CN104617689A - 风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块，铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则，所述铁心模块中设置有两个三相绕组单元，所述两个三相绕组单元之间的电角度相差30度。本发明实施例的风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块，通过改变定子铁心模块中的绕组的排布方式，使两个三相绕组单元之间的电角度相差30度，从而有效地削弱了5、7次绕组谐波磁动势。

Description

风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块
技术领域
本发明涉及一种风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块，属于风力发电技术领域。
背景技术
随着大型永磁发电机容量的提高，发电机的体积和尺寸也相应增大，从而造成发电机定子在制造和运输方面的成本增加。定子铁心分瓣技术能够很好的解决由于定子尺寸增大带来的制造和运输问题，单层绕组结构可以实现定子铁心的分瓣，但是由于单层绕组采用整距节距设计，无法有效地削弱5、7次谐波磁场的含量，会带来较大的转矩脉动问题，引起发电机的振动和噪声超标。
因此针对目前大型永磁发电机定子铁心需要分瓣的问题，开发一种5、7次谐波含量少、脉动转矩小的高品质单层绕组结构永磁发电机非常必要。
发明内容
本发明的实施例提供一种风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块，定子采用5、7次谐波含量少的单层绕组结构，降低发电机的振动和噪声，延长发电机的使用寿命。
本发明提供了一种风力发电机的定子的铁心模块，所述铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则，所述铁心模块中设置有两个三相绕组单元，所述两个三相绕组单元之间的电角度相差30度。
进一步地，所述铁心模块具有多个容纳线圈的齿槽，每个所述线圈套设在两个齿槽中，所述齿槽分为容纳一个线圈边的第一齿槽和容纳两个线圈边的第二齿槽，
所述第二齿槽的数量为1个，排列在所有齿槽的中间位置，所述第二齿槽左右两侧的所述第一齿槽的数量相等，
在所述铁心模块中，设置有线圈数量相等的两个三相绕组单元，每个三相绕组单元的线圈数量为3的整数倍，
所述两个三相绕组单元分别设置在以所述第二齿槽为中心的左右两侧，所述两个三相绕组单元的相邻的线圈的一条线圈边位于所述第二齿槽中。
进一步地，非位于端部的所述第一齿槽的左右两侧的齿的中心线的第一夹角等于标准夹角，
所述第二齿槽的左右两侧的齿的中心线的第二夹角等于1.5倍的标准夹角；
位于两个端部的所述第一齿槽对应的第三夹角之和为2.5倍的标准夹角，所述第三夹角为位于端部的所述第一齿槽的靠近铁心模块中部一侧的齿的中心线与所述铁心模块的侧边之间的夹角；
所述标准夹角为按照每极每相槽数q＝1的原则设计出的齿槽均匀分布的铁心模块的相邻齿的中心线的夹角。
进一步地，所述标准夹角为0.833°。
可选地，两个所述三相绕组单元中的绕组均为星形连接。
进一步地，如上任一所述的铁心模块，所述铁心模块包含的齿槽数量为6n-1个，每个三相绕组单元的线圈数量为3n/2个，n的取值范围为2、4、6、8、10、12、14、16、18。
本发明还提供了一种风力发电机的定子铁心，所述定子铁心为分瓣结构，由多个如上任一所述的铁心模块组合而成。
本发明还提供了一种风力发电机，包括转子和定子，所述定子包括如上所述的定子铁心。
进一步地，所述转子为分瓣结构，由多个转子模块组合而成。
可选地，所述转子的磁极为斜磁极。
进一步地，在所述斜磁极的沿着与风力发电机的轴线平行的截面上，所述的斜磁极的上下两条边之间错开的弧长所对应的角度为标准夹角，所述标准夹角为按照每极每相槽数q＝1的原则设计出的齿槽均匀分布的铁心模块的相邻齿的中心线的夹角。
进一步地，所述标准夹角为0.833°。
优选地，所述转子的磁极为表贴式磁极，所述磁极的轴向截面形状能够使每个磁极与定子铁心的外圆周形成不均匀气隙。
进一步地，在所述磁极的与所述风力发电机的轴线垂直的截面上，所述磁极朝向所述定子一侧的边缘呈弧形，所述磁极的边缘与定子铁心的外圆周形成的最大气隙与最小气隙的比值为1.5:1。
进一步地，在所述磁极的与所述风力发电机的轴线垂直的截面上，所述磁极靠近转子支架的底边与侧边的夹角为70°～75°。
本发明实施例的风力发电机及其定子铁心以及定子的铁心模块，通过改变定子铁心模块中的绕组的排布方式，使两个三相绕组单元之间的电角度相差30度，从而有效地削弱了5、7次绕组谐波磁动势。降低了发电机空载和负载转矩脉动，并且能够改善空载反电动势波，降低了发电机的振动和噪声，延长了发电机的使用寿命，提高了发电机的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一的定子的铁心模块的结构示意图；
图2为图1示出的铁心模块中的线圈连接关系示意图之一；
图3为图1示出的铁心模块中的线圈连接关系示意图之二；
图4为本发明实施例二的转子磁极的结构示意图之一；
图5为本发明实施例二的转子磁极的结构示意图之二；
图6为本发明实施例二的转子磁极的结构示意图之三。
附图标号说明：
1-转子支架；2、3-磁极；4-铁心模块；41-第一齿槽；42-第二齿槽；5-10为绕组的线圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
本发明实施例对定子铁心分瓣技术进行了结构上的改进，在铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则的基础上，改变了设置在铁心模块上的绕组的设置方式，在铁心模块中设置有两个三相绕组单元，并使这两个三相绕组单元之间的电角度相差30度，从而起到降低5、7次谐波磁场的效果。
实施例一
如图1所示，其为本发明实施例一的定子的铁心模块的结构示意图。本发明实施例的风力发电机组的定子的铁心模块，铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则，铁心模块中设置有两个三相绕组单元，两个三相绕组单元之间的电角度相差30度。
进一步地，铁心模块4可以具有多个容纳线圈的齿槽，每个线圈可以套设在两个齿槽中，齿槽可以分为容纳一个线圈边的第一齿槽41和容纳两个线圈边的第二齿槽42。第二齿槽42的数量可以为1个，可以排列在齿槽的中间位置，第二齿槽42左右两侧的第一齿槽41的数量可以相等。在铁心模块4中，可以设置有线圈数量相等的两个三相绕组单元，每个三相绕组单元的线圈数量可以为3的整数倍(具体来说，每个三相绕组单元视为一组三相绕组，每一相绕组可以由若干个线圈构成，但是每个三相绕组所包含的线圈数量是相等的，因此，整体线圈数量应当是3的整数倍)，两个三相绕组单元可以分别设置在以第二齿槽42为中心的左右两侧，两个三相绕组单元的相邻的线圈的一条线圈边可以位于第二齿槽42中。
下面结合图1至图3对本实施例的定子的铁心模块进行详细说明。图1示例性地示出的铁心模块4中，其线圈数量为6个，左右各3个，如图2所示，其为图1示出的铁心模块中的线圈连接关系示意图之一，将6个线圈分别标号为5-7、8-10，线圈5-7构成一组三相绕组单元，线圈8-10构成另外一组三相绕组单元。6个线圈的跨距均为3(即线圈的两个线圈边跨过三个齿配置)。其中套设在左半边的齿槽中的线圈5-7的引出线为A、Y、C、X、B、Z，套设在右半边的齿槽中的线圈8-10的引出线为a、y、c、x、b、z，通过将这些引出端进行配置连接，可以将线圈配置成如图3所示(图3为图1示出的铁心模块中的线圈连接关系示意图之二)的星形接法的两个三相绕组单元(总共为6相绕组)。优选地，两个三相绕组单元均为星形连接。
在图1中，齿槽总数为11个，其中，第一齿槽41为10个，左右两侧各5个，第二齿槽42为1个。线圈大致上呈椭圆形，线圈的一条线圈边和另一条线圈边分别套设在两个齿槽中，这两个齿槽之间间隔有两个齿槽，即图1中的线圈5的一条线圈边位于左侧的第一个齿槽中，而线圈5的另一条线圈边位于左侧的第四个齿槽中。在第二齿槽42中，设置了左侧的三相绕组单元的线圈7的一条线圈边和右侧的三相绕组单元的线圈8的一条线圈边。这样的设置方式使得左右两个绕组之间相差了30°电角度(即两个绕组之间的电流的相位相差30°)，从而有效地抑制了5、7次谐波磁场。
上述的铁心模块4是铁心的组成部分，将一定数量的本实施例的铁心模块4进行组合后，便可以构成整个定子铁心。每个铁心模块4整体上呈圆弧状。按照标准的每极每相槽数q＝1的设计原则，在构成同一铁心的铁心模块中，各个齿的大小相同并且排布均匀，相邻齿的中心的夹角是相等的，将该夹角定义为标准夹角β(这里所说的夹角都是以定子的中心为圆心的角度)，在标准设计的前提下，其中作为一种可选方案是整个圆周采用432个齿槽，对应于标准夹角β＝360°/432＝0.833°。
在本发明实施例中，铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则，这里的整体尺寸是指铁心模块的整体大小、弧长等，并且，在对其中的个别齿槽以及齿的尺寸进行调整时，也是参照上述的标准夹角β而设计的。对于每个铁心模块，需要保持按照标准设计下的整体弧长，即标准设计下的标准夹角β之和。举例来说，如图1所示的结构，采用了将整个铁心分割为36个铁心模块的结构，对于每个铁心模块而言，需要保持12个β的弧度，即无论对齿槽数量或者齿槽结构如何调整，整个铁心模块的整体弧度是不变的。再例如，如果采用将整个铁心分割为18个铁心模块的结构，则对于每个铁心模块而言，需要保持24个β的弧度。
在本发明的实施例中，在标准设计的基础上，对齿槽的大小和排布进行了改进，其中，作为一种优选地的结构，可以使非位于端部的第一齿槽41的左右两侧的齿的中心线的第一夹角等于标准夹角，可以使第二齿槽42的左右两侧的齿的中心线的第二夹角等于1.5倍的标准夹角，而位于两个端部的第一齿槽41(即位于图1中左右两侧的第一个齿槽)对应的第三夹角之和可以为2.5倍的标准夹角，这里第三夹角是指位于端部的第一齿槽41的靠近铁心模块中部一侧的齿的中心线与铁心模块的侧边之间的夹角。以上的各个部分的角度设定是为了使铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则，并且也能够使各个铁心模块所占有的整个圆周的角度是一样的。在本实施例中，通过对位于左右两侧的齿的宽度的调整来使整个铁心模块保持12个β的弧度。具体可以调整位于端部的两个齿，也可以仅调整一个。例如，在图1中，仅仅将其中一个右侧端部的齿进行了加宽(即使右侧边缘处的第一齿槽41对应的第三夹角设定为1.5β)，从而来弥补少了一个齿槽的宽度。作为可选方案，也可以同时调整两个端部的齿的宽度来弥补少了一个齿槽的宽度。
进一步地，作为铁心模块，其齿槽以及线圈的个数不限于图1所示的配置，可以基于上述原则来配置齿槽以及线圈数量更多的定子模块。从构成整个定子铁心的角度考虑，铁心模块的齿槽数量符合如下规则：铁心模块包含的齿槽数量为6n-1个，每一个三相绕组单元的线圈数量是3n/2个，整个铁心模块的线圈数是3n个。n的取值范围为2、4、6、8、10、12、14、16、18。具体地，铁心模块的齿槽数(括号中为按照标准的每极每相槽数q＝1的原则设计的齿槽均匀的铁心模块的齿槽的数量，也是每个铁心模块需要保持的β数)可以为：11(12)、23(24)、35(36)、47(48)、71(72)和107(108)，对应的铁心模块的瓣数可以用432除以括号中的齿槽数得到，即对应的瓣数是36、18、12、9、6、4。
实施例二
本实施例涉及由上述实施例的铁心模块构成的定子的铁心以及包含该铁心的风力发电机。
将一定数量的上述铁心模块进行组合后，便可构成本发明实施例的定子铁心。具体地，与上述的铁心模块的齿槽数相对应地，在采用整个铁心圆周为432齿槽的设计方案的前提下，构成整个铁心的铁心模块的数量可以为36、18、12、9、6、4。如图4所示，其为本发明实施例的转子磁极的结构示意图之一，整个定子铁心包括了36个如图1所示的铁心模块4。
将包含上述定子铁心的定子与转子组装后，便构成本发明实施例的风力发电机。与上述的定子铁心相对应地，转子可以采用如下结构：
如图4所示，本发明实施例以外转子为例进行说明，图中示出了4个磁极，磁极2和磁极3的极性相反，并且间隔排布。对应于上述的432齿槽的设计方案(在每极每相槽数q＝1的原则之下设计出的齿槽)，转子磁极总数可以为144极(转子磁极总数＝432/(m*q)＝432/(1*3)＝144，其中m是相数)。并且转子也可以为分瓣结构，即由多个转子模块组合而成。设置在转子支架1上的磁极可以采用斜磁极。进一步地，如图5所示，其为本发明实施例的转子磁极的结构示意图之二，在斜磁极的沿着与风力发电机的轴线平行的截面(即图5所示的截面)上，斜磁极的上下两条边之间错开的弧长所对应的角度kt可以为上述标准夹角，与上述实施例对应地，该标准夹角可以为0.833°。
优选地，磁极为表贴式磁极，磁极的轴向截面形状能够使每个磁极与定子铁心的外圆周形成不均匀气隙。例如，如图4和图6所示，图6为本发明实施例的转子磁极的结构示意图之三。在磁极的与风力发电机的轴线垂直的截面(即图6所示的截面)上，磁极朝向定子一侧的边缘呈弧形，并且可以通过设置弧形的大小使得磁极的边缘与定子铁心的外圆周形成的最大气隙与最小气隙的比值为1.5:1，即图6中的磁极两个端部的气隙δ1与中部的气隙δ之间的比值为1.5:1，以使气隙磁场分布接近正弦性。更进一步地，如图6所示，在磁极的与风力发电机的轴线垂直的截面(即图6所示的截面)上，磁极靠近转子支架的底边与侧边的夹角α优选为70°～75°。
通过上述的转子磁极的结构，能够更好地配合上述实施例中的定子的铁心模块的齿槽以及线圈的排布方式，从而降低5、7次谐波磁场。
综上所述，本发明实施例的风力发电机包括转子和定子，转子包括转子支架和磁极，定子包括铁心和单层绕组，本实施例的永磁发电机在每极每相槽数q＝1的设计原则的基础上，对铁心模块的齿槽进行了改进，通过改变齿槽的机械角度以及齿槽数量，实现了双Y移30°电角度(即两个星形连接的三相绕组单元相差30°相位)的单层绕组结构的设计，在不增加线圈主要尺寸和制造成本的基础上，能够有效地削弱5、7次绕组谐波磁动势，而且能够实现定子分瓣设计的目的，本发明转子永磁体的利用率高，能够降低永磁体的漏磁系数，气隙磁场正弦性好，有效地削弱了齿槽转矩。降低了发电机空载和负载转矩脉动，并且能够改善空载反电动势波，降低了发电机的振动和噪声，延长了发电机的使用寿命，提高了发电机的可靠性。需要说明的是，本发明实施例的方案不局限于内定子、外转子的设计，还可以为内转子，外定子的设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种风力发电机的定子的铁心模块，其特征在于，所述铁心模块的整体尺寸符合每极每相槽数q＝1的原则，所述铁心模块中设置有两个三相绕组单元，所述两个三相绕组单元之间的电角度相差30度。
2.根据权利要求1所述的铁心模块，其特征在于，所述铁心模块具有多个容纳线圈的齿槽，每个所述线圈套设在两个齿槽中，所述齿槽分为容纳一个线圈边的第一齿槽和容纳两个线圈边的第二齿槽，
所述第二齿槽的数量为1个，排列在所有齿槽的中间位置，所述第二齿槽左右两侧的所述第一齿槽的数量相等，
在所述铁心模块中，设置有线圈数量相等的两个三相绕组单元，每个三相绕组单元的线圈数量为3的整数倍，
所述两个三相绕组单元分别设置在以所述第二齿槽为中心的左右两侧，所述两个三相绕组单元的相邻的线圈的一条线圈边位于所述第二齿槽中。
3.根据权利要求2所述的铁心模块，其特征在于，非位于端部的所述第一齿槽的左右两侧的齿的中心线的第一夹角等于标准夹角，
所述第二齿槽的左右两侧的齿的中心线的第二夹角等于1.5倍的标准夹角；
位于两个端部的所述第一齿槽对应的第三夹角之和为2.5倍的标准夹角，所述第三夹角为位于端部的所述第一齿槽的靠近铁心模块中部一侧的齿的中心线与所述铁心模块的侧边之间的夹角；
所述标准夹角为按照每极每相槽数q＝1的原则设计出的齿槽均匀分布的铁心模块的相邻齿的中心线的夹角。
4.根据权利要求3所述的铁心模块，其特征在于，所述标准夹角为0.833°。
5.根据权利要求2所述的铁心模块，其特征在于，两个所述三相绕组单元中的绕组均为星形连接。
6.根据权利要求1至5任一所述的铁心模块，其特征在于，所述铁心模块包含的齿槽数量为6n-1个，每个三相绕组单元的线圈数量为3n/2个，n的取值范围为2、4、6、8、10、12、14、16、18。
7.一种风力发电机的定子铁心，其特征在于，所述定子铁心为分瓣结构，由多个如权利要求1至6任一所述的铁心模块组合而成。
8.一种风力发电机，其特征在于，包括转子和定子，所述定子包括如权利要求7所述的定子铁心。
9.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述转子为分瓣结构，由多个转子模块组合而成。
10.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述转子的磁极为斜磁极。
11.根据权利要求10所述的风力发电机，其特征在于，在所述斜磁极的沿着与风力发电机的轴线平行的截面上，所述的斜磁极的上下两条边之间错开的弧长所对应的角度为标准夹角，所述标准夹角为按照每极每相槽数q＝1的原则设计出的齿槽均匀分布的铁心模块的相邻齿的中心线的夹角。
12.根据权利要求11所述的风力发电机，其特征在于，所述标准夹角为0.833°。
13.根据权利要求12所述的风力发电机，其特征在于，所述转子的磁极为表贴式磁极，所述磁极的轴向截面形状能够使每个磁极与定子铁心的外圆周形成不均匀气隙。
14.根据权利要求13所述的风力发电机，其特征在于，在所述磁极的与所述风力发电机的轴线垂直的截面上，所述磁极朝向所述定子一侧的边缘呈弧形，所述磁极的边缘与定子铁心的外圆周形成的最大气隙与最小气隙的比值为1.5:1。
15.根据权利要求14所述的风力发电机，其特征在于，在所述磁极的与所述风力发电机的轴线垂直的截面上，所述磁极靠近转子支架的底边与侧边的夹角为70°～75°。
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