CN116317223B - 一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机技术领域，公开了一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机。该风力发电机从外到内依次包括风轮、转子和定子，定子采用分段式模块化设计，每个定子模块均由定子主齿、定子辅助齿、定子轭部、径向充磁永磁体、切向充磁永磁体和绕组组成，定子主齿与定子辅助齿呈交替式排布，每个定子主齿内安装两块切向充磁永磁体，每个定子主齿底部的安装槽内中心位置安装一块径向充磁永磁体；转子由转子轭部和转子齿组成；转子与风轮直接连接，实现直驱。本发明通过采用模块化定子，降低了加工和组装难度；转子齿起到磁场调制器作用，引入磁场调制效应，大幅提高了功率密度；此外，通过利用定子辅助齿实现相绕组间隔离，提高了容错能力。

Description

一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，特别涉及一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机。

背景技术

新能源发电技术的发展对我国实现“双碳”目标具有重大意义。由于海上风资源丰富，且不受土地限制，海上风力发电已成为新能源发电的重要组成部分。目前，海上风力发电机多采用异步发电机，并配合齿轮箱、联轴器等机械部件与风轮连接实现传动。

然而，齿轮箱在风力发电机组中属于易过载和损坏率较高的部件。因此，研究如何省去齿轮箱，实现电机对风轮的直接驱动至关重要。永磁直驱风力发电机是近年来的研究热点之一，其可以省去齿轮箱这一传统部件，简化了发电机组结构，缩短了传动链，最大限度地提高了机组的可靠性和传动效率，同时也减少了日常的维护，降低了后续的运行成本。

然而，为了提高发电效率，目前永磁直驱风力发电机的极数非常大，风力发电机体积庞大，给加工和组装带来了很大难度，同时，风力发电机的功率密度较低。另一方面，由于风力发电机，尤其是海上风力发电机所处地理位置偏远，当机组发生故障时维修响应速度相对迟滞，因此，提高风力发电机在故障发生时的容错运行能力也势在必行。

综上，目前亟待解决的问题包括：1. 如何降低风力发电机的加工和制造难度，提高直驱永磁风力发电机的工程使用价值；2. 如何提高永磁风力发电机的功率密度，提升其直驱竞争力；3. 如何提高永磁风力发电机在故障发生时的容错运行能力，进而提升其可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，以降低风力发电机的加工和组装难度，同时提高其功率密度和故障容错能力。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，包括定子、转子和风轮；

其中，风轮位于转子的外侧，且与转子相连；定子位于转子的内侧，在定子和转子之间留有气隙；

定子由至少三个采用圆弧形结构的定子模块组成；

各个定子模块沿转子内侧的一个圆周方向均匀布设；

各个定子模块的结构相同；每个定子模块均包括定子轭部、定子主齿、定子辅助齿、径向充磁永磁体、切向充磁永磁体和绕组；

定子轭部采用圆弧形结构；定子主齿和定子辅助齿均有多个，且定子主齿和定子辅助齿沿着定子轭部的圆弧方向呈交替式排布；

定子主齿的内端连接在定子轭部的外侧，外端伸展至转子的内侧；定子辅助齿的内端连接在定子轭部的外侧，内端伸展至转子的内侧；

定子轭部在正对每个定子主齿底部的位置均设置一个安装槽；安装槽沿定子轭部的圆弧方向伸展；每个安装槽内中心位置安装一块径向充磁永磁体；

每个定子主齿的内部安装两块切向充磁永磁体，且同一定子主齿中的两块切向充磁永磁体呈平行排布或呈“八”字型排布；同一定子主齿内部的两块切向充磁永磁体，与该定子主齿底部正对的安装槽内的径向充磁永磁体，呈现“U”型排布；

绕组绕在定子主齿上；转子采用凸极结构，转子由转子轭部和转子齿组成；转子轭部为圆环形，转子齿有多个且沿转子轭部的内侧圆周方向均匀布置。

每个定子主齿内部的两块切向充磁永磁体充磁方向相反；同一个定子主齿内部的两块切向充磁永磁体中，任意一块切向充磁永磁体的充磁方向朝向另一块切向充磁永磁体。

径向充磁永磁体的充磁方向为径向朝外。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明述及了一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，该风力发电机通过采用模块化定子，有效降低了加工和组装难度；本发明通过利用转子齿起对定子永磁体磁场进行调制，可引入磁场调制效应产生大量气隙磁场谐波，通过利用所产生的谐波，可以打破永磁体与绕组极对数的配合关系，从而大幅提高功率密度；本发明通过添加辅助齿实现了相绕组间的物理隔离和磁隔离，从而有利于提高发电机的故障容错能力，从而提升了可靠性；另外，本发明通过将永磁体放置在定子侧，提高了永磁体散热能力，大大降低了永磁体退磁风险；此外，本发明永磁体采用了一种近似“U” 型的聚磁型排布，能够显著提高气隙磁密。

附图说明

图1为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的横截面结构图。

图2为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的一个定子模块的横截面结构图；其中，图中箭头方向表示永磁体的充磁方向。

图3为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的转子的横截面结构示意图。

图4为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的空载磁力线分布图。

图5为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的气隙磁密波形图。

图6为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的气隙磁密傅里叶谐波分析图。

图7为本发明实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的空载相磁链图。

其中，A-定子，B-转子，C-风轮；

1-定子模块，11-定子轭部，12-定子主齿，13-定子辅助齿，14-径向充磁永磁体，15-切向充磁永磁体，16-绕组，17-安装槽，21-转子轭部，22-转子齿。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本实施例述及了一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，其结构如图1所示。该直驱式磁场调制容错永磁风力发电机包括定子A、转子B和风轮C。

其中，风轮C位于转子B的外侧，且与转子B相连。

本实施例中风轮C与转子B通过法兰直接连接，从而实现直驱。

定子A位于转子B的内侧，在定子A和转子B之间留有气隙。气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及电机装配工艺有关。

如图1所示，定子A由三个采用圆弧形结构的定子模块1组成。各个定子模块1沿转子B内侧的一个圆周方向均匀布设，三个定子模块1的结构相同。

本实施例中定子A采用分段式模块化设计，有效降低了加工和组装难度。

如图2所示，每个定子模块1均包括定子轭部11、定子主齿12、定子辅助齿13、径向充磁永磁体14、切向充磁永磁体15和绕组16。

定子轭部11采用圆弧形结构。定子主齿12和定子辅助齿13均有多个，且定子主齿12和定子辅助齿13沿着定子轭部11的圆弧方向呈交替式排布。

此处交替式排布具体是指，沿着定子轭部11的圆弧方向，设置一个定子主齿12、设置一个定子辅助齿13、设置一个定子主齿12、设置一个定子辅助齿13…，依次类推。

定子主齿12的内端连接在定子轭部11的外侧，外端伸展至转子2的内侧；定子辅助齿13的内端连接在定子轭部11的外侧，内端伸展至转子2的内侧。

本发明通过设置定子辅助齿13，能够起到引导磁路流通的作用，同时能够实现相绕组之间的物理隔离和磁隔离，从而提高风力发电机的容错能力。

定子轭部11在正对每个定子主齿12底部的位置均设置一个安装槽17，如图2所示。

安装槽17沿定子轭部11的圆弧方向伸展。

每个安装槽17沿定子轭部11的圆弧方向的各个端部，例如端部a、b，分别伸展至与对应的定子主齿12相邻的一个方定子辅助齿13的底部位置，如图2所示。

此处，对应的定子主齿12具体是指与每个安装槽17正对的定子主齿12。

本实施例中安装槽17的作用有两个，一方面用于放置径向充磁永磁体14，另一方面起到磁障作用，防止径向充磁永磁体14和切向充磁永磁体15发生漏磁。

每个安装槽17内中心位置安装一块径向充磁永磁体14。

径向充磁永磁体14的充磁方向为径向朝外。

每个定子主齿12的齿内安装两块切向充磁永磁体15，且同一定子主齿12中的两块切向充磁永磁体15呈平行排布或呈“八”字型排布，如图2所示。

每个定子主齿12内部的两块切向充磁永磁体15充磁方向相反。

同一个定子主齿12内部的两块切向充磁永磁体15中，任意一块切向充磁永磁体15的充磁方向朝向另一块切向充磁永磁体15，如图2所示。

本实施例中切向充磁永磁体15和径向充磁永磁体14的材料可根据电机性能需求、工作温度和成本进行选择，例如使用钕铁硼或铁氧体等永磁材料。切向充磁永磁体15和径向充磁永磁体14使用相同永磁体材料，或不同永磁体材料即混合永磁形式。

同一定子主齿12内部的两块切向充磁永磁体15，与该定子主齿12底部正对的安装槽17内的径向充磁永磁体14，呈现“U”型排布，此处“U”型排布是指近似“U”型排布。

该永磁体排布方式有利于实现聚磁，从而提高电机气隙磁密。

绕组16绕在定子主齿12上。本实施例中绕组16采用非重叠的集中绕组形式，有利于减少端部长度，降低铜耗，从而提高风力发电机的运行效率。

三个定子模块1的各相绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相绕组。

当然，本实施例中定子模块1的数量并不局限于采用上述三个，还可以根据需要设置大于三个，例如设置为四个、五个或者甚至更多，此处不再赘述。

如图3所示，转子B采用凸极结构，转子B由转子轭部21和转子齿22组成；转子轭部21为圆环形，转子齿22有多个且沿转子轭部21的内侧圆周方向均匀布置。

转子齿22一方面起到导磁作用，另一方面起到磁场调制器的作用，对永磁体磁场进行调制，从而引入磁场调制效应，打破绕组和永磁体极对数配合关系，提高发电机功率密度。

由于转子B上没有永磁体，因而本发明中风力发电机具有结构简单和机械强度高的优点。

本实施例中定子A和转子B的铁心均由硅钢片叠压而成，硅钢片厚度通常选取在0.35mm~0.5mm之间，叠压系数约为0.95。

如图4至图7所示，本实施例中直驱式磁场调制容错永磁风力发电机的运行原理，可以从磁链变化和磁场调制两个角度来说明，具体如下：

从磁链变化角度，当转子B在一个电周期内持续旋转时，绕组16中匝链的磁通会随着转子位置改变而发生幅值变化，产生周期性变化的双极性磁链，进而感应产生反电动势，实现机电能量转换；

从磁场调制角度，在不考虑转子凸极的情况下，电机气隙磁密中的谐波成分仅包含由定子永磁体（径向充磁永磁体14+切向充磁永磁体15）磁动势贡献的初始谐波，包括6次谐波、12次谐波和18次谐波等。但由于永磁体是静止的，这些静止谐波无法作为工作谐波参与反电动势产生。为使电机能够正常工作，本发明中的风力发电机采用凸极结构，通过利用转子齿对定子永磁体磁场的调制作用，在气隙磁密中产生丰富的旋转调制谐波，包括5次谐波、7次谐波、17次谐波等，这些谐波均可作为工作谐波直接参与电机反电动势的产生。为充分利用磁场调制效应，绕组极对数可按照低次极对数来设置，从而获得较高的极比，产生较大的反电动势。此外，由于绕组极对数低，电机整体体积会大幅缩小，从而提升了风力发电机功率密度，这也是本发明相比于传统直驱永磁风力发电机的优势之一。

另外，本发明通过利用定子辅助齿13能够实现相绕组间的物理隔离和磁隔离，降低了相间互感，使得风力发电机获得了良好的容错能力，提高了可靠性，使得本发明能够很好地应用在海上地理位置偏远的地方。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，其特征在于，

包括定子（A）、转子（B）和风轮（C）；

其中，风轮（C）位于转子（B）的外侧，且与转子（B）相连；定子（A）位于转子（B）的内侧，在定子（A）和转子（B）之间留有气隙；

定子（A）由至少三个采用圆弧形结构的定子模块（1）组成；

各个所述定子模块（1）沿所述转子（B）内侧的一个圆周方向均匀布设；

各个定子模块（1）的结构相同；每个定子模块（1）均包括定子轭部（11）、定子主齿（12）、定子辅助齿（13）、径向充磁永磁体（14）、切向充磁永磁体（15）和绕组（16）；

定子轭部（11）采用圆弧形结构；

定子主齿（12）和定子辅助齿（13）均有多个，且定子主齿（12）和定子辅助齿（13）沿着所述定子轭部（11）的圆弧方向呈交替式排布；

定子主齿（12）的内端连接在定子轭部（11）的外侧，外端伸展至转子（2）的内侧；定子辅助齿（13）的内端连接在定子轭部（11）的外侧，内端伸展至转子（2）的内侧；

定子轭部（11）在正对每个定子主齿（12）底部的位置均设置一个安装槽（17）；所述安装槽（17）沿定子轭部（11）的圆弧方向伸展；

每个所述安装槽（17）内中心位置安装一块径向充磁永磁体（14）；

每个定子主齿（12）齿内安装两块切向充磁永磁体（15），且同一定子主齿（12）中的两块切向充磁永磁体（15）呈平行排布或呈“八”字型排布；

同一定子主齿（12）内部的两块切向充磁永磁体（15），与该定子主齿（12）底部正对的安装槽（17）内的径向充磁永磁体（14），呈现“U”型排布；

每个所述安装槽（17）沿定子轭部（11）的圆弧方向的各个端部，分别伸展至与对应的定子主齿（12）相邻的定子辅助齿（13）的底部位置；

其中，对应的定子主齿（12）为与所述安装槽（17）正对的定子主齿（12）；

所述绕组（16）绕在所述定子主齿（12）上；

转子（B）采用凸极结构，转子（B）由转子轭部（21）和转子齿（22）组成；转子轭部（21）为圆环形，转子齿（22）有多个且沿转子轭部（21）的内侧圆周方向均匀布置。

2.根据权利要求1所述的直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，其特征在于，

每个定子主齿（12）内部的两块切向充磁永磁体（15）充磁方向相反；

同一个定子主齿（12）内部的两块切向充磁永磁体（15）中，任意一块切向充磁永磁体（15）的充磁方向朝向另一块切向充磁永磁体（15）。

3.根据权利要求1所述的直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，其特征在于，

所述径向充磁永磁体（14）的充磁方向为径向朝外。

4.根据权利要求1所述的直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，其特征在于，

所述切向充磁永磁体（15）和径向充磁永磁体（14）是使用相同或不同永磁体材料制成的。

5.根据权利要求1所述的直驱式磁场调制容错永磁风力发电机，其特征在于，

所述绕组（16）采用非重叠的集中绕组形式；

所有定子模块（1）的各相绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相绕组。