CN220470128U - 一种低风速风力发电机用辅助空冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低风速风力发电机用辅助空冷系统，属于风力发电机散热技术领域。其技术方案为：一种低风速风力发电机用辅助空冷系统，包括磁齿轮、输入轴和扇叶；磁齿轮包括同轴线排列的外转子、调磁环以及内转子，调磁环静止置于外转子与内转子之间；外转子与调磁环之间设有外转子气隙，内转子与调磁环之间设内转子气隙；输入轴活动穿设于内转子内、一端部与外转子同轴固定连接，扇叶与内转子同轴固定连接。本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种低风速风力发电机用辅助空冷系统结构简单、设计独特、充分利用风能、能耗低、散热效果好。

Description

一种低风速风力发电机用辅助空冷系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电机散热技术领域，特别涉及一种低风速风力发电机用辅助空冷系统。

背景技术

风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生能源之一，以其可开发量大、分布区域广、安全环保等优点，日益受到各国政府的普遍关注和高度重视。在我国的一些偏远地区，如西北的草原牧场、沿海岛屿等，这些地域有着丰富的风能资源，但是其地形复杂，人口比较分散，电网的架设比较困难。因此适宜发展离网型中小型风力发电系统，利用分布式风力发电解决人们的日常生活用电、牧场用电、野外小功率用电等问题。相比于大型风电系统，小型风电系统具有容量小，选择灵活，拆装简单，方便携带等优点。小型风力发电机组属于小地区发电网络，容易维修，可以并网或独立供电，因此对于提高人们的生活质量和促进生产发展具有重大的意义。

目前，小型风力发电机主要采用不需要增速齿轮的永磁直驱电机，其具有效率高、动态响应快、维护费用低等优点。其中盘式永磁直驱电机的气隙磁场为轴向分布，定转子均为圆盘结构，具有较大的半径，转动惯量大，运行平稳。盘式电机结构简单、紧凑，可以与风机做成一体，也可以方便地设计成多盘式结构，容易实现电机功率的提升。特别是双外定子单转子的无铁芯盘式永磁电机，消除了齿槽转矩和定子铁耗，具有起动转矩低、效率高的优点。在风能不够丰富的区域依然能够在微风条件下低功率运行，因此非常适合应用于离网型小型风力发电系统。由于低风速直驱无铁心轴向磁通永磁风力发电机不存在铁芯，故只需考虑铜损及其他损耗的影响。而对电枢绕组铜耗而言，采用环氧树脂浇注的定子盘，其散热难度较大。此外，电枢反应磁场作用于钕铁硼永磁体表面时所产的损耗致使永磁体温度上升，降低永磁体的剩余磁通密度，严重时会导致不可逆退磁的发生。因此，散热系统的设计是该电机所必须考虑的重要内容。

在散热系统设计中，空冷和水冷是两种常用的冷却形式。空冷系统，即通过电机表面热量与外部环境中的冷却空气进行热量交换，以达到冷却目的。该方式无需外界能量输入及附属机械机构，设计制造简单、稳定可靠，已在风力发电中广泛应用。但对于大容量机组其散热效果较差。水冷系统，是通过冷却水管和电机热交换对电机进行冷却。由于冷却介质比热容高，水冷系统冷却效果较好，非常适合大容量机组的冷却问题。但该系统需附加额外的机械装置，如水泵、水箱等，结构较为复杂。冷却系统选择、设计得是否合理，对电机的性能影响很大。目前，我国大容量风力发电机组大多采用水-氢冷却方式。空气冷却一般只出现在100MW以下的小容量机组。由于该低风速直驱无铁心轴向磁通永磁风力发电机的额定功率为1kW，因此，该电机的散热系统采用空气冷却方式，从而散热效果较差。

如何解决上述技术问题为本实用新型面临的课题。

实用新型内容

为了能够解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种结构简单、设计独特、充分利用风能、能耗低、散热效果好的低风速风力发电机用辅助空冷系统。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种低风速风力发电机用辅助空冷系统，其中，包括磁齿轮、输入轴和扇叶；所述磁齿轮包括同轴线排列的外转子、调磁环以及内转子，所述调磁环静止置于所述外转子与所述内转子之间；所述外转子与所述调磁环之间设有外转子气隙，所述内转子与所述调磁环之间设内转子气隙；所述输入轴活动穿设于所述内转子内、一端部与所述外转子同轴固定连接，所述扇叶与所述内转子同轴固定连接。

工作原理：外转子随叶轮侧的输入轴低速转动，外转子产生的永磁场经调磁环作用后，能够在内转子气隙产生一系列空间谐波磁场，选择外转子与内转子的参数，通过磁场耦合能够实现稳定的转矩传递，即实现了齿轮变速传动效果，从而实现了由叶轮侧输入轴低转速转换成风机侧扇叶高转速。扇叶高速旋转带动周围空气流动，挤压风机内部因电枢绕组铜耗和永磁体涡流损耗两大部分引起的空气温升，使其扩散到风机外部，促使温度降低。这样一来，在叶轮与风机之间，通过采用磁场调制型磁齿轮空冷系统，实现了风机的冷却散热。而该空冷系统仅仅通过磁齿轮，实现了将低风速转换为高风速，既节约了成本，又充分利用了风能。

本实用新型的具体特点还有，所述调磁环包括呈环形的非导磁材料，以及沿所述环形周向均匀嵌设的若干个导磁块，优选的，所述导磁块的数量设置为26个。

本实用新型的具体特点还有，所述外转子包括低速外转子铁芯和外转子永磁体，所述低速外转子铁芯与叶轮的转轴固定连接，优选的，外转子永磁体设置为表贴于外转子铁芯内表面的若干个永磁体块，相邻两个永磁体块沿径向交替反向充磁，优选为22对极结构。

本实用新型的具体特点还有，所述外转子设置为杯型结构，结构合理，方便与输入轴相连接。

本实用新型的具体特点还有，所述内转子包括高速内转子铁芯和内转子永磁体，内转子永磁体设置为表贴于内转子铁芯外表面的若干个永磁体块，相邻两个永磁体块沿径向交替反向充磁，优选为4对极结构。

当磁场耦合实现稳定的转矩传递时，导磁块的个数等于外转子永磁体极对数与内转子永磁体极对数之和。内转子、外转子的旋转速度等于内转子永磁体极对数、外转子永磁体极对数之比的倒数。根据能量守恒原理，内转子、外转子传递的转矩比则等于内转子永磁体极对数、外转子永磁体极对数之比。

本实用新型的具体特点还有，所述导磁块设置为高导磁材料。

本实用新型的具体特点还有，所述输入轴通过轴承与所述高速内转子铁芯相连接，将输入轴与轴承固定在一起，嵌套在高速内转子铁芯内，既能保证低速的外转子与高速的内转子之间分离，也能满足低风速风力发电机低转速的特性。

本实用新型的具体特点还有，所述扇叶的外径与低风速风力发电机外径相同，保证了空气全区域流动，从而达到散热目的。

本实用新型的有益效果是：本实用新型将叶轮侧低速的输入轴与外转子相连，利用磁场调制原理，转换为风机侧内转子的高速旋转，将内转子伸出部分安装扇叶，扇叶跟随内转子高速旋转，既充分利用了风能，又实现了风机的散热；将外转子的低风速与内转子的高风速有机地转换，实现了真正的优势互补；基于磁场调制型磁齿轮空冷系统的独特结构，可构建出高性能直驱风力冷却系统。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中磁齿轮的结构示意图。

其中，附图标记为：1、磁齿轮；1001、低速外转子铁芯；1002、外转子永磁体；1003、导磁块；1004、非导磁材料；1005、外转子气隙；1006、调磁环；1007、内转子气隙；1008、内转子永磁体；1009、高速内转子铁芯；2、输入轴；3、扇叶；4、轴承。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例1

参见图1至图2，本实用新型实施例提供了本实用新型提供了一种低风速风力发电机用辅助空冷系统，其中，包括磁齿轮1、输入轴2和扇叶3；磁齿轮1包括同轴线排列的外转子、调磁环1006以及内转子，调磁环1006静止置于外转子与内转子之间；外转子与调磁环1006之间设有外转子气隙1005，内转子与调磁环1006之间设内转子气隙1007；输入轴2活动穿设于内转子内、一端部与外转子同轴固定连接，扇叶3与内转子同轴固定连接。

工作原理：外转子随叶轮侧的输入轴2低速转动，外转子产生的永磁场经调磁环1006作用后，能够在内转子气隙1007产生一系列空间谐波磁场，选择外转子与内转子的参数，通过磁场耦合能够实现稳定的转矩传递，即实现了齿轮变速传动效果，从而实现了由叶轮侧输入轴低转速转换成风机侧扇叶高转速。扇叶高速旋转带动周围空气流动，挤压风机内部因电枢绕组铜耗和永磁体涡流损耗两大部分引起的空气温升，使其扩散到风机外部，促使温度降低。这样一来，在叶轮与风机之间，通过采用磁场调制型磁齿轮空冷系统，实现了风机的冷却散热。而该空冷系统仅仅通过磁齿轮，实现了将低风速转换为高风速，既节约了成本，又充分利用了风能。

实施例2

在实施例1的基础上，其他与实施例1相同，与实施例1所不同的是：调磁环1006包括呈环形的非导磁材料1004，以及沿环形周向均匀嵌设的若干个导磁块1003，优选的，导磁块1003的数量设置为26个。

外转子包括低速外转子铁芯1001和外转子永磁体1002，低速外转子铁芯1001与叶轮的转轴固定连接，优选的，外转子永磁体1002设置为表贴于外转子铁芯1001内表面的若干个永磁体块，相邻两个永磁体块沿径向交替反向充磁，优选为22对极结构。

内转子包括高速内转子铁芯1009和内转子永磁体1008，内转子永磁体1008设置为表贴于内转子铁芯1009外表面的若干个永磁体块，相邻两个永磁体块沿径向交替反向充磁，优选为4对极结构。

当磁场耦合实现稳定的转矩传递时，导磁块的个数等于外转子永磁体极对数与内转子永磁体极对数之和。内转子、外转子的旋转速度等于内转子永磁体极对数、外转子永磁体极对数之比的倒数。根据能量守恒原理，内转子、外转子传递的转矩比则等于内转子永磁体极对数、外转子永磁体极对数之比。

实施例3

在实施例2的基础上，其他与实施例2相同，与实施例2所不同的是：外转子设置为杯型结构，结构合理，方便与输入轴2相连接。

实施例4

在实施例2的基础上，其他与实施例2相同，与实施例2所不同的是：导磁块1003设置为高导磁材料。

实施例5

在实施例2的基础上，其他与实施例2相同，与实施例2所不同的是：输入轴2通过轴承4与高速内转子铁芯1009相连接，将输入轴2与轴承4固定在一起，嵌套在高速内转子铁芯1009内，既能保证低速的外转子与高速的内转子之间分离，也能满足低风速风力发电机低转速的特性。

实施例6

在实施例2的基础上，其他与实施例2相同，与实施例2所不同的是：扇叶3的外径与低风速风力发电机外径相同，保证了空气全区域流动，从而达到散热目的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，包括磁齿轮（1）、输入轴（2）和扇叶（3）；所述磁齿轮（1）包括同轴线排列的外转子、调磁环（1006）以及内转子，所述调磁环（1006）静止置于所述外转子与所述内转子之间；所述外转子与所述调磁环（1006）之间设有外转子气隙（1005），所述内转子与所述调磁环（1006）之间设内转子气隙（1007）；所述输入轴（2）活动穿设于所述内转子内、一端部与所述外转子同轴固定连接，所述扇叶（3）与所述内转子同轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述调磁环（1006）包括呈环形的非导磁材料（1004），以及沿所述环形周向均匀嵌设的若干个导磁块（1003）。

3.根据权利要求2所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述外转子包括低速外转子铁芯（1001）和外转子永磁体（1002）。

4.根据权利要求3所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述外转子设置为杯型结构。

5.根据权利要求2所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述内转子包括高速内转子铁芯（1009）和内转子永磁体（1008）。

6.根据权利要求2所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述导磁块（1003）设置为高导磁材料。

7.根据权利要求5所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述输入轴（2）通过轴承（4）与所述高速内转子铁芯（1009）相连接。

8.根据权利要求3所述的低风速风力发电机用辅助空冷系统，其特征在于，所述扇叶（3）的外径与低风速风力发电机外径相同。