CN1539191A - 转子和发电机 - Google Patents

Abstract

一种发电机的转子和一种结合这种转子的发电机，转子由一中央轮毂、一径向隔开的同轴并具有安装在其上的转子磁性元件的轮缘部分和多个细长的拉紧构件，拉紧构件通常在轮毂和轮缘之间延伸并基本上保持拉紧，以使轮缘基本上保持受压。轮毂可由轴向隔开的动力驱动装置，例如风力或海洋潮流涡轮机而旋转驱动。

Description

转子和发电机

技术领域

本发明涉及一种发电机的转子及装有这种转子的发电机，更具体地说，涉及一种低速发电机的转子及装有这种转子的低速发电机，也就是说，一种发电机，其中将驱动力施加于动力机构，尤其是一种旋转的动力机构上，例如涡轮机械，并与其耦合，则由直接驱动或通过低传动比的传动装置使转子转动。

背景技术

本发明尤其涉及大型风力涡轮发电机和海洋潮流涡轮发电机的设备以及讨论现有技术和特别是在以前给出的一些发明的实施例。然而，人们将会相信，本发明一般在转子受到高扭矩的发电机中有潜在用途。

最初，大部分工业用风力涡轮机均采用由通用感应电动机改装的发电机。通常的做法是通过提供高传动比的多级变速器，把典型的50转每分钟(rpm)或以下转速的涡轮转子轴连接到典型的转速大约1500转每分钟(rpm)的发电机上。然而，多级变速器复杂、沉重、昂贵、需要保养以及应用在风力涡轮机里存在可靠性的问题。

随着风动力工业成长和一般涡轮机的额定功率日益增大，业已研制成新的发电机以满足这方面的特别需要。最近，完全不用变速器的直接驱动发电机业已出现并占有市场很大的比率。这些发电机以与涡轮相同的速度旋转，用于提供所需电力输出，从而使变速器成为多余。这使机械机构简化，潜在的降低成本和停机维修时间。

对于一般传统设计的直接驱动发电机，一大直径叶状涡轮机通常有两或三块叶片，其轴向是被此隔开的并直接地通过转子轴耦合一较小直径的转子。直接驱动发电机需要一大直径以补偿涡轮机的低转速和保持发电机转子的适当圆周速度。发电机的轴向长度常常是十分短。因此，直接驱动发电机外型为圆盘形。

通常的要求是采用大涡轮以增加容量和功率，尤其是大的近海风力发电场。如果把现有的直接驱动涡轮简单地按比例放大，便会不切实际，因为会有很多关于这种极大尺寸构件的制造、重量和运输问题。

现在市场上可买到的有2MW(兆瓦特)等级的风力涡轮机和预计将有更大的发电机，这主要是针对新兴的近海风力发电市场。然而，例如一5MW的直接驱动发电机的直径大约是15米，极其笨重。

这种发电机的尺寸和重量会引出几个领域的间题。其包括：

(i)需要极大孔径的机床

(ii)需要具有大容量起重机的高屋顶车间

(iii)大型外购组装件或成品发电机的运输。这对出口市场会是更大的问题

(iv)塔顶的安装

(v)塔顶的重量对风力涡轮机设计的其他方面影响

美国第US6064123号专利对于风力涡轮发电机叙述了另一种解决轴向由较小直径转子隔开，且位于其间具有或者没有变速器的较大直径叶状涡轮机的典型设计问题的方法。在US6064123里，通常用作从风中获取动力的几块大的风力涡轮机叶片，由一旋转安装的中央轮毂、一与轮毂同轴的轮缘以及许多设置在轮毂和轮缘之间的叶片替代。为了在定子中产生电流，通过在轮缘上设置多个磁铁使发电机的转子装在涡轮结构中。这种结构表示转子轮缘的直径与叶片排列的直径相似。

虽然这样的结构相对于传统的等同的直接驱动设计具有高的圆周速度，但就高圆周速度的相关好处来说，这种组合的极大的结构会使上述一些问题变得更差和产生它本身的一些问题，因此不能发挥或提供传统直接驱动设计所认同的其他一些好处(例如采用两或三块叶片)。

传统设计的直接驱动发电机中的笨重铁芯也足以使一些问题变得更差，尤其是重量、效率损耗、组装时的磁力和气隙力方面的间题。

正如本领域的技术人员将会察觉到的那样，上述的许多问题在其他情形下也会出现，即在传统上采用大型转子，尤其是圆盘转子。具体地说，类似的问题在海洋潮流涡轮发电机等的设计中也会出现。

发明内容

本发明的一个目的是提供一发电机转子，其结构可达到减轻上述一些或全部的缺点的程度以及提供一结合这样的转子的发电机。

本发明的一具体目的是提供一转子，特别是一由风力或海洋潮流涡轮机直接或通过低传动比传动装置驱动的低速发电机转子，其能经济地大规模制作。

本发明的一具体目的是提供一发电机转子和一结合这样的转子的发电机，其尺寸重量比和/或功率重量比的性能均得以提高。

因此，根据本发明最宽概念中的第一方面，发电机转子包括一中央轮毂、一径向相互隔开而且通常是同轴的轮缘和多个细长的拉紧构件，它们一般在轮毂和轮缘之间延伸，其基本上保持拉紧以保持轮缘大体上受压，以及多个其上配置的磁性件，它们以一般平均间隔大体上围绕整个轮缘排列，可使所述的轮毂安装成可由一远距离的、尤其是一轴向隔开的涡轮旋转地驱动。

本发明结构的刚性由保持受压的轮缘给予，而且通常径向的支柱或轮辐保持拉紧，这些对转子来说是足够的，同时与传统转子方式比较，重量显著减轻。

因此，这样的结构本身有助于制作低速发电机中应用的大型转子，该转子可被直接驱动或通过低传动比的变速器，例如一单级变速器驱动。先前提及的与现有技术里多级高传动比传动装置的设备有关的问题就不存在。这样的结构本身尤其有助于用作传统上在直接驱动发电机，例如风力或海洋潮流涡轮机中所用的大型圆盘转子的一种替换物。

这样的结构可与任何适合的低速设计，尤其是直接驱动的风力或海洋潮流涡轮机一起使用，其由动力传动机构组成，以大直径叶状涡轮的形式，所述涡轮轴向隔开和以传统方式，通过低传动比，例如单级变速器或最好是直接地通过一脱离啮合的机械联接器，经涡轮转子轴在操作上与转子的轮毂耦合。以上所述的为关于水平轴涡轮机一般的应用，但本发明不限于此，原则上可适用于纵轴涡轮机或其他实用的可提供相关优点的涡轮机构。

这样的结构与US6064123提出的另一方案相反，其具有一圆形转子/涡轮机构，但其中发电机构与涡轮叶片是整体的。这表示，转子轮缘的直径与叶片机构的直径近似，因此这系统不能发挥或者提供传统直接驱动设计所认同的许多其他好处(例如采用两或三块叶片)。相反，本发明以极好的方式接纳这些好处并叙述一转子结构，其并不与叶片或其他由风或水获得动力的装置结合。具体地说，叶片并不是安装在拉紧构件上。其仅是一适合用于与任何其他适当的动力驱动装置一起的转子(或与定子结合和电气上脱离的一发电机)，例如一由风力或水流获得动力的叶状涡轮机。

根据本发明，至少一磁性转子元件配置在轮缘上。这些磁性元件可配置在轮缘的内或外表面。转子包括多个基本上完全地配置在轮缘周围及通常平均地隔开的磁性元件。这些元件可以用多个不连续磁铁的形式或以一较大磁铁里不同极化区的形式或以线圈形式或以其一些组合。

适当地把多个磁性元件配置和极化，在转子周围的空间里产生一磁力线多极分布。例如，磁铁可以沿着轮缘，在轮缘的外或内表面配置和径向地、轴向地或两者组合地以包含径向的和/或切向的和/或轴向的磁元件所产生的磁力线分布极化。

转子的轮缘构造可以是简单的圆形或多边形，但是，具体地说，不一定为接近圆形具有许多边的多边形。本文中所提到的轮缘圆周形或轮缘圆弧或径向，应该解释为包括所提到的这一多边形的周长或它的一部分或根据情况而定，由多边形的中央到边缘的方向。

轮缘可以是单体的结构或可以是组装式的结构，其根据情况而定，可包括多个圆弧部分或多边形轮缘的边缘。轮缘可以是实心结构或开放式结构，例如桁架等的结构，提供这样的结构要适当地做到根据本发明所规定的原则使轮缘基本上保持受压。

拉紧构件通常是径向地由轮毂延伸到轮缘。然而，拉紧构件最好不是直接地径向，而是轴向地偏移和成切向倾斜。这种配置是常见的及可理解为可在它旋转时，改善结构里传输的扭矩。最好是采用切向倾斜的拉紧构件作这样的配置，以抵抗任何方向的扭矩。这样的配置可以是不对称，以抵消一方向比另一方向大的扭矩。然而，被预加应力的整个结构，较方便则为对称的设计和通过在一方向上切向倾斜的轮辐增加拉力以及在相反方向切向倾斜的轮辐中减少拉力来传输扭矩。

拉紧构件通常在旋转面以径向或切向的模式配置。然而，拉紧构件最好在轴向相对于旋转面有一定程度倾斜，使结构能抵抗轴向力。

转子的磁性元件最好包括多个磁铁，具体地说，用多个以多极交替配置的磁铁，其最好配置在一表面的周围(尤其在轮缘的外表面)且大体上平均地隔开。另一方式是多个磁铁以相同极化配置以建立一磁极阵列：一磁极以及一些中间随后相反极性的磁极。

磁铁的材料最好是呈高矫顽力的永久磁铁。对于本领域的技术人员来说，适当的材料包括高矫顽力铁氧体、烧结的钕铁硼和铁硼等。另外磁铁可采用非永久性磁铁例如线绕线圈。

磁铁可用任何适当的方式依附在轮缘上，例如用胶合或装入轮缘的凹处内。在后者的情况里，仅用磁力固定位置亦足够。

轮缘需要在受压中具有适当的结构特性，但最好也包含铁磁材料。轮缘最好由具有良好的受压性能的铁磁材料制作例如磁钢。另外，轮缘可包括一结构部分，其由以抗压强度所选的材料制作以及一依附在其上的磁性元件固定部分，其为磁性元件提供安装。铁磁材料也包括具有适当的铁磁特性。

细长的拉紧构件包括支柱和轮辐等，并取以抗拉强度高的材料组合成在拉紧中使用的线、缆或杆的形状。拉紧构件是能在成品构件中施加预应力和保持拉紧的任何材料，以使受压的轮缘保持刚度。适合的材料包括钢、玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维或其他高强度纤维。轮毂可采用任何适合的结构材料，例如钢。

本发明为大直径的直接驱动发电机提供一机械结构，其不受先前列出的限制。

根据本发明的第二方面，一发电机包括一如本文所叙述的转子。具体地说，根据本发明的一发电机包括一如本文所述的转子和一适当的定子机构。转子和定子可以为任何通量分布而配置。

因此，发电机至少包括一根据本发明的第一方面中所述的转子并同时配置至少一适合的定子，以致于可由一远距离的，具体地说，是一轴向隔开的涡轮使相对于一静止安装的定子作旋转地驱动安装的转子转动，从而由机械能产生电能。

涡轮机给转子提供驱动动力并包括任何适合的驱动装置，其中动力是由入射在其上的流体产生。操作中，涡轮机运转上与转子耦合使它旋转。这样的操作可直接地或间接地通过适当的传动装置或其他传动系统。

发电机最好是一低速发电机，其中驱动力是由一驱动动力装置提供，具体来说，是旋转的动力装置，其机械操作上与轮毂耦合使转子通过低传动比的传动装置旋转，例如以一在1∶1和1∶10之间的传动比，其可以是一单级变速器的形式。更佳的发电机是直接驱动发电机，其中传动力是由驱动动力装置提供，尤其是旋转的动力装置，其机械上直接与轮毂耦合使转子旋转(也就是以1∶1的传动比)。具体地说，本发明涉及大型风力涡轮发电机和海洋潮流涡轮发电机的设备。

另一耦合的装置，包括一个或多个软性的拉紧构件，其在涡轮机的转子轮缘和每一叶片之间连接，例如居于涡轮轮轴和涡轮叶片末端之间的位置。采用这种方法，由叶片施加的力会转移至转子而不会把大的挠矩施加在靠近与涡轮轮轴连接的叶片上。然后，不要求发电机转子结构中的拉紧构件传输扭矩，因此在操作中较少会受到高的应力。

动力传动装置是一流体驱动的涡轮机，其适合于由入射在其上的流体而旋转和运转上与转子耦合，流体驱动装置的移动使转子旋转。具体地说，流体驱动装置包括一流体驱动转子，其在入射流体的作用下旋转。较佳的流体驱动转子是风力或海洋潮流涡轮机。

在较佳的实施例里，发电机是一直接驱动的发电机，因此风力或海洋潮流涡轮机或其他流体驱动转子直接与转子耦合，这样使流体驱动转子的旋转与转子的旋转相同。任何适合的传统设计均可采用。例如，转子可包括多块安装在中央轴上的叶片，在流体入射的作用下旋转。

涡轮或其他流体驱动转子最好与转子同轴，尤其是直接地驱动转子。

在一较佳的实施例里，定子这样构成以使其装配在所述轮缘附近至少一圆弧上，并尽可能大体上在它所有的圆周上。在一特佳的实施例里，定子沿圆周围绕转子所述的圆弧或圆周，即使可构想出使转子沿圆周围绕定子的另一种结构。

转子和定子两者最好均围绕同轴的支撑结构作圆周延伸，其基本上延伸到整个圆周或就定子来说，至少它的一圆弧上。具体来说，定子沿圆周围绕转子，即使可构想出使转子沿圆周围绕定子的另一种结构。

在一特佳实施例里，定子支撑结构沿圆周围绕转子轮缘。具体地说，这支撑结构支撑多个定子线圈，其配置成围绕转子并与转子同轴的圆柱形和每一线圈轴均指向转子的轴。转子包括多个永久磁铁，其沿圆周配置在转子轮缘上和径向地极化，产生一磁通量的多极分布和定子结构支撑一组同样径向定向的线圈，这样，当转子转动，每一线圈的磁链循环地改变和每一线圈感应交变电动势。在另一方式中，转子轮缘可沿圆周围绕定子支撑件，前者磁铁向内配置和后者定子线圈向外配置。

在如上所述较佳实施例里，定子线圈沿圆周围绕转子配置在支撑结构上。任何适合的定子支撑结构也可想象到。定子支撑结构可便利地包括一与转子相似的敞开结构，即为一中央轮毂、一圆形或可能是多边形的轮缘，还有径向且在其间延伸和大体上保持拉紧以保持轮缘基本上受压的拉紧构件。然后，转子和定子支撑件可同轴地安装以提供一合适的同轴和相对地可转动的转子和定子机构。

可装一铁磁定子芯以使永久磁铁产生的磁通增强，正如传统的现有技术系统那样，其包括风力涡轮机用的直接驱动发电机。然而，转子和定子芯会受到一强的磁性吸力。通常，磁性吸力量是施加在业已组装好的转子和定子结构上的最大的力，它们结构设计是由承受所需力而决定。如果定子芯被省略，吸引力不再存在和就能采用一种相当轻的结构。意想不到的是，这还使其具有相当适合的电磁性能，无铁芯的定子的磁通密度较低，这多半由大直径转子轮缘上的磁铁的相对较高速度抵消。

因此，本发明的一实施例里，定子是无芯机构；就是说定子上没有铁芯。另一实施例里，一传统的铁芯仍有需要。

附图说明

图1所示为最好的电磁配置；

图2(i)所示为一悬臂定子；

图2(ii)所示为一两面定子；

图2(iii)所示为一具有刚性支撑的定子；

图3a所示为根据图2第一种配置的转子和定子的分解状的示意图；

图3b所示为装配好的转子和定子示意图。

具体实施方式

各种的电磁布局技术均可采用和对于本领域的技术人员是显而易见的。以下，将结合附图1至图3a和图3b，以一具体实施例，对本发明进行叙述。具体地说，所有例子均采用径向极化的磁铁，不用在定子上的一铁芯以及转子和定子两方均采用本发明的结构。然而，不用再说，原则上本发明同样可适用于其他的磁场几何形状和/或有铁芯或无铁芯定子机构，以及根据本发明结构的转子可与任何适用的定子，例如转子只在定子一圆弧上沿圆周伸展的定子一起使用。

图1所示为最好的电磁配置。在这一实施例中，一铁磁圆柱1配合转子背铁(rotor back iron)和使钕铁硼永久磁铁2装在其外表面上。它们可以用任何适合的方式固定，例如采用黏合剂，但仅仅磁力就足以保持磁铁在位置上。磁铁经径向极化和在围绕转子的空间产生一磁通的多极分布。定子结构支撑一组铜线圈3，它们的轴在一非磁的支架上(图中未示)指向径向。黏合剂或其他固定方式均可把铜线圈固定在适当的位置。线圈可插入支撑结构里面。这将提供良好的电绝缘。

当转子转动时，每一线圈的磁链循环地改变和每一线圈感应交变电动势。与现有技术系统相反，由于上述阐明的原因，本实施例不装铁芯。

通常，配置一铁磁定子以增强由永久磁铁所产生的磁通。然而，根据本发明，业已发现，如果采用足够矫顽力的永久磁铁，这样的增强就是多余的和即使没有铁芯，也有适合的磁链。不用铁芯会大大地降低由结构承受的磁性吸引力，因此可采用一相当轻的结构和充分地发挥本发明的敞开结构的好处。故而，磁铁2是由烧结的钕铁硼制作，以提供所需的矫顽力。

在本较佳的实施例里，定子支撑结构和转子结构均基于轮缘以径向延伸拉紧构件受压的相同的敞开原理。图2(i)至图2(iii)所示为三种可能的机构。

图2(i)所示为一悬臂定子。图2(ii)所示为一双面定子。图2(iii)所示为一具有刚性支撑的定子。

在每一种情况下，同样的元件均采用同样的参考编号。中轴6上具有中心线7，其上装有轮毂8，并以箭头的方向旋转。转子辐条11延伸到转子轮缘12。定子辐条14延伸到与转子轮缘12同轴的定子轮缘15。转子轮缘12和定子轮缘15之间有一气隙17。各种设计在这些普通零件的整体安排上会有不同。另外，图2(ii)中设有轴承18和图2(iii)中则加有保持受压的刚性定子支撑件19。

在图3a和图3b中，以分解图(图3a)和装配图(图3b)表示根据图2第一种配置的转子和定子结构。图3a和图3b所示的转子支撑结构包括一圆形的轮缘21，其由与中央轮毂23连接的轮辐22保持受压。永久磁铁(图中未示)以图1所述的方式装配在轮缘21上。

所示的定子机构包括一对轮缘24a和24b，其以横构件25相连接并由伸展到中央轮毂27的拉紧的轮辐26保持受压。线圈28则装配在第一轮缘24a的内表面。

这只是结构的一个例子，别的结构也可以联想到。

在较佳的结构里，发电机的定子结构和转子结构均基于一或多个受压的外圆形部件(或可能是多边形)，其由拉紧构件的环形阵列，以相当于脚踏车轮轮辐的方式连接中央轮毂/风力涡轮机的转子机构。具体实施例业已叙述这样的例子。拉紧构件在旋转平面里，以径向或切向的模式排列和在轴向的方向倾斜，因此使定子和转子结构能抵抗扭矩和任何轴向力。采用切向倾斜的拉紧构件时，这样的配置可在任何方向抵抗扭矩。一些实施例里，包含轮缘的平面不一定要位于包含轮辐固定在轮毂上的环的平面之间。这种的情况下，必需由受压构件替代一组拉紧构件。

其他应用本发明的原理的机构，也是很容易就可联想得到。

Claims (20)

1.一种发电机的转子，其包括一中央轮毂、一通常同轴且径向地隔开的轮缘、多个细长的拉紧构件，其一般在轮毂和轮缘之间延伸，基本上保持拉紧，以使轮缘大体上保持受压，以及多个磁性元件，其大体上完全地围绕轮缘配置和通常在其上均匀地隔开，所述轮缘可安装成由一遥远隔开的涡轮旋转地驱动。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于所述多个磁性元件以围绕轮缘配置和径向地极化。

3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于所述多个磁性元件以围绕轮缘配置和轴向地极化。

4.根据权利要求1到3中任何一项所述的转子，其特征在于所述转子磁性元件包括多个永久磁铁。

5.根据权利要求1到4中任何一项所述的转子，其特征在于所述转子磁性元件包括多个线绕线圈。

6.根据权利要求1到5中任何一项所述的转子，其特征在于所述拉紧构件通常由轮毂径向地延伸到轮缘，但是具有轴向的偏移和切向的倾斜，以抵抗轴向力和扭矩。

7.一种发电机，其包括一根据权利要求1到6中任何一项所述的转子，所述转子至少与一适合的定子协调配置，以便由可使转子转动的机械能量产生电能，所述的转子可安装成由一遥远且隔开的涡轮相对于静止安装的定子旋转地驱动。

8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于所述定子的设定位于所述转子的轮缘的至少一圆弧附近。

9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于构成的所述定子靠近所述轮缘大体上整个圆周。

10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于所述定子线圈沿圆周围绕转子配置在支撑结构上，所述支撑结构包括一中央轮毂、一圆形或多边形轮缘和一些通常径向延伸的拉紧构件，所述拉紧件在轮毂和轮缘之间延伸和保持拉紧，以保持轮缘大体上受压，转子和定子支撑件同轴地安装，以提供一同心和可相对地旋转的转子和定子机构。

11.根据权利要求10所述的发电机，其特征在于所述定子结构以安装在旋转轴承上的定子结构的一例完全地围绕转子结构。

12.根据权利要求10所述的发电机，其特征在于所述定子结构以悬臂方式由转子的一边靠近转子结构。

13.根据权利要求7至12中任何一项所述的发电机，其特征在于所述定子线圈与一个或多个铁磁定子芯装在一起，以增强磁性元件产生的磁通。

14.根据权利要求7至12中任何一项所述的发电机，其特征在于所述定子线圈没有铁磁定子芯。

15.根据权利要求7至14中任何一项所述的发电机，其特征在于所述发电机还包括一遥远隔开的可旋转地驱动转子的涡轮机。

16.根据权利要求15所述的发电机，其特征在于所述遥远隔开的涡轮机是一风力或海洋潮流涡轮机。

17.根据权利要求15或16中任何一项所述的发电机，其特征在于所述发电机包括一低速发电机，其中涡轮机械动作上与轮毂耦合，以使转子通过低传动比的传动装置旋转。

18.根据权利要求15或16中任何一项所述的发电机，其特征在于所述发电机包括一直接驱动发电机，其中涡轮机械上直接与轮毂耦合，以使转子转动。

19.根据权利要求15或16中任何一项所述的发电机，其特征在于所述发电机包括一直接驱动发电机，其中涡轮机械上直接与轮缘耦合，以使转子转动。

20.一种发电机的转子或一种结合这样的转子的发电机，它们参照附图大体上如上所述。

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