专利名称：一种永磁(变阻)风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电机，特别是一种风力发电机。
背景技术：
由于风能功率随风速的立方变化，所以风机的输出功率随风速变化的范围很大。风能的这一特性，使风力发电机在切入风速和切出风速的发电功率相差数千倍、频率变化达近百倍。
目前的风力发电机都运行在设计的额定功率以下，风力发电机的额定功率通常对应额定风速；当风速大于额定风速时，风机的控制系统使风翼的状态变化以便“溢出”部分风能，使得风力发电机运行在额定功率下，以避免烧坏发电机。这时“溢出”的风能未被利用。可见将额定风速设计为切出风速，风能利用程度最大。但是大的额定风速对应大的发电机额定功率，使发电机启动阻力矩增大、切入风速提高，并且当风速低于额定风速时的风力发电效率降低。
另一方面，风机通过增速齿轮提高发电机的转速是现在制造风力发电机组通常采用的方式，它的缺点是增大了发电机的驱动力矩，降低了风能利用效率。
发明内容
本发明的目的是设计一种永磁(变阻)风力发电机，它既能改变发电机的磁阻力以匹配风能的变化和调制发电频率，从而提高风力发电效率和降低恒频控制的成本。还能用相对小的永磁体实现直驱多极的大直径电枢发电机，降低发电机的驱动力矩。
本发明的目的可以通过采用以下设计方案来实现一种发电机，它主要由永磁定子1、转子2、电枢定子3、轴承4和壳体13组成，所述永磁定子1主要由永磁体组件、主轴5和连接件组成，所述转子2主要由小电枢8、电磁体9、整流器11、端板10和结构支撑件25组成，所述电枢定子3主要由大电枢12、端板14和结构支撑件26组成，所述永磁体组件至少由一个磁体6组成，所述磁体6由永磁体15和轭铁16组成，所述的小电枢8由铁心17和电枢绕组18组成、电磁体9由轭铁19和励磁绕组20组成、大电枢12由铁心21和电枢绕组22组成，所述转子2的端板10与所述轴承4的外圆连接、轴承4的内圆与所述主轴5连接，所述电枢定子3的端板14与所述主轴5固连，所述连接件可以是起移动性连接作用的行程驱动器7，所述磁体6上设有至少一个驱动器7，磁体6通过驱动器7与主轴5连接，其主要特点是，通过驱动器7驱动的所述磁体6产生相对于主轴5的移动、磁体6与小电枢8之间可以发生相对位移。所述磁体6通过驱动器7产生相对于主轴5的移动方式有两种一种是所述磁体6通过轴向的驱动器7沿所述主轴5的轴向移动，另一种是所述磁体6通过径向的驱动器7沿所述主轴5的经向移动。
所述连接件也可以是起固定性连接作用的端板24，端板24的内端与主轴5固连、外端与磁体6固连，磁体6至少连接一个端板24，其主要特点是，作为永磁励磁体的磁体6和作为发电电枢的大电枢12均为定子、在结构上没有(在通常永磁发电机里存在)磁体6直径与大电枢12直径之间的尺寸约束或限制关系。
所述电枢定子3中的大电枢12的位置，可置于电磁体9的外面、也可置于电磁体9的里面，前者的大电枢12由铁心21n和电枢绕组22组成、电磁体9由轭铁19w和励磁绕组20组成，后者的大电枢12由铁心21w和电枢绕组22组成、电磁体9由轭铁19n和励磁绕组20组成。
所述转子2中的小电枢8与电磁体9之间的相对位置设置，可以是同心轴向互相交叠、也可以是同心轴向互相不交叠。换句话说，小电枢8与电磁体9之间的相对位置设置，可设置在同层、也可设置在不同层。
在所述整流器11与小电枢8之间串接导向开关33、在主轴5上设置导电滑环34，其特点是，当开关33接通整流器11时，本发电机通过电枢定子3的大电枢12发电；当开关33接通滑环34时，本发电机通过转子2的小电枢8发电、并通过滑环34输出。导向开关33也可以串接在所述电磁体9与整流器11之间，当开关33接通滑环34时输出的是直流电。由于导向开关33设置在转子2上，可以通过设在定子上的无线遥控器控制开关33的导向。
当所述导向开关33接通滑环34时，本发电机的功能成为一个单纯的永磁变阻发电机，相当于其特征是由轴承4、主轴5、磁体6、驱动器7、小电枢8、端板10和壳体13组成的，由轴承4的内圆与主轴5连接、轴承4的外圆与端板10的内端连接、端板10的外端与壳体13连接、小电枢8固连在两个端板10之间构成的，由至少一个驱动器7使磁体6位移控制其磁阻、频率、功率变化的永磁发电机。
所述永磁体组件可以由1至320个磁体6组成。
所述磁体6的形状可以是圆弧状的、也可以是圆环状的。
本发明的有益效果是，可以根据额定功率和风机的驱动机构确定磁体6和电枢12的直径而无其它约束或限制，可用相对小的永磁体励磁产生相对大发电功率、可实现直驱式永磁多极发电机的大直径电枢要求而永磁体用量少，通过驱动器7可以控制定子与转子间的电磁感应强度来改变发电机的磁阻力、发电功率和发电频率，匹配风机功率与发电机功率，从而达到提高风力发电效率和降低恒频控制成本的目的。当风速小得不足以使大电枢12发电时，将导向开关33切换到导电滑环34上，这时的电磁感应仅存在于永磁定子1与小电枢8之间、磁阻力有大的降低，这时由于相当大的风轮带动相对小功率的发电机，因此本发明的发电机在小风甚至微分下仍能发电。
图1是本发明的主要组件示意图。
图2是本发明的一种永磁定子的结构示意图。
图3是图2的俯视图。
图4是本发明的另一种永磁定子的结构示意图。
图5是图4的F-F截面图。
图6是本发明的一种转子的结构示意图。
图7是图6的A-A截面图。
图8是本发明的一种电枢定子的结构示意图。
图9是图8的B-B截面图。
图10是本发明的一种永磁体组件的结构示意图。
图11是图10的俯视图。
图12是本发明的一种电磁体的垂直轴向截面的结构示意图。
图13是本发明的另一种电磁体的垂直轴向截面的结构示意图。
图14是本发明的一种大电枢的垂直轴向截面的结构示意图。
图15是本发明的另一种大电枢的垂直轴向截面的结构示意图。
图16是本发明的一种小电枢的垂直轴向截面的结构示意图。
图17是本发明实施例一的结构示意图。
图18是本发明实施例二的结构示意图。
图19是图18的C-C截面图。
图20是本发明实施例三的结构示意图。
图21是本发明实施例四的结构示意图。
图22是本发明实施例五的结构示意图。
图23是本发明实施例六的结构示意图。
图24是本发明实施例七的结构示意图。
图25是本发明实施例八的结构示意图。
图26是本发明实施例九的结构示意图。
图27是图26的D-D截面图。
图28是本发明实施例十的结构示意图。
图29是图28的E-E截面图。
图30是本发明实施例十一的结构示意图。
图31是本发明的一种永磁体组件与主轴之间的连接端板的结构示意图。
图32是本发明的另一种永磁体组件与主轴之间的连接端板的结构示意图。
图33是本发明的一种径向行程驱动器的结构示意图。
图34是本发明的一种轴向行程驱动器的结构示意图。
图35是图34的俯视图。
图36是是本发明的另一种轴向行程驱动器的结构示意图。
图37是图36的俯视图。
具体实施方案下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述图1至图16是本发明的主要组件及其结构示意图。图1示出本发明的发电机由永磁定子1、转子2、电枢定子3、轴承4和壳体13组成，图2和图3示出一种由主轴5、四个圆弧状的磁体6和八个径向行程驱动器7组成的永磁定子1的结构示意图，图4和图5示出另一种由主轴5、一个圆环状磁体6和两个端板24组成的永磁定子1的结构示意图，图6和图7所示一种由小电枢8、电磁体9、整流器11和端板10组成的转子2的结构示意图，图8和图9所示一种由大电枢12、端板14和结构支撑件26组成的电枢定子3的结构示意图，图10和图11示出一种由永磁体15和轭铁16组成的圆环状磁体6的结构示意图，图12和图13是两种电磁体9的结构示意图，图14和图15是两种大电枢12的结构示意图，图16是一种由铁心17和电枢绕组18组成的小电枢8的结构示意图。
图17至图30是本发明的十一个实施例的结构示意图。图17至图20和图23所示的四个实施例中的永磁定子1均由主轴5、一个圆环状磁体6和一个轴向驱动器7组成，磁体6在驱动器7的驱动控制下，可以沿主轴5的轴向在图中所示的实线位置(6和7)与虚线位置(6′和7′)之间的任何位置上移动或停止；图21和图22的两个实施例中的永磁定子1均由主轴5、两个圆环状磁体6和两个轴向驱动器7组成，两个磁体6在各自连接的驱动器7协同控制下、互为反向沿主轴5的轴向在图中所示的实线位置(6和7)与虚线位置(6′和7′)之间的任何位置上移动或停止；图24所示实施例七的永磁定子1由主轴5、两个圆环状磁体6和两个由图36和图37所示的轴向驱动器7组成，两个磁体6同时连接在两端带反向螺纹的两个驱动器7上、互为反向沿主轴5的轴向在图中所示的实线位置(6和7)与虚线位置(6′和7′)之间的任何位置上移动或停止，图26和图27所示的实施例九的永磁定子1由主轴5、八个圆弧状磁体6和十六个径向驱动器7组成，每个磁体6连接两个径向驱动器7，八个磁体6在各自连接的驱动器7协同控制下、沿主轴5的径向在图中所示的实线位置(6)与虚线位置(6′)之间的任何位置上移动或停止，图25、图28和图29所示两个实施例的永磁定子1均由主轴5、一个圆环状磁体6和两个端板24组成，在图23、图28和图29所示两个实施例的永磁定子1中的主轴5上还设有导电滑环34；图17、图23、图25至图27所示四个实施例中的电枢定子3均由大电枢12、端板14、两个结构支撑件26和壳体13组成，图21、图24、图18和图19所示三个实施例中的电枢定子3均由大电枢12、端板14、两个结构支撑件26和壳体13a组成，图20所示实施例三的电枢定子3由大电枢12、端板14a和端板14b组成，图22、图28和图29所示两个实施例的电枢定子3都由大电枢12和端板14组成；图17所示实施例一的转子2由小电枢8、电磁体9、端板10a、端板10b、整流器11和结构支撑件25组成，图21、图18和图19所示的两个实施例的转子2由小电枢8、电磁体9、端板10a、端板10b、整流器11、结构支撑件25a、结构支撑件25b和壳体13b组成，图20所示实施例三的转子2由小电枢8、电磁体9、端板10a、端板10b、整流器11、结构支撑件25、壳体13a和壳体13b组成，图22所示实施例五的转子2由小电枢8、电磁体9、两个端板10、整流器11、结构支撑件25a、结构支撑件25b和壳体13组成，图23、图25至图29所示的四个实施例的转子2均由小电枢8、电磁体9、两个端板10和整流器11组成、其中图23、图28和图29所示两个实施例的转子2中还设有导向开关33，图24所示实施例七的转子2由小电枢8、电磁体9、端板10a、端板10b、整流器11、结构支撑件25a、结构支撑件25b、结构支撑件25c和壳体13b组成。图30所示的实施例十一是一种由本发明中的含有驱动器7的永磁定子1、轴承4、壳体13和转子2中的小电枢8与两个端板10组成的单纯永磁变阻发电机的结构示意图，实施例十一具有上述本发明的含有驱动器7的发电机的核心特征，这反映在两个方面一是部件特征，组成实施例十一所示发电机的所有部件均是构成本发明的部件；二是功能特征，由主轴5、一个圆环状磁体6和一个轴向行程驱动器7组成的组合体，磁体6在驱动器7的驱动控制下，可以沿主轴5的轴向在图中所示的实线位置(6和7)与虚线位置(6′和7′)之间的任何位置上移动或停止，具有改变磁阻的功能；当图23所示实施例六中的导向开关33接通导电滑环34时，它在的功能上就等同于图30所示的实施例十一。
本发明的实施例中转子2的小电枢8与电磁体9使用了两种设置方式图18和图19、图21至图29所示八个实施例中转子2的小电枢8都是与电磁体9轴向互相交叠设置的、而图17和图20所示两个实施例中转子2的小电枢8都是与电磁体9轴向互相不交叠设置的。
本发明的实施例中使用了两种电磁体9和两种大电枢12在图20、图28和图29所示的实施例中，使用的电磁体9是由图13所示的轭铁19n和励磁绕组20组成的、使用的大电枢12是由图14所示的铁心21w和电枢绕组22组成的，这两个实施例的转子2在电枢定子3的外面，形成外转子发电机；图17至图19、图21至图27所示的八个实施例的转子2在电枢定子3的里面，它们使用的电磁体9由图12所示的轭铁19w和励磁绕组20组成、使用的大电枢12由图15所示的铁心21n和电枢绕组22组成。
本发明的实施例中使用了三种驱动器7图33所示的驱动器7a是一种径向行程驱动器，它由行程杆27、机壳30和电机31组成，行程杆27的外端与磁体6连接、机壳30的底端与主轴5固连，通过电机32驱动，行程杆27可以相对于机壳30伸缩，在图26和图27所示的实施例九中，使用的驱动器7就是这种类型的径向行程驱动器；图34和图35所示的驱动器7b是一种轴向行程驱动器，它由一个套轴式直线电机29和八个连臂28组成，连臂28的两端分别与直线电机29和磁体6连接，通过直线电机29的驱动，磁体6可以沿主轴5的轴向移动，在图17至图23和图30所示的实施例中，使用的驱动器7就是这种轴向行程驱动器；图36和图37所示的驱动器7c是一种连接在主轴5上的轴向行程驱动器，它由轴座32、传动螺杆35、行程滑块36和电机37组成，轴座19和电机22与主轴5连接、行程滑块36与磁体6连接，通过电机37驱动传动螺杆35旋转，使行程滑块36移动，在图24所示的实施例七中，使用的驱动器7就是这类的轴向行程驱动器。
本发明的实施例中使用了两种磁体6与主轴5之间的连接端板24图31所示的端板24a是圆环状的，它的内端与主轴5连接、外端与磁体6连接，在图25所示的实施例八中，使用的端板24就是这类连接件；图32所示的端板24b是内圆外十字形的，它的内圆与主轴5连接、外十字与磁体6连接，在图28和图29所示的实施例十中，使用的端板24就是这类连接件。
权利要求
1.一种发电机，它由永磁定子(1)、转子(2)、电枢定子(3)、轴承(4)和壳体(13)组成，其特征在于所述永磁定子(1)由永磁体组件、主轴(5)和连接件组成，所述转子(2)由小电枢(8)、电磁体(9)、整流器(11)、端板(10)和结构支撑件(25)组成，所述电枢定子(3)由大电枢(12)、端板(14)和结构支撑件(26)组成，所述永磁体组件至少由一个磁体(6)组成，磁体(6)由永磁体(15)和轭铁(16)组成，所述小电枢(8)由铁心(17)和电枢绕组(18)组成，所述端板(10)与所述轴承(4)的外圆连接、轴承(4)的内圆与所述主轴(5)连接，所述端板(14)与所述主轴(5)固连，所述连接件是起移动性连接作用的行程驱动器(7)，磁体(6)上设有至少一个驱动器(7)，磁体(6)通过驱动器(7)与主轴(5)连接，驱动器(7)驱动磁体(6)产生相对于主轴(5)的移动，磁体(6)与小电枢(8)之间可以发生相对位移。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于永磁定子(1)中的所述连接件是起固定性连接作用的端板(24)，端板(24)的内端与主轴(5)连接、端板(24)的外端与磁体(6)连接，磁体(6)至少连接一个端板(24)。
3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于由轴承(4)、主轴(5)、磁体(6)、驱动器(7)、小电枢(8)、端板(10)和壳体(13)组成的，由轴承(4)的内圆与主轴(5)连接、轴承(4)的外圆与端板(10)的内端连接、端板(10)的外端与壳体(13)连接、小电枢(8)固连在两个端板(10)之间构成的，由至少一个驱动器(7)使磁体(6)位移控制其磁阻、频率、功率变化的永磁发电机。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的发电机，其特征在于所述电枢定子(3)中的大电枢(12)可设置在转子(2)中的电磁体(9)外面、也可设置在电磁体(9)里面，前者的大电枢(12)由铁心(21n)和电枢绕组(22)组成、电磁体(9)由轭铁(19w)和励磁绕组(20)组成，后者的大电枢(12)由铁心(21w)和电枢绕组(22)组成、电磁体(9)由轭铁(19n)和励磁绕组(20)组成。
5.根据权利要求1和权利要求2所述的发电机，其特征在于所述转子(2)中的小电枢(8)与电磁体(9)之间的相对位置，可以设置成同心轴向互相交叠、也可以设置成同心轴向互相不交叠。
6.根据权利要求1、权利要求2和权利要求3所述的发电机，其特征在于所述永磁体组件可以由1至320个磁体(6)组成。
7.根据权利要求1、权利要求2和权利要求3所述的发电机，其特征在于所述磁体(6)的形状可以是圆弧状的、也可以是圆环状的。
8.根据权利要求1和权利要求3所述的发电机，其特征在于所述磁体(6)上可以设有1至16个驱动器(7)。
9.根据权利要求1和权利要求3所述的发电机，其特征在于驱动器(7)可以是轴向行程驱动器、也可以是径向行程驱动器。
10.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于动力可以通过主轴(5)输入发电机、也可以通过端板(10)输入发电机，前者磁体(6)为转子、小电枢(8)为定子，后者磁体(6)为定子、小电枢(8)为转子。
全文摘要
本发明公开了一种风力永磁(变阻)发电机，其特点是通过驱动器，转子与定子之间可以发生相对位移，因此可以控制它们之间电磁感应量、改变发电机的磁阻、发电功率、控制发电机定子与转子之间的作用力矩和调制发电频率，以匹配风能功率和发电机功率，从而提高风力发电效率，特别是低速风力发电效率和降低恒频控制的成本。另外，可以用相对小永磁体励磁，产生相对大的发电功率，可实现直驱多极发电机的大直径电枢要求而永磁体用量少。
文档编号H02K1/17GK1967977SQ20051012522
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月19日 优先权日2005年11月19日
发明者李锋, 庞兵, 程钰, 张全德 申请人:李锋