。
kw繞組因子。
ke用于非重疊繞組的端部繞組因子。κ 每單位線圈側(cè)寬度。1 繞組的軸向有效長(zhǎng)度(m)。Iipg 極間間隙(m)。Ig 空氣隙長(zhǎng)度(m)。Mcu 銅質(zhì)量(kg)。Mm 磁體質(zhì)量(kg)。N 線圈匝數(shù)。η 機(jī)器效率(％)。σ m 磁體材料密度(kg/m3)。σ cu 銅的密度(kg/m3)。Pcu銅的電阻率(Ωm)。Pcu 定子銅損耗(W)。PEddy定子線圈中的機(jī)器渦流損耗(W)。P 發(fā)電機(jī)的額定輸出功率(W)。ρ PM 磁極數(shù)。Q 定子線圈數(shù)。r 平均定子半徑(m)。Rs 系統(tǒng)電阻(Ω)coe 電頻率=2Jif (rad/s)。Tm 每單位磁體間距。μ?？諝獾臐B透率 Gji X IO-7Hm O。Sf 機(jī)械安全系數(shù)。σ γ 所使用材料的屈服應(yīng)力(Pa)。使用雙轉(zhuǎn)子空氣芯式繞組永磁體(PM)機(jī)器具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括減少或沒有芯損耗、齒槽轉(zhuǎn)矩、定子與轉(zhuǎn)子之間的吸引力，以及原位替換故障定子的可能性。使用非重疊集中式定子繞組已經(jīng)表明在易于制造和組裝、節(jié)約銅和機(jī)器性能方面非常有利。但是，這些機(jī)器的缺點(diǎn)，即在PM轉(zhuǎn)子之間的大的吸引力以及由于大的空氣隙而導(dǎo)致使用較大量的PM材料似乎是難以克服的；后者可能是對(duì)這些機(jī)器公布的文章較少以及在較大功率水平上的應(yīng)用數(shù)量小的原因。就申請(qǐng)人已知的，還沒有公布關(guān)于RFPM空氣芯式機(jī)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵評(píng)價(jià)以及這些機(jī)器在何種程度上具有與軸向磁通PM(AFPM)對(duì)應(yīng)物相同缺點(diǎn)的文章。由此此處通過解析和有限元分析對(duì)雙轉(zhuǎn)子RFPM空氣芯式發(fā)電機(jī)的電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使受到功率和效率制約的發(fā)電機(jī)的有效質(zhì)量最小。由此對(duì)于質(zhì)量和成本的說明是所關(guān)心的。本研究聚焦于直接驅(qū)動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低到中等功率水平的應(yīng)用。圖4中示出了雙轉(zhuǎn)子RFPM機(jī)器的截面及一些尺寸參數(shù)。對(duì)于該機(jī)器，非重疊(非懸掛)式定子繞組是必需的，否則組裝將是不可能的或?qū)⑹欠浅＠щy的。機(jī)器內(nèi)部用于端部繞組的很小空間使得這成為甚至更重要的繞組布局。本機(jī)器的電磁設(shè)計(jì)在很大程度上受到產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(developed torque)和效率制約的控制。產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩能夠表述為Td = I^keC1CosS(1)其中，<和1^是繞組因子和端部繞組因子K1是機(jī)器常數(shù)。角度δ取決于負(fù)載系統(tǒng)，例如具有串聯(lián)電感的電池充電系統(tǒng)。機(jī)器效率能夠表述為
權(quán)利要求
1.一種用于永磁體發(fā)電機(jī)的空氣芯定子(43)，所述空氣芯定子包括基部(45)，所述基部G5)具有圍繞該基部的表面間隔開的附接結(jié)構(gòu)(60)；以及多個(gè)定子模塊(53)，每個(gè)所述定子模塊具有互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)(59)，其中，所述定子模塊(5 各包括至少一個(gè)非重疊導(dǎo)電繞組(61)，并且借助于所述附接結(jié)構(gòu)(60，59)以并列配置的方式可釋放地固定至所述基部(45)，以形成基本圓形的定子本體(51)。
2.如權(quán)利要求1中所述的定子(43)，其中，所述基部05)是盤狀的并且限定有圍繞該基部的周緣的孔(60)，所述孔用作所述附接結(jié)構(gòu)(60)。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中所述的定子(43)，其中，每個(gè)定子模塊(53)由聚合物樹脂一體模制而成，并且具有部分圓形的外表面(56)、弧形的本體(5 和凸緣(57)，所述凸緣沿所述本體(5 的凹入曲率的方向從所述本體的邊緣基本垂直地突出，所述互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)(59)是在所述凸緣(57)中限定且間隔開的孔(59)，以與位于所述基部G5)上的所述附接結(jié)構(gòu)(60)相配準(zhǔn)，從而容許將所述模塊(5 栓接至所述基部05)。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)中所述的定子(43)，其中，當(dāng)所有所述模塊這樣固定至所述基部0 時(shí)，所述模塊(5 的所述外表面(56)形成基本連續(xù)的圓形定子表面(52)。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)中所述的定子(43)，其中，所述定子模塊(5 的所述本體在固定至所述基部0 時(shí)形成從所述基部0 基本垂直突出的基本連續(xù)的環(huán)狀定子本體(51)。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)中所述的定子(43)，其中，每個(gè)定子模塊(53)包括以并列配置的方式布置在所述弧形的本體(5 上的多個(gè)大致橢圓形的導(dǎo)電線圈(61)，所述導(dǎo)電線圈的縱向軸線彼此基本平行并且延伸跨過所述環(huán)狀定子本體(51)的寬度。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)中所述的定子(43)，其中，所述線圈(61)是非重疊的且緊湊纏繞的。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)中所述的定子(43)，其中，所述線圈(61)在模制所述定子模塊(5 期間嵌入所述聚合物樹脂中。
9.一種用于產(chǎn)生電力的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子安裝用于由風(fēng)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)；以及發(fā)電機(jī)(1)，所述發(fā)電機(jī)(1)聯(lián)接至所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，使得所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)(1)，所述發(fā)電機(jī)包括空氣芯定子(43)，所述空氣芯定子^幻設(shè)置在介于兩個(gè)大致環(huán)狀的轉(zhuǎn)子部分(33、3幻之間的磁性空氣隙中，所述轉(zhuǎn)子部分安裝為在所述空氣芯定子G3)的相反兩側(cè)上一起旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子部分(33、35)包括交替極性的永磁體Gl)的陣列，使得當(dāng)所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所述永磁體Gl)沿基本徑向的方向在所述轉(zhuǎn)子部分(33、3幻之間往復(fù)驅(qū)動(dòng)磁通穿過所述空氣芯定子03)。
10.如權(quán)利要求9中所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述空氣芯定子03)由多個(gè)定子模塊(53)構(gòu)成，每個(gè)所述定子模塊支承位于所述磁性空氣隙中的一個(gè)或更多個(gè)緊湊纏繞的導(dǎo)電線圈(61)。
11.如權(quán)利要求10中所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述空氣芯定子G3)包括基部(45)，所述基部G5)能夠固定到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的固定支承結(jié)構(gòu)上，并且所述多個(gè)定子模塊(53)以并列配置的方式固定至所述基部，每個(gè)定子模塊(5 具有大致弧形的本體(55)，使得所述定子模塊(5 的所述本體(5 在固定至所述基部0 時(shí)形成從所述基部G5)基本垂直地突出且突出到所述磁性空氣隙內(nèi)的基本連續(xù)的環(huán)狀定子本體(51)。
12.如權(quán)利要求10或權(quán)利要求11中所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，每個(gè)定子模塊由聚合物樹脂，優(yōu)選地由環(huán)氧樹脂一體模制而成，并且一個(gè)或多個(gè)緊湊纏繞的所述導(dǎo)電線圈(61)嵌入所述樹脂內(nèi)，且構(gòu)造為在所述定子模塊的本體(5 的外部電連接。
13.如權(quán)利要求12中所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，每個(gè)線圈(61)具有由多個(gè)單獨(dú)的絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的多相繞組，所述導(dǎo)線以集中的方式纏繞以具有兩個(gè)獨(dú)立部分，即有效長(zhǎng)度部分和端匝部分，所述端匝部分在使用時(shí)位于所述磁性空氣隙的外部而主要周向地橫穿，而所述有效部分設(shè)置在所述磁性空氣隙內(nèi)而主要非周向且垂直于所述磁性空氣隙的方向橫穿。
14.一種用于永磁體發(fā)電機(jī)的模塊化定子的定子模塊(43)，所述定子模塊包括一體模制的、聚合物樹脂的本體( )，所述本體(5 具有大致弧形的形狀；以及凸緣(57)，所述凸緣(57)沿所述本體(5 的凹入曲率的方向從所述本體的邊緣基本垂直地突出；限定在所述凸緣(57)中的至少一個(gè)孔(59)；以及至少一個(gè)導(dǎo)電繞組(61)。
15.如權(quán)利要求14中所述的定子模塊(43)，其中，所述導(dǎo)電繞組(61)是具有纏繞為大致橢圓形狀的多個(gè)導(dǎo)電繞組的緊湊纏繞的線圈，所述線圈嵌入所述模塊本體(5 中。
16.如權(quán)利要求14或權(quán)利要求15中所述的定子模塊(43)，所述定子模塊03)包括嵌入所述本體(55)中的多個(gè)線圈，使得所述多個(gè)線圈并列地布置，而所述多個(gè)線圈的主軸線彼此平行并且跨過所述模塊本體(5 的寬度。
17.—種制造雙側(cè)轉(zhuǎn)子、徑向磁通、空氣芯式永磁體發(fā)電機(jī)(1)的方法，所述方法包括以下步驟將多個(gè)交替極性的永磁體Gl)的陣列附接至鐵磁性背鐵磁軛上并且將所述陣列固定到所述發(fā)電機(jī)(1)的兩個(gè)徑向間隔開的轉(zhuǎn)子部分(33、35)的內(nèi)表面上，使得所述永磁體(41)反復(fù)驅(qū)動(dòng)磁通穿過介于所述轉(zhuǎn)子部分(33、35)之間的空氣隙；將具有多個(gè)附接結(jié)構(gòu)(60)的定子基部05)固定到所述發(fā)電機(jī)(1)的固定支承結(jié)構(gòu)上；將多個(gè)單獨(dú)模制的、非磁性定子模塊^幻橫向地插入所述空氣隙內(nèi)，其中每個(gè)所述定子模塊具有弧形的模塊本體65)、互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)(59)以及嵌入所述模塊本體(5 中的至少一個(gè)導(dǎo)電繞組(61)；以及借助于在所述基部G5)上的所述附接結(jié)構(gòu)(60)和所述模塊03)的所述互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)(59)將每個(gè)定子模塊固定至所述定子基部(45)，使得當(dāng)所有所述定子模塊03)以并列配置的方式連接至所述定子基部0 時(shí)所述定子模塊(5 的所述模塊本體(55)形成位于所述空氣隙中的環(huán)狀定子本體(51)。
18.如權(quán)利要求17中所述的方法，所述方法包括如下步驟將至少一個(gè)緊湊纏繞的線圈(61)嵌入每個(gè)所述模塊本體(5 內(nèi)，并且將多個(gè)線圈(61)嵌入每個(gè)定子模塊本體(55)內(nèi)，使得所述線圈并列地布置而主軸線彼此平行并且跨過所述環(huán)狀定子本體(51)的寬度。
全文摘要
公開了用于雙側(cè)轉(zhuǎn)子、徑向磁通、空氣芯式永磁體發(fā)電機(jī)(1)的新配置。所述發(fā)電機(jī)(1)包括兩個(gè)徑向間隔開的轉(zhuǎn)子部分(33、35)，所述轉(zhuǎn)子部分(33、35)限定有介于它們之間的空氣隙并且各具有布置在其內(nèi)表面上的、安裝用于在所述空氣隙中旋轉(zhuǎn)的多個(gè)交替極性的永磁體(41)。模塊化定子(43)設(shè)置在所述空氣隙中并且包括基部(45)，所述基部(45)具有圍繞其表面間隔開的附接結(jié)構(gòu)(60)；以及多個(gè)單獨(dú)模制的、聚合物樹脂的定子模塊(53)。每個(gè)所述定子模塊(53)具有用于附接到所述基部(45)上的互補(bǔ)附接結(jié)構(gòu)(59)并且包括嵌入所述樹脂內(nèi)的至少一個(gè)非重疊緊湊纏繞的線圈(61)。
文檔編號(hào)H02K1/04GK102598474SQ201080048331
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者J·A·斯泰格曼, M·J·坎珀 申請(qǐng)人:斯泰倫博斯大學(xué)