CN100350716C - 大容量直驱型多层定转子永磁风力发电机 - Google Patents

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Abstract

大容量直接驱动型多层定转子永磁风力发电机由多层定子和对应的多层转子构成，其中，每层定子的层外定子(1)和层内定子(2)分别位于定子支撑环(10)的两侧，多层定子支撑环分别固定在定子固定支架(6)上；每层转子的转子铁心环外壁永磁体(4)和转子铁心环内壁永磁体(5)分别位于转子铁心环(3)的两侧，转子铁心环固定在转子固定支架(7)上；转子固定支架的中心固定在转轴(8)上，转轴的一端通过轴承(9)与定子固定支架(6)相连接，极性相异的转子铁心环外壁永磁体(4)和转子铁心环内壁永磁体(5)交错排列分布在各层转子铁心环(3)的内外壁上。该电机取消了齿轮箱，提高了输出电压和系统效率，节省了系统总体成本。

Description

大容量直驱型多层定转子永磁风力发电机
技术领域
本发明涉及一种大容量直接驱动型多层定转子永磁风力发电机，属于发电机制造的技术领域。
背景技术
风能作为一种洁净的可再生能源，随着技术逐步成熟，今后的运行成本会低于水电和火电，发展前景非常广阔。风力发电机是风能开发中至关重要的核心环节。大型风轮机的转速低至几十转甚至十几转，所以不得不借助于升速齿轮箱，才能通过普通转速的发电机发出工频的交流电。由于风机安装在野外高空几十米处，经受酷暑严冬，环境条件苛刻，升速齿轮箱工况严酷、造价高昂、维护保养工作量大，是目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，成为制约风力发电经济性的瓶颈。为此，各国瞄准无齿轮箱的多极风力发电机，加以开发研究，无齿轮箱的多极风力发电机成为当今发电领域的首选最新尖端技术。
风力发电机的低速运行特性，要求发电机组采取多极的特殊结构，极组需要在发电机的圆周展开，发电机直径增大。而盘式永磁发电机由于定子空间有限，定子利用率低，限制了其在低速大型风力发电机中的应用。因此，对于大型直驱型风力发电机还需要研究新的电机结构以获得较高的输出电压，较低的输出电流，提高发电机运行效率。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种定子空间大、低速高输出电压、低输出电流、效率较高的大容量直接驱动型多层定转子永磁风力发电机。
技术方案：传统的发电机由于直径较小，电机内部空间小，电机空间利用率不高，从而限制了电机输出电压。为了在低速转动时获得较高的输出电压，本发明采用了特殊的电机结构，即在较大的发电机机体空间内根据实际应用需要设置多层定子和转子，定子和普通电机定子结构类似，定子绕组串联供电。
本发明的大容量直驱型多层定转子永磁风力发电机由多层定子和对应的多层转子构成，其中，每层定子的层外定子和层内定子分别位于定子支撑环的两侧，多层定子支撑环分别固定在定子固定支架上；每层转子的转子铁心环外壁永磁体和转子铁心环内壁永磁体分别位于转子铁心环的两侧，转子铁心环固定在转子固定支架上；转子固定支架的中心固定在转轴上，转轴的一端通过轴承与定子固定支架相连接，极性相异的转子铁心环外壁永磁体和转子铁心环内壁永磁体交错排列分布在各层转子铁心环的内外壁上。各层定子电枢绕组互相串联，即从最外层定子开始，外层定子每相电枢绕组和相邻的内层定子对应相电枢绕组首尾互相串联连接。通过在转子铁心环内外壁上粘贴永磁体，内外壁上极性相异且交错排列的永磁体所形成的磁场通过相邻的层外定子、层内定子和转子铁心环形成串联磁路。所述的转子铁心环外壁永磁体和转子铁心环内壁永磁体采用钕铁硼永磁材料制成。
各层定子固定在电机端盖一侧的定子固定支架上，转子固定在电机端盖另一侧的转子固定支架上。假设电机最外层定子为第一层定子，则奇数层定子齿向内，与传统外定子相似，简称为层外定子；偶数层定子齿向外，与传统电机内定子相似，简称为层内定子。每层转子由转子铁心环、贴在转子铁心环外壁上的转子铁心环外壁永磁体和贴在转子铁心环内壁上的转子铁心环内壁永磁体构成。转子铁心环通过转子固定支架固定并和转子固定支架连接为一个整体，并在转子铁心环内外壁两侧粘贴极性相异且交错排列的转子铁心环外壁永磁体和转子铁心环内壁永磁体。
假设N为自然数，则第N层转子所对应的定子分别为第2N-1层定子(即层外定子)和第2N层定子(即层内定子)。第N层转子对于第2N-1层定子为内转子，而对于第2N层定子则为外转子。故每一层转子可视为相邻层定子，即层外定子和层内定子共用的转子。层外定子和层内定子分别和相应层的转子铁心环外壁永磁体和转子铁心环内壁永磁体对应。
通过在转子铁心环内外壁上粘贴永磁体，内外壁上极性相异且交错排列的永磁体所形成的磁场通过相邻的层外定子、层内定子和转子铁心环等形成串联磁路，如附图2所示。
有益效果：由于各层定子电枢绕组串联连接，可获得比普通单定子转子发电机更高的输出电压，从而可降低输出电流，减小电枢绕组线径，减少电机损耗，提高电机效率。此外，由于电机定子槽深减小，可减少电机定子漏抗，提高气隙磁密，从而提高电机的功率密度。
和普通单定子转子电机相比，由于采用此特殊电机结构，在相同直径情况下，电机可获得较大的输出电压；而在相同输出电压的情况下，通过各层定子电枢绕组串联可缩小电机直径，从而可减小机组的重量和体积，改善风动力特性，获得更多的风能。
由于发电机实现了直接驱动发电，免去了价格高昂且效率较低的升速齿轮箱，电机定子空间大，利用率高，在低速时可获得较大的输出电压。具有无需机械变速，低速高效，结构合理，空间利用率高，制造成本低、电机部件更趋向普通电机的特点。
附图说明
图1是大容量直驱型多层定转子永磁风力发电机剖面示意图；
图2是本发明发电机内层定子转子磁路示意图；
以上的图中有：层外定子1，层内定子2，转子铁心环3，转子铁心环外壁永磁体4，转子铁心环内壁永磁体5，定子固定支架6，转子固定支架7，转轴8，轴承9，定子支撑环10。
具体实施方式：
本发明采用了特殊的电机结构，即在较大的发电机机体空间内根据实际应用需要设置多层定子和转子，定子和普通外转子内转子电机的定子结构类似。各层定子固定在电机端盖一侧的定子固定支架6上，转子固定在电机端盖另一侧的转子固定支架7上。假设电机最外层定子为第一层定子，则奇数层定子齿向内，与传统外定子相似，简称为层外定子1；偶数层定子齿向外，与传统电机内定子相似，简称为层内定子2。每层转子由转子铁心环3以及贴在转子铁心环3外壁上的转子铁心环外壁永磁体4和贴在转子铁心环3内壁上的转子铁心环内壁永磁体5构成。
假设N为自然数，则第N层转子所对应的定子分别为第2N-1层定子(即层外定子1)和第2N层定子(即层内定子2)。第N层转子对于第2N-1层定子为内转子，而对于第2N层定子则为外转子。故每一层转子可视为相邻层定子，即层外定子1和层内定子2共同的转子。层外定子1和层内定子2分别和相应层的转子铁心环外壁永磁体4和转子铁心环内壁永磁体5对应。
通过在转子铁心环3内外壁上粘贴永磁体，内外壁上极性相异且交错排列的永磁体所形成的磁场通过相邻的层外定子1、层内定子2和转子铁心环3等形成串联磁路，如附图2所示。该磁通路径为：转子铁心环外壁永磁体4、层外定子1、相邻的转子铁心环外壁永磁体4、转子铁心环3、转子铁心环内壁永磁体5、层内定子2、相邻的转子铁心环内壁永磁体5、转子铁心环3，最后回到转子铁心环外壁永磁体4。
此外，从提高电机气隙磁密和磁钢的热稳定性考虑，选择具有较高内禀矫顽力的钕铁硼永磁材料作为电机转子铁心环外壁永磁体4和转子铁心环内壁永磁体5的材料。
各层定子电枢绕组串联连接，即从最外层定子开始，外层定子每相电枢绕组和相邻的内层定子对应相电枢绕组首尾互相串联连接，从而可获得比传统发电机更高的输出电压。最后，使用一台全功率变频器将频率变化的风电变换为工频电送入电网。

Claims (2)

1.一种大容量直驱型多层定转子永磁风力发电机，其特征在于该发电机由多层定子和对应的多层转子构成，其中，每层定子的层外定子(1)和层内定子(2)分别位于定子支撑环(10)的两侧，多层定子支撑环(10)分别固定在定子固定支架(6)上；每层转子的转子铁心环外壁永磁体(4)和转子铁心环内壁永磁体(5)分别位于转子铁心环(3)的两侧，转子铁心环(3)固定在转子固定支架(7)上；转子固定支架(7)的中心固定在转轴(8)上，转轴(8)的一端通过轴承(9)与定子固定支架(6)相连接，极性相异的转子铁心环外壁永磁体(4)和转子铁心环内壁永磁体(5)交错排列分布在各层转子铁心环(3)的内外壁上；各层定子电枢绕组互相串联，即从最外层定子开始，外层定子每相电枢绕组和相邻的内层定子对应相电枢绕组首尾互相串联连接；通过在转子铁心环(3)内外壁上粘贴永磁体，内外壁上极性相异且交错排列的永磁体所形成的磁场通过相邻的层外定子(1)、层内定子(2)和转子铁心环(3)形成串联磁路。
2.根据权利要求1所述的大容量直驱型多层定转子永磁风力发电机，其特征在于所述的转子铁心环外壁永磁体(4)和转子铁心环内壁永磁体(5)采用钕铁硼永磁材料制成。
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