CN102916503A - 极锁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极锁装置(1)，用来限制保持在电机的磁场结构(2)的磁场槽(20)中的磁极(3)的轴向运动，极锁装置包括被实现为在保持在场槽中的磁极上施加轴向力(F)的弹簧加载元件(10)；被实现为将弹簧加载元件保持在磁场槽中的壳体框架(11)；以及被实现为将极锁装置锚定在磁场槽中的锚固元件(12)。本发明还描述了一种电机的磁场结构，该磁场结构包括被实现为容纳磁极的至少一个磁场槽，其中磁场槽包括成形为容纳根据本发明的极锁装置的锚固元件的接合装置(21)。本发明还描述了一种包括这种磁场结构的电机，设置在磁场结构的磁场槽中的磁极，以及极锁装置，设置为使得极锁装置的锚固元件与磁场槽的接合装置相接合。

Description

极锁装置

技术领域

本发明涉及一种极锁装置，一种磁场结构，和一种电机。

背景技术

永久磁体通常用于大型电机如电动机或发电机。这样的电机包括两个基本部件，即产生磁通的磁场，以及产生电动势和使电流流过磁场的电枢。所述电枢通常包括缠绕在定子上的导电线圈，而所述磁场通常包括设置在转子上的磁体。转子可以围绕定子，或反之亦然，磁体和线圈通过狭窄的空气隙面对对方。已建立的将永久磁体装载或安装到电机的磁场(或者磁场结构)上的方法包括各种步骤，例如将各个永久磁体磁极装入壳体，和将永久磁体磁极粘合到磁场(通常是转子)，将整个装置缠绕在玻璃纤维绑带中或者将其装入真空袋，将树脂泵入袋中，并且进行抽真空以使永久磁体磁极固定到转子体。这些方法伴随着不同问题，例如在将永久磁体固定到磁场所涉及的大量的且成本高的工作。例如，当磁体被粘合到磁场时，胶合剂必须被允许固化或凝固，这增加了总的装配时间。此外，如果永久磁体失效，有缺陷的磁体必须被去除并替换，这在玻璃纤维或树脂封套必须被打开且然后再重新密封时是困难的，使得维修复杂，并且执行起来代价昂贵。

永久磁体磁极(长度可以是几米长并且相应较重)在被安装到磁场前通常已经被磁化。因此，其可能被已经在磁场中就位的相反极性的其他永久磁体强力吸引，或者被其他松动的磁性物体例如机具或紧固件吸引。因此，永久磁体在安装过程中存在相当大的安全隐患。

在一种备选的磁体装载方法中，磁极和磁场结构成形为具有互补的外形。例如，磁场结构可以被构造为具有可以让磁极被推进其中的多个槽。磁极和槽被成形以使得槽包含和保持磁极。例如，槽和磁极可以具有互补的鸠尾型或T形的外形。这些有利的外形允许磁极被保持在槽内以使得磁极的径向运动被限制。通过这种方式，磁极不能“掉落”或沿磁场结构向侧面滑动，这例如是由于在装载过程中作用于其上的强磁力的结果。这样的槽的一端通常终止在转子体中，而另一端开放以允许磁极被插入。

虽然上面描述的外形在限制槽中的磁极的某些运动方面是有效的，但是限制磁极的轴向运动的问题仍然存在。由于各种设计原因，磁极的总长度(其可包括数个磁极片)可能短于磁场槽长度，因此仍然有“空的”槽部分。在电机运行时，磁极可能在其磁场槽内轴向移位，这例如是由于电机的振动、其他磁极或磁性部分的磁引力等所造成。结果，磁极会移位，或是磁极片之间的空隙会张开，所以电机的效率劣化。已知的对这一问题的解决方法包括设置定制的板，例如钢板，在槽中填充磁极的外端和磁场结构的外缘之间的空隙，并且将其用螺丝拧紧就位。然而，由于以上给出的原因这种人工干预会是危险的。此外，大型电机会很容易就有超过百个磁场槽，所以这种手动步骤会非常费时并且因此是昂贵的。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种限制磁极在电机的磁场结构上的运动的更好的方法，从而克服上述提到的问题。

本发明的目的通过权利要求1的极锁装置(pole-locking)，通过权利要求12的磁场结构，以及通过权利要求14的电机而达到。

根据本发明，一种用于限制在电机的磁场结构的磁场槽中保持的磁极的轴向运动的极锁装置包括：实现为在保持在磁场槽中的磁极上施加力的弹簧加载元件；实现为将弹簧加载元件保持在磁场槽中的壳体框架，以及实现为将极锁装置锚定在磁场槽中的锚固元件。

根据本发明的极锁装置的优点是它可以不需要任何紧固件如螺钉或螺栓而被插入磁场槽中。替代地，锚固元件将极锁装置简易地锚定在磁场槽中以使极锁装置可以根据需要被简易地闩锁就位或再解锁。此外，极锁装置可以完全不需要任何人工干预而被插入，例如在自动装载过程中。此外，因为极锁装置包括弹簧加载元件，极锁装置的长度可以适应磁极长度和/或极锁装置自身长度的变化，例如由于热膨胀导致的变化。这样，与现有技术中的方法相比，可以有效地避免材料的疲劳或失效。例如，在操作过程中为了将磁极保持就位而将钢板固定在磁场槽中以挤压磁极可能会同时有由于热膨胀带来的问题。例如钢板会损坏其挤压的磁极片，或者在钢板上作用的力会导致紧固件扭曲，以使得磁极不再被有效地固定在磁场槽中。根据本发明的极锁装置避免了这些已知的问题，因为弹簧加载元件允许这种力被有效地抵消，并且不需要紧固件来保持就位。

根据本发明，电机的磁场结构包括至少一个实现为容纳磁极的磁场槽，其中磁场槽包括接合装置，被成形为容纳根据本发明的极锁装置的锚固元件。

根据本发明，一种电机包括：这样的磁场结构；设置在磁场结构的磁场槽中的磁极；以及根据本发明的极锁装置，被设置为使得极锁装置的锚固元件与磁场槽的接合装置接合。

这样的一种电机的优点是磁极可以被容易和快速地维护。例如，损坏的磁极可以很容易被取走替换，因为极锁装置可以从磁场槽简单地移去或解锁以允许通达到磁极。一旦磁极被维护并重新放置在磁场槽中就位，极锁装置就可以被简单地插入磁场槽并闩锁就位。

本发明特别有利的实施例和技术特征由从属权利要求给出，如同在以下的描述中揭示的那样。在一种权利要求类型的上下文中描述的特征可以同等地应用到另一权利要求类型。不同权利要求类型的特征可以被合理地组合以获得进一步的实施例。

如上所指示的，电机的磁场可以是静止的或者可以是旋转的。然而，特别在发电机中，定子上设置有线圈，并且转子上设置有磁体。因此，在不以任何方式限制本发明的情况下，术语“转子”和“磁场结构”或“磁场”可以在下文可互换地使用。转子可以被设置在定子的内部，或反之亦然，因此磁体通过狭窄的空气隙与线圈分离。而后，但是不以任何方式限制本发明，可以假定转子设置在定子周围，以及磁体设置在转子的内部或内部凹面上。简单起见，在下文中，术语“磁极片”或“磁极”可分别简单地称为“极片”或“极”。而且，可以假定转子具有实质上筒状的形状，并且磁场槽实质上纵向地设置在转子上，即实质上与转子的纵向轴线或旋转轴线平行。在下文中，不以任何方式限制本发明，可以假定电机包括风力涡轮机的发电机。

锚固元件可以以任何适合的方式来实现，以便与转子或转子槽的一些部分通过安全的方式相接合。例如，锚固元件可以实现为延伸超过转子槽的外部开口端从而可以固定到转子的外部边缘。然而，这样一种设置可能意味着锚固元件与电机的一些其他部分干涉。例如，在制动步骤中通常需要制动盘来减慢转子的运动，而这样的制动盘通常被设置为开口转子槽端的一侧抵靠转子。因此，在本发明的特别优选的实施例中，锚固元件被实现为与设置在转子槽中的相应的接合装置接合。这样，极锁装置的任何部分都不需要延伸超过开口转子槽端，以及因此极锁装置的任何部分都不需要干涉制动盘的功能。锚固元件用作固定的参考点，弹簧加载元件相对于该参考点被压缩或解压。换而言之，弹簧加载元件实质上包括悬臂弹簧，其在一端(锚固端)固定并且朝着或远离固定端自由运动。

弹簧加载元件的弹簧部分优选地在壳体框架中自由运动。因此，在本发明的进一步的优选实施例中，壳体框架包括孔，成形为容纳弹簧加载元件的弹簧部分以使弹簧部分延伸穿过该孔。弹簧加载元件的弹簧部分于是在孔内自由地被压缩。弹簧部分优选包括适宜类型的压缩弹簧例如波形弹簧或盘簧等。

根据本发明的极锁装置优选地被实现为挤压设置在转子槽中的磁极的一部分，因此阻止磁极沿转子槽朝向其开口端轴向滑动。因此，在本发明的进一步的优选实施例中，壳体框架被实现为露出弹簧加载元件的磁体侧部分，其中磁体侧部分被成形为接触磁极。例如，最接近磁极的弹簧加载元件的端部可以从壳体框架延伸或突出合适的距离。弹簧加载元件的弹簧部分于是可以被有效地压缩这个量，其在下文可称为“压缩距离”。

为了顺利可靠地实现，弹簧加载元件优选被实现为整体件，因此锚固元件、弹簧部分、以及磁体侧部分在单一制造过程例如铸造或模制中形成。

为了极锁装置处理的简化以及插入转子槽的简化，在本发明进一步的优选实施例中，壳体框架根据磁场槽的横截面轮廓而成形。例如，如果转子槽包括T形的横截面来容纳具有互补T形横截面的磁极，则壳体框架可以包括沿着壳体框架外部边缘的侧向保持条，该侧向保持条成形为沿转子槽的长边配合入沟槽。利用这种合适的壳体框架形状，可以有效地防止极锁装置从转子槽掉出到转子和定子之间的空间中。

在电机例如风力涡轮机的发电机中，定子和转子仅被狭窄的空气隙分离。防止异物例如小零件进入该空气隙是非常重要的，因为这样的异物的出现可能导致发电机的严重损坏。因此，在本发明的特别优选的实施例中，极锁装置的壳体框架包括用来将弹簧部分保持在孔中的保持器。该保持器可以被成形为在电机运行中作用在弹簧加载元件上的压缩力导致其失效时包含或保持破损的弹簧部分的碎片。破损的极锁装置可以通过将极锁装置从转子槽解锁而移除，并且如果必要，带有替代的壳体框架的替代的弹簧加载元件可以被插入。

为了允许极锁装置直接从转子槽释放，在本发明的一个优选实施例中，锚固元件包括第一检修孔(access opening)，用来从接合装置释放锚固元件。检修孔可以被成形为容纳用于释放锚固元件的闩锁机构的工具或器械。由于极锁装置可以被紧紧地锁定就位，并且在其压缩状态下作用在极锁装置上的力可能非常大，因此可以使用自动工具来释放极锁装置，或者使用可以在极锁装置的锚固元件从转子槽的接合装置释放时吸收任何反弹力的工具。

为了确保极锁装置不会被无意间从转子槽释放或解锁，在本发明的一个进一步的优选实施例中，壳体框架包括：锚固遮护板(anchor shield)，被实现为保护锚固元件；以及锚固狭缝(anchor slit)，被成形为在壳体框架中容纳锚固元件，使得壳体框架也能有效地环绕锚固元件。

当然，壳体框架不应难以有意地释放或解锁极锁装置。因此，在本发明的一个进一步的优选实施例中，锚固遮护板包括用来提供到锚固元件的通路的第二检修孔。优选地，这个第二检修孔与锚固元件的第一检修孔设置在同一直线上，以便可以简单地将工具插入通过两个检修孔以从接合装置中撬出锚固元件。

接合装置可以包括转子槽的任何适当成形的部分。例如，在本发明的一个优选实施例中，接合装置包括形成在磁场槽的底部中的凹部。这个凹部可以被成形为以紧密配合的方式容纳锚固元件。因此，接合装置和锚固元件优选包括互补的形状。

为了允许在选择磁极长度时的一定程度的灵活性，根据本发明的转子优选不止包括接合装置。例如，可以朝向制动盘开口侧沿转子槽的中心纵向轴线形成一排三个接合装置，从而有三种可能性提供给电机的设计者。例如，可以使用一定长度的极片，以便当磁极在转子槽中就位时，具有一定长度的极锁装置可以被用来将该磁极固定就位。极锁装置的长度可以仅由弹簧加载元件的长度来支配。这样，一种壳体框架可以与不同长度的弹簧加载元件结合，从而不同的空转子槽长度可以被壳体框架和弹簧加载元件的适当的结合而填充。弹簧加载元件的长度继而可以由露出的磁体侧部分的长度支配。

由于极锁装置用于通过在磁极上施加轴向力来将磁极保持在适当位置，在本发明的一个进一步的优选实施例中，压缩状态下弹簧加载元件的长度与磁极外部端和磁场槽接合装置之间的锁定距离相对应。例如，对于具有一个或更多折以及具有一定弹簧常数的波形弹簧，弹簧的磁体侧部分的长度可以被设计为使得当弹簧加载元件的弹簧部分没有被压缩时，弹簧加载元件的总长度长于锁定距离，并且当弹簧加载元件的弹簧部分被压缩时，弹簧加载元件的总长度对应于锁定距离。这样，极锁装置一被闩锁到就位，弹簧部分就被压缩，以便通过弹簧加载元件的磁体侧部分在磁极上施加轴向力。

附图说明

本发明的其他目的和特征将从下面结合附图的详细描述明显看出。然而，应被理解的是，附图仅仅是作为说明的目的而非对本发明的限制的定义。

图1示出了根据本发明一个实施例的极锁装置；

图2示出了图1极锁装置的弹簧加载元件和壳体框架；

图3示出了图1极锁装置就位于根据本发明的转子的转子槽中；

图4示出了图4的设置的剖面图；

图5示出了根据本发明一个实施例的转子；

图6示出了根据本发明第二实施例的极锁装置的弹簧加载元件和壳体框架；

图7示出了处于装配状态的图6的极锁装置。

在图中，相同的附图标记始终指代相同对象。图中的对象不是必须按比例制图的。特别的，转子槽或磁体组件的相对长度和宽度可能不与这些元件的实际实施例的长度和宽度相符，并且仅仅为了清晰而呈现。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的极锁装置1。极锁装置1包括弹簧加载元件10，其设置在壳体框架11下方以使得弹簧加载元件10的弹簧部分100通过壳体框架11的孔110突出；锚固元件12，通过锚固元件开口112突出；以及磁体侧部分101在壳体框架11的另一端露出。壳体框架11还包括在弹簧加载元件10的弹簧部分100周围延伸的保持器11，用来在弹簧加载元件10的弹簧部分100破裂或断裂时阻止弹簧部分100的碎片掉入空气隙。为了防止极锁装置1不经意间从其转子槽解锁，壳体框架11包括在锚固元件12的外部沿壳体框架11的侧面延伸的锚固遮护板13。为了允许极锁装置1从转子槽移出，锚固遮护板13包括与锚固元件12的检修孔120在一条直线上的检修孔13。合适形状的工具可以插入检修孔130、120以将锚固元件12从转子槽的接合装置撬出。弹簧加载元件10可以被压缩的量，即，压缩距离Dc，由磁体侧部分101延伸超出壳体框架11的量来支配。

图2示出了图1极锁装置1的弹簧加载元件10和壳体框架11。弹簧加载元件10被示为包括由弹簧部分100连结的磁体侧部分101和锚固元件12，在该实施例中包括具有双波形的波形弹簧100。弹簧部分100可以使用合适的材料如钢一体形成。壳体框架11被示为包括：成形为容纳弹簧部分100的孔110以及部分地包围弹簧部分100的保持器111；锚固元件开口112，成形为容纳锚固元件12；以及检修孔130，用于允许通到锚固元件12。为了确保极锁装置1插入转子槽时的良好配合，壳体框架11包括沿壳体框架11的侧面的侧向保持条113以配合T形转子槽中的相应沟槽。当然，对于不同的转子槽形状，壳体框架11的实施例可以具有相应不同的侧向保持元件，例如配合到鸠尾形沟槽中的成角度保持元件。

图3示出了图1的极锁装置1就位于根据本发明的转子2的转子槽20中。包括安装在底座32上的磁极片31的磁极3在前述的加载步骤中已被插入到转子槽20中。转子槽20的一部分保持“空”出长度DE。转子槽20包括多个接合装置20，用来允许极锁装置1被闩锁就位。这里，极锁装置1被插入转子槽20，并且极锁装置1的侧向保持条113牢固地配合入沿转子槽20侧面的沟槽200中。极锁装置1被插入转子槽20一段距离，使得磁体侧部分101挤压磁极3，例如挤压磁极3的底座32，并且使得锚固元件12闩锁到接合装置21之一中。为了确保牢固配合，磁极3的底座32可以实现为稍短于磁极3自身，从而允许极锁装置1的磁体侧部分101配合在磁极3“下面”。一旦极锁装置1被闩锁就位，其就被防止沿转子槽20轴向运动。此外，由于弹簧部分100的压缩，弹簧加载元件10的磁体侧部分101在磁极3上施加轴向力F，确保在电机运行时不会在转子槽20中滑动或移位。可以使用与用来将磁极3推进转子槽20中的相同的机械或器械将极锁装置1插入转子槽20，因为极锁装置1的相关尺寸，即其宽度和高度，与磁极3的宽度和高度实质上相同。

图4示出了图4的设置的剖面图。图中更加清楚地示出了弹簧加载元件10的锚固元件12是如何配合到转子槽20的接合装置21中的。图中还清楚地示出了磁体侧部分101是如何挤压磁极3的底座32的，从而磁极片31自身(通常包括布置在腐蚀性和易碎的磁性材料周围的保护壳)不会遭受损坏。磁极3可以将弹簧加载元件10压缩一压缩距离DC，其由磁体侧部分101延伸超出壳体框架11的量给出。极锁装置1被选择成使得弹簧加载元件在压缩状态下从磁体侧部分101到锚固元件12所测量的长度足够覆盖从磁极3的外部端到转子槽20的接合装置21所测量的锁定距离DL。显然，可以实现具有不同长度的不同极锁装置1，从而任何锁定距离都可以由极锁装置的适当选择来填充。

图5示出了根据本发明一个实施例的转子2。转子2具有沿其内表面设置的多个T形槽。插入这些槽20的磁极3将与定子线圈(未示出)隔开狭窄的空气隙。由于设计原因，在转子2的外部或制动侧22的转子槽20的一部分DE应保持为空，从而在制动盘和磁极之间具有一段距离。在制动操纵中制动盘可以随后被应用于转子2的制动侧22。为此，转子2的制动盘侧22包括合适的开口220。为了以防止磁极在轴向(即与转子2的旋转轴线平行)的方式填充空隙，转子槽20形成有凹部21，该凹部21被成形为容纳根据本发明的极锁装置1。如上面图3和4中描述的那样，根据使用的磁极3的长度，可以选择具有适宜长度DL的极锁装置1，极锁装置1可以被插入到转子槽20中与相应的接合装置21相接合。

图6示出在未装配状态的根据本发明第二实施例的极锁装置1，其具有壳体框架1和弹簧加载元件10。在该实施例中，弹簧部分100＇仅包括一个单独的‘弓形，或‘波形’。暴露的磁体侧部分101＇也成形为稍稍弓形或弧形的样式，但是程度较小，从而当磁极压靠极锁装置1时这个部分101＇也能被压缩到某种程度。这同样应用在锚固元件端部处的部分。这样，即使弹簧加载元件10的这种较简单的形状也能够传递有利的压缩动作，并且可以制造更简单，且随着时间推移更加耐破损。

在图7中，示出了图6中的极锁装置1在其装配状态。壳体框架11也被实现为露出弹簧加载元件10的磁体侧部分101＇，并且用来保护锚固元件12。

尽管本发明以优选实施例及其变化的形式所揭示，可以理解的是在不脱离本发明范围的情况下可以进行众多其他的改进和变化。例如，如果磁极比转子槽显著更短，则两个或更多个的极锁装置可以被插入到转子槽的空长度中，只要在转子槽中具有足够的凹部来容纳锁定装置的锚固件即可。在这样一种设置中，‘外部’极锁装置(离转子的制动侧最接近)的磁体侧部分可以挤压内部极锁装置(挤压磁极)的锚固遮护板。为确保牢固配合，极锁装置可以被成形以使得内部极锁装置的锚固遮护板装配合在外部极锁装置的磁体侧部分上。

为了清楚，可以理解的是整个申请使用“一”或“一种”时不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims (15)

1.一种极锁装置(1)，用来限制保持在电机的磁场结构(2)的磁场槽(20)中的磁极(3)的轴向运动，所述极锁装置(1)包括：

弹簧加载元件(10)，实现为在保持在该磁场槽(2)中的磁极(3)上施加(轴向)力(F)；

壳体框架(11)，实现为将弹簧加载元件(10)保持在该磁场槽(2)中；以及

锚固元件(12)，实现为将极锁装置(1)锚定在磁场槽(2)中。

2.根据权利要求1所述的极锁装置，其中锚固元件(12)实现为与设置在磁场槽(20)中的相应的接合装置(21)相接合。

3.根据权利要求2所述的极锁装置，其中壳体框架(11)包括孔(110)，该孔成形为容纳弹簧加载元件(10)的弹簧部分(100，100’)，以使得弹簧部分(100，100’)延伸穿过该孔(110)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中壳体框架(11)实现为露出弹簧加载元件(10)的磁体侧部分(101，101’)，该部分(101，101’)成形为与磁极(3)接触。

5.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中壳体框架(11)包括将弹簧部分(100，100’)保持在该孔(110)中的保持器(111)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中壳体框架(11)包括成形为容纳锚固元件(12)的锚固狭缝(112)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中锚固元件(12)实现为弹簧加载元件(10)的一部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中弹簧加载元件(10)在压缩状态下的长度对应于磁极(3)和磁场槽(20)的接合装置(21)之间的锁定距离(DL)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中根据磁场槽(20)的剖面轮廓来成形该壳体框架(11)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，其中锚固元件(12)包括第一检修孔(120)，用来从接合装置(21)释放锚固元件(12)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的极锁装置，包括锚固遮护板(13)，实现为遮护锚固元件(12)。

12.一种电机的磁场结构(2)，该磁场结构(2)包括被实现为容纳磁极(3)的至少一个磁场槽(20)，其中磁场槽(20)包括成形为容纳根据权利要求1至11中任一项所述的极锁装置(1)的锚固元件(12)的接合装置(21)。

13.根据权利要求12所述的磁场结构，其中接合装置(12)包括形成在磁场槽(20)的底板中的凹部(12)。

14.一种电机，包括根据权利要求12或权利要求13所述的磁场结构(2)，设置在磁场结构(2)的磁场槽(20)中的磁极(3)，以及极锁装置(1)，设置为使得极锁装置(1)的锚固元件(12)与磁场槽(2)的接合装置(21)相接合。

15.一种根据权利要求14所述的电机，该电机包括风力涡轮机的发电机。

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