CN108512358B - 磁齿轮复合多端口波浪发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁齿轮复合多端口波浪发电机，主要由五部分同心部件构成，由内至外依次设置的是电机内转子、电机定子、磁性齿轮内转子即电机外转子、调磁环和磁性齿轮外转子，其中，电机内转子设有永磁体和内转子绕组；电机定子上均匀分布定子槽，用来嵌放电枢绕组，并采取双余度绕组结构，以提高电机系统的故障容错运行能力；定子的外围空间布置着磁性齿轮内转子，其为环状结构，外表面安装着永磁磁极，磁性齿轮内转子的外围空间布置着同轴磁性齿轮的调磁环，调磁环的外围空间布置着磁性齿轮外转子；磁性齿轮外转子包括结构支撑件和导磁铁心两部分，在导磁铁心的内表面装配着永磁磁极，磁齿轮外转子和电机内转子均分别与一套波浪能转换装置相连。

Description

磁齿轮复合多端口波浪发电机

技术领域

本发明属于电气设计领域，具体涉及一种基于磁场调制的复合多端口电气装置。

背景技术

海洋波浪能发电是一种前景可观的可再生能源发电，近年来得到了世界各国的关注。 据有关部门观测，我国海域的波浪能密度约为2-5kW/m，可见我国可利用的波浪能较为丰富。波浪发电机是波浪能转换(WaveEnergy Conversion,WEC)系统的重要组成部 分，它的性能对波浪发电系统的稳定运行和输出功率的波动有很大影响。但大多数发 电机应用在WEC系统中时均需与齿轮箱等机械传动机构结合以保证电机的正常工作， 而传统机械齿轮传动会带来摩擦损耗、振动噪声和机械疲劳等诸多问题，从而造成波 浪发电系统能量转换率和可靠性的降低。相比于传统机械齿轮，磁齿轮具有大转矩密 度、高效率和磁力传动等优点，在清洁、低温、海洋和高空等环境中有替代机械齿轮 的巨大潜力。但是如何将这种磁齿轮与永磁发电机的复合结构成熟的应用于海洋环境， 从而通过直接提高电机的转矩密度和功率密度来提高整个系统的运行效率，还有待于 进一步研究。

发明内容

本发明提供一种磁齿轮复合的多端口波浪发电机，以克服目前机械齿轮箱的使用给 WEC系统造成的效率低、稳定性差、以及可控带宽窄等缺点，提高WEC系统的运行效率，并使其能够稳定运行。技术方案如下：

一种磁齿轮复合多端口波浪发电机，主要由五部分同心部件构成，由内至外依次设置的 是电机内转子、电机定子、磁性齿轮内转子即电机外转子、调磁环和磁性齿轮外转子，其中， 电机内转子设有永磁体和内转子绕组；电机定子上均匀分布定子槽，用来嵌放电枢绕组，并 采取双余度绕组结构，以提高电机系统的故障容错运行能力；定子的外围空间布置着磁性齿 轮内转子，其为环状结构，外表面安装着永磁磁极，磁性齿轮内转子的外围空间布置着同轴 磁性齿轮的调磁环，调磁环的外围空间布置着磁性齿轮外转子；磁性齿轮外转子包括结构支 撑件和导磁铁心两部分，在导磁铁心的内表面装配着永磁磁极，磁齿轮外转子和电机内转子 均分别与一套波浪能转换装置相连。

双余度绕组结构主要由大齿、小齿、隔热板组成，在定子上相邻两相绕组线圈共槽的槽 中心处设置小齿，使得小齿两侧小槽内的线圈边属于不同相绕组，线圈的槽漏磁通经小齿闭 合，各相绕组间无电磁耦合；小齿两侧放置隔热板使得各相绕组间弱热耦合；所述的电机在 正常发电情况下两套三相绕组同时工作，处于双余度工作状态；当其中一套三相绕组发生故 障时，该套三相绕组停止供电，另一套正常的三相绕组继续供电，处于单余度工作状态；两 套三相对称绕组在空间上交叉布置。

本发明的有益效果如下：

1)是一种利用磁场的耦合来传递转矩和转速的新型传动装置，具有双转子机械输入端 口和双电气端口。

2)采用弱热耦合、无电磁耦合的双冗余度绕组设计可提高电机的故障容错运行能力， 故可提高整个系统的稳定性。

3)该电机转矩密度高，功率因数高，运行范围宽，具有高效节能的特点。

4)新型复合电机利用磁力传动，消除了机械传动带来的摩擦损耗，克服了机械齿轮传 动装置所固有的机械疲劳、摩擦损耗、振动噪声，可靠性低等缺点。

5)该复合电机结构简单、紧凑、体积小、重量轻，工艺简单。

6)无需配置结构复杂的变速齿轮箱，降低设计和制作的难度及成本。

附图说明

图1是磁齿轮复合多端口波浪发电机结构图。

图中，1为磁齿轮外转子，2为永磁体，3为调磁环(磁齿轮定子绕组)，4为磁齿轮内转子(电机外转子)，5为电机定子绕组，6为电机内转子绕组，7为电机内转子。

图2为磁齿轮复合多端口波浪发电机控制框图。

图3是电机定子绕组结构展开图。

图中，转子为p对永磁体结构(图中所示电机极对数p＝2，但不仅限于此)，定子绕组 结构采取双余度绕组设计，设计为N个定子槽(图中N＝24，但也不仅限于此)。该绕组结构主要由大齿8、小齿9、隔热板10组成。具体地，定子上相邻两相绕组线圈共槽的槽中心 处设置小齿9，使得小齿9两侧小槽内的线圈边属于不同相绕组，线圈11的槽漏磁通经小 齿闭合，各相绕组间无电磁耦合，互感几乎为零。小齿9两侧放置隔热板10使得各相绕组 间弱热耦合。

具体实施方式

本发明提供了一种磁齿轮复合多端口波浪发电机。工作在发电状态时，可应用在波浪发 电等新能源开发领域，将波浪能转换装置的低速运动直接转换成高速运动并发电，提高整个 系统的功率密度。

结构上，该电机主要由五部分同心部件构成，由内至外依次设置的是电机内转子7、电 机定子5、磁齿轮内转子(电机外转子)4、调磁环3和磁齿轮外转子1。具体地，该磁齿轮复合多端口波浪发电机可等效为由一台同轴磁齿轮和一台内转子永磁电机构成。其中同轴磁 齿轮由磁齿轮外转子1、调磁环3和磁齿轮内转子4构成，调磁环3上均匀分布着调磁铁心块，且调磁铁心块的数目N_s等于磁齿轮内转子4和磁齿轮内转子1上的永磁磁极对数之和，即

N_s＝P_in+P_out (1)

其中，P_in、P_out分别为内外转子上装配的永磁磁极对数；N_s为调磁铁心块的个数。在运 行时，调磁环3保持不动，内、外转子以相反方向转动。内外转子转速关系符合式(2)：

其中，G_r为齿轮变速比；ω_in、ω_out分别为内、外转子转速；负号表示内、外转子转动方向相反。内转子永磁电机由电机内转子7和定子构成，内转子内外表面表贴着永磁体2。

如图2所示，电机具有双电气端口：电机内转子绕组6，通过滑环引出至整流器，然后 经过DC/DC变换器与储能单元连接；电机定子绕组5接AC-DC-AC整流逆变功率变换器，然后给负载供电。磁齿轮定子绕组3负责对磁齿轮的调制。磁齿轮外转子1和电机内转子7均可分别与波浪能转换装置WEC₁和WEC₂相连，波浪能转换装置在WEC₂在正常时不工作， 只是在必要的时候作为备用或者辅助控制用，从而使系统具有两个转子输入端口，可大大提高波浪发电系统的稳定性。

如图3所示，转子侧为p对极永磁体结构的定子绕组结构采取双余度绕组设计，该绕组 结构主要由大齿8、小齿9、隔热板10组成。具体地，定子上相邻两相绕组线圈11共槽的槽中心处设置小齿9，使得小齿两侧小槽内的线圈边属于不同相绕组，线圈11的槽漏磁通经小齿闭合，各相绕组间无电磁耦合，互感几乎为零。小齿两侧放置隔热板10使得各相绕组间弱热耦合。所述的电机在正常发电情况下两套三相绕组同时工作，处于双余度工作状态； 当其中一套三相绕组发生故障时，该套三相绕组停止供电，另一套正常的三相绕组继续供电， 处于单余度工作状态。由于各相绕组之间无电磁耦合，即使出现线圈匝间短路等内部故障， 正常套三相绕组仍然安全，此结构可有效提高电机的可靠性。A1B1C1和A2B2C2两套三相 对称绕组在空间上交叉布置，发出的电通过两套AC-DC-AC整流逆变功率变换器共同给负 载供电。

Claims (1)

1.一种磁齿轮复合多端口波浪发电机，主要由五部分同心部件构成，由内至外依次设置的是电机内转子、电机定子、磁性齿轮内转子即电机外转子、调磁环和磁性齿轮外转子，其中，电机内转子设有永磁体和内转子绕组；电机定子上均匀分布定子槽，用来嵌放电枢绕组，并采取双余度绕组结构，以提高电机系统的故障容错运行能力；定子的外围空间布置着磁性齿轮内转子，其为环状结构，外表面安装着永磁磁极，磁性齿轮内转子的外围空间布置着同轴磁性齿轮的调磁环，调磁环的外围空间布置着磁性齿轮外转子；磁性齿轮外转子包括结构支撑件和导磁铁心两部分，在导磁铁心的内表面装配着永磁磁极，磁齿轮外转子和电机内转子均分别与一套波浪能转换装置相连，

双余度绕组结构主要由大齿、小齿、隔热板组成，在定子上相邻两相绕组线圈共槽的槽中心处设置小齿，使得小齿两侧小槽内的线圈边属于不同相绕组，线圈的槽漏磁通经小齿闭合，各相绕组间无电磁耦合；小齿两侧放置隔热板使得各相绕组间弱热耦合；所述的电机在正常发电情况下两套三相绕组同时工作，处于双余度工作状态；当其中一套三相绕组发生故障时，该套三相绕组停止供电，另一套正常的三相绕组继续供电，处于单余度工作状态；两套三相对称绕组在空间上交叉布置。

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