CN102290890A - 一种新型双凸极永磁直驱风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型双凸极永磁直驱风力发电机，该发电机为6/14极双凸极永磁电机，六个定子铁芯凸极上面分别设置有集中绕组，彼此位置相对的两个集中绕组串联构成一相，六个定子铁芯凸极极靴端面上分别设置有永磁体；相邻定子铁芯凸极上的相邻永磁体极性相同，定子铁芯凸极弧长为49，定子铁芯凸极上每个磁极弧长为12°，设在电机轴5上的转子铁芯凸极弧长为10，转子斜槽角度为8.57°。所述的永磁体为两对极性交错排列的厚度为2.5mm的钕铁硼磁铁。本发明的有益效果：它把高磁能的永磁体放在定子铁芯凸极的表面，永磁体易于安装；通过对不同尺寸下的电机性能曲线的对比确定较为合适的定、转子尺寸组合等参数，得到较优的电机性能和材料利用率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种新型双凸极永磁直驱风力发电机。
背景技术
近年来，由于全球能源紧缺及环保意识的加强，清洁能源得到了很大的发展。
风力发电作为清洁能源利用的一种主要形式，在全世界范围内迅速发展起来，其技术亦日趋成熟。在风力发电系统中，风力发电机作为关键部件之一，在系统中占据重要地位，发挥主要作用。纵观国际上风力发电机组的发展，一方面越来越趋于大型化，使得风力发电机单机容量不断增大；另一方面，很大部分厂商着眼于小型风力发电机的开发，原因是小型风力发电机多为民用，具有尺寸小，安装方便，成本低、效率高等优点，并且还具有适用各种地域和气候环境，应用较广泛的特点。
目前使用的风力发电机虽然有上述优点，但多为普通异步电机和同步电机，因此存在一定的不足之处：
1、风力发电系统为获得低速启动，往往需设置机械变速装置，由此增加了设备的复杂性，降低了设备运行的可靠性。更重要的是，所增设的机械变速装置必然存在能量转化效率的问题，使整体风力发电系统的效率降低。
2、传统方式下，对风力发电机多采用经验公式对定、转子尺寸组合，气隙长度、永磁体厚度等参数进行确定，存在人为设定的因素，使电机性能和材料利用率无法在根本上得到最佳匹配。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种新型双凸极永磁直驱风力发电机。它具有绕组利用率高、结构简单、转动惯量小的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型双凸极永磁直驱风力发电机，该发电机为6/14极双凸极永磁电机，即包括14个转子铁芯凸极和6个定子铁芯凸极，六个定子铁芯凸极上面分别设置有集中绕组，彼此位置相对的两个集中绕组串联构成一相，六个定子铁芯凸极极靴端面上分别设置有永磁体；相邻定子铁芯凸极上的相邻永磁体极性相同，每个定子铁芯凸极弧长为49°，设在定子铁芯凸极上的每个永磁体弧长为12°，设在电机轴上的转子铁芯凸极弧长为10°，转子斜槽角度为7°～9°。
本发明所述转子斜槽角度最佳为8.57°。每个定子铁芯凸极上，所述的永磁体为两对极性交错排列的厚度为2.5mm的钕铁硼磁铁。
本发明的有益效果：
该新型双凸极永磁风力发电机为直驱式，无需机械变速装置，提高了机组的效率及运行可靠性，除具有一般永磁电机的优点之外，与传统的双凸极永磁电机相比，它把高磁能的永磁体设在定子铁芯凸极的极靴端面上，使得永磁体易于安装；随着转子旋转，双凸极永磁电机定子上集中绕组所交链的永磁磁通改变极性，这意味着可以产生比磁通脉振更大的磁通变化。
计算6/14极双凸极永磁电机尺寸，通过改变电机的主要尺寸如定、转子弧长、气隙长度、和永磁体厚度等，对电机中的绕组电感、齿槽转矩以及对感应电动势的大小和波形起决定性作用的磁链的变化情况，进行了较为详细的分析和研究，并取得了满意的结果。
分析了较多的尺寸组合，鉴于双凸极永磁电机的结构特点，对各种尺寸组合下的情况都进行了有限元分析，通过对不同尺寸下得到的电机性能曲线的对比最终确定了较为合适的定、转子尺寸组合，气隙长度、永磁体厚度等参数，以便得到较优的电机性能和材料利用率。
附图说明
图1为6/14极定子截面图。
图2为转子截面图。
图3为整个电机的截面图。
图4为不同定、转子铁芯凸极弧长搭配时，对磁链幅值的影响。
图5为不同定、转子铁芯凸极弧长搭配时，对齿槽转矩幅值的影响。
图6为转子倾斜角度对齿槽转矩的影响。
图7为转子倾斜角度对磁链幅值的影响。
图8为转子倾斜角度与斜槽系数的关系。
图9为转速为214rpm时的电压调整曲线。
图10为电机工作原理示意图。
其中1.定子铁芯凸极，2.集中绕组，3.永磁体，4.气隙，5.电机轴，6.转子铁芯凸极。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1、图2、图3中，一种新型双凸极永磁直驱风力发电机，该发电机为6/14极双凸极永磁电机，即包括14个转子铁芯凸极6和6个定子铁芯凸极1，六个定子铁芯凸极1上面分别设置有集中绕组2，彼此位置相对的两个集中绕组2串联构成一相，六个定子铁芯凸极1极靴端面上分别设置有永磁体3；相邻定子铁芯凸极1上的相邻永磁体3极性相同，每个定子铁芯凸极1弧长为49°，设在定子铁芯凸极1上的每个永磁体3弧长为12°，设在电机轴5上的转子铁芯凸极6弧长为10°，转子斜槽角度为7°～9°。
所述转子斜槽角度最佳为8.57°。
每个定子铁芯凸极1上，所述的永磁体3为两对极性交错排列的厚度为2.5mm的钕铁硼磁铁。
永磁体3与定子铁芯凸极1之间存在有气隙4。
图4为不同定子铁芯凸极1、转子铁芯凸极6极弧搭配时，对磁链幅值的影响。
分析定、转子铁芯凸极弧长度对电机磁链幅值、齿槽转矩的影响，以确定最佳的定、转子铁芯凸极弧长度。
图5为不同定、转子铁芯凸极弧长搭配时，对齿槽转矩幅值的影响。
从图4和图5综合分析得知，定子铁芯凸极1弧长49°，转子铁芯凸极6弧长10°为较合适的选择。
另外双凸极永磁电机的双凸极结构决定了它的齿槽转矩较大，因此当电机应用于对转矩要求较高的场合时，必须通过斜槽减小齿槽转矩的影响，倾斜的角度为2π/S，其中S为定子铁芯凸极1和转子铁芯凸极6的最小公倍数。由于样机为6/14极，所以S＝42，齿槽转矩的周期为2π/42，对应的机械角为8.57°。
在本电机中我们把转子平均分为5段，两两之间差一个机械角度，相当于转子倾斜了8.57°，我们可以用转子分别处于1.714°，3.428°，5.142°，6.856°，8.57°这5个位置上所得的磁链平均值来表示。
图6为转子倾斜角度变化对齿槽转矩的影响。
图7为转子倾斜角度变化对磁链幅值的影响。
图8转子倾斜角度与斜槽系数的关系。
将转子倾斜后得到的电动势的幅值与未倾斜之前的电动势相比，就可以得到此时的斜槽系数。由此计算的斜槽系数与转子倾斜角度的关系如图8所示：从图中不难看出随着转子倾斜角度的增加，斜槽系数的值下降幅度较大。
由图6、图7和图8综合考虑，所以选转子斜槽角度为8.57°。
图9为带电阻负载转速为额定转速214rpm时的外特性曲线，其特性曲线表明，发电机的电压变化率不大。
以上研究表明双凸极永磁电机设计结构中，定子铁芯凸极1弧长和转子铁芯凸极6弧长是影响电机性能最主要的设计变量。改变双凸极永磁电机的定、转子凸极弧长会对电机的性能造成较大的影响，因此可以通过选择适当的尺寸来改善电机性能。对6/14结构的双凸极永磁电机而言，定子铁芯凸极1弧长49°，转子铁芯凸极6弧长10°为较合适的选择，电机的性能较佳。
图10中，由于双凸极永磁电机的电感较小，所以分析磁场时应忽略电枢反应影响。并且规定电机的转向为逆时针方向，当转子位于10a位置的时刻，此时为电机的平衡位置，转子齿的中心线与定子齿中心线相重合，永磁体3磁链仅仅通过定子铁芯凸极1和转子铁芯凸极6闭合，没有磁通与A相绕组相交链。随着转子的旋转，A相绕组交链的磁通逐渐增加，当达到图10b的所示位置，旋转过1/2永磁体3弧长，即2个转子齿的中心线分别与其对应的永磁体3中心线相重合，此时，A相绕组所交链的磁通达到最大值，A相绕组的感应电动势为零。转子继续逆时针旋转，A相绕组磁链开始减小，当转子又转过1/2永磁体弧长，到达10c位置的时刻，A相绕组所交链的磁通减小到零，这是电机第二次到达平衡位置。转子再逆时针转过1/2永磁体弧长到达10d的位置，此时A相磁链达到反向最大值，感应电动势变为零。转子继续旋转1/2永磁体3弧长，到达图10a的位置，重复下一个循环。所以6/14极双凸极永磁电机转子转过1个转子铁芯凸极6齿距的过程中，电机每相绕组所交链的磁通和感应电动势呈双极性变化一个周期。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (3)
1.一种新型双凸极永磁直驱风力发电机，其特征是，该发电机为6/14极双凸极永磁电机，即包括14个转子铁芯凸极和6个定子铁芯凸极，六个定子铁芯凸极上面分别设置有集中绕组，彼此位置相对的两个集中绕组串联构成一相，六个定子铁芯凸极极靴端面上分别设置有永磁体；相邻定子铁芯凸极上的相邻永磁体极性相同，每个定子铁芯凸极弧长为49，设在定子铁芯凸极上的每个永磁体弧长为12°，设在电机轴上的转子铁芯凸极弧长为10°，转子斜槽角度为7°～9°。
2.如权利要求书1所述的一种新型双凸极永磁直驱风力发电机，其特征是，所述转子斜槽角度为8.57°。
3.如权利要求书1所述的一种新型双凸极永磁直驱风力发电机，其特征是，每个定子铁芯凸极上，所述的永磁体为两对极性交错排列的厚度为2.5mm的钕铁硼磁铁。
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