CN108736607A - 一种具有永磁体偏心结构的磁场调制波浪发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有永磁体偏心结构的磁场调制波浪发电机，包括定子和外转子，外转子包括转子铁芯和表贴式永磁体，外转子与定子的间隙中加有调磁铁块进行磁场调制，各个永磁体的磁极外沿圆心与内径圆心不重合，永磁体厚度不均匀，磁极外沿圆弧的圆心移动偏心距h，使得外沿圆弧半径减小，外转子永磁体的厚度由中间向两端逐渐减小。

Description

一种具有永磁体偏心结构的磁场调制波浪发电机

技术领域

本发明属于电机设计领域，具体涉及磁场调制波浪发电机。

背景技术

波浪能作为一种可再生、可重复利用、储量丰富的绿色能源，近年来得到了世界各国的关注。我国是一个海洋大国，从渤海、黄海、东海到南海，海洋总面积超过4.7×10⁶km²，海岸线长超过18000km，海域的波浪能密度约为2-5kW/m。针对波浪能能量密度大、运动速度小的特点，波浪发电系统的传动方式有直驱和采用增速齿轮箱两种。传统直驱式电机的结构设计和工艺制造相对较难，且体积大、成本高，而增速齿轮箱会产生摩擦损耗、噪音、振动等问题，造成发电系统机械损耗大、功率转换效率低。磁场调制电机作为一种新型电机，被越来越多的应用于波浪发电领域，其电机结构是将外转子高速无刷电机与永磁齿轮相结合，将磁调制环置于外转子与定子之间，构成永磁齿轮复合电机。这种电机不仅实现了电机的高速设计和外转子的低速直驱要求，同时其作为直驱式电机系统，在磁传动过程中具有无相互接触、振动小、可靠性高、损耗少的特点。由于表贴式转子磁极结构简单，具有加工方便、制造成本低、漏磁少等优点，在磁场调制电机设计领域得到了广泛应用。在通常的表贴式磁极结构中，永磁体被加工成同心弧的形状，通过粘连剂固定在转子表面。但问题是由于表贴式永磁体会与定子电枢铁芯相互作用产生齿槽转矩，造成转矩的振动和噪声，进而降低电机运行的平稳性，影响控制系统的性能和精度，对波浪发电系统影响极大。如何通过对永磁体结构的优化，实现波浪系统转矩稳定性的提升，提高控制系统的稳定性和精度，还需要进一步的探索。

发明内容

本发明针对以上问题，本发明提供一种新型的磁场调制波浪发电机。本发明通过采用永磁体偏心结构，改变永磁体厚度，改善其气隙磁场分布，进而降低齿槽转矩，减小电机的转矩振动，使其能在波浪发电系统中稳定运行。技术方案如下：

一种具有永磁体偏心结构的磁场调制波浪发电机，包括定子和外转子，外转子包括转子铁芯和表贴式永磁体，外转子与定子的间隙中加有调磁铁块进行磁场调制。其特征在于，各个永磁体的磁极外沿圆心与内径圆心不重合，永磁体厚度不均匀，磁极外沿圆弧的圆心移动偏心距h，使得外沿圆弧半径减小，外转子永磁体的厚度由中间向两端逐渐减小。

优选地，永磁体内外圆弧半径为62.5mm和66mm，偏心距h为61.5mm。

本发明的技术效果如下：

1)该电机达到相同转速所需的定子齿数较少，拓扑结构简单，工艺简单。

2)该电机使传统电机的摩擦损耗、噪音等问题得到一定程度的解决

3)该电机减少了能量二次转换过程中的能量损耗，使得电机的运行效率、可靠性得到改善。

4)同轴磁齿轮具有双气隙结构，且利用磁场谐波进行电磁耦合，多次谐波可以复用气隙空间，有效提升电机磁负荷。

5)该电机永磁偏心结构使永磁体材料利用率更高、节省永磁体材料、永磁体加工难度降低。

6)齿槽转矩的有效值和波动性更小、电机运行的稳定性得以提高，控制系统精度可以提升。

7)该电机能提高提高控制系统精度和稳定性，提高最大波浪捕获效率。

8)该电机稳定性更高，输出转矩更平稳。

9)该电机具有较高的功率密度和转矩密度。

10)该电机不仅适用于波浪能发电系统中，在潮汐能等其他海洋能源、风力电、电动汽车等领域中均可得到广泛应用，具有良好的发展前景。

附图说明

图1是磁场调制电机拓扑结构。

图中，电机为一台三相无刷电机，定子由12槽定子铁芯和分布式定子绕组组成。电机采用外转子结构，使叶片可直接安装于电机转子，避免能量转换中的能量损耗。外转子由转子铁芯和表贴式永磁体组成，外转子与定子的间隙中加入调磁铁块进行磁场调制。由磁齿轮效应，转子旋转速度相比磁场空间谐波的旋转速度放大G_r倍，实现了定子电枢磁场到外转子的速度变化。

图2是永磁体偏心结构。

图中，h_m为磁极厚度，h为偏心距，R₁，R₂分别为永磁体内外径。当磁场调制电机的永磁体采用偏心结构时，永磁体由内外径同心且厚度均匀，变为磁极外沿圆心与内径圆心不重合，永磁体厚度不均匀，存在一个偏心距h。

图3是齿槽转矩随偏心距变化曲线。

图中，横坐标为偏心距h，纵坐标为齿槽转矩。

具体实施方式

本发明提出永磁体偏心结构，该电机结构通过对外转子的永磁体结构进行调节，改变了气隙磁场分布。该磁场调制波浪发电机偏心结构包括定子、转子和磁调制环。定子由12槽定子铁芯和分布式定子绕组组成。磁调制环位于外转子和定子之间，均匀分布着27块调磁铁块，起到磁场调制的作用。外转子由转子铁芯和表贴式永磁体组成，其中表贴式永磁体采用不等厚磁极形状，即永磁体厚度由中间向两边逐渐减小，磁极外沿所在圆弧的圆心与内沿圆心不重合，存在一个偏心距h，偏心距为61.5mm。相当于减掉原来瓦片形永磁体两个端部，这样既加大了永磁体的弧度，也将永磁体的中心向上方垂直移动。这种新型永磁体结构能改变永磁体和定子之间的气隙磁场分布，进而降低齿槽转矩，提升电机运行的稳定性，也节省了永磁体材料。该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。下面对本设计进行详细说明。

磁场调制电机由磁齿轮外转子、磁调制环和定子铁芯构成，磁调制环上均匀分布着调磁铁块，且调磁铁块的数目N_s等于磁齿轮内、外转子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，调磁环保持不动，定子电枢磁场、外转子以相反方向转动。转速关系符合式(2)：

其中，G_r为齿轮变速比；ω_in、ω_out分别为定子电枢磁场、外转子转速；负号表示定子电枢磁场、外转子转动方向相反，外转子内表面贴着永磁体。

如图1所示，该电机为三相无刷电机，定子由12槽定子铁芯和分布式绕组组成。电机采用外转子结构，该结构使叶片可直接安装于电机转子，避免能量转换中的能量损耗。外转子由转子铁芯和表贴式永磁体组成，外转子永磁体内外圆弧半径为62.5mm和66mm，外转子与定子的间隙中加入调磁铁块进行磁场调制。电机转子、定子铁芯、调磁铁块由硅钢片构成，外转子的永磁体由NdFeB构成，充磁方式为径向充磁。磁场调制电机外转子永磁极对数为25，定子绕组极对数为2，磁调制环中调磁铁块数为27。为减小磁场调制电机齿槽转矩，本专利通过改变外转子表面永磁体的内外圆弧半径进行改进。当磁场调制电机的永磁体采用偏心结构时，如图2所示，在外转子永磁体角度不变的情况下，永磁体由内外径同心且厚度均匀，变为磁极外沿圆心与内径圆心不重合，永磁体厚度不均匀。磁极外沿圆弧的圆心移动一个偏心距h，使得外沿圆弧半径减小，外转子永磁体的厚度由中间向两端逐渐减小。相当减掉原来瓦片形永磁体两个端部，这样既加大了永磁体的弧度，也将永磁体的中心向上方垂直移动，保证了偏心永磁体性能，也节省了永磁体材料。由于不等厚磁极影响了气隙磁场的分布，改变了气隙磁路长度，因而电机齿槽转矩、空载电压等参数也发生了变化，当偏心距为61.5mm时，齿槽转矩最小。

磁场调制电机中，外转子上的永磁体和电机电枢齿槽之间存在一种相互作用的切向力，这种作用力产生的转矩试图使电机的永磁磁极与齿槽保持对齐，从而产生齿槽转矩，该转矩在电枢绕组不通电的情况下也会存在。当磁场调制电机转动时，电枢齿与永磁体之间的磁导基本没有变化，因此电枢齿周围的磁场也基本不变，而相邻两个永磁体间的电枢齿区域磁导产生变化，从而引起电机存储在磁场中的磁场能量W的变化，产生齿槽转矩，公式为：

不考虑磁场饱和的情况，存储在磁场中的磁场能量W可以近似看成电枢齿与永磁体之间气隙g的能量，表示为：

其中W_airgap+PM为电枢齿与永磁体之间气隙中的能量，μ₀为空气的磁导率，B为磁感应强度，V为电枢齿与永磁体之间气隙体积：

电枢齿与永磁体之间气隙磁密沿磁场调制电机电枢表面分布可近似表示为：

其中h_m(θ)为永磁体磁极厚度，B_r(θ)为永磁体剩磁，δ(θ,α)为永磁体有效气隙长度沿圆周方向的分布系数，将式(5)带入式(4)，得到电机磁场储存能量

不等厚的永磁体磁极的内径与外径不同心，磁极内沿所在圆弧圆心与定子内径圆心重合，而磁极外沿所在圆弧的圆心与定子内径圆心不重合，如图2所示，永磁体内外圆弧存在一个偏心距h，当磁极厚度均匀时，磁极厚度为h_m，气隙长度为δ(θ)，当磁极厚度不均匀时，磁极厚度h_m’和气隙长度δ(θ)’随θ变化，使得电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密的分布不同。在忽略开槽和漏磁影响的情况下，磁极厚度均匀时，电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密为：

当采用不等厚磁极时，电机的气隙磁密径向分布为：

其中：

当采用不等厚的磁极后，B’_r减小，即电枢齿与永磁体之间气隙径向磁密变小，削弱了电机的齿槽转矩，达到优化的目的。根据图2进行几何推导，得到磁极径向磁化长度H关于偏心距h的表达式：

其中偏心距h的范围为(0，R₁)。

对式(10)进行求导分析，可得该函数在定义域内的单调性为先减后增，其中h在该点处取得极小值：

齿槽转矩随偏心距变化的曲线如图3所示，偏心距为式(11)中的值时取得最小的齿槽转矩，达到优化的目的。

本发明的偏心结构磁场调制电机的工作过程：

当电机启动时，表贴式永磁体的中心线与定子齿的中心线重合，此时定子齿左右两侧的磁感应强度、永磁体产生在定子齿的两侧产生的引力、相互抵消。外转子逆时针旋转，永磁体的中心线落后于定子齿中心线，此时定子齿的左半部分的磁感应强度低于右半部分的磁感应强度，引力、合力不为零，合力方向与转子旋转的方向相反。转子继续逆时针旋转，永磁体中心线落后于定子齿中心线的距离变大，与该定子齿相邻的右侧定子齿左半部分的磁感应强度增大，当定子齿左半部分越过该永磁体向下一个永磁体旋转时，定子齿左半部分的一部分和两个永磁体之间的气隙相对，定子齿的右半部分磁感应强度变大，定子齿逐渐向其左侧下一个永磁体中心线靠拢，齿槽转矩慢慢变小。外转子继续逆时针旋转,永磁体中心线落后于定子齿中心线的距离继续变大,当永磁体中心线与定子槽中心线重合时，引力、合力为零，转子逆时针旋转成周期变化。

Claims (2)

1.一种具有永磁体偏心结构的磁场调制波浪发电机，包括定子和外转子，外转子包括转子铁芯和表贴式永磁体，外转子与定子的间隙中加有调磁铁块进行磁场调制。其特征在于，各个永磁体的磁极外沿圆心与内径圆心不重合，永磁体厚度不均匀，磁极外沿圆弧的圆心移动偏心距h，使得外沿圆弧半径减小，外转子永磁体的厚度由中间向两端逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的磁场调制波浪发电机，其特征在于，永磁体内外圆弧半径为62.5mm和66mm，偏心距h为61.5mm。