CN102714450B - 磁体组件 - Google Patents

Abstract

描述了一种磁体组件。该磁体组件（260）包括基础元件（272、273）和被附接到该基础元件的第一表面的磁体（271）。与基础元件的第一表面相对的基础元件的第二表面包括适于与转子装置的支撑结构（281）的互补轮廓（282）接合的轮廓（273）。进一步描述了一种用于将磁体组件（260）接合到转子装置的支撑结构的方法、一种用于机电换能器的转子装置、一种机电换能器和一种风力涡轮机。

Description

磁体组件

技术领域

本发明涉及具有包括磁体（特别地永久磁体）的转子的机电换能器的技术领域。特别地，本发明涉及一种用于机电换能器的转子装置的磁体组件。此外，本发明涉及一种转子装置、一种机电换能器并且涉及一种风力涡轮机，它们全部配备有这种磁体组件。进而，本发明涉及一种用于将磁体组件与转子的支撑结构接合的方法。

背景技术

机电换能器是将电能转换成机械能或者反过来的机器。电动机是广泛使用的、使用磁场关联（linkage）将电能转换成机械能的机电换能器。发电机是也使用磁场关联将机械能转换成电能的机电换能器。

机电换能器包括定子和转子。定子是代表机电换能器的固定部的组件。转子是代表机电换能器的移动部的组件。

为了实现磁场关联，磁体（例如永久磁体）可以特别地被用于机电换能器的转子。近年来，特别地因为稀土磁性材料的引入，永久磁体（PM）机电换能器已经变得普及，因为它们消除了对通常与传统的直流电（DC）机电换能器一起使用的换向器和刷子的需要。不存在外部电转子励磁消除了在转子上的损耗并且使得永久磁体机电换能器更加高效。此外，PM机电换能器的无刷设计允许导体线圈唯一地位于固定的定子中。在这方面述及了配备有换向器和刷子的非PM机电换能器容易受到显著更高的维护成本的影响。

PM机电换能器还因它们的耐久性、可控性以及不存在电火花而知名。由于它们的优点，在很多应用诸如电动车辆（机电换能器是电动机）中或者在发电系统（机电换能器是发电机）诸如例如风力涡轮机中广泛使用了PM机电换能器。

在大型电机中，特别地在电动机和发电机中以正在增加的程度使用了强永久磁体，如稀土磁体。这是由于，与电励磁相比，效率和鲁棒性增加。但是关于实际应用，可能发生某些困难。特别地稀土磁体的材料可能是相当脆性的并且不能安全地单独地通过栓接固定。磁体可以例如通过诸如胶接而被固定到转子边缘。进而，操纵各个磁体并且获得每一个磁体的、正确的位置可能是困难的、耗时的和尤其危险的过程，因为磁体可能被朝向在生产装备中的其它磁体和铁磁性物体拉动。因此，永久磁体在转子组件处的安装和对准是困难的和耗时的。因此，可能存在对便于永久磁体到机电换能器的转子组件的安装和对准的需要。

发明内容

可以利用根据独立权利要求的主题满足这个需要。通过从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种包括基础元件和被附接到该基础元件的第一表面的磁体的磁体组件，其中与基础元件的第一表面相对的基础元件的第二表面包括适于与转子装置的支撑结构的互补轮廓接合的轮廓。

所描述的磁体组件基于以下思想：通过使用轮廓和互补轮廓，每一个磁体均可以被安全地推动到适当的位置，从而与传统的安装相对照提供大的优点，在传统的安装中，无任何引导地安置每一个磁体并且磁体能够被磁性作用力拉动到另一个物体。此外，可以在生产中更加安全地操纵磁体组件，因为所使用的磁体可能是非常强的并且如果未被正确地操纵则构成潜在的安全性危险，但是可以被容易地安装，因为轮廓布置可以为磁体的定位提供可靠的引导。磁体组件可以提供短的生产时间，从而节省花费。使用包括对应于一个完整磁极（pole）的多个磁体的一个支持体（patron）（一个磁极支持体）可以在转子的组装期间提供更加容易的和更加安全的磁体操纵。磁体组件可以进一步提供关于转子的自动化或者半自动化组装的可能性。

根据本发明的这个或者其它实施例的磁体组件可以被用于直接驱动风力涡轮机。当可以从机器的一侧安置或者更换磁体组件时，就是这种情形。因此，可以在转子和定子已经被组装到一起之后执行磁体的安置和/或更换。在带有单侧支撑结构（单个轴承设计）的发电机中或者在于发电机的端部中具有一个或者多个安置孔从而提供对安置和/或更换磁体组件而言必要的入口的发电机中，这可以是可能的。因此也可以以简单的方式安置和/或更换多个磁体组件。

基础元件可以包括适于与支撑结构的互补轮廓接合的轮廓。这可以提供以下优点：基础元件或者安装结构和支撑结构能够被以可靠的方式彼此机械地连接，而不使用任何专门的工具诸如螺丝起子或者扳手。

具体地，当制造转子装置时，磁体组件可以以可滑动方式插入凹槽中或者置于转子装置的中心轴的突起上，其中凹槽或者突起沿着中心轴的纵向轴线方向延伸。

基础元件可以是基板，其包括对应于基础元件的第一表面的第一侧和对应于基础元件的第二表面的第二侧。这可以提供通常具有平表面的永久磁体能够被容易地附接到基础元件的优点。

此外，通过使用基板，基础元件能够具有扁平设计，从而能够以紧凑的并且特别地以扁平的配置实现磁体组件。这可以提供以下优点：当使用所描述的磁体组件时，对应的转子组件的直径将仅仅或多或少地大于传统转子组件的直径。

根据本发明的另一实施例，轮廓和/或互补轮廓被以鸠尾方式形成。这可以提供磁体组件能够正确地与支撑结构对准的优点。此外，鸠尾形状或者任何类似的几何形式可以确保磁体组件在机械方面与转子装置的支撑结构可靠地紧固。

根据本发明的又一实施例，转子装置的支撑结构包括突起并且基础元件包括用于与转子装置的支撑结构的突起接合的凹部。基础元件可以在于此处附接磁体的相对侧上成形有鸠尾引导件。该鸠尾引导件可以准备与转子支撑结构上的对应突起接合。

根据本发明的另一实施例，基础元件包括突起并且转子装置的支撑结构包括用于与基础元件的突起接合的凹部。在此情形中，转子支撑结构可以包括准备与基础元件的对应部分接合的鸠尾引导件。

根据本发明的又一实施例，该磁体组件包括被附接到基础元件的第一表面的另一磁体。该磁体和该另一磁体可以被彼此相邻地布置。磁体组件还可以包括多于两个即多个被附接到基础元件的第一表面的磁体。该磁体和该另一磁体可以是永久磁体。它们可以被相对于彼此紧密地布置。磁体组件可以以使得磁体组件覆盖转子的磁轭或者转子的边缘的整个长度的这种方式包括该磁体和该另一磁体以及另外数目的各个磁体。

通过将多于一个磁体附接到磁体组件的基础元件，在生产期间，磁体的操纵可以是容易的。可能因此不再有必要安置和定位各个磁体元件。相反，通过安置一个磁体组件，可以在转子上安置多个磁体元件。

根据本发明的另一实施例，磁体被胶接材料附接到基础元件。胶合剂可以位于在基础元件和永久磁体之间的边界表面处。这可以意味着通过胶接实现了永久磁体到基础元件的紧固。

鉴于典型的磁性材料的大的脆性，特别地优于其它紧固机构诸如使用螺钉和/或螺栓将永久磁体附接到基础元件可以是优选的。通过使用适当的胶合剂材料，当将其附接到基础元件时破坏永久磁体的风险可以保持得非常小。

根据本发明的又一实施例，该另一磁体可以被胶接材料附接到基础元件。该磁体和该另一磁体之一可以通过胶接而被附接到基础元件或者两个磁体均可以通过胶接而被附接到基础元件。

根据本发明的另一实施例，磁体组件还包括封装磁体的保护性盖。磁体可以由非常易于腐蚀并且需要高度保护的材料构成。因此，磁体组件可以包括用于封装磁体的保护性盖。

根据本发明的又一实施例，该保护性盖封装该磁体和/或该另一磁体。保护性盖可以如对于每个磁体单个盖地封装该磁体和该另一磁体或者可以作为用于所有磁体的一个盖覆盖磁体。

根据本发明的另一实施例，保护性盖由非金属材料构成。

所有的磁体均可以被由非磁性材料诸如不锈钢、塑料、树脂或者某种类似的材料构成的保护性盖密封。所述盖能够是覆盖磁体组件的所有的磁体的一个盖或者它能够覆盖仅仅一个磁体。

根据本发明的又一实施例，保护性盖被固定到基础元件。该保护性盖可以例如通过胶接、焊接或者软焊而被固定到基板或者元件。

根据本发明的另一实施例，基础元件和/或保护性盖包括用于抽空保护性盖的内部的开口。可以通过基础元件中的或者保护性盖中的至少一个开口来抽空在保护性盖和基础元件之间的内部腔体。在又一实施例中，可以使用均位于基础元件中的两个开口，一个开口用于抽空内部腔体并且另一个开口用于注射填充物质。磁体可以较轻地腐蚀并且在填充有适当的填充物质的被以密闭方式密封的保护性盖内侧以机械方式受到保护。

保护性盖的上述实施例还可以涉及该另一磁体。

根据本发明的另一方面，提供一种用于机电换能器的转子装置。所提供的转子装置包括如上所述的支撑结构和磁体组件。

所描述的转子组件基于以下思想：通过使用如上所述的磁体组件，每一个磁体均可以被安全地推动到适当的位置。

根据本发明的又一实施例，该支撑结构包括呈现适于与磁体组件的互补轮廓接合的轮廓的凹部，其中该凹部包括适合于横向地插入磁体组件的横向开口端部和代表止挡元件的横向闭合端部。

该凹部可以适于容纳一个或者多个磁体组件或者容纳带有一个或者多个磁体（如如上所述的该磁体和该另一磁体）的一个磁体组件。凹部的轮廓和磁体组件的互补轮廓可以确保在其中磁体组件可能被暴露于振动和其它非均匀载荷的操作期间磁体组件不会沿着横向方向移动。

横向闭合端部可以代表止挡元件。这可以意味着磁体组件不可以在闭合端部处滑出凹部。在凹部的这个端部处，可能因此不必要将定位于这个端部处的磁体组件固定到转子磁轭。在凹部的开口端部处，定位于该开口端部处的另一磁体组件可以被机械紧固装置固定到转子磁轭。可能仅仅在凹部的开口端部处使用这些紧固装置，如螺钉或者胶合剂。因此，可以节约生产时间并且可能有可能在很少的步骤中释放磁体组件。

根据本发明的另一实施例，支撑结构包括另一凹部，该另一凹部包括用于横向地插入另一磁体组件的横向开口端部和代表止挡元件的横向闭合端部，其中该凹部的闭合端部和该另一凹部的闭合端部沿着垂直于该凹部和该另一凹部的公共纵向方向定向的轴线对准，或者其中该凹部的闭合端部和该另一凹部的闭合端部沿着公共纵向方向相对于彼此移位。

通过沿着公共纵向方向彼此移位地布置相邻的凹部或者通过移位对准的凹部，可能有可能指定被附接到磁体组件的一个磁体对于下一个（相邻）凹部的磁体的影响或者作用。

如以上解释地，磁体组件和对应的支撑结构可以被用于直接驱动风力涡轮机。磁体组件和支撑结构可以在带有单侧支撑结构（单个轴承设计）的发电机中或者在于发电机的端部中具有一个或者多个安置孔从而提供对安置和/或更换磁体组件而言有必要的入口的发电机中使用。

根据本发明的另一方面，提供一种包括如上所述的定子组件和转子装置的机电换能器。

所提供的机电换能器基于以下思想：利用使用轮廓和互补轮廓的上述转子装置，每一个磁体均可以被安全地推动到适当的位置。

根据本发明的一个实施例，该机电换能器是发电机。

根据本发明的又一方面，提供一种用于产生电力的风力涡轮机。所提供的风力涡轮机包括塔架、被布置在塔架的顶部部分处并且包括至少一个叶片的转子，和如上所述的机电换能器，其中该机电换能器与转子以机械方式耦接。

根据本发明的另一方面，提供一种用于将磁体组件接合到转子的支撑结构的方法，其中该磁体组件包括基础元件和被附接到该基础元件的第一表面的磁体。所提供的方法包括将与基础元件的第一表面相对的基础元件的第二表面的轮廓与转子装置的支撑结构的互补轮廓接合。

所描述的接合方法基于以下思想：通过使用如上所述的磁体组件，每一个磁体均可以被安全地推动到适当的位置，从而与其中不带任何引导地安置每一个磁体并且其中磁体能够被磁性作用力拉动到另一个物体的传统的安装相对照提供大的优点。此外，通过使用所描述的方法，可以在生产中更加安全地操纵磁体组件，因为所使用的磁体可以是非常强的并且如果未被正确地操纵则构成潜在的安全性危险，但是可以被容易地安装，因为轮廓布置可以为磁体的定位提供可靠的引导。

必须指出，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考设备类型权利要求描述了某些实施例而已经参考方法类型权利要求描述了其它实施例。然而，根据以上和以下说明，本领域技术人员将会推断，除非另外指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合在涉及不同主题的特征之间、特别地在设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被视为由本文献公开。

以上限定的方面和本发明另一方面根据将在下文中描述的实施例的实例是显然的并且参考实施例的实例得以解释。将在下文中参考实施例的实例更加详细地描述本发明，但是本发明不被限制于此。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的风力涡轮机。

图2A以截面视图示出与图1所示转子组件的支撑结构在鸠尾布置中接合的两个磁体组件。

图2B以截面视图示出与图1所示转子组件的支撑结构在与如在图2A中所示相对的鸠尾布置中接合的两个磁体组件。

图3以透视图示出如在图2B中所示的磁体组件。

图4以透视图示出与图1所示转子组件的支撑结构接合的一行磁体组件。

图5以透视图示出在根据本发明的一个实施例的转子磁轭的支撑结构中包括多个凹部的支撑结构。

具体实施方式

在图中的图示是示意性的。注意在不同的图中，类似的或者相同的元件被提供有相同的参考符号。

图1示出根据本发明的一个实施例的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括被安装在未描绘的基础上的塔架120。在塔架120的顶部上布置机舱122。在塔架120和机舱122之间提供了偏航角调节装置121，其能够围绕与塔架120的纵向延伸相对准的未描绘的竖直轴线旋转机舱122。通过以适当的方式控制偏航角调节装置121，使得能够确保在风力涡轮机100的正常操作期间，机舱122总是正确地与当前风向相对准。然而，偏航角调节装置121还能够被用于将偏航角调节到一定位置，其中机舱122有意地并非完全地与当前风向相对准。

风力涡轮机100还包括具有三个叶片114的转子110。在图1的透视图中，仅仅两个叶片114是可视的。转子110能够围绕旋转轴线110a旋转。在轮轴112处安装的叶片114相对于旋转轴线110a沿着径向延伸。

在轮轴112和叶片114之间中相应地提供了叶片调节装置116，从而通过围绕基本与叶片114的纵向延伸平行地对准的未描绘的轴线旋转相应的叶片114，而调节每一个叶片114的叶片俯仰角。通过控制叶片调节装置116，能够以使得至少当风力并非如此之强时能够从可利用的风力获取最大风力的这种方式调节相应的叶片114的叶片俯仰角。然而，叶片俯仰角还能够被有意地调节到一定位置，其中能够仅仅捕获减弱的风力。

如能够从图1看到地，在机舱122内，提供了齿轮箱124。齿轮箱124被用于将转子110的旋转数转换成轴125的更高的旋转数，轴125以已知方式耦接到机电换能器140。机电换能器是发电机140。

此外，提供了制动器126从而例如（a）在紧急情形中，（b）在可能损害风力涡轮机100的过强风力条件的情形中和/或（c）在有意地节省风力涡轮机100的至少一个结构构件的消耗疲劳寿命和/或疲劳寿命消耗速率的情形中停止风力涡轮机100的操作或者减小转子110的旋转速度。

风力涡轮机100还包括用于以高度有效率的方式操作风力涡轮机100的控制系统153。除控制例如偏航角调节装置121之外，所描绘的控制系统153还被用于以优化的方式调节转子叶片114的叶片俯仰角。

根据电气工程的基本原理，发电机140包括定子组件145和转子装置150。定子组件145包括用于响应于时间交替磁通产生电流的多个线圈。转子装置包括与转子装置150的纵向轴线相对准地成行布置的多个永久磁体。如将在下面详细描述地，被分配给一行的永久磁体与转子装置的支撑结构接合，其中包括永久磁体的磁体组件的轮廓适于与支撑结构的互补轮廓接合。

图2A以截面视图示出与图1所示转子组件的支撑结构281在鸠尾布置中接合的两个磁体组件280。该磁体组件包括基础元件272和定位于该基础元件上的永久磁体271。基础元件272包括作为轮廓的凹部或者凹槽273。转子的支撑结构281包括作为互补轮廓的突起282。在两个突起之间的距离被示为长度L。

图2B以截面视图示出与图1所示转子组件的支撑结构在与如在图2A中所示相对的鸠尾布置中接合的两个磁体组件。图2B示出与图1所示转子组件的支撑结构281在鸠尾布置中接合的两个磁体组件280。磁体组件包括基础元件272和定位于该基础元件上的永久磁体271。基础元件272包括作为轮廓的突起273。转子的支撑结构281包括作为互补轮廓的凹部或者凹槽282。支撑结构的一个凹部的长度被示为长度L。

图3以透视图示出如在图2B中所示的磁体组件260。转子的支撑结构281包括凹部282。磁体组件包括由板部272和突起部273组成的基础元件272、273。磁体或者永久磁体271被定位于板部上。磁体组件可以以可滑动方式如在图3中所示从支撑结构的一侧或者两侧插入支撑结构的凹部中，其中凹部或者凹槽沿着转子装置的中心轴的纵向轴线方向延伸。还可以反过来地实现这个实施例，这意味着磁体组件包括凹部并且支撑结构包括突起。

图4以透视图示出与图1所示转子组件的支撑结构接合的一行磁体组件400。该行磁体组件包括多个磁体组件。每一个磁体组件260均包括基础元件，该基础元件包括板部272和突起部273。磁体271被定位于板部272上。每一个磁体组件260通过滑动而被插入到支撑结构281的凹部或者凹槽282中。还可以反过来地布置凹部和突起，这意味着磁体组件包括凹部并且支撑结构包括突起。

突起273适于与支撑结构的互补轮廓即与凹部282接合。这个提供以下优点：基础元件272、273以及因此磁体组件260和支撑结构281能够以可靠的方式彼此机械连接而不使用任何特殊工具诸如螺丝起子或者扳手。

具体地，当制造转子装置时，磁体组件可以以可滑动方式插入凹槽中或者置于转子装置的中心轴的突起上，其中凹槽或者突起沿着中心轴的纵向轴线方向延伸。

通过使用轮廓（例如突起）和互补轮廓（例如凹部），每一个磁体均可以被安全地推动到适当的位置，从而与其中无任何引导地安置每一个磁体并且其中磁体能够被磁性作用力拉动到另一个物体的传统的安装相对照提供大的优点。此外，可以在生产中更加安全地操纵磁体组件，因为所使用的磁体可以是非常强的并且如果未被正确地操纵则构成潜在的安全性危险，但是可以被容易地安装，因为如例如在图4中示出地，轮廓布置例如鸠尾布置可以为磁体的定位提供可靠的引导。

图5以透视图示出转子磁轭500的支撑结构281。支撑结构281在转子磁轭的支撑结构中包括多个凹部501、281、592。

凹部501、281和592代表适于与磁体组件的互补轮廓接合的轮廓。在图5中，仅仅一个凹部282被示出包括磁体组件。

凹部282包括适合于横向地插入磁体组件的横向开口端部583。磁体组件被示为包括处于互补轮廓273的形式的基础元件和被附接到基础元件273的磁体271。凹部还包括代表止挡元件的横向闭合端部584。

凹部可以适于容纳一个或者多个磁体组件或者容纳带有一个或者多个磁体的一个磁体组件。在图5中，示出了凹部282容纳包括多个磁体271的一个磁体组件，其中没有磁体被附接到磁体组件的最外位置。凹部的轮廓和磁体组件的互补轮廓可以确保在其中磁体组件可能被暴露于振动和其它非均匀载荷的操作期间磁体组件并不沿着横向方向移动。

横向闭合端部可以代表止挡元件。这可以意味着磁体组件不可以在闭合端部处滑出凹部。在凹部的这个端部处，可能因此不必要将定位于这个端部处的磁体组件固定到转子磁轭。在凹部的开口端部处，磁体组件可以通过机械紧固装置如螺栓连接而被固定到转子磁轭。

支撑结构281包括另一凹部592。该另一凹部592包括用于横向地插入另一磁体组件的横向开口端部593和代表止挡元件的横向闭合端部594。在某些实施例中，凹部282的闭合端部和另一凹部592的闭合端部如在图5中所示沿着垂直于该凹部和该另一凹部的公共纵向方向定向的轴线对准。在其它实施例中，该凹部的闭合端部和该另一凹部的闭合端部沿着公共纵向方向相对于彼此移位。

通过沿着公共纵向方向彼此移位地布置相邻的凹部或者通过布置对准的凹部，可能有可能指定被附接到磁体组件的一个磁体对于下一个（相邻）凹部的磁体的影响或者作用。

磁体组件可以包括多于被附接到基础元件273的第一表面的磁体271的磁体。磁体可以彼此相邻地布置。在图5中，示出了它们可以相对于彼此紧密地布置。在其它实施例中，磁体被彼此隔开地布置也是可能的。在图4和5中，磁体组件覆盖转子的磁轭或者转子的边缘的几乎整个长度。

应该指出，术语“包括”并不排除其它元件或者步骤并且“一”或“一个”并不排除多个。还可以组合结合不同的实施例描述的元件。还应该指出，在权利要求中的参考符号不应该被理解为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种用于机电换能器的转子装置，所述转子装置包括：

支撑结构（281），以及

磁体组件（260），其中所述磁体组件（260）包括：

     基础元件（272、273），以及被附接到所述基础元件的第一表面的磁体（271），

其中与所述基础元件的第一表面相对的所述基础元件的第二表面包括适于与支撑结构（281）的互补轮廓（282）接合的轮廓（273），

其中所述支撑结构（281）包括代表互补轮廓（282）的凹部，所述互补轮廓（282）适于与磁体组件（260）的轮廓（273）接合，其特征在于，

其中所述凹部包括适合于横向地插入所述磁体组件的横向开口端部（583）和代表止挡元件的横向闭合端部（584），

所述支撑结构（281）包括另一凹部（592），所述另一凹部（592）包括用于横向地插入另一磁体组件的横向开口端部（594）和代表止挡元件的横向闭合端部（593），以及

所述凹部的所述闭合端部和所述另一凹部的所述闭合端部沿着所述凹部和所述另一凹部的公共纵向方向相对于彼此移位。

2.根据权利要求1所述的转子装置，其中所述轮廓（273）以鸠尾方式形成。

3.根据权利要求1所述的转子装置，其中所述基础元件包括突起（273），并且其中所述转子装置的支撑结构（281）包括用于与所述基础元件的所述突起接合的凹部（282）。

4.根据权利要求1到3之一所述的转子装置，还包括被附接到所述基础元件的第一表面的另一磁体。

5.根据权利要求1到3之一所述的转子装置，其中所述磁体（271）被胶接材料附接到基础元件（272、273）。

6.根据权利要求1到3之一所述的转子装置，还包括：

封装所述磁体（271）的保护性盖。

7.根据权利要求6所述的转子装置，其中所述保护性盖由非金属材料组成。

8.根据权利要求6所述的转子装置，其中所述保护性盖被固定到基础元件（272，273）。

9.根据权利要求6所述的转子装置，其中所述基础元件（272、273）和/或所述保护性盖包括用于抽空所述保护性盖的内部的开口。

10.一种机电换能器，包括：

定子组件（145），以及

根据权利要求1到9之一所述的转子装置（150）。

11.一种风力涡轮机（100），包括：

塔架（120），

转子（110），所述转子（110）被布置在所述塔架的顶部部分处并且包括至少一个叶片（114），以及

根据权利要求10所述的机电换能器（140），其中所述机电换能器与所述转子机械耦接。