专利名称：确定磁体设置的方法
技术领域：
本发明描述了一种针对电机的磁体确定磁体设置的方法。本发明还描述了设置电机的多个磁体的方法。本发明还描述了具有发电机和设置成这种磁体设置的多个磁体的风力涡轮机。
背景技术：
因为各种公知原因，电动机和发电机不能完美运转，并且多种因素能够损害整体效率。例如，由于转子的磁体和定子槽或定子齿之间的磁引力而导致齿槽转矩。在磁体/ 定子槽均被等距放置的均勻设置中，对于转子相对于定子的特定位置，磁体和定子槽之间的磁引力相对较大。小型电动机和发电机通常能够令人满意地被优化。但是，在大型机器中，例如风力涡轮机中的3 MW发电机中，齿槽转矩能够容易地到达标称转矩的5%的值。因为必须在启动时以及转子每次旋转期间多次克服这种力，所以其能够对发电机性能产生较大影响，缩短其寿命并且增加其噪音水平。因此，在发电机设计期间通常采取措施来减少齿槽转矩。另一个问题由转矩脉动造成，其是齿槽转矩和机器的气隙通量中的谐波所造成的额外转矩变化的和。这些谐波的来源通常是定子的铁、转子磁体和定子之间的距离等等。将定子槽的数量选择成磁体数量的倍数能够有助于将转矩脉动减少一定量。不过，转矩脉动仍然会对发电机的效率、使用寿命和噪音水平产生不良影响。存在多种方式来优化发电机的性能。不过，公知的方法是非常复杂的。例如，为了最小化齿槽转矩(这是在磁体或磁极同时被拖向定子齿时所导致的)，在称为“磁极移位”的过程中重新设置磁极以便它们不再彼此等距，能够导致齿槽转矩的减少。不过，该改进仅对于各定子齿的给定转子位置是理想的。而且，当为了减小齿槽转矩而移位磁极时转矩脉动甚至会增加。不过，对于被移位磁极的样式的模拟是非常成本密集型的，因为根据经验，计算时间随着磁极增加而呈指数增加，从而包含多个磁极的样式导致了非常长的计算时间。因为例如齿槽转矩和脉动的各种性能参数不具有相同的最佳方案，因此必要的是进行妥协或折中。例如，如果齿槽转矩被最小化，则不可能同时最小化脉动。另一个重要考虑是，磁极移位通常会导致反emf (电动势)和运行转矩的减小，这通常是个缺点，并且影响程度取决于所选的磁极移位样式。公知方法根据例如磁体放置、特定负载条件等已知参数、使用软件算法来模拟发电机性能。不过，定子和其他部件通常所用的铁是非常饱和的，从而使得方程非常非线性且复杂。准确分析需要数值化的场的解。为了优化解而改变越多的变量，则分析就变得越复杂。例如制造容差(例如偏心率)的因素能够导致实际性能不满足(模拟的)预期，因为被建模的几何构造显著不同于实际制造的机器。在基于许多磁体相对彼此进行磁极移位的方法中，机器几何构造的微小“误差”能够轻易地否定磁极移位的好处
发明内容
因此，本发明的目标在于提供用于确定电机磁极的最佳设置的明确且改进的方式。本发明的目标通过根据权利要求1的用于电机的转子或定子的磁体的磁体设置的方法、通过根据权利要求11的在电机的转子或定子上设置多个磁体的方法以及通过根据权利要求12的风力涡轮机来实现。根据本发明，确定电机的转子或定子的磁体的磁体设置的方法包括步骤识别所述电机的多个性能参数，所述性能参数将被调整；将多个相邻磁体指定成磁体组，其中磁体组包括参考磁体和至少一个其他磁体，所述其他磁体相对于参考磁体被设置；识别磁体组的多个不同磁体设置变量，使得磁体设置变量的数量等于性能参数的数量；根据对性能参数的所需调整来计算设置变量的值；以及根据所计算的设置变量来相对于磁体组的参考磁体设置磁体组的其他磁体。如背景技术中所述，在发电机运转期间，某些力能够用于损害发电机性能。显著的损害在于齿槽转矩和转矩脉动。在本文中，齿槽转矩和转矩脉动可以被看作是要被优化的 “性能参数”。也可以考虑其他性能参数，例如提供特定转矩所需的电流、由于齿槽转矩造成的结构振动、径向力、平均转矩等等。本发明的明显优点在于，在相对简单的过程中，能够通过仅调整最少数量的变量，针对这些性能参数中的一个或更多个来优化电机的性能。磁体设置变量的数量被限制成性能参数的数量。这显著地简化了确定变量改变对性能参数的影响所需的计算。仅使用最少数量的变量具有增加优化准确性的额外优点，因为能够向计算引入较少的误差。这会减小实现电机的整体成本，因为在生产之后需要花费较少的时间来进行精调。在机器运转期间可以实现进一步的节省，因为最小化了由于齿槽转矩、转矩脉动等而造成的损失、噪音和疲劳，从而允许机器在标准噪音水平限制内更有效率且可靠地运转。通过将磁体设置变量的数量限制成性能参数的数量，与现有技术方案相比，能更加简单且快速地实现对于机器性能的优化，其中在所述现有技术方案中许多磁体被磁极移位以便仅最小化一个或两个性能参数。此外，因为根据本发明的方法中的磁极样式是重复样式，所以由于机器对称性在场模拟时仅需要包括一个样式。根据本发明，根据使用上述方法确定的磁体设置，将多个磁体设置在电机的转子或定子上，并且在具有包括转子、定子和多个磁体的发电机的风力涡轮机中，磁体以这种方式被设置在转子上。根据本发明的确定磁体设置的方法特别适用于为风力涡轮机内发电机的转子或定子的多个磁体确定磁体设置。如下述描述所揭示的，通过从属权利要求给出了本发明的具体有利实施例和特征。不同实施例的特征可以适当地结合以得到进一步实施例。从电学观点，根据电机(例如发电机)构造的方式，电机的“场”或场部件可以是转子或定子。不过，通常，特别是在大型发电机中，转子是场部件并且承载磁体，而定子是电枢部件并且携带线圈绕组。因此，在下述描述中(但并不以此方式限制本发明)，假定了电机是发电机并且磁体被安装在转子上，不过根据本发明的用于确定磁体设置的方法还可以等同地应用于磁体被安装在定子上的实施方式。优选地，发电机包括直接驱动发电机。在本发明的优选实施例中，磁体组包括单个参考磁体，并且该磁体组的所有其他磁体能够相对于该一个参考磁体被调整。为了确保所确定的磁体设置导致所需性能，多个磁体中的每个磁体均应该被认为在一组中，即被包括在一组中，因为“脱离”磁体设置的任意磁体均会对发电机运转期间的性能产生不利影响。因此在本发明的优选实施例中，磁体的总体数量包括整数个相同磁体组，即磁体的总体数量是组大小的整数倍，并且所有组的组大小是相同的，以便没有磁体脱离于优化过程。在本发明的具体优选实施例中，每个磁体组的磁体均被等同地设置，即对于所有组而言磁体样式是重复的。通过以相同方式设置每组的磁体，更简单地实现了优化，因为模拟时间能够保持最小。而且，将磁体最终安装在转子上也被简化，因为每组的磁体均以其自身重复的样式被安装。优选地，组大小保持较小，以便磁体组仅包括几个磁体，例如最多四个，其中一个是参考磁体且其他磁体则通过相对参考磁体被移动和/或通过改变它们的宽度和/或通过使用交错磁极而被调整。通过使用针对所有磁体被重复的这种小的组或样式，机器几何构造中与磁体设置有关的任意标准化误差均能够良好地通过机器其他地方的不可避免误差 (例如部件的小尺寸偏差、转子偏心率等等)所抵消或无效。虽然在实际应用中，组大小可以在磁极总数量的5%范围内，不过根据本发明的方法可以用于更大的组大小。例如，可以想到，组可以包括磁极总数量的四分之一，以便磁极被实际划分为四个这样的组。根据本发明的方法中，任意适当磁体设置变量能够被选择用于性能参数的优化。 在本发明的优选实施例中，磁体设置变量包括磁体组中相邻磁体之间的距离。组中其他磁体和参考磁体之间的距离能够被改变以便调整性能参数。其他变量也是可能的。在本发明的另一优选实施例中，例如，磁体的宽度可以被改变(在计算机模拟中)以便调整性能参数。因此在本发明的一种优选实施例中，磁体组包括两个磁体；设置变量包括该磁体组的参考磁体与该磁体组的另一磁体之间的距离；性能参数包括齿槽转矩，并且设置变量根据齿槽转矩的所需减小而被计算。以此方式，确定每组中两个磁体的最佳设置。针对转子的所有磁体重复这种样式。当磁体被安装到转子上时，参考磁体被置于“标准”位置，并且所述另一磁体根据距其相应参考磁体的计算距离被安装。在本发明的另一优选实施例中，磁体组包括三个磁体；第一设置变量包括该磁体组的参考磁体和第一其他磁体之间的距离；第二设置变量包括该磁体组中的参考磁体和第二其他磁体之间的距离；性能参数包括齿槽转矩和脉动转矩，并且其中根据齿槽转矩的所需减小且根据脉动转矩的所需减小来计算所述第一和第二设置变量。以此方式，确定各组中三个磁体的最佳设置。针对转子的所有磁体重复这种样式。当磁体被安装到转子上时， 参考磁体被置于“标准”位置，并且其他磁体根据距其相应参考磁体的计算距离被安装。除了齿槽转矩和转矩脉动之外，还可以优化其他参数。例如，对于风力涡轮机，对应于主流风速的特定负载点可以被看作是感兴趣的主要负载点，并且可以考虑这样的负载点来确定磁体设置。而且，较小负载时的脉动可以通过最小化电流而被最小化，这还能够通过适当地操纵磁体设置来实现。除了最小化电流之外，可以最大化预期负载概况(即在特定负载下机器预期运转时间)的整体效率。能够使用本领域技术人员公知的任意适当技术来实现优化。例如，能够通过实验性地定位来确定磁体位置。优选地，方法的步骤被迭代地/反复地执行。为此，能够使用针对选定变量的估计值来选择合理“起点”。还能够估计对于性能参数的可获得调整，并且将其用作优化过程的目标。之后，在迭代序列中，变量能够被调整直到获得所需或令人满意的性能参数。优选地，在计算机模拟中执行方法步骤，例如使用有限元分析。结合附图考虑下述具体描述将显而易见到本发明的其他目标和特征。不过，应该理解，附图仅用于图释性目的并且不作为对于本发明限制的定义。
图1示出了贯穿发电机的一部分的横截面，其示出了定子以及在转子上磁体的现有技术设置；
图2示出了根据本发明针对发电机的两种性能参数的第一磁体设置的示意图； 图3示出了贯穿具有根据图2的磁体设置的发电机的一部分的横截面； 图4示出了根据本发明针对发电机的两种性能参数的第二磁体设置的示意图。
具体实施例方式在附图中，自始至终，同样的附图标记指代同样的对象。附图中的对象不必要成比例绘制。图1示出了贯穿发电机3的非常简化的横截面，其示出了转子1和定子2以及设置在转子1上的多个磁体M。在常规简单设置中，磁体M均彼此等距地间隔开。定子2包括限定多个槽2b的多个齿2a，所述多个槽2b用于装纳定子绕组(未示出)。定子2且因而定子齿加通常由钢制成，以便在运转期间，磁力作用在磁体M和定子齿加之间，称为齿槽转矩。图2示出了根据本发明针对发电机的两种性能参数要实现第一磁体设置10所采取的步骤中的一些步骤。首先，磁体M (在图的部分A中示出且初始为等距的)将被划分成组。因为将要优化两种性能参数，所以设计者可决定相对于参考磁体操纵两个磁体。在这个示例中，可以假定转子磁体磁极M的总体数量能够被三除。因此磁体M被划分为三极组， 即均由三个磁体构成的组G3，即一个参考磁体Mref和两个其他磁体M1、M2。每个组均在转子的表面上占据特定径向跨度S。设计者可决定在优化两种性能参数的过程中使用在参考磁体Mref和第一磁体Ml之间的间隔或间距d31以及在参考磁体Mref和第二磁体M2之间的间隔或间距d32，其中组的跨度S保持不变。在迭代过程中，例如使用适当软件程序的迭代过程中，能够确定磁体Ml、M2相对于参考磁体Mref的最佳放置以便得到齿槽转矩的所需减小以及脉动转矩的所需减小。之后，在发电机制造期间，根据所确定的间隔d31、d32将磁体M设置在转子的外侧上。在图3中以贯穿发电机3的部分横截面的方式示出了这种设置10的一部分。使用如上所述针对各三极组G3中的参考磁体Mref和其他磁体Ml、M2所计算出的磁极距间隔 d31、d32来将磁体M安装在转子1的外侧上，其中各组的径向跨度保持恒定，如图2所述。图4示出了根据本发明针对发电机的两种性能参数的第二磁体设置20的示意图。 在这种情况下，设计者可以决定相对于参考磁体仅操纵一个磁体。因此，磁体M被划分为两极组，即均由两个磁体构成的组G2，即一个参考磁体Mref和一个其他磁体Ml。设计者可决定使用在参考磁体Mref和另一磁体Ml之间的间隔d21以及一个或两个磁体的宽度w (在这种情况下是所述另一磁体Ml的宽度w)，其中各组的径向跨度保持恒定，如图2所述。同样，在迭代过程中，能够确定磁体Mref、Ml的最佳构造20以便得到所需参数。虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，不过应该理解在不背离本发明范围的情况下能够对其做出大量额外改型和变型。为了简明，应该理解贯穿本申请“一”或“一种”的使用不排除多个，“包括”不排除其他步骤或元件。
权利要求
1.一种确定电机(3)的转子(1)或定子(2)的磁体(M)的磁体设置(10，20)的方法，该方法包括步骤-识别所述电机(3)的多个性能参数，所述性能参数将要被调整；-将多个相邻磁体(M)指定成磁体组(G2，G3)，其中磁体组(G2，G3)包括参考磁体 (Mref)和至少一个其他磁体(Ml，M2)，所述其他磁体(Ml，M2)相对于所述参考磁体(Mref) 被设置；-针对所述磁体组(G2，G3 )识别多个不同磁体设置变量(d21，d31，d32，w)，其中所述磁体设置变量(d21，d31，d32，w)的数量等于性能参数的数量；-根据性能参数的所需调整来计算设置变量(d21，d31，d32,w)的值；以及-根据所计算的设置变量(d21，d31，d32，w)相对于磁体组(G2，G3 )的参考磁体(Mref ) 设置该磁体组(G2，G3)的其他磁体(Ml，M2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中磁体组(G2，G3)包括单个参考磁体(Mref)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中磁体(M)的总体数量包括整数数量的相同磁体组(62，63)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中各磁体组(G2，G3)的磁体(Mref，Ml, M2)被等同地设置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中磁体设置变量(d21，d31，d32)包括磁体组(G2，G3)的相邻磁体(Mref，Ml，M2)之间的距离(d21，d31，d32)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中磁体设置变量(w)包括磁体组(G2)的磁体(Ml)的宽度(w)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中磁体组(G2)包括两个磁体(Mref，Ml); 所述设置变量(d21)包括该磁体组(G2)的参考磁体(Mref)和该磁体组(G2)的另一磁体 (Ml)之间的距离(d21)；所述性能参数包括齿槽转矩，并且其中所述设置变量(d21)根据齿槽转矩的所需减小被计算。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中磁体组(G3)包括三个磁体(Mref，Ml， M2);第一设置变量(d31)包括该磁体组(G3)的参考磁体(Mref)和第一其他磁体(Ml)之间的距离(d31)，并且其中第二设置变量(d32)包括该磁体组(G3)的参考磁体(Mref)和第二其他磁体(M2)之间的距离(d32);所述性能参数包括齿槽转矩和脉动转矩，并且其中所述设置变量(d31，d32)根据齿槽转矩的所需减小和脉动转矩的所需减小被计算。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法的所述步骤被迭代地执行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法的所述步骤在计算机模拟中被实现。
11.一种根据使用权利要求1-10中任一项所述的方法确定的磁体设置(10，20)在电机 (3)的转子(1)或定子(2)上设置多个磁体(M)的方法。
12.—种具有包括转子(1)、定子(2)和多个磁体(M)的发电机(3)的风力涡轮机，其中所述磁体(M)根据权利要求11所述的方法的磁体设置(10，20)被设置在所述转子(1)上。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其中所述发电机包括直接驱动发电机。
14.在确定根据权利要求12或权利要求13的风力涡轮机的磁体设置(10，20)时对于根据权利要求1-10中任一项所述的方法的使用。
全文摘要
本发明涉及确定电机的转子或定子的磁体的磁体设置的方法，该方法包括步骤识别电机的多个性能参数，该性能参数将要被调整；将多个相邻磁体指定成磁体组，其中磁体组包括参考磁体和至少一个其他磁体，该其他磁体相对于参考磁体被设置；针对所述磁体组识别多个不同磁体设置变量，其中所述磁体设置变量的数量等于性能参数的数量；根据性能参数的所需调整来计算设置变量的值；以及根据所计算的设置变量相对于磁体组的参考磁体设置该磁体组的其他磁体。本发明还描述了在电机的转子或定子上设置多个磁体的方法。本发明还描述了具有发电机的风力涡轮机，该发电机包括转子、定子和以这种磁体设置设置在转子上的多个磁体。
文档编号H02K1/00GK102420467SQ20111028547
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月23日 优先权日2010年9月24日
发明者格罗恩达尔 E., 安德森 K., 彼得森 K. 申请人:西门子公司