直驅型永磁風力發電機的製作方法

2023-05-10 05:28:36 2

專利名稱：直驅型永磁風力發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種大容量直接驅動型多層定轉子永磁風力發電機，屬於發電機製造的技術領域。
背景技術：
風能作為一種潔淨的可再生能源，隨著技術逐步成熟，今後的運行成本會低於水電和火電，發展前景非常廣闊。風力發電機是風能開發中至關重要的核心環節。大型風輪機的轉速低至幾十轉甚至十幾轉，所以不得不藉助於升速齒輪箱，才能通過普通轉速的發電機發出工頻的交流電。由於風機安裝在野外高空幾十米處，經受酷暑嚴冬，環境條件苛刻，升速齒輪箱工況嚴酷、造價高昂、維護保養工作量大，是目前MW級風力發電機組中過載和過早損壞率較高的部件，成為制約風力發電經濟性的瓶頸。為此，各國瞄準無齒輪箱的多極風力發電機，加以開發研究，無齒輪箱的多極風力發電機成為當今發電領域的首選最新尖端技術。
風力發電機的低速運行特性，要求發電機組採取多極的特殊結構，極組需要在發電機的圓周展開，發電機直徑增大。而盤式永磁發電機由於定子空間有限，定子利用率低，限制了其在低速大型風力發電機中的應用。因此，對於大型直驅型風力發電機還需要研究新的電機結構以獲得較高的輸出電壓，較低的輸出電流，提高發電機運行效率。

發明內容
技術問題本實用新型所要解決的技術問題是提供一種定子空間大、低速高輸出電壓、低輸出電流、效率較高的大容量直驅動型永磁風力發電機。
技術方案傳統的發電機由於直徑較小，電機內部空間小，電機空間利用率不高，從而限制了電機輸出電壓。為了在低速轉動時獲得較高的輸出電壓，本發明採用了特殊的電機結構，即在較大的發電機機體空間內根據實際應用需要設置多層定子和轉子，定子和普通電機定子結構類似，定子繞組串聯供電。
本實用新型的大容量直驅型多層定轉子永磁風力發電機由多層定子和對應的多層轉子構成，其中，每層定子的層外定子和層內定子分別位於定子支撐環的兩側，多層定子支撐環分別固定在定子固定支架上；每層轉子的轉子鐵心環外壁永磁體和轉子鐵心環內壁永磁體分別位於轉子鐵心環的兩側，轉子鐵心環固定在轉子固定支架上；轉子固定支架的中心固定在轉軸上，轉軸的一端通過軸承與定子固定支架相連接，極性相異的轉子鐵心環外壁永磁體和轉子鐵心環內壁永磁體交錯排列分布在各層轉子鐵心環的內外壁上。各層定子電樞繞組互相串聯，即從最外層定子開始，外層定子每相電樞繞組和相鄰的內層定子對應相電樞繞組首尾互相串聯連接。通過在轉子鐵心環內外壁上粘貼永磁體，內外壁上極性相異且交錯排列的永磁體所形成的磁場通過相鄰的層外定子、層內定子和轉子鐵心環形成串聯磁路。所述的轉子鐵心環外壁永磁體和轉子鐵心環內壁永磁體採用釹鐵硼永磁材料製成。
各層定子固定在電機端蓋一側的定子固定支架上，轉子固定在電機端蓋另一側的轉子固定支架上。假設電機最外層定子為第一層定子，則奇數層定子齒向內，與傳統外定子相似，簡稱為層外定子；偶數層定子齒向外，與傳統電機內定子相似，簡稱為層內定子。每層轉子由轉子鐵心環、貼在轉子鐵心環外壁上的轉子鐵心環外壁永磁體和貼在轉子鐵心環內壁上的轉子鐵心環內壁永磁體構成。轉子鐵心環通過轉子固定支架固定並和轉子固定支架連接為一個整體，並在轉子鐵心環內外壁兩側粘貼極性相異且交錯排列的轉子鐵心環外壁永磁體和轉子鐵心環內壁永磁體。
假設N為自然數，則第N層轉子所對應的定子分別為第2N-1層定子(即層外定子和第2N層定子(即層內定子)。第N層轉子對於第2N-1層定子為內轉子，而對於第2N層定子則為外轉子。故每一層轉子可視為相鄰層定子，即層外定子和層內定子共用的轉子。層外定子和層內定子分別和相應層的轉子鐵心環外壁永磁體和轉子鐵心環內壁永磁體對應。
通過在轉子鐵心環內外壁上粘貼永磁體，內外壁上極性相異且交錯排列的永磁體所形成的磁場通過相鄰的層外定子、層內定子和轉子鐵心環等形成串聯磁路，如附圖2所示。
有益效果由於各層定子電樞繞組串聯連接，可獲得比普通單定子轉子發電機更高的輸出電壓，從而可降低輸出電流，減小電樞繞組線徑，減少電機損耗，提高電機效率。此外，由於電機定子槽深減小，可減少電機定子漏抗，提高氣隙磁密，從而提高電機的功率密度。
和普通單定子轉子電機相比，由於採用此特殊電機結構，在相同直徑情況下，電機可獲得較大的輸出電壓；而在相同輸出電壓的情況下，通過各層定子電樞繞組串聯可縮小電機直徑，從而可減小機組的重量和體積，改善風動力特性，獲得更多的風能。
由於發電機實現了直接驅動發電，免去了價格高昂且效率較低的升速齒輪箱，電機定子空間大，利用率高，在低速時可獲得較大的輸出電壓。具有無需機械變速，低速高效，結構合理，空間利用率高，製造成本低、電機部件更趨向普通電機的特點。


圖1是本實用新型大容量直驅型永磁風力發電機剖面示意圖；圖2是本實用新型發電機內層定子轉子磁路示意圖；以上的圖中有層外定子1，層內定子2，轉子鐵心環3，轉子鐵心環外壁永磁體4，轉子鐵心環內壁永磁體5，定子固定支架6，轉子固定支架7，轉軸8，軸承9，定子支撐環10。
具體實施方式
本實用新型採用了特殊的電機結構，即在較大的發電機機體空間內根據實際應用需要設置多層定子和轉子，定子和普通外轉子內轉子電機的定子結構類似。各層定子固定在電機端蓋一側的定子固定支架6上，轉子固定在電機端蓋另一側的轉子固定支架7上。假設電機最外層定子為第一層定子，則奇數層定子齒向內，與傳統外定子相似，簡稱為層外定子1；偶數層定子齒向外，與傳統電機內定子相似，簡稱為層內定子2。每層轉子由轉子鐵心環3以及貼在轉子鐵心環3外壁上的轉子鐵心環外壁永磁體4和貼在轉子鐵心環3內壁上的轉子鐵心環內壁永磁體5構成。
假設N為自然數，則第N層轉子所對應的定子分別為第2N-1層定子(即層外定子1)和第2N層定子(即層內定子2)。第N層轉子對於第2N-1層定子為內轉子，而對於第2N層定子則為外轉子。故每一層轉子可視為相鄰層定子，即層外定子1和層內定子2共同的轉子。層外定子1和層內定子2分別和相應層的轉子鐵心環外壁永磁體4和轉子鐵心環內壁永磁體5對應。
通過在轉子鐵心環3內外壁上粘貼永磁體，內外壁上極性相異且交錯排列的永磁體所形成的磁場通過相鄰的層外定子1、層內定子2和轉子鐵心環3等形成串聯磁路，如附圖2所示。該磁通路徑為轉子鐵心環外壁永磁體4、層外定子1、相鄰的轉子鐵心環外壁永磁體4、轉子鐵心環3、轉子鐵心環內壁永磁體5、層內定子2、相鄰的轉子鐵心環內壁永磁體5、轉子鐵心環3，最後回到轉子鐵心環外壁永磁體4。
此外，從提高電機氣隙磁密和磁鋼的熱穩定性考慮，選擇具有較高內稟矯頑力的釹鐵硼永磁材料作為電機轉子鐵心環外壁永磁體4和轉子鐵心環內壁永磁體5的材料。
各層定子電樞繞組串聯連接，即從最外層定子開始，外層定子每相電樞繞組和相鄰的內層定子對應相電樞繞組首尾互相串聯連接，從而可獲得比傳統發電機更高的輸出電壓。最後，使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電變換為工頻電送入電網。
權利要求1.一種直驅型永磁風力發電機，其特徵在於該發電機由多層定子和對應的多層轉子構成，其中，每層定子的層外定子(1)和層內定子(2)分別位於定子支撐環(10)的兩側，多層定子支撐環(10)分別固定在定子固定支架(6)上；每層轉子的轉子鐵心環外壁永磁體(4)和轉子鐵心環內壁永磁體(5)分別位於轉子鐵心環(3)的兩側，轉子鐵心環(3)固定在轉子固定支架(7)上；轉子固定支架(7)的中心固定在轉軸(8)上，轉軸(8)的一端通過軸承(9)與定子固定支架(6)相連接，極性相異的轉子鐵心環外壁永磁體(4)和轉子鐵心環內壁永磁體(5)交錯排列分布在各層轉子鐵心環(3)的內外壁上。
2.根據權利要求1所述的直驅型永磁風力發電機，其特徵在於各層定子電樞繞組互相串聯，即從最外層定子開始，外層定子每相電樞繞組和相鄰的內層定子對應相電樞繞組首尾互相串聯連接。
3.根據權利要求1所述的直驅型永磁風力發電機，其特徵在於通過在轉子鐵心環(3)內外壁上粘貼永磁體，內外壁上極性相異且交錯排列的永磁體所形成的磁場通過相鄰的層外定子(1)、層內定子(2)和轉子鐵心環(3)形成串聯磁路。
4.根據權利要求1所述的直驅型永磁風力發電機，其特徵在於所述的轉子鐵心環外壁永磁體(4)和轉子鐵心環內壁永磁體(5)採用釹鐵硼永磁材料製成。
專利摘要直驅動型永磁風力發電機由多層定子和對應的多層轉子構成，其中，每層定子的層外定子(1)和層內定子(2)分別位於定子支撐環(10)的兩側，多層定子支撐環分別固定在定子固定支架(6)上；每層轉子的轉子鐵心環外壁永磁體(4)和轉子鐵心環內壁永磁體(5)分別位於轉子鐵心環(3)的兩側，轉子鐵心環固定在轉子固定支架(7)上；轉子固定支架的中心固定在轉軸(8)上，轉軸的一端通過軸承(9)與定子固定支架(6)相連接，極性相異的轉子鐵心環外壁永磁體(4)和轉子鐵心環內壁永磁體(5)交錯排列分布在各層轉子鐵心環(3)的內外壁上。該電機取消了齒輪箱，提高了輸出電壓和系統效率，節省了系統總體成本。
文檔編號H02K1/27GK2865122SQ20062006862
公開日2007年1月31日 申請日期2006年1月20日 優先權日2006年1月20日
發明者林鶴雲, 劉細平, 楊成峰 申請人:東南大學