專利名稱：磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的發(fā)電機(jī)，特別是一種高性能和直接驅(qū)動領(lǐng)域的磁通切換型混合 勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
能源危機(jī)的加劇，制約全球經(jīng)濟(jì)的提升，并威脅著人類社會可持續(xù)發(fā)展，大力開發(fā)利 用新能源和可再生能源己成為全球多數(shù)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。相比于其它形 式的可再生能源，風(fēng)能(Wind Power)成熟度最高，經(jīng)濟(jì)性最好。到2010年，全球風(fēng)電 裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)230GW，中國約10GW,發(fā)展勢頭迅猛，開發(fā)利用前景廣闊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Wind Generator)是風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵核心裝備，其電氣和機(jī)械性能的優(yōu)劣直接影響著風(fēng)電能量 轉(zhuǎn)換的效率以及系統(tǒng)的成本與可靠性。
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，中小功率的為兒十~幾百轉(zhuǎn)/分，MW級的只有十幾轉(zhuǎn)/分， 根據(jù)電機(jī)原理，要達(dá)到一定的功率，且要減小電機(jī)直徑、減輕其體積和重量，就必須顯著 增大電磁力。電磁力正比于磁通量和電流，傳統(tǒng)的徑向磁通和軸向磁通電機(jī)中，導(dǎo)向磁通 的鐵心和傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線處于同一平面內(nèi)，在電機(jī)直徑一定的情況下，增加鐵心面積和增 大導(dǎo)體截面積相互矛盾。幸運(yùn)的是，橫向磁通電機(jī)(Transverse Flux Motor-TFM)可以 解決這一問題，其電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，肉此可以根據(jù)需要獨(dú)立調(diào)整線圈 窗口和磁路尺寸來確定電機(jī)的電、磁負(fù)荷，從而可以獲得很高的轉(zhuǎn)矩密度。
近幾年雖然國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)對橫向磁通發(fā)電機(jī)進(jìn)行了人量的研究l:作，但是還存在一 些問題亟待改進(jìn)和解決?，F(xiàn)有的橫向磁通永磁電機(jī)，相鄰兩組轉(zhuǎn)子鐵心只對應(yīng)一組定子鐵 心，磁通的空間利用率偏低，繞組的有效長度比例不高，轉(zhuǎn)矩密度還有提高的空間。此外， 傳統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)氣隙磁場無法調(diào)節(jié)，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，電機(jī)輸出電壓不能方便的根據(jù) 風(fēng)速的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此將混合勵(lì)磁的方式引入永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以調(diào)節(jié)電機(jī)磁通、髙功率密度 和高轉(zhuǎn)矩密度的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
技術(shù)方案本發(fā)明的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，定子是由分布在轉(zhuǎn)子 周圍的若干定子鐵心、第一永磁體、第二永磁體、電樞繞組以及電勵(lì)磁繞組構(gòu)成；每個(gè)定 子鐵心呈U型，兩邊分別嵌入一塊永磁體即第一永磁體、第二永磁體，磁極方向相對， 定子中放置電樞繞組，在定子齒部放置電勵(lì)磁繞組，每相相鄰兩個(gè)定子鐵心的第一永磁體、 第二永磁體磁極反向相反；各轉(zhuǎn)子鐵心的尺寸相同，每相相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心左、右分別對齊間隔排列，轉(zhuǎn)子鐵心采用硅鋼片疊制，并安裝在非導(dǎo)磁材料圓筒上形成一個(gè)轉(zhuǎn)子整體， 并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，最后通過軸承與機(jī)殼相連。
各定子鐵心的尺寸相同，且采用硅鋼片疊制，并安裝在非導(dǎo)磁材料機(jī)殼套筒內(nèi)形成一 個(gè)定子整體。定子鐵心和轉(zhuǎn)亍鐵心有三組，在電機(jī)軸方向，并排二組定亍鐵心和二組轉(zhuǎn)于 鐵心，并使得每組定子鐵心相差120度電角度，或者使得每組轉(zhuǎn)子鐵心相差120度電角度， 構(gòu)成三相發(fā)電機(jī)。
定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心為極數(shù)2p的發(fā)電機(jī)時(shí)，每相具有2p個(gè)定子鐵心和2p的轉(zhuǎn)子鐵 心。該發(fā)電機(jī)做三相發(fā)電機(jī)時(shí)，每相的電勵(lì)磁繞組采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，當(dāng) 輸入同方向的電流時(shí)，可以起到同時(shí)增磁或弱磁的作用，而二相電勵(lì)磁繞組采用串聯(lián)方式 連接，當(dāng)氣隙磁場為正弦時(shí)，可以完全消除電勵(lì)磁繞組中感應(yīng)電流對勵(lì)磁電流的影響。
在定子鐵心中的第一永磁體、第二永磁體上端留有可以有效地減小電勵(lì)磁回路的磁阻 的磁橋。各第一永磁體、第二永磁體選用釹鐵硼材料。定子和轉(zhuǎn)子位置可以互換，構(gòu)成外 轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)形式。
有益效果定子鐵心中放置一對永磁體，且相鄰兩個(gè)定子鐵心中的永磁體磁化方向相 反，結(jié)合相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心左、右分別對齊間隔排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)磁通切換的功 能，可以避免相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心只對應(yīng)一個(gè)定子鐵心的情況，當(dāng)該電機(jī)的極數(shù)2p時(shí)，每 相具有2p個(gè)定子鐵心和2p的轉(zhuǎn)子鐵心，即一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心對應(yīng)于一個(gè)定子鐵心，從而提高 了電機(jī)磁通的利用率。此外，還有效地縮短了繞組的無效長度，在一定程度上提高了電機(jī) 的轉(zhuǎn)矩密度。
在定子齒部放置電勵(lì)磁繞組，每相的電勵(lì)磁繞組采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式進(jìn)行恰當(dāng)?shù)?連接，使得輸入同方向的電流時(shí)，可以起到同時(shí)增磁或弱磁的作用，而二相電勵(lì)磁繞組采 用串聯(lián)方式連接，當(dāng)氣隙磁場為正弦時(shí)，可以消除電勵(lì)磁繞組中感應(yīng)電流對勵(lì)磁電流的影 響。并且在定子永磁體上留有磁橋，可以有效地減小了電勵(lì)磁回路的磁阻。
該電機(jī)的各定子鐵心尺寸相同，各轉(zhuǎn)子鐵心尺寸也相同，且都可用硅鋼片疊制而成。 各定子鐵心安裝在非導(dǎo)磁材料機(jī)殼圓形套筒內(nèi)，形成定子整體；各轉(zhuǎn)子鐵心安置在非導(dǎo)磁 材料圓筒上，形成轉(zhuǎn)子整體，并且與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連。由于采用了硅鋼片疊制，可以有效地 減少電機(jī)的漏磁通，從而可以提高電機(jī)的功率因數(shù)。


圖l是磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(一相一對極)； 圖2是磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)的剖面圖(一相)； 圖3是/。磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主磁通 圖4是^磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主磁通。
以上圖中有發(fā)電機(jī)定子鐵心1，第一永磁體2、第二永磁體3，電樞繞組4，電勵(lì)磁繞 組5，轉(zhuǎn)子鐵心6，磁橋7，非導(dǎo)磁材料定子套筒(電機(jī)機(jī)殼)8,非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子圓筒9， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸IO,軸承l(wèi)l。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子所組成。為了更好的利用橫向磁通的空間利用率，在定子鐵心的兩端，分別嵌入一塊磁極方向相對的永磁體， 每相相鄰兩個(gè)定子鐵心中的永磁體磁化方向相反，在每塊永磁體的上端都留有磁橋，定于 內(nèi)安放電樞繞組，在定子齒部放置電勵(lì)磁繞組，各定子鐵心都用硅鋼片疊制，且尺寸相同， 在并置于非導(dǎo)磁材料機(jī)殼套筒內(nèi)，形成定子整體。定子鐵心中的永磁體采用釹鐵硼材料。
各轉(zhuǎn)子鐵心僅有硅鋼片疊制，結(jié)構(gòu)簡單，各轉(zhuǎn)子鐵心尺寸相同，每相相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵 心左、右分別對齊間隔排列，置于非導(dǎo)磁材料圓筒上，構(gòu)成轉(zhuǎn)子整體。
當(dāng)發(fā)電機(jī)為3相時(shí)，每相結(jié)構(gòu)之間的電角度相差120度。此外，當(dāng)該電機(jī)的極數(shù)2p 時(shí)，每相具有2p個(gè)定子鐵心和2p的轉(zhuǎn)子鐵心。因此可以有效地利用其空間。
電機(jī)磁通切換原理如下
該電機(jī)轉(zhuǎn)子存在兩個(gè)不同的交錯(cuò)位置。
當(dāng)轉(zhuǎn)子處于位置一時(shí)，相鄰兩個(gè)單元永磁產(chǎn)生的穿過定子繞組的磁通方向同為一個(gè)方 向；而當(dāng)轉(zhuǎn)子處于和位置一相差180度電角度的位置二時(shí)，磁通方向切換為另一個(gè)方向。 轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組中匝鏈的磁通方向呈周期性改變，從而感應(yīng)出感應(yīng)電勢，實(shí)現(xiàn) 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。
混合勵(lì)磁的原理如下
傳統(tǒng)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在著磁場無法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，電機(jī)無法隨風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電 機(jī)輸出的端電壓。通過電勵(lì)磁的作用，可以根據(jù)需要改變電機(jī)氣隙磁場，進(jìn)而根據(jù)風(fēng)速的 變換方便的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，從而更適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。
如圖1所示，對于三相發(fā)電機(jī)的一相來說，該磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的實(shí)體模型主要由以下幾個(gè)部分組成定子鐵心l、永磁體2和3、電樞繞組4、電勵(lì) 磁繞組5、轉(zhuǎn)子鐵心6、磁橋7、非導(dǎo)磁材料定子套筒(電機(jī)機(jī)殼)8、非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子圓 筒9，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸10和軸承11組成。各定子由定子鐵芯1和電樞繞組4和永磁體2和3 以及電勵(lì)磁繞組5構(gòu)成，并在永磁體2、 3上端留有磁橋7;轉(zhuǎn)子部分包括相鄰且左、右 分別對齊間隔排列的轉(zhuǎn)子鐵心6構(gòu)成。各定子鐵心l尺寸一致，且采用硅鋼片疊制，并安 裝在非導(dǎo)磁材料套筒(電機(jī)機(jī)殼)8內(nèi)形成一個(gè)定子整體。各轉(zhuǎn)子鐵心6尺寸一致，且采 用硅鋼片疊制，并安裝在非導(dǎo)磁材料圓筒9上形成一個(gè)轉(zhuǎn)于整體，并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸10相 連，并通過軸承11與電機(jī)機(jī)殼8相連。以增強(qiáng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)l:作時(shí)的堅(jiān)固性和可靠性， 保證發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的平穩(wěn)運(yùn)行。
對于三相發(fā)電機(jī)來說，在電機(jī)軸10的方向上，相應(yīng)的共有三組同樣的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 并且使得每組結(jié)構(gòu)的電角度相差120度。
在電勵(lì)磁繞組5的連接方式上，每相的電勵(lì)磁繞組采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式進(jìn)行恰當(dāng) 的連接，使得輸入同方向的電流時(shí)，可以起到同時(shí)增磁或弱磁的作用，而二相電勵(lì)磁繞組 5釆用串聯(lián)方式連接，當(dāng)氣隙磁場為正弦時(shí)，可以消除電勵(lì)磁繞組中感應(yīng)電流對勵(lì)磁電流 的影響。
外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)也適用于此。
此外，從提高電機(jī)氣隙磁密和磁鋼的熱穩(wěn)定性考慮，選擇具有較高矯頑力的釹鐵硼永 磁材料作為電機(jī)永磁體2和3的材料。
權(quán)利要求
1、一種磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是定子是由分布在轉(zhuǎn)子周圍的若干定子鐵心(1)、第一永磁體(2)、第二永磁體(3)、電樞繞組(4)以及電勵(lì)磁繞組(5)構(gòu)成；每個(gè)定子鐵心(1)呈U型，兩邊分別嵌入一塊永磁體即第一永磁體(2)、第二永磁體(3)，磁極方向相對，定子中放置電樞繞組(4)，在定子齒部放置電勵(lì)磁繞組(5)，每相相鄰兩個(gè)定子鐵心(1)的第一永磁體(2)、第二永磁體(3)磁極反向相反；各轉(zhuǎn)子鐵心(6)的尺寸相同，每相相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心(6)左、右分別對齊間隔排列，轉(zhuǎn)子鐵心(6)采用硅鋼片疊制，并安裝在非導(dǎo)磁材料圓筒(9)上形成一個(gè)轉(zhuǎn)子整體，并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸(10)相連，最后通過軸承(11)與機(jī)殼(8)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利1所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是各定子 鐵心(1)的尺寸相同，且采用硅鋼片疊制，并安裝在非導(dǎo)磁材料機(jī)殼(8)套筒內(nèi)形成一 個(gè)定子整體。
3、 根據(jù)權(quán)利1所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是定子鐵 心(1)和轉(zhuǎn)子鐵心(6)有三組，在電機(jī)軸(10)方向，并排三組定子鐵心(1)和三組 轉(zhuǎn)子鐵心(6)，并使得每組定子鐵心(1)相差120度電角度，或者使得每組轉(zhuǎn)子鐵心(6) 相差120度電角度，構(gòu)成三相發(fā)電機(jī)。
4、 根據(jù)權(quán)利1所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是定亍鐵 心(1)和轉(zhuǎn)子鐵心(6)為極數(shù)2p的發(fā)電機(jī)時(shí)，每相具有2p個(gè)定子鐵心(1)和2p的轉(zhuǎn) 子鐵心(6)。
5、 根據(jù)權(quán)利3所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是該發(fā)電 機(jī)做三相發(fā)電機(jī)時(shí)，每相的電勵(lì)磁繞組(5)采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，當(dāng)輸入 同方向的電流時(shí)，可以起到同時(shí)增磁或弱磁的作用，而二相電勵(lì)磁繞組(5)采用串聯(lián)方 式連接，當(dāng)氣隙磁場為正弦時(shí)，可以完全消除電勵(lì)磁繞組中感應(yīng)電流對勵(lì)磁電流的影響。
6、 根據(jù)權(quán)利1所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是在定子 鐵心(1)中的第一永磁體(2)、第二永磁體(3)上端留有可以有效地減小電勵(lì)磁冋路的 磁阻的磁橋(7)。
7、 根據(jù)權(quán)利1所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是各第一 永磁體(2)、第二永磁體(3)選用釹鐵硼材料。
8、 根據(jù)權(quán)利1所述的磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是定子和 轉(zhuǎn)子位置可以互換，構(gòu)成外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)形式。
全文摘要
磁通切換型混合勵(lì)磁橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種高性能和可用于直接驅(qū)動的磁通可調(diào)節(jié)式的新型橫向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)。定子是由分布在轉(zhuǎn)子周圍的若干定子鐵心(1)、第一永磁體(2)、第二永磁體(3)、電樞繞組(4)以及電勵(lì)磁繞組(5)構(gòu)成；每個(gè)定子鐵心(1)呈U型，兩邊分別嵌入兩永磁體，磁極方向相對，定子中放置電樞繞組(4)，在定子齒部放置電勵(lì)磁繞組(5)，每相相鄰兩個(gè)定子鐵心(1)的兩永磁體磁極反向相反；各轉(zhuǎn)子鐵心(6)的尺寸相同，每相相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心(6)左、右分別對齊間隔排列，轉(zhuǎn)子鐵心(6)采用硅鋼片疊制，并安裝在非導(dǎo)磁材料圓筒(9)上形成一個(gè)轉(zhuǎn)子整體，并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸(10)相連，最后通過軸承(11)與機(jī)殼(8)相連。
文檔編號H02K1/22GK101527470SQ20091002605
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者奕 馮, 林鶴云, 顏建虎 申請人:東南大學(xué)