CN103151886A - 转子聚磁式双定子场调制永磁发电机 - Google Patents

转子聚磁式双定子场调制永磁发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，该发电机由外至内依次包括同轴心的外定子(1)、转子(3)和内定子(5)；外定子(1)和转子(3)之间设有外气隙(2)、转子（3）和内定子(5)之间设有内气隙(4)；所述外定子(1)包括外定子轭(11)、自外定子轭内表面向轴心方向突出的外定子齿（12）、相邻的外定子齿(12)之间设有外定子槽、嵌入外定子槽内的外定子电枢绕组(13)；所述转子(3)包括转子铁心(31)和嵌入转子铁心、均匀分布的转子永磁体(32)；所述内定子(5)包括内定子轭(51)、内定子齿（52）、内定子槽、嵌入内定子槽内的内定子电枢绕组(53)。本发明的双定子结构能够改善空间利用率和减小聚磁式结构的漏磁。

Description

转子聚磁式双定子场调制永磁发电机
技术领域
本发明属于发电技术领域，涉及一种具有磁场调制功能、适用于直驱场合的双定子永磁发电机。
背景技术
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、匹配风机和发电机转速，目前主要采用两种措施。一是使用机械式增速齿轮箱进行增速，但是，增速齿轮体积大、笨重，而且故障率高；二是取消增速齿轮，采用直驱风力发电系统，然而，为保证输出电压和频率在正常的范围内，此类发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数，体积大，设计、运输和安装困难。而且，由于风速变化，直驱式单定子风力发电机存在输出电压波动大的问题。因此，研制适于风能高效转换利用、运行可靠的新型风力发电机具有深远的意义。
本发明提出一种转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，在不使用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。与同类永磁直驱电机相比，在实现低速直驱风力发电的情况下，本发明中定子齿槽数明显减少，结构紧凑，绕组绕制方便，电机体积和重量可显著减小，转矩密度得以提高。同时，转子采用聚磁式结构，能够大大提高气隙磁密幅值，而且，永磁体内嵌式安排使内、外定子磁场之间的相互影响很小，两套定子电枢绕组的独立性更强，提高了两套绕组联接的灵活性。双定子结构的采用，可有效减小聚磁式结构的漏磁，提高永磁体利用率和空间利用率，提高电机转矩密度。同时，根据风速的变化，通过改变两套电枢绕组的联接方式，可使输出电压维持在一定的范围内，这对风力发电是非常有利的。因此，本发明所述发电机结构具有很高的科研价值和工程实用价值。
发明内容
技术问题：本发明针对现有风力发电机存在的不足，提供了一种具有磁场调制功能、转矩密度和功率因数较高，适用于直驱场合的转子聚磁式双定子永磁发电机。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明公开了一种转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，该发电机由外至内依次包括同轴心的外定子、转子和内定子；外定子和转子之间设有外气隙、转子和内定子之间设有内气隙；
所述外定子包括外定子轭、自外定子轭内表面向轴心方向突出的外定子齿、相邻的外定子齿之间设有外定子槽、嵌入外定子槽内的外定子电枢绕组；
所述转子包括转子铁心和嵌入转子铁心、均匀分布的转子永磁体；
所述内定子包括内定子轭、自内定子轭外表面背离轴心方向突出的内定子齿、相邻的内定子齿之间设有内定子槽、嵌入内定子槽内的内定子电枢绕组；
所述转子永磁体极对数、内定子齿或外定子齿个数、外定子电枢绕组或内定子电枢绕组绕制极对数满足以下关系：
ppmr=ns-ps
ppmr为转子永磁体极对数，ns为内定子齿或外定子齿个数，ps为外定子电枢绕组或内定子电枢绕组极对数。
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，永磁体磁化方向厚度沿径向由内到外渐宽。
有益效果：本发明提供了一种具有磁场调制功能的转子聚磁式双定子永磁发电机，能够实现低速大转矩直驱发电，与现有同类电机相比，具有以下优点：
1.本发明利用磁场调制原理，可实现电机的磁场自增速，省去了机械式增速齿轮箱，既可实现转子低速大转矩直驱的要求，又可满足定子按高速旋转磁场设计的需求，不但能够实现风能高效转换利用，而且结构紧凑，转矩密度高；
2.与多极直驱电机相比，本发明中定子电枢绕组按高速谐波磁场极对数设计，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和系统可靠性、降低维护成本；
3.本发明中转子采用聚磁式结构，与杯型表贴式转子结构相比，能够大大提高气隙中有效谐波磁密，此举不但能够提高电机功率密度，而且利于减小绕组电感改善功率因数；同时，该结构使内、外定子磁场之间的相互影响很小，两套定子电枢绕组的独立性更强，提高了两套绕组联接的灵活性；
4.与单定子结构相比，本发明采用双定子结构，能够有效利用嵌入式永磁体结构的漏磁，提高永磁体利于率和空间利用率，改善转矩密度；同时，内、外定子两套电枢绕组可根据风速变化改变联接方式，使输出电压维持在一个稳定的范围内；
5.与具有调磁块的裂极式定子结构场调制电机相比，本发明中定子齿兼做调磁齿，省去了调磁块，结构简化，体积减小。
附图说明
图1为转子聚磁式双定子场调制永磁风力发电机截面结构。
图2为内定子（外定子）电枢绕组展开图。
图中有：外定子1，外定子轭11，外定子齿12，外定子电枢绕组13，外气隙2，转子3，转子铁心31，转子永磁体32，内气隙4，内定子5，内定子轭51，内定子齿52，内定子电枢绕组53。图1中箭头代表永磁体磁化方向。图2中A(a)、X(x)、B(b)、Y(y)、C(c)、Z(z)为内（外）定子3相电枢绕组出线端。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明提供的一种转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，该发电机由外至内依次包括同轴心的外定子1、转子3和内定子5；外定子1和转子3之间设有外气隙2、转子3和内定子5之间设有内气隙4；
所述外定子1包括外定子轭11、自外定子轭内表面向轴心方向突出的外定子齿12、相邻的外定子齿12之间设有外定子槽、嵌入外定子槽内的外定子电枢绕组13；
所述转子3包括转子铁心31和嵌入转子铁心、均匀分布的转子永磁体32；
所述内定子5包括内定子轭51、自内定子轭51外表面背离轴心方向突出的内定子齿52、相邻的内定子齿52之间设有内定子槽、嵌入内定子槽内的内定子电枢绕组53；
所述发电机基于磁场调制原理传递转矩，述转子永磁体32极对数、内定子齿52或外定子齿12个数、外定子电枢绕组13或内定子电枢绕组53绕制极对数满足以下关系：
ppmr=ns-ps
ppmr为转子永磁体32极对数，ns为内定子齿52或外定子齿12个数，ps为外定子电枢绕组13或内定子电枢绕组53极对数。
定子电枢绕组绕制极对数不同于转子永磁体极对数，定子电枢磁场与转子永磁磁场旋转速度不同，此点表明该电机与普通双定子永磁同步电机的工作原理不同。
所述的外定子轭11、外定子齿12、转子铁心31、内定子轭51、内定子齿52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。
所述的转子永磁体32由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成，永磁体沿圆周切向充磁，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。
所述外定子齿12和内定子齿52可根据空间尺寸大小及齿部磁密情况选择直齿结构或有极靴结构。
本发明中，外定子齿12和内定子齿52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内调制出极对数相对较少的高速旋转谐波磁场，外定子电枢绕组13和内定子电枢绕组53按调制出的有效谐波磁场极对数进行绕制，二者一致，绕制方式根据绕组极对数和齿数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。例如，图2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绕组展开图。
本发明的双定子自增速永磁发电机，与常规的多极直驱永磁同步电机的本质不同在于，定子电枢绕组按高速谐波磁场极对数设计，电枢绕组磁场与转子永磁基波磁场转速不同，电机通过磁场调制进行转矩的传递，既能实现转子低速直驱的要求，又能满足定子电枢绕组按高速电机设计的需求。
本发明中，双定子结构可以改善永磁体利用率和空间利用率，提高转矩密度，还可以通过改变两套定子电枢绕组的联接，维持输出电压稳定在一定范围内。例如，当内、外定子空间位置错开一定角度时，随着风速的增大，可依次采用下述联接方式维持发电机输出电压的稳定：(1)A-X-a-x,B-Y-b-y,C-Z-c-z;(2)X-A-c-z,Y-B-a-x,Z-C-b-y;(3)X-A-b-y,Y-B-c-z,Z-C-a-x;(4)A-X-b-y,B-Y-c-z,C-Z-a-x;(5)A-X-c-z,B-Y-a-x,C-Z-b-y;(6)X-A-a-x,Y-B-b-y,Z-C-c-z。
定、转子之间的外气隙2和内气隙4用以保证转子正常旋转。
本发明中的转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，转子3可以通过转轴与低速风机连接，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。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 (2)

1.一种转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，其特征在于，该发电机由外至内依次包括同轴心的外定子(1)、转子(3)和内定子(5)；外定子(1)和转子(3)之间设有外气隙(2)、转子（3）和内定子(5)之间设有内气隙(4)； 
所述外定子(1)包括外定子轭(11)、自外定子轭内表面向轴心方向突出的外定子齿（12）、相邻的外定子齿(12)之间设有外定子槽、嵌入外定子槽内的外定子电枢绕组(13)； 
所述转子(3)包括转子铁心(31)和嵌入转子铁心、均匀分布的转子永磁体(32)； 
所述内定子(5)包括内定子轭(51)、自内定子轭（51）外表面背离轴心方向突出的内定子齿（52）、相邻的内定子齿(52)之间设有内定子槽、嵌入内定子槽内的内定子电枢绕组(53)； 
所述转子永磁体(32)极对数ppmr、内定子齿（52）或外定子齿（12）个数ns、外定子电枢绕组(13)或内定子电枢绕组(53)绕制极对数ps需满足以下关系： 
ppmr=ns-ps。
2.根据权利要求1所述的转子聚磁式双定子场调制永磁发电机，其特征在于，所述转子永磁体(32)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，永磁体磁化方向厚度沿径向由内到外渐宽。 
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