一种新型轴向磁通双凸极永磁发电机

摘要

本发明公开了一种新型轴向磁通双凸极永磁发电机，所要解决的技术问题是：针对现有发电机存在的结构过于复杂、自身能耗大等问题。采取的技术方案是：包括转子、发电机外定子、发电机内定子、永磁环和转子轴；发电机内定子嵌套在发电机外定子内，发电机内定子与发电机外定子之间留有间隙；所述永磁环安装于前述间隙内；转子轴设置在转子的中心处，且固定为一个整体；所述转子轴贯穿过发电机内定子的中心，且与发电机内定子不接触；所述转子位于发电机外定子和发电机内定子的上方。本发明将双凸极永磁电机与轴向磁通电机有机结合起来，具有高效率、高功率密度、结构紧凑、噪声小、起动风速低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机，具体是一种轴向磁通双凸极永磁发电机，属于发电技术领域。

背景技术

在新能源发电中，关于发电机的研究，目前主要集中在三种发电机上：无刷双馈发电机、 永磁同步发电机和双凸极发电机。

无刷双馈发电机可根据原动机转速变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出，通过改变 励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。由于无刷双馈发电机的气隙 大，则需要的控制绕组励磁变换器的励磁无功功率也大，因此不适合用作低速直驱发电机。

永磁同步发电机具有一系列优点，如重量轻、效率高、动态响应快等。发电机在每分钟 几十至几百转的低速下工作，为保证其输出在正常频率的范围内（30～80Hz），发电机需要 采用较大的定转子直径和较多的极对数。在电机设计过程中，当选定定子直径之后，会面临 由于转子永磁磁极数量多而造成磁极极距小、励磁磁势不足的问题。

双凸极发电机是20世纪50年代提出来的一种新型电机，随着功率电子学和微电子学的 飞速发展，在90年代，双凸极永磁电机作为一种新型的机电一体化可控交流调速系统由美国 著名电机专家T.A.Lipo等人提出，并很快得到世界各国科研人员的广泛关注和深入研究。其 电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但是它的转子（或定子）上置有 永磁体，所以其运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质的区别。双凸极永磁电机主要优 点是结构简单、易于维护、控制灵活、动态响应快、调速性能好以及转矩/电流比大，其在航 空和风力发电领域具有很好的应用价值。根据目前的研究现状，双凸极发电机可分为普通双 凸极发电机、磁通反向发电机和磁通切换发电机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有发电机存在的结构过于复杂、自身能耗大等问 题。

本发明的目的是提出一种具有高效率、高功率密度且结构简单、新颖的轴向磁通双凸极 永磁发电机。

本发明采取的技术方案是：

一种新型轴向磁通双凸极永磁发电机，包括转子、发电机外定子、发电机内定子、永磁 环和转子轴；所述发电机内定子嵌套在发电机外定子内，发电机内定子与发电机外定子之间 留有间隙；所述永磁环安装于前述间隙内；转子轴设置在转子的中心处，且固定为一个整体； 所述转子轴贯穿过发电机内定子的中心，且与发电机内定子不接触；所述转子位于发电机外 定子和发电机内定子的上方；

所述发电机外定子上均匀设有三个发电机外定子凸极，所述三个发电机外定子凸极位于 同一圆周上；所述每相邻两个发电机外定子凸极之间为发电机外定子凸极槽，所述发电机外 定子凸极槽的形状与发电机外定子凸极的形状相同；所述三个发电机外定子凸极上均绕有发 电机外电枢绕组；

所述发电机内定子上均匀设有三个发电机内定子凸极，所述三个发电机内定子凸极位于 同一圆周上；所述每相邻两个发电内定子凸极中心之间为发电机内定子内凸极槽，所述发电 机内定子内凸极槽的形状与发电机内定子凸极的形状相同；所述三个发电机内定子凸极上 均绕有发电机内电枢绕组；

前述三个发电机外定子凸极和三个发电机内定子凸极位于同一平面内；

所述转子上设有外转子凸极组和内转子凸极组；所述外转子凸极组与发电机外定子凸极 相对应；所述内转子凸极组与发电机内定子凸极相对应；

所述外转子凸极组包括两个外转子凸极；所述两个外转子凸极均匀设置在转子上，并位 于同一圆周上；所述两个外转子凸极与三个发电机外定子凸极相对应，两个外转子凸极与三 个发电机外定子凸极之间留有第一间隙；

所述内转子凸极组包括两个内转子凸极，所述两个内转子凸极均匀设置在转子上，并位 于同一圆周上；所述两个内转子凸极与三个发电机内定子凸极相对应，且两个内转子凸极与 三个发电机内定子凸极之间留有第二间隙；所述第一间隙与第二间隙相等；所述两个外转子 凸极和两个内转子凸极位于同一平面内；所述两个外转子凸极所在的圆周的直径大于所述两 个内转子凸极所在的圆周的直径。

本发明所述的发电机外定子凸极、发电机内定子凸极、外转子凸极和内转子凸极的形状 均为扇形。

为了具有较高的功率密度，本发明所述的第一间隙和第二间隙优选为0.3-1.5mm。

有益效果

本发明与现有技术相比的有益效果：1、采用盘式结构的发电机，轴向尺寸短，更小的占 空率使其更易于在扁平的安装空间运行。2、具有功率密度高，定位转矩和转子的转动惯量小， 低速运行平稳，输出电压脉动小的特点。3、在稳定状态下，定、转子之间是没有轴向偏心的， 解决了定、转子偏心对发电机性能的影响。4、本发明将双凸极永磁电机与轴向磁通电机有机 结合起来，具有高效率、高功率密度、结构紧凑、噪声小、起动风速低的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的发电机外定子、发电机外定子凸极、发电机内定子和发电机内定子凸极 的安装位置结构示意图。

其中，1、发电机外定子，1-1、发电机外定子凸极，1-2、发电机外定子凸极槽，2、发 电机内定子，2-1、发电机内定子凸极，2-2、发电机内定子内凸极槽，3、转子，4、转子轴， 5、发电机内电枢绕组，6、永磁环，7、发电机外电枢绕组，8、外转子凸极，9、内转子凸极， 10、第一间隙，11、第二间隙。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图2和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。

如图1所示，本发明的新型轴向磁通双凸极永磁发电机，包括转子3、发电机外定子1、 发电机内定子2、永磁环6和转子轴4。

发电机内定子2嵌套在发电机外定子1内，发电机内定子2与发电机外定子1之间留有 间隙；所述永磁环6安装于前述间隙内；永磁环6的外端面与发电机外定子1的内端面相接 触，永磁环6的内端面与发电机内定子2的外端面相接触。转子轴4设置在转子3的中心处， 且固定为一个整体；所述转子轴4贯穿过发电机内定子2的中心，且与发电机内定子2不接 触；转子3位于发电机外定子1和发电机内定子2的上方；使用时，原动机转子装在转子轴 4的一端，转子3装在转子轴4的另一端，原动机转子与转子3以及转子轴4同步转动；转 子轴4的另一端通过发电机内定子2的中心孔伸出至外部，套装风叶。

本发明中所述的永磁环6，为现有技术中的永磁环，本发明中所述永磁环的充磁方向为 径向充磁。

发电机外定子1上均匀设有三个发电机外定子凸极1-1，三个发电机外定子凸极1-1位 于同一圆周上；每相邻两个发电机外定子凸极1-1之间为发电机外定子凸极槽1-2，所述发 电机外定子凸极槽1-2的形状与发电机外定子凸极1-1的形状相同；三个发电机外定子凸极 1-1上均绕有发电机外电枢绕组7；如图2所示。

发电机内定子2上均匀设有三个发电机内定子凸极2-1，所述三个发电机内定子凸极2-1 位于同一圆周上；所述每相邻两个发电内定子凸极2-1中心之间为发电机内定子内凸极槽 2-2，所述发电机内定子内凸极槽2-2的形状与发电机内定子凸极2-1的形状相同；三个发电 机内定子凸极2-1上均绕有发电机内电枢绕组5；前述三个发电机外定子凸极1-1和三个发 电机内定子凸极2-1位于同一平面内；

转子3上设有外转子凸极组和内转子凸极组；所述外转子凸极组与发电机外定子凸极1-1 相对应；所述内转子凸极组与发电机内定子凸极2-1相对应；

外转子凸极组包括两个外转子凸极8；所述两个外转子凸极8均匀设置在转子3上，并 位于同一圆周上；所述两个外转子凸极8与三个发电机外定子凸极1-1相对应，两个外转子 凸极8与三个发电机外定子凸极1-1之间留有第一间隙10；

内转子凸极组包括两个内转子凸极9，所述两个内转子凸极9均匀设置在转子3上，并 位于同一圆周上；两个内转子凸极9与三个发电机内定子凸极2-1相对应，且两个内转子凸 极9与三个发电机内定子凸极2-1之间留有第二间隙11；第一间隙10与第二间隙11相等； 所述两个外转子凸极8和两个内转子凸极9位于同一平面内；所述两个外转子凸极8所在的 圆周的直径大于所述两个内转子凸极9所在的圆周的直径。

本发明所述的发电机外定子凸极1-1、发电机内定子凸极2-1、外转子凸极8和内转子凸 极9的形状采用任何形状都可以，本发明优先采用扇形。

为了具有较高的功率密度，本发明所述的第一间隙和第二间隙优选为0.3-1.5mm。

本发明的工作原理：

采用本发明发电时，原动机带动转子轴4及转子3旋转，由于转子3上的外转子凸极组 和内转子凸极组的存在，转子3旋转时会导致发电机内电枢绕组5和发电机外电枢绕组7的 磁通大小发生变化，从而在发电机内电枢绕组5和发电机外电枢绕组7中感应出感应电动势， 感应电动势的大小与转子3的转速有关。

本发明未涉及部分均与现有技术相通或采用现有技术加以实现。