專利名稱：具有輪緣發(fā)電機(jī)和海爾貝克陣列的外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)的輪緣發(fā)電機(jī)。特別地，基于轉(zhuǎn)子/定子組件的環(huán)式發(fā)電機(jī)變型用作永磁發(fā)電機(jī)。環(huán)式發(fā)電機(jī)中所包含的磁體以海爾貝克(Halbach)陣列布置，以便增強(qiáng)外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電。還公開了制造和使用這些系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
用于發(fā)電的傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)通常具有類似于螺旋槳地設(shè)置的2至5個開放式葉片，葉片安裝到水平軸，水平軸附接到驅(qū)動發(fā)電機(jī)的齒輪箱。這些渦輪機(jī)通常已知為水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)，或HAWT。雖然HAWT已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，但其效率不是最佳的。特別地，HAWT 在獲取經(jīng)過其的風(fēng)的勢能方面的效率將不超過貝茨(Betz)極限的59.3%。這些渦輪機(jī)通常需要高度在60至90米范圍內(nèi)的支承塔。葉片一般以大約10至22rpm的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。齒輪箱通常用于逐步提高速度以驅(qū)動發(fā)電機(jī)，當(dāng)然一些設(shè)計(jì)也可以直接驅(qū)動環(huán)形發(fā)電機(jī)。一些渦輪機(jī)以恒定速度運(yùn)行。但是，通過使用變速渦輪機(jī)和固態(tài)功率轉(zhuǎn)換器來使渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)交接能夠收集更多能量。希望的是從風(fēng)力渦輪機(jī)收集額外能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及包括環(huán)式發(fā)電機(jī)的外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)。環(huán)式發(fā)電機(jī)中的永磁體以海爾貝克陣列布置，以使風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電能力最大化。實(shí)施方式中公開的是風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括渦輪機(jī)外殼和葉輪。渦輪機(jī)外殼包圍或環(huán)繞葉輪。渦輪機(jī)外殼還包括具有至少一個相繞組的靜環(huán)。葉輪包括轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子具有中心環(huán)、外環(huán)、在中心環(huán)和外環(huán)之間延伸的多個轉(zhuǎn)子葉片、以及外環(huán)上的多個永磁體。渦輪機(jī)外殼的靜環(huán)和轉(zhuǎn)子的外環(huán)彼此對準(zhǔn)。多個永磁體設(shè)置在外環(huán)上，以形成在轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生磁場的海爾貝克筒(Halbach cylinder)。渦輪機(jī)外殼還可包括形成在后緣上的一圈混合凸起。渦輪機(jī)外殼的后緣可以具有圓雉堞形狀。永磁體可以包括稀土元素。在特定實(shí)施方式中，永磁體是NdJe14B磁體。多個永磁體可以更特別地沿著外環(huán)的后端定位。在實(shí)施方式中，靜環(huán)具有串聯(lián)連接的3個相繞組。
風(fēng)力渦輪機(jī)還可以包括噴射器外殼，噴射器外殼的入口端環(huán)繞渦輪機(jī)外殼的出口端。風(fēng)力渦輪機(jī)還可以包括限定風(fēng)力渦輪機(jī)的入口端的定子，定子包括多個定子葉片。其它實(shí)施方式中公開的是一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括渦輪機(jī)外殼、葉輪和噴射器外殼。渦輪機(jī)外殼包圍或環(huán)繞葉輪。渦輪機(jī)外殼還包括具有至少一個相繞組的靜環(huán)。葉輪包括轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子具有中心環(huán)、外環(huán)、在中心環(huán)和外環(huán)之間延伸的多個轉(zhuǎn)子葉片、以及外環(huán)上的多個永磁體。渦輪機(jī)外殼的靜環(huán)和轉(zhuǎn)子的外環(huán)彼此對準(zhǔn)。多個永磁體設(shè)置在外環(huán)上，以形成在轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生磁場的海爾貝克筒。噴射器外殼的入口端環(huán)繞渦輪機(jī)外殼的出口端。在特定實(shí)施方式中，渦輪機(jī)外殼還包括形成在后緣上的一圈混合凸起，噴射器外殼具有翼型(即，噴射器外殼不具有混合凸起)。還公開的是一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括包圍葉輪的渦輪機(jī)外殼；其中渦輪機(jī)外殼包圍靜環(huán)，靜環(huán)具有至少一個相繞組且具有形成在后緣上的一圈混合凸起；其中葉輪包括定子和轉(zhuǎn)子，定子在轉(zhuǎn)子的上游，轉(zhuǎn)子具有中心環(huán)、外環(huán)、在中心環(huán)和外環(huán)之間延伸的多個轉(zhuǎn)子葉片、以及外環(huán)上的多個永磁體；其中靜環(huán)和外環(huán)彼此對準(zhǔn)；并且其中多個永磁體設(shè)置在外環(huán)上，以形成在轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生磁場的海爾貝克筒；以及具有翼型的噴射器外殼，噴射器外殼的入口端環(huán)繞渦輪機(jī)外殼的出口端。下面將進(jìn)一步描述本發(fā)明的這些和其它非限制性特征或特點(diǎn)。


以下是附圖的簡要描述，其是以圖示這里提及的本發(fā)明的目的而非限制本發(fā)明的目的給出的。圖1是本發(fā)明的MEWT的第一示例性實(shí)施方式或變型的分解圖。圖2是圖1的附接到支承塔的前視立體圖。圖3是MEWT的第二示例性實(shí)施方式的前視立體圖，其中示出有外罩式三葉片葉輪。圖4是圖3的MEWT的后視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的MEWT的另一示例性實(shí)施方式的前視立體圖。圖6是經(jīng)過渦輪機(jī)軸線截取的圖5的MEWT的側(cè)向截面圖。圖7是圖6的縮小視圖。圖7A和圖7B是圖7的MEWT的混合凸起的放大視圖。圖8是MEWT的另一示例性實(shí)施方式的剖視圖，其中示出了環(huán)式發(fā)電機(jī)的靜環(huán)部分。圖9是MEWT的另一示例性實(shí)施方式的剖視圖，其中示出了環(huán)式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分。圖10是具有3個相繞組的環(huán)式發(fā)電機(jī)的靜環(huán)部分的特寫視圖。圖11是示例性靜環(huán)的前視圖。圖12是示例性靜環(huán)的側(cè)視圖。圖13是示例性轉(zhuǎn)子的前視圖。圖14是示例性轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。圖15是示出了環(huán)式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和靜環(huán)相對于彼此的特寫視圖。
具體實(shí)施例方式通過參照附圖能夠更加完整地理解這里公開的部件、過程和設(shè)備。這些附圖僅僅是基于方便且容易展示本發(fā)明的示意性表示，因此，附圖不意于指明其裝置或部件的相對大小和尺寸和/或限定或限制示例性實(shí)施方式的范圍。雖然為了清楚的目的在下面的描述中使用了特定術(shù)語，這些術(shù)語僅用于指示附圖中選擇示出的實(shí)施方式的具體結(jié)構(gòu)，并且不意于限定或限制本發(fā)明的范圍。在下面的附圖和描述中，可以理解相同的附圖標(biāo)記指示具有相同功能的部件。與量有關(guān)地使用的修飾語“大約”把所述值包括在內(nèi)，并且具有上下文指示的意思 (例如，其至少包括與特定量的測量相關(guān)的誤差度)。當(dāng)在上下文中用于范圍時，修飾語“大約”也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為公開了由兩個端點(diǎn)的絕對值限定的范圍。例如，范圍“從大約2至大約4” 也公開了范圍“從2至4”?；旌掀?噴射器功率系統(tǒng)(MEPS)提供了一種從風(fēng)流產(chǎn)生功率的獨(dú)特且改進(jìn)的方式。MEPS包括 主外殼，其包含從主流提取功率的類似于螺旋槳的渦輪機(jī)或葉片葉輪；和 單級或多級混合器-噴射器，用以利用每個這種混合器/噴射器級攝取流量，這種混合器/噴射器級包括用于引起副流且提供噴射器級的流動混合長度的混合管道。混合管道或外殼的入口輪廓被設(shè)計(jì)成使流動損失最小化，同時提供良好噴射器性能所需的壓力。得到的混合器/噴射器通過以下各項(xiàng)增強(qiáng)了功率系統(tǒng)的操作特征(a)增加經(jīng)過系統(tǒng)的流量，(b)減小渦輪機(jī)葉片上的出口壓力或背壓，以及(c)降低從系統(tǒng)傳播的噪音。MEPS可以包括 使管道輪廓成弧形，以增強(qiáng)流入和流經(jīng)系統(tǒng)的量； 針對主管道中的消音導(dǎo)流葉片在主管道和混合管道中進(jìn)行隔音處理，用于控制流動漩渦和/或混合器凸起調(diào)整以消除流動漩渦影響； 基于新的理論功率極限進(jìn)行渦輪機(jī)狀葉片空氣動力設(shè)計(jì)，以開發(fā)可以具有多個和/或反向旋轉(zhuǎn)葉片排的短的、在結(jié)構(gòu)上堅(jiān)固的構(gòu)造族； 在混合管道上有出口擴(kuò)散器或噴嘴，以進(jìn)一步改進(jìn)總系統(tǒng)的性能； 具有非圓形截面的入口和出口區(qū)域，以適應(yīng)安裝限制； 在其較低外表面上有旋轉(zhuǎn)接頭，用于安裝在豎向支架/塔架上，允許將系統(tǒng)轉(zhuǎn)向風(fēng)； 豎向空氣動力穩(wěn)定器葉片，安裝在管道外部上，利用補(bǔ)翼或葉片將系統(tǒng)保持指向風(fēng)；或 多級噴射器系統(tǒng)的單級上有混合器凸起。具體參照附圖，圖中示出了申請人的具有混合器和噴射器的軸流風(fēng)力渦輪機(jī) ("MEffT")的替代實(shí)施方式。參照圖1和圖2，MEffT 100是軸流渦輪機(jī)，具有a)具有空氣動力學(xué)輪廓的渦輪機(jī)外殼102 ；b)位于渦輪機(jī)外殼102中并且附接到渦輪機(jī)外殼102的具有空氣動力學(xué)輪廓的中心體103 ；c)環(huán)繞中心體103的渦輪機(jī)級104，其包括具有定子葉片108a的定子環(huán)106和具有轉(zhuǎn)子葉片11 的轉(zhuǎn)子110。轉(zhuǎn)子110位于下游并且與定子葉片“成直線”，即，葉輪葉片的前緣與定子葉片的后緣基本上對準(zhǔn)，其中i)定子葉片108a安裝在中心體103上；ii)轉(zhuǎn)子葉片11 通過安裝在中心體103上的內(nèi)環(huán)或箍和外環(huán)或箍附接和保持在一起；d)整體由118指示的混合器，其具有在渦輪機(jī)外殼102的終點(diǎn)區(qū)域(即，端部)上的一圈混合器凸起120a，其中，混合器凸起120a向下游延伸超出轉(zhuǎn)子葉片11 ；和e)整體由122指示的噴射器，其包括環(huán)繞渦輪機(jī)外殼上的一圈混合器凸起120a的噴射器外殼128，其中，混合器凸起(例如120a)向下游延伸并且進(jìn)入噴射器外殼128的入 Π 129 ο如圖2所示，MEWT 100的中心體103經(jīng)過定子環(huán)106或以其它方式希望地連接到渦輪機(jī)外殼102。這種結(jié)構(gòu)用于消除由傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)隨著來自渦輪機(jī)葉片的尾流沖擊支承塔而產(chǎn)生的損壞、擾動和長距離傳播的低頻聲音。渦輪機(jī)外殼102和噴射器外殼128的空氣動力學(xué)輪廓被空氣動力學(xué)地形成弧形，以增大經(jīng)過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的流動。為了最佳效率，申請人計(jì)算出由噴射器外殼128出口區(qū)域與渦輪機(jī)外殼102出口區(qū)域所限定的噴射器泵122的面積比在1. 5-3. 0的范圍內(nèi)。混合器凸起120a的數(shù)量在6和 14之間。每個凸起的內(nèi)后緣角度和外后緣角度在5和65度之間。這些角度是從在混合凸起的出口處畫至與渦輪機(jī)的中心軸線平行的線的切線測量的，如這里進(jìn)一步說明的。主凸起出口位置在噴射器外殼128的入口位置或入口 1 處或附近。凸起通道的高寬比在0.5 和4. 5之間?；旌掀鞔┩嘎试?0%和80%之間。中心體103栓后緣角度為30度或更小。 總的MEffT 100的長度直徑比(L/D)在0. 5和1. 25之間。申請人:執(zhí)行的優(yōu)選MEWT 100的基于第一原理的理論分析表明，針對相同的前面區(qū)域，MEffT能夠產(chǎn)生3倍或更多倍于其無外罩式對應(yīng)件的功率；并且，MEffT 100能夠?qū)L(fēng)力發(fā)電廠的生產(chǎn)率增加2或更多倍?；谠摾碚摲治?，相信MEWT實(shí)施方式100將產(chǎn)生3倍于現(xiàn)有的相同尺寸傳統(tǒng)開放式葉片風(fēng)力渦輪機(jī)的功率。MEffT的令人滿意的實(shí)施方式100包括軸流渦輪機(jī)(例如，定子葉片和葉輪葉片)，其由具有空氣動力學(xué)輪廓的渦輪機(jī)外殼102環(huán)繞，該具有空氣動力學(xué)輪廓的渦輪機(jī)外殼102的終點(diǎn)區(qū)域(即，端部)中包含混合裝置；和分離的噴射器外殼128，其與渦輪機(jī)外殼102重疊但位于其后面，渦輪機(jī)外殼102本身可以在其終點(diǎn)區(qū)域中包含混合器凸起。與噴射器外殼128結(jié)合的混合器凸起120a的圈118能夠被認(rèn)為是混合器/噴射器泵。該混合器/噴射器泵提供為了風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行效率而一致地超過Betz極限的裝置。定子葉片的出口傾角可以在原位機(jī)械地改變(即，葉片樞轉(zhuǎn))以適應(yīng)流體流速度的變化，以便確保離開轉(zhuǎn)子的流動的最小殘余漩渦。換種方式描述，MEffT 100包括具有安裝在中心體103上的定子環(huán)106和轉(zhuǎn)子110 的渦輪機(jī)級104，中心體103由渦輪機(jī)外殼102環(huán)繞，渦輪機(jī)外殼102具有嵌入的混合器凸起120a，混合器凸起120a具有稍插入在噴射器外殼128的入口平面內(nèi)的后緣。渦輪機(jī)級 104和噴射器外殼1 在結(jié)構(gòu)上連接到渦輪機(jī)外殼102，該渦輪機(jī)外殼102是主要載荷承載構(gòu)件。這些附圖描繪了用于產(chǎn)生功率的轉(zhuǎn)子/定子組件。這里使用術(shù)語“葉輪”來一般地指代葉片附接到軸且能夠轉(zhuǎn)動從而允許由使葉片轉(zhuǎn)動的風(fēng)產(chǎn)生功率或能量的任何組件。 示例性的葉輪包括螺旋槳或轉(zhuǎn)子/定子組件。任何類型的葉輪可以包含在本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)中的渦輪機(jī)外殼102內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，渦輪機(jī)外殼102的長度等于或小于渦輪機(jī)外殼的最大外徑。 同樣，噴射器外殼128的長度等于或小于噴射器外殼的最大外徑。中心體103的外表面被空氣動力學(xué)地成型為弧形，以使MEWT 100下游的流動分離的影響最小。其可以被構(gòu)造成比渦輪機(jī)外殼102或噴射器外殼128、或它們結(jié)合的長度更長或更短。渦輪機(jī)外殼的入口區(qū)域和出口區(qū)域等于或大于由渦輪機(jī)級104占據(jù)的環(huán)帶的入口區(qū)域和出口區(qū)域，但其形狀不必是圓形的，以允許更好地控制流源及其尾流的影響。由中心體103和渦輪機(jī)外殼102的內(nèi)表面之間的環(huán)帶形成的內(nèi)部流路徑截面區(qū)域在空氣動力學(xué)上被成形，以在渦輪機(jī)的平面處具有最小面積并且另外從其各自的入口平面到其出口平面平滑地變化。渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼的外表面在空氣動力學(xué)上被成形，以輔助將流動引導(dǎo)到渦輪機(jī)外殼入口中，消除從其表面的流動分離，并且將平滑流動輸送到噴射器入口 1 中?？梢蕴娲厥欠菆A形的噴射器128的入口區(qū)域大于混合器118的出口平面區(qū)域；并且如果希望的話噴射器出口區(qū)域也可以是非圓形的。優(yōu)選實(shí)施方式100的可選特征能夠包括輪狀結(jié)構(gòu)形式的動力輸出裝置，其在葉輪的外輪緣處機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)；豎向支承軸，其具有用于可轉(zhuǎn)動地支承MEWT的可轉(zhuǎn)動聯(lián)接件，軸位于MEWT上的壓力中心位置的前向，用于自對準(zhǔn)MEWT ；和自運(yùn)動豎向穩(wěn)定翅片或“翼片”，其固定到噴射器外殼的上表面和下表面，以穩(wěn)定與不同風(fēng)流的對準(zhǔn)方向。MEffT 100在住宅附近使用時能夠具有吸聲材料，該吸聲材料固定到其外殼102、 128的內(nèi)表面，以吸收并由此消除由定子106尾流與轉(zhuǎn)子110相互作用產(chǎn)生的相對高頻聲波。MEWT 100也能夠包含用于增加安全性的葉片容納結(jié)構(gòu)。MEWT也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)。圖3和圖4示出外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)200的第二示例性實(shí)施方式。渦輪機(jī)200使用螺旋槳式葉輪142，替代圖1和圖2中所使用的轉(zhuǎn)子/定子組件。另外，在該實(shí)施方式中能夠更清楚地看到混合凸起。渦輪機(jī)外殼210具有不同的兩組混合凸起。參照圖3和圖4，渦輪機(jī)外殼210具有一組高能混合凸起212，其朝著渦輪機(jī)的中心軸線向內(nèi)延伸。在該實(shí)施方式中，渦輪機(jī)外殼被示出具有10個高能混合凸起。渦輪機(jī)外殼還具有一組低能混合凸起 214，其遠(yuǎn)離中心軸線地向外延伸。同樣，渦輪機(jī)外殼210被示出具有10個低能混合凸起。 高能混合凸起與低能混合凸起圍繞渦輪機(jī)外殼210的后緣交替。葉輪142、渦輪機(jī)外殼210 和噴射器外殼230彼此同軸，即，它們共有一共同的中心軸線。從后面，如圖4中所見，渦輪機(jī)外殼的后緣可以被認(rèn)為具有圓雉堞形狀。后緣250能夠被認(rèn)為包括若干個沿周向隔開的內(nèi)弓形部分252，每個內(nèi)弓形部分 252具有相同的曲率半徑。這些內(nèi)弓形部分優(yōu)選地彼此等間距隔開。在部分252之間的這些間隔中是若干個外弓形部分254，每個外弓形部分2M具有相同的曲率半徑。內(nèi)弓形部分的曲率半徑不同于外弓形部分254的曲率半徑，但內(nèi)弓形部分和外弓形部分應(yīng)當(dāng)共有大致相同的中心(即，沿著中心軸線)。內(nèi)弓形部分252和外弓形部分邪4隨后通過徑向延伸的
8部分256彼此連接。這導(dǎo)致圓雉堞形狀。術(shù)語“雉堞狀”或“齒形的”在這里不被用作要求內(nèi)弓形部分、外弓形部分和徑向延伸部分是直線，而是指后緣250的大致上下或內(nèi)外形狀。 該雉堞狀結(jié)構(gòu)形成兩組混合凸起，即高能混合凸起212和低能混合凸起214。噴射器外殼230的入口區(qū)域232大于噴射器外殼的出口區(qū)域234。將理解，入口區(qū)域是指噴射器外殼的整個嘴部，而不是噴射器外殼的在噴射器外殼230和渦輪機(jī)外殼210 之間的環(huán)形區(qū)域。但是，如這里進(jìn)一步所示，噴射器外殼的入口區(qū)域也可以比噴射器外殼的出口區(qū)域234小。如所期望的，噴射器外殼230的入口區(qū)域232大于渦輪機(jī)外殼210的出口區(qū)域218，以便容納混合凸起并且在渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼之間形成環(huán)形區(qū)域238，高能空氣能夠通過該環(huán)形區(qū)域238進(jìn)入噴射器。如這里所示，混合凸起位于渦輪機(jī)外殼上。如果需要，混合凸起也可以形成在噴射器外殼的后緣上。這里描述的混合器-噴射器設(shè)計(jì)構(gòu)思能夠顯著增強(qiáng)流體動態(tài)性能。這些混合器-噴射器系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)提供了多個優(yōu)點(diǎn)，諸如更短的噴射器長度；增大的進(jìn)入和經(jīng)過系統(tǒng)的質(zhì)量流量；對入口流動阻斷和/或與主要流動方向未對準(zhǔn)的更低的敏感度；降低的空氣動力噪聲；增加的推力；以及在主出口處增大的抽吸壓力。圖5-7示出了 MEWT的另一種示例性實(shí)施方式。圖5中的MEWT300具有能夠用于功率提取的定子308a和轉(zhuǎn)子310。渦輪機(jī)外殼302環(huán)繞轉(zhuǎn)子310并且由定子308a的葉片或輻條支承或連接到定子308a的葉片或輻條。渦輪機(jī)外殼302具有翼型截面，抽吸側(cè)(即， 低壓側(cè))在外殼的內(nèi)部上。噴射器外殼3 與渦輪機(jī)外殼302同軸，并且通過在兩個外殼之間延伸的連接器構(gòu)件305支承。因此，環(huán)形區(qū)域形成在兩個外殼之間。渦輪機(jī)外殼302 的后端或下游端被成形為形成不同的兩組混合凸起318、320。高能混合凸起318朝向混合器外殼302的中心軸線向內(nèi)延伸；并且，低能混合凸起320遠(yuǎn)離中心軸線向外延伸。通常由箭頭306指示的經(jīng)過定子308a的自由流空氣的能量通過轉(zhuǎn)子310提取。通過箭頭3 指示的高能空氣旁通經(jīng)過外殼302和定子308a，并且在渦輪機(jī)外殼302上流過且通過高能混合凸起318向內(nèi)指引。低能混合凸起320導(dǎo)致自轉(zhuǎn)子310向下游離開的低能空氣與高能空氣3 混合。參照圖6，以軸向截面圖示出了圖5的渦輪機(jī)的中心艙303、低能混合凸起320的后緣和高能混合凸起318的后緣。噴射器外殼3 用于向內(nèi)指引或吸入高能空氣329?？蛇x地，艙303可以形成有穿過其的中心軸向通道，以減小艙的質(zhì)量并且提供額外的高能渦輪機(jī)旁通流。在圖7A中，沿著高能混合凸起318的通常以357指示的內(nèi)部后緣畫出切線352。 渦輪機(jī)外殼302的后平面351可見。線350被形成為垂直于后平面351并且與低能混合凸起320和高能混合凸起318交匯的點(diǎn)相切。角Φ2由切線352和線350相交形成。該角Φ2 在5和65度之間。換句話說，高能混合凸起318相對于渦輪機(jī)外殼302形成在5和65度之間的角Φ2。在圖7Β中，沿著低能混合凸起320的通常以355指示的內(nèi)部后緣畫出切線354。 角Φ通過切線3 和線350相交形成。角Φ在5和65度之間。換句話說，低能混合凸起 320相對于渦輪機(jī)外殼302形成在5和65度之間的角Φ。渦輪機(jī)外殼的前緣可以被認(rèn)為是風(fēng)力渦輪機(jī)的前面，噴射器外殼的后緣可以被認(rèn)為是風(fēng)力渦輪機(jī)的后面。風(fēng)力渦輪機(jī)的更靠近渦輪機(jī)前面定位的第一部件可以被認(rèn)為在更靠近渦輪機(jī)的后面定位的第二部件的“上游”。換句話說，第二部件是第一部件的“下游”。本發(fā)明的外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)使用環(huán)式發(fā)電機(jī)來捕獲來自風(fēng)的能量。基本上，活動磁體用于在固定相繞組中產(chǎn)生電流。本發(fā)明的磁體是被設(shè)置用以形成海爾貝克陣列的永久磁體。海爾貝克陣列是將陣列一側(cè)的磁場增大并且將陣列的相對側(cè)的磁場消除為接近零的一種永久磁體的布置。磁體的海爾貝克陣列能夠被設(shè)置成筒狀形式，其中，增大的磁場在筒的內(nèi)部或外部上。這種形式的海爾貝克陣列也被稱為海爾貝克筒。本發(fā)明的海爾貝克筒被設(shè)置成使得磁場在筒的外部，如這里進(jìn)一步說明的。現(xiàn)在參照圖8-15，外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)400被示出為使用環(huán)式發(fā)電機(jī)。渦輪機(jī)400 包括混合器外殼402和噴射器外殼404?；旌掀魍鈿?02包圍轉(zhuǎn)子/定子組件406。定子葉片408在混合器外殼402和艙或中心體403之間延伸。附接支柱410將混合器外殼402 與噴射器外殼404接合或連接。圖8示出安裝在混合器外殼402上或其中的靜環(huán)430。靜環(huán)由一個或多個相繞組 432制成。在圖9中，靜環(huán)的一部分被移除，以暴露安裝在轉(zhuǎn)子420上的永久磁體陣列440。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，恒定的旋轉(zhuǎn)磁場由磁體陣列440產(chǎn)生。該磁場在相繞組432中感應(yīng)交流(AC) 電壓，以產(chǎn)生能夠被捕獲的電能。永久環(huán)式發(fā)電機(jī)的一個優(yōu)點(diǎn)是其不需要初始的注入功率， 以開始產(chǎn)生電。應(yīng)當(dāng)注意，在電動馬達(dá)的領(lǐng)域中，術(shù)語“定子”用于指轉(zhuǎn)子/定子系統(tǒng)的固定部分。 術(shù)語“靜環(huán)”在這里用以減小風(fēng)力渦輪機(jī)中的發(fā)電系統(tǒng)的固定部分430和相對于轉(zhuǎn)子420引導(dǎo)空氣的固定葉片408之間的任何混淆。圖9A是一些永久磁體445的放大圖。在每個磁體上是示出磁場定向的箭頭。磁體設(shè)置成海爾貝克陣列，使得轉(zhuǎn)子外部或外側(cè)的磁場(由附圖標(biāo)記447指示)增強(qiáng)，而轉(zhuǎn)子內(nèi)部或內(nèi)側(cè)的磁場(由附圖標(biāo)記449指示)減小到接近零。圖10是示出相繞組432的靜環(huán)的放大圖。每個相繞組包括一系列線圈。特別是在諸如這里描述的具體實(shí)施方式
中，定子具有串聯(lián)連接用于產(chǎn)生三相電力的三個相繞組432、 434、436。每個繞組包含串聯(lián)的以9度隔開的40個繞線圈，使得三個相繞組的組合覆蓋定子的360°圓周。圖11和圖12分別從前面和側(cè)面示出組裝的定子430?，F(xiàn)在參照圖13和圖14，轉(zhuǎn)子450包含中心環(huán)460和外環(huán)470。轉(zhuǎn)子葉片480在中心環(huán)460和外環(huán)470之間延伸，將它們連接起來。返回參照圖9，中心體403延伸經(jīng)過中心環(huán)460，以支承轉(zhuǎn)子450并相對于混合器外殼402固定其位置。多個永久磁體陣列440位于外環(huán)470上。磁體圍繞轉(zhuǎn)子的周向并且沿著外環(huán)470 大致均勻地分布。如圖14所示，在實(shí)施方式中，磁體陣列沿著外環(huán)的后端472定位。磁體陣列被設(shè)置形成海爾貝克筒，即，具有在外環(huán)外部的磁場。磁體440由將磁體緊固到轉(zhuǎn)子450 的封裝材料442分開。應(yīng)當(dāng)注意，雖然由海爾貝克筒形成的總的磁場在轉(zhuǎn)子的外部，磁場本身由在方向上交替的磁通線的組合產(chǎn)生，從而產(chǎn)生能夠在相繞組中感應(yīng)AC電壓的磁場。電流由于交替的磁場而在相繞組中產(chǎn)生。由于產(chǎn)生的電流的強(qiáng)度與磁場的大小成比例，將磁體布置成海爾貝克陣列增加了轉(zhuǎn)子每次轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電流的量。圖15是示出轉(zhuǎn)子450、靜環(huán)430及其彼此間關(guān)系的放大圖。轉(zhuǎn)子和靜環(huán)彼此對準(zhǔn)。換句話說，如果從風(fēng)力渦輪機(jī)的中心軸線畫出徑向線，那么轉(zhuǎn)子和靜環(huán)將在同一徑向線上。永久磁體由形成其自身的持續(xù)的磁場的磁化材料制成。示例性的磁體材料是鐵磁性和強(qiáng)磁性材料，包括鐵、鎳、鈷、稀土金屬和磁石。永久磁體不同于由線圈制成的電磁體， 電流通過線圈以形成磁效應(yīng)。在一些實(shí)施方式中，永久磁體包括從包含以下元素的組中選出的稀土金屬鑭、 鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、軋、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥。稀土金屬磁體可以包括諸如Ndfe14B的釹-鐵-硼或諸如SmCo5或SmCo7的釤-鈷材料。本發(fā)明已經(jīng)參照示例性實(shí)施方式得以描述。顯然，在閱讀和理解前面詳細(xì)的描述后，將想到進(jìn)行其它變型和改變。本發(fā)明意在被解釋為包括在落入權(quán)利要求書或其等效的范圍內(nèi)的所有這種變型和改變。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括 包圍葉輪的渦輪機(jī)外殼；其中所述渦輪機(jī)外殼包括具有至少一個相繞組的靜環(huán)；其中所述葉輪包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有中心環(huán)、外環(huán)、在所述中心環(huán)和外環(huán)之間延伸的多個轉(zhuǎn)子葉片、以及所述外環(huán)上的多個永磁體； 其中所述靜環(huán)和所述外環(huán)彼此對準(zhǔn)；并且其中所述多個永磁體設(shè)置在所述外環(huán)上，以形成在所述轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生磁場的海爾貝克筒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述渦輪機(jī)外殼還包括形成在后緣上的一圈混合凸起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述渦輪機(jī)外殼的后緣具有圓雉堞形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述永磁體包括稀土元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述永磁體是Nd2Fel4B磁體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述靜環(huán)具有串聯(lián)連接的三個相繞組。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述多個永磁體沿著所述外環(huán)的后端定位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，還包括噴射器外殼，所述噴射器外殼的入口端環(huán)繞所述渦輪機(jī)外殼的出口端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，還包括限定所述風(fēng)力渦輪機(jī)的入口端的定子， 所述定子包括多個定子葉片。
10.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括 包圍葉輪的渦輪機(jī)外殼；其中所述渦輪機(jī)外殼包括具有至少一個相繞組的靜環(huán)；其中所述葉輪包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子在所述轉(zhuǎn)子的上游，所述轉(zhuǎn)子具有中心環(huán)、外環(huán)、在所述中心環(huán)和外環(huán)之間延伸的多個轉(zhuǎn)子葉片、以及所述外環(huán)上的多個永磁體； 其中所述靜環(huán)和所述外環(huán)彼此對準(zhǔn)；并且其中所述多個永磁體設(shè)置在所述外環(huán)上，以形成在所述轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生磁場的海爾貝克筒；和噴射器外殼，所述噴射器外殼的入口端環(huán)繞所述渦輪機(jī)外殼的出口端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述渦輪機(jī)外殼還包括形成在后緣上的一圈混合凸起，并且其中所述噴射器外殼具有翼型。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述渦輪機(jī)外殼的后緣具有圓雉堞形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述永磁體包括稀土元素。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述永磁體是Nd2Fel4B磁體。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述靜環(huán)具有串聯(lián)連接的三個相繞組。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述多個永磁體沿著所述外環(huán)的后端定位。
17.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括包圍葉輪的渦輪機(jī)外殼；其中所述渦輪機(jī)外殼包圍靜環(huán)，所述靜環(huán)具有至少一個相繞組且具有形成在后緣上的一圈混合凸起；其中所述葉輪包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子在所述轉(zhuǎn)子的上游，所述轉(zhuǎn)子具有中心環(huán)、外環(huán)、在所述中心環(huán)和外環(huán)之間延伸的多個轉(zhuǎn)子葉片、以及所述外環(huán)上的多個永磁體； 其中所述靜環(huán)和所述外環(huán)彼此對準(zhǔn)；并且其中所述多個永磁體設(shè)置在所述外環(huán)上，以形成在所述轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生磁場的海爾貝克筒；和具有翼型的噴射器外殼，所述噴射器外殼的入口端環(huán)繞所述渦輪機(jī)外殼的出口端。
全文摘要
一種風(fēng)力渦輪機(jī)包括渦輪機(jī)外殼和可選的噴射器外殼。風(fēng)力渦輪機(jī)包圍永磁環(huán)式發(fā)電機(jī)。相繞組的靜環(huán)位于渦輪機(jī)外殼中，并且風(fēng)氣流導(dǎo)致其上具有永磁體的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在靜環(huán)中形成電流。永磁體被設(shè)置成形成在轉(zhuǎn)子外部具有磁場的海爾貝克筒。
文檔編號H02K7/18GK102597501SQ201080030072
公開日2012年7月18日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者M·J·韋爾, T·J·肯尼迪三世, W·M·小普雷茲 申請人:弗洛設(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)公司