[发明专利]发电机和磁通传导单元

说明书

技术领域

本发明涉及发电机、用于发电机的磁通传导单元、和包含这种发电机 的发电设备。本发明特别地但并非排他地，涉及直接驱动式发电机和用于 直接驱动式发电机的磁通传导单元。

背景技术

在发电领域，众所周知的是，提供耦合到流体驱动式涡轮机的发电机， 例如那些分布在燃油发电厂、燃气发电厂、燃煤发电厂以及核电站的发电 机。传统的发电机包括带铁芯的转子和装有绕组的铁芯式定子，转子的铁 芯上绕着许多载流线圈。通过沿转子线圈传送电流而产生磁场，使得转子 旋转时，在定子绕组的线圈内感生出电流。分布在发电站的发电机的转子 通过传动轴耦合到涡轮机，该传动轴以大约几千rpm的高转速和用相对低 的驱动转矩旋转。考虑到上述因素而制造的传统电力发电机因此已经设计 成高速度、低转矩运行。

最近几年，已经在全世界范围内针对可持续的发电方法，包括风力发 电、波浪发电以及潮汐发电进行了相当多的研究。

现有的风力机包括大直径转子形式的原动机。转子有许多安装在转子 轴上的转子叶片，该转子轴耦合到电力发电机。涡轮转子一般以相对低的 转速和高的输出转矩旋转，例如，对2MW的设备，转速为20rpm，输出 转矩为大约955kNm。因此，应该理解，这种类型的涡轮机以相对低的转 速运行，但具有相对高的输出转矩。为了以这种低速、高转矩设备成功发 电，传统电力发电机(设计成高速、低转矩运行)要求通过变速箱连接到 涡轮转子。变速箱为来自涡轮转子的输出增大转速并减小转矩，该输出又 被输入到发电机。

因为存在几个明显缺点，通常不期望使用这种类型的变速箱。尤其是， 变速箱比较大又重，大大增加了设置在风力涡轮机塔架顶部机舱中的单元 的重量。此外，在涡轮转子的输出轴和发电机的输入轴之间设置变速箱， 降低了设备的效率。而且，已经发现这些变速箱在典型风力涡轮机工作条 件下非常不可靠。这个问题的主要原因是，由于风速的波动，导致通过变 速箱传送的工作速度和转矩不断变化。

在使用波浪力和潮汐力的电力发电系统中已经发现类似的问题，其中 这些系统的原动机以更低的转速或循环速度运行，并因此以更高的转矩或 推力运行。

为了解决这些问题，已经研制出了不同类型的电力发电机，其被设计 成低速、高转矩运行，以便直接连接到例如风力机的转子。

这些类型的发电机的实例包括传统的永磁发电机以及例如Newage AVK SEG的横向磁通发电机(Transverse Flux Machine，TFM)和微调型 混合发电机(Vernier Hybrid Machine，VHM)的高力密度设备，所述设备 被提议用于直接驱动式系统。已经被验明的这些发电机的特定应用是在波 浪发电设备中。线性VHM机包括对置的磁通传导芯，该芯的横截面大体 是C型的，在两个对置芯之间的空气间隙的两侧，在芯臂上排列着许多连 续的相反极化的磁体对。具有上下城堡形表面的移动器布置在空气间隙中 并且耦合到发电设备的原动机。使用中，移动器在空气间隙内来回往复运 动，并且当移动器的城堡形部分相继地与相反极化的成对磁体对准时，两 个芯之间的磁通流换向，换向的频率取决于移动器往复运动的速度。线圈 布置在芯臂上，因此当磁场切换时产生电能。

在静止和移动构件上带有铁芯的这种类型的设备，有相当的缺点，尤 其因为在两个芯之间有非常大的磁引力。为了保持空气间隙，这需要非常 大而重的用于芯的支撑结构，必然影响发电机的尺寸和重量。此外，由于 这些大的磁引力，发电机的制造和装配非常困难。

为了解决例如与前面提到的铁芯式设备有关的这些问题，已经提出了 低力密度发电机，其在国际专利申请号PCT/GB02/02288中公开。在 PCT/GB02/02288中公开的发电机被设计用于风力涡轮机，因此这种发电 机是旋转发电机。在所公开的发电机中，发电机定子上的铁已经被去除， 并且定子上的线圈由非磁性材料支撑。在这种设备中，出自设备转子上的 铁芯的移动铁表面的磁通没有可以流入的铁表面，因此磁通实际上遇到无 限大的磁空气间隙。因此磁通密度相对低，并且当与其它发电机相比时， 这种设备的效率和有效性大大地降低。因此，为了实现类似合适运行效率 等的任何目标，转子上需要的磁性材料要多得多。结果，要求设备的物理 直径极大地增加。例如，对于5MW空心式设备，据估计设备的直径将为 26米，大约为等效的铁芯式发电机的直径的两到三倍。