CN108475974A - 可扩展的发电机 - Google Patents

Abstract

一种用于发电机的方法、***和设备，该发电机包括可动态选择的数量的发电机盘组件。

Description

可扩展的发电机

技术领域

本发明涉及发电机，并且更具体地涉及能够利用直接驱动的发电机产生电力的任何类型的应用。

背景技术

在例如风力涡轮机产业中，根据功率和速率要求定制设计齿轮箱是常见方法。因此对于该产业来说问题在于，在许多风力发电应用中，额外的齿轮箱增加了涡轮机中的重量和移动部件的数量。为了克服这种缺点，在该产业中典型地使用直接驱动涡轮机方案，然而对于功率大于6-7MW的发电来说，即使在直接驱动涡轮机中尺寸也会增加，并且这变成了限制因素，并且使用该方法的可行性变得不切实际。

相比于直接驱动的涡轮机，齿轮箱提高了发电机中的开销(overhead)功率消耗，同时直接驱动的涡轮机必须被格式化为最大发电量，因此由于尺寸和重量限制，发电量大于6-7MW不切实际。

因此，现有技术中的技术问题在于，涡轮机在发电量超过特定功率水平(典型地6-7MW)时具有太多的功率开销。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种解决上述技术问题的发电机，其针对风车发电中的使用进行优化，具有较少功率开销。本发明可以很好地被用于其他发电应用以及任何功率范围(当功率水平低于6-7MW时亦可)。

本发明提供了电枢-转子组件，其包括没有穿过发电机的居中布置的轴的发电机盘堆叠(disc stack)。该盘堆叠包括一个或多个盘组件，所述盘组件包括发电机定子和发电机转子两者，其中旋转/活动的转子的数量动态地适应于诸如风速的可用的实际电源。

发电机盘包括固定的电枢绕组，其从定子盘的周缘向外伸出。作为旋转元件的转子围绕定子盘布置，并且包括朝向盘电枢绕组向内伸出的强电磁体。转子中的磁体的布置在转子环的整个圆周上面向定子分别以北极和南极进行交替。当机械力被施加至转子时，诸如风套管(wind casing)风车涡轮机叶片旋转，造成转子旋转并且进而在非旋转的电枢的绕组中产生电能。

本发明的另外一个目的在于提供包括多个发电机盘组件的发电机组件，每个盘组件包括电枢布置、转子和控制***。发电机的完整发电机组件可以包括在盘堆叠中的“n”个发电机盘组件，其匹配例如可能可用于驱动组件中的转子盘的涡轮机的机械旋转力。

另一个目的在于，通过在发电期间的任何给定时刻选择性地使用附接至发电机组件的一个或多个转子盘的数量来提供灵活的发电曲线(profile)。这通过增加/减少一个或多个活动的转子盘来实现，使得发电机组件曲线匹配可用于涡轮机的机械电力曲线。

由涡轮机等产生的扭矩被用于连接至一个或多个活动的转子的轴布置。本发明的一个实施例可以包括多个电枢-转子盘组件，其中这些组件被堆叠在一起并且每个盘组件与相邻侧发电机盘组件对齐。该组堆叠的电枢盘组件可以借助于延伸通过定子盘中适当间隔的预制孔的螺栓保持在一起。在盘堆叠的外周端，端板可以被附接至转子堆叠。端板可以与盘堆叠的侧后角(side relief)相同的圆形构造，并且可以进一步包括用于中心固定或整体安装且向外伸出的轴的基部。被联接至封装盘(其封装转子堆叠的部分)的轴用于将机械力、来自涡轮机的动能传递至转子堆叠，该转子堆叠在给定的调节速率下绕电枢旋转时在电枢线圈中产生可以被转移至电网的电力，并且此外该产生的电力的一小部分可以被存储在电荷存储单元中。

本文中的术语“电枢”或“电枢绕组”包括一组线圈绕组的含义，电枢绕组收集来自转子的旋转磁场产生的电流/电力。

本文中的术语“能量存储器”和“电源”可以包括能够供电或者收集来自本发明的发电机的电力的电池和/或电容器组或等效存储器的含义。

术语“水平和竖直”被用于标识附图中以水平或者竖直方式布置的具体部分。然而，如果发电机堆叠以随机取向布置，那么这些元件仍然是本发明的一部分，即使它们可能不是水平的或竖直的。

在本文件中，术语“定子极”应该包括具有或不具有线圈的绕组的定子极自身的含义，使得例如当谈论磁化的定子极时，其还包含馈送有电流的绕组。

附图说明

在随附的非限制性附图中描述了本发明的特征，其中，

图1A和图1B以竖直杆构造的2个不同实施例描绘了堆叠的发电机盘组件的截面布局，所述堆叠的发电机盘组件包括转子和电枢线圈。

图2A和图2B以竖直杆构造的2个不同实施例示出了堆叠的发电机盘组件的截面视图，所述堆叠的发电机盘组件包括转子和电枢线圈，还包括转子输送器布置；

图3示出了包括载体(carrier)和夹持件的转子定位机构的侧视图。

图4A和图4B以竖直杆构造的2个不同实施例示出了活动的/不活动的转子盘的输送器和和保持杆的简化三维视图。

图5A-图7A和图5B-图7B以竖直杆构造的2个不同实施例示出了增加(图5和图6)或者减少(图7)发电机组件中活动的转子盘的数量的顺序。

图8示出了发电机的操作过程的框图，涉及关于涡轮速率控制转子盘的添加或移除。

图9示出了装配接头的放大视图，其可以被用于将相邻的转子盘框架贴附在适当位置。

图10A示出了具有稳定风速的典型的风力涡轮机输出的图。

图10B示出了根据本发明的具有稳定风速的风力涡轮机输出的图。

图11示出了一个发电机单元组件的截面视图的变型，其包括转子盘环、具有线圈的定子极以及处于转子的中心部分的电子控制***。线圈绕组被标识出。

图101a和图101b是一个电机单元组件的截面视图的两个变型，其包括转子盘环、具有线圈的定子极以及处于转子的中心部分的电子控制***；

图102描绘了堆叠的电机盘组件的截面视图；

图103示出了用于将相邻的转子盘框架贴附在适当位置的装配接头的放大视图。

图104示出了定子框架和具有绕组的电枢的截面视图，及其相对于被贴附至转子框架的成对转子磁体的厚度。

图105描绘了轴、轴承、至电机的线缆、定子支座、以及转子实心盘杯(cup)的可能的布置。

图106示出了电力从能量源流向电机的顺序以及回收的电力从电机引导至能量源的顺序的方框示意图。

图107示出了电机的操作过程的框图，其涉及控制电力流向定子、反馈以及转子操作步骤。

具体实施方式

参照附图1-图10，在图1A和图1B中示出了根据本发明的发电机盘组件30，并且在例如图101a中示出了相同发电机盘组件的截面视图。在一个实施例中，部件和结构可以与在图101-图107中描述的电机组件相同。转子环/框架1包括多对磁体2，其中磁体2向内布置在转子环1的内表面上，并且磁体可以是任何类型的适合的磁体/电磁体。转子环1被布置在电枢组件3、31、104、106、105的外部，其包括定子框架、向外伸出的定子极以及在定子极上对应的电线绕组，导致当电流被施加至绕组时磁通为由缠绕方向限定的极性。转子的面向内部的磁体面向定子的向外伸出的磁体。相邻磁体之间的间距在转子环1的整个圆周上都相同。定子31的电枢线圈3被布置为具有与转子相同的适合的空气间隙32。可以定制空气间隙32，以考虑振动、起动转矩要求、磁场强度和其他参数。典型地，空气间隙32被设计为尽可能小。影响空气间隙32的因素例如是磁场强度和线圈的散热能力。

为了使电枢组件31保持静止(处于静止)并且不受一个或多个转子30的运动的影响，在电枢-转子组件内部设置带有轴承6、7的圆形框架8。根据本领域已知的技术，电枢内的轴承布置需要被联接至转子10的轴承框架，其进而通过轴34保持在一起。

转子10旋转的速率是连接的涡轮机轴4的速率的函数，并且因此所产生的电能取决于涡轮机旋转的速率。发电机组件的尺寸是可定制的，并且例如每个转子1框架的宽度可以具有任何尺寸。

可以定制转子框架1和定子盘31的直径、定子绕组3的数量以匹配给定情况的涡轮速率和发电能力。彼此相邻的转子1中的磁体2具有交替的南北极性布置，并且可以为电磁体构造，其可以借助于未示出的外部直流发电机来激励。一旦发电机处于生产模式，磁电力就可以从定子绕组3中的产生的电力中提取出来。

此外，极性布置在图2A中由标识北极的竖直线35b和标识转子磁体2上的南极的水平线35a示出。每个磁体2被布置转子框架1的内表面上。

转子中的磁体可以是永磁体，并且用于将这种磁体2固定至转子框架1的一种替代方案是向转子框架1提供以磁体2的形式形成的空腔/凹部/凹槽，使得当磁体被安装至凹槽中时存在紧密配合。可以使用另外的紧固手段，诸如胶合、机械接合或者其他手段。该凹部还典型地衬有用于支撑磁体的硬化的橡胶处理过的材料。橡胶防护可以被布置在磁体2之上以增加使用寿命并且最小化磁体或凹槽中的磁体固定的振动损伤。衬有橡胶的腔中的磁体的双重布置以及磁体的面向内的表面上的橡胶防护确保了末端固定(stern fixation)，以在转子1的高速旋转运动期间保持磁体的位置。

电磁体与其芯体和绕组可以使用类似的布置，以确保与转子良好且稳定的附接。

定子盘中的螺栓孔11可以用于将定子单元的堆叠40与电枢绕组一起保持在适当位置。如图9所示，本发明的一个实施例可以包括具有包括用于与相邻转子框架的后边缘中的对应的突起50连接的多个凹部51的转子框架的前边缘。在整个转子堆叠中重复邻接的转子框架之间的榫槽型的接头52图案，以改善发电机组件(特别是在高操作速率下)的稳健性。霍尔效应传感器53和/或其他类型的传感器53被布置在发电机组件的适当位置处，以确定发电机的起始位置/转子1的定位。另一个选择是，使用传感器53来检测诸如温度、重力(陀螺仪型传感器)、磁通量、涡轮机、风速等的其他参数。传感器可以出于不同的目的而被布置在除了图示位置以外的位置。

在图中多个水平保持杆17被提供用于保持发电机的活动的转子。保持杆17处于第一端部，所述第一端部被周向地附接至以等间距布置的转子端部盘，并且在转子盘之上横向延伸。如图1B、2B、4B、5B、6B和7B所示，例如通过液压/气动特征，保持杆17可以是长度可调节的，并且其长度被设置为跨越活动的组件中的整组一个或多个转子的宽度。保持杆17包括一个或多个夹持件21，所述夹持件21被布置为使得其达到扩展形式22，并且一旦期望数量的一个或多个转子定位在活动的发电机组件中，其就包含期望数量的一个或多个转子，并且保持杆跨越至少多个活动的转子。改变被包括在与轴一起旋转的转子组件中的活动的转子的数量的可能性使得能够针对给定的涡轮速率而最佳地使用机械负载。为了进一步确保对活动的组件中的转子进行可靠的定位，并且为了保持其在适当位置；可以是长度可调节的螺栓42可以以选择的轨道间隔被布置并且运行穿过转子组件。螺栓42处于第一端部，所述第一端部被周向地附接至转子端部盘10或者实心盘(solid disc)8，所述实心盘8被布置为还包括用于端部连接至定子盘组件的轴承。转子端部盘10和实心盘8可以被集成在一个盘构造中。螺栓42可以以相等的距离布置，并且在转子盘中的预制导管中横向地延伸穿过转子盘。螺栓42可以长度可调节至多个活动的转子盘的长度。在螺栓的第二端部，其可以包括用于将活动的转子堆叠的转子锁定在适当位置的闭锁45机制，闭锁45可以通过例如弹簧/气动***来激活。

取决于可调节的螺栓的设计，可以有可能省略对水平保持杆的使用。

甚至可以预见的是，活动的和不活动的转子由布置在定子盘堆叠组件的表面上的保持元件(未示出)保持，使得可以废弃水平杆17和/或螺栓42。

转子1中的磁体以使得相对的极35a、35b在转子框架的整个内侧框架中彼此相邻的方式被布置。堆叠中的发电机盘被布置为使得一个盘的北极35b将被布置在相邻盘的南极35a的位置中，并且该图案在整个发电机堆叠中重复(参见图2A和图2B)。在整个堆叠中重复转子磁体和定子极的交替极性的顺序。

转子框架的端部中的一个可以被附接至实心转子端部盘10，所述实心转子端部盘10具有中心固定的向外伸出远离发电机组件的轴4，其被附接至/或者例如包括涡轮轴(未示出)。实心转子端部盘可以被形成为杯10以强化框架对伸出轴的保持。杯设计可以包括伸展至转子盘堆叠的第一转子盘30周围的杯的侧壁，第一转子盘永久地由转子端部盘约束，并且因此轴4也是如此。在多个转子盘被构造为永久地约束至转子组件上的情况下，端部盘杯可以包括与所有永久转子一样多的转子盘。连同涡轮机一起旋转的轴4经由转子端部盘10被联接至转子。端部盘10可以借助于可控制的夹持件21而被连接至转子堆叠，所述可控制的夹持件21被支撑在延伸通过转子盘堆叠宽度的整个长度的多个保持杆框架17中。可控制的夹持件21可以是可延伸的以便闭锁22并且将有效数量的活动的转子保持在活动的转子盘组件中。可以借助于控制机制来设置闭锁延伸，所述控制机制使用受控制的气动/液压装置、电机和/或磁力中的一种或其组合。

由轴传递给发电机的转矩来源于涡轮机的转动，其进而控制发电机组件中的转子盘的旋转，并且由于所附接的实心转子端部盘10在转子堆叠端部处的牢固联接，全部动能被传递。实心转子端部盘10可以由任何金属或具有足够刚度的任何其他材料制成，例如碳纤维复合材料。

诸如塑料的绝缘材料可以被贴附至定子盘的表面并且被布置为隔离定子极绕组中的每个。被布置在堆叠构造中的全套定子可以借助于延伸通过可以被紧固至实心定子端部盘15的整个定子组件40的螺栓12来实现，端部盘15可以包括处于定子组件的第一端部处的适合的实心支座或者可以被安装至定子组件的第一端部处的适合的实心支座16，第一端部处于包括与转子端部盘10连接的轴的发电机端部的对面。轴承布置6可以被设置在定子组件的相对的第二端部。为了使轴承布置6与被联接至实心定子盘框架36的小轴34之间的振动影响最小化，振动衰减装置7可以被包括在实心定子盘框架中以接收小轴34的一个端部。轴承布置6被放置在被固定至实心支座16的端部的定子盘框架36的相反端。轴承布置6进一步借助于实心盘8而被连接至转子防护杯10。实心支座端部的实心定子端部盘可以包括导管或中空管状布置13，其承载用于在发电机与外部设备和电网/储存器之间传递电力和控制信号的适合的电缆14。被附接至轴承布置6的定子堆叠保持固定，而与实心转子盘适配的外圈沿着转子框架的运动旋转。

图4A和4B示出了发电机组件的三维图示。处于静止的转子可以被保持在单独的高度可调节的推车18和台车19上。当转子1与活动的转子组件接触时，水平杆17和夹持件21、22被定位，并且对应的推车被降低到避免妨碍转子的旋转。可以通过液压和/或气动布置和支撑装置41来促进推车的竖直运动以根据需要上升/下降。

图2、图4、图5、图6和图7中示出了将更多数量的转子盘添加到发电机组件的顺序，其中转子盘1保持在手推车18上，推车18可以由轮19和可调节框架40支撑。为了增加更多的转子盘，在推车移动在适当位置之前停止发电机旋转动作，以便移动所需数量的转子，并且将对应的夹持件设置为其延伸形式23，并且输送带20在方向25上朝向一个或多个活动的转子移动。当新的转子盘到达其在活动的转子堆叠内的位置时，保持杆中的可控制的夹持件21被调节到其延伸形式22以夹持整个转子盘组件，并且推车夹持件缩回26。在可控制的夹持件被定位之后，推车中的液压/气动可调节框架40被降低以使转子由相邻转子组件支撑。在图7中示出了移除转子盘的顺序，在这种情况下，转子的推车中的液压/气动可调节框架40首先被延伸至转子，其后处于延伸形式的推车夹持件23锁定到转子上，接着可控夹持件21缩回，然后后续接着输送器在远离固定转子28的方向上移动。在发电机组件中添加或移除转子盘的所有状态下，动作均被设置为以较少停工时间无缝且可靠地进行。可以借助于主控制器来协调和控制这些功能，并且其顺序被概述在图8中。

图8中的元件包括控制器、自动电压调节器、AVR和用于驱动转子堆叠的电磁体的励磁机。应该指出的是，在在转子中利用永磁体的情况下，励磁机可以被省略。转子堆叠和负载与位置传感器连同输送器模块由控制器控制。***将来自其他诸如速率传感器的传感器的信息馈送至控制器。其他传感器类型可以被用于优化涉及能量输入可用性和环境条件的操作。该***可以进一步设置有电力存储器，用于为转子、输送带、传感器电力等中的电磁体供电。电力存储器可以被由发电机产生的电力或者以来自电网的电力充电。

根据本发明，在定子组件不具有穿过定子的中心的转子轴的情况下，空间被释放出来，其上可以容纳使得能够实现改进的控制措施的电子控制***。这里描述的实施例利用在堆叠的一个端部处的一个单独的较小轴承布置6以及向外延伸至涡轮机递送旋转运动的适合的轴。定子堆叠内的嵌入轴承和轴的移除进一步减小了发电机的总重量，这增强了转矩-速率特性。省略定子盘内的轴承布置也减轻了声学噪声并且便于在潜在磨损之后更容易地替换/更换轴承。此外，排除定子内的轴承布置减小了整体轴承布置的整体重量，这减少了由于轴承中的机械摩擦引起的阻力，这进一步对性能具有直接影响，导致改善的转矩和减少的热损耗。为了减少热损耗，在定子线圈与转子磁体之间限定足够的空气间隙30。转子框架堆叠包封的柱形形式确保了最小的空气电力损失，并且缓解了转子旋转期间可能的灰尘侵入。

在电力的一部分被存储的情况下，诸如电容器组/电池的电荷存储单元可以在将电力转移到电网之前用作中间能量存储单元。

另一个相关特征是堆叠配置改善了转矩-能量平衡并且根据涡轮机的速率改善了发电机可扩展性。本发明可以提高能量发电率15-25％或更多。

向发电机组件中的被附接的转子之间的磁通分配能量还减少了电枢线圈中的热损耗。这种构造的另一个含义是产生与具有类似尺寸的宽度和截面直径的单个大型发电机单元相同大小的电力，需要的转子组件的机械扭转力较低。根据本发明的发电机组件将使尺寸和重量参数降低10％或更多，而功率权重比的对应的表现增强。

图10A和图10B示出了根据风速的发电量。图10A示出了传统的齿轮驱动的涡轮机，而图10B示出了根据本发明的发电机(图中的实线)，示出了优于常规齿轮箱联接(不连续线)风力涡轮机的优点，其中发电效率较高并且在特定风速下可达到50％以上。

旋转转子相对于定子中的静态线圈绕组的磁场有助于灵活地产生电力，匹配涡轮转速而无需使用额外的齿轮和齿轮箱。

本发明的发电机组件可以包括发电机控制单元，其与可以被布置在外部的控制逻辑通信并控制所述控制逻辑，并且其可以确定当涡轮机的速率变化时所需的转子的数量。

容纳在发电机盘中的控制单元可以由适合的计算机控制和监测，所述计算机可选地位于远程位置，经由通信***进行通信。通信***可以是无线的或者有线的通信***或其组合。

在本发明的又一实施例中，连接的转子框架的数量匹配定子盘在永久性基底处的数量。转子电磁体和/或定子绕组可以动态地切换，以发挥发电元件的积极作用或不起作用。这可能导致一个或多个转子并且不会使其磁体通电，或者对应的定子组件中的绕组停用(例如通过使绕组短路)，并且因此不会产生将在对应的定子绕组中产生发电的磁场。另一个选择是，使用控制单元在任何单独的转子组件中仅使一些转子的磁体对通电，例如以这种方式仅使每个转子中的一半磁体通电。因此，减半磁场能够使绕组在定子盘组件中通电。

对于定子激励，发电机盘可以以一个或多个相位模式操作，其中定子线圈的数量在一个相位的情况下必须是偶数个定子极，或者在选择两个或更多个相位的情况下必须是相位数量的偶数倍，例如3相位模式必须有6个或12个...活动的定子极。典型地，每个相位具有至少两个定子线圈(一对)。例如，如图12中的示例所示，使得3相位模式具有6个定子极，其中示出了定子对绕组200中的一个。被布置在定子盘中的控制***可以被用于监测和控制定子的绕组状况。控制***可以包括基于硬件的逻辑、微控制器和能够存储和执行用于发生器组件的最佳性能的程序代码的其他计算装置。在一个示例中，可以存在表示3个相位的12个定子极，即每个相位2对定子极。然后，当驱电力低时，例如低风驱动连接的风力涡轮机时，一对相位组开路，使得其不表示负载。然后涡轮机可以以比在所有定子极对处于活动的情况下更低的速率驱动发电机。可想到的是，被连接至每个单独的定子控制器的控制***可以最终控制所有的定子极绕组并且能够以非常灵活的方式格式化发电机的负载。例如，如果检测到定子绕组有故障，则可以在相关的其他定子极绕组中控制负载以维持发电机的稳定性。即使在本发明的范围内，在转子磁体为电磁体类型的情况下，也以类似的方式控制转子磁体的磁化，以实现类似的功能。

在有效的操作下，控制器还可被用于禁用/启用作为组件一部分的一个或多个完整的定子-转子盘组件。这在所有转子盘几乎永久地组合在一起以成为活动的组件的一部分的构造中特别有价值，而且在其中驱电力经常改变并且每次停止发电机以改变活动的转子环的数量的设置中特别有价值(否则将造成过多开销/过多处于静止时间)。

还可想到的是，本发明将包括对可用涡轮力的自动操作和调整，诸如风车涡轮机的变化风速。在这样的环境中，提供了一种控制***，其能够接收对计划涡轮速率的预测，诸如在风力涡轮机的情况下增加风速，然后在风速实际增加之前提前准备适合数量的转子盘，将其添加至发电机的活动的转子盘组件。

本发明在若干方面具有创新性，并且通过以下方面来例示其优点。

相比于可比较的现有技术，根据本发明的发电机盘组件由于消除了齿轮箱***而在操作期间具有低得多的噪声产生。

根据本发明的发电机允许各自涡轮速率的堆叠构造中的发电机组件中的转子盘的无缝扩展。

由于机械电力在转子堆叠之间的有效分配，对于给定容量需要以类似的速率运行，堆叠的发电机盘装置可以提供比类似的电力单个柱形发电机单元物理上更小的尺寸，因此有助于以广泛的涡轮速率发电。

此外，在发电机操作的任何给定时刻，通过选择性地将转子盘添加至整个发电机组件或者从整个发电机组件移除，只获得可以相对于涡轮速率产生的电力的大小。这个特点在低涡轮速率下特别显著，并且允许产生电力，而不需要使涡轮机停转很长间隔。

由于机械转子负载在发电机组件中的有效分配，所以根据涡轮机的转矩以更受控制的方式产生电力，而不会使电枢线圈3过热。

从线圈散发的较低热量确保了减少的机械磨损。更重要的是，发电机的使用寿命延长，并且可以减少或者避免昂贵部件替换的潜在需求。

这种发电机设计的可扩展性的优点可以被用于容易地用于产生从非常低到高涡轮速率范围的电力，而不需要增加齿轮形式的额外运动部件。除了减轻重量外，还消除了齿轮，节省了空间和额外的维护成本。

可能的实施例的不同方面和构造及其优点在以下权利要求中是显而易见的。此外，由于本领域技术人员根据本实施例可能实现的变化，本发明的范围不限于这里描述的确切构造和操作。因此，根据下面的权利要求，可以认为本发明的任何这样的修改、等同方案和变型例落入本发明的范围内。

本发明的一些有利特征可以是：

-根据本发明的发电机盘的设计可以允许堆叠与涡轮机的速率/转矩特性相匹配的具有相似直径的额外的转子盘。

-根据本发明的发电机的设计可以在非常低的涡轮速率下发电。

-根据本发明的发电机的设计可以是高度可扩展的并且产生较高的涡轮速率的操作范围。

-根据本发明的发电机的设计可以允许在给定时间在组件中活动的转子-电枢对的堆叠中的受控制的发电。

-由于经由电子控制***的连续电力控制监测，根据本发明的发电机的设计可以高度响应于用于以特定速率旋转发电机中的转子的涡轮速率。

-根据本发明的发电机的设计可以消散较低水平的热量并减少机械磨损。

-由于较低的机械摩擦，根据本发明的发电机的设计可以在操作期间引起降低的噪声水平。

-根据本发明的发电机的设计可以在不降低性能的情况下提高发电机的使用寿命。

-根据本发明的发电机的设计可以借助于经由电子控制***增加或者移除活动的发电机组件中的转子盘的受控制的速率来防止电枢线圈突然的电力激增。

-根据本发明的发电机的设计可以使得对于给定涡轮速率最佳的受控制的且稳定的发电速率，并且可以将能量转移至电网和电荷存储单元。

-根据本发明的发电机的设计可以在较低的涡轮速率下产生更高的能量而不需要额外的齿轮***。

-根据本发明的发电机的设计可以容易地针对涡轮机的整体速率进行调整，使得可以以最小的停机时间产生最高的电力量。

-根据本发明的发电机的设计可以不需要延伸通过发电机盘的整个中心轴的轴。

-根据本发明的发电机的设计可以具有单独的一组电缆，用于分别从能量存储器/供应源提取电力并将电力反馈到能量存储器/供应源。

-由于转子框架的外部放置以及堆叠布置中的定子的刚性放置，根据本发明的发电机的设计可以在发电机操作期间产生较低的振动。

-根据本发明的发电机的设计可以借助于由自动电压调节器控制的小DC励磁机来使转子磁体通电。

-根据本发明的发电机的设计可以将可由定子提取的最大电流限制限制到可由电子控制***控制的预设值，以确保定子线圈的安全。

-由于电力直接从涡轮机转移至发电机而不需要中间齿轮，根据本发明的发电机的设计可以占据减少的空间。

本发明的第一实施例被进一步限定为包括发电机，所述发电机包括：用于通过被旋转而从外部电源接收电力的驱动轴，一个或多个发电机盘组件，所述发电机盘组件包括具有向外伸出的线圈绕组(3)的一个或多个定子组件(3、40)的中心部分，其中线圈绕组的数量是(2)的倍数，所述发电机盘组件还包括围绕所述定子盘组件(3、40)周向布置的一个或多个转子环框架组件(1)，其中所述转子环框架组件1还包括一组磁体2，其被布置在朝向定子盘组件3、40向内指向的转子环1的内表面上，其中所述磁体被布置为使得相邻的磁体具有交替的北-南极性。

本发明的第二实施例包括根据第一实施例的发电机，其中在向外伸出的定子盘上彼此相对布置的成对布置的线圈绕组具有相反的极化。

本发明的第三实施例包括根据第一或第二实施例的发电机，其中多个发电机盘组件被一起布置在发电机盘堆叠中，其中定子盘组件(3、40)以固定布置连接。

本发明的第四实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中活动的转子环组件(1、2)的数量适应于经由驱动轴输入的可用电力和速率。

本发明的第五实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中多个转子环组件包括一个或多个不活动的转子环组件(1、2)。

本发明的第六实施例包括根据第五实施例的发电机，其中通过以物理手段固定地接合至第一转子环来限定不活动的转子环组件，使得其与所有活动的转子环组件一起旋转，但其中磁体是非磁化的电磁体。

本发明的第七实施例包括根据第五实施例的发电机，其中通过与旋转转子物理地分离来限定不活动的转子环组件，使得当活动的转子组件与旋转轴一起旋转时，不活动的转子组件保持静止。

本发明的第八实施例包括根据第七实施例的发电机，其中转子组件中的磁体是电磁体。

本发明的第九实施例包括根据第八实施例的发电机，其中转子组件中的磁体是永磁体。

本发明的第十实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中转子环框架(1)的边缘形成有凹部(51)和突起(50)，以用于以锁定的方式与邻近的环框架(1)接合。

本发明的第十一实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中定子盘(40)具有预钻孔(11)，以用于接收用于以锁定的方式连接定子盘组件(3、40)的螺栓(12)。

本发明的第十二实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中所述定子盘(40)包括一组或多组线圈绕组(3)，每一组对应于发电的独特相位(phase)，并且所述转子环框架(1)包括多个面向定子线圈(3)的电磁体(2)，其中每个相邻的磁体布置有向内指向的相反的极(35a、35b)。

本发明的第十三实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中转子磁芯对称地布置在定子盘和转子环框架的整个圆周上。

本发明的第十四实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中发电机除了至电网的供电电缆之外还包括回收能量存储器，以用于存储产生的电力的一小部分。

本发明的第十五实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中向固定转子组件添加/移除转子盘与涡轮速率的增加/减小有关。

本发明的第十六实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中转子盘堆叠处于被连接至实心端部盘的一个端部，端部盘(10)具有用于将旋转力从涡轮机传递至发电机的转子的装置。

本发明的第十七实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中所述实心端部盘(10)由诸如金属或碳纤维复合材料的刚性材料制成。

本发明的第十八实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中端部盘(10)与具有加重的夹持件的保持杆接合以保持两个或更多个转子环框架(1)。

本发明的第十九实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中转子轴(4)被居中地布置并且从端部盘(10)伸出而向外远离转子堆叠。

本发明的第二十实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中所述定子盘堆叠处于被连接至定子端部盘(36)的一个或两个端部。

本发明的第二十一实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中定子端部盘(36)由诸如金属或碳纤维复合材料的刚性材料制成。

本发明的第二十二实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中定子端部盘(36)处于指向转子端部盘的端部，其包括振动衰减装置(7)和轴(34)，所述轴(34)将定子端部盘(36)联接至被包括在转子防护杯(10)中的轴承布置4。

本发明的第二十三实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中定子端部盘(15)处于指向远离转子端部盘的端部，其包括实心支架(16)，以用于安装发电机并且在操作下使定子盘堆叠保持固定。

本发明的第二十四实施例包括根据前述实施例中任一项的发电机，其中定子盘组件(40)通过延伸通过定子盘中的预制孔11的螺栓(12)固定连接。

用于操作如本发明包括发电机的前述实施例中任一项中所限定的发电机的第一方法实施例由包括以下步骤的方法限定：

-给发电机控制单元提供用于运行发电机的指令，

-发电机控制单元与定子盘阵列中的每个控制单元(1)进行通信，其中每个控制单元(1)控制如所指示出的相应的定子盘(4)的单独的定子线圈(6)的操作，

-当转矩被施加至转子时，通过所有定子绕组(6)获取电力，并且将其存储在能量存储器处，

-从能量存储器或者从发电定子绕组向发电机提供必要的电力供应。

用于操作如本发明包括发电机的前述实施例中任一项中所限定的发电机的第一***实施例由如下***限定，所述***包括发电机控制单元、用于控制发电机组件的主机、以及将发电机组件至能量存储器或者电网***的连接设备。

如第一***实施例所限定的用于操作发电机的第二***实施例，其中主机是风力涡轮机。

如第一或第二***实施例所限定的用于操作发电机的第三***实施例，其中发电机控制单元被连接至天气预报资源，以便根据预测的风速来调整发电机组件特性。

将优先权申请的内容总结在本说明书的下面几页中，并被认为是本申请的一部分：

优先权申请的主要重点(primary focus)是具有多极定子的可扩展电机盘堆叠。

在先发明涉及电机盘堆叠，并且更具体地涉及需要电机的任何类型的应用。

电机盘包括固定的定子元件，其具有从定子盘的周缘伸出的多个极。作为旋转元件的转子装配有与定子极对齐的强力永磁体。转子中的磁体的布置在转子环的整个圆周上分别以北极和南极进行交替。定子中的极用绕组缠绕，并且将能量从适合的电源馈送至每个相应的极绕组。在向定子极绕组施加电场时，致使转子旋转。

为了使定子单元保持静止(处于静止)并且不受转子的运动的影响，在每个定子-转子组件内部设置带有轴承的圆形框架。根据本领域已知的技术，定子内的轴承布置需要被联接至转子的轴承框架，其进而通过轴保持在一起。

典型地，电机盘适配有延伸通过定子-转子组件整体中心部分的轴。目前的技术存在的问题是，由于轴占据了很多中心空间，所以定子盘内的空间非常有限。

根据应用的电力和速率要求而定制设计每个定子-转子设计，这在本产业中也是一种常见途径。因此对于产业来说问题在于，在许多应用中，定子-转子参数对于应用而言不是最佳的，由于以现成的定子-转子设计来供应应用对于供应商来说可能更便宜/更快，所以不针对应用进行特别设计。

在先发明提供了一种定子-转子组件，其没有居中布置的轴以及穿过电机截面长度的轴承，使得包括控制***的印刷电路板能够嵌入每个定子盘内，并且通常被轴和定子-转子组件之内的轴承框架占据的空间被印刷电路板占据。控制***提供了对单独对应的定子-转子组件、电机盘组件的期望的转矩的精确控制。印刷电路板可以包括用于管理向定子极绕组的电力分配的所有所需的电子部件。

在先发明的另一目的是，提供一种包括多个电机盘组件的电机组件，每个电机盘组件包括定子、转子和控制***，其中向电机提供电力要求所需的能量可以在多个单独的电机盘之间均匀分配和共享。根据单独的电机盘组件的电力输出要求来确定定子中的极的数量。电机的一个完整组件可以包括在盘堆叠中的“n”个电机盘组件，其匹配驱动应用需要的负载所需的机械旋转力。

另一目的是，通过选择性地使用每个定子的极来提供灵活的功耗曲线，并且还使用剩余的极产生能量。产生的能量可以被引导至能量储存器/供应源。

由转子产生的扭矩被用于外部轴，该外部轴可以安装在盘堆叠的一个端部的外周的中心处。一个实施例可包含堆叠在一起的多个定子-转子盘、电机盘组件，并且其中每个电机盘组件与相邻侧电机盘组件对齐。全套堆叠的电机盘组件可以借助于延伸通过定子盘150和转子环151中适当间隔的预制孔的螺栓保持在一起。盘堆叠的每个周缘端部处都可以附接端板。端板可以与盘堆叠的侧后角为相同的圆形构造，并且可以进一步包括用于中心固定或整体安装且向外伸出的轴的基部。该轴可以用作电机盘堆叠的轴承以及用于在由于定子盘中感应的磁力而旋转时输出盘堆叠的转子部分的扭转力。

参照附图101-107，根据在先发明的电机盘组件101在图101a和图101b中示出，其包括被布置在定子(104)的中心部分中的电子控制***盘101。包括向内布置在旋转环108上的多对永磁体107的旋转环118可以是任何类型的适合的永磁体或电磁体。相邻磁体之间的间距在转子环108的整个圆周上都相同。多个极105从定子盘框架104的面向外的圆周伸出。每个极105被布置为与被包括在转子框架108中的相应磁体107的向内指向的表面对齐，使得每个极105几何上与一个永磁体/电磁体107联接。定子盘框架104的宽度大于定子极105的宽度，从而允许定子104的极105周围的线圈绕组106的空间。此外，转子框架108的宽度与定子框架104的宽度匹配。转子107中的磁体的宽度被设置为与仅由气隙140隔开的定子极头105的尺寸匹配。定制适配空气间隙140，以考虑振动、起动转矩要求、磁场强度和其他参数。典型地，气隙140保持尽可能最小。其通常取决于磁场强度和线圈的散热能力。

操作电机所需的能量可以从任何能量源通过电子控制逻辑***101引导，电子控制逻辑***101将电力馈送到定子极105的绕组106。可以被布置在转子环框架中的螺栓孔109使堆叠能够被布置并牢固地附接到另外的转子。每个转子框架108的宽度可以具有任何尺寸，其条件是其应该与电机堆叠中的所有转子框架108一致。

可以定制转子框架108和定子盘104的直径、定子极105对和绕组6的数量以匹配给定应用的速率和转矩要求。彼此相邻的转子108中的永磁体/电磁体107具有交替的北-南极性布置。在图102中，这通过永磁体107上的标识北极的竖直线116a和标识南极的水平线116b来可视化。每个磁体107被贴附至转子框架108的内表面。用于将磁体107固定至转子框架108的一种替代方案是向转子框架108提供以磁体107的形式形成的空腔/凹部/凹槽，使得当磁体107被安装至凹槽中时存在紧密配合。可以使用另外的紧固手段，诸如胶合、机械接合或者其他手段。该凹部还典型地衬有用于支撑磁体的硬化的橡胶处理过的材料。橡胶防护可以被布置在磁体107之上以增加使用寿命并且最小化磁体或凹槽中的磁体固定的振动损伤。橡胶衬里腔中的磁体的双重布置与橡胶屏蔽在磁体的面向内的表面之上确保了在转子108的高速旋转运动期间保持磁***置的严格固定。定子盘103中的螺栓孔可以用于将定子单元的堆叠117保持在适当位置，同时保持与其相应的转子的完全对齐。如图103所示，在本在先发明的一个实施例中可以包括具有包括多个凹部119的转子框架的前边缘，多个凹部119用于与相邻转子框架的后边缘中的对应的突起120连接。在整个堆叠中重复邻接的框架119、120之间的榫槽型接头112图案，以改善电机组件(特别是在高操作速率下)的稳健性。霍尔效应或光学传感器121被放置在适当的定子线圈之间，以确定电机的起始位置/转子108相对于定子极106的定位。另一个选择是，使用传感器121来检测诸如温度、重力(陀螺仪型传感器)、磁通量、速率等的其他参数。传感器可以出于不同的目的而被布置在除了图11a和11b中霍尔效应和光学传感器121所示的位置以外的位置。

转子中的磁体107被布置为使得相对的极116a、116b在转子框架的整个内侧框架中彼此相邻。堆叠中的电机盘被布置为使得一个盘的北极16a面向相邻盘的南极116b，并且这种图案在整个电机堆叠中重复。对应的极性被施加至相应的定子极以排斥其对齐的转子磁体。因此，如果一个堆叠的转子磁体为北16a，则对应的定子极将被激励为正极性115a，并且在转子的直接相对端处，具有南极116b的磁体将与为负极性115b的定子极配对。然而，在相同位置的相邻盘中的定子极将具有与具有北极16a的转子磁体配对的正极性115a，而该确切电机盘的相对端将具有与定子负极性115b配对的转子南极16b。在整个堆叠中重复转子磁体和定子极的交替极性的顺序。

在图104中示出的是，定子框架t(sf)和转子t(rf)的厚度具有相当的值，并且定子极t(sp)和转子磁体t(rm)的厚度具有小于t(sf)和t(rf)的厚度的尺寸。

即，t(sf)＝t(rf)>t(sp)，t(rm)

转子框架的端部中的一个可以被附接至实心转子端部盘，所述实心转子端部盘具有中心固定的向外伸出远离电机组件的轴122。实心转子端部盘可以被形成为杯128以强化框架对伸出轴的保持。对于任何需要轴来驱动负载的应用，转子轴122可以收缩配合123至转子防护杯(shield cup)128，以确保可靠和牢固的联接。可以借助于延伸通过整个转子组件和杯128的螺栓151将杯128紧固至转子堆叠。传递至轴和由轴传递的转矩来源于并且受支配于电机组件中的转子盘的旋转，并且归因于所附接的实心转子端部盘128在转子堆叠端部处的牢固联接。实心转子端部盘128可以由任何金属或具有足够刚度的任何其他材料制成，例如碳纤维复合材料。诸如塑料的绝缘材料可以被贴附至定子盘的表面以隔离定子极中的每个绕组。可以借助于延伸通过整个定子组件的螺栓150来实现将全套定子布置为堆叠，并且可以将其紧固至实心定子端部盘，该端部盘包括或者被安装至处于定子组件的一个端部的适合的实心支座132，以及处于相对端的轴承布置125。为了使轴承布置125与被联接至实心定子盘框架133的小轴126之间的振动影响最小化，振动衰减装置124可以被包括在实心定子盘框架中以接收小轴126的一个端部。轴承布置125被放置在实心支架132的定子盘框架133的相对端，并且借助于实心盘127被附接在转子防护杯128的端部，可替选地由适合的高强度金属制成。实心支架端部的实心定子端部盘可以容纳中空管状装置129，该中空管状装置129承载适合的电缆130以向电机馈送电力和控制信号，并且借助于单独的电缆131引导回收/产生的电力。回收线131还可以包括来自定子盘内的传感器和控制逻辑的信号线。被附接至轴承布置125上的定子堆叠保持固定，而与实心转子盘适配的外圈沿着转子框架的运动旋转。在应用直接将电机容纳在诸如旋转轮的旋转部件的情况下，可以省略从实心转子盘伸出的轴。

可以借助于可选的多个凸缘102将被布置在定子组件中的每个的中心的电子控制***紧固至定子框架104，所述凸缘102例如借助于螺钉与螺母从定子框架104向内伸出。用于附接电子控制***的其他布置将被选择为适合于应用。快速棘轮、胶水、螺钉绕组可以是替代方案。

在常规电机中，轴延伸通过任一定子的整个中心部分，所述定子被保持在与转子联接的轴承布置上或直接通过转子。根据在先发明，随着在定子盘内移除轴承布置，释放了被用于容纳电子控制***的空间。为了实现更好地控制电机转矩，可以在堆叠中的每个电机盘单元中布置一个电子控制逻辑***。这里描述的实施例利用在堆叠的一个端部处的一个单独的较小轴承布置125以及向外延伸的适当轴，以用于需要轴传递旋转运动的任何应用。定子堆叠内的嵌入轴承和轴的移除进一步减小了电机的总重量，这增强了转矩-速率特性。省略定子盘内的轴承布置也减轻了声学噪声并且便于在潜在磨损之后更容易地替换/更换轴承。此外，排除定子内的轴承布置减小了整体轴承布置的整体重量，并且减少了由于轴承中的机械摩擦引起的阻力，这进一步具有直接影响，导致改善的转矩和减少的热损耗水平。

为了减少热损耗，在定子极与转子磁体之间限定足够的空气间隙40。风扇可以被布置在轴上以产生吹入电机组件中的气流以冷却电机。实心转子端部盘可以进一步设计有穿孔/通孔和通风孔以促进空气流过电机堆叠。转子框架堆叠包封的柱形形式确保了最小代价的启动损失，并且缓解了转子旋转期间可能的灰尘侵入。

定子线圈的电子切换激励的理论和操作在本领域中是公知的，并且因此在本公开中不试图描述驱动和控制本发明中呈现的电机所需的电路。

定子盘中的每个中的嵌入式电子控制***通过将电流分配到多个选定的定子极线圈绕组来消耗所需的电力。剩余的未使用的极和相应的线圈绕组可以被配置成通过任何量的反电动势(电磁通量)来产生电力，然后所产生的电力被馈送回到任何适合的能量存储器/供应源。在电力被存储在电池中的情况下，电容器组可以在将电力转移到电池之前用作中间能量存储单元。在在先发明的一个实施例中，通过运行堆叠中的全套电机来产生所需转矩所需的总电力由电子控制逻辑***实时地瞬时确定，其进而可以在所有单独的定子盘之间均等地分配功率。还可以以其他构造分配电力，例如每隔一个定子盘、每三个定子盘、甚至每个单独定子中的极之间的差别分配。然而，活动的定子和极的应当平衡分配，以增强稳定性并最小化振动损耗。

在电机操作期间的任何给定时刻总电力P_tot发挥作用，并且通过以下等式(1)以最简单的形式表达从任何制动效应和反电动势产生的电力。该等式考虑了激励定子极并且从而产生必要的转矩来转动转子所需的从能量源中排出的电力，以及转子磁体与非极化的定子极之间的磁通的相互作用所产生的电力。

Ptot＝(Pdis-Pin)+(Pout-Prcg) (1)

其中P_dis是来自能量源的电力的放电，并且是在任何时刻为定子供电所需的能量的函数P_in。P_out是由电机产生的功率，并且是具有再充电电力P_rcg以及固有电阻损耗的函数。

根据该实施例的另一个相关特征是堆叠中的电机盘整体充当并联电阻负载，并且从而减少产生所需转矩量以在给定速率下操作电机所需的功率。堆叠构造改善了转矩-能量平衡，其中降低了来自能量储存器/供应源的能量放电率。在先发明可以通过将能量放电率降低15-25％或更多来改善节能。

使电子控制***101联接到堆叠的电机盘中的每个定子104改善了整体控制、转矩响应、速率管理和可靠性。

由电子控制电路101供电的定子线圈106可以具有可变电阻器，其可以改变馈送到定子线圈106中的电流量，从而并且改变速率和转矩特性。定子线圈中的较高的电阻意味着较大的起动转矩和较低的起动电流。

在所有单独的电机盘单元中分配运行电机的能量也降低了热损耗。为定子极105供电所需的能量较低导致较低的电阻损耗，并且导致从绕组106消散的热量减少。这种构造的另一个含义是对产生与具有相似尺寸的宽度和截面直径的单个大型电机单元相同大小的扭转力的电力需求较低。根据在先发明的电机组件将使尺寸和权重参数降低10％或更多，而功率权重比的对应的表现增强。

应该注意的是，根据该构造，转子相对于定子中的静态线圈绕组的旋转磁场有助于从任何制动效应和反电动势产生电力，然后可以将其引导至任何适合的能量源。

从能量源馈送控制***1的电路径可以与从电机向能量源的进行能量反馈的电路径分开。能量反馈机制在操作中是连续的，除了所有定子极被供电以产生电机的最大速率/电力极限的时段之外。

图107示出了经由控制逻辑/电子控制***流入和流出电机的电力的顺序。控制逻辑可以包括基于硬件的逻辑，微控制器和其他能够存储和执行程序代码的计算装置，以实现电机组件的最佳性能。

电机包括电机控制单元，其与被布置在定子-/转子组件中的控制逻辑通信并且对其进行控制，并且进一步将状态和指令发送给电源，并且还典型地在无线网络上与另外的远程控制单元(如果存在的话)进行通信，在该情况下电机控制单元还包括网络通信单元。

该框图标识出控制逻辑101被连接至传感器和定子堆叠。该框图还示出了控制逻辑如何控制电力从电源流向定子堆叠。在操作中，发动机将表示由负转矩组成的发电部分，以及在定子堆中收集的反电动势。被容纳在电机盘中的控制单元可以被控制，并由适合的计算机监测。

优先权申请的本发明在若干方面具有创新性，并且通过以下方面来例示其优点。

优先权申请的本发明的一个方面在于，在任何给定时刻，借助于反电动势，未被激励以在转子框架108中产生旋转机械力的定子极105、106被用于产生电能。在电机盘组件中的每个中产生的电力的大小是旋转速率的函数。从能量源提取的必要能量的大小根据电机的速率而变化，并且通过经由电子控制逻辑电路选择性地选择必要数量的定子极来实现。

该电机盘组件的另一个方面是在操作期间产生的噪声要低得多。

以给定速率运行电机所需的电力低于类似尺寸的电机所需的电力。

此外，优先权申请的实施例允许堆叠构造中的电机盘的无缝可扩展性，以匹配目标应用。

由于电力在定子堆叠104之间的有效分配以及从绕组106较快的热量排除，对于给定容量需要以类似的速率运行，堆叠的电机盘装置可以提供比类似的电力单个柱形电机单元物理上更小的尺寸。

具有电子控制***101借助于电子受控制的逻辑提供了对流至定子线圈6的电力的增强的调节能力，这有助于编程逻辑以提供灵活的电力分配的能力。

此外，在电机操作期间，只有需要的功率才被馈送至定子线圈中，以实现所需的转矩/速率特性，确保最佳的电力使用率和提高的电机效率。

对于定子激励，电机盘可以以一个或多个相位模式操作，其中定子线圈的数量在一个相位的情况下必须是偶数个定子极，或者在选择两个或更多个相位的情况下必须是相位数量的倍数，例如3相位模式必须有3个、6个、9个、...定子极。典型地，每个相位具有至少两个定子线圈(一对)。例如，使得3相位模式具有106个定子极。控制***101被用于监测和控制驱动***。控制***可以包括基于硬件的逻辑、微控制器和能够存储和执行用于电机组件的最佳性能的程序代码的其他计算装置。

电子控制***101还可以包括控制单元，其实现检测和禁止从能量源到定子线圈106的急剧和突然的电力排放，这将导致热量产生。可以通过传感器121的测量结果和/或对布置在定子或其他地方的控制逻辑1中的定子部分的性能参数的逻辑和分析来实现检测。流向定子线圈的电力急剧增加可能是电机盘故障的结果。通过在定子盘内部具有电子控制器，可以充分减少电机盘发生故障的影响，并可能消除这种影响。如果可以隔离发生故障的一个或多个定子盘，则只要运行应用所需的盘堆叠中的一个或临界数量的盘仍然按照要求操作，电机就仍然可以运行。

产生所需转矩所需的电力以更受控制的方式快速达到，而不会使线圈6过热。原则上，定子线圈和整个电机组件中产生的较少热量可能需要较小容量的风扇/鼓风机以根据目标应用需要有效地降低热量。

根据在先发明的另一个显著的方面是，由于平稳切换到定子线圈的电力，存在最小的电磁干扰或者没有电磁干扰。

电子控制***101规定了提取至定子线圈106的最大电流，从而可以为定子绕组106提供安全限制。

电子控制***101确保对电机盘的恒定反馈，以用于控制转矩和速率以及减轻转矩波动。

从线圈散发的较低热量确保了减少的机械磨损。更重要的是，电机的使用寿命延长，并且可以减少或者避免昂贵部件替换的潜在需求。

由旋转的转子磁体与未使用的定子线圈之间的电磁通量产生的电力经由电子控制电路101平稳且稳定地传递至能量存储器/供应源中。这里，电子控制电路101充当中介以允许能量存储单元的逐渐再充电，从而保护能量存储单元不受随机突发的电力输入的影响。

这种电机设计的可扩展性的优点可以被用于容易地用于任何应用，应用的范围从低功率工具、小型风扇、为汽车提供电力的中等大小的电机，到重载工业规模电机、船舶推进引擎。

可能的实施例的不同方面和构造及其优点在以下权利要求中是显而易见的。此外，由于本领域技术人员根据本实施例可能实现的变化，本在先发明的范围不限于这里描述的确切构造和操作。因此，根据下面的权利要求，可以认为本在先发明的任何这样的修改、等同方案和变型落入本在先发明的范围内。

本在先发明的一些有利特征可以是：

-根据本在先发明的电机盘的设计可以允许堆叠与设置应用的速率/转矩特性相匹配的具有相似直径的额外的电机盘。

-根据在先发明的电机的设计可以使用较低的输入功率以使电机以所需的速率运行。

-根据在先发明的电机的设计可以是高度可扩展的并且对于给定的输入功率产生较高的转矩水平。

-根据在先发明的电机的构造可以使用来自能量源的电力，所述能量源经由相应的电子控制电路而被引导到定子极。

-根据在先发明的电机的设计可以允许向定子极的线圈进行受控制的电力分配。

-由于经由电子控制***的连续电力控制监测，根据在先发明的电机的设计可以高度响应于以特定速率运行电机需要的所需扭矩。

-根据在先发明的电机的设计可以仅根据目标转矩/速率平衡来激励所需的定子极组。

-根据在先发明的电机的设计可以产生较低水平的热量以及减少的机械磨损。

-由于较低的机械摩擦，根据在先发明的电机的设计可以在操作期间引起降低的噪声水平。

-根据在先发明的电机的设计可以在不降低性能的情况下提高电机的使用寿命。

-根据优先发明的电机的设计可以借助于经由电子控制***引导的电力输入的受控制的速率来防止定子线圈突然从能量源激增输入电力。

-根据优先发明的电机的设计可以使得从所产生的电力馈送至适当的能量存储源中的受控制且稳定的能量存储速率。

-根据优先发明的电机的设计可以以较低的能量消耗水平产生较高的转矩/速度平衡。

-根据在先发明的电机的设计可以根据应用所需的需要的输出扭矩/速率而容易地调整电机盘的整体直径。

-根据在先发明的电机的设计可以不需要延伸通过电机盘的整个中心轴的轴。

-根据优先发明的电机的设计可以具有从外部轴装置驱动的机械电力，所述外部轴装置被附接在被固定至转子环框架堆叠布置的一个端部的覆盖附件(cappingenclosement)的中心部分。

-根据在先发明的电机的设计可以具有单独的一组电缆，用于分别从能量存储器/供应源提取电力并将电力反馈到能量存储器/供应源。

-由于转子框架的外部放置以及堆叠布置中的定子的刚性放置，根据在先发明的电机的设计可以在电机操作期间产生较低的振动。

-根据在先发明的电机的设计可以借助于静态能量存储源或者从电网使定子通电。

-根据在先发明的电机的设计可以将可由定子提取的最大电流限制限制到可经由电子控制***控制的预设，以确保定子线圈的安全。

-根据在先发明的电机的设计可以通过经由电子控制器设置定子线圈的极化方向来确定转子的旋转方向。

-根据在先发明的电机的设计可以包括基于微处理器或者适合的集成电路的电子控制***。

-根据在先发明的电机的设计可以具有处于单个集成电路中的电力驱动器和控制器电路的组合。

-根据在先发明的电机的设计可以最小化来自转子的转矩波动效应。

-由于电子控制被嵌入至电机盘中的每个中，根据在先发明的电机的设计可以占据减少的空间来驱动和控制电机。这消除了另外附加具有逆变器、可变频率和电压发生器的单元的需要。

优先权申请的第一实施例被进一步限定为包括电机，所述电机包括电源、电机控制单元以及一个或多个电机盘组件，所述电机盘组件包括定子盘104的中心部分，其具有一组等距离间隔开的向外伸出的定子极105，定子极具有被连接至被嵌入在定子盘104的中心部分中的电子控制***1的卷绕的线圈106，控制***1被连接至电源和电机控制单元，电机盘组件还包括围绕定子盘组件101、104、105、106周向布置的转子环框架108，转子环框架108还包括一组永磁芯107，所述永磁芯107具有向内引导的朝向定子盘组件101、104、105、106的预定的极性。

优先权申请的第二实施例包括根据优先权申请的第一实施例的电机，其中多个电机盘组件被一起布置在电机盘堆叠中，其中定子盘组件101、104、105、106以固定的布置连接，并且转子环组件108、107以固定的布置连接。

优先权申请的第三实施例包括根据优先权申请的第一或第二实施例的电机，其中转子环框架108的边缘形成有凹部119和突起120，以用于以锁定的方式与邻近的环框架108接合。

优先权申请的第四实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中定子盘104具有预钻孔103，以用于接收用于以锁定的方式连接定子盘组件101、104、105、106的螺栓114、150。

优先权申请的第五实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中定子盘104包括偶数个定子极105，并且电源是单相电源，并且转子环形框架108包括与定子极105对应的相同数量的磁体107，其中每个相邻磁体布置有向内指向的相反极116a、116b。

优先权申请的第六实施例包括根据优先权申请的第一至第四实施例中的任一项的电机，其中电源是多相电源，并且定子极105的数量是通过定子绕组106的馈送电流的相数的倍数。

优先权申请的第七实施例包括根据优先权申请的第六实施例的电机，其中被包括在转子环框架108中的磁体107由不规则形状的软铁磁芯制成，所述软铁磁芯具有向内指向的等于或小于定子极105面向外部的宽度的齿宽。

优先权申请的第八实施例包括根据前述实施例中任一项的电机，其中定子极和转子磁芯对称地布置在定子盘和转子环框架的整个圆周上。

优先权申请的第九实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中电机还包括用于由不用于运行电机的定子线圈106回收能量的回收能量存储器，回收能量存储器被连接至控制***101。

优先权申请的第十实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中控制***101包括开关，其中开关被用于在电机运行时将所需的定子线圈连接至电源，或者当电机速率降低/制动时将所需的定子线圈连接至回收能量存储单元。

优先权申请的第十一实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中控制***101包括用于防止定子线圈106突然从能量源激增输入功率的控制单元。

优先权申请的第十二实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中控制***101包括被连接至传感器、电源和电力线的电子控制***。

在先发明申请的第十三实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中控制***101包括控制单元，其控制向定子极的线圈的电力分配，使得由于经由电子控制***进行连续的电力控制监控，电机高度响应于以特定速率运行电机需要的所需扭矩，并且仅根据目标转矩/速率平衡对所需的定子极组通电。

优先权申请的第十四实施例包括根据前述实施例中任一项所述电机，其中转子盘堆叠处于被连接至实心端部盘的一个端部，端部盘128具有用于从电机输出旋转力的装置。

优先权申请的第十五实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中所述实心端部盘128由诸如金属或碳纤维复合材料的刚性材料制成。

优先权申请的第十六实施例包括根据优先权申请的第十四或第十五实施例的电机，其中端部盘128形成为包含一个或多个转子环框架108的杯。

优先权申请的第十七实施例包括根据优先权申请的第十四、第十五或第十六实施例中的一个的电机，其中转子轴122被居中地布置并且从端部盘128伸出而向外远离转子堆叠。

优先权申请的第十八实施例包括根据优先权申请的第十四至第十七实施例中任一项的电机，其中端部盘杯128通过延伸通过转子环中的预制孔109的螺栓151固定地连接至转子环框架。

优先权申请的第十九实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中所述定子盘堆叠处于被连接至定子端部盘133的一个或两个端部。

优先权申请的第二十实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中所述定子端部盘133由诸如金属或碳纤维复合材料的刚性材料制成。

优先权申请的第二十一实施例包括根据优先权申请的第十九或第二十实施例的电机，其中定子端部盘133处于指向转子端部盘的端部，其包括振动衰减装置124和轴126，所述轴126将定子端部盘133联接至被包括在转子防护杯128中的轴承布置125。

优先权申请的第二十二实施例包括根据优先权申请的第十九、第二十或第二十一实施例的电机，其中定子端部盘133处于指向远离转子端部盘的端部，其包括实心支架132，以用于安装电机并且在操作下使定子盘堆叠保持固定。

优先权申请的第二十三实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中定子盘组件101、104、105、106通过延伸通过定子盘中的预制孔103的螺栓150固定连接。

优先权申请的第二十四实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中电机还包括用于存储从任何制动效应和反电动势回收的能量的回收能量存储器。

优先权申请的第二十五实施例包括根据优先权申请的前述实施例中任一项的电机，其中控制***101包括控制单元，其用于监测从反电动势或者电机的制动恢复的任何能量并且以稳定、连续的方式将其引导至能量源或者缓冲能量存储单元。

Claims (28)

1.一种发电机，所述发电机包括：

驱动轴，其用于通过被旋转而从外部电源接收电力；一个或多个发电机盘组件，所述发电机盘组件包括具有向外伸出的线圈绕组3的一个或多个定子组件3、40的中心部分，其中线圈绕组的数量是2的倍数，所述发电机盘组件还包括围绕所述定子盘组件3、40周向布置的一个或多个转子环框架组件1，其中所述转子环框架组件1还包括一组磁体2，其被布置在朝向定子盘组件3、40向内指向的转子环1的内表面上，其中所述磁体被布置为使得相邻的磁体具有交替的北-南极性。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中，在向外伸出的定子盘上彼此相对布置的成对布置的线圈绕组具有相反的极化。

3.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，多个发电机盘组件被一起布置在发电机盘堆叠中，其中所述定子盘组件3、40以固定的布置连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，活动的转子环组件1、2的数量适应于经由所述驱动轴输入的可用电力和速率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，多个转子环组件包括一个或多个不活动的转子环组件1、2。

6.根据权利要求5所述的发电机，其中，通过物理手段固定地接合至第一转子环来限定不活动的转子环组件，使得其与所有活动的转子环组件一起旋转，但其中所述磁体是非磁化的电磁体。

7.根据权利要求5所述的发电机，其中，通过与旋转的转子物理地分离来限定不活动的转子环组件，使得当活动的转子组件与旋转轴一起旋转时，所述不活动的转子组件保持静止。

8.根据权利要求7所述的发电机，其中，所述转子组件中的磁体是电磁体。

9.根据权利要求7所述的发电机，其中，所述转子组件中的磁体是永磁体。

10.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述转子环框架1的边缘形成有凹部51和突起50，以用于以锁定的方式与邻近的环框架1接合。

11.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子盘40具有预钻孔11，以用于接收以锁定的方式连接定子盘组件3、40的螺栓12。

12.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子盘40包括一组或多组线圈绕组3，每一组对应于发电的独特相位，并且所述转子环框架1包括多个面向所述定子线圈3的电磁体2，其中每个相邻的磁体布置有向内指向的相反的极35a、35b。

13.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述转子磁芯对称地布置在所述定子盘和所述转子环框架的整个圆周上。

14.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，除了到电网的供电电缆之外，所述发电机还包括回收能量存储器，以用于存储产生的电力的一小部分。

15.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，向固定的转子组件添加/移除转子盘与所述涡轮速率的增加/减小有关。

16.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，转子盘堆叠处于被连接至实心端部盘的一个端部，端部盘10具有用于将旋转力从所述涡轮机传递至所述发电机的转子的装置。

17.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述实心端部盘10由诸如金属或碳纤维复合材料的刚性材料制成。

18.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述端部盘10与具有加重的夹持件的保持杆接合以保持两个或更多个转子环框架1。

19.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述转子轴4被居中地布置并且从所述端部盘10伸出而向外远离转子堆叠。

20.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子盘堆叠处于被连接至定子端部盘36的一个或两个端部中。

21.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子端部盘36由诸如金属或碳纤维复合材料的刚性材料制成。

22.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子端部盘36处于指向所述转子端部盘的端部，其包括振动衰减装置7和轴34，所述轴34将所述定子端部盘36联接至被包括在所述转子防护杯10中的轴承布置4。

23.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子端部盘15处于指向远离所述转子端部盘的端部，其包括实心支架16，以用于安装发电机并且在操作下使所述定子盘堆叠保持固定。

24.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中，所述定子盘组件40通过螺栓12被固定地连接，所述螺栓12延伸通过所述定子盘中的预制孔11。

25.用于操作如前述权利要求中任一项中所限定的发电机的方法，所述方法包括以下步骤：

-给发电机控制单元提供用于运行发电机的指令，

-所述发电机控制单元与所述定子盘阵列中的每个控制单元(1)进行通信，其中每个控制单元(1)控制如所指示出的相应的定子盘(4)的单独的定子线圈(6)的操作，

-当转矩被施加至转子时，通过所有定子绕组(6)获取电力，并且将其存储在能量存储器处，

-从能量存储器或者从电力产生定子绕组向所述发电机提供必要的电力供应。

26.用于根据权利要求1-24所述的发电机组件的***，所述***包括发电机控制单元、用于控制所述发电机组件的主机以及将所述发电机组件连接至能量存储器或者电网***的连接设备。

27.根据权利要求26所述的***，其中，所述主机为风力涡轮机。

28.根据权利要求27所述的***，其中，所述发电机控制单元被连接至天气预报资源，以便根据预测的风速来调整所述发电机组件特性。