CN102684341B - 磁场自增速永磁风力发电机 - Google Patents

磁场自增速永磁风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁场自增速永磁风力发电机,该发电机由外至内包括同轴心排列的转子(1)、气隙(2)和定子(3),转子(1)与定子(3)之间设置气隙(2);所述转子(1)包括若干等距间隔排列的转子铁心(11)和嵌入相邻转子铁心(11)之间的转子永磁体(12);所述定子(3)包括与转子(1)同轴心的定子轭(31)、若干凸出于定子轭(31)外周的定子齿(32),相邻定子齿(32)之间设有定子齿间槽,定子(3)还包括嵌入定子齿间槽内的多相对称电枢绕组(33)。本发明利用定子齿的磁场调制作用实现磁场自增速,定子结构简单,电枢绕组绕制方便,且转子低速大转矩直驱能力强,适用于风力发电等低速大扭矩领域。

Description

磁场自增速永磁风力发电机
技术领域
[0001] 本发明属于新能源风力发电技术领域,涉及一种具有自增速功能、适用于直驱或半直驱场合的永磁风力发电机。
背景技术
[0002] 在风力发电系统中,由于风能是能量密度较低的一种能源,由风能驱动的风机一般工作在较低转速。为了有效利用风能,合理匹配风机转速和发电机转速是关键,目前主要采用两种措施:一是以机械式增速齿轮箱为中间环节进行增速,使发电机工作在较高转速;二是采用直驱风力发电系统,取消增速齿轮。上述两种方式均存在一些问题:方式一中的增速齿轮不仅体积大而笨重,而且故障率高,需要经常维护,是风力发电系统中的薄弱环节;方式二中为保证输出电压和频率在正常范围内,满足要求的发电机通常需要采用较大的定转子直径和较多的极对数,体积大,质量重,给发电机的设计、制造、运输和安装增加了难度。因此,研制适合于风能高效转换利用、运行可靠的新型风力发电机具有重要的理论意义与深远的应用价值。
[0003] 本发明提出一种磁场自增速永磁风力发电机,在不使用或减少一级机械增速齿轮箱的情况下,利用磁场调制原理,可实现电机本身的磁场自增速,结构简单,工作可靠,而且低速大转矩输出能力强。其工作原理为:当转子随风机以较低转速旋转时,转子永磁磁场经定子齿的调制作用后(定子齿兼做调磁齿),在定子中将产生一个转速为转子磁场转速I倍的高速谐波旋转磁场(该磁场在本发明中称为有效谐波磁场),该谐波磁场将用于转矩的传递,即电机的定子电枢绕组按此高速谐波旋转磁场极对数进行设计。与永磁直驱电机相t匕,在实现低速直驱风力发电的情况下,本发明中电机定子齿数较少,结构简单,绕组绕制方便,体积和重量可显著减小,转矩密度得到进一步提高。同时,转子采用聚磁式结构,可以大大提高气隙中有效谐波磁场的磁密幅值,不但可以改善电机转矩密度,而且有效减小绕组电感,提高功率因数。因此,该结构电机具有很高的工程实用价值。
发明内容
[0004] 技术问题:本发明针对现存风力发电机的不足,提供了一种具有磁场自增速功能、转矩密度和功率因数较高,适用于直驱或半直驱场合的磁场自增速永磁风力发电。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供了一种磁场自增速永磁风力发电机,该发电机由外至内包括同轴心排列的转子、气隙和定子,转子与定子之间设置气隙;
[0006] 所述转子包括若干等距间隔排列的转子铁心和嵌入相邻转子铁心之间的转子永磁体;
[0007] 所述定子包括与转子同轴心的定子轭、若干凸出于定子轭外周的定子齿,相邻定子齿之间设有定子齿间槽,定子还包括嵌入定子齿间槽内的电枢绕组。
[0008] 所述转子永磁体的极对数/7胃、定子齿的个数&、电枢绕组绕制的极对数&满足以下关系-.PpmrU。[0009] 优选的,所述转子永磁体沿圆周切向充磁,且相邻永磁体充磁方向相反,形成聚磁式磁极结构。
[0010] 优选的,所述定子齿采用直齿结构,定子齿包括靠近定子轭的齿根和与齿根相连远离齿根的齿顶;齿顶宽度等于转子极宽;齿根的宽度窄于齿顶的宽度。
[0011] 优选的,定子齿间槽上部和下部分别设有绝缘槽楔;槽底设置通风孔。
[0012] 有益效果:本发明提供了一种具有磁场自增速功能的永磁风力发电机,能够实现低速大转矩直驱发电,与现有风力发电机相比,具有以下优点:
[0013] 1.本发明利用磁场调制原理,可实现电机的磁场自增速,即定子齿能够将转子永磁磁场在定子内调制出极对数相对较少的谐波磁场,该有效谐波磁场的旋转速度成倍于转子永磁磁场,从而定子电枢绕组可按高速设计,既满足了高速电机设计的需求,又满足了低速大转矩直驱系统的需求。
[0014] 与传统的采用机械增速齿轮箱增速或采用多极直驱结构电机的发电系统相比,本发明提供的具有自增速功能的风力发电机,不但能够满足风能高效转换利用的需要,而且转矩密度高,结构简单,有利于提高系统可靠性、降低维护成本;
[0015] 2.与多极直驱电机结构相比,虽然转子永磁体极对数仍较大,但是定子电枢绕组按高速谐波磁场极对数设计,使得定子齿数大为减少,方便加工制造和电枢绕线,有利于提高空间利用率;
[0016] 3.本发明的转子永磁体采用聚磁式结构,与常见的表贴永磁体结构相比,能够大大提高气隙中有效谐波磁场磁密,该措施不但可以提高电机功率密度,而且利于减小绕组电感;
[0017] 4.本发明中的定子齿兼做调磁齿,省去了专用于调磁的调磁环,结构更加简单。采用直齿结构,相比带极靴齿结构,结构简单,当齿顶宽与转子极宽相等时,能够最大限度地提高单匝绕组线圈磁通,从而可以有效降低绕组匝数,减小绕组电感,提高电机功率因数。
附图说明
[0018] 图1为磁场自增速永磁风力发电机截面结构。
[0019] 图中有:转子1,转子铁心11,转子永磁体12,气隙2,定子3,定子轭31,定子齿32,电枢绕组33,绝缘槽楔34,通风孔35。图中箭头代表永磁体充磁方向。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明提供了一种具有磁场自增速功能的永磁风力发电机,该发电机由外至内包括同轴心排列的转子、气隙和定子,气隙处于转子与定子之间,以保证转子旋转;所述转子包括若干等距间隔排列的转子铁心和嵌入相邻转子铁心之间的转子永磁体;所述定子包括与转子同轴心的定子轭、若干凸出于定子轭外周的定子齿,相邻定子齿之间设有定子齿间槽,定子还包括嵌入定子齿间槽内的电枢绕组;所述定子齿采用直齿结构,定子齿包括靠近定子轭的齿根和与齿根相连远离齿根的齿顶,齿顶宽度等于转子极宽,齿根宽度窄于齿顶宽度;定子齿间槽上部和下部分别设有绝缘槽楔固定电枢绕组,槽底设置通风孔散热。[0022] 本发明中,所述转子永磁体极对数/V,、定子齿个数&、电枢绕组绕制极对数^之间满足以下关系-.ppm=ns-ps。
[0023] 本发明中,所述转子永磁体沿圆周方向切向充磁,且相邻永磁体充磁方向相反,形成聚磁式磁极结构,以提高气隙磁密。
[0024] 本发明所提供电机可以用作自增速发电机,也可以反过来用作自减速电动机。
[0025] 参见图1,本发明提供的磁场自增速永磁风力发电机由外至内包括同轴心排列的转子1、气隙2和定子3,转子I与定子3之间设置气隙2,以保证转子正常旋转;
[0026] 所述转子I包括若干等距间隔排列的转子铁心11和嵌入相邻转子铁心11之间的转子永磁体12 ;
[0027] 所述定子3包括与转子I同轴心的定子轭31、若干凸出于定子轭31外周的定子齿32,相邻定子齿32之间设有定子齿间槽,定子3还包括嵌入定子齿间槽内的电枢绕组33。
[0028] 所述的转子永磁体12由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成,永磁体沿圆周方向切向充磁,且相邻永磁体充磁方向相反,构成聚磁式N-S结构,以提高气隙磁密。实际应用中,永磁体磁化方向厚度应根据电机设计参数合理选择,综合考虑对永磁体利用率和磁路磁阻的影响。本发明不排除采用包括内嵌式在内的其它能够构成有效磁极的转子永磁体安排方式。
[0029] 所述转子永磁体12的极对数/7胃、定子齿32的个数电枢绕组33绕制的极对数&应满足以下关系-m只有满 足此关系,方可实现本发明所述的磁场自增速功能,即转子随风机低速旋转时,定子电枢绕组可按高速旋转谐波磁场极对数进行设计。
[0030] 所述定子电枢绕组33按调制出的有效谐波磁场极对数进行绕制,可采用集中绕组或分布绕组,其设计原则和方法与普通高速永磁同步电机一致,图1所示为,转子永磁体极对数为14,定子齿数为18,采用分布绕组按照调制出的4对极有效谐波磁场进行设计的三相电枢绕组排列。
[0031] 所述定子齿32采用直齿结构,定子齿32包括靠近定子轭31的齿根和与齿根相连远离齿根的齿顶;齿顶宽度等于转子极宽,以便最大限度地提高单匝绕组线圈磁通,从而有效减少绕组匝数,很大程度上降低绕组电感,提高电机功率因数;齿根宽度窄于齿顶宽度,以便增大槽底面积,利于嵌线;定子齿间槽上部和下部分别设有绝缘槽楔34,以便固定电枢绕组,防止其脱落;槽底设置通风孔35,以便定子散热。
[0032] 所述的转子铁心11、定子轭31、定子齿32由硅钢叠片构成,与普通永磁同步电机的定、转子铁心制造工艺相同。
[0033] 本发明中,定子齿32兼做调磁齿进行磁场的调制,它能够将转子永磁磁场在定子铁心内调制出一系列谐波磁场,当转子旋转时,定子铁心内的谐波磁场也随之以不同的转速旋转。当定子电枢绕组绕制的极对数等于其中任意一个旋转谐波磁场的极对数时,定、转子之间可以实现稳定的转矩传递。为了实现磁场自增速的效果,一般选用谐波磁场极对数小于转子永磁体极对数、且幅值最大的低次谐波作为有效谐波磁场进行电机的设计。为达到此效果,转子永磁体极对数/7胃、定子齿数&、电枢绕组绕制极对数(有效谐波磁场极对数)&应满足以下关系:
[0034] Ppmr=ns-Ps (I)
[0035] 此时的磁场自增速比Gr满足:[0036] Gr= Ppm/Ps (2)
[0037] 本发明的磁场自增速永磁风力发电机,与常规的多极永磁同步直驱电机的本质不同在于:虽然转子均为多极结构,但是本发明中电机定子电枢绕组按高速谐波磁场极对数绕制,电枢绕组磁场与转子永磁磁场转速不同步,具有自增速的功能,既能满足转子低速直驱的要求,又能实现电机定子绕组高速设计的需求。此外,转子采用聚磁式结构,而非常见的表面贴装式结构,能够大大增加气隙磁密,从而进一步提高电机的功率密度。 [0038] 本发明中,定子齿数&不能任意选取,&应该能够被3整除,以便能够绕制出对称三相绕组。同时,为了保证电机的转矩密度,自增速比不宜选择太大,在自增速比选定的情况下,即满足(2)式的条件下,值不宜太大,并且凡值不宜太小,过大的/7胃值会给转子加工制造增加难度,过小的&值会使调制出的有效谐波磁场气隙磁密过低。此外,为了抑制绕组电感,降低绕组匝数,电机长径比不宜过大。
[0039] 本发明中的磁场自增速永磁风力发电机,转子I可以直接或通过转轴间接与低速风机连接,作自增速发电机使用;也可反过来作自减速电动机使用,与负载连接,实现低速大转矩直接驱动。
[0040] 本发明涉及的磁场自增速永磁风力发电机结构简单,具有转矩密度高、低速大转矩直驱能力强、输出转矩波动小、功率因数高的优点。
[0041] 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 (1)

1.一种磁场自增速永磁风力发电机,其特征在于,该发电机由外至内包括同轴心排列的转子(I)、气隙⑵和定子(3),转子⑴与定子(3)之间设置气隙(2); 所述转子(I)包括若干等距间隔排列的转子铁心(11)和嵌入相邻转子铁心(11)之间的转子永磁体(12); 所述定子(3)包括与转子(I)同轴心的定子轭(31)、若干凸出于定子轭(31)外周的定子齿(32),相邻定子齿(32)之间设有定子齿间槽,定子(3)还包括嵌入定子齿间槽内的电枢绕组(33); 所述转子永磁体(12)的极对数、定子齿(32)的个数、电枢绕组(33)绕制的极对数满足以下关系:ppm=ns-ps,pp„为转子永磁体极对数,ns为定子齿个数,ps为电枢绕组绕制极对数; 相邻永磁体(12)充磁方向相反,形成聚磁式磁极结构; 所述定子齿(32)采用直齿结构,定子齿(32)包括靠近定子轭(31)的齿根和与齿根相连远离齿根的齿顶;齿顶宽度等于转子极宽;齿根的宽度窄于齿顶的宽度; 定子齿间槽上部和下部分别 设有绝缘槽楔(34);槽底设置通风孔(35)。
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