CN204131355U - 发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有转子(10)和模块化定子的发生器。在此，所述定子具有多个定子齿结构，其中，所述定子齿结构环绕地、尤其是圆形地布置。所述多个定子齿结构包括第一定子齿结构(21)和至少一个第二定子齿结构(22)。所述定子与所述转子(10)间隔地布置，所述发生器包括位于所述定子和所述转子(10)之间的具有间隙尺寸(33)的间隙(31)。所述定子具有定子直径。此外，所述定子包括位于所述第一定子齿结构(21)和所述第二定子齿结构(22)之间的具有定子齿距(25)的定子齿空隙(24)。最后，所述定子齿距(25)至多是所述间隙尺寸(33)的四倍大小，尤其所述间隙尺寸(33)具有至多5mm(毫米)的大小。

Description

发生器

技术领域

本发明涉及一种具有转子和模块化定子的发生器，如其例如可用于风力发电设备。本发明还涉及这种发生器用于产生三相交流电的应用。 

背景技术

发生器可将机械能、尤其是旋转能量转换成电能。发生器典型地包括转子和定子。转子和/或定子可以一体成型。然而，转子和/或定子也可以模块化构造。因此，例如模块化定子可以具有多个定子齿结构。 

具有转子和模块化定子的发生器在例如美国专利5,844,341中被公开，其中，模块化定子包括多个定子齿结构。在此情况下，单个的定子齿结构分别具有E形状，并且是圆形地布置的。 

一方面，制造具有模块化定子的发生器与制造具有一体成型的定子的发生器相比，更加简单和廉价。另一方面，模块化定子的安装和装配与一体成型的定子的安装和装配相比，更简单且更便宜。最后，模块化定子在定子的维护方面具有优点。 

因此，具有模块化定子的发生器，例如对于风力发电设备，特别是对于具有高电功率的风力发电设备，例如，对于具有在3MW（兆瓦）至10 MW之间的范围内的电功率的风力发电设备，尤其是对于离岸应用，非常有吸引力且有利。 

然而，具有模块化定子的发生器也可能具有缺点。因此与具有一体成型定子的发生器相比，具有模块化定子的发生器典型地具有减少的平均转矩和/或提高的转矩波动。 

发明内容

本发明的任务在于提出如何能够改善一具有转子和模块化定子的发生器的功率。尤其是要改进模块化定子。 

该任务根据独立权利要求解决。在从属权利要求中给出了有利的改进。 

为了解决该任务，提出了一种具有转子和模块化定子的发生器。在此，定子具有多个定子齿结构，其中，所述定子齿环绕地、尤其是圆形地布置。所述多个定子齿结构包括第一定子齿结构和至少一个第二定子齿结构。所述定子与所述转子间隔地布置，并且所述发生器具有在所述定子和所述转子之间的具有间隙尺寸的间隙。所述定子具有定子直径。此外，所述定子具有在第一定子齿结构和第二定子齿结构之间的定子齿空隙。最后，所述定子齿空隙至多是所述间隙尺寸的4倍大，尤其是所述间隙尺寸具有至多5 mm（毫米）的大小。 

在本专利申请的上下文中，发生器尤其被理解为电的发生器。电的发生器是能够将机械能、尤其是动能或旋转能量转换成电能的电机。因此，从技术上来讲，所述电的发生器与电机相反，能够将电能转化为动能。 

所述发生器可以具有旋转轴线，转子围绕该旋转轴线旋转。此外，所述发生器包括定子，其相对于一包围所述发生器的壳体是不动的，即，是静止的。如果与转子相比，所述定子径向地距离所述旋转轴线更远，则所述发生器被称为具有内部转子的发生器，或被称为内极式机器（Innenpolmaschine）。相反，如果与定子相比，所述转子径向地距离所述旋转轴线更远，则所述发生器被称为具有外部转子的发生器，或被称为外极式机器（Au?enpolmaschine）。 

所述模块化定子具有多个定子齿结构，所述定子齿结构环绕地（umlaufend）、尤其是圆形或环形地布置。 

在所述转子和所述定子之间的间隙有利地具有空气。所述间隙可以具有间隙尺寸，其中，所述间隙尺寸的值可以位于0.1mm至10mm之间。此处，所述间隙尺寸被定义为所述定子和所述转子之间关于所述旋转轴线在径向方向上的间距。 

所述定子可以具有定子半径。所述定子半径可以在此通过所述定子齿结构的表面到所述旋转轴线的距离来定义，其中，所述定子齿结构例如是所述第一定子齿结构或所述第二定子齿结构，其中，所述表面可以被理解为直接与所述间隙邻接的表面。所述定子直径被定义为定子半径的两倍。发生器的定子直径可以例如位于10cm至10m之间。 

所述定子在所述第一定子齿结构和所述第二定子齿结构之间具有定子齿空隙。所述定子具有其它的定子齿结构，有利的是，在所述其它的定子齿结构之间存在其它的定子齿空隙。在此有利的是，所述其它的定子齿空隙具有关于所述定子齿空隙的类似（vergleichbare）的形状。 

所述第一定子齿结构可以具有第一侧面，其基本上关于所述旋转轴线径向地延伸。此外，所述第二定子齿结构可以具有第二侧面，其同样基本上关于所述旋转轴线径向地延伸。主要由所述第一侧面和所述第二侧面限定的定子齿空隙可以具有例如平截头棱椎体的形状。所述第一定子齿结构和所述第二定子齿结构之间的间距在该情况下取决于到所述旋转轴线的距离。然而，定子齿距被理解为这样的一种距离，其是在所述定子齿空隙的一个范围内确定的，该范围径向地最接近于所述间隙。在另一种优选的例子中，如果所述第一侧面平行于所述第二侧面延伸，所述第一定子齿结构和所述第二定子齿结构之间在整个定子齿空隙上的距离为一个值，该值对应于定子齿距。 

有利的是，利用定子直径来标定所述定子齿距。此外，定子齿空隙可以具有空气。所述定子齿空隙也被称为“气隙磁通（Flux Gap）”。 

所述发生器可以包括三相同步机。三相同步机是旋转电机，其原则上可以作为马达或作为发生器来运行。作为马达运行的三相同步机也被称为三相同步马达。三相同步马达用于例如作为驱动机，特别是用于车辆、船舶和火车的驱动机。 

三相同步马达可包括转子和定子。转子可以同步地环绕一通过网络频率预设的旋转场。三相同步马达可以包括一激励装置，用于运行所述三相同步马达。最后，三相同步马达可以包括凸极机器（Schenkelpolmaschine）和/或隐极机器（Vollpolmaschine）。 

在一种有利的实施方式中，所述发生器是风力发电设备的一部分。 

风力发电设备（也被称为风能设备或风力发电站）将风能转换成电能。具有转子和模块化定子的发生器特别有利地用于风力发电站，由于尤其对于风力发电设备而言发生器的低装配成本和/或发生器的低维护成本是非常有利的。 

在一种有利的实施方式中，所述风力发电设备是一种直驱式风力发电设备。 

直驱式风力发电设备被理解为一种风力发电设备，其中，所述风力发电设备的转子，包括轮毂和转子叶片，是直接通过主轴承与发生器的转子连接的。直驱式风力发电设备可以有利地尤其不具有传动器。 

在一种有利的实施方式中，发生器具有平均转矩和转矩波动（Drehmomentwelligkeit），所述平均转矩和所述转矩波动取决于定子齿距。 

此处，转矩波动可以理解为在转子的一次完整回转期间，发生器的最大转矩与最小转矩之间的相比于发生器的平均转矩的差值。换句话说，所述转矩波动可以是通过定子的模块化特征，尤其是通过定子齿空隙引起或者说导致的。 

有利的是，将发生器的转矩最大化和/或将发生器的转矩波动最小化。在此，平均转矩和转矩波动很大程度地取决于定子齿距。例如，如果发生器具有相比于极数（Polzahl）更少的槽数（Slotzahl），平均转矩可以随着定子距离的增加而增加。相反地，如果发生器具有相比于极数更多的槽数，平均转矩可以随着定子距离的增加而减小。 

优选地，发生器具有比槽数更多的或者数量相等的极。有利的是，发生器具有正好比槽多出两个的极或正好比槽多出一个的极。 

尤其对于特定的定子齿距和带有特定槽数和特定极数的发生器，转矩波动可以达到最小值。最佳的定子齿距可以例如位于0.5至3mm的范围内。 

因此，有利的是选择定子齿距，其以最佳的方式优化发生器的结构，尤其是关于发生器的槽数和极数方面。 

对于内转子，定子齿距可以具有磁通聚焦效应。换句话说在发生器的空载运行中可提高相磁链（Phasenflussverbindung）（“phase flux linkage”），其可导致在发生器的负载运行中的平均转矩的增加。 

对于外转子，定子齿距不仅可以提高相磁链，而且还会提高绕组因子（Wickelfaktor）。因此，因此平均转矩的提高甚至比在内转子的情况下更加明显。 

如果要在平均转矩、尤其在平均转矩的最大化，以及在转矩波动、尤其在转矩波动的最小化方面优化发生器的定子齿距，则在发生器的平均电流的均方根（“root mean square”）方面优化定子齿距是有利的。 

所述定子可以包括至少一个第一线圈。有利地，所述定子包括多个线圈。第一定子齿结构可以至少部分地包围所述第一线圈。 

在一个有利的实施方式中，第一定子齿结构以E-形状包围第一线圈。在此，第一定子齿结构的E-形状可以实现如下，即所述第一线圈的一部分直接与所述间隙邻接。 

在另一实施方式中，所述定子可以包括至少一个第一线圈，并且第一定子齿结构基本上包围所述第一线圈。 

在此，通过所述第一定子齿结构基本上包围所述第一线圈可以理解为，所述第一线圈的至少90％、尤其是至少95％的表面被所述第一定子齿结构所包围。通过所述第一定子齿结构包围所述第一线圈，可以影响发生器的平均转矩和转矩波动。 

在一个优有利的实施方式中，转子具有用于激励发生器的至少一个永磁体。 

优选地，所述转子具有多个永磁体。所述多个永磁体的可以圆形或环形地布置。 

永磁体的第一个优点是恒定的励磁场，其可以产生永久磁。永磁体的第二个优点是省去了励磁装置，并且由此省去了励磁功率。 

永磁体可以具有铁氧体、钐钴（Samarium-Cobalt）和/或钕（Neodym），尤其是NdFeB（钕铁硼）。 

在另一实施方式中，所述转子包括内转子。在一个有利的实施方式中，内转子具有4至28个之间的极，尤其是10至20个之间的极。 

所述极尤其涉及转子的磁体、尤其是永磁体的极。偶数个极，也就是极对的存在是有利的。极的数量，也被称为极数，可能大于或者小于槽的数量，也被称为槽数。有利的是，极的数量大于槽的数量，因为这样的话发生器能够实现更大的功率。 

在一个有利的实施方式中，定子直径与定子齿距之间的比例具有50至10000之间的值，尤其是具有100至2000之间的值。 

该比例涉及一具有内转子的发生器。 

在另一优选的实施方式中，所述转子包括外转子。 

在一个有利的实施方式中，外转子具有40至400个之间的极，尤其是60至108个之间的极。 

有利的是，极的数量为12的倍数或14的倍数。 

在此，极数可以比槽数更小或更大。有利地，所述外转子具有偶数个极，即所述外转子具有极对。但有利地，极的数量大于槽的数量，因为这样的话发生器能够实现更大的功率。 

在一个有利的实施方式中，定子直径与定子齿距之间的比例具有400至20000之间的值，尤其是具有800至10000之间的值。 

此处，该比例涉及一具有外转子的发生器。 

最后，本发明还涉及具有上述发生器的特征的三相发生器。 

三相发生器可以产生三相交流电流。 三相交流电流也被称为三相交流电压、动力电（Kraftstrom）、建筑电源（Baustrom）、强电流（Starkstrom）或三相电流（Drehstrom）。三相交流电流包括多相交流电流，该多相交流电流包括相同的频率的三个单独的交流电流或交流电压，它们相互具有120°的固定相移。例如，用于三相交流电流的应用的是全国性的高压网络、本地供电或三相发生器中的低电压网络，其例如用于驱动例如电驱动的车辆。 

附图说明

下面参照多个示意性的、不按比例绘制的附图详细阐述本发明。此外描述本发明的其它实施例。其中： 

图1：示出了具有定子齿空隙的发生器的一个截断；

图2：示出了具有内转子的发生器的横截面图；

图3：示出了具有外部转子的发生器的横截面的一个截断；

图4： 示出了对于具有内转子的发生器而言的平均转矩与定子齿距的依赖关系；

图5： 示出了对于具有内转子的发生器而言的转矩波动与定子齿距的依赖关系；

图6： 示出了对于具有外转子的发生器而言的平均转矩与定子齿距的依赖关系；

图7： 示出了对于具有外转子的发生器而言的转矩波动与定子齿距的依赖关系。

具体实施方式

图1示出了发生器的一个截断，其中，在图1中示例性地涉及一具有内转子的发生器，也就是说内极式发生器。所述发生器具有一旋转轴12，转子绕该旋转轴旋转。所述转子包括14个永磁体，在图1中示出了其中一个永磁体11的一个截段。如图所示，所述14个永磁体圆形地布置。永磁体11具有钐钴。 

此外，所述发生器包括定子，其相对于一包围所述发生器的壳体是不动的，即是静止的。所述定子包括多个定子齿结构，其中，示出了一第一定子齿结构21的一个截段和一第二定子齿结构22的一个截段。第一定子齿结构21和第二定子齿结构22借助于间隙31与转子、尤其是与永磁体11分开。所述间隙31具有空气，并具有1.8mm（毫米）的间隙尺寸。 

所述定子齿结构圆形地布置。定子半径23通过一个定子齿结构、例如第一定子齿结构21或第二定子齿结构22的表面到所述旋转轴线12的距离定义，其中，定子齿结构的表面应该理解为这样的定子齿结构的表面，其直接与间隙31邻接。在图1中示出的定子半径23为90 cm（厘米）。由此可知，在图1中所示的发生器的定子直径为180 cm。 

在第一定子齿结构21和第二定子齿结构22之间具有一定子齿空隙24。在垂直于旋转轴线12的平面内，所述定子齿空隙24由第一定子齿结构21的第一侧面和第二定子齿结构22的第二侧面限定，其中，第一侧面和第二侧面基本上互相平行。第一侧面与第二侧面的距离被称为定子齿距25。其在图1中的示例性的实施方式中为2mm。 

图2示出了具有内转子10的发生器的横截面。换句话说，在图2中所示的发生器是内极式发生器。转子10包括14个永磁体，它们围绕所述旋转轴线12圆形地布置，并且其中至少一个永磁体11具有钕-铁-硼。两个直接相邻的永磁体的平均极方向基本上彼此反平行（antiparallel）。 

此外，该发生器包括具有第一定子齿结构21、第二定子齿结构22和四个其它的定子齿结构的模块化定子。定子10通过一具有空气的间隙31与转子分开。所述间隙31具有1.8mm的间隙尺寸。 

在第一定子齿结构21和第二定子齿结构22之间具有一定子齿空隙24。该定子齿空隙24具有定子齿距25，其为2mm。所述定子齿空隙24以有利的方式影响发生器的功率。具体地说，与具有1mm的定子齿距25的构造相同的发生器相比，在图2中的发生器具有更高的平均转矩。 

图3示出了具有外转子10的发生器的横截面的一个截断。换句话说，在图3中所示的发生器是外极式发生器。转子10包括84个永磁体，它们圆形地布置，并且其中至少一个永磁体11具有钕-铁-硼。两个直接相邻的永磁体的平均极方向基本上彼此反平行。转子10比定子距离所述转子的旋转轴线12更远。 

此外，该发生器包括一具有第一定子齿结构21、第二定子齿结构22和大量的其它的定子齿结构的模块化定子。第一定子齿结构21包括第一线圈32，其还被称为第一绕组。所述其它的定子齿结构包括其它的线圈。定子通过一具有空气的间隙31与转子10分开。间隙31具有2.7mm的尺寸。定子具有2m的定子半径。在一个替换的实施方式中，定子具有4m的定子半径。在另一个替换的实施方式中，定子具有6m的定子半径。 

在第一定子齿结构21和第二定子齿结构22之间具有一定子齿空隙24。定子齿空隙24具有定子齿距25，其为2mm。定子齿空隙24以有利的方式影响发生器的功率。具体地说，与具有1mm的定子齿距25的构造相同的发生器相比，在图3中的发生器具有更高的平均转矩。 

在图4至7示出阐明和示出了一特定的定子齿距25对于一具有转子10和模块化定子的发生器的有利影响。 

图4针对一包括一具有12个槽42的10极内转子和一具有12个槽43的14极内转子的发动机示出了平均转矩40与定子齿距25的依赖关系。在下文中，也就是说在图4和5的描述中，为了更好的可读性起见，所述具有12个槽42的10极内转子被简称为10极转子；在下文中为了更好的可读性起见，在图4和图5的描述中，所述具有12个槽43的14极内转子被简称为14极转子。 

在图4中可以清楚地看出，对于14极转子而言，平均转矩40以单位Nm（牛顿米）针对定子齿距严格单调地（streng monoton）上升，直到3mm的定子齿距25。但是，对于10极转子而言，平均转矩40针对定子齿距严格单调地下降，直到3mm的定子齿距25。由此，就平均转矩40最大化而言，对于14极转子，大的定子齿距25是有利的，而对于10极转子，小的定子齿距25是有利的。在上下文中，“大”是指定子齿距25在2mm至3mm之间的范围内；在上下文中，“小”是指定子齿距25在0mm至1mm之间的范围内。 

图5针对具有10极转子的发生器和针对具有14极转子的发生器示出了转矩波动41与定子齿距25的依赖关系。转矩波动41与定子齿距25的依赖是非常大的。如图5所示，例如对于10极转子，定子齿距25为3mm时的转矩波动41为20%，而定子齿距25为1mm时的转矩波动41小于8%。同样，对于14极转子，定子齿距25为3mm时的转矩波动41超过8%，而定子齿距25为1mm时的转矩波动41约为4%。由此可以理解，就转矩波动41的最小化而言，对于14极转子，定子齿距25在0.5mm至1.5mm之间的范围内是有利的，而对于10极转子，定子齿距25在0.5mm至1mm之间的范围内是有利的。 

与图4和5中针对内转子的值类似，图6和7示出了针对外转子的平均转矩40和转矩波动41分别关于定子齿距25的依赖关系。 

在图6和7中涉及具有72个槽44的60极外转子，其在下文中，也就是说在图6和7的描述中，为了更好的可读性起见，被简称为60极转子；此外，涉及具有72个槽45的84极外转子，其在下文中，为了更好的可读性起见，被简称为84极转子。 

在图6中示出了，就平均转矩40最大化而言，对于84极转子，大的定子齿距25是有利的，而对于60极转子，小的定子齿距25是有利的。在上下文中，“大”是指定子齿距25在2mm至3mm之间的范围内；在上下文中，“小”是指定子齿距25在0mm至1mm之间的范围内。 

最后，在图7中示出了，就转矩波动41最小化而言，对于60极转子，小的定子齿距25是有利的，而对于84极转子，转矩波动41对于约为2.5mm的定子齿距25是最小的。 

如果就平均转矩40的最大化和转矩波动41的最小化而言，应该优化发生器的定子齿距25，定子齿距25相对于发生器的平均电流的均方根（root mean square）的优化是有利的。 

Claims (14)

1.发生器，具有转子（10）和模块化定子，其中：

- 所述定子具有多个定子齿结构，所述定子齿结构环绕地、尤其是圆形地布置；

- 所述多个定子齿结构包括第一定子齿结构（21）和至少一个第二定子齿结构（22）；

- 所述定子与所述转子（10）间隔地布置，所述发生器具有在所述定子和所述转子（10）之间的具有间隙尺寸（33）的间隙（31）；

- 所述定子具有定子直径；

- 所述定子具有在所述第一定子齿结构（21）和所述第二定子齿结构（22）之间的具有定子齿距（25）的定子齿空隙（24）；

- 所述定子齿距（25），尤其具有至多5毫米的大小的定子齿距，最多为所述间隙尺寸（33）的四倍大小。

2.根据权利要求1所述的发生器，

其中，

- 所述发生器具有多个极和多个槽，并且

- 所述发生器具有比槽更多的极，或者与槽相同多的极。

3.根据权利要求2所述的发生器，

其中，所述发生器具有比槽多两个的极，或者比槽多一个的极。

4.根据前述权利要求中任一项所述的发生器， 

其中，所述发生器是风力发电设备的一部分。

5.根据权利要求4所述的发生器，

其中，所述风力发电设备是直驱式风力发电设备。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的发生器， 

其中，

- 所述发生器具有平均转矩（40）和转矩波动（41），并且

- 所述平均转矩（40）和所述转矩波动（41）依赖于所述定子齿距（25）。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的发生器， 

其中，所述定子包括至少一个第一线圈（32），所述第一定子齿结构（21）包围所述第一线圈（32）。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的发生器， 

其中，所述转子（10）具有用于激励所述发生器的至少一个永磁体（11）。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的发生器， 

其中，所述转子（10）包括外转子。

10.根据权利要求9所述的发生器，

其中，所述转子（10）具有40至400个之间的极。

11.根据权利要求10所述的发生器，

其中，所述转子（10）具有60至108个之间的极。

12.根据权利要求9所述的发生器，

其中，所述定子直径与所述定子齿距（25）之间的比例具有400至20000之间的值。

13.根据权利要求12所述的发生器，

其中，所述定子直径与所述定子齿距（25）之间的比例具有800至10000之间的值。

14.根据权利要求1-3中任一项所述的发生器，其中，所述发生器是三相发生器。