CN110337777A - 旋转发电机的改进 - Google Patents

Abstract

一种轴向磁通旋转发电机，包括：两个磁环；线圈环；所述磁环和所述线圈环具有公共轴线；两个磁环限定围绕公共轴线延伸跨越两个磁环之间的间隙的多个磁场，所述线圈环在所述间隙中具有围绕所述公共轴线的线圈顺序，使得当使所述磁环相对于所述线圈环转动时，来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流；和在所述线圈环的中心孔处设置或朝向所述线圈环的中心孔设置以抵抗所述线圈环的轴向弯曲的部件。

Description

旋转发电机的改进

背景技术

本发明涉及轴向磁通发电机的定子和转子的构造的改进，特别地涉及在专利申请GB 2520516、GB 2532478和GB2538516中公开的类型的发电机的定子和转子的构造的改进。

在这种形式的发电机中，一系列同轴地间隔开的环形转子——两侧布置有永磁体——将一系列共轴地装载线圈的环形定子夹在中间。附接至且居间于转子的内侧部分的环形套管保持转子之间的分离以及转子磁体表面和定子表面之间所需要的最小空气间隙。定子环的内直径足以避让开通过其中的套管。一些列转子通过接合螺栓结合在一起并通过外部部件可旋转地驱动——例如风力机的转子——从而相对于定子旋转，接合螺栓穿过转子以及使各转子分开的套管。从一个转子上的永磁体穿过空气间隙到达对面的转子上的磁体的磁通量对夹在转子之间的多匝定子线圈进行切割，从而产生电磁力。

对于特定的应用，尤其在慢速旋转直接驱动应用中使用这种发电机的情况下，期望转子和定子具有相当大的直径。原因在于根据弗莱明定律，导体内产生的电流与磁通对其切割的速率成正比。因此直径越大，转子提供的磁通切割安装在定子内的多匝线圈的速率越大。通过使用大直径装置，能够弥补在直接驱动装置中传统齿轮箱增大旋转速度的缺失。

发明内容

本发明提供一种轴向磁通旋转发电机，包括：两个磁环；被机械地支撑在外边缘处的线圈环；所述磁环和所述线圈环具有公共轴线；两个磁环限定围绕公共轴线延伸跨越两个磁环之间的间隙的多个磁场，所述线圈环在所述间隙中具有围绕所述公共轴线的线圈顺序，使得当使所述磁环相对于所述线圈环转动时，来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流；和设置在所述线圈环的中心孔处以抵抗所述线圈环的轴向弯曲的部件。

因此，根据本发明，在本文所述的类型的发电机的定子(线圈环)的中心孔处或者朝向定子(线圈环)的中心孔设置部件来防止或基本上防止在使用中定子沿着发电机的长度偏离其指定的对准的轴向弯曲的程度。这特别地适用于其中定子(线圈环)直径至少为其轴向厚度(不包括抵抗轴向弯曲的部件)的三十倍或更多倍的发电机。对于其中定子尺寸至少为其轴向厚度的五十倍或更多倍的发电机，在没有本发明的抵抗轴向弯曲的部件的情况下存在更高的轴向弯曲的风险。这解决了定子的轴向弯曲(可能导致损坏)的问题。

根据本发明的第一方面，所述抵抗轴向弯曲的部件为在所述定子的一侧或两侧附接至所述定子的中心部分的一个或多个加强构件的形式，优选地，所述一个或多个加强构件为自身环形，优选地，所述一个或多个加强构件由被设计为抑制所述线圈环轴向弯曲的任何倾向的材料形成。在该第一方面的特征中，可以在转子盘上或者使转子盘分离的套管内设置环形凹部，从而容纳所述加强部件。

在一实施例中，抵抗轴向弯曲的部件包括承载件。这是有利的，尤其在承载件为接触式承载件的优选的实施例中，因为这样的部件与加强构件相比能够抵抗更大的轴向弯曲。

根据本发明的第二方面，所述定子的用于限制轴向弯曲的部件包括位于所述定子上的塑性承载表面，所述塑性承载表面与安装在所述转子上的相似承载表面滑动接触或者接近于滑动接触。所述安装在所述转子上的承载表面在位于所述定子上的所述塑性承载表面的两侧。承载表面的存在使得定子盘任何明显的轴向弯曲在物理上不可能。作为安装在转子上的承载表面的替代，承载表面可以安装在使转子分离的套管上。

对于特别大的定子和转子，优选地采用更耐用且耐磨的对准部件，而不使用塑性承载板。在该示例中，可以使用正式的保持架轴承装置，其中环形轴承的内座圈安装在使转子盘分离的套管的表面上或者套管上的槽内，并且外保持架安装在定子盘的内侧区域，或者安装在限定其内直径的内侧圆周面之内且位于该内侧圆周面上。

为了优化发电重要的是定子盘的尽可能多的区域被生成电磁场的线圈占据。因此，期望任何上述装置均不干涉该发电区域的任何部分。在一实施例中轴向磁通旋转发电机还包括在磁环(磁环可以为安装有磁体的盘的形式)之间延伸的套管。优选地环形套管与公共轴线间隔开。根据本发明的一方面，本发明的用于限制或防止定子盘的轴向弯曲的部件被容纳在使转子盘分离的套管中的一个或多个圆周槽内。因此大部分定子盘仍可用于容纳线圈。

在一实施例中抵抗轴向弯曲的部件的一部分安装在套管上。由于能获得最大的机械优势因此这是有利的，这是因为通过这种方式线圈环具有附接在线圈环的最末端处的针对弯曲的部件。在一实施例中线圈环的至少一部分延伸至一个或多个圆周槽，这进一步增加了组装的强度，同时使发电的组件能够占据的区域最大化。

所有上述装置提供不同程度的针对在使用中发电机的定子的轴向弯曲、并伴随着对其表面以及在其两侧的转子的表面的损伤进行限制或克服的效果。

根据本发明的另一方面，设置通道从而能够以预定的维护间隔时间对承载件表面/部件进行润滑。

在一实施例中，抵抗轴向弯曲的部件在径向方向上位于线圈环的所有线圈的内侧。因此线圈环的外侧区域能够由用于发电的线圈占据，而线圈环的内圆周能够容纳抵抗轴向弯曲的部件。因此抵抗轴向弯曲的部件位于能实现最大机械优势且发电效率最低的位置。

附图说明

参考附图对本发明进行描述：

图1a示出了可应用本发明的类型的发电机的分解图并且图1b示出了等比例的定子和转子；

图2示出了第一种形式的限制定子轴向弯曲的装置；

图3示出了第二种形式的限制轴向弯曲的装置；

图4示出了第三种形式的限制轴向弯曲的装置；

图5a示出了布置线圈的线圈环；

图5b示出了在使用过程中对图2至图4的部件润滑的部件。

具体实施方式

参考图1a，轴向磁通发电机的承载环形磁体的转子以10、11和12处示出。围绕转子的边缘安装以形成磁环的磁体6、7、8、9以其之间存在空气间隙的方式彼此面向。环形套管13和14在转子10-12之间延伸并在转子10-12的内侧部分处将转子10-12分隔开，并且在转子10-12之间保持精确的间隔。环形套管与共同轴线间隔开。转子10-12与套管13、14通过接合螺栓15和16结合在一起。装载线圈的定子17和18形成线圈环并且被夹在三个转子10-12之间。

磁环和线圈环具有共同轴线。两个磁环限定围绕公共轴线延伸跨越两个磁环之间的间隙的多个磁场。线圈环在该间隙中的围绕公共轴线的线圈的顺序使得当使磁环相对于线圈环转动时，来自磁场的磁通量线切割多匝线圈并因此在线圈中感应电流。

对于特定的应用，可以使用具有五六米或甚至七米的直径的超大直径发电机。这在转子的转动速率特别慢的场合是需要的，例如当直接通过风力机的转子驱动的场合。示例可以低至16rpm或14rpm。通过其纯直径获得的转子的圆周速度、并因此来自转子的磁体的磁通量线切割被夹在其之间的线圈的增加的速率对缺少齿轮箱将转动速率增加到与小直径转动发电机相关联的正常rpm范围(例如1500rpm)进行了补偿。

这种大直径装置的示例在图1b等比例示出。大直径环形定子实际上是具有中心孔的薄盘。两个转子19和20将定子21夹在中间。在现有设计中，定子不存在针对其中心部分22的轴向支承。在定子的外边缘处可用机械支撑，如以23所示的，从而保持定子在其转子盘之间准确地对准，但是其效果向着中心区域趋于下降。由于定子在其两侧被很靠近地夹在基本上相等直径的转子之间，因此大部分定子区域是难以接近的。通常，定子可以是七米直径，但轴向厚度仅50mm。这实际上导致定子在轴向意义上容易受到朝向其中心的损坏，而且易受轴向扰动的损害。在发电过程中产生的力的物理效果决定线圈经受的力矩应该完全存在于平面意义上并因此处于定子的平面内，因此开发者设想轴向方向非常薄的线圈环——其在磁环之间具有小间隙方面是优选的并因此提高发电效率并足以保持低成本。然而，本发明人通过实验出人意料地发现会出现寄生力造成定子轴向弯曲，如通过箭头所示。在现实中存在实际的风险，即在发电机的操作过程中在轴向意义上出现的任何振动——如可能在定子线圈内产生电磁场时定子线圈经受的非对称的循环力造成的振动——可能造成定子的表面在其两侧摩擦转子上安装的磁体。可导致严重的且可能灾难性的损坏。

参考图2示出了第一种解决方法。图2以放大细节示出了图1的发电机的上半部分中心区域。在该示例中示出了线圈环的定子24装配有抵抗轴向弯曲的部件，其形式为构造为从材料到尺寸设计成对轴向弯曲的任何趋势进行限制的环形加强构件25和26。环形加强构件在径向方向上的内侧部分有效地增加线圈环的轴向厚度。环形加强构件可以与形成嵌有线圈的定子的盘整体形成或者非整体形成。围绕磁环的转子29和30安装的磁体27和28的径向长度被限制，从而设置凹部30a来容纳环形加强构件25、26。抵抗轴向弯曲的部件在径向方向上位于所有线圈的内侧，从而为发电组件给出尽可能大的空间并实现最优的机械优势。

参考图3示出了第二种解决方法。在该示例中，不同于图2的环形加强构件，抵抗轴向弯曲的部件是承载件，例如接触式承载件。在图2的示例中，定子盘的内侧部分配备有承载塑性表面31和32。以33和34示出的转子也类似地配备有承载塑性表面。如果存在定子在轴向意义上移动的任何趋势，承载板阻止该趋势发生。为了避免过度磨损，承载板不需要持久接触，因此在其之间存在小的气隙。

参考图4示出第三种解决方法。尤其对于重载应用，例如1MW或更高速率发电的发电机，并且寄生轴向力更大/更明显的场合，期望使用更重载的方案来完全解决定子轴向振动或移动的任何倾向。

在这种情况下，可以使用正式的环形球轴承座圈或等同件，如以35所示的。抵抗轴向弯曲的部件的一部分——例如球轴承座圈的内侧部分——附接至中心套管36，并且球轴承座圈的外侧部分附接至定子38的内圆周面37。在该示例中，在这些承载件精确制造并组装的情况下，几乎不可能发生在轴向意义上的移动。

对于这种构造形式的任何发电机而言重要的是，尽可能大的定子区域被利用并布置线圈，在图5a示出了该示例。匝数越多，输出越大。

图5b示出了确保任何上述装置不干涉该发电区域的解决方法。不同于图2至图4示出的表面装置，可在中心套管中设置槽，如图5b的以39所示的。定子40能够“伸入”或嵌入该槽中，使得上述公开的所有移动约束方法均被限定于该区域。在图5b所示的示例中，塑性承载件以41、42示出为位于槽内，并且以43和44示出为位于定子上。与图4相比能够看到，这能够使磁体27和28、以及类似地定子线圈45在径向方向上更长，从而便于产生的电磁场增大。

作为配备有本发明的部件的发电机的例行维护的一部分，期望定期提供润滑。为此布置有贯通套管的润滑槽或润滑通道46，润滑槽或润滑通道46连通至槽39从而允许适当的润滑剂从环形套管13、14的内部到达操作表面。

对本领域的技术人员而言各种变型是显而易见的。

Claims (16)

1.一种轴向磁通旋转发电机，包括：

两个磁环；

线圈环，所述线圈环被机械地支撑在外边缘处；

所述磁环和所述线圈环具有公共轴线；

所述两个磁环限定围绕公共轴线延伸跨越两个磁环之间的间隙的多个磁场，所述线圈环在所述间隙中具有围绕所述公共轴线的线圈顺序，使得当使所述磁环相对于所述线圈环转动时，来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈并因此在所述线圈中感应电流；和

设置在所述线圈环的中心孔处以抵抗所述线圈环的轴向弯曲的部件。

2.根据权利要求1所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述抵抗轴向弯曲的部件为在所述线圈环的一侧或两侧附接至所述线圈环的中心部分的一个或多个加强构件的形式，优选地，所述一个或多个加强构件为自身环形，优选地，所述一个或多个加强构件由被设计为抑制所述线圈环轴向弯曲的任何倾向的材料形成。

3.根据权利要求1或2所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述抵抗轴向弯曲的部件包括承载件。

4.根据权利要求3所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述承载件是接触式承载件。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈环的所述抵抗轴向弯曲的部件包括位于所述线圈环上的塑性承载表面，所述塑性承载表面与安装在所述磁环上的承载表面滑动接触或者接近于滑动接触，所述安装在所述磁环上的承载表面在位于所述线圈环上的所述塑性承载表面的任一侧。

6.根据权利要求5所述的轴向磁通旋转发电机，其中当静止时，在位于所述线圈环上的承载表面与所述磁环上的承载表面之间存在间隙。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述部件还包括环形球轴承座圈或等同件。

8.根据权利要求7所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述环形球轴承座圈的内侧部分附接至在所述磁环之间延伸的套管，并且所述环形球轴承座圈的外侧部分附接至所述线圈环的内圆周面。

9.根据权利要求1至7中的任一项所述的轴向磁通旋转发电机，还包括在磁环之间延伸的环形套管。

10.根据权利要求9所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述抵抗轴向弯曲的部件的一部分安装在所述套管上。

11.根据权利要求9或10所述的轴向磁通旋转发电机，其中，所述抵抗轴向弯曲的部件的至少一部分被容纳在所述环形套管中的一个或多个圆周槽中。

12.根据权利要求11所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈环的至少一部分延伸至所述一个或多个圆周槽中。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述环形套管与所述公共轴线间隔开。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的轴向磁通旋转发电机，还包括通道，所述通道设置成贯通在所述磁环之间延伸的套管，使得润滑剂能够被提供至所述抵抗轴向弯曲的部件。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈环的直径至少为所述线圈环的轴向厚度的三十倍或更多倍。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述抵抗轴向弯曲的部件在径向方向上位于所述线圈环的所有线圈的内侧。