CN108494197B - 一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，包括依次同轴安装的第一转子、第一定子、第二转子、第二定子、第三转子，第一转子与第三转子、第一定子与第二定子均关于第二转子的中心对称，第一转子、第一定子、第二转子、第二定子、第三转子均为凸极结构，由于铝镍钴永磁体矫顽力低，施加不同的脉冲电流改变铝镍钴永磁体磁化大小和方向，永磁体磁化水平可以被改变并被记忆，通过调节脉冲电流的方向和大小实现电机气隙磁场的灵活可控。此外，脉冲绕组只在非常短的时间内施加充、去磁电流，几乎没有励磁铜耗，解决了现有轴向可变磁磁通切换永磁发电机功率/转矩密度不够高的问题。

Description

一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机

技术领域

本发明属于可变磁通永磁同步电机技术领域，具体涉及一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机。

背景技术

近年来，永磁同步发电机在风力发电中获得了广泛应用。永磁同步发电机由永磁体提供励磁，具有结构简单、发电效率高等特点，通过控制全功率变换器，永磁同步发电机可随风速变化做变速运行，实现最大的风能捕获。然而，由于永磁同步发电机永磁体性能非常稳定，气隙磁通难以调节，限制了发电机转速调节范围。因此，根据风速大小，经常采用齿轮调节转速以适应发电机的运行，但却降低了风力发电系统的运行效率。2007年欧洲电力电子会议上法国学者E.Hoang提出了一种混合励磁磁通切换电机，具有功率/转矩密度高，转子结构简单坚固、感应电动势正弦度高、低速转矩大、调磁范围宽、高速运行性能好、散热容易等优点，非常适合用作风力发电系统，但永磁磁场和励磁磁场相互耦合，增大了电磁特性的复杂性，且励磁损耗较大，限制了该结构在恶劣环境下的应用。

随着永磁材料性价比和电机制造水平的提高，德国学者V.Ostovic在2001年提出了记忆电机的概念，该类电机在永磁电机中加入低矫顽力的铝镍钴永磁体，通过改变定子绕组或直流脉冲绕组通入的脉冲电流，改变铝镍钴永磁体的磁性能，实现气隙磁通可调，且永磁体的磁密水平可以被记忆。这种励磁方式从根本上实现了气隙磁通的连续可调，几乎没有电励磁损耗，回避了混合励磁方式的缺点，拓宽了电机的调速范围，能够实现电机在高速区的高效运行，解决了永磁发电机输出电压难于调节和电机故障保护等问题。在并网运行时，可通过调节永磁磁化水平改变输出电压，降低了控制系统复杂性。采用低矫顽力铝镍钴永磁体，温度系数较小，在高温时不易发生故障失磁，因此被广泛应用于风力发电等对可靠性要求高的领域。

轴向磁场电机具有结构简单紧凑、体积小、功率/转矩密度高、散热方便和转子铁心利用率高等优点，已经成为国内外学者研究的热点，本发明基于轴向磁通、混合励磁磁通切换及永磁记忆等概念，提出一种适用于风力发电系统的变磁通永磁发电机。

发明内容

本发明目的是提供一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，解决了现有轴向可变磁磁通切换永磁发电机功率/转矩密度不够高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，包括依次同轴安装的第一转子、第一定子、第二转子、第二定子、第三转子，第一转子与第三转子、第一定子与第二定子均关于第二转子的中心对称，第一转子、第一定子、第二转子、第二定子、第三转子均为凸极结构。

本发明的特点还在于：

第一定子、第二定子结构相同，均包括圆盘中部开口的定子铁芯，定子铁芯两侧圆面上均匀设置有12个定子齿，定子齿包括6个第一定子齿和6个第二定子齿，第一定子齿与第二定子齿交错放置，每个第一定子齿上均缠绕有集中电枢绕组，每个第二定子齿上均缠绕脉冲绕组，每个第二定子齿上均设置有铝镍钴永磁体，相邻两个铝镍钴永磁体磁化方向相反。

位于定子铁芯同一圆面上的相邻两个集中电枢绕组串联构成一相电枢绕组，将定子铁芯两圆面的相对的一相电枢绕组分别顺次串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组

第一定子齿最大宽度大于第二定子齿最大宽度。

定子铁芯每个圆面的第一定子齿、第二定子齿间距均相同，两个圆面上的第一定子齿位置相对，定子铁芯两个圆面上的第二定子齿位置相对。

第二转子包括圆盘载体，圆盘载体外圆周上等距放置10对第一转子极，每对第一转子极之间设置有第一钕铁硼永磁体，相邻两个第一钕铁硼永磁体的极性相反。

第一钕铁硼永磁体的径向长度低于第一转子极的径向长度，每对第一转子极与第一钕铁硼永磁体末端形成第一转子槽。

第一转子、第三转子的结构相同，均包括转子圆盘，转子圆盘的一圆面上等间距设置有10对第二转子极，每对第二转子极之间设置有第二钕铁硼永磁体，第一转子设置有第二转子极的一面朝向第一定子。

第二钕铁硼永磁体的径向长度低于第二转子极的径向长度，每对第二转子极与第二钕铁硼永磁体末端形成第二转子槽。

第一转子、第一定子、第二转子、第二定子、第三转子均为拓扑结构，且彼此之间留有气隙。

本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机有益效果为：

(1)定/转子堆叠结构等同多台轴向永磁发电机并联运行，轴向长度短，结构简单紧凑，转子铁心利用率高，缩短了电机主磁路，功率/转矩密度高，极大提高电机的转矩输出能力，增强电机带载能力；

(2)钕铁硼永磁体位于转子，矫顽力高、剩磁密度大，沿切向交错充磁，实现转子永磁磁通切换，增强电机过载能力，进一步提高转矩输出能力，减小输出转矩脉动；

(3)铝镍钴永磁体位于定子，具有低矫顽力、高剩磁的特性，实现定子永磁磁通切换，在脉冲绕组中通入瞬时脉冲电流改变永磁体的磁化水平，调节气隙磁通，实现电机增磁与弱磁运行。增磁状态下提高电机带载能力，弱磁状态下拓宽电机恒功率调速范围，且调磁过程中几乎无励磁损耗，实现高效调磁，提高电机增磁与弱磁运行效率，非常适合风力发电系统低速大负载与高速大感应电动势运行；

(4)铝镍钴永磁体、集中电枢绕组和脉冲绕组均位于定子，结构简单可靠，易于散热、冷却，非常适合高速运行；

(5)转子槽结构发挥了双凸极结构电机的特点，减少了永磁体用量，在相同条件下，获得较高的气隙磁密，进一步提高电机功率/转矩密度。

附图说明

图1是本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机结构示意图；

图2是本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机永磁运行原理图；

图3是本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机增磁运行原理图；

图4是本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机弱磁运行原理图。

图中，1.第一转子，1-1.第二转子极，1-2.第二钕铁硼永磁体，1-3.第二转子槽，2.第一定子，2-1.集中电枢绕组，2-2.脉冲绕组，2-3.铝镍钴永磁体，2-4.定子铁芯，2-5.第一定子齿，2-6.第二定子齿，3.第二转子，3-1.第一转子极，3-2.第一钕铁硼永磁体，3-3.第一转子槽，3-4.圆盘载体，4.第二定子，5.第三转子，6.第一气隙，7.第二气隙，8.第三气隙，9.第四气隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，如图1所示，包括依次同轴安装的第一转子1、第一定子2、第二转子3、第二定子4、第三转子5，第一转子1与第三转子5、第一定子2与第二定子4均关于第二转子3的中心对称，第一转子1、第一定子2、第二转子3、第二定子4、第三转子5均为凸极结构。

第一定子2、第二定子4结构相同，均包括圆形中部开口的定子铁芯2-4，定子铁芯2-4两个圆面上均均匀设置有12个定子齿，定子齿包括6个第一定子齿2-5和6个第二定子齿2-6，第一定子齿2-5与第二定子齿2-6交错放置，每个第一定子齿2-5上均缠绕有集中电枢绕组2-1，每个第二定子齿2-6上均缠绕脉冲绕组2-2，每个第二定子齿2-6上均设置有铝镍钴永磁体2-3，相邻两个铝镍钴永磁体2-3磁化方向相反。

位于定子铁芯2-4同一圆面上的相邻两个集中电枢绕组2-1串联构成一相电枢绕组，将定子铁芯2-4两圆面的相对的一相电枢绕组分别顺次串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组

第一定子齿2-5最大宽度大于第二定子齿2-6最大宽度。

圆形的定子铁芯2-4每个圆面的第一定子齿2-5、第二定子齿2-6间距均相同，两个圆面上的第一定子齿2-5位置相对，圆形的定子铁芯2-4两个圆面上的第二定子齿2-6位置相对。

第二转子3包括圆盘载体3-4，圆盘载体3-4外圆周上等距放置10对第一转子极3-1，每对第一转子极3-1之间设置有第一钕铁硼永磁体3-2，相邻两个第一钕铁硼永磁体3-2的极性相反，实现转子永磁磁通切换。

第一钕铁硼永磁体3-2的径向长度低于第一转子极3-1的径向长度，每对第一转子极3-1与第一钕铁硼永磁体3-2末端形成第一转子槽3-3，能够减少第一钕铁硼永磁体3-2的用量，提高电机过载能力，降低输出转矩脉动。

第一转子1、第三转子5的结构相同，均包括转子圆盘1-4，转子圆盘1-4的一圆面上等间距设置有10对第二转子极1-1，每对第二转子极1-1之间设置有第二钕铁硼永磁体1-2，第一转子1设置有第二转子极1-1的一面朝向第一定子2，将第二转子极1-1与第二钕铁硼永磁体1-2所组成的三明治单元固定在转子圆盘1-4上，提高了电机结构可靠性，便于安装。

第二钕铁硼永磁体1-2的径向长度低于第二转子极1-1的径向长度，每对第二转子极1-1与第二钕铁硼永磁体1-2末端形成第二转子槽1-3，能够减少第二钕铁硼永磁体1-2的用量，提高电机过载能力，降低输出转矩脉动。

第一转子1、第一定子2、第二转子3、第二定子4、第三转子5均为拓扑结构，且彼此之间留有气隙，等同多台轴向永磁电机并联运行。

本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机永磁运行原理如下：

如图2所示，当第一定子2的集中电枢绕组2-1、第二定子4的脉冲绕组2-2中通入的脉冲电流为零时，气隙磁场由第二钕铁硼永磁体1-2、第一钕铁硼永磁体3-2、第三转子5上的第二钕铁硼永磁体1-2共同提供，电机运行在永磁励磁模式，定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机等同于定/转子永磁型轴向磁通切换永磁电机。第一转子1、第二转子3和第三转子5的上第二转子极1-1、第一转子极3-1分别与第一定子2和第二定子4的槽相对，根据第一钕铁硼永磁体3-2的磁化方向，一半永磁磁通从第一转子极3-1的一个极穿出，经第二气隙7穿入第一定子2，经过第一气隙6穿入第一转子1的一个极，根据第二钕铁硼永磁体1-2的磁化方向，永磁磁通经第一气隙6穿入第一定子2，经第二气隙7穿入第二转子3的另一个极构成回路；另一半永磁磁通从第一转子极3-1的一个极穿出，经过第三气隙8穿入第二定子4的一个齿，经第四气隙9穿入第三转子5的一个极，根据第三转子5上的第二钕铁硼永磁体1-2的磁化方向，永磁磁通经第四气隙9穿入第二定子4，经第三气隙8穿入第二转子3的另一个极构成回路。

如图3所示，实线为永磁磁通路径，虚线为可调磁永磁磁通路径。以第一定子2齿上缠绕的脉冲绕组2-2通入的电流为参考，当脉冲绕组2-2中通入正向脉冲电流时，位于第一定子2齿上的铝镍钴永磁体2-3被正向极化；与此同时，第二定子4齿上缠绕的脉冲绕组2-2中通入反向脉冲电流，位于第二定子4齿上的铝镍钴永磁体2-3被反向极化，永磁磁通路径与可调磁永磁磁通路径方向相同，二者共同形成并增强气隙磁场，电机运行在增磁模式，充分发挥电机的转矩输出能力，提高电机过载能力，提供起动和重载运行时所需的大转矩。

如图4所示，当第一定子2齿上缠绕的脉冲绕组2-2中通入反向脉冲电流时，位于第一定子2齿上的铝镍钴永磁体2-3被反向极化；与此同时，第二定子4齿上缠绕的脉冲绕组2-2中通入正向脉冲电流，位于第二定子4齿上的铝镍钴永磁体2-3被正向极化，永磁磁通路径与可调磁永磁磁通路径方向相反，二者共同形成并削弱气隙磁场，电机运行在弱磁模式，拓宽了恒功率区域范围。

由于铝镍钴永磁体矫顽力低，施加不同的脉冲电流改变铝镍钴永磁体磁化大小和方向，永磁体磁化水平可以被改变并被记忆，通过调节脉冲电流的方向和大小实现电机气隙磁场的灵活可控。此外，脉冲绕组只在非常短的时间内施加充、去磁电流，几乎没有励磁铜耗。

通过上述方式，本发明一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，定/转子堆叠结构等同于多台轴向电机并联运行，结构简单紧凑，功率/转矩密度高，输出转矩大，带载能力强；高矫顽力的钕铁硼永磁体放置在转子，永磁磁动势随着转子同步旋转，与电枢电流相互作用产生电磁转矩，实现转子永磁磁通切换，克服了磁路易饱和的缺点，增强电机过载能力，减小输出转矩脉动，电机运行状态更加平稳，提高系统的动态性能和可靠性；表贴在定子齿表面的铝镍钴永磁体，矫顽力低，极大减少了电机的额外漏磁，提高了永磁体的利用率；通过改变脉冲绕组中电流的大小和方向，激化铝镍钴永磁体工作特性，使电机方便工作在增磁和弱磁运行状态，提高电机的带载能力，极大拓宽发电机的调速范围；由于仅在脉冲绕组中通入较短时间的脉冲电流，励磁损耗非常小，提高了发电机系统运行效率，所以该电机非常适合风力发电系统。

Claims (5)

1.一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，其特征在于，包括依次同轴安装的第一转子(1)、第一定子(2)、第二转子(3)、第二定子(4)、第三转子(5)，所述第一转子(1)与第三转子(5)、第一定子(2)与第二定子(4)均关于第二转子(3)的中心对称，所述第一转子(1)、第一定子(2)、第二转子(3)、第二定子(4)、第三转子(5)均为凸极结构；

所述第一定子(2)、第二定子(4)结构相同，均包括圆形中部开口的定子铁芯(2-4)，所述定子铁芯(2-4)两个圆面上均均匀设置有12个定子齿，所述定子齿包括6个第一定子齿(2-5)和6个第二定子齿(2-6)，第一定子齿(2-5)与第二定子齿(2-6)交错放置，每个第一定子齿(2-5)上均缠绕有集中电枢绕组(2-1)，每个第二定子齿(2-6)上均缠绕脉冲绕组(2-2)，每个第二定子齿(2-6)上均设置有铝镍钴永磁体(2-3)，相邻两个铝镍钴永磁体(2-3)磁化方向相反，所述第一定子齿(2-5)最大宽度大于第二定子齿(2-6)最大宽度；

所述第二转子(3)包括圆盘载体(3-4)，所述圆盘载体(3-3)外圆周上等距放置10对第一转子极(3-1)，每对第一转子极(3-1)之间设置有第一钕铁硼永磁体(3-2)，相邻两个第一钕铁硼永磁体(3-2)的极性相反，所述第一钕铁硼永磁体(3-2)的径向长度低于第一转子极(3-1)的径向长度，每对第一转子极(3-1)与第一钕铁硼永磁体(3-2)末端形成第一转子槽(3-3)；

所述第一转子(1)、第三转子(5)的结构相同，均包括转子圆盘(1-4)，所述转子圆盘(1-4)的一圆面上等间距设置有10对第二转子极(1-1)，每对第二转子极(1-1)之间设置有第二钕铁硼永磁体(1-2)，第一转子(1)设置有第二转子极(1-1)的一面朝向第一定子(2)。

2.如权利要求1所述一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，其特征在于，位于定子铁芯(2-4)同一圆面上的相邻两个集中电枢绕组(2-1)串联构成一相电枢绕组，将定子铁芯(2-4)两圆面的相对的一相电枢绕组分别顺次串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。

3.如权利要求1所述一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，其特征在于，所述圆形的定子铁芯(2-4)每个圆面的第一定子齿(2-5)、第二定子齿(2-6)间距均相同，两个圆面上的第一定子齿(2-5)位置相对，圆形的定子铁芯(2-4)两个圆面上的第二定子齿(2-6)位置相对。

4.如权利要求1所述一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，其特征在于，所述第二钕铁硼永磁体(1-2)的径向长度低于第二转子极(1-1)的径向长度，每对第二转子极(1-1)与第二钕铁硼永磁体(1-2)末端形成第二转子槽(1-3)。

5.如权利要求1所述一种定/转子永磁型变磁通轴向磁通切换永磁发电机，其特征在于，所述第一转子(1)、第一定子(2)、第二转子(3)、第二定子(4)、第三转子(5)均为拓扑结构，且彼此之间留有气隙。

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