CN101997371B - 径向磁场无铁芯永磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向磁场无铁芯永磁风力发电机，它包括同轴设置的转子内侧圆筒、转子外侧圆筒和定子圆筒，其中，转子内侧圆筒和转子外侧圆筒相连呈一体，并均通过轴承与主轴相连接，且转子内侧圆筒和转子外侧圆筒的筒口方向一致，定子圆筒的筒口方向与转子圆筒相反，且定子圆筒的筒壁位于转子内侧圆筒和转子外侧圆筒的筒壁之间；在转子内侧圆筒的筒壁上沿圆周均布内磁钢，在转子外侧圆筒的筒壁上沿圆周均布外磁钢，均布的内磁钢和外磁钢极性交替改变，且相对应的内磁钢与外磁钢极性相反；在定子圆筒的筒壁上沿圆周均布线卷。本发明有效地减小了起动转矩，从而解决了微风下发电机难以启动的问题。

Description

径向磁场无铁芯永磁风力发电机

技术领域

本发明涉及一种永磁发电机，特别涉及一种径向磁场无铁芯的永磁风力发电机。

背景技术

小型交流永磁发电机，按照磁钢在转子中的配置不同，一般有径向磁场式、切向磁场式、混合式内部永磁结构及表面式永磁结构等多种型式。现有的用于小型风力发电的永磁发电机，通常采用的是带铁芯的水平轴结构，如目前技术比较先进的广州红鹰HY-400和江苏淮安的FD-500永磁风力发电机等。这些永磁发电机定子绕组按一定规律嵌放在铁芯槽内，因气隙小，磁钢与铁芯的吸力较大，起动转距大，微风下难于起动；且电机运转时因齿槽效应，电磁转距会产生脉动。一般，上述永磁发电机的额定风速(也即输出额定功率的转速)较高，通常在10～12m/s范围内，且风叶直径偏大，在风量不足的低风速区，输出功率小甚至发不出电，不能合理地利用风能。

专利号为200820059414.1，名称为“一种永磁发电机”的实用新型专利中，虽然给出了一种无铁芯实施风力发电的永磁发电机，但是上下端盖、上下永磁轭、永磁铁和线圈之间为紧密连接，气隙小，但难以保证加工精度，工艺难度大，对解决起动转距没有起到太大的作用，实施效果不好；另外，结构复杂，不易制造。

专利号为87206678，名称为“盘式无铁芯交流永磁发电机”的实用新型专利中，虽然也给出了一种无铁芯实施风力发电的永磁发电机，但是结构复杂，并且线圈太厚，气隙大，磁场强度小，输出功率小，同时它的额定转速太高，不利于微风起动，同样也没有能够解决永磁风力发电机在微风下能够高效率运行的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是由于气隙小，磁钢与铁芯的吸力较大，起动转距大，在微风下难于起动的问题，提供一种可以在低风速、小风量情况下能输出较大的功率，适用风速范围宽、运行效率高的永磁风力发电机。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括同轴设置的转子内侧圆筒、转子外侧圆筒和定子圆筒，其中，转子内侧圆筒和转子外侧圆筒相连呈一体，并均通过轴承与主轴相连接，且转子内侧圆筒和转子外侧圆筒的筒口方向一致，所述定子圆筒的筒口方向与转子圆筒相反，且定子圆筒的筒壁位于转子内侧圆筒和转子外侧圆筒的筒壁之间；在转子内侧圆筒的筒壁上沿圆周均布内磁钢，在转子外侧圆筒的筒壁上沿圆周均布外磁钢，均布的内磁钢和外磁钢极性交替改变，且相对应的内磁钢与外磁钢极性相反；在所述定子圆筒的筒壁上沿圆周均布线卷。

在内磁钢的内侧设置内铁轭，在外磁钢的外侧设置外铁轭。

上述转子内侧圆筒通过转子内侧轴承与主轴相连接，转子外侧圆筒通过转子外侧轴承与主轴相连接；上述的转子内侧轴承和转子外侧轴承紧配合压套在主轴上。

在转子内侧圆筒的筒壁上沿圆周均布单相18块内磁钢，在转子外侧圆筒的筒壁上沿圆周均布单相18块外磁钢，在定子圆筒的筒壁上沿圆周均布18个线卷。

在转子内侧圆筒的筒壁上沿圆周均布三相24块内磁钢，在转子外侧圆筒的筒壁上沿圆周均布三相24块外磁钢，在定子圆筒的筒壁上沿圆周均布18个线卷。

上述的转子内侧圆筒和转子外侧圆筒均为铝合金材质的圆筒转子结构。

在转子内侧圆筒或转子外侧圆筒上设有速度传感器。

在定子圆筒的下端面设有压板，压板与主轴垂直设置。

在定子圆筒的筒壁上开有线卷槽，线卷位于线卷槽中；在定子圆筒的下端面开有沟槽，线卷的引线从沟槽中引出。

上述线卷的连接有三相Y结两串三并、三相Y结三串两并、三相Y结六串一并。

采用上述技术方案的本发明，由于设置了双圆筒转子结构和单圆筒定子结构，使得转子内侧圆筒、转子外侧圆筒和定子圆筒之间构成双气隙，且气隙均匀，且无铁芯，有效地减小了起动转矩，从而解决了微风下发电机难以启动的问题。本发明中定子无齿槽、无铁芯、结构简单、转动惯量小、响应速度快、转矩脉动大为改善。同时，为进一步扩大发电机的风速适用范围，在转子内侧圆筒或转子外侧圆筒上设有速度传感器，通过传感器发出的实时速度信号，控制电力电子器件的自动操作，有效改变定子线卷的连接方式，使定子线卷9的连接方式可以在2S3P、3S2P、6S1P等多种连接方式中进行选择，以实现宽风速范围内高效运转的要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中定子线卷的连接示意图；

图3为本发明实施例2中定子线卷的连接示意图；

图4为本发明实施例3中定子线卷的连接示意图；

图5为本发明三个实施例的功率利用率对比图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明包括同轴设置的转子内侧圆筒5、转子外侧圆筒6和定子圆筒12。其中转子内侧圆筒5和转子外侧圆筒6构成双圆筒转子结构，且它们以铝合金材质的圆筒为最佳的实施方式。转子内侧圆筒5通过转子内侧轴承2与主轴1相连接，转子外侧圆筒6通过转子外侧轴承3与主轴1相连接，而转子内侧轴承2和转子外侧轴承3紧配合压套在主轴1上。另外，转子内侧圆筒5和转子外侧圆筒6通过螺栓4连接呈一体，这样，转子内侧圆筒5和转子外侧圆筒6可以同步转动。并且，转子内侧圆筒5和转子外侧圆筒6的筒口方向一致，而定子圆筒12的筒口方向与上述两种转子圆筒的筒口方向相反，且定子圆筒12的筒壁位于转子内侧圆筒5和转子外侧圆筒6的筒壁之间。

在转子内侧圆筒5的筒壁上沿圆周分布18块单相内磁钢8，周向相邻的内磁钢8极性交替改变，且在内磁钢8的内侧设置导磁性好的内铁轭7；在转子外侧圆筒6的筒壁上沿圆周分布18块单相外磁钢10，周向相邻的外磁钢10极性交替改变，且相对应的内磁钢8与外磁钢10极性相反，这样能形成穿过线卷9的磁通回路。另外，同样在外磁钢10的外侧设置导磁性好的外铁轭11。在本实施例中，内磁钢8和外磁钢10均为18块。以图1为例说明本实施例中磁钢极性的设置，当内磁钢8为N极时，相对应的外磁钢10应为S极，并且外磁钢10和内磁钢8都是沿圆周极性交替均匀分布。

在本发明中，定子为单圆筒结构，仅由一个定子圆筒12构成。在定子圆筒12的筒壁上沿圆周开有线卷槽，线卷9位于线卷槽中；在定子圆筒12的下端面开有沟槽，线卷9的引线从沟槽中引出。需要指出的是，为防止漏磁和涡流损耗，定子圆筒12的材料选用不导磁、不导电、又能达到加工精度的优质工程塑料为宜。同时应确保定子圆筒12的下端面与主轴1的垂直设置。在本实施例中，为更好的保持定子圆筒12下端面与主轴1的垂直度，在定子圆筒8的下端面设有压板13，压板13与主轴1垂直设置。压板13夹固定子以加强刚度，也能保证内、外磁钢与线卷9的气隙均匀，符合设计值。

如图2所示，在本实施例中，线卷9的连接方式为三相Y结两串三并2S3P，即线卷9整体呈三相Y形结构，而每一相中由三个线卷组并联构成，每个线卷组由两个线卷串联形成。

综上，转子内侧圆筒5、转子外侧圆筒6和定子圆筒12之间构成双气隙，双圆筒转子的顶部平面与风输直联，并在其带动下转动。在本实施例中，采用不受风向急变影响，又能微风起动的立式Savonius风输，确保机组的高效率。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是，在本实施例中，在转子内侧圆筒5的筒壁上沿圆周均布三相24块内磁钢8，在转子外侧圆筒6的筒壁上沿圆周均布三相24块外磁钢10，在定子圆筒12的筒壁上沿圆周均布18个线卷9。内磁钢8和外磁钢10的极性分布与实施例1相同。

另外，如图3所示，线卷9的连接方式为三相Y结三串两并3S2P，即线卷9整体呈三相Y形结构，而每一相中由两个线卷组并联构成，每个线卷组由三个线卷串联形成。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例与实施例1、实施例2不同的是，在本实施例中，线卷9的连接方式为三相Y结六串一并6S1P，即线卷9整体呈三相Y形结构，而每一相中由六个线卷串联形成。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例4

为进一步扩大发电机的风速适用范围，在转子内侧圆筒5或转子外侧圆筒6上设有速度传感器。通过传感器发出的实时速度信号，控制电力电子器件的自动操作，有效改变定子线卷9的连接方式，使定子线卷9的连接方式可以在2S3P、3S2P、6S1P中进行选择，以实现宽风速范围内高效运转的要求。上述线卷9三种连接方式的切换为本领域普通技术人员所熟知的技术。

如图5所示，本发明通过实验和理论计算证明：最适合于低风速发电的定子线卷连接方式为：风速6m/s时的三相Y结两串三并2S3P和风速2m/s时的三相丫结6S1P功率最大；在风速4m/s附近的低风速区，三相Y结的3S2P最佳。运行中可根据具体的风况进行实时控制，切换线卷9的三种连接模式，以实现高效高输出发电。

其他技术特征与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种径向磁场无铁芯永磁风力发电机，其特征在于：它包括同轴设置的转子内侧圆筒(5)、转子外侧圆筒(6)和定子圆筒(12)，其中，转子内侧圆筒(5)和转子外侧圆筒(6)相连呈一体，转子内侧圆筒(5)通过转子内侧轴承(2)与主轴(1)相连接，转子外侧圆筒(6)通过转子外侧轴承(3)与主轴(1)相连接；所述的转子内侧轴承(2)和转子外侧轴承(3)紧配合压套在主轴(1)上，且转子内侧圆筒(5)和转子外侧圆筒(6)的筒口方向一致，所述定子圆筒(12)的筒口方向与转子圆筒相反，且定子圆筒(12)的筒壁位于转子内侧圆筒(5)和转子外侧圆筒(6)的筒壁之间；在所述转子内侧圆筒(5)的筒壁上沿圆周均布内磁钢(8)，在所述转子外侧圆筒(6)的筒壁上沿圆周均布外磁钢(10)，均布的内磁钢(8)和外磁钢(10)极性交替改变，且相对应的内磁钢(8)与外磁钢(10)极性相反；在所述内磁钢(8)的内侧设置内铁轭(7)，在外磁钢(10)的外侧设置外铁轭(11)；在所述定子圆筒(12)的筒壁上沿圆周均布线卷(9)；在所述定子圆筒(12)的下端面设有压板(13)，压板(13)与主轴(1)垂直设置，在所述定子圆筒(12)的筒壁上开有线卷槽，线卷(9)位于线卷槽中；在定子圆筒(12)的下端面开有沟槽，线卷(9)的引线从沟槽中引出。

2.根据权利要求1所述的径向磁场无铁芯永磁风力发电机，其特征在于：在所述转子内侧圆筒(5)的筒壁上沿圆周均布单相18块内磁钢(8)，在转子外侧圆筒(6)的筒壁上沿圆周均布单相18块外磁钢(10)，在定子圆筒(12)的筒壁上沿圆周均布18个线卷(9)。

3.根据权利要求1所述的径向磁场无铁芯永磁风力发电机，其特征在于：在所述转子内侧圆筒(5)的筒壁上沿圆周均布三相24块内磁钢(8)，在转子外侧圆筒(6)的筒壁上沿圆周均布三相24块外磁钢(10)，在定子圆筒(12)的筒壁上沿圆周均布18个线卷(9)。

4.根据权利要求2或3所述的径向磁场无铁芯永磁风力发电机，其特征在于：所述的转子内侧圆筒(5)和转子外侧圆筒(6)均为铝合金材质的圆筒转子结构。

5.根据权利要求4所述的径向磁场无铁芯永磁风力发电机，其特征在于：在所述的转子内侧圆筒(5)或转子外侧圆筒(6)上设有速度传感器。

6.根据权利要求1所述的径向磁场无铁芯永磁风力发电机，其特征在于：所述线卷(9)的连接有三相Y结两串三并、三相Y结三串两并、三相Y结六串一并。

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