專利名稱：一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來，由于全球能源緊缺及環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，清潔能源得到了很大的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源利用的一種主要形式，在全世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來，其技術(shù)亦日趨成熟。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為關(guān)鍵部件之一，在系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，發(fā)揮主要作用?？v觀國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，一方面越來越趨于大型化，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增大；另一方面，很大部分廠商著眼于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開發(fā)，原因是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多為民用，具有尺寸小，安裝方便，成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且還具有適用各種地域和氣候環(huán)境，應(yīng)用較廣泛的特點(diǎn)。目前使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然有上述優(yōu)點(diǎn)，但多為普通異步電機(jī)和同步電機(jī)，因此存在一定的不足之處1、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為獲得低速啟動(dòng)，往往需設(shè)置機(jī)械變速裝置，由此增加了設(shè)備的復(fù)雜性，降低了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。更重要的是，所增設(shè)的機(jī)械變速裝置必然存在能量轉(zhuǎn)化效率的問題，使整體風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率降低。2、傳統(tǒng)方式下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)定、轉(zhuǎn)子尺寸組合，氣隙長(zhǎng)度、永磁體厚度等參數(shù)進(jìn)行確定，存在人為設(shè)定的因素，使電機(jī)性能和材料利用率無法在根本上得到最佳匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它具有繞組利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為6/14極雙凸極永磁電機(jī)，即包括14個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯凸極和6個(gè)定子鐵芯凸極，六個(gè)定子鐵芯凸極上面分別設(shè)置有集中繞組， 彼此位置相對(duì)的兩個(gè)集中繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，六個(gè)定子鐵芯凸極極靴端面上分別設(shè)置有永磁體；相鄰定子鐵芯凸極上的相鄰永磁體極性相同，每個(gè)定子鐵芯凸極弧長(zhǎng)為49°，設(shè)在定子鐵芯凸極上的每個(gè)永磁體弧長(zhǎng)為12°，設(shè)在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)為10°，轉(zhuǎn)子斜槽角度為7° 9°。本發(fā)明所述轉(zhuǎn)子斜槽角度最佳為8. 57°。每個(gè)定子鐵芯凸極上，所述的永磁體為兩對(duì)極性交錯(cuò)排列的厚度為2. 5mm的釹鐵硼磁鐵。本發(fā)明的有益效果該新型雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為直驅(qū)式，無需機(jī)械變速裝置，提高了機(jī)組的效率及運(yùn)行可靠性，除具有一般永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之外，與傳統(tǒng)的雙凸極永磁電機(jī)相比，它把高磁能的永磁體設(shè)在定子鐵芯凸極的極靴端面上，使得永磁體易于安裝；隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，雙凸極永磁電機(jī)定子上集中繞組所交鏈的永磁磁通改變極性，這意味著可以產(chǎn)生比磁通脈振更大的磁通變化。計(jì)算6/14極雙凸極永磁電機(jī)尺寸，通過改變電機(jī)的主要尺寸如定、轉(zhuǎn)子弧長(zhǎng)、氣隙長(zhǎng)度、和永磁體厚度等，對(duì)電機(jī)中的繞組電感、齒槽轉(zhuǎn)矩以及對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和波形起決定性作用的磁鏈的變化情況，進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和研究，并取得了滿意的結(jié)果。分析了較多的尺寸組合，鑒于雙凸極永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)各種尺寸組合下的情況都進(jìn)行了有限元分析，通過對(duì)不同尺寸下得到的電機(jī)性能曲線的對(duì)比最終確定了較為合適的定、轉(zhuǎn)子尺寸組合，氣隙長(zhǎng)度、永磁體厚度等參數(shù)，以便得到較優(yōu)的電機(jī)性能和材料利用率。


圖1為6/14極定子截面圖。圖2為轉(zhuǎn)子截面圖。圖3為整個(gè)電機(jī)的截面圖。圖4為不同定、轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)搭配時(shí)，對(duì)磁鏈幅值的影響。圖5為不同定、轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)搭配時(shí)，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值的影響。圖6為轉(zhuǎn)子傾斜角度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。圖7為轉(zhuǎn)子傾斜角度對(duì)磁鏈幅值的影響。圖8為轉(zhuǎn)子傾斜角度與斜槽系數(shù)的關(guān)系。圖9為轉(zhuǎn)速為214rpm時(shí)的電壓調(diào)整曲線。圖10為電機(jī)工作原理示意圖。其中1.定子鐵芯凸極，2.集中繞組，3.永磁體，4.氣隙，5.電機(jī)軸，6.轉(zhuǎn)子鐵芯凸極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1、圖2、圖3中，一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為6/14極雙凸極永磁電機(jī)，即包括14個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6和6個(gè)定子鐵芯凸極1，六個(gè)定子鐵芯凸極1上面分別設(shè)置有集中繞組2，彼此位置相對(duì)的兩個(gè)集中繞組2串聯(lián)構(gòu)成一相，六個(gè)定子鐵芯凸極 1極靴端面上分別設(shè)置有永磁體3 ；相鄰定子鐵芯凸極1上的相鄰永磁體3極性相同，每個(gè)定子鐵芯凸極1弧長(zhǎng)為49°，設(shè)在定子鐵芯凸極1上的每個(gè)永磁體3弧長(zhǎng)為12°，設(shè)在電機(jī)軸5上的轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6弧長(zhǎng)為10°，轉(zhuǎn)子斜槽角度為7° 9°。所述轉(zhuǎn)子斜槽角度最佳為8. 57°。每個(gè)定子鐵芯凸極1上，所述的永磁體3為兩對(duì)極性交錯(cuò)排列的厚度為2. 5mm的釹鐵硼磁鐵。永磁體3與定子鐵芯凸極1之間存在有氣隙4。圖4為不同定子鐵芯凸極1、轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6極弧搭配時(shí)，對(duì)磁鏈幅值的影響。分析定、轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)磁鏈幅值、齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，以確定最佳的定、轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)度。圖5為不同定、轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)搭配時(shí)，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值的影響。從圖4和圖5綜合分析得知，定子鐵芯凸極1弧長(zhǎng)49°，轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6弧長(zhǎng)10° 為較合適的選擇。另外雙凸極永磁電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)決定了它的齒槽轉(zhuǎn)矩較大，因此當(dāng)電機(jī)應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)矩要求較高的場(chǎng)合時(shí)，必須通過斜槽減小齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，傾斜的角度為2 π/S，其中 S為定子鐵芯凸極1和轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6的最小公倍數(shù)。由于樣機(jī)為6/14極，所以S = 42， 齒槽轉(zhuǎn)矩的周期為2 π/42，對(duì)應(yīng)的機(jī)械角為8. 57°。在本電機(jī)中我們把轉(zhuǎn)子平均分為5段，兩兩之間差一個(gè)機(jī)械角度，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子傾斜了 8. 57°，我們可以用轉(zhuǎn)子分別處于1.714°，3. 428°，5. 142°，6. 856°，8. 57°這5個(gè)位置上所得的磁鏈平均值來表示。圖6為轉(zhuǎn)子傾斜角度變化對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。圖7為轉(zhuǎn)子傾斜角度變化對(duì)磁鏈幅值的影響。圖8轉(zhuǎn)子傾斜角度與斜槽系數(shù)的關(guān)系。將轉(zhuǎn)子傾斜后得到的電動(dòng)勢(shì)的幅值與未傾斜之前的電動(dòng)勢(shì)相比，就可以得到此時(shí)的斜槽系數(shù)。由此計(jì)算的斜槽系數(shù)與轉(zhuǎn)子傾斜角度的關(guān)系如圖8所示從圖中不難看出隨著轉(zhuǎn)子傾斜角度的增加，斜槽系數(shù)的值下降幅度較大。由圖6、圖7和圖8綜合考慮，所以選轉(zhuǎn)子斜槽角度為8. 57°。圖9為帶電阻負(fù)載轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速214rpm時(shí)的外特性曲線，其特性曲線表明，發(fā)電機(jī)的電壓變化率不大。以上研究表明雙凸極永磁電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，定子鐵芯凸極1弧長(zhǎng)和轉(zhuǎn)子鐵芯凸極 6弧長(zhǎng)是影響電機(jī)性能最主要的設(shè)計(jì)變量。改變雙凸極永磁電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子凸極弧長(zhǎng)會(huì)對(duì)電機(jī)的性能造成較大的影響，因此可以通過選擇適當(dāng)?shù)某叽鐏砀纳齐姍C(jī)性能。對(duì)6/14結(jié)構(gòu)的雙凸極永磁電機(jī)而言，定子鐵芯凸極1弧長(zhǎng)49°，轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6弧長(zhǎng)10°為較合適的選擇，電機(jī)的性能較佳。圖10中，由于雙凸極永磁電機(jī)的電感較小，所以分析磁場(chǎng)時(shí)應(yīng)忽略電樞反應(yīng)影響。并且規(guī)定電機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于IOa位置的時(shí)刻，此時(shí)為電機(jī)的平衡位置，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒中心線相重合，永磁體3磁鏈僅僅通過定子鐵芯凸極1和轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6閉合，沒有磁通與A相繞組相交鏈。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，A相繞組交鏈的磁通逐漸增加，當(dāng)達(dá)到圖IOb的所示位置，旋轉(zhuǎn)過1/2永磁體3弧長(zhǎng)，即2個(gè)轉(zhuǎn)子齒的中心線分別與其對(duì)應(yīng)的永磁體3中心線相重合，此時(shí)，A相繞組所交鏈的磁通達(dá)到最大值，A相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，A相繞組磁鏈開始減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過1/2永磁體弧長(zhǎng)，到達(dá)IOc位置的時(shí)刻，A相繞組所交鏈的磁通減小到零，這是電機(jī)第二次到達(dá)平衡位置。 轉(zhuǎn)子再逆時(shí)針轉(zhuǎn)過1/2永磁體弧長(zhǎng)到達(dá)IOd的位置，此時(shí)A相磁鏈達(dá)到反向最大值，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變?yōu)榱?。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)1/2永磁體3弧長(zhǎng)，到達(dá)圖IOa的位置，重復(fù)下一個(gè)循環(huán)。所以 6/14極雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯凸極6齒距的過程中，電機(jī)每相繞組所交鏈的磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈雙極性變化一個(gè)周期。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是，該發(fā)電機(jī)為6/14極雙凸極永磁電機(jī)，即包括14個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯凸極和6個(gè)定子鐵芯凸極，六個(gè)定子鐵芯凸極上面分別設(shè)置有集中繞組，彼此位置相對(duì)的兩個(gè)集中繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，六個(gè)定子鐵芯凸極極靴端面上分別設(shè)置有永磁體；相鄰定子鐵芯凸極上的相鄰永磁體極性相同，每個(gè)定子鐵芯凸極弧長(zhǎng)為 49，設(shè)在定子鐵芯凸極上的每個(gè)永磁體弧長(zhǎng)為12°，設(shè)在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)為 10°，轉(zhuǎn)子斜槽角度為7° 9°。
2.如權(quán)利要求書1所述的一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是，所述轉(zhuǎn)子斜槽角度為8. 57°。
3.如權(quán)利要求書1所述的一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是，每個(gè)定子鐵芯凸極上，所述的永磁體為兩對(duì)極性交錯(cuò)排列的厚度為2. 5mm的釹鐵硼磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型雙凸極永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為6/14極雙凸極永磁電機(jī)，六個(gè)定子鐵芯凸極上面分別設(shè)置有集中繞組，彼此位置相對(duì)的兩個(gè)集中繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，六個(gè)定子鐵芯凸極極靴端面上分別設(shè)置有永磁體；相鄰定子鐵芯凸極上的相鄰永磁體極性相同，定子鐵芯凸極弧長(zhǎng)為49，定子鐵芯凸極上每個(gè)磁極弧長(zhǎng)為12°，設(shè)在電機(jī)軸5上的轉(zhuǎn)子鐵芯凸極弧長(zhǎng)為10，轉(zhuǎn)子斜槽角度為8.57°。所述的永磁體為兩對(duì)極性交錯(cuò)排列的厚度為2.5mm的釹鐵硼磁鐵。本發(fā)明的有益效果它把高磁能的永磁體放在定子鐵芯凸極的表面，永磁體易于安裝；通過對(duì)不同尺寸下的電機(jī)性能曲線的對(duì)比確定較為合適的定、轉(zhuǎn)子尺寸組合等參數(shù)，得到較優(yōu)的電機(jī)性能和材料利用率。
文檔編號(hào)H02K1/14GK102290890SQ20111024188
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者孫雨萍, 李陶波 申請(qǐng)人:山東大學(xué)