專利名稱：磁場自增速永磁風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于新能源風力發(fā)電技術領域，涉及一種具有自增速功能、適用于直驅或半直驅場合的永磁風力發(fā)電機。
背景技術：
在風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風能是能量密度較低的一種能源，由風能驅動的風機一 般工作在較低轉速。為了有效利用風能，合理匹配風機轉速和發(fā)電機轉速是關鍵，目前主要采用兩種措施一是以機械式增速齒輪箱為中間環(huán)節(jié)進行增速，使發(fā)電機工作在較高轉速；二是采用直驅風力發(fā)電系統(tǒng)，取消增速齒輪。上述兩種方式均存在一些問題方式一中的增速齒輪不僅體積大而笨重，而且故障率高，需要經常維護，是風力發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)；方式二中為保證輸出電壓和頻率在正常范圍內，滿足要求的發(fā)電機通常需要采用較大的定轉子直徑和較多的極對數(shù)，體積大，質量重，給發(fā)電機的設計、制造、運輸和安裝增加了難度。因此，研制適合于風能高效轉換利用、運行可靠的新型風力發(fā)電機具有重要的理論意義與深遠的應用價值。本發(fā)明提出一種磁場自增速永磁風力發(fā)電機，在不使用或減少一級機械增速齒輪箱的情況下，利用磁場調制原理，可實現(xiàn)電機本身的磁場自增速，結構簡單，工作可靠，而且低速大轉矩輸出能力強。其工作原理為當轉子隨風機以較低轉速旋轉時，轉子永磁磁場經定子齒的調制作用后(定子齒兼做調磁齒)，在定子中將產生一個轉速為轉子磁場轉速I倍的高速諧波旋轉磁場(該磁場在本發(fā)明中稱為有效諧波磁場)，該諧波磁場將用于轉矩的傳遞，即電機的定子電樞繞組按此高速諧波旋轉磁場極對數(shù)進行設計。與永磁直驅電機相t匕，在實現(xiàn)低速直驅風力發(fā)電的情況下，本發(fā)明中電機定子齒數(shù)較少，結構簡單，繞組繞制方便，體積和重量可顯著減小，轉矩密度得到進一步提高。同時，轉子采用聚磁式結構，可以大大提高氣隙中有效諧波磁場的磁密幅值，不但可以改善電機轉矩密度，而且有效減小繞組電感，提高功率因數(shù)。因此，該結構電機具有很高的工程實用價值。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明針對現(xiàn)存風力發(fā)電機的不足，提供了一種具有磁場自增速功能、轉矩密度和功率因數(shù)較高，適用于直驅或半直驅場合的磁場自增速永磁風力發(fā)電。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種磁場自增速永磁風力發(fā)電機，該發(fā)電機由外至內包括同軸心排列的轉子、氣隙和定子，轉子與定子之間設置氣隙；
所述轉子包括若干等距間隔排列的轉子鐵心和嵌入相鄰轉子鐵心之間的轉子永磁
體；
所述定子包括與轉子同軸心的定子軛、若干凸出于定子軛外周的定子齒，相鄰定子齒之間設有定子齒間槽，定子還包括嵌入定子齒間槽內的電樞繞組。所述轉子永磁體的極對數(shù)/7胃、定子齒的個數(shù)&、電樞繞組繞制的極對數(shù)&滿足以下關系..PpmrU。
優(yōu)選的,所述轉子永磁體沿圓周切向充磁,且相鄰永磁體充磁方向相反，形成聚磁式磁極結構。優(yōu)選的，所述定子齒采用直齒結構，定子齒包括靠近定子軛的齒根和與齒根相連遠離齒根的齒頂；齒頂寬度等于轉子極寬；齒根的寬度窄于齒頂?shù)膶挾?。?yōu)選的，定子齒間槽上部和下部分別設有絕緣槽楔；槽底設置通風孔。有益效果本發(fā)明提供了一種具有磁場自增速功能的永磁風力發(fā)電機，能夠實現(xiàn)低速大轉矩直驅發(fā)電，與現(xiàn)有風力發(fā)電機相比，具有以下優(yōu)點
1.本發(fā)明利用磁場調制原理，可實現(xiàn)電機的磁場自增速，即定子齒能夠將轉子永磁磁場在定子內調制出極對數(shù)相對較少的諧波磁場，該有效諧波磁場的旋轉速度成倍于轉子永磁磁場，從而定子電樞繞組可按高速設計，既滿足了高速電機設計的需求，又滿足了低速大 轉矩直驅系統(tǒng)的需求。與傳統(tǒng)的采用機械增速齒輪箱增速或采用多極直驅結構電機的發(fā)電系統(tǒng)相比，本發(fā)明提供的具有自增速功能的風力發(fā)電機，不但能夠滿足風能高效轉換利用的需要，而且轉矩密度高，結構簡單，有利于提高系統(tǒng)可靠性、降低維護成本；
2.與多極直驅電機結構相比，雖然轉子永磁體極對數(shù)仍較大，但是定子電樞繞組按高速諧波磁場極對數(shù)設計，使得定子齒數(shù)大為減少，方便加工制造和電樞繞線，有利于提高空間利用率；
3.本發(fā)明的轉子永磁體采用聚磁式結構，與常見的表貼永磁體結構相比，能夠大大提高氣隙中有效諧波磁場磁密，該措施不但可以提高電機功率密度，而且利于減小繞組電感；
4.本發(fā)明中的定子齒兼做調磁齒，省去了專用于調磁的調磁環(huán)，結構更加簡單。采用直齒結構，相比帶極靴齒結構，結構簡單，當齒頂寬與轉子極寬相等時，能夠最大限度地提高單匝繞組線圈磁通，從而可以有效降低繞組匝數(shù)，減小繞組電感，提高電機功率因數(shù)。


圖I為磁場自增速永磁風力發(fā)電機截面結構。圖中有轉子1，轉子鐵心11，轉子永磁體12,氣隙2,定子3,定子軛31,定子齒32,電樞繞組33，絕緣槽楔34，通風孔35。圖中箭頭代表永磁體充磁方向。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明提供了一種具有磁場自增速功能的永磁風力發(fā)電機，該發(fā)電機由外至內包括同軸心排列的轉子、氣隙和定子，氣隙處于轉子與定子之間，以保證轉子旋轉；所述轉子包括若干等距間隔排列的轉子鐵心和嵌入相鄰轉子鐵心之間的轉子永磁體；所述定子包括與轉子同軸心的定子軛、若干凸出于定子軛外周的定子齒，相鄰定子齒之間設有定子齒間槽，定子還包括嵌入定子齒間槽內的電樞繞組；所述定子齒采用直齒結構，定子齒包括靠近定子軛的齒根和與齒根相連遠離齒根的齒頂，齒頂寬度等于轉子極寬，齒根寬度窄于齒頂寬度；定子齒間槽上部和下部分別設有絕緣槽楔固定電樞繞組，槽底設置通風孔散熱。本發(fā)明中，所述轉子永磁體極對數(shù)、定子齒個數(shù)電樞繞組繞制極對數(shù)^之間滿足以下關系..Ppmr=Tls-Ps。本發(fā)明中，所述轉子永磁體沿圓周方向切向充磁，且相鄰永磁體充磁方向相反，形成聚磁式磁極結構，以提高氣隙磁密。本發(fā)明所提供電機可以用作自增速發(fā)電機，也可以反過來用作自減速電動機。參見圖1，本發(fā)明提供的磁場自增速永磁風力發(fā)電機由外至內包括同軸心排列的轉子I、氣隙2和定子3，轉子I與定子3之間設置氣隙2，以保證轉子正常旋轉；
所述轉子I包括若干等距間隔排列的轉子鐵心11和嵌入相鄰轉子鐵心11之間的轉子永磁體12 ；
所述定子3包括與轉子I同軸心的定子軛31、若干凸出于定子軛31外周的定子齒32，相鄰定子齒32之間設有定子齒間槽，定子3還包括嵌入定子齒間槽內的電樞繞組33。所述的轉子永磁體12由稀土釹鐵硼或其它永磁材料制成，永磁體沿圓周方向切向充磁，且相鄰永磁體充磁方向相反，構成聚磁式N-S結構，以提高氣隙磁密。實際應用中，永磁體磁化方向厚度應根據電機設計參數(shù)合理選擇，綜合考慮對永磁體利用率和磁路磁阻的影響。本發(fā)明不排除采用包括內嵌式在內的其它能夠構成有效磁極的轉子永磁體安排方式。所述轉子永磁體12的極對數(shù)/7胃、定子齒32的個數(shù)電樞繞組33繞制的極對數(shù)&應滿足以下關系-.Ppmr=Iis_ps。只有滿足此關系，方可實現(xiàn)本發(fā)明所述的磁場自增速功能，即轉子隨風機低速旋轉時，定子電樞繞組可按高速旋轉諧波磁場極對數(shù)進行設計。所述定子電樞繞組33按調制出的有效諧波磁場極對數(shù)進行繞制，可采用集中繞組或分布繞組，其設計原則和方法與普通高速永磁同步電機一致，圖I所示為，轉子永磁體極對數(shù)為14，定子齒數(shù)為18，采用分布繞組按照調制出的4對極有效諧波磁場進行設計的三相電樞繞組排列。所述定子齒32采用直齒結構，定子齒32包括靠近定子軛31的齒根和與齒根相連遠離齒根的齒頂；齒頂寬度等于轉子極寬，以便最大限度地提高單匝繞組線圈磁通，從而有效減少繞組匝數(shù)，很大程度上降低繞組電感，提高電機功率因數(shù)；齒根寬度窄于齒頂寬度，以便增大槽底面積，利于嵌線；定子齒間槽上部和下部分別設有絕緣槽楔34，以便固定電樞繞組，防止其脫落；槽底設置通風孔35，以便定子散熱。所述的轉子鐵心11、定子軛31、定子齒32由硅鋼疊片構成，與普通永磁同步電機的定、轉子鐵心制造工藝相同。本發(fā)明中，定子齒32兼做調磁齒進行磁場的調制，它能夠將轉子永磁磁場在定子鐵心內調制出一系列諧波磁場，當轉子旋轉時，定子鐵心內的諧波磁場也隨之以不同的轉速旋轉。當定子電樞繞組繞制的極對數(shù)等于其中任意一個旋轉諧波磁場的極對數(shù)時，定、轉子之間可以實現(xiàn)穩(wěn)定的轉矩傳遞。為了實現(xiàn)磁場自增速的效果，一般選用諧波磁場極對數(shù)小于轉子永磁體極對數(shù)、且幅值最大的低次諧波作為有效諧波磁場進行電機的設計。為達到此效果，轉子永磁體極對數(shù)/7胃、定子齒數(shù)&、電樞繞組繞制極對數(shù)(有效諧波磁場極對數(shù))&應滿足以下關系
Ppmr=ns~Ps( I )
此時的磁場自增速比I滿足
Gr= Ppm/Ps⑵本發(fā)明的磁場自增速永磁風力發(fā)電機，與常規(guī)的多極永磁同步直驅電機的本質不同在于雖然轉子均為多極結構，但是本發(fā)明中電機定子電樞繞組按高速諧波磁場極對數(shù)繞制，電樞繞組磁場與轉子永磁磁場轉速不同步，具有自增速的功能，既能滿足轉子低速直驅的要求，又能實現(xiàn)電機定子繞組高速設計的需求。此外，轉子采用聚磁式結構，而非常見的表面貼裝式結構，能夠大大增加氣隙磁密，從而進一步提高電機的功率密度。本發(fā)明中，定子齒數(shù)&不能任意選取，&應該能夠被3整除，以便能夠繞制出對稱三相繞組。同時，為了保證電機的轉矩密度，自增速比不宜選擇太大，在自增速比選定的情況下，即滿足(2)式的條件下，值不宜太大，并且凡值不宜太小，過大的/7胃值會給轉子加工制造增加難度，過小的&值會使調制出的有效諧波磁場氣隙磁密過低。此外，為了抑制繞組電感，降低繞組匝數(shù)，電機長徑比不宜過大。本發(fā)明中的磁場自增速永磁風力發(fā)電機，轉子I可以直接或通過轉軸間接與低速 風機連接，作自增速發(fā)電機使用；也可反過來作自減速電動機使用，與負載連接，實現(xiàn)低速大轉矩直接驅動。本發(fā)明涉及的磁場自增速永磁風力發(fā)電機結構簡單，具有轉矩密度高、低速大轉矩直驅能力強、輸出轉矩波動小、功率因數(shù)高的優(yōu)點。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發(fā)明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種磁場自增速永磁風力發(fā)電機，其特征在于，該發(fā)電機由外至內包括同軸心排列的轉子(I)、氣隙⑵和定子(3)，轉子⑴與定子(3)之間設置氣隙⑵； 所述轉子(I)包括若干等距間隔排列的轉子鐵心(11)和嵌入相鄰轉子鐵心(11)之間的轉子永磁體(12); 所述定子(3)包括與轉子(I)同軸心的定子軛(31)、若干凸出于定子軛(31)外周的定子齒(32)，相鄰定子齒(32)之間設有定子齒間槽，定子(3)還包括嵌入定子齒間槽內的電樞繞組(33)； 所述轉子永磁體(12)的極對數(shù)、定子齒(32)的個數(shù)、電樞繞組(33)繞制的極對數(shù)滿足以下關系'ppmr=ns-ps,ppmr為轉子永磁體極對數(shù)為定子齒個數(shù)，為電樞繞組繞制極對數(shù)。
2.根據權利要求I所述的磁場自增速永磁風力發(fā)電機，其特征在于，相鄰永磁體(12)充磁方向相反，形成聚磁式磁極結構。
3.根據權利要求I所述的磁場自增速永磁風力發(fā)電機，其特征在于，所述定子齒(32)采用直齒結構，定子齒(32)包括靠近定子軛(31)的齒根和與齒根相連遠離齒根的齒頂；齒頂寬度等于轉子極寬；齒根的寬度窄于齒頂?shù)膶挾取?br> 4.根據權利要求I所述的磁場自增速永磁風力發(fā)電機，其特征在于，定子齒間槽上部和下部分別設有絕緣槽楔(34);槽底設置通風孔(35)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場自增速永磁風力發(fā)電機，該發(fā)電機由外至內包括同軸心排列的轉子(1)、氣隙(2)和定子(3)，轉子(1)與定子(3)之間設置氣隙(2)；所述轉子(1)包括若干等距間隔排列的轉子鐵心(11)和嵌入相鄰轉子鐵心(11)之間的轉子永磁體(12)；所述定子(3)包括與轉子(1)同軸心的定子軛(31)、若干凸出于定子軛(31)外周的定子齒(32)，相鄰定子齒(32)之間設有定子齒間槽，定子(3)還包括嵌入定子齒間槽內的多相對稱電樞繞組(33)。本發(fā)明利用定子齒的磁場調制作用實現(xiàn)磁場自增速，定子結構簡單，電樞繞組繞制方便，且轉子低速大轉矩直驅能力強，適用于風力發(fā)電等低速大扭矩領域。
文檔編號H02K1/16GK102684341SQ20121016382
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權日2012年5月24日
發(fā)明者李祥林, 程明, 花為, 鄒國棠 申請人:東南大學