[发明专利]具有两个定子的永磁电机

说明书

技术领域

本发明一般性地涉及具有两个定子的永磁电机。特别地，本发明涉及风力涡轮机的发电机和具有永磁电机的风力涡轮机，其中该永磁电机具有两个定子。

背景技术

由于旋转的永磁电机内的磁力的变化而会导致出现转矩脉冲。在空载和负载情况下出现转矩脉动（在下文中分别称为齿槽转矩和纹波转矩）。这些转矩脉动可以造成可对旋转机械和互连部件有害的振动。此外，这些转矩脉动能够产生可扰乱环境的低频噪声。除了由切线力造成的转矩脉动外，还存在径向力，其周期性地并以相同的频率产生相同的问题。这些问题在直驱风力发电机上甚至更为显著。

存在若干用来减小齿槽转矩和纹波转矩以及径向力的技术。最常见的是磁极偏移、磁体成形、齿成形（包括辅助槽）和斜槽。这些技术存在对于给定电流水平减小平均转矩的缺点。因此，需要增加电流以便提供相同的转矩。类似地，通过叠加电流中的谐波可实现波动的有效减少。这还将造成铜损的增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于减少永磁电机中的力脉动。

分别通过权利要求1、7和8的特征来解决该目的。从属权利要求提供了本发明的更多的细节和优点。

首先，考虑本发明的理论背景。为了恰当描述本发明，从首先被说明的磁极偏移和分段斜槽开始说明。径向力脉动和切线力脉动主要由第6谐波主导。因此，通过借助于反作用力抵消第6谐波，实现对这些力的显著减小。理论上，可以通过使发电机的一端产生的第6谐波与发电机的另一端产生的第6谐波在相位上相反来完全抵消第6谐波。从切线力的角度来看，这是可以理解的，因为发电机的总转矩是该发电机的子部件产生的转矩之和。从径向力的角度来看，这抵消了径向翘曲扰动，虽然它可能引入有些沿轴向方向的翘曲。然而，轴向翘曲模式并非与径向翘曲模式一样占主导，因为直径稍微大于长度，因此总的来说，该设计在由径向力造成的振动方面也会得到改善。 

也可由定子斜槽或转子斜槽来实现对第6谐波的抵消。为了简化说明，我们将把说明限于转子斜槽。通过使发电机一端的磁体偏移30电度，使该端的电场延迟半个第6谐波周期，这意味着总的第6谐波转矩所起的作用抵消至零。在实际生活中，尽管3d影响和非理想化的产品会造成抵消不足，然而，该原理仍然起作用。该方法意味着与连续斜槽形成对照的分段斜槽（在这种情况下仅仅2个分段）。

利用磁极偏移可接近与斜槽类似的作用。斜槽的优点在于沿该电机的轴向没有力振动，从而避免了轴向翘曲模式。在磁极偏移上，仅仅使这些磁体磁极中的某些磁极但在整个轴向长度上偏移了给定的角度。

与此形成对照，当使用分段斜槽时，使磁体磁极偏移了相同的度数，但是该偏移取决于沿轴向长度的位置。因此，最简单的分段斜槽是使该转子在轴向方向上分成两个部分：前部和后部。这种方法的缺点在于两端感应的反向EMF（EMF，电磁场）在相位上不相同，导致较低的总反向EMF，从而导致较低的转矩。这样的原因在于两个反向EMF是相同电路中的感应电压，在该电路中，由于相位移，矢量和将小于振幅之和。当利用磁极偏移时，存在类似的反向EMF损失，因而存在类似的平均转矩损失。

本发明提出了一种无平均转矩损失的电机。一个转子覆盖由不同步达30电度的电流（例如，来自两个逆变器的电流）供电的两个定子。类似地，这些定子扭转30电度。可替代地，这些定子可以对齐，但前部的磁体相对于后部的磁体扭转30电度。因此，在该电机的每一半上保持磁体与磁场之间的最佳角度，这意味着无平均转矩损失，这与标准的磁极偏移和斜槽技术不同。

一方面，本发明涉及具有旋转转子和两个静止定子的永磁电机，其中一个定子中存在的电磁场相对于另一定子中存在的电磁场移位30电度的一个角度，并且其中供给这两个定子的电流彼此移位30电度。

这种物理位移在转子侧还是在定子侧还是两者的结合并不重要。重要的是每个定子内存在的磁场在对应于30电度的时间里移位了半个齿槽周期。同样，转子是在外部还是在内部没有关系。本发明还可以利用相同轴上的两个转子来实现，从而导致在相同轴上有两个发电机。如果本发明被实现为在相同轴上有两个发电机，则两个发电机无需完全相同，只要它们近似具有相同的转矩谐波。它们甚至不需要相同的功率水平或电流幅值。如果选择应用较小的电机来抵抗转矩脉动，则使两个较小的电机位于每个端部，而使主发电机位于中央，以最小化沿轴向长度的3d转矩脉动。

这些定子可以彼此移位30电度的一个角度。为了实现定子中电磁场的移位，全部定子可以相对彼此扭转。