專利名稱：雙層轉子風力發電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力發電機，特別涉及一種具有新型雙層轉子結構的風力發電機。
背景技術：
傳統的風力發電機通常由一組轉子和一組定子來構成，轉子在風力的帶動下旋轉，線圈切割磁力線產 生電流。這種單層轉子磁片結構產生的磁場由許多類似環狀分布磁力線組成。線圈在這樣的磁場中運動時, 其效率比較低。
發明內容
本實用新型通過改進發電機的轉子的結構，進而優化線圈運動軌跡上的磁場分布，來大幅度提高通過 線圈的磁通量，從而提高發電機的效率。本實用新型的特征是風力發電機的轉子具有環形兩層結構，其 轉子外層和轉子內層構成一個凹陷的U字型的環槽；在轉子外層和轉子內層相向的表面分別安裝有外層磁 片和內層磁片；固定在定子上的線圈夾在這個凹陷的環槽中。內外層轉子上的磁片成對匹配，磁片相對的 兩個面的極性相反。
通過對比圖1和圖2，可以清楚地看到這兩種轉子結構所產生的磁場的區別。圖2中，雖然內外層磁
片的外側的磁場與單層轉子的磁場是類似的，但是內外層之間的磁場，也就是線圈實際上所經過的部分磁 場，其磁力線基本上是與線圈的運動軌跡相垂直的。由于釆用了配對的內外層磁片結構，線圈在這樣的磁 場內運動時，磁通量明顯要比在圖1的磁場中大許多。本實用新型的有益效果正是在于通過雙層轉子結構 所帶來的磁場的優化，能有效提高風力發電機的發電效率。
作為一種優化結構，所述的雙層轉子的內外層磁片的沿圓周的寬度與磁片到發電機機軸的距離成正 比，或接近于正比。或者說內外層磁片相對于機軸軸心的張角大小接近相同。在圖5中，相對于機軸5的 軸心，外層磁片20和內層磁片40具有相同的張角e ，也就是說它們各自沿圓周的弧線長度與它們到軸心 的距離成正比。
更進一步，通過改進發電機的轉子上內外兩層磁片之間的距離分布關系，可以進而優化線圈運動軌跡 上的磁場強度分布，從而獲得更接近于正弦曲線的電流輸出。具體的改進特征是風力發電機的雙層轉子 上的每對內外磁片之間的徑向距離，在越靠近磁片兩邊的位置越大。
圖3和圖4顯示的就是雙層轉子風力發電機的內部機構；圖2顯示了這種雙層轉子上的磁片之間的磁 場狀況，可以看到磁片中心到兩邊的磁場強度的變化沒有形成理想的梯度。這是因為每對磁片的中心一直 到兩邊的徑向間距沒有差異造成的，圖6更清晰地顯示了這種狀況，其中，外層磁片20和內層磁片40之 間各個位置的相對于機軸5為中心的徑向間距存在下面的關系
do = di = d2
圖7顯示了改進方案，其中，外層磁片20和內層磁片40之間各個位置的相對于機軸5為中心的徑向 間距存在下面的關系
do》di > d2， do > d2
圖8顯示了改進后的磁場強度分布狀況。圖中的環形虛線代表線圈的相對運動軌跡。對比圖2，可以
看到磁力線的密度，也就是磁場的強度，在沿著線圈的相對運動軌跡上有明顯的梯度變化靠近磁片中心
位置的磁場強度得到了加強，相鄰的兩個外層磁片的邊緣處的小的磁力線回路離線圈的相對運動軌跡更 遠，相鄰的兩個內層磁片的邊緣處的小的磁力線回路也是如此。
圖9顯示了磁片間距改進后的發電機的內部結構。
使磁片間各個位置的間距不同有許多實現方法。在后面的實施例中分別介紹了釆用圓弧形、平面形和 橢圓面進行組合的方案。
更進一步的優化需要通過曲線函數來描述磁片的截面外形。
圖10的上半部分的平面坐標系(x,y)中的曲線L是橢圓的長軸V左邊的一半，L上的點P的坐標是 (a,b)。
當線圈做直線相對運動時，這里的曲線L就是一種理想的磁片的截面外形。但是，線圈實際上是做圓 周相對運動的。所以，需要對曲線L做極化變形處理。這里的極化變形，是以發電機的機軸中心為圓點， 以橢圓的長軸距離機軸中心的距離為半徑的變形。圖10的下半部分顯示了變形后的情形，圓心0是機軸 中心，橢圓的長軸V變形為圓弧V',曲線L變形為L' ， L上的點P(a，b)對應到極坐標系中的點P' (a， "),這里的a是點P'到點0的距離，它與點P(a,b)中的a相等；"是角度，滿足下面的關系式
cj = b / a
曲線L'就是變形后的內彎的優化曲線，在實際加工制作磁片時，并不一定需要采用完整的曲線L', 可以只采用曲線L'的一部分，以z軸為中心左右對稱就可以了。
圖11顯示了橢圓的長軸V右邊的一半進行同樣的極化變形前后的對應情形。平面坐標系(x，y)中的 曲線L變形為極坐標系中的L'，點P (a,b)對應到點P' (a,")，它們的坐標值仍然滿足關系式
w = b / a
對于具體的外層磁片來說，它的徑向截面的朝向內層磁片的邊線就是圖IO中的曲線L'，或者是其一 部分；而對于內層磁片來說，它的徑向截面的朝向外層磁片的邊線就是圖11中的曲線L'，或者是其一部 分。這里所說的一部分是以軸z為中心兩邊對稱的。
圖1是單層轉子的磁場磁力線分布示意圖。 圖2是雙層轉子的磁場磁力線分布示意圖。 圖3是雙層轉子風力發屯機的內部結構示意圖。 圖4是沿圖3的A-A向的剖視圖。
圖5是配對的內外層磁片的寬度與磁片到機軸的距離之間的關系示意圖。
圖6是配對的內外層磁片間距示意圖。'
圖7是配對的內外層磁片的間距不一致的情形示意圖。
圖8是在線圈相對運動軌跡上的內外層磁片間的磁場強度分布狀況示意圖。
圖9是采用不等距內外層磁片的發電機內部部分結構示意圖。
圖IO是橢圓上的曲線L做內彎極化變形前后對照示意圖。
圖11是橢圓上的曲線L做外彎極化變形前后對照示意圖。
圖12,圖13和圖14是配對的內外磁片間距改進的三種實施例。
圖中l.轉子；12.轉子外層；14.轉子內層；20.外層磁片；40.內層磁片；3.定子；30.線圈；5.機 軸;11.轉子外層上的突起。
圖中的符號含義為e為內外層磁片相對于機軸軸心的張角；do, di, d2為內外層磁片間不同位置 的徑向間距；P (a，b)是在平面坐標系(x，y)中的曲線L上的任一個點；P' (a,")是極坐標系中的曲線 L'上的點，它與點P存在極化變形前后的對應關系；點O是機軸的圓心。
具體實施方式
以下結合附圖來說明本實用新型的具體實施方式
。
圖3中，轉子1固定連接在發電機的機軸5上，轉子1具有環形兩層結構轉子外層12和轉子內層 14構成一個凹陷的U字型的環槽，在它們相向的表面分別安裝有外層磁片20和內層磁片40。固定在定子 3上的線圈30就夾在這個凹陷的環槽中；線圈30和轉子上的內外層磁片之間留有一定的間隙，以保證轉 子的自由旋轉。定子3與機殼固定連接，機殼在圖3中省略了。
當轉子1在與機軸5相連的風葉的帶動下旋轉時，線圈30就與內外層磁片之間的磁場產生了相對運 動。線圈切割磁力線，從而產生電流。
圖4是沿與機軸垂直的A-A向的發電機內部結構剖視圖。轉子外層12與外層磁片20構成了外層的大 環；轉子內層14與內層磁片40時構成了內層的小環；而線圈30夾在內外環之間。
為了方便磁片均勻地分布在轉子上，在轉子外層12上均勻地分布有突起11。同樣地轉子內層上也可 以有類似的結構。
圖5顯示的是優化的內外層磁片尺寸比例。相對于機軸5的軸心，外層磁片20和內層磁片40具有相 同的張角G ,也就是說它們各自沿圓周的弧線長度與它們到軸心的距離成正比。
圖12顯示了一種內外磁片間距改進的實施方式，其中外層磁片20的內側表面是平面，作為徑向剖面 示意圖，在圖中顯示的是直線；而內層磁片40的外側表面是個曲面，在圖中顯示的是一條曲線，該曲線 是以機軸5的中心為圓心的圓弧。
圖13是在圖12的基礎上的進一步改進。在內層磁片40的外側表面的兩端做了小的圓弧處理，使得 兩個邊緣距離線圈的相對運動軌跡更遠一些。
圖14是另外一種改進實施方式。外層磁片20的內側表面是個曲面，在圖中顯示的是一條曲線，該曲
線是以機軸5的中心為圓心的圓弧；而內層磁片40的外側表面也是一個曲面，在圖中顯示的是另一條曲 線，這條曲線不是以機軸5的中心為圓心的圓弧，它是一個橢圓圓弧的一部分。 通過調整橢圓的軸長和偏心率，可以調整兩個磁片之間各個位置的間距。
權利要求1. 一種雙層轉子風力發電機，包括轉子(1)、定子(3)和機軸(5)，其特征在于所述的轉子(1)具有環形兩層結構，其轉子外層(12)和轉子內層(14)構成一個凹陷的U字型的環槽；在轉子外層(12)和轉子內層(14)相向的表面分別安裝有外層磁片(20)和內層磁片(40)；固定在定子(3)上的線圈(30)夾在這個凹陷的環槽中；安裝在所述轉子外層(12)和轉子內層(14)上的外層磁片(20)和內層磁片(40)成對匹配，極性相反。
2. 根據權利要求1所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述轉子外層(12)和/或轉子內層(14) 上具有均勻分布的突起(11)。
3. 根據權利要求1所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于安裝在所述轉子外層(12)和轉子內 層(14)上的外層磁片(20)和內層磁片(40)相對于機軸中心的張角大小相同或相近。
4. 根據權利要求1所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于同樣數目的外層磁片(20)和內層磁 片(40)圍繞發電機的機軸(5)環形均勻分布。
5. 根據權利要求1至4之一所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述的配對的外層磁片(20) 和內層磁片(40)的徑向間距，在內外磁片的中部最小，越靠近磁片兩側則越大。
6. 根據權利要求5所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述的外層磁片(20)的徑向截面的 朝向內層磁片的邊線是一個橢圓形極化變形后的一部分。
7. 根據權利要求5所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述的內層磁片(40)的徑向截面的 朝向外層磁片的邊線是一個橢圓形的一部分。
8. 根據權利要求5所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述的內層磁片(40)的徑向截面的 朝向外層磁片的邊線是一個橢圓形極化變形后的一部分。
9. 根據權利要求5所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述的外層磁片(20)的徑向截面的朝向內層磁片的邊線是一個橢圓形極化變形后的一部分，所述的內層磁片(40)的徑向截面的朝向外層磁 片的邊線是另一個橢圓形極化變形后的一部分，這兩個橢圓的長軸的長度與它們各自到發電機機軸軸線的 距離成正比。
10.根據權利要求9所述的雙層轉子風力發電機，其特征在于所述的兩個橢圓的偏心率相同。
專利摘要本實用新型涉及一種風力發電機，特別涉及一種具有新型雙層轉子結構的風力發電機。本實用新型通過改進發電機的轉子的結構，進而優化線圈運動軌跡上的磁場分布，來大幅度提高通過線圈的磁通量，從而提高發電機的效率。本實用新型的特征是風力發電機的轉子具有環形兩層結構，其轉子外層和轉子內層構成一個凹陷的U字型的環槽；在轉子外層和轉子內層相向的表面分別安裝有外層磁片和內層磁片；固定在定子上的線圈夾在這個凹陷的環槽中。內外層轉子上的磁片成對匹配，磁片相對的兩個面的極性相反。更進一步，通過改進發電機的轉子上內外兩層磁片之間的距離分布關系，可以進而優化線圈運動軌跡上的磁場強度分布，從而獲得更接近于正弦曲線的電流輸出。
文檔編號H02K21/02GK201207588SQ200820104208
公開日2009年3月11日 申請日期2008年4月28日 優先權日2008年4月28日
發明者江 曹, 軍 許 申請人:曹 江;劉 宏