CN101527470A - 磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机 - Google Patents

Abstract

磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机是一种高性能和可用于直接驱动的磁通可调节式的新型横向磁通风力发电机。定子是由分布在转子周围的若干定子铁心(1)、第一永磁体(2)、第二永磁体(3)、电枢绕组(4)以及电励磁绕组(5)构成；每个定子铁心(1)呈U型，两边分别嵌入两永磁体，磁极方向相对，定子中放置电枢绕组(4)，在定子齿部放置电励磁绕组(5)，每相相邻两个定子铁心(1)的两永磁体磁极反向相反；各转子铁心(6)的尺寸相同，每相相邻两个转子铁心(6)左、右分别对齐间隔排列，转子铁心(6)采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料圆筒(9)上形成一个转子整体，并与发电机转轴(10)相连，最后通过轴承(11)与机壳(8)相连。

Description

磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机

技术领域

本发明涉及一种改进的发电机，特别是一种高性能和直接驱动领域的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机。

背景技术

能源危机的加剧，制约全球经济的提升，并威胁着人类社会可持续发展，大力开发利用新能源和可再生能源已成为全球多数国家能源发展战略的重要组成部分。相比于其它形式的可再生能源，风能(Wind Power)成熟度最高，经济性最好。到2010年，全球风电装机总容量将达230GW，中国约10GW，发展势头迅猛，开发利用前景广阔。风力发电机(WindGenerator)是风电系统的关键核心装备，其电气和机械性能的优劣直接影响着风电能量转换的效率以及系统的成本与可靠性。

由于风力发电机转速较低，中小功率的为几十~几百转/分，MW级的只有十几转/分，根据电机原理，要达到一定的功率，且要减小电机直径、减轻其体积和重量，就必须显著增大电磁力。电磁力正比于磁通量和电流，传统的径向磁通和轴向磁通电机中，导向磁通的铁心和传导电流的导线处于同一平面内，在电机直径一定的情况下，增加铁心面积和增大导体截面积相互矛盾。幸运的是，横向磁通电机(Transverse Flux Motor-TFM)可以解决这一问题，其电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，因此可以根据需要独立调整线圈窗口和磁路尺寸来确定电机的电、磁负荷，从而可以获得很高的转矩密度。

近几年虽然国内外众多机构对横向磁通发电机进行了大量的研究工作，但是还存在一些问题亟待改进和解决。现有的横向磁通永磁电机，相邻两组转子铁心只对应一组定子铁心，磁通的空间利用率偏低，绕组的有效长度比例不高，转矩密度还有提高的空间。此外，传统的永磁发电机气隙磁场无法调节，作为风力发电机时，电机输出电压不能方便的根据风速的大小进行调节，因此将混合励磁的方式引入永磁风力发电机中。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以调节电机磁通、高功率密度和高转矩密度的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机。

技术方案：本发明的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，定子是由分布在转子周围的若干定子铁心、第一永磁体、第二永磁体、电枢绕组以及电励磁绕组构成；每个定子铁心呈U型，两边分别嵌入一块永磁体即第一永磁体、第二永磁体，磁极方向相对，定子中放置电枢绕组，在定子齿部放置电励磁绕组，每相相邻两个定子铁心的第一永磁体、第二永磁体磁极反向相反；各转子铁心的尺寸相同，每相相邻两个转子铁心左、右分别对齐间隔排列，转子铁心采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料圆筒上形成一个转子整体，并与发电机转轴相连，最后通过轴承与机壳相连。

各定子铁心的尺寸相同，且采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料机壳套筒内形成一个定子整体。定子铁心和转子铁心有三组，在电机轴方向，并排三组定子铁心和三组转子铁心，并使得每组定子铁心相差120度电角度，或者使得每组转子铁心相差120度电角度，构成三相发电机。

定子铁心和转子铁心为极数2p的发电机时，每相具有2p个定子铁心和2p的转子铁心。该发电机做三相发电机时，每相的电励磁绕组采用串联或者并联的方式进行连接，当输入同方向的电流时，可以起到同时增磁或弱磁的作用，而三相电励磁绕组采用串联方式连接，当气隙磁场为正弦时，可以完全消除电励磁绕组中感应电流对励磁电流的影响。

在定子铁心中的第一永磁体、第二永磁体上端留有可以有效地减小电励磁同路的磁阻的磁桥。各第一永磁体、第二永磁体选用钕铁硼材料。定子和转子位置可以互换，构成外转子、内定子的结构形式。

有益效果：定子铁心中放置一对永磁体，且相邻两个定子铁心中的永磁体磁化方向相反，结合相邻两个转子铁心左、右分别对齐间隔排列的结构特点，可以实现磁通切换的功能，可以避免相邻两个转子铁心只对应一个定子铁心的情况，当该电机的极数2p时，每相具有2p个定子铁心和2p的转子铁心，即一个转子铁心对应于一个定子铁心，从而提高了电机磁通的利用率。此外，还有效地缩短了绕组的无效长度，在一定程度上提高了电机的转矩密度。

在定子齿部放置电励磁绕组，每相的电励磁绕组采用串联或者并联的方式进行恰当的连接，使得输入同方向的电流时，可以起到同时增磁或弱磁的作用，而三相电励磁绕组采用串联方式连接，当气隙磁场为正弦时，可以消除电励磁绕组中感应电流对励磁电流的影响。并且在定子永磁体上留有磁桥，可以有效地减小了电励磁回路的磁阻。

该电机的各定子铁心尺寸相同，各转子铁心尺寸也相同，且都可用硅钢片叠制而成。各定子铁心安装在非导磁材料机壳圆形套筒内，形成定子整体；各转子铁心安置在非导磁材料圆筒上，形成转子整体，并且与电机转轴相连。由于采用了硅钢片叠制，可以有效地减少电机的漏磁通，从而可以提高电机的功率因数。

附图说明

图1是磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机结构示意图(一相一对极)；

图2是磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机的剖面图(一相)；

图3是t₀磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机的主磁通

图4是t₁磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机的主磁通。

以上图中有发电机定子铁心1，第一永磁体2、第二永磁体3，电枢绕组4，电励磁绕组5，转子铁心6，磁桥7，非导磁材料定子套筒(电机机壳)8，非导磁材料转子圆筒9，发电机转轴10，轴承11。

具体实施方式

本发明的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机由定子、转子所组成。为了更好的利用横向磁通的空间利用率，在定子铁心的两端，分别嵌入一块磁极方向相对的永磁体，每相相邻两个定子铁心中的永磁体磁化方向相反，在每块永磁体的上端都留有磁桥，定子内安放电枢绕组，在定子齿部放置电励磁绕组，各定子铁心都用硅钢片叠制，且尺寸相同，在并置于非导磁材料机壳套筒内，形成定子整体。定子铁心中的永磁体采用钕铁硼材料。

各转子铁心仅有硅钢片叠制，结构简单，各转子铁心尺寸相同，每相相邻两个转子铁心左、右分别对齐间隔排列，置于非导磁材料圆筒上，构成转子整体。

当发电机为3相时，每相结构之间的电角度相差120度。此外，当该电机的极数2p时，每相具有2p个定子铁心和2p的转子铁心。因此可以有效地利用其空间。

电机磁通切换原理如下：

该电机转子存在两个不同的交错位置。

当转子处于位置一时，相邻两个单元永磁产生的穿过定子绕组的磁通方向同为一个方向；而当转子处于和位置一相差180度电角度的位置二时，磁通方向切换为另一个方向。转子连续旋转时，定子绕组中匝链的磁通方向呈周期性改变，从而感应出感应电势，实现机电能量转换。

混合励磁的原理如下：

传统的永磁风力发电机存在着磁场无法调节的缺点，电机无法随风速的变化调节发电机输出的端电压。通过电励磁的作用，可以根据需要改变电机气隙磁场，进而根据风速的变换方便的调节发电机的输出电压，从而更适用于风力发电机组的运行。

如图1所示，对于三相发电机的一相来说，该磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机的实体模型主要由以下几个部分组成：定子铁心1、永磁体2和3、电枢绕组4、电励磁绕组5、转子铁心6、磁桥7、非导磁材料定子套筒(电机机壳)8、非导磁材料转子圆筒9，发电机转轴10和轴承11组成。各定子由定子铁芯1和电枢绕组4和永磁体2和3以及电励磁绕组5构成，并在永磁体2、3上端留有磁桥7；转子部分包括相邻且左、右分别对齐间隔排列的转子铁心6构成。各定子铁心1尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料套筒(电机机壳)8内形成一个定子整体。各转子铁心6尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料圆筒9上形成一个转子整体，并与发电机转轴10相连，并通过轴承11与电机机壳8相连。以增强发电机转子旋转工作时的坚固性和可靠性，保证发电机在运转过程中的平稳运行。

对于三相发电机来说，在电机轴10的方向上，相应的共有三组同样的定转子结构，并且使得每组结构的电角度相差120度。

在电励磁绕组5的连接方式上，每相的电励磁绕组采用串联或者并联的方式进行恰当的连接，使得输入同方向的电流时，可以起到同时增磁或弱磁的作用，而三相电励磁绕组5采用串联方式连接，当气隙磁场为正弦时，可以消除电励磁绕组中感应电流对励磁电流的影响。

外转子结构的电机也适用于此。

此外，从提高电机气隙磁密和磁钢的热稳定性考虑，选择具有较高矫顽力的钕铁硼永磁材料作为电机永磁体2利3的材料。

Claims (8)

1、一种磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：定子是由分布在转子周围的若干定子铁心(1)、第一永磁体(2)、第二永磁体(3)、电枢绕组(4)以及电励磁绕组(5)构成；每个定子铁心(1)呈U型，两边分别嵌入一块永磁体即第一永磁体(2)、第二永磁体(3)，磁极方向相对，定子中放置电枢绕组(4)，在定子齿部放置电励磁绕组(5)，每相相邻两个定子铁心(1)的第一永磁体(2)、第二永磁体(3)磁极反向相反；各转子铁心(6)的尺寸相同，每相相邻两个转子铁心(6)左、右分别对齐间隔排列，转子铁心(6)采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料圆筒(9)上形成一个转子整体，并与发电机转轴(10)相连，最后通过轴承(11)与机壳(8)相连。

2、根据权利1所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：各定子铁心(1)的尺寸相同，且采用硅钢片叠制，并安装在非导磁材料机壳(8)套筒内形成一个定子整体。

3、根据权利1所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：定子铁心(1)和转子铁心(6)有三组，在电机轴(10)方向，并排三组定子铁心(1)和三组转子铁心(6)，并使得每组定子铁心(1)相差120度电角度，或者使得每组转子铁心(6)相差120度电角度，构成三相发电机。

4、根据权利1所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：定子铁心(1)和转子铁心(6)为极数2p的发电机时，每相具有2p个定子铁心(1)和2p的转子铁心(6)。

5、根据权利3所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：该发电机做三相发电机时，每相的电励磁绕组(5)采用串联或者并联的方式进行连接，当输入同方向的电流时，可以起到同时增磁或弱磁的作用，而三相电励磁绕组(5)采用串联方式连接，当气隙磁场为正弦时，可以完全消除电励磁绕组中感应电流对励磁电流的影响。

6、根据权利1所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：在定子铁心(1)中的第一永磁体(2)、第二永磁体(3)上端留有可以有效地减小电励磁回路的磁阻的磁桥(7)。

7、根据权利1所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：各第一永磁体(2)、第二永磁体(3)选用钕铁硼材料。

8、根据权利1所述的磁通切换型混合励磁横向磁通风力发电机，其特征是：定子和转子位置可以互换，构成外转子、内定子的结构形式。

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