CN104303396B - 永磁转子 - Google Patents

Abstract

一种永磁转子，包括转子磁轭和布置在转子磁轭的外圆周或内圆周上的多个永磁模块，永磁模块通常沿轴向方向延伸并且具有基本上恒定的轴向横截面，其包括适合于固定至发电机转子的磁轭的基底、一个或多个永磁体以及一个或多个极片，其中永磁模块包括基本上沿模块的长度延伸的轴向冷却通道。

Description

永磁转子

本申请要求于2012年3月30日提交的欧洲专利申请12382117.5和于2012年5月30日提交的第61/653,289号美国临时专利申请的利益。

技术领域

本发明涉及用于电机的永磁转子，并且更具体地涉及尤其适于风力涡轮机的发电机转子。

背景技术

包括具有永磁体的转子的电机(如发动机和发电机)是已知的。它们通常被认为是可靠的并且与其他发电机拓扑相比需要更少的维修。

现代风力涡轮机通常用于向电网中供应电力。这种风力涡轮机通常包括具有转子轮毂和多个轮叶的转子。转子被设置为在轮叶上的绕组的影响下旋转。转子轴的旋转直接驱动发电机转子(“直驱”)或者通过使用变速箱驱动发电机转子。具体地，对于海上风力涡轮机，通常选择用于永磁体的直驱系统。

这种直驱式风力涡轮发电机可具有例如6-8米的直径和例如2-3米的长度。数百磁体可能需要附接(例如通过螺纹连接或胶合)至转子的圆周。显然该制造法可能是很麻烦的。

此外，如果磁体中的一个或多个被损坏并且需要更换时，进入这些磁体可能是复杂的(尤其是大型发电机)，从而维修可能变得非常昂贵。

然而，发电机的这种尺寸和类型不限于海上应用，甚至不仅仅限于风力涡轮机领域。会遭受相同问题和/或具有相同复杂情况的相当大的尺寸的发电机也可在例如蒸汽涡轮机和水力涡轮机中发现。此外，相对大的永磁电动机可具有相同或类似的问题。

在电机中部件的冷却通常是重要要求。冷却气流可通过转子的旋转确定。在一些实现中，额外的冷却气流可通过专用风扇提供。此外，在一些实现中，可提供液体冷却回路。冷却回路的加入可使大型永磁发电机的装配和制造进一步复杂化。可能需要钻出多个径向冷却孔。这些径向孔可使制造和装配复杂化并且通常将导致不均匀的冷却。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种永磁转子，并且其包括转子磁轭和布置在转子磁轭的外圆周或内圆周上的多个永磁模块。永磁模块通常沿轴向方向延伸并具有基本上恒定的轴向横截面，并且包括适合于固定至发电机转子的磁轭的基底、一个或多个永磁体以及一个或多个极片。永磁模块包括基本上沿着模块的长度延伸的轴向冷却通道。

在本发明的这一方面，提供永磁转子以使装配和维修变得更为方便。为了修理和制造，可相对容易地将磁体的模块插入适当的位置和移除。此外，集成在永磁模块中的冷却通道能够提供适当的冷却，而不使发电机转子的装配复杂化。

本文中，轴向横截面可被限定为具有垂直于转子的转动轴的平面的横截面。轴向方向可被限定为与转子的转动轴一致或平行的方向。

在一些实施方式中，轴向冷却通道可由磁体中的一个或多个限定。因此冷却可更有效地冷却磁体。此外，在形成用于磁体的槽/孔的同时，可由例如冲压或者激光切割形成冷却通道。

在一些实施方式中，永磁体可具有圆周磁取向并且轴向横截面可基本上为矩形，以及永磁体中的每个关于模块的中央径向平面倾斜和/或关于磁体的径向平面倾斜。由于它们的磁通量可更集中，倾斜的磁体可导致有益的功率和转矩特性。在其他实施方式中，永磁体可以为矩形并且基本上沿磁体的径向平面放置。在又一实施方式中，磁体可布置为垂直于磁体的中央径向平面，即在这种情况下它们是切线布置。

在一些实施方式中，永磁模块中的一个或多个可包括第一轴向行和第二轴向行的永磁体以及布置在所述第一行和第二行之间的中央冷却通道。该中央冷却通道可形成为通过永磁模块轴向延伸的孔。轴向行的磁体可包括单个磁体或者轴向定位在彼此之后的两个或两个以上磁体。

在其他实施方式中，一个冷却通道可结合在磁体中的每个(行)的底部(即，内端)，以及至少一个冷却通道可结合在磁体中的每个(行)的顶部(即，外端)。

在又一实施方式中，冷却通道可布置在磁体(的行)中的一个或多个的四个拐角中的一个或多个拐角处。如果多个冷却通道设置在模块中的每个中，冷却通道可以更小。

在一些实施方式中，永磁模块中的每个可包括两个轴向行的磁体。在优选的实施方式中，所有模块可以是基本上相同的。因此可简化发电机转子的装配。在替代的实施方式中，可使用具有单个永磁体的模块。在该配置中，不是所有模块都可能必须相同。

在一些实施方式中，永磁模块的基底和极片可整体地形成并且磁体可嵌入永磁模块中。如果基底和极片在轴向横截面中整体地形成(即，它们形成整体件)，可减少用于模块的制造公差。在这些实施方式中，用于插入永磁体的孔以及位于磁体的底部和顶部的冷却通道可在相同的冲压或激光切割处理过程中形成。在这种情况下，冷却通道可形成为孔未被永磁体占据的空间。

在其他实施方式中，磁体可胶合和/或螺旋连接至基底或极片的顶部。

在一些实施方式中，转子可包括用于将永磁模块固定至转子磁轭的多个锚，其中永磁模块包括基底，该基底具有适合于安装至转子磁轭的内圆周或外圆周的底面和两个轴向延伸的侧面，永磁模块的基底的两个侧面分别包括轴向延伸的凹槽，其中锚具有安装在相邻的永磁模块的轴向延伸的凹槽的形状。可选地，锚可以基本上为T形。

在这些实施方式中，提供了将模块安装在转子磁轭上的特别容易的方式。首先锚可以宽松地附接至转子磁轭。在放置模块之后，可拧紧锚并与模块的基底接合。

在其他实施方式中，永磁模块中的每个可包括多个径向孔，并且永磁模块可通过插入径向孔中的多个螺栓固定至转子磁轭。

在又一方面，本公开提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有基本上如上所述的转子的发电机。在一些实现中，风力涡轮机可以是直驱风力涡轮机。特别地，风力涡轮机可以是海上直驱风力涡轮机。

当查阅说明书时，本发明的实施方式的其他目标、优点和特征对本领域技术人员将是显而易见的或者可以通过本发明的实践得知。

附图说明

下面将参照附图通过非限制性示例的方式描述本发明的具体实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式的永磁模块的轴向横截面图；

图2a-2b示意性示出了根据本发明的其他实施方式的转子；

图3a和3b示意性示出了根据本发明的又一些实施方式的转子；以及

图4a-4c示意性示出了根据本发明的再一些其他实施方式的转子。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施方式的永磁模块的轴向横截面图。永磁模块10包括基底13、第一永磁体11和第二永磁体12。轴向行的磁体可以是单个磁体，或者轴向定位在彼此之后的多个磁体。

永磁体的南北极可如图1中所示。磁体可具有圆周取向(有时也称作“横向”或“切向”取向)，即每个磁体的南北极在圆周(或“切向”)方向上彼此相邻地设置在转子中。

磁体可朝着模块的中央径向平面2倾斜。如图1中所示，磁体不沿着局部径向平面4和6(通过磁体中央的径向平面)延伸。从第二磁体12的北极至第一磁体11的南极的磁通线将基本上是直的，即水平的。两个磁体一起可形成单极，并且从第一磁体的北极至第二磁体的南极的磁通线将围绕设置在定子(未示出)上的绕组。极片14a和14b用作通量集中器。

永磁模块可具有基本上恒定的横截面并且可包括堆叠的金属片。堆叠的金属片可通过焊接彼此粘接，或者可以通过例如粘合剂接合。该层叠结构可减小或避免涡流。

金属片可通过冲压或者例如激光切割形成并且可胶合在一起。矩形通孔可在金属片中形成从而嵌入矩形永磁体。这些孔也可通过例如冲压或激光切割形成。在替代的实施方式中，可使用整体件代替堆叠的金属片。以此方式嵌入磁体减少了零件数并且由于待装配的部件的减少，容差可自动减小。

在本实施方式中，轴向延伸的冷却通道15a设置在第一磁体11的底部(即，内端)。另一冷却通道15b设置在第一磁体的顶部(即，外端)。类似的冷却通道17a和17b分别设置在第二磁体的底部和顶部。因此可用特别简单的方式提供模块(通常和发电机)的冷却。

可使用适当的粘合剂将磁体牢固地固定。可使用例如端板和/或环氧树脂在前端和后端从外部密封磁体。

基底13具有基本上为等腰三角形的横截面的顶部，并且永磁体沿着三角形的边布置。基底的底部24可适合于安装在转子磁轭的内圆周或外圆周上。因此，基底的底部24可以是轻微弯曲的。

重量减轻凹部18可设置在底部。基底的侧表面可包括凹槽。基底13可包括形成凹槽的下端的支柱29。适当形状的锚可用于将永磁模块固定至转子磁轭。锚可为这种形状：当被固定时它们与凹槽16(和支柱29)的表面接合。T形锚可基本上精确地定位于凹槽16中。

为了装配转子，可将锚宽松地附接在转子磁轭的圆周。然后，可插入永磁模块10并且永磁模块10可在两个相邻锚之间滑动。然后，为了将磁体模块固定在适当的位置，可拧紧锚的螺栓，以使锚将基底的一部分按压抵靠转子磁轭的圆周。

在这方面，永磁转子被设置为便于装配和维修。为了修理和制造，磁体的模块可相对容易地插入并移除。在安装和/或维修期间可避免磁体和转子磁轭之间的摩擦。

基底13和极片可例如由钢或另一导磁材料制成。永磁体可由例如AINiCo钢(铝镍钴)、稀土磁性材料(如钕(NdFeB))或钐-钴制成，但也可由例如陶瓷材料制成。

图2a和2b分别示出了根据另一实施方式的轴向横截面和径向横截面。

图2a示出了安装在转子磁轭上彼此相邻的两个永磁模块。模块10和10’中的每个可包括矩形的并且关于磁体的局部径向平面倾斜的第一磁体11(或第一轴向行的磁体)和第二磁体12(或第二轴向行的磁体)。

永磁模块具有圆周磁取向。可以看出一个模块的磁体的磁化与其相邻模块的磁体的磁化相反。极片14a和14b可用作通量集中器。

在替代的实施方式中，两个相邻模块可形成为单个模块。

图2a还示出了定子20以及转子与定子20之间的空气间隙25。在本实施方式中，定子基本上围绕转子。在其他实现中，转子可围绕定子。

永磁模块可包括中央冷却通道19。此外，较小的冷却通道15a、15b、15c和15d可设置在矩形磁体的四个拐角中。磁体可嵌入永磁模块中。为了在永磁体的拐角中形成冷却通道，其中可插入永磁体的轴向孔可包括圆角。孔可通过例如冲压或激光切割形成。在磁体插入之后不被磁体占据的空间可用作冷却通道。

T形锚30可用于将模块附接至转子磁轭32的外圆周。T形锚的两个侧向延伸的锚定部装配在永磁模块的相应的凹槽16中并且因此将永磁模块的支柱29锁定在适当的位置。

因为模块侧表面中的凹槽基本上大于锚的相应的侧部，在两个模块之间留有间隔。该间隔可用于冷却。

永磁模块与转子磁轭的附接可在图2b中进一步看出，其表示沿图2a中所示的线A-A的径向横截面。

在图1和图2中所示的实施方式中，模块的嵌入磁体对(行)布置为倒置的“V”。磁体的这种配置在装配和安装期间可具有优势。相邻模块彼此排斥，这可便于装配。此外，可更容易地磁化永磁体。

图3a和3b示出了其他实施方式，其中永磁体不嵌入模块中。在这种情况下，永磁模块10、10’和10”包括基底、磁体支撑侧板51和52以及作为通量集中器的中央磁体支撑结构53。中央磁体支撑结构53可被看作由两个极片组成。

如图3b中所示，极片、基底和中央磁体支撑结构可形成为堆叠的金属片60、61、62等。堆叠的片可胶合在一起。在图3a和3b所示的实现中，堆叠的金属片还通过在堆叠的片上施加压力的杆54和55保持在一起。

模块还可包括棒45，磁体支承板(例如，通过铜焊附)接至棒45。磁体支承板51和52可包括形成为保持磁体11和12的端部56。侧支承板可以基本上为平的并包括直立的端部。

中央磁体支撑结构53可以基本上成形为在轴向横截面中的倒置三角形。磁体11和12可沿中央磁体支撑结构的侧面布置并可通过适当的粘合剂附接至中央支撑结构和侧面支承板。在其顶点(即，在倒置三角形的底部)，中央支撑结构可包括适合于保持磁体的形状，例如与侧支承板的端部配合以机械地保持磁体的两个横向突出57。

此外，在本实施方式中，磁体可基本上倾斜以提供关于扭矩和功率的相同的优点。

为了安装模块，多个径向安装孔在转子磁轭中预设并且相应的径向安装孔在棒45中预设。在将模块定位在转子磁轭上之后，螺栓42可被插入径向安装孔中并将模块固定在适当的位置。

图4a-4c示意性示出了本发明的另外的实施方式。图4a示出了具有两个永磁模块的转子磁轭的轴向横截面。图4b示出了沿图4a中所示的线A-A的径向横截面。图4c示出了沿图4a中所示的线B-B的径向横截面。

图4a中所示的发电机转子的实施方式包括附接至转子磁轭32的多个永磁模块10和10’。与模块的使用相关的优点也在本实施方式中获得。

每个永磁模块可包括第一磁体11和第二磁体12以及位于第一磁体和第二磁体之间的中央冷却通道19。包括在模块中的轴向冷却通道能够提供冷却而不使发电机转子的制造和装配复杂化。

永磁体通常可以为矩形横截面并且可朝着永磁模块的中央径向平面(线B-B)倾斜。磁体可具有如图4a中所示的圆周磁定向。周向磁化和磁体的倾斜向发电机提供有益的功率和转矩特性。

类似于图3a中所示的实施方式，永磁模块可包括中央磁体支撑53，中央磁体支撑53用作通量集中器并具有基本上接近于倒置三角形的横截面。在三角形顶部的两个顶点处，可包括侧钩79以将永磁体机械地锁定在永磁模块的中央磁体支撑结构59和基底13之间。

中央磁体支撑结构53可包括轴向孔74，杆76可插入该轴向孔74中。可在中央磁体支撑结构中于不同轴向位置处钻多个径向孔。杆76可包括多个横向通孔，从而当插入杆时，横向通孔与磁体支撑结构的径向孔对齐。具有螺母72的螺栓71可插入这些径向孔中，可延伸到杆76的横向孔中并延伸出杆76的横向孔之外，进入中央磁体支撑结构53的上部。因此永磁体可被夹紧在基底13和中央磁体支撑结构53之间。因此可建立将磁体固定在模块中的替代的固定方式。

如其他实施方式中所示，基底13可包括具有凹槽16的侧表面。具有与凹槽的形状基本上互补的形状的锚30可将基底13的支柱29压靠在转子磁轭上并将永磁模块固定在适当的位置。

在图3和图4的实施方式中，模块的嵌入磁体对(行)布置为“V”形。磁体的这种布置与集成的冷却通道结合可减少磁通量的泄漏。

磁体关于相应的局部径向平面(通过磁体中央的径向平面)的倾斜可变化。关于径向平面倾斜的角度可在0-90°的范围之内，更具体地在10°-50°的范围内，尤其是在10°和40°之间。

本文中所示的永磁模块可具有基本上相当于电机(例如，发电机或马达)的轴向长度的长度；因此每个永磁模块基本上跨越电机的整个长度。在其他实施方式中，模块的长度可基本上为电机的轴向长度的一半；两个永磁模块跨越电机的长度。在这些情况下，一个模块可从前方插入以及一个模块可从后方插入。类似地，在一些实施方式中，锚可跨越电机的长度。在其他实施方式，锚可分成一起跨越电机长度的各个段。

在本文所示的大部分实施方式中，T形锚被用于将模块的基底牢固地固定至转子磁轭。在其他实施方式中，可使用具有不同形状的其他锚，该形状与在基底的侧表面中形成的凹槽基本上互补。

尽管本文中已经公开了本发明的一些具体实施方式和示例，但是本领域技术人员应当理解本发明的其他替代的实施方式和/或使用以及它们的明显的修改以及等同物也是可能的。此外，本发明覆盖所述的具体实施方式的所有可能组合。因此，本发明的范围不应由具体的实施方式限制，而仅应公正地阅读权利要求后确定。

Claims (15)

1.一种永磁转子，包括转子磁轭和多个永磁模块，所述永磁模块布置在所述转子磁轭的外圆周或内圆周上，

所述永磁模块各自大体沿轴向方向延伸并且具有基本上恒定的轴向横截面，所述永磁模块各自包括

适合于固定至所述转子磁轭的基底、一个或多个永磁体以及一个或多个极片，其中

所述永磁模块各自包括基本上沿所述永磁模块的长度延伸的轴向冷却通道，

所述永磁模块各自包括第一轴向行和第二轴向行的永磁体以及布置在所述第一轴向行和第二轴向行的永磁体之间的中央冷却通道，每个永磁模块的基底限定所述中央冷却通道。

2.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所述轴向冷却通道由所述永磁体中的一个或多个限定。

3.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所述永磁模块中的一个或多个包括位于所述永磁体中的每一个的底部的至少一个冷却通道，和/或位于所述永磁体中的每一个的顶部的至少一个冷却通道。

4.根据权利要求3所述的永磁转子，其中所述永磁模块中的一个或多个包括位于所述永磁体中的一个或多个的四个拐角中的一个或多个拐角处的冷却通道。

5.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述永磁体中的每一个具有圆周磁取向并且轴向横截面基本上为矩形，并且其中

所述永磁体中的每一个关于所述永磁体的径向平面倾斜。

6.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所有所述永磁模块是相同的。

7.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所述永磁模块的基底和极片整体地形成并且所述永磁体嵌入所述永磁模块中。

8.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所述永磁体安装在所述基底和/或所述极片的顶部。

9.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所述永磁体螺旋连接至所述永磁模块。

10.根据权利要求1所述的永磁转子，其中所述永磁体胶合至所述基底和/或所述极片。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的永磁转子，还包括用于将所述永磁模块固定至所述转子磁轭的多个锚，其中

所述永磁模块包括：具有适于安装至所述转子磁轭的内圆周或外圆周的底面的基底；和两个轴向延伸的侧表面，以及

所述永磁模块的基底的两个侧表面分别包括轴向延伸的凹槽，并且其中

所述锚具有的形状符合相邻的永磁模块的轴向延伸的凹槽。

12.根据权利要求11所述的永磁转子，其中所述锚基本上为T形。

13.根据权利要求1至10中的任一项所述的永磁转子，其中所述永磁模块中的每一个包括多个径向孔，并且其中所述永磁模块通过插入所述径向孔中的多个螺栓固定至所述转子磁轭。

14.根据权利要求1至10中的任一项所述的永磁转子，其中所述基底和极片由堆叠的金属片形成。

15.一种包括发电机的风力涡轮机，所述发电机具有根据权利要求1至14中的任一项所述的永磁转子。