CN107210661A - 发电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向磁通旋转发电机，包括：两个磁环；一个线圈环；磁环和线圈环具有一个公共轴线；两个磁环限定围绕所述公共轴线的、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围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中个体磁场的相对定位和所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得：(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位；且(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

Description

发电机

背景技术

下面的发明涉及用于直接驱动旋转发电机的定子和/或转子的替代且有益的设计，所述发电机特别是可以被直接驱动而不需要齿轮箱的直接驱动旋转发电机，具体是用于如WO2015/075456中所公开的轴向磁通发电机的形式的发电机。

这样的直接驱动发电机由一系列细长圆柱形的定子环和同轴的一系列细长圆柱形的转子环形成，且所述定子环和所述转子环被安装用于围绕它们的公共轴线相对旋转移动，所述一系列定子环与所述一系列转子环交错，且所述转子环/所述定子环两者之一具有围绕其圆周毗邻的或大体上毗邻的线圈序列，且所述转子环/所述定子环中的另一个具有围绕其圆周且以与所述线圈的节距(pitch)相同的节距间隔开的交替极性的对应的永磁体序列，该布置使得穿越一个磁体承载环与下一个磁体承载环之间的空气间隙的磁通量线切割对应的交错的线圈承载环的多匝线圈，因此当使所述转子相对于所述定子旋转时，在所述线圈中感应电磁力。

US2008/231132也公开了一种轴向磁通发电机，并且暗示了适合于直接生成三相电流的磁体与线圈的比率，所述三相电流常常被用于电力输送和分配。

WO2015/075456的发电机的一个关键特征是定子线圈的节距被选择为与转子磁体的节距相同。这确保了在每个定子线圈中由磁体承载转子感应的电磁力全都彼此同相。通过此方式，定子线圈的全部输出可以彼此方便地电连接，因此组合它们相应的输出以用于供给电负载。

然而，由此布置引起了一个缺点。这是被称为齿槽(cogging)的效应。齿槽效应是抵抗转动发电机所施加的转矩的机械反转矩的变化。在一种形式中，齿槽效应是由于生成交流电的定子线圈而出现的。另一种更严重的形式的齿槽效应是由电枢的磁体和定子的铁磁材料(例如，定子的线圈的中心中的铁氧体材料)之间的磁相互作用造成的。

US2010/0194251公开了一种轴向发电机，所述轴向发电机基于不同的原理工作，且其中成对的间隔开的转子盘各自都承载磁体，以使得成对的磁体在间隔的转子盘之间的间隙两边彼此排斥。在该间隙中的定子组件包括一系列线圈，其中所述线圈的中心填充有铁氧体材料。这样的系统遭受源于所述磁体和所述铁氧体材料之间的磁相互作用的齿槽效应。通过使用16个磁体对(和12个线圈)减少了由磁相互作用造成的齿槽效应。然而，这病没有考虑减少由生成交流电的定子线圈造成的任何齿槽效应。

对于任何风力涡轮机的叶轮，都期望确保由其发电机的旋转引起的任何转矩波动(由任一起源的所述齿槽效应引起)被保持到实际最小值。即使从发动机的瞬时旋转速率中的波动来看发电机的旋转惯性掩盖了其固有齿槽效应，由叶轮的叶片“感觉到”的任何波动会对它们的寿命有害，如果共振发生则甚至是致命的。理想地，齿槽效应应被保持到1％或更少。

此外，对于在这样的风力涡轮机中使用的任何发电机，尤其是WO2015/075456中所公开的发电机，其中使用的磁体属于被称为铁氧体的类型，所述铁氧体与更通常使用的被称为稀土类型相比具有更弱的场，期望的是，可以从在涡轮机的机舱内由发电机占据的给定的体积生成尽可能多的电能。

为了从风力涡轮机提取最大机械功率，已经发现有利的是，允许风力涡轮机的叶片根据盛行风条件以可变的速度旋转。此灵活性在一些常规设计中是不可能的，在常规设计中，例如三相发电机由风力涡轮机转子驱动且其输出相位供应国家电网且被锁定到国家电网。在此情况下，旋转速率由电网的基本频率(在英国，50Hz，且在美国，60Hz)决定。

因此，已经有一个举措来处理由发电机生成的电功率，该举措是通过首先将该电功率整流成直流电，且然后将该电功率重新转换回到例如适合于供给国家供应电网的三相电。在此情况下，发电机之后可以被允许以最适合于从涡轮机叶片获得可能的最大能量的速度运行。

在此情况下，由发电机提供的功率越大且越平滑越好。

目前的现有技术(例如US2008/231132)公开了三相电力的生成。在此情况下，有用能量(均方根)是线路峰值的0.866。(在单相系统的情况下，它是该峰值的0.5。)

发明内容

前面提及的WO 2015/075456的轴向磁通发电机的构造的一种替代构造是优选的，以克服或大体上克服这些不想要的齿槽力，同时还期望的是，对于给定体积/尺寸的发电机使所生成的功率最优化。

根据本发明，一种旋转发电机包括：一个定子环；一个电枢环；所述定子环和所述电枢环被同轴地安装以围绕它们的公共轴线相对旋转；所述定子环和所述电枢环中的一个是磁环，所述磁环限定围绕所述公共轴线的多个磁场，且所述定子环和所述电枢环中的另一个具有线圈序列，所述线圈序列围绕所述公共轴线圆形地附接，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述定子环相对于所述电枢环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中个体磁场之间的间隔以及所述线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔使得所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位。

因此，根据此布置构造的发电机的线圈的输出将是四相的或更多相的，如它们的对应的齿槽力那样。

益处是大大减小总体齿槽力，所述总体齿槽力例如在五相布置的情况下将是在全部线圈输出全都同相的情况下的20％以下。

根据本发明，提供了一种轴向旋转发电机，包括：两个磁环；一个线圈环；所述磁环和所述线圈环具有一个公共轴线；所述两个磁环限定围绕所述公共轴线的、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围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得：(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位；且(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

因此，根据此布置构造的发电机的线圈的输出将是四相的或更多相的，如它们的对应的齿槽力那样。在线圈数目和磁体数目之间仅有最多三个(包括1)公因数的事实大大有助于减小总体齿槽力，所述总体齿槽力例如在五个线圈布置的情况下将是在全部线圈输出全都同相的情况下的20％以下。

在一个实施方案中，所述线圈序列的个体线圈中的电流彼此全都异相，这进一步减小了齿槽效应。

在实践中，可以通过将线圈铺设在预成型的槽中或者通过简单地将它们铸封在适合的树脂中来组装发电机的定子(线圈环)，在任一情况下，都围绕所述定子按照所需的角度位移，以确保所生成的电流彼此全都异相。

在一个实施方案中，提供了一种旋转发电机，包括：两个磁环，所述磁环被磁解耦；一个线圈环；所述磁环和所述线圈环具有一个公共轴线；所述两个磁环限定围绕所述公共轴线的、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围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位以及尺寸使得所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位。

根据本发明，一种直接驱动旋转发电机由一系列细长的圆柱形定子环和同轴的一系列细长的圆柱形转子环形成，且所述定子环和所述转子环被安装以围绕它们的公共轴线相对旋转移动，所述一系列定子环与所述一系列转子环交错，且所述定子环/所述定子两者之一具有多个围绕其圆周毗邻的或大体上毗邻的线圈序列，且所述定子环/所述定子环中的另一个也具有围绕其圆周间隔开的永磁体序列，所述永磁体的数目接近于但不等于组成所述定子的线圈的数目，所述磁体具有交替的极性，该布置使得穿越一个磁体承载环到下一磁体承载环之间的空气间隙的磁通量线切割对应的交错线圈承载环的多匝线圈，从而当使所述定子相对于所述定子旋转时在所述线圈中感应电磁力，该布置的特征在于，所述线圈在它们的行进线路的方向上的横向宽度从而它们的圆周节距被选择为与所述磁体的圆周节距的横向宽度相差一个小余量，同时仍有效地切割将所述线圈夹在其间的磁体的力线，所述横向宽度还被选择以便实现，所容纳的线圈(完整)数目填满或大体上填满它们可用的圆周距离，同时还确保每个线圈生成与大多数或全部或大体上全部另外的线圈略微异相的电磁力。

在本发明中，所生成的功率的RMS高于一相、二相或三相等效系统的RMS。在本文所公开的发明中，在存在奇数个线圈和偶数个磁体的情况下，存在与线圈一样多的相位。在此情况下，至少对于包括多个(例如，15个或以上)线圈的定子，所生成的功率的RMS达到接近于1，使从可用的空间包络所生成的电能最优化。在一个实施方案中，由发电机所生成的功率的RMS是0.95或以上。

实现本发明的目的的一种方便的方法是将转子磁场的节距布置为不同于线圈的节距。如果所述磁场的节距和所述线圈的节距围绕圆周是恒定的，则任何旋转阻力(包括任何剩余的齿槽力)将是大体上恒定的。

在一个实施方案中，所述磁场的节距小于所述线圈的节距。这实现了存在由线圈感应的三相以上的电流的期望效果，且还允许相同内直径的线圈的外直径变得更大，导致更多匝的线圈切割磁通量线，从而导致较大的感应电动势。换句话说，使所述磁场的节距小于所述线圈的节距实现了允许相同内直径的线圈的外直径变得更大的期望效果。这产生了两个益处。第一个益处是更多匝线圈切割磁通量线，第二个益处是具有较大直径的外部匝线圈在切割通量时更接近于理想正交。所述两个益处都有助于较大的感应电动势。

通过在由所述磁环限定的磁场数目和所述线圈序列中的线圈数目之间存在差异，可以实现三相或更多相。

在可能布置的一个实施例中，个体磁场之间的节距可以被选择为11个单位长度，且所述线圈序列中的个体线圈的中心之间的间距被选择为12个单位等。因此，对于分别围绕132个单位的转子/定子的圆周，将存在12个转子磁场和11个线圈。

在一个具体实施方案中，线圈数目和磁体数目之间相差1。优选地，线圈数目是奇数。

优选地，在所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是0，因为这产生最低的齿槽比率。

根据本发明的一个特征，所述线圈序列中的线圈是大体上毗邻的，从而大体上填满它们可用的圆周距离。因为所述线圈全都围绕它们可用的圆周距离毗邻地放置，所以没有失去任何发电空间，且对于给定尺寸的转子/定子生成最大的可能电动势。

在一个实施方案中，本发明提供了一种设计轴向磁通旋转发电机的方法，所述轴向磁通旋转发电机包括：两个磁环；一个线圈环；所述磁环和所述线圈环具有一个公共轴线；所述两个磁环限定围绕所述公共轴线的、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围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中所述方法包括：

指定个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位以及尺寸，使得：(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位；且(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

所述轴向磁通旋转发电机的优选特征可以适用于所述方法。

现在将参考附图仅以实施例的方式描述本发明，在附图中：

图1示出了本发明的发电机的分解视图；

图2详细地示出了发电机的定子和定子的一部分；

图3是磁体和线圈布置的另一视图；

图4至图5是所生成的电磁力和齿槽力的图解表示；

图6a至图6d示出了本发明的定子部件和转子部件；

图7示出了由图6的布置引起的齿槽力；

图8是对齿槽力进行数学分析的结果；

图9是对齿槽力进行数学分析的结果；

图10示出了对线圈尺寸的实际限制；

图11是指示连接定子线圈输出的方法的电路图；以及

图12a和图12b是根据本发明的组装发电机的方式的示意性例示。

为了便于理解本发明以及为了便于理解消除或大体上消除齿槽效应的方法，首先给出了如WO2015/075456中所公开的我的原始第一发电机的大致描述。

参考图1，此第一发电机10的主要部件在分解视图中以11、12和13示出，所述部件是同轴安装用于围绕其公共轴线相对旋转的定子环和电枢环。11和13是旋转的转子或电枢环或磁环。虽然发电机10被描述为具有两个(或更多)磁环11、13，但是如本文所描述的发电机10将在仅一个磁环的情况下起作用。

每个磁环11、13包括一个铁磁环14，永磁体15和16通过吸引力被固定到铁磁环14的每一侧上且围绕该铁磁环，以形成磁环，所述磁环围绕旋转的转子11、13的轴线限定多个磁场。在一个实施方案中，如示出的，磁体的面向外的极性围绕环从北到南交替，使得磁场具有交替的极性。这允许邻近的磁场紧密地间隔开，从而对于给定的发电机直径，使感应电动势最优化。转子11和13各自都位于中心缸体17上，但是与它们的面对的邻近转子移位一个磁极节距，使得所述转子上的所有磁体都处于吸引中，且磁通量线可以完全从一个转子盘到下一转子盘的间隙自由地穿过。这通过以18示出的插图进一步例示。在一个实施方案中，磁环11、13彼此磁解耦(除磁体之外)。这意味着，不存在将磁环11、13连接在一起的磁性材料。穿过该间隙从而切割定子线圈的通量完全在面对的磁体之间。这有助于使通量集中跨过该间隙。换句话说，为了生成大量的电动势，在磁环11、13之间不需要物理磁耦合。在一个实施方案中，定子环/电枢环中的每个是自含式的，这样为了发电机的高效操作，在它们之间不需要或大体上不需要物理磁耦合和/或实际磁接触。

线圈承载定子环或线圈环12被夹在旋转的转子11、13之间，且被维持相对于旋转的转子11、13静止。每个定子环12在间隙中承载一系列毗邻的或几乎毗邻的线圈19。“毗邻的或几乎毗邻的”意指线圈的邻近侧之间的横向间隙不大于它们的圆周横向宽度的10％。在一个实施方案中，线圈19围绕定子环12的圆周安置。线圈19可以围绕公共轴线圆形地附接，如例示的。定子环12被固定到安装装置(未示出)，以将它们等间隔地维持在电枢环11、13之间。适度额定值的发电机可以仅包括将单个定子环12夹在其间的两个电枢环11、13，或甚至仅一个电枢环11和一个定子环12，但是为了必需的发电机容量，该布置可以沿着发电机的整个长度重复，如以20示出的，其中11和13和21是旋转的磁性转子，且12和23是定子线圈环。在此情况下，定子线圈环12和23被示出为安装在外部支撑结构24的一部分上。在示出的特定布置中，磁体的圆周节距与线圈的圆周节距相同(其与本发明不一致)。

虽然磁体被示出为在旋转的环11、13和21上，但是实际上它们可以替代地被安装在定子环12和23上，且线圈19被安装在旋转的(电枢)环11、13和21上。在此情况下，将需要合适的换流装置(commutation means)来将所生成的电动势传导离开转子。

线圈序列围绕公共轴线圆形地附接，使得来自磁场的磁通量线切割多匝线圈19，从而当使电枢环相对于定子环旋转时，在线圈19中感应电流。在三个磁环11、13和21的情况下，线圈在三个磁环11、13和21之间的间隙中。

现在参考图2解释操作原理。单个线圈25被示出为经过限定在面对的永磁体27和28、29和30之间的间隙。(这是来自夹在两对转子磁体之间的定子环的单个线圈的表示。注意，为了方便例示，该线圈被示出为移动通过磁场，这与实际情况相反，在实际情况下，磁体承载转子相对于静止的定子旋转)。

按照如下方式在线圈中感应电磁力。线圈25的左手部分切割从磁体27的北面到磁体28的南面穿过的力线。在线圈的左手侧中感应“向上”(顺时针)的电动势。该线圈的右手侧类似地切割力线，但是力线此时从29的北极经过至30的南极。由于通量方向的此反转，感应“向下”(也是顺时针)的电动势。因此，在顺时针方向上起作用的两个电动势相加，以在线圈中生成流动电流。根据前述内容，将从图1(其中线圈的节距与磁体的节距相同)的检查看到，所有线圈在跨越如下磁场切割时同时地且同相地发电，所述磁场在将所述线圈夹在其间的磁体的面之间经过。随着线圈在围绕转子的方向上交替的场穿过，所生成的电动势从正到负交替。零生成点在线圈对称地跨坐任何一组面对的磁体的中心时发生，如在图3中的31处示出的。

根据发电机的一个特征，个体磁场之间的间隔、个体线圈的中心之间的间隔以及个体线圈的几何结构使得多匝线圈的一侧在所述多个磁场的第一磁场中，同时多匝线圈的另一侧在所述多个磁场中与第一磁场邻近且具有相反极性的磁场中。这确保线圈的直径使得它的相应的侧部分在行进方向上不会与相同极性的力线重叠至任何显著的程度。如果确实发生这种情况，则在线圈的一侧上所生成的电动势将抵消在其另一侧上所生成的电动势，且将导致效率降低。因此，随着任何一个线圈经过磁场所提供的场时，针对尽可能多的行进距离，使电动势的生成最优化。

任何电机的一个期望的特征是，在由该电机的定子(或转子-视情况而定)所占据的给定空间包络内，在该电机的定子(或转子)内实际实现尽可能多的匝数。例如，现有技术的布置(其中线圈彼此分开成组放置，以生成不同数目的相位)浪费了可用的线圈槽空间，因为此空间还可以用于发电。

在一个实施方案中，线圈序列是大体上毗邻的，从而大体上填满它们可用的圆周距离。对于给定尺寸的发电机，这使生成的电动势的量最优化。

在此类型的发电机中使用的线圈的优选形式是具有圆形或近圆形的轮廓的线圈，且该线圈生成大体上正弦的电动势。

对于给定的占地面积(footprint)，这样的线圈与其他形状的线圈相比更容易制造(例如，通过围绕心轴缠绕)，且实际上能够比例如方形线圈生成更多电动势。

本发明在线圈的中心中或在线圈环中不需要任何铁磁材料。这是因为通量直接跳过间隙，切割线圈。与仅在铁磁材料(通常是铁齿)存在时才能够生成显著的电力的设计相比，这可以被认为是纯物理设计。在本设计中，任何铁的存在仅会增加齿槽效应，以及由不期望的寄生涡电流的耗散造成的热效应。因此，线圈环没有铁磁材料，特别是在线圈的中心中没有铁磁材料。

按照楞次定律，当线圈生成它们相应的电动势时，抵抗性机械“齿槽力”出现。此齿槽力是在对导体受迫通过变化磁场的机械运动进行转换时做功从而生成电能(假设该导体被连接到电负载)的物理表现。齿槽力遵循所生成的电动势的模式和整流感测，如图4中例示的。所生成的交流电以32被示出，且齿槽力在33处出现。注意，齿槽力仅在正感测中出现，因为它总是用于抵抗所施加的运动。

通过解释的方式，发电峰值出现在感应电磁力(为了方便起见，下文中被称为“电动势”)的峰值处或附近，对于发电峰值处的个体线圈，反转矩力达到最大值。这之后在感应电动势本身减少到零时减少到零，之后当达到下一峰值时再次上升。在较低输出的设备(例如，一千瓦到十千瓦的发电机)中，这些转矩齿槽力不是特别显著。扭转齿槽力在以中等速度或高速度运行的发电机(例如非直接驱动发电机)中也不是如此明显，因为转子的旋转惯性可以有效地淹没齿槽力。然而，对于以非常低的速度(例如，高达30rpm，特别是10到30rpm)运行的直接驱动旋转发电机，所述力可能是剧烈的且非常明显，特别是对于具有兆瓦发电容量的发电机。对于转子相对于定子旋转的每个磁性周期，反转矩可以例如从零到兆牛顿米变化。这对于这些电磁机器的功能和机械存在但甚至更重要地对于使发电机转动的叶轮的叶片可能是极其有害的。

在与本发明的发电机相关联的齿槽的形式和与传统设计发电机相关联的齿槽的形式之间存在重要区别。在本发明的发电机的情况下，其定子线圈未安装在也未缠绕在铁磁(例如，软铁)齿上，与大多数其他传统设计发电机的情况一样。齿槽在后一种情况下具有相对较高的频率，且与磁场发电机和多个定子齿之间的可变磁阻相关联。已经逐步形成了许多设计来解决此问题，诸如US2010/0194251中所描述的。在目前情况下，线圈仅仅是自支撑的绕组，转子磁场可以直接经过所述绕组且所述绕组被安装在非磁性基板内，从而没有任何内部或外部磁性材料。来自将线圈夹在其间且跨越线圈切割的永磁体的通量本身可有效地在所述线圈中感应电动势，而不需要任何附加的铁磁耦合。因此，通过比较，齿槽具有较低的频率。

在图1处示出的发电机的情况下，其中所有线圈的圆周节距与将它们夹在其间的成对的磁体的圆周节距相同，将容易理解，由所有线圈产生的所有齿槽力相加，如图5处示意性地示出的，其中，通过实施例的方式，四个齿槽力被示出在34至37处，导致38处的大的相加波形。

对于任何尺寸的发电机，这是一个缺点，但是对于缓慢旋转(即，其中旋转惯性的益处可忽略)的大尺寸机器，齿槽力是明显的且实际上相当大的，对于单个转子环，甚至在数十万牛顿米的量级，或在具有5MW的输出的整个发电机上作为整体是数百万牛顿米。这引起显著的振动，且对此类型的旋转发电机的平滑操作是有害的。可能导致显著的长期的机械故障。

在上面提及的共同未决申请中描述了改善此效应的方法。在一种公开的方法中，线圈并非围绕定子的圆周毗邻地布置，而是它们被放置成三组，每组与下一组相移2/3π弧度，以方便地产生三相电流，导致齿槽减少到未校正布置的齿槽的四分之一。

US2008/231132还公开了生成三相电流，但是未暗示这可以导致齿槽力减少。

然而，即使具有此改进，剩余的力对于风力涡轮机的安全操作仍是相当大的、不利的且不可接受的。

一种显著克服此问题的方法是，确保个体磁场之间的间隔和/或相对定位，以及线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔和/或中心的相对定位以及线圈序列中的个体线圈的尺寸，使得线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位。这也具有增大所生成的功率的RMS的效果。在一个实施方案中，RMS是0.95或以上。这可以通过增大相位的数目实现。

可以以许多不同的方式来实现产生多相位输出(诸如，至少四个不同相位)的感应电动势的布置。例如，线圈可以放置成n组，每组移位2/nπ弧度(其中在每组线圈中的节距与磁体的节距相同)，以产生n相位的感应电动势。替代地，线圈和/或磁体可以不规则地定位。但是一个优选的布置是，线圈和磁体的相应节距是恒定的。这是有利的，因为当电枢旋转时它导致力在电枢和轴17中的最均匀分布。

如下文所描述的，处理多相位(诸如，四相位或更多相位)的感应电流可能包含其自身的挑战，但是减少齿槽的能力要比这些挑战重要。但如果存在太多相位，则这也是不期望的。因此，在一个实施方案中，存在100个或更少的不同相位，期望地50个或更少。

实际上，期望尽可能多地减少齿槽力。

现在参考图6描述根据本发明的一个实施方案。

替代每个线圈的节距与横跨经过线圈的磁体的节距相同，线圈各自被构造为例如略微更宽，从而实现线圈的节距与磁体的节距之间的微小差异。这被示出在图6a中的39处，其中线圈40和41的直径“d”(等于线圈的中心之间的节距)略微大于磁体的节距“m”。节距的差异被布置成使得，对于给定数目的线圈，围绕线圈的圆的最终线圈与起始线圈“相遇”，且在它们之间没有任何显著的间隙，从而确保了能够利用可用于发电的完整圆周距离的优势。因此，磁场的节距小于线圈的节距，且磁场的数目不同于(大于)线圈的数目。一个实际实施例将是，如图6b中示出的，承载20个永磁体的转子和承载19个线圈的定子，永磁体之间的角度因此是360/20＝18°，其中线圈之间对着的角度是18.95°。

由于节距的差异，很明显的是，由任一线圈所生成的电动势从而其对应的齿槽力将与由其邻近线圈所生成的电动势略微异相。因此，由第一线圈所生成的电动势是按变化(通常与发电机的情况一样)，其中表示在一个完整的循环内经过磁体的线圈的角位移，由下一线圈所生成的电动势将按变化。随后的线圈将重复此模式，即等。

这被示出在图6c中的46处，其中几个连续的线圈所生成的电动势中的每个被示出为彼此略微移位。图7示出了对应的齿槽力48-51。因此，在一个实施方案中，个体磁场之间的间隔和线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔使得线圈序列的个体线圈中的电流各自与两个相邻线圈在相位上相差相同的角度差异。在一个实施方案中，个体磁场的相对定位以及线圈序列中的个体线圈的尺寸和中心的相对定位使得线圈序列中的个体线圈中的电流全都彼此不同相。

很显然，齿槽力轮廓的数学相加现在不会导致具有显著波动的单个主波形(如图4中的38处示出的)，而是导致仅具有适度波动幅度的单个主波形(如现在图7中的52处示出的)。数学分析表明，对于包括偶数个线圈的定子，偶数加二个数目的磁体，波动的幅度减小大约π/N，其中N是线圈的数目。(注意，这适用于转子也具有偶数个磁体的情况，且N是相当大的，例如>10)。数学分析的结果被示出在图8处，其中根据存在的线圈的数目(如第三列中示出的)，示出了齿槽力的减少(在最右侧列中)。该分析假设圆形线圈和偶数强度磁场在数目上比奇数个线圈的线圈数目多一个，且比偶数个线圈的线圈数目多两个，如第二列中示出的。这确保了磁场围绕圆周均匀地延伸且以交替的极性定位。

该分析表示一个理想化机器，其中一个尺寸的线圈经历1.0单位正弦变化的峰值力。第四列表示在一个循环期间的最大力且第五列表示在一个循环期间的最小力。第六列表示最大力和最小力之间的差异，是齿槽范围(cogging range)，且第七列是在一个循环期间的平均力。齿槽比率(cogging ratio)被计算为齿槽范围与平均值的百分比。

图8示出了齿槽比率随着线圈数目和磁体对数目的增大而总体减小。对于在磁体数目和线圈数目之间不存在除1之外的公因数(即，每个数字除1之外相同的因数(“公共的因数”))的那些情况，减小了齿槽比率。例如，在4个线圈和6个磁体的情况下，1和2是4(线圈数目，因数是1、2、4)和6(磁体数目，因数是1、2、3和6)之间的公因数。因此，除1之外存在一个公因数(数字2)(如在图8的第一列中例示的)。如在图8的最右侧列中可以看到的，4个线圈和6个磁体导致32％的相对高的齿槽比率。然而，如果线圈数目增加到5且磁体数目维持在6，则在5(线圈数目)和6(磁体数目)之间不存在除1之外的公因数。结果，齿槽比率减少到5％以下。如果线圈数目增加到6且磁体数目增加到8，则与仅存在5个线圈的情况相比，齿槽比率增加到14％；6(线圈数目)和8(磁体数目)之间的公因数的数目是两个(数字1和2)。如通过检查图8可以看到的，对于在线圈数目和磁体数目之间不存在除1之外的公因数的那些情形，与线圈数目和磁体数目类似的情形(其中线圈数目和磁体数目之间存在除1之外的公因数)相比，减小了齿槽比率。

图9示出了与图8相同的模拟结果。然而，在这些模拟中，磁体数目被维持在20且线圈数目从12到19变化。如可以看到的，对于在线圈数目和磁体数目之间存在除1之外的两个公因数的那些情况(例如16个线圈和20个磁体，公因数是2和4，换言之，16可被2和4整除，且20也可被2和4整除)，齿槽比率是大约30％。20个磁体和12个线圈的情况类似地具有2和4的公因数，且齿槽比率类似地高达14％。对于具有除1之外的单个公因数的情况，齿槽比率在1¹/₂和14％之间变化。在20个磁体和15个线圈的情况下，齿槽因数是相对高的，因为该几何结构意味着线圈内的电流不全是彼此异相的；将仅生成三相电流。因此，避免了生成3相或更少相的几何结构。对于在磁体数目和线圈数目之间不存在除1之外的公因数的那些情况，齿槽比率小于1％。

从表8和表9中的结果可以看到，对于在磁体数目和线圈数目之间存在的除1之外较少数目的公因数的情况，齿槽比率减小。在一个实施方案中，磁体数目和线圈数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。优选地，磁体数目和线圈数目之间除1之外的公因数的数目是0。

优选地，对于线圈数目大于3的情况，磁体数目和线圈数目之间除1之外的公因数的数目是0，以使得齿槽比率可以被减少到5％以下。优选地，对于线圈数目是9或更多的情况，磁体数目和线圈数目之间除1之外的公因数的数目是1或0，以使得齿槽比率是5％或更小。优选地，对于线圈数目大于9的情况，磁体数目和线圈数目之间除1之外的公因数的数目是0，以使得齿槽比率被减少到大约1％或更小。在一个实施方案中，假设线圈中所生成的电流是四相的或更多相的，优选地全都彼此异相，且假设磁体数目和线圈数目之间除1之外的公因数的数目是1或0，线圈数目优选是5个或更多，优选地7个或更多，且最优选地10个或更多，或更优选地20个或更多，因为存在的线圈越多，齿槽比率越低。

在配备附接大量(诸如11个或更多)线圈的定子的发电机的情况下，齿槽力被降低非常多。这是因为每个线圈相对于定子的磁场发生器的逐渐位移，因此确保它们的电输出，从而它们对应的齿槽力中的每个与在线圈序列中的所有其他线圈中所感应的电流异相。

借助于一个附加的实施例，具有22个磁场的20个线圈定子发电机将得益于减少到满幅度齿槽力的仅仅1.24％。在此情况下，齿槽与π/N成比例地减少。

然而，如通过分析还例示的是，如果利用奇数个线圈，则波动显著减小。在此情况下，如前述的，在20个磁体转子和19个线圈定子的情况下，它与π/4N或满幅度的仅仅0.34％成比例地减少。这基于以下事实：在偶数个线圈的情况下，线圈的整流电动势(例如彼此截然相反)相加，与奇数个线圈的情况相反，在奇数个线圈的情况下，没有电动势可以直接添加到它的对应的近相反数。因此，期望地，线圈的数目是奇数。

因为磁体的极性围绕电枢环的圆周交替，所以除非磁体的数目是偶数，必须在两个磁体之间留出空间，否则相同极性的两个磁体彼此紧挨着。从对于给定尺寸的发电机使所生成的电动势最大化的角度来讲，这是不期望的。因此，优选地，磁体的数目是偶数。

线圈数目和磁体对数目之间的理想差异是1，因为这导致了最紧密的相移输出的任何尺寸发电机的聚集，因此导致最小的可能齿槽。它还确保了电功率的最大生成，因为线圈最紧密对准它们切割的场。在实践中，由于实际约束(诸如市售永磁体的宽度)，这是不可能的。在任何情况下，线圈数目上的差异应在1和5之间，优选地在1和3之间，甚至更优选地恰好是1，特别是对于承载大量(例如，20个)磁体的转子。这实现了节距的细微差异。数学分析示出，磁场和大量线圈之间的节距的差异越细微，总体齿槽力的减少越好。

在实践中，实际可实现的差异可以由实际考虑决定，诸如用来提供转子磁场的部件的标准化工业宽度等。

因此，一种非常好的布置将是转子包括20个永磁体且定子包括19个线圈的布置。

为了通过创造性的几何布置来减少齿槽力(如图8和图9的表中示出的)，在使用时，当每个线圈经过磁场时在每个线圈中所生成的电流(非相位)必须大小相等。因此，在使用时，每个线圈必须被电连接，以汲取与其他线圈相同的电流。

磁体数目可以小于线圈数目(和/或磁体节距大于线圈节距)。然而，这将导致线圈直径需要小于最佳直径，对于磁场的给定通量密度，导致较低的电动势生成。

本发明将在少于8个磁场的情况下工作，但是通过将磁场数目(和线圈数目)增加到8或超过8个(例如，10个或更多，或15个或更多)，齿槽被减少更多。对于磁场数目或线圈数目不存在理论极限。然而，太多的线圈将导致增大的复杂性。因此，在任何线圈序列中，磁场数目和/或线圈数目的实际限制可能是100个或更少，比如说80个或更少，或70个或更少，或60个或更少，或甚至50个或更少。

在不显著损害发电机的性能的前提下，可以使用较大直径的线圈的布置。这可以在图6d处看到，其中线圈43被示出为渐进地移动经过面对的磁体44和45。在任何一个标出的位置处，多匝线圈很明显被可得的通量切割。此外，因为该线圈现在具有较大的直径，所以外匝线圈的横向部分切割较接近于理想正交穿越它的磁力线，因此遵守弗莱明右手定则而生成增大的电动势。对此横向宽度增加存在限制，还必须注意线圈的内直径。如果线圈的两侧的任一部分(或这样的线圈的相当大部分)切割具有相同梯度的磁力线，则效率降低。作为总体规则，一个给定的线圈的外半径OD和内半径ID之间的大小差异优选地等于或小于邻近的磁场之间的圆周距离M。此一个实施例被示出在图10处。除非外半径OD和内半径ID之间的大小差异等于或小于邻近的磁场之间的距离M，否则效率降低。

除非个体磁场之间的圆周间隔、个体线圈的中心之间的圆周间隔和个体线圈的几何结构使得多匝线圈的一侧在多个磁场的第一磁场中，同时多匝线圈的另一侧在所述多个磁场中与所述第一磁场邻近且具有相反极性的一个磁场中，否则效率也降低。

磁场可以由电磁体提供。然而，根据本发明的一个特征，提供磁场所需的装置是如上文所描述的永磁体。优选地，永磁体被设置在旋转的转子上而不是被设置在定子环上。这是因为如果由于所需的线圈电连接而导致线圈不能够相对于发电机的剩余部分移动，则会更方便。永磁体机器的常规实践是，利用稀土磁体来提供操作所必需的磁通量。然而，这些稀土磁体是昂贵的，且当前存在与它们的可用性相关的严重约束。因此，优选的是使用替代材料。

根据本发明的一个特征，磁体是铁氧体磁体。这些铁氧体磁体是由普遍可得的材料制造，但是与稀土磁体相比提供较弱的通量水平(典型地大约三分之一)。然而，它们的每单位重量的成本是大约二十七分之一(2014)，这降低了与它们的使用所必需的附加的相关联的成本，诸如体积增加从而所需铜线圈的成本增加。此外，使铁氧体磁体的通量线聚集比使稀土磁体的通量线聚集更容易。

对于以给定的速度旋转的任何发电机，所生成的电动势取决于两个主要因素：a)组成其线圈的匝数，b)切割它们的磁场的强度。

因此，对于给定的通量水平，线圈由尽可能多的匝形成是实际有益的。根据本发明的一个特征，这可以方便地通过使线圈的直径增大至可允许的最大值来实现，所述可允许的最大值由由可用于它们围绕定子的圆周毗邻地放置的空间包络限定。直径增大实现了更多匝(线圈的内直径保持不变)，从而当现在增大的数目匝的线圈切割由磁体提供的力线时，由线圈所生成的电动势对应地增大。根据本发明如前所述的，考虑到磁体的节距保持不变，线圈的圆周节距的增大也导致它们相应的间距之间的差异，由此导致线圈数目和磁体数目之间的差异。

然而，还存在另一个益处。由任何多匝线圈所生成的电动势取决于所述线圈的匝切割正交地穿过它的力线的程度。作为解释，在圆形或近圆形的线圈的情况下，每匝恰好正交地穿过力线的δl部分生成最大的电动势，这随着匝的曲率减小，使得匝的顶(底)部分没有贡献。因此，在现在较大线圈的情况下，它的外层(现在具有较大的半径且因此较接近于理想正交)更有效率地切割力线，其中所生成的电动势相称地增加，与先前的较小直径的线圈相反。因此这在一定程度上补偿了由于线圈的增大直径导致的围绕定子所容纳的较小数目的线圈。

将从前述中看到，齿槽力的实质性消除，结合所生成的电动势的增加，导致机械性能和电性能二者的显著改进。

虽然关于由圆形或近圆形的线圈形成的定子给出了以上实施例，但是本发明的相同原理也适用于矩形形式或近矩形形式等的线圈。在此情况下，通过相同的方法来减小齿槽，例如在(现在)矩形线圈的横向宽度和磁体的圆周节距之间存在略微差异。为清楚起见，相同的准则适用于此方法的功效，这取决于是否存在偶数个线圈和磁体，或其中一个是否是奇数数目。

根据本发明的发电机可以由许多定子和转子形成，定子被夹在相继的转子之间。来自一个转子上的磁场发生器的磁场切割穿过由夹在其间的定子所保持的线圈到面对的转子上的磁场发生器。可以添加足够的转子/定子，以充分利用可用于转动发电机的全部机械能且将其转换成电力。

根据本发明的一个方面将回想到，线圈输出彼此全都不同相。因此，如果它们的输出被直接连接在一起，则将发生至少一些效率损失。实际上，举例而言，在存在偶数个线圈的情况下，对于截然相反的两个定子线圈，如果它们被直接连接在一起，则它们的电动势将抵消，导致不发电。这与如WO2015/075456中所公开的原始布置相反，在WO2015/075456中，定子线圈的节距等于磁体的节距，导致同相地生成所有电动势，从而允许所有线圈输出被直接连接在一起。

由于此方面，在一个实施方案中，来自每个线圈的每个电动势首先被整流，例如通过IGBT受控整流器，合成的相同的感测直流电(dc)全都被结合到例如一个dc母线上，之后利用所生成的电力。然而，这是一个较小考虑，因为整流器的这些形式是粗糙的、可得的且便宜的。当前的实践也是将所生成的电动势转换成dc用于随后通过IGBT背靠背转换器转换回到交流电。

在一个实施方案中，感应电流彼此异相的线圈的输出被连接到不同的整流器。

在一个实施方案中，感应电流彼此同相的线圈的输出被连接在一起。

根据本发明的一个特征，提供了连接到发电机的线圈的输出的电子电路系统，且该电子电路系统包括连接到每个输出的个体有源整流器装置，以便使得在线圈所生成的功率全都能够被相等地汲取且被最佳地组合到一个或多个母线上。

对于发电机的某些机械尺寸，例如具有特别大的旋转惯性从而能够掩盖某种程度的齿槽效应的那些机械尺寸，可以折中，且为了整流将所选定的多组线圈连接在一起，例如邻近的多对线圈，从而减少必需的整流级的数目。

然而，对于包括大量定子和转子的发电机，可以最小化此前面提及的考虑，即需要首先整流且之后组合线圈输出。将理解的是，对于任何一系列定子，它们的制造工艺可以很容易地确保，从围绕它们的圆周的角位置来讲，围绕定子的所有线圈占据相同的槽。

根据本发明的另一特征，其线圈环内的一个特定角位置中的每个线圈被连接到在下一线圈环中具有相同的特定角位置中的对应线圈等，它们的组合输出之后被供给到整流器装置。因此，这使所需的整流器的数目最小化。(此布置假设，沿着发电机的中心缸体的长度的所有磁体承载磁环也在相同的角位置中)。

现在参考图11解释一种实现整流的方法。为清楚起见，两个定子被并排示出在56和57处。当它们的安装装置通过键槽59固定时，它们精密地角对准。这确保每个线圈定子板围绕定子以精确相同的角位置定位以彼此相邻。存在用于将磁体承载定子定位在它们的中心缸体上的类似的布置(未示出)。

由此，围绕其相应的定子占据相同角位置的任一组线圈的输出全都可以被组合，因为它们各自都将同相。这被示出在60、61和62处，其中线圈A1的输出被连接到线圈A2，线圈B1的输出被连接到线圈B2，线圈C1的输出被连接到线圈C2等。现在组合的电动势可以被供给到一个受控全相整流器，诸如基于IGBT的电路，如在63和64处通过实施例的方式示出的。整流输出65和66之后可以被安全地组合到母线67和68上。

对于包括例如50个定子板的巨大发电机，实现了对所需整流器63、64的总体数目的大幅减少。

本发明的发电机可以被很好地制造成相当大的尺寸，以将5MW及以上的机械能输入功率直接转换成电力。

根据以上的教导来设计轴向磁通旋转发电机且具体地指定线圈和磁体的几何结构的方法将从上文变得很明了。

现在参考图12a和图12b示出将线圈组装在发电机的定子内的方法。本发明的典型定子总体上示出在图12a中的70处。在此情况下，预成型的槽71被形成在定子内，线圈72被组装到预成型的槽71中，之后用合适的树脂(诸如，EIP4260)铸封。参考图12b示出了一个替代布置。在此情况下，利用外部片材73，该片材具有从其突出的凸台74，定子线圈72首先被向下放到凸台上，之后被铸封。另一个可能(未示出)是，线圈全都被简单地仔细地预布置在一个不粘表面(诸如，PTFE)上的限制内壁和外壁内，之后树脂被浇灌在它们之上，以将它们全都维持在恰当的位置，而不需要任何附加的机械定位装置。

根据本发明，在这三种情况中的任一种情况下，线圈的尺寸以及线圈围绕它们构成的环的角位置是为了确保在它们中所感应的电流全都彼此异相。

在本发明的第一方面中，提供了一种旋转发电机，该旋转发电机包括：两个磁环；一个线圈环；所述磁环和所述线圈环具有一个公共轴线；所述两个磁环限定围绕所述公共轴线的、延伸跨越所述两个磁环之间的间隙的多个磁场，且所述线圈环在所述间隙中附接有围绕所述公共轴线的线圈序列，以使得来自所述磁场的磁通量线切割所述多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位。

在本发明的第二方面中，提供了第一方面的旋转发电机，其中所述磁场的节距不同于所述线圈的节距。

在本发明的第三方面中，提供了第二方面的旋转发电机，其中所述磁场的节距小于所述线圈的节距。

在本发明的第四方面中，提供了第一方面、第二方面或第三方面的旋转发电机，其中由所述磁环限定的磁场数目不同于所述线圈序列中的线圈数目。

在本发明的第五方面中，提供了第四方面的旋转发电机，其中磁场数目与线圈数目的差异在1和5之间，优选地在1和3之间，最优选地等于1。

在本发明的第六方面中，提供了第四方面或第五方面的旋转发电机，其中由所述磁环所限定的磁场数目大于所述线圈序列中的线圈数目。

在本发明的第七方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述线圈序列中的线圈数目是奇数。

在本发明的第八方面中，提供了前述方面的旋转发电机，其中由所述磁环限定的磁场数目是偶数。

在本发明的第九方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述线圈序列中的线圈大体上是毗邻的，从而大体上填满它们能用的圆周距离。

在本发明的第十方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述多匝线圈具有外半径和内半径，所述外半径和所述内半径之间的大小差异等于或小于邻近的磁场之间的距离。

在本发明的第十一方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中个体磁场之间的间隔、个体线圈的中心之间的间隔和个体线圈的几何结构使得，所述多匝线圈的一侧在所述多个磁场的第一磁场中，同时所述多匝线圈的另一侧在所述多个磁场中与所述第一磁场邻近且具有相反极性的磁场中。

在本发明的第十二方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中磁场序列的磁场在极性上交替。

在本发明的第十三方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述磁环由多个永磁体组成。

在本发明的第十四方面中，提供了第十三方面的旋转发电机，其中所述永磁体是铁氧体磁体。

在本发明的第十五方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述线圈是大体上圆形的。

在本发明的第十六方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中由所述磁环限定的磁场的数目是8个或更多，优选地10个或更多，且最优选地15个或更多，或40个或更多，或45个或更多，或甚至50个或更多。

在本发明的第十七方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中个体磁场之间的间隔以及所述线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔使得，每个线圈中所感应的电流与所述线圈序列中的所有另外线圈中所感应的电流异相。

在本发明的第十八方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述两个磁环被磁解耦。

在本发明的第十九方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中所述两个磁环被磁耦合。

在本发明的第二十方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，包括一系列线圈环，所述一系列线圈环与一系列磁环交错。

在本发明的第二十一方面中，提供了第二十方面的旋转发电机，其中所述线圈环和/或所述磁环的相对角度放置使得，邻近的线圈序列的线圈中所感应的电流彼此大体上同相。

在本发明的第二十二方面中，提供了第二十一方面的旋转发电机，其中所述线圈环和/或所述磁环的相对角度放置使得，邻近的线圈序列的线圈中所感应的电流彼此大体上异相。

在本发明的第二十三方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中出于生成大量电力的目的，在线圈承载环中，所述线圈不需要任何铁磁材料。

在本发明的第二十四方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中感应电流彼此异相的线圈的输出被连接到不同的整流器。

在本发明的第二十五方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中感应电流彼此同相的线圈的输出被连接在一起。

在本发明的第二十六方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中与由所述发电机所生成的功率的RMS是0.95或以上。

在本发明的第二十七方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中在所述线圈的中心中不存在铁磁材料。

在本发明的第二十八方面中，提供了前述方面中任一方面的旋转发电机，其中个体磁场之间的间隔以及所述线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔使得，所述线圈序列的个体线圈中的电流各自与两个相邻的线圈在相位上相差相同的角度差异。

在本发明的另一方面中，提供了根据任一前述方面的旋转发电机，其中个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得，(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流彼此全都不同相，和/或(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

在本发明的第二十九方面中，提供了连接到根据前述方面中任一方面的发电机的线圈的输出的电子电路系统，包括连接到所述输出中的每个输出的个体有源整流器装置，以便使得在所述线圈内所生成的功率全都能够被大体上等同地组合到一个或多个母线上。

在本发明的第三十方面中，提供了使用第一方面到第二十八方面中任一方面的旋转发电机生成电力的方法。

在本发明的第三十一方面中，提供了通过第三十方面的方法生成的电力。

在本发明的第三十二方面中，提供了一种风力涡轮机，其包括一个用于将风能转变成旋转能的转子，其中所述转子被直接耦合到第一方面到第二十八方面中任一方面的旋转发电机，以使得所述发电机由所述转子直接驱动。

Claims (38)

1.一种轴向磁通旋转发电机，包括：

两个磁环；

一个线圈环；

所述磁环和所述线圈环具有一个公共轴线；

所述两个磁环限定围绕所述公共轴线的、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围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；

其中个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得：(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位；且(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

2.根据权利要求1所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述磁场的节距不同于所述线圈的节距。

3.根据权利要求2所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述磁场的节距小于所述线圈的节距。

4.根据权利要求1、2或3所述的轴向磁通旋转发电机，其中由所述磁环所限定的磁场数目不同于所述线圈序列中的线圈数目。

5.根据权利要求4所述的轴向磁通旋转发电机，其中磁场数目与线圈数目的差异在1和5之间，优选地在1和3之间，最优选地等于1。

6.根据权利要求4或5所述的轴向磁通旋转发电机，其中由所述磁环所限定的磁场数目大于所述线圈序列中的线圈数目。

7.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈序列中的线圈数目是奇数。

8.根据权利要求1所述的轴向磁通旋转发电机，其中由所述磁环所限定的磁场数目是偶数。

9.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈序列中的线圈是大体上毗邻的，从而大体上填满可用于所述线圈的圆周距离。

10.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述多匝线圈具有外半径和内半径，所述外半径和所述内半径之间的大小差异等于或小于邻近的磁场之间的距离。

11.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中个体磁场之间的间隔、个体线圈的中心之间的间隔以及个体线圈的几何结构使得：所述多匝线圈的一侧在所述多个磁场的第一磁场中，同时所述多匝线圈的另一侧在所述多个磁场中与所述第一磁场邻近且具有相反极性的磁场中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述磁场序列的磁场在极性上交替。

13.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述磁环由多个永磁体组成。

14.根据权利要求13所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述永磁体是铁氧体磁体。

15.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈是大体上圆形的。

16.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中由所述磁环所限定的磁场的数目是8个或更多、10个或更多、15个或更多、40个或更多、45个或更多，或甚至50个或更多。

17.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中个体磁场之间的间隔以及所述线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔使得：在每个线圈中所感应的电流与所述线圈序列中的所有另外的线圈中所感应的电流异相。

18.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述两个磁环被磁解耦。

19.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述两个磁环被磁耦合。

20.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，包括一系列线圈环，所述一系列线圈环与一系列磁环交错。

21.根据权利要求20所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈环和/或所述磁环的相对角度放置使得在邻近的线圈序列的线圈中所感应的电流彼此大体上同相。

22.根据权利要求21所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈环和/或所述磁环的相对角度放置使得在邻近的线圈序列的线圈中所感应的电流彼此大体上异相。

23.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中出于生成大量电力的目的，在线圈承载环中，所述线圈不需要任何铁磁材料。

24.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中感应电流彼此异相的线圈的输出被连接到不同的整流器。

25.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中感应电流彼此同相的线圈的输出被连接在一起。

26.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中由所述发电机生成的功率的RMS是0.95或以上。

27.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是0。

28.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中：所述线圈序列中的线圈数目是至少3，且其中所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是0，或者所述线圈序列中的线圈数目是至少9，且其中所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

29.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中所述线圈序列中的线圈数目是至少9，且其中所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是0。

30.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中在所述线圈的中心中不存在铁磁材料。

31.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中个体磁场之间的间隔以及所述线圈序列中的个体线圈的中心之间的间隔使得：所述线圈序列的个体线圈中的电流各自与两个相邻的线圈在相位上相差大体上相同的角度差异。

32.根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，其中个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸使得所述线圈序列的个体线圈中的电流全都彼此异相。

33.电子电路系统，所述电子电路系统连接到根据前述权利要求中任一项所述的轴向磁通发电机的线圈的输出，包括连接到所述输出中的每个的个体有源整流器装置，以便使得在所述线圈内所生成的功率全都能够被大体上等同地组合到一个或多个母线上。

34.一种使用根据权利要求1-32中任一项所述的轴向磁通旋转发电机生成电力的方法。

35.通过根据权利要求34所述的方法来生成的电力。

36.一种风力涡轮机，包括用于将风能转变成旋转能的转子，其中所述转子被直接耦合到根据权利要求1-32中任一项所述的轴向磁通旋转发电机，以使得所述发电机由所述转子直接驱动。

37.一种设计轴向磁通旋转发电机的方法，所述轴向磁通旋转发电机包括：两个磁环；一个线圈环；所述磁环和所述线圈环具有一个公共轴线；所述两个磁环限定围绕所述公共轴线的、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围绕所述公共轴线附接有线圈序列，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，从而当使所述磁环相对于所述线圈环旋转时，在所述线圈中感应电流；其中所述方法包括：

指定个体磁场的相对定位以及所述线圈序列中的个体线圈的中心的相对定位和尺寸，使得：(i)所述线圈序列的个体线圈中的电流相对于彼此超出三个相位；且(ii)所述线圈序列中的线圈数目和围绕所述公共轴线的个体磁场数目之间除1之外的公因数的数目是1或0。

38.轴向磁通旋转发电机，大体上如在上文中参考附图描述的和/或如在附图中例示的。