專利名稱：永磁式發(fā)電機及使用它的風力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，特別是涉及用作風力、水力等低速型發(fā)電 機的發(fā)電機。
背景技術(shù)：
在風力發(fā)電時，通過使槳葉的轉(zhuǎn)動動作傳遞至發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸使轉(zhuǎn)動 能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機的輸出或者與系統(tǒng)電力連接，或者存儲在電池中 并在必要時用作電力。由于產(chǎn)生的電力取決于發(fā)電機的規(guī)格，因此需要 選擇發(fā)電機，以滿足電力發(fā)電設備的需要。
存在幾種類型的發(fā)電機，例如，包括使用線圈的類型、使用永磁體 作為場磁體的類型，或者根據(jù)其結(jié)構(gòu)，定子圍繞在圓柱形轉(zhuǎn)子外部的徑 向型、定子沿軸向面對圓盤狀轉(zhuǎn)子的軸向型等等。每種類型都有自己的 優(yōu)點和缺點，但是在注重發(fā)電效率的場合，則使用永磁體用作場磁體的 發(fā)電機類型，因為與具有相同物理尺寸的線圈場磁體類型相比，可以產(chǎn) 生更強的磁場、增加與電樞線圈連接的磁通量并提高感應電壓。
由于發(fā)電量主要取決于發(fā)電機的效率，因此要求具有更高效率的發(fā) 電機。具體而言，在風力發(fā)電時，發(fā)電機在使用時轉(zhuǎn)速不超過幾百轉(zhuǎn)每 分鐘，比其它發(fā)電形式低很多。由于發(fā)電電壓與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成比例， 因此如果采用其它發(fā)電方法的發(fā)電機在未作額外改變的情況下用作風力 發(fā)電機，那么發(fā)電電壓會下降。因此，為了提高發(fā)電電壓，電荷泵電路 是必要的，從而導致成本增加。還可以通過提高轉(zhuǎn)速來提高電壓。盡管 還可以通過在槳葉軸和發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸之間設置加速齒輪來提高電壓，然 而這種方法是不可取的，因為齒輪可能會導致轉(zhuǎn)矩損耗，并且可能成為 噪聲產(chǎn)生、設備可靠性降低的因素以及成本增加的重要因素。
此外，發(fā)電電壓與場磁體的磁極數(shù)成比例。盡管為了增加磁極數(shù)，
4可以增加轉(zhuǎn)子的線圈或磁體的數(shù)量，但是因為每個線圈或磁體必須很小 而使場磁體的磁場可能變?nèi)?。因此?一種選擇是可以增大轉(zhuǎn)子直徑，通 過增加相同尺寸的線圈或磁體的數(shù)量來增加磁極，從而保持場磁體的磁 場不會減弱。這種方法是可實現(xiàn)的，然而，增大發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑意味 著使發(fā)電機的整體直徑更大，由于下面的原因，這在風力發(fā)電中是不可 取的。
盡管存在兩種類型的風輪機，即轉(zhuǎn)動軸垂直于風向的垂直軸型和轉(zhuǎn) 動軸平行于風向的水平軸型，然而水平軸型因其在高風速下的高效率而 通常被使用。在水平軸型中，與槳葉中央處的轉(zhuǎn)軸直接連接的發(fā)電機的 尺寸對槳葉的受風能力有影響。也就是說，如圖11的風力發(fā)電機所示，
隨著容納發(fā)電機62的發(fā)電機艙61的增大，槳葉的受風面積減小，且槳
葉的轉(zhuǎn)動力下降。換句話說，隨著發(fā)電機變大，風力發(fā)電效率降低。
JP2002-153036A披露了一種用于風力發(fā)電的無芯發(fā)電機。這種發(fā)電機在 發(fā)電機的外徑變大的情況下會大大減小受風面積。
專利文獻l: JP2002-153036A
專利文獻2: JP2003-348805A

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明可以提供一種適用于諸如風力發(fā)電設備等發(fā)電設備的發(fā)電 機。它不是防止槳葉受風的大型發(fā)電機，而是能夠在不妨礙受風的情況 下提高發(fā)電電壓的發(fā)電機。
技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明，提供一種永磁式發(fā)電機，其包括發(fā)電機軸；與所述
發(fā)電機軸連接的至少三級轉(zhuǎn)子，具有附著有永磁體的盤狀結(jié)構(gòu)，其中每
級轉(zhuǎn)子沿所述發(fā)電機軸的長度方向設置；以及定子，具有帶有纏繞銅線 的定子線圈的盤狀結(jié)構(gòu)，所述定子設置在由所述轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間 隙中，并與所述發(fā)電機軸隔開；其中總數(shù)不少于五級的所述轉(zhuǎn)子和所述 定子沿所述發(fā)電機軸的長度方向交替設置。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子呈圓盤狀；附著到 各轉(zhuǎn)子上的所述永磁體以不少于4個磁極沿轉(zhuǎn)子圓周方向彼此等間隔地 設置；所述定子線圈以在所述定子內(nèi)不少于3個磁極沿定子圓周方向彼 此等間隔地設置。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，所述定子線圈在單相時串聯(lián)連接或 者在三相時串聯(lián)連接。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，在所述至少三級轉(zhuǎn)子中，位于兩端 處的轉(zhuǎn)子具有附著到由磁性材料制成的盤狀磁軛面對所述定子那側(cè)上的 永磁體。從所述磁極產(chǎn)生的磁通量可以回流至所述磁軛，由此減少從兩 端處的所述轉(zhuǎn)子漏磁。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，可以通過將永磁體附著到由非磁性 材料制成的磁軛上得到端部轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種通過將槳葉安裝在上述永磁式發(fā) 電機的軸上得到的風力發(fā)電機。
技術(shù)效果
本發(fā)明提供一種在諸如風力和水力發(fā)電等較低轉(zhuǎn)速(具體而言，大于 0 rpm且不超過2000 rpm，優(yōu)選大于0 rpm且不超過1000 rpm)下使用的 發(fā)電機，其能產(chǎn)生比常規(guī)發(fā)電機高很多的電壓和更大的電力。如果本發(fā) 明的發(fā)電機用于風力發(fā)電設備，發(fā)電電壓可在不減少受風面積的情況下 得到提高，從而能充分利用風能，這樣能避免為增大發(fā)電機轉(zhuǎn)速而使用 加速齒輪或為提高發(fā)電電壓而使用電路。此外，由于磁體的有效排列， 即使使用的磁體數(shù)量較少，也可以產(chǎn)生大的磁場和較高的發(fā)電效率。
可以在定子線圈中產(chǎn)生電力。在本發(fā)明的多級定子中，不同于常規(guī) 的一級定子，定子線圈間的連接是可變化的。換句話說，當希望獲得高 電壓時，可以串聯(lián)連接所有定子，當希望獲得低電壓大電流時，可以并 聯(lián)一些或所有定子。因此，本發(fā)明可容易地改變發(fā)電規(guī)格。


圖1A示出從可以與槳葉等聯(lián)接的那側(cè)看到的本發(fā)明的發(fā)電機的例子，圖lB示出沿線a-a的剖視圖。
圖2示出用于本發(fā)明的端部轉(zhuǎn)子的實施例。
圖3示出用于本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的實施例。
圖4示出用于本發(fā)明的定子的實施例。
圖5示出電動機轉(zhuǎn)速為450 rpm時獲得的發(fā)電電壓波形。
圖6示出定子級數(shù)和發(fā)電電壓之間的關系。
圖7A示出帶有兩級轉(zhuǎn)子和一級定子的三級式情形，圖7B示出帶有 三級轉(zhuǎn)子和兩級定子的五級式情形，兩種情形下磁體的總重量相同。
圖8示出帶有6個線圈的定子。
圖9示出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度和發(fā)電電壓之間的關系。
圖IOA示出沿軸的軸向看到的本發(fā)明的永磁式發(fā)電機，圖IOB示出 在沿線b-b的剖視圖上看到的磁力線的概念圖。
圖11示出風力發(fā)電機。
圖12A示出沿軸的軸向看到的常規(guī)發(fā)電機。圖12B示出在沿線b-b 的剖視圖上看到的磁力線的概念圖。
附圖標記說明
1軸2殼體
10, 20， 30，110a， 110b, 110c轉(zhuǎn)子
40， 50定子11, 21永磁體
12磁軛14a， 14b端部轉(zhuǎn)子
15a, 15b端部轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子19， 109磁力線
23非磁性材料框架43, 53線圈框架
44， 54線圈61發(fā)電機艙
62發(fā)電機
7102 僅為磁軛的轉(zhuǎn)子
具體實施例方式
在圖1中示出了本發(fā)明的實施例。圖1A示出從可以與槳葉等聯(lián)接 的那側(cè)看到的本發(fā)明的發(fā)電機的例子，圖lB示出沿線a-a的剖視圖。傳 遞轉(zhuǎn)動力的軸1通過軸承3被殼體2可轉(zhuǎn)動地支承著。軸1的一端可與 槳葉等連接，使轉(zhuǎn)動力可傳遞至發(fā)電機。多個轉(zhuǎn)子10、 20、 30固定在軸 l上，這些轉(zhuǎn)子IO、 20、 30與軸同步轉(zhuǎn)動。換句話說，該發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 包括具有設置在與發(fā)電機軸1直接連接的盤狀結(jié)構(gòu)上的永磁體的轉(zhuǎn)子 10、 20、 30和具有在面對永磁體的轉(zhuǎn)動路徑的位置排列的多個線圈的定 子40，多級這樣的轉(zhuǎn)子和定子以交替層形式疊置。
例如，如圖2和圖3所示，在一級轉(zhuǎn)子上，有等間隔同心排列的多 個永磁體ll、 21。雖然本發(fā)明可以增加通過設置在尺寸增加的各轉(zhuǎn)子上 的永磁體帶來的磁極的數(shù)量，但是磁極數(shù)優(yōu)選不少于4個磁極，再更優(yōu) 選不少于4個且不多于48個磁極，而面對磁體磁極的定子線圈的數(shù)量優(yōu) 選不少于3個，再更優(yōu)選不少于4個且不多于48個。當磁體的磁極數(shù)少 于4個磁極時，有時不能得到充分的發(fā)電電壓。沿軸向使磁體的極性取 向。相鄰磁體設置成極性相反。
在圖2和圖3中，形成了具有8個磁極(8個磁體)的轉(zhuǎn)子。
在單相交流電中，磁極數(shù)與線圈數(shù)的比率為1:1。在三相交流電中， 該比率可以是4:3、 2:3、 8:9、 10:9、 10:12、 12:15等。特別優(yōu)選的比率可 以是4:3和2:3。
存在多級(三級以上)轉(zhuǎn)子，與轉(zhuǎn)子連接的磁體優(yōu)選為相同數(shù)量，即 相同的磁極數(shù)，它們的形狀可以是扇形或矩形。此外，轉(zhuǎn)子上的磁體的 極性可以在所有轉(zhuǎn)子上具有相同排列。換句話說， 一個轉(zhuǎn)子的N極磁體 和在直接相對位置處的另一轉(zhuǎn)子的磁體都是N極磁體，從而導致轉(zhuǎn)子之 間的間隙產(chǎn)生的磁場相互增強。
設置有至少三級盤狀轉(zhuǎn)子，這些永磁體排列在轉(zhuǎn)子上，具有定子線 圈的定子被設置在這些轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，這樣總共至少5級的轉(zhuǎn)子和定子以交替層形式疊置。如果增大形狀，那么級數(shù)也可以增加， 盡管上限沒有特別限制，但是優(yōu)選為101級以下。如果多個轉(zhuǎn)子被排列 成磁體的極性對齊，那么發(fā)電機中磁路的導磁性增加，并且可從永磁體 產(chǎn)生更大的磁通量。
與排列有相同磁體質(zhì)量和相同磁極數(shù)的一級或兩級磁體的轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 相比，這種分級排列結(jié)構(gòu)不僅可使電壓更高，而且還可以增大間隙中產(chǎn) 生的磁通量。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在所述至少三級轉(zhuǎn)子中，兩端處的轉(zhuǎn)子 可以包括磁軛(優(yōu)選圓盤狀)，其中該磁軛由磁性材料制成并附著到磁體未 面對定子的磁極面上。這種磁性轉(zhuǎn)子有利于從磁極產(chǎn)生的磁通量回流至 磁軛，并減少轉(zhuǎn)子兩端外部的漏磁，可以減輕由于因殼體中的漏磁引起 的渦電流而造成的轉(zhuǎn)矩損耗，同時可以增大對應間隙的磁通量，從而提 高發(fā)電性能。
如圖2的端部轉(zhuǎn)子10的例子所示，在多級轉(zhuǎn)子中，與其它轉(zhuǎn)子不同， 通過用粘合劑(例如，環(huán)氧樹脂、丙烯酸系樹脂)將永磁體11粘在優(yōu)選由
鐵磁性材料制成的磁軛12上來制造位于兩端處的兩個端部轉(zhuǎn)子10和30。 因此，端部轉(zhuǎn)子和與其相對的轉(zhuǎn)子之間的磁場增強了，而同時抑制了殼 體的磁場泄漏。結(jié)果，殼體中產(chǎn)生的渦電流被抑制到最小，并消除了由 渦電流施加于轉(zhuǎn)動的制動力。
只要磁軛由磁性材料制成，就對材料沒有特別限制，可以是例如鐵 或磁性不銹鋼。
端部轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子20優(yōu)選具有使用諸如鋁、不銹鋼和樹脂等非磁 性材料固定的磁體。更優(yōu)選地，如圖3所示，磁體21嵌入非磁性材料框 架23中。因此，在所述轉(zhuǎn)子的兩側(cè)的間隙中可以產(chǎn)生相同磁場，并且框 架結(jié)構(gòu)使用非磁性材料可以避免從磁體產(chǎn)生的磁場變?nèi)酢?br> 此外，在另一實施例中，可以將非磁性材料附著在磁體的一側(cè)或兩
下面基于與常規(guī)技術(shù)代表的實施例進行比較，詳細說明采用非磁性 材料來增強磁體產(chǎn)生的磁場的原因。如圖12所示，JP2003-348805等所披露的常規(guī)轉(zhuǎn)子101通常包括附 著在一個圓形磁軛12上的多個磁體11，這些轉(zhuǎn)子(110a、 110b、 110c)彼 此間隔疊置，轉(zhuǎn)子之間的空間用來插入定子。在這種情況下， 一個轉(zhuǎn)子 和一個定子的組合可以看作是一個發(fā)電機。通過疊置這種組合形成多級 發(fā)電機。僅為磁軛的轉(zhuǎn)子102蓋在定子上并用磁軛夾住定子。在圖12的 實施例中， 一個轉(zhuǎn)子由磁軛和磁體構(gòu)成。如圖12所示，如果這些轉(zhuǎn)子被 疊置成多級，那么每條磁力線109都通過相鄰磁軛，然后回流。結(jié)果， 一級轉(zhuǎn)子的磁動勢產(chǎn)生的磁力線通過轉(zhuǎn)子之間的間隙，即插入定子的地 方。這同樣適用于多級發(fā)電機的每個轉(zhuǎn)子，其中在每個發(fā)電機中，獲得 相同的磁力線流，并且間隙中的磁場相同。由于各轉(zhuǎn)子均有磁軛，因此 從一個轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁力線因磁軛的磁場屏蔽作用而不能通過相鄰轉(zhuǎn)子的 磁軛。結(jié)果，磁力線不能到達相鄰的間隙，因而每個間隙的磁場密度下 降。
相反，在本發(fā)明中，僅存在兩個磁軛，與常規(guī)技術(shù)相比可以使軸向 尺寸減小并且重量減小。因此，發(fā)電機的制造成本可比過去更低。
另一方面，在本發(fā)明的實施例中，如圖IO所示，兩個轉(zhuǎn)子沿軸的長 度方向設置在兩端，其中該轉(zhuǎn)子包括多個磁體和附著在磁體上的圓形磁 軛，并且多個轉(zhuǎn)子疊置在其間。端部轉(zhuǎn)子14a、 14b之外的兩個轉(zhuǎn)子15a、 15b通過將磁體21固定在非磁性材料23上制成且不帶磁軛。在該結(jié)構(gòu)中， 產(chǎn)生的磁力線19通過各轉(zhuǎn)子的磁體，然后回流至端部磁軛12。因此，表 示各轉(zhuǎn)子的每個磁體產(chǎn)生的磁動勢總和的磁力線19可以通過各轉(zhuǎn)子的間 隙，并且間隔中的磁場強度與上述常規(guī)技術(shù)相比得到顯著提高。即，所 有轉(zhuǎn)子的磁體可以相互增強彼此的磁場，從而增強間隙中的磁場。
因此，本發(fā)明的發(fā)電機可以包括兩個端部轉(zhuǎn)子、置于端部轉(zhuǎn)子之間 的多個轉(zhuǎn)子和置于各轉(zhuǎn)子之間的定子，從而形成一個高性能的發(fā)電機， 而不是將多個發(fā)電機組疊置成多級。
在本發(fā)明的發(fā)電機中，磁場強度與常規(guī)發(fā)電機相比得到顯著提高。 因為發(fā)電電壓與磁場強度幾乎成比例，所以本發(fā)明的發(fā)電電壓得到顯著 提高。因此，在本發(fā)明的發(fā)電機中，在各轉(zhuǎn)子之間的間隙中形成了非常 強的多極磁場。各轉(zhuǎn)子之間的間隙越小，產(chǎn)生的磁場就越強。因此，希望間隙盡可 能的小。
因為常規(guī)發(fā)電機的每個轉(zhuǎn)子均具有磁軛，所以當轉(zhuǎn)子疊置成多級時， 磁軛的總厚度當然是每個磁軛的厚度與級數(shù)的乘積；然而，在本發(fā)明中， 磁軛僅設置在端部轉(zhuǎn)子處，因此，不管級數(shù)增加多少，磁軛的總厚度總 是一個磁軛厚度的兩倍。因此，磁軛的總厚度小，即使級數(shù)增加，也能 使發(fā)電機主體沿軸向的尺寸保持緊湊。結(jié)果，可以減輕其重量，并且可 以降低其成本。
如圖4所示，包括多個線圈的定子40可以設置在各轉(zhuǎn)子之間的間隙 中。定子40例如用收容殼體2固定。在定子40中，線圈44優(yōu)選嵌在線 圈框架43中。為防止渦電流產(chǎn)生，線圈框架43由諸如樹脂等絕緣材料 制成。所有定子可以優(yōu)選形成為，它們具有相同數(shù)量的線圈。線圈的形 狀優(yōu)選與磁體形狀大致相同。在單相中，相鄰線圈優(yōu)選沿彼此相反的方 向纏繞并串聯(lián)連接。在三相中，優(yōu)選地形成三組，沿圓周方向每隔二個 串聯(lián)連接，用作三相繞組。
根據(jù)本發(fā)明，沿軸的軸向以交替形式設置轉(zhuǎn)子和定子。假設兩端處 的端部轉(zhuǎn)子的厚度是磁軛的厚度與永磁體從磁軛突出的高度之和，所有 轉(zhuǎn)子之間的間隙優(yōu)選為相同。關于設置在間隙中的定子，定子和轉(zhuǎn)子之 間的間隔優(yōu)選為一致，使得不會妨礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
轉(zhuǎn)子和定子優(yōu)選為圓盤狀的，它們的直徑優(yōu)選為50-6000 mm。具有 永磁體的轉(zhuǎn)子的厚度根據(jù)設置在其上的永磁體的質(zhì)量變化，優(yōu)選范圍為 2~400 mm，端部轉(zhuǎn)子的優(yōu)選范圍為3~600 mm。帶有定子線圈的定子沿 轉(zhuǎn)動軸方向的厚度優(yōu)選范圍為l~500 mm。
當轉(zhuǎn)動力從槳葉傳遞至軸時，所有轉(zhuǎn)子與軸同步轉(zhuǎn)動。在各轉(zhuǎn)子之 間的間隙(間隔)處形成的磁場也同步轉(zhuǎn)動。結(jié)果，同步轉(zhuǎn)動的磁場作用于 定子，在各定子之間也同步產(chǎn)生感應電動勢。如果各定子的線圈數(shù)等于 各轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)，那么獲得單相交流電動勢；如果各定子的線圈數(shù)是各 轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)的0.75倍，那么獲得三相交流電動勢。安裝在定子中的線 圈全部串聯(lián)連接，此外，定子也全部串聯(lián)連接。因此，由于總電動勢與
11定子級數(shù)成比例，通過增加定子級數(shù)可以容易地獲得更高的發(fā)電電壓。 換句話說，疊置多級可導致磁極數(shù)增加并提高輸出電壓，而無需通過擴 大外形來增加磁極數(shù)。從發(fā)電機獲得的交流電動勢經(jīng)整流器整流，然后 存儲在電池中或傳輸出去。
按此方式，雖然當轉(zhuǎn)子和定子的數(shù)量沿轉(zhuǎn)動軸的軸向增加時發(fā)電機 主體沿軸向的尺寸增加，但是當其被收容在水平軸型的風輪機的發(fā)電機 艙內(nèi)時，受風面積并未減小。雖然發(fā)電機的直徑增大的確與受風面積減 小有關，但是在本發(fā)明的發(fā)電機中，通過增加其軸向尺寸而不是增加直 徑來提高發(fā)電電壓，這樣并不影響受風能力，因此，可以無損失地將風 能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動能。所希望的是，風力發(fā)電機可以通過由常用的增強塑料 制成的槳葉隨風向轉(zhuǎn)動360°。
盡管對本發(fā)明使用的永磁體沒有特別限制，但優(yōu)選是含有稀土元素 的高性能稀土磁體。優(yōu)選的是由被稱作稀土金屬間化合物組成的稀土粘
結(jié)磁體或稀土燒結(jié)磁體，但更優(yōu)選的是Nd基各向異性燒結(jié)磁體。由于它
們是高磁能積并能產(chǎn)生大的磁場，所以它們是優(yōu)選的，因為它們能提高 發(fā)電性能，而且從磁體成本角度來看是便宜的。
只要發(fā)電機的結(jié)構(gòu)具有上述根據(jù)本發(fā)明的若干級疊置的多極磁體轉(zhuǎn) 子和定子，即使在風力發(fā)電的過程中轉(zhuǎn)速未增加，也能提高發(fā)電電壓， 從而能夠高效率發(fā)電。此外，本申請的發(fā)電機也可應用于水力發(fā)電。
下面，參照示例性實施例說明本發(fā)明；然而，本發(fā)明并不局限于此。
實施例 實施例1
制造圖1中所示的發(fā)電機。制造的發(fā)電機被設計成具有可變級數(shù)的 轉(zhuǎn)子和定子，測量通過改變級數(shù)產(chǎn)生的各自發(fā)電電壓。軸由不銹鋼制成， 直徑為15 mm。在端部轉(zhuǎn)子中，使用粘合劑(環(huán)氧樹脂)將八個NdFeB永 磁體(磁極沿軸向取向，厚度為4 mm)同心地粘附在直徑為100mm且厚 度為2 mm的鐵磁軛上，并以交替形式將它們排列成等距磁極的取向相反。此外，在內(nèi)部轉(zhuǎn)子中，直徑為100mm且厚度為4mm的不銹鋼構(gòu)件 具有形成用于嵌入磁體的八個等距孔，在各孔中嵌入相同的NdFeB永磁 體(厚度4mm)，并用粘合劑(環(huán)氧樹脂)固定。各轉(zhuǎn)子以8mm的空隙(端 部轉(zhuǎn)子的厚度是永磁體厚度和磁軛厚度之和)與軸連接。用鍵固定這些轉(zhuǎn)
子，使其與軸一體轉(zhuǎn)動而不滑動。定子的直徑為120 mm，且由樹脂制成。 定子具有用于嵌入線圈的等間隔的通孔。單獨制作銅線圈(30圈)，嵌入 通孔中并用粘合劑固定住。嵌入的線圈全部串聯(lián)連接。各定子也串聯(lián)連 接。殼體的直徑為130mm且長度為110mm。殼體由鋁制成。用螺栓將 殼體與定子固定在一起。軸被與殼體連接的軸承可轉(zhuǎn)動地支承著。發(fā)電 機與獨立設置的電動機直接連接，從而使軸轉(zhuǎn)動，然后測量發(fā)電電壓。
發(fā)電機由兩級轉(zhuǎn)子和一級定子構(gòu)成。圖5示出通過轉(zhuǎn)速為450 rpm 的電動機獲得的發(fā)電電壓的波形。觀測到的波形近似峰值約IOV的正弦 波。在對四級轉(zhuǎn)子和三級定子的情形以及六級轉(zhuǎn)子和五級定子的情形進 行相同測量之后，在圖6中對應定子數(shù)繪制峰值電壓。從這些結(jié)果可見， 發(fā)電電壓隨定子級數(shù)成比例增加。
實施例2
在圖7中，在磁體總重量相同時，對(A)兩級轉(zhuǎn)子和一級定子的三 級情形和(B)三級轉(zhuǎn)子和兩級定子的五級情形進行比較(圖中未示出定 子)。轉(zhuǎn)子和定子的磁體結(jié)構(gòu)均與實施例1的相同。各定子具有相同的規(guī) 格。各轉(zhuǎn)子具有8個磁極，且直徑為100 mm，轉(zhuǎn)子間隙為8mm。此外， 在五級的情形中，磁體的厚度為4mm，而在三級的情形中，磁體的厚度 為6mm。在五級中，轉(zhuǎn)速為450rpm時的峰值電壓為18V。在三級中， 峰值電壓為11V。因此，在使用的磁體量相同時，與三級相比，五級中 的發(fā)電電壓可以大幅提高。
實施例3
在另一比較中，將轉(zhuǎn)子直徑增大并且磁極數(shù)增多的帶有兩級轉(zhuǎn)子和 一級定子的三級型發(fā)電機與實施例2的五級型發(fā)電機進行比較。轉(zhuǎn)子和 定子的磁體結(jié)構(gòu)均與實施例1的相同。三級型發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑為130mm并具有10個磁極，其磁體的厚度設定為4.8mm，從而使磁體的總重 量與五級型的相同。在三級型發(fā)電機中，轉(zhuǎn)速為450 rpm時的峰值電壓 為17 V。因此，盡管與實施例2的五級型相比，三級型的直徑增大了 30% 且表面積增加了69%，但是峰值電壓相似或甚至更低。
實施例4
該實施例示出五級的例子，即三級轉(zhuǎn)子和兩級定子，其中利用8個 磁極(磁體數(shù)為8， NdFeB系燒結(jié)磁體)和6個定子線圈獲得三相交流電動 勢。另外，其結(jié)構(gòu)與實施例1的相同。使用與實施例1相同的轉(zhuǎn)子。如 圖8所示，定子50(厚度5mm)具有嵌在線圈框架53中的6個線圈54。 夾持轉(zhuǎn)動軸的兩個彼此相對的線圈串聯(lián)連接，且在相鄰定子中也使用相 同種類的連接，在兩級定子中軸向相對的線圈串聯(lián)連接。圖9示出在450 rpm時的三組線圈中獲得的發(fā)電電壓的測量結(jié)果。結(jié)果表明，如果定子 數(shù)是磁極數(shù)的0.75倍或0.75的整數(shù)倍，則獲得三相交流電。
參考例
在圖12所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)和圖IO所示的本發(fā)明結(jié)構(gòu)之間進行比較。 在兩種情況下，定子與實施例1的相同。各定子設置在三個間隙中。所 有轉(zhuǎn)子都具有8個磁極，鐵磁軛的直徑均為100 mm，厚度為3 mm，磁 體的厚度為6mm。非磁性材料框架由不銹鋼制成，且直徑為100 mm、 厚度為6mm。圖IO和圖12所示的轉(zhuǎn)子與軸連接，其間的間隙為8mm 寬。圖10所示的兩端處的轉(zhuǎn)子14a、14b的厚度以及圖12所示的轉(zhuǎn)子110a、 110b、 110c的厚度均是永磁體厚度和磁軛厚度之和。此外，在圖10的實 施例中，兩端處的轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子(即轉(zhuǎn)子15a、 15b)的厚度與永磁體的 厚度相同。
從測量這兩種發(fā)電機的發(fā)電電壓的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)結(jié)構(gòu)的電壓是24 V，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的電壓是33 V，即電壓高約1.4倍。發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能 產(chǎn)生更高的電壓。
如上所述，本發(fā)明的發(fā)電機可以提高發(fā)電電壓，而不必增大整體直 徑，且不必增加磁體的重量。
權(quán)利要求
1.一種永磁式發(fā)電機，其包括發(fā)電機軸；至少三級轉(zhuǎn)子，每級轉(zhuǎn)子與所述發(fā)電機軸連接，具有附著有永磁體的盤狀結(jié)構(gòu)，其中每級轉(zhuǎn)子沿所述發(fā)電機軸的長度方向設置；以及定子，具有帶有纏繞銅線的定子線圈的盤狀結(jié)構(gòu)，所述定子設置在由所述轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，并與所述發(fā)電機軸隔開；其中總數(shù)不少于五級的所述轉(zhuǎn)子和所述定子沿所述發(fā)電機軸的長度方向交替設置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永磁式發(fā)電機，其中所述轉(zhuǎn)子和所述定子 呈圓盤狀；附著到各轉(zhuǎn)子上的所述永磁體以不少于4個磁極沿圓周方向 彼此等間隔地設置；所述定子線圈以在所述定子內(nèi)不少于3個磁極沿圓 周方向彼此等間隔地設置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永磁式發(fā)電機，其中所述定子線圈在單相 時串聯(lián)連接或者在三相時串聯(lián)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永磁式發(fā)電機，其中位于兩端處的轉(zhuǎn)子在 面對所述定子的那側(cè)具有附著到盤狀磁軛上的永磁體，所述磁軛含有磁 性材料，使得從所述磁極產(chǎn)生的磁通量可以通過所述盤狀磁軛回流，由 此減少從兩端處的所述轉(zhuǎn)子漏磁。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機，其中所述永磁體是稀土磁體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機，其中所述永磁體是Nd基 稀土各向異性燒結(jié)磁體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式發(fā)電機，其中通過用非磁性材料固定永磁體得到位于兩端處的轉(zhuǎn)子之外的轉(zhuǎn)子。
8. —種通過將槳葉安裝在根據(jù)權(quán)利要求l所述的永磁式發(fā)電機的軸 上得到的風力發(fā)電機。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)電機，當用在諸如風力發(fā)電設備等發(fā)電設備時，其體積不大，且不會妨礙風輪機受風；相反，可以在不妨礙受風的情況下提高發(fā)電電壓。本發(fā)明提供一種永磁式發(fā)電機，其包括發(fā)電機軸；與該發(fā)電機軸連接的至少三級轉(zhuǎn)子，具有附著有永磁體的多個盤狀結(jié)構(gòu)，其中每個轉(zhuǎn)子沿該發(fā)電機軸的長度方向設置；以及具有帶有纏繞銅線的定子線圈的盤狀結(jié)構(gòu)的定子，該定子設置在由該轉(zhuǎn)子形成的至少兩個間隙中，并與該發(fā)電機軸等距隔開?？倲?shù)不少于五級的該轉(zhuǎn)子和該定子沿該發(fā)電機軸的長度方向交替設置。此外，還提供通過將槳葉安裝在這種永磁式發(fā)電機的軸上得到的風力發(fā)電機。
文檔編號H02K21/24GK101641856SQ20088000913
公開日2010年2月3日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者宮田浩二, 小林秀樹, 美濃輪武久 申請人:信越化學工業(yè)株式會社