CN103427574B - 一种轴向永磁异步风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向永磁异步风力发电机，该发电机包括电机转轴（1）、机壳（2）、笼型异步转子（3）、永磁转子铝盘（4）、轴向充磁永磁体（5）、永磁轴承（6）、定子（7）、轴承（8）；其中，机壳（2）通过轴承（8）固定在电机转轴（1）的两端；在机壳（2）内，笼型异步转子（3）的中孔固定在电机转轴（1）上，定子（7）固定在机壳（2）内的侧壁上，永磁转子铝盘（4）位于笼型异步转子（3）与定子（7）之间且通过永磁轴承（6）固定在电机转轴（1）上；轴向充磁永磁体（5）位于永磁转子铝盘（4）的两侧。机电能量转换通过笼型转子发生，增加的永磁转子给电机内提供了磁通，减少励磁电流，提高了电机功率因数，可直接接入电网发电。

Description

一种轴向永磁异步风力发电机

技术领域

本发明涉及一种双转子轴向异步发电机，特别是一种高功率因数的轴向永磁异步风力发电机，用于风力发电场合，属于电机设计、风力发电技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，人类对以石油、煤炭、天然气为主的非可再生资源的需求越来越大，造成了非可再生资源的日渐萎缩。同时由于过度开发常规资源，人类生存环境日趋恶化，环境污染问题日趋严重，能源问题已经成为制约社会经济发展的主要问题。寻求并利用清洁安全新能源、大力发展可再生能源已成为世界各国经济发展战略中的重要组成部分，世界各国纷纷制定政策法规、建立科研研发机构，大力发展新兴能源。风能是地球上存在最为广泛的可再生能源，也是目前经济效益最好、成熟度最高的绿色清洁能源，其开发利用前景广阔。风力发电系统将自然界中的风能转换为电能供人类使用，整个系统核心设备为风力发电机，其机械设计和电气性能的优劣直接关系到风电能量转换的效率和输出电能的质量，从而制约风力发电的成本与可靠性。

异步电机因其结构简单、坚固耐用、价格便宜及运行可靠等优点，在日常生活中被当作电动机而广泛使用。在风力发电系统中，当风力涡轮机拖动异步电机转子以大于同步转速旋转时，涡轮机不断向电机输入机械功率，异步电机转子转速大于同步转速，此时异步电机将机械能转换为电能。传统异步发电机定子通三相交流电形成旋转磁场，其转子自身没有同交流电自行产生转子磁场的能力，其转子只能通过运动切割定子旋转磁通来获得感应电动势。现有异步发电机形式的发电系统其励磁电流由电网提供，从而导致了功率因数较低。

现有风力发电系统中异步风力发电系统主要为变速恒频风力发电系统，其特征为：

变速恒频风力发电系统的核心器件为双馈异步风力发电机，采用齿轮箱与双馈异步风力发电机相结合的形式。现今使用较为普遍的是齿轮箱与双馈异步发电机相结合，通过齿轮箱多级变速，转子进行馈电，从而实现变速恒频率发电。

双馈异步风力发电系统中必须使用齿轮箱进行多级变速，将较低风速提高至可利用级别。该种风力发电系统事故中故障频率最高，对系统造成影响最严重的也是齿轮箱部分。齿轮箱性能优劣制约着整个发电系统的效率和安全。此外双馈异步电机需要使用电刷和滑环，从而降低了系统的可靠性，也增加了制造和维护成本。

针对传统异步发电机功率因数低和变速恒频风力发电系统的缺点，国外的学者提出了永磁异步电机的概念，即在传统笼型异步电机的结构上，通过增加永磁转子，构成双转子永磁异步电机。通过增加永磁转子可以给电机提供磁通，在定子绕组中感应出电动势，减少励磁电流，从而既可以提高电机功率因数，又能简化发电系统结构，提高发电效率。这一概念的提出使得无齿轮箱多级对数直驱型异步电机得以实现，满足风力发电所需低转速、低维护费用等条件。

目前国内这种永磁感应电机方面的研究还比较少。文献“基于ANSYS的双转子异步电机结构优化设计”提出了一种永磁感应电机，采用有限元分析方法得到该电机电磁场的分布，指出永磁感应电机功率因数和效率较传统感应电机有很大提高，提出的电机结构及原理与国外相关研究一致。

中国专利（申请号：CN201020276795.6）公布了一种永磁感应电机。上述所提出电机结构与国内外相关理论研究一致，均为径向磁通结构，与本发明所涉及的轴向盘式结构的永磁感应电机有明显的区别。

中国专利（申请号：CN201210403240.7）公布了一种轴向永磁感应电机，其异步转子为铜盘，在最外侧与转轴直接相连，异步铜盘转子和永磁转子采用两根轴分离机械结构，本质上为一台异步电机和一台同步电机的组合，采用铜盘的异步转子其磁通密度较低。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：克服现有异步电机功率因数较低的不足，提出一种双转子高功率因数和大输出转矩特性的轴向磁通永磁异步电机，通过增加永磁转子，实现减小励磁电流，提高电机的功率因数。

技术方案：本发明的一种轴向永磁异步风力发电机包括电机转轴、机壳、笼型异步转子、永磁转子铝盘、轴向充磁永磁体、永磁轴承、定子、轴承；其中，机壳通过轴承固定在电机转轴的两端；在机壳内，笼型异步转子的中孔固定在电机转轴上，定子固定在机壳内的侧壁上，永磁转子铝盘位于笼型异步转子与定子之间且通过永磁轴承固定在电机转轴上；轴向充磁永磁体位于永磁转子铝盘的两侧。

所述的轴向充磁永磁体以永磁转子铝盘的轴心为中心，均布在永磁转子铝盘侧面的圆周上，轴向充磁永磁体的极对数与电机定子绕组极对数相等，轴向充磁永磁体按极性的正反间隔放置，所有永磁体轴向充磁。

笼型异步转子由硅钢片、铝盘构成，硅钢片以铝盘的轴心为圆心，均布在铝盘的侧壁的圆周上。

所述的定子为圆盘形，在定子的一侧沿圆周方向顺序相间设有定子单元平行槽和定子单元扇型齿，定子单元电枢绕组设在定子单元扇型齿上。

所述的定子位于在机壳内的圆周壁上，笼型异步转子有两个，分别位于定子的两侧且固定在电机转轴上，永磁转子铝盘有两个，分别位于笼型异步转子的两外侧且通过永磁轴承固定在电机转轴上，构成双转子轴向结构的双边轴向永磁异步风力发电机。

本发明电机运行原理如下：

风力涡轮机拖动笼型转子旋转，永磁转子跟随笼型转子旋转，当笼型转子转速加速到超过同步转速后，永磁转子随定子旋转场同步旋转，实现从机械能向电能转换。

本发明电机功率因数提高原理如下：

通过增加永磁转子，给电机提供磁通，从而在定子绕组中感应出电动势，以此减小电机的励磁电流，从而提高电机功率因数。

有益效果：

1.与风力涡轮机直接相连，省去了齿轮箱，无需借助电刷、滑环，电机可在较高效率工作状态直接并网发电，省去了复杂的控制环节，提高了整个风力发电系统的可靠性。

2.电机结构相对简单，易于制造、安装和控制，适合于垂直轴风力发电系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图中有：电机转轴1、机壳2、笼型异步转子3、永磁转子铝盘4、轴向充磁永磁体5、永磁轴承6、定子7、轴承8、硅钢片9、铝盘10、定子单元电枢绕组11、定子单元平行槽12、定子单元扇型齿13。

图2为永磁转子铝盘4剖面示意图；

图3为笼型异步转子3剖面示意图；

图4为定子7的结构示意图。

图5为双边轴向永磁异步风力发电机示意图。

具体实施方式

本发明的双转子轴向永磁异步风力发电机由定子、永磁转子和笼型转子构成，通过增加永磁转子，能够提高电机功率因数。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-4所示，一种双转子轴向永磁异步风力发电机，该发电机包括电机转轴1、机壳2、笼型异步转子3、永磁转子铝盘4、轴向充磁永磁体5、永磁轴承6、定子7、轴承8；其中，机壳2通过轴承8固定在电机转轴1的两端；在机壳2内，笼型异步转子3的中孔固定在电机转轴1上，定子7固定在机壳2内的侧壁上，永磁转子铝盘4位于笼型异步转子3与定子7之间且通过永磁轴承6固定在电机转轴1上；轴向充磁永磁体5位于永磁转子铝盘4的两侧。

所述的轴向充磁永磁体5以永磁转子铝盘4的轴心为中心，均布在永磁转子铝盘4侧面的圆周上，轴向充磁永磁体5的极对数与电机定子绕组极对数相等，轴向充磁永磁体5按极性的正反间隔放置，所有永磁体轴向充磁。

笼型异步转子3由硅钢片9、铝盘10构成，硅钢片9以铝盘10的轴心为圆心，均布在铝盘10的侧壁的圆周上。

所述的定子7为圆盘形，在定子7的一侧沿圆周方向顺序相间设有定子单元平行槽12和定子单元扇型齿13，定子单元电枢绕组11设在定子单元扇型齿13上。

作为优选，所述笼型异步转子通过转轴直接与风力涡轮机相连，在涡轮机带动下笼型异步转子转速高于同步场转速。

作为优选，所述笼型异步转子与永磁转子采用同轴连接。

作为优选，所述永磁体选用高磁能积的钕铁硼材料，按极性均匀相间的顺序放置，永磁铁的数目与电机定子绕组极对数相等，每块永磁铁均轴向充磁。

所述笼型异步转子3导条由铝盘10构成，铝盘开槽，内由硅钢片9填充。

所述定子采用扇型齿、平行槽结构，固定于电机机壳2上，定子7上采用三相对称绕组直接与电网相连；

电机定子7结构单元设计成定子单元平行槽12、定子单元扇型齿13结构，定子单元扇型齿13上有定子单元电枢绕组11，此结构能够使感应电势和永磁磁通的谐波含量较小。

所述永磁转子位于笼型异步转子3和定子7之间。

所述永磁转子内安装有永磁转子轴承6，轴承固定在转轴1上，永磁转子以不同于笼型转子速度同步旋转；

所述笼型异步转子3固定于转轴，通过转轴直接与风力涡轮机相连，通过风力涡轮机拖动笼型转子3旋转。永磁转子跟随笼型转子3旋转，当笼型异步转子3转速加速到超过同步转速后，永磁转子随定子旋转场同步旋转，与笼型异步转子保持相对运动，实现从机械能向电能转换。

所述永磁转子上永磁体5选用高磁性钕铁硼材料，永磁体的极对数与定子绕组极对数相等，永磁体按N-S极性交叉均匀放置，所有永磁体轴向充磁。

所述电机定子槽数取值较大时，可以获得较好的磁势波形，使得谐波磁场和谐波漏抗减小，降低附加损耗，增加槽中线圈总散热面积，有利于散热；但定子槽数过多时，绝缘材料用量的增加，使槽利用率降低。当定子槽数确定后，需确定电机转子槽数。定转子之间的槽配合不当，将使电机的性能变坏，出现起动困难，噪声和振动过大，温度迅速升高，效率降低等问题。较优的定转子槽数配合如下：对于2极电机有18/16、24/20、30/26；4极电机有24/22、36/32、48/44；6极电机有36/33、54/44、72/58。

图5为第二种双边结构轴向永磁异步风力发电机，采用双边结构，所述的定子7位于在机壳2内的圆周壁上，笼型异步转子3有两个，分别位于定子7的两侧且固定在电机转轴1上，永磁转子铝盘4有两个，分别位于笼型异步转子3的两外侧且通过永磁轴承6固定在电机转轴1上，构成双转子轴向结构的双边轴向永磁异步风力发电机。作为优选，所述永磁转子内安装有永磁转子轴承，永磁转子轴承固定于转轴，以同步转速做自由旋转。

Claims (2)

1.一种轴向永磁异步风力发电机，其特征在于：该发电机包括电机转轴(1)、机壳(2)、笼型异步转子(3)、永磁转子铝盘(4)、轴向充磁永磁体(5)、永磁轴承(6)、定子(7)、轴承(8)；其中，机壳(2)通过轴承(8)固定在电机转轴(1)的两端；在机壳(2)内，笼型异步转子(3)的中孔固定在电机转轴(1)上，定子(7)固定在机壳(2)内的侧壁上，永磁转子铝盘(4)位于笼型异步转子(3)与定子(7)之间且通过永磁轴承(6)固定在电机转轴(1)上；轴向充磁永磁体(5)位于永磁转子铝盘(4)的两侧；

所述的轴向充磁永磁体(5)以永磁转子铝盘(4)的轴心为中心，均布在永磁转子铝盘(4)侧面的圆周上，轴向充磁永磁体(5)的极对数与电机定子绕组极对数相等，轴向充磁永磁体(5)按极性的正反间隔放置，所有永磁体轴向充磁；

所述的定子(7)为圆盘形，在定子(7)的一侧沿圆周方向顺序相间设有定子单元平行槽(12)和定子单元扇型齿(13)，定子单元电枢绕组(11)设在定子单元扇型齿(13)上；

所述的定子(7)位于在机壳(2)内的圆周壁上，笼型异步转子(3)有两个，分别位于定子(7)的两侧且固定在电机转轴(1)上，永磁转子铝盘(4)有两个，分别位于笼型异步转子(3)的两外侧且通过永磁轴承(6)固定在电机转轴(1)上，构成双转子轴向结构的双边轴向永磁异步风力发电机。

2.根据权利要求1所述的一种轴向永磁异步风力发电机，其特征在于：笼型异步转子(3)由硅钢片(9)、铝盘(10)构成，硅钢片(9)以铝盘(10)的轴心为圆心，均布在铝盘(10)的侧壁的圆周上。