CN106329859A - 双转子对旋式永磁无刷风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种双转子对旋式永磁无刷风力发电机，包括同轴设置且相互独立的定子、内转子和外转子，定子与外转子之间具有气隙，内转子设置在气隙中，内转子和外转子自由旋转且转动方向相反，定子上安装有定子绕组，内转子包括沿周向间隔排列的具有磁场调制功能的导磁单元，外转子上设置有沿周向间隔排列的永磁体磁极。本发明结合了磁齿轮、磁场调制永磁电机的优点，不会增加电机的成本，不需要通过电刷滑环系统为定子绕组供电，在给定的风速下，两个转子可以于相反的方向旋转捕捉风能，有效提升气隙磁场的旋转速度和风能利用率，进而提高发电系统的功率密度。此外，它实现了通过磁场的相互作用的非接触型转矩和速度的传输，具有低噪音和转矩密度高的优点。

Description

双转子对旋式永磁无刷风力发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种双转子对旋式永磁无刷风力发电机。

背景技术

风能作为一种清洁的、可再生的、对环境影响小的新能源在世界范围内得到了越来越多的关注。中国已经成为世界上最大的风机生产国和全球增长速度最快的风能市场，并且中国已经将风力发电纳入重要的经济增长点。但是传统的单转子风力发电机风能利用率不高。虽然双转子对转结构的风力发电机可以有效提高风能利用率20％到40％，然而采用传统的风力发电机难以实现双转子对转结构，目前的解决方法有两种，一是采用两台独立的发电机；二是使电枢绕组与转子反向旋转，但是旋转的电枢绕组需要额外的电刷和滑环，增加了维护成本。因此一种单定子双转子对旋式无刷发电机结构对于提高风能利用率具有重要意义。

采用磁场调制原理设计的永磁齿轮可以显著的提高齿轮的转矩密度，同时避免了机械齿轮的机械摩擦，可以实现无接触传动。磁场调制式永磁齿轮具有高转矩密度，高效率，低噪音，无摩擦，不需要润滑措施等优点。通过磁场调制式永磁齿轮的设计而发展起来的磁场调制理论已经被广泛应用于特种电机的设计。磁场调制式永磁齿轮的工作原理以及磁场调制原理已经在专利号为CN102312986A的专利中进行了详细阐述。磁场调制实现的核心部件是具有磁场调制功能的导磁单元，导磁单元可以将一种极对数的磁场调制成另一种极对数的磁场，而两种磁场的旋转方向相反。磁场调制机理应用于永磁齿轮，就使得齿轮两个转子上不同极对数的磁场相互耦合，实现转矩的传递。

磁场调制式永磁电机是在永磁齿轮的基础上，根据磁场调制理论而设计产生的。磁场调制式永磁电机的优点是转矩密度大，绕组散热性能好，特别适用于低速大转矩的应用场合。基于磁场调制原理的永磁电机的与磁场调制式永磁齿轮一样，其核心部件是导磁单元。在磁场调制式永磁电机中，转子永磁体的极对数与定子绕组的极对数不相等，通过导磁单元的调制作用，可以将转子永磁体所产生的磁场调制成极对数与定子绕组相同的磁场，实现转子永磁体磁场与定子绕组磁场的耦合，从而完成机械能与电能间的相互转换，通常情况下，要求转子永磁体的极对数大于定子绕组的极对数。简化后的磁通调制永磁电机中的高速旋转磁场是由电枢绕组中的交流电流产生的，这种磁通调制永磁电机虽具有较高的转矩密度，但由于永磁材料的使用，使得电机的成本提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种双转子对旋式永磁无刷风力发电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双转子对旋式永磁无刷风力发电机，包括同轴设置且相互独立的定子、内转子和外转子，所述定子与外转子之间具有气隙，所述内转子设置在所述气隙中，所述内转子和外转子自由旋转且转动方向相反，所述定子上安装有定子绕组，所述内转子包括沿周向间隔排列的具有磁场调制功能的导磁单元，所述外转子上设置有沿周向间隔排列的永磁体磁极。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述定子绕组的极对数为P1，所述导磁单元的个数为N，所述永磁体磁极的极对数为P2，|P1±P2|＝N，P1、P2、N为正整数。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述定子、内转子和外转子依次同轴并列排布形成轴向磁场的盘式旋转结构，或者所述定子、内转子和外转子由内而外依次套设形成径向磁场的套筒式同心结构。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，任意的两个导磁单元之间由非导磁材料制件或者由永磁材料制件分隔，导磁单元与非导磁材料制件或者永磁材料制件交错设置且相互连接在一起组成环形的所述内转子。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述导磁单元沿周向均匀分布。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述永磁体磁极粘贴在所述外转子的内表面形成表贴式结构；

或者，所述外转子沿圆周方向开槽，所述永磁体磁极嵌在所述外转子的槽内形成内嵌式结构；

或者，每个所述永磁体磁极由具有聚磁式结构的三块独立的永磁材料组成，其中中间的永磁材料沿径向充磁，两边的永磁材料沿周向充磁且充磁方向相向。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述定子沿圆周方向开槽，所述定子绕组嵌在所述定子的槽内形成内嵌式结构。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述定子绕组以及所述永磁体磁极均采用内嵌式结构进行固定，所述定子和外转子是由多片齿槽式硅钢片沿与所述定子轴线平行的方向叠压形成。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，安装所述定子绕组和/或永磁体磁极的槽为闭口槽、开口槽或半开口槽。

在本发明所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机中，所述定子绕组为单层绕组、双层绕组；或，所述定子绕组为集中绕组或分布绕组；或，定子绕组为单相绕组、三相绕组或者多相绕组。

实施本发明的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，具有以下有益效果：本发明的风力发电机为单定子双转子结构，内转子主要由导磁单元组成，设置在内转子和外转子的气隙中，并不会过于增加永磁材料的使用量，不会增加电机的成本，定子上设置定子绕组，两个转子同时转动且转动方向相反，不需要通过电刷滑环系统为定子绕组供电，可实现双转子对转发电机运行，可以有效提高风能利用效率。本发明的设计结合了磁齿轮、磁场调制永磁电机的优点，具有高功率密度和良好的散热性能，在给定的风速下，两个转子可以于相反的方向旋转捕捉风能，能够有效地加倍气隙磁场的旋转速度，提高风能利用率，提高风力发电系统的功率密度。因此，在发电机的相同体积内，能量转换率可以增加，从而低速风功率可以得到有效的利用。此外，它实现了通过磁场的相互作用的非接触型转矩和速度的传输，具有低噪音和转矩密度高的优点；

进一步的，在此基础上，对于导磁单元所组成的内转子，可以在导磁单元之间加入永磁材料，或者在外转子上的永磁体磁极采用聚磁式结构，以进一步提高风力发电机的功率密度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第二实施例的结构示意图；

图3是本发明第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，是本发明第一实施例的结构示意图；

本发明的双转子对旋式永磁无刷风力发电机包括：定子1、内转子2和外转子3，其中，定子1、内转子2和外转子3同轴设置且相互独立。定子1、内转子2之间设有内气隙，内转子2和外转子3之间设有外气隙，定子1处于静止状态，在轴向两端将其固定，内转子2和外转子3的自由旋转且转动方向相反，内转子2和外转子3分别连接驱动或被驱动部件进行转矩传递。

其中，同轴设置有两种形式，一种是定子1、内转子2和外转子3呈盘形或者环形，所述定子1、内转子2和外转子3依次同轴并列排布形成轴向磁场的盘式旋转结构，此时的定子1与外转子3之间具有平面气隙，内转子2位于该平面气隙中；另一种是所述定子1、内转子2和外转子3由内而外依次套设形成径向磁场的套筒式同心结构，本发明的三个实施例均属于套筒式同心结构。

具体的，所述定子1呈中空的柱形，外转子3呈杯形，定子1与外转子3之间具有筒形的轴面气隙，所述内转子2处于该筒形的轴面气隙中。下面详细介绍定子1、内转子2和外转子3的具体结构。

所述定子1：

主要是由定子铁芯和一套定子绕组1-1组成，定子绕组1-1的极对数为P1，定子铁芯上沿其周向开设有与定子绕组1-1对应的多个安装槽以固定安装所述定子绕组1-1。其中，安装槽可以是闭口槽、开口槽或半开口槽。

优选的，定子铁芯可以由多片齿槽式硅钢片沿与所述定子1轴线平行的方向叠压形成。

其中，所述定子绕组1-1可以单层绕组或者双层绕组；定子绕组1-1还可以为集中绕组或分布绕组；定子绕组1-1还可以为单相绕组、三相绕组、多相绕组中的一种。

所述内转子2：

呈环形，主要由沿周向间隔排列的N个具有磁场调制功能的导磁单元2-1组成，其中，任意的两个导磁单元2-1之间由非导磁材料制件或者由永磁材料制件分隔。本实施例中采用非导磁材料制件分隔。导磁单元2-1与非导磁材料制件交错设置且相互连接在一起组成环形的内转子2。

优选的，N个所述导磁单元2-1沿周向均匀分布，也可以按某种规律不均匀分布。

所述外转子3：

外转子3上设置有沿周向间隔排列的永磁体磁极3-1，永磁体磁极3-1的极对数为P2，根据不同的转速要求和输出电能频率的需要，外转子3上的永磁体磁极3-1的极对数P2可以大于、等于或者小于定子1上定子绕组1-1的极对数P1。

优选的，|P1±P2|＝N，P1、P2、N为正整数。具体的，本实施例中，永磁体磁极3-1的极对数为P2与定子绕组1-1的极对数为P1之和等于导磁单元2-1的个数N。

所述永磁体磁极3-1沿径向被磁化，永磁体磁极3-1的材料可以是钕铁硼、钐钴或铁氧体等。

永磁体磁极3-1的有三种实现方式：第一种是所述永磁体磁极3-1粘贴在外转子3的内表面形成表贴式结构，如图1中所示，本实施例即是采用的这种方式；第二种是所述外转子3的内表面上沿圆周方向开设与极对数为P2对应的多个安装槽，所述永磁体磁极3-1嵌在外转子3的安装槽内形成内嵌式结构；第三种是每个所述永磁体磁极3-1由具有聚磁式结构的三块独立的永磁材料组成，其中中间的永磁材料沿径向充磁，两边的永磁材料沿周向充磁且充磁方向相向。

值得注意的是，第三种方式可以与第二种方式结合，例如本发明中的第二个实施例和第三个实施例中即是采用的此类方法，这样既保证了永磁体磁极3-1的固定，固定方式简单，又节省永磁体材料。

在采取第二种内嵌式结构的方式时，外转子3的安装槽可以类似定子1中的安装槽，为闭口槽、开口槽或半开口槽，且外转子3可以采用类似于定子1的制作方式，将多片齿槽式硅钢片沿与外转子3轴线平行的方向叠压制备。

可见，本发明的风力发电机属于单定子双转子结构，导磁单元构成内转子，并不会过于增加永磁材料的使用量，不会增加电机的成本，两个转子同时转动且转动方向相反，不需要通过电刷滑环系统为定子绕组供电，可实现双转子对转发电机运行，可以有效提高风能利用效率。本发明的设计结合了磁齿轮、磁场调制永磁电机的优点，具有高功率密度和良好的散热性能，在给定的风速下，两个转子可以于相反的方向旋转捕捉风能，能够有效地加倍气隙磁场的旋转速度，提高风能利用率，提高风力发电系统的功率密度。因此，在发电机的相同体积内，能量转换率可以增加，从而低速风功率可以得到有效的利用。此外，它实现了通过磁场的相互作用的非接触型转矩和速度的传输，具有低噪音和转矩密度高的优点。

参考图2，是本发明第二实施例的结构示意图；

第二实施例中与第一实施例相同的是，导磁单元2-1之间都是由非导磁材料填充实现分隔。

与第一实施例不同的是，一是，永磁体磁极3-1不再是采用的表贴式结构的方式固定，而是采用内嵌式结构固定，如图2中，所述外转子3的内表面上沿圆周方向开设多个安装槽，所述永磁体磁极3-1嵌在外转子3的安装槽内形成内嵌式结构；二是所述永磁体磁极3-1为聚磁式结构,可以进一步风力发电机的功率密度，如图所示，外转子3的每个安装槽内设置一个永磁体磁极3-1，所述永磁体磁极3-1包括沿周向并排固定的三个永磁体，其中中间的一块永磁体沿径向磁化，两侧的两块永磁体沿周向方向充磁且充磁方向相向。

参考图3，是本发明第三实施例的结构示意图；

对比图3和图2，与第二实施例相同的是，永磁体磁极3-1也是采用内嵌式结构固定；而且所述永磁体磁极3-1也是采用聚磁式结构，如图3中，外转子3的每个安装槽内设置3个并排的永磁体，中间的永磁体沿径向磁化，两侧的永磁体沿周向方向磁化且充磁方向相向。

第三实施例中与第二实施例所不同的是，该实施例中导磁单元2-1之间都是由永磁材料填充实现分隔，在导磁单元之间加入永磁材料可以进一步风力发电机的功率密度。

综上所述，实施本发明的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，具有以下有益效果：本发明的风力发电机为单定子双转子结构，内转子主要由导磁单元组成，设置在内转子和外转子的气隙中，并不会过于增加永磁材料的使用量，不会增加电机的成本，定子上设置定子绕组，两个转子同时转动且转动方向相反，不需要通过电刷滑环系统为定子绕组供电，可实现双转子对转发电机运行，可以有效提高风能利用效率。本发明的设计结合了磁齿轮、磁场调制永磁电机的优点，具有高功率密度和良好的散热性能，在给定的风速下，两个转子可以于相反的方向旋转捕捉风能，能够有效地加倍气隙磁场的旋转速度，提高风能利用率，提高风力发电系统的功率密度。因此，在发电机的相同体积内，能量转换率可以增加，从而低速风功率可以得到有效的利用。此外，它实现了通过磁场的相互作用的非接触型转矩和速度的传输，具有低噪音和转矩密度高的优点，进一步的，在此基础上，对于导磁单元所组成的内转子，可以在导磁单元之间加入永磁材料，或者在外转子上的永磁体磁极为聚磁式结构，以进一步提高风力发电机的功率密度。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，包括同轴设置且相互独立的定子(1)、内转子(2)和外转子(3)，所述定子(1)与外转子(3)之间具有气隙，所述内转子(2)设置在所述气隙中，所述内转子(2)和外转子(3)自由旋转且转动方向相反，所述定子(1)上安装有定子绕组(1-1)，所述内转子(2)包括沿周向间隔排列的具有磁场调制功能的导磁单元(2-1)，所述外转子(3)上设置有沿周向间隔排列的永磁体磁极(3-1)。

2.根据权利要求1所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，所述定子绕组(1-1)的极对数为P1，所述导磁单元(2-1)的个数为N，所述永磁体磁极(3-1)的极对数为P2，|P1±P2|＝N，P1、P2、N为正整数。

3.根据权利要求1所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，所述定子(1)、内转子(2)和外转子(3)依次同轴并列排布形成轴向磁场的盘式旋转结构，或者所述定子(1)、内转子(2)和外转子(3)由内而外依次套设形成径向磁场的套筒式同心结构。

4.根据权利要求1所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，任意的两个导磁单元(2-1)之间由非导磁材料制件或者由永磁材料制件分隔，导磁单元(2-1)与非导磁材料制件或者永磁材料制件交错设置且相互连接在一起组成环形的所述内转子(2)。

5.根据权利要求1所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，所述导磁单元(2-1)沿周向均匀分布。

6.根据权利要求1所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，

所述永磁体磁极(3-1)粘贴在所述外转子(3)的内表面形成表贴式结构；

或者，所述外转子(3)沿圆周方向开槽，所述永磁体磁极(3-1)嵌在所述外转子(3)的槽内形成内嵌式结构；

或者，每个所述永磁体磁极(3-1)由具有聚磁式结构的三块独立的永磁材料组成，其中中间的永磁材料沿径向充磁，两边的永磁材料沿周向充磁且充磁方向相向。

7.根据权利要求6所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，所述定子(1)沿圆周方向开槽，所述定子绕组(1-1)嵌在所述定子(1)的槽内形成内嵌式结构。

8.根据权利要求7所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，所述定子绕组(1-1)以及所述永磁体磁极(3-1)均采用内嵌式结构进行固定，所述定子(1)和外转子(3)是由多片齿槽式硅钢片沿与所述定子(1)轴线平行的方向叠压形成。

9.根据权利要求7所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，安装所述定子绕组(1-1)和/或永磁体磁极(3-1)的槽为闭口槽、开口槽或半开口槽。

10.根据权利要求1所述的双转子对旋式永磁无刷风力发电机，其特征在于，所述定子绕组(1-1)为单层绕组、双层绕组；或，所述定子绕组(1-1)为集中绕组或分布绕组；或，定子绕组(1-1)为单相绕组、三相绕组或者多相绕组。