减小电机中轴承的受力的制作方法
【专利说明】减小电机中轴承的受力
[0001]本发明涉及减小电机中轴承的受力。
[0002]发电机形式的电机是众所周知的，其中初级能源用于转动主体，并且发电机的转子与定子相互配合以产生电流。但是，其中初级能源是常用的可再生能源中的一种，例如风能、潮汐能或波浪能，至少与传统的发电站中所能达到的3000转/分钟相比，转子通常转得很慢。
[0003]近期的一个专利申请(EP-A-2335344)描述了具有集成磁力齿轮传动系统的机器，该磁力齿轮传动系统将原动机的慢速转动转换为发电机转子的更快速转动。利用磁体的双面阵列来形成转矩非常密集的磁力齿轮传动系统，从而使机器变得更小。
[0004]然而，在某些情况下，高扭矩密度并不是必要的。后来的专利申请(PCT/GB2012/053143)描述了利用一组磁体阵列与一组凸起的铁磁极相互配合来产生传动效应的机器。在一些应用中，这将比前述的双面磁体系统更便宜而且更有力。前述的两组机器均可以电动机或发电机的形式来运转。
[0005]为了方便起见，这些前述的机器在此分别称作双面磁体(DSM)机或磁阻(MR)机。
[0006]与其他许多电机一样，这些新的机器包括旋转的转子和用于承载转子的轴承。传统的机械式滚动或平面轴承、磁力轴承或流体轴承均可使用。在前述的两组机器中，轴承的受力都很高。
[0007]轴承的受力高在很多方面对传统轴承不利，例如会导致初始成本和重量增加，月艮务年限缩短，以及更大的噪声和更低的效率。
[0008]在使用主动磁轴承的情况下，电力供应至绕组以产生磁场，其中该磁场用于控制旋转的转子的位置。此处轴承的受力更大会导致需要更多的初级能量，使用更大的电磁铁和更低的效率。
[0009]根据本发明的一个方面，提供了一种磁驱动系统，其包括:
[0010]原动机，所述原动机在其第一表面具有第一磁体阵列；
[0011]转子，所述转子在其外表面具有第二磁体阵列，转子的外表面邻近原动机的第一表面，使得原动机的运动弓I起转子绕转轴的转动；
[0012]支承组件，所述支承组件具有轴，用于确定转子转轴，并具有第三磁体阵列，
[0013]其中所述第三磁体阵列与转子上的第四磁体阵列相互配合，以形成磁力轴承，该磁力轴承用于抵抗转子上沿其转轴作用的力。
[0014]因此，本发明描述了减小DSM机和MR机中的轴承的受力的方法。
[0015]为了更好地理解本发明，并且展示本发明是如何发挥作用的，将会参考以下附图以示例形式进行描述，其中:
[0016]图1为示出了根据上述发明的机器的一部分的示意图。
[0017]图2为示出了根据上述发明的机器的一部分的示意图，其中示出了主要的力和扭矩。
[0018]图3为示意图，示出了如何通过第一转子和第二转子的可选布置，充分地减小径向的轴承的受力。
[0019]图4为示意图，示出了如何通过第一转子和第二转子的第二可选布置，充分地减小径向的轴承的受力。
[0020]图5a和图5b是图1、图3、或图4所示机器中的转子的横截面图。
[0021]图6示出了在图5所示的机器中的第一承载面和第二承载面上的磁体的第一设置方式。
[0022]图7示出了在图5所示的机器中的第一承载面和第二承载面上的磁体的可替代的第二设置方式。
[0023]图8示出了在图5所示的机器中的第一承载面和第二承载面上的磁体的可替代的第三设置方式。
[0024]图9示出了在图5所示的机器中的第一承载面和第二承载面上的铁磁凸极和磁体的第一设置方式。
[0025]图10示出了在图5所示的机器中的第一承载面和第二承载面上的铁磁凸极和磁体的可替代的第二设置方式。
[0026]图11示出了在图5所示的机器中的第一承载面和第二承载面上的铁磁凸极和磁体的可替代的第三设置方式。
[0027]图12示出了图5所示剪切型轴承的磁体设置方式的另一方面。
[0028]图13示出了所示轴承中的力随着位移的变化。
[0029]图14为示出了传统的引力型磁力轴承的示意图。
[0030]图15为图1所不的部分的另一横截面图。
[0031]图16示出了图15所示的斥力型磁性轴承的另一方面。
[0032]图1示出了根据前述两个专利申请(EP-A-2335344和PCT/GB2012/053143)的电机8的一般结构。在本文中，电机以发电机形式进行描述，其中，主体的转动用于产生电力。然而，可以理解的是，对于本领域的技术人员而言，相同的原理可用于构造电动机，其中使用电力转动主体。
[0033]图1中的机器8具有第一转子10，该转子10通过支承结构连接至轮轴12，支承结构在此处以辐条14的形式示出。然后轮轴12的转动带动转子10绕轮轴12所确定的轴转动。轮轴12的转动可由例如风力涡轮机、潮流机或者波浪能转换器等能源驱动，尽管可以使用任意能源对其进行驱动，但是本发明的机器特别适用于驱动转动的速度相对低的情况，例如使用1.5兆瓦级风力涡轮机时转速为大约20转/分钟。此外，尽管图1示出了转子10由轮轴12驱动，该转子10可也以直接由主体驱动，其中外部能源引起该主体转动。
[0034]转子10 —般为环管形。也就是说其具有圆环的形状，这可以通过将一个圆圈绕轴旋转来形成，该轴位于圆圈所在的平面上但是在圆圈之外。该轴就是转子旋转时所绕的轴。
[0035]然而，转子的表面并不完整的圆环体。具体地，是将圆形横断面中距离转轴较远的部分去除，留下环形的缺口 16。
[0036]在图1中通过缺口 16可见圆筒形的第二转子18，该第二转子18的外圆横截面比转子10的内圆横截面略小。
[0037]尽管图1只示出了一个圆筒形第二转子18，实际上多个这样的第二转子可以位于第一转子中。
[0038]图2是DSM机和MR机两者的示意图。
[0039]如前述的DSM申请(EP-A-2335344)中所述，可在转子10和第二转子18的相对表面上设置螺旋状的磁体排布，使得施加在转子10上转矩T10引起转子18上的合成转矩T18，反之亦然。
[0040]在前述的MR申请中(PCT/GB2012/053143)，在转子10和第二转子18的表面设置螺旋状的磁体和铁磁材料凸极的排布，使得施加在转子10上转矩T10引起转子18上的合成转矩T18，反之亦然。可将磁体设置在转子10的表面，而将凸极设置在转子18的表面。或者将凸极设置在转子10的表面，而将磁体设置在转子18的表面。
[0041]在DSM和MR系统中，随着所需的力矩的产生，也会在系统中产生一些负面力。本发明的一个目的在于减小这些负面力的水平。
[0042]图2示出了如R18所示的转子18上的径向力。该力主要沿着转子10和18的共同表面的法线方向作用，并且其合力主要沿转子18的径向，如R18所示。该力导致支承转子18的轴承上出现不良的径向负载。在使用多于一个的环管形转子10时，如果认为R18超过可简化处理的范围，该力将会通过利用径向力的抵消作用而忽略掉。使用两个环管形部分的系统在前面(EP-A-2335344和PCT/GB2012/053143)已经有所描述，并且为了方便起见，在图3和图4中再次将其示出。
[0043]在图3所示的DSM和MR两者的情况下，如果转子126在两个环管形部分转子122和124之间与两者隔开相等的距离，在转子126上形成的径向合力的方向将会基本相反，并且基本被抵消。
[0044]在图4所示的DSM和MR两者的情况下，如果转子136在两个环管形部分转子132和134之间与两者隔开最佳距离，在转子136上形成的径向合力的方向将会基本相反，并且基本被抵消。
[0045]图2示出了转子18上的轴向力，如A18所示。该力主要沿转子18的轴向作用。该负面力与所需力矩T18直接相关，所以不能像R18那样将其抵消，转子18上的轴向力可以近似地计算为:
[0046]A18 = T18*revsl8/(R10*revsl0)
[0047]其中revsl8和revslO分别是转子18和转子10每分钟的转数，而R10是转子10的轮轴和转子18的轮轴之间的垂直距离。
[0048]例如，使用DSM系统来为一个10丽级的风力涡轮机设计一台紧凑型的发电机，该发电机具有多个转子18，典型的参数如下:
[0049]revs 10 = lOrpm
[0050]revs 18 = 3000rpm
[0051]T18 = lOOONm
[0052]R10 = 2m
[0053]所以A18 = 150kN 或 15 吨
[0054]可以理解的是，可以仅以降低发电机的紧凑性为代价，很容易地减小力A18。
[0055]通常，力A18将会由机械式轴承承载，机械式轴承由结合的轴向力和推力的轴承组成；或者由一组轴承组成，其中一些承载轴向力而另一些承载推力；或者由几种不同类型的轴承混合组成。
[0056]本发明涉及磁体系统的设置方式，以抵消部分或者全部轴向力A18。仅为了进行说明，图5a和5b各自示出了转子18的横截面(或者图3所示的实施例中的转子126，或者图4所示的实施例中的转子136)。但是，本发明也允许其他类似的设置方式。轴501设置为转子18的转轴，并且由未示出的支承结构约束以保持固定状态。