专利名称：一种轴向主磁路结构永磁风力发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于外传子稀土永磁风力发电机技术领域，涉及一种垂直轴风力发电机风轮同轴的直接驱动式轴向主磁路结构永磁风力发电装置。
背景技术：
风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，储量十分丰富，已逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。近年来，风力发电在世界的能源总量中所占的比例逐渐提高，风电已经成为世界上发展最快、最具发展前景的能源开发方式。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的消耗、减少温室气体排放、保护环境。升阻融合翼板型垂直轴风轮(申请号201010572822. 9，公布号CN102022259)融合了风能利用的阻力和升力特性，具有启动风速低、速度提升快、风能利用率高、成本低廉和运行可靠等优点，将为风能利用提供成本低廉的垂直轴风力发电风轮。目前，传统的永磁风力发电机组在定子与转子之间大多数采用在转动的切向相间排列永磁铁的结构，使发电机的整体启动磁阻力矩较大，风能转换率降低，使得微风能源不能发电做功。
实用新型内容本实用新型目的在于提供垂直轴风轮同轴直接驱动式的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，用以解决现有的永磁风力发电机的整体启动磁阻力矩较大，风能转换率降低，使得微风能源不能发电做功的问题。为实现上述目的，本实用新型的方案是一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，所述发电机为外转子垂直轴风力发电机，在风轮下部水平设有环形双层盖板，两层盖板之间设有外转子组件，外转子组件包括垂直固定在两层盖板之间的外转子壳体，所述外转子壳体内侧周向均勻分布有η个永磁体单元，永磁体单元的垂直旋转方向的截面为“[”型，“[” 型永磁体单元底部固定在外转子壳体内侧，“[”型永磁体单元两端部分别为N极与S极，相邻的两个“[”型永磁体单元NS极性反向排布；所述垂直轴上通过轮毂铸件固定有定子组件，所述定子组件包括在轮毂铸件外侧周向均布的m个磁感应元件，磁感应元件的垂直旋转方向的截面为C型，磁感应元件底部固定在轮毂铸件外侧，磁感应元件的两端臂上均穿设有线圈，磁感应元件两端部与所述“[”型永磁体单元的两端部在对应位置相对设置，其中 η > m，且η禾口 m互为素数。所述“[”型永磁体单元粘接在外转子壳体内侧的安装槽中，所述外转子壳体由隔磁材料构成。所述“[”型永磁体单元由底部的导磁条与两端部的永磁体块构成，永磁体块粘接在导磁条上。所述导磁条由电工纯钢制成。所述永磁体块由Nd-Fe-B稀土永磁体制成。[0010]所示磁感应元件采用硅钢制成。所述 n=80，m=19。所述环形双层盖板的上盖板与风轮之间通过法兰盘固定连接，上盖板与法兰之间通过螺栓固定。本实用新型的永磁风力发电机，磁感应强度和气隙之间呈现出的负斜率线形关系。这完全改变了磁感应强度与气隙之间关系传统的数学模型——负二次方函数，从而大大改善了发电机的气隙敏感性，使得永磁发电机的结构设计，工艺路线确定、加工制造等关键技术环节更加容易实现，同时大幅度降低发电机成本，便于工程实际推广应用。
图1为轴向主磁路发电机结构示意图；图2为发电机的轴剖面图；图3为垂直轴风力发电机装配整体外观图；图4为主磁路磁力线分布示意图；图5为对实施例的发电机进行试验的示意图；图6为磁感应强度和气隙之间的试验数据拟合曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。如图1、图2、图3所示的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，风轮30下部通过法兰盘1和发电机的上盖板2用螺栓3刚性固接，上盖板2与下盖板7之间固定有外转子壳体4，依靠内六角螺栓5来固定。外转子壳体4由隔磁材料锻压成型再在内部加工均布的 η个(试验测试用80)磁极安装槽，磁极安装槽的数目和发电机的磁极对数相同。永磁铁单元6通过渗透型厌氧胶粘接在外传子壳体4内部的安装槽中，永磁铁单元6的垂直于转动方向的截面为“[”型，永磁体单元6底部固定在外转子壳体4内侧，永磁体单元6两端部分别为N极与S极，永磁铁单元6按照SN极性上下间隔反向布排，排列顺序如图1所示，图1 为发电机沿平行旋转方向的剖面。上述永磁体单元6除了采用上述形状(槽钢形状)，还可以用C型或者U型。实验表明，“[”型效果更佳。对应外转子，发电机还包括内定子，内定子组件通过轮毂铸件8固定在垂直轴10 上，内定子组件包括均布在轮毂铸件8外侧的m个(试验测试用19)硅钢片构成的磁感应元件9，磁感应元件9的垂直转动方向截面是C型绕组线圈9-1套装在磁感应元件9的两臂， 磁感应元件9的底部硅钢单元9-2嵌入轮毂铸件8。其中n>m，且η和m互为素数。如图2所示，在外转子永磁体单元6与内定子磁感应元件9在对应的位置，它们的极性端两两相对，一对磁极的磁力线分布如图4所示。所以，本风轮发电机的主磁路结构是外转子的永磁铁单元和内定子的磁感应单元在发电机的主轴方向形成闭合主磁路，而在轴剖面的圆周上按SN极性间隔反向排列的气隙切线方向则成为漏磁方向(在垂直于垂直轴平面内)。漏磁方向的永磁体排列间隔是主磁路方向气隙的5倍以上，从而保证磁力线沿轴向主磁路方向的磁密强度。经试验测定(下文具体叙述)，其主磁方向的磁感应强度可达漏磁方向的磁感应强度的十倍左右。如图3所示的轴向主磁路结构永磁风力发电装置，风力驱动风轮30转动，与该风轮30固定在一起的发电机外转子随之旋转，与风轮垂直轴10固定在一起的发电机内定子和旋转的发电机外转子之间做切割磁力线运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，便产生了电流。绕组线圈9-1通过接线端子间隔引出一个电源负载，其它位置的线圈另外引出两个电源负载，以此构成三相交流电输出。进一步的，为了节省永磁材料，减轻永磁体重量，如图2、4所示，永磁铁单元6可以采用分体结构。即由矩形体电工纯钢6-l、S级磁钢6-2、N级磁钢6-3经渗透型厌氧胶粘接而构成“[”型永磁体单元。对本实施例的发电机进行测试，测试具体细节如下1，测试仪器CTS27型数字特斯拉计(霍尔探头最小厚度为0. 2mm)、塞尺。其中，高斯计用来测量主磁、漏磁方向的磁感应强度，塞尺用来测量主磁方向的气隙大小。2、测试步骤任意选取其中的一个定子(即上文所述的磁感应单元，如图5所示 9-2)，以该定子为基准，顺时针旋转测量每一个转子与该定子的气隙、主磁方向及漏磁方向的磁感应强度，并记录所测数据。具体测试位置如图5所示，X为漏磁方向测点，Y为漏磁方向测点。通过试验数据发现，主磁方向磁感应强度Hm与气隙δ之间存在线性关系，故选取下式Hm = A δ + B的一元线性回归分析数学模型来考察磁感应强度Hm与气隙δ的内在关系。如图6，将试验数据按照上式的数学模型进行最小二乘法数据拟合处理可得估算参数如下直线L斜率为A -300，截距为B 1300，而相关系数为0.9043。图6所示为磁感应强度和气隙之间的试验数据拟合曲线，其主磁方向磁感应强度Hm与气隙δ的试验数据之间通过最小二乘法数据拟合存在着线性关系，相关系数高达0. 9。试验结果显示， 当漏磁方向的永磁体排列间隔达到主磁路方向气隙20倍以后，主磁方向磁感应强度Hm与气隙S将不存在线性关系而退化为传统的数学模型。从图中可以看出，在本实施例的发电机中，磁感应强度和气隙之间呈现出的负斜率线形关系。这完全改变了磁感应强度与气隙之间关系传统的数学模型——负二次方函数，从而大大改善了发电机的气隙敏感性，使得永磁发电机的结构设计，工艺路线确定、加工制造等关键技术环节更加容易实现，同时大幅度降低发电机成本，便于工程实际推广应用。
权利要求1.一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，所述发电机为外转子垂直轴风力发电机，其特征在于，在风轮下部水平设有环形双层盖板，两层盖板之间设有外转子组件，外转子组件包括垂直固定在两层盖板之间的外转子壳体，所述外转子壳体内侧周向均勻分布有η个永磁体单元，永磁体单元的垂直旋转方向的截面为“[”型，“[”型永磁体单元底部固定在外转子壳体内侧，“[”型永磁体单元两端部分别为N极与S极，相邻的两个“[”型永磁体单元NS 极性反向排布；所述垂直轴上通过轮毂铸件固定有定子组件，所述定子组件包括在轮毂铸件外侧周向均布的m个磁感应元件，磁感应元件的垂直旋转方向的截面为C型，磁感应元件底部固定在轮毂铸件外侧，磁感应元件的两端臂上均穿设有线圈，磁感应元件两端部与所述“[”型永磁体单元的两端部在对应位置相对设置，其中η > m，且η和m互为素数。
2.根据权利要求1所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所述“[” 型永磁体单元粘接在外转子壳体内侧的安装槽中，所述外转子壳体由隔磁材料构成。
3.根据权利要求2所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所述“[” 型永磁体单元由底部的导磁条与两端部的永磁体块构成，永磁体块粘接在导磁条上。
4.根据权利要求3所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所述导磁条由电工纯钢制成。
5.根据权利要求3所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所述永磁体块由Nd-Fe-B稀土永磁体制成。
6.根据权利要求1所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所示磁感应元件采用硅钢制成。
7.根据权利要求1所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所述 n=80, m=19。
8.根据权利要求1所述的一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其特征在于，所述环形双层盖板的上盖板与风轮之间通过法兰盘固定连接，上盖板与法兰之间通过螺栓固定。
专利摘要本实用新型涉及一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，其风轮转动方向与风向平行，在风轮下部水平设有环形双层盖板，两层盖板之间设有外转子组件，外转子组件包括垂直固定在两层盖板之间的外转子壳体，所述外转子壳体内侧周向均匀分布有n个永磁体单元，永磁体单元的垂直旋转方向的截面为“［”型；定子组件包括在轮毂铸件外侧周向均布的m个磁感应元件，磁感应元件的垂直旋转方向的截面为C型。轴向主磁路结构和周向渗透粘接的交叉排列布局使得磁感应强度和气隙之间呈现出的负斜率线形关系，从而大大改善了发电机的气隙敏感性，使得永磁发电机的结构设计，更加容易实现，大幅度降低发电机成本，便于工程实际推广应用。
文档编号F03D3/06GK202167910SQ201120273589
公开日2012年3月14日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者侯书奇, 宋磊, 张春阳, 徐萧, 杨宗霄, 杨航航, 王隆彪 申请人:河南科技大学