CN102498646A - 风力发电设备或水力发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生电能的风力发电设备或水力发电设备(10)，其具有至少一个螺旋桨(30)和至少一个发电机(60)，该发电机包括至少一个转子、至少一个定子和至少一个引起磁通量的磁回路(120)。依据本发明设计成，至少一个磁回路包括至少一个定子侧的磁体(130、131、132)和至少一个定子侧的线圈(140、141、142)，定子侧的磁体中的至少一部分磁通量流过所述磁回路，并且磁回路通过转子闭合，并且转子在其面向定子的表面上具有依赖于其各个转动角度的磁阻(Rm)，从而使得在至少一个定子侧的线圈中的磁通量大小依赖于转子的各个转动角度，并且随着转子的转动而改变。

Description

风力发电设备或水力发电设备

描述

本发明涉及具有根据权利要求1前述部分特征的风力发电设备或水力发电设备。

多年来，借助越来越大的风车来实现从风中获得电能。此外，可获得的功率依赖于风车的直径。更大的功率因此也意味着更大的风车直径和更大的螺旋桨叶片长。由于螺旋桨尖端的圆周速率技术上受到限制，所以始终得到较小的转数。

为了能够应用经济的、具有较小尺寸和较小重量的发电机来将机械功率转换为电能，一般在螺旋桨和发电机之间安装传输装置(Getriebe)。

本发明的任务在于，提出一种风力发电设备或水力发电设备，其能够产生较大的电功率，然而具有简单并轻便的结构。

依据本发明，该任务将通过具有专利权利要求1的特征的风力发电设备或水力发电设备来完成。依据本发明的风力发电设备或水力发电设备的有益的设计在从属权利要求中得以描述。

之后，依据本发明设计具有至少一个螺旋桨和至少一个发电机的风力发电设备或水力发电设备用于产生电能，所述发电机包括至少一个转子、至少一个定子和引起磁通量的至少一个磁回路。该至少一个磁回路包括至少一个定子侧的磁体和至少一个定子侧的线圈，该线圈由定子侧的磁体的至少一部分磁通量流过。磁回路将通过转子闭合，其中，转子在其面向定子的表面上具有依赖于其各个转动角度的磁阻，从而使得在至少一个定子侧的线圈中的磁通量大小依赖于转子的各个转动角度，并且随着转子的转动而改变。

依据本发明的风力发电设备或水力发电设备的实质上的优点在于，所有在发电机运行的同时必须加热并在可能的情况下必须冷却的配件为了不超过临界温度而安装在发电机的定子中。从外面冷却定子在技术上而已相对简单并且可经济地实施。安装在转子中的引导磁通的部分和元件，其能够通过交变磁化或涡流来加热，并且还通过定子通过传热和/或辐射来加热，所述部分和元件能够在依据本发明的风力发电设备或水力发电设备中通过临界温度部分构成，从而使得它们并不需要额外的冷却。换句话说，依据本发明的风力发电设备或水力发电设备的实质上的优点在于，即使产生了非常高的电功率，也必须仅仅冷却定子的段(Statorabschnitte)，并且能够不冷却转子。

关于风力发电设备或水力发电设备尤其涉及到具有至少1kW额定功率的设备。在任何情况下都需要该额定功率，这是为了能够在能量传输网络中比较经济地使用。

根据风力发电设备或水力发电设备优选的设计，将螺旋桨与发电机的转子抗扭地连接在一起。如此一来就能够放弃转子和螺旋桨之间的传输装置，从而使得最小化重量和成本花销。

定子侧的磁体优选地涉及到永磁体。可选地，为了产生磁通量还能够使用电磁铁代替永磁体或者与永磁体组合使用电磁铁。

定子在其面向转子的面上，例如在其面向转子的内面上优选的具有大量磁回路，它们各自包括至少一个定子侧的磁体和分别包括至少一个定子侧的线圈，并且它们分别通过转子磁性封闭。定子侧的线圈能够电相连，以便能够在与风力发电设备或水力发电设备连接的电能供应网的实现之后提供相应的电流或电压。

优选地，定子上的磁回路排布以及在转子上磁阻的位置分布分别是旋转对称的。

为了能够实现多相位的例如三个相位的电流的产生，当定子上的磁回路排布的旋转对称角和在转子上磁阻的位置分布的旋转对称角不相同的时候，将其视为有益的。旋转对称角的不同导致定子上和转子上不同的极距，从而使得能够为多相位系统产生电流。

当仅仅应该产生单一的电流和电压相位时，定子和转子的旋转对称角自然地还能够是一致的。

优选地，转子在其面向定子的表面上具有径向向外伸出的齿。借助该齿结构或齿轮廓能够以特别简单的方式在转子表面上引起各自依赖于转子的转动角度的磁阻。转子表面上的齿优选地由具有较小磁阻的材料构成，即由当磁场靠近时会引起较大磁通量的材料构成。对于齿来说合适的材料例如为铁磁材料，因为它具有非常高的相对导磁性

定子相邻齿之间的中间区域例如能够完全地或部分地由材料填充，该材料比齿的材料具有更大的磁阻。相邻的齿之间的中间区域例如能够以合成材料或树脂填充。

然而当相邻齿之间的中间区域保持空白时，将其视为特别有益的，因为当转子转动时，暴露的齿会导致在定子和转子之间的空气缝隙内的空气涡流，由此引起转子和定子的冷却。

特别优选地，至少一个磁回路的定子侧的段具有引导磁通的元件，该元件穿过至少一个定子侧的线圈，其中，线圈范围中的引导磁通的元件的截面面积小于定子侧的磁体的截面面积。通过这种截面设计，可使定子侧的线圈范围中的磁通量集中。

以一种相应的方式可指定，引导磁通的定子侧的元件在线圈的范围中小于在其铁心端部(Schenkelende)的范围中，以此形成对于转子的接口。以该设计也可使线圈范围内的磁通量集中，然而其中，在转子和定子之间的接口处，气隙场(Luftspaltfeld)可能受到影响。

为了使场线以尽可能理想的方式穿过定子，磁回路的定子侧的段能够分别配备至少一个磁通屏障(Flusssperre)，其具有比各个定子侧的段的通常材料更大的特征磁阻。此类磁通屏障限制了场线的走向，因为场线不能或仅仅很差地穿过磁通屏障，并且因此(至少主要地)其走向必须绕开磁通屏障。

此外，当一个或多个定子侧的磁体被嵌入在引导磁通的定子侧的材料中时，将其视为有益的。在此，“嵌入”(或者“埋藏”)这一概念被理解为，定子侧的磁体完全地(在整个表面上)被引导磁通的定子侧的材料包围，并且还因此特别与面向转子的定子内面和背离转子的定子外面分离。此类“嵌入”虽然有如下后果，即定子侧的磁体的某部分磁通量通过引导磁通的定子侧的材料被磁短路，并由此降低了效率，但是“嵌入”也提供了如下优点，即能够取消单独的固定，并且此外还有可能性例如“灌入(einzugieβen)”定子侧的磁体，由此实现针对环境影响的有效保护。磁体材料相对易碎，并且在生产条件下始终具有细小的和极小的裂纹，因而使得磁体材料始终是对腐蚀敏感的：例如在海上或海边使用发电机时会损坏定子侧的磁体，因为湿气和盐能够渗入裂缝并出现腐蚀和/或开裂或剥落。通过将定子侧的磁体“嵌入”进引导磁通的定子侧的材料中会实现针对环境影响的有效防护。

为了转化依赖于螺旋桨转数的发电机输出电压和输出频率优选地使用变流器(Umrichter)。

还能够在一个方向上或者(例如每一半)在双方向上设有转子结构的斜棱(箭头状斜棱)，用来在其他情况下降低制动磁矩，并且正面影响声发生(Schallerzeugung)。

本发明随后将根据实施例进一步阐释；这里例如展示了：

图1：具有根据本发明的、与能量传输网络相连的风力发电设备的设计的实施例，

图2至12：根据图1的风力发电设备的发电机的不同实施例，

图13：根据图1的风力发电设备的转子的倾斜的齿的实施例，和

图14：根据图1的风力发电设备的转子的倾斜的齿的另一实施例。

在附图中，为了概况而对相同或可对比的组件始终使用相同的附图标记。

在图1中展示了一种风力发电设备10的设计，该风力发电设备连接在能量传输网络20上。风力发电设备10将风能转化为电能并将其输送到能量传输网络20中。

风力发电设备10包括螺旋桨30，该螺旋桨能够包括多个叶片40。在根据图1的实施例中，螺旋桨30具有三个叶片，当然，螺旋桨30还能够具有更少或者更多的叶片。

螺旋桨30围绕轴50旋转，该轴与风力发电设备10的发电机60相连。螺旋桨30通过风力作用围绕轴50旋转运动，这样发电机60会产生电流I，电流被传送到能量传输网络20中。

图2在部分视图中举例展示了用于发电机60的可能的实施方式。这样，在图2中展示了发电机60的未进一步示出的定子的段100。此外展示了发电机60的未进一步示出的转子的段110。

在图2中，以附图标记120来标记磁回路，该磁回路包括定子侧的磁体130以及两个定子侧的线圈140和141。定子侧的线圈140和141至少由磁通量的一部分流过，该磁通量由定子侧的磁体130产生。

此外，磁回路120包括定子的段100以及转子的段110。转子的段110形成磁阻Rm，该磁阻依赖相对于定子的转子的各个转动角度。因此由图2可知，段110具有齿150，这些齿形成较小的磁阻。齿150彼此间通过缝隙160分隔，这些缝隙相对于齿150形成更大的磁阻。当转子相对于定子转动时，整个磁阻对于磁回路120而言周期性地改变，并且始终依赖转子相对于定子分别具有什么转动角度。

例如假设定子侧的磁体130产生恒定的磁场强度，那么流过磁回路120的磁通量依赖于转子各自的位置。当转子如图2所示的那样调整时，由此使得磁回路120中的磁通量最大。当转子相对于该磁回路转动时，磁通量变小。因为在两个定子侧的线圈140和141中的磁通量改变，在两个线圈的导体端部产生感生电压，该感生电压能够作为电能给到根据图1的能量传输网络20。

此外，还能从图2中获知，引导磁通的定子侧的元件125被设计成U形截面，并具有两个铁心端部200和210，它们与在转子的段110中的齿150或间隙160共同作用。引导磁通的定子侧的元件125在截面中呈U形的设计应被理解为仅仅是示例性的；当然，引导磁通的定子侧的元件125还能够具有其他形状的设计，正如随后结合其他实施例进一步示出的那样。

为了实现平滑的转子表面，能够用材料填充缝隙160，所述材料具有与齿150不同的磁阻。缝隙160例如能够由合成材料或树脂填充。

然而当缝隙160仅仅由空气填充时，将其视为格外有益的是，使得在转子旋转的情况下在转子和定子之间的缝隙中形成空气涡流，并且不仅转子还有定子都通过空气流通来冷却。

定子侧的磁体130能够涉及永磁体或电磁铁。

图3展示了根据图1的发电机60的可能设计的另一实施例。在根据图3的实施例中，定子侧的磁体130被嵌入引导磁通的定子侧的元件125的引导磁通的定子侧的材料127中。在此，“嵌入”(或者“埋藏”)这一概念理解为，定子侧的磁体130完全地即其整个表面由引导磁通的定子侧的元件125的引导磁通的定子侧的材料127所包围，并且例如还因此从引导磁通的定子侧的元件125的、面向转子的定子内面128分离以及从引导磁通的定子侧的元件125的、背离转子的定子外面129上分离。通常地，根据图3的实施例与根据图2的实施例相符。

图4示例性地展示了一种实施例，在该实施例中存在两个定子侧的磁体130和131。两个定子侧的磁体位于U形构造的引导磁通的定子侧的元件125的铁心端部200和210上。除此之外，根据图4的实施例与根据图2和图3的实施例相符。

在图5中展示了发电机60的实施例，其中，引导磁通的定子侧的元件125在定子侧的线圈140和141的范围内比在铁心端部200和210的范围内具有更小的截面积。优选地，转子中的齿150的外形设计成与铁心端部200和210的外形设计和截面相匹配；例如，铁心端部的截面和齿150的截面相同。

在图6中展示了发电机60的实施例，其中，同样在定子侧的线圈140和141范围中进行磁通的集中(Flusskonzentration)。因此能够得知，引导磁通的定子侧的元件125在定子侧的线圈140和141范围中比在引导磁通的定子侧的元件125的弧形区域(Bogenbereich)中具有更小的截面。

图7示例性地展示了一种实施例，该实施例示出了根据图4和图5的实施例的组合形式。因此在图7中可识别出两个定子侧的磁体130和131，它们安装在引导磁通的定子侧的元件125的铁心端部200和210上。此外可知，铁心端部200和210的截面或定子侧的磁体130和131的截面比定子侧的元件125在两个定子侧的线圈140和141范围中的截面更大。

图8中展示了发电机60的实施例，其中，引导磁通的定子侧的元件125被设计成梳状或梳形。优选地，定子侧的元件125涉及到具有径向向内成形的铁心的环形封闭的梳形件(Kamm)，在图8中例如三个以附图标记300、301和302标记。

定子的极距和转子的极距在根据图8的实施例中是相同的，从而使得在定子侧的线圈140、141、142中感生出的电压具有相同相位或者具有180°的相位偏移。通过定子侧的线圈相应的连接能够由此产生出单相位能量传输系统的电流和电压。

在根据图9的实施例中，引导磁通的定子侧的元件125同样通过具有梳状结构的环形元件构成，正如已经结合图8所示出的那样。但与根据图8的实施例不同之处在于，定子和转子间的极距不同，从而使得在定子侧140、141和142中感生出的电压相互间具有相位偏移，该相位偏移依赖于定子和转子间的极性偏移。通过此类偏移能够为多相位的(尤其是三相位的)能量传输系统生成多相位的(例如是三相位的)电流和电压。

图10中展示了发电机的实施例，其中，定子侧的磁体130、131和132沿着引导磁通的定子侧的元件125的铁心300、301和302的纵向定向。在该设计中，当转子相对定子相对转动时，导致铁心内部的场线方向的变化，并因此导致在定子侧的线圈140、141和142内感生出的电压的相位变化。

图11中展示了发电机60的实施例，其中，在引导磁通的定子侧的元件125的铁心300、301和302中集成有磁通屏障400，该磁通屏障具有非常高的磁阻。磁通屏障400的功能在于，引导磁通的定子侧的元件125内的场线的走向是以合适的方式，即实现尽可能大的效率。

在图12中示出了一种代替在图2至11中所有示例性的实施方式的可能性，即根据图1的发电机60被设计成，转子侧的段110能够在外面围绕定子侧的段100运动。所有根据图3至11的实施方式的变体都能够作为外部转子来实现。

在图13中示例性地示出了，齿150并非无论如何必须平行于根据图1的转动轴50。因此可知，在根据图11的实施例中，设置转子倾斜的齿150；因为齿150相对于转子的转动轴50是倾斜的或者有角度的。

以相应的方式，一个或多个引导磁通的定子侧的元件125的铁心相对于发电机的转动轴50可能被倾斜地或者有角度地定向。

图14示例性展示了具有斜棱的齿的外形设计，其中，齿具有箭头状倾斜因此，每个齿的段分别被远离转动轴定向，相对地，连接到该段上的每个齿的其他段重新朝着转动轴定向，从而使得沿着转动轴看去形成了每个齿总体上呈箭头形状的结构。

附图标记表

10  风力发电设备

20  能量传输网络

30  螺旋桨

40  叶片

50  轴

60  发电机

100 定子侧的段

110 转子侧的段

120 磁回路

125 定子侧的元件

126 底部范围

127 引导磁通的定子侧的材料

128 定子内面

129 定子外面

130 磁体

131 磁体

132 磁体

140 定子侧的线圈

141 定子侧的线圈

142 定子侧的线圈

150 齿

160 缝隙

200 铁心端部

210 铁心端部

300 铁心

301 铁心

302 铁心

400 磁通屏障

I   电流

Rm  磁阻

Claims (16)

1.一种用于产生电能的风力发电设备或水力发电设备(10)，其具有至少一个螺旋桨(30)和至少一个发电机(60)，所述发电机包括至少一个转子、至少一个定子和至少一个引起磁通量的磁回路(120)，其特征在于，

-所述至少一个磁回路包括至少一个定子侧的磁体(130、131、132)和至少一个定子侧的线圈(140、141、142)，定子侧的磁体中的至少一部分磁通量流过所述至少一个磁回路，并且所述磁回路通过转子闭合，并且

-所述转子在其面向定子的表面上具有依赖于所述转子的各个转动角度的磁阻(Rm)，从而使得在至少一个定子侧的线圈中的磁通量的大小依赖于转子的各个转动角度，并且随着所述转子的转动而改变。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述螺旋桨与所述发电机的转子抗扭地相连。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述至少一个定子侧的磁体是永磁体。

4.根据前述权利要求1至2中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述至少一个定子侧的磁体是电磁铁。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述定子在其面向转子的表面上具有大量磁回路，这些磁回路每个都包括至少一个定子侧的磁体并且每个都包括至少一个定子侧的线圈，并且这些磁回路每个都通过所述转子闭合。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述磁回路在所述定子上的排布是旋转对称的。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述转子在其面向所述定子的表面上被实现为相对于所述转子的磁阻的位置分布是旋转对称的。

8.根据权利要求6至7中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，在所述定子上的磁回路分布的旋转对称角度与所述转子的磁阻位置分布的旋转对称角度是不同的。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述转子在其面向所述定子的表面上具有径向向外延伸的齿(150)。

10.根据权利要求9所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述转子还能够在外面围绕所述定子旋转。

11.根据权利要求9至10中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，相邻的齿之间的中间区域完全地或者部分地由磁阻比所述齿的材料的磁阻大的材料填充。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述至少一个磁回路的定子侧的段具有引导磁通的定子侧的元件(125)，该元件穿过至少一个定子侧的线圈，其中，所述引导磁通的元件的截面积比定子侧的磁体的截面积更小。

13.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述至少一个磁回路的定子侧的段具有引导磁通的定子侧的元件(125)，该元件穿过至少一个定子侧的线圈，其中，所述引导磁通的元件在线圈范围中的截面积小于所述元件(125)的铁心端部(200、210)的截面积，所述铁心端部形成与转子的接口。

14.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述磁回路的定子侧的段分别配备至少一个磁性的磁通屏障(400)。

15.根据前述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述定子侧的磁体嵌入在所述定子的引导磁通的材料中。

16.根据权利要求15所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，所述定子具有面向所述转子的定子内面，并且一个或多个所述定子侧的磁体被嵌入在所述定子的引导磁通的材料中，使得所述定子侧的磁体通过所述定子的引导磁通的材料从所述定子内面和定子外面分隔开。

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