CN102868246B - 大容量低速永磁风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大容量低速永磁风力发电机，该发电机通过采用多套三相绕组和集中整数槽布置来提高绕组系数和铁芯利用率；通过增加电枢绕组每相串联匝数来减小电机铁芯轴向长度；通过永磁极错极或斜极来降低齿谐波和脉动转矩。本发明在保证发电机电磁性能和电机制造工艺复杂程度满足要求的前提下，实现了大容量低速永磁风力发电机中永磁体的节材，有效地减少了电机的成本，为大容量低速永磁风力发电机的推广应用提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机，具体地指一种大容量低速永磁风力发电机。
背景技术
与传统的电励磁同步发电机相比，永磁发电机取消了转子励磁绕组，因而使得转子损耗少，效率大大提高。此外，永磁发电机易通过设计为多极减小增速齿轮箱的级数甚至取消风叶和电机之间的增速齿轮箱，既提高整个系统的传动效率又保证系统的可靠性，因此低速永磁同步风力发电机的研究成为当前风力发电项目的热门课题。
在实际的应用中，一方面，随着稀土等原材料资源的限制，作为永磁发电机中电机原料的永磁体，其价格不断攀升，使得电机的成本大幅提高，这严重制约了永磁电机的发展。另一方面，现有低速永磁发电机多采用分数槽绕组以减小脉动转矩和避免斜槽增加的工艺复杂性，但随之带来电枢绕组的绕组系数低、永磁材料用量大，且随着永磁电机功率的不断增加，传统的三相绕组难以与相应的电力电子变流装置相匹配。因此，设计具有节材效果的大容量低速永磁风力发电机具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就在于克服上述现有技术的不足，而提供一种大容量低速永磁风力发电机，对大容量低速永磁发电机的定子和转子进行优化设计，有效实现对永磁体的节材。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种大容量低速永磁风力发电机，包括定子绕组、永磁转子和电机铁芯，所述定子绕组采用多套三相绕组和集中整数槽布置，所述每一套三相绕组中对应相之间的电角度为60°/n，其中n为多套三相绕组的套数，4≥n≥2。
在上述技术方案中，增加所述定子绕组的每相串联匝数，以减少电机铁芯轴向长度。
在上述技术方案中，所述永磁转子中的磁极为错极或者斜极结构。
其中，所述永磁转子中磁极的错极结构为：k个永磁极为一组，以每一组永磁极中的第一永磁极中心线为基准，第i永磁极向第一永磁极偏移360°(i-1)/kz，z为定子槽数。
所述永磁转子中磁极的斜极结构为：所述永磁转子中磁极的错极结构为：k个永磁极为一组，以每一组永磁极中的第一永磁极中心线为基准，第i永磁极向第一永磁极偏移360°(i-1)/kz，z为定子槽数。
本发明通过采用多套三相绕组和集中整数槽布置、增加绕组每相串联匝数和永磁极错极或斜极等优化措施，在保证发电机电磁性能和电机制造工艺复杂程度满足要求的前提下，实现了大容量低速永磁风力发电机中永磁电机的节材，有效地减少了永磁体的成本，为低速大容量永磁风力发电机的推广应用提供指导。
附图说明
图1为本发明的多套三相绕组结构示意图。
图2为本发明的永磁转子错极结构示意图。
图3为本发明的永磁转子斜极结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
本实施例以某现有的2MW级直驱式永磁风力发电机的电磁优化设计为例，具体说明本发明的电机在电磁设计和结构上的特点。该2MW级直驱式永磁风力发电机原设计采用2Y无相位差绕组，定子288槽、30对极，采用分数槽布置，定子每相串联匝数为80匝，转子永磁采用直槽布置方式。
本实施例针对上述的2MW级直驱式永磁风力发电机进行结构的改进包括以下具体内容：
1、定子绕组采用多套三相绕组和集中整数槽布置。其中，每一套三相绕组中对应相之间的电角度为60°/n，如图1所示，本实施例中n取2，将永磁风力发电机定子2Y无相位差绕组改为2Y互移30°电角度绕组。定子槽数z由288改为360，使得电枢绕组由分数槽绕组变为整数槽集中绕组。图1中，A1，B1，C1为第一套三相绕组；A2，B2，C2为第二套三相绕组；An，Bn，Cn为第n套三相绕组，图中的向量为一相绕组的轴线，图中角度为电角度。
发电机的每极每相槽数q为整数时，电枢绕组（本发明中电枢绕组为定子绕组）为整数槽布置；q为分数时，电枢绕组为分数槽布置；特别地，当q=1时，电枢绕组为集中整数槽布置。多套三相绕组每个极下应有mq个槽（m为电枢绕组相数，q为发电机的每极每相槽数）。一套三相绕组的电枢绕组相数为3，n套三相套组的电枢绕组相数为3n。
2p个电极下总的定子槽数为2pmq， 2pmq个槽用来布置多套三相绕组，当q=1时，多套三相绕组同时也满足了集中整数槽布置。
由于集中整数槽绕组布置相对于分数槽绕组布置具有绕组系数高的优点，即在相同的气隙磁场下能够感应出更高的电压，所以集中整数槽绕组布置提高了绕组和铁芯的利用率。
2、本发明由于采用集中整数槽绕组布置提高了绕组和铁芯的利用率，因此，本发明增加定子绕组的每相串联匝数，从而能够减少电机铁芯的轴向长度，达到节约永磁体的目的。
由于定子绕组每相绕组串联匝数的增加与定子槽形尺寸的要求有关，绕组串联匝数的最大值受定子槽形尺寸的最大值制约。本发明增加每相串联匝数是为了在保证电机电磁性能满足要求的前提下来减小电机铁芯轴向长度。当定子绕组的每相串联匝数确定后，减小电机铁芯的轴向长度直至电机空载和负载电磁性能达到要求。本实施例中增加定子每相串联匝数，由80匝变为90匝，因此减小了电机铁芯轴向长度，从而减少了电机中永磁体的用量，实现节约永磁体材料的目的。
3、本发明中永磁转子中的永磁极采用错极或者斜极结构以降低齿谐波和脉动转矩，下面分别说明错极和斜极的结构。
永磁转子中永磁极在转子圆周均匀分布的结构如图2中的上图所示，永磁转子中永磁极的错极结构如图2中的下图所示。k个永磁极为一组，以每一组永磁极中的第一永磁极中心线为基准，第i永磁极向第一永磁极偏移360°(i-1)/kz，z为定子槽数。本实施例中k取4，nk取15，z取360，定子绕组系数由0.9231变为0.9556。转子上共有60个磁极，相邻的4个磁极为一组进行错极，相对于60个磁极在圆周均匀分布的位置，本发明中的一组磁极中，以左边第一块磁极中心线为基准，第二块磁极向第一块偏移0.25°机械角度（1/4齿距），第三块磁极向第一块偏移0.5°机械角度，第四块磁极向第一块偏移0.75°机械角度。
永磁转子中永磁极的斜极结构如图3所示，永磁极轴向分为k段，以第一段心线为基准，后一段的中心线与前一段中心线偏移360°/kz，z为定子槽数。
本发明的定子绕组采用多套三相绕组和集中整数槽布置，使得电机的脉动转矩会有所增加，由于电机的脉动转矩主要是由气隙中的齿谐波磁密产生，而采用永磁极的错极和斜极结构都可以通过削弱永磁体产生的齿谐波磁势来削弱气隙中的齿谐波磁密。因此，永磁极采用错极或者斜极结构可以降低电机的脉动转矩，以保证发电机的技术指标。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，此处不再赘述。
Claims (1)
1.一种大容量低速永磁风力发电机，包括定子绕组、永磁转子和发电机铁芯，其特征在于：所述定子绕组采用多套三相绕组和集中整数槽布置，所述每一套三相绕组中对应相之间的电角度为60°/n，其中n为多套三相绕组的套数，4≥n≥2；增加所述定子绕组的每相串联匝数，以减少发电机铁芯轴向长度；所述永磁转子中的永磁极为错极或者斜极结构，所述永磁转子中磁极的错极结构为：k个永磁极为一组，以每一组永磁极中的第一永磁极中心线为基准，第i永磁极向第一永磁极偏移360°(i-1)/kz，z为定子槽数；所述永磁转子中磁极的斜极结构为：永磁极轴向分为k段，以第一段中心线为基准，后一段的中心线与前一段中心线偏移360°/kz，z为定子槽数。
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