一种10MW级外转子分瓣式多相永磁直驱风力发电机的制作方法

本发明涉及一种永磁直驱风力发电机，特别是涉及一种10mw外转子多相永磁直驱风力发电机。

背景技术：

风能是可持续再生的环保能源，并且风力发电的运营成本和日常维护费用都很低，大力发展风力发电为开发利用可再生能源扩展了能源的获得途径，可以从根本上解决能源短缺的问题，缓解环境污染的压力，是一种可持续的发展方式。永磁直驱风力发电机去掉了齿轮箱等传动结构，大大提高了可靠性，减小了维护成本，具有效率高、可靠性强、维护方便、对电网冲击小以及控制简单等突出优点，因而在风电市场中占据了重要地位。

近年来，永磁直驱风机迅速发展，单机容量不断提升。永磁直驱风机的大型化对传统电机的设计和制造等技术提出了更高的要求和挑战，并引起了国内外的公司厂商和学者的高度重视。随着风力发电机功率的增大，发电机的体积、重量也相应增大，使得大功率风力发电机普遍存在运输、吊装以及维护上的困难。

大功率风力发电机对电机的绝缘要求比较高，温度过高时会对电机绕组的绝缘层造成损坏；另外，永磁体在高温环境下容易失磁，因此电机的冷却也是一个亟需解决的问题。

技术实现要素：

发明目的：

本发明提供一种10mw外转子多相永磁直驱风力发电机，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种10mw级外转子分瓣式多相永磁直驱风力发电机，转子设置在定子外；

在转子的内侧设置永磁体；定子由两个以上的定子瓣组合而成，六相绕组线圈设置在定子瓣上。(定子为分瓣设计，分为12瓣。转子不分瓣，为整体，只是每极永磁体分为2块)

定子瓣(内侧)的两端分别设置有卡位和卡接处；多个定子瓣组合成定子时，相邻的定子瓣之间通过卡位和卡接处连接(卡接处搭接卡位并可采用导磁性较好的铆钉进行铆接)。

定子瓣上与转子对应的一边设置有定子齿，定子齿之间形成容纳六相绕组线圈的定子槽。

定子瓣的内侧设置有用于容纳冷却管的冷却槽。

所述的六相铜绕组为单层绕组，符合六相双y移30°(半对称)，由两套相位差为30°电角度的对称三相绕组构成。

永磁体沿转子内侧的圆周布置，一极永磁体包含两块同极性永磁体，相邻的两极永磁体磁性相反。

定子由12瓣的定子瓣构成。

所述的转子共有132极永磁体，将每极永磁体沿圆周向分为大小相同的两块，因此转子上共有264块永磁体。

所述的定子分为完全相同的12个定子瓣，每个定子瓣上有36个齿。

六相铜绕组中：

电机定子绕组槽数q＝432，转子极对数p＝66，相数m＝6，每极每相槽数

采用分数槽设计，计算出单元电机数t为槽数q与极对数p的最大公约数，因此t＝6，单元电机槽数q’＝q/t＝72，单元电机极对数p’＝p/t＝11。每个单元电机定子又分为槽数相等的2瓣，每瓣包含36个定子齿；

电机槽距电角

绕组采用短距线圈，节距y＝3，每个线圈的两个线圈边的电角度差为yα1＝165°

线圈的两个线圈边的电角度差小于180°，实现短距绕组设计。

优点效果：

本发明可通过以下技术方案实现。10mw外转子多相永磁直驱风力发电机，其特征在于，包括定子、转子、六相铜绕组、永磁体。所述的转子位于电机外部，包括钕铁硼永磁体和转子硅钢片，所述的定子可分为完全相同的12瓣，所述的六相铜绕组位于定子上，所述的钕铁硼永磁体位于转子内侧。

所述的转子共有132极，将每级永磁体沿圆周向分为大小相同的两块，因此转子上共有264块永磁体。所述的钕铁硼永磁体的型号为40sh，共264块。所述的定子包括由数片冲片叠压而成的铁芯，所述的冲片上均匀开设有432个定子槽。所述的定子可分为完全相同的12个定子瓣。每个定子瓣上有36个齿，在定子瓣的内侧开设有卡接处和卡位。

所述的六相铜绕组为单层绕组，符合六相双y移30°(半对称)，由两套相位差为30°电角度的对称三相绕组构成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、可靠性高，故障率低，设备利用率高：

发电机结构简单，风轮直接驱动发电机，无齿轮箱，也无双馈机的滑环等，所以齿轮箱和转子滑环等引起的故障问题得到了彻底解决。

(2)、便于运输、吊装及维护：

大功率级别的风力发电机普遍存在运输、吊装及维护方面的难题，本发明采用定子分瓣设计，可将各定子瓣单独进行运输、吊装，定子发生故障时也可以单独拆卸故障部分定子瓣进行维护，这是一项很大的优势。

(3)、转矩脉动小：

本发明采用的电机绕组为分数槽绕组，大大降低了齿槽转矩，并减小了空载反电势的谐波分量。

(4)、永磁体散热效果好：

本发明采用永磁体圆周向分段设计，每极下永磁体设计为两块，可有效减小永磁体内的涡流损耗，减小了涡流损耗产生的热量，降低了永磁体因高温而退磁的风险。

(5)、发电机冷却系统效果明显：

大功率风力发电机的冷却是很重要的一个问题。本发明在定子内侧开设若干矩形孔，孔内设有冷却管，管内通有冷却液，这种设计可以直接用冷却液带走定子上的热量，冷却效果大大提升。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的永磁体排列示意图；

图3为本发明的单个定子瓣示意图；

图4为本发明的定子瓣拼接示意图；

图5为本发明的6相绕组展开图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示，一种10mw永磁直驱风力发电机，包括定子1、转子2以及六相绕组3，所述的定子1包括定子铁芯10和冷却管11，所述的转子2位于定子1外部，所述的转子2包括转子铁芯20和钕铁硼永磁体21，所述的永磁体21固定于转子铁芯20的内侧，所述的定子1绕设有六相绕组线圈3；所述的定子铁芯10分为完全相同的12个定子瓣101，所述每个定子瓣101上均匀设有36个定子齿1010、6个冷却槽1011、1个卡位1012和1个卡接处1013。所述的冷却管槽1011内设有冷却管11。

一种10mw级外转子分瓣式多相永磁直驱风力发电机，其特征在于：转子2设置在定子1外；

在转子2的内侧设置永磁体21；定子1由两个以上的定子瓣101组合而成，六相绕组线圈3设置在定子瓣101上。(定子为分瓣设计，分为12瓣。转子不分瓣，为整体，只是每极永磁体分为2块)

定子瓣101(内侧)的两端分别设置有卡位1012和卡接处1013；多个定子瓣101组合成定子时，相邻的定子瓣101之间通过卡位1012和卡接处1013连接(卡接处1013搭接卡位1012并可采用导磁性较好的铆钉进行铆接)。

定子瓣101上与转子2对应的一边设置有定子齿1010，定子齿1010之间形成容纳六相绕组线圈3的定子槽。

定子瓣101的内侧设置有用于容纳冷却管11的冷却槽1011。

所述的六相铜绕组为单层绕组，符合六相双y移30°(半对称)，由两套相位差为30°电角度的对称三相绕组构成。

永磁体21沿转子2内侧的圆周布置，一极永磁体包含两块同极性永磁体，相邻的两极永磁体磁性相反。

定子1由12瓣的定子瓣101构成。

所述的转子共有132极永磁体，将每极永磁体沿圆周向分为大小相同的两块，因此转子上共有264块永磁体。

所述的定子分为完全相同的12个定子瓣，每个定子瓣上有36个齿。

分瓣绕组设计分析

多相永磁同步发电机除了增加转矩脉动频率、降低转矩脉动幅值之外，还因为相数的增加提高了整个系统的输出功率，对电力电子功率器件的容量要求也降低了。此外，增加相数还有利于提高低速区的调速特性。容错性能好也是这类电机的一个特点，当多相中的一相或几相发生故障时，通过适当的控制，电机仍可以降功率启动和运行。因此，在永磁直驱发电机中采用六相双y移30°(半对称)的绕组具有很大优势。

电机定子绕组槽数q＝432，转子极对数p＝66，相数m＝6，每极每相槽数

由于采用分数槽设计，因此可计算出单元电机数t为槽数q与极对数p的最大公约数，因此t＝6，单元电机槽数q’＝q/t＝72，单元电机极对数p’＝p/t＝11。每个单元电机定子又可分为槽数相等的2瓣，每瓣包含36个定子齿。

电机槽距电角

绕组采用短距线圈，节距y＝3，每个线圈的两个线圈边的电角度差为yα1＝165°

线圈的两个线圈边的电角度差小于180°，可以实现短距绕组设计，不仅缩短了线圈端部长度，节省了铜，还能消除谐波。

本发明的主要结构特点：

(1)采用外转子设计

发电机转子位于定子外部，利于转子散热；永磁体沿圆周径向安放在转子内壁，电机转动时，受离心力的作用，永磁体可牢固地与转子相结合，省去内转子永磁风力发电机所必须的转子加固措施，提高电机运行性能；外转子相比内转子结构更容易多磁极安装，定子体积缩小，在保证高效率的同时，降低成本；外转子更容易和原动机械集成一体，叶片直接安装在电机外壳上，电机和风轮叶片之间无需其他传动装置，充分提高风力利用率；外转子永磁风力发电机转子的转动惯量大，有利于提高发电机组平抑风力起伏引起的电动势波动，克服风速波动对电机运行的影响。

(2)永磁体圆周向分段

每极下永磁体设计为两块，可有效减小永磁体内的涡流损耗，减小了涡流损耗产生的热量，降低了永磁体因高温而退磁的风险。

(3)定子分瓣设计

发电机的定子分为完全相同的12瓣，可将各定子瓣单独进行运输、吊装，定子发生故障时也可以单独拆卸故障部分定子瓣进行维护。

(4)在定子上敷设冷却管

在定子内侧开设若干矩形孔，孔内设有冷却管，管内通有冷却液，这种设计可以直接用冷却液带走定子上的热量，冷却效果大大提升。

综上，本发明涉及新型模块化多相海上直驱10mw永磁直驱风力发电机设计，与常规直驱型发电机相比，该电机方案主要针对大型海上直驱风力发电机体积大、维护难的问题，提出了多相绕组及定子模块化方案设计，从而有效降低设计重量及维护成本。与现有技术相比，本发明可靠性高、发电功率大、便于运输及维护，可适用于功率达到10mw级别的风电机组。