專利名稱：確定磁體設置的方法
技術領域：
本發(fā)明描述了一種針對電機的磁體確定磁體設置的方法。本發(fā)明還描述了設置電機的多個磁體的方法。本發(fā)明還描述了具有發(fā)電機和設置成這種磁體設置的多個磁體的風力渦輪機。
背景技術：
因為各種公知原因，電動機和發(fā)電機不能完美運轉，并且多種因素能夠損害整體效率。例如，由于轉子的磁體和定子槽或定子齒之間的磁引力而導致齒槽轉矩。在磁體/ 定子槽均被等距放置的均勻設置中，對于轉子相對于定子的特定位置，磁體和定子槽之間的磁引力相對較大。小型電動機和發(fā)電機通常能夠令人滿意地被優(yōu)化。但是，在大型機器中，例如風力渦輪機中的3 MW發(fā)電機中，齒槽轉矩能夠容易地到達標稱轉矩的5%的值。因為必須在啟動時以及轉子每次旋轉期間多次克服這種力，所以其能夠對發(fā)電機性能產(chǎn)生較大影響，縮短其壽命并且增加其噪音水平。因此，在發(fā)電機設計期間通常采取措施來減少齒槽轉矩。另一個問題由轉矩脈動造成，其是齒槽轉矩和機器的氣隙通量中的諧波所造成的額外轉矩變化的和。這些諧波的來源通常是定子的鐵、轉子磁體和定子之間的距離等等。將定子槽的數(shù)量選擇成磁體數(shù)量的倍數(shù)能夠有助于將轉矩脈動減少一定量。不過，轉矩脈動仍然會對發(fā)電機的效率、使用壽命和噪音水平產(chǎn)生不良影響。存在多種方式來優(yōu)化發(fā)電機的性能。不過，公知的方法是非常復雜的。例如，為了最小化齒槽轉矩(這是在磁體或磁極同時被拖向定子齒時所導致的)，在稱為“磁極移位”的過程中重新設置磁極以便它們不再彼此等距，能夠導致齒槽轉矩的減少。不過，該改進僅對于各定子齒的給定轉子位置是理想的。而且，當為了減小齒槽轉矩而移位磁極時轉矩脈動甚至會增加。不過，對于被移位磁極的樣式的模擬是非常成本密集型的，因為根據(jù)經(jīng)驗，計算時間隨著磁極增加而呈指數(shù)增加，從而包含多個磁極的樣式導致了非常長的計算時間。因為例如齒槽轉矩和脈動的各種性能參數(shù)不具有相同的最佳方案，因此必要的是進行妥協(xié)或折中。例如，如果齒槽轉矩被最小化，則不可能同時最小化脈動。另一個重要考慮是，磁極移位通常會導致反emf (電動勢)和運行轉矩的減小，這通常是個缺點，并且影響程度取決于所選的磁極移位樣式。公知方法根據(jù)例如磁體放置、特定負載條件等已知參數(shù)、使用軟件算法來模擬發(fā)電機性能。不過，定子和其他部件通常所用的鐵是非常飽和的，從而使得方程非常非線性且復雜。準確分析需要數(shù)值化的場的解。為了優(yōu)化解而改變越多的變量，則分析就變得越復雜。例如制造容差(例如偏心率)的因素能夠導致實際性能不滿足(模擬的)預期，因為被建模的幾何構造顯著不同于實際制造的機器。在基于許多磁體相對彼此進行磁極移位的方法中，機器幾何構造的微小“誤差”能夠輕易地否定磁極移位的好處
發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目標在于提供用于確定電機磁極的最佳設置的明確且改進的方式。本發(fā)明的目標通過根據(jù)權利要求1的用于電機的轉子或定子的磁體的磁體設置的方法、通過根據(jù)權利要求11的在電機的轉子或定子上設置多個磁體的方法以及通過根據(jù)權利要求12的風力渦輪機來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，確定電機的轉子或定子的磁體的磁體設置的方法包括步驟識別所述電機的多個性能參數(shù)，所述性能參數(shù)將被調整；將多個相鄰磁體指定成磁體組，其中磁體組包括參考磁體和至少一個其他磁體，所述其他磁體相對于參考磁體被設置；識別磁體組的多個不同磁體設置變量，使得磁體設置變量的數(shù)量等于性能參數(shù)的數(shù)量；根據(jù)對性能參數(shù)的所需調整來計算設置變量的值；以及根據(jù)所計算的設置變量來相對于磁體組的參考磁體設置磁體組的其他磁體。如背景技術中所述，在發(fā)電機運轉期間，某些力能夠用于損害發(fā)電機性能。顯著的損害在于齒槽轉矩和轉矩脈動。在本文中，齒槽轉矩和轉矩脈動可以被看作是要被優(yōu)化的 “性能參數(shù)”。也可以考慮其他性能參數(shù)，例如提供特定轉矩所需的電流、由于齒槽轉矩造成的結構振動、徑向力、平均轉矩等等。本發(fā)明的明顯優(yōu)點在于，在相對簡單的過程中，能夠通過僅調整最少數(shù)量的變量，針對這些性能參數(shù)中的一個或更多個來優(yōu)化電機的性能。磁體設置變量的數(shù)量被限制成性能參數(shù)的數(shù)量。這顯著地簡化了確定變量改變對性能參數(shù)的影響所需的計算。僅使用最少數(shù)量的變量具有增加優(yōu)化準確性的額外優(yōu)點，因為能夠向計算引入較少的誤差。這會減小實現(xiàn)電機的整體成本，因為在生產(chǎn)之后需要花費較少的時間來進行精調。在機器運轉期間可以實現(xiàn)進一步的節(jié)省，因為最小化了由于齒槽轉矩、轉矩脈動等而造成的損失、噪音和疲勞，從而允許機器在標準噪音水平限制內更有效率且可靠地運轉。通過將磁體設置變量的數(shù)量限制成性能參數(shù)的數(shù)量，與現(xiàn)有技術方案相比，能更加簡單且快速地實現(xiàn)對于機器性能的優(yōu)化，其中在所述現(xiàn)有技術方案中許多磁體被磁極移位以便僅最小化一個或兩個性能參數(shù)。此外，因為根據(jù)本發(fā)明的方法中的磁極樣式是重復樣式，所以由于機器對稱性在場模擬時僅需要包括一個樣式。根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)使用上述方法確定的磁體設置，將多個磁體設置在電機的轉子或定子上，并且在具有包括轉子、定子和多個磁體的發(fā)電機的風力渦輪機中，磁體以這種方式被設置在轉子上。根據(jù)本發(fā)明的確定磁體設置的方法特別適用于為風力渦輪機內發(fā)電機的轉子或定子的多個磁體確定磁體設置。如下述描述所揭示的，通過從屬權利要求給出了本發(fā)明的具體有利實施例和特征。不同實施例的特征可以適當?shù)亟Y合以得到進一步實施例。從電學觀點，根據(jù)電機(例如發(fā)電機)構造的方式，電機的“場”或場部件可以是轉子或定子。不過，通常，特別是在大型發(fā)電機中，轉子是場部件并且承載磁體，而定子是電樞部件并且攜帶線圈繞組。因此，在下述描述中(但并不以此方式限制本發(fā)明)，假定了電機是發(fā)電機并且磁體被安裝在轉子上，不過根據(jù)本發(fā)明的用于確定磁體設置的方法還可以等同地應用于磁體被安裝在定子上的實施方式。優(yōu)選地，發(fā)電機包括直接驅動發(fā)電機。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，磁體組包括單個參考磁體，并且該磁體組的所有其他磁體能夠相對于該一個參考磁體被調整。為了確保所確定的磁體設置導致所需性能，多個磁體中的每個磁體均應該被認為在一組中，即被包括在一組中，因為“脫離”磁體設置的任意磁體均會對發(fā)電機運轉期間的性能產(chǎn)生不利影響。因此在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，磁體的總體數(shù)量包括整數(shù)個相同磁體組，即磁體的總體數(shù)量是組大小的整數(shù)倍，并且所有組的組大小是相同的，以便沒有磁體脫離于優(yōu)化過程。在本發(fā)明的具體優(yōu)選實施例中，每個磁體組的磁體均被等同地設置，即對于所有組而言磁體樣式是重復的。通過以相同方式設置每組的磁體，更簡單地實現(xiàn)了優(yōu)化，因為模擬時間能夠保持最小。而且，將磁體最終安裝在轉子上也被簡化，因為每組的磁體均以其自身重復的樣式被安裝。優(yōu)選地，組大小保持較小，以便磁體組僅包括幾個磁體，例如最多四個，其中一個是參考磁體且其他磁體則通過相對參考磁體被移動和/或通過改變它們的寬度和/或通過使用交錯磁極而被調整。通過使用針對所有磁體被重復的這種小的組或樣式，機器幾何構造中與磁體設置有關的任意標準化誤差均能夠良好地通過機器其他地方的不可避免誤差 (例如部件的小尺寸偏差、轉子偏心率等等)所抵消或無效。雖然在實際應用中，組大小可以在磁極總數(shù)量的5%范圍內，不過根據(jù)本發(fā)明的方法可以用于更大的組大小。例如，可以想到，組可以包括磁極總數(shù)量的四分之一，以便磁極被實際劃分為四個這樣的組。根據(jù)本發(fā)明的方法中，任意適當磁體設置變量能夠被選擇用于性能參數(shù)的優(yōu)化。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，磁體設置變量包括磁體組中相鄰磁體之間的距離。組中其他磁體和參考磁體之間的距離能夠被改變以便調整性能參數(shù)。其他變量也是可能的。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，例如，磁體的寬度可以被改變(在計算機模擬中)以便調整性能參數(shù)。因此在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，磁體組包括兩個磁體；設置變量包括該磁體組的參考磁體與該磁體組的另一磁體之間的距離；性能參數(shù)包括齒槽轉矩，并且設置變量根據(jù)齒槽轉矩的所需減小而被計算。以此方式，確定每組中兩個磁體的最佳設置。針對轉子的所有磁體重復這種樣式。當磁體被安裝到轉子上時，參考磁體被置于“標準”位置，并且所述另一磁體根據(jù)距其相應參考磁體的計算距離被安裝。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，磁體組包括三個磁體；第一設置變量包括該磁體組的參考磁體和第一其他磁體之間的距離；第二設置變量包括該磁體組中的參考磁體和第二其他磁體之間的距離；性能參數(shù)包括齒槽轉矩和脈動轉矩，并且其中根據(jù)齒槽轉矩的所需減小且根據(jù)脈動轉矩的所需減小來計算所述第一和第二設置變量。以此方式，確定各組中三個磁體的最佳設置。針對轉子的所有磁體重復這種樣式。當磁體被安裝到轉子上時， 參考磁體被置于“標準”位置，并且其他磁體根據(jù)距其相應參考磁體的計算距離被安裝。除了齒槽轉矩和轉矩脈動之外，還可以優(yōu)化其他參數(shù)。例如，對于風力渦輪機，對應于主流風速的特定負載點可以被看作是感興趣的主要負載點，并且可以考慮這樣的負載點來確定磁體設置。而且，較小負載時的脈動可以通過最小化電流而被最小化，這還能夠通過適當?shù)夭倏v磁體設置來實現(xiàn)。除了最小化電流之外，可以最大化預期負載概況(即在特定負載下機器預期運轉時間)的整體效率。能夠使用本領域技術人員公知的任意適當技術來實現(xiàn)優(yōu)化。例如，能夠通過實驗性地定位來確定磁體位置。優(yōu)選地，方法的步驟被迭代地/反復地執(zhí)行。為此，能夠使用針對選定變量的估計值來選擇合理“起點”。還能夠估計對于性能參數(shù)的可獲得調整，并且將其用作優(yōu)化過程的目標。之后，在迭代序列中，變量能夠被調整直到獲得所需或令人滿意的性能參數(shù)。優(yōu)選地，在計算機模擬中執(zhí)行方法步驟，例如使用有限元分析。結合附圖考慮下述具體描述將顯而易見到本發(fā)明的其他目標和特征。不過，應該理解，附圖僅用于圖釋性目的并且不作為對于本發(fā)明限制的定義。


圖1示出了貫穿發(fā)電機的一部分的橫截面，其示出了定子以及在轉子上磁體的現(xiàn)有技術設置；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明針對發(fā)電機的兩種性能參數(shù)的第一磁體設置的示意圖； 圖3示出了貫穿具有根據(jù)圖2的磁體設置的發(fā)電機的一部分的橫截面； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明針對發(fā)電機的兩種性能參數(shù)的第二磁體設置的示意圖。
具體實施例方式在附圖中，自始至終，同樣的附圖標記指代同樣的對象。附圖中的對象不必要成比例繪制。圖1示出了貫穿發(fā)電機3的非常簡化的橫截面，其示出了轉子1和定子2以及設置在轉子1上的多個磁體M。在常規(guī)簡單設置中，磁體M均彼此等距地間隔開。定子2包括限定多個槽2b的多個齒2a，所述多個槽2b用于裝納定子繞組(未示出)。定子2且因而定子齒加通常由鋼制成，以便在運轉期間，磁力作用在磁體M和定子齒加之間，稱為齒槽轉矩。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明針對發(fā)電機的兩種性能參數(shù)要實現(xiàn)第一磁體設置10所采取的步驟中的一些步驟。首先，磁體M (在圖的部分A中示出且初始為等距的)將被劃分成組。因為將要優(yōu)化兩種性能參數(shù)，所以設計者可決定相對于參考磁體操縱兩個磁體。在這個示例中，可以假定轉子磁體磁極M的總體數(shù)量能夠被三除。因此磁體M被劃分為三極組， 即均由三個磁體構成的組G3，即一個參考磁體Mref和兩個其他磁體M1、M2。每個組均在轉子的表面上占據(jù)特定徑向跨度S。設計者可決定在優(yōu)化兩種性能參數(shù)的過程中使用在參考磁體Mref和第一磁體Ml之間的間隔或間距d31以及在參考磁體Mref和第二磁體M2之間的間隔或間距d32，其中組的跨度S保持不變。在迭代過程中，例如使用適當軟件程序的迭代過程中，能夠確定磁體Ml、M2相對于參考磁體Mref的最佳放置以便得到齒槽轉矩的所需減小以及脈動轉矩的所需減小。之后，在發(fā)電機制造期間，根據(jù)所確定的間隔d31、d32將磁體M設置在轉子的外側上。在圖3中以貫穿發(fā)電機3的部分橫截面的方式示出了這種設置10的一部分。使用如上所述針對各三極組G3中的參考磁體Mref和其他磁體Ml、M2所計算出的磁極距間隔 d31、d32來將磁體M安裝在轉子1的外側上，其中各組的徑向跨度保持恒定，如圖2所述。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明針對發(fā)電機的兩種性能參數(shù)的第二磁體設置20的示意圖。 在這種情況下，設計者可以決定相對于參考磁體僅操縱一個磁體。因此，磁體M被劃分為兩極組，即均由兩個磁體構成的組G2，即一個參考磁體Mref和一個其他磁體Ml。設計者可決定使用在參考磁體Mref和另一磁體Ml之間的間隔d21以及一個或兩個磁體的寬度w (在這種情況下是所述另一磁體Ml的寬度w)，其中各組的徑向跨度保持恒定，如圖2所述。同樣，在迭代過程中，能夠確定磁體Mref、Ml的最佳構造20以便得到所需參數(shù)。雖然已經(jīng)以優(yōu)選實施例及其變型的形式公開了本發(fā)明，不過應該理解在不背離本發(fā)明范圍的情況下能夠對其做出大量額外改型和變型。為了簡明，應該理解貫穿本申請“一”或“一種”的使用不排除多個，“包括”不排除其他步驟或元件。
權利要求
1.一種確定電機(3)的轉子(1)或定子(2)的磁體(M)的磁體設置(10，20)的方法，該方法包括步驟-識別所述電機(3)的多個性能參數(shù)，所述性能參數(shù)將要被調整；-將多個相鄰磁體(M)指定成磁體組(G2，G3)，其中磁體組(G2，G3)包括參考磁體 (Mref)和至少一個其他磁體(Ml，M2)，所述其他磁體(Ml，M2)相對于所述參考磁體(Mref) 被設置；-針對所述磁體組(G2，G3 )識別多個不同磁體設置變量(d21，d31，d32，w)，其中所述磁體設置變量(d21，d31，d32，w)的數(shù)量等于性能參數(shù)的數(shù)量；-根據(jù)性能參數(shù)的所需調整來計算設置變量(d21，d31，d32,w)的值；以及-根據(jù)所計算的設置變量(d21，d31，d32，w)相對于磁體組(G2，G3 )的參考磁體(Mref ) 設置該磁體組(G2，G3)的其他磁體(Ml，M2)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中磁體組(G2，G3)包括單個參考磁體(Mref)。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的方法，其中磁體(M)的總體數(shù)量包括整數(shù)數(shù)量的相同磁體組(62，63)。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中各磁體組(G2，G3)的磁體(Mref，Ml, M2)被等同地設置。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中磁體設置變量(d21，d31，d32)包括磁體組(G2，G3)的相鄰磁體(Mref，Ml，M2)之間的距離(d21，d31，d32)。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中磁體設置變量(w)包括磁體組(G2)的磁體(Ml)的寬度(w)。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中磁體組(G2)包括兩個磁體(Mref，Ml); 所述設置變量(d21)包括該磁體組(G2)的參考磁體(Mref)和該磁體組(G2)的另一磁體 (Ml)之間的距離(d21)；所述性能參數(shù)包括齒槽轉矩，并且其中所述設置變量(d21)根據(jù)齒槽轉矩的所需減小被計算。
8.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的方法，其中磁體組(G3)包括三個磁體(Mref，Ml， M2);第一設置變量(d31)包括該磁體組(G3)的參考磁體(Mref)和第一其他磁體(Ml)之間的距離(d31)，并且其中第二設置變量(d32)包括該磁體組(G3)的參考磁體(Mref)和第二其他磁體(M2)之間的距離(d32);所述性能參數(shù)包括齒槽轉矩和脈動轉矩，并且其中所述設置變量(d31，d32)根據(jù)齒槽轉矩的所需減小和脈動轉矩的所需減小被計算。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述方法的所述步驟被迭代地執(zhí)行。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述方法的所述步驟在計算機模擬中被實現(xiàn)。
11.一種根據(jù)使用權利要求1-10中任一項所述的方法確定的磁體設置(10，20)在電機 (3)的轉子(1)或定子(2)上設置多個磁體(M)的方法。
12.—種具有包括轉子(1)、定子(2)和多個磁體(M)的發(fā)電機(3)的風力渦輪機，其中所述磁體(M)根據(jù)權利要求11所述的方法的磁體設置(10，20)被設置在所述轉子(1)上。
13.根據(jù)權利要求12所述的風力渦輪機，其中所述發(fā)電機包括直接驅動發(fā)電機。
14.在確定根據(jù)權利要求12或權利要求13的風力渦輪機的磁體設置(10，20)時對于根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的方法的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及確定電機的轉子或定子的磁體的磁體設置的方法，該方法包括步驟識別電機的多個性能參數(shù)，該性能參數(shù)將要被調整；將多個相鄰磁體指定成磁體組，其中磁體組包括參考磁體和至少一個其他磁體，該其他磁體相對于參考磁體被設置；針對所述磁體組識別多個不同磁體設置變量，其中所述磁體設置變量的數(shù)量等于性能參數(shù)的數(shù)量；根據(jù)性能參數(shù)的所需調整來計算設置變量的值；以及根據(jù)所計算的設置變量相對于磁體組的參考磁體設置該磁體組的其他磁體。本發(fā)明還描述了在電機的轉子或定子上設置多個磁體的方法。本發(fā)明還描述了具有發(fā)電機的風力渦輪機，該發(fā)電機包括轉子、定子和以這種磁體設置設置在轉子上的多個磁體。
文檔編號H02K1/00GK102420467SQ20111028547
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權日2010年9月24日
發(fā)明者格羅恩達爾 E., 安德森 K., 彼得森 K. 申請人:西門子公司