CN102237768A - 发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低速发电设备，其可以不使用加速齿轮箱等配套设备，减少了因为齿轮箱损坏而引起的维修需要，提高了整机的效率及寿命。该发电设备包括：壳体，设置在壳体内的定子和转子，该定子和转子能够相对转动，该定子构造为缠绕有导线的铁芯，该转子构造为永磁体，其中，所述定子和转子横截面大致为U形，该定子和转子设置为当该定子和转子相对转动以进行切割磁力线的运动时，该转子的磁力线基本上全部穿过该定子。

Description

发电机

技术领域

本发明涉及发电机，尤其是永磁体低速发电机。

背景技术

电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流、气流、燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。

发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，一般构造为：使用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。发电机分为直流发电机、交流发电机(包括同步发电机和异步发电机)。

鉴于日益高涨的节能环保要求，由可再生能源驱动的发电设备需求强劲，但是对于该类发电设备的技术要求也较高。例如风力发电设备所处的环境较为恶劣，设备维修较困难，对于设备的密封保护、耐用要求较高。

发明内容

本发明提供了一种低速发电设备，其可以不使用加速齿轮箱等配套设备，减少了因为齿轮箱损坏而引起的维修需要，提高了整机的效率及寿命。该发电设备的核心部件设置在极严密的密封室内，可以保护其不受外界恶劣环境的影响，例如狂风或酸雨。

该发电设备包括：壳体；设置在壳体内的定子和转子，该定子和转子能够相对转动，该定子构造为缠绕有导线的铁芯，该转子构造为永磁体；转轴，用于驱动该转子转动；其中，所述定子和转子横截面大致为U形，该定子和转子设置为当该定子和转子相对转动以进行切割磁力线的运动时，该转子的磁力线基本上全部穿过该定子。

在该发电设备中，在该转子的两个磁极之间设置磁铁，并使得该磁铁与该转子的极性相排斥。该定子和转子同心地设置，并且该转子在该定子的内侧转动；或者，该定子和转子同心地设置，并且该转子在该定子的外侧转动。

在优选的实施例中，所述转子与所述转轴固定连接，使得该转子以所述转轴为旋转轴。所述定子包括多个缠绕有导线的定子构件，所述转子包括多个转子构件，并且定子构件的数量是转子构件数量的两倍。在圆周方向上，所述转子构件相对于所述定子构件间隔地设置。

优选地，所述转子设置在转子室内，所述定子设置在定子室内，该转子室和定子室是密封的。所述定子室的第一区域正对所述转子的磁极，并且由软磁铁材料制成，所述定子紧贴该定子室的侧壁。所述定子室的第二区域正对所述磁铁，并且由非导磁材料制成。所述非导磁材料选自下列中的一项或多项：铜、铝、塑料或其它非导磁材料。

所述转子通过转子架座固定到所述转子室，并且与该转子室的侧壁之间具有空隙，所述转子室通过设置在其下方的转动轴承支撑在所述外壳上。壳体通过轴承连接到所述转轴，并且所述定子与所述壳体固定连接。

在构造为交流发电机的实施例中，所述导线设置为缠绕所述定子的线圈绕组，并且所述线圈绕组在该定子的每一端都设有输出端。在构造为直流发电机的实施例中，导线构造为竖直围绕所述定子的两端的条状，并且在靠近所述定子的两端和所述定子的两端的中间部分共设有三个输出端。

在该发电设备中，转轴可以替换为固定支撑柱，而且是大半径的支撑柱。这种风力发电机，包括在水平面内旋转的风叶，如上所述的发电设备，其中所述风叶直接安装连接到该发电设备的转轴，该转轴将该风叶支撑在地面上。

本发电设备尤其适用于垂直式风力发电机，也适用于一些水平式风力发电机。该发电设备总体上采用了化整为零的构造，所以在需要维修时不必拆卸全套设备，可进行针对性的零部件维修更换。

附图说明

图1示出了本发明的发电设备，其中定子3设置在转子2的内侧；

图2示出了本发明的发电设备的另一实施例，其中定子3设置在转子2的外侧；

图3示出了本发明的发电设备构造为交流发电机的实施例，其中具体示出了发电设备中磁力线的分布情况；

图4示出了图3所示的交流发电机的俯视图；

图5示出了本发明的发电设备结合到风力发电设备的实施例；

图6示出了本发明的发电设备构造为直流发电机的实施例，其中具体示出了发电设备中磁力线的分布情况；

图7示出了图6所示的直流发电机的俯视图；

图8示出了本发明的发电设备应用在风力发电塔的实施例。

具体实施方式

图1示出了本发明的发电机的内部构造。整套设备容纳在壳体中(未示出壳体)，支撑柱1设置在整个设备的中间，转轴包围该支撑柱1，用于驱动转子2进行旋转。优选的，转轴可以一体地与支撑柱1形成，用于驱动转子2。

发电机定子3固定在壳体内的腔室内，其构造为U型的铁芯，在铁芯上缠绕有绕线组。在图1的实施例中，定子3设置在内侧，在其外侧相对着设置转子2，该转子2通过转子座架7固定连接转轴，从而在转轴的驱动下，以转轴为旋转轴围绕定子3转动。在转子座架7的下面设有转子座架转动轴承8，以便于转子的转动。转子2也构造为U型的永磁体，可以理解，U型永磁体也可称为马蹄形永磁体。在优选的实施例中，转子设置在转子室内，定子设置在定子室内，并且转子室和定子室都是密封的。

图1清楚地示出，定子3和转子2设置为U型的开口相正对，如此地设置定子3和转子2，使得转子2的磁力线基本上全部穿过定子3，从而在进行每一次切割磁力线的运动时，产生的磁场强度最大。可以理解，在其它条件相同的情况下，本发明的发电机产生的电动势明显较大。

如图1所示，为了进一步控制转子2的磁力线的分布及防止漏磁，在转子2的开口处可设置磁体9。最佳见图3，该图示出了相对设置的定子和转子。转子的上端部为N极，下端部为S极，在该转子的两个磁极之间设置磁铁9，该磁铁9的横截面为条形，并且上侧为N极，下侧为S极，即磁铁9安装成与转子的磁极相排斥，阻挡了转子磁铁的漏磁通道，避免发生漏磁。在图3中还示出了在定子和转子之间的磁力线的分布，可以看到，磁极9进一步引导转子的磁力线，使得转子的磁力线基本上全部穿过定子，并且形成如图中所示的磁力线环路。

在一个实施例中，为定子室正对转子的壁分出不同的区域，并且为不同的区域采用不同的材料。如图1右侧所示，定子3紧贴定子室的侧壁设置。定子室正对转子2的壁大致分为三个区域，其中第一区域5、5a正对转子2的磁极，该第一区域5、5a由软磁铁材料制成，用于导磁；第二区域6正对磁铁9，该第二区域6由非导磁材料制成，例如铜、铝、塑料或其它非导磁材料。

图2所示的实施例与图1的实施例不同在于，缠绕线圈的定子设置在转子的外侧。

如图3所示，在定子的两个端部缠绕有线圈绕组，并且该线圈绕组在定子的每一个端部都设有输出端。可以根据需要确定线圈绕组的匝数，以提供不同的电动势。

图4以俯视的角度示出了本发明的发电机的构造，其中转子2、定子3同心地围绕转轴设置。定子3包括多个缠绕线圈的定子构件，转子2包括多个转子构件。定子构件的数量是转子构件的两倍。由该俯视图可以看到，转子构件相对于其内侧的定子构件间隔地设置，也就是两个相邻的转子构件之间有间隙10，而该间隙10的内侧设有定子构件。图4中带有箭头的线条示出了磁力线。

如图4所示，当定子构件完全正对转子构件时，穿过线圈的磁通量最大；当定子构件完全正对间隙10时，磁通量大致为零。当转子构件转动时，穿过定子线圈的磁通量连续地变化，并且呈周期性地循环，线圈的两侧引线之间也就产生了周期性的电动势，形成交流电的电压。

本发明的发电机采用多磁极的结构，并且可设计为低速发电机。优选地，为了防止发生漏磁、并且减少磁阻，定子铁芯可安装为紧贴腔室壁，而不留有空隙；而转子与腔室之间留有空隙。

本发明的发电机的定子的线圈的连接方式可根据需要进行设计。对于不同的连接方式，能够匹配出不同的发电机的额定输出功率及输出电压。例如，当该发电机应用于风力发电领域时，为了适应风速的变化，提高发电效率及发电量，可设置为可变的连接方式。

如图4可以清楚地看到，本发明的发电机的每个定子和每个转子都是独立的部件，可以单独地安装和拆卸，便于维护，以进行针对性的维护，可不必拆卸整套发电机进行修理。

如图5所示，本发明的发电机可设计为中心轴为转动轴的机构，在该图中，转轴11驱动转子14转动，并且通过转轴11上的轴承13、13a固定到发电机的壳体12。这种结构的发电机尤其适用于水平风力发电设备以及水力发电设备。

本发明的发电设备还可以构造为直流式发电机，如图6、7所示。最佳由图6可以看到，直流发电机的设置与交流发电机的区别在于线圈的缠绕方式。在定子的端部附近垂直地设置导线19，并且延伸超过各个端部。导线19露在定子的端部设置输出端(例如图示的正极)，在定子的内部的导线上设置另一输出端(例如图示的负极)。同样，为了防止漏磁，在转子的两个磁极端部之间设有磁体，该磁体安装成与转子的磁性相排斥。

图7从俯视的角度示出了直流式发电机的结构。在直流式发电机中，不需要在相邻的转子23之间留有间隙，转子紧密地沿着整个圆周排列。定子也沿着内壁紧密地排列；导线22间隔地排列。当永磁体转子23转动时，在导线上就产生电动势，其正负极不变换，从而输出直流电动势。

适当地连接每一根导线，并设置引出输出线，作为发电设备的输出端。

如上所述，本发明的发电设备优选地适用于风力发电领域。在地基上设置支撑柱，用于支撑风叶，并且在风叶的转动时，支撑柱被驱动。该支撑柱的转动同时驱动发电设备的转轴，使得定子、转子相对运动，进行切割磁力线的运动。优选地，可以将风叶直接固定到发电设备的转轴，而该转轴作为支撑柱，将风叶支撑在地基上。

如图8所示，本发明的发电设备可设置在风力发电机的支撑柱上，并且转子与风叶固定连接。当风叶转动时，转子直接被驱动。优选地，该发电设备可设置在支撑柱的中段，在其上、下都设置风叶。这样设置的风力发电机，既能够采集高层风能，也可获取底层风能。避免了将风叶制造地过大，而不影响发电量。

Claims (17)

1.一种发电设备，包括：

壳体；

设置在壳体内的定子和转子，该定子和转子能够相对转动，该定子构造为缠绕有导线的铁芯，该转子构造为永磁体；

其中，所述定子和转子横截面大致为U形，该定子和转子设置为当该定子和转子相对转动以进行切割磁力线的运动时，该转子的磁力线基本上全部穿过该定子。

2.如权利要求1所述的发电设备，其中在该转子的两个磁极之间设置磁铁，并使得该磁铁与该转子的极性相排斥。

3.如权利要求1所述的发电设备，其中该定子和转子同心地设置，并且该转子在该定子的内侧转动。

4.如权利要求1所述的发电设备，其中该定子和转子同心地设置，并且该转子在该定子的外侧转动。

5.如权利要求3或4所述的发电设备，其中所述转子与所述转轴固定连接，使得该转子以所述转轴为旋转轴。

6.如权利要求3或4所述的发电设备，其中所述定子包括多个缠绕有线圈的定子构件，所述转子包括多个转子构件，并且定子构件的数量是转子构件数量的两倍。

7.如权利要求6所述的发电设备，其中在圆周方向上，所述转子构件相对于所述定子构件间隔地设置。

8.如前述任意一项所述的发电设备，其中所述转子设置在转子室内，所述定子设置在定子室内，该转子室和定子室是密封的。

9.如权利要求8所述的发电设备，其中所述定子室的第一区域正对所述转子的磁极，并且由软磁铁材料制成，所述定子紧贴该定子室的侧壁。

10.如权利要求2所述的发电设备，其中所述定子室的第二区域正对所述磁铁，并且由非导磁材料制成。

11.如权利要求10所述的发电设备，其中所述非导磁材料选自下列中的一项或多项：铜、铝、塑料。

12.如前述任意一项所述的发电设备，其中所述转子通过转子架座固定到所述转子室，并且与该转子室的侧壁之间具有空隙，所述转子室通过设置在其下方的转动轴承支撑在所述外壳上。

13.如前述任意一项所述的发电设备，其中所述壳体通过轴承连接到所述转轴，并且所述定子与所述壳体固定连接。

14.如前述任意一项所述的发电设备，其中所述导线设置为缠绕所述定子的两个端部的线圈绕组，并且所述线圈绕组在该定子的每一端都设有输出端。

15.如权利要求1-13中任意一项所述的发电设备，其中所述导线构造为延伸超过所述定子的两个端部，并且在靠近所述定子的两个端部和中间部分共设有三个输出端。

16.一种风力发电机，包括在水平面内旋转的风叶，如前述任意一项所述的发电设备，其中所述风叶直接安装到该发电设备的转轴，该转轴将该风叶支撑在地基上。

17.如权利要求16所述的风力发电机，其中所述风叶直接固定连接、并驱动该发电设备的转子。

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