CN101572466A - Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机 - Google Patents

Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机 Download PDF

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赵朝会
严晓霞
袁龙生
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Abstract

一种Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,包含定子和转子,其间具有气隙,定子和转子都用轮辐支撑;定子包含定子本体、设置于定子本体上的定子绕组,以及用于固定该定子绕组的绕组固定结构,定子本体采用非导磁材料制成;转子包含转子磁钢,该转子磁钢呈Halbach阵列排列。本发明可以提高风能利用率和电机效率,并能简化电机的安装、降低电机的重量和成本。

Description

Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机
技术领域
本发明涉及一种风力发电机,特别是涉及一种无铁芯永磁直驱风力发电机。 背景技术风力发电机一般有两类:异步发电机和永磁同步发电机。常见的异步发电机有笼型异步发电机和双馈异步发电机。常见的永磁同步发电机可以分为有铁芯永磁同步发电机和无铁芯永磁同步发电机。
包括有笼型异步发电机和双馈异步发电机的异步发电机的结构大致如附图 1所示,其包含风轮1和塔架2,风轮1通过变速箱4和传动系统5带动发电机 3,发电机3由变压器6保护。该种结构的发电机由于存在齿轮箱,双馈异步电机还存在碳刷和滑环,使得系统成本高,可靠性差,维护量大,而且噪音比较严重。因此,人们转而关注直驱化和无刷化电机。
直驱无刷永磁同步发电机因为具有变速运行、变桨调节、低转速、高效率、 高功率因数等特点,已成为研究开发的热点之一。附图2所示是一种有铁芯的永磁同步风力发电机,其包含风轮1'和塔架2',不同的是,该发电机3'利用永磁体4,励磁,利用电流感应线圈5'输出所产生的电流,该种电机消除了励磁损耗,提高了效率,实现了发电机无刷化,并且该电机运行时不需要从电网吸收无功功率来建立磁场,可以改善电网的功率因数。通过采用对风力发电机直接驱动的方式,该种电机能取消齿轮箱,提高风力机组的功率和可靠性,降低设备的维护量,减少噪音。
但上述有铁芯的永磁同步风力发电机在某些方面有不足, 一般而言,有铁芯的永磁同步风力发电机可以分为径向式,轴向式和复合式等。径向结构永磁同步风力发电机存在定转子安装及运输问题;轴向结构永磁同步风力发电机在同等电磁负荷下,效率略低;而横向结构永磁同步风力发电机和复合励磁结构永磁同步风力发电机均有待进一步的研究和改进。为了减小起动阻力矩,提高风能利用率,在实际中常采用定子斜槽、转子斜极等方法。从实际应用情况来看,采用定子斜槽,工艺上比较容易实现,但发电机的电气性能将会受一定的影响;采用转子斜极,将转子磁极扭曲一个合理的尺寸,工艺上相对来说较难。 为了形成正弦气隙磁场,往往采用分数槽绕组,但采用分数槽绕组的电机其绕组分布方式一般为分布式绕组,其用铜量较大,电机的重量也较大。这些有铁芯风力发电机还有一个共同的缺点就是在电机运行时会有一定的铁芯损耗。
现有技术中也有无铁芯的永磁同步风力发电机,其能够取消定转子之间的电磁吸力、取消齿槽转矩和铁芯损耗,但是其定子采用无铁芯之后,其气隙磁密不高,功率密度比较低。
在风力发电机领域外,Halbach永磁电机作为一种比较特殊的电机正在逐渐被应用。Halbach电机是指采用Halbach阵列的电纟几。Halbach阵列是美国学者在实验时发现的一种特殊的永磁体的排列方式,比较适合于表面安装永磁体的转子结构。Halbach阵列具有良好的磁屏蔽效应(如附图3, 4),将其运用在电机中,其磁屏蔽效应产生的单边磁场分布就不需要转子轭采用导磁材料为其磁场提供通路,因此就为转子采用无铁芯提供了可能。将Halbach阵列运用在电机中有以下好处:(l)功率密度大,相对于普通永磁电机,由于Halbach阵列分解后的切向磁场与径向磁场相互叠加使得气隙一侧的磁场强度大幅度提高,这样就可以减小电机的体积,增大电机的功率密度;(2) Halbach阵列具有自屏蔽效应,对于外磁场的Halbach阵列电机而言,电机转子轭部可以采用非导磁材料, 使系统有较小的转动惯量和较好的快速响应性;对于内磁场的Halbach阵列电机而言外壳体无磁路,不需要外壳,也就减小了电机的体积、重量。(3)气隙磁场呈正弦分布,这样定子绕组就可以采用集中式绕组,使得绕组线包高度降低; (4)永磁体利用率高。由于Halbach阵列分向磁化的原因,导致其永磁体工作点较高, 一般为0.9,超过了一般永磁体的利用率。
现有技术方案中, 一般使用于风力发电的发电机是有铁芯的永磁直驱风力发电机,该类型的电机虽然结构简单,工作可靠,但定转子之间的巨大的电磁吸力使得电机安装困难,铁芯的存在使得电机的重量较重、体积较大,并且该种类型的电机存在齿槽转矩和一定的铁芯损耗,因此当风速较低时,发电机的发电效率会很低,而使得风能的利用程度较低。这些不足限制了永磁电机在风力发电上的应用和推广。而Halbach电机作为一种新型电机拥有很多优点,但其应用范围还不是很广,若将其应用在永磁直驱风力发电机中则会给风力发电带来很多好处。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其能增大电机气隙磁密,取消定转子之间的电磁吸力,取消齿槽转矩,减少电机铁芯损耗,提高电机效率。
本发明采取的技术方案是:一种Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,包含定子和转子,定子和转子间具有气隙,定子和转子都用轮辐支撑;所述定子包含定子本体、设置于定子本体上的定子绕组,以及用于固定该定子绕组的绕组固定结构,所述定子本体采用非导磁材料制成;所述转子包含转子磁钢,该转子磁钢为Halbach阵列磁钢。
所述非导磁材料常选用工程塑料。
所述Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机可以是内转子结构,也可以是外转子结构。
所述定子绕组采用集中式绕组。 所述绕组固定结构采用非导磁材料制成。 所述轮辐采用钢材料制成。
所述Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机是低速多极数的电机。 虽然本发明的初衷在于增大电机气隙磁密,取消定转子之间的电磁吸力, 取消齿槽转矩,减少电机铁芯损耗,提高电机效率,但本发明实际解决了多个问题。本发明Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机采用Halbach列提高了电机的气隙磁密和电机的功率密度;并进而使电机的定子部分采用无铁芯结构,减小了电机的重量。由于定子采用无铁芯结构就能消除铁芯损耗和齿槽转矩,因此电机起动时就不会受起动阻力矩的影响,所以即使当风力较小时,电机也能够运行,这样就增大了电机的工作效率,也增大了风能的利用率,同时也使得电机的安装相对容易,整个系统的成本也会有所降低。随着风力发电机研究的不断深入,该电机将会是大功率永磁直驱风力发电机的一个理想模型。 本发明的有益效果是:(1) 通过采用Halbach阵列磁钢,使气隙磁密大为提高,并且使气隙中磁场呈正弦分布,从而可以达到省去定子铁芯的效果,并且提高了能量的转换效率,增强了电磁的兼容性;(2) 通过利用非导磁材料制作定子本体,使定子采用无铁芯结构,降低了电机的重量;(3) 通过利用非导磁材料制作定子本体,使定子采用无铁芯结构,提高了电机的功率密度,并且消除了铁芯损耗和齿槽转矩以及齿槽效应所带来的起动阻力矩,从而提高了电机的效率,也提高了风能利用率。
(4) 通过利用轮辐支撑定子和转子,使得风力发电机的安装相对容易,整个风机系统的成本有所下降。
附图说明
图1是现有技术中的异步风力发电机的结构示意图;图2是现有技术中的一种有铁芯永磁同步风力发电机的结构示意图;
图3是外磁场(内转子)式Halbach永磁体的合成磁场示意图; 图4是内磁场(外转子)式Halbach永磁体的合成磁场示意图; 图5是本发明Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机的结构示意图; 图6是图5中A部分的放大示意图; 图7是图5中Halbach阵列磁钢21的示意图;图8是图7中Halbach阵列磁钢21中的每块磁钢的充磁方向的示意图。
图中涉及的附图标记如下所示:i, r.风轮 2, 2,.塔架3, 3'.发电机 4.变速箱4'.永磁体 5.传动系统5'.电流感应线圈 6.变压器10.定子 12.定子本体13.定子绕组 14.绕组固定结构 21. Halbach阵列磁钢具体实施方式以下结合附图对本发明的具体实施方式给予详细阐释。
参见图5。本发明Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机包含定子10和转子20,定子10和转子20间具有气隙30,定子10和转子20都用轮辐40支撑。 定子10包含定子本体12、设置于定子本体12上的定子绕组13,以及用于固定该定子绕组13的绕组固定结构14,定子本体12采用非导磁材料制成。转子20 包含转子磁钢21,该转子磁钢21为Halbach阵列磁钢。
参见图6,该图显示图1中A部分的放大示意图,即本发明的无铁芯永磁直驱风力发电机的定子10和转子20的放大结构示意图。如图所示,定子IO 具有定子本体12,其常用工程塑料,定子绕组13,其采用集中式绕组,用来固定该定子绕组13的定子绕组固定结构14,其也采用非导磁材料。转子20具有
Halbach阵列磁钢21,该转子20的结构与普通的径向磁钢永磁同步电机的相同, 此处不予赘述。
图7显示本发明Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机中的Halbach阵列磁钢21。如图所示,磁钢呈圆盘状排列。
图8显示内转子结构的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机中的Halbach 阵列磁钢21中每块磁钢的充磁方向,其遵循公式0 (1-P) e ',其中e加为磁钢的充磁方向,P为电机的极对数,e'为磁钢离开极轴的角度。
本发明为低速多极数的电机。本发明可以为三相电机也以为多相电机。 上述仅是本发明的较佳实施例,本发明并不限定于此。同上述内转子结构的电机相应,本发明也可以是外转子结构,外转子结构的电机与上述内转子结构的电机结构相似,只是每块磁钢的充磁方向遵循公式e (l+P) e。其中 9M为磁钢的充磁方向,P为电机的极对数,e'为磁钢离开极轴的角度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改变、改进和润饰, 这些改变、改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
8

Claims (8)

1. 一种Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,包含定子和转子,定子和转子 间具有气隙,其特征在于: 所述定子和所述转子都用轮辐支撑; 所述定子包含定子本体、设置于定子本体上的定子绕组,以及用于固定该 定子绕组的绕组固定结构,所述定子本体采用非导磁材料制成; 所述转子包含转子磁钢,该转子磁钢为Halbach阵列磁钢。 2. 根据权利要求1所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征在于: 所述非导磁材料是工程塑料。 3. 根据权利要求1或2所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征 在于:该Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机是内转子结构的Halbach无铁芯永 磁直驱风力发电机。 4. 根据权利要求1或2所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征 在于:该Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机是外转子结构的Halbach无铁芯永 磁直驱风力发电机。 5. 根据权利要求1所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征在于: 所述定子绕组采用集中式绕组。 6. 根据权利要求1所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征在于: 所述绕组固定结构采用非导磁材料制成。 7. 根据权利要求1所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征在 于:所述轮辐采用钢材料制成。 8. 根据权利要求1所述的Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机,其特征在 于:该Halbach无铁芯永磁直驱风力发电机是低速多极数的电机。
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