CN107980195B - 改进的用于永磁体发电机的转子 - Google Patents

Abstract

一种旋转发电机，包括：至少一个磁环对，所述至少一个磁环对包括之间具有间隙的第一磁环和第二磁环；一个线圈环，所述线圈环在所述间隙中；所述第一磁环和所述第二磁环以及所述线圈环具有一个公共轴线；所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自具有：一个围绕所述公共轴线间隔开、具有交替的面对所述间隙的北极和南极的主永磁体序列，一个磁环对的第一磁环和第二磁环的、具有面对所述间隙的不同磁极的对应的主永磁体跨越所述间隙面对彼此，使得磁通量线跨越所述对应的主永磁体之间的间隙，以及一个中间永磁体序列，所述中间永磁体中的每个被定位在两个主永磁体之间，每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个北极，所述北极面对所述两个主永磁体中的北极面对所述间隙的主永磁体的一侧，并且每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个南极，所述南极面对所述两个主永磁体中的南极面对所述间隙的主永磁体的一侧，所述线圈环具有一个线圈序列，所述线圈序列围绕所述公共轴布置，使得当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流，其中所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自还包括一个铁磁材料的背板，所述主永磁体被定位在所述背板和所述间隙之间并且被安装到所述背板，使得邻近的主永磁体通过所述背板磁耦合至彼此。

Description

改进的用于永磁体发电机的转子

下面的发明涉及被称为永磁体发电机类型的旋转发电机。在这些发电机中，在发电机的转子内使用永磁体来提供用于切割嵌入发电机的定子内的多匝线圈从而生成电功率的磁场。具体地，本发明涉及如共同未决的申请no.GB 1 320 623.0中所公开的轴向磁通永磁体发电机的形式。

在此共同未决的申请的发电机中，该发电机的转子包括至少一个磁环对，所述至少一个磁环对之间具有间隙，并且围绕每个环具有间隔开的永磁体序列——永磁体序列具有面对磁环对之间的间隙的交替的北极和南极，一个磁环对的第一环和第二环的对应的永磁体具有不同磁极，所述不同的磁极面对该间隙并且跨越该间隙面对彼此，使得磁通量线延伸跨越所述对应的永磁体之间的间隙。发电机的定子——被置于磁转子环之间的空气间隙中——包括由在圆周上的线圈序列形成的线圈环。定子环和转子环共用一个公共轴线，使得转子相对于定子的旋转导致在定子的线圈内感应电动势(emf)。

在这样的形式的永磁体发电机中，根据对弗莱明右手定则的理解，很明显，在定子线圈中感应的电动势直接取决于延伸跨越面对的磁体之间的空气间隙的磁通量的密度。然而，在上述共同未决的申请中公开的设计的发电机中，此通量的密度倾向于在面对的磁体的中央区域之间是它的最集中处，并且朝向它们的周缘显著减小。这是不利的，因为理想地，切割定子线圈的通量应尽可能地集中在面对的磁体之间的整个空间体积上，以使得感应的电动势最大化。

为了增大从极性相反的侧向间隔的磁体发出的通量的密度，已知这样的布置：其中第一和第二平行的典型条形磁体——它们在空间上彼此分离并且常规地跨越它们的前面和后面被磁化并且具有面向外的相反极性——将相对于所述第一和第二磁体磁性地向侧面地定位的又一个条磁体夹在之间。效果是增大从所述三个条组合的一个面发出的磁场，同时大幅减小或甚至消除从相反的面发出的场。有时被称为Halbach或Mallinson阵列的这样的组合的典型用途是在冰箱磁体中，其中期望的是强场仅在一侧上是普遍的。然而，由于将在下文中公开的原因，这些类型的布置的磁性几何形状对于本申请的、在前述共同未决的申请中公开的发电机的类型来说不是最佳的。

根据本发明的第一方面，提供了一种旋转发电机，包括：至少一个磁环对，所述至少一个磁环对包括之间具有间隙的第一磁环和第二磁环；一个线圈环，所述线圈环在所述间隙中；所述第一磁环和所述第二磁环以及所述线圈环具有一个公共轴线；所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自具有：一个围绕所述公共轴线间隔开、具有交替的面对所述间隙的北极和南极的主永磁体序列，一个磁环对的第一磁环和第二磁环的、具有面对所述间隙的不同磁极的对应的主永磁体跨越所述间隙面对彼此，使得磁通量线跨越所述对应的主永磁体之间的间隙，以及一个中间永磁体序列，所述中间永磁体中的每个被定位在两个主永磁体之间，每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个北极，所述北极面对所述两个主永磁体中的北极面对所述间隙的主永磁体的一侧，并且每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个南极，所述南极面对所述两个主永磁体中的南极面对所述间隙的主永磁体的一侧，所述线圈环具有一个线圈序列，所述线圈序列围绕所述公共轴布置，使得当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流。

根据本发明的第二方面提供了一种旋转发电机，包括：至少一个磁环对，所述至少一个磁环对包括之间具有间隙的第一磁环和第二磁环；一个线圈环，所述线圈环在所述间隙中；所述第一磁环和所述第二磁环以及所述线圈环具有一个公共轴线；所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自具有：一个围绕所述公共轴线间隔开、具有交替的面对所述间隙的北极和南极的主永磁体序列，一个磁环对的第一磁环和第二磁环的、具有面对所述间隙的不同磁极的对应的主永磁体跨越所述间隙面对彼此，使得磁通量线跨越所述对应的主永磁体之间的间隙，以及一个中间永磁体序列，所述中间永磁体中的每个被定位在两个主永磁体之间，每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个北极，所述北极面对所述两个主永磁体中的北极面对所述间隙的主永磁体的一侧，并且每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个南极，所述南极面对所述两个主永磁体中的南极面对所述间隙的主永磁体的一侧，所述线圈环具有一个线圈序列，所述线圈序列围绕所述公共轴布置，使得当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流，其中所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自还包括一个铁磁材料的背板(backing plate)，所述主永磁体被定位在所述背板和所述间隙之间并且被安装到所述背板，使得邻近的主永磁体通过所述背板磁耦合至彼此。

所述中间永磁体(为了方便起见在下文中被称为间极(interpole))的存在致使侧向地流动跨越先前存在于所述主永磁体的侧部之间的间隙的通量不可能泄漏，并有利地成形并且聚集跨越面对的主磁体之间的间隙的通量。

在上文提及的共同未决的专利申请中，公开了一种装置，其中它的永磁体(等同于本发明的发电机的主永磁体)被安装在铁磁背板上。这样做的效果是通过增强磁体的后面之间的磁耦合来减少磁体的侧部之间的侧向通量泄漏，因此进而增大跨越上述形式的发电机的空气间隙的通量的密度。

本发明的背板的存在不仅便于主磁体的后面之间的耦合，而且便于中间永磁体的内磁极耦合到主永磁体的内磁极。这是期望的。从前述内容应理解的是，任何间极的边缘都与将它们夹在之间的主永磁体的外面排斥。根据本发明，正是此效果聚集并且增大跨越空气间隙的通量密度。

然而，如应从对此布置的考虑理解的，所述间极的侧部中的每一个都排斥将它们夹在之间的主磁体的前面。其中相同磁极在物理上邻近的任何永磁体布置都不利于磁阻，换句话说抵抗去磁化。(这可能例如由于外来相反磁场(诸如可能由电枢电抗引起的)的存在而发生)。然而，受益于铁磁环(在下文中被称为背铁(backing iron))的存在，因为主永磁体和间极的邻近背板的磁极中的每个穿过所述背板以实际磁吸引方式耦合，所以改进了所述主永磁体和所述间极中的每个的工作点，因此在材料程度上提供了对对抗任何这样的去磁化场效应的保护。所述背板在旧技术用语中被认为保持器(keeper)。优选地，所述背板至少4mm厚，理想地是6mm或更厚，并且可以由软铁材料或专业化合物(诸如各向异性硅钢、锰游合金和坡莫合金)制成。由至少6mm厚的软铁制成的背板具有充足的透磁率，以提供安装在它上的主磁体和中间磁体之间的期望的磁耦合。

除了帮助磁体的工作点之外，实践实验还示出的是，与不存在铁磁背板的情况比较，背铁板的存在可以将磁体的面对空气间隙的面处的平均通量密度增大多达31％。

虽然本发明的布置表面上类似于上文提及的Halbach阵列，但是磁性地或物理地情况并非如此。在一方面中，磁环未在Halbach阵列中。这是因为磁通量延伸到主永磁体的两侧(磁极)以外并且进入背板内。这是通过主磁体和中间磁体的相对尺寸来实现的，例如，主永磁体比中间永磁体宽得多。根据本发明的一方面，发电机的转子内使用的永磁体是被称为铁素体的类型。与如在发电机或电动马达中更常用的稀土磁体相比，铁素体磁体提供的磁场明显更弱。由于此因素，宽面积的磁体和对应大配置的具有许多匝的定子线圈可以被用来在两者之间发生相对运动时生成有价值的电磁力。通过使用这样的宽面积磁体，并且与经典的Halbach布置对比，必定存在明显的磁场并且磁场从两个磁体序列的后面发出。实际上，磁场测量示出的是，跨越磁体的后面的平均通量强度将高达磁体的前表面(间隙侧)处存在的平均通量强度的60％。这是磁体的间隙侧处的通量强度的相当大一部分。

(注意：被称为Halbach阵列的阵列的定义是：“Halbach阵列是永磁体的一种特殊布置，该布置使该阵列一侧上的磁场增大，同时在另一侧上将该磁场抵消至接近零。这是通过具有空间旋转的磁化图案实现的”)

与经典的Halbach布置对比，提供了背铁。背铁的存在显著增大了从主永磁体朝向间隙发出的通量密度。这又与传统的现有技术布置相反，诸如在美国US2013002066(A1)中公开的，其中电动马达利用实际的Halbach阵列，并且由组件的后面造成最小的磁泄漏，并且不使用背铁。这同样适用于CN102904404(A)，其在利用传统的Halbach阵列中特别提及在没有背铁的情况下Halbach布置形成其自身的闭合回路，并且CN104167893再次使用具有无铁转子的Halbach阵列。

添加背板铁磁环的又一个显著的优点是其在增大面对转子之间的间隙的磁体表面处的通量强度时的效果。在本发明的布置中，实践实验示出的是，如上所述，足够厚的背铁的存在且因此透磁率的存在可以使主磁体表面上的平均通量密度增加超过31％。

因此，本发明的布置提供了用于防止主磁体的侧部之间的侧向通量泄漏以及改进安装在转子上的铁素体磁体的工作点的新颖装置。这在基于铁素体的机器的情况下尤其重要，因为与利用稀土磁体的机器不同，铁素体磁体易受外来磁场的影响而去磁化。此外，改进了面对的主磁体之间的通量的聚集、磁场强度和成形。

在可测量的益处方面，由这些布置导致的磁性能的总体增加可以是相当大的，例如超过20％，因此直接导致在定子线圈内生成的电动势的对应增加。由于到一个给定负载的发电机输出功率与在其线圈内感应的电动势的平方成比例，因此可以看到，电动势增加20％导致生成的功率增加44％(1.2²)。与在发电机的使用寿命期间生成的电力的商业价值相比，构造间极所需的附加材料的一次性成本很快变得不足为道。

根据本发明的一方面，对于给定尺寸的发电机，所述主永磁体的宽度和所述中间永磁体的宽度的比率连同用来生成电动势的多层定子线圈的有效(active)部分的平均宽度的选择各自被确定为使得在所述线圈中生成的电动势比不存在间极增加至少20％。

习惯的是，在此类型的发电机中使用的永磁体是正方形块或矩形块的形式，其中它们的宽度和长度超过它们的厚度若干倍。北磁极和南磁极彼此相反，并且是所述块的前面和后面(即由宽度和长度限定的面)。然而现代生产技术容易允许在生产期间烧结任何合理几何形状的磁体以适应将使用它们的特定应用。磁体形状的变化(例如具有除了严格正交的几何形状以外的几何形状)可以有利于它们提供的通量密度以及其他特性，诸如它们对外部相反场引起的磁化的抵抗力。

根据本发明的一个特征，在所述主永磁体和由它们夹在之间的中间永磁体的径向上延伸的多组相对侧中的至少一组是弯曲的(例如，凸的或凹的)，以使得由它们提供的并且跨越发电机的空气间隙的通量密度增大。在此特征的一个实施方案中，其中所述主永磁体和所述中间永磁体二者的侧部都是弯曲的，每个的弯曲可以是互补的，使得一个可安置在另一个内。

在此特征的第一实施方式中，所述主永磁体的侧部是凹的。在此特征的第二个实施方式中，所述侧部是凸的。

在一些情况下，所述主永磁体的侧部和所述间极的侧部在物理上邻近可能不实际或不是期望的。原因可能是由于制造成本、从它们发出的通量的成形或确保对抗去磁化的稳定性。在此情况下，引入定位在间极和主永磁体之间的铁磁材料的铁磁磁极片插入件可能是有利的。

为了最大程度地利用间极，它们的设计应考虑到定子线圈的几何形状，反之亦然。这仍是为了优化当多匝线圈被主永磁体和间极的组合提供的通量扫掠时在多匝线圈内生成的电动势。具体的，对于某些细长形状的主永磁体，理论分析表明，增加的电动势可能是由于使用近正方形的或椭圆形的线圈造成的。然而，也可以通过调整所述间极的尺寸相对于所述主永磁体的尺寸而进一步提高该效果。

根据本发明的一个特征，所述中间永磁体比所述主永磁体更靠近所述公共轴线地在长度上径向向内延伸，和/或所述中间永磁体比所述主永磁体更远离所述公共轴线地径向向外延伸。

此变化的效果是提供更长径向长度的通量密度来切割由转子的磁体横贯的多匝定子线圈，从而实现在定子线圈内生成的电动势的对应增加。

修改所述间极的设计不需要仅限于改变它们的侧向尺寸。

根据又一个特征，所述间极在所述旋转发电机的轴向方向上的厚度小于所述主永磁体的轴向厚度中的厚度，使得对应的主永磁体比所述第一环的中间永磁体和面对的第二磁环的中间永磁体之间的距离更靠近在一起。

实验揭示的是，在此布置中，其中所述间极的效果比在它们的任一侧上的主永磁体浅，跨越所述主永磁体的表面实现了更均匀且因此更有利的磁通量分布。由此导致在定子线圈内生成的电动势被进一步增大。

在上文提及的共同未决的申请中，在一个具体实施方案中，其中公开的发电机的转子包括一叠堆(stack)的磁环而不是许多离散的磁环对。用于定子线圈的空气间隙存在于该叠堆的磁环的每个磁环之间。在此情况下，沿着该叠堆的整个长度，该叠堆中的前两个环限定第一空气间隙，并且在第二磁环的前面面对第三磁环的前面时，第二磁环的后面以相同的方式提供有磁体以形成第二空气间隙，依次类推。

使用本发明的转子可以构成相同的布置。

在此情况下，每个转子包括一个中央背板环，并且除了最末端的板之外，板的每侧被提供有再次如前所述的交替极性的主永磁体序列和间极永磁体序列，以沿着转子的长度形成连续的磁环序列。换句话说，在安装在每个背铁板的任一侧上的磁体环之间形成空气间隙。换言之，所述主磁体和所述极间磁体二者都可以以所描述的方式安装在背板的每侧上，从而沿着发电机的整个长度创建一系列增强的强度通量空气间隙。

在根据本发明构造并且具有相当大的发电容量(例如几百或几千千瓦)的较大发电机的情况下，其转子可以具有相当大的直径。这些直径可以是例如三米到六米。在此情况下，由于电磁效率的原因，主永磁体被制成相称大小，具有例如多达三分之一米或更大的宽度。这在实践中是可行的，因为指定的尺寸可以简单地通过并排连结多个标准尺寸的较小的磁体(流行的尺寸是：长度0.15×宽度0.10×厚度0.025m)来实现，所有这些磁体都跨越它们的宽度被磁化以产生具有一个极性的单个大面。

对于间极，以上方法可能难以实现。由于制造限制，对于具有相同规模或接近于将其夹在之间的主永磁体的规模的单件间极磁体，可能难以跨越它的相对边缘进行磁化。事实上，可以提供的最大值仅可以在一英寸(2.5厘米)的区域内。

根据本发明的又一个特征，可以由一叠堆的侧向连结的较窄的磁体构造更大的间极，每个磁体跨越它们的相对侧被磁化并且以这样的方式吸引其相邻物以提供具有期望总宽度的单个间极磁体。

现在参考附图仅通过实施例的方式描述本发明，在附图中：

图1a示出了仅装配有主永磁体的两个面对的磁环，图1b示出了本发明的装配有主永磁体和中间永磁体的两个面对的磁环。图1c示出了用于与图1a和图1b中的任一个布置一起使用的定子(线圈环)。

图2示出了由图1a和图1b中示出的布置提供的实际通量强度的打印输出。

图3a、图3b和图3c示出了间极的尺寸的变化以及相应的对磁通量密度的影响。

图4示出了安装在铁磁背板上的间极以及邻近的磁极之间的磁性耦合。

图5示出了一叠堆的装配有主永磁体和间极的磁环。

图6示出了构造较大宽度的间极的方法。

图7示出了一个磁滞回线。

参考图1a，在10和11处示出了本发明的转子的两个磁环，但没有添加中间永磁体(间极)。两个磁环每个都包括铁磁背板12和13，在所述铁磁背板上安装有在圆周上间隔开的永磁体14和15序列。这些永磁体(在本文中被称为主永磁体)的极性交替，如示出的。所述两个环的角位置相对于彼此移位一个磁极节距(pitch)，使得相反的磁极跨越空气间隙16面对彼此，如指示的。为了清楚起见，在16b处示出了该布置的侧视图。

交替极性的磁通量流因此跨越面对的主永磁体13、14之间的空气间隙，如在17、18等处示出的。这些通量流被用来切割定子线圈环19的匝，该定子线圈环19支承线圈18b的圆周序列并且被放置在空气间隙16内并且与磁环11、12共用一个公共旋转轴线，在此为了清楚起见在图1c中公共旋转轴线被示出远离所述环。磁环在使用中相对于线圈环19的旋转以众所周知的方式导致在定子线圈18b内感应电磁力。

根据弗莱明右手定则，切割线圈18b的通量密度的浓度越大，在线圈内感应的电动势越大。在20处‘面朝上(face on)’示出了面对的磁体的磁极之间的典型通量密度分布的一个实施例。较暗的区域描绘了较强的通量密度，相反，较浅的区域描绘了较弱的通量密度。可以容易地看到，通量的密度从矩形块的中央朝向其边角和边缘显著退化。这在生成的电动势方面是不利的。清楚地，如在21处以轮廓线示出的，仅线圈环线圈18b的越中央的匝享有最密集的通量，因为这越过线圈的中央区域，而上层和下层受益较少。

在此申请中公开的安装在背铁环上的间极的引入从根本上改变了此情形。

现在参考图1b来例示。在此图中，转子环承载两个主永磁体14和15(在此被示出为矩形块)以及夹在它们之间的梯形中间永磁体(间极)22和23。间极14、15以一种特定方式被磁化，所述特定方式不同于通常与平坦面永磁体相关联的方式。不是在常规意义上(即跨越它们的厚度)被磁化，而是它们被侧向地磁化。换言之，跨越它们的宽度。因此，间极22、23的一侧24的整个长度被磁化为例如北，并且其相反的侧25的整个长度被磁化为南。为了清楚起见，还参见X处的插图。

本发明的实质如下。间极22、23的插入使得它的整个侧部极性(或至少邻近间隙16的极性)与其所抵靠放置的主永磁体14、15的面向外的面(指向间隙16的面)的极性排斥，致使先前的相邻主磁体14和15的侧面之间的通量的侧向泄漏不可能。此外，这导致流动跨越空气间隙16的磁通量线显著增加且聚集。这甚至增强了从主永磁体14、15的中央区域发出的通量的密度。

总之，每个中间永磁体具有一个北极，该北极面对所述两个主永磁体中的北极面对间隙的主永磁体，并且每个中间永磁体具有一个南极，该南极面对所述两个主永磁体中的南极面对间隙的主永磁体。

尽管前述布置的第一个考虑可能导致这样的结论：排斥的极间22、23的存在完全不利于(在磁稳定性方面)在它的任一侧上的主永磁体14、15，但是情况并非如此。间极22、23的完全磁化的侧部24、25在排斥从主永磁体14、15的前面发出的力线的同时当然吸引同一主永磁体14、15的后面，这是因为后面的极性当然与主永磁体的前面的极性相反。因此，减少了对主永磁体的净效应。这在图1b的插图Y处以较大的比例示出。间极22和23的邻近主永磁体14的侧24被磁化为北，因此与主永磁体的前面排斥。这加强了从所述前面发出并且跨越空气间隙16的通量线。然而，间极的相同侧面24也有利地吸引主永磁体14的面向内的南面。

间极22、23二者的存在防止了跨越主永磁体的边缘之间的间隙的侧向通量泄漏以及增强了跨越发电机的空气间隙16的磁场，同时未明显有损于转子主永磁体14、15中的任何一个的磁稳定性。因此，可以使用铁素体磁体代替稀土磁体来制造发电机，这是因为磁场增强，且因此生成了值得的电动势。

在图2示出了此布置的功效的一个实际实施例，其取自对面对的转子环的主永磁体之间的磁场强度的3D测量。列1示出了跨越一个给定的空气间隙的一半均匀取得的四个磁性片。(顶部图像是邻近于磁体的通量图案的图像，底部图像是跨越空气间隙16的一半的图像)。列2再次示出了相同的磁性片，但是存在间极。在此情况下，该顶部图像与第1列中的相同的顶部图像相比示出了鲜明的对比，并且在所有切片中维持了总体“黑度”的增加，“黑度”指示通量强度。

通过物理测量(如实际上创建图2的图像所使用的)以及如通过有限元分析独立地计算，证实实际效果是通量密度平均增加18％-20％。因此在定子的线圈内生成的电动势的同量增加也是18％-20％。这是一个显著的增加，因为发电功率与感应电压的平方成比例。因此，20％的电动势增加导致功率增加44％(1.2²)。在实践方面，这将意味着，例如大型近海风力涡轮机的10MW输出将被增加至14.4MW。与所生成的额外电力的商业回报相比，形成间极所使用的附加磁性材料的成本在非常短的时间内是很少的。

现在参考图3给出可以如何进一步优化由使用间极而引起的益处的实施例。

在任何永磁体的情况下，从其发出的力线的图案和密度是由磁体几何形状来控制的。以一个简单的矩形块磁体为例，从它的任一个磁极面发出的每单位面积的通量密度远不是均匀的，并且在某些位置(例如远离它的正中间位置)明显地衰落。发生这样情况的机制是复杂的，但是通过有限元分析技术可以对场分布精确建模。在本发明的转子的情况下，目标仅仅是使跨越磁环之间的空气间隙的力线的密度最大可能程度地增大。

为此，据发现，间极31沿着其径向长度比它被定位所抵靠的主永磁体30、32更长可能是有利的。换句话说，中间永磁体比主永磁体更靠近公共轴线地在长度上径向向内延伸，和/或中间永磁体比主永磁体更远离公共轴线地径向向外延伸。这被示出在图3a处。两个主永磁体30和32将间极31夹在之间。极间31被示出为比其相邻的主永磁体30、32更长。结果是倾向于维持沿着主永磁体30、32的整个长度发出的力线更均匀地集中，如在33处指示的。如果间极31具有相同的长度，则将存在通量线的强度在主永磁体30、32的顶部和底部附近变小的趋势。在不存在任何间极31的情况下，诸如在34处示出的图案导致在切割多匝较大直径的线圈(如在34a处示出的)方面明显不利，并且因此在优化电动势生成方面明显不利。

优化通量密度的另一方面涉及间极35相对于其相邻物的厚度。这在被示出在图3b中，其中主永磁体30和32将间极35夹在之间。通过削减间极35的前面，从磁体30和32发出更均匀分布的通量，这再次有益于发电机的性能。因此，将中间永磁体布置成在旋转发电机的轴向方向上的长度小于在主永磁体的轴向方向上的长度，使得对应的主永磁体比第一磁环的中间永磁体与第二磁环的中间永磁体之间的距离更靠近在一起，这是存在益处的。

通过处理主永磁体和间极的侧部的轮廓可以实现又进一步的优化。使用现代制造技术将磁体烧结成期望的弯曲轮廓是可行的。参考图3c给出了一个实施例。在30和32处示出了两个主永磁体，具有凸弯曲侧，使得每个主永磁体30、32跨越其中间部分较宽。安置在它们之间的间极31相反地凹弯曲。跨越主永磁体30和32的中间的磁性材料的增加——关联由间极31的存在引起的场强度的改进——导致从主永磁体30、32的中央带发出的通量密度显著增加，用于切割定子线圈的接近竖直侧部分，因此进一步有益于生成的电动势。在一个实施方案中，侧部可以以其他形状弯曲，例如以易于制造或组装或影响磁场。主永磁体可以具有凹侧，并且间极可以具有凸侧。

主永磁体和中间永磁体的弯曲可以是互补的，使得一个可以安置到另一个内。这确保了所有空间被有效地用于实现期望的磁场。

实际上，对于任何特定尺寸的发电机，可以研究图3a、图3b和图3c中示出的变化的组合以建立最佳的几何形状。

在一些情况下，主永磁体和间极的侧部物理上邻近可能不实际或不是所期望的。这可能是由于制造成本、对从它们发出的通量的成形或确保对抗去磁化的稳定性。在此情况下，引入定位在间极和主永磁体之间的铁磁材料的铁磁磁极片插入件可能是有利的。

参考图4，给出了包括磁环转子的多种磁体以及当根据本发明将它们安装在铁磁背板48的任一侧上时它们的场如何有利地耦合的详细示意图，该铁磁背板48在本文中被称为背铁板。(注意，该板的厚度未按比例示出，而是为了清楚起见已经被放大地示出)。

在36至41处示出了主永磁体并且这些主永磁体将间极42至47夹在之间。耦合从磁体发出的场的磁矢量被示出为在背板48内的带箭头的较浅的线。可以看到，如在53处以较大比例示出的，它们全都有利地加在一起，以在背板48的圆周周围形成较厚的矢量49至52等。在磁体面的后方的此正向耦合进一步增强从主磁体的前面发出的通量的密度，以及帮助确保——如上所述——主永磁体的磁稳定性。

为了实现充足的通量密度并且因此生成足够的电动势，主磁体和间极磁体二者都具有宽的尺寸，如图1b和图5中示出的。这提供了宽的通量分布，以用于切割宽度相当的多匝定子线圈的匝。在此情况下，存在明显的通量并且通量从两个磁体序列的后面发出。

背板的存在改进了磁体操作的工作点。如果使用铁素体磁体，则这对于本发明的发电机尤其重要。这些可能容易受被外部场去磁化的影响，诸如可能由电枢电抗引起。因此，对完成磁性回路的可能的任何改进降低了发生此情况的可能性。在图7的磁滞回线中示出了改进的工作点的一个实施例，其中由虚线指定的原始工作点区域被提升到实线，因此将磁体从由超过Hc的去磁化场表示的危险区域移出。

具有任何期望的输出的发电机都可以由延伸的一叠堆的转子构造。这在图5中的54处示出。在55至59处示出了五个环并且在它们的面上承载主永磁体和间极(如在本文中描述的)，诸如以形成用于四个定子或线圈环(未示出)的四个空气间隙狭槽。每个转子与其相邻物处于吸引进一步有助于使得它们之间延伸的通量最佳地流动和成形，并且因此也有助于增大线圈内的电动势的生成。

参考图6例示了允许跨越宽磁体的边缘进行磁化的方法，诸如如果直径相当大的转子(例如具有几米的直径的那些转子)需要较大的间极，则可能需要该方法。在此图中，两个、三个(如例示的)或更多个较薄的磁体75、76和77——如在上文中公开的跨越它们的两侧被磁化——被制造且然后被带到一起以形成单个较宽的间极，如在78处示出的，其中其侧部被磁化为北和南。

现在参考表1呈现对本发明的配置中可能的磁通量的改进的测量。

磁场强度表(单位kG)

表A：在不存在铁磁环的情况下在磁体的后面和前面处的磁场强度(从9次测量的平均值中取得)

表B：安装在6mm背板上的磁体的前面的磁场强度。

表A，没有背铁

后侧：

实施例1：平均值的平均值：0.48

间隙侧：

实施例2：平均值的平均值：0.796

比率：实施例1/实施例2：60％

表B，具有背铁

间隙侧：

实施例3：平均值的平均值：1.047

比率：实施例3/实施例2：1.31

参考表1的表A，示出了在后侧和间隙侧跨越将两个中间永磁体夹在之间的三个主永磁体的布置(但是甚至不存在背板)的后面和前面的通量强度的测量。对每个主磁体进行九次测量——如示出的，被平均为三次——并且对每个中间磁体进行三次测量，平均为一次。在实施例1/实施例2处示出了两组之间的比率，即60％。这清楚地示出，在两个磁体序列的后面处以及在它们的前表面处存在可观的磁场。

参考表B，现在在相同的磁体布置的情况下将厚度为6mm的背铁放在恰当位置中，并且在前面(即间隙侧)上取得了新的场强度值。在此情况下，跨越前面的场的强度增加的测量值非常大，即31％，如在实施例3/实施例2处示出的。这示出了使用背板在耦合磁体的后侧中以及在增强可使用的场强度中的功效。在一个实施方案中，背板是至少4mm厚，优选地至少6mm厚。该厚度优选地使得在背板的后侧上(在单侧布置上)大体上没有磁通量。

注意，在铁素体磁体的情况下，它们在制造期间的磁化不是精确科学。材料成分和磁场强度的变化是跨越磁体的相应相同位置的平均值变化的原因。

本领域技术人员将明了许多变化。

Claims (14)

1.一种旋转发电机，包括：

至少一个磁环对，所述至少一个磁环对包括之间具有间隙的第一磁环和第二磁环；

一个线圈环，所述线圈环在所述间隙中；

所述第一磁环和所述第二磁环以及所述线圈环具有一个公共轴线；

所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自具有：

一个围绕所述公共轴线间隔开、具有交替的面对所述间隙的北极和南极的主永磁体序列，一个磁环对的第一磁环和第二磁环的、具有面对所述间隙的不同磁极的对应的主永磁体跨越所述间隙面对彼此，使得磁通量线跨越所述对应的主永磁体之间的间隙，以及

一个中间永磁体序列，所述中间永磁体中的每个被定位在两个主永磁体之间，每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个北极，所述北极面对所述两个主永磁体中的北极面对所述间隙的主永磁体的一侧，并且每个中间永磁体邻近所述间隙具有一个南极，所述南极面对所述两个主永磁体中的南极面对所述间隙的主永磁体的一侧，

所述线圈环具有一个线圈序列，所述线圈序列围绕所述公共轴布置，使得当使所述第一磁环和所述第二磁环相对于所述线圈环旋转时，磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流，

其中所述至少一个磁环对的所述第一磁环和所述第二磁环各自还包括一个铁磁材料的背板，所述主永磁体被定位在所述背板和所述间隙之间并且被安装到所述背板，使得邻近的主永磁体通过所述背板磁耦合至彼此，

其中所述发电机的转子包括多个所述磁环对，邻近的磁环对共用共同的一个所述背板，使得除了在轴向末端背板处，每个背板在两侧上都提供有所述主永磁体序列和所述中间永磁体序列。

2.根据权利要求1所述的旋转发电机，其中对于给定尺寸的发电机，所述主永磁体的宽度与所述中间永磁体的宽度的比率连同对用来生成电动势的多层定子线圈的有效部分的平均宽度的选择各自被确定为使得在所述定子线圈中生成的电动势比不存在中间永磁体增加至少20％。

3.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，其中所述主永磁体的在径向方向上延伸的至少一侧是弯曲的。

4.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体的在径向方向上延伸的至少一侧是弯曲的。

5.根据权利要求3所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体的在径向方向上延伸的至少一侧是弯曲的。

6.根据权利要求5所述的旋转发电机，其中所述主永磁体的所述侧的弯曲和所述中间永磁体的所述侧的弯曲是互补的，使得一个安置在另一个内。

7.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，还包括定位在所述中间永磁体和所述主永磁体之间的铁磁材料的铁磁插入件。

8.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体比所述主永磁体更靠近所述公共轴线地在长度上径向向内延伸，和/或所述中间永磁体比所述主永磁体更远离所述公共轴线地径向向外延伸。

9.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体在所述旋转发电机的轴向方向上的长度小于所述主永磁体在轴向方向上的长度，使得所述对应的主永磁体比所述第一磁环的中间永磁体和面对的第二磁环的中间永磁体之间的距离更靠近在一起。

10.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体由一叠堆的侧向连结的磁体构造，这些磁铁各自以提供具有期望总宽度的单个中间永磁体的方式跨越它们的相对侧被磁化并吸引其相邻物。

11.根据权利要求1或2所述的旋转发电机，其中所述背板具有4mm或更大的厚度。

12.根据权利要求3所述的旋转发电机，其中所述主永磁体的在径向方向上延伸的至少一侧是凸的或凹的。

13.根据权利要求4所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体的在径向方向上延伸的至少一侧是凸的或凹的。

14.根据权利要求5所述的旋转发电机，其中所述中间永磁体的在径向方向上延伸的至少一侧是凸的或凹的。

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