CN201207588Y - 双层转子风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种风力发电机，特别涉及一种具有新型双层转子结构的风力发电机。本实用新型通过改进发电机的转子的结构，进而优化线圈运动轨迹上的磁场分布，来大幅度提高通过线圈的磁通量，从而提高发电机的效率。本实用新型的特征是：风力发电机的转子具有环形两层结构，其转子外层和转子内层构成一个凹陷的U字型的环槽；在转子外层和转子内层相向的表面分别安装有外层磁片和内层磁片；固定在定子上的线圈夹在这个凹陷的环槽中。内外层转子上的磁片成对匹配，磁片相对的两个面的极性相反。更进一步，通过改进发电机的转子上内外两层磁片之间的距离分布关系，可以进而优化线圈运动轨迹上的磁场强度分布，从而获得更接近于正弦曲线的电流输出。

Description

双层转子风力发电机
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电机，特别涉及一种具有新型双层转子结构的风力发电机。
背景技术
传统的风力发电机通常由一组转子和一组定子来构成，转子在风力的带动下旋转，线圈切割磁力线产生电流。这种单层转子磁片结构产生的磁场由许多类似环状分布磁力线组成。线圈在这样的磁场中运动时，其效率比较低。
发明内容
本实用新型通过改进发电机的转子的结构，进而优化线圈运动轨迹上的磁场分布，来大幅度提高通过线圈的磁通量，从而提高发电机的效率。本实用新型的特征是：风力发电机的转子具有环形两层结构，其转子外层和转子内层构成一个凹陷的U字型的环槽；在转子外层和转子内层相向的表面分别安装有外层磁片和内层磁片；固定在定子上的线圈夹在这个凹陷的环槽中。内外层转子上的磁片成对匹配，磁片相对的两个面的极性相反。
通过对比图1和图2，可以清楚地看到这两种转子结构所产生的磁场的区别。图2中，虽然内外层磁片的外侧的磁场与单层转子的磁场是类似的，但是内外层之间的磁场，也就是线圈实际上所经过的部分磁场，其磁力线基本上是与线圈的运动轨迹相垂直的。由于采用了配对的内外层磁片结构，线圈在这样的磁场内运动时，磁通量明显要比在图1的磁场中大许多。本实用新型的有益效果正是在于通过双层转子结构所带来的磁场的优化，能有效提高风力发电机的发电效率。
作为一种优化结构，所述的双层转子的内外层磁片的沿圆周的宽度与磁片到发电机机轴的距离成正比，或接近于正比。或者说内外层磁片相对于机轴轴心的张角大小接近相同。在图5中，相对于机轴5的轴心，外层磁片20和内层磁片40具有相同的张角θ，也就是说它们各自沿圆周的弧线长度与它们到轴心的距离成正比。
更进一步，通过改进发电机的转子上内外两层磁片之间的距离分布关系，可以进而优化线圈运动轨迹上的磁场强度分布，从而获得更接近于正弦曲线的电流输出。具体的改进特征是：风力发电机的双层转子上的每对内外磁片之间的径向距离，在越靠近磁片两边的位置越大。
图3和图4显示的就是双层转子风力发电机的内部机构；图2显示了这种双层转子上的磁片之间的磁场状况，可以看到磁片中心到两边的磁场强度的变化没有形成理想的梯度。这是因为每对磁片的中心一直到两边的径向间距没有差异造成的，图6更清晰地显示了这种状况，其中，外层磁片20和内层磁片40之间各个位置的相对于机轴5为中心的径向间距存在下面的关系
d0＝d1＝d2
图7显示了改进方案，其中，外层磁片20和内层磁片40之间各个位置的相对于机轴5为中心的径向间距存在下面的关系
d0≥d1≥d2，d0>d2
图8显示了改进后的磁场强度分布状况。图中的环形虚线代表线圈的相对运动轨迹。对比图2，可以看到磁力线的密度，也就是磁场的强度，在沿着线圈的相对运动轨迹上有明显的梯度变化：靠近磁片中心位置的磁场强度得到了加强，相邻的两个外层磁片的边缘处的小的磁力线回路离线圈的相对运动轨迹更远，相邻的两个内层磁片的边缘处的小的磁力线回路也是如此。
图9显示了磁片间距改进后的发电机的内部结构。
使磁片间各个位置的间距不同有许多实现方法。在后面的实施例中分别介绍了采用圆弧形、平面形和椭圆面进行组合的方案。
更进一步的优化需要通过曲线函数来描述磁片的截面外形。
图10的上半部分的平面坐标系(x，y)中的曲线L是椭圆的长轴V左边的一半，L上的点P的坐标是(a，b)。
当线圈做直线相对运动时，这里的曲线L就是一种理想的磁片的截面外形。但是，线圈实际上是做圆周相对运动的。所以，需要对曲线L做极化变形处理。这里的极化变形，是以发电机的机轴中心为圆点，以椭圆的长轴距离机轴中心的距离为半径的变形。图10的下半部分显示了变形后的情形，圆心0是机轴中心，椭圆的长轴V变形为圆弧V’，曲线L变形为L’，L上的点P(a，b)对应到极坐标系中的点P’(a，ω)，这里的a是点P’到点0的距离，它与点P(a，b)中的a相等；ω是角度，满足下面的关系式
ω＝b/a
曲线L’就是变形后的内弯的优化曲线，在实际加工制作磁片时，并不一定需要采用完整的曲线L’，可以只采用曲线L’的一部分，以z轴为中心左右对称就可以了。
图11显示了椭圆的长轴V右边的一半进行同样的极化变形前后的对应情形。平面坐标系(x，y)中的曲线L变形为极坐标系中的L’，点P(a，b)对应到点P’(a，ω)，它们的坐标值仍然满足关系式
ω＝b/a
对于具体的外层磁片来说，它的径向截面的朝向内层磁片的边线就是图10中的曲线L’，或者是其一部分；而对于内层磁片来说，它的径向截面的朝向外层磁片的边线就是图11中的曲线L’，或者是其一部分。这里所说的一部分是以轴z为中心两边对称的。
附图说明
图1是单层转子的磁场磁力线分布示意图。
图2是双层转子的磁场磁力线分布示意图。
图3是双层转子风力发电机的内部结构示意图。
图4是沿图3的A-A向的剖视图。
图5是配对的内外层磁片的宽度与磁片到机轴的距离之间的关系示意图。
图6是配对的内外层磁片间距示意图。
图7是配对的内外层磁片的间距不一致的情形示意图。
图8是在线圈相对运动轨迹上的内外层磁片间的磁场强度分布状况示意图。
图9是采用不等距内外层磁片的发电机内部部分结构示意图。
图10是椭圆上的曲线L做内弯极化变形前后对照示意图。
图11是椭圆上的曲线L做外弯极化变形前后对照示意图。
图12，图13和图14是配对的内外磁片间距改进的三种实施例。
图中：1.转子；12.转子外层；14.转子内层；20.外层磁片；40.内层磁片；3.定子；30.线圈；5.机轴；11.转子外层上的突起。
图中的符号含义为：θ为内外层磁片相对于机轴轴心的张角；d0，d1，d2为内外层磁片间不同位置的径向间距；P(a，b)是在平面坐标系(x，y)中的曲线L上的任一个点；P’(a，ω)是极坐标系中的曲线L’上的点，它与点P存在极化变形前后的对应关系；点0是机轴的圆心。
具体实施方式
下面结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。
图3中，转子1固定连接在发电机的机轴5上，转子1具有环形两层结构：转子外层12和转子内层14构成一个凹陷的U字型的环槽，在它们相向的表面分别安装有外层磁片20和内层磁片40。固定在定子3上的线圈30就夹在这个凹陷的环槽中；线圈30和转子上的内外层磁片之间留有一定的间隙，以保证转子的自由旋转。定子3与机壳固定连接，机壳在图3中省略了。
当转子1在与机轴5相连的风叶的带动下旋转时，线圈30就与内外层磁片之间的磁场产生了相对运动。线圈切割磁力线，从而产生电流。
图4是沿与机轴垂直的A-A向的发电机内部结构剖视图。转子外层12与外层磁片20构成了外层的大环；转子内层14与内层磁片40时构成了内层的小环；而线圈30夹在内外环之间。
为了方便磁片均匀地分布在转子上，在转子外层12上均匀地分布有突起11。同样地转子内层上也可以有类似的结构。
图5显示的是优化的内外层磁片尺寸比例。相对于机轴5的轴心，外层磁片20和内层磁片40具有相同的张角0，也就是说它们各自沿圆周的弧线长度与它们到轴心的距离成正比。
图12显示了一种内外磁片间距改进的实施方式，其中外层磁片20的内侧表面是平面，作为径向剖面示意图，在图中显示的是直线；而内层磁片40的外侧表面是个曲面，在图中显示的是一条曲线，该曲线是以机轴5的中心为圆心的圆弧。
图13是在图12的基础上的进一步改进。在内层磁片40的外侧表面的两端做了小的圆弧处理，使得两个边缘距离线圈的相对运动轨迹更远一些。
图14是另外一种改进实施方式。外层磁片20的内侧表面是个曲面，在图中显示的是一条曲线，该曲线是以机轴5的中心为圆心的圆弧；而内层磁片40的外侧表面也是一个曲面，在图中显示的是另一条曲线，这条曲线不是以机轴5的中心为圆心的圆弧，它是一个椭圆圆弧的一部分。
通过调整椭圆的轴长和偏心率，可以调整两个磁片之间各个位置的间距。

Claims (10)

1.一种双层转子风力发电机，包括转子(1)、定子(3)和机轴(5)，其特征在于：所述的转子(1)具有环形两层结构，其转子外层(12)和转子内层(14)构成一个凹陷的U字型的环槽；在转子外层(12)和转子内层(14)相向的表面分别安装有外层磁片(20)和内层磁片(40)；固定在定子(3)上的线圈(30)夹在这个凹陷的环槽中；安装在所述转子外层(12)和转子内层(14)上的外层磁片(20)和内层磁片(40)成对匹配，极性相反。
2.根据权利要求1所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述转子外层(12)和/或转子内层(14)上具有均匀分布的突起(11)。
3.根据权利要求1所述的双层转子风力发电机，其特征在于：安装在所述转子外层(12)和转子内层(14)上的外层磁片(20)和内层磁片(40)相对于机轴中心的张角大小相同或相近。
4.根据权利要求1所述的双层转子风力发电机，其特征在于：同样数目的外层磁片(20)和内层磁片(40)围绕发电机的机轴(5)环形均匀分布。
5.根据权利要求1至4之一所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述的配对的外层磁片(20)和内层磁片(40)的径向间距，在内外磁片的中部最小，越靠近磁片两侧则越大。
6.根据权利要求5所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述的外层磁片(20)的径向截面的朝向内层磁片的边线是一个椭圆形极化变形后的一部分。
7.根据权利要求5所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述的内层磁片(40)的径向截面的朝向外层磁片的边线是一个椭圆形的一部分。
8.根据权利要求5所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述的内层磁片(40)的径向截面的朝向外层磁片的边线是一个椭圆形极化变形后的一部分。
9.根据权利要求5所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述的外层磁片(20)的径向截面的朝向内层磁片的边线是一个椭圆形极化变形后的一部分，所述的内层磁片(40)的径向截面的朝向外层磁片的边线是另一个椭圆形极化变形后的一部分，这两个椭圆的长轴的长度与它们各自到发电机机轴轴线的距离成正比。
10.根据权利要求9所述的双层转子风力发电机，其特征在于：所述的两个椭圆的偏心率相同。
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