CN103490575B - 多齿混合励磁盘式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多齿混合励磁盘式风力发电机，包括第一定子、转子以及第二定子，第一定子和第二定子分别由六个多齿U形定子铁心、六块永磁体、六个集中电枢线圈和六个集中励磁线圈组成，在每块永磁铁上轴向缠绕一个所述集中励磁线圈且所有集中励磁线圈依次顺序首尾串联形成单相集中励磁绕组，所述三相集中电枢绕组的各集中电枢线圈均横跨在多齿U形定子铁心的两个定子齿上，其中，第一定子六个集中电枢线圈中两两径向相对的两个集中电枢线圈与同一位置上第二定子六个集中电枢线圈中两两径向相对的两个集中电枢线圈串联形成三相电枢绕组中的一相。本发明具有高功率密度、高转矩密度和高效率的特点，非常适用于直驱式风力发电应用中。

Description

多齿混合励磁盘式风力发电机

技术领域

本发明是一种结构简单，具有较高的功率密度，较大的转矩输出能力、定位力矩小和较高效率的轴向磁场混合励磁电机，属于轴向磁场混合励磁电机技术领域。

背景技术

在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生的清洁能源，越来越受到世界各国的重视，也越来越多地被应用到风力发电中。目前，变速恒频风力发电系统所采用的风机分为两种类型：直驱式和双馈式。直驱式风力发电机组在传动链中省略了齿轮箱，将风轮与低速同步发电机直接连接，降低了机械故障率和定期维护成本，提高了风电转换效率和运行可靠性。因此，低速直驱永磁风力发电机已经成为国内外新型风力发电系统的主选机型之一。国内外学者对永磁同步发电机展开了大量研究，研究结果表明在低速直驱式永磁风力发电机中，以轴向磁场结构的永磁电机最具优势，其中采用双定子结构的轴向磁场永磁电机的功率密度最高。然而，传统的轴向磁场永磁电机，永磁体位于转子，为了克服高速运行时的离心力，需要在转子上安装相应的固定装置，引起冷却困难，较高的温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，制约了电机性能的进一步提高。

轴向磁场磁通切换型永磁（AxialFieldFlux-SwitchingPermanentMagnet,以下简称AFFSPM）电机综合了磁通切换型永磁电机和轴向磁场电机的优点,其永磁体和电枢绕组均置于定子，冷却方便；转子结构简单，动态性能好，对风速和负载变化响应快；定转子的双凸极结构具有很强的聚磁作用，气隙磁密高，功率密度大，输出转矩能力强；采用集中电枢绕组，缩短了绕组端部长度，减小了绕组电阻和铜耗，实现了电机的高效率运行；与已有轴向磁场永磁电机相比，其结构简单，制造容易；轴向长度短，特别适合于风力发电机组。但是AFFSPM电机定位力矩较大，造成风机起动时阻转矩大，同时，输出电压无法调节，电压调整率大，发生短路故障时，AFFSPM发电机灭磁较难，因而其应用受到了一定的限制。

混合励磁电机将永磁体励磁与电励磁两种励磁方式进行有机结合，是一种最大限度综合两者优势又能克服各自缺陷的新型电机。国内外学者相继提出了磁极分割式混合励磁电机、爪极式混合励磁电机、组合转子式混合励磁电机、并列结构式混合励磁电机和磁分路式混合励磁电机等多种拓扑结构。但以上几类混合励磁电机中，永磁体均位于转子，存在因温升引起的永磁体退磁问题，限制了电机出力、降低了电机的功率密度，制约了此类混合励磁电机性能的进一步提高。目前国内外文献报道的定子永磁型混合励磁电机主要以双凸极和磁通切换电机为原型，但由于双凸极永磁电机本身的功率密度不如磁通切换永磁电机，因此双凸极混合励磁电机在性能上也受到一定的限制。而磁通切换混合励磁电机的研究目前主要集中在径向磁场结构，轴向磁场磁通切换混合励磁电机仅对双转子单定子结构进行了研究，关于双定子结构的轴向磁场磁通切换混合励磁电机的研究还未见报道。

针对AFFSPM电机目前存在的问题，结合混合励磁电机的优点，本发明提出一种多齿混合励磁盘式风力发电机，可以有效的减少定位力矩；同时，电励磁绕组的设置，可以实现气隙磁场的灵活调节，实现发电机宽电压输出。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种定位力矩小、气隙磁场可调、电压调节范围宽、功率密度高和效率高的双定子结构的多齿混合励磁盘式电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多齿混合励磁盘式风力发电机，包括第一定子、转子以及第二定子，其中第一定子和第二定子对称设置在所述转子的两侧，其特征是：所述第一定子和第二定子分别由六个多齿U形定子铁心、六块永磁体、六个集中电枢线圈和六个集中励磁线圈组成，在每两个相邻的多齿U形铁心的定子齿之间放置一个所述永磁体，在每块永磁铁上轴向缠绕一个所述集中励磁线圈且所有集中励磁线圈依次顺序首尾串联形成单相集中励磁绕组，所述三相集中电枢绕组的各集中电枢线圈均横跨在所述多齿U形定子铁心的两个定子齿上，其中，第一定子六个集中电枢线圈中两两径向相对的两个集中电枢线圈与同一位置上第二定子六个集中电枢线圈中两两径向相对的两个集中电枢线圈串联形成三相电枢绕组中的一相。

所述转子由非导磁圆环以及设置在非导磁圆环上的多个齿极构成。

所述的齿极数为十九个。

所述永磁体是钕铁硼磁钢。

所述电枢绕组和励磁绕组都为集中绕组。

本发明提出的多齿混合励磁盘式风力发电机采用双定子、单转子结构。定子与转子同轴安装，转子夹放在两个定子之间，转子和定子之间留有空气隙。两个定子的结构完全一样，而且关于转子对称。

每个定子包括6个多齿U形定子铁心、6块永磁体、6个集中电枢线圈和6个集中励磁线圈。多齿U形定子铁心和永磁体交替放置构成定子圆盘，永磁体沿着圆周方向交替充磁，相邻永磁体的磁化方向相反，两个定子相对称的两个永磁体充磁方向相反。电枢线圈缠绕在相邻的两个多齿U形铁心定子齿上，中间嵌入永磁体。每个定子上径向相对的电枢线圈串联构成同相电枢绕组，两个定子上的A相、B相、C相电枢绕组串联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。电励磁线圈轴向缠绕在永磁体的表面，两个定子上的十二个电励磁线圈顺次串联构成电励磁绕组。

转子为凸极结构，共有19个齿，称为19个转子极，转子为直槽转子，转子上既无永磁体也无绕组，结构简单。

有益效果：

1、本发明所提出的多齿混合励磁盘式风力发电机，集中了永磁电机和电励磁电机的优点。增加的一套电励磁绕组在无需增加电机体积的条件下即可安放，通过控制励磁绕组电流的大小和方向可以方便地调节电机的气隙磁场，实现风力发电机的宽电压输出。

2、定子U型铁心和转子都采用多齿结构，可以有效的降低定位力矩，减少转矩脉动。

3、电枢绕组与励磁绕组都采用集中绕组，端部较短，从而使铜耗减少，电机效率得以提高。

4、转子上没有永磁体和绕组，结构简单，运行可靠，提高了风电系统的稳定性。

5、电机采用盘式结构，轴向尺寸短，电机功率密度高，很适合应用于风力发电场合。

附图说明

图1为多齿混合励磁盘式风力发电机的三维结构示意图，

图2多齿混合励磁盘式风力发电机的增磁运行状态(平面展开图)，

图3多齿混合励磁盘式风力发电机的去磁运行状态(平面展开图)，

图4多齿混合励磁盘式风力发电机的A相感应电动势波形图，

图5多齿混合励磁盘式风力发电机的齿槽转矩波形图。

以上的图中有：第一定子1，转子2，第二定子3，永磁体4，定子多齿U形铁心5，三相集中电枢绕组6，第一集中电枢线圈611、第二集中电枢线圈612、第三集中电枢线圈613、第四集中电枢线圈614、第五集中电枢线圈621、第六集中电枢线圈622、第七集中电枢线圈623、第八集中电枢线圈624、第九集中电枢线圈631、第十集中电枢线圈632、第十一集中电枢线圈633、第十二集中电枢线圈634，单相集中励磁绕组7，第一集中励磁线圈701、第二集中励磁线圈702、第三集中励磁线圈703、第四集中励磁线圈704、第五集中励磁线圈705、第六集中励磁线圈706，第七集中励磁线圈707、第八集中励磁线圈708、第九集中励磁线圈709、第十集中励磁线圈710、第十一集中励磁线圈711、第十二集中励磁线圈712，转子极8，非导磁圆环9，气隙10，气隙11，永磁磁路12，电励磁磁路13。

具体实施方式

如图1所示，本发明多齿混合励磁盘式风力发电机，包括第一定子1、第二定子3和转子2，转子2位于第一定子1和第二定子3的中间。第一定子1、第二定子3与转子2同轴安装，转子2与第一定子1、第二定子3之间留有相等厚度的空气隙10、11。第一定子1和第二定子3的结构完全一样，而且关于转子2对称，第一定子1、第二定子3和转子2都为凸极结构。

第一定子1和第二定子3的定子铁心部分分别由6个多齿U形定子铁心5、6块永磁体4、6个集中电枢线圈6和6个集中励磁线圈7组成，U形定子铁心5和永磁体4交替放置构成定子圆盘，第一定子1和第二定子3中的U形定子铁心5和永磁体4分别相对应，但相对应的永磁体4的充磁方向相反。每个集中电枢线圈6绕在两个多齿U形铁心5的齿上，中间嵌入永磁体4，永磁体4沿着圆周方向交替充磁，相邻永磁体4充磁方向相反。

电枢绕组6包括第一集中电枢线圈611、第二集中电枢线圈612、第三集中电枢线圈613、第四集中电枢线圈614、第五集中电枢线圈621、第六集中电枢线圈622、第七集中电枢线圈623、第八集中电枢线圈624、第九集中电枢线圈631、第十集中电枢线圈632、第十一集中电枢线圈633、第十二集中电枢线圈634。

第一集中电枢线圈611和第二集中电枢线圈612径向相对，两个线圈依次顺序首尾串联连接构成定子1的A相绕组，第三集中电枢线圈613和第四集中电枢线圈614径向相对，两个线圈依次顺序首尾串联连接构成定子2的A相绕组。定子1和定子2的A相绕组串联构成A相电枢绕组。

第五集中电枢线圈621和第六集中电枢线圈622径向相对，两个线圈依次顺序首尾串联连接构成定子1的B相绕组，第七集中电枢线圈623和第八集中电枢线圈624径向相对，两个线圈依次顺序首尾串联连接构成定子2的B相绕组。定子1和定子2的B相绕组串联构成B相电枢绕组。

第九集中电枢线圈631和第十集中电枢线圈632径向相对，两个线圈依次顺序首尾串联连接构成定子1的C相绕组，第十一集中电枢线圈633和第十二集中电枢线圈634径向相对，两个线圈依次顺序首尾串联连接构成定子2的C相绕组。定子1和定子2的C相绕组串联构成C相电枢绕组。

励磁绕组由12个集中励磁线圈7组成。其中第一励磁线圈701、第二励磁线圈702、第三励磁线圈703、第四励磁线圈704、第五励磁线圈705、第六励磁线圈706位于定子1，第七励磁线圈707、第八励磁线圈708、第九励磁线圈709、第十励磁线圈710、第十一励磁线圈711、第十二励磁线圈712位于定子2。上述励磁线圈均为集中绕组、轴向缠绕在永磁体4上。上述12个励磁线圈7依次顺序首尾串联连接，组成单相集中励磁绕组。

转子2共有19个齿，称为19个转子极8，均匀设置在转子2非导磁圆环9的外圆周上。转子2上既没有永磁体4也没有电枢绕组6和励磁绕组7，结构简单。

当电机处在图2和图3所示位置时，转子极8和绕有集中电枢线圈6的一个定子齿5相对，根据永磁体4的磁化方向，永磁磁通从定子1的齿经过气隙10穿进转子极8，再经过气隙11穿进定子2的齿，且数值最大。此时，若通过励磁绕组施加与永磁磁势方向相同的电励磁磁势，可以增加电枢绕组中的合成磁链，增大感应出的电势（如图2）。相反，如果改变励磁电流的方向，使电励磁磁通与永磁磁通方向相反，则将减小电枢线圈中的合成磁链，减小电枢线圈中的感应电势（如图3）。通过改变电励磁绕组中电流的大小和方向就可以调节永磁磁场，解决永磁电机磁场调节困难的问题。

转子极8和多齿U形定子铁心5都由高导磁率的硅钢片冲制而成。永磁体4采用钕铁硼永磁材料。

从图4可以看出，采用多齿定子铁心结构对感应电动势波形的影响很小，但是极大地削弱了齿槽转矩，如图5所示。

Claims (3)

1.一种多齿混合励磁盘式风力发电机，包括第一定子（1）、转子（2）以及第二定子（3），其中第一定子（1）和第二定子（3）对称设置在所述转子（2）的两侧，其特征是：所述第一定子（1）和第二定子（3）分别由六个多齿U形定子铁心（5）、六块永磁体（4）、六个集中电枢线圈（6）和六个集中励磁线圈（7）组成，在每两个相邻的多齿U形铁心的定子齿之间放置一个所述永磁体（4），在每块永磁体（4）上轴向缠绕一个所述集中励磁线圈（7）且所有集中励磁线圈（7）依次顺序首尾串联形成单相集中励磁绕组，所述三相集中电枢绕组（6）的各集中电枢线圈均横跨在所述多齿U形定子铁心的两个定子齿上，其中，第一定子（1）六个集中电枢线圈中两两径向相对的两个集中电枢线圈与同一位置上第二定子（3）六个集中电枢线圈中两两径向相对的两个集中电枢线圈串联形成三相电枢绕组中的一相；所述转子（2）由非导磁圆环（9）以及设置在非导磁圆环（9）上的多个齿极构成；所述的齿极数为十九个。

2.根据权利要求1所述的多齿混合励磁盘式风力发电机，其特征在于：所述永磁体（4）是钕铁硼磁钢。

3.根据权利要求1所述的多齿混合励磁盘式风力发电机，其特征在于：所述电枢绕组（6）和励磁绕组（7）都为集中绕组。