CN101944788B - 大功率永磁电机转子及使用该转子的永磁同步风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种尤其适用于大功率永磁同步风力发电机的大功率永磁电机转子，以及使用该转子的永磁同步风力发电机。该转子采用永磁体内嵌式结构，相邻两极永磁体之间的转子铁芯上开设有沿转子轴向的凹槽，所述凹槽内设有截面形状与凹槽截面形状相同由不导磁且不导电材料制成的填充体。本发明转子相邻两极之间的永磁体由于设置了填充体，相邻两极之间永磁体磁场不会直接连通，因而可避免产生漏磁，使得永磁材料的利用率得到了提高；转子在旋转过程中，由于填充体设置在相邻永磁体之间，永磁体和转子极靴得到了支撑，避免了离心力作用在磁通路上，使得磁通路不会受到过分的挤压而发生不可逆的机械变形。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种大功率永磁电机转子以及使用该转子的永磁同步风力发电机。
背景技术
永磁电机具有损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，应用越来越广泛。如风机，水泵，压缩机等以连续的，恒定速度和单方向运行的应用场合，普通异步电机由于效率，功率因数等原因造成电能的浪费，正逐渐被永磁电机取代。同时，很多工业机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求不高，永磁同步电机由于体积小，高效节能等优点，正逐渐成为该场合的主要产品。
目前，大功率永磁同步发电机正成为风力发电机的主流发展方向，与电励磁同步发电机相比，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出故障的转子上的集电环和电刷装置，成为无刷电机，不存在励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁式的发电机效率高，结构更简单，运行更可靠。
永磁同步发电机从转子结构上可以分为永磁体表贴式和永磁体内嵌式两种。相对于表贴式永磁同步电动机而言，内嵌式永磁发电机具有使用寿命长，可防止三相突然短路、退磁等效果。
但对于永磁体内嵌式的大功率永磁同步发电机，相邻两极之间的永磁体磁场容易直接连通，会产生漏磁，导致永磁材料的利用率不高；转子在旋转过程中，转子永磁体和转子极靴受到相对旋转方向的离心力，离心力作用在磁通路上，容易使磁通路受到挤压而发生不可逆的机械变形。
发明内容
本发明的目的是解决现有转子采用永磁内嵌式的大功率永磁同步风力发电机在运行时，转子相邻两极之间容易产生漏磁以及磁通路容易受到挤压而变形的问题，提供了一种尤其适用于大功率永磁同步风力发电机的大功率永磁电机转子，以及使用该转子的永磁同步风力发电机。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
本方面的第一方面，一种大功率永磁电机转子，转子采用永磁体内嵌式结构，其特征在于：相邻两极永磁体之间的转子铁芯上开设有沿转子轴向的凹槽，所述凹槽内设有截面形状与凹槽截面形状相同由不导磁且不导电材料制成的填充体。
本发明中，所述填充体至少包含一个延伸至相邻两极永磁体之间的隔磁部，隔磁部也起到压住极靴，在电机在旋转过程中，抵消转子永磁体和转子极靴受到离心力，避免磁通路产生机械变形的作用；同时，所述填充体远离转子轴心一侧，进一步还可以包含沿着转子外圆周向外圆周两侧延伸的两翼部，通过调整两翼部的形状可调节电机气隙磁场的形状，以减少气隙磁密的谐波含量，使得磁场尽可能的理想化。
转子相邻两极永磁体之间的多个填充体的截面形状相同，且均为轴对称图形，对称轴的延长线通过转子的轴心，以保证整个转子结构的对称性，避免转子转动时产生振动。
所述两翼部端点的与转子轴心形成的夹角最大为360/P度，其中P为电机的极数，以根据实际需要对电机气隙磁场的形状进行调节。
本发明中，当隔磁部的截面积较大时，所述隔磁部开设有沿转子轴向的螺栓孔，填充体通过设置在所述螺栓孔内的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定，进而与转子铁芯固定在一起；否则所述填充体通过缠绕在转子铁芯外圆周上的绑带与转子铁芯固定在一起。
本发明中，当转子体积较大时，转子铁芯通常由多个叠片构成，转子每极的极靴处设有多个等大的沿转子轴向的螺栓孔，所有螺栓孔的圆心位于转子轴心的同一圆周上，每个螺栓孔与对应极的螺栓孔相对转子轴心中心对称，多个叠片通过设置在螺栓孔中的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定，进而将多个叠片固定在一起。
隔磁部与极靴处螺栓孔中的定位螺栓均采用导电但不导磁材料制成，多个定位螺栓进行并联，形成并联的鼠笼结构，当发电机故障运行时，鼠笼导条产生相对的磁场，防止电枢电流对永磁体造成不可逆退磁。
由于电机功率较大时，转子每极的需要的永磁体体积较大，导致难以直接制造单块的永磁体，或者即使能够制造安装也比较麻烦，本发明中，转子永磁体槽内设置多个永磁体，每个永磁体之间通过不导磁材料制成的隔磁导条进行分隔。
永磁体槽内的每个永磁体在磁化方向采用倒角处理，以最大程度上防止发电机故障运行时，电枢电流对永磁体产生的退磁作用。
本发明的第二方面，使用上述转子的永磁同步风力发电机，转子采用永磁体内嵌式结构，其特征在于：相邻两极永磁体之间的转子铁芯上开设有沿转子轴向的凹槽，所述凹槽内设有截面形状与凹槽截面形状相同由不导磁且不导电材料制成的填充体。
本发明中，所述填充体至少包含一个延伸至相邻两极永磁体之间的隔磁部，隔磁部也起到压住极靴，在电机在旋转过程中，抵消转子永磁体和转子极靴受到离心力，避免磁通路产生机械变形的作用；同时，所述填充体远离转子轴心一侧，进一步还可以包含沿着转子外圆周向外圆周两侧延伸的两翼部，通过调整两翼部的形状可调节电机气隙磁场的形状，以减少气隙磁密的谐波含量，使得磁场尽可能的理想化。
转子相邻两极永磁体之间的多个填充体的截面形状相同，且均为轴对称图形，对称轴的延长线通过转子的轴心，以保证整个转子结构的对称性，避免转子转动时产生振动。
所述两翼部端点的与转子轴心形成的夹角最大为360/P度，其中P为电机的极数，以根据实际需要对电机气隙磁场的形状进行调节。
本发明中，当隔磁部的截面积较大时，所述隔磁部开设有沿转子轴向的螺栓孔，填充体通过设置在所述螺栓孔内的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定，进而与转子铁芯固定在一起；否则所述填充体通过缠绕在转子铁芯外圆周上的绑带与转子铁芯固定在一起。
本发明中，当转子体积较大时，转子铁芯通常由多个叠片构成，转子每极的极靴处设有多个等大的沿转子轴向的螺栓孔，所有螺栓孔的圆心位于转子轴心的同一圆周上，每个螺栓孔与对应极的螺栓孔相对转子轴心中心对称，多个叠片通过设置在螺栓孔中的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定，进而将多个叠片固定在一起。
隔磁部与极靴处螺栓孔中的定位螺栓均采用导电但不导磁材料制成，多个定位螺栓进行并联，形成并联的鼠笼结构，当发电机故障运行时，鼠笼导条产生相对的磁场，防止电枢电流对永磁体造成不可逆退磁。
由于电机功率较大时，转子每极的需要的永磁体体积较大，导致难以直接制造单块的永磁体，或者即使能够制造安装也比较麻烦，本发明中，转子永磁体槽内设置多个永磁体，每个永磁体之间通过不导磁材料制成的隔磁导条进行分隔。
永磁体槽内的每个永磁体在磁化方向采用倒角处理，以最大程度上防止发电机故障运行时，电枢电流对永磁体产生的退磁作用。
本发明转子相邻两极之间的永磁体由于设置了填充体，相邻两极之间永磁体磁场不会直接连通，因而可避免产生漏磁，使得永磁材料的利用率得到了提高；转子在旋转过程中，由于填充体设置在相邻永磁体之间，永磁体和转子极靴得到了支撑，避免了离心力作用在磁通路上，使得磁通路不会受到过分的挤压而发生不可逆的机械变形；填充体的翼部设计，使得通过调整两翼部的形状可调节电机气隙磁场的形状，进而减少气隙磁密的谐波含量，使得磁场尽可能的理想化；多个定位螺栓形成并联的鼠笼结构，当发电机故障运行时，鼠笼导条产生相对的磁场，防止电枢电流对永磁体造成不可逆退磁；在永磁体槽内设置隔磁导条，可避免使用单块永磁体时，造成制造和安装困难的问题。
附图说明
图1为本发明永磁电机转子第一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明永磁电机转子第一种实施方式填充体的结构示意图。
图3为本发明永磁电机转子第二种实施方式的结构示意图。
图4为本发明永磁电机转子第二种实施方式填充体的结构示意图。
图5为本发明永磁电机转子第三种实施方式的结构示意图。
图6为本发明永磁电机转子第三种实施方式填充体的结构示意图。
图7为本发明采用“一”字型隔磁导条对永磁体进行分隔的结构示意图。
图8为本发明“一”字型隔磁导条插孔的结构示意图。
图9为本发明“工”字型隔磁导条对永磁体进行分隔的结构示意图。
图10为本发明“工”字型隔磁导条插孔的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的主旨在于提供一种大功率的永磁电机转子，尤其是使用在大功率永磁同步发电机上的转子，以解决永磁体内嵌式的大功率永磁同步发电机，转子相邻两极之间的永磁体磁场容易直接连通，会产生漏磁，导致永磁材料的利用率不高；转子在旋转过程中，转子永磁体和转子极靴受到相对旋转方向的离心力，离心力作用在磁通路上，容易使磁通路受到挤压而发生不可逆的机械变形的问题，同时，提供一种使用该转子的永磁同步风力发电机。
参见图1，本发明永磁电机转子的第一种实施方式，相邻两极内嵌式的永磁体1之间的转子铁芯2上开设有沿转子轴向的凹槽21(图1是从转子一端端面看过去的正视图，因此凹槽显示为缺口状，缺口的形状即凹槽截面形状)，凹槽21内则设有截面形状与凹槽21截面形状相同的填充体3a。
参见图2，填充体3a仅由一个从转子外圆周延伸至相邻两极永磁体1之间的隔磁部31a构成，整个填充体3a由不导磁且不导电的材料制成，这样由于设置在相邻两极永磁体1之间的隔磁部31a，使得相邻两极之间永磁体1的磁场不会直接连通，可避免产生漏磁，相应地提高了永磁材料的利用率；转子在旋转过程中，由于隔磁部31a设置在相邻两极永磁体1之间，永磁体1和转子极靴22得到了支撑，避免了离心力作用在磁通路23上，使得磁通路23不会受到过分的挤压而发生不可逆的机械变形。
由于填充体3a除了发挥在相邻两极永磁体1之间隔磁的作用外，还是承担支撑永磁体1和极靴22的作用，因此填充体3a较好的是采用具有一定机械强度的即不导磁且不导电的材料制成。这样材料可以是高强度塑料，例如G-10、聚甲醛等，也可以是其他复合材料，例如芳纶纤维与合成树脂、陶瓷、橡胶构成的复合材料，碳化硅纤维与合成树脂、陶瓷、橡胶构成的复合材料等。由于填充体可采用的材料众多，此处不可能一一列举，只要能满足本发明的目的即可。
参见图3、图4，本发明永磁电机转子的第二种实施方式，与第一种实施相同，整个填充体3b由不导磁且不导电，具有一定机械强度的材料制成，填充体3b也包含一个从转子外圆周延伸至相邻两极永磁体1之间的隔磁部31b，隔磁部31b的作用与第一种实施方式种的隔磁部31a相同，一方面避免相邻两极之间永磁体1的磁场直接连通，避免产生漏磁；另一方面，转子在旋转过程中，支撑永磁体1和转子极靴22，避免了离心力作用在磁通路23上，使磁通路23受到过分的挤压而发生不可逆的机械变形。
除此之外，填充体3b远离转子轴心一侧，还包括沿着转子外圆周向外圆周两侧延伸的两翼部32b，由于翼部32b同样是由不导磁且不导电的材料制成，通过调整翼部32b的形状进而可调节电机气隙磁场的形状，因此可减少气隙磁密的谐波含量，使得磁场尽可能的理想化。
参见图5、图6，本发明永磁电机转子的第三种实施方式，第三种实施方式与第二种实施方式的不同之处在于，填充体3c隔磁部31c的形状与第二种实施方式不同。第二种实施方式中，隔磁部31b采用了三角形，这是因为三角形是一种相对稳定的形状，根据电机设计要求，需要对永磁体1和极靴22提供比较大的支撑作用时，隔磁部即可采用第二种实施方式(第一种实施方式也是同样的道理)；当永磁体1和极靴22的机械强度已经能够满足电机的设计需要时，永磁体1和极靴22不需要过多的进行支撑，则隔磁部可采用其他的形状，例如第三种实施方式中所示的矩形，以满足隔磁效果、制造成本等方面的需求。
实际上，对于隔磁部的形状，应该从机械强度、隔磁效果、制造成本、安装的便利性、相邻两极永磁之间的距离等多个方面进行均衡处理。尽管本发明的实施例仅仅公开了隔磁部的截面为三角形和矩形的实施方式，本领域的技术人员应当知晓，这并不是对本发明的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，隔磁部完全可以采用截面为梯形、正方形等规则图形，或者其他任何不规则截面形状的实施方式，这些变化和改进都应该落入本发明要求保护的范围内。
对于第二种和第三种实施方式中填充体采用的翼部结构，也可以根据电机气隙磁密的谐波含量，以及磁场理想化的要求进行合理取舍。应当指出的是，尽管本发明的实施方式，仅给出翼部截面形状的一种实施方式，本领域的技术人员也应当知晓，这并不是对本发明的限制，只要在转子外圆周向外圆周两侧延伸，根据实际需要起到改变电机气隙形状作用，两翼部如同隔磁部一样，可采用任何规则或者不规则的截面形状，只要满足本精神和电机设计需求即可，这些变化和改进都应该落入本发明要求保护的范围。
当然，优选的方式是，转子相邻两极永磁体1之间填充体的截面形状最好相同，而且不管填充体是否包含翼部，填充体的截面形状均采用轴对称图形(上述的三个实施方式皆如此)，对称轴的延长线通过转子的轴心(图1、图3、图5中并未示意)，这样可以充分保证整个转子结构的对称性，避免转子在转动过程中产生振动。
当具有翼部结构的填充体的截面采用轴对称图形时，两翼部端点的与转子轴心形成的夹角可从最小值一直变化大最大值360/P度，其中P为电机的极数，以根据实际需要对电机气隙磁场的形状进行调整。例如，本发明三个实施方式中，采用的6极电机，则第二种以及第三种实施方式中，两翼部端点的与转子轴心形成的夹角最大可达60度，可在一个较大的范围内对电机气隙磁场的形状进行调整。应当指出的是，本发实施例明仅仅是采用6极电机进行示例，并非对本发明的限制。
填充体是本发明的主要部分，如何将填充体固定在转子铁芯2上是需要考虑的问题。当隔磁部的截面积较大时，以第二种实施方式为例(第一种实施方式其实是相同的)，参见图4，可在隔磁部31b上开设有沿转子轴向的螺栓孔33b，填充体3b通过设置在螺栓孔33b内的定位螺栓与设置在转子铁芯2两端的端板进行固定(定位螺栓及端板未示意)，从而与转子铁芯2固定在一起。由于大功率的永磁电机转子，转子铁芯2通常是由多个叠片构成的，转子铁芯2两端采用端板结构是比较常见的，本领域技术人员也完全理解其结构和原理，在此不再累述。
当隔磁部的截面积较小时，隔磁部无法开设沿转子轴向的螺栓孔时，以第三种实施方式为例，填充体3c通过缠绕在转子铁芯2外圆周上的绑带(未示意)与转子铁芯2固定在一起，绑带也是大功率永磁电机转子常用的固定方式，在此同样不再累述。实际上，对于第三种实施方式中的隔磁部31c，如果螺栓孔的孔径设置的小一些，也是可以采用定位螺栓的方式将填充体3c与转子铁芯2进行固定的，但螺栓孔的孔径过小一方面在制成存在难度，另一方面对填充体3c的固定强度可能还不如采用绑带的方式。因此，填充体到底如何固定在转子铁芯2上，需要根据实际的情况进行选取。
本发明中，当转子体积较大时，转子铁芯2通常由多个叠片构成，以第二种实施方式为例，参见图3，转子每极的极靴22处设有多个等大的沿转子轴向的螺栓孔34b，所有螺栓孔34b的圆心位于转子轴心的同一圆周上，每个螺栓孔与对应极的螺栓孔，例如螺栓孔35b和螺栓孔36b相对转子轴心中心对称，多个叠片通过设置在螺栓孔34b中的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定(定位螺栓及端板未示意)，进而将多个叠片固定在一起。
极靴22处螺栓孔中的定位螺栓均采用导电但不导磁材料制成，例如常见的不锈钢、铜等材料，多个定位螺栓进行并联，形成并联的鼠笼结构，如果填充体也采用定位螺栓的方式与转子铁芯2进行固定，则设置在隔磁部螺栓孔中的定位螺栓也采用上述导电但不导磁材料制成，并与极靴22出螺栓孔中的定位螺栓一起并联形成并联的鼠笼结构，这样当发电机故障运行时，鼠笼导条(即多个定位螺栓)产生相对的磁场，可防止电枢电流对永磁体造成不可逆退磁。
由于电机功率较大时，转子每极的需要的永磁体1体积较大，导致难以直接制造单块的永磁体，或者即使能够制造安装也比较麻烦。参见图7、图8(转子一极的结构放大图)，转子永磁体槽24内采用3个分隔开的永磁体的方式，每个永磁体之间通过不导磁材料制成的“一”字型隔磁导条4进行分隔。“一”字型隔磁导条4设置在永磁体槽24中间的“一”字型隔磁导条插孔41中，进而对多块永磁体进行分隔。采用“一”字型隔磁导条4的好处在于，结构简单，无论是“一”字型隔磁导条插孔41的冲制还是“一”字型隔磁导条4的制造都比较容易实现。
参见图9、图10，与“一”字型隔磁导条4和“一”字型隔磁导条插孔41的区别在于，本实施方式中，采用了“工”字型隔磁导条5和“工”字型隔磁导条插孔51，其优点在于，当极靴22处的机械强度不够时，极靴22起到固定的作用。无论采用哪种结构的隔磁导条对永磁体进行分隔，当隔磁导条采用不导磁材料时，可以很大程度减小漏磁，隔磁导条的厚度可以设置的尽量小，与放入整块的永磁体相比，相同大小的永磁体槽放入的永磁体的总宽度相差并不大，但永磁体的制造和安装过程变得异常简便。
再参见图7，以采用“一”字型隔磁导条对永磁体进行分隔进行说明，永磁体槽内的被分隔的每个永磁体在磁化方向采用倒角6处理，这样可最大程度上防止发电机故障运行时，电枢电流对永磁体产生的退磁作用。
对于本发明提供的永磁同步风力发电机，即采用上述大功率永磁电机转子，由于永磁同步风力发电机的其他结构本领域的技术人员是熟知，在此不再累述。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.大功率永磁电机转子，转子采用永磁体内嵌式结构，其特征在于：相邻两极永磁体之间的转子铁芯上开设有沿转子轴向的凹槽，所述凹槽内设有截面形状与凹槽截面形状相同由不导磁且不导电材料制成的填充体，转子每极的极靴处设有多个等大的沿转子轴向的螺栓孔，所有螺栓孔的圆心位于转子轴心的同一圆周上，每个螺栓孔与对应极的螺栓孔相对转子轴心中心对称，多个叠片通过设置在螺栓孔中的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定，所述螺栓孔中的定位螺栓均采用导电但不导磁材料制成，多个定位螺栓进行并联，形成并联的鼠笼结构。
2.如权利要求1所述的大功率永磁电机转子，其特征在于：所述填充体至少包含一个延伸至相邻两极永磁体之间的隔磁部，所述填充体远离转子轴心一侧，进一步还可以包含沿着转子外圆周向外圆周两侧延伸的两翼部。
3.如权利要求1或2所述的大功率永磁电机转子，其特征在于：转子相邻两极永磁体之间的多个填充体的截面形状相同，且均为轴对称图形，对称轴的延长线通过转子的轴心。
4.如权利要求3所述的大功率永磁电机转子，其特征在于：所述两翼部端点的与转子轴心形成的夹角最大为360/P度，其中P为电机的极数。
5.如权利要求2所述的大功率永磁电机转子，其特征在于：当隔磁部的截面积较大时，所述隔磁部开设有沿转子轴向的螺栓孔，填充体通过设置在所述螺栓孔内的定位螺栓与设置在转子铁芯两端的端板进行固定，进而与转子铁芯固定在一起；否则所述填充体通过缠绕在转子铁芯外圆周上的绑带与转子铁芯固定在一起。
6.如权利要求1或2所述的大功率永磁电机转子，其特征在于：转子永磁体槽内设置多个永磁体，每个永磁体之间通过不导磁材料制成的隔磁导条进行分隔。
7.如权利要求6所述的大功率永磁电机转子，其特征在于：永磁体槽内的每个永磁体在磁化方向采用倒角结构。
8.使用权利要求1至7任一所述的大功率永磁电机转子的永磁同步风力发电机。
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