电机，特别是发电机的制作方法

专利名称：电机，特别是发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机，特别是一种应用于风力设备的发电机。所述电机 具有初级部分和次级部分，其中，初级部分和次级部分均具有圆形轮廓。所 述应用于风力设备的发电机是风力发电机。风力发电机在风力发电中用作机 械/电能转换器。这类发电机通常安装在高处。此外，所述风力设备可在陆地、 海岸及海上使用。
背景技术：
现在的风力发电机具有两个既可安装在一起又可分开安装的大型组件。 这两个组件就是定子和转子。其基本形状均为圆柱形。其中，根据已知和/ 或预期的风况以及根据预期功率将风力发电机(简称为"发电机")设计成 机组。这个机组的体积和重量都极大。其安装、维护和修理均须使用笨重且 昂贵的设备，例如重型运输直升机或起重机。发明内容本发明的目的是提供一种电机，这种电机不但结构紧凑，还可被灵活地 应用。所述应用特别是指所述电机在风力设备中用作风力发电机。这个目的通过一种具有权利要求1所述特征的电机、 一种根据权利要求13所述的风力发电机和一种根据权利要求18或19所述的风力设备而达成。 所述电机、风力发电机和风力设备的其他有利建构方案可从从属权利要求2至12和14至17所述的特征中获得。
构为所述电机具有圆盘形初级部分和圆盘形次级部分以形成圆盘形气隙， 或者所述电机具有圆柱形初级部分和圆柱形次级部分以形成圆柱形气隙，其 中，还使用可用于直线电动机的初级部分来建构圆柱形初级部分。如果所述 电机具有圆盘形初级部分和圆盘形次级部分，可以将圆盘形初级部分和圆盘 形次级部分相对布置，使得初级部分和次级部分之间产生圆盘形气隙。电机 的圆盘形结构与电机的圆柱形结构之间的区别在于，尽管电机仍可进行旋转 运动，但磁场通过气隙平行于电机旋转轴定向，而非沿径向朝旋转轴定向。 采用这种建构方式的圆盘形电机相当于一个强制在圆形轨道上运动的直线 电动机。所述电机的类型特别为同步电机。同步电机既可自励，也可他励。发电 机通常为同步电机。根据一种建构方案a) 所述电机的初级部分具有复数个初级部分区段，和/或b) 所述电机的次级部分具有复数个次级部分区段，其中，特别是初级部分区段具有绕组，特别是还使用可用于直线电动机 的初级部分来建构圆盘形初级部分。也就是说，初级部分具有可通过电流的绕组，其中，这些绕组有利地布 置在初级部分的一个区域内，这个区域就圆盘形而言构成所述圆盘的外侧区 域。借此可获得较大的力矩。构成次级部分的组件同样如此。例如，次级部 分具有复数个永磁体，这些永磁体布置在次级部分上，与初级部分的绕组位 于相同的径向区域内。如果次级部分不具有永磁体，而只具有用于导引磁场 的构件，且该构件具有齿状结构，则这个齿状结构也布置在次级部分上，且 其布置方式使得所述齿状结构与初级部分用于产生电磁场的部分相对。通过圆盘形建构方式可实现特别紧凑的结构。此外，通过使用适用于直 线电动机的初级部分，可灵活建构所述电机。这一点之所以能实现的原因主 要在于，直线电动机的这种初级部分可进行单独安装和单独连接。
所述电机的圆盘形建构方式、由此而实现的初级部分和次级部分的圆形 轮廓以及通过多边形布置而实现的相应的圆形区段阵列涉及的总是所述电 机的气隙区域。具有外壳的电机就其外壳而言可具有不同的轮廓和形状，如 圆形、矩形及其他形状。用于构成所述电机的初级部分的初级部分区段特别地具有其自身的电 连接件。此外，通过可解除的连接(例如螺旋连接、夹紧连接或诸如此类的 连接)可简单实现对单个初级部分区段的安装及拆卸。为此，初级部分区段 特别地具有用于穿插螺栓的孔口。根据初级部分区段的另一建构方案，初级 部分区段具有自身的封装材料。布置在初级部分区段叠片铁芯中的绕组由此 而封装。这是直线电动机初级部分的常用处理方式。与定子和转子各自形成一个组件的传统电机不同，所述电机有利地具有 初级部分，所述初级部分由复数个直线电动机/发电机组件构成。这些直线电 动机/发电机组件为初级部分或次级部分的区段，可有利地沿由风力带动旋转 的组件的任意(不是过小的)直径进行安装。这个由风力带动旋转的组件例 如具有叶片。次级部分例如安装在活动组件上，这个活动组件就是上述可旋 转组件。在此情况下，初级部分相应地安装在相对固定的组件上。因此，所述电机可有利地由复数个单独的区段构成。其中，所述电机的 气隙可建构为圆盘形或圆柱形。初级部分的区段(即初级部分区段)是所述电机的有源部件，如上文所 述，这些有源部件类似于传统直线电动机的有源部件。举例而言，这个传统 直线电动机可建构为平直器件或立方形器件。为提高所述电机的功率，也可采用双梳实施方式(DoppelkammausfUhrung)。如果所述电机具有较大直径，即〉lm或〉2m或2米以上的直径，就可 将传统的直线电动机次级部分(平直，立方形)也应用于具有圆柱形结构的 电动机，而不会产生过大损耗。其先决条件为，短距形成所引起的气隙变化 不会对所述电机的功率产生明显影响。
为达到优化功率输出的目的，根据传统直线电动机的初级部分的一种有 利改进方案，可为初级部分区段配备弯曲形状。所述弯曲形状特别是涉及初 级部分区段朝向气隙的侧面。通过所述弯曲形状可以简单的方式实现所述电 机的圆柱形结构。所述弯曲形状的实现方式特别是使初级部分区段的叠片铁 芯具有弯曲形状。通过将复数个呈弯曲状的初级部分区段前后相接地进行排 列，可产生一个圆形。所述电机的次级部分可实施为无源部件，这个无源部件依据直径大小和 结构形状(圆柱形或圆盘形)与初级部分相应地呈弯曲状。为提高所述电机的功率，和/或，为中和初级部分和次级部分之间向外作 用的引力，可将带有圆盘形气隙的电机建构为所谓的双梳。此外，为提高所述电机的可输出功率，和/或，为区分"启动"、"快速运 行"等功能，可用不同的初级部分区段进行建构，这些不同的初级部分区段 沿不同的直径或半径进行安装。由此产生初级部分区段及其对应次级部分的 嵌套排列。所述电机的次级部分可建构为一体式组件或由复数个部分构成(即分段 式组件)。所述电机，特别是用作风能设备的发电机，通过其模块化分段式结构不 仅可实现灵活且成本较低的设计，还能实现灵活且成本较低的制备、安装及 拆卸。此外，所述电机的功率还可有利地进行后续增大或减小。这一点通过 附加安装及连接至少一个附加初级部分区段而实现。而减小功率的实现方式 是移除初级部分区段。由于每个初级部分区段均可独立地固定在支座上，且 同时具有其自身的电连接件，因而即便在使用备件的情况下，也能实现简单 且成本较低的维修。这一点对于风力设备而言特别重要，因为风力设备中用 作发电机的电机定位于高空，很难接近。将本发明的电机应用于风力设备之所以有利的原因还在于下述事实。举 例而言，如果从当地风况出发期望获得较小转矩，就无需在整个发电机圆周 上都设置初级部分区段。极端情况下，只需在所述电机或其圆周上安装一个 初级部分区段就可达到目的。下面对本发明的电机的不同实施方式进行说明，其中的部分实施方式上 文己有所阐述。所述电机可建构为，初级部分具有复数个初级部分区段和/或次级部分具有复数个次级部分区段，其中，初级部分区段特别地具有绕组，特别地还使用适用于直线电动机的初级部分来建构圆盘形初级部分。所述也适用于直线电动机的初级部分是初级部分区段。所述初级部分区段一般情况下有利地具 有至少一个下列特征_ 自身的电连接件 — 封装材料一 用于固定所述初级部分区段的构件。 一个或复数个初级部分区段构成所述电机的初级部分。自身的电连接件有利地具有用于建立可解除的电接触的装置。这种接触 例如是夹紧接触、螺栓接触或诸如此类的接触。为简化安装工作，初级部分区段可固定于用作支承装置的支座上。次级 部分区段也可以以可拆卸或不可拆卸的方式固定于其他支承装置上。根据一种有利建构方案，所述支承装置还可用作用于导引电机活动部件 的导引装置。所述活动部件或者是初级部分，或者是次级部分。就初级部分 而言，初级部分区段可以以单个或成组的形式由所述导引装置导引。如上文所述，通过布置区段(特别是初级部分区段)产生圆形轮廓。因 此，初级部分区段和/或次级部分区段(例如)呈多边形布置，其中，通过这 种多边形布置产生圆形轮廓。根据一种有利建构方案，所述电机的初级部分建构为多边式圆形组件， 其中，次级部分呈相对于初级部分而言有所改善的圆形。通过这种方式可将 直线电动机的初级部分用作初级部分区段，而不会使所述电机的谐波特性受
到不必要的影响。根据另一建构方案，初级部分区段具有叠片铁芯，其中，所述叠片铁芯 具有用于容纳绕组的槽，所述槽特别地彼此平行布置。次级部分可建构为具有复数个永磁体，所述永磁体特别以形成圆形的方 式以一定的角度偏差并排布置。为能制备低成本次级部分，所述电机也可建构为同步电机，其中，初级 部分具有绕组，所述绕组用作用于产生第一磁场的第一构件，次级部分具有 一个用于导引所述磁场的构件，初级部分具有至少一个用于产生其他磁场的 其他构件，其中，所述用于产生第一磁场的第一构件相对于所述用于产生其 他磁场的其他构件的布置使得，可实现所述第一磁场与所述其他磁场的叠 加。为此，次级部分的用于导引磁场的构件具有齿状结构。本发明的电机有利地用作风力发电机。风力发电机可安装在支架上的舱室内。舱室允许进入，为能实现风力发 电机在舱室内部的简单安装，所述风力发电机采取一种使初级部分靠近支 架、次级部分远离支架的安装方式。所述风力发电机或者采取使初级部分与舱室机械式稳固相连的建构方 案，或者采取使次级部分与舱室机械式稳固相连的建构方案。未与舱室机械 式稳固相连的部分与风力设备的叶片相连。本发明的电机可用作风力发电机，可进行灵活建构，借此可将两个或两 个以上的风力发电机耦合在一起。彼此耦合的风力发电机例如沿轴向前后布 置。在圆盘形风力发电机情况下，也可用不同周长(—不同直径)的圆盘来 建构风力发电机，并将这些圆盘布置在同一平面内。风力设备具有至少一个叶片，其中，根据一种实施方式，所述风力发电 机的次级部分以机械方式与所述叶片稳固地耦合。根据另一实施方式，初级 部分以机械方式与所述叶片稳固地耦合。次级部分既不具有永磁体又不具有绕组的电机适合用作圆周上无需全
部配备初级部分区段的电机。但所述次级部分具有用于导引磁场的构件。这 种类型的电机的优点在于其成本低，此外还可避免配有永磁体的传统同步直 线电动机次级部分的非期望磁场。借此可简化安装工作。这种类型的电机也 适用于整个圆周上均配有初级部分区段的初级部分，下文将对其进行说明。
在这种类型的电机中，初级部分实施为具有两个用于产生磁场的构件。 次级部分不具有用于产生磁场的构件。初级部分具有一个用于产生磁场的第 一构件和一个用于产生磁场的其他构件，其中，用于产生磁场的第一构件加 载有或可加载交流电压或交流电流。用于产生磁场(第一磁场)的第一构件 例如是绕组。用于产生磁场(激励磁场)的其他构件是可以用来产生其他磁 场的构件，所述其他磁场是至少一个第二磁场。所述其他磁场产生的场激励 有利地在工作过程中不发生变化，即保持恒定。这种用于产生其他磁场的其 他构件例如是永磁体或绕组，所述绕组加载有或可加载恒定电流。用于产生 其他磁场的其他构件有利地具有复数个用于产生异极磁场激励的其他构件。用于产生第一磁场的第一构件例如是线圈绕组，其中，从所述线圈出发 或进入所述线圈的第一磁场这样导向用于产生其他磁场的其他构件(即第 二、第三等构件)，使得至少两个用于产生其他磁场的其他构件位于第一磁 场的磁场范围内，从而可以实现两个磁场的交互作用。用于产生其他磁场的 其他构件有利地具有复数个彼此相反的磁化方向，借此可实现异极磁化布 置。所述电机具有一个初级部分和一个次级部分，其中，初级部分具有用于 产生第一磁场的第一构件，次级部分具有用于引导所述磁场的构件，所述电 机建构为，初级部分具有至少两个用于产生至少两个其他磁场的其他构件， 其中，用于产生第一磁场的第一构件相对于用于产生其他磁场的其他构件的 布置方案为，可实现所述第一磁场与所述其他磁场的叠加。这种电机结构的优点在于，电机的次级部分不具有用于产生磁场的有源 构件。这种电机的次级部分只具有用于引导磁场的构件，因而易于制造，且 成本较低。次级部分例如实施为叠片结构，借此可防止涡流的出现。初级部分和次级部分可有利地用软铁部件建构。这些部件的叠片结构可 减少涡流。根据其他实施方式，所述软铁部件也可实施为实心部件和/或所谓 的粉末压件。这种电机类型也可实施为所述电机具有一个初级部分和一个次级部 分，初级部分具有一个用于产生第一磁场的第一构件和一个用于产生其他磁 场的其他构件，其中，所述第一构件为绕组，所述其他构件为至少一个永磁 体。所述其他构件特别为复数个构件，即复数个永磁体。根据本发明的电机 的这种建构方案，所有用于产生磁场的构件均位于初级部分中。次级部分只 具有用于引导磁场的构件，例如实施为在其朝向初级部分的表面上具有复数 个齿。所述构件特别为含铁构件，例如叠片铁芯。次级部分和/或初级部分例如实施为具有复数个齿。次级部分的齿距与初 级部分的齿距或磁距既可以相同，也可以不同。举例而言，当齿距相同时， 某个电动机相上的线圈成为线圈组，并与其他电动机相上的其他线圈组之间存在360。/m的偏移。"m"表示相数。次级部分的齿距(Tau—SeK)规定了 电机的极距(Tau—p)，即Tau_zahn，sek=2*Tau—p。根据所述电机的一种实施方式，次级部分的齿距例如为初级部分的磁距 的整数倍。但所述电机也可建构为，次级部分的齿距并非为初级部分的磁距 的整数倍。所述永磁体可内置于初级部分中，由此可将线圈(绕组)和磁体(永磁 体)安装在同一部分(初级部分)中。与已知的电动机原理相比，短定子结 构所需的磁性材料少很多。次级部分有利地只由铁制反应轨构成。根据所述电机的另一有利建构方案，嵌入在用软磁材料制成的磁路部分 中的、用于产生磁场的其他构件(例如永磁体)采取通量集中的布置方式。 通量集中的布置方式可使电机获得高的磁利用率。所述"嵌入"指的是永磁 体在软磁材料中的这样一种定位方式，即永磁体的有磁场发出的边侧全部或
部分地与软磁材料相连。根据所述电机的另一建构方案，其次级部分具有至少一个用于提供磁回 路的构件。所述构件例如具有叠片铁芯。此外，次级部分有利地建构为不具 有磁源。磁源例如为永磁体或通(电)流的绕组。根据另一实施方式，次级部分实施为具有复数个朝向初级部分的齿。由 此可在次级部分内部通过齿和可能存在的回路来导引主磁通。在借助齿来导 引磁通时，每次例如只能通过一个齿或至少两个齿来导引磁通。如上文所述，用于产生第一磁场的第一构件有利地为可加载电流的绕 组。可加载电流的电机绕组由一个或复数个相(例如U、 V、 W)构成。每 个相由一个或复数个线圈构成。所述线圈的一种有利实施方式是盘绕在齿上 的集中线圈(绕齿线圈)，其中，每个齿可具有一个或复数个极或永磁体。 其中，绕齿线圈至少是绕组的一部分。线圈既可实施为单个线圈，也可实施 为分段线圈。绕组的优点在于，借助绕组可以最简单的方式(例如)借助交 流产生变化的磁场。所述电机例如也可实施为具有复数个绕组或线圈，其中， 可用三相源的不同相为这些绕组供电。电机也可实施为其次级部分具有复数个齿，所述齿彼此间的间距为Tau一Sek。所述电机的初级部分包括用于产生激励磁场的第二构件，所述第 二构件通过复数个所述构件而实现(例如复数个永磁体)，这些构件彼此间 的间距为Tau_Prim。在此情况下，所述电机的一种实施方式的特点在于，Tau—Sek与Tau_Prim 之间的关系可用下述方程式表示<formula>formula see original document page 14</formula>也就是说，Tau—Sek可用Tau_Prim的整数倍来表示。根据所述电机的另一实施方式，Tau—Sek与Tau_Prim之间的关系可用下述方程式表示<formula>formula see original document page 14</formula> 也就是说，间距Tau_Sek并非为间距Tau—Prim的整数倍。如上文所述，所述电机的另一实施方式是将复数个永磁体用作用于产生至少一个第二磁场的其他构件。所述永磁体在初级部分上的有利布置方式是其在不同方向上各产生一个激励磁场。根据所述永磁体的一种布置方案，所述永磁体的磁化方向平行且交替相反。根据所述电机的另一建构方案，所述电机具有一个初级部分和两个次级 部分。初级部分布置在两个次级部分之间。这种布置方案可使由有效磁通构 成的磁路通过初级部分和两个次级部分而闭合。根据所述电机的另一建构方案，所述电机具有两个初级部分和一个次级 部分。次级部分布置在两个初级部分之间。初级部分和次级部分的这种布置 方案可使由有效磁通构成的磁路通过两个初级部分和一个次级部分而闭合。两个初级部分和一个次级部分还可采取这样一种布置方案，使得由有效 磁通构成的磁路通过其中一个初级部分和共同的次级部分而闭合。


下面借助附图所示的示例对本发明的电机和相应的风力发电机及风力 设备的建构方案进行说明，其中 图1为风力设备； 图2为圆盘形电机； 图3为圆盘形电机的局部图；图4为圆柱形电机的局部截面图，所述电机具有平直的初级部分区段；图5为圆柱形电机的局部截面图，所述电机具有弯曲的初级部分区段；图6为直线电动机的原理图；图7为初级部分上布置有永磁体的直线电动机；图8为直线电动机的第一磁场分布图； 图9为直线电动机的第二磁场分布图； 图10为磁通、感应电压和功率的时间曲线图； 图11为力的形成过程示意图；图12为具有横向磁通的直线电动机的几何结构图和力线分布图； 图13为具有纵向磁通的直线电动机的透视图； 图14为初级部分具有极靴的直线电动机；图15为具有纵向磁通的直线电动机的几何结构图和力线分布图；图16为直线电动机，其具有分别与各电网相位对应的相；图17为直线电动机的几何结构图和力线分布图，所述直线电动机具有能产生通量集中的齿磁体；图18为直线电动机的几何结构图和力线分布图，所述直线电动机具有能产生通量集中的轭磁体；图19为具有横向磁通磁路的初级部分与具有纵向磁通磁路的初级部分的比较图；图20为具有交变磁通布置的电机与具有单向磁通布置的电机的比较图； 图21为两侧布置有次级部分的电机； 图22为两侧布置有初级部分的电机；以及图23为横向磁通磁路布置的磁场分布图，所述磁场分布由电流产生。
具体实施方式
图1显示的是风力设备200的示意图。风力设备200具有一个支架202 和一个安装在该支架上的舱室204。这个舱室内安置有一风力发电机206。 风力发电机206与复数个叶片208相连。图2显示的是具有圆盘形气隙的圆盘形电机210的示意图。这个电机具 有复数个初级部分区段212。初级部分区段212由支承装置214导引。支承 装置214具有一个导轨216和复数个由所述导轨导引的滑座218。滑座218 与初级部分区段212机械相连。通过未作图示的间隔垫片可将初级部分区段212间隔布置。每个初级部分区段212均具有自身的电连接件220。初级部 分区段212用于构成初级部分222。所述初级部与次级部分224相关联。次 级部分224可建构为旋转对称的铁反应组件，其中，次级部分224可由复数 个部分构成(即分段式组件)。初级部分区段212有利地由复数个平直的直 线电动机定子构成，并呈圆圈状布置。由此形成所述电机的圆周。图2显示 的是由平直的定子元件和旋转对称的次级部分构成的环形力矩电动机。图3显示的是类似于图2所示电机的电机的局部图，其中，电机210具 有相对较少的初级部分区段212，次级部分224也具有复数个永磁体226。 在图2中，永磁体内置在初级部分区段212中。图3借助虚线232还对其他 圆盘形电机的位置进行了图示。这个附图未作图示的其他圆盘形电机的圆周 大于附图所示的圆盘形电机210的圆周。附图未作图示的圆盘形电机的内圆 周可小于附图所示电机210的外圆周，借此可将这两个电机大致定位于同一 个平面内。图4显示的是基本形状为圆柱形的电机的局部截面图。次级部分224具 有复数个永磁体226。初级部分222具有复数个平直的初级部分区段212， 其中，这些初级部分区段通过连接元件230彼此相连。在初级部分区段212 采取平直的实施方式的情况下，会产生不同的气隙厚度228、 229。初级部分 区段212中部的气隙229小于平直的初级部分区段212外侧区域的气隙，此 处会产生相对较大的气隙228。与图4不同，图5显示的是弯曲的初级部分区段213。通过这种弧形弯 曲，可在初级部分222与次级部分224之间形成不受初级部分区段213影响 的一致的气隙229。在待驱动组件像风力设备领域的待驱动组件那样直径相对较大、转速相 对较小的情况下，具有分段式初级部分区段的发电机的优势例如在于一通过发电机的模块式结构实现发电机功率的可量测性——通过将
初级部分串联、并联或单个连接在一个或复数个变流器上，可对发电机进行 灵活设计；一 相对于大型电机而言制备成本较低，其原因在于可使用"标准组 件"，而"标准组件"可用简单的(现有)生产工具大量制备；一 可利用目前中压范围(720 VDC以下)内的发电机电压所能使用 的现有组件；一 电动机可在设备制造商处或在现场以低成本进行简单安装； 一无磨损=> 较大的设备可用性。图6显示的是电机1。电机1具有一个初级部分3和一个弧形次级部分 5。次级部分构成一个封闭圆圈，但附图并未对此进行图示。初级部分3具 有一个绕组9和复数个永磁体17。第一双向箭头11表示纵向，另一双向箭 头表示横向13。第三双向箭头表示法向15，其中，所述法向涉及图6中未 作图示的气隙平面19。但图7对气隙平面19进行了图示。箭头所指的是涉 及图8和图9所示内容的侧视图7。电机1是可由变流器14控制的直线电动 机，所述变流器借助连接电缆16与所述直线电动机相连。为简化图示起见，次级部分和初级部分在以下各附图中均实施为平直组 件。本发明的电机的初级部分和次级部分总是实施为圆形、圆盘形或圆柱形。图7显示的是电机1。初级部分3实施为叠片铁芯，其中，初级部分3 具有一个绕组9。绕组9为相绕组，其中，所述相绕组可加载交流电。图7 中显示的是所述电流在某一瞬间的方向。该方向用一个点23和一个叉25表 示。实施为叠片结构的初级部分3在其朝向次级部分15的一侧上具有复数 个永磁体17。永磁体17在初级部分上的安装方式使得它们的磁化方向在法 向15的方向上交替变化。也就是说，所述磁体(永磁体)产生一个交替地 指向上方(指向初级部分3)和指向下方(指向次级部分5)的磁通。由此 而交替出现北极-南极永磁体(N-S) 27 (磁化方向指向次级部分)和南极-北极永磁体(N-S) 29 (磁化方向指向初级部分)。初级部分3与次级部分5 之间形成气隙21。这一气隙21构成气隙平面19。在本示例中为一直线电机 的电机1在纵向11上移动。此时，可采取初级部分3静止而次级部分5移 动，或者次级部分5静止而初级部分3在次级部分5上移动的方案。绕组9 是用于产生第一磁场的第一构件，永磁体17是用于产生其他磁场的其他构 件。图7显示的是电机1的横向磁通实施例。在该横向磁通实施例中，次级 部分5例如实施为具有支座31和复数个横条33。至少横条33实施为叠片结 构。所述叠片结构为在弯曲的纵向ll上片与片排列的结构。横条33例如以 粘贴、焊接、熔接方式、或通过多种紧固方式的组合形式连接在支座31上。 叠片结构的优点在于可防止涡流出现。如果负面的涡流效应并不是很大(例 如在使用足够低的电基频时)，可使用价格低廉的实心部件来代替叠片结构。 图8显示的是初级部分3和次级部分5的局部图。图8所示的局部图显 示了初级部分3中的磁场分布情况，所选取的侧视图形式与图6所示的侧视 图7相一致。图8显示了绕组10的一圈。此外，根据附图所示，初级部分3 和次级部分5可划分为复数个区段。初级部分具有初级区段47、 49、 51和 53，这些初级区段47、 49、 51、 53涉及的是永磁体27、 29。其中，该区域 的区段对应于永磁体27和29的磁化方向，磁通或者以次级部分5为起点进 行延伸，或者朝次级部分5延伸。延伸走向用箭头41、 43表示。所有与绕 组10交链的磁通的总和构成交链磁通v)/。交链磁通主要由可通过次级部分5 构成磁通量磁路的磁体产生。不同长度的磁通箭头表示每个磁体与绕组(线 圈)交链的磁通。由于次级部分5中布置有横条33，因此其也相应地具有复 数个区段。这些次级区段55、 57、 59和61分别对应于存在或不存在横条33 的部分。借助横条33可对磁通进行导引。在本示例中，以垂直于附图所示 的X轴63的方向对磁通进行导引。也就是说，磁通以垂直于附图所在纸面 的方向延伸，其中，这个方向对应于Y轴65。 Z轴垂直于X轴和Y轴，这 样，这三个轴都彼此垂直。例如由北极-南极永磁体27产生的激励磁通通过 横条33和与区段55相连的区段47中的初级部分3而闭合。其中，初级部
分3例如在第一北极-南极永磁体(27) (n-s永磁体)之后具有以相反方向 磁化的其他永磁体，这个永磁体就是s-n永磁体29。由于永磁体29位于背 面，因此图8未对其进行图示。在永磁体27、 29的对面布置有横条33的位 置上形成窄气隙35。在无横条33的相邻位置上形成宽气隙37。由于气隙35 和37不同，因此在区段47、 51和49、 53中分别由永磁体27和29产生强 度不同的磁通41和43。最终产生的磁通39为所有磁通41和43的总和。图8显示的是绕组10中的电流过零时初级部分3和次级部分5所处的 位置以及当初级部分3和次级部分5处于这个位置时的激励磁通41、 43。所 述激励磁通与位置相关的变化、所述绕组中的感应电压与位置相关的变化和 在此过程中所转化的通电电动机的功率由图10显示。当次级部分处于图8 所示的X=0的位置时，会产生负交链磁通v，当次级部分处于图9所示的 X二Tm的位置吋，会产生正磁通v(/。也就是说，图9所示的次级部分5位于 X-Tm的位置。如果次级部分5移动一个磁极距，线圈(绕组IO)的磁交链 39就会因此而逐渐从负值变为正值。可通过例如磁体宽度、气隙、齿宽(横 条33的宽度)等几何参数对这一变化过程施加影响。力求实现尽可能为正 弦形的变化过程的设计方案是有利的。图10用三个曲线图显示了交链磁通vK、从中产生的感应电压Ui和一个 相/一个绕组的电功率Pe^随时间变化的情况。时间变化用电压相位表示。 磁通v的变化同时也反映了磁场90的变化，磁场90可由(例如)永磁体产 生。为达到使某一相以最佳形式形成力的目的，必须在带有感应电压的相中 施加电流。图IO所示的X-O和X-Tm等位置与所示的磁通v、电压Uj和电 功率Pd^的变化情况一起共同涉及图8和图9所示的内容。从表示电功率的 第三个图中可以看出，为获得恒定功率( 力)，电动机的相数m必须大于 和/或等于二。选用三个相是有利的，因为三相变换器所需的半导体阀的数量 小于两相或多于三相的变换器。图9用于说明技术原理与力f的产生过程。为能更清楚地显示直线电动 机纵向上的力的形成过程，引入一辅助模型。永磁体27由其所对应的侧面上的电流代替。永磁体27可用(例如)六面体表示，其中，如附图所示， 所述六面体69的侧面上有电流流动。在模型71中，永磁体27可用一绕组 表示，如所述模型所示，所述绕组中的电流方向用一个点23和一个叉25表 示。在附图所示的"2D"部分，磁体縮小至等效电流的导体截面。将磁体代 入初级部分的侧视图中后，就形成了随后所示的布置。绕组9所产生的磁场 在气隙21中集中在用作磁通集中件的横条33处，这是因为这里的磁阻最小。 虚拟导体位于相线圈的磁场中，既可增强又可削弱该磁场。导体会向场强较 小的区域"移位"，这在图11中利用作用在初级部分上的力F的方向表示。 这种关系也可用"右手定则"来说明，即电流、磁场和力F正交。当初级部 分3和次级部分5处于图11所示的X=TM/2的位置时，相电流(即由绕组9 产生的电流)达到其最大值。图12显示的是横向磁通直线电动机1的几何结构和由永磁体17产生的 激励场88。在垂直于移动方向(11)的平面(106)内存在有效磁通。所述 有效磁通是与绕组9耦合或交链的磁通。如此定向的有效磁通构成横向磁通 磁路。图12所示的激励场88为其他磁场或复数个其他磁场。直线电动机1具 有呈叠片状的初级部分3和呈叠片状的次级部分5。附图粗略显示了叠片铁 芯的堆叠方向。永磁体19的磁化方向94用箭头表示。初级部分的移动方向 为纵向11。图13显示的是初级部分4和次级部分6。初级部分4和次级部分6构成 电机2，其中，电机2具有纵向磁通布置。纵向磁通布置的特点主要在于， 磁场并非垂直于初级部分或次级部分的移动方向，而是沿着初级部分或次级 部分的移动方向闭合。被引导在平面108上的磁通为有效磁通，其中，平面 108平行于移动方向11。所述有效磁通是与线圈9耦合的磁通。如此定向的 有效磁通构成纵向磁通磁路。
图13所示的次级部分6在其支座32区域内和横条34区域内均实施为 叠片结构。与横向磁通布置不同，气隙平面内的磁体布置成条状，而非棋盘 状。纵向磁通方案中的磁体基本平行于横条(磁通集中件)。为减小力的波 动，可针对性地以某一方式倾斜磁体。根据另一有利设计方案，次级部分6由复数个叠片制成，所述叠片在电 动机的宽度范围内前后堆叠。其中，支座32和齿75以一整体形式构成一叠 片。通过将叠片前后堆叠，形成次级部分带有横条34的齿状结构。图13对 叠片结构进行了图示。例如，次级部分可采取在纵向上由复数个部分构成的 建构方案，次级部分6借此可与下一个次级部分邻接。但图13并未对这种 在移动方向上邻接的其他次级部分进行图示。此外，图13还对永磁体进行 了图示。所述永磁体为N-S永磁体28或S-N永磁体30。例如，这些永磁体 在初级部分4的叠片铁芯的整个宽度77上延伸。图14显示的是图13所示的电机2的改进方案。其中，初级部分4建构 为具有复数个极靴79。极靴79拓宽了用于永磁体28、 30的接触区域。借此 可提高电机2所产生的力。由于因永磁体定位面的增大而使初级部分中用于 安装绕组9的区域受到限制，因此，初级部分4实施为具有绕组架81是有 利的。绕组架81既具有一极靴79又具有一绕组颈84。可将绕组9绕在绕组 颈84上后再插入初级部分4中。借助凸耳83将绕组架81固定在初级部分 中是有利的。图14将绕组9标示为电动机的相U。通过结构相同的初级部 分4可实现电动机的其他几个相(例如V和W)，但图14并未对此进行图 示。永磁体28和30在所示位置上产生激励磁通86，其总和为线圈9的磁交 链V。如图14所示，表示有效磁通的激励磁通86构成纵向磁通磁路。图15显示的是具有一纵向磁通磁路的直线电动机2。这个纵向磁通磁路 对应于图14所示的纵向磁通磁路。图15还在位于下方的示意图中对其他磁 场92的分布情况进行了图示。这些其他磁场92是永磁体17所产生的激励 磁场。 图16显示的是电机2的另一实施例，其中，所述电机可具有三个相U、v和w。每个相分别对应三相电网的一个相。可通过各相间的几何偏移来实 现必要的相移。其中，所述几何偏移Ax对于所示的三相电机而言为120°。 此外，图16与图15的区别例如还在于，每个相U、 V和W并非只分配有 一个绕齿线圈9，而是分配有两个绕齿线圈12和14。图17显示的是直线电动机形式的电机2，其中，将齿磁体18用作永磁 体。同样为永磁体的齿磁体18例如位于呈叠片状的软铁材料96之间。由齿 磁体18产生的其他磁场86用带箭头的线表示。永磁体18的磁化方向94同 样用箭头表示。齿磁体18基本定位在齿98的中部，并基本平行于绕齿线圈 9的线圈轴100延伸。齿98被绕齿线圈9围绕。图17的上半部分显示的是 激励磁场88的几何结构，下半部分显示的是激励磁场88的分布情况。激励 磁场88是由齿磁体18产生的其他磁场。其中，有关激励磁场88的图示清 楚显示了通量集中102的作用。通量集中取决于磁路的几何结构。其中的影 响变量例如为磁体尺寸和叠片尺寸。齿磁体18 (所述齿磁体为永磁体)的磁 化方向94大致平行于气隙105的气隙平面。图17所示的电机的次级部分6的齿距并非为初级部分4的磁距的整数 倍。在齿距或磁距不恒定的情况下，这一点尤指平均值而言。可借助一个和/或复数个相来为线圈9加载电流。电动机各相上的线圈分 配取决于初级部分4和次级部分6之间所选定的齿距比例。如图17所示， 初级部分4的齿98的齿距不同于次级部分6的齿99的齿距。这样，可实现 一种初级部分和次级部分既可具有相同齿距，也可具有不同齿距的多相电 机。例如图12和图16所显示的就是相同的齿距。图18与图17的区别主要是使用轭磁体20来代替齿磁体作为用于产生 其他磁场的其他构件。轭磁体20也是永磁体，布置在轭104的区域内。轭 104用于连接齿98。根据所述磁体的布置，会产生一个如图18所示的不同 于图17的激励磁场88。 图19显示的是具有横向磁通磁路115的初级部分3与具有纵向磁通磁路117的初级部分4的比较图。初级部分3、 4特别是图中未作图示的具有 永磁激励的同步电动机的初级部分3、 4，这种同步电动机的初级部分中具有 永磁体，附图也未对所述永磁体进行图示。附图对磁通O只进行了象征性的 图示。出于清楚起见，附图也未对用于产生磁通O的其他构件(例如可通电 流的绕组)进行图示。可能的移动方向ll用箭头表示。图19中没有显示与 初级部分3和4相关联的次级部分。根据图示内容还可看出，当初级部分3 和4采取叠片结构时，这一叠片结构依赖于相应磁路115和117的布置。在 横向磁通磁路115中，激励磁通(D大致在垂直于移动方向11的平面内闭合。 用于构成初级部分3、 4的叠片结构的电机叠片位于磁通平面内，例如随初 级部分3的纵向延伸方向堆叠，其中，纵向延伸指的是初级部分3在移动方 向11上的延伸。图20为电机2a和2b的比较图，其中，两个电机2a、 2b均为直线电动 机。电机2a具有带有复数个齿98的初级部分4a，其中，每个齿98上均安 装有复数个具有不同磁化方向94的永磁体17。永磁体17安装在初级部分朝 向气隙105的一侧上。永磁体17的磁化方向94大致垂直于气隙平面。如图20所示，每个齿98上分别盘绕有一个绕齿线圈9。由于每个齿98 均具有磁化方向94相反的永磁体17，因此当初级部分4a进行相对于次级部 分6的移动时，会产生交变磁通。也就是说，电机2a具有交变磁通布置。 借助用于产生激励(磁)场的永磁体17，可在次级部分6进行相对于初级部 分4a的移动时在磁路中产生交变磁通。各永磁体17的磁化方向94设计为 通过具有齿状结构的次级部分6的移动，在初级部分4a带有线圈的磁路部 分中产生交变磁通。图20所示的电机2b也具有带有复数个齿98的初级部分4b。与电机2a 不同的是，电机2b中的每个齿98只具有一个永磁体17。由于永磁体17具 有磁化方向94，因此每个齿98只有一个磁化方向94。电机2b也可建构为，
每个齿98具有复数个磁化方向一致的永磁体。图20并未对这种实施方案进 行明确图示。在电机2b中，磁化方向94都随着初级部分4b上的齿98交替 变化。也就是说，每个齿交替地具有不同的磁化方向94。由于齿98具有磁 化方向94相反的永磁体17，因此当初级部分4b进行相对于次级部分6的移 动时，会产生单向磁通。也就是说，电机2b具有单向磁通布置。借助用于 产生激励(磁)场的永磁体17，可在次级部分6进行相对于初级部分4a的 移动时在磁路中产生单向磁通。图20所示的电机2b的各永磁体17的磁化 方向94设计为通过具有齿状结构的次级部分6的移动，在初级部分4b带 有线圈的磁路部分中产生单向磁通，其中，所述单向磁通不改变其方向，并 在最大值与最小值之间周期性摆动。图20或图17选择了一种可在初级部分和次级部分之间获得力效应的布 置。图21所示的电机中布置有一个初级部分4和两个次级部分6a、 6b。因 此，力效应产生在仅有的一个初级部分4和两个次级部分6a、 6b之间。借 此使所能产生的力近乎加倍。图21所示的直线电动机的初级部分3上的齿 98各具有两个极靴79，其中，每个极靴79分别朝向一个次级部分6a或6b。 图21所示的这种电机2的实施方式是图17所示的电机2的一种改进方案。 其中，两侧均布置次级部分的布置方案并不局限于图21所示的初级部分4 的实施方式，采用这种实施方式时，永磁体17嵌在软磁材料119中。初级 部分也可实施为在极靴上具有永磁体。但图21并未对这种实施方式进行图 示。图22所示的电机2中布置有两个初级部分4a、 4b和一个相关的次级部 分6。因此，力效应产生在仅有的一个次级部分6和两个初级部分4a、 4b 之间。借此使所能产生的力近乎加倍。图21所示的直线电动机2的次级部 分上的齿3在两侧分别朝向相应的一个初级部分4a或4b。也就是说，每个 初级部分4a和4b均分配有仅有的一个次级部分5上的齿33。图22所示的 这种电机2的实施方式是图17所示的电机2的一种改进方案。其中，两侧 均布置初级部分4a、 4b的布置方案并不局限于图21所示的初级部分4a的 实施方式，采用这种实施方式时，永磁体17嵌在软磁材料119中。初级部 分也可实施为在极靴上具有永磁体(例如如图15所示)。但图22并未对这 种实施方式进行图示。图23示例性地显示了一种具有两个初级部分3a、 3b和一个次级部分5 的电机1中的磁场分布。初级部分3a和3b具有复数个永磁体17和一个绕 组9。图23中显示了由电流产生的磁通86，所述电流由初级部分中用虚线 表示的绕组9产生。图23所示的磁通86并未对永磁体所产生的磁通加以考 虑。
权利要求
1. 一种电机(1，2，210)，特别是一种发电机，其中所述电机具有一个初级部分(3，4，222，212，213)和一个次级部分(5，6，224)，其特征在于，所述电机(1，2，210)具有一个圆盘形初级部分(3，4，222，212，213)和一个圆盘形次级部分(5，6，224)以形成圆盘形气隙，或者所述电机(1，2，210)具有一个圆柱形初级部分(3，4，212，213)和一个圆柱形次级部分(5，6，224)以形成圆柱形气隙，其中，还使用一个适用于直线电动机的初级部分来建构所述圆柱形初级部分(3，4，222，212，213)。
2. 根据权利要求l所述的电机(1， 2， 210)，其特征在于， 所述初级部分(3， 4， 212， 213)具有初级部分区段(212， 213)和/或所述次级部分(5， 6， 224)具有次级部分区段(5， 6， 224)，其中，特 别地所述初级部分区段(212， 213)具有绕组，特别地还使用适用于直线电 动机的初级部分来建构所述圆盘形初级部分(222)。
3. 根据权利要求2所述的电机(1， 2， 210)，其特征在于， 所述初级部分区段(212， 213)具有其自身的电连接件(220)，其中，所述自身的电连接件特别地具有一个用于建立可解除的电接触的装置。
4. 根据权利要求2或3所述的电机(1， 2， 210)，其特征在于， 所述初级部分区段(212， 213)或所述次级部分区段(5， 6， 224)以可拆卸的方式安装在一支承装置(214)上。
5. 根据权利要求2至4中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)， 其特征在于，所述初级部分区段(212， 213)和/或所述次级部分区段(5， 6， 224) 呈多边形布置，其中，通过所述多边形布置特别地形成圆形轮廓。
6. 根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)， 其特征在于， 所述次级部分(5， 6， 224)和/或所述初级部分(3， 4， 212， 213)具有圆形轮廓。
7. 根据权利要求1或6中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)， 其特征在于，所述次级部分(5， 6， 224)的圆形轮廓比所述初级部分(3， 4， 212， 213)的圆形轮廓更接近于圆。
8. 根据权利要求2至7中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)， 其特征在于，所述初级部分区段(212， 213)具有一叠片铁芯，其中，所述叠片铁芯 具有用于容纳所述绕组的槽，所述槽特别地彼此平行布置。
9. 根据权利要求1至IO中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)， 其特征在于，所述次级部分(5， 6, 224)具有复数个永磁体(17， 226)，所述永磁 体以一角度偏差彼此并排布置。
10. 根据权利要求l至9中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)， 其特征在于，所述电机特别是同步电机，其中，所述初级部分(3， 4， 130)具有绕 组，所述绕组用作用于产生第一磁场的第一构件(9， 10， 12， 14)，所述次 级部分(5， 6， 120)具有用于导引所述磁场的构件(31， 32， 33， 34， 99)， 所述初级部分(3， 4， 130)具有至少一个用于产生其他磁场的其他构件(17， 18， 20， 27， 28， 29， 30)，特别地，所述用于产生第一磁场的第一构件(9) 相对于所述用于产生其他磁场的其他构件(17， 18， 20， 27， 28， 29， 30) 的布置使得能够让所述其他磁场叠加在所述第一磁场上。
11. 根据权利要求10所述的电机(1， 2， 210)，其特征在于， 所述次级部分用于导引磁场的构件具有齿状结构。
12. 根据权利要求2至11中任一项权利要求所述的电机(1， 2， 210)，其特征在于，设置有用于导引所述初级部分区段(212， 213)的导引装置(214)。
13. —种风力发电机(1， 2， 210)， 其特征在于，所述风力发电机(1， 2， 210)为根据权利要求1至12中任一项权利要 求所述的电机(1， 2， 210)的形式。
14. 根据权利要求13所述的风力发电机(1， 2， 210)，其特征在于， 所述风力发电机安装在支架(202)上的舱室(204)内，其中，所述风力发电机采取使所述初级部分(3， 4， 212， 213)靠近所述支架(202)、所 述次级部分(5， 6， 224)远离所述支架(202)的安装方式。
15. 根据权利要求13或14所述的风力发电机(1， 2， 210)，其特征在于，所述初级部分(3， 4， 212， 213)与所述舱室(204)机械相连。
16. 根据权利要求13或14所述的风力发电机(1， 2， 210)，其特征在于，所述次级部分(5， 6， 224)与所述舱室(204)机械相连。
17. —种风力发电机(1， 2， 210)，其特征在于，耦合的风力发电机(1， 2， 210)具有至少两个根据权利要求13至16 中任一项权利要求所述的风力发电机，其中，这些风力发电机沿轴向前后布 置。
18. —种风力设备(200)，所述风力设备具有至少一个叶片(208)和 一个根据权利要求13或16中任一项权利要求所述的风力发电机(1，2，210)，其特征在于，所述次级部分(5， 6， 224)与所述叶片(208)机械耦合。
19. 一种风力设备(200)，所述风力设备具有至少一个叶片(208)和 一个根据权利要求13或16中任一项权利要求所述的风力发电机(1 ，2，210)，其特征在于所述初级部分(3， 4， 222)与所述叶片(208)机械耦合。
全文摘要
本发明涉及一种电机(1，2，210)和一种具有这种电机的风力设备，所述电机可用作风力发电机。所述电机具有一个初级部分(3，4，222，212，213)和一个次级部分(5，6，224)，其中，设置有用于形成圆盘形气隙的圆盘形初级部分(3，4，222，212，213)和圆盘形次级部分(5，6，224)，或者所述电机(1，2，210)具有用于形成圆柱形气隙的圆柱形初级部分(3，4，212，213)和圆柱形次级部分(5，6，224)，其中，还使用可用于直线电动机的初级部分来建构所述圆柱形初级部分(3，4，222，212，213)。
文档编号H02K16/00GK101401284SQ200780009216
公开日2009年4月1日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年3月22日
发明者托马斯·霍庇, 约翰尼斯·沃伦伯格 申请人:西门子公司