專利名稱：雙凸極永磁電機(jī)的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及低速發(fā)電機(jī)，具體涉及用于風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動的發(fā)電機(jī)。
相關(guān)技術(shù)描述近年來風(fēng)輪機(jī)作為對環(huán)境安全的而且相當(dāng)廉價的替代能源已受到廣泛注意。隨著這種興趣的增長，已進(jìn)行了顯著的努力來開發(fā)可靠且高效率的風(fēng)輪機(jī)。
風(fēng)輪機(jī)一般包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子水平裝在一個機(jī)座內(nèi)，該機(jī)座位于桁梁或單管塔的頂部。風(fēng)輪機(jī)的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動一個或多個發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動力，該發(fā)電機(jī)通過齒輪裝置可轉(zhuǎn)動地連接于該轉(zhuǎn)子。為了使發(fā)電機(jī)有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，必須用齒輪裝置提升風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子固有的低轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的電能被饋送到公用電網(wǎng)上。
很多常規(guī)風(fēng)輪機(jī)以恒定速度轉(zhuǎn)動產(chǎn)生每秒60周(60Hz)的電能，該頻率是美國交流電的標(biāo)準(zhǔn)。因為風(fēng)速連續(xù)變化，所以這些風(fēng)輪機(jī)必須具有保持轉(zhuǎn)子速度恒定的系統(tǒng)。在一種這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速增加時將葉片的葉距增加，而在風(fēng)速減小時將葉片的葉距減小，由此使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持恒定。
有些風(fēng)輪機(jī)通過采用電力換流器調(diào)節(jié)其輸出而變速工作。當(dāng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子的速度波動時，從發(fā)電機(jī)輸出的交流電流的頻率也發(fā)生改變。配置在發(fā)電機(jī)和公用電網(wǎng)之間的電力換流器將頻率變化的交流電流轉(zhuǎn)化為直流，然后再將直流轉(zhuǎn)換成具有固定頻率60Hz的交流電流。
風(fēng)輪機(jī)必須結(jié)實和可靠。因為風(fēng)輪機(jī)的齒輪裝置價格貴、重量大、又要經(jīng)常維修，所以很希望通過使發(fā)電機(jī)直接連接于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子而除去齒輪裝置。風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動的優(yōu)點是提高了可靠性、降低了成本、減小了重量、減小了工作噪聲、提高了效率而且沒有轉(zhuǎn)矩限制。
然而，因為常規(guī)發(fā)電機(jī)不能在30～50r/min范圍內(nèi)的低轉(zhuǎn)速下有效工作，所以將風(fēng)輪機(jī)直接連接到發(fā)電機(jī)上也是有問題的。Weh H.，May H.和Salaby M.在Proc.ICEM，1990年第3卷1040～1045頁的題為“永磁激勵同步電機(jī)的高效磁路”“(Highly Effective MagneticCircuits for Permanent Magnet Excited Synchronous Machines)的論文中公開了一種可用作低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的電機(jī)。


圖1所示的這種橫向磁通電機(jī)(TF電機(jī))包括環(huán)形轉(zhuǎn)子2(圖中僅示出其一部分)、固定的外側(cè)電樞繞組4、固定的內(nèi)側(cè)電樞繞組6、多個外側(cè)定子鐵心磁通導(dǎo)向件8和多個內(nèi)側(cè)定子鐵心磁通導(dǎo)向件10。環(huán)形轉(zhuǎn)子2包括第一列永磁體12和第二列永磁體14。用非磁性材料例如纖維增強樹脂做的環(huán)形件16被夾在兩列永磁體之間。環(huán)形轉(zhuǎn)子2構(gòu)造成永磁體12和鐵部件18交替布置，永磁體14與鐵部件20交替布置。
即使TF電機(jī)可以在低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下工作，但它也具有若干顯著的缺點。具體是，TF電機(jī)可能有相當(dāng)大的槽口漏磁，這對操作性能有負(fù)面影響。為弄清此問題的本質(zhì)，考慮P≡Γω這一關(guān)系，式中P＝電機(jī)的額定功率Γ＝轉(zhuǎn)矩ω＝轉(zhuǎn)子角速度從上述關(guān)系中可以明顯看出，為在低的角速度(ω)下達(dá)到高的額定功率(P)，必須盡量增大由電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(Γ)。眾所周知，在這種技術(shù)中為獲得高的轉(zhuǎn)矩，必須盡量增加電機(jī)的磁通量和電樞繞組4和6中的電流。為了承載繞組4和6中增加的電流而又不會因發(fā)熱造成能量過分損失，必須增加電樞繞組4和6的橫截面積。
另外，眾所周知，在這種技術(shù)中由電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩正比于電機(jī)直徑的平方(或立方或大于1的冪數(shù))與電機(jī)長度之乘積。換言之Γ＝kd2L式中，Γ＝轉(zhuǎn)矩k＝常數(shù)L＝電機(jī)的有效材料長度d＝電機(jī)的有效材料直徑上述關(guān)系表示，為在緊湊裝置中獲得高的轉(zhuǎn)矩，最佳技術(shù)方案是增加電機(jī)直徑而不是電機(jī)長度。在圖1所示的先有技術(shù)系統(tǒng)中，如果要增加TF電機(jī)的直徑并保持長度不變，則只有增加分別包含電樞繞組4和6的定子鐵心磁通導(dǎo)向件8和10的槽口深度D，以便盡可能增大電樞繞組4和6的橫截面積(因為深度D是電機(jī)直徑的函數(shù))，而定子鐵心磁通導(dǎo)向件8和10的槽口寬度W(該寬度是機(jī)器長度的函數(shù))必須保持不變。
圖2示出，當(dāng)槽口深度D增加時，槽口空氣隙的橫截面積Aa以及穿過例如鋼制外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8的磁路長度Ls也增加。而外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8的橫截面積As和穿過槽口空氣隙的磁路長度La保持不變。因為磁阻R(磁路對磁通量形成的阻力)等于L/μA，式中μ＝介質(zhì)的導(dǎo)磁率L＝磁路長度A＝介質(zhì)的橫截面積所以從圖2可以明顯看出，當(dāng)槽口深度D增加時，通過鋼制外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8的磁阻增加，而通過槽口空氣間隙的磁阻減小。因此增加槽口深度D導(dǎo)致漏磁的增大，因而磁鏈沿路徑La穿過槽口空氣間隙而不是沿著穿過外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8中的路徑Ls。任何沿路徑La而不是沿路徑Ls經(jīng)槽口空隙漏出的磁力線沒有鏈接位于槽口空氣間隙中的繞組的所有線圈(例如圖1的繞組4)，因而不能產(chǎn)生電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，造成電機(jī)的額定功率減小。
TF電機(jī)的另一缺點是，由于兩個定子(即外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8和內(nèi)部定子鐵心磁通導(dǎo)向件10)的非對稱配置，由外部電樞繞組4和內(nèi)部電樞繞組6(圖1)形成的磁阻是不同的，造成兩相之間的電磁不平衡。由圖3可以看到TF電機(jī)電磁不平衡的原因。由外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8與空氣間隙23交替配置所形成的外部體積22大于由內(nèi)部定子鐵心磁通導(dǎo)向件10與空氣間隙25交替配置所形成的內(nèi)部體積24。因為體積22和24內(nèi)均包括相同數(shù)目的相同的鋼制定子鐵心磁通導(dǎo)向件，而且外部體積22事實上大于內(nèi)部體積24，所以在外部體積22中的鋼與空氣之比小于在內(nèi)部體積24的。因此外部體積22與內(nèi)部體積24相比，對磁通具有更大的磁阻，這造成外部電樞繞組4和內(nèi)部電樞繞組6(圖3中未示出)的兩相之間的磁不平衡。TF電機(jī)兩相之間的磁的不平衡導(dǎo)致產(chǎn)生熱損耗的循環(huán)電流、可能損壞轉(zhuǎn)子軸承的軸承電流和轉(zhuǎn)子的不均勻負(fù)載，這些造成電機(jī)的機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計中的困難。
另外，已證明制造大型TF機(jī)(很希望制造這種大型機(jī)，因為磁極數(shù)目且由此電機(jī)尺寸的增加將改進(jìn)它在低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下的操作特性)是一項艱巨的任務(wù)，因為當(dāng)這些部件的尺寸增大時，在環(huán)形轉(zhuǎn)子2和外部與內(nèi)部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8和10之間要保持小的如圖4所示的空氣間隙26和28是相當(dāng)困難的。(眾所周知，在這種技術(shù)中為獲得最大功率和效率，必須盡量減小電機(jī)的活動部件和固定部件之間的空氣間隙。)另外，TF電機(jī)不適合于高速操作，因為固定的外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8和環(huán)形轉(zhuǎn)子2的同心取向使得當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加時，環(huán)形轉(zhuǎn)子2的徑向膨脹將逐漸減少空氣間隙26，直到環(huán)形轉(zhuǎn)子2碰撞到外部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8，這將造成TF電機(jī)的災(zāi)難性破壞。
另外，TF電機(jī)成本相當(dāng)高，因為制造包括外部、內(nèi)部定子鐵心磁通導(dǎo)向件8、10及電樞繞組4、6的復(fù)雜固定組件是相當(dāng)困難的。TF電機(jī)在其繞組中用了大量銅，這又增加了制造成本。在繞組中銅的利用率不高，因為僅在電樞繞組4和6的厚度為T(圖4)的部分被用于形成轉(zhuǎn)矩(因為繞組中僅有這些部分由磁力線鏈接)。厚度為G(G＞T)的其余部分繞組的作用只是用以閉合電路。
TF電極的另一缺點是，由于不存在通到內(nèi)部的出入口，所以在機(jī)器操作期間在內(nèi)部定子鐵心磁通導(dǎo)向件10中產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)出去，這樣便降低了效率和功率輸出。
發(fā)明概述因此要求提供一種雙凸極永磁電極，該電機(jī)可以克服上述缺點，例如，可以盡量減小槽口磁漏、具有電磁平衡的繞組相、制造容易且成本低、可以在低速和高速下運轉(zhuǎn)、有利于散熱并具有緊湊和高效的結(jié)構(gòu)。
還希望永磁電機(jī)在低角速度下獲得高的功率密度、能夠容納數(shù)目多的磁極、可采用具有低電感系數(shù)繞線的常規(guī)繞組設(shè)計以及具有簡單的支承結(jié)構(gòu)。
研究以下的說明和附圖可以明顯看出本發(fā)明的其它優(yōu)點。
在一個實施例中，本發(fā)明的雙凸極軸向磁通永磁電極包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子裝在一對共軸且橫向取向的定子之間。該轉(zhuǎn)子用許多與鋼制電磁凸極交替配置的永磁體制成。各個定子具有許多縱向取向的凸極。定子凸極支承兩組多個銅線圈，其中在各個定子凸極上繞一個單一線圈。每組多個線圈串聯(lián)，因此構(gòu)成兩相繞組。
附圖簡述參考附圖借助于不帶有限定性的實施例例示出本發(fā)明，其中
圖1是先有技術(shù)的橫向磁通電機(jī)(TF電機(jī))的透視圖；圖2是圖1先有技術(shù)TF電機(jī)的定子鐵心磁通導(dǎo)向件的透視圖；圖3是圖1先有技術(shù)TF電機(jī)的側(cè)視圖；圖4是圖3先有技術(shù)TF電機(jī)的細(xì)節(jié)圖；圖5是按照本發(fā)明構(gòu)造的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)(DSAFPM電機(jī))之主要部件的分解透視圖；圖6是圖5所示DSAFPM電機(jī)轉(zhuǎn)子的側(cè)視示意圖；圖7是透視圖，示出圖5所示定子的制造方法；圖8是按本發(fā)明構(gòu)造的DSAFPM電機(jī)的部分截面透視圖；圖9是圖8所示DSAFPM電機(jī)線圈的透視圖；圖10是具有不同長度端部繞組的圖8線圈的透視圖；圖11是示意圖，示出適用于將圖8所示DSAFPM電機(jī)連接于公用電網(wǎng)的換流器配置，其中DSAFPM電機(jī)連接于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子上；圖12是圖11換流器配置的細(xì)節(jié)示意圖；圖13是圖8所示DSAFPM電機(jī)的等效電路；圖14是圖表，示出圖8所示的DSAFPM電機(jī)在正常速度下轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生；圖15是圖表，示出圖8所示DSAFPM電機(jī)在高速度下轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生；圖16是圖8 DSAFPM電機(jī)的橫截面圖；圖17～24示出圖8所示DSAFPM電機(jī)磁通分布的變化；圖25和26是對應(yīng)于圖17～24所示DSAFPM電機(jī)磁通分布變化的磁鏈曲線；圖27是雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的示意圖，其中各個定子包括A相和B相繞組的線圈；圖28是具有雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的橫截面圖；圖29和30是示意圖，示出圖28所示電機(jī)的不同轉(zhuǎn)子取向；圖31是本發(fā)明的雙凸極徑向磁通永磁電機(jī)的橫截面圖。
為了例示目的，這些圖不一定按比例畫出。在所有圖中，相同部件用相同編號表示。
發(fā)明詳述在以下的整個說明中，為更好地理解本發(fā)明，示出了一些具體的細(xì)節(jié)。但是可以不用這些具體細(xì)節(jié)而實施本發(fā)明。在另外一些情況下，為避免不必要地混淆本發(fā)明而沒有示出或說明公知的部件。因此說明和附圖只是例示性質(zhì)而沒有限制性的意義。
圖5示出本發(fā)明的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的主要部件。該電機(jī)包括第一定子100、轉(zhuǎn)子102和第二定子104，它們均為環(huán)形。定子100和104具有外徑d，它與轉(zhuǎn)子102的外徑相同。
轉(zhuǎn)子102包括許多縱向的永磁體106，例如稀土永磁體或鐵氧體永磁體。永磁體106圍繞轉(zhuǎn)子102均勻間隔開并且與許多用導(dǎo)磁材料例如疊層鋼制造的電磁轉(zhuǎn)子凸極108交替配置，凸極數(shù)目與永磁體106相同。各個永磁體106具有徑向尺寸t和角度θm。永磁體106在橫向方向上被極化，使得轉(zhuǎn)子凸極108在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)被完全一樣地極化，如圖6所示，該圖示出磁力線107的取向。
定子100(圖5)具有許多縱向定子凸極110和一個鐵座(backiron)111。定子104具有許多縱向定子凸極112和一個鐵座113。定子凸極110和112圍繞其相應(yīng)定子100和104均勻間隔開。各個定子具有許多定子凸極，其數(shù)目等于轉(zhuǎn)子凸極108的數(shù)目。每個定子凸極具有徑向尺寸t和角度θs。
定子100和104分別包括許多獨立的疊置鋼片，這些定子采用卷繞和沖壓疊層鋼帶的方法被廉價地制造，如圖7所示。
圖8是本發(fā)明的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的透視橫截面圖。電機(jī)的轉(zhuǎn)子102剛性連接于主軸114，該主軸又直接連接在風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子(未示出)上。主軸114被支承在圓筒機(jī)殼116內(nèi)，該機(jī)殼具有端面118和120。該軸114在軸承122和124中轉(zhuǎn)動，該軸承分別居中地安裝在端面118和120上。
定子100的鐵座111剛性地固定于端面118的內(nèi)側(cè)表面上，而定子104的鐵座113則剛性地固定于端面120的內(nèi)側(cè)表面上。定子100和104的這種配置使得在定子中由渦流和線圈電流產(chǎn)生的熱量可以有效地經(jīng)機(jī)殼116傳導(dǎo)和對流散發(fā)到周圍大氣中。
定子100和104如此取向，使得當(dāng)定子凸極112與永磁體106完全對準(zhǔn)時，定子凸極110完全與轉(zhuǎn)子凸極108對準(zhǔn)，反之亦然。定子凸極110支承銅線圈126，而定子凸極112支承銅線圈128，其中各個線圈圍繞各個定子凸極的周緣配置。線圈126和128具有常規(guī)形狀和設(shè)計，因此可以廉價且容易地制造，并且安裝在由定子凸極110和112形成的槽口中。
如圖9所示，線圈128包括端部繞組部分E和導(dǎo)體部分C。端部繞組部分E的長度(不參與產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩)小于導(dǎo)體部分C的長度。線圈126和128的這種構(gòu)形減少了線圈的電感系數(shù)(電感系數(shù)是電路的一種特性，電路中的變化電流通過電感系數(shù)產(chǎn)生變化的磁場，該變化的磁場又在同一電路或鄰近的電路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓)，這對于換流器饋電電機(jī)是有利的，在這種電機(jī)中，電流由施加在電機(jī)端子上的脈寬調(diào)制電壓控制。產(chǎn)生這種優(yōu)點是由于低電感繞組可以快速動態(tài)控制電流，因為電流可以緊隨著所施加的或產(chǎn)生的電壓而沒有顯著的相滯后。另外，因為端部繞組部分E較小，所以繞組中銅可以得到有效應(yīng)用，并且進(jìn)一步降低了電機(jī)成本。線圈126和128還可以具有圖10所示的構(gòu)形，其中端部繞組E1和E2具有不同長度。
如圖11所示，線圈126串聯(lián)，構(gòu)成A相繞組133。線圈128也串聯(lián)，構(gòu)成B相繞組135。A相和B相繞組133和135連接于功率電子換流器129，該換流器包括例如在William L.Erdman的美國專利No.5225712中說明的三相直流 交流換流器134以及雙極兩相換流器136，該換流器136控制通過各相繞組沿兩個方向的電流值。當(dāng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子235轉(zhuǎn)動剛性連接于其上的軸114時便產(chǎn)生電流。換流器134電連接于公用電網(wǎng)137上，而換流器136則電連接到A相和B相繞組133和135上。換流器134和136由直流線路138相互連接。換流器129通過脈寬調(diào)制電壓波形調(diào)制相電流。另外，換流器129還允許將電機(jī)用作電動機(jī)或用作發(fā)電機(jī)，并且還允許電機(jī)在保持恒電壓恒頻率連接于公用電網(wǎng)的同時進(jìn)行電機(jī)的變電壓變頻操作。
圖12是換流器136的示意圖，它包括許多開關(guān)137，例如隔離柵雙極晶體管(IGBT)、許多單向二極管139和例如電池的電源140。
可以應(yīng)用雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的基于有限元模型(FEM)分析提出的線性模型來研究電機(jī)的操作性能及其可能的控制方法。這種線型模型的假定如下(1)電感對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化是線性的；(2)電感系數(shù)與電流量無關(guān)。示于圖13的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)線性模型的等值電路推導(dǎo)如下ua=ema+ia×ra+dλadt]]>ub=emb+ib×rb+dλbdt]]>式中ua＝相A的端電壓；ub＝相B的端電壓；ia＝相A的相電流；ib＝相B的相電流；ra＝相A的電阻；rb＝相B的電阻；λa＝相A的電樞感應(yīng)磁鏈；λb＝相B的電樞感應(yīng)磁鏈；另外ema=dΨmadt]]>emb=dΨmbdt]]>式中，Ψma＝由相A鏈接的永磁體磁通量Ψmb＝由相B鏈接的永磁體磁通量而且λa＝Laa×ia+Mba×ibλb＝Mab×ia+Lbb×ib式中Mab＝相A和相B之間的互感系數(shù)(由相B鏈接的磁通量除以相A的激勵電流)；Mba＝相A和相B之間的互感系數(shù)(由相A鏈接的磁通量除以相B的激勵電流)。由以上可得到LaaMbaMabLbbdiadtdibdt=ra+ωrdLaadθrωrdMbadθrωrdMabdθrrb+ωrdLbbdθriaib+uaub-emaemb]]>式中qr＝轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機(jī)械角度wr＝轉(zhuǎn)子角速度這組方程示意于圖13，其中采用以下定義ema＝由永磁體磁通量變化產(chǎn)生的相A的感應(yīng)電壓；emb＝由永磁體磁通量變化產(chǎn)生的相B的感應(yīng)電壓；era＝由相A自感系數(shù)變化產(chǎn)生的相A的磁阻電壓；erb＝由相B自感系數(shù)變化產(chǎn)生的相B的磁阻電壓；erma＝由相A和相B之間互感系數(shù)的變化產(chǎn)生的相A的磁阻電壓；ermb＝由相A和相B之間互感系數(shù)的變化產(chǎn)生的相B的磁阻電壓；Laa＝相A的自感系數(shù)；Lbb＝相B的自感系數(shù)；Mab＝相A和相B之間的互感系數(shù)。
轉(zhuǎn)矩由下式給出ema×ia+emb×ib＝ωτ(Tma+Tmb)式中Tma=ia×dΨmadθr=]]>由相A產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmb=ib×dΨmbdθr=]]>由相B產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。
在正常操作條件下，相A和相B的自磁阻轉(zhuǎn)矩將彼此抵消，如圖14所示?；ゴ抛柁D(zhuǎn)矩為零平均值。磁阻轉(zhuǎn)矩峰值較小，因為由于雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)具有的雙空氣間隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致互感系數(shù)的變化相當(dāng)小。所以產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩很平滑。
當(dāng)電機(jī)的操作速度高于額定值時，可以用自磁阻轉(zhuǎn)矩借助于圖15所示的控制方法來補償由于不規(guī)則電流波形引起的功率損失。因此，雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的操作速度能夠高于已知的永磁電機(jī)。在高速時，互磁阻仍導(dǎo)致零平均轉(zhuǎn)矩。
如果按下式定義λa和λb則可得到雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的非線性模型λa＝f(θr，ia，ib)λb＝f(θr，ia，ib)
因為定子100和104以同樣方式成形，所以由相A繞組和相B繞組得到的磁阻是相等的，因而在兩相之間形成電磁平衡。兩相之電磁平衡的有利之處在于在理論上可以消除循環(huán)電流、軸承電流和轉(zhuǎn)子上的不均勻負(fù)載，因此增加了電機(jī)的效率和可靠性。
如圖16所示，在轉(zhuǎn)子102和定子100的凸極110(其輪廓用虛線表示)之間存在空氣間隙130。在轉(zhuǎn)子102和定子凸極112之間也同樣存在空氣間隙132，其寬度與空氣間隙130的寬度相等。眾所周知，盡量減小電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣間隙可以增加功率和效率。定子100、轉(zhuǎn)子102和定子104的軸向構(gòu)形允許形成較小的空氣間隙130和132，而不管轉(zhuǎn)子102、定子100和104的尺寸如何，因而降低了制造大型電機(jī)的成本。這種機(jī)器可以容納許多凸極，從而使它在低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下具有高的輸出。另外，由于上述軸向構(gòu)形，所以轉(zhuǎn)子102在高轉(zhuǎn)子速度下的徑向膨脹沒有減小空氣間隙130和132，這一點，再加上轉(zhuǎn)子102的平滑形狀減小了空氣阻力(空氣摩擦損失)，這一事實構(gòu)成了高速操作能力的另一優(yōu)點。
另外，雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的槽口漏磁被減小到最小，因為為了產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，增大線圈126和128的寬度Wc而沒有增加槽口深度Ds。如本說明書前一部分中所詳細(xì)說明的那樣，盡量減小槽口深度Ds將會減小槽口漏磁。
圖17至24中例示出本發(fā)明上述實施例的操作。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極108完全與定子凸極110對準(zhǔn)時，永磁體106完全與定子凸極112(圖17)對齊。轉(zhuǎn)子102的這種取向(相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動0°角)使永磁體106產(chǎn)生的所有磁鏈127均穿過定子100的A相繞組(圖17中未示出)。在此時沒有任何磁鏈穿過定子104的B相繞組(圖17未示出)。
當(dāng)轉(zhuǎn)子102轉(zhuǎn)過22.5°角(圖18)時，凸極110和112與轉(zhuǎn)子102的電磁凸極108部分對齊，因而由永磁體106產(chǎn)生的磁鏈127等同地分布在定子100和定子104之間。在此時，穿過A相繞組(圖18未示出)的磁力線等于穿過B相繞組(圖18未示出)的磁力線。
在轉(zhuǎn)子102轉(zhuǎn)過45°時(圖19)，定子凸極110完全與永磁體106對齊，而定子凸極112完全與轉(zhuǎn)子電磁凸極108對齊。在轉(zhuǎn)子102的這種取向時，由永磁體106產(chǎn)生的所有磁鏈均穿過定子104的B相繞組(圖19未示出)。
在圖20、21、22、23和24中分別示出轉(zhuǎn)子102轉(zhuǎn)動到67.5°、90°、112.5°、135°和157.5°時的磁通分布。在圖25和26中分別示出對應(yīng)于0～180°機(jī)械轉(zhuǎn)動角度的穿過A相和B相繞組的磁鏈127的曲線。雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)A相電流和B相電流之間的相位移是90°電角度。
因此提供了一種永磁電極，該電極克服了上述缺點，例如盡量減小了槽口漏磁、具有電磁平衡的相、制造簡便且成本低、能夠在低速和高速兩個速度下運轉(zhuǎn)、容易散熱、而且結(jié)構(gòu)緊湊且效率高。
雙凸極軸向磁通永磁電極因其能在低角速度下達(dá)到高的能量密度、能夠容納數(shù)目多的凸級、可以利用常規(guī)的具有低電感繞組的繞組結(jié)構(gòu)、且只需采用簡單的支承結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性。
還可以提供所述設(shè)備的很多其它變形，在此將描述其中的一些。例如，雙凸極軸向磁通永磁電極的定子凸極數(shù)目可以為大于2的任何偶數(shù)。另外，定子凸極(例如定子100的)與轉(zhuǎn)子凸極之比不要求為1∶1。根據(jù)電機(jī)尺寸，該比值可以按以下公式改變R＝S+2式中S＝定子凸極數(shù)目R＝轉(zhuǎn)子凸極數(shù)目其次，也可以提出其它合適的定子/轉(zhuǎn)子凸極配置，例如，兩個定子凸極可以與任何其它大于4的偶數(shù)個轉(zhuǎn)子凸極相組合，例如2/6、2/8……2/100等。還可以形成其它的組合，例如4/8、4/10、4/12……；6/10、6/12、6/14……，等等。
另外，A相和B相繞組的線圈可以配置成使得各個定子既包括A相的線圈也包括B相的線圈。圖27示意出具有六極轉(zhuǎn)子150、第一雙構(gòu)件定子152和第二雙構(gòu)件定子156的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)。轉(zhuǎn)子150包括永磁體155和電磁凸極157。定子152包括具有凸極151的A相構(gòu)件160和具有凸極153的B相構(gòu)件162。定子156包括具有凸極154的B相構(gòu)件164和具有凸極158的A相構(gòu)件168。A相構(gòu)件160和168的凸極支承串聯(lián)的包括A相繞組的線圈170。B相構(gòu)件162和164的凸極支承串聯(lián)的包括B相繞組的線圈172。在圖27中，轉(zhuǎn)子150相對于定子152和156的取向使得由永磁體155產(chǎn)生的所有磁鏈穿過A相繞組的線圈170。此實施例的另一種布局方法是，在轉(zhuǎn)子電磁凸極的數(shù)目R是10的整倍數(shù)時，定子凸極S的數(shù)目按公式S＝R(4/5)進(jìn)行計算。
圖28示出具有雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)。該電機(jī)包括第一定子200、第一轉(zhuǎn)子202、第二定子204、第二轉(zhuǎn)子206和第三定子208，它們均為環(huán)形。定子200、204和208分別包括鐵座210、212和214。定子200具有許多縱向的定子凸極216，定子208具有許多縱向的定子凸極218。凸極216和218圍繞其相應(yīng)定子200和208均勻間隔開。定子204具有兩排并列的縱向凸極220(a)和220(b)，其中凸極220(a)和220(b)圍繞定子204均勻間隔開。
許多銅線圈222、224(a)、224(b)和226相應(yīng)連接，使得線圈222和226構(gòu)成A相繞組，而線圈224(a)和(b)構(gòu)成B相繞組。線圈222和226配置在定子凸極216和218上，而線圈224(a)和(b)配置在定子凸極220(a)和(b)上。
圖29示出，轉(zhuǎn)子202和206由分別與多個轉(zhuǎn)子電磁凸極207和209交替配置的多個縱向永久磁體203和205構(gòu)成，該轉(zhuǎn)子電磁凸極分別由疊層鋼制成。間隙G1、G2、G3和G4分別分開定子200和轉(zhuǎn)子202、轉(zhuǎn)子202和定子204、定子204和轉(zhuǎn)子206，以及轉(zhuǎn)子206和定子208。
如圖28所示，轉(zhuǎn)子202和206用例如螺紋緊固件230和231剛性固定在轉(zhuǎn)子支承件228上。轉(zhuǎn)子支承件228用焊接(未示出)固定于主軸232上。主軸232可轉(zhuǎn)動地支承在具有端面236、238和筒體240的機(jī)殼234內(nèi)，并且可以直接連接于例如風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子235上。定子200和208分別用例如螺紋緊固件242和244剛性固定在端面236和238上。定子204用例如螺紋緊固件246剛性固定在筒體240上。
在定子凸極的數(shù)目等于轉(zhuǎn)子電磁凸極數(shù)目(圖29)的情況下，定子200、204和208的取向使得當(dāng)凸極207和209與定子204的凸極220完全對準(zhǔn)時，永磁體203便完全與凸極216對齊，并且永磁體205完全與凸極218對齊。轉(zhuǎn)子202和206的這種取向使得由永磁體203和205產(chǎn)生的磁鏈127穿過B相繞組的線圈224(a)和(b)(圖28中未示出)。同樣，當(dāng)永磁體203和205完全與凸極220對齊(圖30)時，凸極207和209便分別與凸極216和218完全對齊。轉(zhuǎn)子202和206的這種取向使得由永磁體203和205產(chǎn)生的磁鏈127完全穿過A相繞組的線圈222和226(圖30中未示出)。
雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)不限于單轉(zhuǎn)子或雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。還可以采用三個或更多個轉(zhuǎn)子，并且轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極之比也可以不同。
另外，還可形成如圖31所示的徑向磁通形式的雙凸極永磁電極。這種電機(jī)包括外部定子300以及與外部定子300同心的內(nèi)部定子302。定子300包括許多徑向等間隔配置的面向內(nèi)的凸極304。繞在凸極304上且串聯(lián)的許多銅線圈306構(gòu)成A相繞組。定子302包括許多徑向等距間隔開的面向外的凸極308。繞在凸極308上且串聯(lián)的許多銅線圈310構(gòu)成B相繞組。定子300和302分別具有座鐵312和314。
同心的轉(zhuǎn)子316位于外部定子300和內(nèi)部定子302之間。轉(zhuǎn)子316包括許多永磁體318，該永磁體與相等數(shù)目的由例如疊層鋼制成的轉(zhuǎn)子電磁凸極320交替配置。永磁體圍繞轉(zhuǎn)子316均勻間隔開，其數(shù)目等于凸極304和308的數(shù)目。轉(zhuǎn)子316可直接連接于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子(未示出)上。本發(fā)明此實施例的操作原理與上述雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)的原理相同。
如同本發(fā)明的軸向磁通實施例那樣，轉(zhuǎn)子凸極數(shù)目和定子凸極數(shù)目之間的關(guān)系可以改變。另外，這種電機(jī)的線圈不一定連接成使得一個定子的線圈構(gòu)成A相繞組而另一定子的線圈構(gòu)成B相繞組。
上述雙凸極永磁電機(jī)的構(gòu)形僅僅是示例性的。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)由這些所示的例子確定，而應(yīng)當(dāng)由所附屬的權(quán)利要求書和其等同物確定。
權(quán)利要求
1.一種雙凸極永磁電機(jī)，它包括至少兩個彼此共軸固定的定子；至少一個位于上述至少兩個定子之間的轉(zhuǎn)子；和由上述至少兩個定子支承的兩相繞組。
2.如權(quán)利要求1所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述至少兩個定子中的每個定子均包括許多定子凸極并具有對稱軸線。
3.如權(quán)利要求2所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述定子凸極相對于上述對稱軸線沿縱向成形。
4.如權(quán)利要求2所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述定子凸極相對于上述對稱軸線沿徑向成形。
5.如權(quán)利要求1所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述至少一個轉(zhuǎn)子包括許多永磁體。
6.如權(quán)利要求5所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述永磁體與用導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子電磁凸極交替配置。
7.如權(quán)利要求6所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，每個上述轉(zhuǎn)子電磁凸極具有第一和第二側(cè)，上述永磁體極化成使得上述第一側(cè)的磁性極化度與上述第二側(cè)相同。
8.如權(quán)利要求1所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述兩相繞組包括第一和第二組線圈。
9.一種雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，它包括至少兩個彼此共軸并沿橫向配置的定子；至少一個配置在上述至少兩個定子之間的轉(zhuǎn)子；和具有第一相和第二相的繞組，上述繞組由上述至少兩個定子支承。
10.如權(quán)利要求9所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述至少兩個定子中的每個定子均具有許多定子凸極和對稱軸線。
11.如權(quán)利要求10所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述定子凸極圍繞上述至少兩個定子中的各定子均勻間隔開，并相對于上述對稱軸線沿縱向成形。
12.如權(quán)利要求9所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述至少一個轉(zhuǎn)子包括許多永磁體，該永磁體圍繞上述至少一個轉(zhuǎn)子均勻間隔開并且在其間設(shè)置有由導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子電磁凸極，每個上述轉(zhuǎn)子電磁凸極具有第一和第二側(cè)，上述永磁體極化成使得上述第一側(cè)的磁性極化度與上述第二側(cè)的相同。
13.如權(quán)利要求9所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述第一相包括串聯(lián)的第一組線圈，上述第二相包括串聯(lián)的第二組線圈。
14.如權(quán)利要求13所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述第一組線圈由上述至少兩個定子中的一個定子支承，而上述第二組線圈由上述至少兩個定子中的另一個定子支承。
15.一種雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，它包括至少兩個彼此共軸且沿橫向配置的定子，上述至少兩個定子中的每個定子均具有對稱軸線和S個定子凸極，該數(shù)目S是等于或大于2的偶數(shù)，上述定子凸極圍繞上述至少兩個定子中的各定子均勻間隔開，上述定子凸極相對于上述對稱軸線沿縱向成形；配置在上述至少兩個定子之間的至少一個轉(zhuǎn)子，上述至少一個轉(zhuǎn)子包括P個永磁體，P是等于或大于2的偶數(shù)，上述永磁體圍繞上述至少一個轉(zhuǎn)子均勻間隔開并且與R個用導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子電磁凸極交替配置，該R是等于P的整數(shù)；和具有第一相和第二相的繞組，上述繞組由上述至少兩個定子支承，上述第一相包括串聯(lián)的第一組線圈，而上述第二相包括串聯(lián)的第二組線圈。
16.如權(quán)利要求15所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，R＝S。
17.如權(quán)利要求15所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，R＝S+2。
18.如權(quán)利要求15所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，R＝S+X，X是等于或大于4的偶數(shù)。
19.如權(quán)利要求15所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述第一組的線圈繞在上述至少兩個定子中一個定子的定子凸極上，而上述第二組的線圈繞在上述至少兩個定子中另一個定子的定子凸極上。
20.如權(quán)利要求15所述的雙凸極軸向磁通永磁電極，其特征在于，上述第一組的線圈繞在上述至少兩個定子中的兩個定子的定子凸極上，而上述第二組的線圈也繞在上述至少兩個定子中的兩個定子的定子凸極上。
21.如權(quán)利要求20所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，R是10的倍數(shù)并且S＝R(4/5)。
22.如權(quán)利要求15所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述線圈包含銅，上述導(dǎo)磁材料包含鋼，上述至少兩個定子包含鋼片疊層。
23.一種雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，它包括至少三個彼此共軸且沿橫向配置的定子；至少兩個插置在上述至少三個定子中的轉(zhuǎn)子；和包括第一相和第二相的繞組，上述繞組由上述至少三個定子支承。
24.如權(quán)利要求23所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述至少三個定子形成第一橫向定子、第二橫向定子和中間定子，上述至少三個定子中的每個定子均具有S個定子凸極，該S是等于或大于2的偶數(shù)，上述第一相包括第一組線圈，上述第二相包括第二組線圈，上述第一組線圈繞在上述中間定子的定子凸極上，上述第二組線圈繞在上述第一橫向和第二橫向定子的定子凸極上。
25.如權(quán)利要求24所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，上述至少兩個轉(zhuǎn)子中的每個轉(zhuǎn)子均具有P個永磁體，該P是等于或大于2的偶數(shù)，上述永磁體與R個由導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子電磁凸極交替配置，該R是等于P的整數(shù)。
26.如權(quán)利要求25所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，R＝S。
27.如權(quán)利要求25所述的雙凸極軸向磁通永磁電機(jī)，其特征在于，R＝S+2。
28.如權(quán)利要求25所述的雙凸極軸向磁通永磁電極，其特征在于，R＝S+X，X是等于或大于4的偶數(shù)。
29.一種用于直接驅(qū)動風(fēng)輪機(jī)的雙凸極永磁電機(jī)，它包括至少兩個彼此共軸配置的定子；至少一個轉(zhuǎn)子，它插置在上述至少兩個定子之間且剛性地連接于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子上；和兩相繞組，該繞組由上述至少兩個定子支承并通過電子換流器電連接到公用電網(wǎng)上。
30.如權(quán)利要求29所述的雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，上述電子換流器包括電連接到上述公用電網(wǎng)上的三相換流器和電連接到上述兩相繞組上的兩相換流器，上述三相換流器由直流線路連接于上述兩相換流器。
全文摘要
一種雙凸極永磁電機(jī),它包括插置在一對橫向配置的定子(100、104)之間的環(huán)形轉(zhuǎn)子(102)。轉(zhuǎn)子(102)包括許多永磁體(106),該永磁體與鋼制的電磁凸極(108)交替配置。每個定子(100、104)均具有許多均勻間隔開的縱向凸極(110、112)并支承許多串聯(lián)的銅線圈(126、128)。分為兩組的銅線圈構(gòu)成A相繞組和B相繞組。
文檔編號H02K1/27GK1214809SQ96193837
公開日1999年4月21日 申請日期1996年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月21日
發(fā)明者T·A·利波, Y·李 申請人:宗德能源系統(tǒng)公司