專利名稱：具有兩個定子的永磁電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般性地涉及具有兩個定子的永磁電機。特別地，本發(fā)明涉及風力渦輪機的發(fā)電機和具有永磁電機的風力渦輪機，其中該永磁電機具有兩個定子。
背景技術：
由于旋轉的永磁電機內的磁力的變化而會導致出現轉矩脈沖。在空載和負載情況下出現轉矩脈動(在下文中分別稱為齒槽轉矩和紋波轉矩)。這些轉矩脈動可以造成可對旋轉機械和互連部件有害的振動。此外，這些轉矩脈動能夠產生可擾亂環(huán)境的低頻噪聲。除了由切線力造成的轉矩脈動外，還存在徑向力，其周期性地并以相同的頻率產生相同的問題。 這些問題在直驅風力發(fā)電機上甚至更為顯著。存在若干用來減小齒槽轉矩和紋波轉矩以及徑向力的技術。最常見的是磁極偏移、磁體成形、齒成形(包括輔助槽)和斜槽。這些技術存在對于給定電流水平減小平均轉矩的缺點。因此，需要增加電流以便提供相同的轉矩。類似地，通過疊加電流中的諧波可實現波動的有效減少。這還將造成銅損的增加。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于減少永磁電機中的力脈動。分別通過權利要求1、7和8的特征來解決該目的。從屬權利要求提供了本發(fā)明的更多的細節(jié)和優(yōu)點。首先，考慮本發(fā)明的理論背景。為了恰當描述本發(fā)明，從首先被說明的磁極偏移和分段斜槽開始說明。徑向力脈動和切線力脈動主要由第6諧波主導。因此，通過借助于反作用力抵消第6諧波，實現對這些力的顯著減小。理論上，可以通過使發(fā)電機的一端產生的第 6諧波與發(fā)電機的另一端產生的第6諧波在相位上相反來完全抵消第6諧波。從切線力的角度來看，這是可以理解的，因為發(fā)電機的總轉矩是該發(fā)電機的子部件產生的轉矩之和。從徑向力的角度來看，這抵消了徑向翹曲擾動，雖然它可能引入有些沿軸向方向的翹曲。然而， 軸向翹曲模式并非與徑向翹曲模式一樣占主導，因為直徑稍微大于長度，因此總的來說，該設計在由徑向力造成的振動方面也會得到改善。也可由定子斜槽或轉子斜槽來實現對第6諧波的抵消。為了簡化說明，我們將把說明限于轉子斜槽。通過使發(fā)電機一端的磁體偏移30電度，使該端的電場延遲半個第6諧波周期，這意味著總的第6諧波轉矩所起的作用抵消至零。在實際生活中，盡管3d影響和非理想化的產品會造成抵消不足，然而，該原理仍然起作用。該方法意味著與連續(xù)斜槽形成對照的分段斜槽(在這種情況下僅僅2個分段)。利用磁極偏移可接近與斜槽類似的作用。斜槽的優(yōu)點在于沿該電機的軸向沒有力振動，從而避免了軸向翹曲模式。在磁極偏移上，僅僅使這些磁體磁極中的某些磁極但在整個軸向長度上偏移了給定的角度。與此形成對照，當使用分段斜槽時，使磁體磁極偏移了相同的度數，但是該偏移取決于沿軸向長度的位置。因此，最簡單的分段斜槽是使該轉子在軸向方向上分成兩個部分 前部和后部。這種方法的缺點在于兩端感應的反向EMF (EMF，電磁場)在相位上不相同，導致較低的總反向EMF，從而導致較低的轉矩。這樣的原因在于兩個反向EMF是相同電路中的感應電壓，在該電路中，由于相位移，矢量和將小于振幅之和。當利用磁極偏移時，存在類似的反向EMF損失，因而存在類似的平均轉矩損失。本發(fā)明提出了一種無平均轉矩損失的電機。一個轉子覆蓋由不同步達30電度的電流(例如，來自兩個逆變器的電流)供電的兩個定子。類似地，這些定子扭轉30電度?？商娲?，這些定子可以對齊，但前部的磁體相對于后部的磁體扭轉30電度。因此，在該電機的每一半上保持磁體與磁場之間的最佳角度，這意味著無平均轉矩損失，這與標準的磁極偏移和斜槽技術不同。一方面，本發(fā)明涉及具有旋轉轉子和兩個靜止定子的永磁電機，其中一個定子中存在的電磁場相對于另一定子中存在的電磁場移位30電度的一個角度，并且其中供給這兩個定子的電流彼此移位30電度。這種物理位移在轉子側還是在定子側還是兩者的結合并不重要。重要的是每個定子內存在的磁場在對應于30電度的時間里移位了半個齒槽周期。同樣，轉子是在外部還是在內部沒有關系。本發(fā)明還可以利用相同軸上的兩個轉子來實現，從而導致在相同軸上有兩個發(fā)電機。如果本發(fā)明被實現為在相同軸上有兩個發(fā)電機，則兩個發(fā)電機無需完全相同， 只要它們近似具有相同的轉矩諧波。它們甚至不需要相同的功率水平或電流幅值。如果選擇應用較小的電機來抵抗轉矩脈動，則使兩個較小的電機位于每個端部，而使主發(fā)電機位于中央，以最小化沿軸向長度的3d轉矩脈動。這些定子可以彼此移位30電度的一個角度。為了實現定子中電磁場的移位，全部定子可以相對彼此扭轉。一個定子區(qū)域中的轉子的磁體可以相對另一個定子區(qū)域中的磁體移位30電度的一個角度。為了實現在這些定子中存在的電磁場的移位，可以移位某些磁體或該轉子。該永磁電機可以包括兩個用于供應移位的電流的逆變器。如果一個發(fā)電機或逆變器故障，則這兩個逆變器導致了容錯發(fā)電機，即能連續(xù)處于較低負荷的發(fā)電機。在故障期間，總體力脈動的減小將部分地消失，但是齒槽效應的削弱卻會完全保持。由于修理該永磁電機所花時間周期有限，因此減小的力脈動是可接受的。當嘗試新構思時，它也可能是有益的，這使得利用現有組件快速按比例放大樣機成為可能，比如，在相同的軸上制造具有兩個 3麗發(fā)電機的6麗渦輪機。這兩個定子可以沿該轉子或這兩個定子所附接到的軸的軸向方向布置。這兩個定子的最有益的布置是軸向布置，因為這容易實現?？梢詾槊總€定子提供一個轉子。在兩個轉子的情況下，在該軸上布置兩個磁力電機。然后，發(fā)電機可被設計為利用相同或不同的發(fā)電機的模塊式系統，以實現期望的輸出。 該方案提供高度的靈活性。在第二方面，本發(fā)明涉及風力渦輪機的發(fā)電機，包括如上所述的永磁電機。風力渦輪機的發(fā)電機在很大程度上受益于減小的力脈動以及由此減小的振動，因為該發(fā)電機放置在高塔之上。這種布置易受振動的影響。在另一方面，本發(fā)明涉及具有塔、與其相連接的主軸、經由主軸承與該主軸旋轉地連接的葉片輪轂以及連接到該葉片輪轂的葉片的風力渦輪機，包括如上所述的發(fā)電機。風力渦輪機在很大程度上受益于減小的轉矩脈動以及由此減小的振動，因為該發(fā)電機放置在高塔之上。這種布置易受振動的影響。該力渦輪機可以包括附接到主軸的內部定子以及附接到葉片輪轂的外部轉子。外部轉子類型的風力渦輪機很常見。然而，本發(fā)明也可以在外部定子風力渦輪機中使用。


為了提供對實施例的進一步理解，包括了附圖。其它實施例和許多想要的優(yōu)點將容易理解，因為它們通過參照下面的詳細描述而變更好理解。這些圖的各個元件不一定是按比例繪制的。相同的附圖標記指示對應的類似部件。圖1例示了根據本發(fā)明的具有發(fā)電機的風力渦輪機的示意圖。圖2例示了根據本發(fā)明的發(fā)電機的示意性橫截面視圖。圖3例示了根據本發(fā)明的發(fā)電機的示意性俯視圖。
具體實施例方式參照附圖進行下面的詳細描述，這些附圖形成本文的一部分，并且在附圖中以舉例的方式示出可以實現本發(fā)明的具體實施例。在這點上，參照正在描述的圖的方位使用諸如“頂” “底”等之類的方向性術語。因為實施例的組件可以位于各種不同的方位，方向性術語是為了示例的目的而使用的，決非是限制性的。應理解的是，可以使用其它實施例并且可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下進行結構性或邏輯性的改變。因此，下面的詳細描述并不應被理解為限制性的意義，并且本發(fā)明的范圍由所附權利要求來限定。圖1示出風力渦輪機1，具有固定到地面的塔2。塔2可具有幾百米或更高的高度。 在塔2之上固定主軸3。葉片輪轂4旋轉地附接到主軸3，并且繞旋轉軸線5旋轉，旋轉軸線5是主軸3的中心軸線。葉片6附接到葉片輪轂4。直驅發(fā)電機7提供在艙8內部，艙8 包圍主軸3和風力渦輪機1的電氣裝置。圖2示出風力渦輪機1的發(fā)電機7所在的部分。結合圖2，說明該發(fā)電機的機械結構。結合圖3說明電氣結構。在這些圖中，借助于風力渦輪發(fā)電機說明本發(fā)明。然而，本發(fā)明適用于所有永磁電機，不僅僅用于風力渦輪應用的發(fā)電機。葉片輪轂4借助于主軸承9與固定的主軸3旋轉地連接。軸承9的旋轉部分被直接固定到葉片輪轂4或者固定到裝配環(huán)(未示出)。該軸承的靜止部分被固定到主軸3的外部。發(fā)電機7的旋轉的轉子10被固定到葉片輪轂4的圓柱形轉子夾持結構11。第一定子 12和第二定子13布置在環(huán)狀定子支撐結構14上，支撐結構14連接到主軸3的外部。定子 12、13布置在軸向方向上。定子12和13的編號僅僅是為了方便標識而選擇的。定子12、13各包括支撐定子12、13的繞組的疊片15。兩個定子12、13之間的小間隙防止繞組16之間接觸，并且方便定子12、13的組裝和拆卸。當繞組16可被電絕緣時，兩個定子12和13的繞組16的直接接觸是可能的，以縮短例如發(fā)電機7的軸長。轉子10由多個永磁電機17構成，多個永磁體17安裝到轉子夾持結構11或者安裝在空心圓柱體(未示出)內。永磁體17被布置成在疊片15和所支撐的繞組16的對面。 轉子10在軸向方向上的長度大致對應于兩個定子12和13的軸向長度。在永磁體17與疊
5層15之間設置具有接近幾毫米的寬度的空氣間隙。圖3示出定子12和13的俯視圖。第一定子12的第一軸向槽18容納一個或多個繞組16或它們的一部分。第二定子13的第二軸向槽19容納一個或多個繞組16或它們的一部分。這兩個槽12和13作為例子被示出。定子12和13的表面敷設有若干個槽。這兩個槽18和19彼此相對移位30電度的一個角度。借助于這兩個槽18和19， 可以最好地示出這兩個定子12和13的移位。繞組16和全部定子12和13彼此相對移位 30電度的一個角度。然而，最重要的是這兩個定子中存在的電磁場彼此相對移位30電度的一個角度。這兩個定子12和13之間的偏移僅僅是實現電磁場移位的一種手段。已經討論了更多的手段，像例如轉子的磁體的一部分的移位。一個定子12的電磁場相對于另一定子13的移位是本發(fā)明的布置的一部分。另一部分是將電流供給定子12和13。第一逆變器或電流源20為第一定子12的繞組16提供電流。第二逆變器或電流源21為第二定子13的繞組16提供電流。由兩個逆變器20和21提供的電流彼此移位30 電度。定子12和13彼此移位30電度以及供給定子12和13的電流彼此移位30電度保證每個定子12、13內出現的磁場在與30電度對應的時間內移位半個齒槽周期。這抑制了永磁電機(像示出的發(fā)電機7)中的轉矩脈動和徑向力脈動以及隨后的振動。
權利要求
1.一種具有旋轉轉子(10)和兩個靜止定子(12、13)的永磁電機，其中一個定子(12)中存在的電磁場相對于另一定子(13)中存在的電磁場移位30電度的一個角度，并且其中供給所述定子(12、13)的電流彼此移位30電度。
2.根據權利要求1所述的永磁電機，其中所述定子(12、13)彼此相對移位30電度的一個角度。
3.根據權利要求1所述永磁電機，其中在一個定子區(qū)域中的所述轉子(10)的磁體(17) 相對另一個定子區(qū)域中的磁體移位30電度的一個角度。
4.根據權利要求1至3之一所述的永磁電機，包括兩個用于供應移位電流的逆變器 (20、21)。
5.根據權利要求1至4之一所述的永磁電機，其中所述兩個定子(12、13)沿所述轉子 (10)或所述定子(12、13)所附接的軸(3)的軸向方向布置。
6.根據權利要求1至5之一所述的永磁電機，包括附接到一個軸的兩個轉子，其中為每個定子提供一個轉子。
7.一種風力渦輪機的發(fā)電機，包括根據權利要求1至6之一所述的永磁電機(7)。
8.一種風力渦輪機，具有塔(2)、與其相連的主軸(3)、經由主軸承(9)旋轉地連接到所述主軸(3)的葉片輪轂(4)以及連接到所述葉片輪轂(4)的葉片(6)，所述風力渦輪機包括根據權利要求7所述的發(fā)電機(7)。
9.根據權利要求8所述的風力渦輪機，其中兩個內部定子(12、13)附接到所述主軸 (3)，并且其中外部轉子(10)附接到所述葉片輪轂(4)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一個具有兩個定子的永磁電機。該永磁電機包括旋轉轉子(10)以及兩個靜止定子(12、13)。一個定子(12)中存在的電磁場相對于另一定子(13)中存在的電磁場移位30電度，這是由于供給所述定子(12、13)的電流彼此移位30電度的一個角度以及所述定子的對應30電度的物理移位造成的。
文檔編號H02K16/04GK102420510SQ20111028547
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權日2010年9月24日
發(fā)明者佩德森 K. 申請人:西門子公司