CN118174476B - 一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机技术领域，具体公开了一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机。本发明所述风力发电机包括定子、转子和风轮；风轮位于转子的外侧且与转子相连，风轮上安装有叶片；定子位于转子的内侧。本发明通过在定子侧采用双永磁励磁设计，大幅提升了励磁磁动势，在转子的转子齿调制作用下，将产生大量具有高幅值的气隙磁场工作谐波，从而大幅提升了功率密度，此外定子轭部永磁体还能够起到阻碍齿部永磁体发生漏磁的作用，提升了永磁体利用率。另外本发明定子的铁心柱上缠绕有直流励磁绕组，当通入直流电时可提供直流励磁磁动势，通过增加直流励磁可实现对发电机气隙磁场的灵活调节，从而在转速波动时对输出电压进行调节，实现了稳压效果。

Description

一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，特别涉及一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机。

背景技术

随着全球气候变化问题的日趋严峻，清洁能源利用越发受到人们关注，风力发电以有零排放、零污染的环保优势，近年来在我国得到了大力推广。风力发电机作为风力发电系统中的核心部件，直接影响着风力发电系统的输出电能质量和效率。

目前常用的风力发电机包括两类，一类是以机械式增速齿轮箱为中间环节的异步风力发电机或半直驱永磁风力发电机，另一类是由风轮直接驱动的永磁直驱风力发电机。

由于取消了齿轮传动环节，使得永磁直驱风力发电系统在可靠性、效率和运维成本等方面均得到了很大改善。然而传统永磁直驱风力发电系统由于工作在低转速，电机的磁极对数很大，造成电机体积庞大、功率密度低；另外由于直驱风力发电机具有转速随机性强的特点，导致发电机的输出电压波动频繁。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机，其在定子侧采用双永磁励磁设计，即在定子齿和定子轭部均放置永磁体，利于提升励磁磁动势，从而在转子齿的调制作用下产生高幅值气隙磁场工作谐波，大幅提升功率密度；此外通过增加直流励磁，可实现对发电机气隙磁场的灵活调节，从而在转速波动时实现稳压效果。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机，包括定子、转子和风轮；风轮位于转子的外侧且与转子相连，风轮上安装有叶片；定子位于转子的内侧；

转子采用凸极结构，其包括转子轭部和转子齿；

定子包括定子齿、铁心柱、定子轭部、定子齿永磁体、定子轭部永磁体、电枢绕组以及直流励磁绕组，其中定子齿位于定子轭部的外侧；

定子齿有多个，且各个定子齿沿同一圆周方向均匀布置，任意相邻两个定子齿的内端相连并通过一个铁心柱连接到定子轭部；

各个定子齿均采用“U”型结构，其中“U”型结构开口朝向定子轭部；在每个定子齿的外端即“U”型结构的底部均安装一块定子齿永磁体；

定子轭部为圆环形，在定子轭部上沿其周向方向均匀安装多块定子轭部永磁体；

电枢绕组缠绕在定子齿上，直流励磁绕组缠绕在铁心柱上。

优选的，各个定子齿永磁体的充磁方向均沿切向方向，且沿定子齿的排布方向按顺序看去，每相邻的两个定子齿上的定子齿永磁体充磁方向相对。

优选的，各个定子轭部永磁体的充磁方向均沿切向方向，且沿定子轭部的圆周方向按顺序看去，每相邻的两个定子轭部永磁体的充磁方向相对。

优选的，定子齿永磁体以及定子轭部永磁体是采用相同或不同永磁体材料制成的。

优选的，定子与转子之间留有气隙。

优选的，叶片有多个，各个叶片在风轮的圆周方向上均匀布置。

优选的，当缠绕在铁心柱上的直流励磁绕组通入直流电时，提供直流励磁磁动势。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明述及了一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机，其通过利用磁场调制效应可实现电枢绕组与永磁体之间极对数的解耦，为提升发电机功率密度创造了条件。本发明在定子侧采用双永磁励磁设计，即在定子齿和定子轭部均放置永磁体，大幅提升了励磁磁动势，并在转子齿的调制作用下，将产生大量具有高幅值的气隙磁场工作谐波，从而大幅提升了功率密度。定子轭部永磁体除了提供励磁磁动势之外，还能够起到阻碍齿部永磁体发生漏磁的作用，提升了永磁体利用率。此外，定子的铁心柱上缠绕有直流励磁绕组，当通入直流电时可提供直流励磁磁动势，通过增加直流励磁可实现对发电机气隙磁场的灵活调节，从而能够在转速波动时对输出电压进行调节，实现稳压效果。另外，永磁体放在定子侧，易于散热，降低了退磁风险。

附图说明

图1为本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的部分结构截面示意图；

图2为图1中风力发电机去除风轮和叶片的部分的截面示意图；

图3为本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的磁力线分布图；

图4为本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的气隙磁密波形图；

图5为本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的气隙磁密傅里叶谐波分析图；

图6为本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的齿槽转矩图；

图7为本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的空载相磁链图；

图8为增加定子轭部永磁体前后可变磁通磁场调制直驱风力发电机的漏磁对比图；其中(a)为增加定子轭部永磁体前的磁通路径图，(b)为增加定子轭部永磁体后的磁通路径图；

其中，1-叶片，2-风轮，3-定子，4-转子，5-定子齿，6-铁心柱，7-定子轭部，8、8a、8b-定子齿永磁体，9、9a、9b-定子轭部永磁体；

10-电枢绕组，11-直流励磁绕组，12-转子轭部，13-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可变磁通磁场调制直驱风力发电机，如图1所示，该可变磁通磁场调制直驱风力发电机包括风轮2、定子3和转子4。

风轮2位于转子4的外侧且与转子4相连，从而实现直驱，风轮2上安装有叶片1。叶片1有多个（在图1中例如示出了3个），且在风轮2的圆周方向上均匀布置。

需要说明的是，在图1中出现的参数A1+、A1-、A2+、A2-、B1+、B1-、B2+、B2-、C1+、C1、C2+、C2表示三相电源的输入和输出。

如图2所示，定子3位于转子4的内侧，定子3包括定子齿5、铁心柱6、定子轭部7、定子齿永磁体8、定子轭部永磁体9、电枢绕组10以及直流励磁绕组11。

其中定子齿5位于定子轭部7的外侧。需要说明的是，此处的内、外侧是相对于定子的中心而言的，定义靠近中心的一侧为内侧，远离中心的一侧为外侧。

定子齿5有多个，且各个定子齿5沿同一圆周方向均匀布置，任意相邻两个定子齿5的内端相连并通过一个铁心柱6连接到定子轭部7上。

各个定子齿5均采用“U”型结构，其中“U”型结构开口朝向定子轭部7。在每个定子齿5的外端即“U”型结构的底部均安装一块定子齿永磁体8。

如图2所示，各个定子齿永磁体8的充磁方向均沿切向方向。

需要说明的是，此处的切向方向是相对于径向方向而言的，定义由定子3的中心向外发出的射线方向为径向方向，则垂直于该射线方向的则为切向方向。

沿定子齿5的排布方向按顺序看去，每相邻的两个定子齿5上的定子齿永磁体8充磁方向相对，例如图2中的定子齿永磁体8a和定子齿永磁体8b。

定子轭部7为圆环形，在定子轭部7上沿其周向方向均匀安装多块定子轭部永磁体9，由图2能够看出，所有定子轭部永磁体9在定子轭部7的同一圆周方向也为均匀布设。

各个定子轭部永磁体9的充磁方向均沿切向方向，且沿定子轭部7的圆周方向按顺序看去，每相邻的两个定子轭部永磁体9的充磁方向相对，例如定子轭部永磁体9a、9b。

本实施例中定子齿永磁体8以及定子轭部永磁体9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。其中定子齿永磁体8以及定子轭部永磁体9使用相同永磁体材料，或不同永磁体材料即混合永磁形式。

在定子3和转子4之间留有气隙。其中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。

转子4采用凸极结构，转子4包括转子轭部12和转子齿13。转子齿13一方面起到导磁作用，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，提升了发电机功率密度。

由于转子4上没有永磁体，使得本发明具有结构简单和机械强度高的优点。

本发明中转子4采用凸极设计，转子齿13可对定子侧永磁体磁场和直流励磁磁场进行调制，从而产生丰富的气隙磁密谐波，使得发电机可大幅提升功率密度。

电枢绕组10缠绕在定子齿5上，本实施例中电枢绕组10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。

铁心柱6上缠绕有直流励磁绕组11，在直流励磁绕组11通入直流电时可提供直流励磁磁动势，实现对发电机气隙磁场的灵活调节，从而在转速波动时实现稳压效果。

本发明采用多重励磁设计，包含两重永磁体励磁和一重直流励磁。

其中采用双永磁励磁利于增大永磁体磁动势，在转子调制作用下，能够产生高幅值气隙磁场工作谐波，大幅提升功率密度，另外直流励磁可用于灵活调节气隙磁密，实现稳压。

本实施例中定子3和转子4的铁心均由硅钢片叠压而成，其中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3示出了本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的空载磁力线分布图。

如图4示出了本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的气隙磁密波形图；图中示出了在额定状态、增磁状态以及弱磁状态下的气隙磁密波形。

由图4能够看出，通过利用直流励磁，气隙磁密幅值可以被灵活调节，实现增加或减少。

如图5示出本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的气隙磁密傅里叶谐波分析图，图中示出了在额定状态、增磁状态以及弱磁状态下的气隙磁密傅里叶谐波分析。

由图5能够看出，本发明所述的风力发电机具有丰富的气隙磁密工作谐波，并通过利用直流励磁，气隙磁密工作谐波幅值可以被灵活调节。

如图6示出了本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的齿槽转矩图，由图6能够看出，本实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的转矩不高。

如图7示出了本发明实施例中可变磁通磁场调制直驱风力发电机的空载相磁链图；由图7能够看出，通过利用直流励磁，磁链可以实现增加或减少。

本实施例中可变磁通磁场调制直驱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3在一个电周期内持续旋转时，电枢绕组10中匝链的磁通会随着转子位置改变而发生幅值变化，产生周期性变化的磁链，进而感应产生反电动势，实现机电能量转换；当直流励磁绕组11通入直流电时，磁链会随着直流电流的变化而增大或减小；

从磁场调制角度，本发明在定子侧采用双永磁励磁（即定子齿永磁体8和定子轭部永磁体9），从而大幅提升了永磁体励磁磁动势。需要注意的是，在不安装定子轭部永磁体8的情况下，定子齿永磁体8产生的磁通将围绕定子齿5流通，无法参与能量转换，即均可视为漏磁，如图8中的(a)所示，但在加入定子轭部永磁体9后，由于定子轭部永磁体9的高磁阻起到磁障作用，定子齿永磁体8产生的磁通将会穿过气隙连接定子和转子，从而参与能量转换，如图8中的(b)所示。另外，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（定子齿永磁体8和定子轭部永磁体9）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。为了使电机能够正常工作，本发明所述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，产生较大的磁链和反电动势。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。当直流电流通入直流励磁绕组11后，产生与永磁体励磁磁动势具有相同极对数的直流励磁磁动势，在转子齿13的调制作用下，会产生相应的气隙磁场谐波，从而能够对由永磁体励磁产生的工作谐波幅值进行调整，进而实现对磁链和反电动势的调节，进而在转速波动的时候能够调节输出电压，实现了稳压效果。

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 (4)

1.一种可变磁通磁场调制直驱风力发电机，其特征在于，包括定子、转子和风轮；所述风轮位于转子的外侧且与转子相连，风轮上安装有叶片；定子位于所述转子的内侧；

所述转子采用凸极结构，其包括转子轭部和转子齿；

所述定子包括定子齿、铁心柱、定子轭部、定子齿永磁体、定子轭部永磁体、电枢绕组以及直流励磁绕组，其中定子齿位于所述定子轭部的外侧；

定子齿有多个，且各个所述定子齿沿同一圆周方向均匀布置，任意相邻两个所述定子齿的内端相连并通过一个所述铁心柱连接到所述定子轭部；

各个所述定子齿均采用“U”型结构，其中“U”型结构开口朝向所述定子轭部；在每个定子齿的外端即“U”型结构的底部均安装一块所述定子齿永磁体；

定子轭部为圆环形，在定子轭部上沿其周向方向均匀安装多块所述定子轭部永磁体；

所述电枢绕组缠绕在所述定子齿上，所述直流励磁绕组缠绕在所述铁心柱上；

各个所述定子齿永磁体的充磁方向均沿切向方向，且沿所述定子齿的排布方向按顺序看去，每相邻的两个所述定子齿上的定子齿永磁体充磁方向相对；

各个所述定子轭部永磁体的充磁方向均沿切向方向，且沿所述定子轭部的圆周方向按顺序看去，每相邻的两个所述定子轭部永磁体的充磁方向相对。

2.根据权利要求1所述的可变磁通磁场调制直驱风力发电机，其特征在于，

所述定子齿永磁体以及定子轭部永磁体是采用相同或不同永磁体材料制成的。

3.根据权利要求1所述的可变磁通磁场调制直驱风力发电机，其特征在于，

所述定子与转子之间留有气隙。

4.根据权利要求1所述的可变磁通磁场调制直驱风力发电机，其特征在于，

当缠绕在所述铁心柱上的直流励磁绕组通入直流电时，提供直流励磁磁动势。