用一个或一个以上的永磁体(PM)转子建立风力涡轮发电机的方法、风力涡轮机机舱以及风力涡轮机

具体实施方式

图1示出了具有塔架2和位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3的现代风力涡轮机1。

包含至少一个叶片——例如图中示出的三个风力涡轮机叶片5——的风力涡轮机转子通过变桨距机构6被连接到轮毂4。各个变桨距机构包含叶片轴承和允许叶片变桨距的个体变桨距致动装置。变桨距过程受到变桨距控制器的控制。

如图中所示，超过某个水平的风将致动转子，并允许其以基本垂直于风的方向旋转。如本领域技术人员已经知道的那样，旋转运动被包含发电机的装置转换为电力，并通常供给市电网。

通常，大的风力涡轮机中发电机的使用包含使用至少两个基本类型的发电机中的一个，分别即基于电磁或永磁体的发电机。本发明涉及包含永磁体(PM)的发电机。

PM发电机包含两个部件，即使用永磁体构建的旋转磁场以及使用位于有槽铁芯中的电绕组构建的固定电枢(stationary armature)。

在磁化条件下，所述永磁体分别具有指北极以及指南极。相反的极类型相互吸引，而相同类型的极相互排斥。进一步地，任一类型的极吸引铁、钢以及几种其他的金属，例如镍和钴。

永磁体用铁磁性材料制造，例如NdFeB、SiFe、SrFeO等。在磁性材料的形成过程中，被称为磁畴的非常小的原子团作为一个磁单位动作，并产生磁矩。在小的体积内，同样的磁畴在相同的方向对准。在非磁化条件下，所述永磁体的多个磁畴以非对准的方式组织，由此，在较大的度量内，基本彼此抵消，结果带来无磁场或微弱的总磁场。

通过对铁磁性永磁体进行磁化，例如通过将之放在外磁场中，例如放在具有经过其中的直流电流的螺线管产生的外磁场中，所有磁畴倾向于与外磁场对准。某些磁畴比其他的更容易对准，使得结果产生的磁矩依赖于所施加的磁场有多强，一直增大，直到所有可能的磁畴被对准。

如果铁磁性材料暴露在高于其特定居里温度的温度，其失去其特征磁能力，因为热波动破坏了所述磁畴的对准。

通常，永磁体在其制造时基本不是磁性的，但在此后必须在被组装之前或在其作为部件被构建到例如发电机中之后在例如制造位置磁化。

图2原理性地示出了本发明一实施例的部件，直接驱动的桨距控制可变速度同步发电风力涡轮机7包含风力涡轮机转子8，包含风力涡轮机叶片5的转子8在没有齿轮的情况下经由转子轴21基本上直接连接到大的多极发电机10的旋转转子9，发电机10包含：永磁体；定子16，其被连接到发电机侧AC/DC转换器11，以便将所产生的AC转换到DC链接12；市电网侧DC/AC转换器13；变压器14，用于变换到市电网15所需要的电网电压。

转换器控制系统23被连接到所述转换器11、13，以便控制其运行。

在多个实施例中，本发明涉及无齿轮风力涡轮机，其在5到25rpm的范围内与发电机速度同步运行。

在其他的实施例中，本发明涉及具有与例如15到3000rpm范围内的发电机速度同步运行的一个或一个以上齿轮级的大规模风力涡轮机。

对于不同的实施例，所述大的多极发电机10可具有至少三个不同的主要发电机类型，即轴向磁通发电机18、径向磁通发电机17以及横向磁通发电机。所述发电机类型的基本不同在于定子线圈10中所产生的磁通相对于风力涡轮机的转子轴21或转子轴线定向的方式。

图3a与图3b分别原理性地示出了轴向磁通18和径向磁通17发电机的主要构造。两种类型的发电机包含定子线圈19和连接到旋转转子轴21的永磁体20。箭头22表示磁通的方向。

大的多极发电机的一个实施例在图4a中示出，其包含连接到在具有铁轭24的两行定子线圈19之间旋转的转子轴21的永磁体20。

图4b在探测图中示出了此实施例中的磁通的瞬时流动。箭头22示出了方向。

对于本发明的不同实施例，发电机可包含一个以上的发电机部分，各个部分主要如例如图3a和/或图3b所示构建，即具有包含PM材料的转子和多个定子部分。

具有预先磁化的磁体的大发电机的组装需要大的机械力来耐受在发电机部件之间产生的过大的磁力。

本发明包含在基本未磁化的条件下所述永磁体20或PM材料在大型风力涡轮机的转子9中的安装。永磁体20的磁化在它们被安装在转子9中时进行。安装可通过使用特殊的设计工具来进行。

对于本发明的不同实施例，大型发电机10的设计包含特殊保持装置的设计，其用于在转子9上安装所述PM材料20。保持装置必须被设计为给出最优以及容易的安装PM材料20的通道(access)，并进一步保证在磁化过程和运行过程中磁体20被保持在希望和正确的位置。对于本发明的多个实施例，设计可包含特殊形状的PM材料20以及特殊形状的保持器26和/或保持装置。

图5a示出了根据本发明一实施例的大型发电机10的侧截面图的部分，其包含具有铁轭材料24的定子线圈19、定子线圈19之间的定子隔离器25、转子永磁体20以及用于将所述磁体固定到转子基座27的磁体保持器26。对于此实施例，永磁体20和保持器26的形状适用于彼此适合，以便确保到转子基座27的最优固定。

对于本发明的多个实施例，保持器26可为转子基座27的固定部分、分立但固定安装在转子基座27上的部分，或为可从转子基座27分离的分立部分，并可用磁性或非磁性材料制造，取决于具体的实施例。另外，对于本发明的实施例，所述转子永磁体20被例如粘接剂、螺栓、螺钉、夹具、夹子等保持装置保持在适当的位置。

对于本发明的其他实施例，所述磁体被保持层覆盖，以便将所述磁体固定到转子基座27。所述保持层可以为磁性或非磁性材料。

根据本发明的不同实施例，基本非磁化的转子永磁体20可在转子9被安装在发电机中之前或之后被安装在所述保持装置中。

对PM材料20进行磁化包含将材料放在外磁场中，例如，通过具有经过其中的直流电流的螺线管产生的外磁场中。当磁场被移除时，PM材料20以由所施加的磁场限定的磁极定向保持某些磁性。

对于本发明的实施例，所述螺线管可以为一个或一个以上的被设计为用于磁化操作的磁化线圈。

对于本发明的多个实施例，定子线圈19和/或磁化线圈31可为超导线圈。

对于转子9被安装在大的发电机中且永磁体20被安装在转子9的保持装置中的本发明一实施例，磁体20的磁化可通过转子线圈19进行。

图5b对于本发明多个实施例示出，在转子永磁体20和磁化线圈之间的气隙中建立基本非磁化的固体保持材料34，以便随着大的力作用在磁体上在磁化过程中支持永磁体，从而保持在适当的位置。

在一个实施例中，在所述磁化过程中，磁化线圈31被压得紧贴永磁体20。

图6对于本发明一实施例原理性地示出了磁化转子的功能概念，其包含磁化线圈31、转子永磁体20、用于将所述磁体固定到转子基座27的磁体保持器26。对于本发明此实施例，永磁体20和其保持器26的形状适用于彼此适合，以便保证到转子基座27的最优固定。

磁化控制器28在磁化过程中被使用，以便控制对于该过程非常重要的一个或一个以上的参数，例如电压(V)、电流(A)、时间、温度、转子9的位置、磁化水平、磁场等。

如图6所示，磁化控制器28被电气连接到一个或一个以上的磁化线圈31的端子29。

在磁化过程中，未连接到所述磁化控制器28的线圈端子29可被连接到适当的终端30，或者可保持为不端接。

对于本发明的不同实施例，用于磁化的所述一个或一个以上的磁化线圈31为定子线圈19，其在正常运行过程中也使用，或为专用磁化线圈31，其仅在磁化过程中使用。

另外，所述专用磁化线圈31在正常运行过程中可以为定子构造的一部分，或者可仅仅在磁化过程中临时安装为密切邻近PM材料20，例如通过将正常运行定子线圈19的一个或一个以上的部分由专用磁化线圈31的一个或一个以上的部分替换。

对于本发明一实施例，在磁化过程中，转子9的位置以这样的方式受到控制：其被旋转，以便将有待磁化的转子永磁体20放置在相对于所述磁化线圈31的希望的位置。

对于本发明另一实施例，在磁化过程中，转子9被保持在固定的位置，且所述磁化线圈31的定位被改变为定位在相对于有待磁化的转子永磁体20的希望的位置。

对于另一实施例，转子9和磁化线圈31在磁化过程中均被改变。

对于所有实施例，包含转子和定子构造以及支撑结构的发电机被设计为处理在磁化过程中和运行过程中产生的过大的机械力。

磁化过程中永磁体20被磁化到的水平受到所述磁化控制器28的控制，并可依赖于例如稳定性、磁场随时间的退化、磁化电流、磁化电压等参数被选择。

对于本发明一实施例，为进行磁化由磁化线圈31需要的磁化电流由至少一个电力转换器11、13或所述电力转换器的部分或组合部分供给。

对于本发明另一实施例，为进行磁化由磁化线圈31需要的磁化电流由专门用于所述磁化的一个或一个上的电力转换器供给。

对于本发明的多个实施例，将电流供到磁化线圈31的所述电力转换器可以为风力涡轮机的任一电力转换器11、13或为对于一个以上的风力涡轮机共用的转换器，例如专门用于磁化目的的可传输的电力转换器。

参考标号列表

1.风力涡轮机

2.塔架

3.机舱

4.轮毂

5.转子叶片

6.变桨距机构

7.直接驱动同步风力涡轮机

8.风力涡轮机转子

9.发电机的旋转转子

10.大型多极发电机

11.AC/DC转换器

12.DC链路

13.DC/AC转换器

14.变压器

15.市电网

16.定子

17.径向磁通发电机

18.轴向磁通发电机

19.定子线圈

20.转子永磁体或PM材料

21.转子轴

22.表示磁通的箭头

23.转换器控制系统

24.定子线圈铁轭

25.定子隔离器

26.磁体保持器

27.转子基座

28.磁化控制器

29.线圈端子

30.终端

31.磁化线圈

32.转子极

33.定子轭

34.固体保持材料