CN105024465B - 定子双绕组电励磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定子双绕组电励磁风力发电机，包括定子和转子，转子位于定子的内部，定子和转子之间设置有气隙，定子和转子均为凸极结构；定子包括定子铁芯、机座和多个绕组；定子铁芯包括定子轭、多个定子齿和多个定子槽；机座位于定子铁芯的外部，定子齿之间为定子槽，每个定子槽中设置有绕组；转子包括转子铁芯、转轴和转子支架；转子支架的第一端连接在转轴上，转子支架的第二端连接在转子铁芯上，转轴通过转子支架带动转子转动。本发明的风力发电机整体结构简单、励磁电流调节方便、电机电压波形畸变率低、转矩脉动低及可靠性高。

Description

定子双绕组电励磁风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机结构技术，特别涉及一种定子双绕组电励磁风力发电机。

背景技术

随着社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势。风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生资源之一，凭借其可开发量、分布区域广、安全环保等优点，在社会经济可持续发展中发挥着重要的作用。

目前社会上已出现了各种结构的风力发电机，但是已有的风力发电机主要以双馈式发电机和永磁直驱或半直驱发电机为主，电机结构相对复杂，励磁电流调节不方便。其中，双馈式发电系统中常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机其缺点是仍然包括有滑环和电刷结构，使得风力发电机在恶劣的运行环境中较易出现故障；永磁发电机的缺点是永磁材料成本高，导致整机成本相对较高，以及在使用过程中会出现励磁调节困难及电机退磁的风险，其原因是永磁材料在高温、震动和过电流情况下，有可能永久退磁，致使发电机整体报废。另外，社会上出现的磁通切换发电机主要以永磁型以及混合励磁型为主，其应用场合主要以小型发电机为主，在大型的风力发电场合类似结构的发电机存在结构实施困难、绕组嵌线困难。

因此本领域迫切需要一种风力发电机，其励磁线圈具有结构、实施简单方便、便于克服绕组嵌线困难。

发明内容

本发明的实施例旨在克服以上技术问题，提出一种具有结构新型、实施简单方便、便于克服绕组嵌线困难的定子双绕组电励磁风力发电机。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，包括定子和转子，其中，

所述转子位于所述定子的内部，所述定子和所述转子之间设置有气隙，所述定子和所述转子均为凸极结构；

所述定子包括定子铁芯、机座和多个绕组；

所述定子铁芯包括定子轭、多个定子齿和多个定子槽；

所述机座位于所述定子铁芯的外部，所述定子齿之间为所述定子槽，每个所述定子槽中设置有所述绕组；

所述转子包括转子铁芯、转轴和转子支架；

所述转子支架的第一端连接在所述转轴上，所述转子支架的第二端连接在所述转子铁芯上，所述转轴通过所述转子支架带动所述转子转动。

根据本发明的第二方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，所述绕组包括励磁绕组和电枢绕组，所述励磁绕组和所述电枢绕组分别设置在相邻的所述定子槽中。

根据本发明的第三方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，每个所述定子槽中的所述绕组设置为左右双层分布。

根据本发明的第四方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，所述励磁绕组的结构采用模具成形，使所述励磁绕组的线圈端部沿径向朝外弯曲。

根据本发明的第五方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，所述转轴的内部设置为通孔结构，所述通孔结构内设置有与叶片轮毂连接的穿线管，所述转轴的驱动端设置有内花键。

根据本发明的第六方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，所述定子的定子铁芯采用扇形硅钢片叠装而成，整个所述定子铁芯由6片所述扇形硅钢片拼成。

根据本发明的第七方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，所述励磁绕组的端部绑扎与固定通过定子铁芯压圈上的连接螺杆进行绑扎固定。

根据本发明的第八方面，提供一种定子双绕组电励磁风力发电机，其中，所述励磁绕组和所述电枢绕组的连接方式采用集中串联。

本发明的定子双绕组电励磁风力发电机相比于现有技术具有如下优点:

1、该电机不需要永磁体作为励磁源，也不需要转子力矩限制器，降低了电机的造价成本，并且其结构简单，可靠性高，在电机运行维护方面具有天然优势；

2、该定子励磁线圈结构形式相比于传统的线圈结构形式具有如下优势：节省端部空间、减少电机尺寸、保证了励磁线圈的端部固定又为电枢线圈的装配让出了充足的装配及引线焊接的空间；

3、该电机的主要尺寸以及接口尺寸与传统永磁半直驱风力发电机可以保持一致或接近，意味着此风力发电机可以得到快速应用；

4、该电机采用定子24/转子14的齿比配合，有效地降低了电机的转矩脉动。

附图说明

图1为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的轴向剖面图；

图2为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的定子和转子部分的轴向剖面图；

图3为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的定子嵌线轴向视图；

图4为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的定子励磁绕组三维模型。

附图标记说明：

1、定子 1-1、定子轭 1-2、定子齿

1-3、定子槽 2、转子 2-1、转子铁芯

2-2、转轴 2-3、转子支架 3、绕组

3-1、电枢绕组 3-2、励磁绕组

3-2-1、励磁绕组的主体 3-2-2、励磁绕组的端部

4、机座 5、定子铁芯压圈

6、连接螺杆 7、连接块

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构及技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的轴向剖面图，如图1所示，本发明的定子双绕组电励磁风力发电机包括定子1和转子2，定子1和转子2均为凸极结构，且定子1和转子2之间设置有气隙。其中，定子1包括定子铁芯、机座4和多个绕组3。转子2位于定子1的内部，机座4位于定子铁芯的外部。转子2包括转子铁芯2-1、转轴2-2和转子支架2-3。其中，转子支架2-3的第一端连接在转轴2-2上，转子支架2-3的第二端连接在转子铁芯2-1上，在本发明的定子双绕组电励磁风力发电机使用过程中，转子2中设置的转轴2-2可以通过转子支架2-3来带动转子2发生转动。由于转子2中既不包括永磁体也不包括电枢绕组3-1，即转子2上没有设置永磁体和电枢绕组3-1，使得本发明的定子双绕组电励磁风力发电机结构简单，运行可靠，也提高了风电系统的稳定性。本发明的定子双绕组电励磁风力发电机中的机座4主要是支撑和固定铁芯、绕组3等部件，并且将定子1、转子2连接组装起来的结构件，同时起到方便设备安装，适应不同的设备及安装环境而调整安装尺寸的作用，另外本发明的机座4包含一个水循环冷却套，其水阻小，换热效率高。

如图2所示，定子铁芯包括定子轭1-1、多个定子齿1-2和多个定子槽1-3。相邻的定子齿1-2之间为定子槽1-3，每个定子槽1-3中设置有绕组3；

在定子槽1-3中设置的绕组3既包括励磁绕组3-2也包括电枢绕组3-1，并且励磁绕组3-2和电枢绕组3-1分别设置在相邻的两个定子槽1-3中，其中，绕组3的节距设置为2。另外，每个定子槽1-3中设置为左右双层分布。

本发明的进一步实施例中，定子1和转子2均由硅钢片叠压制成，这样设置的电机能够减少涡流损耗，提高电机效率。另外，本发明的定子铁芯采用扇形硅钢片叠压而成，并且整个定子1在圆周方向上由6片扇形硅钢片叠装而成，并且叠压扇形硅钢片方式采用半叠片方式。

图3为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的定子嵌线轴向视图，如图3所示，本发明的进一步实施例中，采用定子铁芯压圈5是为了保证在由硅钢片叠压形成定子铁芯后，扇形硅钢片在轴向上保持紧固的状态，不容易发生松散的现象。励磁绕组的端部3-2-2绑扎与固定也可以通过定子铁芯压圈5上的连接螺杆6进行绑扎固定，在相邻的连接螺杆6之间还设置有连接块7，本发明中采用连接螺杆6与连接块7是为了将励磁绕组3-2能够稳固地固定在定子铁芯压圈5上，从而使得励磁绕组3-2与定子铁芯稳固地连接在一起。此外，上述连接螺杆6同时还可用来作为导电环的固定。

图4为本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的定子励磁绕组三维模型，如图4所示，励磁绕组的主体3-2-1为励磁绕组3-2上除励磁绕组的端部3-2-2之外的部分，而励磁绕组的端部3-2-2为沿径向朝外成形，在图4中为朝上弯曲，与定子铁芯的外圆面接近平行。需要说明的是，本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的绕组3中包括的励磁绕组3-2是采用一种特定模具成形，该特定模具的形状与励磁绕组3-2的形状相匹配。这样设置使得本发明的定子励磁线圈3-2结构相比于传统的线圈结构形式，具有如下优势：节省端部空间，减少电机尺寸，同时还既保证了励磁线圈3-2的端部固定，又为电枢线圈3-1的装配让出了充足的装配及引线焊接的空间。

本发明的进一步实施例中，电枢绕组3-1与励磁绕组3-2都采用集中串联的连接方式，这样设置的绕组3其端部较短，从而使铜耗减少，电机效率也得以提高。

本发明的进一步实施例中，定子双绕组电励磁风力发电机为定子24/转子14的齿比配合，即本发明的定子双绕组电励磁风力发电机包括24齿外定子1及14齿内转子2，这样设置可以有效地降低风力发电机的转矩脉动。

本发明的进一步实施例中，转子2上的转轴2-2的内部设置为通孔结构的形式，并且在通孔结构的内部设置有与叶片轮毂连接的穿线管，此外在转轴2-2的驱动端部分还设置有内花键，这样设置可以保证转轴2-2在旋转过程中受力均匀且对转轴2-2的强度削弱较少，由于接触面积大还可承受较大的载荷。

本发明的进一步实施例中，转子2上的转子支架2-3的第一端连接在转轴2-2上，第二端连接在转子铁芯2-1上。优选地，在转子2的各部件安装过程中，可以将转子支架2-3安装在转轴2-2上并沿转轴2-2焊接固定，需要说明的是，转子支架2-3还可以通过其他本领域技术人员公知的技术与转轴连接。在本发明的定子双绕组电励磁风力发电机在使用过程中，由于转子支架2-3是固定在转轴2-2上，而转子支架2-3的第二端是连接在转子铁芯2-1上的，转轴2-2在其驱动端的作用下发生转动，此时转子支架2-3会在转轴2-2的带动下带动转子2发生转动。

本发明的进一步实施例中，本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的电机驱动端设置有与齿轮箱接口配合的安装法兰，机座4与齿轮箱通过法兰连接固定在一起，而转轴2-2与齿轮箱通过内花键连接，在风力发电机的叶片发生转动后，通过齿轮箱可以将转速提升至电机所需的转速，从而带动转轴2-2发生转动，转轴2-2的转动来带动转子2发生转动。

本发明的电机中的定子1和转子2相对设置，且均为凸极结构，使得本发明的风力发电机的定子1和转子2在工作过程中形成的磁路遵循磁路磁阻最小原理，通过电枢绕组3-1的磁链是双极性的，电枢绕组3-1感应的电动势波形正弦性良好，电压波形畸变率低，同时电机的转矩脉动小；由于电枢绕组3-1与励磁绕组3-2均设置在定子槽1-3中，且绕组3的连接方式和普通电机相同，不需要在定子1上额外开槽来安放励磁绕组3-2，电机结构简单，同时电机在励磁的控制方式上也得到了简化；由于励磁绕组3-2放置在定子1中不需要电刷和滑环等结构，同时由于未设置有永磁体，避免了电机在实际运行时励磁调节困难以及电机退磁的风险；由于转子2上既无永磁体也无电枢绕组3-1，使得本发明的定子双绕组电励磁风力发电机的结构简单、适合于高速运行并且在风力发电领域具有广泛的应用前景。

此外，本发明的电机由于不需要永磁体作为励磁源，也不需要转子力矩限制器，降低了电机的造价成本，并且其结构简单，可靠性高，在电机运行维护方面有天然优势；本发明的定子励磁线圈3-2结构相比于传统的线圈结构形式，具有节省端部空间、减少电机尺寸的优势，同时既保证了励磁绕组3-2的端部固定，又为电枢绕组3-1的装配让出了充足的装配及引线焊接的空间；本发明的电机的主要尺寸以及接口尺寸与传统永磁半直驱风力发电机可以保持一致或接近，使得本发明的风力发电机可以得到快速应用；本发明的电机采用定子24/转子14的齿比配合，从而可以有效地降低电机的转矩脉动。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神及范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围及边界、或者这种范围及边界的等同形式内的全部变化及修改例。

Claims (5)

1.一种定子双绕组电励磁风力发电机，包括定子和转子，其特征在于，

所述转子位于所述定子的内部，所述定子和所述转子之间设置有气隙，所述定子和所述转子均为凸极结构；

所述定子包括定子铁芯、机座和多个绕组；

所述定子铁芯包括定子轭、多个定子齿和多个定子槽；

所述机座位于所述定子铁芯的外部，所述定子齿之间为所述定子槽，每个所述定子槽中设置有所述绕组；

所述转子包括转子铁芯、转轴和转子支架；

所述转子支架的第一端连接在所述转轴上，所述转子支架的第二端连接在所述转子铁芯上，所述转轴通过所述转子支架带动所述转子转动；并且

所述绕组包括励磁绕组和电枢绕组，所述励磁绕组和所述电枢绕组分别放置在相邻的所述定子槽中，所述励磁绕组的结构采用模具成形，使所述励磁绕组的线圈端部沿径向朝外弯曲；

每个所述定子槽中的所述绕组设置为左右双层分布；

所述风力发电机不需要永磁体作为励磁源，也不需要转子力矩限制器。

2.根据权利要求1所述的定子双绕组电励磁风力发电机，其特征在于，所述转轴的内部设置为通孔结构，所述通孔结构内设置有与叶片轮毂连接的穿线管，所述转轴的驱动端设置有内花键。

3.根据权利要求1所述的定子双绕组电励磁风力发电机，其特征在于，所述定子的定子铁芯采用扇形硅钢片叠装而成，整个所述定子铁芯由6片所述扇形硅钢片拼成。

4.根据权利要求1所述的定子双绕组电励磁风力发电机，其特征在于，所述励磁绕组的端部绑扎与固定通过定子铁芯压圈上的连接螺杆进行绑扎固定。

5.根据权利要求1所述的定子双绕组电励磁风力发电机，其特征在于，所述励磁绕组和所述电枢绕组的连接方式采用集中串联。