CN105490417A - 一种风力发电用的永磁同步发电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电用的永磁同步发电机转子，所述永磁同步发电机转子包括永磁体磁钢、转子铁芯和转轴，还包括第一孔槽和空气槽；所述永磁体磁钢、转子铁芯和转轴以同一个圆周中心线由外到内依次紧贴分布，所述转轴为实心轴，在所述转轴与所述转子铁芯相衔接的圆周上采用热过盈配合，且位于所述转子铁芯一侧圆周上设置有多个半圆形所述空气槽；在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的所述第一孔槽，所述第一孔槽的数目与永磁体磁钢数目相等，且所述第一孔槽的圆心位于每片磁钢的中心轴线上；满足了风力发电领域发电机重量轻、控制灵活、结构简单、抗振动能力强以及高效高可靠性的技术要求。

Description

一种风力发电用的永磁同步发电机转子

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电用的永磁同步发电机转子。

背景技术

近年来，随着风力发电系统的快速发展，其在电力能源中所占的比重日益增加。风力发电机组对并网的可靠性、重量、经济效益要求严格，可靠性高、重量轻、单位体积出力大是风力发电领域对各类发电机的基本要求。稀土永磁体具有的高矫顽力特别是高内禀矫顽力和高磁能积可以使稀土永磁同步发电机在相同条件下具有更高的可靠性和轻重量，适用于新的电网规则中对风电机组的技术需求，国内在这一领域研究和应用起步较晚，研制任务紧、技术难度大，国外对我国实行技术封锁。

现有的电机转子为中空结构的设计方法，提出一种永磁无刷直流电机转子，转子铁芯通过多层矽钢片叠压而成，矽钢冲片上分布有多个铸铝孔，矽钢冲片通过铸铝孔内铸铝连接而成，其电机的转子结构无法满足实现风力发电系统风电机组的高可靠性大功率永磁同步发电机。

根据风力发电系统风电机组的设计指标进行发电机的结构设计，为了适应未来新的电网规则中对风电机组在电网故障时具备穿越能力的要求，并能够在故障清除后平稳恢复正常运行状态，除了满足要求的设计指标外，发电机的可靠性越高，重量越轻越好，因此可靠性减重设计非常关键。

近年来，稀土永磁同步发电机及其控制技术成功地扩展到风力发电系统的各个领域。电网风力发电系统对机组的可靠性、重量要求严格，可靠性高、重量轻、单位体积出力大是电力发电系统领域对各类发电机的基本要求。稀土永磁体具有的高矫顽力特别是高内禀矫顽力和高磁能积可以使稀土永磁同步发电机在相同条件下具有更高的可靠性和轻重量，适用于风力发电领域高功率密度发电机的技术需求，国内在这一领域研究和应用起步较晚，研制任务紧、技术难度大。

因此，迫切需要一种新型的发电机来解决上述问题的存在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种风力发电用的永磁同步发电机转子满足风力发电领域发电机重量轻、控制灵活、结构简单、抗振动能力强以及高效高可靠性的技术要求。

一种风力发电用的永磁同步发电机转子，所述永磁同步发电机转子包括永磁体磁钢、转子铁芯和转轴，还包括第一孔槽和空气槽；所述永磁体磁钢、转子铁芯和转轴以同一个圆周中心线由外到内依次紧贴分布，

所述转轴为实心轴，在所述转轴与所述转子铁芯相衔接的圆周上采用热过盈配合，且位于所述转子铁芯一侧圆周上设置有多个半圆形所述空气槽；在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的所述第一孔槽，所述第一孔槽的数目与永磁体磁钢数目相等，且所述第一孔槽的圆心位于每片磁钢的中心轴线上。

优选地，在均匀排布的多个所述第一孔槽之间设置有圆形的第二孔槽，所述第二孔槽的圆心与所述第一孔槽的圆心位于同一个圆周上。

优选地，在所述第一孔槽的上方、位于所述永磁体磁钢的正下方的圆孔往外还设有凹槽。

优选地，所述第一孔槽内径为转子轭部厚度的0.4~0.7倍。

优选地，所述第二孔槽内径为第一孔槽内径的0.4~0.6倍。

优选地，所述第一孔槽与第二孔槽相邻两个孔槽之间圆心角间隔30°。

优选地，所述空气槽的半径大小为转子轭部厚度的0.2~0.3倍。。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的一种风力发电用的永磁同步发电机转子，克服了传统的风力发电机的缺点，永磁直躯型风电机组在结构上省去了传动齿轮箱，且通过电压源换流器高压直流输电与电网连接，解决了风电机组在电网故障期间失稳、转速受限制、可靠性差等问题；与风力发电系统的双馈机组相比，具有可靠性高、重量轻、功率密度高的特点。满足风力发电领域发电机重量轻、控制灵活、结构简单、抗振动能力强以及高效高可靠性的技术要求。

特别是在不影响电机性能的前提下，本发明对永磁同步发电机的电磁场、应力场和温度场也进行了相应的分析和研究，基于有限元仿真的分析方法，通过对电机物理场的综合分析，验证了所设计的发电机是否能满足在工作条件下的稳定、安全运行，并根据数据和分析结果对该发电机转子结构进行减重设计，使转子的设计达到最优化。通过在发电机转子特殊方位上设置孔槽和空气槽，在确保发电机磁场强度、机械强度和承载能力的情况下，减轻了发电机转子的重量，实现了风力发电机组永磁同步发电机轻量化、大功率、高效能的特点。既减轻了风力发电机组永磁同步发电机重量，又能满足发电机机械强度的要求，同时开凿的孔槽可做为通风道，有通风冷却的功能，有利于发电机自身散热，对减少发电机工作过程中的发热量起到一定作用，解决了风力发电机可靠性差的普遍问题，实现永磁同步发电机的轻量化大功率。

本发明中的永磁同步发电机对电网电力系统发电机组的动力装置的减重也非常有利，因此其在电力系统领域的应用前景很好，优化后方案与原方案相比减重可达到40%。

附图说明

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1：为本发明中一种风力发电用的永磁同步发电机转子的结构示意图；

附图标记说明：1.永磁体磁钢；2.转子铁芯；3.转轴；4.第一孔槽；5.第二孔槽；6.空气槽。

具体实施方式

为了清楚了解本发明的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本发明实施例的具体施行并不足限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明实施例的风力发电用的永磁同步发电机转子为高可靠性大功率的，如图1所示，包括永磁体磁钢1、转子铁芯2和转轴3，其特征在于，还包括第一孔槽4和空气槽6；所述永磁体磁钢1、转子铁芯2和转轴3以同一个圆周中心线由外到内依次紧贴分布，

本发明实施例中转子磁极为表贴瓦片式，由六片永磁体磁钢1均匀分布构成六极电机，这种转子磁路结构比较简单、加工制造方便，易于实现最优化设计，适用于永磁同步发电机，转子加紧圈以防止磁钢高速时被甩出。转子铁芯2由冷轧硅钢片叠压而成，在磁密较小的地方，减重优化，分别凿有六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4和沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5，相互间隔，均匀分布在转子圆周上；六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4分别位于每一片永磁体磁钢1中心轴线下方，整体结构为大圆圆孔，在距离永磁体磁钢1正下方，磁密较小，可以进一步减重优化，圆孔往外凿有方孔；六个沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5分别位于两片永磁体磁钢1之间的中心轴线上，整体结构为小圆圆孔；转轴3为实心轴，均匀分布有六个半圆空气槽6。

所述的沿磁钢中心轴线上孔槽4和沿磁钢间隙轴线上孔槽5，均为大小圆孔，由于截面积突然发生变化，而使在这些部位附近，应力集中，会削弱发电机的机械强度，降低发电机的承载能力，在保证发电机磁场强度、机械强度和发电机性能的情况下进行优化，采用圆角过渡。在实际的加工中，采用圆角过渡是一种简单方便的缓解应力集中现象。

所述的空气槽6为六个半圆，采用圆角过渡，均匀分布在转轴3上，空气槽6尺寸根据转轴3大小确定，与沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5之间留有间隙。键槽是转子与转轴连接的关键部分，通过它来传递力矩。

所述的永磁体磁钢1材料考虑电机的工作温度，有良好的热稳定性；同时为减小电机体积重量，选择高剩磁、高矫顽力的永磁材料。

所述的转子铁芯2材料首先需满足电机的需求，不同的方案选择不同饱和磁感应强度的冲片材料，为提高电机效率，应选择低损耗的材料，在此基础上选择价格便宜、工艺简单的材料。

所述的转轴3材料选择应有足够的强度，对应力集中敏感性好加工性能良好。

所述的转轴3为实心轴，均匀分布有六个半圆空气槽6和转子铁芯2采用热过盈配合。不仅实现了减重优化，而且确保了连接的稳定性。

风电机组用750kW永磁同步发电机上的转子结构：

风力发电机组用发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，使得发电机转速可以在同步转速范围内调节，充分利用风能，提高发电效率，以保障机组的安全运行。本项目设计750kW永磁同步发电机作为风力发电机组的发电动力装置。

风力发电机组用发电机对重量、可靠性都有严格要求。永磁同步发电机采用稀土永磁体励磁，相比传统双馈同步发电机等，具有可靠性高、重量轻，功率密度高的特点。

参照附图1，将转子磁极设置为表贴瓦片式，由六片永磁体磁钢1均匀分布构成六极电机，这种转子磁路结构比较简单、加工制造方便，易于实现最优化设计，适用于永磁无刷直流电机，转子加紧圈以防止磁钢高速时被甩出。转子铁芯2由冷轧硅钢片叠压而成，在磁密较小的地方，减重优化，分别凿有六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4和沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5，相互间隔，均匀分布在转子轭部外径与内径中心圆周上，圆周直径为37.6mm。

转子轭部外径51.4mm，转子轭部内径24mm，转子轭部厚度13.7mm，第一孔槽4内径8.6mm，为转子轭部厚度的0.63倍。

六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4分别位于每一片永磁体磁钢1中心轴线下方，整体结构为大圆圆孔，内径为转子轭部厚度的0.4~0.7倍，实施例为0.63倍=8.6mm。在距离永磁体磁钢1正下方，磁密较小，可以进一步减重优化，距离永磁体磁钢1正下方不小于1.5mm处，圆孔往外有凹槽；六个沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5分别位于两片永磁体磁钢1之间的中心轴线上，整体结构为小圆圆孔，第二孔槽5内径为第一孔槽4内径的0.4~0.6倍，实施例为0.53倍=4.6mm；转轴3为实心轴，均匀分布有六个半圆空气槽6，空气槽6的半径大小为转子轭部厚度的0.2~0.3倍，实施例为0.22倍，半径为3mm。沿磁钢中心轴线上第一孔槽4和沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5，采用圆角过渡。第一孔槽4与第二孔槽5相邻两个孔槽之间圆心角间隔30°。

永磁体磁钢材料选用有良好的热稳定性、高剩磁、高矫顽力的永磁材料钐钴2:17永磁体，磁钢厚度5mm。为提高电机效率，转子冲片材料选择低损耗、工艺简单的DW310-35材料。转轴材料选择40Cr，有足够的强度，对应力集中敏感性好加工性能良好。转轴为实心轴，六个半圆键槽和转子采用过盈配合，不仅实现了减重优化，而且确保了连接的稳定性。

本发明中风力发电机组用永磁同步发电机与传统的风力发电双馈发电机相比，风电机组在结构上省去了传动齿轮箱，且是通过电压源换流器高压直流输电与电网连接，解决了未来新的电网规则中对风电机组在电网故障时具备穿越能力的要求，即当电网发生故障时，风电机组能够实现穿越运行，并能在故障清除后平稳恢复正常运行状态，减少了对电网造成进一步的冲击，能够保证大电网的稳定运行。与风力发电双馈发电机相比，具有可靠性高、重量轻、功率密度高的特点。满足风力发电领域电机可靠性高、重量轻、控制灵活、结构简单、抗振动能力强以及发电效率高的技术要求。特别是对该发电机转子结构进行的减重设计，在确保发电机磁场强度、机械强度和承载能力的情况下，进一步实现了风力发电机组用永磁同步发电机高可靠性、轻量化、大功率、高效能的特点。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风力发电用的永磁同步发电机转子，所述永磁同步发电机转子包括永磁体磁钢（1）、转子铁芯（2）和转轴（3），其特征在于，还包括第一孔槽（4）和空气槽（6）；所述永磁体磁钢（1）、转子铁芯（2）和转轴（3）以同一个圆周中心线由外到内依次紧贴分布，

所述转轴（3）为实心轴，在所述转轴（3）与所述转子铁芯（2）相衔接的圆周上采用热过盈配合，且位于所述转子铁芯（2）一侧圆周上设置有多个半圆形所述空气槽(6)；在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的所述第一孔槽（4），所述第一孔槽（4）的数目与永磁体磁钢（1）数目相等，且所述第一孔槽（4）的圆心位于每片磁钢的中心轴线上。

2.根据权利要求1所述的风力发电用的永磁同步发电机转子，其特征在于，在均匀排布的多个所述第一孔槽（4）之间设置有圆形的第二孔槽（5），所述第二孔槽（5）的圆心与所述第一孔槽（4）的圆心位于同一个圆周上。

3.根据权利要求2所述的风力发电用的永磁同步发电机转子，其特征在于，在所述第一孔槽（4）的上方、位于所述永磁体磁钢（1）的正下方的圆孔往外还设有凹槽。

4.根据权利要求2所述的风力发电用的永磁同步发电机转子，其特征在于，所述第一孔槽（4）内径为转子轭部厚度的0.4~0.7倍。

5.根据权利要求2所述的风力发电用的永磁同步发电机转子，其特征在于，所述第二孔槽（5）内径为第一孔槽（4）内径的0.4~0.6倍。

6.根据权利要求2所述的风力发电用的永磁同步发电机转子，其特征在于，所述第一孔槽（4）与第二孔槽（5）相邻两个孔槽之间圆心角间隔30°。

7.根据权利要求2所述的风力发电用的永磁同步发电机转子，其特征在于，所述空气槽（6）的半径大小为转子轭部厚度的0.2~0.3倍。