轴向磁通单齿绕集中绕组多转矩双转子低速直驱发电机

1.本发明属于风力永磁发电机领域，涉及一种轴向磁通单齿绕集中绕组多转矩双转子低速直驱发电机。


背景技术：

2.随着全球气候变暖带来的问题日趋严重，清洁能源的地位变得越来越重要。近年来，风力发电已经成为世界上增长最快的电力能源。风力发电分为陆上风力发电和海上风力发电2种，由于陆上风力资源和土地资源有限，海上风力资源更加丰富稳定，海上风力发电的规模越来越大。近些年，随着海上风力发电不断发展，海上风机的离岸距离也越来越远，传统的输电方式已经不能满足要求。王锡凡院士提出的分频输电系统，可以通过降低输电频率从而适应远距离海上输电，更适合海上风力发电。
3.永磁直驱风力发电机无需齿轮箱等传动结构，机械结构简单，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。对于海上风电场而言，采用低速直驱永磁风力发电机组与分频输电系统相结合将更有优势。一般而言，直驱风力发电机的体积和重量大于普通永磁同步风力发电机。而分频输电系统使用电频率为50/3hz的交流电，小于常规的交流电频率50hz。电频率的降低将导致电机的体积进一步增大，给风力发电机的制造、运输、安装和维护带来新的挑战。
4.为此，研究适用于海上分频输电系统的大功率轻量化发电机，将有利于海上风电产业的发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种轴向磁通单齿绕集中绕组多转矩双转子低速直驱发电机，该发电机具有大功率及轻量化的特点。
6.为达到上述目的，本发明所述的轴向磁通单齿绕集中绕组多转矩双转子低速直驱发电机包括定子、第一转子及第二转子，其中，定子位于第一转子与第二转子之间，第一转子与第二转子的结构相同，且第一转子与第二转子关于定子对称且同轴安装，定子与第一转子及第二转子之间均具有气隙。
7.第一转子上正对定子的面上沿周向均匀设置有若干第一转子铁心，相邻第一转子铁心之间形成第一转子单元扇形槽，第二转子上正对定子的面上沿周向均匀设置有若干第二转子铁心，其中，相邻第二转子铁心之间形成第二转子单元扇形槽，其中，各第一转子单元扇形槽内均设置有第一转子永磁体，各第二转子单元扇形槽内均设置有第二转子永磁体。
8.定子为圆环形结构，定子包括定子齿、定子电枢绕组、定子下层halbach永磁阵列及定子上层halbach永磁阵列，定子齿沿圆周方向均匀布置，相邻定子齿之间形成定子单元平行槽；定子电枢绕组采用单齿绕集中绕组结构缠绕于定子齿上；定子下层halbach永磁阵列及定子上层halbach永磁阵列以定子的轴心为中心，均布于定子单元平行槽两侧的槽口
位置处，且位于定子电枢绕组两侧。
9.定子下层halbach永磁阵列及定子上层halbach永磁阵列均包括依次分布的第一定子永磁体、第二定子永磁体及第三定子永磁体。
10.第二定子永磁体的充磁方向为沿轴向方向充磁。
11.第二定子永磁体的极性与第二转子永磁体的极性相同。
12.第一定子永磁体与第三定子永磁体的充磁方向均为沿圆周方向径向充磁，且充磁方向相向。
13.第一转子永磁体及第二转子永磁体均沿轴向方向充磁，且极性相同，且第一转子永磁体与第一转子铁心的转子齿构成交替极结构，第二转子永磁体与第二转子铁心的转子齿构成交替极结构。
14.所述第一转子单元扇形槽的数目及第二转子单元扇形槽的数目均为定子电枢绕组的极对数的一半。
15.本发明具有以下有益效果：
16.本发明所述的轴向磁通单齿绕集中绕组多转矩双转子低速直驱发电机在具体操作时，采用轴向磁通双转子结构，采用磁场调制原理，转矩密度高，电机采用轴向磁通结构，定转子之间工作气隙面积大，有助于产生大的电磁转矩，电机采用双转子结构，通过巧妙的磁路设计省去定子的轭部，进一步提高电机的转矩密度，满足大功率及轻量化的要求。
17.进一步，定子齿之间和转子铁芯凹槽中均设置有永磁体，定子电枢绕组通入三相交流电，正常工作时，定子永磁体和转子永磁体同时提供机械输出转矩并叠加，进一步提高转矩密度。
附图说明
18.图1为本发明的整体结构示意图；
19.图2为本发明的整体结构瀑布图；
20.图3为本发明的局部结构瀑布图；
21.图4为本发明的转子局部结构分解图；
22.图5为本发明的定子局部结构分解图；
23.图6为本发明的单元定子永磁体结构示意图；
24.图7为本发明的永磁体磁化方向示意图。
25.其中，1为第一转子、2为定子、3为第二转子、4为第一转子铁心、5为第一转子永磁体、6为第二转子铁心、7为第二转子永磁体、8为定子齿、9为定子电枢绕组、10为定子下层halbach永磁阵列、10-1为第一定子永磁体、10-2为第二定子永磁体、10-3为第三定子永磁体、11为定子上层halbach永磁阵列。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
27.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
28.参考图1至图6，本发明所述的轴向磁通单齿绕集中绕组多转矩双转子低速直驱发电机包括定子2、第一转子1及第二转子3，其中，定子2位于第一转子1与第二转子3之间，第一转子1与第二转子3的结构相同，且第一转子1与第二转子3关于定子2对称同轴安装，定子2与第一转子1及第二转子3之间均具有气隙。
29.第一转子11上正对定子2的面上沿周向均匀设置有若干第一转子铁心4，相邻第一转子铁心4之间形成第一转子单元扇形槽，第二转子3上正对定子2的面上沿周向均匀设置有若干第二转子铁心6，其中，相邻第二转子铁心6之间形成第二转子单元扇形槽，其中，各第一转子单元扇形槽内均设置有第一转子永磁体5，各第二转子单元扇形槽内均设置有第二转子永磁体7，其中，所述第一转子单元扇形槽的数目及第二转子单元扇形槽的数目均为定子电枢绕组9的极对数的一半；
30.定子2为圆环形结构，定子2包括定子齿8、定子电枢绕组9、定子下层halbach永磁阵列10及定子上层halbach永磁阵列11，定子齿8沿圆周方向均匀布置，相邻定子齿8之间形成定子单元平行槽；定子电枢绕组9采用单齿绕集中绕组结构缠绕于定子齿8上；定子下层halbach永磁阵列10及定子上层halbach永磁阵列11以定子2的轴心为中心，均布于定子单元平行槽两侧的槽口位置处，且位于定子电枢绕组9两侧；
31.定子下层halbach永磁阵列10及定子上层halbach永磁阵列11均包括依次分布的第一定子永磁体10-1、第二定子永磁体10-2及第三定子永磁体10-3。
32.如图7所示，实线箭头表示定子永磁体和转子永磁体的充磁方向，第一转子永磁体5及第二转子永磁体7均沿轴向方向充磁，且极性相同，且第一转子永磁体5与第一转子铁心4的转子齿构成交替极结构，第二转子永磁体7与第二转子铁心6的转子齿构成交替极结构。
33.定子永磁体的充磁方向以定子下层halbach永磁阵列10为例，其中第二定子永磁体10-2的充磁方向为沿轴向方向充磁，且第二定子永磁体10-2的极性与第二转子永磁体7的极性相同；第一定子永磁体10-1与第三定子永磁体10-3的充磁方向均为沿圆周方向径向充磁，且充磁方向相向，充磁角度θ位于0至90度之间。
34.定子电枢绕组9的极对数为p
sac
，通入三相对称交流电后，形成极对数为p
sac
的定子主旋转磁势，与一个转子上永磁体产生的未经调制的旋转磁场极对数p
rf
相同，即满足下述关系，两者相互作用产生常规转矩分量tc；
35.p
sac
＝p
rf
36.定子电枢绕组9通入三相对称交流电后，形成磁极对数为p
sah
的谐波旋转磁势，当一个转子上永磁体的极对数p
rf
及定子齿8数ns满足下述关系时，转子永磁体产生的磁场经过定子齿8所形成的磁导波进行磁场调制后，则会产生转子永磁体磁场调制分量，该调制分量和定子电枢绕组9产生的对应谐波旋转磁势分量相互作用产生调制转矩分量t
m1
。
37.p
sah
＝|ip
rf
±
jns|
38.其中，i及j为整数。
39.当定子永磁体的磁极对数p
sf
、一个转子的齿数nr满足下述公式时，定子永磁体产生的磁场经过转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，会产生定子永磁体磁场调制分量，该调制分量与定子电枢绕组9产生的对应谐波旋转磁势分量相互作用产生调制转矩分量t
m2
。
40.p
sah
＝|kp
sf
±
lnr|
41.其中，k及l为整数。
42.以上分析表明，当电机参数选择合适，将会产生三部分转矩，一是转子永磁体未经调制产生的旋转磁场与定子电枢绕组9交流量产生的主旋转磁场相互作用产生转矩；二是转子永磁体通过定子齿8调制成的旋转磁场与定子电枢绕组9交流分量产生的谐波旋转磁场相互作用产生转矩；三是定子永磁体经过转子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组9交流分量产生的谐波旋转磁场相互作用产生转矩，当三部分转矩作用于转子的方向相同时，则合成的电磁转矩最大，其中，例如满足上述三个关系的定子2、一个转子的槽数和极对数配合如表1所示。
43.表1
[0044][0045]
所述电机由10个单元电机组成，单元电机同样满足上述所有关系，其单元电机(1/10模型)的定子2、一个转子的槽数和极对数配合关系如表2所示。
[0046]
表2
[0047][0048]
所述定子槽数ns及一个转子的槽数nr满足：
[0049]ns
＝k1ms[0050]
nr＝p
rf
[0051]
其中，k1为整数，ms为定子电枢绕组9交流相数。
[0052]
而其它满足上述五个公式的所有槽极配合且符合本发明所述原理的，都属于本专利的保护范围内，此处不在列出。此外，本专利以轴向磁通电机模型为例，符合本专利所述原理的包括但不限于径向磁场电机、直线电机，都属于本专利的保护范围内。
[0053]
实施例一
[0054]
参考图3，本电机的单元电机定、转子槽数为12/7槽，定子电枢绕组9通入交流后产生7对极的主旋转磁动势，以及5对极、17对极、19对极等谐波旋转磁动势。一个转子上的转子永磁体未经调制产生7对极的旋转磁场，与定子电枢绕组9产生的主旋转磁场相耦合，产
生第一部分转矩分量；转子永磁体通过定子齿8部调制形成5对极、19对极旋转磁场，与定子电枢绕组9产生的5对极、19对极谐波旋转磁场相耦合，产生第二部分转矩分量；定子2一侧的永磁体磁极对数为12对极，经过转子齿部调制形成5对极、19对极旋转磁场，与定子电枢绕组9产生的5对极、19对极谐波旋转磁场相耦合，产生第三部分转矩分量；当三部分转矩作用于转子的方向相同时，合成的电磁转矩最大。
[0055]
本发明通过对电机结构改进，采用定转子双永磁、双转子、轴向磁通结构，能够产生多重电磁转矩，且通过巧妙的磁路设计，省去了定子2轭部，实现了电机高转矩密度，有助于减小电机体积，从而实现风力发电机组的轻量化。
[0056]
需要说明的是，本发明重点侧重于电机的电磁结构，有关本发明中电机的机械结构及冷却结构，不在本发明中做详细介绍。
[0057]
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。
[0058]
本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。