多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，包括第一定子、轉(zhuǎn)子以及第二定子，第一定子和第二定子分別由六個多齒U形定子鐵心、六塊永磁體、六個集中電樞線圈和六個集中勵磁線圈組成，在每塊永磁鐵上軸向纏繞一個所述集中勵磁線圈且所有集中勵磁線圈依次順序首尾串聯(lián)形成單相集中勵磁繞組，所述三相集中電樞繞組的各集中電樞線圈均橫跨在多齒U形定子鐵心的兩個定子齒上，其中，第一定子六個集中電樞線圈中兩兩徑向相對的兩個集中電樞線圈與同一位置上第二定子六個集中電樞線圈中兩兩徑向相對的兩個集中電樞線圈串聯(lián)形成三相電樞繞組中的一相。本發(fā)明具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度和高效率的特點，非常適用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中。
【專利說明】多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的功率密度，較大的轉(zhuǎn)矩輸出能力、定位力矩小和較高效率的軸向磁場混合勵磁電機，屬于軸向磁場混合勵磁電機【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在能源短缺和環(huán)境趨向惡化的今天，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，越來越受到世界各國的重視，也越來越多地被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中。目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所采用的風(fēng)機分為兩種類型:直驅(qū)式和雙饋式。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組在傳動鏈中省略了齒輪箱，將風(fēng)輪與低速同步發(fā)電機直接連接，降低了機械故障率和定期維護成本，提高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和運行可靠性。因此，低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機已經(jīng)成為國內(nèi)外新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主選機型之一。國內(nèi)外學(xué)者對永磁同步發(fā)電機展開了大量研究，研究結(jié)果表明在低速直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機中，以軸向磁場結(jié)構(gòu)的永磁電機最具優(yōu)勢，其中采用雙定子結(jié)構(gòu)的軸向磁場永磁電機的功率密度最高。然而，傳統(tǒng)的軸向磁場永磁電機，永磁體位于轉(zhuǎn)子，為了克服高速運行時的離心力，需要在轉(zhuǎn)子上安裝相應(yīng)的固定裝置，引起冷卻困難，較高的溫升可能會導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁，限制電機出力，制約了電機性能的進一步提高。
[0003]軸向磁場磁通切換型永磁(AxialField Flux-Switching Permanent Magnet,以下簡稱AFFSPM)電機綜合了磁通切換型永磁電機和軸向磁場電機的優(yōu)點，其永磁體和電樞繞組均置于定子，冷卻方便；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好，對風(fēng)速和負載變化響應(yīng)快；定轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)具有很強的聚磁作用，氣隙磁密高，功率密度大，輸出轉(zhuǎn)矩能力強；采用集中電樞繞組，縮短了繞組端部長度，減小了繞組電阻和銅耗，實現(xiàn)了電機的高效率運行；與已有軸向磁場永磁電機相比，其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易；軸向長度短，特別適合于風(fēng)力發(fā)電機組。但是AFFSPM電機定位力矩較大，造成風(fēng)機起動時阻轉(zhuǎn)矩大，同時，輸出電壓無法調(diào)節(jié)，電壓調(diào)整率大，發(fā)生短路故障時，AFFSPM發(fā)電機滅磁較難，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。
[0004]混合勵磁電機將永磁體勵磁與電勵磁兩種勵磁方式進行有機結(jié)合，是一種最大限度綜合兩者優(yōu)勢又能克服各自缺陷的新型電機。國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了磁極分割式混合勵磁電機、爪極式混合勵磁電機、組合轉(zhuǎn)子式混合勵磁電機、并列結(jié)構(gòu)式混合勵磁電機和磁分路式混合勵磁電機等多種拓撲結(jié)構(gòu)。但以上幾類混合勵磁電機中，永磁體均位于轉(zhuǎn)子，存在因溫升引起的永磁體退磁問題，限制了電機出力、降低了電機的功率密度，制約了此類混合勵磁電機性能的進一步提高。目前國內(nèi)外文獻報道的定子永磁型混合勵磁電機主要以雙凸極和磁通切換電機為原型，但由于雙凸極永磁電機本身的功率密度不如磁通切換永磁電機，因此雙凸極混合勵磁電機在性能上也受到一定的限制。而磁通切換混合勵磁電機的研究目前主要集中在徑向磁場結(jié)構(gòu)，軸向磁場磁通切換混合勵磁電機僅對雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)進行了研究，關(guān)于雙定子結(jié)構(gòu)的軸向磁場磁通切換混合勵磁電機的研究還未見報道。
[0005]針對AFFSPM電機目前存在的問題，結(jié)合混合勵磁電機的優(yōu)點，本發(fā)明提出一種多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，可以有效的減少定位力矩；同時，電勵磁繞組的設(shè)置，可以實現(xiàn)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)電機寬電壓輸出。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提出一種定位力矩小、氣隙磁場可調(diào)、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、功率密度高和效率高的雙定子結(jié)構(gòu)的多齒混合勵磁盤式電機。
[0007]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，包括第一定子、轉(zhuǎn)子以及第二定子，其中第一定子和第二定子對稱設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子的兩側(cè)，其特征是:所述第一定子和第二定子分別由六個多齒U形定子鐵心、六塊永磁體、六個集中電樞線圈和六個集中勵磁線圈組成，在每兩個相鄰的多齒U形鐵心的定子齒之間放置一個所述永磁體，在每塊永磁鐵上軸向纏繞一個所述集中勵磁線圈且所有集中勵磁線圈依次順序首尾串聯(lián)形成單相集中勵磁繞組，所述三相集中電樞繞組的各集中電樞線圈均橫跨在所述多齒U形定子鐵心的兩個定子齒上，其中，第一定子六個集中電樞線圈中兩兩徑向相對的兩個集中電樞線圈與同一位置上第二定子六個集中電樞線圈中兩兩徑向相對的兩個集中電樞線圈串聯(lián)形成三相電樞繞組中的一相。
[0008]所述轉(zhuǎn)子由非導(dǎo)磁圓環(huán)以及設(shè)置在非導(dǎo)磁圓環(huán)上的多個齒極構(gòu)成。
[0009]所述的齒極數(shù)為十九個。
[0010]所述永磁體是釹鐵硼磁鋼。
[0011]所述電樞繞組和勵磁繞組都為集中繞組。
[0012]本發(fā)明提出的多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機采用雙定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。定子與轉(zhuǎn)子同軸安裝，轉(zhuǎn)子夾放在兩個定子之間，轉(zhuǎn)子和定子之間留有空氣隙。兩個定子的結(jié)構(gòu)完全一樣，而且關(guān)于轉(zhuǎn)子對稱。
[0013]每個定子包括6個多齒U形定子鐵心、6塊永磁體、6個集中電樞線圈和6個集中勵磁線圈。多齒U形定子鐵心和永磁體交替放置構(gòu)成定子圓盤,永磁體沿著圓周方向交替充磁，相鄰永磁體的磁化方向相反，兩個定子相對稱的兩個永磁體充磁方向相反。電樞線圈纏繞在相鄰的兩個多齒U形鐵心定子齒上，中間嵌入永磁體。每個定子上徑向相對的電樞線圈串聯(lián)構(gòu)成同相電樞繞組,兩個定子上的A相、B相、C相電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成整個電機的A相、B相、C相電樞繞組。電勵磁線圈軸向纏繞在永磁體的表面，兩個定子上的十二個電勵磁線圈順次串聯(lián)構(gòu)成電勵磁繞組。
[0014]轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，共有19個齒，稱為19個轉(zhuǎn)子極，轉(zhuǎn)子為直槽轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)簡單。
[0015]有益效果:
1、本發(fā)明所提出的多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，集中了永磁電機和電勵磁電機的優(yōu)點。增加的一套電勵磁繞組在無需增加電機體積的條件下即可安放，通過控制勵磁繞組電流的大小和方向可以方便地調(diào)節(jié)電機的氣隙磁場，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的寬電壓輸出。
[0016]2、定子U型鐵心和轉(zhuǎn)子都采用多齒結(jié)構(gòu)，可以有效的降低定位力矩，減少轉(zhuǎn)矩脈動。
[0017]3、電樞繞組與勵磁繞組都采用集中繞組，端部較短，從而使銅耗減少，電機效率得以提聞。
[0018]4、轉(zhuǎn)子上沒有永磁體和繞組，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，提高了風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0019]5、電機米用盤式結(jié)構(gòu),軸向尺寸短，電機功率密度高，很適合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電場人
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機的三維結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機的增磁運行狀態(tài)(平面展開圖)，
圖3多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機的去磁運行狀態(tài)(平面展開圖)，
圖4多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機的A相感應(yīng)電動勢波形圖，
圖5多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。
[0021]以上的圖中有:第一定子I，轉(zhuǎn)子2,第二定子3,永磁體4,定子多齒U形鐵心5,三相集中電樞繞組6，第一集中電樞線圈611、第二集中電樞線圈612、第三集中電樞線圈613、第四集中電樞線圈614、第五集中電樞線圈621、第六集中電樞線圈622、第七集中電樞線圈623、第八集中電樞線圈624、第九集中電樞線圈631、第十集中電樞線圈632、第^^一集中電樞線圈633、第十二集中電樞線圈634，單相集中勵磁繞組7，第一集中勵磁線圈701、第二集中勵磁線圈702、第三集中勵磁線圈703、第四集中勵磁線圈704、第五集中勵磁線圈705、第六集中勵磁線圈706，第七集中勵磁線圈707、第八集中勵磁線圈708、第九集中勵磁線圈709、第十集中勵磁線圈710、第^ 集中勵磁線圈711、第十二集中勵磁線圈712,轉(zhuǎn)子極8,非導(dǎo)磁圓環(huán)9，氣隙10，氣隙11，永磁磁路12，電勵磁磁路13。`【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，本發(fā)明多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，包括第一定子1、第二定子3和轉(zhuǎn)子2，轉(zhuǎn)子2位于第一定子I和第二定子3的中間。第一定子1、第二定子3與轉(zhuǎn)子2同軸安裝，轉(zhuǎn)子2與第一定子1、第二定子3之間留有相等厚度的空氣隙10、11。第一定子I和第二定子3的結(jié)構(gòu)完全一樣，而且關(guān)于轉(zhuǎn)子2對稱，第一定子1、第二定子3和轉(zhuǎn)子2都為凸極結(jié)構(gòu)。
[0023]第一定子I和第二定子3的定子鐵心部分分別由6個多齒U形定子鐵心5、6塊永磁體4、6個集中電樞線圈6和6個集中勵磁線圈7組成，U形定子鐵心5和永磁體4交替放置構(gòu)成定子圓盤，第一定子I和第二定子3中的U形定子鐵心5和永磁體4分別相對應(yīng)，但相對應(yīng)的永磁體4的充磁方向相反。每個集中電樞線圈6繞在兩個多齒U形鐵心5的齒上，中間嵌入永磁體4，永磁體4沿著圓周方向交替充磁，相鄰永磁體4充磁方向相反。
[0024]電樞繞組6包括第一集中電樞線圈611、第二集中電樞線圈612、第三集中電樞線圈613、第四集中電樞線圈614、第五集中電樞線圈621、第六集中電樞線圈622、第七集中電樞線圈623、第八集中電樞線圈624、第九集中電樞線圈631、第十集中電樞線圈632、第^^一集中電樞線圈633、第十二集中電樞線圈634。
[0025]第一集中電樞線圈611和第二集中電樞線圈612徑向相對，兩個線圈依次順序首尾串聯(lián)連接構(gòu)成定子I的A相繞組，第三集中電樞線圈613和第四集中電樞線圈614徑向相對，兩個線圈依次順序首尾串聯(lián)連接構(gòu)成定子2的A相繞組。定子I和定子2的A相繞組串聯(lián)構(gòu)成A相電樞繞組。
[0026]第五集中電樞線圈621和第六集中電樞線圈622徑向相對，兩個線圈依次順序首尾串聯(lián)連接構(gòu)成定子I的B相繞組，第七集中電樞線圈623和第八集中電樞線圈624徑向相對，兩個線圈依次順序首尾串聯(lián)連接構(gòu)成定子2的B相繞組。定子I和定子2的B相繞組串聯(lián)構(gòu)成B相電樞繞組。
[0027]第九集中電樞線圈631和第十集中電樞線圈632徑向相對，兩個線圈依次順序首尾串聯(lián)連接構(gòu)成定子I的C相繞組，第十一集中電樞線圈633和第十二集中電樞線圈634徑向相對，兩個線圈依次順序首尾串聯(lián)連接構(gòu)成定子2的C相繞組。定子I和定子2的C相繞組串聯(lián)構(gòu)成C相電樞繞組。
[0028]勵磁繞組由12個集中勵磁線圈7組成。其中第一勵磁線圈701、第二勵磁線圈702、第三勵磁線圈703、第四勵磁線圈704、第五勵磁線圈705、第六勵磁線圈706位于定子1，第七勵磁線圈707、第八勵磁線圈708、第九勵磁線圈709、第十勵磁線圈710、第^ 勵磁線圈711、第十二勵磁線圈712位于定子2。上述勵磁線圈均為集中繞組、軸向纏繞在永磁體4上。上述12個勵磁線圈7依次順序首尾串聯(lián)連接，組成單相集中勵磁繞組。
[0029]轉(zhuǎn)子2共有19個齒，稱為19個轉(zhuǎn)子極8，均勻設(shè)置在轉(zhuǎn)子2非導(dǎo)磁圓環(huán)9的外圓周上。轉(zhuǎn)子2上既沒有永磁體4也沒有電樞繞組6和勵磁繞組7，結(jié)構(gòu)簡單。
[0030]當(dāng)電機處在圖2和圖3所示位置時，轉(zhuǎn)子極8和繞有集中電樞線圈6的一個定子齒5相對，根據(jù)永磁體4的磁化方向，永磁磁通從定子I的齒經(jīng)過氣隙10穿進轉(zhuǎn)子極8，再經(jīng)過氣隙11穿進定子2的齒，且數(shù)值最大。此時，若通過勵磁繞組施加與永磁磁勢方向相同的電勵磁磁勢，可以增加電樞繞組中的合成磁鏈，增大感應(yīng)出的電勢(如圖2)。相反，如果改變勵磁電流的方向，使電勵磁磁通與永磁磁通方向相反，則將減小電樞線圈中的合成磁鏈，減小電樞線圈中的感應(yīng)電勢(如圖3)。通過改變電勵磁繞組中電流的大小和方向就可以調(diào)節(jié)永磁磁場，解決永磁電機磁場調(diào)節(jié)困難的問題。
[0031]轉(zhuǎn)子極8和多齒U形定子鐵心5都由高導(dǎo)磁率的硅鋼片沖制而成。永磁體4采用釹鐵硼永磁材料。
[0032]從圖4可以看出，采用多齒定子鐵心結(jié)構(gòu)對感應(yīng)電動勢波形的影響很小，但是極大地削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1.一種多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，包括第一定子(I)、轉(zhuǎn)子(2)以及第二定子(3)，其中第一定子(I)和第二定子(3)對稱設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子(2)的兩側(cè)，其特征是:所述第一定子(I)和第二定子(3)分別由六個多齒U形定子鐵心(5)、六塊永磁體(4)、六個集中電樞線圈(6)和六個集中勵磁線圈(7)組成，在每兩個相鄰的多齒U形鐵心的定子齒之間放置一個所述永磁體(4 )，在每塊永磁鐵(4 )上軸向纏繞一個所述集中勵磁線圈(7 )且所有集中勵磁線圈(7)依次順序首尾串聯(lián)形成單相集中勵磁繞組，所述三相集中電樞繞組(6)的各集中電樞線圈均橫跨在所述多齒U形定子鐵心的兩個定子齒上，其中，第一定子(I)六個集中電樞線圈中兩兩徑向相對的兩個集中電樞線圈與同一位置上第二定子(3)六個集中電樞線圈中兩兩徑向相對的兩個集中電樞線圈串聯(lián)形成三相電樞繞組中的一相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子(2)由非導(dǎo)磁圓環(huán)(9)以及設(shè)置在非導(dǎo)磁圓環(huán)(9)上的多個齒極構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于:所述的齒極數(shù)為十九個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于:所述永磁體(4)是釹鐵硼磁鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多齒混合勵磁盤式風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于:所述電樞繞組(6)和勵磁繞組(7)都為集中繞組。
【文檔編號】H02K1/17GK103490575SQ201310485356
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】郝立, 林明耀, 徐妲, 林克曼 申請人:東南大學(xué)