CN102158031A - 大功率永磁同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机，由于过载运行、突然短路等情况下产生的退磁磁场容易使转子永磁体产生局部永久性退磁的问题，提供一种大功率的永磁同步发电机。该发电机通过在转子上至少设置使得，相邻两块永磁体沿着发电机轴向紧贴转子铁心的两条棱处退磁场强减弱的辅助机构，避免了在发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下转子永磁体的永久性退磁，以便保证永磁体的磁能积，同时延长发电机的寿命。

Description

大功率永磁同步发电机

技术领域

本发明涉及永磁同步发电机技术领域，更具体地说，涉及一种转子采用表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机。

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。

大功率永磁同步发电机转子的永磁体分为表贴式结构和内嵌式结构，在永磁体用量相同的情况下，表贴式永磁体结构相比内嵌式永磁体结构可提供的磁通量更大，并且漏磁更少。但由于永磁材料（例如烧结NdFeB材料）较高的温度系数有可能在发电机运行时造成永磁体产生不可逆退磁(又称失磁)，而表贴式永磁体结构相比内嵌式永磁体结构更容易产生失磁现象。

比如，永磁发电机运行时产生损耗发热，使发电机的温度升高，造成永磁体工作点急剧下降，而当发电机在过载运行、突然短路等情况下，会有6～12倍额定值的电流，在发电机内产生退磁磁场，当退磁磁场强度超过一定值，永磁体局部工作点低于退磁曲线的拐点时，永磁体局部将产生不可逆退磁。

对于表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机由于每极永磁块体积较大，不易充磁和加工，所以通常是把每极永磁体切割为相等的多块，并且所有永磁块均匀的分在转子表面，每块永磁体之间设有一定的间距。

发电机过载运行、突然短路等情况下产生的退磁磁场是非均匀的，在永磁体每极的局部区域强度较大，具体位置受磁阻大小和退磁磁场强度和本身磁场磁通工作点影响，位于或者最临近退磁磁场强度较大区域的相邻两块永磁体间隙处由于磁阻较大，会使得该间隙两侧两块永磁体相对侧面的退磁磁场强度较大，这样，该间隙处两块永磁体相对的4条棱处的局部工作点会容易低于退磁曲线的拐点。

对于上述相邻两块永磁体远离转子轴心的两条棱处，如果退磁磁场会使得棱处的工作点低于退磁曲线拐点，采用削棱的方式进行处理，一般即可达到避免永磁体局部永久退磁的目的。而对于上述相邻两块永磁体靠近转子轴心的两条棱处，如果退磁磁场会使得棱处的工作点低于退磁曲线拐点，进行削棱处理不但不能达到避免永磁体局部永久退磁的目的，有时甚至会加剧上述两块永磁体的局部退磁。

针对上述问题，常用的解决方式是增加发电机的气隙长度或者增加永磁体的厚度。增加气隙长度是为了减弱发电机过载运行、突然短路等情况下产生的退磁磁通，但势必会对反电势，输出功率等发电机其他性能造成减弱；增加永磁体厚度是为了提高永磁体的工作点，以便提高永磁体的抗退磁能力，但势必会增加永磁体的用量，使得发电机成本增加，同时也增大了发电机的体积。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中，表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机，由于发电机过载运行、突然短路等情况下产生的退磁磁场容易使转子永磁体，尤其是相邻的某两块永磁体间隙位置，沿着发电机轴向紧贴转子铁心的两条棱处产生局部永久性退磁的问题，提供一种大功率的永磁同步发电机。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种大功率永磁同步发电机，转子采用表贴式永磁体结构，每极永磁体分割为相等的多块，其特征在于：在转子上至少设置使得，发电机非正常运行状态下，每极产生的退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置，相邻两块永磁体沿着发电机轴向紧贴转子铁心的两条棱处退磁场强减弱的辅助机构。

本发明中，所述辅助机构为开设在转子每极退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置的转子铁心边缘，沿转子轴向的第一凹槽。

为了保证磁路的对称性和交直轴电抗的相等，相邻两第一凹槽之间中心位置的相邻两块永磁体间隙位置的转子铁心边缘，开设有沿转子轴向的第二凹槽。

所述第一凹槽和第二凹槽两侧边缘与永磁体接触位置采用圆弧过渡。

为了防止永磁体在长时间运行后松动，所述第一凹槽和第二凹槽中设有支撑永磁体的托架，所述托架由不导磁且不导电的材料制成。

为了改善了气隙磁场的波形，减小了谐波，从而进一步减弱退磁磁场对永磁体的影响，发电机的定子槽采用半闭口槽，或者在定子槽内设置磁性槽楔。

本发明中，所述辅助机构为设置在转子每极退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置的转子铁心中，沿转子轴向的永磁体，所述永磁体外部的磁场方向与退磁磁场方向相反。

本发明中，所述辅助机构为设置在永磁外包裹整个转子的圆柱形铜套筒。

本发明，通过至少在表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机转子每极永磁体最易产生永久性退磁的区域设置削弱或者抵消退磁磁场强度的辅助机构，避免了在发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下转子永磁体的永久性退磁，以便保证永磁体的磁能积，同时延长发电机的寿命。

说明书附图

图1为现有表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机的结构示意图。

图2为图1发电机一极，在发电机非正常运行状态下，产生退磁磁场的示意图。

图3为本发明第一种实施方式的结构示意图。

图4为本发明第一种实施方式发电机一极的放大示意图。

图5为本发明第一种实施方式设置第二凹槽的结构示意图。

图6为本发明第一种实施方式定子采用半闭口槽的结构示意图。

图7为本发明第一种实施方式定子槽内设置磁性槽楔的结构示意图。

图8为本发明第二种实施方式的结构示意图。

图9为本发明第二种实施方式发电机一极的放大示意图。

图10为本发明第三种实施方式的结构示意图。

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。

本发明的主旨在解决表贴式永磁体结构的大功率永磁体同步发电机在发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下产生的退磁磁场会对转子永磁体产生永久性退磁的影响，提供一种可避免永磁体产生永久性退磁的大功率永磁同步风力发电机。

如图1所示，本实施例中采用6极，每极分为4块大小相等的永磁体的表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机进行示例，本领域技术人员可以理解的是，这并非对本发明的限制，对于其他极数和每极永磁体分割为不同分块数量的表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机，本发明同样适用。

参见图2，发电机该极永磁体1紧贴转子铁心2的一侧为S极，远离转子铁心2的一侧为N极，图2中箭头所示为发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下该极产生的退磁磁场方向，这样，当退磁磁场强度超过一定值，永磁体1局部工作点低于退磁曲线的拐点时，永磁体局部将产生不可逆退磁。

根据永磁电机的基本原理，转子相邻两极永磁体1的磁场方向是不同的，那么除了图2所示的退磁情况外，还有另外一种退磁情况。例如，与图2所示的一极相邻两极转子的永磁体1紧贴转子铁心2一侧为N极，远离转子铁心2一侧为S极，那么发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下上述两极产生的退磁磁场方向也将与图2所示一极产生的退磁磁场方向不同，将指向远离转子轴心的方向。本领域技术人员对上述原理是熟知的，本发明在描述技术方案时将主要以图2所示一极的情况进行说明，对另外一种情况，由于处理的基本原理是相似的，将简要进行说明。

如背景技术中所述，转子每块永磁体1局部工作点最低处位于每块永磁体1沿着发电机轴向的4条棱处，那么退磁磁场最容易使得永磁体1沿着发电机轴向的4条棱处的局部工作点低于退磁曲线的拐点，所以只要保证每块永磁体1沿着发电机轴向的4条棱处的局部工作点在发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态时不低于退磁曲线的拐点，即可保证每块永磁体1不会产生永久性退磁。

在发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，由于转子每极产生的退磁磁场是不均匀的，在退磁磁场场强较弱的区域，永磁体1沿着发电机轴向的棱处的局部工作点并不会低于退磁曲线的拐点，那么，永磁体1的这些棱处是无需进行特别处理的。一般只有退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体1间隙位置，相邻两块永磁体1沿着发电机轴向的4条棱处比较容易产生永久性局部退磁，这是因为一方面上述区域的退磁磁场的强度本身就比较大，另一方面该间隙处的磁阻较大，磁力线会向该间隙两侧两块永磁体1相对侧面聚集，进一步增强了沿着发电机轴向的4条棱处的退磁磁场强度。

而相邻两块永磁体1的上述沿着发电机轴向的4条棱中，远离转子的两条棱处相对更不易产生永久性退磁，而且即使远离转子的两条棱处在退磁磁场的作用下会产生局部永久性退磁，一般对上述两条棱进行削棱处理（即将直角棱边修整为圆弧倒角），即可避免上述两条棱处的局部永久性退磁。

对于紧贴转子铁心2的两条棱处，如果在退磁磁场的作用下会产生局部永久性退磁，进行削棱处理，不但不能起到避免局部永久性退磁的目的，有时甚至会加剧永磁体1的局部永久性退磁。当然，如背景技术中所述，如果发电机的气隙长度和/或永磁体1的厚度足够大，即使在退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体1间隙位置沿着发电机轴向的4条棱处也不会产生永磁体1局部的永久性退磁。而这样，必定会在一定程度上牺牲发电机的其他性能，同时增加了发电机的成本，增大了发电机的体积。

而在很多情况下，基于某些标准对发电机的体积是有严格的要求，一般不允许随意增大发电机的体积。本发明所要解决的问题，就是在尽可能不牺牲发电机其他性能，不增加成本并严格控制发电机体积的情况下，解决表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机永磁体1，尤其是发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下产生的退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体1间隙位置，相邻两块永磁体1沿着发电机轴向紧贴转子铁心2的两条棱处的局部永久性退磁问题。

因此，在确定采用何种技术方案解决上述问题之前，首先，根据发电机不同的电机参数，确定该发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，转子每极产生的退磁磁场强度最大的位置；其次，判断转子每极除了退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体1间隙位置，相邻两块永磁体1沿着发电机轴向的4条棱外，其他永磁体1沿转子轴向的棱处是否会在退磁磁场的作用下产生永久性退磁；最后根据不同的情况采取不同的处理方式。

对于参数确定的表贴式永磁体结构的永磁同步发电机，如何确定发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，转子每极产生的退磁磁场强度最大位置，如何判断转子每极永磁体1沿着发电机轴向的棱处在退磁磁场的作用下是否会产生局部永久性退磁对本领域的技术人员来说是熟知的，此处不进行过多的叙述。

所以，如果仅仅是退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体1间隙位置，相邻两块永磁体1沿着发电机轴向的4条棱有可能产生局部的永久性退磁，多块永磁体1其他沿着发电机轴向的棱处不会产生局部永久性退磁，那么只需要对退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体1间隙位置，相邻两块永磁体1沿着发电机轴向的4条棱进行处理。而上述4条棱中，远离转子铁心2的两条棱可以通过削棱的方式进行处理，本发明主要针对的是紧贴转子铁心2的两条棱的局部永久性退磁问题。

本发明，将根据转子永磁体的退磁情况，在转子上至少设置使得每极产生的退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置，相邻两块永磁体1沿着发电机轴向紧贴转子铁心2的两条棱处退磁磁场强减弱的辅助机构。

参见图3，本发明的第一种实施方式，本实施例中我们以发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，每极退磁磁场强度最大处经过或最临近转子每极中心位置的两块永磁体1间隙进行说明。本实施例的辅助机构为开设在转子每极上述间隙位置的转子铁心2边缘的第一凹槽3，第一凹槽3将沿着转子轴向贯穿转子整个铁心2，在转子每极铁心2的表面形成槽体。

参见图4，由于第一凹槽3处是空气，第一凹槽3处的磁阻变大，每极退磁磁场原来经过两块永磁体1间隙处的磁力线，会因为在转子边缘处磁阻增大而向间隙的两侧分散，这样，间隙处相邻两块永磁体1沿发电机轴向紧贴转子铁心2的两条棱处的退磁磁场会被削弱。随着第一凹槽3深度和宽度的增加，永磁体1上述两条棱处的退磁磁场的强度会逐步的减小，根据不同的发电机参数，采用相应深度和宽度的第一凹槽3，使得在退磁磁场的作用下永磁体上述两条棱处的局部工作点也不低于退磁曲线的拐点即可。对于与上述一极相邻的两极，尽管退磁磁场的方向是指向远离转子轴心的方向，但由于设置了第一凹槽3，退磁磁场原来经过两块永磁体1间隙处的磁力线，同样会因为在转子边缘处磁阻增大而向间隙的两侧分散，在削弱间隙处相邻两块永磁体1沿发电机轴向紧贴转子铁心2的两条棱处的退磁磁场的原理与上述一极是相同。

对于永磁体其他部分可能产生的退磁，现有技术中都给出了相应的处理方式，这不是本发明的主要部分，不再进行累述。实际上，从表贴式永磁体结构的大功率永磁同步发电机的设计角度出发，如果永磁体1有产生局部永久性退磁的可能，也经常是采用牺牲电机其他性能、增加成本或者增加体积的方式来进行处理，一般不会允许永磁体1有多处可能产生局部永久性退磁。

从保证上述间隙处磁路对称的角度出发，第一凹槽3应当相对间隙中心与圆心的连线对称，第一凹槽3截面的形状和宽度根据不同的发电机参数进行设置，其截面形状包括但不限于：矩形、三角形以及其他对称形状等，最优选的如本实施例，第一凹槽3的底面呈圆弧状。本领域技术人员应该知晓，发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，由于每极退磁磁场强度最大处在转子圆周上是等间距的，所以第一凹槽3在转子圆周上也是等间距进行设置的。同时，本实施例中仅仅是以退磁磁场强度最大处经过或最临近转子每极中心位置的两块永磁体1间隙进行示意性说明，对于参数不同的发电机，退磁磁场强度最大处经过或最临近的间隙有可能位于其他两块永磁体1之间，那么第一凹槽3根据需要进行相应的设置。

参见图5，对于表贴式永磁体结构的大功率永磁通同步发电机，交轴和直轴的电抗是相等的，由于设置了第一凹槽3那么会使得交直轴电抗不相等，同时从整体上磁路对称的角度出发，本实施例中，可以进一步在相邻两第一凹槽3之间中心位置的相邻两块永磁体1间隙处的转子铁心2边缘，设置与第一凹槽3截面形状完全相同的第二凹槽4。由于本实施例中第一凹槽3恰好是设置在转子每极的中心位置，所以第二凹槽4也就正好位于转子相邻两极的两块永磁体1之间的位置，对于其他参数的发电机，第二凹槽4完全有可能因为第一凹槽3不设置在转子每极的中心位置而不位于转子相邻两极之间。

第一凹槽3和第二凹槽4两侧边缘与永磁体1接触位置较佳的是采用圆弧进行过渡，这是因为第一凹槽3和第二凹槽4边缘与永磁体1接触位置过于棱角分明，容易使退磁磁场的磁力线在第一凹槽3和第二凹槽4边缘与永磁体1接触的位置聚集，容易造成该处永磁体1的发生局部永久性退磁。

本实施例，可以尽可能减少工艺的复杂程度和对发电机性能的影响，保持发电机体积不变的同时，也减少了发电机的转动惯量。但由于转子上开槽，可能会造成永磁体1在长时间运行后松动，因而在第一凹槽3以及第二凹槽4中均可放置支撑永磁体1的托架（图中未示意），这些托架应当具有一定长度，沿着转子的轴向放置。同时，为了避免托架影响磁路和发电机的其他性能，托架应当采用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。

为了改善了气隙磁场的波形，减小了谐波，从而进一步减弱退磁磁场对永磁体1的影响，还可以对本实施例的发电机进行进一步的优化，例如：发电机的定子槽采用如图6所示的半闭口槽5，或者在定子槽内设置如图7所示的磁性槽楔6。

参见图8，本发明的第二种实施方式，本实施例中同样以发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，每极退磁磁场强度最大处经过或最临近转子每极中心位置的两块永磁体1间隙进行说明。本实施例的辅助机构为设置在上述间隙位置转子铁心中的永磁体7，永磁体7沿转子轴向贯穿整个转子铁心2。

参见图9，以转子其中一极进行说明，转子该极的永磁体1远离转子轴心的一侧为N极，紧贴转子铁心2的一侧为S极，发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下产生的退磁磁场的方向如图中箭头所示指向转子轴心的方向。设置永磁体7的目的在于抵消退磁磁场的强度，确保在退磁磁场的作用下，上述间隙处相邻两块永磁体1沿发电机轴向紧贴转子铁心2的两条棱处的局部工作点不低于退磁曲线的拐点。那么，永磁体7外部的磁场方向应当与退磁磁场的方向相反，在图9所示的一极中，永磁体7远离转子轴心的一侧应当为N极，靠近转子轴心的一侧应当为S极。

本领域技术人员应当知晓，与图9所示一极相邻两极的永磁体1远离转子轴心的一侧为S极，紧贴转子铁心3一侧为N极，那么发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下产生的退磁磁场的方向应当为指向远离转子轴心的方向。那么，相应地上述两极的永磁体7远离转子轴心的一侧应当为S极，靠近转子轴心的一侧应当为N极。

与第一种实施方式相似，如果发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下产生的退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置不在转子每极的中心位置，那么每极的永磁体7设置的位置应该进行相应的调整。同时，由于每极的永磁体7体积较小，只是在局部对退磁磁场进行抵消，对整体磁路的影响较小，如果其他位置紧贴转轴铁心2的棱处不会在退磁磁场的作用下产生局部永久性退磁，可以不再进行设置。

参见图10，本发明的第三种实施方式，本实施例中辅助机构为设置在永磁外1包裹整个转子的圆柱形铜套筒8，对于转子的每一极，发电机过载运行、突然短路等非正常运行状态下，短路电流产生的磁场会在该极的铜套筒8中产生一个沿铜套筒8轴向（即发电机轴向）的感应电流（相邻两极铜套筒8中的电流方向相反），该感应电流会产生一个与退磁磁场方向相反的磁场，该磁场会在转子的全部区域削弱退磁磁场，从而达到了防止永磁体退磁的目的。

但是铜套筒8中的感应电流也会影响定子短路电流，铜套筒8中的感应电流产生磁场会使得定子绕组的电流继续增加，而产生的电磁力会对绕组绝缘造成影响，甚至脱落。因此，在采用本实施例的实施方式时，应当首选确保定子绕组的绝缘强度，再进行相应的设置。

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                                                

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Claims (10)

1.大功率永磁同步发电机，转子采用表贴式永磁体结构，每极永磁体分割为相等的多块，其特征在于：在转子上至少设置使得，发电机非正常运行状态下，每极产生的退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置，相邻两块永磁体沿着发电机轴向紧贴转子铁心的两条棱处退磁场强减弱的辅助机构。

2.如权利要求1所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述辅助机构为开设在转子每极退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置的转子铁心边缘，沿转子轴向的第一凹槽。

3.如权利要求2所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：相邻两第一凹槽之间中心位置的相邻两块永磁体间隙位置的转子铁心边缘，开设有沿转子轴向的第二凹槽。

4.如权利要求3所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述第一凹槽和第二凹槽两侧边缘与永磁体接触位置采用圆弧过渡。

5.如权利要求3所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述第一凹槽和第二凹槽中设有支撑永磁体的托架。

6.如权利要求5所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述托架由不导磁且不导电的材料制成。

7.如权利要求1至6任一所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述大功率永磁同步发电机的定子槽采用半闭口槽。

8.如权利要求1至6任一所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述大功率永磁同步发电机的定子槽内设有磁性槽楔。

9.如权利要求1所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述辅助机构为设置在转子每极退磁磁场强度最大处所经过或最临近的相邻两块永磁体间隙位置的转子铁心中，沿转子轴向的永磁体，所述永磁体外部的磁场方向与退磁磁场方向相反。

10.如权利要求1所述的大功率永磁同步发电机，其特征在于：所述辅助机构为设置在永磁外包裹整个转子的圆柱形铜套筒。

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