CN102355110B - 大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机 - Google Patents

大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:该发电机包括定子(D)和转子(Z),转子(Z)通过轴承(8)与定子(D)相连。定子(D)包括固定轴(D1)、非导磁材料圆筒(D2)、U型定子铁心及电枢绕组;定子铁心包括第一组定子铁心(D31)、第二组定子铁心(D32)、第三组定子铁心(D33);电枢绕组包括第一电枢绕组(D41)、第二电枢绕组(D42)、第三电枢绕组(D43);固定轴(D1)上固定非导磁材料圆筒(D2),非导磁材料圆筒(D2)内部安放三组U型定子铁心。本发明可以有效地减小磁回路的磁阻,从而提高电机磁通的利用率。

Description

大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机技术领域[0001] 本发明涉及一种横向磁通发电机,特别是一种利用三面气隙的高性能和直接驱动 领域的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机。背景技术[0002] 化石能源的不可再生性和对环境的严重污染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等清洁能源已成为全球多数国家的共识。可再生能源技术中风 能开展相关研究较早,技术最为成熟,经济性最好。全球风电装机总容量已突破230GW,我国 风能资源丰富,发展势头迅猛,开发利用前景广阔。风力发电机(Wind Generator)是风电 系统的核心装备,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。[0003] 根据电机原理,一定功率前提下要减小电机直径、体积和重量,就必须增大电磁 力。电磁力正比于磁通量和电流,传统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。横向磁通电机(Transverse Flux Motor-TFM)解决了这个问题,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截面积和磁路尺寸来确定电机 的电、磁负荷,获得更高的转矩密度。[0004] 近年来,虽然国内外众多研究机构对横向磁通电机开展了大量的研究工作,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只限于定子铁心沿电机径向或 者轴向开口,构成单相电机。用作三相电机时则要在电机轴的方向并排三组相同的定转子 结构,空间利用率较低,转矩密度还有很大的提升空间。整合了两种定子开口朝向的电机结 构更加紧凑,因此设计此款大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机。发明内容[0005] 技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种外转子型式、高功率密度和 高转矩密度的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机。[0006] 技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供了一种大容量外转子三面定子横向 磁通永磁风力发电机,该发电机包括定子和转子,转子通过轴承与定子相连。[0007] 定子包括固定轴、非导磁材料圆筒、U型定子铁心及电枢绕组;[0008] 定子铁心包括第一组定子铁心、第二组定子铁心、第三组定子铁心;电枢绕组包括 第一电枢绕组、第二电枢绕组、第三电枢绕组;[0009] 固定轴上固定非导磁材料圆筒,非导磁材料圆筒内部安放三组U型定子铁心;其 中第一组定子铁心和第二组定子铁心沿固定轴轴向开口且第一组定子铁心和第二组定子 铁心开口方向相反,第三组定子铁心沿发电机径向开口,任一组定子铁心都按周向以相邻 定子铁心之间间隔两倍极距的方式均匀排列;第一组定子铁心的半闭口槽内安放第一电枢 绕组、第二组定子铁心的半闭口槽内安放第二电枢绕组、第三组定子铁心的半闭口槽内安放第三电枢绕组;[0010] 转子包括永磁体对、桥嵌在转子壳内的磁桥;其中,[0011 ] 永磁体对包括第一永磁体对、第二永磁体对和第三永磁体对;磁桥包括第一磁桥、 第二磁桥和第三磁桥;[0012] 第一永磁体对粘接在第一磁桥上,第二永磁体对粘接在第二磁桥上,第三永磁体 对粘接在第二磁桥上;[0013] 第一永磁体对连同第一磁桥与第一组定子铁心相对设置,第二永磁体对连同第二 磁桥与第二组定子铁心相对设置,第三永磁体对连同第三磁桥与第三组定子铁心相对设置。[0014] 优选的,三组定子铁心按照“品”字形结构安放,第一组定子铁心、第二组定子铁心 和第三组定子铁心均由硅钢片叠制而成。[0015] 优选的,第一永磁体对中永磁体的对数是第一组定子铁心个数的两倍,第二永磁 体对中永磁体的对数是第二组定子铁心个数的两倍,第三永磁体对中永磁体的对数是第三 组定子铁心个数的两倍;永磁体采用钕铁硼材料。[0016] 优选的,所有磁桥的总个数与永磁体的总对数相同;第一磁桥的个数是第一组定 子铁心个数的两倍,第二磁桥的个数是第二组定子铁心个数的两倍,第三磁桥的个数是第 三组定子铁心个数的两倍;磁桥由硅钢片叠制而成。[0017] 优选的,每对永磁体对中两个永磁体的磁极方向相反;任意相邻永磁体对之间相 邻的任意两个永磁体的磁极方向亦相反。[0018] 优选的,第一组定子铁心、第二组定子铁心和第三组定子铁心中,任意两组定子铁 心之间相差120度电角度;[0019] 或者第一组永磁体、第二组永磁体和第三组永磁体中任意两组永磁体之间相差 120度电角度。[0020] 有益效果:该电机转子内侧周面和两个盘面正对定子铁心和与相邻铁心对称面相 交的位置分别嵌有一对永磁体,在转子壳内侧永磁体外侧留有磁桥,从而可以有效地减小 磁回路的磁阻,从而提高电机磁通的利用率。此外,由于采用环形绕组,与定子极在空间上 独立,此结构显著提高横向磁通的空间利用率,大大提高了电机的转矩密度。[0021] 该电机的各定子铁心尺寸相同,各转子永磁体和磁桥尺寸也相同,且都可用硅钢 片叠制而成,加工制造简单。各定子铁心固定于非导磁材料圆筒上,形成定子整体;各转子 永磁体安置在非导磁材料转子壳上,形成转子整体,并且用轴承与电机固定轴相连。由于磁 桥采用硅钢片叠制,可以有效地降低电机的涡流损耗,减少电机的漏磁通,从而提高电机的 功率因数。附图说明[0022] 图1是大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机结构示意图(一个构成单 元,τ是极距);[0023] 图2是大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机的剖面图;[0024] 图3是大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机的转子周面永磁体布置[0025] 图4是大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机的转子内盘面永磁体布置图;[0026] 图5是大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机的主磁通回路;[0027] 图6是大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机的主磁通回路;[0028] 以上图中有发电机部件:定子D、转子Z ;固定轴D1、非导磁材料圆筒D2 ;[0029] 第一组定子铁心D31、第二组定子铁心D32、第三组定子铁心D33 ;第一电枢绕组 D41、第二电枢绕组D42、第三电枢绕组D43 ;第一永磁体对Z51与Z51'、第二永磁体对Z52与 Z52'、第三永磁体对Z53与Z53' ;第一磁桥Z61、第二磁桥Z62、第三磁桥Z63 ;转子壳Z7 ;轴承8。[0030] 图7是大容量内转子三面定子横向磁通永磁风力发电机结构不意图(一个构成单元,τ是极距);[0031] 图8是大容量内转子三面定子横向磁通永磁风力发电机的剖面图;[0032] 以上图中有发电机部件:内转子ζ、外定子d ;转动轴zl、非导磁支撑材料ζ2 ;内转子第一磁桥ζ31、内转子第二磁桥ζ32、内转子第三磁桥ζ33 ;内转子第一永磁体对z41与 ζ4Γ、内转子 第二永磁体对ζ42与ζ42'、内转子第三永磁体对ζ43与ζ43' ;外定子第一组定子铁心d51、外定子第二组定子铁心d52、外定子第三组定子铁心d53 ;外定子第一电枢绕组 d61、外定子第二电枢绕组d62、外定子第三电枢绕组d63 ;定子壳(机壳)d7 ;轴承8。具体实施方式[0033] 下面将参照附图对本发明进行说明。[0034] 本发明的一种大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,该发电机包括定子D和转子Z,转子Z通过轴承8与定子D相连。[0035] 定子D包括固定轴D1、非导磁材料圆筒D2、U型定子铁心及电枢绕组。[0036] 定子铁心包括第一组定子铁心D31、第二组定子铁心D32、第三组定子铁心D33 ;电枢绕组包括第一电枢绕组D41、第二电枢绕组D42、第三电枢绕组D43 ;[0037] 固定轴Dl上固定非导磁材料圆筒D2,非导磁材料圆筒D2内部安放三组U型定子铁心;其中第一组定子铁心D31和第二组定子铁心D32沿固定轴Dl轴向开口且第一组定子铁心D31和第二组定子铁心D32开口方向相反,第三组定子铁心D33沿发电机径向开口,任一组定子铁心都按周向以相邻定子铁心之间间隔两倍极距的方式均匀排列;第一组定子铁心D31的半闭口槽内安放第一电枢绕组D41、第二组定子铁心D32的半闭口槽内安放第二电枢绕组D42、第三组定子铁心D33的半闭口槽内安放第三电枢绕组D43。[0038] 转子Z包括永磁体对、桥嵌在转子壳Z7内的磁桥;其中,[0039] 永磁体对包括第一永磁体对Z51与Z51'、第二永磁体对Z52与Z52'和第三永磁体对Z53与Z53 ;磁桥包括第一磁桥Z61、第二磁桥Z62和第三磁桥Z63 ;[0040] 第一永磁体对Z51与Z51'粘接在第一磁桥Z61上,第二永磁体对Z52与Z52'粘接在第二磁桥Z62上,第三永磁体对Z53与Z53'粘接在第三磁桥Z63上;[0041] 第一永磁体对Z51与Z51'连同第一磁桥Z61与第一组定子铁心D31相对设置,第二永磁体对Z52与Z52'连同第二磁桥Z62与第二组定子铁心D32相对设置,第三永磁体对 Z53与Z53'连同第三磁桥Z63与第三组定子铁心D33相对设置。[0042] 三组定子铁心按照“品”字形结构安放,第一组定子铁心D31、第二组定子铁心D32 和第三组定子铁心D33均由硅钢片叠制而成。[0043] 第一永磁体对Z51与Z51'中永磁体的对数是第一组定子铁心D31个数的两倍,第 二永磁体对Z52与Z52'中永磁体的对数是第二组定子铁心D32个数的两倍,第三永磁体对 Z53与Z53'中永磁体的对数是第三组定子铁心D33个数的两倍;永磁体采用钕铁硼材料。[0044] 所有磁桥的总个数与永磁体的总对数相同;第一磁桥Z61的个数是第一组定子铁 心D31个数的两倍,第二磁桥Z62的个数是第二组定子铁心D32个数的两倍,第三磁桥Z63 的个数是第三组定子铁心D33个数的两倍;磁桥Z6由硅钢片叠制而成。[0045] 每对永磁体对中两个永磁体的磁极方向相反:第一永磁体对Z51与Z51'的两个永 磁体Z51与Z51的磁极方向相反;第二永磁体对Z52与Z52中两个永磁体Z52与Z52磁 极方向相反;第三永磁体对Z53与Z53'中两个永磁体Z53与Z53'的磁极方向相反;[0046] 任意相邻永磁体对之间相邻的任意两个永磁体的磁极方向亦相反:第一永磁体对 的前一个对Z51与Z51'中的永磁体Z51与下一个对Z51'与Z51中的永磁体Z51'磁极方 向相反;第二永磁体对的前一个对Z52与Z52'中的永磁体Z52与下一个对Z52'与Z52中 的永磁体Z52'磁极方向相反;第三永磁体对的前一个对Z53与Z53'中的永磁体Z53与下 一个对Z53'与Z53中的永磁体Z53'的磁极方向相反。[0047] 第一组定子铁心D31、第二组定子铁心D32和第三组定子铁心D33中,任意两组定 子铁心之间相差120度电角度;[0048] 或者第一组永磁体Z51、第二组永磁体Z52和第三组永磁体Z53中任意两组永磁体 之间相差120度电角度。[0049] 本发明的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机由内定子、外转子构 成。三组定子铁心尺寸相同,采用半闭口槽结构,由硅钢片叠制,第一组定子铁心和第二组 定子铁心沿固定轴轴向开口且方向相反,第三组定子铁心沿发电机径向开口,每组内相邻 铁心间隔两倍极距,铁心固定在非导磁材料圆筒上并与发电机固定轴相连形成定子整体。 转子内侧周面和两个盘面正对定子铁心和与相邻铁心对称面相交的位置分别嵌有一对永 磁体,每对永磁体磁化方向相反,永磁体米用钕铁硼材料;磁桥由娃钢片叠制并嵌在永磁体 外侧转子壳内形成转子整体,转子壳采用钢材制造,结构简单。[0050] 本发明的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机由定子、转子所组成。 定子铁心采用半闭口槽结构,以提高横向磁通的空间利用率,有效利用磁通,避免定子铁心 的磁通饱和。各定子铁心尺寸相同,结构简单,用硅钢片叠制,并安放在非导磁材料圆筒内。 电枢绕组安放在定子铁心内,与定子铁心、非导磁材料圆筒构成定子整体。[0051 ] 永磁体采用钕铁硼材料,三组永磁体每组内的永磁体单元都成对安放,且每对永 磁体单元的两个永磁体和每组内的永磁体对之间相邻的任意两个永磁体磁极方向均相反, 每组永磁体对数都是对应定子铁心数的两倍。永磁体外侧嵌有磁桥并与之相连接,磁桥尺 寸相同,由娃钢片叠制,降低电机的润流损耗。磁桥嵌入外转子壳内,夕卜转子壳由非导磁材 料制作,构成转子整体。[0052] 转子通过轴承与定子的固定轴相连接。[0053] 电机横向磁通原理如下:[0054] 横向磁通电机(Transverse Flux Motor-TFM)与传统径向和轴向电机的铁心和电枢截面相互制约不同,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 整线圈截面积和磁路尺寸。横向磁通结构允许采用较多的磁极,可获得更高的功率和转矩山/又ο[0055] 三相发电机运行原理如下:[0056] 迄今为止公开的多相横向磁通电机方案通常包括复杂的重复结构,这带来了加工 和安装困难。[0057] 本发明发电机作三相发电运行时只需安排发电机的第一组定子铁心、第二组定子 铁心和第三组定子铁心中任意两组之间相差120度电角度;或者发电机的第一组永磁体、 第二组永磁体和第三组永磁体中任意两组之间的永磁体相差120度电角度即可。[0058] 如图1、2所不,对于三相发电机,该大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发 电机的实体模型主要由以下部件构成:定子铁心、电枢绕组、永磁体、磁桥。各定子由硅钢片 叠制的半闭口槽结构的定子铁心和电枢绕组构成,定子铁心尺寸一致,间隔两倍极距均匀 安装在非导磁材料圆筒上构成定子整体。转子由采用钕铁硼材料的永磁体、硅钢片叠制的 磁桥和非导磁材料制造的转子壳构成。转子内侧周面和两个盘面正对定子铁心和与相邻铁 心对称面相交的位置分别嵌有一对永磁体,相邻永磁体磁极方向相反,永磁体外侧转子壳 内嵌有磁桥并形成转子整体。转子通过轴承与发电机固定轴相连。[0059] 对于三相发电机,每组定子铁心电角度相差120度,或者每组转子永磁体之间相 差120度电角度即可。由于该电机的极对数可以任意调整,各相运行相互独立,因此可以缺 相运行。[0060] 如图7、8所示的内转子外定子结构的电机也适用于此。[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:该发电机包括定子⑶和转子(Z),转子(Z)通过轴承(8)与定子⑶相连; 定子(D)包括固定轴(D1)、非导磁材料圆筒(D2)、U型定子铁心及电枢绕组; U型定子铁心包括第一组定子铁心(D31)、第二组定子铁心(D32)、第三组定子铁心(D33);电枢绕组包括第一电枢绕组(D41)、第二电枢绕组(D42)、第三电枢绕组(D43); 固定轴(Dl)上固定非导磁材料圆筒(D2),非导磁材料圆筒(D2)内部安放三组U型定子铁心;其中第一组定子铁心(D31)和第二组定子铁心(D32)沿固定轴(Dl)轴向开口且第一组定子铁心(D31)和第二组定子铁心(D32)开口方向相反,第三组定子铁心(D33)沿发电机径向开口,任一组定子铁心都按周向以相邻定子铁心之间间隔两倍极距的方式均匀排列;第一组定子铁心(D31)的半闭口槽内安放第一电枢绕组(D41)、第二组定子铁心(D32)的半闭口槽内安放第二电枢绕组(D42)、第三组定子铁心(D33)的半闭口槽内安放第三电枢绕组(D43); 转子(Z)包括永磁体对、桥嵌在转子壳(Z7)内的磁桥;其中, 永磁体对包括第一永磁体对(Z51、Z51' )、第二永磁体对(Z52、Z52' )和第三永磁体对(Z53、Z53 );磁桥包括第一磁桥(Z61)、第二磁桥(Z62)和第三磁桥(Z63); 第一永磁体对(Z51、Z51' )粘接在第一磁桥(Z61)上,第二永磁体对(Z52、Z52' )粘接在第二磁桥(Z62)上,第三永磁体对(Z53、Z53' )粘接在第三磁桥(Z63)上; 第一永磁体对(Z51、Z51' )连同第一磁桥(Z61)与第一组定子铁心(D31)相对设置,第二永磁体对(Z52、Z52' )连同第二磁桥(Z62)与第二组定子铁心(D32)相对设置,第三永磁体对(Z53、Z53' )连同第三磁桥(Z63)与第三组定子铁心(D33)相对设置。
2.根据权利要求I所述的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:三组定子铁心按照“品”字形结构安放,第一组定子铁心(D31)、第二组定子铁心(D32)和第三组定子铁心(D33)均由硅钢片叠制而成。
3.根据权利要求I所述的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:第一永磁体对(Z51、Ζ5Γ)中永磁体的对数是第一组定子铁心(D31)个数的两倍,第二永磁体对(Z52、Z52' )中永磁体的对数是第二组定子铁心(D32)个数的两倍,第三永磁体对(Z53、Z53' )中永磁体的对数是第三组定子铁心(D33)个数的两倍;永磁体采用钕铁硼材料。
4.根据权利要求I所述的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:所有磁桥的总个数与永磁体的总对数相同;第一磁桥(Z61)的个数是第一组定子铁心(D31)个数的两倍,第二磁桥(Z62)的个数是第二组定子铁心(D32)个数的两倍,第三磁桥(Z63)的个数是第三组定子铁心(D33)个数的两倍;第一磁桥、第二磁桥、第三磁桥均由硅钢片叠制而成。
5.根据权利要求I所述的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:每对永磁体对中两个永磁体的磁极方向相反;任意相邻永磁体对之间相邻的任意两个永磁体的磁极方向亦相反。
6.根据权利要求I所述的大容量外转子三面定子横向磁通永磁风力发电机,其特征在于:第一组定子铁心(D31)、第二组定子铁心(D32)和第三组定子铁心(D33)中,任意两组定子铁心之间相差120度电角度;或者第一组永磁体(Z51 )、第二组永磁体(Z52)和第三组永磁体(Z53)中任意两组永磁体之间相差120度电角度。
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