CN102386733A - 一种混合型中速永磁风力发电机及其机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型中速永磁风力发电机，由外至内依次包括定子、外转子、内转子；定子包括定子铁芯、定子绕组、粘贴于定子铁芯内表面的永磁体；外转子包括导磁铁轭及填充于导磁铁轭之间的非导磁块；内转子包括内转子永磁体及设置在其内的内转子转轴；上述结构构成了一台中速永磁发电机及一台电磁变速器。本发明还公开了一种由上述风力发电机组成的准直驱永磁风力发电机组。本发明的混合型中速永磁风力发电机尺寸重量与常规中速永磁发电机相当，组成的准直驱风力发电机组又无需大功率变速齿箱，具有与直驱永磁风力发电机组一样的高可靠性，既降低了永磁发电机的尺寸、重量与成本，又解决了大型直驱永磁风力发电机组的运输问题。

Description

一种混合型中速永磁风力发电机及其机组

技术领域

本发明涉及一种永磁风力发电机及其组成的风力发电机组，具体地，涉及一种混合型中速永磁同步风力发电机及其组成的准直驱大型永磁同步风力发电机组。

背景技术

随着全球对风电能源日益增长的需求，对风力发电机组的技术先进性和生产成本提出了越来越大的挑战。目前功率在兆瓦级及以上的大型风电机组中，采用永磁发电机的风电机组有高速永磁风力发电机组、中速永磁半直驱风力发电机组和直驱永磁风力发电机组。高速永磁风力发电机速度高、尺寸小，重量轻，效率高，但其组成的高速永磁风力发电机组的传动链中必须要有大功率变速箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了苛刻的要求。中速永磁风力发电机重量与尺寸中等，但其组成的半直驱风力发电机组仍需要大功率变速箱；直驱永磁型风力发电机组避免了大功率齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高。但由于直驱永磁发电机转速很低，随着功率的增大，其尺寸和重量将越来越大，成本也会越来越高，给机组的运输也带来极大困难。针对上述问题，如何使电机单位体积的输出功率增大，减小电机体积和重量，既降低成本，又能方便运输等问题亟待解决。

发明内容

为了克服现有的大型高速永磁风力发电机组、中速永磁半直驱风力发电机组、直驱永磁风力发电机机组或需要大功率变速箱或尺寸重量大、成本高、运输困难等存在的不足，本发明的目的在于：提供一种混合型中速永磁风力发电机及其机组；该混合型中速永磁风力发电机尺寸重量与常规中速永磁发电机相当，组成的准直驱风力发电机组又无需大功率变速齿箱，具有与直驱永磁风力发电机组一样的高可靠性，既降低了永磁发电机的尺寸、重量与成本，又解决了大型直驱永磁风力发电机组的运输问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合型中速永磁风力发电机，由外至内依次包括定子、外转子、内转子；定子包括定子铁芯、设置在定子铁芯上的定子绕组、粘贴于定子铁芯内表面的永磁体；外转子包括导磁铁轭及填充于导磁铁轭之间的非导磁块；内转子包括内转子永磁体及设置在其内的内转子转轴；所述定子铁芯、定子绕组、内转子永磁体、内转子转轴组成一台中速永磁发电机；所述定子铁芯内表面的永磁体、外转子、内转子永磁体、内转子转轴组成一台电磁变速器。

进一步地，所述定子绕组与内转子永磁体具有完全一样的极对数。

进一步地，所述定子绕组可采用分布式绕组形式、分数槽绕组形式或分数槽单节距绕组形式。

进一步地，所述外转子上导磁铁轭的极数等于定子铁芯内表面上的永磁体极对数与内转子永磁体极对数之和。

进一步地，所述定子铁芯内表面上的永磁体的极对数与内转子永磁体的极对数之比为混合型中速永磁发电机的内转子与外转子的转速之比。

进一步地，所述外转子中的导磁铁轭及非导磁块依次相间排列。

一种混合型中速永磁风力发电机组，包括上述的混合型中速永磁风力发电机。

进一步地，混合型中速永磁风力发电机组包括风机轮毂、轮毂轴、主轴承、外转子低速轴、外转子前转盘、发电机前轴承、发电机外壳、定子、外转子、内转子永磁体、内转子转轴、发电机后轴承、外转子后转盘、机架；所述轮毂轴安装在主轴承的内环中，轮毂轴的前端与风机轮毂紧固，后端与外转子低速轴紧固；所述外转子通过外转子前转盘、外转子后转盘固定于外转子低速轴上；所述内转子永磁体、内转子转轴组成内转子，内转子两端分别装有发电机前轴承、发电机后轴承，外转子低速轴安装在发电机前轴承与发电机后轴承的内环中；所述定子安装在发电机外壳内，主轴承的外环安装发电机外壳内；所述发电机外壳与机架紧固在一起。

进一步地，所述主轴承采用双列圆锥滚子轴承。

进一步地，所述发电机前轴承和发电机后轴承均为深沟球轴承。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、简化了风力发电机组的传动系统，省去了大功率机械变速齿箱。

2、由于其组成的风力发电机组省去了大功率机械变速齿箱，就同时省去了复杂的油处理系统。

3、本发明的发电机采用混合型中速永磁发电机，使电机单位体积的输出功率增大，从而减小电机体积和重量，既降低了成本，又方便了运输。

4、本发明的混合型中速永磁发电机，相对于同容量的直驱低速永磁发电机，体积重量小，效率高，降低了对冷却系统的要求。

5、采用混合型中速永磁发电机组成的准直驱永磁风力发电机组，由于电机的尺寸大大减小，由此带来机组的机舱尺寸也大大减小，重量减轻，大大降低了机舱的成本。本发明可以广泛代替直驱型永磁风力发电系统。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的混合型中速永磁发电机的定转子截面图；

图2是由混合型中速永磁风力发电机组成的准直驱永磁风力发电机组的系统结构图；

图3是结合具体实施例的混合型中速永磁发电机在没有安装定子铁芯内表面的永磁体时的磁场分布云图；

图4是结合具体实施例的混合型中速永磁发电机在没有安装定子铁芯内表面的永磁体时外转子所处位置磁场的谐波阶数分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的混合型中速永磁风力发电机，由外至内依次包括定子、外转子、内转子；定子包括定子铁芯8(a)、设置在定子铁芯8(a)上的定子绕组8(b)、粘贴于定子铁芯8(a)内表面的永磁体8(c)；外转子包括导磁铁轭9(a)、填充于导磁铁轭9(a)之间的非导磁块9(b)；内转子永磁体10与设置在其内的内转子转轴11组成发电机的内转子。

定子铁芯8(a)、定子绕组8(b)、内转子永磁体10、内转子转轴11组成一台中速永磁发电机；定子绕组8(b)与内转子永磁体10具有完全一样的极对数。定子绕组8(b)可采用分布式绕组形式、分数槽绕组形式或分数槽单节距绕组形式等。

粘贴于定子铁芯8(a)内表面的永磁体8(c)、外转子、内转子永磁体10、内转子转轴11组成一台电磁变速器。永磁体8(c)的极对数与内转子永磁体10的极对数之比为混合型永磁发电机内转子与外转子的转速之比。

导磁铁轭9(a)的极数为永磁体8(c)的极对数与内转子永磁体10的极对数之和。

外转子中的导磁铁轭9(a)及非导磁块9(b)依次相间排列。

本发明的混合型中速永磁风力发电机即由一台中速永磁发电机和一台电磁变速器组成，电磁变速器取代了常规的机械变速器。其工作原理是：

以图1为例：定子铁芯8(a)、定子绕组8(b)、内转子永磁体10、内转子转轴11组成一台中速永磁发电机；粘贴于定子铁芯8(a)内表面的永磁体8(c)、外转子、内转子永磁体10、内转子转轴11组成一台电磁变速器。中速永磁发电机的极对数P1＝2，定子绕组8(b)与内转子永磁体10具有完全一样的极对数，即为2对极。粘贴于定子铁芯8(a)内表面的永磁体8(c)的极对数P2＝21，外转子的导磁铁轭的极数P3＝23。

如图3所示，为结合具体实施例的混合型中速永磁发电机在没有安装定子铁芯8(a)内表面的永磁体8(c)时的磁场分布云图，指引项15为外转子所处位置的磁场分布云图。

如4所示，为结合具体实施例的混合型中速永磁发电机在没有安装定子铁芯8(a)内表面的永磁体8(c)时外转子所处位置磁场的谐波阶数分布图，其中，a为外转子所处位置包含的基波磁场，b为外转子所处位置包含的高阶谐波磁场。

由图3、图4可知，由定子铁芯8(a)、定子绕组8(b)、内转子永磁体10、内转子转轴11组成的中速永磁发电机的磁场极对数为P1＝2，与内转子永磁体10的极对数一样，外转子所处位置除了有2阶基波磁场外，还有很多高阶谐波磁场，其中就有21阶高次谐波磁场。当定子铁芯8(a)内表面粘贴具有极对数P2＝21的永磁体8(c)后，21对极的永磁体8(c)也在外转子所处位置产生与其极对数一样的21阶磁场分布。内转子永磁体10在外转子所处位置产生的21阶高次谐波磁场与永磁体8(c)在外转子所处位置产生的21阶磁场相互耦合同步，根据电机学同步发电机基本原理：nN＝60*f/P，其中，nN为电机转速，f为电源频率，P为电机的极对数，可见，外转子的转速为nN2＝60*f/P2；而内转子的转速nN1＝60*f/P1，nN1/nN2＝P2/P1＝21/2＝10.5，实现了内、外转子的电磁变速。

图2所示为由上述混合型中速永磁风力发电机组成的准直驱永磁风力发电机的系统结构图。图中短小的中心线表示不同规格的螺栓。该准直驱风力发电机组包括风机轮毂1、轮毂轴2、主轴承3、外转子低速轴4、外转子前转盘5、发电机前轴承6、发电机外壳7、定子8、外转子9、内转子永磁体10、内转子转轴11(高速轴)、发电机后轴承12、外转子后转盘13和机架14。

轮毂轴2安装在主轴承3的内环中，主轴承3采用双列圆锥滚子轴承。轮毂轴2的前端与风机轮毂1紧固，后端与外转子低速轴4紧固。

外转子9通过外转子前转盘5、外转子后转盘13固定在外转子低速轴4上。

内转子永磁体10、内转子转轴11组成发电机内转子，内转子两端分别装有发电机前轴承6、发电机后轴承12，该发电机前轴承6和发电机后轴承12均为深沟球轴承，或具有等同功能的其它形式轴承，外转子低速轴4安装在发电机前轴承6与发电机后轴承12的内环中。

定子8安装在发电机外壳7内。

主轴承3的外环安装在发电机外壳7内。

发电机外壳7与机架14通过螺栓紧固在一起。

本发明依靠混合型永磁发电机技术，既提高了永磁发电机的转速，降低了永磁发电机的体积和重量及其生产成本，应用于风力机组，又省去了大功率变速箱及其复杂的油处理系统，简化了风力机组的传动链结构，降低了电机对冷却系统的要求，减低了机舱重量及成本，提高了风电机组的可高性，降低了大型直驱永磁发电机组的运输困难。适用于兆瓦级及以上的大型永磁风力发电机组。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合型中速永磁风力发电机，其特征在于：

由外至内依次包括定子、外转子、内转子；定子包括定子铁芯、设置在定子铁芯上的定子绕组、粘贴于定子铁芯内表面的永磁体；外转子包括导磁铁轭及填充于导磁铁轭之间的非导磁块；内转子包括内转子永磁体及设置在内转子永磁体内的内转子转轴；

所述定子铁芯、定子绕组、内转子永磁体、内转子转轴组成一台中速永磁发电机；

所述定子铁芯内表面的永磁体、外转子、内转子永磁体、内转子转轴组成一台电磁变速器。

2.根据权利要求1所述的混合型中速永磁风力发电机，其特征在于：所述定子绕组与内转子永磁体具有完全一样的极对数。

3.根据权利要求2所述的混合型中速永磁风力发电机，其特征在于：所述定子绕组可采用分布式绕组形式、分数槽绕组形式或分数槽单节距绕组形式。

4.根据权利要求1、2或3所述的混合型中速永磁风力发电机，其特征在于：所述外转子上导磁铁轭的极数等于定子铁芯内表面上的永磁体极对数与内转子永磁体极对数之和。

5.根据权利要求4所述的混合型中速永磁风力发电机，其特征在于：所述定子铁芯内表面上的永磁体的极对数与内转子永磁体的极对数之比为混合型中速永磁发电机的内转子与外转子的转速之比。

6.根据权利要去4所述的混合型中速永磁风力发电机，其特征在于：所述外转子中的导磁铁轭及非导磁块依次相间排列。

7.一种混合型中速永磁风力发电机组，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的混合型中速永磁风力发电机。

8.根据权利要求7所述的混合型中速永磁风力发电机组，其特征在于：

包括风机轮毂、轮毂轴、主轴承、外转子低速轴、外转子前转盘、发电机前轴承、发电机外壳、定子、外转子、内转子永磁体、内转子转轴、发电机后轴承、外转子后转盘、机架；

所述轮毂轴安装在主轴承的内环中，轮毂轴的前端与风机轮毂紧固，后端与外转子低速轴紧固；

所述外转子通过外转子前转盘、外转子后转盘固定于外转子低速轴上；

所述内转子永磁体、内转子转轴组成内转子，内转子两端分别装有发电机前轴承、发电机后轴承，外转子低速轴安装在发电机前轴承与发电机后轴承的内环中；

所述定子安装在发电机外壳内，主轴承的外环安装发电机外壳内；

所述发电机外壳与机架紧固在一起。

9.根据权利要求8所述的混合型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述主轴承采用双列圆锥滚子轴承。

10.根据权利要求8或9所述的混合型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述发电机前轴承和发电机后轴承均为深沟球轴承。

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