CN102204070B - 永久励磁的同步电机 - Google Patents

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Abstract

永久励磁的同步电机，其包括具有多个电磁极的定子和具有多个永久磁极(12)的转子(10)，根据本发明，转子(10)的至少一个永久磁极(12)由单独的永久磁铁部分(14)构成，它们在其制造时设有特别高的场强度并且它们在所述至少一个永久磁极(12)上沿圆周方向并排地设置，使得在转子(10)旋转时在定子的电磁极中产生正弦形的励磁。

Description

永久励磁的同步电机
技术领域
本发明涉及一种永久励磁的同步电机，其包括具有多个电磁极的定子和具有多个永久磁极的转子。本发明特别涉及一种风能设备的同步发电机或同步发电机在风能设备上的应用。
背景技术
同步电机是电-机的换能器，其作为电动机借助电流运行或作为发电机产生电流。存在三相电流同步电机或单相同步电机，它们分别具有至少一个定子绕组（通常在外面），在其中产生旋转磁场或在旋转磁场中感应出电压。转子（通常在内部）为了产生磁场载有永久励磁的磁铁。这样的同步电机是永久励磁的转场式电机，其中转速等于交流电压频率除以转子的极对数。因而转子的转速等于电磁的旋转磁场的转速。转子同步于该旋转磁场旋转。为了可以在不同的转速时运行一同步电机，需要一变频器或一逆变器。
这样的同步电机的有功功率由转子角来确定，所述转子角作为在被加载的同步电机的转子和未被加载的同步电机的转子之间的旋转角而得出。
同类的同步电机目前特别在发电厂中用作为交流和三相电流发电机。但其他结构形式的同步发电机也例如在汽车中用作为汽车发电机。对此至今在转子上为了产生磁场采用永久磁场（自激）作为用于具有小功率（瓦和千瓦范围）的发电机的永久励磁的磁铁，反之在大功率（兆瓦范围）的发电机的转子上采用电磁铁（他激）。
风能设备经常配备四极结构形式的异步电机。其具有高的转速。因此为了转速匹配，在转子叶片轴与发电机之间需要一变速器，因此这种结构容易引起变速器磨损和轴承磨损。而无变速器的缓慢旋转的发电机需要较多的极数，并从而需要较大的直径和较大的重量。但特别是重量在风能设备中是重要的设计因素。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种永久励磁的同步电机，其在较少的制造成本的同时可以提供大功率，运行可靠地工作并在此具有高的效率。
按照本发明利用一种具有以下技术特征的永久励磁的同步电机达到该目的，即：在按照本发明的永久励磁的同步电机中，设置具有多个电磁极的定子和具有多个永久磁极的转子。此外，转子的至少一个永久磁极由单独的永久磁铁部分构成，它们在其制造时设有特别高的场强度并且它们在至少一个永久磁极上沿圆周方向这样地并排设置，使得在转子旋转时在定子的电磁极中产生正弦形的励磁，所述至少一个永久磁极的并排设置的永久磁铁部分以不同的尺寸构成，用于产生正弦形的励磁。
利用按照本发明的解决方案提供一种可简单制造的同步电机，其具有大功率同时涡流损失很少且效率较高。这不仅对按照本发明的同步电机的制造成本和总能量平衡具有有利的影响，而且对后续的工作过程，如产生的交流电压的变换具有有利的影响。这样特别是在与按照本发明的同步电机相组合时，下游的逆变器只须具有较小的备用功率。
按照本发明的永久磁铁的磁通密度优选为在0.9Tesla（特斯拉）与1.7Tesla之间、优选在1.1Tesla与1.5Tesla之间、最优选为1.3Tesla。最大的磁场强度总计达到2000kA/m至2700kA/m、优选到2200kA/m至2500kA/m、最优选为2350kA/m。永久磁铁对此有利地由钕铁硼（Nd-Fe-B）制造。
按照本发明的解决方案还利用这样的知识，即：永久磁铁励磁与电励磁相比允许小约30%、更轻的并从而也成本较低的构造方式，这在风能设备中对上述重量方面产生特别有利的影响。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第一有利的进一步构成中，所述至少一个永久磁极的并排设置的永久磁铁部分为了产生正弦形的励磁以不同的尺寸构成。永久磁铁部分的不同的尺寸允许，利用一个和同一磁化方法提供具有不同的场强度的磁铁，所述磁铁随后设置在转子上，使得产生一（必要时分等级的）用于场强度的曲线，其在转子旋转时在定子的电磁极中产生正弦形的励磁。
这样构成的各永久磁铁部分特别优选构成板形的并且具有特别是不同的高度。由于这样的永久磁铁部分具有简单的长方体的基本形状，所述永久磁铁部分可以用特别少的制造费用制造。
优选沿一正弦曲线实现各永久磁铁部分的分级，其对于并排设置的永久磁铁部分的横截面形状构成基础曲线。在该基础曲线上在各分级上实现在时间上的平均值形成。在此平均确定的是，必须将永久磁铁部分构成多高，以便在横截面中作为矩形面覆盖正弦曲线的面积区间的表面。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第二有利的进一步构成中，所述至少一个永久磁极的并排设置的永久磁铁部分为了产生正弦形的励磁以横截面为正弦形的外部轮廓构成。在这里横截面的轮廓的径向向外定向的那个部分表示为外部轮廓。这样构成的并排设置的永久磁铁部分，在对于总体磁极合理的制造耗费的情况下，导致感应特别精确的正弦形的电压的逐段的磁极形状。
特别有利的是，总体的永久磁极在外侧在其轮廓上构成正弦形的。可以借助于特别强地磁化的和作为单独构件制造的永久磁铁部分的按照本发明的排列成本低地构成这样的正弦形状。同时这样的永久磁极导致特别强的和同时特别精确的正弦形的励磁。所述励磁同时以特别少的涡流损失提供。
按照本发明的永久励磁的同步电机的第三有利的进一步构成中，所述至少一个永久磁极构成有四至六个单独的永久磁铁部分。原则上是这样，使得每一永久磁极的永久磁铁部分的数目越多，在分级的永久磁铁部分设置中可以越好地模拟正弦形状。
为了以较少的制造费用构成有效的工作的永久磁极，按照本发明已确定，所述永久磁极应该具有四至六个单独的永久磁铁部分。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第四有利的进一步构成中，所述至少一个永久磁极的永久磁铁部分在转子的圆周上只覆盖通过该永久磁极的极距产生的圆周区段的70%至95%之间的范围。利用一这样的永久磁极，在单独的极距内产生保留的自由或剩余的区域，其作为永久磁极之间的过渡区域提供自由的位置。过渡区域可以用作为永久磁铁部分在各个永久磁极上的设置之间的误差补偿。由此总体上减少用于按照本发明的各个并排设置的永久磁铁部分的位置精确的定位的制造费用。此外该剩余的区域也提供用于其他的元件（例如螺钉或夹具）的位置，它们可用于永久磁铁部分的位置固定的安装。此外这样的设置方式还导致在按照本发明的同步电机的定子中的良好的热分布。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第五有利的进一步构成中，所述至少一个永久磁极的永久磁铁部分位置固定地安装在装配板上，装配板本身与转子位置固定地连接。这样的装配板能够使各个永久磁极作为单独的组件而精确地制造。这些组件可以与剩下的制造无关地在预组装中制造并且按这样经受一质量控制。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第六有利的进一步构成中，装配板粘接在转子上。这样的粘接是一特别简单的成本低廉的和同时过程可靠的组装方式。
作为螺钉优选采用由非磁性材料、特别是铝制成的螺钉。这样的材料排除对在定子上的励磁的任何影响。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第七有利的实施形式中，至少一个永久磁极的永久磁铁部分在外侧或在径向外侧被覆盖。这样的覆盖不仅提供防腐蚀的保护，而且同时提供防止永久磁铁部分的材料的碎裂的保护。
有利地由一非磁性的材料、特别是由塑料构成护盖。这样的材料同样对在定子上的励磁没有任何的影响并同时是价格便宜的。优选地，护盖与上述装配板拧紧在一起。这样不仅装配板（并从而永久磁铁部分）而且护盖可以达到特别简单的成本低廉的并同时位置精确的装配。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第八有利的进一步构成中，所述至少一个永久磁极的永久磁铁部分粘接在转子上、特别是粘接在装配板上。借助于粘接在将永久磁铁部分安装在转子上的制造步骤中实现持久位置固定的和位置精确的定位的全部先决条件。
优选为了粘接装配板和永久磁铁部分，采用一种双组分粘接剂，其确保特别高的粘附力。
在按照本发明的永久励磁的同步电机的第九有利的进一步构成中，在定子和转子的圆周上构成多个电磁极以及多个永久磁极，使它们没有共同的约数。利用这样的构型可以达到特别小的制动力矩（Rastmomente）。
有利地设置包括各6个绕组圈的39个电磁极和4个永久磁极。这产生234对24的比例，其中产生上述小的制动力矩和特别小的噪音排放。此外在加载时电压下降较小并且按照本发明的同步电机在整个运行范围内具有特别好的功率因数。
附图说明
以下借助示意的附图更详细地说明按照本发明的解决方案的实施例。其中：
图1示出按照本发明的永久励磁的同步电机的第一实施例的在转子上的永久磁极的局部横截面图，
图2示出第一曲线图，用以说明永久磁铁部分在按图1的永久磁极上的分级，
图3示出第二曲线图，用以说明永久磁铁部分在按图1的永久磁极上的分级，以及
图4示出按照本发明的永久励磁的同步电机的第二实施例的在转子上的永久磁极的局部横截面图。
具体实施方式
图1中部分地示出未进一步说明的永久励磁的同步电机的转子10。转子10在此在外侧被同步电机的定子包围。
在转子10上构成多个永久磁极12，在图2中可看出其中两个。相反定向的磁北极和磁南极分别并排地设置。
永久磁极12分别由多个永久磁铁部分14组成，所述永久磁铁部分在其制造时分别设有2350kA/m的场强度并且随后将它们并排设置成使它们共同构成一个永久磁极12，其在转子10旋转时在定子的电磁极中产生正弦形的励磁。同时在所属的定子绕组中感应出的电压Ui利用转速n、常数k和磁通量F借助于公式Ui=k×F×n算出。
为了达到所述的正弦形的励磁，并排设置的永久磁铁部分14分级地构成，从而使它们共同构成一个磁极，所述磁极总体上具有正弦形的外形。亦即永久磁铁部分14一起观察时构成正弦形的。为了限制制造费用，在当前单个永久磁极12构成有六个永久磁铁部分14。所述六个永久磁铁部分14按图2导致在定子上关于时间t具有三个分级值U1、U2和U2的电压。此外，电压具有总周期T，其特点在于横跨两个电压半波。每个永久磁铁部分14的各个分电压的周期持续时间在两个电压半波内为T/14。该数值14作为2乘6个永久磁铁部分和2个电压零值的总和得出。电压零值这样形成，即永久磁铁部分14分别只覆盖通过各个永久磁极12的极距（Polteilung）产生的圆周区段的约86%。剩下的14%构成两个剩余区域，它们用作为在两邻接的永久磁极12之间的误差补偿，并且如以下还要说明的，用于永久磁铁部分14在转子10上的固定。极距由转子10的直径和极对数计算得出。
按图1的各个板形的永久磁铁部分14的尺寸或高度通过对电压的所力求实现的正弦形的分布的时间上的平均值形成来确定。在图3中对于单个的永久磁铁部分14说明该平均值形成。
对此利用一持续时间t=t2-t1的矩形脉冲模拟被感应的电压的函数u（t）。对于电压的平均值Um得出，由平均值Um和脉冲持续时间t产生的矩形面积等于通过函数u（t）在该脉冲持续时间t内的积分面积。为了正确地绘制平均值，图3中各画阴影线的面积必须是相同大小的。
在每一永久磁铁部分14上发生所述平均值形成。平均值Um的时间上的彼此毗邻排列接近导致符合要求的正弦形的电压表示。
图4中示出永久磁铁部分14的一个实施例，它们为了精确化符合要求的正弦形的励磁构成有横截面为正弦形的外部轮廓。
永久磁铁部分14在两个实施例（图1和图4）中以特别的方式位置固定地安装在转子10上。为此，在一个配属于转子10的轴16上沿其圆周按极距的比例分配地构成削平部18。永久磁铁部分14以符合要求的形状设置并排地粘接在一所属的装配板20上。装配板20本身借助于由双组分的粘接剂构成的粘接剂层22位置固定地安装在一个所属的平坦部18上。
在这样位置固定地安装的永久磁铁部分14的上，在每一单个的永久磁极12上面罩上由塑料制成的护盖24，其借助于铝螺钉26固定在上述自由区域内。
最后应该说明，在申请文件中且特别是在从属权利要求中提到的全部特征，虽然采取形式上引用一个或多个特定的权利要求，但单独的或任意的组合也应得到保护。
附图标记列表
10 转子
12 永久磁极
14 永久磁铁部分
16 轴
18 削平部
20 装配板
22 粘接剂层
24 护盖
26 螺钉

Claims (10)

1.永久励磁的同步电机，所述永久励磁的同步电机包括：具有大量电磁极的定子和具有多个永久磁极（12）的转子（10），
其特征在于，所述转子（10）的至少一个永久磁极（12）由单独的永久磁铁部分（14）构成，所述永久磁铁部分在所述永久磁铁部分的制造时设有特别高的场强度，并且所述永久磁铁部分在所述至少一个永久磁极（12）上沿圆周方向并排设置，使得在所述转子（10）旋转时在所述定子的所述电磁极中产生正弦形的励磁；
所述至少一个永久磁极（12）的并排设置的永久磁铁部分（14）以不同的尺寸构成，用于产生正弦形的励磁。
2.按照权利要求1所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）的并排设置的永久磁铁部分（14）以横截面为正弦形的外部轮廓构成，以产生正弦形的励磁。
3.按照权利要求1或2所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）构成有四至六个单独的永久磁铁部分（14）。
4.按照权利要求1或2所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）的所述永久磁铁部分（14）在所述转子（10）的圆周上只覆盖通过所述永久磁极（12）的极距产生的圆周区段的70%至95%之间的范围。
5.按照权利要求1或2所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）的永久磁铁部分（14）位置固定地安装在装配板（20）上，所述装配板本身位置固定地与所述转子（10）连接。
6.按照权利要求5所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述装配板（20）粘接在所述转子（10）上。
7.按照权利要求1或2所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）的永久磁铁部分（14）在外侧被覆盖。
8.按照权利要求1或2所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）的永久磁铁部分（14）粘接在所述转子（10）上。
9.按照权利要求5所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，所述至少一个永久磁极（12）的永久磁铁部分（14）粘接在所述装配板（20）上。
10.按照权利要求1或2所述的永久励磁的同步电机，其特征在于，在定子和转子（10）的圆周上构成多个电磁极以及多个永久磁极（12），使所述电磁极和所述永久磁极没有共同的约数。
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