CN101405931A - 发电机和磁通传导单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机、用于发电机的磁通传导单元、和包含这种发电机的发电设备。在本发明的实施方式中，公开了一种发电机(412)，其包括至少一个线圈组件(428)以及至少一个磁通传导单元(410)。磁通传导单元(410)包括至少一个磁体(314，316)；一对对置的磁通传导元件(318，320)，其在其之间界定空间(326)以安放线圈组件(428)；以及至少一个连接部分(322)，其在对置的磁通传导元件(318，320)之间延伸。所述至少一个磁体(314，316)相对于对置的磁通传导元件(318，320)布置，以使元件(318，320)之间的磁引力通过连接部分(322)起反作用并在所述连接部分(322)内被平衡。

Description

发电机和磁通传导单元

本发明涉及发电机、用于发电机的磁通传导单元、和包含这种发电机的发电设备。本发明特别地但并非排他地，涉及直接驱动式发电机和用于直接驱动式发电机的磁通传导单元。

在发电领域，众所周知的是，提供耦合到流体驱动式涡轮机的发电机，例如那些分布在燃油发电厂、燃气发电厂、燃煤发电厂以及核电站的发电机。传统的发电机包括带铁芯的转子和装有绕组的铁芯式定子，转子的铁芯上绕着许多载流线圈。通过沿转子线圈传送电流而产生磁场，使得转子旋转时，在定子绕组的线圈内感生出电流。分布在发电站的发电机的转子通过传动轴耦合到涡轮机，该传动轴以大约几千rpm的高转速和用相对低的驱动转矩旋转。考虑到上述因素而制造的传统电力发电机因此已经设计成高速度、低转矩运行。

最近几年，已经在全世界范围内针对可持续的发电方法，包括风力发电、波浪发电以及潮汐发电进行了相当多的研究。

现有的风力机包括大直径转子形式的原动机。转子有许多安装在转子轴上的转子叶片，该转子轴耦合到电力发电机。涡轮转子一般以相对低的转速和高的输出转矩旋转，例如，对2MW的设备，转速为20rpm，输出转矩为大约955kNm。因此，应该理解，这种类型的涡轮机以相对低的转速运行，但具有相对高的输出转矩。为了以这种低速、高转矩设备成功发电，传统电力发电机(设计成高速、低转矩运行)要求通过变速箱连接到涡轮转子。变速箱为来自涡轮转子的输出增大转速并减小转矩，该输出又被输入到发电机。

因为存在几个明显缺点，通常不期望使用这种类型的变速箱。尤其是，变速箱比较大又重，大大增加了设置在风力涡轮机塔架顶部机舱中的单元的重量。此外，在涡轮转子的输出轴和发电机的输入轴之间设置变速箱，降低了设备的效率。而且，已经发现这些变速箱在典型风力涡轮机工作条件下非常不可靠。这个问题的主要原因是，由于风速的波动，导致通过变速箱传送的工作速度和转矩不断变化。

在使用波浪力和潮汐力的电力发电系统中已经发现类似的问题，其中这些系统的原动机以更低的转速或循环速度运行，并因此以更高的转矩或推力运行。

为了解决这些问题，已经研制出了不同类型的电力发电机，其被设计成低速、高转矩运行，以便直接连接到例如风力机的转子。

这些类型的发电机的实例包括传统的永磁发电机以及例如NewageAVK SEG的横向磁通发电机(Transverse Flux Machine，TFM)和微调型混合发电机(Vernier Hybrid Machine，VHM)的高力密度设备，所述设备被提议用于直接驱动式系统。已经被验明的这些发电机的特定应用是在波浪发电设备中。线性VHM机包括对置的磁通传导芯，该芯的横截面大体是C型的，在两个对置芯之间的空气间隙的两侧，在芯臂上排列着许多连续的相反极化的磁体对。具有上下城堡形表面的移动器布置在空气间隙中并且耦合到发电设备的原动机。使用中，移动器在空气间隙内来回往复运动，并且当移动器的城堡形部分相继地与相反极化的成对磁体对准时，两个芯之间的磁通流换向，换向的频率取决于移动器往复运动的速度。线圈布置在芯臂上，因此当磁场切换时产生电能。

在静止和移动构件上带有铁芯的这种类型的设备，有相当的缺点，尤其因为在两个芯之间有非常大的磁引力。为了保持空气间隙，这需要非常大而重的用于芯的支撑结构，必然影响发电机的尺寸和重量。此外，由于这些大的磁引力，发电机的制造和装配非常困难。

为了解决例如与前面提到的铁芯式设备有关的这些问题，已经提出了低力密度发电机，其在国际专利申请号PCT/GB02/02288中公开。在PCT/GB02/02288中公开的发电机被设计用于风力涡轮机，因此这种发电机是旋转发电机。在所公开的发电机中，发电机定子上的铁已经被去除，并且定子上的线圈由非磁性材料支撑。在这种设备中，出自设备转子上的铁芯的移动铁表面的磁通没有可以流入的铁表面，因此磁通实际上遇到无限大的磁空气间隙。因此磁通密度相对低，并且当与其它发电机相比时，这种设备的效率和有效性大大地降低。因此，为了实现类似合适运行效率等的任何目标，转子上需要的磁性材料要多得多。结果，要求设备的物理直径极大地增加。例如，对于5MW空心式设备，据估计设备的直径将为26米，大约为等效的铁芯式发电机的直径的两到三倍。

在旋转发电机的可选类型中，两个铁圆盘以对置方式放置，其间有空气间隙，并且空心绕组夹在两个移动的圆盘之间。磁体设置在铁圆盘上，连续磁体对(以圆周方向)处于相反极化状态。当圆盘旋转时，静止绕组接连地经历换向的磁通流，由此而发电。

然而，这种类型的设备在两个圆盘之间具有极大的磁引力，所带来的问题是，需要上文描述的类型的大而重的支撑结构。这在这些较大设备的制造过程中带来了特别困难的问题，因为维持所要求的小的空气间隙(以便最大化磁通密度)的同时又保持铁圆盘分开是非常困难的。

因此本发明的实施方式的目的之一是消除或减轻至少一个前面提到的缺点。

根据本发明的第一个方面，提供了一种包含至少一个线圈组件和至少一个磁通传导单元的发电机，所述至少一个磁通传导单元包括：

至少一个磁体；

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放线圈组件的空间；以及

至少一个连接部分，其在对置的磁通传导元件之间延伸；

其中所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述元件之间的磁引力通过所述连接部分起反作用并在所述连接部分内平衡。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于发电机的磁通传导单元，所述磁通传导单元包括：

至少一个磁体；

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放线圈组件的空间；以及

至少一个连接部分，其在对置的磁通传导元件之间延伸；

其中所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述元件之间的磁引力通过连接部分起反作用并在连接部分内平衡。

通过使磁通传导元件之间存在的磁引力通过连接部分起反作用以及在连接部分内平衡所述力，没有必要为了维持磁通传导元件之间的空气间隙而提供大而重的支撑结构。应理解，这里提到的磁通传导元件之间的磁引力通过连接部分起反作用并在其内平衡指的是下述情况：这些引力导致的磁通传导单元上的机械载荷被从磁通传导元件传输到连接部分，并且磁通传导单元被布置成使得磁通传导元件中的机械力彼此相互作用从而被平衡或抵消。当相比于已知的发电机时，上述情况大大降低了发电机的重量；使发电机易于制造；减少制造时间；以及因此减小成本。

应理解，由此，在对置的磁通传导元件之间延伸的连接部分限定元件之间的空间或空气间隙的最大范围。

在优选实施方案中，发电机是直接驱动式发电机且适合于直接耦合到发电设备的原动机。发电机因此可适合于耦合到下述设备的驱动构件(例如输出轴或转子)：风力发电设备、潮汐发电设备、或波浪发电设备、或例如综合热电厂中的自由活塞式斯特林(Stirling)发动机。应理解，直接驱动式发电机是指被从或通过发电设备的驱动构件直接地驱动的发电机。

可选地，发电机可以是间接或非直接发电机，用于间接或非直接驱动式应用；一些风力涡轮机应用包括单级变速箱，将速度从比方说10rpm加快到100rpm。因此发电机可在那些仍被认为是低速应用的情况下使用。此外，发电机可以以任意速度在电动和发电应用中使用。

优选地，所述至少一个磁体相对于对置的磁通传导单元布置成使得磁通传导单元内的磁通流动路径延伸穿过连接部分。因此连接部分可以是磁通传导的，并且可定位在单元的磁通流动路径内，或可界定单元的磁通流动路径的一部分。

磁通传导单元的横截面大体可以是C型的，连接部分形成基座或中心构件，并且元件相对于基座耦合在悬臂布置中。在两个对置元件之间界定空间或空气间隙，线圈组件安放在空气间隙中。可选地，磁通传导单元的横截面大体可以是I型，连接部分形成基座或中心构件，并且元件耦合到中心构件以便形成中心构件两侧的两个悬臂部分，两个空间或空气间隙位于连接部分的两侧的磁通传导元件之间。可以有两个线圈组件，在每个空气间隙中安放一个线圈组件。在每个上述情况中，所述至少一个磁体可布置成使得磁通传导元件之间的磁引力在元件内产生机械载荷，这些机械载荷传送到连接部分并相互起反作用。机械载荷维持在单元内。其中相对于连接部分，元件是悬臂式的，或者包括悬臂式的部分，由此可关于连接部分产生转矩。然而，所述至少一个磁体可布置成使得每个元件的转矩相等且相反，并关于连接部分的中和轴居中，以平衡掉载荷。

在又一可选实施方式中，磁通传导单元的横截面大体可是矩形或方形，两个连接部分在对置的磁通传导元件之间延伸，并且空间或空气间隙界定在两个连接部分之间，以及线圈组件定位在空气间隙内。元件内的机械载荷可以传输到两个连接部分，且所述至少一个磁体可布置成使得围绕连接部分的中心轴线的转矩如上述描述一样被平衡掉。

在本发明的实施方式中，磁体被布置在元件之间界定的空间或空气间隙内。单元可包括连接到每个元件的磁体，磁体被布置成相反磁极朝向彼此，且线圈组件部署在对置的磁极表面之间。单元可包括C型芯、形成C型芯的基座或侧部的连接部分、以及形成C型芯的对置臂的磁通传导元件。单元可包括背对背设置的两个上述这种C型芯，它们可以共用同一连接部分。因此应理解，这种单元大体可以是I型的，且因此可以形成I型芯。发电机因此可包括两个线圈组件和两对磁体，线圈组件部署在连接部分的两侧，且两对磁体耦合到连接部分的两侧的元件。

在本发明的可选实施方案中，所述至少一个磁体可界定或形成磁通传导单元的连接部分。因此所述至少一个磁体可用于界定磁通传导元件之间的空气间隙。单元可以大体是C型的，磁体形成基座或中心构件，且磁通传导元件形成对置臂。单元可包括背对背设置的两个上述组件，它们因此共用同一磁体，且应理解，这种单元可以大体是I型的。发电机可包括两个线圈组件，在磁体两侧界定的每一个空间或空气间隙中部署一个线圈组件。

在本发明的又一可选实施方案中，单元可包括在磁通传导元件之间延伸的两个磁体，每个磁体界定连接部分，且空间或空气间隙界定在磁体之间以安放线圈组件。可选的，单元可包括界定磁通传导元件的整体式主体，且因此磁通传导单元可形成一个连续部分，其中可选地，矩形部分被从其中心去除。磁体可定位在相对的表面上，且绕组可在剩余空间中夹在两个磁体之间。单元的横截面大体上可以是矩形或方形。

优选地，发电机包括多个磁通传导单元，且每个单元内的以及穿过相应的至少一个空间或空气间隙的磁通流动的方向可以与相邻的磁通传导单元或每个相邻的磁通传导单元中的磁通流动的方向相反。在上述方式中，磁通传导单元的相对运动连续切换磁通流经线圈组件的方向，从而在线圈组件内产生电流。

发电机可以是旋转发电机，且可包括转子和定子，转子适合于耦合到发电设备的原动机的驱动构件，并因此适合用于相对于定子旋转。所述至少一个线圈组件可设置在转子和定子中的一个上，且所述至少一个磁通传导单元可设置在转子和定子中的另一个上。其中发电机包括多个单元，所述单元可圆周地布置在转子或定子的周围且可布置成使得单元的磁通传导元件的主轴线或平面平行于转子的轴的轴线，或垂直于转子轴线。

可选的，发电机可以是线性发电机且可包括移动器和定子，移动器适合于耦合到发电设备的原动机的驱动构件。线圈组件可设置在移动器和定子中的一个上，且所述至少一个磁通传导单元设置在移动器和定子中的另一个上。发电机可包括多个磁通传导单元，所述单元沿着平行于移动器平面的平面延伸。发电机可包括多个移动器和对应的定子，各个移动器耦合到共同的原动机的驱动构件。

在发电机包括多个单元的情况下，相邻单元可由空气间隙或由非导磁的/磁绝缘的、或其导磁率相比于磁通传导单元可忽略的隔离块隔开。可选地，相邻单元可彼此紧靠邻接以使它们不被空气间隙/隔离块隔开。

所述至少一个磁体可以是永久磁体，可在被放置在单元内后被磁化。这可以通过确保磁体在磁化之前且因此在任何磁引力产生之前被放置在希望的位置，来便于该单元的装配。为了有助于单元的制造，可设置夹子或夹具用于在磁化之前将所述至少一个磁体放置在单元里。可选地，所述至少一个磁体可在放置进单元之前被磁化。

所述至少一个线圈组件可包括多个电流传导线圈，且可以由铜或其它合适的材料构成。磁通传导元件可以由铁、例如钢的铁合金或类似材料构成。所述至少一个连接部分类似地可以由铁或铁合金构成。

根据本发明的第三方面，提供了一种包含至少一个线圈组件和至少一个磁通传导单元的发电机，所述至少一个磁通传导单元包括：

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放线圈组件的空间；以及

至少一个磁体，其在所述对置的磁通传导元件之间延伸，所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置，使得所述元件之间的磁引力通过所述至少一个磁体起反作用并且在所述至少一个磁体内被平衡。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于发电机的磁通传导单元，所述磁通传导单元包括：

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放所述发电机的线圈组件的空间；以及

至少一个磁体，其在所述对置的磁通传导元件之间延伸，所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置，使得所述元件之间的磁引力通过所述至少一个磁体起反作用且在所述至少一个磁体内平衡。

根据本发明的第五个方面，提供了一种包含本发明的第一或第三方面的发电机的发电设备。

现将仅通过实例并参考附图描述本发明的实施方式，其中：

图1是根据本发明的实施方式的用于发电机的磁通传导单元的示意图；

图2是根据本发明的实施方式的、包含图1的磁通传导单元的发电机的一部分的示意侧视图；

图2A是包含图2所示的发电机的发电设备的示意侧视图；

图3是根据本发明的可选实施方式的包含图1的磁通传导单元的发电机的一部分的示意侧视图；

图4是根据本发明的另一可选实施方式的包含图1的磁通传导单元的发电机的一部分的示意正视图；

图5是图4的发电机的端视图；

图6是根据本发明的另一实施方式的用于发电机的磁通传导单元的示意图；

图7是示出轴承组件的、图6所示单元的视图，线圈组件通过该轴承组件安装到该单元；

图8是根据本发明的优选实施方式的、包含类似于图6和图7所示磁通传导单元的发电机的透视图；

图9是图8所示发电机的一部分的视图；

图10和图11分别是形成图9所示发电机的部分的磁通传导单元和线圈组件的视图；

图12是根据本发明的又一实施方式的发电机的示意端视图；

图13是根据本发明的又一可选实施方式的包含磁通传导单元的发电机的一部分的端视图；

图14是图13所示的磁通传导单元的透视图；

图15是根据本发明的又一可选实施方式的包含磁通传导单元的发电机的透视的局部剖视图；

图16是图15所示的发电机的纵向剖面图；

图17是图15的磁通传导单元的视图，按图15所示剖开；

图18是包含图15的发电机的发电设备的视图；以及

图19是包含图13的发电机的发电设备的示意图。

首先参见图1，其中显示了根据本发明的实施方式、用于发电机的磁通传导单元的示意图，该单元一般由参考数字10来表示。包含图1所示的磁通传导单元10的发电机12的一部分在图2的示意侧视图中示出。如图1和图2所示，磁通传导单元10包括：一对磁体14、16；呈现臂18和20形式的一对对置的磁通传导元件；以及在臂18和20之间延伸的连接部分22。磁体14和16布置成使得当观察图1时磁通流动路径24(用间断的轮廓线表示)以逆时针方向延伸。应理解，为了实现上述目的，当从上到下观察图1时，磁体14和16的磁极的方向可以设置为S-N/S-N。臂18和20和连接部分22一起形成大体C型的芯，并且由磁通传导材料构成，诸如铁、或铁合金，例如钢。

空间或空气间隙26界定在在对置的臂18、20之间，并且磁体14和16放置在该空气间隙内，磁体14磁耦合到臂18且磁体16磁耦合到臂20。如果希望的话，磁体14和16可以在原位置被磁化，并在磁化之前可通过夹子、夹具或支撑物保持在适当位置。发电机12的线圈组件28放置在对置的磁体14、16之间的空气间隙26内，就如本领域人员所理解的一样，线圈组件28包括多个电流传导材料(例如铜)的线圈。

图2所示的发电机12是旋转型的，且包括多个单元10，所述多个单元10布置在转子圆盘、轮子或类似物30的圆周周围，所述转子圆盘、轮子或类似物30安装在转子轴32上。转子轴32耦合到发电设备的原动机。图2A示出呈现风力机33形式的发电设备，所述风力机具有呈转子35形式的原动机，转子通过轴37以直接驱动的方式耦合到发电机12。发电机12因此是直接驱动式发电机，被通过转子35的输出轴37直接驱动。

发电机12还包括具有定子圆盘、框架或类似物36的定子34，线圈组件28被安装到所述定子圆盘、框架或类似物。定子34通过轴承39安装在轴32上。如图2所示，单元10布置在转子圆盘30的外围周围，单元臂18和20的各自平面配置成垂直于转子轴心线40。

在使用发电机12过程中，在各个磁通传导单元10的成对的对置臂18和20之间存在磁引力。这些磁引力试图闭合空气间隙26并在臂18、20上施加机械载荷。由于与部分22连接，以及下述事实：磁体14、16布置成使得磁通流动路径24从磁体16延伸、穿过臂20、穿过连接部分22、穿过臂18并到达磁体14，这些机械载荷被传输到连接部分22。实际上，臂18和20相对于连接部分22是悬挂的。臂18和20之间的引力在臂18上施加机械载荷。当观察图1时，这以逆时针方向关于C型芯的中心轴线或中和轴线42产生转矩。相反，臂20上的机械载荷以顺时针方向关于中和轴线42产生转矩。这些转距有效地平衡和抵消，因此臂18和臂20之间的磁引力通过连接部分22起反作用并在其内平衡。通过这种布置，没有必要为了维持臂18和20之间的空气间隙而提供大、重的支撑结构，且因而当相比于现有的直接驱动式发电机时，发电机12的整个尺寸和重量大大减小了。上述描述得以实现的同时，在臂18和20之间维持了高磁通密度和小的空气间隙，从而确保发电机12的高效运行。

发电机12运转发电如下。如上述提到的，各个单元10布置在转子圆盘30的外围38周围。与单元10相邻的单元内的磁通流动路径处于相反的方向。因此与图2所示的单元10相邻的单元内的磁通流动路径以顺时针方向流动。通过颠倒与单元10相邻的单元上的磁体14、16的极性来实现。

因此，在使用中以及当转子圆盘30通过风力机转子轴37驱动时，线圈组件28受到接连地改变的磁通流动的影响，由此在线圈组件的线圈内产生电流。应理解，如果希望的话，单元10可设置在定子34上且线圈组件28设置在转子29上。

现在参见图3，其中示出了根据本发明的可选实施方式的、包含图1所示单元10的发电机的一部分的示意侧视图，发电机总体上由附图标记112表示。发电机112的与图2中的发电机12同类的部件采用相同的附图标记加上100。

发电机112包括两个转子圆盘130a和130b，每个圆盘带有与各自的边缘138a、138b相邻的、在各个圆盘130a、130b的圆周周围分隔开的一组磁通传导单元10。各个转子130a、130b上的单元10的各自的臂18，20布置成使得臂的平面平行于转子轴心线140。发电机112的定子134对转子130a、130b上的各个单元10都带有两组线圈组件128a、128b。发电机112因此允许两个转子130a、130b由公共转子轴132驱动，从而提供改进的效率而不明显增加尺寸。

现在转到图4和5，其中示出根据本发明的又一可选实施方式的、包含图1的磁通传导单元10的发电机的一部分的示意性侧视图和端视图，发电机总体上由附图标记212表示。发电机212的与图2的发电机12同类的部件采用相同的附图标记加上200。

发电机212是线性类型的，适合用于线性发电设备，例如波浪发电设备或民用CHP单元(未示出)中的自由活塞式斯特林发动机。在所说明的实施方式中，多个磁通传导单元10c、10d、10e和10f被示出且安装移动器(translator)44上，移动器44直接耦合到设备的原动机。线圈组件228布置在各个单元10的空气间隙26c至26f中。如图中所示，相邻单元10c至10f中的磁通流动方向是相反的方向，在各自的流动路径24c至24f中，箭头尾部表示流入纸面且箭头头部表示流出纸面。因此，在单元10c至10f以箭头X-X′的方向来回移动的过程中，线圈组件228经历连续变化的磁通流动，从而在线圈中产生电流。如图5所示，轴承组件46设置在支撑物48之间，线圈组件228安装在所述支撑物48上，以有助于单元10和线圈组件228之间的相对运动。

现在转到图6，其中示出根据本发明的可选实施方式的、用于发电机的磁通传导单元的示意图，该单元总体上由附图标记310表示。单元310的与图1的单元10同类的部件采用相同的附图标记加上300。

如图中所示，单元310包括采用臂318、320形式的一对对置的磁通传导元件，所述臂318、320通过两个磁体314、316耦合在一起，所述两个磁体中的每一个都界定单元310的连接部分。空间或空气间隙326在各个臂318、320的表面50和52之间界定，空气间隙326中安放发电机的线圈组件328。单元310的横截面通常为矩形，且线圈组件328在结构中居中放置。如图7所示，轴承组件346将线圈组件328安装在空气间隙326内，且利于单元310和线圈组件328之间的相对运动。

磁体314、316相对于臂318、320布置成在两个回路中产生两条磁通流动路径324a和324b，所述两个回路从磁体314/316延伸进入臂318，穿过空气间隙326进入臂320并回到各自磁体314/316。当观察图6时，这些磁通流动路径324a、324b分别以顺时针和逆时针方向延伸。

借助于磁体314、316的这个布置，臂318、320之间的磁引力关于各个中和轴线342a和342b、在磁体314和316内、在单元310的两侧被平衡。因此，以类似于图1的单元10的方式，臂318和320之间的磁引力通过连接部分(磁体314和316)起反作用并在其内平衡。这避免了提供大而重支撑结构的需要。此外，由于设置了两个磁体314、316，与图1所示单元10的空气间隙26中出现的磁通密度相比，在空气间隙326中提供了较大磁通密度，从而提供包含单元310的发电机的改善效率。

包含与单元310的类似设计的磁通传导的发电机在图8的透视图中示出，且总体上由附图标记412表示。发电机412的与图2的发电机12同类的部件采用相同的附图标记加上400。发电机412包括磁通传导单元和对应的线圈组件54、54′和54″的三个阵列。其中的一个阵列54′显示在图9中，为了便于参考，其与发电机412的余下部分分开。应理解，发电机412是线性类型的，与以上参考图4所描述的类似。

阵列54包括多个磁通传导单元310g至310j，且与图4的发电机212一样，相邻单元中的磁通流动路径以相反方向流动。单元310g至310j各自被非导磁隔离块56隔开，并耦合到往复式原动机或往复式机械载荷(未示出)的移动器，例如可安装在波浪发电设备中的移动器。线圈组件428包括多个线圈段(coil section)58，且单元310g至310j以及线圈组件428分别独立地显示在图10和11中。

各个线圈组件428、428′和428″(图8)安装到静止框架60上，且各个线圈组件428、428′和428″是包含三层线圈段或绕组58的三相绕组。最上面的线圈组件428显示在图9至11中，且包含三层绕组58a、58b和58c，每层表示一相。应理解，组件428′和428″是类似的结构。各个阵列54、54′和54″的单元310以一个在另一个的顶部的方式安装在可移动底座62上。在使用中，各个阵列54的单元310以箭头Y-Y′的方向来回往复运动，如图8所示。这种往复运动和各个阵列54的相邻单元310中的磁通流动变化确保各自线圈组件428的各个线圈段58经历持续变化的磁通流动方向，从而产生电流。

通过以上述方式为发电机412配置阵列54、54′和54″，可以使用共同驱动源，同时优化发电机412的尺寸和重量并提供改善的效率。

现在转到图12，其中示出根据本发明的又一可选实施方式的发电机的一部分的示意端视图，发电机由附图标记512表示。

发电机512是类似于图4的发电机212和图8的发电机412的线性发电机。然而，发电机512包括多个磁通传导单元510，单元510的与图1的单元10同类的部件，以及发电机512的与图2的发电机12同类的部件采用相同的附图标记加上500。

单元510实质上包括两个背对背设置的图1的单元10，且具有在单元510的磁通传导臂518、520之间延伸的单个磁体514。两个磁通流动路径524a和524b在单元510内产生，从磁体514延伸进入臂518，穿过空气间隙526a/526b，进入臂524并回到磁体514。相邻单元的磁体极性相反，以便相邻单元的流动路径以相反的方向延伸。

单元510各自耦合到例如波浪发电设备(未示出)的发电设备的移动器，并且以如发电机212、412的相同方式进行往复运动。线圈组件528a、528b设置在空气间隙526a、526b中，并通过轴承组件546a、546b安装在静止框架560上。发电机512采用与发电机412的类似方式运行而发电。

现在转到图13，其中示出根据本发明的再一可选实施方式的、包含磁通传导单元的发电机的端视图，发电机总体上由附图标记612表示，且磁通传导单元由附图标记610表示。发电机612的与图2的发电机12同类的部件、以及单元610的与图1的单元10同类的部件采用相同的附图标记加上600。然而，在这里将只详细描述实质差异。

发电机612实际上类似于图8的发电机412的构造，且因此是包含多个磁通传导单元和线圈组件的阵列的线性发电机，其中的一个阵列被示出并指定附图标记654。阵列654包括多个邻接地布置的磁通传导单元610，其中之一如图所示。单元610各自包括一对装有各自磁体614和616的隔开的对置臂618、620。臂618、620的横截面大体是C型的，且分别包括边缘或端部64和66，所述端部共同界定连接部分622。阵列654包括线圈组件628，所述线圈组件放置在被界定在磁体614和616之间的空气间隙626内，且所述线圈组件包括多个分开的绕组或线圈段658a、658b和658c。轴承68安装在臂618和620的肩部70和72之间，且可以是低摩擦材料例如PTFE、静压轴承、磁轴承、或更常规的滚柱轴承。本例中示出滑动轴承。如在单元610的透视图的图14中所最佳显示的，轴承68包括槽74。线圈组件628包括安装件76，所述安装件76被定型成接合在轴承槽74内，这允许单元610相对于线圈组件628的滑动。因此，以类似于图8所示发电机412的方式，阵列654的单元610相对于线圈组件628来回往复运动，产生交流电。

在使用中，两个磁通流动路径624a和624b在单元610内产生，且臂618和620之间的引力通过边缘64和66之间的邻接在连接部分622内被平衡。然而，应理解，轴承68也抵抗臂618和620之间的引力且因此可被认为成为连接部分622的一部分。此外，应认识到，边缘64和66之间的引力将臂618和620保持在一起。

单元610以类似于图8所示单元310的方式布置在发电机612内，只是隔离块被省略掉，以使各个单元610与相邻的一个单元或多个单元邻接设置。这是因为发明人已经发现，沿着单元610的阵列的轴向方向的磁通流动是有利的并在使用中改善发电机612的效率。对于图13所示单元610的布置，伴随着在流动路径624a和624b中的箭头所示的磁通流动方向，磁通流动还可以按图14中的方向Y′(由图13中进入纸张的箭尾表示)从一个单元610的臂620开始；进入相邻单元610(未示出)上的臂620；往上穿过相邻单元的磁体616和614；进入相邻单元的臂618；然后回到图13所示单元610的臂618(由从纸张出来的箭头表示)。

现在转到图15，其中示出根据本发明的再一可选实施方式的、包含磁通传导单元的发电机的透视的局部剖视图。发电机总体上由附图标记712表示，并且是包含多个圆周布置的单元710的旋转发电机。单元710的与图1的单元10同类的部件、以及发电机712的与图2的发电机12同类的部件采用相同的附图标记加上700。发电机712大体上类似于图3所示发电机112的结构，只是所述发电机712仅包含磁通传导单元710和线圈组件728的单个圆周阵列。

在图16的纵向剖面图和图17中更详细地示出发电机712，图16以更小的比例绘制，图17是如图15所示那样剖开的并也以更小的比例绘制的磁通传导单元710的视图。

发电机712包括转子729，其具有装有转子圆盘730的转子轴732。圆周分布的磁通传导单元710每个被都围绕转子圆盘730的圆周边缘安装到该圆盘上，并且是图3所示单元10的类似结构，只是臂718和720更长。就像图13的发电机612的单元620一样，单元710彼此邻接起来并因此不设置隔离块，从而提高了效率。包含多个线圈段758的线圈组件728安装在定子盘736上，以使线圈段658延伸进入单元710的各自空气间隙726。使用合适的轴承746将线圈段658安装在空气间隙726中。发电机712被设置成图18中示出的风力机733的一部分。

使用中，装有线圈组件728的定子734安装在风力机733的机舱78中，同时转子轴732耦合到呈现涡轮机叶片组80形式的原动机。照这种方式，叶片组80的旋转将驱动力传输到转子轴732且因此到转子圆盘730。这使磁通传导单元710旋转，按上述描述产生交流电。

最后转到图19，其中示出呈现包含图13所示发电机612的波浪设备633形式的发电设备的示意图。发电机612在图中示意性示出。波浪设备633包括浮标82，其被显示为浮在海面84上，然而，相对于设备33的剩余部件的重量，浮标82的固有浮力可能使浮标淹没在海面84之下。

浮标82通过耦合组件86连接到一系列磁通传导单元阵列，然而，图中仅示出单个这样的单元654。波浪设备633的定子634设置在海底88上，并且线圈组件安装在定子634的底座90上。

使用中，在所施加的波浪载荷的作用下，浮标82上升和下降，并使阵列654上升和下降且，从而使磁通传导单元610相对于线圈组件628移动，由此产生交流电。终点挡板92和94界定阵列654相对于线圈组件628的最大可允许运动范围。

在不违背本发明精神和范围情况下可对前面所述进行各种修改。

例如，应理解，本发明的发电机可用于或设置在大范围的不同类型的设备中，根据需要或期望设置成旋转或线性发电机，并且尤其可用于或设置在波浪发电设备、风力发电设备、潮汐发电设备、洋流发电设备中。

Claims (38)

1.一种发电机，包括至少一个线圈组件和至少一个磁通传导单元，所述至少一个磁通传导单元包括：

至少一个磁体；

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放所述线圈组件的空间；以及

至少一个连接部分，其在所述对置的磁通传导元件之间延伸；

其中所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述元件之间的磁引力通过所述连接部分起反作用并在所述连接部分内被平衡。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述发电机是适合于直接耦合到发电设备的原动机的直接驱动式发电机。

3.根据权利要求1所述的发电机，其中所述发电机是适合于通过变速箱耦合到发电设备的原动机的间接驱动式发电机。

4.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述磁通传导单元内的磁通流动路径延伸穿过所述连接部分。

5.根据权利要求4所述的发电机，其中所述磁通传导单元的所述连接部分是传导磁通的。

6.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的横截面大体是C型的，所述连接部分形成所述单元的中心构件，且所述磁通传导元件耦合在相对于基座的悬臂式布置中。

7.根据权利要求1到5中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的横截面大体是I型的，所述连接部分形成所述单元的中心构件，且所述磁通传导元件耦合到所述中心构件，以便在所述中心构件的两侧各形成一个悬臂式部分，且在所述连接部分两侧各有一个空间位于所述磁通传导元件之间。

8.根据权利要求7所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括两个线圈组件，每一个空气间隙中安放有一个线圈组件。

9.根据权利要求1到5中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的横截面大体是矩形的，两个连接部分在所述对置的磁通传导元件之间延伸，且其中所述空间被界定在所述磁通传导元件和所述两个连接部分之间。

10.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中所述至少一个磁体布置在被界定在所述磁通传导元件之间的所述空间内。

11.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其包括耦合到每一个磁通传导元件的磁体，所述磁体布置成极性相反的磁极彼此相对且所述线圈组件位于所述磁体的相对表面之间。

12.根据权利要求1到5中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括C型芯，所述连接部分形成所述C型芯的基座，且所述磁通传导元件形成所述C型芯的对置臂。

13.根据权利要求12所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括两个背对背设置的C型芯，所述C型芯共用同一连接部分，以由此形成大体I型的单元。

14.根据权利要求13所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括两个线圈组件，所述线圈组件布置在所述连接部分的两侧，且各有一对磁体耦合到所述连接部分两侧的所述元件。

15.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的所述至少一个磁体界定所述单元的所述连接部分。

16.根据权利要求15所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括大体C型的芯，所述磁体形成所述芯的基座，且所述磁通传导元件形成对置臂。

17.根据权利要求16所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括背对背设置的两个所述芯，两个所述芯共用同一磁体。

18.根据权利要求17所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括两个线圈组件，在所述磁体的两侧界定的每一个空间内部署了一个线圈组件。

19.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的发电机，其包括在所述磁通传导元件之间延伸的两个磁体，每个磁体界定连接部分，以及在所述磁体之间界定了用于安放线圈组件的空间。

20.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括界定了所述磁通传导元件和所述连接部分的整体式主体，且穿过所述整体式主体的开口界定了在所述磁通传导元件之间的所述空间。

21.根据权利要求20所述的发电机，其中所述磁通传导单元包括磁体和绕组，所述磁体安置在所述磁通传导元件的相对面上，所述绕组形成位于所述磁通传导元件之间的所述空间中的两个磁体之间的所述线圈组件。

22.根据权利要求20或21中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的横截面大体是矩形的。

23.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，并且其中每一个单元内的以及穿过每一个单元中的对应的至少一个空间的磁通流动的方向与相邻的单元或每个相邻的单元中磁通流动的方向相反。

24.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中所述发电机是包括转子和定子的旋转发电机，所述转子和所述定子中的一个装有所述至少一个磁通传导单元，且所述转子和所述定子中的另一个装有所述至少一个线圈组件，所述转子适合于耦合到发电设备的原动机的驱动构件且因此适合相对于所述定子旋转。

25.根据权利要求24所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，所述多个磁通传导单元环绕所述定子和所述转子中的一个圆周地布置，以使所述单元的所述磁通传导元件的主轴线与所述转子的轴的轴线平行。

26.根据权力要求24所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，所述多个磁通传导单元环绕所述定子和所述转子中的一个圆周地布置，以使所述单元的所述磁通传导元件的主轴线与所述转子的轴的轴线垂直。

27.根据权利要求1至23中的任一项权利要求所述的发电机，其中所述发电机是包括移动器和定子的线性发电机，所述移动器和所述定子中的一个装有所述至少一个磁通传导单元，且所述移动器和所述定子中的另一个装有所述至少一个线圈组件，所述移动器适合于耦合到发电设备的原动机的驱动构件。

28.根据权利要求27所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，所述单元布置成沿着平行于所述移动器平面的平面而延伸。

29.根据权利要求27或28中的任一项权利要求所述的发电机，其包括多个移动器和对应的定子，每个移动器耦合到原动机的共同驱动构件。

30.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，相邻单元由空气间隙隔开。

31.根据权利要求1至29中的任一项权利要求所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，相邻单元由非导磁的隔离块隔开。

32.根据权利要求1至29中的任一项权利要求所述的发电机，其包括多个磁通传导单元，相邻单元彼此紧靠邻接。

33.根据任一项前述权利要求所述的发电机，其中所述磁通传导单元的所述至少一个磁体是永久磁体，所述永久磁体在放置于所述单元内之后被磁化。

34.根据权利要求33所述的发电机，其包括用于在磁化之前将所述至少一个磁体定位在所述单元内的夹具。

35.一种用于发电机的磁通传导单元，所述磁通传导单元包括：

至少一个磁体；

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放发电机的线圈组件的空间；以及

至少一个连接部分，其在所述对置的磁通传导元件之间延伸；

其中所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述元件之间的磁引力通过所述连接部分起反作用并在所述连接部分内平衡。

36.一种发电设备，其包括根据权利要求1至34中的任一项权利要求所述的发电机。

37.一种发电机，其包括至少一个线圈组件和至少一个磁通传导单元，所述至少一个磁通传导单元包括：

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其间界定用于安放所述线圈组件的空间；以及

至少一个磁体，其在所述对置的磁通传导元件之间延伸，所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述元件之间的磁引力通过所述至少一个磁体起反作用且在所述至少一个磁体内平衡。

38.一种用于发电机的磁通传导单元，所述磁通传导单元包括：

一对对置的磁通传导元件，所述对置的磁通传导元件在其之间界定用于安放所述发电机的线圈组件的空间；以及

至少一个磁体，其在所述对置的磁通传导元件之间延伸，所述至少一个磁体相对于所述对置的磁通传导元件布置成使得所述元件之间的磁引力通过所述至少一个磁体起反作用且在所述至少一个磁体内平衡。

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