定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，包括定子機構(gòu)、轉(zhuǎn)子機構(gòu)、非導(dǎo)磁材料定子套筒和軸承。定子機構(gòu)包括N個雙U型定子鐵心、N個嵌在U型結(jié)構(gòu)中的永磁體和環(huán)形電樞繞組，其中N≥2，每相圓周方向相鄰的永磁體磁極方向相對，兩個U型槽中分別放置兩組反向串聯(lián)的電樞繞組；轉(zhuǎn)子機構(gòu)由N個轉(zhuǎn)子鐵心組成，沿圓周方向均勻分布在非導(dǎo)磁材料圓筒的外側(cè)，每相相鄰的轉(zhuǎn)子鐵心沿軸向左右交錯間隔排列。本發(fā)明的定子U型鐵心內(nèi)嵌永磁體，且圓周方向相鄰的永磁體磁化方向相反，結(jié)合相鄰轉(zhuǎn)子鐵心左右對稱排列的結(jié)構(gòu)特點，可以實現(xiàn)磁通切換的功能，避免永磁體無效工作區(qū)，提高了電機永磁體的利用率，提高了電機的功率密度。
【專利說明】定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機領(lǐng)域，具體涉及一種定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]能源危機的加劇，制約全球經(jīng)濟的提升，并威脅著人類社會可持續(xù)發(fā)展，大力開發(fā)利用新能源和可再生能源已成為全球多數(shù)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。相比于其它形式的可再生能源，風能(Wind Power)成熟度最高,經(jīng)濟性最好。預(yù)計到2020年,全球風電裝機總?cè)萘繉⑦_760GW，中國約230GW，發(fā)展勢頭迅猛，開發(fā)利用前景廣闊。風力發(fā)電機(Wind Generator)是風電系統(tǒng)的關(guān)鍵核心裝備,其電氣和機械性能的優(yōu)劣直接影響著風電能量轉(zhuǎn)換的效率以及系統(tǒng)的成本與可靠性。
[0003]由于風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低，中小功率的為幾十?幾百轉(zhuǎn)/分，MW級的只有十幾轉(zhuǎn)/分，根據(jù)電機原理，要達到一定的功率，且要減小電機直徑、減輕其體積和重量，就必須顯著增大電磁力。電磁力正比于磁通量和電流,傳統(tǒng)的徑向磁通和軸向磁通電機中，導(dǎo)向磁通的鐵心和傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線處于同一平面內(nèi)，在電機直徑一定的情況下，增加鐵心面積和增大導(dǎo)體截面積相互矛盾。幸運的是，橫向磁通電機(Transverse Flux Motor-TFM)可以解決這一問題，其電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，因此可以根據(jù)需要獨立調(diào)整線圈窗口和磁路尺寸來確定電機的電、磁負荷，從而可以獲得很高的轉(zhuǎn)矩密度。
[0004]近幾年雖然國內(nèi)外眾多機構(gòu)對橫向磁通發(fā)電機進行了大量的研究工作，但是還存在一些問題亟待改進和解決。例如，瑞典的KTH大學的D.Svechkarenko博士提出了一種適用于風力發(fā)電的新型大容量橫向磁通永磁發(fā)電機，通過計算研究表明該電機具有較高的功率因數(shù)，但是結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，制造工藝和成本較高；荷蘭的Delft TU大學參與了歐洲的UpWind風電整合項目，研制了 10麗的橫向磁通永磁風力發(fā)電機，該電機具有較高的功率密度，但是定子鐵心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要采用軟磁復(fù)合材料制造，成本較高；沈陽工業(yè)大學的劉哲民博士也對永磁橫向磁通電機運用在低速風力發(fā)電領(lǐng)域進行了研究，改進了橫向磁通電機定子鐵心的結(jié)構(gòu)，簡化了其制造工藝，但是該電機的永磁體和空間利用率偏低；東南大學林鶴云教授提出了一種新型的聚磁式橫向磁通永磁風力發(fā)電機，提高了電機的空間利用率，但是永磁體的利用率還有待進一步提高。總之，現(xiàn)有的橫向磁通永磁電機或永磁體及電機空間利用率偏低，或制造工藝復(fù)雜、材料成本較高，或電機電樞繞組有效長度比例不高，在功率密度和加工制造上還有提高的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，它能有效地提高永磁體的利用率，提高電機的功率密度。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機包括定子機構(gòu)、轉(zhuǎn)子機構(gòu)、非導(dǎo)磁材料定子套筒和軸承，轉(zhuǎn)子機構(gòu)置于定子機構(gòu)內(nèi)，定子機構(gòu)固定在非導(dǎo)磁材料定子套筒內(nèi)，非導(dǎo)磁材料定子套筒通過軸承與轉(zhuǎn)子機構(gòu)相連，定子機構(gòu)包括N個定子鐵心、N個永磁體和環(huán)形電樞繞組，其中N > 2，定子鐵心呈雙U型，在兩個U型結(jié)構(gòu)中間嵌入一塊永磁體，每相圓周方向相鄰的永磁體磁極方向相對，兩個U型定子槽中分別放置環(huán)形電樞繞組，兩組環(huán)形電樞繞組反向串聯(lián)；轉(zhuǎn)子機構(gòu)包括N個轉(zhuǎn)子鐵心、電機轉(zhuǎn)軸和非導(dǎo)磁材料圓筒，電機轉(zhuǎn)軸置于非導(dǎo)磁材料圓筒中，轉(zhuǎn)子鐵心沿圓周方向均勻分布在非導(dǎo)磁材料圓筒的外側(cè)，每相相鄰的兩個轉(zhuǎn)子鐵心沿軸向左右交錯間隔排列，轉(zhuǎn)子鐵心置于定子鐵心內(nèi)，非導(dǎo)磁材料定子套筒通過軸承與非導(dǎo)磁材料圓筒相連。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:1、本發(fā)明的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的定子鐵心中放置一塊永磁體，且圓周方向相鄰兩個定子鐵心中的永磁體磁化方向相反，結(jié)合相鄰兩個轉(zhuǎn)子鐵心左、右分別對稱排列的結(jié)構(gòu)特點，可以實現(xiàn)磁通切換的功能，可以避免永磁體無效情況，從而提高了電機永磁體的利用率，在一定程度上提高了電機的功率密度。
[0008]2、該電機的各定子鐵心尺寸相同，各轉(zhuǎn)子鐵心尺寸也相同，且都可用硅鋼片疊制而成。各定子鐵心安裝在非導(dǎo)磁材料機殼圓形套筒內(nèi)，形成定子整體；各轉(zhuǎn)子鐵心安置在非導(dǎo)磁材料圓筒上，形成轉(zhuǎn)子整體，并且與電機轉(zhuǎn)軸相連。由于采用了硅鋼片疊制，可以有效地減少電機的漏磁通，從而可以提高電機的功率因數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不意圖(一相一對極)。
[0010]圖2是定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的剖面圖(一相)。
[0011]圖3是定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的主磁通；其中(a)是tQ時刻圓周方向前一組定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的主磁通，(b)是t0時刻圓周方向后一組定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的主磁通。
[0012]圖4是q定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的主磁通，(a)是^時刻圓周方向前一組定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的主磁通，(b)是G時刻圓周方向后一組定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的主磁通。
[0013]【具體實施方式】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0014]實施例1
結(jié)合圖f圖4，對于單相內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機來說，該定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的實體模型主要由以下幾個部分組成:定子鐵心1、永磁體2、電樞繞組5、轉(zhuǎn)子鐵心4、發(fā)電機轉(zhuǎn)軸6,非導(dǎo)磁材料定子套筒7,非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子圓筒8以及軸承9組成。各定子由定子鐵芯I和電樞繞組5和永磁體2構(gòu)成，永磁體材料為釹鐵硼，永磁體2采用膠水粘貼于定子鐵心5中，圓周方向相鄰的兩個永磁體2極性相對，各定子鐵心I尺寸一致，且采用硅鋼片疊制，并用膠水粘貼安裝在非導(dǎo)磁材料套筒7內(nèi)形成一個定子整體；電樞繞組5采用集中式環(huán)形繞組，并安放于定子鐵心I的U型槽中，且兩組環(huán)形電樞繞組5反向串聯(lián)；轉(zhuǎn)子部分包括圓周方向相鄰且沿軸向左右交錯間隔排列的轉(zhuǎn)子鐵心4構(gòu)成，各轉(zhuǎn)子鐵心4尺寸一致，且采用硅鋼片疊制，并用膠水粘貼安裝在非導(dǎo)磁材料圓筒8上形成一個轉(zhuǎn)子整體，并與發(fā)電機轉(zhuǎn)軸6相連,并通過軸承9與電機機殼相連。以增強發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時的堅固性和可靠性，保證發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程中的平穩(wěn)運行。
[0015]實施例2
對于三相外轉(zhuǎn)子發(fā)電機來說，該定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機的實體模型主要由以下幾個部分組成:定子鐵心1、永磁體2、電樞繞組5、轉(zhuǎn)子鐵心4、發(fā)電機固定軸6，非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子套筒7，非導(dǎo)磁材料定子圓筒8以及軸承9組成。永磁體材料為釹鐵硼，每相轉(zhuǎn)子部分包括圓周方向相鄰且沿軸向左右交錯間隔排列的轉(zhuǎn)子鐵心4構(gòu)成，各轉(zhuǎn)子鐵心4尺寸一致，且采用硅鋼片疊制，并用膠水粘貼安裝在非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子套筒7內(nèi)形成一個轉(zhuǎn)子整體；各定子由定子鐵芯I和電樞繞組5和永磁體2構(gòu)成，永磁體2采用膠水粘貼于定子鐵心5中，圓周方向相鄰的兩個永磁體2極性相對；電樞繞組5采用集中式環(huán)形繞組，并安放于定子鐵心I的U型槽中，且兩組環(huán)形電樞繞組5反向串聯(lián)；各定子鐵心I尺寸一致，且采用硅鋼片疊制，并用膠水粘貼安裝非導(dǎo)磁材料定子圓筒8外形成每相定子部分。沿電機固定軸6方向，平行排列三相定子部分和三相轉(zhuǎn)子部分，并使得每相定子部分相差120度電角度，或者使得每相轉(zhuǎn)子部分相差120度電角度，組成三相風力發(fā)電機。定子部分與發(fā)電機固定軸6相連，并通過軸承9與電機轉(zhuǎn)子外殼相連。以增強發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時的堅固性和可靠性，保證發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程中的平穩(wěn)運行。
[0016]運行原理:
該定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機通過旋轉(zhuǎn)在環(huán)形電樞繞組5中產(chǎn)生變化的磁場，從而感應(yīng)出變化的電勢，以實現(xiàn)交流運行。在圖3所示的t0時刻，左側(cè)定子U型槽中的環(huán)形電樞繞組5磁通方向為逆時針，而右側(cè)定子U型槽中的環(huán)形電樞繞組5磁通方向為順時針；當在圖4所示的&時刻，左側(cè)定子U型槽中的環(huán)形電樞繞組5磁通方向為順時針，而右側(cè)定子U型槽中的環(huán)形電樞繞組5磁通方向為逆時針；因此在兩組環(huán)形電樞繞組5中感應(yīng)出方向相反的電勢，因此將兩組環(huán)形電樞繞組反向串聯(lián)可以獲得所有永磁體2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。
[0017]該定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機可以有效地利用永磁體2，提高了電機的功率密度，且降低永磁體2的使用成本；定子鐵心I和轉(zhuǎn)子鐵心4結(jié)構(gòu)較為簡單，都可以用硅鋼片疊制而成，可以有效地降低加工制造的成本，此外可以減小漏磁，提高電機的功率因數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:包括定子機構(gòu)、轉(zhuǎn)子機構(gòu)、非導(dǎo)磁材料定子套筒(7)和軸承(9),轉(zhuǎn)子機構(gòu)置于定子機構(gòu)內(nèi)，定子機構(gòu)固定在非導(dǎo)磁材料定子套筒(7)內(nèi)，非導(dǎo)磁材料定子套筒(7)通過軸承(9)與轉(zhuǎn)子機構(gòu)相連，定子機構(gòu)包括N個定子鐵心(I)、N個永磁體(2)和環(huán)形電樞繞組(5)，其中N ^ 2，定子鐵心(I)呈雙U型，在兩個U型結(jié)構(gòu)中間嵌入一塊永磁體(2)，每相圓周方向相鄰的永磁體(2)磁極方向相對，兩個U型定子槽中分別放置環(huán)形電樞繞組(5)，兩組環(huán)形電樞繞組(5)反向串聯(lián)；轉(zhuǎn)子機構(gòu)包括N個轉(zhuǎn)子鐵心(4)、電機轉(zhuǎn)軸(6)和非導(dǎo)磁材料圓筒(8),電機轉(zhuǎn)軸(6)置于非導(dǎo)磁材料圓筒(8)中，轉(zhuǎn)子鐵心(4)沿圓周方向均勻分布在非導(dǎo)磁材料圓筒(8)的外側(cè)，每相相鄰的兩個轉(zhuǎn)子鐵心(4)沿軸向左右交錯間隔排列，轉(zhuǎn)子鐵心(4)置于定子鐵心Cl)內(nèi)，非導(dǎo)磁材料定子套筒(7)通過軸承(9)與非導(dǎo)磁材料圓筒(8)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:沿電機軸(6)方向，平行排列三組定子鐵心(I)和三組轉(zhuǎn)子鐵心(4)，每組N個定子鐵心(I)和N個轉(zhuǎn)子鐵心(4)，并使得每組定子鐵心(I)相差120度電角度，或者使得每組轉(zhuǎn)子鐵心(4)相差120度電角度，組成三相風力發(fā)電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:上述轉(zhuǎn)子鐵心(4)采用硅鋼片疊制，且尺寸相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:上述定子鐵心(I)采用硅鋼片疊制，且尺寸相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:極數(shù)N的發(fā)電機每相具有N個定子鐵心(I)和N個轉(zhuǎn)子鐵心(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:永磁體材料為釹鐵硼`。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發(fā)電機，其特征在于:發(fā)電機的定子機構(gòu)和轉(zhuǎn)子機構(gòu)位置可以互換，構(gòu)成外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)形式。
【文檔編號】H02K1/17GK103607059SQ201310580833
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】顏建虎 申請人:南京理工大學