CN101272064A - 大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机 - Google Patents
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Abstract
一种大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机，属电机类风力发电机。其中大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机，包括内转子组件的稀土永磁体(2)，转子结构件A(3)，外转子组件的稀土永磁体(5)，外转子组件的转子轭部(6)，电枢绕组(7)，电机定子(8)，内转子组件的转子轭部(9)。大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机不同的是，转子组件称为左转子组件的稀土永磁体(12)，左转子组件的轭部(13)，转子结构件B(14)，右转子组件的稀土永磁体(15)，右转子组件的转子轭部(16)。两种电机的机械结构只需承担电机负载所需的机械强度，降低了重量和成本，转子采用双转子结构，且内、外转子的永磁体磁路为串联，形成闭合式磁路，减小了永磁体的散磁，提高了气隙磁密，减小了风力发电机的直径。
Description
一、技术领域
本发明的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机属电机类风力发电机。
二、技术背景
风电是干净的能源，可以减小传统化石能源的消耗和环境污染，积极地开发利用风电对改善能源结构，保护生态环境具有重要意义。目前，风电技术正在向高效率，高可靠，低成本的方向发展，永磁直驱风力发电方案省去齿轮箱和电刷滑环结构，满足这一要求。
大容量永磁直驱风力发电机的转速较低，兆瓦级直驱永磁风力发电机的转速一般1MW为15～30r/min左右，1.5～2.0M W为10～20r/min左右，故电机具有多极、大直径和大转矩的特点。永磁直驱风力发电机的定子为高磁导率的硅钢片叠片结构，绕组嵌入电机定子槽中，转子一般采用稀土永磁体励磁。电机定子不仅受到切向的电磁转矩，而且受到脉动的径向麦克斯韦力。径向麦克斯韦力不产生有效转矩，但会引起电机的振动和形变。由于永磁直驱电机的直径较大，径向麦克斯韦力的影响不可忽略。
已有削弱径向麦克斯韦力影响的技术主要有两种，第一种技术为增加机械支撑结构件尺寸。以文章“10MW Wind Turbine Direct-Drive Generator Design withPitch or Active Speed Stall Control”by H.Polinder，D.Bang，IEEE 2007报道的10MW的永磁直驱风力发电机为例，定浆距永磁直驱风力发电机有效材料重量为91吨，机械支撑结构件重量为407吨，变浆距永磁直驱风力发电机有效材料重量为65吨，机械支撑结构件重量为260吨，机械支撑结构件的重量约为有效材料重量的4倍。可此可以看出，该技术不仅大大增加了风力发电机的体积和重量，而且提高了风力发电机的成本。
第二种技术为电机定子采用非导磁材料。以英国Durham大学可再生能源研究中心的E.Spooner教授提出了无铁心永磁直驱风力发电机为例，定转子间没有电磁吸力，也没有齿槽转矩和铁心损耗，且电机重量仅有铁心电机有效材料重量的25～30％。由于该电机采用的敞开式磁路，电机的气隙磁密低(0.25T左右)，因此电机的直径太大(风机直径为100时，电机直径为26m)，这不仅会因此引起电机的运输和装配困难，而且会引起较大风阻损耗。
因此，寻求低径向麦克斯韦拉力和高气隙磁密的轻型永磁直驱风力发电机新结构，成为本发明的初衷。
三、发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出了机械结构重量轻，体积小的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机。
本发明的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机，由电机定子、转子及其相关结构件构成。电机定子为齿槽结构，电枢绕组嵌入槽中。电机定子材料为非导磁的高强度复合材料，例如纤维化合物。这类材料具备了电机负载所需的机械强度且磁导率与空气相同，用它代替高磁导率的硅钢片，不仅使电机定子受到的麦克斯韦力为零，而且质量很轻。
本发明的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机，按转子结构类型可分为大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机和大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机两种。
本发明的大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机，包括电机转子，电枢绕组，电机定子。转子由内转子组件、外转子组件和非导磁的转子结构件三部分组成。内转子组件包括内转子组件的稀土永磁体和内转子组件的转子轭部，其中内转子组件的转子轭部为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。内转子组件的稀土永磁体按周向贴在内转子组件的转子轭部的外表面，其磁极满足S极-N极-S极-……的规律。外转子组件包括外转子组件的稀土永磁体和外转子组件的转子轭部，其中外转子组件的转子轭部为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。外转子组件的稀土永磁体按周向贴在外转子组件的转子轭部的内表面，其磁极满足N极-S极-S极-……的规律。内转子组件的转子轭部和外转子组件的转子轭部的左侧端面分别固定在非磁导率的转子结构件的右侧端面。内转子组件的稀土永磁体和外转子组件的稀土永磁体数目相等，几何中心对齐。相对的内外转子组件的稀土永磁体的磁极极性相反，形成串联磁路，产生径向气隙磁场。电机定子置于两转子组件之间，内转子组件的稀土永磁体外表面与电机定子内表面之间形成气隙，外转子组件的稀土永磁体内表面与电机定子外表面之间形成另外一个气隙，电机定子的电枢绕组为集中非叠绕组，电枢绕组的端部短，铜损低。电枢绕组的极对数与转子极对数相同。电机定子与风机的定子直接相连，电机转子的非导磁的转子结构件的内表面或内转子组件的转子轭部内表面固定在风机的转子上。
本发明的大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机，转子由左转子组件、右转子组件和非导磁的转子结构件三部分组成。左转子组件包括左转子组件的稀土永磁体和左转子组件的转子轭部，其中左转子组件的转子轭部为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。左转子组件的稀土永磁体按周向贴在左转子组件的转子轭部的右侧端面，其磁极满足S极-N极-S极-……的规律。右转子组件包括右转子组件的稀土永磁体和右转子组件的转子轭部，其中右转子组件的转子轭部为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。右转子组件的稀土永磁体按周向贴在右转子组件的转子轭部的左侧端面，其磁极满足N极-S极-S极-……的规律。左转子组件的转子轭部和右转子组件的转子轭部的外表面分别固定在非磁导率的转子结构件的内表面。左转子组件的稀土永磁体和右转子组件的稀土永磁体数目相等，且几何中心对齐。相对的左右转子组件的稀土永磁体的磁极极性相反，形成串联磁路，产生轴向气隙磁场。电机定子置于两转子组件之间，左转子组件的稀土永磁体右表面与电机定子左表面之间形成气隙，右转子组件的稀土永磁体左表面与电机定子右表面之间形成另外一个气隙，电机定子的电枢绕组为集中非叠绕组，电枢绕组的端部短，铜损低。电枢绕组的极对数与转子极对数相同。电机定子与风机的定子直接相连，电机转子的左转子组件的转子轭部内表面固定在风机的转子上。
本发明的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机，相数可以为3相，也可以为多相。
本发明的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机，与现有技术相比，电机定子材料的磁导率近似等于空气磁导率，使定、转子之间的麦克斯韦力为零，电机的机械结构只承担电机负载所需的机械强度，从而大大降低了永磁直驱风力发电机的重量和成本。转子采用双转子结构，且内、外转子的永磁铁磁路为串联，形成闭合式磁路，不仅可以减小永磁体的散磁，而且可以提高电机的气隙磁密，减小风力发电机的直径。
四、附图说明
图1是大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机的结构示意图。
图2是大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机的转子截面图。
图3是大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机的结构示意图。
上述图中标号名称：1.气隙a，2.内转子组件的稀土永磁体，3.转子结构件A，4.气隙b，5.外转子组件的稀土永磁体，6.外转子组件的转子轭部，7.电枢绕组，8.电机定子，9.内转子组件的转子轭部，10.风机的定子，11.风机的转子，12.左转子组件的稀土永磁体，13.左转子组件的轭部，14.转子结构件B，15.右转子组件的稀土永磁体，16.右转子组件的转子轭部。
五、具体实施方式
由于相数大于3的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机与相数等于3的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机结构相似，下面以3相大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机来说明具体的实施方式。
本发明的大容量轻型永磁径向/轴向转子结构直驱风力发电机，按转子结构类型可分为大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机和大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机两种。
本发明的大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机，由电枢绕组7、电机定子8、转子及其相关结构件构成。电机定子8为齿槽结构，材料为非导磁的高强度复合材料，例如纤维化合物，这类材料具备了电机负载所需的机械强度且磁导率与空气相同，用它代替高磁导率的硅钢片，不仅使电机定子8受到的麦克斯韦力为零，而且质量却很轻。电枢绕组7为集中非叠绕组，嵌放于电机定子8的槽中。电枢绕组7的相数为3，通过三相对称电流后，产生磁场的极对数等于转子永磁磁场的极对数。
本发明的大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机，转子由内转子组件、外转子组件和非导磁的转子结构件A3三部分组成。内转子组件包括内转子组件的稀土永磁体2和内转子组件的转子轭部9，其中内转子组件的转子轭部9为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。内转子组件的稀土永磁体2按周向贴在内转子组件的转子轭部9的外表面，其磁极满足S极-N极-S极-……的规律。外转子组件包括外转子组件的稀土永磁体5和外转子组件的转子轭部6，其中外转子组件的转子轭部6为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。外转子组件的稀土永磁体5按周向贴在外转子组件的转子轭部的内表面，其磁极满足N极-S极-S极-……的规律。内转子组件的转子轭部9和外转子组件的转子轭部6的左侧端面分别固定在转子结构件A 3的右侧端面。内转子组件的稀土永磁体2和外转子组件的稀土永磁体5数目相等，且几何中心对齐。相对的内转子组件稀土永磁体2和外转子组件稀土永磁体5的磁极极性相反，形成串联磁路，产生径向气隙磁场，如图1和图2中箭头所示。磁场路径由内转子的磁极N极→气隙a1→电机定子电枢绕组7→气隙b4→外转子的磁极S极→外转子组件的转子轭部6→外转子的磁极N极→气隙b4→电机定子电枢绕组7→气隙a1→内转子的磁极S极→内转子组件的转子轭部9→内转子的磁极N极，如图2所示。永磁磁路为闭合式磁路，可有效减小永磁体的散磁，提高气隙磁密，减小电机的直径。电机定子8置于内转子组件和外转子组件之间，电机定子8直接固定于风机的定子10上，电机转子的非导磁的转子结构件A3的内表面或内转子组件的转子轭部9的内表面固定在风机的转子11上。
本发明的大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机，由电枢绕组7、电机定子8、转子及其相关结构件构成。电机定子8为齿槽结构，材料为非导磁的高强度复合材料，例如纤维化合物，这类材料具备了电机负载所需的机械强度且磁导率与空气相同，用它代替高磁导率的硅钢片，不仅使电机定子8受到的麦克斯韦力为零，而且质量却很轻。电枢绕组7为集中非叠绕组，嵌放于电机定子8的槽中。电枢绕组7的相数为3，通过三相对称电流后，产生磁场的极对数等于转子永磁磁场的极对数。
本发明的大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机，转子由左转子组件、右转子组件和非导磁的转子结构件B 14三部分组成。左转子组件包括左转子组件的稀土永磁体12和左转子组件的转子轭部13，其中左转子组件的转子轭部13为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。左转子组件的稀土永磁体12按周向贴在左转子组件的转子轭部13的右侧端面，其磁极满足S极-N极-S极-……的规律。右转子组件包括右转子组件的稀土永磁体15和右转子组件的转子轭部16，其中右转子组件的转子轭部16为一圆环，材料采用非导磁的高强度复合材料或高导磁材料。右转子组件的稀土永磁体15按周向贴在右转子组件的转子轭部16的左侧端面，其磁极满足N极-S极-S极-……的规律。左转子组件的转子轭部13和右转子组件的转子轭部16的外表面分别固定在转子结构件B 14的内表面。左转子组件的稀土永磁体12和右转子组件的稀土永磁体15数目相等，且几何中心对齐。相对的左转子组件稀土永磁体12和右转子组件稀土永磁体15的磁极极性相反，形成串联磁路，产生轴向气隙磁场，如图3中箭头所示。电机定子8置于内转子组件和外转子组件之间，电机定子8直接固定于风机的定子10上，电机转子的左转子组件的转子轭部13内表面固定在风机的转子11上。
Claims (2)
1、一种大容量轻型永磁径向转子结构直驱风力发电机，包括电机转子，电枢绕组(7)和电机定子(8)，其特征在于，所述的电机定子(8)为齿槽结构，材料为非导磁的高强度复合材料，电枢绕组(7)为集中非叠绕组，嵌放于电机定子(8)的槽中，所述的转子由内转子组件、外转子组件和非导磁的转子结构件A(3)三部分组成，内转子组件包括内转子组件的稀土永磁体(2)和内转子组件的转子轭部(9)，其中内转子组件的转子轭部(9)为一圆环，内转子组件的稀土永磁体(2)按周向贴在内转子组件的转子轭部(9)的外表面，其磁极满足S极-N极-S极-……的规律，外转子组件包括外转子组件的稀土永磁体(5)和外转子组件的转子轭部(6)，其中外转子组件的转子轭部(6)为一圆环，外转子组件的稀土永磁体(5)按周向贴在外转子组件的转子轭部(6)的内表面，其磁极满足N极-S极-S极-……的规律，内转子组件的转子轭部(9)和外转子组件的转子轭部(6)的左侧端面分别固定在转子结构件A(3)的右侧端面，内转子组件的稀土永磁体(2)和外转子组件的稀土永磁体(5)数目相等，且几何中心对齐，相对的内转子组件稀土永磁体(2)和外转子组件稀土永磁体(5)的磁极极性相反，形成串联磁路，产生径向气隙磁场，电机定子(8)置于内转子组件和外转子组件之间，内转子组件的稀土永磁体(2)外表面与电机定子(8)内表面之间形成气隙a(1)，外转子组件的稀土永磁体(5)内表面与电机定子(8)外表面之间形成气隙b(4)，电机定子(8)直接固定于风机的定子(10)上，电机转子的非导磁的转子结构件A(3)的内表面或内转子组件的转子轭部(9)的内表面固定在风机的转子(11)上。
2、一种大容量轻型永磁轴向转子结构直驱风力发电机，包括电机转子，电枢绕组(7)和电机定子(8)，其特征在于，所述的电机定子(8)为齿槽结构，材料为非导磁的高强度复合材料，电枢绕组(7)为集中非叠绕组，嵌放于定子(8)的槽中，所述的转子由左转子组件、右转子组件和非导磁的转子结构件B(14)三部分组成，左转子组件包括左转子组件的稀土永磁体(12)和左转子组件的转子轭部(13)，其中左转子组件的转子轭部(13)为一圆环，左转子组件的稀土永磁体(12)按周向贴在左转子组件的转子轭部(13)的右侧端面，其磁极满足S极-N极-S极-……的规律，右转子组件包括右转子组件的稀土永磁体(15)和右转子组件的转子轭部(16)，其中右转子组件的转子轭部(16)为一圆环，右转子组件的稀土永磁体(15)按周向贴在右转子组件的转子轭部(16)的左侧表面，其磁极满足N极-S极-S极-……的规律，左转子组件的转子轭部(13)和右转子组件的转子轭部(16)的外表面分别固定在转子结构件B(14)的内表面，左转子组件的稀土永磁体(12)和右转子组件的稀土永磁体(15)数目相等，且几何中心对齐，相对的左转子组件稀土永磁体(12)和右转子组件稀土永磁体(15)的磁极极性相反，形成串联磁路，产生轴向气隙磁场，电机定子(8)置于左转子组件和右转子组件之间，左转子组件的稀土永磁体(12)右表面与电机定子(8)左表面之间形成气隙a(1)，右转子组件的稀土永磁体(15)左表面与电机定子(8)右表面之间形成气隙b(4)，电机定子(8)直接固定在风机的定子(10)上，电机转子的左转子组件的转子轭部(13)内表面固定在风机的转子(11)上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080924 |