CN102420510A

CN102420510A - 具有两个定子的永磁电机

Info

Publication number: CN102420510A
Application number: CN2011102854718A
Authority: CN
Inventors: K.佩德森
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-04-18
Also published as: US9438091B2; EP2434623A1; CA2752952A1; US20120074707A1

Abstract

本发明提供了一个具有两个定子的永磁电机。该永磁电机包括旋转转子（10）以及两个静止定子（12、13）。一个定子（12）中存在的电磁场相对于另一定子（13）中存在的电磁场移位30电度，这是由于供给所述定子（12、13）的电流彼此移位30电度的一个角度以及所述定子的对应30电度的物理移位造成的。

Description

具有两个定子的永磁电机

技术领域

本发明一般性地涉及具有两个定子的永磁电机。特别地，本发明涉及风力涡轮机的发电机和具有永磁电机的风力涡轮机，其中该永磁电机具有两个定子。

背景技术

由于旋转的永磁电机内的磁力的变化而会导致出现转矩脉冲。在空载和负载情况下出现转矩脉动（在下文中分别称为齿槽转矩和纹波转矩）。这些转矩脉动可以造成可对旋转机械和互连部件有害的振动。此外，这些转矩脉动能够产生可扰乱环境的低频噪声。除了由切线力造成的转矩脉动外，还存在径向力，其周期性地并以相同的频率产生相同的问题。这些问题在直驱风力发电机上甚至更为显著。

存在若干用来减小齿槽转矩和纹波转矩以及径向力的技术。最常见的是磁极偏移、磁体成形、齿成形（包括辅助槽）和斜槽。这些技术存在对于给定电流水平减小平均转矩的缺点。因此，需要增加电流以便提供相同的转矩。类似地，通过叠加电流中的谐波可实现波动的有效减少。这还将造成铜损的增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于减少永磁电机中的力脉动。

分别通过权利要求1、7和8的特征来解决该目的。从属权利要求提供了本发明的更多的细节和优点。

首先，考虑本发明的理论背景。为了恰当描述本发明，从首先被说明的磁极偏移和分段斜槽开始说明。径向力脉动和切线力脉动主要由第6谐波主导。因此，通过借助于反作用力抵消第6谐波，实现对这些力的显著减小。理论上，可以通过使发电机的一端产生的第6谐波与发电机的另一端产生的第6谐波在相位上相反来完全抵消第6谐波。从切线力的角度来看，这是可以理解的，因为发电机的总转矩是该发电机的子部件产生的转矩之和。从径向力的角度来看，这抵消了径向翘曲扰动，虽然它可能引入有些沿轴向方向的翘曲。然而，轴向翘曲模式并非与径向翘曲模式一样占主导，因为直径稍微大于长度，因此总的来说，该设计在由径向力造成的振动方面也会得到改善。

也可由定子斜槽或转子斜槽来实现对第6谐波的抵消。为了简化说明，我们将把说明限于转子斜槽。通过使发电机一端的磁体偏移30电度，使该端的电场延迟半个第6谐波周期，这意味着总的第6谐波转矩所起的作用抵消至零。在实际生活中，尽管3d影响和非理想化的产品会造成抵消不足，然而，该原理仍然起作用。该方法意味着与连续斜槽形成对照的分段斜槽（在这种情况下仅仅2个分段）。

利用磁极偏移可接近与斜槽类似的作用。斜槽的优点在于沿该电机的轴向没有力振动，从而避免了轴向翘曲模式。在磁极偏移上，仅仅使这些磁体磁极中的某些磁极但在整个轴向长度上偏移了给定的角度。

与此形成对照，当使用分段斜槽时，使磁体磁极偏移了相同的度数，但是该偏移取决于沿轴向长度的位置。因此，最简单的分段斜槽是使该转子在轴向方向上分成两个部分：前部和后部。这种方法的缺点在于两端感应的反向EMF（EMF，电磁场）在相位上不相同，导致较低的总反向EMF，从而导致较低的转矩。这样的原因在于两个反向EMF是相同电路中的感应电压，在该电路中，由于相位移，矢量和将小于振幅之和。当利用磁极偏移时，存在类似的反向EMF损失，因而存在类似的平均转矩损失。

本发明提出了一种无平均转矩损失的电机。一个转子覆盖由不同步达30电度的电流（例如，来自两个逆变器的电流）供电的两个定子。类似地，这些定子扭转30电度。可替代地，这些定子可以对齐，但前部的磁体相对于后部的磁体扭转30电度。因此，在该电机的每一半上保持磁体与磁场之间的最佳角度，这意味着无平均转矩损失，这与标准的磁极偏移和斜槽技术不同。

一方面，本发明涉及具有旋转转子和两个静止定子的永磁电机，其中一个定子中存在的电磁场相对于另一定子中存在的电磁场移位30电度的一个角度，并且其中供给这两个定子的电流彼此移位30电度。

这种物理位移在转子侧还是在定子侧还是两者的结合并不重要。重要的是每个定子内存在的磁场在对应于30电度的时间里移位了半个齿槽周期。同样，转子是在外部还是在内部没有关系。本发明还可以利用相同轴上的两个转子来实现，从而导致在相同轴上有两个发电机。如果本发明被实现为在相同轴上有两个发电机，则两个发电机无需完全相同，只要它们近似具有相同的转矩谐波。它们甚至不需要相同的功率水平或电流幅值。如果选择应用较小的电机来抵抗转矩脉动，则使两个较小的电机位于每个端部，而使主发电机位于中央，以最小化沿轴向长度的3d转矩脉动。

这些定子可以彼此移位30电度的一个角度。为了实现定子中电磁场的移位，全部定子可以相对彼此扭转。

一个定子区域中的转子的磁体可以相对另一个定子区域中的磁体移位30电度的一个角度。为了实现在这些定子中存在的电磁场的移位，可以移位某些磁体或该转子。

该永磁电机可以包括两个用于供应移位的电流的逆变器。如果一个发电机或逆变器故障，则这两个逆变器导致了容错发电机，即能连续处于较低负荷的发电机。在故障期间，总体力脉动的减小将部分地消失，但是齿槽效应的削弱却会完全保持。由于修理该永磁电机所花时间周期有限，因此减小的力脉动是可接受的。当尝试新构思时，它也可能是有益的，这使得利用现有组件快速按比例放大样机成为可能，比如，在相同的轴上制造具有两个3MW发电机的6MW涡轮机。

这两个定子可以沿该转子或这两个定子所附接到的轴的轴向方向布置。这两个定子的最有益的布置是轴向布置，因为这容易实现。

可以为每个定子提供一个转子。在两个转子的情况下，在该轴上布置两个磁力电机。然后，发电机可被设计为利用相同或不同的发电机的模块式系统，以实现期望的输出。该方案提供高度的灵活性。

在第二方面，本发明涉及风力涡轮机的发电机，包括如上所述的永磁电机。风力涡轮机的发电机在很大程度上受益于减小的力脉动以及由此减小的振动，因为该发电机放置在高塔之上。这种布置易受振动的影响。

在另一方面，本发明涉及具有塔、与其相连接的主轴、经由主轴承与该主轴旋转地连接的叶片轮毂以及连接到该叶片轮毂的叶片的风力涡轮机，包括如上所述的发电机。风力涡轮机在很大程度上受益于减小的转矩脉动以及由此减小的振动，因为该发电机放置在高塔之上。这种布置易受振动的影响。

该力涡轮机可以包括附接到主轴的内部定子以及附接到叶片轮毂的外部转子。外部转子类型的风力涡轮机很常见。然而，本发明也可以在外部定子风力涡轮机中使用。

附图说明

为了提供对实施例的进一步理解，包括了附图。其它实施例和许多想要的优点将容易理解，因为它们通过参照下面的详细描述而变更好理解。这些图的各个元件不一定是按比例绘制的。相同的附图标记指示对应的类似部件。

图1例示了根据本发明的具有发电机的风力涡轮机的示意图。

图2例示了根据本发明的发电机的示意性横截面视图。

图3例示了根据本发明的发电机的示意性俯视图。

具体实施方式

参照附图进行下面的详细描述，这些附图形成本文的一部分，并且在附图中以举例的方式示出可以实现本发明的具体实施例。在这点上，参照正在描述的图的方位使用诸如“顶”“底”等之类的方向性术语。因为实施例的组件可以位于各种不同的方位，方向性术语是为了示例的目的而使用的，决非是限制性的。应理解的是，可以使用其它实施例并且可以在不偏离本发明的范围的情况下进行结构性或逻辑性的改变。因此，下面的详细描述并不应被理解为限制性的意义，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出风力涡轮机1，具有固定到地面的塔2。塔2可具有几百米或更高的高度。在塔2之上固定主轴3。叶片轮毂4旋转地附接到主轴3，并且绕旋转轴线5旋转，旋转轴线5是主轴3的中心轴线。叶片6附接到叶片轮毂4。直驱发电机7提供在舱8内部，舱8包围主轴3和风力涡轮机1的电气装置。

图2示出风力涡轮机1的发电机7所在的部分。结合图2，说明该发电机的机械结构。结合图3说明电气结构。在这些图中，借助于风力涡轮发电机说明本发明。然而，本发明适用于所有永磁电机，不仅仅用于风力涡轮应用的发电机。

叶片轮毂4借助于主轴承9与固定的主轴3旋转地连接。轴承9的旋转部分被直接固定到叶片轮毂4或者固定到装配环（未示出）。该轴承的静止部分被固定到主轴3的外部。发电机7的旋转的转子10被固定到叶片轮毂4的圆柱形转子夹持结构11。第一定子12和第二定子13布置在环状定子支撑结构14上，支撑结构14连接到主轴3的外部。定子12、13布置在轴向方向上。定子12和13的编号仅仅是为了方便标识而选择的。

定子12、13各包括支撑定子12、13的绕组的叠片15。两个定子12、13之间的小间隙防止绕组16之间接触，并且方便定子12、13的组装和拆卸。当绕组16可被电绝缘时，两个定子12和13的绕组16的直接接触是可能的，以缩短例如发电机7的轴长。

转子10由多个永磁电机17构成，多个永磁体17安装到转子夹持结构11或者安装在空心圆柱体（未示出）内。永磁体17被布置成在叠片15和所支撑的绕组16的对面。转子10在轴向方向上的长度大致对应于两个定子12和13的轴向长度。在永磁体17与叠层15之间设置具有接近几毫米的宽度的空气间隙。

图3示出定子12和13的俯视图。第一定子12的第一轴向槽18容纳一个或多个绕组16或它们的一部分。第二定子13的第二轴向槽19容纳一个或多个绕组16或它们的一部分。这两个槽12和13作为例子被示出。定子12和13的表面敷设有若干个槽。

这两个槽18和19彼此相对移位30电度的一个角度。借助于这两个槽18和19，可以最好地示出这两个定子12和13的移位。绕组16和全部定子12和13彼此相对移位30电度的一个角度。然而，最重要的是这两个定子中存在的电磁场彼此相对移位30电度的一个角度。这两个定子12和13之间的偏移仅仅是实现电磁场移位的一种手段。已经讨论了更多的手段，像例如转子的磁体的一部分的移位。

一个定子12的电磁场相对于另一定子13的移位是本发明的布置的一部分。另一部分是将电流供给定子12和13。

第一逆变器或电流源20为第一定子12的绕组16提供电流。第二逆变器或电流源21为第二定子13的绕组16提供电流。由两个逆变器20和21提供的电流彼此移位30电度。

定子12和13彼此移位30电度以及供给定子12和13的电流彼此移位30电度保证每个定子12、13内出现的磁场在与30电度对应的时间内移位半个齿槽周期。这抑制了永磁电机（像示出的发电机7）中的转矩脉动和径向力脉动以及随后的振动。

Claims

1.一种具有旋转转子（10）和两个静止定子（12、13）的永磁电机，其中一个定子（12）中存在的电磁场相对于另一定子（13）中存在的电磁场移位30电度的一个角度，并且其中供给所述定子（12、13）的电流彼此移位30电度。

2.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述定子（12、13）彼此相对移位30电度的一个角度。

3.根据权利要求1所述永磁电机，其中在一个定子区域中的所述转子（10）的磁体（17）相对另一个定子区域中的磁体移位30电度的一个角度。

4.根据权利要求1至3之一所述的永磁电机，包括两个用于供应移位电流的逆变器（20、21）。

5.根据权利要求1至4之一所述的永磁电机，其中所述两个定子（12、13）沿所述转子（10）或所述定子（12、13）所附接的轴（3）的轴向方向布置。

6.根据权利要求1至5之一所述的永磁电机，包括附接到一个轴的两个转子，其中为每个定子提供一个转子。

7.一种风力涡轮机的发电机，包括根据权利要求1至6之一所述的永磁电机（7）。

8.一种风力涡轮机，具有塔（2）、与其相连的主轴（3）、经由主轴承（9）旋转地连接到所述主轴（3）的叶片轮毂（4）以及连接到所述叶片轮毂（4）的叶片（6），所述风力涡轮机包括根据权利要求7所述的发电机（7）。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中两个内部定子（12、13）附接到所述主轴（3），并且其中外部转子（10）附接到所述叶片轮毂（4）。