永磁式發(fā)電機及使用它的風力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種發(fā)電機，當用在諸如風力發(fā)電設(shè)備等發(fā)電設(shè)備時，其體積不大，且不會妨礙風輪機受風；相反，可以在不妨礙受風的情況下提高發(fā)電電壓。本發(fā)明提供一種永磁式發(fā)電機，其包括：發(fā)電機軸；與該發(fā)電機軸連接的至少三級轉(zhuǎn)子，具有附著有永磁體的多個盤狀結(jié)構(gòu)，其中每個轉(zhuǎn)子沿該發(fā)電機軸的長度方向設(shè)置；以及具有帶有纏繞銅線的定子線圈的盤狀結(jié)構(gòu)的定子，該定子設(shè)置在由該轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，并與該發(fā)電機軸等距隔開?？倲?shù)不少于五級的該轉(zhuǎn)子和該定子沿該發(fā)電機軸的長度方向交替設(shè)置。此外，還提供通過將槳葉安裝在這種永磁式發(fā)電機的軸上得到的風力發(fā)電機。
【專利說明】永磁式發(fā)電機及使用它的風力發(fā)電機
[0001]本申請是申請日為2008年02月29日、發(fā)明名稱為“永磁式發(fā)電機及使用它的風力發(fā)電機”的申請?zhí)枮?00880009137.6 (國際申請?zhí)枮镻CT/JP2008/053673)的專利申請的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，特別是涉及用作風力、水力等低速型發(fā)電機的發(fā)電機。

【背景技術(shù)】
[0003]在風力發(fā)電時，通過使槳葉的轉(zhuǎn)動動作傳遞至發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸使轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機的輸出或者與系統(tǒng)電力連接，或者存儲在電池中并在必要時用作電力。由于產(chǎn)生的電力取決于發(fā)電機的規(guī)格，因此需要選擇發(fā)電機，以滿足電力發(fā)電設(shè)備的需要。
[0004]存在幾種類型的發(fā)電機，例如，包括使用線圈的類型、使用永磁體作為場磁體的類型，或者根據(jù)其結(jié)構(gòu)，定子圍繞在圓柱形轉(zhuǎn)子外部的徑向型、定子沿軸向面對圓盤狀轉(zhuǎn)子的軸向型等等。每種類型都有自己的優(yōu)點和缺點，但是在注重發(fā)電效率的場合，則使用永磁體用作場磁體的發(fā)電機類型，因為與具有相同物理尺寸的線圈場磁體類型相比，可以產(chǎn)生更強的磁場、增加與電樞線圈連接的磁通量并提高感應(yīng)電壓。
[0005]由于發(fā)電量主要取決于發(fā)電機的效率，因此要求具有更高效率的發(fā)電機。具體而言，在風力發(fā)電時，發(fā)電機在使用時轉(zhuǎn)速不超過幾百轉(zhuǎn)每分鐘，比其它發(fā)電形式低很多。由于發(fā)電電壓與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成比例，因此如果采用其它發(fā)電方法的發(fā)電機在未作額外改變的情況下用作風力發(fā)電機，那么發(fā)電電壓會下降。因此，為了提高發(fā)電電壓，電荷泵電路是必要的，從而導致成本增加。還可以通過提高轉(zhuǎn)速來提高電壓。盡管還可以通過在槳葉軸和發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸之間設(shè)置加速齒輪來提高電壓，然而這種方法是不可取的，因為齒輪可能會導致轉(zhuǎn)矩損耗，并且可能成為噪聲產(chǎn)生、設(shè)備可靠性降低的因素以及成本增加的重要因素。
[0006]此外，發(fā)電電壓與場磁體的磁極數(shù)成比例。盡管為了增加磁極數(shù)，可以增加轉(zhuǎn)子的線圈或磁體的數(shù)量，但是因為每個線圈或磁體必須很小而使場磁體的磁場可能變?nèi)?。因此，一種選擇是可以增大轉(zhuǎn)子直徑，通過增加相同尺寸的線圈或磁體的數(shù)量來增加磁極，從而保持場磁體的磁場不會減弱。這種方法是可實現(xiàn)的，然而，增大發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑意味著使發(fā)電機的整體直徑更大，由于下面的原因，這在風力發(fā)電中是不可取的。
[0007]盡管存在兩種類型的風輪機，即轉(zhuǎn)動軸垂直于風向的垂直軸型和轉(zhuǎn)動軸平行于風向的水平軸型，然而水平軸型因其在高風速下的高效率而通常被使用。在水平軸型中，與槳葉中央處的轉(zhuǎn)軸直接連接的發(fā)電機的尺寸對槳葉的受風能力有影響。也就是說，如圖11的風力發(fā)電機所示，隨著容納發(fā)電機62的發(fā)電機艙61的增大，槳葉的受風面積減小，且槳葉的轉(zhuǎn)動力下降。換句話說，隨著發(fā)電機變大，風力發(fā)電效率降低。JP2002-153036A披露了一種用于風力發(fā)電的無芯發(fā)電機。這種發(fā)電機在發(fā)電機的外徑變大的情況下會大大減小受風面積。
[0008]專利文獻I JP2OO2-153O36A
[0009]專利文獻2 JP2003-348805A


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問題
[0011]本發(fā)明可以提供一種適用于諸如風力發(fā)電設(shè)備等發(fā)電設(shè)備的發(fā)電機。它不是防止槳葉受風的大型發(fā)電機，而是能夠在不妨礙受風的情況下提高發(fā)電電壓的發(fā)電機。
[0012]技術(shù)方案
[0013]根據(jù)本發(fā)明，提供一種永磁式發(fā)電機，其包括:發(fā)電機軸；與所述發(fā)電機軸連接的至少三級轉(zhuǎn)子，具有附著有永磁體的盤狀結(jié)構(gòu)，其中每級轉(zhuǎn)子沿所述發(fā)電機軸的長度方向設(shè)置；以及定子，具有帶有纏繞銅線的定子線圈的盤狀結(jié)構(gòu)，所述定子設(shè)置在由所述轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，并與所述發(fā)電機軸隔開；其中總數(shù)不少于五級的所述轉(zhuǎn)子和所述定子沿所述發(fā)電機軸的長度方向交替設(shè)置。
[0014]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子呈圓盤狀；附著到各轉(zhuǎn)子上的所述永磁體以不少于4個磁極沿轉(zhuǎn)子圓周方向彼此等間隔地設(shè)置；所述定子線圈以在所述定子內(nèi)不少于3個磁極沿定子圓周方向彼此等間隔地設(shè)置。
[0015]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，所述定子線圈在單相時串聯(lián)連接或者在三相時串聯(lián)連接。
[0016]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，在所述至少三級轉(zhuǎn)子中，位于兩端處的轉(zhuǎn)子具有附著到由磁性材料制成的盤狀磁軛面對所述定子那側(cè)上的永磁體。從所述磁極產(chǎn)生的磁通量可以回流至所述磁軛，由此減少從兩端處的所述轉(zhuǎn)子漏磁。
[0017]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，可以通過將永磁體附著到由非磁性材料制成的磁軛上得到端部轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子。
[0018]此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種通過將槳葉安裝在上述永磁式發(fā)電機的軸上得到的風力發(fā)電機。
[0019]技術(shù)效果
[0020]本發(fā)明提供一種在諸如風力和水力發(fā)電等較低轉(zhuǎn)速(具體而言，大于Orpm且不超過2000rpm,優(yōu)選大于Orpm且不超過100rpm)下使用的發(fā)電機,其能產(chǎn)生比常規(guī)發(fā)電機高很多的電壓和更大的電力。如果本發(fā)明的發(fā)電機用于風力發(fā)電設(shè)備，發(fā)電電壓可在不減少受風面積的情況下得到提高，從而能充分利用風能，這樣能避免為增大發(fā)電機轉(zhuǎn)速而使用加速齒輪或為提高發(fā)電電壓而使用電路。此外，由于磁體的有效排列，即使使用的磁體數(shù)量較少,也可以產(chǎn)生大的磁場和較高的發(fā)電效率。
[0021]可以在定子線圈中產(chǎn)生電力。在本發(fā)明的多級定子中，不同于常規(guī)的一級定子，定子線圈間的連接是可變化的。換句話說，當希望獲得高電壓時，可以串聯(lián)連接所有定子，當希望獲得低電壓大電流時，可以并聯(lián)一些或所有定子。因此，本發(fā)明可容易地改變發(fā)電規(guī)格。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1A示出從可以與槳葉等聯(lián)接的那側(cè)看到的本發(fā)明的發(fā)電機的例子，圖1B示出沿線a-a的剖視圖。
[0023]圖2示出用于本發(fā)明的端部轉(zhuǎn)子的實施例。
[0024]圖3示出用于本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的實施例。
[0025]圖4示出用于本發(fā)明的定子的實施例。
[0026]圖5示出電動機轉(zhuǎn)速為450rpm時獲得的發(fā)電電壓波形。
[0027]圖6示出定子級數(shù)和發(fā)電電壓之間的關(guān)系。
[0028]圖7A示出帶有兩級轉(zhuǎn)子和一級定子的三級式情形，圖7B示出帶有三級轉(zhuǎn)子和兩級定子的五級式情形，兩種情形下磁體的總重量相同。
[0029]圖8示出帶有6個線圈的定子。
[0030]圖9示出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度和發(fā)電電壓之間的關(guān)系。
[0031]圖1OA示出沿軸的軸向看到的本發(fā)明的永磁式發(fā)電機，圖1OB示出在沿線b_b的剖視圖上看到的磁力線的概念圖。
[0032]圖11示出風力發(fā)電機。
[0033]圖12A示出沿軸的軸向看到的常規(guī)發(fā)電機。圖12B示出在沿線b-b的剖視圖上看到的磁力線的概念圖。
[0034]附圖標記說明
[0035]I軸2殼體
[0036]10，20，30，110a, 110b, IlOc 轉(zhuǎn)子
[0037]40, 50 定子11，21 永磁體
[0038]12磁軛14a，14b端部轉(zhuǎn)子
[0039]15a, 15b 端部轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子19,109磁力線
[0040]23非磁性材料框架 43，53 線圈框架
[0041]44, 54 線圈61 發(fā)電機艙
[0042]62發(fā)電機
[0043]102僅為磁軛的轉(zhuǎn)子

【具體實施方式】
[0044]在圖1中示出了本發(fā)明的實施例。圖1A示出從可以與槳葉等聯(lián)接的那側(cè)看到的本發(fā)明的發(fā)電機的例子，圖1B示出沿線a-a的剖視圖。傳遞轉(zhuǎn)動力的軸I通過軸承3被殼體2可轉(zhuǎn)動地支承著。軸I的一端可與槳葉等連接，使轉(zhuǎn)動力可傳遞至發(fā)電機。多個轉(zhuǎn)子10,20,30固定在軸I上，這些轉(zhuǎn)子10、20、30與軸同步轉(zhuǎn)動。換句話說，該發(fā)電機的結(jié)構(gòu)包括具有設(shè)置在與發(fā)電機軸I直接連接的盤狀結(jié)構(gòu)上的永磁體的轉(zhuǎn)子10、20、30和具有在面對永磁體的轉(zhuǎn)動路徑的位置排列的多個線圈的定子40，多級這樣的轉(zhuǎn)子和定子以交替層形式疊置。
[0045]例如，如圖2和圖3所示，在一級轉(zhuǎn)子上，有等間隔同心排列的多個永磁體11、21。雖然本發(fā)明可以增加通過設(shè)置在尺寸增加的各轉(zhuǎn)子上的永磁體帶來的磁極的數(shù)量，但是磁極數(shù)優(yōu)選不少于4個磁極，再更優(yōu)選不少于4個且不多于48個磁極，而面對磁體磁極的定子線圈的數(shù)量優(yōu)選不少于3個，再更優(yōu)選不少于4個且不多于48個。當磁體的磁極數(shù)少于4個磁極時，有時不能得到充分的發(fā)電電壓。沿軸向使磁體的極性取向。相鄰磁體設(shè)置成極性相反。
[0046]在圖2和圖3中，形成了具有8個磁極(8個磁體)的轉(zhuǎn)子。
[0047]在單相交流電中，磁極數(shù)與線圈數(shù)的比率為1:1。在三相交流電中，該比率可以是4:3、2:3、8:9、10:9、10:12、12:15等。特別優(yōu)選的比率可以是4:3和2:3。
[0048]存在多級(三級以上)轉(zhuǎn)子，與轉(zhuǎn)子連接的磁體優(yōu)選為相同數(shù)量，即相同的磁極數(shù)，它們的形狀可以是扇形或矩形。此外，轉(zhuǎn)子上的磁體的極性可以在所有轉(zhuǎn)子上具有相同排列。換句話說，一個轉(zhuǎn)子的N極磁體和在直接相對位置處的另一轉(zhuǎn)子的磁體都是N極磁體，從而導致轉(zhuǎn)子之間的間隙產(chǎn)生的磁場相互增強。
[0049]設(shè)置有至少三級盤狀轉(zhuǎn)子，這些永磁體排列在轉(zhuǎn)子上，具有定子線圈的定子被設(shè)置在這些轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，這樣總共至少5級的轉(zhuǎn)子和定子以交替層形式疊置。如果增大形狀，那么級數(shù)也可以增加，盡管上限沒有特別限制，但是優(yōu)選為101級以下。如果多個轉(zhuǎn)子被排列成磁體的極性對齊，那么發(fā)電機中磁路的導磁性增加，并且可從永磁體產(chǎn)生更大的磁通量。
[0050]與排列有相同磁體質(zhì)量和相同磁極數(shù)的一級或兩級磁體的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比，這種分級排列結(jié)構(gòu)不僅可使電壓更高，而且還可以增大間隙中產(chǎn)生的磁通量。
[0051 ] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在所述至少三級轉(zhuǎn)子中，兩端處的轉(zhuǎn)子可以包括磁軛(優(yōu)選圓盤狀)，其中該磁軛由磁性材料制成并附著到磁體未面對定子的磁極面上。這種磁性轉(zhuǎn)子有利于從磁極產(chǎn)生的磁通量回流至磁軛，并減少轉(zhuǎn)子兩端外部的漏磁，可以減輕由于因殼體中的漏磁引起的渦電流而造成的轉(zhuǎn)矩損耗，同時可以增大對應(yīng)間隙的磁通量，從而提聞發(fā)電性能。
[0052]如圖2的端部轉(zhuǎn)子10的例子所示，在多級轉(zhuǎn)子中，與其它轉(zhuǎn)子不同，通過用粘合劑(例如，環(huán)氧樹脂、丙烯酸系樹脂)將永磁體11粘在優(yōu)選由鐵磁性材料制成的磁軛12上來制造位于兩端處的兩個端部轉(zhuǎn)子10和30。因此，端部轉(zhuǎn)子和與其相對的轉(zhuǎn)子之間的磁場增強了，而同時抑制了殼體的磁場泄漏。結(jié)果，殼體中產(chǎn)生的渦電流被抑制到最小，并消除了由渦電流施加于轉(zhuǎn)動的制動力。
[0053]只要磁軛由磁性材料制成，就對材料沒有特別限制，可以是例如鐵或磁性不銹鋼。
[0054]端部轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子20優(yōu)選具有使用諸如鋁、不銹鋼和樹脂等非磁性材料固定的磁體。更優(yōu)選地，如圖3所示，磁體21嵌入非磁性材料框架23中。因此，在所述轉(zhuǎn)子的兩側(cè)的間隙中可以產(chǎn)生相同磁場,并且框架結(jié)構(gòu)使用非磁性材料可以避免從磁體產(chǎn)生的磁場變?nèi)酢?br> [0055]此外，在另一實施例中，可以將非磁性材料附著在磁體的一側(cè)或兩側(cè)上。
[0056]下面基于與常規(guī)技術(shù)代表的實施例進行比較，詳細說明采用非磁性材料來增強磁體產(chǎn)生的磁場的原因。
[0057]如圖12所示，JP2003-348805等所披露的常規(guī)轉(zhuǎn)子101通常包括附著在一個圓形磁軛12上的多個磁體11，這些轉(zhuǎn)子(110a、110b、IlOc)彼此間隔疊置，轉(zhuǎn)子之間的空間用來插入定子。在這種情況下，一個轉(zhuǎn)子和一個定子的組合可以看作是一個發(fā)電機。通過疊置這種組合形成多級發(fā)電機。僅為磁軛的轉(zhuǎn)子102蓋在定子上并用磁軛夾住定子。在圖12的實施例中，一個轉(zhuǎn)子由磁軛和磁體構(gòu)成。如圖12所示，如果這些轉(zhuǎn)子被疊置成多級，那么每條磁力線109都通過相鄰磁軛，然后回流。結(jié)果，一級轉(zhuǎn)子的磁動勢產(chǎn)生的磁力線通過轉(zhuǎn)子之間的間隙，即插入定子的地方。這同樣適用于多級發(fā)電機的每個轉(zhuǎn)子，其中在每個發(fā)電機中，獲得相同的磁力線流，并且間隙中的磁場相同。由于各轉(zhuǎn)子均有磁軛，因此從一個轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁力線因磁軛的磁場屏蔽作用而不能通過相鄰轉(zhuǎn)子的磁軛。結(jié)果，磁力線不能到達相鄰的間隙，因而每個間隙的磁場密度下降。
[0058]相反，在本發(fā)明中，僅存在兩個磁軛，與常規(guī)技術(shù)相比可以使軸向尺寸減小并且重量減小。因此，發(fā)電機的制造成本可比過去更低。
[0059]另一方面，在本發(fā)明的實施例中，如圖10所示，兩個轉(zhuǎn)子沿軸的長度方向設(shè)置在兩端，其中該轉(zhuǎn)子包括多個磁體和附著在磁體上的圓形磁軛，并且多個轉(zhuǎn)子疊置在其間。端部轉(zhuǎn)子14a、14b之外的兩個轉(zhuǎn)子15a、15b通過將磁體21固定在非磁性材料23上制成且不帶磁軛。在該結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生的磁力線19通過各轉(zhuǎn)子的磁體，然后回流至端部磁軛12。因此，表示各轉(zhuǎn)子的每個磁體產(chǎn)生的磁動勢總和的磁力線19可以通過各轉(zhuǎn)子的間隙，并且間隔中的磁場強度與上述常規(guī)技術(shù)相比得到顯著提高。即，所有轉(zhuǎn)子的磁體可以相互增強彼此的磁場，從而增強間隙中的磁場。
[0060]因此，本發(fā)明的發(fā)電機可以包括兩個端部轉(zhuǎn)子、置于端部轉(zhuǎn)子之間的多個轉(zhuǎn)子和置于各轉(zhuǎn)子之間的定子，從而形成一個高性能的發(fā)電機，而不是將多個發(fā)電機組疊置成多級。
[0061]在本發(fā)明的發(fā)電機中，磁場強度與常規(guī)發(fā)電機相比得到顯著提高。因為發(fā)電電壓與磁場強度幾乎成比例，所以本發(fā)明的發(fā)電電壓得到顯著提高。因此，在本發(fā)明的發(fā)電機中，在各轉(zhuǎn)子之間的間隙中形成了非常強的多極磁場。
[0062]各轉(zhuǎn)子之間的間隙越小，產(chǎn)生的磁場就越強。因此，希望間隙盡可能的小。
[0063]因為常規(guī)發(fā)電機的每個轉(zhuǎn)子均具有磁軛，所以當轉(zhuǎn)子疊置成多級時，磁軛的總厚度當然是每個磁軛的厚度與級數(shù)的乘積；然而，在本發(fā)明中，磁軛僅設(shè)置在端部轉(zhuǎn)子處，因此，不管級數(shù)增加多少，磁軛的總厚度總是一個磁軛厚度的兩倍。因此，磁軛的總厚度小，即使級數(shù)增加，也能使發(fā)電機主體沿軸向的尺寸保持緊湊。結(jié)果，可以減輕其重量，并且可以降低其成本。
[0064]如圖4所示，包括多個線圈的定子40可以設(shè)置在各轉(zhuǎn)子之間的間隙中。定子40例如用收容殼體2固定。在定子40中，線圈44優(yōu)選嵌在線圈框架43中。為防止渦電流產(chǎn)生，線圈框架43由諸如樹脂等絕緣材料制成。所有定子可以優(yōu)選形成為，它們具有相同數(shù)量的線圈。線圈的形狀優(yōu)選與磁體形狀大致相同。在單相中，相鄰線圈優(yōu)選沿彼此相反的方向纏繞并串聯(lián)連接。在三相中，優(yōu)選地形成三組，沿圓周方向每隔二個串聯(lián)連接，用作三相繞組。
[0065]根據(jù)本發(fā)明，沿軸的軸向以交替形式設(shè)置轉(zhuǎn)子和定子。假設(shè)兩端處的端部轉(zhuǎn)子的厚度是磁軛的厚度與永磁體從磁軛突出的高度之和，所有轉(zhuǎn)子之間的間隙優(yōu)選為相同。關(guān)于設(shè)置在間隙中的定子，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隔優(yōu)選為一致，使得不會妨礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
[0066]轉(zhuǎn)子和定子優(yōu)選為圓盤狀的，它們的直徑優(yōu)選為50?6000mm。具有永磁體的轉(zhuǎn)子的厚度根據(jù)設(shè)置在其上的永磁體的質(zhì)量變化，優(yōu)選范圍為2?400mm，端部轉(zhuǎn)子的優(yōu)選范圍為3?600mm。帶有定子線圈的定子沿轉(zhuǎn)動軸方向的厚度優(yōu)選范圍為I?500mm。
[0067]當轉(zhuǎn)動力從槳葉傳遞至軸時，所有轉(zhuǎn)子與軸同步轉(zhuǎn)動。在各轉(zhuǎn)子之間的間隙(間隔)處形成的磁場也同步轉(zhuǎn)動。結(jié)果，同步轉(zhuǎn)動的磁場作用于定子，在各定子之間也同步產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果各定子的線圈數(shù)等于各轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)，那么獲得單相交流電動勢；如果各定子的線圈數(shù)是各轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)的0.75倍，那么獲得三相交流電動勢。安裝在定子中的線圈全部串聯(lián)連接，此外，定子也全部串聯(lián)連接。因此，由于總電動勢與定子級數(shù)成比例，通過增加定子級數(shù)可以容易地獲得更高的發(fā)電電壓。換句話說，疊置多級可導致磁極數(shù)增加并提高輸出電壓，而無需通過擴大外形來增加磁極數(shù)。從發(fā)電機獲得的交流電動勢經(jīng)整流器整流，然后存儲在電池中或傳輸出去。
[0068]按此方式，雖然當轉(zhuǎn)子和定子的數(shù)量沿轉(zhuǎn)動軸的軸向增加時發(fā)電機主體沿軸向的尺寸增加，但是當其被收容在水平軸型的風輪機的發(fā)電機艙內(nèi)時，受風面積并未減小。雖然發(fā)電機的直徑增大的確與受風面積減小有關(guān)，但是在本發(fā)明的發(fā)電機中，通過增加其軸向尺寸而不是增加直徑來提高發(fā)電電壓，這樣并不影響受風能力，因此，可以無損失地將風能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動能。所希望的是，風力發(fā)電機可以通過由常用的增強塑料制成的槳葉隨風向轉(zhuǎn)動 360。。
[0069]盡管對本發(fā)明使用的永磁體沒有特別限制，但優(yōu)選是含有稀土元素的高性能稀土磁體。優(yōu)選的是由被稱作稀土金屬間化合物組成的稀土粘結(jié)磁體或稀土燒結(jié)磁體，但更優(yōu)選的是Nd基各向異性燒結(jié)磁體。由于它們是高磁能積并能產(chǎn)生大的磁場，所以它們是優(yōu)選的，因為它們能提高發(fā)電性能，而且從磁體成本角度來看是便宜的。
[0070]只要發(fā)電機的結(jié)構(gòu)具有上述根據(jù)本發(fā)明的若干級疊置的多極磁體轉(zhuǎn)子和定子，SP使在風力發(fā)電的過程中轉(zhuǎn)速未增加，也能提高發(fā)電電壓，從而能夠高效率發(fā)電。此外，本申請的發(fā)電機也可應(yīng)用于水力發(fā)電。
[0071]下面，參照示例性實施例說明本發(fā)明；然而，本發(fā)明并不局限于此。
[0072]實施例
[0073]實施例1
[0074]制造圖1中所示的發(fā)電機。制造的發(fā)電機被設(shè)計成具有可變級數(shù)的轉(zhuǎn)子和定子，測量通過改變級數(shù)產(chǎn)生的各自發(fā)電電壓。軸由不銹鋼制成，直徑為15mm。在端部轉(zhuǎn)子中，使用粘合劑(環(huán)氧樹脂)將八個NdFeB永磁體(磁極沿軸向取向，厚度為4mm)同心地粘附在直徑為10mm且厚度為2mm的鐵磁軛上，并以交替形式將它們排列成等距磁極的取向相反。此外，在內(nèi)部轉(zhuǎn)子中，直徑為10mm且厚度為4mm的不銹鋼構(gòu)件具有形成用于嵌入磁體的八個等距孔，在各孔中嵌入相同的NdFeB永磁體(厚度:4mm)，并用粘合劑(環(huán)氧樹脂)固定。各轉(zhuǎn)子以8mm的空隙(端部轉(zhuǎn)子的厚度是永磁體厚度和磁軛厚度之和)與軸連接。用鍵固定這些轉(zhuǎn)子，使其與軸一體轉(zhuǎn)動而不滑動。定子的直徑為120mm，且由樹脂制成。定子具有用于嵌入線圈的等間隔的通孔。單獨制作銅線圈(30圈)，嵌入通孔中并用粘合劑固定住。嵌入的線圈全部串聯(lián)連接。各定子也串聯(lián)連接。殼體的直徑為130mm且長度為110mm。殼體由鋁制成。用螺栓將殼體與定子固定在一起。軸被與殼體連接的軸承可轉(zhuǎn)動地支承著。發(fā)電機與獨立設(shè)置的電動機直接連接，從而使軸轉(zhuǎn)動，然后測量發(fā)電電壓。
[0075]發(fā)電機由兩級轉(zhuǎn)子和一級定子構(gòu)成。圖5示出通過轉(zhuǎn)速為450rpm的電動機獲得的發(fā)電電壓的波形。觀測到的波形近似峰值約1V的正弦波。在對四級轉(zhuǎn)子和三級定子的情形以及六級轉(zhuǎn)子和五級定子的情形進行相同測量之后，在圖6中對應(yīng)定子數(shù)繪制峰值電壓。從這些結(jié)果可見，發(fā)電電壓隨定子級數(shù)成比例增加。
[0076]實施例2
[0077]在圖7中，在磁體總重量相同時，對(A)兩級轉(zhuǎn)子和一級定子的三級情形和(B)三級轉(zhuǎn)子和兩級定子的五級情形進行比較(圖中未示出定子)。轉(zhuǎn)子和定子的磁體結(jié)構(gòu)均與實施例1的相同。各定子具有相同的規(guī)格。各轉(zhuǎn)子具有8個磁極，且直徑為100mm，轉(zhuǎn)子間隙為8mm。此外,在五級的情形中，磁體的厚度為4mm,而在三級的情形中，磁體的厚度為6mm。在五級中，轉(zhuǎn)速為450rpm時的峰值電壓為18V。在三級中，峰值電壓為11V。因此，在使用的磁體量相同時，與三級相比，五級中的發(fā)電電壓可以大幅提高。
[0078]實施例3
[0079]在另一比較中，將轉(zhuǎn)子直徑增大并且磁極數(shù)增多的帶有兩級轉(zhuǎn)子和一級定子的三級型發(fā)電機與實施例2的五級型發(fā)電機進行比較。轉(zhuǎn)子和定子的磁體結(jié)構(gòu)均與實施例1的相同。三級型發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑為130mm并具有10個磁極,其磁體的厚度設(shè)定為4.8mm,從而使磁體的總重量與五級型的相同。在三級型發(fā)電機中，轉(zhuǎn)速為450rpm時的峰值電壓為17V。因此，盡管與實施例2的五級型相比，三級型的直徑增大了 30%且表面積增加了 69%，但是峰值電壓相似或甚至更低。
[0080]實施例4
[0081]該實施例示出五級的例子，即三級轉(zhuǎn)子和兩級定子，其中利用8個磁極(磁體數(shù)為8，NdFeB系燒結(jié)磁體)和6個定子線圈獲得三相交流電動勢。另外，其結(jié)構(gòu)與實施例1的相同。使用與實施例1相同的轉(zhuǎn)子。如圖8所示，定子50 (厚度:5mm)具有嵌在線圈框架53中的6個線圈54。夾持轉(zhuǎn)動軸的兩個彼此相對的線圈串聯(lián)連接，且在相鄰定子中也使用相同種類的連接，在兩級定子中軸向相對的線圈串聯(lián)連接。圖9示出在450rpm時的三組線圈中獲得的發(fā)電電壓的測量結(jié)果。結(jié)果表明，如果定子數(shù)是磁極數(shù)的0.75倍或0.75的整數(shù)倍，則獲得三相交流電。
[0082]參考例
[0083]在圖12所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)和圖10所示的本發(fā)明結(jié)構(gòu)之間進行比較。在兩種情況下，定子與實施例1的相同。各定子設(shè)置在三個間隙中。所有轉(zhuǎn)子都具有8個磁極，鐵磁軛的直徑均為100mm,厚度為3mm,磁體的厚度為6mm。非磁性材料框架由不銹鋼制成,且直徑為100mm、厚度為6mm。圖10和圖12所示的轉(zhuǎn)子與軸連接，其間的間隙為8mm寬。圖10所示的兩端處的轉(zhuǎn)子14a、14b的厚度以及圖12所示的轉(zhuǎn)子110a、110b、IlOc的厚度均是永磁體厚度和磁軛厚度之和。此外，在圖10的實施例中，兩端處的轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子(即轉(zhuǎn)子15a、15b)的厚度與永磁體的厚度相同。
[0084]從測量這兩種發(fā)電機的發(fā)電電壓的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)結(jié)構(gòu)的電壓是24V，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的電壓是33V，即電壓高約1.4倍。發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更高的電壓。
[0085]如上所述，本發(fā)明的發(fā)電機可以提高發(fā)電電壓，而不必增大整體直徑，且不必增加磁體的重量。
【權(quán)利要求】
1.一種永磁式發(fā)電機,其包括: 發(fā)電機軸； 至少三級轉(zhuǎn)子，每級轉(zhuǎn)子與所述發(fā)電機軸連接，并具有附著有永磁體的盤狀結(jié)構(gòu)，其中每級轉(zhuǎn)子沿所述發(fā)電機軸的長度方向設(shè)置；以及 定子，具有帶有纏繞銅線的定子線圈的盤狀結(jié)構(gòu)，各個所述定子設(shè)置在由所述轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，并與所述發(fā)電機軸隔開， 其中，總數(shù)不少于五級的所述轉(zhuǎn)子和所述定子沿所述發(fā)電機軸的長度方向交替設(shè)置， 所述定子線圈在單相時串聯(lián)連接或者在三相時串聯(lián)連接， 通過用非磁性材料框架固定永磁體得到位于兩端處的所述轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子，以及位于兩端處的每個所述轉(zhuǎn)子在面對所述定子的那側(cè)具有附著到盤狀磁軛上的永磁體，所述磁軛含有磁性材料，使得從所述磁極產(chǎn)生的磁通量可以通過所述盤狀磁軛流動，由此減少從兩端處的所述轉(zhuǎn)子漏磁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機，其中所述轉(zhuǎn)子和所述定子呈圓盤狀；附著到各轉(zhuǎn)子上的所述永磁體以不少于4個磁極沿圓周方向彼此等間隔地設(shè)置；所述定子線圈以在所述定子內(nèi)不少于3個磁極沿圓周方向彼此等間隔地設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機,其中，每個所述永磁體是稀土磁體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機，其中，每個所述永磁體是Nd基稀土各向異性燒結(jié)磁體。
5.一種通過將槳葉安裝在根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機的軸上得到的風力發(fā)電機。
【文檔編號】H02K21/24GK104393724SQ201410557800
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日:2007年3月23日
【發(fā)明者】美濃輪武久, 小林秀樹, 宮田浩二 申請人:信越化學工業(yè)株式會社