CN1866694A - 模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，它将定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁扇区组，在每一扇区组A、B、C三相各占相同面积的1个扇区，1个扇区属于一相，每个扇区的定子铁心上均匀的设置有k₂个大齿，在相邻两个大齿之间设置有1个大槽，相邻大齿的齿距为一个极距，相邻的两个扇区之间的定子铁心上分别设置有1个小槽，两个小槽之间设置有一个小齿，每一个大齿上绕制有整距集中线圈。本发明的发电机线圈的端部最短，各齿上的集中线圈端部不相互叠压；各齿上的整距集中线圈是从第一个齿到最后一个齿连续缠绕的，非常适合机械绕制，便于维修和更换，并且发电机能够平稳地输出电功率。

Description

模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机

技术领域

本发明涉及发电机，本发明尤其涉及一种模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机。

背景技术

随着人类经济社会的发展，能源需求越来越大，能源是人类生产生活的基本物质保障。随着常规化石类能源的日益短缺以及大众环保意识的提高，人类对可再生能源的开发和利用越来越重视。风力发电作为新能源战略规划中的重要一项，在全世界范围内得到了广泛而富有成效的发展。发电机作为风力发电系统中将风能转换为电能的重要部分，是风力发电技术中的一个研究热点。在最近的20年内，风力发电机不断地向大型化方向发展，到目前为止2MW的风力发电机已商业化。风力发电机向大型化方向发展的过程中，新型驱动链结构概念不断出现，风力机与风力发电机直接联接驱动链已被采用，这种直接联接驱动链所使用的是直驱型低速永磁同步风力发电机。为了增加发电机的极对数，以及提高电机的转矩，同时有利于整流电路滤波，直驱型低速永磁同步风力发电机都做得直径很大，而轴向尺寸较小，电机做成扁平形。直驱型低速永磁同步风力发电机虽然成本较高，但是它放弃了传统的高速风力发电机中的升速齿轮箱，可靠性增高，维修量减小，直驱型低速永磁同步风力发电机已成为倍受青睐的发展方向之一。

直驱型低速永磁同步风力发电机的负载是一种大电感滤波的整流负载，这就希望风力发电机的输出电动势最好为平顶波。目前传统定子结构的直驱型低速永磁同步风力发电机的电动势波形接近正弦波，定子铁心的三相绕组相互叠压，当有一匝定子绕组出现绝缘损坏时，更换起来非常麻烦。而一般模块化永磁同步电机为分数槽定子结构，绕组系数偏小，影响电机效率。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种定子绕组端部短、易于机械连续绕制、易于更换、质量轻、效率高、磁导谐波转矩小的模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机。

模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，它包括机座、转子轴、接线盒、Y接三相绕组、固定在所述机座内的模块化定子铁心、安装在所述转子轴上的转子、在所述转子圆周上设置有主磁极钕铁硼永磁体，将所述定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁扇区组，在每一扇区组A、B、C三相各占相同面积的1个扇区，1个扇区属于一相，每个扇区的定子铁心上均匀的设置有k₂个大齿，在所述的相邻两个大齿之间设置有1个大槽，所述的相邻大齿的齿距为一个极距，所述的相邻的两个扇区之间的定子铁心上分别设置有1个小槽，所述的两个小槽之间设置有一个小齿，所述小齿的中心线与两侧扇区相邻大齿的中心线间的距离都为2/3极距，扇区两侧的两个大齿中心线间的距离则为4/3极距，相当于小齿部分在空间上占据1/3极距，每一个大齿上绕制有整距集中线圈，一个扇区内的相邻齿上或部分相邻齿上的各个整距集中线圈可以按电动势方向相同的规律串联，也可以按电动势大小相同相位相同的规律并联，还可以串并联同时采用，构成一相的模块化定子相绕组组件，所述的每相绕组由同一相的模块化定子相绕组组件串联或并联构成，即同一相的模块化定子相绕组组件按照电动势同相位原则串联或按照每条并联支路电动势大小相同相位相同的原则并联构成。

本发明的发电机模块化定子绕组采用整距集中绕组的绕组系数为1，线圈的端部最短，各齿上的集中线圈端部不相互叠压；各齿上的整距集中线圈是从第一个齿到最后一个齿连续缠绕的，非常适合机械绕制，不但劳动生产率高，而且便于维修和更换；如果各齿绕组串联连接，则相邻两个齿上的线圈电位差不大，还非常便于槽间绕组绝缘，省工省料。在相同的定子铁心长度情况下，由于绕组的端部短，电机机座轴向长度可以缩短，质量轻，效率高。本发明的发电机能够平稳地输出电功率，电机轴上的电磁转矩波动小，发电机的振动、噪声低，对风力机叶片危害减弱。

附图说明

图1为本发明模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机结构示意主视图；

图2为图1所示电机的侧视图；

图3为本发明示例1(m＝3，k₁＝1，k₂＝7，2p＝22)模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机磁路结构剖面图；

图4为本发明示例2(m＝3，k₁＝2，k₂＝4，2p＝26)模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机磁路结构剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示是本发明所提供的模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机结构示意图，该发电机包括机座6、转子轴1、接线盒9、固定在所述机座内的模块化定子铁心5、安装在所述转子轴上的转子、在所述转子圆周上设置有主磁极钕铁硼永磁体7，将所述定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁扇区组，在每一扇区组A、B、C三相各占相同面积的1个扇区，1个扇区属于一相，每个扇区的定子铁心上均匀的开有k₂个大齿11，在所述的相邻两个大齿之间设置有1个大槽12，所述的相邻大齿的齿距为一个极距，相邻的两个扇区之间的定子铁心上设置有1个小齿13和2个小槽14，小槽的面积略大于大槽的二分之一以便于绕制线圈，小齿仅是磁路的一部分，小齿上不绕制绕组，小齿的中心线与两侧扇区相邻大齿的中心线间的距离都为2/3极距，扇区两侧的两个大齿中心线间的距离则为4/3极距，相当于小齿部分在空间上占据1/3极距，每一个大齿上绕制有整距集中线圈，在一个扇区相邻两个大齿上整距集中线圈的感应电动势大小相同、相位相反，这些整距集中线圈按照电动势同相位串联以及每条并联支路电动势大小相同相位相同的原则构成模块化定子相绕组组件，同一相的模块化定子相绕组组件串联或并联，构成一相绕组，三相绕组Y接。

下面举具体实施例来说明本发明的技术方案和原理。

如图1、2、3、4所示，模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机的转子轴1由普通中碳钢机加工而成。转子轮毂8可以采用各种工艺牢固地固定在转子轴1上。转子轮毂8，可以是由一种材料制成；也可以由多种材料组装成一个完整的整体，也就是说转子轮毂8的轮辐那部分可以选用各自具有一定机械强度的材料，但是转子轮毂8的轮廓那部分必须是导磁的。轮廓是永磁磁路的一部分，由于经过轮廓的永磁磁通基本恒定，只要磁导率较高即可。在转子轮毂8的轮廓外圆上均匀的粘贴有2p块主磁极钕铁硼永磁体7。主磁极钕铁硼永磁体7在粘贴前，永磁体表面应先经过电镀等防腐处理，再预先平行于永磁体中心处的半径方向充好磁。主磁极钕铁硼永磁体7在转子轮毂8的轮廓外圆空间上的极性按照N、S、N、S……规律放置。对于模块化定子来说，就形成了2p个N、S、N、S……磁极相间的转子永磁磁极。转子轴1两端安装好轴承2后，再由前端盖3和后端盖10支撑、定位安装到已安装好定子铁心5和模块化定子绕组4的机座6内。

模块化定子铁心5由硅钢片冲制、叠压和特殊的紧固而成为机械上牢固的整体，并紧紧地固定在电机机座6内。在定子铁模心5上的每一个大齿上缠绕一整距集中线圈，每个扇区内每个大齿上的整距集中线圈可以串联、并联或串并联都采用方式连接，串联的原则是按电动势方向相同的规律连接，并联的原则是按每条并联支路的电动势大小相同相位相同的规律连接。每个扇区内绕组连接规律相同，从而制成模块化定子绕组4。将分属同一相的模块化定子相绕组组件上的各个绕组按照电动势相位相同的规律串联，或者按照各条并联支路电动势大小相同相位相同的规律并联，而连接成一相绕组。三相绕组的感应电动势相位上互差2π/3电角度，三相绕组Y接，三相绕组输出端分别接到电机接线盒9的接线柱上。由接线盒9通过电缆与电流型交直交整流逆变器相连接。电流型交直交整流逆变器再与恒频恒压的交流电网并联运行。

对于三相(m＝3)模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机来说，由硅钢片冲制、叠压和特殊的紧固措施而制成的模块化定子铁心5的内径圆周上按照特定规律均匀的分成k₁扇区组，在每一扇区组A、B、C三相各占相同面积的1个扇区，1个扇区属于一相，每个扇区的定子铁心上均匀的开有k₂个大齿11，相邻两个大齿之间设置有1个大槽12，相邻大齿的齿距为一个极距；两个扇区之间开有1个小齿和2个小槽，小齿的中心线与两侧扇区相邻大齿的中心线间的距离都为2/3极距，扇区两侧的两个大齿中心线间的距离则为4/3极距，相当于小齿部分在空间上占据1/3极距，小齿13仅是磁路的一部分，小齿上不绕制绕组。每一个大齿上缠绕集中线圈，显然是整距集中线圈。在一个扇区相邻两个大齿上整距集中线圈的感应电动势大小相同、相位相反，各个齿上的整距集中线圈可以按照电动势相位相同的原则并联；可以将一个扇区内相邻齿上的整距集中线圈引出线的首尾端按照首接首、尾接尾的规律连接一条支路；同样也可以将一个扇区内部分相邻齿上的整距集中线圈引出线的首尾端按照首接首、尾接尾的规律连接多条电动势大小相同并联支路，再按照每条并联支路电动势相位相同的规律将这一扇区内的各条并联支路并联起来，得到一个扇区内的一相绕组，一个扇区内的一相绕组的最大并联支路数可以是扇区内大齿数。每个扇区属于某一相，各相绕组互相独立的在一个扇区内布置，各个扇区即各相之间像积木一样布置在定子圆周内，因而这种结构的定子被称作模块化定子结构，一个扇区内一相绕组称作模块化定子相绕组组件。分属各扇区各自所属相的绕组再按串联、并联或串并联都采用的连接规律连接后，则构成各相模块化定子相绕组，需要注意的是并联时应保证每条并联支路的感应电动势同大小同相位。所有扇区的各相定子相绕组组件组成模块化定子绕组4。显然，模块化定子绕组4这种整距集中绕组的绕组系数为1，线圈的端部最短，各齿上的集中线圈端部不相互叠压；各齿上的整距集中线圈是从第一个齿到最后一个齿连续缠绕的，非常适合机械绕制，不但劳动生产率高，而且便于维修和更换；如果各齿绕组串联连接，则相邻两个齿上的线圈电位差不大，还非常便于槽间绕组绝缘，省工省料。在相同的定子铁心长度情况下，由于绕组的端部短，电机机座轴向长度可以缩短，质量轻，效率高。三相绕组的感应电动势相位上互差2π/3电角度，三相绕组Y接，三相绕组输出端分别接到电机接线盒9内的接线柱上。从接线盒9经电缆与电流型交直交整流逆变器相连接。电流型交直交整流逆变器最后与恒频恒压的交流电网并联运行。

将相邻的分别属于A、B、C三相的三个扇区看作是一个扇区组，假设电机定子内共放置k₁个扇区组，定子铁心4的每个扇区内开有k₂个大齿。同时考虑到电机的极数2p必须是偶数，以及小齿部分在空间上占据1/3极距，则k₁与k₂之间要满足如下两种关系：

①当定子相数为三相m＝3，且k₂＝2k-1(其中k＝1，2，3……)为奇数时，考虑到小齿部分在空间上占据1/3极距，则永磁转子的极数2p与扇区组k₁、一个扇区内的大齿k₂间的关系为

2p＝mk₁(k₂+1/3)＝3k₁(2k-1+1/3)＝2k₁(3k-1)显然，k₁可以是任意自然数。

图2所举的示例符合上述结构规律，其中m＝3，k₁＝2，k₂＝9，2p＝56。

图3所举的示例也符合上述结构规律，其中m＝3，k₁＝1，k₂＝7，2p＝22。

在上述结构规律情况下，一个定子齿距为一个极距，在空间上占据θ_Ze＝π电角度，前后相邻两相模块化定子相绕组组件上各自第一个齿上的整距集中线圈感应电动势相位相差

(k₂+1/3)π＝(2k-1+1/3)π＝2kπ-2π/3

即互差-2π/3电角度。此时，分属三相的模块化定子相绕组组件在定子空间按A、B、C……规律布置。

由于定子齿槽存在，定子齿槽与转子永磁磁场间会引起齿磁导转矩，对于齿磁导转矩来说一个定子齿距空间占据θ_Ze＝2π空间电角度，而齿磁导转矩是永磁转子磁极轴线与定子齿轴线间电角度θ_Ze的函数。一个定子齿的齿磁导转矩可以用公式表示为

$T_Z=T_{\mathrm{Zmv}}\underset{v=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{v\θ}}_{\mathrm{Ze}},(v=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·)$

式中，v——齿磁导谐波转矩的谐波次数，v＝1，2，3……；

θ_Ze——永磁转子磁极轴线与定子齿轴线间电角度，单位rad；

T_Zmv——第v次齿磁导谐波转矩的峰值，单位N·m；

T_z——一个定子齿的齿磁导转矩，单位N·m。

分属三相的模块化定子相绕组组件在定子空间按A、B、C……规律布置时，不管转子永磁磁极的极性，若永磁转子磁极轴线与A相模块化定子相绕组组件上的定子齿轴线之间的空间电角度为θ_Ze，则永磁转子磁极轴线与B、C两相模块化定子相绕组组件上的定子齿轴线之间的空间电角度分别为(θ_Ze-2π/3)和(θ_Ze-4π/3)。

当v＝1时，定子上所有A、B、C三相的模块化定子组件上各自的最低次即1次齿磁导转矩合成后相互抵消

T_Z1＝k₁k₂(T_ZA1+T_ZB1+T_ZC1)

   ＝k₁k₂T_Zm1[sinθ_Ze+sin(θ_Ze-2π/3)+sin(θ_Ze-4π/3)]

   ＝0

同理，当v＝6k±1(其中k＝1，2，3……)时，即v＝5，7，11，13……时，合成后的各次齿磁导谐波转矩相互抵消，即

T_Z(6k±1)＝0  (k＝1，2，3……)

而当v＝2时，定子上所有A、B、C三相的模块化定子组件上各自的2次齿磁导谐波转矩合成后也相互抵消

T_Z2＝T_ZA2+T_ZB2+T_ZC2

   ＝k₁k₂T_Zm2[sin2θ_Ze+sin2(θ_Ze-2π/3)+sin2(θ_Ze-4π/3)]

   ＝k₁k₂T_Zm2[sin2θ_Ze+sin(2θ_Ze-4π/3)+sin(2θ_Ze-2π/3)]

   ＝0

同理，当v＝6k±2(其中k＝1，2，3……)时，即v＝4，8，10，14……时，也可以求出，合成后的各次齿磁导谐波转矩也相互抵消，即

T_Z(6k±2)＝0  (k＝1，2，3……)

而当v＝3k(其中k＝1，2，3……)时，即v＝3，6，9……时，定子上所有A、B、C三相的模块化定子相绕组组件上各自的3次及3的倍数次齿磁导谐波转矩合成后为

T_Z3k＝T_ZA3k+T_ZBk3+T_ZC3k

    ＝k₁k₂T_Zm3k[sin3θ_Ze+sin3k(θ_Ze-2π/3)+sin3k(θ_Ze-4π/3)]

    ＝3k₁k₂T_Zm3ksin3kθ_Ze  (k＝1，2，3……)

显然，在整个电机内部仅存在3次及3的倍数次齿磁导谐波转矩。而其它次数的，特别是传统永磁电机中最强的1次齿磁导转矩不存在了。

②当定子相数为三相m＝3，k₂＝2k(其中k＝1，2，3……)为偶数时，考虑到小齿部分在空间上占据1/3极距，则永磁转子的极数2p与扇区组k₁、一个扇区内的大齿k₂间的关系为

2p＝mk₁(k₂+1/3)＝3k₁(2k+1/3)＝k₁(6k+1)显然，k₁必须是偶数。

图4所举的示例符合上述结构规律，其中m＝3，k₁＝2，k₂＝4，2p＝26。

在上述结构规律情况下，前后相邻两相模块化定子相绕组组件上第一个齿上的整距集中线圈内的感应电动势相位相差

(k₂+1/3)π＝(2k+1/3)π＝2kπ+π/3即互差+π/3电角度。相当于分属三相的模块化定子相绕组组件在定子空间按A、-B、C、-A、B、-C……规律布置。

同理可以证明在整个电机内部也仅存在3次及3的倍数次齿磁导转矩。

由上述二种情况可见，对于三相模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，当将相邻的分别属于A、B、C三相的三个扇区看作是一个扇区组，定子铁心4内径圆周内共放置k₁个扇区组，每个扇区内开有k₂个齿槽，考虑到扇区之间的小齿部分在空间上占据1/3极距，为了保证电机的极数2p必须是偶数，则扇区组k1、一个扇区内的大齿k₂之间应该满足的关系为：k₂为奇数时k₁可以是任意自然数；k₂为偶数时k₁必须是偶数。电机内部仅存在3次及3的倍数次齿磁导转矩。若在定子齿形及转子极靴设计时，同时兼顾到将定子齿的3次齿磁导设计的很小，则模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机的齿磁导转矩将非常小，不用像传统永磁电机那样需要采取定子铁心斜槽或斜永磁磁极等措施来减小永磁齿磁导转矩。

采用本发明的定、转子结构，电机可以很容易地设计成很多极数，从而容易实现电机低速运行，在很低的转速下，电机的电动势频率也较高。使其特别适应于将频率和幅值随风速变化而变化的三相交流电，通过二极管整流桥整流后经电感滤波成直流，然后直接逆变或经过直流升压电路后再逆变成能够并网的恒频恒压的交流电的低速直驱风力发电系统。这样的发电机能够平稳地输出电功率，电机轴上的电磁转矩波动小，发电机的振动、噪声低，对风力机叶片危害减弱。

Claims (1)

1.模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，它包括机座、转子轴、接线盒、Y接三相绕组、固定在所述机座内的模块化定子铁心、安装在所述转子轴上的转子、在所述转子圆周上设置有主磁极钕铁硼永磁体，其特征在于：将所述定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁扇区组，在每一扇区组A、B、C三相各占相同面积的1个扇区，1个扇区属于一相，每个扇区的定子铁心上均匀的设置有k₂个大齿，在所述的相邻两个大齿之间设置有1个大槽，所述的相邻大齿的齿距为一个极距，所述的相邻的两个扇区之间的定子铁心上分别设置有1个小槽，所述的两个小槽之间设置有一个小齿，所述小齿的中心线与两侧扇区相邻大齿的中心线间的距离都为2/3极距，扇区两侧的两个大齿中心线间的距离则为4/3极距，相当于小齿部分在空间上占据1/3极距，每一个大齿上绕制有整距集中线圈，一个扇区内的相邻齿上或部分相邻齿上的各个整距集中线圈可以按电动势方向相同的规律串联，也可以按电动势大小相同相位相同的规律并联，还可以串并联同时采用，构成一相的模块化定子相绕组组件，所述的每相绕组由同一相的模块化定子相绕组组件串联或并联构成，即同一相的模块化定子相绕组组件按照电动势同相位的原则串联或按照每条并联支路电动势大小相同相位相同的原则并联构成。

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