CN103607059A

CN103607059A - 定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机

Info

Publication number: CN103607059A
Application number: CN201310580833.5A
Authority: CN
Inventors: 颜建虎
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明公开了一种定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，包括定子机构、转子机构、非导磁材料定子套筒和轴承。定子机构包括N个双U型定子铁心、N个嵌在U型结构中的永磁体和环形电枢绕组，其中N≥2，每相圆周方向相邻的永磁体磁极方向相对，两个U型槽中分别放置两组反向串联的电枢绕组；转子机构由N个转子铁心组成，沿圆周方向均匀分布在非导磁材料圆筒的外侧，每相相邻的转子铁心沿轴向左右交错间隔排列。本发明的定子U型铁心内嵌永磁体，且圆周方向相邻的永磁体磁化方向相反，结合相邻转子铁心左右对称排列的结构特点，可以实现磁通切换的功能，避免永磁体无效工作区，提高了电机永磁体的利用率，提高了电机的功率密度。

Description

定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及一种定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机。

背景技术

能源危机的加剧，制约全球经济的提升，并威胁着人类社会可持续发展，大力开发利用新能源和可再生能源已成为全球多数国家能源发展战略的重要组成部分。相比于其它形式的可再生能源，风能（Wind Power）成熟度最高，经济性最好。预计到2020年，全球风电装机总容量将达760GW，中国约230GW，发展势头迅猛，开发利用前景广阔。风力发电机（Wind Generator）是风电系统的关键核心装备，其电气和机械性能的优劣直接影响着风电能量转换的效率以及系统的成本与可靠性。

由于风力发电机转速较低，中小功率的为几十~几百转/分，MW级的只有十几转/分，根据电机原理，要达到一定的功率，且要减小电机直径、减轻其体积和重量，就必须显著增大电磁力。电磁力正比于磁通量和电流，传统的径向磁通和轴向磁通电机中，导向磁通的铁心和传导电流的导线处于同一平面内，在电机直径一定的情况下，增加铁心面积和增大导体截面积相互矛盾。幸运的是，横向磁通电机（Transverse Flux Motor-TFM）可以解决这一问题，其电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，因此可以根据需要独立调整线圈窗口和磁路尺寸来确定电机的电、磁负荷，从而可以获得很高的转矩密度。

近几年虽然国内外众多机构对横向磁通发电机进行了大量的研究工作，但是还存在一些问题亟待改进和解决。例如，瑞典的KTH大学的D. Svechkarenko博士提出了一种适用于风力发电的新型大容量横向磁通永磁发电机，通过计算研究表明该电机具有较高的功率因数，但是结构异常复杂，制造工艺和成本较高；荷兰的Delft TU大学参与了欧洲的UpWind风电整合项目，研制了10MW的横向磁通永磁风力发电机，该电机具有较高的功率密度，但是定子铁心结构复杂，需要采用软磁复合材料制造，成本较高；沈阳工业大学的刘哲民博士也对永磁横向磁通电机运用在低速风力发电领域进行了研究，改进了横向磁通电机定子铁心的结构，简化了其制造工艺，但是该电机的永磁体和空间利用率偏低；东南大学林鹤云教授提出了一种新型的聚磁式横向磁通永磁风力发电机，提高了电机的空间利用率，但是永磁体的利用率还有待进一步提高。总之，现有的横向磁通永磁电机或永磁体及电机空间利用率偏低，或制造工艺复杂、材料成本较高，或电机电枢绕组有效长度比例不高，在功率密度和加工制造上还有提高的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，它能有效地提高永磁体的利用率，提高电机的功率密度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机包括定子机构、转子机构、非导磁材料定子套筒和轴承，转子机构置于定子机构内，定子机构固定在非导磁材料定子套筒内，非导磁材料定子套筒通过轴承与转子机构相连，定子机构包括N个定子铁心、N个永磁体和环形电枢绕组，其中N≥2，定子铁心呈双U型，在两个U型结构中间嵌入一块永磁体，每相圆周方向相邻的永磁体磁极方向相对，两个U型定子槽中分别放置环形电枢绕组，两组环形电枢绕组反向串联；转子机构包括N个转子铁心、电机转轴和非导磁材料圆筒，电机转轴置于非导磁材料圆筒中，转子铁心沿圆周方向均匀分布在非导磁材料圆筒的外侧，每相相邻的两个转子铁心沿轴向左右交错间隔排列，转子铁心置于定子铁心内，非导磁材料定子套筒通过轴承与非导磁材料圆筒相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、本发明的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的定子铁心中放置一块永磁体，且圆周方向相邻两个定子铁心中的永磁体磁化方向相反，结合相邻两个转子铁心左、右分别对称排列的结构特点，可以实现磁通切换的功能，可以避免永磁体无效情况，从而提高了电机永磁体的利用率，在一定程度上提高了电机的功率密度。

2、该电机的各定子铁心尺寸相同，各转子铁心尺寸也相同，且都可用硅钢片叠制而成。各定子铁心安装在非导磁材料机壳圆形套筒内，形成定子整体；各转子铁心安置在非导磁材料圆筒上，形成转子整体，并且与电机转轴相连。由于采用了硅钢片叠制，可以有效地减少电机的漏磁通，从而可以提高电机的功率因数。

附图说明

图1 是定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的结构示意图（一相一对极）。

图2 是定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的剖面图（一相）。

图3 是t ₀定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的主磁通；其中（a）是t ₀时刻圆周方向前一组定、转子结构中的主磁通，（b）是t ₀时刻圆周方向后一组定、转子结构中的主磁通。

图4 是t ₁定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的主磁通，（a）是t ₁时刻圆周方向前一组定、转子结构中的主磁通，（b）是t ₁时刻圆周方向后一组定、转子结构中的主磁通。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

结合图1~图4，对于单相内转子发电机来说，该定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的实体模型主要由以下几个部分组成：定子铁心1、永磁体2、电枢绕组5、转子铁心4、发电机转轴6，非导磁材料定子套筒7，非导磁材料转子圆筒8以及轴承9组成。各定子由定子铁芯1和电枢绕组5和永磁体2构成，永磁体材料为钕铁硼，永磁体2采用胶水粘贴于定子铁心5中，圆周方向相邻的两个永磁体2极性相对，各定子铁心1尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁材料套筒7内形成一个定子整体；电枢绕组5采用集中式环形绕组，并安放于定子铁心1的U型槽中，且两组环形电枢绕组5反向串联；转子部分包括圆周方向相邻且沿轴向左右交错间隔排列的转子铁心4构成，各转子铁心4尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁材料圆筒8上形成一个转子整体，并与发电机转轴6相连，并通过轴承9与电机机壳相连。以增强发电机转子旋转工作时的坚固性和可靠性，保证发电机在运转过程中的平稳运行。

实施例2

对于三相外转子发电机来说，该定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机的实体模型主要由以下几个部分组成：定子铁心1、永磁体2、电枢绕组5、转子铁心4、发电机固定轴6，非导磁材料转子套筒7，非导磁材料定子圆筒8以及轴承9组成。永磁体材料为钕铁硼，每相转子部分包括圆周方向相邻且沿轴向左右交错间隔排列的转子铁心4构成，各转子铁心4尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装在非导磁材料转子套筒7内形成一个转子整体；各定子由定子铁芯1和电枢绕组5和永磁体2构成，永磁体2采用胶水粘贴于定子铁心5中，圆周方向相邻的两个永磁体2极性相对；电枢绕组5采用集中式环形绕组，并安放于定子铁心1的U型槽中，且两组环形电枢绕组5反向串联；各定子铁心1尺寸一致，且采用硅钢片叠制，并用胶水粘贴安装非导磁材料定子圆筒8外形成每相定子部分。沿电机固定轴6方向，平行排列三相定子部分和三相转子部分，并使得每相定子部分相差120度电角度，或者使得每相转子部分相差120度电角度，组成三相风力发电机。定子部分与发电机固定轴6相连，并通过轴承9与电机转子外壳相连。以增强发电机转子旋转工作时的坚固性和可靠性，保证发电机在运转过程中的平稳运行。

运行原理：

该定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机通过旋转在环形电枢绕组5中产生变化的磁场，从而感应出变化的电势，以实现交流运行。在图3所示的t ₀时刻，左侧定子U型槽中的环形电枢绕组5磁通方向为逆时针，而右侧定子U型槽中的环形电枢绕组5磁通方向为顺时针；当在图4所示的t ₁时刻，左侧定子U型槽中的环形电枢绕组5磁通方向为顺时针，而右侧定子U型槽中的环形电枢绕组5磁通方向为逆时针；因此在两组环形电枢绕组5中感应出方向相反的电势，因此将两组环形电枢绕组反向串联可以获得所有永磁体2产生的感应电势。

该定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机可以有效地利用永磁体2，提高了电机的功率密度，且降低永磁体2的使用成本；定子铁心1和转子铁心4结构较为简单，都可以用硅钢片叠制而成，可以有效地降低加工制造的成本，此外可以减小漏磁，提高电机的功率因数。

Claims

1.一种定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：包括定子机构、转子机构、非导磁材料定子套筒（7）和轴承（9），转子机构置于定子机构内，定子机构固定在非导磁材料定子套筒（7）内，非导磁材料定子套筒（7）通过轴承（9）与转子机构相连，定子机构包括N个定子铁心（1）、N个永磁体（2）和环形电枢绕组（5），其中N≥2，定子铁心（1）呈双U型，在两个U型结构中间嵌入一块永磁体（2），每相圆周方向相邻的永磁体（2）磁极方向相对，两个U型定子槽中分别放置环形电枢绕组（5），两组环形电枢绕组（5）反向串联；转子机构包括N个转子铁心（4）、电机转轴（6）和非导磁材料圆筒（8），电机转轴（6）置于非导磁材料圆筒（8）中，转子铁心（4）沿圆周方向均匀分布在非导磁材料圆筒（8）的外侧，每相相邻的两个转子铁心（4）沿轴向左右交错间隔排列，转子铁心（4）置于定子铁心（1）内，非导磁材料定子套筒（7）通过轴承（9）与非导磁材料圆筒（8）相连。

2.根据权利要求1所述的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：沿电机轴（6）方向，平行排列三组定子铁心（1）和三组转子铁心（4），每组N个定子铁心（1）和N个转子铁心（4），并使得每组定子铁心（1）相差120度电角度，或者使得每组转子铁心（4）相差120度电角度，组成三相风力发电机。

3.根据权利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：上述转子铁心（4）采用硅钢片叠制，且尺寸相同。

4.根据权利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：上述定子铁心（1）采用硅钢片叠制，且尺寸相同。

5.根据权利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：极数N的发电机每相具有N个定子铁心（1）和N个转子铁心（4）。

6.根据权利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：永磁体材料为钕铁硼。

7.根据权利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，其特征在于：发电机的定子机构和转子机构位置可以互换，构成外转子、内定子的结构形式。