NO974345L

NO974345L - Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin

Info

Publication number: NO974345L
Application number: NO974345A
Authority: NO
Inventors: Thomas A Lipo; Yue Li
Original assignee: Zond Energy Systems Inc
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1997-11-19
Also published as: JPH11511948A; CA2215971A1; IL116631A0; AU5258596A; CN1214809A; WO1996029774A1; EP0815633A1; MX9707118A; EP0815633A4; NO974345D0; KR19980703186A

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår lavhastighets elektriske generatorer og spesielt en elektrisk generator for direktedrevet vindturbiner.

I de senere år har vindturbiner fått økt oppmerksomhet som alternative energikilder, siden de er trygge for omgivelsene og relativt rimelige. Med denne økende interessen er det gjort vesentlige anstrengelser for å utvikle vindturbiner som er pålitelige og effektive.

Generelt innbefatter en vindturbin en rotor som har flere blader. Rotoren er horisontalt montert inn i et hus, som er anordnet på toppen av en fagverksøyle eller et monorørtårn. Turbinbladene omformer vindenergi til rotasjonskraft som driver en eller flere generatorer som er rotasjonsmessig koplet til rotoren via en girboks. Girboksen er nødvendig for å øke den iboende lave rotasjonshastigheten til turbinrotoren for generatoren for effektivt å konvertere mekanisk energi til elektrisk energi, som blir matet inn i et bruksnett.

Mange konvensjonelle vindturbiner roterer med en konstant hastighet for å produsere elektrisitet med seksti perioder pr sekund (60 Hz), som er US-standarden for vekselstrøm. Siden vindhastigheten endrer seg kontinuerlig, må disse vindturbinene ha et system for å opprettholde en konstant rotorhastighet. I et slikt system blir rotorhastigheten holdt konstant ved å øke stigningen til bladene ettersom vindhastigheten stiger og minske stillingen til bladene ettersom vindhastigheten faller.

Noen turbiner arbeider med en variabel hastighet idet det anvendes en effektomformer for å justere ut effekten. Når hastigheten til turbinrotoren fluktuerer, vil frekvensen til vekselstrømmen som flyter fra generatoren også variere. Effektomformere, som er anordnet mellom generatoren og bruksnettet, transformerer vekselstrømmen med variabel frekvens til likestrøm, og derpå omformes den tilbake til vekselstrøm som har en konstant frekvens på seksti perioder pr sekund.

En vindturbin må være solid og pålitelig. Siden girboksen til turbinen er kostbar, tung og krever mye vedlikehold, er det ønskelig å eliminere girboksen og kople generatoren direkte til turbinrotoren fordeler som knytter seg til en direktedrevet vindturbin er forbedret pålitelighet, lavere kostnader, minsket vekt, stillere drift, større effektivitet og et fravær av en dreiemomentgrense.

Å kople turbinrotoren direkte til generatoren er imidlertid problematisk siden konvensjonelle generatorer ikke er i stand til å arbeide effektivt ved lave rotorhastigheter i området 30 til 50 omdreininger pr minutt. En maskin som kan anvendes som en generator ved lave rotorhastigheter er beskrevet i Weh, H.; May, H.; Shalaby, M.: «Highly Effective Magnetic Circuits for Permanent Magnet Excited Synchronous Machines», Proe. ICEM 1990, Vol. 3, pp. 1040-1045.

Denne transversfluks (TF) maskinen, vist på figur 1, omfatter en ringformet rotor (som et er bare er vist et snitt av), en stasjonær ytre armaturvikling 4, en

stasjonær indre armaturvikling 6, flere ytre statorkjernefluksledere 8, og flere indre statorkjernefluksledere 10. Den ringformede rotoren 2 innbefatter en første rekke av permanentmagneter 12 og en andre rekke av permanentmagneter 14, en ring 16, laget av ikke-magnetisk materiale slik som fiberforsterket harpiks, er anordnet mellom de to permanentmagnetrekkene. Den ringformede rotoren 2 er konstruert slik at permanentmagneter 12 veksler med jernelementer 18 og permanentmagneter 14 veksler med jernelementer 20.

Selv om TF-maskinen kan arbeide ved lave rotorhastigheter, innehar den flere fremtredende feil eller mangler. Spesielt kan TF-maskinen være utsatt for vesentlig spalteflukslekkasje, som påvirker ytelsen negativt. For å forstå dette problems natur, vil det hjelpe å se på forholdet mellom

P = Tto, hvor

P = effektytelsen til maskinen

r = dreiemoment

co = vinkelhastigheten til rotoren.

Av forholdet ovenfor fremgår tydelig at for å oppnå en høy effektytelse (P) ved lav vinkelhastighet (co), bør dreiemomentet (r) som produseres av maskinen være maksimalisert. Det er vanlig kjent på området at for å oppnå et høyt dreiemoment er det nødvendig å maksimalisere flukskapasiteten til maskinen og å øke den elektriske strømmen i armaturviklingene 4 og 6. For å få til ytterligere strøm i viklingene 4 og 6 uønsket energitap på grunn av varmegenerering, må tverrsnittsarealet til armaturviklingene 4 og 6 økes.

Videre er det generelt kjent på området at dreiemomentet som produseres av en maskin, er proporsjonal med diameteren til maskinen i kvadrat (eller tredje potens eller en annen potens høyere enn en) ganger lengden til maskinen. Med andre ord,

r=Kd<2>L, hvor

r = dreiemoment

k = konstant

L = den aktive materiallengden til maskinen

d = den aktive materialdiameter til maskinen

Forholdet ovenfor indikerer at for å oppnå høyt dreiemoment i en kompakt utforming eller pakke, er den optimale løsningen å øke diameteren til maskinen snarere enn dens lengde. I det kjente systemet som er vist på figur 1, vil dersom diameteren til TF-maskinen skal økes og lengden holdes konstant, kan bare spaltedybden til statorkjerneflukslederne 8 og 10, som inneholder de respektive armaturviklingene 4 og 6, økes for å maksimalisere tverrsnittsarealet til armaturviklingene 4 og 6 (siden dybden D er en funksjon av diameteren til maskinen), mens spaltebredden W til statorkjerneflukslederne 8 og 10 (som er en funksjon av lengden til maskinen) og forblir den samme.

Figur 2 viser at når spaltedybde D øker, øker også tverrsnittsarealer Aa til spalteluftgapet og lengden til fluksbanen Ls til stålet av for eksempel den ytre statorkjerneflukslederen 8 mens tverrsnittsarealet As til den ytre statorkjemeflukslederen 8 og lengden til fluksbanen La gjennom spalteluftgapet forblir konstant. Siden reluktansen R (resistansen som møter magnetisk fluks i en magnetisk krets) er lik L/(oA, hvor

(a = permeabiliteten til mediet

L = fluksbanelengden

A = tverrsnittsarealet til mediet

er det tydelig av figur 2 at når spaltedybde D øker vil reluktansen gjennom stålet til den ytre statorkjerneflukslederen 8 øke mens reluktansen gjennom spalteluftgapet minsker. Således vil økning av spaltedybden D føre til økt flukslekkasje hvorved fluksforbindelser isteden for å følge banen Ls gjennom den ytre statorkjerneflukslederen 8, passerer gjennom spalteluftgapet langs banen La. Enhver fluks som lekker gjennom spalteluftgapet langs banen La isteden for å følge banen Ls kommer ikke til alle spolene i viklingen som befinner seg i

spalteluftgapet (for eksempel vikling 4 på figur 1) og bidrar derved ikke til å produsere momentytelsen til maskinen, hvilket bringer effektytelsen til maskinen til å avta.

En annen ulempe med TF-maskinen er at på grunn av den asymmetriske plasseringen av de to statorene (d.v.s. ytre statorkjernefluksleder 8 og indre statorkjernefluksleder 10) vil reluktansene som sees av den ytre armaturviklingen 4 og den indre armaturviklingen 6 (figur 6) være forskjellig, hvilket forårsaker en elektromagnetisk ubalanse mellom de to fasene. Årsaken til den elektromagnetiske ubalansen til TF-maskinen kan identifiseres på figur 3. Et ytre volum 22, som er definert av ytre statorkjernefluksleder 8 som veksler med luftgap 23 er større enn indre volum 24, som er definert av indre statorkjernefluksleder 10 som veksler med luftgapet 25. Siden begge volumene 22 og 24 inneholder det samme antallet identiske statorkjernefluksledere laget av stål, men det ytre volumet 22 er fysisk større enn det indre volumet 24, er forholdet stål til luft i det ytre volumet 22 mindre enn i det indre volumet 24. Følgelig har det ytre volumet 22 en større reluktans for magnetisk fluks enn det indre volumet 24, hvilket forårsaker en magnetisk ubalanse mellom de to fasene til den ytre armaturviklingen og den indre armaturviklingen 6 (ikke vist på figur 3). Den magnetiske ubalansen mellom de to fasene til TF-maskinen fører til sirkulerende strømmer som bidrar til varmetap, lagerstrømmer som kan forårsake feil i rotorlagrene og ujevn belastning på rotoren, hvilket fører til vanskeligheter når det gjelder mekanisk og elektrisk utforming av maskinen.

Enn videre viser det seg at muligheten for å fremstille en stor TF-maskin (hvilket kan være ønskelig siden økning av antallet poler til maskinen, og derved størrelsen, vil øke dens ytelse ved lave rotorhastigheter) å være en ebsværslig oppgave siden det å opprettholde små luftgap 26, 28 som illustrert på figur 4, mellom den ringformede rotoren 2 og ytre og indre statorkjernefluksledere 8 og 10 blir mer vanskelig når disse komponenter øker i størrelse. (Det er vanlig kjent på området at luftgap mellom de bevegelige og stasjonære komponentene til elektriske maskiner må minimaliseres for maksimal effekt og effektivitet. I tillegg er TF-maskinen uegnet for høyhastighetsdrift siden den konsentriske orienteringen av stasjonære ytre storkjemefluksledere 8 og den ringformede rotoren 2 er slik at når rotorhastigheten økes, vil radial utvidelse av den ringformede rotoren 2 gradvis redusere luftgapet 26 inntil den ringformede rotoren 2 støter mot ytre statorkjernefluksledere 8, hvilket fører til en katastrofefeil i TF-maskinen.

Videre er TF-maskinen relativt kostbar siden det er vanskelig å fremstille de kompliserte stasjonære montasjene som oppfatter ytre og indre statorkjernefluksledere 8 og 10 og armaturviklinger 4 og 6. TF-maskinen bruker mye kopper i sine viklinger, hvilket igjen øker fremstillingskostnadene. Kopperet i viklingene ble brukt ineffektivt siden bare segmentene av armaturviklingene 4 og 6 som har tykkelse T (figur 4) blir brukt til dreiemomentgenerering (siden bare disse segmentene til viklingene er koplet med magnetisk fluks). Funksjonen til de gjenværende segmentene som har tykkelse G (hvor G>T) er ganske enkelt å komplettere den elektriske kretsen.

TF-maskinen har også mangler ved at på grunn av manglende tilgang til dens indre parti er det vanskelig å fjerne varmen som genereres i indre statorkjernefluksledere 10 under driften av maskinen, hvilket minsker effektiviteten og reduserer uteffekten.

Det er følgelig ønskelig å tilveiebringe en dobbelt utpreget permanentmagnetmaskin som overkommer de foran nevnte ulemper, for eksempel minimaliserer spalteflukslekkasje, har elektromagnetisk balanserte viklingsfaser, er enkel og rimelig å fremstille, er i stand til både lavhastighets og høyhastighets drift, forenkler fjerning av varme og er kompakt og effektiv.

Det er også ønskelig for en permanentmagnetmaskin å oppnå en høy effekttetthet ved lav vinkelhastighet, å ha et høyt antall poler, å anvende en konvensjonell viklingsdesign ved lavinduktansviklinger og å ha en enkel opplagringsstruktur.

Ytterligere fordeler med oppfinnelsen vil bli tydeliggjort etter gjennomgang av beskrivelsen og de medfølgende tegninger.

En utførelse omfatter den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen i henhold til den foreliggende oppfinnelse, en rotor som er montert mellom et par koaksialt og sideveis orienterte statorer. Rotoren er konstruert av en flerhet av permanentmagneter som veksler med elektromagnetisk utpregede poler laget av stål. Hver stator har en flerhet av langsgående orienterte utpregede poler. Statorpolene opplag rer to pluraliteter av kopperspoler, hvorved hver spole er viklet rundt hver statorpol. Hver pluralitet av spoler er sammenbundet i serie og danner således en tofasevinkling.

Den foreliggende oppfinnelse er illustrert som et eksempel, og på ingen måte begrensende, på figurene i de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 er en perspektivtegning av en tidligere kjent transvers fluks (TF)

maskin.

Fig. 2 er en perspektivtegning av en statorkjernefluksleder til den kjente

TF-maskinen på figur 1.

Fig. 3 er et sideriss av den tidligere kjente TF-maskinen på figur 1.

Fig. 4 er et detaljriss av den tidligere kjente TF-maskinen på figur 3.

Fig. 5 viser i adskilt perspektiv hovedkomponenten til en dobbelt utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin (DSAFPM) konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 er en skjematisk sideriss av rotoren til DSAFPM-maskinen vist på

figur 5.

Fig. 7 er et perspektivriss som viser en fremstillingsteknikk for statorene

vist på figur 5.

Fig. 8 er et perspektiv og delvis tverrsnitt av DSAFPM-maskinen utført i

samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 9 er et perspektivriss av en spole til DSAFPM-maskinen på figur 8. Fig. 10 er et perspektivriss av spolen på figur 8 med endeviklinger av

forskjellige lengder.

Fig. 11 er et skjematisk riss som viser en konvertertopologi som er egnet for å kople DSAFPM-maskinen på figur 8 til et dytte- eller bruksnett, hvor DSAFPM-maskinen er koplet til en vindturbinrotor.

Fig. 12 viser detaljskjematisk konvertertopologier til figur 11.

Fig. 13 er en elektrisk kretsekvivalent til DSAFPM-maskinen på figur 8.

Fig. 14 er en opptegning som illustrerer dreiemomentproduksjon til DSAFPM-maskinen på figur 8 ved normal hastighet. Fig. 15 er en opptegning som illustrerer dreiemomentproduksjonen til

DSAFPM-maskinen på figur 8 ved høy hastighet.

Fig. 16 er et tverrsnitt av DSAFPM-maskinen på figur 8.

Fig. 17-24 viser variasjoner i fluksfordelingen til DSAFPM-maskinen på figur 8. Fig. 25 og 26 er opptegninger av fluksforbindelse som korresponderer med variasjoner i fluksfordelingen til DSAFPM-maskinen på figurene 17 til 24. Fig. 27 viser skjematisk en dobbelt utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin hvor hver stator innbefatter spoler av fase A og fase B viklinger. Fig. 28 er et tverrsnitt av en dobbelt utpreget aksialfluks permanentmagnet maskin som har en dual rotorkonfigurasjon. Fig. 29 og 30 viser skjematisk forskjellige rotororienteringer til maskinen på figur 28.

Fig. 31 er et tverrsnitt av en dobbelt utpreget radialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

For illustrasjonsformål er disse figurene ikke nødvendigvis tegnet i samme målestokk. På alle figurene er like komponenter benevnt med like henvisningstall.

I den følgende beskrivelse er det vist spesifikke detaljer for å gi en mer

grundig forståelse av oppfinnelsen. Oppfinnelsen kan imidlertid utføres uten disse spesielle detaljene. I andre tilfeller er velkjente elementer ikke vist eller beskrevet for å unngå unødvendig utydeliggjøring av den foreliggende oppfinnelse. Følgelig må beskrivelsen og tegningene ansees på en illustrativ snarere enn restriktiv

måte.

Figur 5 viser hovedkomponentene til en dobbelt utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Maskinen omfatter den første stator 100. En rotor 102, og en andre stator 104, som alle har en ringformet fasong. Statorene 100 og 104 har en ytre diameter D, som er den samme som den ytre diameteren til rotoren 102.

Rotoren 102 innbefatter en flerhet av langsgående orienterte permanentmagneter 106, slik som sjeldne jordmetall-permanentmagneter eller ferritt-permanentmagneter. Permanentmagnetene 106 er plassert med lik avstand rundt rotoren 102 og veksler med en flerhet av elektromagnetisk utpregede rotorpoler 108 laget av et magnetisk permeabelt materiale, for eksempel laminert stål, og er identiske i antall med permanentmagneten 106. Hver permanentmagnet 106 definerer en radial dimensjon T og en vinkeldimensjon 9m. Permanentmagneten 106 er polarisert i en transvers retning, slik at rotorpolene 108 er identisk polarisert på begge sider av rotoren, som vist på figur 6 som illustrerer retningene til flukslinjene 107.

Statoren 100 (figur 5) har en flerhet av langsgående orienterte utpregede statorpoler 110 og et bakjern 111. Stator 104 har en flerhet av langsgående orienterte utpregede statorpoler 112 og et bakjern 113. Statorpolene 110 og 112 er plassert med lik avstand rundt deres respektive statorer 100 og 104. Hver stator har et antall statorpoler som er lik antallet rotorpoler 108. Hver statorpol definerer en radial dimensjon T og en vinkeldimensjon Øs.

Statorene 100 og 104 omfatter hver en flerhet av diskrete laminerte stållag eller sikt og kan fremstilles på rimelig måte ved at det rulles opp og punches ut et bånd av stållaminat, slik som illustrert på figur 7.

Figur 8 er et perspektivtverrsnitt av den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen i henhold til oppfinnelsen. Rotoren 102 til maskinen er stivt festet til en hovedaksel 114, som kan være direkte koplet til en vindturbinrotor (ikke vist). Hovedakselen 114 er opplagret inne i et sylindrisk hus 116, som har endeflater 118 og 120. Akselen 114 roterer i lageret 122 og 124 som er sentralt montert i de respektive endeflatene 118 og 120.

Bakjernet 11 til statoren 100 er stivt festet til den indre overflaten av endeflaten 118, mens bakjernet 113 til statoren 104 er stivt festet til den indre overflaten av endeflaten 120. En slik plassering av statorene 100 og 104 gjør det mulig på effektiv måte å fjerne varmen som genereres i statorene av virvelstrømmer og spolestrømmer ved ledning til huset 116 og så ved konveksjon til den omgivende atmosfære.

Statorene 100 og 104 er orientert slik at når statorpolen 112 er fullstendig innrettet med permanentmagnetene 106 er statorpolen 110 fullstendig innrettet med rotorpolene 108 og omvendt. Statorpolen 110 opplagrer kopperspoler 126 og statorpolene 112 opplagrer kopperspoler 128, hvorved en spole befinner seg rundt omkretsen til hver statorpol. Spolen 126 og 128 er av konvensjonell fasong og utforming, og kan derfor på rimelig og enkel måte fremstilles og installeres i spaltene definert av statorpolene 110 og 112.

Som vist på figur 9, omfatter spolen 128 et endeviklingsparti E og et lederparti C. Lengden av endeviklingspartiet E (som ikke tar del i dreiemomentgenereringen) er liten sammenlignet med lengden av lederpartiet C. En slik konfigurasjon av spoler 126 og 128 reduserer induktansen i spolene (induktansen er den egenskapen til en elektrisk krets at en varierende strøm i kretsen produserer et varierende magnetisk felt som induserer spenningen i den samme kretsen eller i en krets i nærheten), hvilket er fordelaktig for konvertermatede maskiner hvor strømmen blir styrt av en pulsbreddemodulert spenning som påtrykkes maskinterminalene. Denne fordel oppstår fordi en lavinduktansvikling tillater hurtig dynamisk strømstyring siden strømmen følger den påtrykte eller genererte spenningen tett uten signifikante faseforskjell. Siden endeviklingspartiet E er lite blir videre kopperet i viklingene brukt på effektiv måte og kostnadene til maskinen blir ytterligere redusert. Spolene 126 og 128 kan også ha utformingen vist på figur 10, hvor endeviklingene E, og E2har forskjellige lengder.

Som illustrert på figur 11, er spolene 126 koplet i serie og omfatter en fase-A vikling 133. Spolene 128 er også koplet i serie, og omfatter en fase-B vikling 135. Fase-A og Fase-B viklingene 133 og 135 er koplet til en elektronisk effektkonverter 128 som omfatter en trefase DC til AC inverter 134, slik som den som er beskrevet i US-patent nr 5 225 712, tilhørende William L. Erdman, og en bipolar tofase inverter 136, som styrer mengden strøm i begge retninger gjennom hver fasevikling. Strøm blir produsert når en vindturbinrotor 235 roterer akselen 114, som er stivt forbundet med vindturbinrotoren 235. Inverteren 134 er elektrisk koplet til et bruksnett 137 og inverteren 136 er elektrisk koplet til fase-A og fase-B viklinger 133 og 135. Inverterne 134 og 136 er sammenkoplet ved hjelp av en likestrøms (DC-kopling 138). Konverteren 129 tilveiebringer fasestrømregulering ved en pulsbreddemodulert spenningsbølgeform. Enn videre tillater konverteren 129 maskinen til å arbeide enten som en motor eller en generator og tillater også en variabel spenning, variabel frekvensdrift av maskinen samtidig som det opprettholdes en konstant spenning og konstant frekvensforbindelse med bruksnettet.

Figur 12 er et skjematisk diagram over inverteren 136, som innbefatter flere brytere 137, slike som isolerte portbipolare transistorer (IGBT), flere drivløpsdioder 139 og en spenningskilde 140, for eksempel et batteri.

En lineær modell av den doble utpregede aksialfluks

permanentmagnetmaskinen, utviklet basert på en endelig elementmodellrings-analyse (FEM - Finite Element Modeling) kan brukes for å justere ytelsen til maskinen og å undersøke mulige styremåter for denne. Det gjøres følgende forutsetninger for denne lineære modellen: (1) variasjon av induktansen som funksjon av rotorvinkelen er lineær; og (2) induktansen er uavhengig av strømnivået. Den elektriske kretsekvivalenten til den lineære modellen til den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen vist på figur 13 utledes som følger:

hvor

ua= terminalspenningen til fase A;

ub = terminalspenningen til fase B;

ia = fasestrøm til fase A;

ib = fasestrøm til fase B;

ra = motstand i fase A;

r5= motstand i fase B;

Xa= armaturreaksjonsfluksforbindelse til fase A;

Xb= armaturreaksjonsfluksforbindelse til fase B;

Videre,

hvor

Yma= permanentmagnetflukskoplet av fase A

\|/mb = permanentmagnetflukskoplet av fase B

enn videre,

hvor

Mab= gjensidig induktans mellom fase A og fase B (fluks koplet av fase B

dividert med eksitasjonsstrømmen til fase A);

Mba = gjensidig induktans mellom fase A og fase B (fluks koplet av fase A

dividert med eksitasjonsstrømmen til fase B);

Fra det ovenstående

hvor

qr= mekaniske grader av rotorrotasjon

cor= vinkelhastigheten til rotoren.

Dette settet av ligninger er vist skjematisk på figur 13, hvor de følgende definisjoner gjelder: ema= indusert spenning i fase A produsert av permanentmagnetfluks- variasjon;

emb = indusert spenning i fase B produsert av permanentmagnetfluks-variasjon;

era = reluktansspenning i fase A produsert av variasjonen av

selvinduktansen i fase A;

erb= reluktansspenning i fase B produsert av variasjonen av

selvinduktans i fase B;

erma = reluktansspenning i fase A produsert av variasjonen i gjensidig

induktans mellom fase A og fase B;

emb = reluktansspenning i fase B produsert av variasjonen i gjensidig

induktans mellom fase A og fase B;

Laa = selvinduktansen i fase A;

Lbb= selvinduktansen i fase B;

Mab= gjensidig induktans mellom fase A og fase B;

Dreiemomentet er gitt ved:

hvor

Tma= ia x d^j/dør = mekanisk dreiemoment produsert av fase A

Tmb= ib x d^t/de, = mekanisk dreiemoment produsert av fase B

Under normale driftsforhold vil selvreluktans dreiemomentet til fase A og fase B kansellere hverandre, som vist på figur 14. Det gjensidige reluktansdreiemomentet har null gjennomsnittsverdi. Toppreluktans dreiemomentet er lite siden variasjonen i gjensidig induktans er relativ liten som et resultat av den doble luftgapstrukturen til den doble utpregede aksialfluks permanentmagnet-maskinen. Som et resultat er dreiemomentproduksjonen svært jevn.

Når driftshastigheten til maskinen er høyere enn merkeverdien, kan selvreluktans dreiemomentet anvendes til å kompensere for effekttapet som skyldes den irregulære strømbølgeformen ved bruk av styremåtene som er illustrert på figur 15. Derfor er den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen i stand til å tåle høyere hastigheter enn kjente permanentmagnetmaskiner. Ved høyere hastigheter bidrar fremdeles den gjensidige reluktansen til å oppnå null gjennomsnittlig dreiemoment.

En ikke-lineær modell av den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen kan frembringes dersom X,aog Xb er definert som følger:

Siden statorene 100 og 104 er identisk tilformet, vil reluktansene som sees av fase-A viklingen og fase-B viklingen være like, og dette etablerer en elektromagnetisk balanse mellom de to fasene. Elektromagnetisk balanse mellom de to fasene er fordelaktig idet sirkulerende strømmer, lagerstrømmer, og ulike belastninger på rotoren teoretisk blir eliminert, og derved økes effektiviteten og påliteligheten til maskinen.

Som vist på figur 16, er det et luftgap 130 mellom rotoren 102 og polene 110 (antydet med strekprikket linje) på stator 100. På tilsvarende måte er det et luftgap 132 som har den samme bredden som luftgapet 130, mellom rotoren 102 og statorpolene 112. Det er vel kjent at ved å minimalisere luftgapet mellom rotoren og statoren til en elektrisk maskin vil dette føre til øket effekt og effektivitet. Den aksiale konfigurasjon av statoren 100, rotoren 102 og statoren 104 tillater små luftgap 130 og 132 uten hensyn til størrelsen av rotoren 102 og statorene 100 og 104, og dermed reduseres produksjonskostnadene til en fysisk stor maskin. En slik maskin kunne oppta et stort antall poler og gjøre det mulig å ha et høyt utbytte ved lave rotorhastigheter. På grunn av den foran nevnte aksiale konfigurasjonen reduserer ikke den radiale ekspansjonen av rotoren 102 luftgapene 130 og 132 ved høye rotorhastigheter, hvilket kombinert med det faktum at den jevne fasongen eller formen til rotoren 102 reduserer vindmotstand (tap som skyldes luftfriksjon), gir dette en tilleggsfordel at det oppnås mulighet for høyhastighets drift.

Videre er spalteflukslekkasjen til den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen minimalisert siden en brettet Wctil spolen 126 og 128 er økt snarere enn en spaltedybde Ds for å oppnå høy dreiemoment generering. Som forklart detaljert i det foregående avsnitt av beskrivelsen, fører minimalisering av spaltedybden Ds til minsket spalteflukslekkasje.

Virkemåten til den ovenfor beskrevne utførelse av oppfinnelsen er illustrert med en henvisning til figurene 17 til 24. Når rotorpolen 108 er fullt innrettet med statorpolene 110, er permanentmagnetene 106 fullt innrettet med statorpolene 112 (figur 17). Denne orientering av rotoren 102 (som korresponderer til 0 grader rotorrotasjon) bringer alle magnetiske fluksforbindelsene 127 produsert av permanentmagnetene 106 til kopling til fase-A viklingen (ikke vist på figur 17) til statoren 100. Ingen fluks forbinder fase-B viklingen (ikke vist på figur 17) til stator 104 i dette tilfellet.

Når rotoren 102 har rotert 22,5° (figur 18), er polene 110 og 112 delvis innrettet med polene 108 til rotoren 102, slik at fluksforbindelser 127 frembrakt av permanentmagnetene 106 blir likt fordelt mellom statoren 100 og statoren 104. I dette tilfellet er fluksforbindelsen til fase-A viklingen (ikke vist på figur 18) lik forbindelsen til fasé-B viklingen (ikke vist på figur 18).

Ved 45° (figur 19) befinner rotoren 102 seg slik at statorpolene 110 er fullt innrettet med permanentmagneten 106 og statorpolene 112 er fullt innrettet med rotorpolen 108. Ved denne orienteringen av rotoren 102 forbindes alle fluksforbindelsene 127 frembrakt av permanentmagnetene 106 med fase-B viklingen (ikke vist på figur 19) til statoren 104.

Fluksfordelinger ved 67,5°, 90°, 112,5°, 135° og 157,5° av rotoren 102 er vist på de respektive figurer 20, 21, 22, 23 og 24. Opptegninger av fluksforbindelsene 127 til fase-A og fase-B viklingene som korresponderer med fra 0 til 180 mekaniske grader rotasjon er vist på de respektive figurer 25 og 26. Faseforskyvningen mellom fase-A og fase-B strømmene til den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskin er 90° elektrisk.

Således er det tilveiebrakt en permanentmagnetmaskin som overkommer de forutgående ulemper, for eksempel minimaliserer spalteflukslekkasje, har elektromagnetisk balanserte faser, er enkel og rimelig å fremstille, er i stand til å drives ved både lav hastighet og høy hastighet, forenkler varmefjerning, og er kompakt og effektiv.

Den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskin er også fordelaktig på grunn av dens egenskap til å oppnå en høy effekttetthet ved lav vinkelhastighet, til å oppta et høyt polantall, til å anvende en konvensjonell viklingsutforming med lavinduksjonsviklingen, og å anvende en enkel opplagringsstruktur.

Mange andre modifikasjoner av apparatet, hvor noen er beskrevet her,.er mulige. For eksempel kan den doble utpregede aksialfluks

permanentmagnetmaskin ha et hvilket som helst antall statorpoler større enn 2. Videre er det ikke nødvendig at forholdet mellom statorpoler (for eksempel stator 100) og rotorpoler er lik 1 til 1. I avhengighet av størrelsen til maskinen kan dette forholdet endres i samsvar med den følgende formel:

R = S + 2, hvor

S = antall statorpoler

R = antall rotorpoler.

I tillegg er det mulig med andre egnede stator/rotorpolarrangementer. For eksempel kan det være hensiktsmessig å ha en kombinasjon av to statorpoler og et hvilket som helst likt antall rotorpoler større enn 4, for eksempel 2/6, 2/8, .... 2/100 etc. Andre kombinasjoner, for eksempel 4/8, 4/10, 4/12, etc, 6/10, 6/12, 6/14, etc. o.s.v. kan også benyttes.

Videre kan spolene til fase-A og fase-B viklingene være plassert slik at hver stator inneholder fase-A såvel som fase-B spoler. Figur 27 illustrerer skjematisk en dobbel utpreget aksialfluks-permanentmagnetmaskin som haren 16 pols rotor 150. En første tostykke-stator 152 og en andre tostykke-stator 156. Rotoren 150 innbefatter permanentmagneter 155 og elektromagnetisk utpregede poler 157. Stator 152 omfatter en fase-A del 160, som har poler 151, og en fase-B del 162, som har poler 153. Stator 156 omfatter en fase-B del 164, som har poler 154 og en fase-A del 168 som har poler 158. Polene til fase-A delene 160 og 168 opplagrer spoler 170 som er koplet i serie og omfatter fase-A viklingen. Poler til fase-B delene 162 og 164 bærer spoler 172 som er koplet i serie og omfatter fase-B viklingen. På figur 27 er orienteringen av rotoren 150 i forhold til statorene 152 og 156 slik at alle de magnetisk fluksforbindelsene 127 som produseres av permanentmagnetene 155 kopler spolene 170 til fase-A viklingen. En annen implementering av topologien i denne utførelsen er hvor antallet rotorpoler R, er et heltall multippel av ti, mens antallet statorpoler, S, beregnes i samsvar med formelen S = R (4/5).

Figur 28 viser en utførelse av den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskin som har en dual rotorkonfigurasjon. Maskinen omfatter en første stator 200, en første rotor 202, en andre stator 204, en andre rotor 206, og en tredje stator 208, som hver har en ringformet fasong. Statorene 200, 204 og 208 innbefatter respektive bakjern 210, 212 og 214. Statoren 200 har en flerhet av langsgående orientert utpregede statorpoler 216 og statoren 208 har en flerhet av langsgående orienterte utpregede satorpoler 218. Polene 216 og 218 er likt fordelt rundt deres respektive statorer 200 og 208. Statoren 204 har to sidestilte flerheter av langsgående orienterte utpregede poler 220(a) og 220(b), hvor polene 220(a) og 220(b) er likt plassert rundt statoren 204.

Flere kopperspoler 222, 224(a) og (b), og 226 er koplet slik at spolene 222 og 226 omfatter fase-A viklingen og spolene 224(a) og (b) omfatter fase-B viklingen. Individuelle spoler 222 og 226 er anordnet rundt statorpolene 216 og 218. Individuelle spoler 224(a) og (b) er anordnet rundt statorpolene 220(a) og (b).

Figur 29 illustrerer at rotorene 202 og 206 er konstruert av flere langsgående orienterte permanentmagneter, henholdsvis 203 o 2025, som veksler mellom flere elektromagnetisk utpregede rotorpoler, henholdsvis 207 og 209, laget av for eksempel laminert stål. Gap G1tG2lG3 og G4 separerer stator 200 og rotor 202, rotor 202 og stator 204, stator 204 og rotor 206 og rotor 206 og stator 208.

Som vist på figur 28, er rotorene 202 og 206 stivt festet til en rotoropplagret 228, for eksempel ved hjelp av skruetype festemidler 230 og 231. Rotoropplagringen 228 er fastgjort i forhold til en hovedakset 232, for eksempel ved hjelp av en sveisesøm (ikke vist). Akselen 232 er dreibart opplagret i et hus 234 som har endeflate 236 og 238 og et sylindrisk legeme 240, og kan være direkte koplet, for eksempel til vindturbinrotor 235. Statorene 200 og 208 er stivt festet til endeflatene 236 og 238, for eksempel ved hjelp av skruetype festemidler 242 og 244. Statoren 204 er stivt festet til sylinderlegemet 240, for eksempel ved hjelp av skruetype festemidler 246.

I det tilfellet når antallet statorpoler er lik antallet rotorpoler (figur 29) er statorene 200, 204 og 208 orientert slik at når polene 207 og 209 er fullt innrettet med polene 220 til statoren 204, er permanentmagnetene 203 fullt innrettet med polene 216 og permanentmagnetene 205 er fullt innrettet med polene 218. Denne orientering av rotorer 202 og 206 forårsaker fluksforbindelser 127 produsert av permanentmagnetene 203 og 205 til å kople spolene 224(a) og (b)

(ikke vist på figur 28) til fase-B viklingen. På tilsvarende måte, når permanentmagnetene 203 og 205 er fullt innrettet med polene 220 (figur 30), er polene 207 og 209 fullt innrettet med de respektive poler 216 og 218. Denne orientering av rotoren 202 og 206 forårsaker fluksforbindelser 127 produsert av permanentmagnetene 203 og 205 til å forbinde spolene 222 og 226 (ikke vist på figur 30) til fase-A viklingen.

Den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinene er ikke begrenset til enkel eller dual rotorkonfigurasjoner. Det er også mulig med variasjoner som har tre og flere rotorer og forskjellige forhold mellom rotor og statorpoler.

Enn videre kan det også implementeres en radialfluks versjon av den doble utpregede permanentmagnetmaskinen, som vist på figur 31. En slik maskin omfatter en ytre stator 300 og en indre stator 302 som er konsentrisk orientert i forhold til den ytre statoren 300. Statoren 300 innbefatter en flerhet av radielt orienterte og like adskilte utpregede poler 304 som vender innover. En flerhet av kopperspoler 306, viklet rundt polene 304 og som er forbundet i serie, danner en A-fasevikling. Statoren 302 innbefatter en flerhet av radielt orienterte likt adskilte utpregede poler 308, som vender utover. En flerhet av kopperspoler 310, viklet rundt spolene 308 og koplet i serie, utgjør en fase-B vikling. Statorene 302 har respektive bakjern 312 og 314.

En konsentrisk rotor 316 er anordnet mellom den ytre stator 300 og den indre stator 302. Rotoren 316 omfatter flere permanentmagneter 318 som veksler med et likt antall elektromagnetisk utpregede rotorpoler 320, laget av for eksempel laminert stål. Permanentmagneter er plassert med lik avstand rundt rotoren 316 og i et antall som er lik antallet poler 304 og 308. Rotoren 316 kan være direkte koplet til en vindturbinrotor (ikke vist). Prinsippet for driften av denne utførelsen av oppfinnelsen er det samme som ved den doble utpregede aksialfluks permanentmagnetmaskinen beskrevet ovenfor.

Som med aksialfluksutførelsene av oppfinnelsen, kan forholdet mellom antallet rotorpoler og antallet statorpoler variere. Videre behøver ikke spolene i denne maskinen å være forbundet slik at spolene til en stator omfatter A-faseviklingen og spolene til den andre statoren omfatter B-fase viklingen.

De ovenfor angitte utførelser av den doble utpregede permanentmagnetmaskinen er bare gitt som eksempler. Rammen for oppfinnelsen må derfor ikke fastslås på bakgrunn av de gitte eksemplene, men er gitt i de medfølgende patentkrav og deres ekvivalenter.

Claims

1. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin, karakterisert ved at den omfatter: minst to statorer som er koaksialt fastgjort i forhold til hverandre; minst en rotor anordnet mellom de minst to statorene; og en tofasevikling som bæres av de minst to statorene.

2. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 1, karakterisert ved at hver av de minst to statorer innbefatter en flerhet av utpregede statorpoler og har en symmetriakse.

3. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 2, karakterisert ved at de utpregede statorpoler er tilformet langsgående i forhold til symmetriaksen.

4. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 2, karakterisert ved at de utpregede statorpoler er tilformet radialt i forhold til symmetriaksen.

5. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 1, karakterisert ved at den minst ene rotor innbefatter en flerhet av permanentmagneter.

6. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 5, karakterisert ved at permanentmagnetene veksler med elektromagnetisk utpregede rotorpoler laget av et magnetisk permeabelt materiale.

7. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 6, karakterisert ved at hver av de elektromagnetisk utpregede rotorpoler har en første og en andre side, og permanentmagnetene er polarisert slik at den første side har den samme magnetiske polarisering som nevnte andre side.

8. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 1, karakterisert ved at tofaseviklingen omfatter en første og en andre flerhet av spoler.

9. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin, karakterisert ved at den omfatter: minst to statorer som er koaksialt og sideveis anordnet i forhold til hverandre; minst en rotor anordnet mellom de minst to statorer; og en vikling som har en første fase og en andre fase, idet viklingen bæres av de minst to statorene.

10. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 9, karakterisert ved at hver av de minst to statorene har en flerhet av utpregede statorpoler og en symmetriakse.

11. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 10, karakterisert ved at de utpregede statorpoler er likt fordelt rundt hver av de minst to statorer og tilformet langsgående i forhold til symmetriaksen.

12. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 9, karakterisert ved at den minst ene rotor innbefatter en flerhet av permanentmagneter som er likt plassert rundt nevnte i det minste ene rotor og innskutt mellom en flerhet av elektromagnetisk utpregede rotorpoler laget av et magnetisk permeabelt materiale, idet hver av de elektromagnetisk utpregede rotorpoler har en første og en andre side, og omformeren er polarisert slik at den første side har den samme magnetiske polarisering som den andre side.

13. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 9, karakterisert ved at den første fase omfatter en første flerhet av spoler som er koplet i serie og den andre fase omfatter en andre flerhet av spoler som er koplet i serie.

14. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 13, karakterisert ved at den første flerhet av spoler bæres av en av de minst to statorer, og den andre flerhet av spoler bæres av den andre av de minst to statorer.

15. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin, karakterisert ved at den omfatter: minst to statorer som er koaksialt og sideveis anordnet i forhold til hverandre, idet hver av de minst to statorer har en symmetriakse og S utpregede statorpoler, hvor S er et likt heltall lik eller større enn to, og de utpregede statorpoler er likt fordelt rundt hver av de minst to statorer, og de utpregede statorpoler er tilformet langsgående i forhold til symmetriaksen; minst en rotor er innskutt mellom de minst to statorer, idet den minst ene rotor innbefatter P permanentmagneter, hvor P er et likt heltall lik eller større enn to, og permanentmagnetene er likt fordelt rundt den minst ene rotor og veksler med R elektromagnetisk utpregede rotorpoler laget av et magnetisk permeabelt materiale, hvor R er et heltall lik P; og en vikling som har en første fase og andre fase, idet viklingen bæres av de minst to statorer, og den første fase omfatter en første flerhet av spoler som er seriekoplet, og den andre fase omfatter en andre flerhet av spoler som er seriekoplet.

16. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 15, karakterisert ved atR = S.

17. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 15, karakterisert ved atR = S + 2.

18. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 15, karakterisert ved R = S + X, hvor X er et likt heltall lik eller større enn fire.

19. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 15, karakterisert ved at den første flerhet av spoler er viklet rundt de utpregede statorpolene til en av de minst to statorer, og den andre flerhet av spoler er viklet rundt de utpregede statorpolene til den andre av de minst to statorer.

20. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 15, karakterisert ved at den første flerhet av spoler er viklet rundt de utpregede statorpolene til begge de minst to statorer, og den andre flerhet av spoler er også viklet rundt de utpregede statorpolene til begge de minst to statorer.

21. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 20, karakterisert ved at R er et multippel av ti og S = R(4/5).

22. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 15, karakterisert ved at spolene består av kopper, det magnetisk permeable materialet består av stål, og de minst to statorer omfatter et stållaminat.

23. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin, karakterisert ved at den omfatter: minst tre statorer som er koaksialt og sideveis anordnet i forhold til hverandre; minst to rotorer innskutt blant de minst tre statorer; og en vikling som har en første fase og en andre fase, idet viklingen opplagres av de minst tre statorer.

24. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 23, karakterisert ved at de minst tre statorer definerer en første sideveis lateral stator, en andre sideveis eller lateral stator, og en midtstator, og hver av de minst tre statorer har S utpregede statorpoler, hvor S er et likt heltall lik eller større enn to, og den første fase omfatter en første flerhet av spoler og den andre fase omfatter en andre flerhet av spoler, og den første flerhet av spoler er viklet rundt de utpregede statorpolene til den midtre stator, og flerheten av spoler er viklet rundt de utpregede statorpolene til den første laterale og den andre laterale stator.

25. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 24, karakterisert ved at hver av de minst to rotorer har P permanentmagneter, hvor P er et likt heltall lik eller større enn to, og permanentmagnetene veksler med R elektromagnetisk utpregede rotorpoler laget av et magnetisk permeabelt materiale, hvor R er et heltall lik P.

26. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 25, karakterisert ved at R = S.

27. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 25, karakterisert ved at R = S +2.

28. Dobbelt-utpreget aksialfluks permanentmagnetmaskin i henhold til krav 25, karakterisert ved atR = S + X, hvor X er et likt heltall lik eller større enn fire.

29. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin for en direktedrevet vindturbin, karakterisert ved at den omfatter: minst to statorer som er koaksialt anordnet i forhold til hverandre; minst en rotor innskutt mellom de første minst to statorer og stivt forbundet med en vindturbinrotor; og en tofasevikling opplagret av de minst to statorer og elektrisk koplet til et bruksnett ved hjelp av en elektronisk konverter.

30. Dobbelt-utpreget permanentmagnetmaskin i henhold til krav 29, karakterisert ved at den elektroniske konverter omfatter en trefase-inverter som er elektrisk koplet til bruksnettet og en tofaseinverter som er elektrisk koplet til tofaseviklingen, og trefaseinverteren er koplet til tofaseinverteren med hjelp av en likestrømskopling.