永磁式发电机及使用它的风力发电机的制作方法

专利名称：永磁式发电机及使用它的风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电机，特别是涉及用作风力、水力等低速型发电 机的发电机。
背景技术：
在风力发电时，通过使桨叶的转动动作传递至发电机的转轴使转动 能转换为电能。发电机的输出或者与系统电力连接，或者存储在电池中 并在必要时用作电力。由于产生的电力取决于发电机的规格，因此需要 选择发电机，以满足电力发电设备的需要。
存在几种类型的发电机，例如，包括使用线圈的类型、使用永磁体 作为场磁体的类型，或者根据其结构，定子围绕在圆柱形转子外部的径 向型、定子沿轴向面对圆盘状转子的轴向型等等。每种类型都有自己的 优点和缺点，但是在注重发电效率的场合，则使用永磁体用作场磁体的 发电机类型，因为与具有相同物理尺寸的线圈场磁体类型相比，可以产 生更强的磁场、增加与电枢线圈连接的磁通量并提高感应电压。
由于发电量主要取决于发电机的效率，因此要求具有更高效率的发 电机。具体而言，在风力发电时，发电机在使用时转速不超过几百转每 分钟，比其它发电形式低很多。由于发电电压与发电机的转速成比例， 因此如果采用其它发电方法的发电机在未作额外改变的情况下用作风力 发电机，那么发电电压会下降。因此，为了提高发电电压，电荷泵电路 是必要的，从而导致成本增加。还可以通过提高转速来提高电压。尽管 还可以通过在桨叶轴和发电机的转轴之间设置加速齿轮来提高电压，然 而这种方法是不可取的，因为齿轮可能会导致转矩损耗，并且可能成为 噪声产生、设备可靠性降低的因素以及成本增加的重要因素。
此外，发电电压与场磁体的磁极数成比例。尽管为了增加磁极数，
4可以增加转子的线圈或磁体的数量，但是因为每个线圈或磁体必须很小 而使场磁体的磁场可能变弱。因此， 一种选择是可以增大转子直径，通 过增加相同尺寸的线圈或磁体的数量来增加磁极，从而保持场磁体的磁 场不会减弱。这种方法是可实现的，然而，增大发电机的转子直径意味 着使发电机的整体直径更大，由于下面的原因，这在风力发电中是不可 取的。
尽管存在两种类型的风轮机，即转动轴垂直于风向的垂直轴型和转 动轴平行于风向的水平轴型，然而水平轴型因其在高风速下的高效率而 通常被使用。在水平轴型中，与桨叶中央处的转轴直接连接的发电机的 尺寸对桨叶的受风能力有影响。也就是说，如图11的风力发电机所示，
随着容纳发电机62的发电机舱61的增大，桨叶的受风面积减小，且桨
叶的转动力下降。换句话说，随着发电机变大，风力发电效率降低。
JP2002-153036A披露了一种用于风力发电的无芯发电机。这种发电机在 发电机的外径变大的情况下会大大减小受风面积。
专利文献l: JP2002-153036A
专利文献2: JP2003-348805A

发明内容
技术问题
本发明可以提供一种适用于诸如风力发电设备等发电设备的发电 机。它不是防止桨叶受风的大型发电机，而是能够在不妨碍受风的情况 下提高发电电压的发电机。
技术方案
根据本发明，提供一种永磁式发电机，其包括发电机轴；与所述
发电机轴连接的至少三级转子，具有附着有永磁体的盘状结构，其中每
级转子沿所述发电机轴的长度方向设置；以及定子，具有带有缠绕铜线 的定子线圈的盘状结构，所述定子设置在由所述转子形成的至少两个间 隙中，并与所述发电机轴隔开；其中总数不少于五级的所述转子和所述 定子沿所述发电机轴的长度方向交替设置。在本发明的优选实施例中，所述转子和所述定子呈圆盘状；附着到 各转子上的所述永磁体以不少于4个磁极沿转子圆周方向彼此等间隔地 设置；所述定子线圈以在所述定子内不少于3个磁极沿定子圆周方向彼 此等间隔地设置。
在本发明的另一优选实施例中，所述定子线圈在单相时串联连接或 者在三相时串联连接。
在本发明的另一优选实施例中，在所述至少三级转子中，位于两端 处的转子具有附着到由磁性材料制成的盘状磁轭面对所述定子那侧上的 永磁体。从所述磁极产生的磁通量可以回流至所述磁轭，由此减少从两 端处的所述转子漏磁。
在本发明的另一优选实施例中，可以通过将永磁体附着到由非磁性 材料制成的磁轭上得到端部转子之外的转子。
此外，根据本发明，可以提供一种通过将桨叶安装在上述永磁式发 电机的轴上得到的风力发电机。
技术效果
本发明提供一种在诸如风力和水力发电等较低转速(具体而言，大于 0 rpm且不超过2000 rpm，优选大于0 rpm且不超过1000 rpm)下使用的 发电机，其能产生比常规发电机高很多的电压和更大的电力。如果本发 明的发电机用于风力发电设备，发电电压可在不减少受风面积的情况下 得到提高，从而能充分利用风能，这样能避免为增大发电机转速而使用 加速齿轮或为提高发电电压而使用电路。此外，由于磁体的有效排列， 即使使用的磁体数量较少，也可以产生大的磁场和较高的发电效率。
可以在定子线圈中产生电力。在本发明的多级定子中，不同于常规 的一级定子，定子线圈间的连接是可变化的。换句话说，当希望获得高 电压时，可以串联连接所有定子，当希望获得低电压大电流时，可以并 联一些或所有定子。因此，本发明可容易地改变发电规格。


图1A示出从可以与桨叶等联接的那侧看到的本发明的发电机的例子，图lB示出沿线a-a的剖视图。
图2示出用于本发明的端部转子的实施例。
图3示出用于本发明的转子的实施例。
图4示出用于本发明的定子的实施例。
图5示出电动机转速为450 rpm时获得的发电电压波形。
图6示出定子级数和发电电压之间的关系。
图7A示出带有两级转子和一级定子的三级式情形，图7B示出带有 三级转子和两级定子的五级式情形，两种情形下磁体的总重量相同。
图8示出带有6个线圈的定子。
图9示出转子转动角度和发电电压之间的关系。
图IOA示出沿轴的轴向看到的本发明的永磁式发电机，图IOB示出 在沿线b-b的剖视图上看到的磁力线的概念图。
图11示出风力发电机。
图12A示出沿轴的轴向看到的常规发电机。图12B示出在沿线b-b 的剖视图上看到的磁力线的概念图。
附图标记说明
1轴2壳体
10, 20， 30，110a， 110b, 110c转子
40， 50定子11, 21永磁体
12磁轭14a， 14b端部转子
15a, 15b端部转子之外的转子19， 109磁力线
23非磁性材料框架43, 53线圈框架
44， 54线圈61发电机舱
62发电机
7102 仅为磁轭的转子
具体实施例方式
在图1中示出了本发明的实施例。图1A示出从可以与桨叶等联接 的那侧看到的本发明的发电机的例子，图lB示出沿线a-a的剖视图。传 递转动力的轴1通过轴承3被壳体2可转动地支承着。轴1的一端可与 桨叶等连接，使转动力可传递至发电机。多个转子10、 20、 30固定在轴 l上，这些转子IO、 20、 30与轴同步转动。换句话说，该发电机的结构 包括具有设置在与发电机轴1直接连接的盘状结构上的永磁体的转子 10、 20、 30和具有在面对永磁体的转动路径的位置排列的多个线圈的定 子40，多级这样的转子和定子以交替层形式叠置。
例如，如图2和图3所示，在一级转子上，有等间隔同心排列的多 个永磁体ll、 21。虽然本发明可以增加通过设置在尺寸增加的各转子上 的永磁体带来的磁极的数量，但是磁极数优选不少于4个磁极，再更优 选不少于4个且不多于48个磁极，而面对磁体磁极的定子线圈的数量优 选不少于3个，再更优选不少于4个且不多于48个。当磁体的磁极数少 于4个磁极时，有时不能得到充分的发电电压。沿轴向使磁体的极性取 向。相邻磁体设置成极性相反。
在图2和图3中，形成了具有8个磁极(8个磁体)的转子。
在单相交流电中，磁极数与线圈数的比率为1:1。在三相交流电中， 该比率可以是4:3、 2:3、 8:9、 10:9、 10:12、 12:15等。特别优选的比率可 以是4:3和2:3。
存在多级(三级以上)转子，与转子连接的磁体优选为相同数量，即 相同的磁极数，它们的形状可以是扇形或矩形。此外，转子上的磁体的 极性可以在所有转子上具有相同排列。换句话说， 一个转子的N极磁体 和在直接相对位置处的另一转子的磁体都是N极磁体，从而导致转子之 间的间隙产生的磁场相互增强。
设置有至少三级盘状转子，这些永磁体排列在转子上，具有定子线 圈的定子被设置在这些转子形成的至少两个间隙中，这样总共至少5级的转子和定子以交替层形式叠置。如果增大形状，那么级数也可以增加， 尽管上限没有特别限制，但是优选为101级以下。如果多个转子被排列 成磁体的极性对齐，那么发电机中磁路的导磁性增加，并且可从永磁体 产生更大的磁通量。
与排列有相同磁体质量和相同磁极数的一级或两级磁体的转子系统 相比，这种分级排列结构不仅可使电压更高，而且还可以增大间隙中产 生的磁通量。
在本发明的优选实施例中，在所述至少三级转子中，两端处的转子 可以包括磁轭(优选圆盘状)，其中该磁轭由磁性材料制成并附着到磁体未 面对定子的磁极面上。这种磁性转子有利于从磁极产生的磁通量回流至 磁轭，并减少转子两端外部的漏磁，可以减轻由于因壳体中的漏磁引起 的涡电流而造成的转矩损耗，同时可以增大对应间隙的磁通量，从而提 高发电性能。
如图2的端部转子10的例子所示，在多级转子中，与其它转子不同， 通过用粘合剂(例如，环氧树脂、丙烯酸系树脂)将永磁体11粘在优选由
铁磁性材料制成的磁轭12上来制造位于两端处的两个端部转子10和30。 因此，端部转子和与其相对的转子之间的磁场增强了，而同时抑制了壳 体的磁场泄漏。结果，壳体中产生的涡电流被抑制到最小，并消除了由 涡电流施加于转动的制动力。
只要磁轭由磁性材料制成，就对材料没有特别限制，可以是例如铁 或磁性不锈钢。
端部转子之外的转子20优选具有使用诸如铝、不锈钢和树脂等非磁 性材料固定的磁体。更优选地，如图3所示，磁体21嵌入非磁性材料框 架23中。因此，在所述转子的两侧的间隙中可以产生相同磁场，并且框 架结构使用非磁性材料可以避免从磁体产生的磁场变弱。
此外，在另一实施例中，可以将非磁性材料附着在磁体的一侧或两
下面基于与常规技术代表的实施例进行比较，详细说明采用非磁性 材料来增强磁体产生的磁场的原因。如图12所示，JP2003-348805等所披露的常规转子101通常包括附 着在一个圆形磁轭12上的多个磁体11，这些转子(110a、 110b、 110c)彼 此间隔叠置，转子之间的空间用来插入定子。在这种情况下， 一个转子 和一个定子的组合可以看作是一个发电机。通过叠置这种组合形成多级 发电机。仅为磁轭的转子102盖在定子上并用磁轭夹住定子。在图12的 实施例中， 一个转子由磁轭和磁体构成。如图12所示，如果这些转子被 叠置成多级，那么每条磁力线109都通过相邻磁轭，然后回流。结果， 一级转子的磁动势产生的磁力线通过转子之间的间隙，即插入定子的地 方。这同样适用于多级发电机的每个转子，其中在每个发电机中，获得 相同的磁力线流，并且间隙中的磁场相同。由于各转子均有磁轭，因此 从一个转子产生的磁力线因磁轭的磁场屏蔽作用而不能通过相邻转子的 磁轭。结果，磁力线不能到达相邻的间隙，因而每个间隙的磁场密度下 降。
相反，在本发明中，仅存在两个磁轭，与常规技术相比可以使轴向 尺寸减小并且重量减小。因此，发电机的制造成本可比过去更低。
另一方面，在本发明的实施例中，如图IO所示，两个转子沿轴的长 度方向设置在两端，其中该转子包括多个磁体和附着在磁体上的圆形磁 轭，并且多个转子叠置在其间。端部转子14a、 14b之外的两个转子15a、 15b通过将磁体21固定在非磁性材料23上制成且不带磁轭。在该结构中， 产生的磁力线19通过各转子的磁体，然后回流至端部磁轭12。因此，表 示各转子的每个磁体产生的磁动势总和的磁力线19可以通过各转子的间 隙，并且间隔中的磁场强度与上述常规技术相比得到显著提高。即，所 有转子的磁体可以相互增强彼此的磁场，从而增强间隙中的磁场。
因此，本发明的发电机可以包括两个端部转子、置于端部转子之间 的多个转子和置于各转子之间的定子，从而形成一个高性能的发电机， 而不是将多个发电机组叠置成多级。
在本发明的发电机中，磁场强度与常规发电机相比得到显著提高。 因为发电电压与磁场强度几乎成比例，所以本发明的发电电压得到显著 提高。因此，在本发明的发电机中，在各转子之间的间隙中形成了非常 强的多极磁场。各转子之间的间隙越小，产生的磁场就越强。因此，希望间隙尽可 能的小。
因为常规发电机的每个转子均具有磁轭，所以当转子叠置成多级时， 磁轭的总厚度当然是每个磁轭的厚度与级数的乘积；然而，在本发明中， 磁轭仅设置在端部转子处，因此，不管级数增加多少，磁轭的总厚度总 是一个磁轭厚度的两倍。因此，磁轭的总厚度小，即使级数增加，也能 使发电机主体沿轴向的尺寸保持紧凑。结果，可以减轻其重量，并且可 以降低其成本。
如图4所示，包括多个线圈的定子40可以设置在各转子之间的间隙 中。定子40例如用收容壳体2固定。在定子40中，线圈44优选嵌在线 圈框架43中。为防止涡电流产生，线圈框架43由诸如树脂等绝缘材料 制成。所有定子可以优选形成为，它们具有相同数量的线圈。线圈的形 状优选与磁体形状大致相同。在单相中，相邻线圈优选沿彼此相反的方 向缠绕并串联连接。在三相中，优选地形成三组，沿圆周方向每隔二个 串联连接，用作三相绕组。
根据本发明，沿轴的轴向以交替形式设置转子和定子。假设两端处 的端部转子的厚度是磁轭的厚度与永磁体从磁轭突出的高度之和，所有 转子之间的间隙优选为相同。关于设置在间隙中的定子，定子和转子之 间的间隔优选为一致，使得不会妨碍转子转动。
转子和定子优选为圆盘状的，它们的直径优选为50-6000 mm。具有 永磁体的转子的厚度根据设置在其上的永磁体的质量变化，优选范围为 2~400 mm，端部转子的优选范围为3~600 mm。带有定子线圈的定子沿 转动轴方向的厚度优选范围为l~500 mm。
当转动力从桨叶传递至轴时，所有转子与轴同步转动。在各转子之 间的间隙(间隔)处形成的磁场也同步转动。结果，同步转动的磁场作用于 定子，在各定子之间也同步产生感应电动势。如果各定子的线圈数等于 各转子的磁极数，那么获得单相交流电动势；如果各定子的线圈数是各 转子的磁极数的0.75倍，那么获得三相交流电动势。安装在定子中的线 圈全部串联连接，此外，定子也全部串联连接。因此，由于总电动势与
11定子级数成比例，通过增加定子级数可以容易地获得更高的发电电压。 换句话说，叠置多级可导致磁极数增加并提高输出电压，而无需通过扩 大外形来增加磁极数。从发电机获得的交流电动势经整流器整流，然后 存储在电池中或传输出去。
按此方式，虽然当转子和定子的数量沿转动轴的轴向增加时发电机 主体沿轴向的尺寸增加，但是当其被收容在水平轴型的风轮机的发电机 舱内时，受风面积并未减小。虽然发电机的直径增大的确与受风面积减 小有关，但是在本发明的发电机中，通过增加其轴向尺寸而不是增加直 径来提高发电电压，这样并不影响受风能力，因此，可以无损失地将风 能转换成转动能。所希望的是，风力发电机可以通过由常用的增强塑料 制成的桨叶随风向转动360°。
尽管对本发明使用的永磁体没有特别限制，但优选是含有稀土元素 的高性能稀土磁体。优选的是由被称作稀土金属间化合物组成的稀土粘
结磁体或稀土烧结磁体，但更优选的是Nd基各向异性烧结磁体。由于它
们是高磁能积并能产生大的磁场，所以它们是优选的，因为它们能提高 发电性能，而且从磁体成本角度来看是便宜的。
只要发电机的结构具有上述根据本发明的若干级叠置的多极磁体转 子和定子，即使在风力发电的过程中转速未增加，也能提高发电电压， 从而能够高效率发电。此外，本申请的发电机也可应用于水力发电。
下面，参照示例性实施例说明本发明；然而，本发明并不局限于此。
实施例 实施例1
制造图1中所示的发电机。制造的发电机被设计成具有可变级数的 转子和定子，测量通过改变级数产生的各自发电电压。轴由不锈钢制成， 直径为15 mm。在端部转子中，使用粘合剂(环氧树脂)将八个NdFeB永 磁体(磁极沿轴向取向，厚度为4 mm)同心地粘附在直径为100mm且厚 度为2 mm的铁磁轭上，并以交替形式将它们排列成等距磁极的取向相反。此外，在内部转子中，直径为100mm且厚度为4mm的不锈钢构件 具有形成用于嵌入磁体的八个等距孔，在各孔中嵌入相同的NdFeB永磁 体(厚度4mm)，并用粘合剂(环氧树脂)固定。各转子以8mm的空隙(端 部转子的厚度是永磁体厚度和磁轭厚度之和)与轴连接。用键固定这些转
子，使其与轴一体转动而不滑动。定子的直径为120 mm，且由树脂制成。 定子具有用于嵌入线圈的等间隔的通孔。单独制作铜线圈(30圈)，嵌入 通孔中并用粘合剂固定住。嵌入的线圈全部串联连接。各定子也串联连 接。壳体的直径为130mm且长度为110mm。壳体由铝制成。用螺栓将 壳体与定子固定在一起。轴被与壳体连接的轴承可转动地支承着。发电 机与独立设置的电动机直接连接，从而使轴转动，然后测量发电电压。
发电机由两级转子和一级定子构成。图5示出通过转速为450 rpm 的电动机获得的发电电压的波形。观测到的波形近似峰值约IOV的正弦 波。在对四级转子和三级定子的情形以及六级转子和五级定子的情形进 行相同测量之后，在图6中对应定子数绘制峰值电压。从这些结果可见， 发电电压随定子级数成比例增加。
实施例2
在图7中，在磁体总重量相同时，对(A)两级转子和一级定子的三 级情形和(B)三级转子和两级定子的五级情形进行比较(图中未示出定 子)。转子和定子的磁体结构均与实施例1的相同。各定子具有相同的规 格。各转子具有8个磁极，且直径为100 mm，转子间隙为8mm。此外， 在五级的情形中，磁体的厚度为4mm，而在三级的情形中，磁体的厚度 为6mm。在五级中，转速为450rpm时的峰值电压为18V。在三级中， 峰值电压为11V。因此，在使用的磁体量相同时，与三级相比，五级中 的发电电压可以大幅提高。
实施例3
在另一比较中，将转子直径增大并且磁极数增多的带有两级转子和 一级定子的三级型发电机与实施例2的五级型发电机进行比较。转子和 定子的磁体结构均与实施例1的相同。三级型发电机的转子直径为130mm并具有10个磁极，其磁体的厚度设定为4.8mm，从而使磁体的总重 量与五级型的相同。在三级型发电机中，转速为450 rpm时的峰值电压 为17 V。因此，尽管与实施例2的五级型相比，三级型的直径增大了 30% 且表面积增加了69%，但是峰值电压相似或甚至更低。
实施例4
该实施例示出五级的例子，即三级转子和两级定子，其中利用8个 磁极(磁体数为8， NdFeB系烧结磁体)和6个定子线圈获得三相交流电动 势。另外，其结构与实施例1的相同。使用与实施例1相同的转子。如 图8所示，定子50(厚度5mm)具有嵌在线圈框架53中的6个线圈54。 夹持转动轴的两个彼此相对的线圈串联连接，且在相邻定子中也使用相 同种类的连接，在两级定子中轴向相对的线圈串联连接。图9示出在450 rpm时的三组线圈中获得的发电电压的测量结果。结果表明，如果定子 数是磁极数的0.75倍或0.75的整数倍，则获得三相交流电。
参考例
在图12所示的常规结构和图IO所示的本发明结构之间进行比较。 在两种情况下，定子与实施例1的相同。各定子设置在三个间隙中。所 有转子都具有8个磁极，铁磁轭的直径均为100 mm，厚度为3 mm，磁 体的厚度为6mm。非磁性材料框架由不锈钢制成，且直径为100 mm、 厚度为6mm。图IO和图12所示的转子与轴连接，其间的间隙为8mm 宽。图10所示的两端处的转子14a、14b的厚度以及图12所示的转子110a、 110b、 110c的厚度均是永磁体厚度和磁轭厚度之和。此外，在图10的实 施例中，两端处的转子之外的转子(即转子15a、 15b)的厚度与永磁体的 厚度相同。
从测量这两种发电机的发电电压的结果发现，常规结构的电压是24 V，本发明结构的电压是33 V，即电压高约1.4倍。发现本发明的结构能 产生更高的电压。
如上所述，本发明的发电机可以提高发电电压，而不必增大整体直 径，且不必增加磁体的重量。
权利要求
1.一种永磁式发电机，其包括发电机轴；至少三级转子，每级转子与所述发电机轴连接，具有附着有永磁体的盘状结构，其中每级转子沿所述发电机轴的长度方向设置；以及定子，具有带有缠绕铜线的定子线圈的盘状结构，所述定子设置在由所述转子形成的至少两个间隙中，并与所述发电机轴隔开；其中总数不少于五级的所述转子和所述定子沿所述发电机轴的长度方向交替设置。
2. 根据权利要求l所述的永磁式发电机，其中所述转子和所述定子 呈圆盘状；附着到各转子上的所述永磁体以不少于4个磁极沿圆周方向 彼此等间隔地设置；所述定子线圈以在所述定子内不少于3个磁极沿圆 周方向彼此等间隔地设置。
3. 根据权利要求l所述的永磁式发电机，其中所述定子线圈在单相 时串联连接或者在三相时串联连接。
4. 根据权利要求l所述的永磁式发电机，其中位于两端处的转子在 面对所述定子的那侧具有附着到盘状磁轭上的永磁体，所述磁轭含有磁 性材料，使得从所述磁极产生的磁通量可以通过所述盘状磁轭回流，由 此减少从两端处的所述转子漏磁。
5. 根据权利要求1所述的永磁式发电机，其中所述永磁体是稀土磁体。
6. 根据权利要求1所述的永磁式发电机，其中所述永磁体是Nd基 稀土各向异性烧结磁体。
7. 根据权利要求1所述的永磁式发电机，其中通过用非磁性材料固定永磁体得到位于两端处的转子之外的转子。
8. —种通过将桨叶安装在根据权利要求l所述的永磁式发电机的轴 上得到的风力发电机。
全文摘要
本发明提供一种发电机，当用在诸如风力发电设备等发电设备时，其体积不大，且不会妨碍风轮机受风；相反，可以在不妨碍受风的情况下提高发电电压。本发明提供一种永磁式发电机，其包括发电机轴；与该发电机轴连接的至少三级转子，具有附着有永磁体的多个盘状结构，其中每个转子沿该发电机轴的长度方向设置；以及具有带有缠绕铜线的定子线圈的盘状结构的定子，该定子设置在由该转子形成的至少两个间隙中，并与该发电机轴等距隔开。总数不少于五级的该转子和该定子沿该发电机轴的长度方向交替设置。此外，还提供通过将桨叶安装在这种永磁式发电机的轴上得到的风力发电机。
文档编号H02K21/24GK101641856SQ20088000913
公开日2010年2月3日 申请日期2008年2月29日 优先权日2007年3月23日
发明者宫田浩二, 小林秀树, 美浓轮武久 申请人:信越化学工业株式会社