用于永磁体发电机的构造方法与流程

下面的发明涉及改进的用于轴向永磁体旋转发电机的构造方法。具体地，下面的发明涉及改进的用于共同未决的专利申请no.gb1320623.0的发电机的构造方法。

已知的是由一叠堆的转子构造轴向磁化的发电机，所述转子彼此间隔并且沿着一个用于将扭矩传递到转子的中央公共轴安装并且安装在该中央公共轴上。形式为一叠堆的线圈承载板的定子被置于所述转子之间。所述转子支承永磁体并且当转动的转子所提供的磁场切割嵌入所述定子内的多匝线圈时发电。在us2008/0231132中给出了这样的构造的一个实例。

虽然此构造方法对于较小的发电机(例如具有1米或更小的转子直径的那些发电机)是实用的，但是它对于大得多的配置迅速变得不实用。较大的发电机(诸如在风力涡轮机中使用以捕获近海风力并且具有兆瓦范围内的输出的那些发电机)可能需要使用具有六米或甚至八米直径的转子。

操作这些较大型发电机的一个重要方面是在安装在转子上的磁体和被它们夹在之间的定子之间维持小且不动摇的空气间隙。维持此空气间隙中的任何缺陷都可能导致灾难性的失效，例如如果转子磁体与定子线圈接触并且刮过定子线圈。考虑到在这些配置中大的电磁力在起作用，因此当转子被安装在单个中央轴上时，仅仅依靠转子的固有刚度是不可行的。为实现其中所使用的磁性材料和铜材料的有效且有成本效益的使用，转子和夹在它们之间的定子的轴向宽度必然特别薄，例如每个仅50mm。因此，转子它们本身几乎没有机会被制成足够硬。

根据本发明，一种发电机，包括：作为第一部分的一叠堆(stack)的盘状环形转子，所述盘状环形转子彼此间隔开并且被同轴地定位在一个细长中央构件上并且与所述细长中央构件一起旋转，每个转子具有一个内环形部分和一个外环形部分，所述外环形部分支承和/或包括一个磁环，一个或多个间隔件围绕所述中央构件同轴地安装在每个转子的所述内环形部分之间并且以撑牢内环形部分的方式抵靠内环形部分从而保持正交于组件的纵向轴线并提供其之间所需的间隔；以及作为第二部分的一叠堆的环形定子，所述环形定子被置于所述转子之间并且被安装在所述间隔件上方，但是具有比间隔件的、上方定位所述环形定子的部分的外直径的内空隙直径更大的内空隙直径。

在实践中，所述间隔件可以包括一个或多个管状构件。

通过此方式，所述转子的至少相当大一部分(由所述内环形部分的径向宽度限定的部分)通过抵靠它的间隔件来防止不一致挠曲或振动。考虑到典型的转子是由明显刚性的材料制造的，转子的此内部撑牢还对撑牢它的外环形部分并且从而基本防止其挠曲并防止危害上述的空气间隙有效。

根据本发明的一个特征，所述间隔件在对应于定子的纵向位置处的横截面的直径小于所述间隔件的抵靠所述转子的侧部的部分的直径。

通过此方式，所述定子自身的内直径可以被同量地减小，因此增强它的固有强度和刚度，同时仍维持宽直径的管状构件压靠转子内环形部分表面并且为转子内环形部分表面提供稳定性。

在某些应用中(例如在风力涡轮机的机舱中)使用的发电机的总重量对于支撑所述发电机的设施的强度和成本具有显著意义。

根据本发明的一个特征，其上安装有所述转子的细长中央构件是圆筒形式。所述圆筒为同轴地安装在其上的转子和管状构件提供了中央对准装置，同时大大减小了转子的组合的内环形部分和外环形部分的组合径向宽度。因此转子重量显著减小。以其中利用二十个钢转子的典型配置为例，具有六米的外部直径和10mm的厚度，并且以每隔100mm间隔开。当它们被安装在具有适中直径的轴上时，它们的组合重量在40吨的区域中。用具有例如四米直径的圆筒取代此轴，几乎使此转子重量减半至22吨，而支撑圆筒——其可以由铝制造——的重量仅为1.35吨。

然而本发明的原理仍然适用。在设计期间，在圆筒的外直径和管状构件的剩余径向宽度之间采取平衡，以确保构件有充足的体积和侧面，以支撑它们抵靠定位的转子。

在一个实施方案中，间隔件的外直径(例如在对应于定子的纵向位置处，或在间隔件的最大直径处或在间隔件压靠转子的位置处)是所述磁环的外直径的至少一半，优选地是所述磁环的外直径的至少三分之二。这对于将定子线圈和转子磁体放置在转子的最大速度的位置处并且还留出一个相当大的区域以待由间隔件撑牢是有利的，这对转子的稳定性有利。

使用所述管状构件带来的优点是，它的抵接转子的外周界可以被用于提供用于在加工期间定位转子永磁体的内基准。因此，所述磁环的永磁体抵靠所述间隔件。

在一方面，提供了一种发电机，包括：作为第一部分的一叠堆的盘状环形转子，所述盘状环形转子彼此间隔开，每个转子具有一个内环形部分和一个外环形部分，所述外环形部分支承和/或包括一个磁环，一个或多个间隔件被安装在每个转子的内环形部分之间并且以撑牢内环形部分的方式抵靠内环形部分从而保持正交于组件的纵向轴线并提供其之间所需的间隔，通过穿过所述间隔件和所述转子的多个螺栓将所述间隔件和所述转子纵向地保持在一起；以及作为第二部分的一叠堆的环形定子，所述环形定子被置于所述转子之间并且被安装在所述间隔件上方，但是具有比间隔件的、上方定位所述环形定子的部分的外直径的内空隙直径更大的内空隙直径。

在一个实施方案中，间隔件和/或转子与第一部分的细长中央构件/纵向中央轴线径向地间隔开。在一个实施方案中，所述第一部分的中央纵向轴线与所述转子和/或所述间隔件的内直径之间的距离是所述转子的外半径的至少1/2。此方面的一个优点是减少了重量。

现在将参考附图描述本发明，其中：

图1示出了安装在一个轴上的转子，在转子之间没有管状构件。

图2示出了具有相互间隔的管状支撑构件的转子。

图3按比例示出了转子和定子的示意图。

图4示出了具有修改轮廓的管状构件的图2的转子。

图5示出了图4的定子的正面视图。

图6示出了安装在中央圆筒上的图2的转子。

图7是转子板和附着至转子板的管状构件的正面视图。

图8是又一个实施方案的横截面。

参考图1，现有技术的发电机的截面视图被示出在10处。该发电机的第一部分的一叠堆的圆形转子板被示出在11a、11b、11c和11d处并且每个圆形转子板在其任一侧上支承或包括在圆周上的一系列永磁体12和13以形成磁环。面对的磁体跨越空气间隙14处于吸引中，如由符号s和n示出的。转子被安装在一个细长中央构件15(以轴形式)上，用于使转子相对于彼此定位并且将扭矩从外部源(未示出)传递到所述转子。该发电机的第二部分的一叠堆的固定的定子板16a、16b和16c被定位在空气间隙14内，并且在它们的周缘周围承载线圈17序列。当通过轴15导致转子转动且因此导致跨越空气间隙的磁通量切割嵌入定子内的多匝线圈时，生成电功率。

在实践中，期望的是，构造在磁体的表面和线圈之间具有最小可行空气间隙的这样的布置。该间隙越小，磁通量的密度越大，且因此生成的电磁力(emf)越大。然而，如从对示出的布置的考虑明显看出的，转子的任何轴向移位(如由箭头18所指示)——这例如可以由于在发电期间出现的机械未对准或寄生振动而出现——可以导致磁体刮擦被它们夹在之间的定子。

根据本发明，参考图2示出了对此的一种解决方案，其中与图1中示出的部件相同的部件用相同的附图标记指定。然而，在此实施方式中，添加了关键部件。这些关键部件是间隔件19、20和21，优选地以管状构件形式。定子的中心与图1中的布置相比增大，如示出的，以容纳穿过它们的间隔件。所述间隔件抵靠转子的侧部以提供侧向稳定性，并且实际上，大体上消除任何侧向振动倾向。通过穿过整个组件的系紧螺栓22来保持间隔件与转子刚性接触。因此，所述间隔件围绕中央构件15同轴地安装或被同轴地安装在中央构件15上在每个转子的内环形部分中间并且以撑牢内环形部分的方式抵靠内环形部分从而保持正交于组件的纵向轴线并提供其之间所需的间隔。每个转子的外环形部分支承或包括形成磁环的磁体。定子被置于转子之间并且被安装在间隔件上方，但是内空隙直径比间隔件的外直径的内空隙直径更大。

当大至10mm或更大的间隙可能是必要时，与在没有间隔件的情况下相比，所述间隔件的存在允许更紧且更安全地优化空气间隙，例如低至几毫米。

参考图3最佳地考虑所述管状构件的功能的重要性。图1和图2的布置无法按比例示出，而是为了清楚起见以这些比例例示。然而，按根据本发明构造的发电机的比例的实际实施方式被示出在此图3中。两个转子23和24被示出为将定子25夹在之间。该图的缩放比例以8米直径示出了所述两个转子，但是总厚度(包括安装在其上的磁体)仅是80mm。类似地，定子25被示出为也具有仅80m的厚度。(这些适中尺寸的必要性与电磁设计的考虑有关，特别是磁性材料的最佳利用和为发电而出现的场强度。)因此，可以获得在撑牢转子和防止发生任何轴向挠曲方面使用间隔件(如在图3中被示出在26处)的重要性的印象。

对于根据本发明构造的较大型发电机，转子的外环形部分(支承永磁体的部分)的径向宽度被选择为仅占据它的总径向尺寸的一小部分，例如二分之一或更少，或三分之一或更少，或许仅三分之一，即一米。原因是，由转子磁体在定子线圈中感应的电动势与切割它们的场的平移速度成比例，并且最大路线速度存在于最远可能直径处。因此，将转子和定子发电区域集中到此外围是有利的。该效果受以下事实的进一步影响：围绕转子和定子在圆周上放置的磁体和定子线圈的数目也与它们有效时所处的半径成正比例。因此，结合这两个效果，半径3米时有效的磁体和线圈范围在发电方面的效果是以1米运行的范围的九倍。

因此，可以理解，转子的内环形部分的剩余直径将是总直径的相当大比例，例如66％(以前述实施例为例)。这留出一个相当大的区域以被宽直径间隔件或管状构件撑牢，这对转子的稳定性有利。因此，期望地，间隔件的外直径是磁环的外直径的至少一半，优选地是磁环的外直径的至少三分之二。

然而，间隔件或管状构件的此对应的宽直径使夹在转子之间的定子板的内空隙直径必定对应地甚至更宽，因此组成定子的材料总量减少了。这对机械刚度是不利的，因为定子自身必须能承受发电期间出现的非常高的扭矩。

参考图4，再次示出了图2的布置，但是具有对管状构件26的修改。该管状构件的中央部分被示出在27处，但是直径减小。此修改的原因如下。在发电期间，如前所述，定子的主体经受由于在它的线圈内生成的电磁力而出现的相当大的扭矩。对于较大的发电机，此扭矩可能达到数十万牛顿米。定子的主体必须能够承受这些力并且避免在整个使用寿命内由它将经历的周期性内部扭矩力引起的任何应力性断裂或其他机械故障。

管状构件26的外部直径中存在阶梯改变27允许定子在构造强度方面得益于内部直径的同量减小，如图5中在27处示出的，因此更好地应对前面提及的内部力。

因此，间隔件在对应于定子的纵向位置处的横截面的直径小于间隔件的压靠转子的侧部的部分的直径。

对于较大的发电机，转子板的重量是相当大的。二十个转子板组件的板的重量可以超过40吨。这是许多安装所不期望的，特别是例如在发电机被用在近海风力涡轮机的机舱内情况下。在此特定情况下，发电机的重量对海床设施的构造尺寸和成本等造成严重的不利影响。

减小此重量的方法被示出在图6处。转子不是被附着到中央轴——如在图1和图2中在15处示出的，而是被安装在圆筒28的外部表面上。该圆筒由轴承装置(未示出)支撑并且用来定位转子和用来将扭矩传递至转子。使用圆筒，而不是前面提及的轴，节省了相当大的重量，例如，几乎把前述40吨的重量减半到仅22吨。该圆筒可以由铝制造，并且对于讨论中的定尺寸的实施例，该圆筒的重量将低至1.8吨。

清楚地，管状构件26和转子的较轻的材料含量的节省也是显而易见的。

在制造期间将永磁体定位且依附至转子板上自然需要某个基准点，以确保自始至终一致的径向定位。参考图7示出了一种紧固的常规方法，其中转子板的正面视图被示出在11处。若干个永磁体被示出在29、30和31处。图6中在26处示出的管状构件被示出为阴影圆环29(并且圆筒被示出在28处)。在管状构件抵接转子的位置该管状构件的外部直径d被选择为等于由磁体形成的环的经设计的内部直径。通过此方法，磁体可以被简单地定位成与构件29接触(例如抵接)，以在组装过程期间取得它们的正确且一致的径向对准。

商业可得的牵引螺栓(诸如在图2、图4和图8中在22处示出的那些)的机械强度、直径和平直度是值得注意的。例如，对于横截面直径中的容差变化，这些容差变化对于公称直径20mm的螺栓可以低至±0.1mm内。利用此品质，并且根据本发明的又一方面，图6和图7的上述铝圆筒28被完全省略。在此情况下，且在缺少该圆筒时，转子33、34、35、36和夹在它们之间的间隔件37、38、39中的通孔的定位和精确钻孔被足够紧密地限定，以便一旦牵引螺栓22已经被拧紧就将所有转子和它们的中间间隔件保持彼此一致。虽然因为一些容差间隔必须存在以允许在组装期间螺纹穿过螺栓22而造成机械上不完美，但是实际实验示出此方法完全可行。此方法特别适于其中不需要转子被完美地平衡的较低转速发电机。以上述实施例为例，总重量因此被进一步减少了1.35吨，并且在成本和组装方面也存在同量减少。

多个牵引螺栓22穿过第一部分(即穿过转子和间隔件)以将转子和间隔件纵向地保持在一起。在一个实施方案中，通过牵引螺栓22来保持间隔件与转子接触。如图8中示出的，间隔件和转子从中央轴线(特别是从细长中央构件15)径向地间隔开。这减少了重量。细长中央构件15(或纵向轴线)和转子/间隔件的内直径之间的距离可以是在转子的外半径的1/2到2/3之间。

在不存在圆筒的情况下，到组件的扭矩可以通过细长中央构件15(轴)来传递，所述细长中央构件15(轴)附着至外盘32，该外盘32在每个外端处附着至转子组件，如在图8处示出的。外盘32将转子和间隔件夹在之间。扭矩经由外盘32(并且经由牵引螺栓22)从细长中央构件15传递到转子。在一个实施方案中，仅存在一个外盘32。细长中央构件15可以被固定到外盘，以用于如上所述的扭矩传递，或者外盘可以在中央构件上的轴承40上旋转，在此情况下被固定。细长中央构件15有利地穿过第一部分的中心以均衡地支撑该第一部分。然而，在一个实施方案中，细长中央构件15不穿过(整个)第一部分并且(仅)在第一部分的一侧上径向地突出。

本领域技术人员将明了许多变体。