CN102598474A - 永磁体发电机 - Google Patents

Abstract

公开了用于双侧转子、径向磁通、空气芯式永磁体发电机(1)的新配置。所述发电机(1)包括两个径向间隔开的转子部分(33、35)，所述转子部分(33、35)限定有介于它们之间的空气隙并且各具有布置在其内表面上的、安装用于在所述空气隙中旋转的多个交替极性的永磁体(41)。模块化定子(43)设置在所述空气隙中并且包括：基部(45)，所述基部(45)具有围绕其表面间隔开的附接结构(60)；以及多个单独模制的、聚合物树脂的定子模块(53)。每个所述定子模块(53)具有用于附接到所述基部(45)上的互补附接结构(59)并且包括嵌入所述树脂内的至少一个非重叠紧凑缠绕的线圈(61)。

Description

永磁体发电机

技术领域

本发明涉及发电机。更具体地，本发明涉及用于与风力涡轮机一起使用的永磁体发电机的设计。本发明延伸至用于制造永磁体发电机的方法。

背景技术

发电机是将机械能转换成电能的装置并且是众所周知的。法拉第定律中能够发现这些发电机的基本操作原理，法拉第定律在最基本的形式中陈述了在垂直通过磁场的电导体的端部之间产生电势差。更具体地，在任何闭合电路中感应的电动势(EMF)等于通过电路的磁通量的时间变化率。

发电机在其最简单的形式中包括转子和定子。转子是发电机的旋转部分而定子是固定部分。一种特定类别的发电机使用安装在转子或定子上的永磁体(PM)以建立发电机中的磁场(磁通)。这些发电机称为永磁体发电机。导电材料(通常为铜线)的线圈固定到发电机的定子或转子上，并且当转子相对于定子旋转时，磁场相对于导电绕组的运动在绕组中感应出电流。如此感应的电流可以随后用于给电器供电或者通过例如使电池充电来储存电荷。

发电机目前使用在多种应用中，但是正变得越来越普遍地用于风力发电机中，这主要是因为借助于风力发出的电被认为是清洁的能源。风力发电机将风的动能转换成机械(主要是旋转)能，随后将机械能转换成有用的电能。基本的风力发电机包括安装在用于在风中旋转的轴上的多个翼型叶片。该旋转被赋予发电机的转子，发电机进而发电。

传统的风力发电机存在多个缺点。一个这种缺点是大多数这种发电机利用铁芯定子。除了与铁芯相关的高成本以外，它们还沉重并且需要另外的资源和支持以安装、稳定和维护。铁芯定子还经受齿槽转矩，这是由于PM电机的转子的永磁体与定子槽之间的相互作用而产生的转矩。它也被称为定位转矩或“无电流”转矩。齿槽转矩对于铁芯发电机的操作而言是不期望的成分。其在较低速度时是特别突出的并且自身表现为不连续旋转。

传统的风力发电机的另外的缺点是与其维修和维护相关的费用。具体地，当在转子或定子上的绕组磨损或有缺陷时，需要高度熟练的技术人员进行维修或维护。传统的铁芯定子的重量和难操纵性也经常需要使用机械或技术人员组以进行甚至常规的维护。

一种改进型风力发电机(已经获得一些成功，尤其是在风力发电机中获得一些成功)被公知为双侧转子、空气芯式永磁体发电机。由于其空气芯定子，发电机不会存在上述由重铁芯发电机所导致的一些缺点。这些发电机具有多个优点，例如无芯损耗、零齿槽转矩，定子与转子之间无吸引力以及可原位更换故障定子的能力。但是，定子仍然难以维修和维护，并且仍然需要高度熟练的技术人员和昂贵的设备来做这些。另外，这些机器经受两个PM转子之间的大的吸引力，并且由于它们具有转子与定子之间的较大空气隙的事实而通常需要较大数量的PM磁体进行操作。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种至少部分缓解上述问题中的一些的永磁体发电机。

根据本发明，提供了一种用于永磁体发电机的空气芯定子，所述空气芯定子包括：基部，所述基部具有围绕其表面的间隔开的附接结构；以及多个定子模块，每个定子模块具有互补附接结构，其中，所述定子模块各包括至少一个非重叠导电绕组，并且借助于所述附接结构以并列配置的方式可释放地固定至所述基部，以形成基本圆形的定子本体。

本发明的另外的特征设置为使所述基部为圆盘形并且限定有围绕其周缘的孔，所述孔用作所述附接结构；并且每个定子模块由聚合物树脂、优选地由环氧树脂一体模制而成，并且具有局部圆形外表面、弧形本体和凸缘，所述凸缘沿所述本体的凹入曲率的方向从所述本体的边缘基本垂直地突出，所述互补附接结构为在所述凸缘中限定且间隔开的孔，以与位于所述基部上的所述附接结构相配准，从而容许将所述模块栓接至所述基部。

本发明的又一特征提供为使所述模块的所述外表面在所有所述模块固定至所述基部时形成基本连续的环状定子表面；所述定子模块的所述本体在固定至所述基部时形成从所述基部基本垂直突出的基本连续的环状定子本体；每个定子模块包括以并列配置的方式布置在所述弧形本体上的多个基本椭圆形导电线圈，线圈的纵向轴线彼此基本平行且延伸跨过所述环状定子本体的宽度；所述线圈为非重叠的且紧凑缠绕的，并且在模制所述定子模块期间嵌入所述聚合物树脂内，而所述线圈的连接区域延伸到所述模块的外部以用于在所述模块本体外部的电连接。

本发明还提供了用于产生电力的风力涡轮机，所述涡轮机包括：涡轮机转子，所述涡轮机转子安装用于由风力驱动而旋转；以及发电机，所述发电机联接至所述涡轮机转子，使得所述涡轮机转子驱动所述发电机，所述发电机包括设置在两个大致环状转子部分之间的磁性空气隙中的空气芯定子，所述转子部分安装为在所述空气芯定子的相反两侧上一起旋转，所述转子部分包括交替极性的永磁体阵列，使得当所述涡轮机转子旋转时所述永磁体往复地驱动磁通在所述转子部分之间穿过所述空气芯定子；所述风力涡轮机的特征在于，所述空气芯定子由多个定子模块构成，每个定子模块支承位于所述磁性空气隙中的一个或更多个紧凑缠绕的导电线圈。

本发明的另外的特征设置为使所述空气芯定子包括基部，所述基部能够固定到所述风力涡轮机的固定支承结构上，并且所述多个定子模块以并列配置的方式固定至所述基部，每个定子模块具有大致弧形的本体，使得所述定子模块的所述本体在固定至所述基部时形成从所述基部基本垂直突出且突出到磁性空气隙内的基本连续的环状定子本体；每个定子模块由聚合物树脂、优选地由环氧树脂一体模制而成，一个或更多个紧凑缠绕的导电线圈嵌入所述树脂内并且构造为在所述定子模块本体的外部电连接；每个线圈具有由多个单独绝缘的导线构成的多相绕组，所述导线以集中方式缠绕而具有两个独立部分，即有效长度部分和端匝部分，所述端匝部分在使用时设置在所述磁性空气隙的外部而主要周向地横穿，并且所述有效部分设置在所述磁性空气隙内而主要非周向且垂直于所述磁性空气隙的方向横穿。

本发明还进一步提供了用于永磁体发电机的模块化定子的定子模块，所述定子模块包括：一体模制的、聚合物树脂本体，所述本体具有大致弧形的形状；和凸缘，所述凸缘沿所述本体的凹入曲率的方向从所述本体的边缘基本垂直地突出；在所述凸缘中限定的至少一个孔；以及至少一个导电绕组。

本发明的另外的特征提供为使所述导电绕组为紧凑缠绕的线圈，所述线圈具有缠绕为大致椭圆形形状的多个导电绕组，所述线圈嵌入所述模块本体内；并且所述定子模块包括嵌入所述本体中的多个线圈，使得所述线圈并列地布置而线圈的主轴线彼此平行且跨过所述模块本体的宽度。

本发明还进一步提供了一种制造双侧转子、径向磁通、空气芯式永磁体发电机的方法，所述方法包括下述步骤：将多个交替极性的永磁体的阵列附接至铁磁性背铁磁轭且将所述阵列固定到所述发电机的两个径向间隔开的转子部分的内表面上，使得所述永磁体驱动磁通往复地通过所述定子部分之间的空气隙；将具有多个附接结构的定子基部固定到所述发电机的固定支承结构上；将多个单独模制的、非磁性定子模块横向地插入所述空气隙内，其中每个模块具有弧形模块本体、互补附接结构和嵌入所述模块本体中的至少一个导电绕组；以及借助于在所述基部上的所述附接结构和所述模块的所述互补附接结构将每个定子模块固定至所述定子基部，使得当所有所述定子模块以并列配置的方式连接至所述定子基部时所述定子模块的所述模块本体形成位于所述空气隙中的环状定子本体。

本发明的另外的特征提供为使所述方法包括下述步骤：将至少一个紧凑缠绕的线圈嵌入到每个模块本体内，并且将多个线圈嵌入到每个定子模块本体内，使得它们并列地布置而主轴线彼此平行并且跨过所述环状定子本体的宽度。

附图说明

现在将仅通过示例参照附图描述本发明，其中：

图1是根据本发明的发电机的示意性局部剖视立体图；

图2是图1中所示的发电机的第二局部剖视立体图；

图3是用于根据本发明的发电机的模块定子的示意立体图；

图4是双转子空气芯RFPM发电机的横截面；

图5是表示在不同地点的风速分布的示例的图；

图6是在说明书中提到的风力发电机系统的等效电路；

图7是表示涡轮叶片的功率曲线的图；

图8是表示对于给定的空气隙磁通密度而言磁体成本和高度对比磁体等级的图；

图9是示出了典型的发电机特征的表格；

图10表示具有4mm的磁轭壁厚度的磁轭变形；

图11是PM发电机的电磁FE场的图；

图12是表示发电机零件的近似成本的饼图；

图13是表示发电机零件的质量分布的饼图；

图14是表示代表用于发电机的测试数据的开路相电压的图；

图15是简化的负载测试相图，其中δ＝51°；以及

图16是表示当在三相平衡的电阻负载系统中使用时FE计算的发电机的瞬时产生转矩的图。

具体实施方式

在图1和图2中图示的本发明的实施例中，发电机整体上由附图标记(1)表示，并且包括呈轴形式的主支承结构(3)，该主支承结构(3)作为用于整个发电机的支承部。在该设计中不旋转的轴借助于穿过位于轴基部(7)中的螺栓孔(5)的非永久螺栓连接而紧固至风力涡轮机塔或机舱(未示出)。两个相似的深沟槽滚珠轴承(9)设置在轴上。轴承将固定轴(3)连接到旋转的转子(11)上。为了将轴承保持在位且间隔开，铝垫片(13)在介于轴承之间的轴上滑动。圆形夹具或卡环(15)防止前轴承(17)从轴的端部滑落，而位于轴基部(7)中的台阶(19)将后轴承(21)保持在位。

转子轴承毂(23)和前板(29)用于使两个转子部分与轴承接合。转子毂具有围绕两个轴承的密配合，并且通过多个平头螺钉(未示出)紧固在位。圆形前板(29)借助于另外的螺钉(32)连接到从毂(23)突出的凸缘(31)上。转子部分(其是一对圆柱形铁磁性钢转子，分别形成内转子(33)和外转子(35))借助于另外的螺钉(37)间隔开地安装在前板的周缘上。转子(33和35)是同心的并且限定介于它们之间的均匀空气隙(39)。

由铝制造的前板还用于安装三个翼型提升叶片(未示出)。叶片等距(120度)地间隔开以确保平衡的组件。

转子(33和35)部分地用作用于多个交替极性永磁体(41)阵列的磁轭。在当前实施例中，在内转子和外转子上设有32个永磁体。在外转子(35)上的磁体设置为面向内，而在内转子(33)上的磁体设置为面向外，并且两者均朝向空气隙。当旋转时，永磁体在位于空气隙中的转子部分之间往复地驱动磁通。

定子(43)具有由铝制造的圆形基部板(45)。基部板(45)借助于多个螺栓(47)安装在主轴(3)的基部(7)上。垫圈板(49)也可以在基部(45)的顶部上附接到定子(43)的内部，以协助定子(43)的制造和安装，但是，申请人预见，这种垫圈板在优选组件中可以省略。定子还具有环状定子本体(51)，定子本体(51)具有图3中更详细示出的圆筒形定子外表面(52)，定子本体(51)由八个等尺寸的、聚合物树脂(在当前示例中为环氧树脂)的、模制而成的定子模块(53)构成。每个模块单独地模制而成，并且具有带局部圆形外表面(56)的弧形模块本体(55)和沿模块本体的凹入曲率的方向从模块本体垂直突出的凸缘(57)。凸缘(57)限定有用作附接结构的三个螺栓孔(59)，模块(53)可通过这些螺栓孔(59)穿过在基部板(45)的周缘上限定的、呈螺栓孔形式的互补附接结构(60)栓接到基部板(45)上。应当理解的是，一旦所有定子模块已经并列地固定至基部板，各个模块本体(55)就形成连续的、环状定子本体(51)。

每个定子模块(53)还具有在弧形模块本体(55)内模制而成的三个铜线圈(61)。线圈通过强粘接环氧树脂保持在一起。线圈基本为椭圆形，并且并列地布置在弧形本体上，它们的主轴线彼此平行且跨过环状定子本体(51)的宽度。线圈是非重叠的且是紧凑缠绕的。应当理解的是，线圈在模制定子模块期间嵌入环氧树脂中并且它们可以在环氧树脂的外部电连接。

为了使这成为可能，多相绕组包括多根单独的绝缘导线，导线(以集中的方式)缠绕为具有两个独立部分，即有效长度部分和端匝部分。端匝部分典型地位于磁性空气隙的外部并且主要周向地横穿。相反，有效长度部分典型地位于磁性空气隙中并且主要非周向且垂直于磁性空气隙的方向横穿。

八个定子模块中的每一个均在模具中单独生产，并且随后使用紧固螺栓(65)和垫片(67)固定到最终定子组件(63)中的铝定子基部板上。线圈连接部在铸造环氧树脂模块之后制成，并且在环氧树脂外部电连接，环氧树脂进而作为有效的绝缘器。定子组件由此是模块化的并且能够制造为使得模块能够在相同设计的任意其它定子之间互换。这将确保这些定子的维护和维修是不需要高度熟练的技术人员的简单任务。

应当理解的是，一旦支承轴、转子部分、前板和定子基部板已经固定在位，定子模块就可以被横向地引入介于转子之间的空气隙内，并且并列地固定至基部板。它们随后可以电连接以用于操作。在操作期间，转子叶片的旋转将导致前板和两个转子部分一起旋转。旋转的转子部分和由永磁体驱动而穿过空气隙的关联磁通旋转将在固定模块化定子的线圈中感应电流。

可以对上述实施例进行多种修改而不偏离本发明的范围。具体地，定子可以具有任意数量的模块，并且每个模块可以具有介于一个与很多个之间的缠绕线圈。换言之，模块可以包含多个线圈或者少至单个铜绕组。例如，还设想的是定子模块可以单独出售并且由此可以便宜且容易地更换具有缺陷线圈或绕组的模块。如果发现特定的模块有缺陷，则其可以从定子基部板中简单地拆卸，从转子部分之间横向地移除，并且替换为可使用模块。

已发现根据本发明的发电机在降低单元的总重量方面是特别有效的，并且在低到中等功率水平下操作的直接驱动式风力发电机中具有特别的应用。

通过考虑如上所述的本发明，申请人通过分析建模和设计已经发现，可以通过使用某些特定的参数来优化根据本发明的具有非重叠空气芯式定子绕组的双转子径向磁通永磁体风力发电机。下文阐释建模和设计的细节以及从中得到的结论。应当理解的是，建模和设计的细节以及其结论决非限制本发明的范围。

在本说明书的其余部分中，下列符号将具有所指定的含义：

B_g  平均空气隙磁通密度(T)。

B_r  剩余磁通密度(T)。

B_p  空气隙中的峰值磁通密度(T)。

C₁  机器常数1(参见附录)。

C₂  机器常数2(参见附录)。

δ  电流与感应EMF之间的相角(度)。

d_s  平均定子直径(m)。

d   铜线直径(m)。

d_i  内弯曲磁体的平均直径(m)。

d_o  外弯曲磁体的平均直径(m)

δ_c 端部绕组长度与有效长度之间的比率。

g   定子空气隙长度(m)。

h_m  磁体高度(厚度)(m)。

H_c  矫顽磁场强度(A/m)。

I_RMS额定发动机电流的RMS值(A)。

J   绕组中的电流密度(A/mm²)。

k_f  铜占空因子。

k_w  绕组因子。

k_e  用于非重叠绕组的端部绕组因子。

κ    每单位线圈侧宽度。

l     绕组的轴向有效长度(m)。

l_ipg  极间间隙(m)。

l_g    空气隙长度(m)。

M_cu   铜质量(kg)。

M_m    磁体质量(kg)。

N     线圈匝数。

η    机器效率(％)。

σ_m   磁体材料密度(kg/m³)。

σ_cu  铜的密度(kg/m³)。

ρ_cu  铜的电阻率(Ωm)。

P_cu   定子铜损耗(W)。

P_Eddy 定子线圈中的机器涡流损耗(W)。

P     发电机的额定输出功率(W)。

p     PM磁极数。

Q     定子线圈数。

r     平均定子半径(m)。

R_s    系统电阻(Ω)

ω_e   电频率＝2πf(rad/s)。

τ_m   每单位磁体间距。

μ₀   空气的渗透率(4π×10^-7Hm^-1)。

S_f    机械安全系数。

σ_Y   所使用材料的屈服应力(Pa)。

使用双转子空气芯式绕组永磁体(PM)机器具有多个优点，包括减少或没有芯损耗、齿槽转矩、定子与转子之间的吸引力，以及原位替换故障定子的可能性。使用非重叠集中式定子绕组已经表明在易于制造和组装、节约铜和机器性能方面非常有利。但是，这些机器的缺点，即在PM转子之间的大的吸引力以及由于大的空气隙而导致使用较大量的PM材料似乎是难以克服的；后者可能是对这些机器公布的文章较少以及在较大功率水平上的应用数量小的原因。

就申请人已知的，还没有公布关于RFPM空气芯式机器的优化设计和关键评价以及这些机器在何种程度上具有与轴向磁通PM(AFPM)对应物相同缺点的文章。由此此处通过解析和有限元分析对双转子RFPM空气芯式发电机的电磁和机械设计进行考虑。优化设计的目标是使受到功率和效率制约的发电机的有效质量最小。由此对于质量和成本的说明是所关心的。

本研究聚焦于直接驱动式风力发电机在低到中等功率水平的应用。

图4中示出了双转子RFPM机器的截面及一些尺寸参数。对于该机器，非重叠(非悬挂)式定子绕组是必需的，否则组装将是不可能的或将是非常困难的。机器内部用于端部绕组的很小空间使得这成为甚至更重要的绕组布局。本机器的电磁设计在很大程度上受到产生转矩(developed torque)和效率制约的控制。产生转矩能够表述为：

T_d＝k_ωk_eC₁cosδ                 (1)

其中，k_w和k_e是绕组因子和端部绕组因子；C₁是机器常数。角度δ取决于负载系统，例如具有串联电感的电池充电系统。机器效率能够表述为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{P_{\mathrm{cu}}+P_{\mathrm{Eddy}}}{P})\×100\%---\left(2\right)$

涡流损耗能够计算为：

$P_{\mathrm{Eddy}}=1.7\mathrm{NQ}\left(\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{ld}}^4{B}_p{{\mathrm{\ω}}_e}^2}{32{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cu}}}\right)---\left(3\right)$

其中，因子1.7代表由于所有磁通密度谐波而造成的涡流损耗。铜损耗计算为：

P_Cu＝3I_RMS ²R_s                    (4)

待最小化的设计参数是分别由(5)和(6)表示的磁体和铜的质量：

M_m＝τ_mπσ_mh_ml(d_i+d_o)           (5)

M_cu＝πκC₂(2+δ_c)               (6)

其中，C₂和δ_c在附录中定义。每单位线圈宽度κ和每单位磁体间距τ_m给定为：

$\mathrm{\κ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_r}{{\mathrm{\θ}}_c};$ ${\mathrm{\τ}}_m=\frac{{\mathrm{\θ}}_m}{{\mathrm{\θ}}_p}---\left(7\right)$

控制发电机的质量和电磁方面的另一因素是磁体高度，磁体高度给定为：

$h_m=\left[\frac{\left(0.5l_g{B}_g\right)}{1-\frac{B_g}{B_r}}\right]{\mathrm{\μ}}_0\left|H_c\right|,$ 其中l_g＝h+2g    (8)

除了随极数变化很小的端部绕组因子，等式(1)-(6)独立于极数。

对于风力发电机应用，非常重要的是使质量最小并且由此也使发电机的成本最小，显然受到某些制约。

当优化风力涡轮机的设计时，特定地点的特征能够包括在设计过程中。例如，为了降低涡轮机的能量生产成本，涡轮机能够优化地设计用于具有不同风力条件的不同地点(如图5中所示)。这些设计在大量单元被安装在一个位置的情况下(例如海上风力发电场)是有利的。但是，执行特定地点的风力涡轮机的优化具有其缺点。行业趋势是生产标准范围内的涡轮机(每个在不同条件下操作)，而非对于每个新地点重新设计发电机。

在本说明书中，重点在于如图6中所示的直接电池充电系统。图7中示出了在本文中考虑的涡轮叶片的功率与速度的曲线。发电机系统使用无源部件以降低其成本。但是，使用无源部件不能在每个风速下实现峰值功率跟踪。为了尽可能接近地关注每个风速下的峰值功率，使用如图6中所示的外部电感。发电机的额定操作点选取为12m/s和300r/min，这给出了4.2kW的额定涡轮机功率。通过该额定操作点，外部电感设计为导致如图7中所示的在不同风速下的涡轮机操作点。就该电感所示而言，在低风速以及高风速下获得对最佳功率的接近。

从上述，风力发电机设计中的制约是在300r/min额定速度的Td≥134Nm的产生转矩。第二制约是效率必须高于90％。因此，受约束函数ε(X)制约而最小化的目标函数F(X)给定为：

F(X)＝ω₁M_m(X)+ω₂M_Cu(X)

$\mathrm{\ϵ}\left(X\right)=\left(\begin{array}{c}{T}_d\left(X\right)=134\mathrm{Nm}\\ \mathrm{\η}\left(X\right)>90\%\end{array}\right),$ 以及 $X=\left(\begin{array}{c}h\\ l\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中，ω₁和ω₂是权重因子，而X是包括待优化的机器变量的尺寸矢量。权重因子直接等同于在给定时间铜和磁体材料的成本。在撰写时，用于磁体的权重因子ω₁显著大于铜的权重因子。

定子直径根据预设计涡轮叶片尺寸取可能的最大值，并且等于d＝464mm。电流密度在设计中取常数J＝8A/mm²。使用已知的且也比发电机的内部相电感大很多的外部电感，系统的相角δ大约确定为δ＝51°；该角度在设计优化中也保持为常数。

为了确保0.7T的平均空气隙磁通密度，设计中的磁通密度取比0.7T高一小部分，即B_g＝0.725T。最佳绕组设计和谐波分析表明，在设计优化中能够使用κ＝0.37的每单位线圈侧宽度和τ_m＝0.7的每单位磁体间距。最后，(8)中的磁体的矫顽值H_c和磁体剩磁B_r取决于在下面进一步讨论的所选取的磁体等级。

待确定的另一参数是极数，极数也影响转子磁轭厚度。使用FE包对三种情况进行分析以确定用于该具体应用的最佳极数，同时使转子直径尺寸、空气隙厚度和磁体厚度保持恒定。检查24、32和48的极数。极数增大到最大值以使每个极的磁通最小，并且由此使机器的转子磁轭厚度和转子质量最小。但是，与高极数相关的缺点是增大了介于相邻永磁体之间的高泄漏磁通的风险。为了确保通过空气隙的最小切向泄漏磁通，必须满足(10)的要求，即：

h_m＞0.5l_g以及l_ipg＞l_g          (10)

这导致在该情况下能够使用的最大极数为p＝32；注意到h_m(opt)＞0.5l_g的设计优化。

与磁体质量和强度相关的问题是是否必须选取低等级或高等级的材料。为了调查这一点，进行研究以对于给定空气隙磁通密度确定磁体成本和磁体质量与磁体等级的关系。这导致图8中所示的令人惊讶的结果；该图图示了磁体质量的较大减小仅微小地增大了磁体成本。由此，该研究的结果是在设计优化中必须选取最强的磁体等级，即在该情况下为N48。

被优化的参数是如在(9)中给定的定子厚度h和轴向有效长度l。开发

程序，其遵循迭代过程以确定使受到给定制约的有效质量最小的最优值h_opt和l_opt，在这方面注意h_m(opt)的最优值也从(8)确定。应当提及，在该优化中考虑转子磁轭厚度t足够大以确保如在(8)中使用时所需的磁通密度B_g＝0.725T。来自设计优化的最优值在图9中所示的表中给出；在表中还给出了最优设计的发电机的额定性能数据。

两个转子磁轭的质量对于发电机的整体质量具有重大影响。这使得磁轭厚度是在使质量最小时待优化的重要的另外尺寸。下面进一步讨论该第二优化。

在这种机器的优化设计中已经调查了作用在AFPM发电机的盘上的大的吸引力。表明的是，大的吸引力导致PM转子盘的质量的较大增加。在RFPM机器中，位于两个转子磁轭圆筒的内部和外部上的磁体导致应力分布非常类似于圆筒压力容器的应力分布，并且由此能够如此近似。由于圆筒布局的内在强度，PM圆筒的磁轭厚度能够减小并且机器的质量能够保持较小。为了计算最小的圆筒壁厚度，作用在钢磁轭上的两个力是显然的，即(i)在分离的圆筒磁轭之间的磁体吸引力以及(ii)自旋转子质量的离心力。

由于发电机的半径较大，因此在分析中将两个相反的转子磁体假定为大小相等。在这些磁体之间的力随后能够确定为：

$F_M=\frac{B_g^2}{2{\mathrm{\μ}}_0}{A}_g---\left(11\right)$

其中，A_g是介于相对磁体之间的面积。离心力计算为：

$F_c=m_y{a}_n=m_y\frac{{\left(r_y\mathrm{\ω}\right)}^2}{\mathrm{\ρ}}---\left(12\right)$

其中，m_y是转子磁轭加磁体的质量，r_y是磁轭的平均半径，ω是自旋磁轭的角速度，而ρ是曲率半径。在300r/min的额定速度下，内磁轭产生2.28kN的向外的离心力。通过围绕内转子和磁转子等距间隔开的总共32对磁体，沿径向方向作用在每个转子上的总的磁体间力由此为22.88kN。该力在磁轭的内部产生均匀分布的压力，该压力能够用在薄壁压力容器的计算中。现在，冯·米塞斯作品给出了承受这些力所需的最小厚度：

$t=S_f\left(\sqrt{\frac{3}{4}}\right)\left(\frac{{\mathrm{pr}}_y}{{\mathrm{\σ}}_Y}\right)=S_f\left(\sqrt{\frac{3}{4}}\right)\left(\frac{\frac{F}{A_y}{r}_y}{{\mathrm{\σ}}_Y}\right)---\left(13\right)$

其中，F是作用在磁轭上的总力，而A_y是压力作用的磁轭面积。通过安全系数为5以及在构造中使用的低碳钢，发现磁轭的最小壁厚度为4mm。磁轭的顶端的最大偏转计算为仅233μm。通过Autodesk InventorPro9有限元(FE)变形计算器证实4mm的磁轭壁厚度，而结果示出在图10中。

电磁FE模拟清楚地表明，如果磁轭厚度变得太小，则圆筒转子磁轭在磁通方面开始饱和。这种磁通饱和导致空气隙中的磁通密度的下降并且极大地影响机器的性能。在RFPM发电机的图11中的FE场曲线示出了在磁轭中的磁饱和的示例。在该附图中仅仅对于机器的一半了绘制磁通线。由此清楚的是，磁饱和在相对磁极之间的钢磁轭中发生。为了维持0.725T的空气隙磁通密度，FE电磁分析表明磁轭厚度必须不小于8mm。由此，就电磁观点而言，最优磁轭厚度为8mm。该厚度是来自机械强度分析的最佳4mm厚度的两倍。该结果表明，机械因素并未决定最佳磁轭厚度。

最佳设计的RFPM发电机的总质量通过使用Autodesk Inventor Pro9计算器而确定。RFPM发电机的零件成本由材料成本和原型制造确定。图12中示出了发电机的近似成本表示。

图13中示出了发电机的所有零件的质量分布。在成本和质量方面，转子磁轭占主导地位一一不仅转子磁轭占据34％的总成本，而且它们包括发电机总质量的三分之一。磁体成本低于预期并且是发电机总成本的四分之一。发电机的大规模生产能够改变发电机零件的成本分布。

这里给出了原型RFPM发电机的一些计算和测量结果。使用了其中PM风力发电机经由支承轴和转矩传感器连接到55kW的变速感应驱动电机上的测试设置。

图14中给出了开路测试数据的结果。在300rpm的额定速度产生的正弦电压具有144V的峰值-峰值电压，这给出了50.94V的RMS电压。这相当准确地对应于由

设计程序计算的51V的预定值。

执行开路和短路测试以确定发电机的内部同步电抗。从此处，发电机的内部相电感为L_i＝152μH。

通过将发电机的每相经外部电感L_ext联接至电阻负载而在发电机上执行负载测试。该测试在300r/min的机械转速下执行。一旦达到发电机的额定电流I_r，就测量平均产生转矩。图15中示出了简化的相图，其中E_r是发电机的额定反EMF，R_s是系统总电阻(机器和负载)，而X_i和X_ext分别是内部和外部的同步电抗。在42A的额定RMS线电流下测量到135Nm的平均产生转矩。

图16描绘了当在三相平衡的电阻负载系统中使用时发电机的FE计算的瞬时产生转矩。在额定速度计算的平均调整产生转矩为143Nm，其略大于分析结果所预测的134Nm。该值高于在第三节中提及的最低制约。如在空气芯式电机中预期的，大约1.8Nm(1.3％)的转矩脉动是较低的。

从对用于风力发电机应用的双转子空气芯式RFPM机器的设计的解析和有限元分析的结果发现，在设计中对于永磁体使用较强磁体等级是有利的；这导致机器质量的显著减小而仅微小地增加成本。电磁设计而非机械设计决定磁轭的高度，并且由此决定转子的质量和成本；机械强度分析表明，圆筒转子承受磁引力极强。发现永磁体的成本比原型发电机的总成本的25％低，这是低于预期的；圆筒转子的成本和质量意外地占支配地位，但在大规模生产中这些将减少。所建造的7kW(δ＝0°)风力发电机的总质量为61kg，这比相同等级的先前开发的AFPM直接驱动的质量小大约34％。这表示对于现有技术的显著改进。

Claims (18)

1.一种用于永磁体发电机的空气芯定子(43)，所述空气芯定子包括：基部(45)，所述基部(45)具有围绕该基部的表面间隔开的附接结构(60)；以及多个定子模块(53)，每个所述定子模块具有互补附接结构(59)，其中，所述定子模块(53)各包括至少一个非重叠导电绕组(61)，并且借助于所述附接结构(60，59)以并列配置的方式可释放地固定至所述基部(45)，以形成基本圆形的定子本体(51)。

2.如权利要求1中所述的定子(43)，其中，所述基部(45)是盘状的并且限定有围绕该基部的周缘的孔(60)，所述孔用作所述附接结构(60)。

3.如权利要求1或权利要求2中所述的定子(43)，其中，每个定子模块(53)由聚合物树脂一体模制而成，并且具有部分圆形的外表面(56)、弧形的本体(53)和凸缘(57)，所述凸缘沿所述本体(53)的凹入曲率的方向从所述本体的边缘基本垂直地突出，所述互补附接结构(59)是在所述凸缘(57)中限定且间隔开的孔(59)，以与位于所述基部(45)上的所述附接结构(60)相配准，从而容许将所述模块(53)栓接至所述基部(45)。

4.如前述权利要求中任一项中所述的定子(43)，其中，当所有所述模块这样固定至所述基部(45)时，所述模块(53)的所述外表面(56)形成基本连续的圆形定子表面(52)。

5.如前述权利要求中任一项中所述的定子(43)，其中，所述定子模块(53)的所述本体在固定至所述基部(45)时形成从所述基部(45)基本垂直突出的基本连续的环状定子本体(51)。

6.如前述权利要求中任一项中所述的定子(43)，其中，每个定子模块(53)包括以并列配置的方式布置在所述弧形的本体(53)上的多个大致椭圆形的导电线圈(61)，所述导电线圈的纵向轴线彼此基本平行并且延伸跨过所述环状定子本体(51)的宽度。

7.如前述权利要求中任一项中所述的定子(43)，其中，所述线圈(61)是非重叠的且紧凑缠绕的。

8.如前述权利要求中任一项中所述的定子(43)，其中，所述线圈(61)在模制所述定子模块(53)期间嵌入所述聚合物树脂中。

9.一种用于产生电力的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：涡轮机转子，所述涡轮机转子安装用于由风驱动而旋转；以及发电机(1)，所述发电机(1)联接至所述涡轮机转子，使得所述涡轮机转子驱动所述发电机(1)，所述发电机包括：空气芯定子(43)，所述空气芯定子(43)设置在介于两个大致环状的转子部分(33、35)之间的磁性空气隙中，所述转子部分安装为在所述空气芯定子(43)的相反两侧上一起旋转，所述转子部分(33、35)包括交替极性的永磁体(41)的阵列，使得当所述涡轮机转子旋转时所述永磁体(41)沿基本径向的方向在所述转子部分(33、35)之间往复驱动磁通穿过所述空气芯定子(43)。

10.如权利要求9中所述的风力涡轮机，其中，所述空气芯定子(43)由多个定子模块(53)构成，每个所述定子模块支承位于所述磁性空气隙中的一个或更多个紧凑缠绕的导电线圈(61)。

11.如权利要求10中所述的风力涡轮机，其中，所述空气芯定子(43)包括基部(45)，所述基部(45)能够固定到所述风力涡轮机的固定支承结构上，并且所述多个定子模块(53)以并列配置的方式固定至所述基部，每个定子模块(53)具有大致弧形的本体(55)，使得所述定子模块(53)的所述本体(55)在固定至所述基部(45)时形成从所述基部(45)基本垂直地突出且突出到所述磁性空气隙内的基本连续的环状定子本体(51)。

12.如权利要求10或权利要求11中所述的风力涡轮机，其中，每个定子模块由聚合物树脂，优选地由环氧树脂一体模制而成，并且一个或多个紧凑缠绕的所述导电线圈(61)嵌入所述树脂内，且构造为在所述定子模块的本体(55)的外部电连接。

13.如权利要求12中所述的风力涡轮机，其中，每个线圈(61)具有由多个单独的绝缘导线构成的多相绕组，所述导线以集中的方式缠绕以具有两个独立部分，即有效长度部分和端匝部分，所述端匝部分在使用时位于所述磁性空气隙的外部而主要周向地横穿，而所述有效部分设置在所述磁性空气隙内而主要非周向且垂直于所述磁性空气隙的方向横穿。

14.一种用于永磁体发电机的模块化定子的定子模块(43)，所述定子模块包括：一体模制的、聚合物树脂的本体(55)，所述本体(55)具有大致弧形的形状；以及凸缘(57)，所述凸缘(57)沿所述本体(55)的凹入曲率的方向从所述本体的边缘基本垂直地突出；限定在所述凸缘(57)中的至少一个孔(59)；以及至少一个导电绕组(61)。

15.如权利要求14中所述的定子模块(43)，其中，所述导电绕组(61)是具有缠绕为大致椭圆形状的多个导电绕组的紧凑缠绕的线圈，所述线圈嵌入所述模块本体(55)中。

16.如权利要求14或权利要求15中所述的定子模块(43)，所述定子模块(43)包括嵌入所述本体(55)中的多个线圈，使得所述多个线圈并列地布置，而所述多个线圈的主轴线彼此平行并且跨过所述模块本体(55)的宽度。

17.一种制造双侧转子、径向磁通、空气芯式永磁体发电机(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

将多个交替极性的永磁体(41)的阵列附接至铁磁性背铁磁轭上并且将所述阵列固定到所述发电机(1)的两个径向间隔开的转子部分(33、35)的内表面上，使得所述永磁体(41)反复驱动磁通穿过介于所述转子部分(33、35)之间的空气隙；

将具有多个附接结构(60)的定子基部(45)固定到所述发电机(1)的固定支承结构上；

将多个单独模制的、非磁性定子模块(43)横向地插入所述空气隙内，其中每个所述定子模块具有弧形的模块本体(55)、互补附接结构(59)以及嵌入所述模块本体(55)中的至少一个导电绕组(61)；以及

借助于在所述基部(45)上的所述附接结构(60)和所述模块(43)的所述互补附接结构(59)将每个定子模块(43)固定至所述定子基部(45)，使得当所有所述定子模块(43)以并列配置的方式连接至所述定子基部(45)时所述定子模块(55)的所述模块本体(55)形成位于所述空气隙中的环状定子本体(51)。

18.如权利要求17中所述的方法，所述方法包括如下步骤：将至少一个紧凑缠绕的线圈(61)嵌入每个所述模块本体(55)内，并且将多个线圈(61)嵌入每个定子模块本体(55)内，使得所述线圈并列地布置而主轴线彼此平行并且跨过所述环状定子本体(51)的宽度。

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