電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機(jī)，以及具體地涉及但不限于直驅(qū)式電機(jī)，諸如像具有繞組的發(fā)電機(jī)，其允許定子被模塊化，以便促進(jìn)生產(chǎn)、測(cè)試和組裝過(guò)程。
【背景技術(shù)】
[0002]大多數(shù)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和潮汐水輪發(fā)電機(jī)通過(guò)機(jī)械式齒輪箱驅(qū)動(dòng)，所述機(jī)械式齒輪箱將旋轉(zhuǎn)速度放大，從而在基本上不增加它們的尺寸的情況下提高它們的發(fā)電。變速齒輪箱本身具有相當(dāng)大的重量和尺寸。盡管技術(shù)的發(fā)展歷史悠久，當(dāng)今的齒輪箱仍然遭受可靠性的問(wèn)題，這增加能量的總成本。
[0003]響應(yīng)于齒輪箱的弱點(diǎn)，已經(jīng)提出通過(guò)使用直驅(qū)式發(fā)電機(jī)與固態(tài)功率轉(zhuǎn)換器一起使用來(lái)省卻齒輪箱。在沒(méi)有齒輪箱的情況下，對(duì)于相同發(fā)電能力而言，直驅(qū)式發(fā)電機(jī)必需是比使用齒輪箱的那些大得多的發(fā)電機(jī)，因?yàn)橹彬?qū)式發(fā)電機(jī)具有較低的轉(zhuǎn)速。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)并不是沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)樵谌狈X輪箱的情況下將可靠性轉(zhuǎn)移至發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的外徑在工程開(kāi)發(fā)以及還有在制造、生產(chǎn)管理和物流方面形成一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
[0004]直驅(qū)式潮汐水輪發(fā)電機(jī)可具有在定子和轉(zhuǎn)子之間的被海水淹沒(méi)的空氣間隙。機(jī)械式滾動(dòng)元件軸承不適于海底應(yīng)用，并且對(duì)于這種較大直徑的機(jī)器而言是昂貴的。相反，這種“濕式”發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子由基于流體動(dòng)力潤(rùn)滑進(jìn)行操作的船舶級(jí)低摩擦軸頸軸承支撐。相比于由滾動(dòng)元件軸承支撐的電機(jī)相比，具有軸頸軸承的濕式發(fā)電機(jī)通常在定子和轉(zhuǎn)子之間具有相對(duì)大的機(jī)械間隙。
[0005]為了容易制造也為了經(jīng)濟(jì)原因，大型直驅(qū)式發(fā)電機(jī)通常通過(guò)將多個(gè)小型的機(jī)器區(qū)段組裝到一起而構(gòu)成。若干獨(dú)立的、平行成對(duì)的定子區(qū)段可圍繞機(jī)器的周邊分布，以形成軸向磁通發(fā)電機(jī)。每個(gè)定子區(qū)段可包括封裝在防水箱中的電子磁芯、集中線圈和一些電氣組件。這種布局的一個(gè)缺點(diǎn)是由于定子區(qū)段之間的相當(dāng)大的間距會(huì)另外由活性磁性材料填充而具有有限的功率容量。常規(guī)的三相雙層繞組將導(dǎo)致更高功率密度的機(jī)器，但是由于相繞組圍繞機(jī)器彼此重疊，定子在不具有懸垂線圈的情況下不能被分段。
[0006]未重疊的集中線圈和/或分?jǐn)?shù)槽繞組在永磁電機(jī)中非常普遍。然而，它們不用在感應(yīng)式電機(jī)中，因?yàn)樗鼈冊(cè)谵D(zhuǎn)子中感生相反的磁場(chǎng)諧波，這導(dǎo)致非常低的轉(zhuǎn)矩。鼠籠式和實(shí)心鋼轉(zhuǎn)子基本上是沒(méi)有任何預(yù)先限定的電流路徑的短路導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而感生的電流將產(chǎn)生富含磁動(dòng)勢(shì)(MMF)的諧波。針對(duì)該問(wèn)題的一個(gè)補(bǔ)救方法是使用繞線轉(zhuǎn)子，其具有與基本的定子磁動(dòng)勢(shì)相同的極數(shù)，以便不感生其它諧波。雖然針對(duì)濕式感應(yīng)式發(fā)電機(jī)使用繞線轉(zhuǎn)子不是不切實(shí)際的，但是其結(jié)構(gòu)會(huì)稍微復(fù)雜化。
[0007]已經(jīng)提出線性感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，其具有夾置導(dǎo)電轉(zhuǎn)子盤(pán)的相對(duì)的兩個(gè)定子。兩個(gè)定子彼此偏移，使得來(lái)自第二定子的集中線圈可通過(guò)非希望極數(shù)的半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍或通過(guò)非希望極數(shù)的整波長(zhǎng)的奇數(shù)倍位移，并且具有逆轉(zhuǎn)的電流方向。這種布置消除了磁場(chǎng)的偶數(shù)整數(shù)諧波，同時(shí)增強(qiáng)所需的基本磁場(chǎng)。這種諧波消除要求從偏移定子的相等和平衡的分擔(dān)。如果任何一個(gè)定子不能操作，偶數(shù)諧波不被取消，則會(huì)導(dǎo)致大的負(fù)轉(zhuǎn)矩，其抵消主要的正轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子兩側(cè)上的空氣間隙也應(yīng)該在名義上相等。當(dāng)在軸向方向上存在相對(duì)大的轉(zhuǎn)子偏移時(shí)，不希望的MMF諧波不會(huì)被完全取消。
[0008]濕式發(fā)電機(jī)的構(gòu)造稍微比干式發(fā)電機(jī)更復(fù)雜，因?yàn)楸仨毞乐顾秩氲疥P(guān)鍵的電氣組件內(nèi)。線圈可用樹(shù)脂封裝以及組合件進(jìn)一步由不銹鋼外殼保護(hù)。備選地，定子區(qū)段和線圈可在塑料盒內(nèi)封裝在樹(shù)脂中。對(duì)于全部去除樹(shù)脂和線圈中的空氣空隙，整個(gè)組合件將需要在真空壓力下進(jìn)行灌注，這增加了線圈的生產(chǎn)成本。一旦檢測(cè)到故障或組合件被認(rèn)為不適于使用，則整個(gè)線圈組合件就會(huì)被丟棄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)一方面，提供一種電機(jī)，其可用于潮汐能量收集應(yīng)用，其中唯一的旋轉(zhuǎn)部件是環(huán)形轉(zhuǎn)子。由于沒(méi)有齒輪箱，傳動(dòng)軸和機(jī)械滾動(dòng)元件軸承降低了成本，并簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)。機(jī)器的空氣間隙可充滿海水。
[0010]可提供軸向磁通感應(yīng)式發(fā)電機(jī)，其具有夾置環(huán)形導(dǎo)電盤(pán)的雙面環(huán)形定子。轉(zhuǎn)子盤(pán)可以是無(wú)鐵芯的以便減少直接暴露于海水所造成的腐蝕。另一個(gè)附加益處是，轉(zhuǎn)子盤(pán)的重量可小于永久磁鐵安裝的轉(zhuǎn)子，并且這導(dǎo)致適于渦輪機(jī)的更輕、較低靜摩擦和較低慣性的轉(zhuǎn)子。將環(huán)形盤(pán)結(jié)構(gòu)用作轉(zhuǎn)子相比于繞線或鼠籠式轉(zhuǎn)子顯著地簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。
[0011]可提供模塊化或分段的定子和轉(zhuǎn)子，其可以一種側(cè)面對(duì)側(cè)面的方式進(jìn)行組裝，以便分別形成連續(xù)的環(huán)形定子和連續(xù)的環(huán)形轉(zhuǎn)子。模塊化的定子可以是相同的，使得它們可在生產(chǎn)期間獨(dú)立地進(jìn)行測(cè)試。可容易地更換發(fā)電機(jī)中的任何模塊。容納功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的水下外殼可集成到每個(gè)模塊化的定子。
[0012]模塊化的定子可具有繞組方案，其產(chǎn)生與具有分布式和重疊繞組的常規(guī)電機(jī)的那些基本上相等的MMF。線圈可不在兩個(gè)相鄰的模塊化定子之間重疊，并且可不處于懸垂位置下。MMF磁場(chǎng)可以基本正弦形狀為特征?；ǚ至靠赡茏钫純?yōu)勢(shì)。
[0013]繞組方案可以是即使當(dāng)存在大的轉(zhuǎn)子偏移時(shí)，所感生MMF的正弦波形基本上被保存。卷組方案可配置成用于發(fā)電機(jī)的單相或多相的電機(jī)。
[0014]可在插入到定子槽內(nèi)之前預(yù)先制備同心或搭接的線圈。線圈匝數(shù)目會(huì)隨著它們散布跨過(guò)多個(gè)槽而變化。線圈可足夠地絕緣，使得它們不需要被封裝在樹(shù)脂中。線圈也可直接暴露于海水以促進(jìn)散熱。
[0015]可存在通用的軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)，其具有夾置環(huán)形定子的雙面環(huán)形轉(zhuǎn)子。定子可包括離散的鐵磁磁極，其可由環(huán)狀盤(pán)保持和間隔開(kāi)。每個(gè)轉(zhuǎn)子可包括導(dǎo)電盤(pán)和鐵盤(pán)(護(hù)鐵)。
[0016]可提供繞組布置，其適用于線性電機(jī)、徑向磁通和軸向磁通旋轉(zhuǎn)電機(jī)，上述電機(jī)可以是感應(yīng)式、永磁、繞場(chǎng)同步、雙饋感應(yīng)或同步磁阻電機(jī)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]為了使得本發(fā)明可被容易地理解并容易地付諸實(shí)踐效果，現(xiàn)在將通過(guò)非限制性實(shí)例的僅僅示例性的實(shí)施例來(lái)進(jìn)行描述，描述參照附圖。在附圖中:
[0018]圖1是軸向磁通電機(jī)的分解透視圖，其具有組裝以分別形成整個(gè)連續(xù)的定子和轉(zhuǎn)子的模塊化定子和模塊化轉(zhuǎn)子；
[0019]圖2示出圖1所示的一個(gè)模塊化的雙面定子布置和一個(gè)模塊化的轉(zhuǎn)子；
[0020]圖3示出容納圖1所示一疊定子疊片的防水箱；
[0021]圖4示出具有分布在16槽定子中的對(duì)稱繞組的現(xiàn)有技術(shù)的單相感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，其中，(a)是徑向磁通電動(dòng)機(jī)，(b)是軸向磁通電動(dòng)機(jī)，以及(C)是槽和線圈的等效表示；
[0022]圖5示出單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)，其中，
[0023](a)是具有同心繞組的布局；
[0024](b)是具有搭疊繞組的布局；以及
[0025](C)是包括多個(gè)基本單元的等效繞組方案；
[0026]圖6示出:
[0027](a)包括雙面定子的單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)，其中定子的輔助繞組作為中間磁極繞組；
[0028](b)由主繞組所產(chǎn)生的空氣間隙磁場(chǎng)；以及
[0029](C)由輔助繞組所產(chǎn)生的空氣間隙磁場(chǎng)；
[0030]圖7示出:
[0031](a)單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效全距繞組方案；以及
[0032](b)其空氣間隙磁場(chǎng)和諧波；
[0033]圖8示出:
[0034](a)單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效短距繞組方案；以及
[0035](b)其空氣間隙磁場(chǎng)和諧波；
[0036]圖9示出:
[0037](a)具有正弦繞組的單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；以及
[0038](b)其空氣間隙磁場(chǎng)和諧波；
[0039]圖10示出:
[0040](a)具有正弦繞組并具有每個(gè)基本單元更高數(shù)目線圈的單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；以及
[0041](b)其空氣間隙磁場(chǎng)和諧波；
[0042]圖11示出:
[0043](a)三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效全距繞組方案；以及
[0044](b)相同的繞組方案，但具有重疊相的線圈；
[0045]圖12示出:
[0046](a)三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效短距繞組方案；以及
[0047](b)等效的短距雙層繞組；
[0048]圖13示出:
[0049](a)三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效8/9短距繞組方案；以及
[0050](b)等效的8/9短距雙層繞組；
[0051]圖14示出:
[0052](a)三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效7/9短距繞組方案；以及
[0053](b)等效的7/9短距雙層繞組；
[0054]圖15示出:
[0055](a)具有更好的槽利用率的三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效短距繞組方案；
[0056](b)具有為4的平均線圈節(jié)距的A相線圈；以及
[0057](c)具有為6的平均線圈節(jié)距的所有相線圈；
[0058]圖16示出具有非對(duì)稱雙面定子的三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0059]圖17示出三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案，其中一個(gè)相的繞組在對(duì)稱的雙面定子之間拆分；
[0060]圖18示出出三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案，其中一個(gè)相的繞組在對(duì)稱的雙面定子之間拆分以及所有相線圈的匝數(shù)被分配；
[0061]圖19示出五相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0062]圖20示出具有重疊線圈的五相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0063]圖21示出:
[0064](a)六相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；以及
[0065](b)饋送相位線圈的功率轉(zhuǎn)換器；
[0066]圖22是軸向磁通電機(jī)的分解透視圖，其中8個(gè)模塊化的定子和8個(gè)模塊化的轉(zhuǎn)子組裝以便分別形成完整連續(xù)的定子和轉(zhuǎn)子；
[0067]圖23示出一個(gè)模塊化的定子和一個(gè)模塊化的雙面轉(zhuǎn)子；
[0068]圖24示出:
[0069](a)包括一疊鐵磁疊片的定子磁極；
[0070](b)包括矩形橫截面的非鐵或鐵塊的定子磁極；以及
[0071](C)容納在防水箱中的一疊疊片；
[0072]圖25示出模塊化定子的交錯(cuò)端部；
[0073]圖26示出單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)，其中:
[0074](a)是具有同心繞組的布局；
[0075](b)是具有搭疊繞組的布局；以及
[0076](c)是包括多個(gè)基本單元的等效繞組方案；
[0077]圖27示出單相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案，其輔助繞組作為中間磁極繞組卷繞；
[0078]圖28示出具有正弦繞組的單相軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0079]圖29示出具有正弦繞組和具有每個(gè)基本單元的更高匝數(shù)線圈的單相軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0080]圖30示出三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0081]圖31示出具有每個(gè)基本單元的更高匝數(shù)線圈的三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0082]圖32示出具有重疊線圈的三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0083]圖33示出三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效8/9短距繞組方案；
[0084]圖34是具有更好的槽利用率的三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的等效短距繞組方案；
[0085]圖35是具有其匝數(shù)被分配的三相、軸向磁通感應(yīng)式電機(jī)的繞組方案；
[0086]圖36是具有其匝數(shù)被分