[发明专利]轴向磁通发电机

说明书

一种轴向磁通旋转发电机，包括：两个磁环；线圈环；磁环和线圈环具有公共轴线；两个磁环限定围绕公共轴线的、延伸跨越两个磁环之间的间隙的多个磁场，线圈环在所述间隙中具有围绕公共轴线的一系列线圈，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，由此当磁环相对线圈环旋转时，在线圈中生产感应电流；其特征在于线圈包括缠绕的扁平带状导体。

背景技术

本发明涉及在轴向磁通发电机的定子内部所使用的线圈的设计改进。特别地，其涉及在WO 2015/075456和WO 2016/079537中描述的直接驱动永磁发电机类型中所使用的定子的线圈的改进。

这种发电机的具体应用是用于风力涡轮机中。这种发电机的结构和操作方法使得慢速旋转直接驱动配置成为可能。也就是说，发电机转子可以直接耦合到涡轮的叶片转子，从而避免了使用齿轮箱。这在提高可靠性和降低噪音方面具有显著的运行优势。

可以从全球各种不同的来源获知，在长期的实践中，是采用传统绝缘圆形截面铜线绕制定子线圈。

发明内容

根据本发明，提供了一种轴向磁通旋转发电机，包括：两个磁环；线圈环；所述磁环和所述线圈环具有公共轴线；两个磁环限定围绕公共轴线的、延伸跨越所述两个磁环之间的间隙的多个磁场，所述线圈环在所述间隙中具有围绕公共轴线的一系列线圈，使得来自所述磁场的磁通量线切割线圈的匝数，由此当使磁环相对线圈环旋转时在线圈中产生感应电流；线圈包括缠绕的扁平带状导体，其特征在于，线圈环夹在两个磁环之间，并在间隙中承载线圈；其中扁平带状导体的轴向宽度在所述线圈环的轴向宽度的+1％至-5％内，并且线圈的轴向宽度在线圈环轴向宽度的+1％和-5％范围内。

优选地，扁平条带的宽度是其厚度的几倍或更多倍。通过这种方式，采用螺旋状绕线是可行的，其中每一层精确地搁置在前一层上，由此电导体占据定子线圈的整个容积空间。对于特定类型的导体，可以获得几乎100％的填充系数，从而明显地将电输出最大化。与之相比，对于缠绕具有传统圆形截面的线的定子线圈，其具体绕线问题在于将实际有效的填充系数限制在了78％以下。

使用带状导体的一个主要的从属优点涉及其易于缠绕，特别是对于直径超过0.5m的非常大的线圈，并且当线圈的轮廓(即线圈的截面形状)是椭圆形而不是圆形时尤其如此。

任何电动机或发电机绕组的首选导体都是铜，它的导电性是所有金属中最高的。实际上，可采用带状形式，用于缠绕本发明的定子线圈。使铜带绝缘的有效措施包括上光或使用裸铜以及随后在缠绕过程中交错缠绕塑料绝缘带。

然而，具有吸引力的替代方式是使用铝。虽然铝没有铜那样好的导电性，但它相比铜有其特殊的优势。首要一方面就是铝可阳极氧化来影响绝缘性，这是通过在表面微观水平上的化学变化来提供绝缘层。通常，这种绝缘的厚度是几微米的量级，就厚度为半毫米(500微米)的条带而言，对电阻率的影响完全不显著。因此，根据本发明的一个方面，定子线圈由在其一侧或两侧阳极氧化的铝带形成。这与铜形成鲜明对比，铜使用绝缘清漆或交织塑料条确实在材料方面对单位面积的有效电阻有影响。

使用铝作为导体所带来的其他优点与密度和成本有关。铝的密度大约是铜的一半，按重量计算，是成本的一半(按2016年的价格计算)。因此，由铝带形成的线圈可能要花费相当于铜线圈的四分之一。提供额外的定子线圈、特别是数量多20％的定子线圈，以补偿由于铝相对于铜的电阻率较高而减少的电力输出，在整体材料成本和重量节省方面依然是有优势的。

另一个因素与热密度有关。铝带形成的线圈可以在远高于铜的温度下工作和存续。这降低了冷却问题的敏感性，并提供了更长期的可靠性。