[发明专利]发电机

说明书

一种轴向磁通旋转发电机，包括：两个磁环；一个线圈环；磁环和线圈环具有一个公共轴线；两个磁环限定围绕所述公共轴线的、延伸跨越所述两个磁环之间的间隙的多个磁场，所述线圈环在所述间隙中围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中个体磁场的相对定位和所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得：(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位；且(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

背景技术

下面的发明涉及用于直接驱动旋转发电机的定子和/或转子的替代且有益的设计，所述发电机特别是可以被直接驱动而不需要齿轮箱的直接驱动旋转发电机，具体是用于如WO2015/075456中所公开的轴向磁通发电机的形式的发电机。

这样的直接驱动发电机由一系列细长圆柱形的定子环和同轴的一系列细长圆柱形的转子环形成，且所述定子环和所述转子环被安装用于围绕它们的公共轴线相对旋转移动，所述一系列定子环与所述一系列转子环交错，且所述转子环/所述定子环两者之一具有围绕其圆周毗邻的或大体上毗邻的线圈序列，且所述转子环/所述定子环中的另一个具有围绕其圆周且以与所述线圈的节距(pitch)相同的节距间隔开的交替极性的对应的永磁体序列，该布置使得穿越一个磁体承载环与下一个磁体承载环之间的空气间隙的磁通量线切割对应的交错的线圈承载环的线圈的线匝，因此当使所述转子相对于所述定子旋转时，在所述线圈中感应电磁力。

US2008/231132也公开了一种轴向磁通发电机，并且暗示了适合于直接生成三相电流的磁体与线圈的比率，所述三相电流常常被用于电力输送和分配。

WO2015/075456的发电机的一个关键特征是定子线圈的节距被选择为与转子磁体的节距相同。这确保了在每个定子线圈中由磁体承载转子感应的电磁力全都彼此同相。通过此方式，定子线圈的全部输出可以彼此方便地电连接，因此组合它们相应的输出以用于供给电负载。

然而，由此布置引起了一个缺点。这是被称为齿槽(cogging)的效应。齿槽效应是抵抗转动发电机所施加的转矩的机械反转矩的变化。在一种形式中，齿槽效应是由于生成交流电的定子线圈而出现的。另一种更严重的形式的齿槽效应是由电枢的磁体和定子的铁磁材料(例如，定子的线圈的中心中的铁氧体材料)之间的磁相互作用造成的。

US2010/0194251公开了一种轴向发电机，所述轴向发电机基于不同的原理工作，且其中成对的间隔开的转子盘各自都承载磁体，以使得成对的磁体在间隔的转子盘之间的间隙两边彼此排斥。在该间隙中的定子组件包括一系列线圈，其中所述线圈的中心填充有铁氧体材料。这样的系统遭受源于所述磁体和所述铁氧体材料之间的磁相互作用的齿槽效应。通过使用16个磁体对(和12个线圈)减少了由磁相互作用造成的齿槽效应。然而，这病没有考虑减少由生成交流电的定子线圈造成的任何齿槽效应。

对于任何风力涡轮机的叶轮，都期望确保由其发电机的旋转引起的任何转矩波动(由任一起源的所述齿槽效应引起)被保持到实际最小值。即使从发动机的瞬时旋转速率中的波动来看发电机的旋转惯性掩盖了其固有齿槽效应，由叶轮的叶片“感觉到”的任何波动会对它们的寿命有害，如果共振发生则甚至是致命的。理想地，齿槽效应应被保持到1％或更少。

此外，对于在这样的风力涡轮机中使用的任何发电机，尤其是WO2015/075456中所公开的发电机，其中使用的磁体属于被称为铁氧体的类型，所述铁氧体与更通常使用的被称为稀土类型相比具有更弱的场，期望的是，可以从在涡轮机的机舱内由发电机占据的给定的体积生成尽可能多的电能。

为了从风力涡轮机提取最大机械功率，已经发现有利的是，允许风力涡轮机的叶片根据盛行风条件以可变的速度旋转。此灵活性在一些常规设计中是不可能的，在常规设计中，例如三相发电机由风力涡轮机转子驱动且其输出相位供应国家电网且被锁定到国家电网。在此情况下，旋转速率由电网的基本频率(在英国，50Hz，且在美国，60Hz)决定。