专利名称：补偿电机不均匀空气间隙的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及补偿位于电机中的不均勻空气间隙的结构。本发明尤其涉及对处于发 电机的转子和定子之间的空气间隙的补偿。优选地，所述电机是发电机，如用在风力涡轮机中的“直接驱动”发电机。
背景技术：
每个发电机呈现出空气间隙，其被定位成在所述发电机的定子元件和转子元件之 间。例如，所述转子元件包含永磁体，而所述定子元件包含堆叠叠层板，其支持所述定子线 圈的至少一个绕组。所述空气间隙应该相对小，以确保所述发电机高效。因此，所述空气间隙应该处于 仅仅几个毫米的范围内。对于发电机，如直接驱动或直接传动发电机，由于它们的尺寸使得 这是很难的。直接驱动发电机呈现出若干米的直径。转子元件和定子元件被布置彼此相对，因此所述空气间隙必须保证在所述发电机 操作时，它们不会接触到。因此所述空气间隙应该非常小，以便一方面确保所述发电机的效率，同时保证具 有一定的空气间隙宽度以防止机械损伤。尤其是对于直接驱动发电机而言，很难将所述空气间隙保持为在仅仅几个毫米的 范围内。因此，对所述定子元件和对所述转子元件而言，这需要非常刚性的，大块的和笨重 的支持结构。发电机的空气间隙由以下因数决定-永磁体的公差，所述永磁体是转子的一部分，-堆叠叠层板的公差，所述堆叠叠层板是定子的一部分，和/或-线圈绕组的公差，所述线圈绕组是定子线圈的一部分。此外，发电机的其他元件对空气间隙的大小也有影响。所述空气间隙可按如下方式设计，即使得所述转子和所述定子的元件不会发生接 触，同时所述转子绕其专用旋转轴线旋转。已知有用于直接驱动发电机的不同轴承布置结构。其中之一即所谓的“两轴承式” 结构。这种结构例如因文献EP 1 641 102 Al或文献US 6，483，199 B2而为大家所熟知。根据这些文件，发电机的转子被连接到风力涡轮机的轴。所述轴本身由两个轴承 支持。发电机的定子经由一个轴承附连到一侧所谓的"固定不动的内轴"。因此，所述转 子绕所述固定不动的内轴相对于定子旋转。由于定子的单侧式支持方式，使得很难保持空气间隙恒定或至少几乎恒定。此外， 重力作用在大型发电机上，这影响了空气间隙。转子部件由于其质量惰性也会影响空气间 隙。作用于发电机元件的磁力和发电机的振动在发电机处操作或工作期间也会影响空气间 隙的宽度。所述两轴承式结构被所谓的“单轴承式结构”替代。这种技术被例如文献US2006/0152014 Al和文献WO 02/057624 Al公开。固定不动的内轴承部件被附连到固定不 动的内轴，旋转的外轴承部件支持着直接驱动发电机的转子。图3示出了一种典型的公知的“一个轴承式”布局结构。风力涡轮机401包括直 接驱动发电机402，其被布置在风力涡轮机401的塔403的上风面上。塔凸缘404被布置在塔403的顶部。台板405被附连到塔凸缘404。所述风力涡 轮机401包括摇摆系统(这里未示出)，其被用来绕轴线Y转动风力涡轮机401的台板405。风力涡轮机401包括固定轴406，而轴406具有中心轴线A。固定轴406的后侧被 附连到保持结构407。固定轴406的前侧上布置有直接驱动发电机402的定子结构408。定子结构408包括定子支持结构409和叠层堆410。叠层堆410支持绕组411。定子支持结构409包括两个支持件412，用于叠层堆410的双侧支持。所述支持件 412为环状。它们被附连到固定轴406的外部。中空圆柱形支持件413被附连到环状支持件412的外端。中空圆柱形支持件413 携载着环状叠层堆410和绕组411。转子结构414被布置在定子结构408的周围。转子结构414包括前端板415和缸 元件417。所述前端板415是环状的，而所述缸元件417是中空的。缸元件417包括多个永磁体418，它们被安装在中空圆柱形元件417的内侧。所述永磁体418被布置成与所述叠层堆410和所述支持绕组相对。具有大致5mm宽度的空气间隙419被定位在所述永磁体418和所述叠层堆410之 间。前端板415经由轴承420被布置在所述固定轴406上。轴承420能够将轴向载荷 变换到在中心轴线A的双向上。适当的轴承例如被公开在DE 201 16 649 Ul中。轴承420的固定部件421被附连到固定轴406。轴承420的旋转部分422连接到 安装环423。前端板415和毂似4被附连到安装环423。所述毂似4包括用于风力涡轮机 转子叶片的安装装置425，这里未示出。这里所示的空气间隙419是均勻的，其实现了转子的各元件与定子的各元件之间 的恒定距离。这种一个轴承式的设计由于其设计简单因而非常有吸引力。另一方面，这种 单轴承式结构表现出上文提到的相同缺陷。两种提到的轴承布置结构都表现出其各自的优点和缺点。如果它们被应用到风力涡轮机的直接驱动发电机，那么很有可能使空气间隙不再 均勻。由于发电机部件尺寸方面的原因，使得空气间隙的横截面将根据空气间隙的长度变 化。因此可能导致不均勻的空气间隙。因此发电机的效率将降低。
发明内容
因此，本发明的目的是要提供一种补偿电机中尤其是像直接驱动发电机那样的大 型发电机中的不均勻空气间隙影响的结构。这一目的是通过权利要求1的特征实现的。优选的配置是从属权利要求的目的。根据本发明，所述电机包含定子结构和转子结构。所述转子结构绕纵向轴线旋转 或转动。这一轴线可以是所述电机的纵向轴线。至少所述转子结构的部分与所述定子结构的部分相互作用以产生电功率。空气间隙由所述转子结构的部分与所述定子结构的部分之间的距离限定。所述定子结构的部分沿一定长度与所述转子结构的部分相对。所述空气间隙的横截面沿这一长度变化，相对于参考长度而言是非均勻的。为了补偿不均勻空气间隙的负面影响，作为所述转子结构一部分的磁体的磁通密 度根据所述空气间隙的横截面而变化。优选地，永磁体被使用在所述转子结构处。优选地，所述空气间隙中的磁通密度在离所述转子结构的所述部分一特定距离处 根据所述空气间隙的横截面而变化。在本发明的第一配置中，磁体类型可沿所述不均勻空气间隙变化。如果所述空气 间隙在所述空气间隙的第一侧表现出“小”的第一距离，那么专用磁体在那里可表现出第一 磁通密度(或磁场强度)。如果所述空气间隙在所述空气间隙的第二侧表现出“较大”的第二距离，那么专用 磁体在那里可表现出第二磁通密度(或磁场强度)，其相对于所述第一磁通密度增大。在本发明的第二配置中，磁体尺寸可沿所述不均勻空气间隙变化。如果所述空气 间隙在所述空气间隙的第一侧表现出“小”的第一距离，那么专用磁体的尺寸在那里可表现 出与所述第一距离有关的第一高度。因此所述磁体将表现出第一磁通密度(或场强)。如果所述空气间隙在所述空气间隙的第二侧表现出“较大”的第二距离，那么专用 磁体的尺寸在那里可表现出与所述第二距离有关的第二高度。因此，所述磁体将表现出第 二磁通密度(或场强)，其相对于所述第一磁通密度(磁场强度)增大。为了平衡所述磁体相对于所述空气间隙的不同高度，所述磁体被布置在不同的基 底上。所述基底的高度被个别地选择且依赖于所述空气间隙的横截面。优选地，所述电机包含单轴承结构。因此，仅仅一个轴承被用来单侧地支持所述转 子结构。所述轴承连接所述转子结构和所述定子结构，同时所述转子结构相对于所述电机 的纵向轴线表现出具有被支持的第一端以及优选地未被支持的第二第二端。优选地，所述电机是发电机。优选地，所述发电机是直接驱动发电机。优选地，所述发电机用于风力涡轮机。优选地，所述发电机包含外转子和内定子，因此所述转子绕所述定子转动。优选地，所述发电机具有带中心轴线的固定轴。所述定子结构被布置在所述固定 轴之外。所述转子结构基本上被布置在所述定子结构的周围。在所述发电机的前侧上，所 述转子通过主轴承被至少间接地支持或布置在所述固定轴上。所述空气间隙的宽度在所述电机操作期间倾向于变化。降低甚至消除了操作期间 所述转子结构撞击所述定子结构的风险，因为不均勻空气间隙考虑到了所施加的力。另一方面，由于不均勻空气间隙的负面影响被降低甚至被消除，因此提高了所述 电机的效率。
现在将在附图的帮助下更详细地描述本发明。这些附图示出了不同的示例，但并 不限制本发明的范围。
图1示出了根据本发明的优选配置，图2示出了图1的细节，和图3示出了本申请的介绍中已描述的沿用已久的直接驱动发电机的“一个轴承式 结构”。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的优选配置。风力涡轮机101包括直接驱动发电机102，其被布置在风力涡轮机101的塔103的 上风面上。塔凸缘104被布置在塔103的顶部。台板105被附连到塔凸缘104。所述风力涡 轮机101包括摇摆系统(这里未示出)，其被用来绕轴线Y转动风力涡轮机101的台板105。风力涡轮机101包括固定轴106，而轴106具有中心轴线A。固定轴106的后侧被 附连到保持结构107。固定轴106的前侧上布置有直接驱动发电机102的定子结构108。定子结构108包括定子支持结构109和叠层堆110。所述叠层堆110支持至少一 个绕组111。定子支持结构109包括两个支持件112，用于叠层堆110的双侧支持。所述支持件 112为环状。它们被附连到固定轴106的外部。所述环状支持件112具有相同的直径，因而具有相同的构造高度。中空圆柱形支持件113被附连到所述环状支持件112的外端。中空圆柱形支持件 113携载着环状叠层堆110和绕组111。转子结构114被布置在定子结构108的周围。转子结构114包括前端板115和缸 元件117。所述前端板115是环状的，而所述缸元件117是中空的。缸元件117包括多个永磁体118，它们被安装在中空圆柱形元件117的内侧。所述永磁体118被布置成与所述叠层堆110和所述支持绕组相对。具有大致5mm平均宽度的不均勻空气间隙119被定位在所述永磁体318和所述叠 层堆110之间。前端板115经由轴承120被布置在所述固定轴106上。轴承120能够将轴向载荷 变换到在中心轴线A的双向上。适当的轴承例如被公开在DE 201 16 649 Ul中。轴承120的固定部件121被附连到固定轴106。轴承120的旋转部分122连接到 安装环123。前端板115和毂IM被附连到安装环123。所述毂IM包括用于风力涡轮机 转子叶片的安装装置125，这里未示出。根据本发明，所述永磁体118具有不同尺寸，因而相对于所述不均勻空气间隙119 的横截面具有不同高度Hll，H21。所述空气间隙119的第一侧81邻近前端板115。所述空气间隙119在这一侧81
显示出第一宽度W1。第一宽度Wl必须保证如果发电机102在操作中的话，那么必须防止定子结构108 和转子结构114各自部件之间发生接触。空气间隙119的第二侧82与第一侧81相对。所述空气间隙119在这一侧82显 示出第二宽度W2。
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由于轴承元件120，122，123的位置，使得第二宽度W2比第一宽度Wl大。第二宽度W2必须保证如果发电机102在操作中的话，那么必须防止定子结构108 和转子结构114各自部件之间发生接触。所述不均勻空气间隙允许补偿和吸收-作用于转子部件的重力，-从毂IM经由轴106引发到发电机102的空气动力学载荷，-由发电机102的旋转元件形成的质量惰性，-作用于发电机元件的磁力，或-振动。必须说明的是，用于叠层堆110双侧支持的两个支持件112优选具有相等长度。图2示出了图1的细节。磁体118的尺寸沿所述不均勻空气间隙119变化。如果所述空气间隙119在所述 空气间隙119的第一侧81处表现出“小”的第一距离或宽度W1，那么专用磁体表现出与所 述第一宽度Wl有关的第一高度H11。因此，磁体118在这一侧81表现出第一磁场强度(或 磁通密度)。如果所述空气间隙119在所述空气间隙119的第二侧82处表现出“较大”的第二 距离或宽度W2，那么专用磁体表现出与所述第二宽度W2有关的第二高度H21。因此，所述 磁体118在这一侧82显示出第二磁场强度(磁通密度)，而且这一侧82处的场强(磁通密 度)相对于侧81处的第一磁场强度(磁通密度)增大。为了平衡磁体118的与空气间隙119的变化的横截面有关的不同高度Hll和H21， 磁体118被布置在不同的基底BM上。所述基底BM的高度被个别地选择且依赖于所述空气间隙119的横截面。必须注意的是，本发明特别适用于包含区段化定子和/或区段化转子的发电机。 这种发电机包含多个区段，这些区段例如在生产设施或场所处连接到定子/转子。这种结构特别适用于风力涡轮机的直接驱动发电机，因为它们呈现出的典型直径 为4米或更大。由于所述不均勻空气间隙由转子旁边的调整补偿，因此在各区段被集合起来形成 整个发电机之前能够容易地进行调整。也可以选择基底BM的高度来增加甚至产生不均勻空气间隙。空气间隙的横截面和磁体的高度/厚度可以阶梯式方式变化，以便实现有效的补 偿
ο在本发明的一个优选实施例中，空气间隙示出为在第一侧Sl处具有的距离值为 6mm，在该侧Sl处第一磁体的高度或厚度为20mm。第二侧处的空气间隙优选为9mm，籍此所述磁体那里的相应高度或厚度为30mm。 因此，所述空气间隙从第一侧Sl到第二侧S2增大了 1.5倍，而不均勻空气间隙的影响是通 过类似的增加磁体的高度/厚度1. 5倍来补偿的。在本发明的另一个优选实施例中，所述不均勻空气间隙的补偿通过结合增大磁体 强度来实现。磁体强度可在1. 1特斯拉到1. 2特斯拉之间变化，和/或通过所述磁体的不
同高度/厚度变化。
权利要求
1.一种补偿电机(102)中不均勻空气间隙(119)的结构， -其中所述电机包含定子结构(108)和转子结构(114)， -其中所述转子结构(114)绕纵向轴线(A)旋转，-其中至少所述转子结构的部件(118)与所述定子结构的部件(111)相互作用，以产生 电功率，-其中所述空气间隙由所述转子结构的部分与所述定子结构的部分之间的距离限定， -其中所述定子结构的部分沿一定长度与所述转子结构的部分相对， -其中所述空气间隙的横截面沿这一长度变化，因此所述空气间隙相对于所提及的一 定长度而言是不均勻的，-其中所述转子结构包含多个磁体，而且-其中所述空气间隙中的磁通密度根据所述空气间隙的横截面而变化。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述磁体是永磁体(118)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的结构，其中所述磁通密度因如下因素而变化 -磁体尺寸相对于所述空气间隙的变化，和/或-磁体高度相对于所述空气间隙的变化，和/或 -所述磁体相对于所述空气间隙的强度或磁场强度的变化。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的结构，其中磁体类型沿不均勻空气间隙变化，以 根据所述空气间隙的横截面来调整磁体的磁场强度或磁通密度。
5.根据权利要求2所述的结构，其中-所述磁体(118)的尺寸或高度(H11，H21)沿所述不均勻空气间隙(119)变化， -所述空气间隙(119)在第一侧(81)上表现出第一宽度(Wl)，在第二侧(8 上表现 出第二宽度(W21)，-所述磁体(118)在所述第一侧(81)处表现出相对于所述第一宽度(Wl)的第一高度 (Hll)，-所述磁体(118)在所述第二侧(8 处表现出相对于所述第二宽度(M)的第二高度 (H21)，而且所述第一高度(Hll)低于所述第二高度(H21)。
6.根据权利要求5所述的结构，其中-所述磁体(118)被布置在基底(BM)上，以平衡所述磁体与所述空气间隙(119)有关 的不同高度(H11，H21)，和-接近所述空气间隙(119)的第一侧(81)的所述磁体(118)的基底(BM)低于接近所 述空气间隙(119)的第二侧(82)的所述磁体(118)的基底(BM)。
7.根据权利要求1所述的结构，其中电线圈被用作所述转子结构旁的磁体。
8.根据权利要求1所述的结构，其中-所述定子结构(108)包含叠层堆(110)，其被构造成支持定子线圈的至少一个绕组 (111)，和-所述转子结构(114)包含多个永磁体(118)。
9.根据权利要求1所述的结构，其中所述定子结构(108)和所述转子结构(114)经由 单一主轴承(120-123)连接。
10.根据权利要求1-9之一所述的结构，其中-所述定子结构(108)包括定子支持结构(109)和叠层堆(110)，-将所述叠层堆(110)被构造成支持所述定子线圈的绕组(111)，-所述定子支持结构(109)包括两个支持件(112)，用于所述叠层堆(110)的双侧支持，-所述支持件(11 是环状的，-所述支持件(112)经由所述单一主轴承(120-123)连接到所述转子结构(104)， -所述环状支持件(11 的外端被附连到中空圆柱形支持件(113)，而且 -所述中空圆柱形支持件(11 承载着所述环状叠层堆(110)和所述绕组(111)。
11.根据权利要求1-10之一所述的结构，其中-所述转子结构(114)包含前端板(115)和缸元件(117)， -所述前端板(11 是环状的，而所述缸元件(117)是中空的， -所述缸元件(117)承载着所述永磁体(118)，这些永磁体被安装在所述中空圆柱形元 件(117)的内侧，-所述永磁体(118)被布置成与所述叠层堆(110)和被支持的绕组(111)相对， -所述空气间隙(119)被定位在所述定子线圈的被支持绕组(111)和永磁体(118)之间。
12.根据权利要求11所述的结构，其中-所述空气间隙(119)的第一侧(81)邻近所述前端板115，-定位在所述第一侧(81)处的所述永磁体(118)表现出相对于所述纵向轴线(A)的预 定的第一高度(Hll)，-定位在所述第二侧(8 处的所述永磁体(118)表现出相对于所述纵向轴线(A)的预 定的第二高度(H21)，而且-而且所述第二高度(H21)低于所述第一高度(Hll)。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的结构，其中所述环状支持件(112)表现出相同的直径。
14.根据权利要求1所述的结构，其中所述电机是发电机。
15.根据权利要求1所述的结构，其中-所述发电机包含外转子和内定子，因此所述转子绕所述定子转动，和/或 -所述发电机是直接驱动发电机，其优选位于风力涡轮机中。
16.根据权利要求1所述的结构，其中-所述发电机具有带中心轴线的固定轴， -所述定子结构被布置在所述固定轴之外， -所述转子结构基本上被布置在所述定子结构的周围， -所述转子结构通过单一主轴承支持在所述固定轴上，和 所述主轴承被定位在所述发电机的前侧上。
全文摘要
本发明涉及补偿位于电机中的不均匀空气间隙的结构。本发明尤其涉及对处于发电机的转子和定子之间空气间隙的补偿。根据本发明，所述电机包含定子结构(108)和转子结构(114)。所述转子结构(114)绕纵向轴线(A)旋转。至少所述转子结构的部件(118)与所述定子结构的部件(111)相互作用，以产生电功率。所述空气间隙由所述转子结构的部分与所述定子结构的部分之间的距离限定。所述定子结构的部分沿一定长度与所述转子结构的部分相对。所述空气间隙的横截面沿这一长度变化，因此所述空气间隙相对于所提及的一定长度而言是不均匀的。作为所述转子结构一部分的磁体的磁通密度根据所述空气间隙的横截面而变化。
文档编号H02K1/12GK102088212SQ20101058373
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者H·斯蒂斯达尔 申请人:西门子公司