CN104428979B - 永磁体转子 - Google Patents

Abstract

一种永磁体转子，包括被配置为用于围绕中心旋转轴线旋转的转子主体，并且还包括主要永磁体，主要永磁体在轴向剖面大致为矩形，并被嵌入转子主体中，并且被设置为相对于通过主要磁体的中心延伸的径向平面倾斜，以便具有圆周的磁性定向。主要磁体具有内部端和外部端，外部端被设置在转子的外部圆周的气隙附近，并且磁性传导材料的外部桥在主要磁体的外部端与转子的外部圆周之间形成。辅助磁体被设置在主要磁体的外部端附近以使外部桥磁性地饱和。

Description

永磁体转子

本申请要求于2012年6月29日提交的第12 382 260.3号欧洲专利申请以及于2012年8月29日提交的第61/694,575号美国临时专利申请的利益。

本公开涉及用于电机的永磁体转子。本公开还涉及特别适用于风力涡轮机的永磁体发电机转子，并涉及包括这种永磁体发电机转子的风力涡轮机。

背景技术

电机，诸如具有带有永磁体的转子的马达和发电机是公知的。通常认为这些电机很可靠，并且所需维护也少于其他发电机拓扑结构。

现代风力涡轮机普遍用于为电网提供电力。这种类型的风力涡轮机通常包括具有转子毂(rotor hub)和多个叶片的转子。转子被设置为在叶片上的风的影响下旋转。转子轴的旋转或者直接驱动发电机转子(“直接被驱动”)或者通过使用变速箱驱动发电机转子。特别是对于离岸风力涡轮机，通常选择采用永磁体的直接驱动系统。

这种直接驱动风力涡轮发电机的直径可为例如6至8米，其长度可为例如2至3米。可能需要通过例如螺丝接合或粘合将数百个磁体附接至转子的圆周。应理解的是，这个制造过程可能很麻烦。

另外，如果一个或多个磁体被损坏并需要进行更换，那么接近这些磁体可能较复杂(特别是大尺寸发电机)，以使得维护可以变得成本很高。

永磁体可以由例如AlNiCo钢(铝-镍-钴)或诸如钕(NdFeB)或钐-钴的稀土磁性材料制成。这些材料可能相对昂贵。出于这个理由，永磁体具有所需的最小尺寸以及将转子的永磁体的磁通量的损失降至最低很重要。

在电机中，部件的冷却通常是重要要求。可通过转子的旋转生成冷却空气流。在一些实施中，可通过专用风扇提供附加冷却空气流。另外，在一些实施中，可提供液体冷却回路。并入冷却回路可以使大型永磁体发电机的组装和制造更复杂。可能需要钻多个径向冷却孔。这些径向孔可使制造和组装复杂化并通常不会导致均匀冷却。

然而，发电机的尺寸和类型并不限于离岸应用，甚至并不只限于风力涡轮机领域。可以在例如蒸汽涡轮机和水力涡轮机中发现遭遇相同问题和/或具有相同复杂化的相当尺寸的发电机。同样，相对大的永磁体马达也可能具有相同或类似的问题。

发明内容

在第一方面，本发明提供一种用于具有定子、转子以及气隙的电机的永磁体转子，其中，气隙被设置在转子的外部圆周与定子的外部圆周之间。转子具有被配置为用于围绕中心旋转轴线旋转的转子主体，并且还包括主要永磁体，主要永磁体在轴向剖面大致为矩形并被嵌入转子主体中，并且被设置为相对于通过主要磁体的中心延伸的径向平面倾斜，以便具有圆周的磁性定向。主要磁体具有内部端和外部端，主要磁体的外部端被设置在转子的外部圆周的气隙附近，并且在主要磁体的外部端与转子的外部圆周之间形成磁性传导材料的外部桥，辅助磁体被设置在主要磁体的外部端附近以使外部桥磁性地饱和。

在本发明的该方面，相对于局部径向平面倾斜的磁体设置导致有益的动力和扭矩特性。此外，通过由辅助磁体产生的磁场提供的、在主要磁体和转子的外部圆周之间的磁性饱和，磁通量的损失降到最小。因而，永磁体的磁通量都被从转子导引向定子。

在本文中，轴向剖面可以被限定为具有垂直于转子的旋转轴线的平面的剖面。轴向方向可以被限定为与转子的旋转轴线重合或与转子的旋转轴线平行的方向。

转子的外部圆周可以被限定为界定转子与定子之间的气隙的转子的圆周。在这个意义上，或者转子可围绕定子，或者定子可围绕转子。

在一些实施方式中，辅助磁体可以由与主要磁体不同的材料制成。辅助磁体的材料可以比用于永磁体的材料成本更低。

在一些实施方式中，磁性材料的内部桥可在主要磁体的内部端和非磁性材料的部分之间形成，其中，辅助磁体被设置在主要磁体的内部端附近以使内部桥磁性地饱和。在这些实施方式中，磁通量的损失可以进一步降低。

在一些实施方式中，转子主体可包括边缘以及被设置在边缘的外部圆周或内部圆周上的多个永磁体模块，其中，永磁体模块中每一个均都大体沿轴向方向延伸，并大大致具有恒定的轴向剖面，并具有适于被固定至发电机转子的边缘的基础部、一个或多个轴向行的永磁体和一个或多个行的辅助磁体的以及一个或多个极片。在这些使用模块的实施方式中便于进行组装和维护。对于维修和制造两者，可相对容易地将磁体的模块能够插入适当的位置或移除磁体的模块。在可替代的实施方式中，永磁体可以被嵌入更坚硬的转子芯中，该转子芯从轴延伸至外部圆周(在定子围绕转子的情况下)。

在一些实施方式中，所述边缘是基本非磁性材料。

在一些实施方式中，永磁体模块中的一个或多个可包括两个轴向行的主要磁体。所有模块在机械方面均可大体相同，即，除了磁体的磁化之外，所有模块均可相同。因而，发电机转子的组装可被简化。在其他实施方式中，模块中每个都可包括4个轴向行的主要磁体。在这些情况下，模块可大体相同。在可替代的实施方式中，可使用具有单个行的永磁体的模块。所有模块不一定相同。轴向行的磁体可以包括单个磁体，或轴向定位在彼此后面的两个或更多磁体。

在一些实施方式中，永磁体模块的基础部和极片可一体形成，并且磁体可被嵌入永磁体模块中。如果基础部和极片在轴向剖面中一体形成(即，基础部和极片形成整体件)，那么可降低用于模块的制造公差。

在一些实施方式中，转子可包括用于将永磁体模块固定至转子边缘的多个锚固件，其中，永磁体模块包括具有底部表面和两个轴向延伸的侧表面的基础部，底部表面适于被安装至转子边缘的内部圆周或外部圆周，并且永磁体模块的基础部的两个侧表面每个都包括轴向延伸的槽，其中，锚固件的形状适合相邻永磁体模块的轴向延伸槽。可选地，这些锚固件可大致为T形。

在这些实施方式中，提供了在转子边缘上安装模块的具体简单方法。首先，可将锚固件松动地附接至转子边缘。在放置模块之后，可把紧锚固件并且可与模块的基础部相接合。

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大致如上文描述的转子的发电机。在一些实施方式中，该风力涡轮机可为直接驱动的风力涡轮机。具体地，该风力涡轮机可为离岸直接驱动风力涡轮机。在其他实施中，该风力涡轮机可包括带有变速箱的传动系。

在本领域技术人员审阅说明书后，本发明实施方式的其他目的、优点和特征将变得明显，或者可通过本发明的实践来获知。

附图说明

在下文中，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，在附图中：

图1a至图1c示出了具有永磁体转子的电机，本发明的实施方式可被并入其中；

图2a和图2b示出了具有永磁体转子的另一电机，本发明的实施方式可被并入其中；

图3示出了本发明的实施方式；

图4示出了根据本发明另一实施方式的永磁体模块的轴向剖面图；

图5示出了根据本发明又一实施方式的永磁体模块的轴向剖面图；以及

图6a至图6b示意性地示出了根据本发明更多实施方式的转子。

具体实施方式

图1a示意性地示出了电机(例如，风力涡轮机的发电机)的永磁体转子的外部边缘区域。在本示例中的转子可包括边缘(rim)90以及附接至边缘90的径向外周的多个模块100。使用模块可便于组装和修理，具体为大型发电机的组装和修理，诸如可在直接驱动风力涡轮机中找到的发电机。

每个模块100均可包括分别设置在基础部130上的第一主要永磁体110和第二主要永磁体120。基础部130具有剖面大体为等腰三角形的上部，其中，永磁体沿该三角形的侧部进行设置。

永磁体110和120被设置为相对于局部径向平面倾斜。磁体具有圆周磁性定向(有时也被称为“横向”或“切向”定向)，即，磁体中每个的N极和S极都被在圆周(或“切向”)方向上彼此相邻地的设置在转子中。通过上述设置，在第一模块的永磁体110与另一模块的永磁体120之间的磁通量朝向定子集中。这在图1c中进一步示出。

如图1b和图1c所示，第一主要磁体110在内部端114与外部端112之间延伸，该外部端更靠近转子的外部圆周，即，外部端更靠近定子。第二主要磁体120也包括内部端124和外部端122。(铁)磁性材料的桥(bridge)126和116在主要永磁体的外侧端部之间形成。

永磁体模块可具有大致恒定的剖面，并可包括一摞金属片。该摞金属片可被焊接而彼此粘住，或可通过例如粘合剂或通过其他机械手段(诸如，夹紧螺栓)进行连接。

这种层叠结构可减少或避免涡电流。金属片可通过冲制(punching)或例如激光切割形成，并且可以被粘在一起。可在金属片中形成矩形的通孔，以便嵌入矩形永磁体。这些孔还可以例如通过冲制或激光切割形成。在可替代实施方式中，可以使用整体块来代替一摞金属片。以这种方式嵌入磁体减少了零件数量，并且因为待组装的部件减少，公差可以自动地降低。

可使用合适的粘合剂牢固地固定磁体。在前端和后端两者处，可使用例如端板和/或环氧树脂从外侧密封磁体。

模块中每个均可通过锚固件(anchor)140附接至转子边缘90。模块100的基础部的腿142可在锚固件140的部分和转子边缘之间进行按压边缘。锚固件可以由基本上非磁性的材料制成。内部桥118形成在主要磁体的内部端114与非磁性锚固件140之间，内部桥128形成在主要磁体的内部端124与非磁性锚固件140之间。

参照图1b，气隙150形成在转子的外部圆周与定子200之间。定子可包括缠绕在牙210周围的多个绕组220。随着转子旋转，由永磁体产生的磁场导致绕组中变化的磁场，该变化的磁场在绕组220中产生电流。

图1c示出了沿内部桥118和128以及外部桥116和126的可能的磁通量损失。磁通量损失由来自主要磁体并在相同的磁体闭合的磁通量线引起。只有到达定子的磁通量线可引起电流。从这个意义上说，在外部桥处的潜在损失趋于比在内部桥处的损失更显著。

图2a和2b示出了遭遇相似问题的相似电机。与之前电机的最重要差异在于在磁体模块100的主要磁体的内部端和外部端的冷却通道设置。外部冷却通道113可设置在磁体110的外部端部分112附近。内部冷却通道111可设置在磁体110的内部端部分114附近。同样地，外部冷却通道123和内部冷却通道121可设置在磁体120的端部。

在操作中空气可通过的冷却通道用于将转子的温度保持在可接受的范围内。在永磁体模块中并入冷却通道并没有使制造和组装复杂化。

并入冷却通道的次要效果可以是可减小外部桥和内部桥的尺寸。桥的尺寸减小可降低磁通量的损失。另一方面，难以完全避免磁通量的损失，具体是在外部桥处，这是因为在外部端处需要材料以保持永磁体(如图2b中示意性地示出)。

图3示意性地示出了本发明的示例。与图2相比，冷却通道由辅助磁体替代。在本示例中，在磁体110的每一端均可以提供辅助磁体117、119，而在磁体120的每一端均可以提供辅助磁体127、129。辅助磁体用于使内部桥118、128以及外部桥116和126磁性地饱和。如果桥磁性地饱和，则永磁体的磁通量均朝定子进行导引。

主要磁体可以由例如AlNiCo钢(铝-镍-钴)或诸如钕(NdFeB)或钐-钴的稀土磁性材料制成。辅助磁体可以由例如铁氧体(具有Fe₂O₃作为它们主要成分的陶瓷材料)的相对便宜的材料制成。因而，主要磁体可由具有优秀的机械和/或磁性特性的材料制成。主要磁体的尺寸可以根据发电机(或马达)的需要确定，而不考虑任何可能的磁通量的损失。辅助磁体可以仅出于使桥磁性地饱和(具体为外部桥)的目的而被确定尺寸和进行布置。从而可实现成本效益好的永磁体转子设计。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的永磁体模块的轴向剖面图。永磁体模块100包括基础部13、第一轴向行的永磁体110和第二轴向行的永磁体120。轴向行的磁体可以是单一磁体，或轴向定位在彼此后面的多个磁体。

永磁体的N极和S极在图4中表明。一个模块中的磁体的磁化与其相邻模块的磁化相对。

磁体可朝向模块的中心径向平面2倾斜。如图4所示，磁体并不沿局部径向平面4和6(穿过磁体的中心的径向平面)延伸，而是相对于这些平面倾斜。从第二磁体120的N极至第一磁体110的S极的磁通量线基本上是直的，即，水平。两个磁体可一起形成单一的极，并且从第一磁体的N极至第二磁体上的S极的磁通量线将围绕设置在定子上的绕组(未示出)。磁极片14a和14b充当通量集中器。

永磁体模块可具有基本上恒定的剖面，并且可包括一摞金属片。该摞金属片可被焊接而彼此粘住，或可通过例如粘合剂或通过其他机械手段(诸如，夹紧螺栓)进行连接。

这种层叠结构可减少或避免漩涡电流。金属片可通过冲制或例如激光切割形成，并且可以被粘在一起。可在金属片中形成矩形的通孔，以便嵌入矩形永磁体。这些孔还可以通过例如穿孔或激光切割形成。在可替代实施方式中，可以使用集成块代替一摞金属片。以这种方式嵌入磁体可减少零件数量，并且因为待组装的部件减少，公差可以自动地降低。

可使用合适的粘合剂牢固地固定磁体。在前端和后端两者处，可使用例如端板和/或环氧树脂从外侧密封磁体。

基础部13具有上部，该上部具有大致为等腰三角形的剖面，其中，永磁体沿该三角形的侧部进行设置。模块的基础部的底部可适于安装在转子边缘的内部圆周或外部圆周上。因而，基础部的底部24可以略微弯曲。

节省重量的凹口18可设置在底部处。基础部的侧表面可包括槽16。基础部13可以包括形成槽的下端的腿29。可使用适当成形的锚固件将永磁体模块固定至转子边缘。锚固件可以具有这样的形状，以使得锚固件在被固定于转子边缘时与槽16(和腿29)的表面接合。

为了组装转子，可将锚固件松动地附接在转子边缘的圆周上。然后，可将永磁体模块10插入并在两个相邻锚固件之间滑动。然后，为了将磁体模块固定在适当的位置，可以把紧锚固件的螺栓，以使得锚固件抵靠转子边缘的圆周压基础部的一部分边缘。

在这方面，提供便于组装和维护的永磁体转子。对于维修和制造两者，磁体的模块能够被相对容易地插入和去除。可避免在安装和/或维护期间磁体与转子边缘之间的摩擦。

由于在模块的侧表面中的槽基本上大于锚固件的对应侧部分，所以在两个模块之间留有空间。该空间可以用于冷却。

基础部13和极片可由例如钢或另一磁性传导的材料制成。磁性传导材料的外部桥116、126在主要磁体的外部端与转子的外部圆周之间形成。磁性传导材料的内部桥118、128在主要磁体的内部端与非磁性传导材料之间(在这种情况下为在转子主体的两个相邻模块之间的空气)形成。

为了避免主要磁体的磁通量损失，并入用于使桥磁性地饱和的辅助磁体117、119、127和129。在这种情况下，辅助磁体具有正如主要磁体的圆周磁性定向。然而，为了使桥磁性地饱和，辅助磁体还可具有径向磁性定向。

图5示意性地示出了根据另一实施方式的永磁体模块的截面图。在这种情况下，与图4中示出的实施方式基本相似，每个模块均可包括相对于局部径向平面4和6倾斜并且可朝向中心径向平面2倾斜的两行嵌入的永磁体中心。

在该实施方式中，在第一磁体11的脚部(即，内部端)处设置有轴向延伸的冷却通道15a。在磁体120的顶部(即外部端)处设置有冷却通道15b。在磁体110的脚部和顶部分别设置有相似的冷却通道17a和17b。以这种配置将冷却通道并入模块中，在便于制造和组装的同时确保足够的冷却。

基础部的底部24包括槽16，在这种情况下，槽16可由直切空部形成。永磁体可以以上述相似的方式嵌入。T形锚固件可以基本上精确地位于槽16中。

在本示例中，辅助磁体117和辅助磁体127可被设置在主要磁体的外部端附近以使外部桥磁性地饱和。因而，在本示例中，冷却通道被设置在主要磁体与辅助磁体之间。辅助磁体可为任何需要的形状，并且可以通过用粘结磁体(塑料磁性材料)填充转子芯中的沟槽形成，然后，该粘合磁体可被固化。引入沟槽中粘合磁体可使用注射模塑来完成。

在可替代的实施方式中，可在靠近主要磁体的其他部分中设置一个或多个冷却通道。在一个示例中，辅助磁体可围绕冷却通道。

图6a和图6b分别以轴向剖面和径向剖面示出了另一实施方式。

图6a示出了彼此相邻安装在转子边缘上的两个永磁体模块。模块100中每个均可包括第一磁体110(或第一行磁体)和第二磁体120(或第二行磁体)，第一磁体110和第二磁体120是矩形的，并且相对于磁体的局部径向平面倾斜。

永磁体模块具有圆周的磁性定向。可看出的是，一个模块的磁体的磁化与相邻模块的磁体的磁化相对。极片14a和14b可充当通量集中器。

在可替代的实施方式中，两个相邻的模块可形成为单一模块。甚至多个分别示出的模块都可以结合为单一模块。这同样适用于在其他附图中示出的示例。

图6a中还示出了定子200以及在转子与动子之间的气隙150。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。

永磁体模块可包括中心冷却通道19。磁体可被嵌入永磁体模块中。

在本示例中，提供径向磁化的辅助磁体117、119、127和129以使外部桥126和128磁性地饱和。在示出的示例中，辅助磁体可与主要磁体物理分离，即，磁性传导材料的一部分被设置在主要磁体与辅助磁体之间。该部分可能潜在地是磁通量损失的源头，以使得辅助磁体还需要使这些部分磁性地饱和。

T形锚固件30可以用于将模块附接至转子边缘32的外部圆周。T形锚固件的两个侧向延伸的锚固部分被安装在永磁体模块的对应槽16中，从而将永磁体模块的腿29锁定在适当位置。

在图6b中进一步示出将永磁体模块附接至转子边缘，图6b代表沿图6a中的线A-A截取的径向剖面。转子的中心转子结构可包括在径向剖面中大致为T形的辐条件。然而，可使用支承转子边缘的任何其他可替代的中心转子结构。

在图3至图6的任意附图中示出的实施方式中，模块的嵌入磁体的对(行)被设置为倒“V”形。磁体的这种设置可在组装和安装期间具有优点。相邻的模块互相排斥，可便于组装。另外，可更易于磁化永磁体。

与集成的冷却通道结合的磁体的设置可降低磁通量的泄漏。

磁体相对于对应的局部径向平面(穿过磁体的中心的径向平面)的倾斜可改变。相对于径向磁体的倾斜角度可在0°至90°的范围内，具体在10°至50°的范围内，更具体在10°与40°之间。

本文示出的永磁体模块可具有基本上与电机(例如发电机或马达)的轴向长度对应的长度；因此，每个永磁体模块都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上为电机的轴向长度的一半；两个永磁体模块跨越电机的长度。在这些情况下，可从前部插入一个模块并且而可从后部插入一个模块。同样地，在一些实施方式中，锚固部可跨越电机的长度。在其他实施方式中，可将锚固部分为一起跨越电机的长度的各个部分。

在本文示出的大多数实施方式中，使用T形锚固件将模块的基座牢固地固定至转子边缘。在其他实施方式中，可使用具有与基座的侧表面中形成的槽大致互补的不同形状的其他锚固件。

尽管本文只公开了一些本发明的具体实施方式和示例，但是，本领域技术人员应理解的是，其它替代的实施方式和/或本发明的用途以及它们的等同物和明显修改都是可能的。而且，本发明覆盖所描述的具体实施方式的所有可能的结合。因而，本发明的范围不应限于这些具体实施方式，而是应该通过对所附权利要求的正确解读来确定。

Claims (16)

1.一种用于具有定子、转子以及气隙的电机的永磁体转子，所述气隙被设置在所述转子的外部圆周与所述定子之间，

所述转子包括被配置为围绕中心旋转轴线旋转的转子主体，并且还包括：

主要永磁体，所述主要永磁体的轴向剖面大致为矩形，并且所述主要永磁体被嵌入所述转子主体中，并且被设置为相对于通过所述主要永磁体的中心延伸的径向平面倾斜，以便具有圆周的磁性定向，其中，

所述主要永磁体具有内部端和外部端，所述主要永磁体的外部端被设置在所述转子的外部圆周的气隙附近，并且在所述主要永磁体的外部端与所述转子的外部圆周之间形成磁性传导材料的外部桥，其中，

辅助磁体被设置在所述主要永磁体的外部端附近以使所述外部桥磁性地饱和，以及

其特征在于：所述主要永磁体由磁特性优于所述辅助磁体的材料制成；以及

所述主要永磁体由AlNiCo钢或稀土磁性材料制成，所述辅助磁体由铁氧体制成。

2.如权利要求1所述的永磁体转子，其中，外部冷却通道被设置在所述主要永磁体的外部端附近。

3.如权利要求2所述的永磁体转子，其中，所述外部冷却通道被设置在所述主要永磁体的外部端与所述外部桥之间。

4.如权利要求1所述的永磁体转子，其中，在所述主要永磁体的内部端与非磁性材料的部分之间形成所述磁性传导材料的内部桥，其中

所述辅助磁体被设置在所述主要永磁体的内部端附近以使所述内部桥磁性地饱和。

5.如权利要求4所述的永磁体转子，其中，内部冷却通道被设置在所述主要永磁体的内部端附近。

6.如权利要求5所述的永磁体转子，其中，所述内部冷却通道被设置在所述主要永磁体的内部端与非磁性材料的部分之间。

7.如权利要求1所述的永磁体转子，其中，所述辅助磁体比所述主要永磁体小。

8.如权利要求1所述的永磁体转子，其中，所述辅助磁体具有圆周的磁性定向。

9.如权利要求1所述的永磁体转子，其中，所述辅助磁体具有径向的磁性定向。

10.如权利要求1所述的永磁体转子，其中，所述转子主体包括边缘以及被设置在所述边缘的外部圆周或内部圆周上的多个永磁体模块，

所述永磁体模块中每个都大体沿轴向方向延伸，并具有恒定的轴向剖面，并包括：

适于被固定至所述转子主体的边缘的基础部，以及一个或多个轴向行的主要永磁体和多个行的辅助磁体，以及一个或多个极片。

11.如权利要求10所述的永磁体转子，其中，所述边缘是非磁性材料。

12.如权利要求10所述的永磁体转子，还包括用于将所述永磁体模块固定至所述转子边缘的多个锚固件，其中，

所述永磁体模块包括具有底部表面和两个轴向延伸的侧表面的基础部，所述底部表面适于被安装至所述转子边缘的内部圆周或外部圆周，以及

所述永磁体模块的基础部的两个侧表面每个都包括轴向延伸的槽，其中，

所述锚固件的形状适合相邻的永磁体模块的轴向延伸的槽。

13.如权利要求12所述的永磁体转子，其中，所述锚固件由非磁性的材料制成。

14.如权利要求10所述的永磁体转子，其中，所述永磁体模块中每个都包括两个轴向行的主要永磁体。

15.如权利要求10所述的永磁体转子，其中，所述基础部和所述极片由一摞金属片形成。

16.一种直接驱动的风力涡轮机，包括具有根据权利要求1所述的永磁体转子的发电机。