CN112491177B - 一种抗去磁转子及mw级永磁同步风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗去磁转子及MW级永磁同步风力发电机，该抗去磁转子包括转子铁芯以及间隔布置在转子铁芯上的多组永磁体；每组永磁体包括呈V字型布置的两个永磁体磁极，每个永磁体磁极包括第一磁单元、第二磁单元和第三磁单元，第一磁单元、第三磁单元分别位于第二磁单元靠近V字型区域一侧的两个顶角处，且第一磁单元、第三磁单元的矫顽力大于第二磁单元；每个永磁体磁极靠近气隙与转轴的端部分别设置有第一空气磁障，呈V字型布置的两个永磁体磁极位于转轴侧的第一空气磁障之间、以及位于气隙的第一空气磁障与转子铁芯边缘之间分别具有隔磁桥；本发明使电机在保持基本电磁性能并且抗去磁能力增强的同时成本最低。

Description

一种抗去磁转子及MW级永磁同步风力发电机

技术领域

本发明属于同步电机技术领域，更具体地，涉及一种抗去磁转子及具有该转子的MW级永磁同步风力发电机。

背景技术

近年来，以风能为代表的可再生能源受到广泛关注，风力发电技术也成为目前最有应用前景的新能源技术之一。发电机作为风力发电系统的核心部件，其结构设计和优化越来越引起重视。

目前风力发电逐步向大型化发展，越来越多的MW级发电机设计投产。大型永磁同步风力发电机维修成本极高，其对故障工况下抗去磁性能要求十分严苛。发电机发生短路故障时会产生很大的短路电流导致去磁故障的产生，其中以三相短路最为严重，发电机去磁后将在转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中产生差频电流，导致转子产生严重过热现象，危及转子安全，并且可能产生交变的机械力矩，使机组发生振动，影响发电机的安全。由于风力发电机拆装困难，运营维护成本高昂，因此永磁同步风力发电机的抗去磁性能须做到万无一失。此外，现有的MW级风力发电机设计不够精细，存在一定的成本优化空间。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种抗去磁转子及MW级永磁同步风力发电机，在保证电机电磁性能不变的前提下，在降低电机成本的同时提高电机的抗去磁能力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种抗去磁转子，包括转子铁芯以及间隔布置在所述转子铁芯上的多组永磁体；

每组所述永磁体包括呈V字型布置的两个永磁体磁极，每个所述永磁体磁极包括第一磁单元、第二磁单元和第三磁单元，所述第一磁单元、第三磁单元分别位于所述第二磁单元靠近V字型区域一侧的两个顶角处，且第一磁单元、第三磁单元的矫顽力大于第二磁单元；该V字型区域即为每组永磁体中的两个永磁体磁极所夹持的区域；

每个永磁体磁极靠近气隙与转轴的端部分别设置有第一空气磁障，呈V字型布置的两个永磁体磁极位于转轴侧的所述第一空气磁障之间、以及位于气隙侧的所述第一空气磁障与转子铁芯边缘之间分别具有隔磁桥。

优选的，上述抗去磁转子，所述第一磁单元、第三磁单元均为直角三角形，所述直角三角形的第一直角边为靠近V字型区域的一侧边，第二直角边为与第一空气磁障相接触的一侧边，且所述第一直角边的长度大于第二直角边。

优选的，上述抗去磁转子，所述第一直角边的长度满足：

0.1*l₁≤b₁≤0.2*l₁

第二直角边的长度满足：

0.05*w₁≤a₁≤0.15*w₁

两个永磁体磁极之间的V字型夹角满足：

0.8*120°*w₁/l₁≤α≤1.1*120°*w₁/l₁

其中，l₁、w₁分别表示永磁体磁极的长度和宽度。

优选的，上述抗去磁转子还包括第二空气磁障；

所述第二空气磁障对称设置于靠近气隙的两个第一磁单元的第一直角边处，且该第二空气磁障的体积小于第一磁单元。

优选的，上述抗去磁转子，所述第二空气磁障为矩形通孔，其长度延伸方向与第一直角边的顺时针夹角小于等于90°。

优选的，上述抗去磁转子，所述第一磁单元、第三磁单元的剩余磁通量不小于第二磁单元。

优选的，上述抗去磁转子，所述第一空气磁障的体积大于隔磁桥。

优选的，上述抗去磁转子，所述第一磁单元、第二磁单元和第三磁单元之间采用丙烯酸AB胶进行粘接，在粘接后一起充磁且充磁方向均相同。

优选的，上述抗去磁转子，所述永磁体磁极为钕铁硼永磁体。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种MW级永磁同步风力发电机，所述发电机具有上述任一项所述的抗去磁转子。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过第一磁单元、第二磁单元和第三磁单元23拼接构成永磁体磁极，增大靠近V字型区域的第一磁单元、第三磁单元的矫顽力，使其大于第二磁单元的矫顽力，有利于增强转子的抗去磁能力。

(2)本发明在第一磁单元的长直角边处设置第二空气磁障，该第二空气磁障的长度延伸方向与第一磁单元的第一直角边的顺时针夹角小于等于90°；增加该第二空气磁障后，可以大大减小永磁体磁极靠近转子内侧(转轴侧)的下角处的去磁程度；以及可以减小第一磁单元和第三磁单元处的去磁宽度；另外，增加第二空气磁障可以在不影响输出转矩的同时大幅减小电机齿槽转矩和转矩脉动。

附图说明

图1是本发明实施例提供的抗去磁转子的组成结构示意图；

图2是本发明实施例提供的抗去磁转子的结构尺寸示意图；

图3是本发明实施例提供的一种第二空气磁障的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种第二空气磁障的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的MW级永磁同步风力发电机的二维结构示意图；

图6是本发明实施例提供的MW级永磁同步风力发电机的二维局部结构放大示意图；

图7是本发明实施例提供的抗去磁转子的结构参数的设计优化流程示意图；

图8是本发明实施例提供的对抗去磁转子以及常规转子进行有限元仿真的仿真结果示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-转子铁芯；2-永磁体磁极；21-第一磁单元；22-第二磁单元；23-第三磁单元；3-空气磁障；31、32-第一空气磁障；33-第二空气磁障；4、41、42-隔磁桥；5-定子铁芯；6-定子绕组；7-转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，以下的说明在本质上只不过是示例，并非意图限制本发明、本发明适用物或本发明的用途。进而，附图是示意性的，各尺寸的比例等不是必须与现实情况一致。

图1是本实施例提供的一种抗去磁转子的组成结构示意图，参见图1，该抗去磁转子包括转子铁芯1、多组永磁体(图中仅示出了转子铁芯的部分及一组永磁体)，还包括空气磁障3和隔磁桥4；

转子铁芯1上开设有供永磁体安放的通孔，多组永磁体采用内置式间隔布置于转子铁芯1中，需要说明的是，多组永磁体结构以及第一空气磁障3、隔磁桥4均关于图1中的点划线对称轴对称，所以后面所有相关的描述都只对图1中对称轴右侧部分进行描述说明，其左侧相对应部分与之材料相同，结构一致，位置上关于该对称轴对称。

每组永磁体包括呈V字型布置的两个永磁体磁极2，每个永磁体磁极2包括第一磁单元21、第二磁单元22和第三磁单元23，其中，第一磁单元21、第三磁单元23分别位于第二磁单元22靠近V字型区域一侧的两个顶角处，且第一磁单元21、第三磁单元23的矫顽力大于第二磁单元22；该V字型区域即为每组永磁体中的两个永磁体磁极所夹持的区域；

每个永磁体磁极2靠近气隙与转轴的端部分别设置有第一空气磁障(31、32)，呈V字型布置的永磁体磁极2位于转轴侧的所述第一空气磁障32之间、以及位于气隙侧的第一空气磁障31与转子铁芯1边缘之间分别具有隔磁桥(41、42)。

本方案中，通过第一磁单元21、第二磁单元22和第三磁单元23拼接构成永磁体磁极2，增大靠近V字型区域的第一磁单元21、第三磁单元23的矫顽力，使其大于第二磁单元22的矫顽力，有利于增强转子的抗去磁能力。

在一个优选的示例中，第一磁单元21、第三磁单元23均为直角三角形，该直角三角形的第一直角边为靠近V字型区域的一侧边，第二直角边为与第一空气磁障相接触的一侧边，且第一直角边的长度大于第二直角边。如此，可以使第一磁单元21、第三磁单元23尽可能地靠近V字型区域，提高易去磁区域的抗去磁能力。

图2是本实施例提供的抗去磁转子的结构尺寸示意图，参见图2，第一磁单元21具有长直角边b₁和短直角边a₁，第三磁单元23具有长直角边b₂和短直角边a₂。其中，第一磁单元21的长直角边b₁和永磁体磁极2的长度l₁应满足：0.1*l₁≤b₁≤0.2*l₁，同样的，第三磁单元23的长直角边b₂和永磁体磁极2的长度l₁也应满足：0.1*l₁≤b₂≤0.2*l₁；第一磁单元21的短直角边a₁和永磁体磁极2的宽度w₁应满足：0.05*w₁≤a₁≤0.15*w₁，同样的，第三磁单元23的短直角边a₂和永磁体磁极2的宽度w₁也应满足：0.05*w₁≤a₂≤0.15*w₁。

第一磁单元21、第二磁单元22和第三磁单元23拼接后构成一个矩形，其三者满足关系式：b₁+b₂+l₂＝l₁，其中，l₂为第二磁单元22靠近转子外侧(气隙侧)的长边长度；w₂+a₁＝w₃+a₂＝w₁，其中，w₂为第二磁单元22靠近第一磁单元21侧短边宽度，w₃为第二磁单元22靠近第三磁单元23侧短边宽度。两个永磁体磁极之间的V字型夹角满足：0.8*120°*w₁/l₁≤α≤1.1*120°*w₁/l₁。

可选的，为便于加工制造和批量化流水线生产，第一磁单元21、第三磁单元23的尺寸配置为相同，即b₂＝b₁，a₂＝a₁，以进一步降低加工制造成本。

作为一个更加优选的示例，上述抗去磁转子还包括第二空气磁障；该第二空气磁障对称设置于靠近气隙的两个第一磁单元的第一直角边处，且该第二空气磁障的体积小于第一磁单元。在一个具体示例中，第二空气磁障为矩形通孔，其长度延伸方向与第一磁单元的第一直角边的顺时针夹角小于等于90°。

图3、图4是本实施例提供的第二空气磁障的结构示意图，参见图3，第二空气磁障33设置于第一磁单元21的第一直角边处，其长度延伸方向与第一磁单元21的第一直角边的顺时针夹角小于90°。在抗去磁转子中增加该第二空气磁障33，可以大大减小永磁体磁极2靠近转子内侧(转轴侧)的下角处，即第三磁单元23附近位置的去磁程度。

参见图4，第二空气磁障33设置于第一磁单元21的第一直角边处，其长度延伸方向与第一磁单元21的第一直角边的顺时针夹角等于90°。在原拓扑结构的基础上添加该第二空气磁障33，可以减小第一磁单元21和第三磁单元23的去磁宽度，但会在一定程度上加深去磁深度。另外，采用此种拓扑可以在不影响输出转矩的同时大幅减小电机齿槽转矩和转矩脉动。

本实施例提供的抗去磁转子，转子铁芯1与隔磁桥4为一体成型结构，由硅钢片叠压而成。

构成永磁体磁极2的第一磁单元21、第二磁单元22和第三磁单元23均为钕铁硼永磁体，且其中的第一磁单元21、第三磁单元23比第二磁单元22具有更大的矫顽力以及相近或更大的剩磁，第一磁单元21、第三磁单元23与第二磁单元22之间用丙烯酸AB胶进行粘接，并且于粘接之后一同充磁，充磁方向均相同。为便于加工装配，永磁体磁极2在轴向上(图中未展示)采用分段处理。永磁体磁极2在安装后在其与转子铁芯1的接触面上涂覆环氧树脂AB胶进一步加固。

第一空气磁障3和隔磁桥4在保证转子的机械结构强度的前提下使磁路主磁通最大。优选的，在满足上述要求的前提下使第一空气磁障(31、32)的体积大于隔磁桥(41、42)，以减少转子铁芯1的重量，从而减少硅钢片用量和支撑结构造价，进一步降低成本。

本实施例还提供了一种具有上述抗去磁转子的MW级永磁同步风力发电机，图5是该MW级永磁同步风力发电机的二维结构示意图，图6是二维局部结构放大示意图；参见图5-6，该MW级永磁同步风力发电机还包括定子铁芯5、定子绕组6和转轴7；为方便机械手自动加工绕组，电机定子铁芯5采用开口槽设计，定子绕组6为双层分数槽分布绕组。位于转子铁芯1和定子铁芯5之间的气隙(图中未标注)应在考虑加工精度的情况下尽可能取小，以优化电机性能。

图7给出了抗去磁转子的结构参数的设计优化流程：首先根据风机的工作状况对其工作温度进行预估，结合设计要求，根据尺寸公式及磁路法进行初步模型设计。然后利用有限元法验证初步设计的电机模型在额定工况下是否满足设计性能，再利用有限元法对电机短路性能进行验证，需要注意的是，因为风机的运营维护成本极高，本实施例采用的短路工况为最恶劣的三相不对称短路。如果电机具有较大的去磁裕量，则调整三部分永磁体的矫顽力，以充分利用裕量，达到节约成本的目的。调整矫顽力至去磁裕量较小的状态后，利用有限元法综合扫描优化永磁体磁极、隔磁桥、第一空气磁障、第一空气磁障和转子铁芯的尺寸参数以及V型磁极的张角α大小。最后对优化后的模型分别进行电磁性能校核、去磁性能校核、结构机械强度校核，均符合指标要求后则设计完成。

在最严重三相短路故障工况下，对本实施例提供的抗去磁转子以及常规转子进行有限元仿真，仿真结果如图8所示，其中，图8(a)是常规转子模型的仿真结果，图8(b)是本实施例提供的抗去磁转子模型的仿真结果；图中，每个永磁体磁极上的白色区域表示去磁或濒临去磁，对比图8(a)、8(b)可以看出，相比常规转子，本实施例提供的抗去磁转子具有十分优异的抗去磁性能。采用本实施例提供的抗去磁转子，可以适当提升电机的磁负荷和电负荷而不用担心发生去磁，进而可以在保证电机性能不变的情况下缩短电机轴向长度，进一步降低电机成本。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗去磁转子，其特征在于，包括转子铁芯以及间隔布置在所述转子铁芯上的多组永磁体；

每组所述永磁体包括呈V字型布置的两个永磁体磁极，每个所述永磁体磁极包括第一磁单元、第二磁单元和第三磁单元，所述第一磁单元、第三磁单元分别位于所述第二磁单元靠近V字型区域一侧的两个顶角处，且第一磁单元、第三磁单元的矫顽力大于第二磁单元；所述第一磁单元、第二磁单元和第三磁单元之间采用丙烯酸AB胶进行粘接，在粘接后一起充磁且充磁方向均相同；

每个永磁体磁极靠近气隙与转轴的端部分别设置有第一空气磁障，呈V字型布置的两个永磁体磁极位于转轴侧的所述第一空气磁障之间、以及位于气隙侧的所述第一空气磁障与转子铁芯边缘之间分别具有隔磁桥；

所述第一磁单元、第三磁单元均为直角三角形，所述直角三角形的第一直角边为靠近V字型区域的一侧边，第二直角边为与第一空气磁障相接触的一侧边，且所述第一直角边的长度大于第二直角边；

还包括第二空气磁障；所述第二空气磁障对称设置于靠近气隙的两个第一磁单元的第一直角边处，且该第二空气磁障的体积小于第一磁单元；所述第二空气磁障为矩形通孔，其沿长度延伸方向上远离V字型顶角的侧边与第一磁单元的第一直角边的夹角小于等于90°。

2.如权利要求1所述的抗去磁转子，其特征在于，所述第一直角边的长度b ₁满足：

0.1*l ₁≤b ₁≤0.2*l ₁

第二直角边的长度a ₁满足：

0.05*w ₁≤a ₁≤0.15*w ₁

两个永磁体磁极之间的V字型夹角α满足：

0.8*120°*w ₁/l ₁≤α≤1.1*120°*w ₁/l ₁

其中，l ₁、w ₁分别表示永磁体磁极的长度和宽度。

3.如权利要求1所述的抗去磁转子，其特征在于，所述第一磁单元、第三磁单元的剩余磁通量不小于第二磁单元。

4.如权利要求1所述的抗去磁转子，其特征在于，所述第一空气磁障的体积大于隔磁桥。

5.如权利要求1所述的抗去磁转子，其特征在于，所述永磁体磁极为钕铁硼永磁体。

6.一种MW级永磁同步风力发电机，其特征在于，所述发电机具有如权利要求 1 ~5任一项所述的抗去磁转子。

Images