專利名稱：轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子及裝有這種轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，更具體地說，涉及一種低速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子及裝有這種轉(zhuǎn)子的低速發(fā)電機(jī)，也就是說，一種發(fā)電機(jī)，其中將驅(qū)動力施加于動力機(jī)構(gòu)，尤其是一種旋轉(zhuǎn)的動力機(jī)構(gòu)上，例如渦輪機(jī)械，并與其耦合，則由直接驅(qū)動或通過低傳動比的傳動裝置使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
背景技術(shù)：
本發(fā)明尤其涉及大型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和海洋潮流渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)備以及討論現(xiàn)有技術(shù)和特別是在以前給出的一些發(fā)明的實(shí)施例。然而，人們將會相信，本發(fā)明一般在轉(zhuǎn)子受到高扭矩的發(fā)電機(jī)中有潛在用途。
最初，大部分工業(yè)用風(fēng)力渦輪機(jī)均采用由通用感應(yīng)電動機(jī)改裝的發(fā)電機(jī)。通常的做法是通過提供高傳動比的多級變速器，把典型的50轉(zhuǎn)每分鐘(rpm)或以下轉(zhuǎn)速的渦輪轉(zhuǎn)子軸連接到典型的轉(zhuǎn)速大約1500轉(zhuǎn)每分鐘(rpm)的發(fā)電機(jī)上。然而，多級變速器復(fù)雜、沉重、昂貴、需要保養(yǎng)以及應(yīng)用在風(fēng)力渦輪機(jī)里存在可靠性的問題。
隨著風(fēng)動力工業(yè)成長和一般渦輪機(jī)的額定功率日益增大，業(yè)已研制成新的發(fā)電機(jī)以滿足這方面的特別需要。最近，完全不用變速器的直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并占有市場很大的比率。這些發(fā)電機(jī)以與渦輪相同的速度旋轉(zhuǎn)，用于提供所需電力輸出，從而使變速器成為多余。這使機(jī)械機(jī)構(gòu)簡化，潛在的降低成本和停機(jī)維修時(shí)間。
對于一般傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，一大直徑葉狀渦輪機(jī)通常有兩或三塊葉片，其軸向是被此隔開的并直接地通過轉(zhuǎn)子軸耦合一較小直徑的轉(zhuǎn)子。直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)需要一大直徑以補(bǔ)償渦輪機(jī)的低轉(zhuǎn)速和保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的適當(dāng)圓周速度。發(fā)電機(jī)的軸向長度常常是十分短。因此，直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)外型為圓盤形。
通常的要求是采用大渦輪以增加容量和功率，尤其是大的近海風(fēng)力發(fā)電場。如果把現(xiàn)有的直接驅(qū)動渦輪簡單地按比例放大，便會不切實(shí)際，因?yàn)闀泻芏嚓P(guān)于這種極大尺寸構(gòu)件的制造、重量和運(yùn)輸問題。
現(xiàn)在市場上可買到的有2MW(兆瓦特)等級的風(fēng)力渦輪機(jī)和預(yù)計(jì)將有更大的發(fā)電機(jī)，這主要是針對新興的近海風(fēng)力發(fā)電市場。然而，例如一5MW的直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)的直徑大約是15米，極其笨重。
這種發(fā)電機(jī)的尺寸和重量會引出幾個(gè)領(lǐng)域的間題。其包括(i)需要極大孔徑的機(jī)床(ii)需要具有大容量起重機(jī)的高屋頂車間(iii)大型外購組裝件或成品發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸。這對出口市場會是更大的問題(iv)塔頂?shù)陌惭b(v)塔頂?shù)闹亓繉︼L(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的其他方面影響美國第US6064123號專利對于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)敘述了另一種解決軸向由較小直徑轉(zhuǎn)子隔開，且位于其間具有或者沒有變速器的較大直徑葉狀渦輪機(jī)的典型設(shè)計(jì)問題的方法。在US6064123里，通常用作從風(fēng)中獲取動力的幾塊大的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，由一旋轉(zhuǎn)安裝的中央輪轂、一與輪轂同軸的輪緣以及許多設(shè)置在輪轂和輪緣之間的葉片替代。為了在定子中產(chǎn)生電流，通過在輪緣上設(shè)置多個(gè)磁鐵使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子裝在渦輪結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)表示轉(zhuǎn)子輪緣的直徑與葉片排列的直徑相似。
雖然這樣的結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的等同的直接驅(qū)動設(shè)計(jì)具有高的圓周速度，但就高圓周速度的相關(guān)好處來說，這種組合的極大的結(jié)構(gòu)會使上述一些問題變得更差和產(chǎn)生它本身的一些問題，因此不能發(fā)揮或提供傳統(tǒng)直接驅(qū)動設(shè)計(jì)所認(rèn)同的其他一些好處(例如采用兩或三塊葉片)。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)中的笨重鐵芯也足以使一些問題變得更差，尤其是重量、效率損耗、組裝時(shí)的磁力和氣隙力方面的間題。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會察覺到的那樣，上述的許多問題在其他情形下也會出現(xiàn)，即在傳統(tǒng)上采用大型轉(zhuǎn)子，尤其是圓盤轉(zhuǎn)子。具體地說，類似的問題在海洋潮流渦輪發(fā)電機(jī)等的設(shè)計(jì)中也會出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)可達(dá)到減輕上述一些或全部的缺點(diǎn)的程度以及提供一結(jié)合這樣的轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的一具體目的是提供一轉(zhuǎn)子，特別是一由風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)直接或通過低傳動比傳動裝置驅(qū)動的低速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其能經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模制作。
本發(fā)明的一具體目的是提供一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和一結(jié)合這樣的轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，其尺寸重量比和/或功率重量比的性能均得以提高。
因此，根據(jù)本發(fā)明最寬概念中的第一方面，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子包括一中央輪轂、一徑向相互隔開而且通常是同軸的輪緣和多個(gè)細(xì)長的拉緊構(gòu)件，它們一般在輪轂和輪緣之間延伸，其基本上保持拉緊以保持輪緣大體上受壓，以及多個(gè)其上配置的磁性件，它們以一般平均間隔大體上圍繞整個(gè)輪緣排列，可使所述的輪轂安裝成可由一遠(yuǎn)距離的、尤其是一軸向隔開的渦輪旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剛性由保持受壓的輪緣給予，而且通常徑向的支柱或輪輻保持拉緊，這些對轉(zhuǎn)子來說是足夠的，同時(shí)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子方式比較，重量顯著減輕。
因此，這樣的結(jié)構(gòu)本身有助于制作低速發(fā)電機(jī)中應(yīng)用的大型轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子可被直接驅(qū)動或通過低傳動比的變速器，例如一單級變速器驅(qū)動。先前提及的與現(xiàn)有技術(shù)里多級高傳動比傳動裝置的設(shè)備有關(guān)的問題就不存在。這樣的結(jié)構(gòu)本身尤其有助于用作傳統(tǒng)上在直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，例如風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)中所用的大型圓盤轉(zhuǎn)子的一種替換物。
這樣的結(jié)構(gòu)可與任何適合的低速設(shè)計(jì)，尤其是直接驅(qū)動的風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)一起使用，其由動力傳動機(jī)構(gòu)組成，以大直徑葉狀渦輪的形式，所述渦輪軸向隔開和以傳統(tǒng)方式，通過低傳動比，例如單級變速器或最好是直接地通過一脫離嚙合的機(jī)械聯(lián)接器，經(jīng)渦輪轉(zhuǎn)子軸在操作上與轉(zhuǎn)子的輪轂耦合。以上所述的為關(guān)于水平軸渦輪機(jī)一般的應(yīng)用，但本發(fā)明不限于此，原則上可適用于縱軸渦輪機(jī)或其他實(shí)用的可提供相關(guān)優(yōu)點(diǎn)的渦輪機(jī)構(gòu)。
這樣的結(jié)構(gòu)與US6064123提出的另一方案相反，其具有一圓形轉(zhuǎn)子/渦輪機(jī)構(gòu)，但其中發(fā)電機(jī)構(gòu)與渦輪葉片是整體的。這表示，轉(zhuǎn)子輪緣的直徑與葉片機(jī)構(gòu)的直徑近似，因此這系統(tǒng)不能發(fā)揮或者提供傳統(tǒng)直接驅(qū)動設(shè)計(jì)所認(rèn)同的許多其他好處(例如采用兩或三塊葉片)。相反，本發(fā)明以極好的方式接納這些好處并敘述一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其并不與葉片或其他由風(fēng)或水獲得動力的裝置結(jié)合。具體地說，葉片并不是安裝在拉緊構(gòu)件上。其僅是一適合用于與任何其他適當(dāng)?shù)膭恿︱?qū)動裝置一起的轉(zhuǎn)子(或與定子結(jié)合和電氣上脫離的一發(fā)電機(jī))，例如一由風(fēng)力或水流獲得動力的葉狀渦輪機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明，至少一磁性轉(zhuǎn)子元件配置在輪緣上。這些磁性元件可配置在輪緣的內(nèi)或外表面。轉(zhuǎn)子包括多個(gè)基本上完全地配置在輪緣周圍及通常平均地隔開的磁性元件。這些元件可以用多個(gè)不連續(xù)磁鐵的形式或以一較大磁鐵里不同極化區(qū)的形式或以線圈形式或以其一些組合。
適當(dāng)?shù)匕讯鄠€(gè)磁性元件配置和極化，在轉(zhuǎn)子周圍的空間里產(chǎn)生一磁力線多極分布。例如，磁鐵可以沿著輪緣，在輪緣的外或內(nèi)表面配置和徑向地、軸向地或兩者組合地以包含徑向的和/或切向的和/或軸向的磁元件所產(chǎn)生的磁力線分布極化。
轉(zhuǎn)子的輪緣構(gòu)造可以是簡單的圓形或多邊形，但是，具體地說，不一定為接近圓形具有許多邊的多邊形。本文中所提到的輪緣圓周形或輪緣圓弧或徑向，應(yīng)該解釋為包括所提到的這一多邊形的周長或它的一部分或根據(jù)情況而定，由多邊形的中央到邊緣的方向。
輪緣可以是單體的結(jié)構(gòu)或可以是組裝式的結(jié)構(gòu)，其根據(jù)情況而定，可包括多個(gè)圓弧部分或多邊形輪緣的邊緣。輪緣可以是實(shí)心結(jié)構(gòu)或開放式結(jié)構(gòu)，例如桁架等的結(jié)構(gòu)，提供這樣的結(jié)構(gòu)要適當(dāng)?shù)刈龅礁鶕?jù)本發(fā)明所規(guī)定的原則使輪緣基本上保持受壓。
拉緊構(gòu)件通常是徑向地由輪轂延伸到輪緣。然而，拉緊構(gòu)件最好不是直接地徑向，而是軸向地偏移和成切向傾斜。這種配置是常見的及可理解為可在它旋轉(zhuǎn)時(shí)，改善結(jié)構(gòu)里傳輸?shù)呐ぞ?。最好是采用切向傾斜的拉緊構(gòu)件作這樣的配置，以抵抗任何方向的扭矩。這樣的配置可以是不對稱，以抵消一方向比另一方向大的扭矩。然而，被預(yù)加應(yīng)力的整個(gè)結(jié)構(gòu)，較方便則為對稱的設(shè)計(jì)和通過在一方向上切向傾斜的輪輻增加拉力以及在相反方向切向傾斜的輪輻中減少拉力來傳輸扭矩。
拉緊構(gòu)件通常在旋轉(zhuǎn)面以徑向或切向的模式配置。然而，拉緊構(gòu)件最好在軸向相對于旋轉(zhuǎn)面有一定程度傾斜，使結(jié)構(gòu)能抵抗軸向力。
轉(zhuǎn)子的磁性元件最好包括多個(gè)磁鐵，具體地說，用多個(gè)以多極交替配置的磁鐵，其最好配置在一表面的周圍(尤其在輪緣的外表面)且大體上平均地隔開。另一方式是多個(gè)磁鐵以相同極化配置以建立一磁極陣列一磁極以及一些中間隨后相反極性的磁極。
磁鐵的材料最好是呈高矯頑力的永久磁鐵。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，適當(dāng)?shù)牟牧习ǜ叱C頑力鐵氧體、燒結(jié)的釹鐵硼和鐵硼等。另外磁鐵可采用非永久性磁鐵例如線繞線圈。
磁鐵可用任何適當(dāng)?shù)姆绞揭栏皆谳喚壣?，例如用膠合或裝入輪緣的凹處內(nèi)。在后者的情況里，僅用磁力固定位置亦足夠。
輪緣需要在受壓中具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)特性，但最好也包含鐵磁材料。輪緣最好由具有良好的受壓性能的鐵磁材料制作例如磁鋼。另外，輪緣可包括一結(jié)構(gòu)部分，其由以抗壓強(qiáng)度所選的材料制作以及一依附在其上的磁性元件固定部分，其為磁性元件提供安裝。鐵磁材料也包括具有適當(dāng)?shù)蔫F磁特性。
細(xì)長的拉緊構(gòu)件包括支柱和輪輻等，并取以抗拉強(qiáng)度高的材料組合成在拉緊中使用的線、纜或桿的形狀。拉緊構(gòu)件是能在成品構(gòu)件中施加預(yù)應(yīng)力和保持拉緊的任何材料，以使受壓的輪緣保持剛度。適合的材料包括鋼、玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維或其他高強(qiáng)度纖維。輪轂可采用任何適合的結(jié)構(gòu)材料，例如鋼。
本發(fā)明為大直徑的直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)提供一機(jī)械結(jié)構(gòu)，其不受先前列出的限制。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一發(fā)電機(jī)包括一如本文所敘述的轉(zhuǎn)子。具體地說，根據(jù)本發(fā)明的一發(fā)電機(jī)包括一如本文所述的轉(zhuǎn)子和一適當(dāng)?shù)亩ㄗ訖C(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)子和定子可以為任何通量分布而配置。
因此，發(fā)電機(jī)至少包括一根據(jù)本發(fā)明的第一方面中所述的轉(zhuǎn)子并同時(shí)配置至少一適合的定子，以致于可由一遠(yuǎn)距離的，具體地說，是一軸向隔開的渦輪使相對于一靜止安裝的定子作旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動安裝的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而由機(jī)械能產(chǎn)生電能。
渦輪機(jī)給轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動動力并包括任何適合的驅(qū)動裝置，其中動力是由入射在其上的流體產(chǎn)生。操作中，渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)上與轉(zhuǎn)子耦合使它旋轉(zhuǎn)。這樣的操作可直接地或間接地通過適當(dāng)?shù)膫鲃友b置或其他傳動系統(tǒng)。
發(fā)電機(jī)最好是一低速發(fā)電機(jī)，其中驅(qū)動力是由一驅(qū)動動力裝置提供，具體來說，是旋轉(zhuǎn)的動力裝置，其機(jī)械操作上與輪轂耦合使轉(zhuǎn)子通過低傳動比的傳動裝置旋轉(zhuǎn)，例如以一在1∶1和1∶10之間的傳動比，其可以是一單級變速器的形式。更佳的發(fā)電機(jī)是直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，其中傳動力是由驅(qū)動動力裝置提供，尤其是旋轉(zhuǎn)的動力裝置，其機(jī)械上直接與輪轂耦合使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(也就是以1∶1的傳動比)。具體地說，本發(fā)明涉及大型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和海洋潮流渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)備。
另一耦合的裝置，包括一個(gè)或多個(gè)軟性的拉緊構(gòu)件，其在渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子輪緣和每一葉片之間連接，例如居于渦輪輪軸和渦輪葉片末端之間的位置。采用這種方法，由葉片施加的力會轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)子而不會把大的撓矩施加在靠近與渦輪輪軸連接的葉片上。然后，不要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的拉緊構(gòu)件傳輸扭矩，因此在操作中較少會受到高的應(yīng)力。
動力傳動裝置是一流體驅(qū)動的渦輪機(jī)，其適合于由入射在其上的流體而旋轉(zhuǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)上與轉(zhuǎn)子耦合，流體驅(qū)動裝置的移動使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。具體地說，流體驅(qū)動裝置包括一流體驅(qū)動轉(zhuǎn)子，其在入射流體的作用下旋轉(zhuǎn)。較佳的流體驅(qū)動轉(zhuǎn)子是風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)。
在較佳的實(shí)施例里，發(fā)電機(jī)是一直接驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，因此風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)或其他流體驅(qū)動轉(zhuǎn)子直接與轉(zhuǎn)子耦合，這樣使流體驅(qū)動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)相同。任何適合的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)均可采用。例如，轉(zhuǎn)子可包括多塊安裝在中央軸上的葉片，在流體入射的作用下旋轉(zhuǎn)。
渦輪或其他流體驅(qū)動轉(zhuǎn)子最好與轉(zhuǎn)子同軸，尤其是直接地驅(qū)動轉(zhuǎn)子。
在一較佳的實(shí)施例里，定子這樣構(gòu)成以使其裝配在所述輪緣附近至少一圓弧上，并盡可能大體上在它所有的圓周上。在一特佳的實(shí)施例里，定子沿圓周圍繞轉(zhuǎn)子所述的圓弧或圓周，即使可構(gòu)想出使轉(zhuǎn)子沿圓周圍繞定子的另一種結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)子和定子兩者最好均圍繞同軸的支撐結(jié)構(gòu)作圓周延伸，其基本上延伸到整個(gè)圓周或就定子來說，至少它的一圓弧上。具體來說，定子沿圓周圍繞轉(zhuǎn)子，即使可構(gòu)想出使轉(zhuǎn)子沿圓周圍繞定子的另一種結(jié)構(gòu)。
在一特佳實(shí)施例里，定子支撐結(jié)構(gòu)沿圓周圍繞轉(zhuǎn)子輪緣。具體地說，這支撐結(jié)構(gòu)支撐多個(gè)定子線圈，其配置成圍繞轉(zhuǎn)子并與轉(zhuǎn)子同軸的圓柱形和每一線圈軸均指向轉(zhuǎn)子的軸。轉(zhuǎn)子包括多個(gè)永久磁鐵，其沿圓周配置在轉(zhuǎn)子輪緣上和徑向地極化，產(chǎn)生一磁通量的多極分布和定子結(jié)構(gòu)支撐一組同樣徑向定向的線圈，這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，每一線圈的磁鏈循環(huán)地改變和每一線圈感應(yīng)交變電動勢。在另一方式中，轉(zhuǎn)子輪緣可沿圓周圍繞定子支撐件，前者磁鐵向內(nèi)配置和后者定子線圈向外配置。
在如上所述較佳實(shí)施例里，定子線圈沿圓周圍繞轉(zhuǎn)子配置在支撐結(jié)構(gòu)上。任何適合的定子支撐結(jié)構(gòu)也可想象到。定子支撐結(jié)構(gòu)可便利地包括一與轉(zhuǎn)子相似的敞開結(jié)構(gòu)，即為一中央輪轂、一圓形或可能是多邊形的輪緣，還有徑向且在其間延伸和大體上保持拉緊以保持輪緣基本上受壓的拉緊構(gòu)件。然后，轉(zhuǎn)子和定子支撐件可同軸地安裝以提供一合適的同軸和相對地可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)。
可裝一鐵磁定子芯以使永久磁鐵產(chǎn)生的磁通增強(qiáng)，正如傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)那樣，其包括風(fēng)力渦輪機(jī)用的直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)。然而，轉(zhuǎn)子和定子芯會受到一強(qiáng)的磁性吸力。通常，磁性吸力量是施加在業(yè)已組裝好的轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)上的最大的力，它們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由承受所需力而決定。如果定子芯被省略，吸引力不再存在和就能采用一種相當(dāng)輕的結(jié)構(gòu)。意想不到的是，這還使其具有相當(dāng)適合的電磁性能，無鐵芯的定子的磁通密度較低，這多半由大直徑轉(zhuǎn)子輪緣上的磁鐵的相對較高速度抵消。
因此，本發(fā)明的一實(shí)施例里，定子是無芯機(jī)構(gòu)；就是說定子上沒有鐵芯。另一實(shí)施例里，一傳統(tǒng)的鐵芯仍有需要。


圖1所示為最好的電磁配置；圖2(i)所示為一懸臂定子；圖2(ii)所示為一兩面定子；
圖2(iii)所示為一具有剛性支撐的定子；圖3a所示為根據(jù)圖2第一種配置的轉(zhuǎn)子和定子的分解狀的示意圖；圖3b所示為裝配好的轉(zhuǎn)子和定子示意圖。
具體實(shí)施例方式
各種的電磁布局技術(shù)均可采用和對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。以下，將結(jié)合附圖1至圖3a和圖3b，以一具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行敘述。具體地說，所有例子均采用徑向極化的磁鐵，不用在定子上的一鐵芯以及轉(zhuǎn)子和定子兩方均采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。然而，不用再說，原則上本發(fā)明同樣可適用于其他的磁場幾何形狀和/或有鐵芯或無鐵芯定子機(jī)構(gòu)，以及根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子可與任何適用的定子，例如轉(zhuǎn)子只在定子一圓弧上沿圓周伸展的定子一起使用。
圖1所示為最好的電磁配置。在這一實(shí)施例中，一鐵磁圓柱1配合轉(zhuǎn)子背鐵(rotor back iron)和使釹鐵硼永久磁鐵2裝在其外表面上。它們可以用任何適合的方式固定，例如采用黏合劑，但僅僅磁力就足以保持磁鐵在位置上。磁鐵經(jīng)徑向極化和在圍繞轉(zhuǎn)子的空間產(chǎn)生一磁通的多極分布。定子結(jié)構(gòu)支撐一組銅線圈3，它們的軸在一非磁的支架上(圖中未示)指向徑向。黏合劑或其他固定方式均可把銅線圈固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。線圈可插入支撐結(jié)構(gòu)里面。這將提供良好的電絕緣。
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，每一線圈的磁鏈循環(huán)地改變和每一線圈感應(yīng)交變電動勢。與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相反，由于上述闡明的原因，本實(shí)施例不裝鐵芯。
通常，配置一鐵磁定子以增強(qiáng)由永久磁鐵所產(chǎn)生的磁通。然而，根據(jù)本發(fā)明，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果采用足夠矯頑力的永久磁鐵，這樣的增強(qiáng)就是多余的和即使沒有鐵芯，也有適合的磁鏈。不用鐵芯會大大地降低由結(jié)構(gòu)承受的磁性吸引力，因此可采用一相當(dāng)輕的結(jié)構(gòu)和充分地發(fā)揮本發(fā)明的敞開結(jié)構(gòu)的好處。故而，磁鐵2是由燒結(jié)的釹鐵硼制作，以提供所需的矯頑力。
在本較佳的實(shí)施例里，定子支撐結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均基于輪緣以徑向延伸拉緊構(gòu)件受壓的相同的敞開原理。圖2(i)至圖2(iii)所示為三種可能的機(jī)構(gòu)。
圖2(i)所示為一懸臂定子。圖2(ii)所示為一雙面定子。圖2(iii)所示為一具有剛性支撐的定子。
在每一種情況下，同樣的元件均采用同樣的參考編號。中軸6上具有中心線7，其上裝有輪轂8，并以箭頭的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子輻條11延伸到轉(zhuǎn)子輪緣12。定子輻條14延伸到與轉(zhuǎn)子輪緣12同軸的定子輪緣15。轉(zhuǎn)子輪緣12和定子輪緣15之間有一氣隙17。各種設(shè)計(jì)在這些普通零件的整體安排上會有不同。另外，圖2(ii)中設(shè)有軸承18和圖2(iii)中則加有保持受壓的剛性定子支撐件19。
在圖3a和圖3b中，以分解圖(圖3a)和裝配圖(圖3b)表示根據(jù)圖2第一種配置的轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)。圖3a和圖3b所示的轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)包括一圓形的輪緣21，其由與中央輪轂23連接的輪輻22保持受壓。永久磁鐵(圖中未示)以圖1所述的方式裝配在輪緣21上。
所示的定子機(jī)構(gòu)包括一對輪緣24a和24b，其以橫構(gòu)件25相連接并由伸展到中央輪轂27的拉緊的輪輻26保持受壓。線圈28則裝配在第一輪緣24a的內(nèi)表面。
這只是結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子，別的結(jié)構(gòu)也可以聯(lián)想到。
在較佳的結(jié)構(gòu)里，發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均基于一或多個(gè)受壓的外圓形部件(或可能是多邊形)，其由拉緊構(gòu)件的環(huán)形陣列，以相當(dāng)于腳踏車輪輪輻的方式連接中央輪轂/風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)。具體實(shí)施例業(yè)已敘述這樣的例子。拉緊構(gòu)件在旋轉(zhuǎn)平面里，以徑向或切向的模式排列和在軸向的方向傾斜，因此使定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能抵抗扭矩和任何軸向力。采用切向傾斜的拉緊構(gòu)件時(shí)，這樣的配置可在任何方向抵抗扭矩。一些實(shí)施例里，包含輪緣的平面不一定要位于包含輪輻固定在輪轂上的環(huán)的平面之間。這種的情況下，必需由受壓構(gòu)件替代一組拉緊構(gòu)件。
其他應(yīng)用本發(fā)明的原理的機(jī)構(gòu)，也是很容易就可聯(lián)想得到。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，其包括一中央輪轂、一通常同軸且徑向地隔開的輪緣、多個(gè)細(xì)長的拉緊構(gòu)件，其一般在輪轂和輪緣之間延伸，基本上保持拉緊，以使輪緣大體上保持受壓，以及多個(gè)磁性元件，其大體上完全地圍繞輪緣配置和通常在其上均勻地隔開，所述輪緣可安裝成由一遙遠(yuǎn)隔開的渦輪旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述多個(gè)磁性元件以圍繞輪緣配置和徑向地極化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述多個(gè)磁性元件以圍繞輪緣配置和軸向地極化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任何一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述轉(zhuǎn)子磁性元件包括多個(gè)永久磁鐵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述轉(zhuǎn)子磁性元件包括多個(gè)線繞線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任何一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述拉緊構(gòu)件通常由輪轂徑向地延伸到輪緣，但是具有軸向的偏移和切向的傾斜，以抵抗軸向力和扭矩。
7.一種發(fā)電機(jī)，其包括一根據(jù)權(quán)利要求1到6中任何一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子至少與一適合的定子協(xié)調(diào)配置，以便由可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機(jī)械能量產(chǎn)生電能，所述的轉(zhuǎn)子可安裝成由一遙遠(yuǎn)且隔開的渦輪相對于靜止安裝的定子旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子的設(shè)定位于所述轉(zhuǎn)子的輪緣的至少一圓弧附近。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于構(gòu)成的所述定子靠近所述輪緣大體上整個(gè)圓周。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子線圈沿圓周圍繞轉(zhuǎn)子配置在支撐結(jié)構(gòu)上，所述支撐結(jié)構(gòu)包括一中央輪轂、一圓形或多邊形輪緣和一些通常徑向延伸的拉緊構(gòu)件，所述拉緊件在輪轂和輪緣之間延伸和保持拉緊，以保持輪緣大體上受壓，轉(zhuǎn)子和定子支撐件同軸地安裝，以提供一同心和可相對地旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子結(jié)構(gòu)以安裝在旋轉(zhuǎn)軸承上的定子結(jié)構(gòu)的一例完全地圍繞轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子結(jié)構(gòu)以懸臂方式由轉(zhuǎn)子的一邊靠近轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任何一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子線圈與一個(gè)或多個(gè)鐵磁定子芯裝在一起，以增強(qiáng)磁性元件產(chǎn)生的磁通。
14.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任何一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子線圈沒有鐵磁定子芯。
15.根據(jù)權(quán)利要求7至14中任何一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)還包括一遙遠(yuǎn)隔開的可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述遙遠(yuǎn)隔開的渦輪機(jī)是一風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16中任何一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)包括一低速發(fā)電機(jī)，其中渦輪機(jī)械動作上與輪轂耦合，以使轉(zhuǎn)子通過低傳動比的傳動裝置旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15或16中任何一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)包括一直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，其中渦輪機(jī)械上直接與輪轂耦合，以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
19.根據(jù)權(quán)利要求15或16中任何一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)包括一直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，其中渦輪機(jī)械上直接與輪緣耦合，以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
20.一種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子或一種結(jié)合這樣的轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，它們參照附圖大體上如上所述。
全文摘要
一種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和一種結(jié)合這種轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子由一中央輪轂、一徑向隔開的同軸并具有安裝在其上的轉(zhuǎn)子磁性元件的輪緣部分和多個(gè)細(xì)長的拉緊構(gòu)件，拉緊構(gòu)件通常在輪轂和輪緣之間延伸并基本上保持拉緊，以使輪緣基本上保持受壓。輪轂可由軸向隔開的動力驅(qū)動裝置，例如風(fēng)力或海洋潮流渦輪機(jī)而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
文檔編號H02K21/14GK1539191SQ02815386
公開日2004年10月20日 申請日期2002年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者保羅·戈登, 愛德華·斯普納, 斯普納, 保羅 戈登 申請人:發(fā)展一代有限公司