CN1889338A - 分段式模块化定子结构直驱型永磁同步风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，它包括定子铁心，定子铁心为分段设置，将定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁个扇区组，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个齿，在所述的相邻两个齿之间开有1个槽，所述的相邻齿的齿距为一个极距，所述的相邻的两个定子铁心之间设置有压块，所述的定子铁心上的每一个齿上绕制有整距集中线圈。本发明的电机的绕组系数为1，定子绕组端部短、易于机械连续绕制；各段铁心在电机机座空间上相互独立、易于更换、质量相对较轻、效率高、齿磁导谐波转矩小。

Description

分段式模块化定子结构直驱型永磁同步风力发电机

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，涉及一种分段式模块化定子结构，尤其涉及一种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，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。

由于运输的问题，直驱型低速永磁同步风力发电机外径受到限制，最大不超过4m。目前传统定子结构的直驱型低速永磁同步风力发电机的定子铁心是一个完整的整体，三相绕组放置在一个铁心上，制造维修，运输很不便利。当有一匝定子绕组出现绝缘损坏时，更换起来非常麻烦。同时，有的电机绕组端部较长，有的绕组系数偏小，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，提供一种分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，本发明的电机定子绕组端部短、易于机械连续绕制、易于更换、质量相对较轻、效率高、齿磁导转矩小。

本发明的分段式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和转子极靴、所述的转子极靴内固定有极靴心轴，所述的定子铁心为分段设置，将所述分段式模块化定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁个扇区组，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个齿，在所述的相邻两个齿之间开有1个槽，所述的相邻齿的齿距为一个极距，所述的相邻的两个扇区的定子铁心之间设置有将所述的相邻的两个扇区的定子固定在所述的机座上的压块，所述的定子铁心上的每一个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，构成一相的分段式模块化定子相绕组组件，所述的每相绕组由同一相的分段式模块化定子相绕组组件串联或并联构成。

本发明的电机的机座内部圆周内被分为k₁个均匀的扇区组，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，在1个扇区内安放1块分段式模块化定子铁心，每块分段式模块化定子铁心上均匀的设置有k₂个齿。分段式模块化定子铁心不是一个连续贯通的整体，而是分段的，铁心上开有均匀的整距齿槽，各段铁心以及铁心上绕制的绕组完全一样，每段铁心及其上面绕制的绕组仅仅属于特定的一相，绕组系数为1，定子绕组端部短、易于机械连续绕制；各段铁心在电机机座空间上相互独立、易于更换、质量相对较轻、效率高、齿磁导谐波转矩小。

附图说明

图1为本发明分段式模块化定子结构直驱型永磁同步风力发电机示意主视图；

图2为图1所示电机的侧视图；

图3为本发明示例1(m＝3，t_ZZ＝4τ/3，k₁＝1，k₂＝7，2p＝22)分段式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，t_ZZ＝5τ/3，k₁＝2，k₂＝3，2p＝22)分段式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5为本发明示例1(m＝3，t_ZZ＝4τ/3，k₁＝2，k₂＝4，2p＝26)分段式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6为本发明示例2(m＝3，t_ZZ＝5τ/3，k₁＝1，k₂＝8，2p＝26)分段式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

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的分段式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8、机座两侧的前端盖3、后端盖13、轴承2、转子轴1、接线盒15、Y接三相绕组、固定在所述机座内的分段式模块化定子铁心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14和转子极靴9，所述的转子极靴内固定有极靴心轴10，所述的定子铁心为分段设置，将所述分段式模块化定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁个扇区组，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1个扇区布置一块分段式模块化定子铁心，每段分段式模块化定子铁心上均匀的设置有k₂个齿，在所述的相邻两个齿之间开有1个槽，所述的相邻齿的齿距为一个极距，所述的相邻的两个扇区的分段式模块化定子铁心之间设置有将所述的相邻的两个扇区的定子固定在所述的机座上的压块6，所述的分段式模块化定子铁心上的每一个齿上绕制有整距集中线圈，每段分段式模块化定子铁心上的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，构成一相的分段式模块化定子相绕组组件，所述的每相绕组由同一相的分段式模块化定子相绕组组件串联或并联构成。

由硅钢片冲制、叠压和特殊的紧固措施而制成的分段式定子铁心5上均匀的开有许多齿和槽，齿距为一个极距。每一个齿上绕制集中绕组，显然是整距集中绕组。由于相邻两齿上整距集中绕组的感应电动势相位相反，通过将每个齿上整距集中绕组引出线的首尾端按照首接首、尾接尾的规律连接，使得每个齿上整距集中绕组的电动势同相位串联起来构成分段式模块化定子绕组4。分段式模块化定子铁心5上绕制有分段式模块化定子绕组4的集合体被称为分段式模块化定子组件。显然，分段式模块化定子绕组4这种整距集中绕组的绕组系数为1，绕组的端部很短，各齿上的集中绕组端部不相互叠压；各齿上的整距集中绕组是从第一个齿到最后一个齿连续绕制的，非常适合机械绕制，劳动生产率高；相邻两个齿上的绕组电位差不大，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，质量相对较轻，效率高。电机内的所有各段分段式模块化定子组件完全一样，也便于生产、维修和更换。所有各段分段式模块化定子组件段与段之间由压块6通过压块紧固螺栓7将分段式模块化定子铁心5压紧固定到机座8上，从而构成一个完整的电机定子。压块6做成楔形，以便靠它把分段式模块化定子组件紧紧地压靠到机座上。各段分段式模块化定子组件段与段之间这一空间既可以设计成一块压块，也可以设计为两块。设计为一块时，压块6与两侧分段式模块化定子组件铁心接触面都为斜面，与机座内壁接触的配合面为圆弧面，朝向转子的另一面为平面，圆弧面比平面小，即压块6做成楔形，其径向两个侧面为圆弧面，其轴向两个侧面为平行面。当分段式模块化定子组件段与段空间较小时，宜采用一块压块，但分段式模块化定子组件的安装及拆卸不太方便。当块化定子组件段与段空间较大，宜采用两压块，相当于将仅用一块压块时的楔形压块在半径方向的中间位置一分为二，这样分段式模块化定子组件由其自身两侧的压块压紧，非常便于分段式模块化定子组件安装和拆卸。分段式模块化定子组件相邻两段分别属于不同的相。分属各相的各个分段式模块化定子组件再按特定的规律连接后，如串联、并联或串并联都采用的连接规律连接后，则构成各相分段式模块化定子绕组，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。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15上。由接线盒15经电机电缆与直流部分由电感滤波的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。

在发电机内部，分段式模块化定子结构直驱型永磁同步风力发电机的转子转轴1与轮毂12以传统的紧配合工艺装配在一起。为了降低转子重量及成本，轮毂12可以是整体铸铝的，也可以由多种材料组装而成；但是，轮毂10的轮廓那部分必须是不导磁材料。转子极靴9由一片片冲剪好的硅钢片紧紧地叠压在一起，并紧配合热套在极靴心轴10上而构成一个转子极靴组件。极靴心轴10是由导磁性能较好的钢材料制作的圆柱体。极靴心轴10处于极靴的径向中心线上，即处于以极靴形成的发电机磁极轴线上。转子极靴组件与轮毂12的轮廓接触的面称作转子极靴组件安装面。从转子极靴组件安装面沿极靴的径向中心线钻几个前后对称的刚好贯通极靴心轴10的孔，并在孔壁上攻丝，制做出螺纹。由极靴心轴紧固螺栓11将2p个转子极靴组件安装紧固在轮毂12的轮廓上，极靴心轴13的存在增强了安装方式的牢固性。紧固转子极靴组件时，在各个转子极靴组件之间先放置好切向充好磁的钕铁硼永磁体14。钕铁硼永磁体14的极性按照一个极靴组件两侧全为N极，下一个极靴组件两侧全为S极，再下一个极靴组件两侧全为N极，依次不断轮地回放置完2p块钕铁硼永磁体14，即钕铁硼永磁体14在空间上的极性按照NS、SN、NS、SN……规律放置。这样2p个转子极靴对于分段式模块化定子来说，就形成了p对N、S磁极相间的转子永磁磁极，即2p个转子永磁磁极。本发明图3-6中的转子结构为表面粘贴式，仅仅是为了叙述本发明的定子结构，与永磁体表面粘贴式结构相比，本发明所述的转子磁路结构能够有效地降低永磁体因其自身的磁场不断变化而在永磁体内产生的涡流和磁滞损耗；同时永磁体不易去磁，也容易固定和防氧化处理。

一段分段式模块化定子组件上最后一个齿的轴线与相邻下一段分段式模块化定子组件上第一个齿的轴线距离，根据不同的设计可以取4/3或5/3极距，此时压块6所占空间位置在圆周上占1/3或2/3极距。若将相邻的分别属于A、B、C三相的三段分段式模块化定子组件看作是一组，假设电机的机座内部圆周内被分为k₁个均匀的扇区组，即电机机座内共放置k₁组三相分段式模块化定子组件；每段分段式模块化定子铁心上开有k₂个齿。由于电机的极数2p必须是偶数，分段式模块化定子组件相邻两段上的相邻两个齿的齿距t_ZZ到底是取4/3还是取5/3极距，与k₁和k₂的数值有关，t_ZZ、k₁、k₂三者之间要满足如下关系。

①当定子相数为三相m＝3，分段式模块化定子组件相邻两段上相邻的两个齿的齿距t_ZZ设计为4/3极距(即仅比一个极距多出1/3极距)，且k₂＝2k-1(其中k＝1，2，3……)为奇数时，则永磁转子的极数2p与k₁、k₂间的关系为

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

在此情况下，一个定子齿距为一个极距，在空间上占据θ_e＝π电角度，前后相邻两段分段式模块化定子组件上各自第一个齿上的整距集中绕组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，分属三相的分段式模块化定子组件在定子空间按A、B、C……规律布置。

图2所举的示例符合上述结构规律，其中m＝3，t_ZZ＝4τ/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，t_ZZ＝4τ3，k₁＝1，k₂＝7，2p＝22。

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

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

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。

分属三相的分段式模块化定子组件在定子空间按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相分段式模块化定子组件上的定子齿轴线间空间电角度为θ_Ze，则永磁转子磁极轴线与B、C两相分段式模块化定子组件上的定子齿轴线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A、B、C三相各段分段式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，也可以求出，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，A、B、C三相各段分段式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，A、B、C三相各段分段式模块化定子组件上各自的3次及3的倍数次齿磁导谐波转矩合成后为

             T_Z3k＝T_ZA3k+T_ZB3k+T_ZC3k

                 ＝k₁k₂T_Zm3k[sin3kθ_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，分段式模块化定子组件相邻两段上相邻的两个齿的齿距t_ZZ取5/3极距(即仅比一个极距多出2/3极距)，且k₂＝2k-1(其中k＝1，2，3……)为奇数时，则永磁转子的极数2p与k₁、k₂间的关系为

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

在此情况下，前后相邻两段分段式模块化定子组件上第一个齿上的整距集中绕组内的感应电动势相位相差

               (k₂+2/3)π＝(2k-1+2/3)π＝2kπ-π/3即互差-π/3电角度。则分段式模块化定子组件在定子空间应按A、-C、B、-A、C、-B……规律布置。

图4所举的示例也符合上述结构规律，其中m＝3，t_ZZ＝5τ/3，k₁＝2，k₂＝3，2p＝22。

同理可以证明在此种情况下，整个电机内部也仅存在3次及3的倍数次齿磁导转矩。

③当定子相数为三相m＝3，分段式模块化定子组件相邻两段上相邻的两个齿的齿距t_ZZ取4/3极距(即仅比一个极距多出1/3极距)，且k₂＝2k(其中k＝1，2，3……)为偶数时，则永磁转子的极数2p与k₁、k₂间的关系为

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

在此情况下，前后相邻两段分段式模块化定子组件上第一个齿上的整距集中绕组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。相当于分属三相的分段式模块化定子组件在定子空间按A、-B、C、-A、B、-C……规律布置。

图5所举的示例符合上述结构规律，其中m＝3，t_ZZ＝4τ/3，k₁＝2，k₂＝4，2p＝26。

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。

④当定子相数为三相m＝3，分段式模块化定子组件相邻两段上相邻的两个齿的齿距t_ZZ取5/3极距(即仅比一个极距多出2/3极距)，且k₂＝2k(其中k＝1，2，3……)为偶数时，则永磁转子的极数2p与k₁、k₂间的关系为

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

在此情况下，前后相邻两段分段式模块化定子组件上第一个齿上的整距集中绕组内的感应电动势相位相差

                (k₂+2/3)π＝(2k+1/3)π＝2kπ+2π/3即互差+2π/3电角度。相当于分属三相的分段式模块化定子组件在定子空间按A、C、B……规律布置。

图6所举的示例符合上述结构规律，其中m＝3，t_ZZ＝5τ/3，k₁＝1，k₂＝8，2p＝26。

同理可以证明在整个电机内部仅存在3次及3的倍数次齿磁导转矩。

由上述四种情况可见，不论分段式模块化定子组件相邻两段上的相邻两个齿的齿距设计成4/3极距还是5/3极距，整个电机内部都仅存在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，则分段式模块化定子结构直驱型永磁同步风力发电机的齿磁导转矩将非常小。

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型风力发电系统。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 (6)

1.分段式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和转子极靴、所述的转子极靴内固定有极靴心轴，其特征在于：所述的模块化定子铁心为分段设置，将所述分段式模块化定子铁心的内径圆周均匀的分成k₁个扇区组，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，每个扇区的分段式模块化定子铁心上均匀的设置有k₂个齿，在所述的相邻两个齿之间开有1个槽，所述的相邻齿的齿距为一个极距，所述的相邻的两个扇区的分段式模块化定子铁心之间设置有将所述的相邻的两个扇区的定子固定在所述的机座上的压块，所述的分段式模块化定子铁心上的每一个齿上绕制有整距集中线圈，每段分段式模块化定子铁心上的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，构成一相的分段式模块化定子相绕组组件，所述的每相绕组由同一相的分段式模块化定子相绕组组件串联或并联构成。

2.根据权利要求1所述的分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，其特征在于：所述的压块在空间占据1/3极距或2/3极距，所述相邻两侧扇区分段式模块化定子铁心上的相邻齿的中心线间的距离为4/3极距或5/3极距。

3.根据权利要求2所述的分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，其特征在于：所述的压块为一块，所述的压块切向两个侧面为楔形，其径向两个侧面为圆弧面，其轴向两个侧面为平行面。

4.根据权利要求2所述的所述的分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，其特征在于：所述的压块为两块，所述的压块切向两个侧面为楔形，其径向两个侧面为圆弧面，其轴向两个侧面为平行面。

5.根据权利要求1所述的分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，其特征在于：所述的主磁极钕铁硼永磁体设置在相邻的两个转子极靴之间的转子圆周上。

6.根据权利要求1所述的分段式模块化定子结构直驱型低速永磁同步风力发电机，其特征在于：所述的转子极靴是由硅钢片叠压而成，并由实心导磁的钢材料的心轴固定。

Images