CN114421654A - 一种横向磁通c型内嵌式定子永磁无刷风力发电机 - Google Patents

一种横向磁通c型内嵌式定子永磁无刷风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，包括C型定子、永磁体和转子轭圈，所述转子轭圈上均匀嵌入安装有永磁体，通过粘接进行固定，转子轭圈的内侧均匀安装有C型定子，所述C型定子开口朝外设置，C型定子开口的内侧与永磁体的内径相切，C型定子开口的外侧与永磁体的外径相切，永磁体上下表面与C型定子开口之间的气隙相等。本发明的电机整体为20极24槽极槽配合结构，通过将绕组线圈分上下两部分绕制在C型定子的外臂上，充分利用电机空间；将C型定子开口朝外，内嵌在转子圈内部，有利于电机散热；定子组件单位化，方便批量生产，降低成本。

Description

一种横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体为横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机。
背景技术
永磁体电机具有结构简单、功率密度高、运行可靠等优点，尤其是稀土材料成本降低后，更是在电动汽车、发电机、工业设备等场合获得了的广泛应用。
能源危机加剧，可持续发展战略日益重要，大力开发利用新能源和可再生能源已成为全球多数国家能源发展战略的共识。现有技术框架下，在多种可再生能源中，风能属于开发技术最为成熟、经济效益最好、应用场景最为广阔的一种新能源。而风力发电机本体是风力发电系统的核心，其机电性能优劣直接决定了整套发电系统的工作效率、生产成本以及运行稳定。
在风力发电的现实场景中，电机转速普遍较低，中小功率场合一般只有几十至几百转每分钟，大功率场合一般在十几转每分钟。根据法拉第电磁定律，电机感应电势与磁场交变频率成正比，而感应电势的大小直接决定了电机功率。因此在低转速下为满足功率及转矩输出要求，一般需要增加电机直径，增大铁心截面积，增加绕组匝数。但根据应用场合要求，电机直径不可能无限大，且在传统径向磁通电机和传统轴向磁通电机中，铁心主磁通和绕组电流位于同一平面上，因此增加铁心面积与增加绕组匝数在空间占用上相互矛盾。
横向磁通电机则可以解决上述问题，其导磁铁心与电枢绕组在结构上位于垂直平面，空间上完全解耦，故可根据功率需要分别设计磁路尺寸和绕组参数，从而做到磁负荷和电负荷的设计分离，最终可以获得较高的功率密度。
虽然横向磁通电机通过特殊的磁路、绕组设计可以做到高功密、大转矩，但往往需要复杂的组件设计及装配工艺，在生产成本上难以接受。且高功率密度的电机设计需要配合更为高效的散热方案。
现有电机散热方法包括自冷、风冷、水冷三种主要方式，自冷方法用于发热不大的小功率电机中，即不辅助任何介质散热，仅在自然状态或通过散热片冷却，尤其在不需要长时间工作的应用场合较为常用；风冷方法较为常见，通常与长时间工作的中小功率电机配套使用，通过在电机结构中设计风道，配合风扇强制风冷；水冷方法需要设计复杂的散热水管，常见如螺旋管、回形管等结构，附绕在定子或穿插在绕组中，用于大功率电机。
综上所述，风力发电作为新能源中最具潜力的发展方向备受研究和关注；横向磁通电机具有高功密、小体积、大转矩等诸多优点，但需要综合考虑加工难度和散热方案；冷却方案的选择上，在风力发电场合采用风冷方案最为合适。总体来说，需要有一种兼顾功密和散热的新型电机结构，来满足风力发电的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，包括C型定子、永磁体和转子轭圈，所述转子轭圈上均匀嵌入安装有永磁体，通过粘接进行固定，转子轭圈的内侧均匀安装有C 型定子，所述C型定子开口朝外设置，C型定子开口的内侧与永磁体的内径相切，C型定子开口的外侧与永磁体的外径相切，永磁体上下表面与C型定子开口之间的气隙相等。
优选的，所述C型定子设置有24个，相邻C型定子间背靠背排列，每个 C型定子占据的空间角度为15°。
优选的，所述C型定子包括C型硅钢定子铁心、绕组线圈和软磁复合材料极靴，所述C型硅钢定子铁心外臂的上下两端套接有等匝数的绕组线圈，C 型硅钢定子铁心的开口处固定有两个呈扇形结构的软磁复合材料极靴，C型硅钢定子铁心位硅钢片整体叠压成型，软磁复合材料极靴主要起改善气隙磁密波形的作用，其磁场交变频率，尤其是谐波磁场交变频率较大，采用软磁复合材料以减小损耗。
优选的，所述绕组线圈为数根铜线并绕的集中绕组，上下两端的绕组线圈的绕线方向相同，所述绕组线圈上连接有径向向内侧的三相绕组，且三相绕组呈Y型分布。
优选的，所述转子轭圈上设置有20个永磁体，20个永磁体交替充磁，转子轭圈采用不锈钢材质，减小漏磁，转子轭圈的外周外接外转子圆筒的内壁，相当于外转子结构，此时C型定子内部即风道，在风力发电场合直接与外部风口相连通，从而实现风冷条件下对定子及绕组线圈的高效散热。
优选的，所述永磁体呈扇形结构，永磁体占据的空间角度为18°，永磁体的弧度与软磁复合材料极靴的弧度不等，永磁体的厚度等于转子轭圈的厚度，永磁体采用钕铁硼材料，成本较低，且矫顽力、剩磁性能良好。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：电机整体为20极24槽极槽配合结构，通过将绕组线圈分上下两部分绕制在C型定子的外臂上，充分利用电机空间；将C型定子开口朝外，内嵌在转子圈内部，有利于电机散热；定子组件单位化，方便批量生产，降低成本；同时通过对上下层绕组线圈进行空间角度偏置，还可以削弱反电势中的谐波含量，获得类似分布绕组的电磁效果；设置极靴以改善气隙磁密分布，提高空载反电势有效值，并削弱谐波含量；直接接触气隙的铁磁材料往往会出于较高频率的交变磁场中，尤其是成分较为复杂的谐波磁场，因此采用软磁复合材料，从而在一定程度上作为缓冲，可以降低铁芯的损耗。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的C型定子结构示意图；
图3为本发明的转子轭圈结构示意图；
图4为本发明的绕组电流方向示意图。
图中：1、C型定子；11、C型硅钢定子铁心；12、绕组线圈；13、软磁复合材料极靴；2、永磁体；3、转子轭圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供的一种实施例：横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，包括C型定子1、永磁体2和转子轭圈3，转子轭圈3上均匀嵌入安装有永磁体2，通过粘接进行固定，由于风力发电场合中电机转速较低，永磁体2离心力并不大，粘接方式可以较好满足应力要求，并不会影响磁钢的电磁性能；
转子轭圈3的内侧均匀安装有C型定子1，C型定子1开口朝外设置，C 型定子1开口的内侧与永磁体2的内径相切，C型定子1开口的外侧与永磁体 2的外径相切，永磁体2上下表面与C型定子1开口之间的气隙相等；
C型定子1设置有24个，相邻C型定子1间背靠背排列，每个C型定子 1占据的空间角度为15°；
C型定子1包括C型硅钢定子铁心11、绕组线圈12和软磁复合材料极靴 13，C型硅钢定子铁心11外臂的上下两端套接有等匝数的绕组线圈12，C型硅钢定子铁心11的开口处固定有两个呈扇形结构的软磁复合材料极靴13，C 型硅钢定子铁心11位硅钢片整体叠压成型，软磁复合材料极靴13主要起改善气隙磁密波形的作用，其磁场交变频率，尤其是谐波磁场交变频率较大，采用软磁复合材料以减小损耗；
绕组线圈12为数根铜线并绕的集中绕组，上下两端的绕组线圈12的绕线方向相同，绕组线圈12上连接有径向向内侧的三相绕组，且三相绕组呈Y 型分布；
转子轭圈3上设置有20个永磁体2，20个永磁体2交替充磁，转子轭圈 3采用不锈钢材质，减小漏磁，转子轭圈3的外周外接外转子圆筒的内壁，相当于外转子结构，此时C型定子1内部即风道，在风力发电场合直接与外部风口相连通，从而实现风冷条件下对定子及绕组线圈12的高效散热；
永磁体2呈扇形结构，永磁体2占据的空间角度为18°，永磁体2的弧度与软磁复合材料极靴13的弧度不等，永磁体2的厚度等于转子轭圈3的厚度，永磁体2采用钕铁硼材料，成本较低，且矫顽力、剩磁性能良好，可提高电机气隙磁密和磁钢热稳定型的角度。
本申请实施例在使用时，首先将20个永磁体2嵌入安装在转子轭圈3上，并通过粘接进行固定，然后，将绕组线圈12绕制在C型硅钢定子铁心11上，并在C型硅钢定子铁心11的开口处安装两个软磁复合材料极靴13，从而完成 C型定子1的组装，再将C型定子1开口朝外安装在转子轭圈3的内侧，并使转子轭圈3位于C型定子1的开口中，最后，C型定子1上的每个绕组线圈 12向C型定子1内侧引出接线，在C型空间内侧走线，并与其他各线圈相连，具体布线时，先对上层绕组线圈12接线，共24个，随后采用相同方法对下层绕组线圈12接线，在将上下层绕组接线串联一体，引出三相绕组，最后将三相绕组接成Y型。

Claims (6)

1.横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，其特征在于：包括C型定子(1)、永磁体(2)和转子轭圈(3)，所述转子轭圈(3)上均匀嵌入安装有永磁体(2)，转子轭圈(3)的内侧均匀安装有C型定子(1)，所述C型定子(1)开口朝外设置，C型定子(1)开口的内侧与永磁体(2)的内径相切，C型定子(1)开口的外侧与永磁体(2)的外径相切，永磁体(2)上下表面与C型定子(1)开口之间的气隙相等。
2.根据权利要求1所述的横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，其特征在于：所述C型定子(1)设置有24个，相邻C型定子(1)间背靠背排列，每个C型定子(1)占据的空间角度为15°。
3.根据权利要求1所述的横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，其特征在于：所述C型定子(1)包括C型硅钢定子铁心(11)、绕组线圈(12)和软磁复合材料极靴(13)，所述C型硅钢定子铁心(11)外臂的上下两端套接有等匝数的绕组线圈(12)，C型硅钢定子铁心(11)的开口处固定有两个呈扇形结构的软磁复合材料极靴(13)。
4.根据权利要求3所述的横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，其特征在于：所述绕组线圈(12)为数根铜线并绕的集中绕组，上下两端的绕组线圈(12)的绕线方向相同，所述绕组线圈(12)上连接有径向向内侧的三相绕组，且三相绕组呈Y型分布。
5.根据权利要求1所述的横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，其特征在于：所述转子轭圈(3)上设置有20个永磁体(2)，20个永磁体(2)交替充磁。
6.根据权利要求3所述的横向磁通C型内嵌式定子永磁无刷风力发电机，其特征在于：所述永磁体(2)呈扇形结构，永磁体(2)占据的空间角度为18°，永磁体(2)的弧度与软磁复合材料极靴(13)的弧度不等，永磁体(2)的厚度等于转子轭圈(3)的厚度。
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