具体实施方式

现在将描述本发明的特定实施方式，其中将详细讨论众多特征，以便提供对权利要求中定义的发明构思的透彻理解。然而，对本领域的技术人员而言，将显而易见的是，本发明可在没有具体细节的情况下实施，并且在某些情形下，为了不必要地模糊本发明，没有详细地描述熟知的方法、技术和结构。

为了将本发明的实施方式置于合适的背景下，首先，将参考图1，图1例示了其中可以实现根据本发明的实施方式的发电机转子组件的典型的水平轴风力涡轮机(HAWT)。尽管该特殊图像描绘了岸上的风力涡轮机，但将理解的是，在海上的风力涡轮机上也将发现等同的特征。另外，尽管风力涡轮机被称为“水平轴”，但本领域的技术人员将理解，出于实际目的，该轴通常略微倾斜，以防止在强风情况下转子叶片与风力涡轮机塔架之间有接触。

风力涡轮机1包括塔架2、通过偏航系统可旋转地联接到塔架2的顶部的机舱4、安装到机舱4的转子毂8以及联接到转子毂8的多个风力涡轮机转子叶片10。机舱4和转子叶片10被偏航系统转向，指向风的方向。

机舱4容纳风力涡轮机的许多功能部件，所述功能部件包括发电机、变速箱、传动系和制动组件以及用于将风的机械能转换成电能以提供给电网的转换器设备。参考图2，机舱4可包括轴壳体20、变速箱22和发电机24。主轴26延伸穿过轴壳体20，并被支撑在轴承(未示出)上。主轴26连接到转子8并由转子8驱动，并向变速箱22提供输入驱动。变速箱22经由内部齿轮(未示出)提高低速主轴的旋转速度并驱动变速箱输出轴。变速箱输出轴进而驱动发电机24，发电机24将变速箱输出轴的旋转转换成电力。然后，在供应给适当消费者(例如，电网配电系统)之前，可按需要通过其他部件(未示出)转换由发电机24产生的电力。不使用变速箱的所谓的“直接驱动型”风轮机也是已知的。因此，变速箱可被认为是可选的。

变速箱22和发电机24可联接在一起成为集成单元。图3更详细地示出了发电机24。在图3中，还示出了变速箱22的最后一级的壳体，因为变速箱22的最后一级的壳体联接到发电机24的壳体。

首先参考变速箱22，变速箱壳体大体是圆柱形的形式，并且在图中的方位中，被定向为使得变速箱的主旋转轴线是水平的。变速箱壳体的圆柱形配置是由于在所例示实施方式中使用的变速箱的特定类型，该变速箱是周转变速箱。如技术人员将知道的，周转变速箱包括围绕中央太阳齿轮布置的一系列行星齿轮，这些行星齿轮一齐布置在周转齿圈内。齿圈、行星齿轮和太阳齿轮之间的齿数之比决定了变速箱的传动比。为了清楚起见，这里将不进一步详细描述变速箱的小细节，因为变速箱不是本发明的主要主题。无需多说，也可使用其他变速箱配置，尽管目前设想到周转变速箱提供了适于风力涡轮机机舱的限制的完美的解决方案。

变速箱22的输出轴与发电机24的转子32接合。如此，变速箱输出轴的主轴线限定发电机24的旋转轴线。在图4中，仅提供发电机24的剖视图。所例示实施方式中的发电机24是具有围绕转子32的外部定子的IPM(内部永磁体)电机。定子包括定子绕组38、定子芯40和围绕并支撑定子绕组38和定子芯40的定子框架。然而，要注意，本发明不限于特定类型的定子。

按照本发明的实施方式，提供发电机转子组件42，发电机转子组件42形成发电机24的转子32的一部分。下面，参考图6至图11描述这种发电机转子组件42。发电机转子组件42具有非驱动端和驱动端，由此当风力涡轮机在使用中时，非驱动端背离风力涡轮机的动力传动系，而当涡轮机在使用中时，驱动端面向动力传动系。在图5中可看到发电机转子组件42的非驱动端视图，在图6中可看到发电机转子组件42的驱动端视图。

发电机转子组件42由圆柱形环结构46构成，圆柱形环结构46限定中央中空部分并被布置为绕旋转轴线旋转。圆柱形环结构46包括多个永磁体封装48。在本实施方式中，永磁体封装48的周长和厚度全都相等。在一些实施方式中，永磁体封装48的厚度可以相对于彼此而变化。例如，转子可包括两种不同厚度的永磁体封装48，其中，不同厚度的永磁体封装48交替地布置。永磁体封装48绕旋转轴线同轴地布置，使得当组装时，永磁体封装48的布置限定具有中央中空部分的圆柱形结构。永磁体封装48间隔开相等的距离，使得在每对永磁体封装48之间限定间隙。这些间隙使设置在发电机中央的空气能够流过转子结构并冷却发电机转子组件以及发电机的其他部分，发电机的其他部分包括位于转子组件42径向外侧的部分。因不需要中央毂来为转子组件42提供结构和支撑的事实，该气流进一步增强。

圆柱形环结构46由两个端部封装和设置在这两个端部封装之间的多个永磁体封装48限定。该两个端部封装包括布置在圆柱形环结构46的相对端部处的第一端部封装50和第二端部封装。即，如图5中所示，第一端部封装50位于圆柱形环结构46的非驱动端，第二端封装位于圆柱形环结构46的驱动端。

注意的是，端部封装50通常只是普通的永磁体封装，就像圆柱形环结构46中的任何其他永磁体封装48一样，唯一的不同之处在于它设置在圆柱形环结构46的端部处。另选地，端部封装中的一者或二者可具有比其他永磁体封装48大的厚度。端部封装50还可包括用于使圆柱形环结构46能够与发电机的其他部分连接的附加特征或覆盖圆柱形环结构46的外表面的涂层。端环52可连接到端部封装50中的一者或二者，端环52本身可不包括任何永磁体。

永磁体封装48包括轴向延伸穿过永磁体封装48的多个拉杆孔。这些孔围绕各永磁体封装48的主体定位。这些孔优选地间隔相等的距离，即，角度。相邻的永磁体封装48的孔在尺寸和位置上是互补的，使得限定了多个拉杆孔。拉杆孔绕旋转轴线同心地布置。拉杆孔从第一端部封装50穿过圆柱形环结构46延伸到第二端部封装，有可能还延伸穿过任何附加端环52或延伸穿过直接连接到圆柱形环结构46的其他结构元件。

多个拉杆54延伸穿过多个拉杆孔中相应的拉杆孔。在拉杆54上以及相邻的永磁体封装48之间布置有多个间隔件或垫圈56。因此，拉杆孔由拉杆孔和垫圈56的内表面的重复图案限定。注意的是，在其他实施方式中，可根本不使用垫圈56，由此提供也由多个杆54支撑的单个永磁封装转子。

永磁体封装48(其实施方式在图7至图9中示出)包括多个同轴堆叠的环形分段层80，每个环形分段层80包括绕旋转轴线布置以形成环形层80的多个连续的分段片材82。拉杆孔86轴向延伸穿过永磁体封装48的层，其中，相邻的永磁体体封装48的多个拉杆孔86在尺寸和位置上是互补的，使得限定多个拉杆孔，并且拉杆54延伸穿过多个拉杆孔中相应的拉杆孔。

图7中示出完整环形层80的前视图。图8A和图8B中示出分段片材82的特写。环形层80包括绕旋转轴线同心布置的多个分段片材82。在该实施方式中，环形层80由六个分段片材82构成，但在其他实施方式中，可使用其他数量的分段片材82。有效地，发电机转子组件的永磁体封装48由堆叠的层80形成，其中，各层80由多个分段片材82形成，多个分段片材82在其分段边缘接合在一起以形成有分段断口的环形层80。优选地，所有分段片材82都是相同的，其尺寸被确定为使得全数的分段片材82构成360度的完整环形层80。

如图8A中所示，分段片材82是由外周90、内周92和顶角94限定的弧(参见图7)。顶角94优选地等于360度除以每层80的分段片材82的数量，使得所使用的所有分段片材82都可以是相同的。分段片材82包括布置在分段片材82的相对端部处并将外周90连接到内周92的两个分段边缘。该两个分段边缘与相邻分段片材82的边缘邻接。

图7中示出的分段片材82包括六个磁体对84和相等数量的拉杆孔86。六个连续的分段片材82一起形成具有六个分段断口、36个磁极和36个拉杆孔86的环形层80。这里，磁极由设置在磁体孔88中的多对永磁体形成。在该示例中，各分段片材82具有六个拉杆孔86，并提供六个磁北极和六个磁南极。在替代实施方式中，每个分段片材82的拉杆孔86的数量可不同于磁体对的数量，这将造成每个分段片材82的拉杆孔86和/或磁体孔88的量不同。另外，用于提供磁极的永磁体的数量可变化。优选地，磁体孔88的数量是拉杆孔86的数量的倍数。

在这里示出的实施方式中，拉杆孔86在分段片材82中的位置使得部分拉杆孔86布置在分段边缘处。当组装到完整环形层80中时，分段断口每侧的部分拉杆孔86一起形成完整拉杆孔86。替代布置可导致仅具有完整拉杆孔86的分段片材82。例如，分段断口可设置在磁体对的两个磁体孔88之间，或甚至设置在磁体孔88中的一个的中间。

由分段片材82形成的环形层80同轴堆叠以形成永磁体封装48，如图9中所示。层80被堆叠，使得相邻层80A至80F的分段片材82相对于彼此成角度地偏移。如图9中所示，这导致永磁体封装48的层80错开。

为了使得能够形成穿过永磁体封装48的拉杆孔，两个相邻层80的角偏移需要等于拉杆间隔角或者是拉杆间隔角的倍数，即，两个相邻的拉杆孔86之间的角距离。在对称设置中，拉杆间隔角等于360除以圆柱形环结构46中使用的拉杆的总量，即，分段片材的顶角94除以每个分段片材的拉杆孔86的数量。在该示例中，在每个分段片材82包括六个拉杆孔86的情况下，相对于第一层80A可能有五个不同的角偏移(即，每个层80A-80F有六个不同的可能定向)。

根据图9中示出的优选实施方式，永磁体封装48中任何两个相邻层80A-80F的角偏移至少是拉杆间隔角的两倍。与仅对应于拉杆间隔角的偏移相比，该布置提供了相邻层80之间的附加摩擦，并提高了磁体封装48整体的强度和结构完整性。从左手侧开始，第二层80B相对于第一层80A的角偏移是两个拉杆间隔角。第三层80C相对于第一层80A的角偏移是五个拉杆间隔角。第四层80D相对于第一层80A的角偏移是三个拉杆间隔角。第五层80E相对于第一层80A的角偏移是一个拉杆间隔角。第六层80F相对于第一层80A的角偏移是四个拉杆间隔角。这转变为在具有两个、三个、两个、两个和三个拉杆间隔角的六个连续层80A至80F之间的层间偏移，同时仍使用所有六个可用定向。在六个层80A至80F之后，可重复相同的图案，直到封装48完成。因此，在具有相同定向的两个层之间总存在五个层80，由此再次提高磁体封装48整体的强度和结构完整性。更一般地，永磁体封装48中的每两个层之间相对于彼此不成角偏移的层的数量等于每个分段片材82的拉杆孔86的总数量减去1。

为了进一步增加层80A至80F之间的摩擦力并提高整个永磁体封装48的强度和结构完整性，在一个方向上的每个偏移之后都跟着在另一个方向上的偏移。换句话说，对于永磁体封装48中的每个层80A至80F，与相邻层80A至80F的角偏移大于与后续层80A至80F的角偏移。将方向添加到六个连续层80A至80F之间已经列出的层间偏移(以拉杆间隔角测得)是{+2，+3，-2，-2，+3，+2}，由此，+3和-3造成在每个层80具有六个拉杆孔86的对称设置中相同的偏移。与所有偏移在相同方向上时相比，这种锯齿形排列提供了永磁体封装48的不同层80之间强得多的摩擦结合。

在本实施例中，可用角定向的数量(六个，等于拉杆孔86的数量)低于永磁体封装中的层的数量(十二个)。因此，相邻层80之间的角偏移可在第六层之前是不同的。从第七层开始，对于永磁体封装48的其余层80，重复旋转模式。注意的是，永磁体封装48可包括任何数量的层80，该层80的数量不一定是每个分段片材82的拉杆孔86的数量的倍数。另选地，在较薄的永磁体封装48中，当使用较厚的层80时，或者当使用较大的分段片材82时且每个分段片材具有更多的拉杆孔86时，可能定向的总数量可等于(或甚至低于)永磁体封装48中的层80的数量。在这种情况下，永磁体封装48中的所有层80都可相对于彼此成角偏移。

因错开引起的并因特殊错开图案而进一步增加的环形层80之间增加的摩擦力导致层80的堆叠具有与相同尺寸的单个实心环的强度和结构完整性相近的强度和结构完整性。为了进一步改善结构完整性，堆叠的环形层80可通过粘合剂或结合清漆(诸如背板)而结合在一起。

该交错配置使得能够制造大型永磁体封装48，大型永磁体封装48具有与实心环相似的强度并能承受在典型风力涡轮发电机中施加到该大型永磁体封装上的离心(和其他)力。因此，它允许在不需要将永磁体封装48组装到中央毂上的情况下制作大型发电机转子组件结构，由此用实心环制造发电机转子组件是不可行的。在转子组件中没有中央毂会带来许多重要的益处，诸如，降低成本和重量并改善冷却气流。没有中央毂意味着，使在中央提供给发电机的空气能够在轴向方向和径向方向上自由流动，并冷却发电机转子组件42和发电机的位于发电机转子组件42直接附近的其他部分。与分段环形层80的交错布置相结合，拉杆54和垫圈56可用作剪切销，剪切销进一步防止了层相对于彼此滑动。

杆54和永磁体封装48优选地与垫圈56一起提供转子的主结构。为了使无毂转子能够连接到传动轴(例如，变速箱的输出轴)，圆柱形环结构46包括环形凸缘57(如图5中可见的)，环形凸缘57牢固地附接到在非驱动端处的第一端部封装50。在一些实施方式中，环形凸缘可牢固地附接到在驱动端处的第二端部封装。端环52可设置在端部封装和环形凸缘57之间。

环形凸缘57包括转子连接部分58和传动轴连接部分60，转子连接部分58牢固地附接到第一端部封装50，传动轴连接部分60被配置为间接连接到变速箱输出轴，变速箱输出轴也被称为传动轴。发电机转子组件42与用于其他部件(例如，制动盘)的连接器44(参见图5)接合。

环形凸缘57的转子连接部分58使用拉杆54附接到第一端部封装50，拉杆54将永磁体封装48保持在一起，以形成圆柱环结构46。环形凸缘57的转子连接部分58的周长基本上等于第一端部封装50的周长。转子连接部分58包括轴向延伸穿过转子连接部分58的多个孔。转子连接部分58的多个孔被布置用于接收多个拉杆54并将环形凸缘57附接到第一端部封装50。转子连接部分58平行于第一端部封装50并与第一端部封装50直接接触地附接。在图10和图11中分别示出的发电机转子组件的局部剖视图和侧面剖视图中可特别清楚地看到这一点。

在图10和图11中可清楚地看到的环形凸缘57的传动轴连接部分60在与转子连接部分58平行的平面中延伸。传动轴连接部分60的周长小于转子连接部分58的周长。传动轴连接部分60包括环形元件。另外，传动轴连接部分60位于由圆柱形环结构46限定的中央中空部分内。

环形凸缘57可仅仅是单个环，其径向外部部分形成转子连接部分58，其径向内部部分形成传动轴连接部分60。另选地，环形凸缘57还可包括将转子连接部分58连接到传动轴连接部分60的中间部分62(参见图10)。该中间部分62可相对于两个连接部分58、60成角度，使得环形凸缘57部分地伸入发电机转子组件42的中空部分中。在图10的实施方式中，中间部分62与转子连接部分58之间的围绕它们的公共点(顶点)的夹角大致为135度。中间部分62与传动轴连接部分60之间的围绕其公共点的夹角大致为135度。

中间部分62包括沿着转子连接部分58以预定间隔并绕旋转轴线同心地布置的多个桥接部分64，使得在相邻桥接部分64之间限定桥接间隙66。桥接间隙66使冷却气流能够穿过环形凸缘57进入发电机的内部结构中。

环形凸缘57还具有接合到传动轴连接部分60的传动轴连接框架68。传动轴连接框架68延伸到中央中空部分中。在该示例中，连接框架68具有截头圆锥形，其外表面可大致平行于环形凸缘57的中间部分62。该外表面优选地包括用于使冷却气流能够流过并到达发电机内部结构的开口。传动轴连接框架68被配置为将环形凸缘57连接到传动轴。环形凸缘57和传动轴连接框架68提供了用于将发电机转子组件42的圆柱形环结构46接合到传动轴的稳定且节省空间的结构。

在图12中可更清楚地看到传动轴连接框架68，图12是移除了连接器44的图5的发电机转子组件的非驱动端立体图。传动轴连接框架68具有大体截头圆锥形，由此框架68的底座的圆形外边缘72接合到传动轴连接部分60的圆形外边缘74。框架68从传动轴连接部分60延伸到由圆柱形环结构46限定的中空部分中。框架68包括圆形通道76，圆形通道76被布置为与发电机转子组件42的圆柱形环结构46一起绕旋转轴线旋转。圆形通道76用于接纳变速箱输出轴。框架68还包括从框架68的底座的圆形外边缘72延伸到圆形通道76的穿孔壁78。穿孔壁78中的穿孔有助于气流通过发电机转子组件。

发电机转子组件中的永磁体封装48可按模块化结构连接，以改变包括在圆柱环结构中的永磁体环的数量。因此，本发明的发电机转子组件的结构使得能够实现模块化方法，其中，可使用具有任何期望数量和类型的永磁体封装48的转子。

当发电机被组装时，发电机转子组件42被外部定子组件36包围，其中，外部定子组件36包括定子芯40以及包围并支撑定子芯40的定子框架。发电机转子组件42和发电机定子组件36二者被发电机壳体70包围，发电机壳体70在图13中的发电机壳体70、发电机转子组件42和发电机定子组件36的分解视图中是可见的。

发电机转子组件42以及与传动轴的连接使冷却气流能够穿过由圆柱形环结构46限定的中央中空部分，穿过相邻的永磁体封装48之间。

在不脱离如随附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，可对上述特定实例进行许多修改。一个实施方式的特征也可用于其他实施方式中，作为这种实施方式的补充或其替代。

例如，圆柱形环结构46中的永磁体封装48中的一些可具有与圆柱形环结构46中的其他永磁封装不同的周长。圆柱形环结构46中的一些永磁体封装48可具有与圆柱形环结构46中的其他永磁体封装不同的厚度。

例如，发电机转子组件的圆柱形环结构46可包括具有转子连接部分的环形凸缘，该转子连接部分牢固地附接到在转子组件的驱动端处的第二端环。传动轴连接部分可被配置为直接连接到传动轴。

除了在上述实施方式中用于附接目的的拉杆54之外，环形凸缘可通过其他手段附接到端部封装中的任一个。

传动轴连接部分可在与转子连接部分重合而不是简单平行的平面中延伸。

限定在转子连接部分和传动轴连接部分之间的中间部分可相对于转子连接部分成90-180°，优选地105-165°，甚至更优选地120-150°的角度，并相对于传动轴连接部分呈相近的角度。当这两个角度相同但在不同方向上时，转子连接部分和传动轴连接部分将在平行平面内，考虑到将变速箱输出轴连接到转子组件，这可能是实用的。然而，要注意，这两个角度不一定相等，根据需要会有所不同。

转子连接部分还可包括多个夹持件，从而将转子连接部分夹持到相应的端环。转子连接部分可平行于端部封装之一而不与该端部封装直接接触。例如，间隔件可放置在端部封装和转子连接部分之间。