CN102570633A

CN102570633A - 用于发电机的磁体

Info

Publication number: CN102570633A
Application number: CN2011103804006A
Authority: CN
Inventors: M.基米亚贝吉
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP6108655B2; CA2759447A1; CN102570633B; CA2759447C; DK2458712T3; EP2458712B1; JP2012115142A; AU2011226908A1; US20120133232A1; BRPI1106146A2; EP2458712A1; AU2011226908B2; US8593028B2

Abstract

用于发电机（1）的磁体，包括：基础磁体（11），该基础磁体（11）的主表面（12）具有长度（L）和宽度（w_PM）；以及布置在所述主表面（12）处的偏斜磁体模块（13、15、17）。

Description

用于发电机的磁体

技术领域

本发明主要涉及用于发电机的磁体。具体地，本发明涉及用于发电机的磁体、转子、定子和包括该磁体的发电机。

背景技术

由于在诸如发电机或电动机的转动的永磁电机中的磁力变化，转矩产生波动。转矩波动发生在空载和负载情况中，在下文中用齿槽转矩和脉动转矩表示。这些转矩波动可以导致能够对转动的设备和互联的部件造成损害的振动。此外，转矩波动能够产生低频噪声，这会打扰环境。此问题在直接驱动风力发电机中更加显著。

降低转矩可以通过诸如优化磁体的二维形状、将定子/转子塑形为有齿状尖端、移动磁体、常规地偏斜磁体或经由注入电流谐波主动衰减的不同方法实现。每种方法具有其自身的缺陷，例如，通过磁体位移，磁体漏磁通增加并且由此降低输出转矩。与常规偏斜相比，常规的磁体二维塑形增加制造成本并且需要精确的建模工具，如数值FEM（有限元建模），以便优化磁体的形状。

一般而言，偏斜磁体是简单和低廉的。然而，常规的偏斜具有若干缺陷，如磁通的分布，并且由此降低磁通基本分量并且由此降低发电机的输出平均转矩。此外，为了简化磁体形状和将磁体装配到转子的弯曲表面的原因，通常用有限或少量步骤完成偏斜。因此，在两个区段彼此相距远的区域中磁通泄漏更多，这在图1中由磁漏矢量描绘。因此，需要更大体积的磁体来提供相同的平均转矩（即没有有效地使用磁体）。

此外，由于在许多步骤中偏斜可以与较高的磁漏相关联，因此通常用少量步骤中完成偏斜，并且由此，脉动或齿槽转矩的最小化可能对一些设计不完全有效。

发明内容

因此，本发明的目的是降低永磁电机中的转矩波动。

此目的分别由权利要求1、12、13和14的特征解决。从属权利要求提供了本发明的进一步细节和优点。

一方面，本发明提供了一种用于发电机的磁体，所述磁体包括：基础磁体，该基础磁体的主表面具有长度和宽度；以及布置在所述主表面处的偏斜磁体模块。使用这种新颖的偏斜技术最小化了发电机中导致振动和机械疲劳的齿槽和脉动转矩。以最小化齿槽和脉动转矩的方式，所提出的磁体比现有的替代选择（例如常规的偏斜）更有效，同时所提出的磁体不存在后者的缺陷，如平均转矩降低和由此导致的输出功率降低。与整个磁极被偏斜的常规偏斜不同，提出例如通过在基础磁体的表面上增加额外的磁体来引入非对称的磁体形状，并且仅对此偏斜磁体模块进行偏斜。

解析和FE（有限元）计算已证明了该新颖的磁体确实有效地最小化了脉动和齿槽转矩。此外，它不具有常规偏斜的缺陷。在该新技术中，仅由于基础磁体未被偏移，因此没有由偏斜导致的额外漏磁通，从而偏斜模块的磁通必须遵循与主要基础磁体相同的磁化图案。所提出的磁体的另一优点是，偏斜磁体模块使得更容易具有连续的偏斜，或者由于没有额外的磁漏，因此可以用任意数量的步骤完成偏斜，并由此更有效地最小化脉动转矩。

所提出的磁体很容易实现并由此获得更便宜的产品，如具有提高的性能的直接驱动发电机或者直接驱动发电机的转子或定子。

最后，由于所提出的偏斜降低发电机的气隙中的磁通谐波，因此也是最小化发电机中的损耗和提高效率的有效技术。

基础磁体可以具有矩形形状。此形状易于制造和安装。

基础磁体和偏斜磁体模块可以一体形成。基础磁体和偏斜磁体模块还可以由多个部分组成并且沿轴向放在一起，或者，基础磁体可以与偏斜磁体模块分离并且它们可以通过使用装配盖子或胶被装配在一起。

偏斜磁体模块可以包括沿磁体的长度布置的多个磁体段并且所述磁体段包括在宽度方向上的偏移。这种布置适用于永磁电机的标准配置并且因此可以被广泛使用。

基础磁体的宽度可以基本等于发电机的齿距的两倍并且磁体段的宽度可以基本等于发电机的齿距。偏斜磁体模块的存在使得基础磁体的连续宽度约为齿距的两倍。磁体段可以被偏斜一个齿距的跨度。不存在未偏斜的体积，这大幅度地提高了偏斜的效力。

基础磁体的宽度可以基本等于发电机的齿距的二又三分之二，两个偏斜磁体模块可以被布置在主表面处，一个偏斜磁体模块的磁体段的宽度可以基本等于发电机的齿距并且另一偏斜磁体模块的磁体段的宽度可以基本等于发电机的齿距的三分之一。此方案保留了上述优点，同时可以更好地适应永磁电机。

偏斜磁体模块可以包括在主表面中的凹进部，其中，所述凹进部可以被布置为相对于主表面的长度成角度。满足如前所述的相同优点的替代途径是在基础磁体中建造凹进部或凹腔的偏斜状路径。制造成本将减少。该技术可以通过对指定的偏斜状通道进行简单形式的机械加工和从矩形基础磁体中剪除来实现。

偏斜磁体模块可以面对发电机的齿。这种布置改进气隙中磁通谐波的降低，这是最小化发电机中的损耗和提高效率的有效技术。

偏斜磁体模块的厚度可以小于或等于基础磁体的厚度的一半。由于仅少量磁通被分散（即，由于偏斜部分比主要基础磁体薄很多的事实，基本通量几乎与没有偏斜的情况相同）的事实，磁通的基本分量的降低几乎可以忽略，平均转矩的降低也几乎可以忽略。

偏斜磁体模块可以在磁体的整个长度上延伸，偏斜磁体模块可以包括多个磁体段并且各个磁体段可以具有相同的长度。这使用偏斜的可用空间，导致更高的偏斜效力。

第二方面，本发明提供了一种发电机的转子，所述转子包括如上所述的磁体。如上所述的相同的优点和改进适用于这里。该转子适合于具有在定子中的线圈永磁电机。

第三方面，本发明提供了一种发电机的定子，所述定子包括如上所述的磁体。如上所述的相同的优点和改进适用于这里。该定子适用于在转子中具有线圈的永磁电机。

另一方面，本发明提供了一种具有定子和转子的发电机，所述发电机包括如上所述的磁体。如上所述的相同的优点和改进适用于这里。

所述发电机可以包括用于风力涡轮机的外部转子构造。所提出的磁体很适合于大型直接驱动发电机，如风能设施。它有效地用来降低噪声、增加可靠性、增加效率或者降低相同效率的发电机的重量。

附图说明

附图被包括以提供实施例的进一步理解。由于通过参照下面的详细描述其它实施例和许多预期的优点被更好地理解，因此这些其它实施例和许多预期的优点将容易明白。附图的部件不必要互相成比例。相同的附图标记表示相对应的相似部件。

图1示出了公知永磁电机的磁体和齿的示意图；

图2示出了根据本发明的永磁电机的磁体和齿的示意性剖视图；

图3示出了根据本发明的磁体和磁场的示意性底视图；

图4示出了根据本发明的另一磁体的示意性底视图；

图5示出了根据本发明的另一磁体的示意性底视图；

图6示出了气隙中的磁通密度的曲线图；

图7示出了图6的磁通密度的基本分量的曲线图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，对构成本文的一部分的附图进行阐述，并且通过图示具体的实施例的方式示出，本发明可以在所述具体的实施例中实践。就此而言，诸如“顶”或“底”等方向术语被用来涉及所描述的附图的方位。由于实施例的组件可以被放置在多个不同的方向，因此，方向术语被用于阐明的目的并且完全不限制本发明。应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，下面的详细描述不是限制意义的，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。

图1示出公知的永磁电机（例如发电机1）的一部分。对于公知的发电机1，说明所述发电机1的基本结构和功能，以为如图2至4所示的所提出的磁体和永磁电机做准备。

发电机1具有定子2，定子2具有齿3。齿3被布置为彼此相距一个距离，该距离被称作齿距τ_tooth。在两个齿3之间，布置用于容纳线圈的凹槽4。所示的齿距τ_tooth从凹槽4的中间到达相邻凹槽4的中间，因为这表示了振动域。

附接到发电机1的转子（未示出）上的磁体5位于齿3的上方。上方是指在径向r上。在磁体5和齿3之间是发电机1的气隙6。

在一种替代设计中，齿可以是转子的一部分，而磁体可以布置在转子处。

常规的磁体5以两个步骤偏斜，由此使得磁体5具有三个模块或部分。该模块以齿距τ_tooth的一半幅度偏斜。注意偏斜也可以用一个齿距的空间跨度完成。

阴影线图示所述偏斜磁体模块的未偏斜体积。偏斜节距，即齿距τ_tooth通常较小，约为磁体宽度的一半。从齿的透视图可看出，此区域未偏斜并且这是为什么常规偏斜的效力通常不是100%的原因之一。

此外，离开模块的额外的漏磁通在未被相邻模块覆盖的前表面（在z方向上）的那些部分处示出。磁漏降低发电机1的平均转矩并且因此是不希望的。

图2示出根据本发明的如电动机或发电机1的永磁电机。除了磁体，所示出的结构与图1所示的结构相同。以上说明（除磁体外）适用于图2。

磁体10具有基础磁体11，该基础磁体11的宽度w_PM是齿距τ_tooth的二倍。宽度w_PM可以正好是齿距τ_tooth的二倍或者可以是接近齿距τ_tooth的二倍，例如，+/- 10%。宽度w_PM在圆周方向θ上延伸。基础磁体11在z方向上具有长度L。宽度w_PM和长度L横跨主表面12。实际上，基础磁体11具有两个主表面，一个主表面面对定子2及其齿3，而另一个主表面相反。稍后，术语主表面设计第一个主表面。

在主表面12处，布置偏斜磁体模块13。偏斜磁体模块13包括三个磁体段14，该三个磁体段14可以是相同的。每个磁体段14具有是齿距τ_tooth的一倍的宽度w_PMM。宽度w_PMM可以正好是齿距τ_tooth的一倍或者可以是接近齿距τ_tooth的一倍，例如，+/- 10%。每个磁体段14的长度等于L/m，其中m是磁体段14的个数。在此情形中，磁体段14的长度计为基础磁体11的长度L的三分之一。该三个磁体段14被布置在基础磁体11的长度L的方向上。

磁体段14包括在基础磁体11的宽度w_PM或磁体段14的w_PMM的方向上（在此情形中是相同的方向）的偏移或偏斜。该偏移是齿距τ_tooth的三分之一并且第一个和最后一个磁体段14的偏移计为齿距τ_tooth。

阴影线图示基础磁体11的未偏斜体积。未偏斜体积的宽度仅是齿距τ_tooth的三分之一。

图3示出从底侧看的磁体10。基础磁体11具有在径向r上的高度h_PM，磁体段14具有高度h_PMM。磁体段14的高度h_PMM小于基础磁体11的高度h_PM。磁体段14的高度h_PMM可以基础磁体11的高度h_PM的一半、三分之一或更小。

此外，图3示出由沿径向的箭头示出的磁场。由于基础磁体11未被移动，因此没有由偏斜导致的额外的漏磁通。从而，偏斜磁体模块13的磁通必须遵循与主要的基础磁体11相同的磁化图案。

图4示出具有如图3所示并且结合图3进行描述的基础磁体11的另一磁体10。这里，两个偏斜磁体模块附接到主磁体11的主表面12。第一偏斜磁体模块15具有被偏斜的三个磁体段16。磁体段16具有为一个齿距τ_tooth的宽度并且被分开了磁体段16的宽度。第二偏斜磁体模块17具有被偏斜的三个磁体段18。磁体段18具有为齿距τ_tooth的三分之一的宽度w_PMM2并且被分开了磁体段18的宽度的三分之一。

该两个偏斜磁体模块15、17被布置为使得在主表面12处在宽度方向上基础磁体11的每一部分都被至少一个磁体段16或18覆盖。由于此布置方式，基础磁体11不存在未偏斜体积。

由于仅需制造矩形形状并且组装到一起（例如通过利用胶），因此容易制造磁体10。

图5示出具有基础磁体11的又一磁体10，其类似于结合图2至4描述的磁体。这里偏斜磁体模块19通过凹进部或凹腔20实现。凹进部20以对角线的方式被布置在主表面12中。主表面12的长度L和和凹进部20之间的角度可以相同，在此情况下布置图2的磁体段14。也可以按如下方式布置凹进部20，即：使得凹进部20从主表面12或基础磁体的一侧向另一侧对角地伸展。

对于凹进部20的尺寸，如宽度w_PMM或高度，应用与图2至图4相同的尺寸标注规则。

图6示出在气隙6中的磁通密度。关于常规偏斜的曲线示出密度的显著增加导致转矩降低。根据本发明的偏斜仅小幅度地降低了磁通密度，如各曲线所示。

图7示出磁通的基本分量。情况与图6中相同，根据本发明的偏斜仅小幅度地降低了基本分量。

由于仅分散了少量磁通的事实，磁通的基本分量的降低几乎可以忽略，平均转矩的降低也几乎可以忽略。

利用这种创新的偏斜，可以用任意数量的更有效地使脉动减至最小的步骤来完成偏斜。

Claims

1.一种用于发电机（1）的磁体，包括：基础磁体（11），该基础磁体（11）的主表面（12）具有长度（L）和宽度（w_PM）；以及布置在所述主表面（12）处的偏斜磁体模块（13、15、17）。

2.根据权利要求1所述的磁体，其中，所述基础磁体（11）包括矩形形状。

3.根据权利要求1或2所述的磁体，其中，所述基础磁体（11）和所述偏斜磁体模块（13、15、17）一体形成。

4.根据权利要求1至3之一所述的磁体，其中，所述偏斜磁体模块（13、15、17）包括沿磁体（10）的长度（L）布置的多个磁体段（14、16、18），且其中所述磁体段（14、16、18）包括在宽度方向的偏移。

5.根据权利要求1至4之一所述的磁体，其中，所述基础磁体（11）的宽度（w_PM）基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth）的二倍，且其中磁体段（14）的宽度（w_PPM）基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth）。

6.根据权利要求1至4之一所述的磁体，其中，所述基础磁体（11）的宽度（w_PM）基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth）的二又三分之二倍，其中，两个偏斜磁体模块（15、17）布置在所述主表面（12）处，其中，一个偏斜磁体模块（15）的磁体段（16）的宽度基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth），且其中另一偏斜磁体模块（17）的磁体段（18）的宽度（w_PPM2）基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth）的三分之一。

7.根据权利要求1至3之一所述的磁体，其中，所述偏斜磁体模块（19）包括在所述主表面中的凹进部（20），其中所述凹进部（20）被布置为相对于所述主表面（12）的长度（L）成一角度。

8.根据权利要求7所述的磁体，其中，所述基础磁体（11）的宽度（w_PM）基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth）的二倍，且其中所述凹陷（20）的宽度（w_PMM）基本等于所述发电机（1）的齿距（τ_tooth）。

9.根据权利要求1至8之一所述的磁体，其中，所述偏斜磁体模块（13、15、17）面对所述发电机（1）的齿（3）。

10.根据权利要求1至9之一所述的磁体，其中，所述偏斜磁体模块（13、15、17）的厚度（h_PMM）小于或等于所述基本磁体（11）的厚度（h_PM）的一半。

11.根据权利要求1至10之一所述的磁体，其中，所述偏斜磁体模块（13、15、17）在所述磁体（10）的整个长度（L）上延伸，其中，所述偏斜磁体模块（13、15、17）包括多个磁体段（14、16、18），并且其中，各个磁体段（14、16、18）具有相同的长度。

12.一种发电机（1）的转子，其包括根据权利要求1至11之一所述的磁体（10）。

13.一种发电机（1）的定子，其包括根据权利要求1至11之一所述的磁体（10）。

14.一种具有定子（2）和转子的发电机，其包括根据权利要求1至11之一所述的磁体（10）。

15.根据权利要求14所述的发电机，其中，所述发电机（1）包括用于风力涡轮机的外部转子构造。