專利名稱：永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其包括具有多個(gè)電磁極的定子和具有多個(gè)永久磁極的轉(zhuǎn)子。本發(fā)明特別涉及一種風(fēng)能設(shè)備的同步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)能設(shè)備上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
同步電機(jī)是電-機(jī)的換能器，其作為電動(dòng)機(jī)借助電流運(yùn)行或作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流。存在三相電流同步電機(jī)或單相同步電機(jī)，它們分別具有至少一個(gè)定子繞組(通常在外面)，在其中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中感應(yīng)出電壓。轉(zhuǎn)子(通常在內(nèi)部)為了產(chǎn)生磁場(chǎng)載有永久勵(lì)磁的磁鐵。這樣的同步電機(jī)是永久勵(lì)磁的轉(zhuǎn)場(chǎng)式電機(jī)，其中轉(zhuǎn)速等于交流電壓頻率除以轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)。因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于電磁的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子同步于該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。為了可以在不同的轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行一同步電機(jī)，需要一變頻器或一逆變器。這樣的同步電機(jī)的有功功率由轉(zhuǎn)子角來(lái)確定，所述轉(zhuǎn)子角作為在被加載的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和未被加載的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)角而得出。同類的同步電機(jī)目前特別在發(fā)電廠中用作為交流和三相電流發(fā)電機(jī)。但其他結(jié)構(gòu)形式的同步發(fā)電機(jī)也例如在汽車中用作為汽車發(fā)電機(jī)。對(duì)此至今在轉(zhuǎn)子上為了產(chǎn)生磁場(chǎng)采用永久磁場(chǎng)(自激)作為用于具有小功率(瓦和千瓦范圍)的發(fā)電機(jī)的永久勵(lì)磁的磁鐵， 反之在大功率(兆瓦范圍)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上采用電磁鐵(他激)。風(fēng)能設(shè)備經(jīng)常配備四極結(jié)構(gòu)形式的異步電機(jī)。其具有高的轉(zhuǎn)速。因此為了轉(zhuǎn)速匹配，在轉(zhuǎn)子葉片軸與發(fā)電機(jī)之間需要一變速器，因此這種結(jié)構(gòu)容易引起變速器磨損和軸承磨損。而無(wú)變速器的緩慢旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)需要較多的極數(shù)，并從而需要較大的直徑和較大的重量。但特別是重量在風(fēng)能設(shè)備中是重要的設(shè)計(jì)因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其在較少的制造成本的同時(shí)可以提供大功率，運(yùn)行可靠地工作并在此具有高的效率。按照本發(fā)明利用一種按照權(quán)利要求1所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)達(dá)到該目的。從屬權(quán)利要求中描述本發(fā)明的有利的進(jìn)一步構(gòu)成。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)中，設(shè)置具有多個(gè)電磁極的定子和具有多個(gè)永久磁極的轉(zhuǎn)子。此外，轉(zhuǎn)子的至少一個(gè)永久磁極由單獨(dú)的永久磁鐵部分構(gòu)成，它們?cè)谄渲圃鞎r(shí)設(shè)有特別高的場(chǎng)強(qiáng)度并且它們?cè)谥辽僖粋€(gè)永久磁極上沿圓周方向這樣地并排設(shè)置，使得在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)在定子的電磁極中產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。利用按照本發(fā)明的解決方案提供一種可簡(jiǎn)單制造的同步電機(jī)，其具有大功率同時(shí)渦流損失很少且效率較高。這不僅對(duì)按照本發(fā)明的同步電機(jī)的制造成本和總能量平衡具有有利的影響，而且對(duì)后續(xù)的工作過(guò)程，如產(chǎn)生的交流電壓的變換具有有利的影響。這樣特別是在與按照本發(fā)明的同步電機(jī)相組合時(shí)，下游的逆變器只須具有較小的備用功率。
按照本發(fā)明的永久磁鐵的磁通密度優(yōu)選為在0. 9Tesla (特斯拉)與1. 7Tesla之間、優(yōu)選在1. ITesla與1.5TeSla之間、最優(yōu)選為1. 3Tesla0最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度總計(jì)達(dá)到 2000kA/m至2700kA/m、優(yōu)選到2200kA/m至2500kA/m、最優(yōu)選為2350kA/m。永久磁鐵對(duì)此有利地由釹鐵硼(Nd-Fe-B)制造。按照本發(fā)明的解決方案還利用這樣的知識(shí)，即永久磁鐵勵(lì)磁與電勵(lì)磁相比允許小約30%、更輕的并從而也成本較低的構(gòu)造方式，這在風(fēng)能設(shè)備中對(duì)上述重量方面產(chǎn)生特別有利的影響。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第一有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，所述至少一個(gè)永久磁極的并排設(shè)置的永久磁鐵部分為了產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁以不同的尺寸構(gòu)成。永久磁鐵部分的不同的尺寸允許，利用一個(gè)和同一磁化方法提供具有不同的場(chǎng)強(qiáng)度的磁鐵，所述磁鐵隨后設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，使得產(chǎn)生一(必要時(shí)分等級(jí)的)用于場(chǎng)強(qiáng)度的曲線，其在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)在定子的電磁極中產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。這樣構(gòu)成的各永久磁鐵部分特別優(yōu)選構(gòu)成板形的并且具有特別是不同的高度。由于這樣的永久磁鐵部分具有簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方體的基本形狀，所述永久磁鐵部分可以用特別少的制造費(fèi)用制造。優(yōu)選沿一正弦曲線實(shí)現(xiàn)各永久磁鐵部分的分級(jí)，其對(duì)于并排設(shè)置的永久磁鐵部分的橫截面形狀構(gòu)成基礎(chǔ)曲線。在該基礎(chǔ)曲線上在各分級(jí)上實(shí)現(xiàn)在時(shí)間上的平均值形成。在此平均確定的是，必須將永久磁鐵部分構(gòu)成多高，以便在橫截面中作為矩形面覆蓋正弦曲線的面積區(qū)間的表面。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第二有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，所述至少一個(gè)永久磁極的并排設(shè)置的永久磁鐵部分為了產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁以橫截面為正弦形的外部輪廓構(gòu)成。在這里橫截面的輪廓的徑向向外定向的那個(gè)部分表示為外部輪廓。這樣構(gòu)成的并排設(shè)置的永久磁鐵部分，在對(duì)于總體磁極合理的制造耗費(fèi)的情況下，導(dǎo)致感應(yīng)特別精確的正弦形的電壓的逐段的磁極形狀。特別有利的是，總體的永久磁極在外側(cè)在其輪廓上構(gòu)成正弦形的?？梢越柚谔貏e強(qiáng)地磁化的和作為單獨(dú)構(gòu)件制造的永久磁鐵部分的按照本發(fā)明的排列成本低地構(gòu)成這樣的正弦形狀。同時(shí)這樣的永久磁極導(dǎo)致特別強(qiáng)的和同時(shí)特別精確的正弦形的勵(lì)磁。所述勵(lì)磁同時(shí)以特別少的渦流損失提供。按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第三有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，所述至少一個(gè)永久磁極構(gòu)成有四至六個(gè)單獨(dú)的永久磁鐵部分。原則上是這樣，使得每一永久磁極的永久磁鐵部分的數(shù)目越多，在分級(jí)的永久磁鐵部分設(shè)置中可以越好地模擬正弦形狀。為了以較少的制造費(fèi)用構(gòu)成有效的工作的永久磁極，按照本發(fā)明已確定，所述永久磁極應(yīng)該具有四至六個(gè)單獨(dú)的永久磁鐵部分。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第四有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，所述至少一個(gè)永久磁極的永久磁鐵部分在轉(zhuǎn)子的圓周上只覆蓋通過(guò)該永久磁極的極距產(chǎn)生的圓周區(qū)段的70%至95%之間的范圍。利用一這樣的永久磁極，在單獨(dú)的極距內(nèi)產(chǎn)生保留的自由或剩余的區(qū)域，其作為永久磁極之間的過(guò)渡區(qū)域提供自由的位置。過(guò)渡區(qū)域可以用作為永久磁鐵部分在各個(gè)永久磁極上的設(shè)置之間的誤差補(bǔ)償。由此總體上減少用于按照本發(fā)明的各個(gè)并排設(shè)置的永久磁鐵部分的位置精確的定位的制造費(fèi)用。此外該剩余的區(qū)域也提供用于其他的元件(例如螺釘或夾具)的位置，它們可用于永久磁鐵部分的位置固定的安裝。此外這樣的設(shè)置方式還導(dǎo)致在按照本發(fā)明的同步電機(jī)的定子中的良好的熱分布。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第五有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，所述至少一個(gè)永久磁極的永久磁鐵部分位置固定地安裝在裝配板上，裝配板本身與轉(zhuǎn)子位置固定地連接。這樣的裝配板能夠使各個(gè)永久磁極作為單獨(dú)的組件而精確地制造。這些組件可以與剩下的制造無(wú)關(guān)地在預(yù)組裝中制造并且按這樣經(jīng)受一質(zhì)量控制。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第六有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，裝配板粘接在轉(zhuǎn)子上。這樣的粘接是一特別簡(jiǎn)單的成本低廉的和同時(shí)過(guò)程可靠的組裝方式。作為螺釘優(yōu)選采用由非磁性材料、特別是鋁制成的螺釘。這樣的材料排除對(duì)在定子上的勵(lì)磁的任何影響。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第七有利的實(shí)施形式中，至少一個(gè)永久磁極的永久磁鐵部分在外側(cè)或在徑向外側(cè)被覆蓋。這樣的覆蓋不僅提供防腐蝕的保護(hù)，而且同時(shí)提供防止永久磁鐵部分的材料的碎裂的保護(hù)。有利地由一非磁性的材料、特別是由塑料構(gòu)成護(hù)蓋。這樣的材料同樣對(duì)在定子上的勵(lì)磁沒有任何的影響并同時(shí)是價(jià)格便宜的。優(yōu)選地，護(hù)蓋與上述裝配板擰緊在一起。這樣不僅裝配板(并從而永久磁鐵部分)而且護(hù)蓋可以達(dá)到特別簡(jiǎn)單的成本低廉的并同時(shí)位置精確的裝配。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第八有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，所述至少一個(gè)永久磁極的永久磁鐵部分粘接在轉(zhuǎn)子上、特別是粘接在裝配板上。借助于粘接在將永久磁鐵部分安裝在轉(zhuǎn)子上的制造步驟中實(shí)現(xiàn)持久位置固定的和位置精確的定位的全部先決條件。優(yōu)選為了粘接裝配板和永久磁鐵部分，采用一種雙組分粘接劑，其確保特別高的粘附力。在按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第九有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，在定子和轉(zhuǎn)子的圓周上構(gòu)成多個(gè)電磁極以及多個(gè)永久磁極，使它們沒有共同的約數(shù)。利用這樣的構(gòu)型可以達(dá)到特別小的制動(dòng)力矩(Rastmomente)。有利地設(shè)置包括各6個(gè)繞組圈的39個(gè)電磁極和4個(gè)永久磁極。這產(chǎn)生234對(duì)M 的比例，其中產(chǎn)生上述小的制動(dòng)力矩和特別小的噪音排放。此外在加載時(shí)電壓下降較小并且按照本發(fā)明的同步電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)具有特別好的功率因數(shù)。


以下借助示意的附圖更詳細(xì)地說(shuō)明按照本發(fā)明的解決方案的實(shí)施例。其中圖1示出按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第一實(shí)施例的在轉(zhuǎn)子上的永久磁極的局部橫截面圖，圖2示出第一曲線圖，用以說(shuō)明永久磁鐵部分在按圖1的永久磁極上的分級(jí)，圖3示出第二曲線圖，用以說(shuō)明永久磁鐵部分在按圖1的永久磁極上的分級(jí)，以及圖4示出按照本發(fā)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的第二實(shí)施例的在轉(zhuǎn)子上的永久磁極的局部橫截面圖。
具體實(shí)施例方式圖1中部分地示出未進(jìn)一步說(shuō)明的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子10。轉(zhuǎn)子10在此在外側(cè)被同步電機(jī)的定子包圍。在轉(zhuǎn)子10上構(gòu)成多個(gè)永久磁極12，在圖2中可看出其中兩個(gè)。相反定向的磁北極和磁南極分別并排地設(shè)置。永久磁極12分別由多個(gè)永久磁鐵部分14組成，所述永久磁鐵部分在其制造時(shí)分別設(shè)有2350kA/m的場(chǎng)強(qiáng)度并且隨后將它們并排設(shè)置成使它們共同構(gòu)成一個(gè)永久磁極12， 其在轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)時(shí)在定子的電磁極中產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。同時(shí)在所屬的定子繞組中感應(yīng)出的電壓Ui利用轉(zhuǎn)速η、常數(shù)k和磁通量F借助于公式Ui = kXFXη算出。為了達(dá)到所述的正弦形的勵(lì)磁，并排設(shè)置的永久磁鐵部分14分級(jí)地構(gòu)成，從而使它們共同構(gòu)成一個(gè)磁極，所述磁極總體上具有正弦形的外形。亦即永久磁鐵部分14 一起觀察時(shí)構(gòu)成正弦形的。為了限制制造費(fèi)用，在當(dāng)前單個(gè)永久磁極12構(gòu)成有六個(gè)永久磁鐵部分 14。所述六個(gè)永久磁鐵部分14按圖2導(dǎo)致在定子上關(guān)于時(shí)間t具有三個(gè)分級(jí)值U” U2和 U2的電壓。此外，電壓具有總周期T，其特點(diǎn)在于橫跨兩個(gè)電壓半波。每個(gè)永久磁鐵部分14 的各個(gè)分電壓的周期持續(xù)時(shí)間在兩個(gè)電壓半波內(nèi)為T/14。該數(shù)值14作為2乘6個(gè)永久磁鐵部分和2個(gè)電壓零值的總和得出。電壓零值這樣形成，即永久磁鐵部分14分別只覆蓋通過(guò)各個(gè)永久磁極12的極距(Polteilung)產(chǎn)生的圓周區(qū)段的約86%。剩下的14%構(gòu)成兩個(gè)剩余區(qū)域，它們用作為在兩鄰接的永久磁極12之間的誤差補(bǔ)償，并且如以下還要說(shuō)明的，用于永久磁鐵部分14在轉(zhuǎn)子10上的固定。極距由轉(zhuǎn)子10的直徑和極對(duì)數(shù)計(jì)算得出。按圖1的各個(gè)板形的永久磁鐵部分14的尺寸或高度通過(guò)對(duì)電壓的所力求實(shí)現(xiàn)的正弦形的分布的時(shí)間上的平均值形成來(lái)確定。在圖3中對(duì)于單個(gè)的永久磁鐵部分14說(shuō)明該平均值形成。對(duì)此利用一持續(xù)時(shí)間t = Vt1的矩形脈沖模擬被感應(yīng)的電壓的函數(shù)u (t)。對(duì)于電壓的平均值Um得出，由平均值Um和脈沖持續(xù)時(shí)間t產(chǎn)生的矩形面積等于通過(guò)函數(shù)u (t) 在該脈沖持續(xù)時(shí)間t內(nèi)的積分面積。為了正確地繪制平均值，圖3中各畫陰影線的面積必須是相同大小的。在每一永久磁鐵部分14上發(fā)生所述平均值形成。平均值Um的時(shí)間上的彼此毗鄰排列接近導(dǎo)致符合要求的正弦形的電壓表示。圖4中示出永久磁鐵部分14的一個(gè)實(shí)施例，它們?yōu)榱司_化符合要求的正弦形的勵(lì)磁構(gòu)成有橫截面為正弦形的外部輪廓。永久磁鐵部分14在兩個(gè)實(shí)施例(圖1和圖4)中以特別的方式位置固定地安裝在轉(zhuǎn)子10上。為此，在一個(gè)配屬于轉(zhuǎn)子10的軸16上沿其圓周按極距的比例分配地構(gòu)成削平部18。永久磁鐵部分14以符合要求的形狀設(shè)置并排地粘接在一所屬的裝配板20上。裝配板20本身借助于由雙組分的粘接劑構(gòu)成的粘接劑層22位置固定地安裝在一個(gè)所屬的平坦部18上。在這樣位置固定地安裝的永久磁鐵部分14的上，在每一單個(gè)的永久磁極12上面罩上由塑料制成的護(hù)蓋對(duì)，其借助于鋁螺釘26固定在上述自由區(qū)域內(nèi)。最后應(yīng)該說(shuō)明，在申請(qǐng)文件中且特別是在從屬權(quán)利要求中提到的全部特征，雖然采取形式上引用一個(gè)或多個(gè)特定的權(quán)利要求，但單獨(dú)的或任意的組合也應(yīng)得到保護(hù)。
附圖標(biāo)記列表
10轉(zhuǎn)子
12永久磁極
14永久磁鐵部分
16軸
18削平部
20裝配板
22粘接劑層
24護(hù)蓋
26螺釘
權(quán)利要求
1.永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，所述永久勵(lì)磁的同步電機(jī)包括具有大量電磁極的定子和具有多個(gè)永久磁極(12)的轉(zhuǎn)子(10)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(10)的至少一個(gè)永久磁極(12)由單獨(dú)的永久磁鐵部分(14)構(gòu)成，所述永久磁鐵部分在所述永久磁鐵部分的制造時(shí)設(shè)有特別高的場(chǎng)強(qiáng)度，并且所述永久磁鐵部分在至少一個(gè)永久磁極(1 上沿圓周方向并排設(shè)置，使得在所述轉(zhuǎn)子(10)旋轉(zhuǎn)時(shí)在所述定子的所述電磁極中產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。
2.按照權(quán)利要求1所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極 (12)的并排設(shè)置的永久磁鐵部分(14)以不同的尺寸構(gòu)成，用于產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極(12)的并排設(shè)置的永久磁鐵部分(14)以橫截面為正弦形的外部輪廓構(gòu)成，以產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。
4.按照權(quán)利要求1至3之一項(xiàng)所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極(1 構(gòu)成有四至六個(gè)單獨(dú)的永久磁鐵部分(14)。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極(1 的所述永久磁鐵部分(14)在所述轉(zhuǎn)子(10)的圓周上只覆蓋通過(guò)所述永久磁極 (12)的極距產(chǎn)生的圓周區(qū)段的70%至95%之間的范圍。
6.按照權(quán)利要求1至5之一項(xiàng)所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極(1 的永久磁鐵部分(14)位置固定地安裝在裝配板00)上，所述裝配板本身位置固定地與所述轉(zhuǎn)子(10)連接。
7.按照權(quán)利要求6所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述裝配板00)粘接在所述轉(zhuǎn)子(10)上。
8.按照權(quán)利要求1至7之一項(xiàng)所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極(1 的永久磁鐵部分(14)在外側(cè)被覆蓋。
9.按照權(quán)利要求1至8之一項(xiàng)所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)永久磁極(1 的永久磁鐵部分(14)粘接在所述轉(zhuǎn)子(10)上、特別是粘接在所述裝配板 (20)上。
10.按照權(quán)利要求1至9之一項(xiàng)所述的永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其特征在于，在定子和轉(zhuǎn)子(10)的圓周上構(gòu)成多個(gè)電磁極以及多個(gè)永久磁極(12)，使所述電磁極和所述永久磁極沒有共同的約數(shù)。
全文摘要
永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，其包括具有多個(gè)電磁極的定子和具有多個(gè)永久磁極(12)的轉(zhuǎn)子(10)，根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)子(10)的至少一個(gè)永久磁極(12)由單獨(dú)的永久磁鐵部分(14)構(gòu)成，它們?cè)谄渲圃鞎r(shí)設(shè)有特別高的場(chǎng)強(qiáng)度并且它們?cè)谒鲋辽僖粋€(gè)永久磁極(12)上沿圓周方向并排地設(shè)置，使得在轉(zhuǎn)子(10)旋轉(zhuǎn)時(shí)在定子的電磁極中產(chǎn)生正弦形的勵(lì)磁。
文檔編號(hào)H02K21/16GK102204070SQ200880130921
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者D·舒爾茨, E·黑梅德, M·倫霍夫 申請(qǐng)人:阿利發(fā)風(fēng)有限公司