一种双定子永磁游标风力发电机

摘要

本发明公开了一种双定子永磁游标风力发电机，属于电机制造领域，包括外定子(4)、内定子(8)以及转子(6)；所述外定子开设有梨形槽和第一定子齿；所述内定子(8)设置有第二定子齿(9)，第二定子齿(9)设置磁通调制极(10)和磁通调制极槽(11)；所述转子(6)为杯状结构，所述转子上设置有Halbach结构永磁体(7)；所述外定子(4)的第一定子齿的齿数与内定子(8)上磁通调制极齿(10)的个数总数相等；且所述外定子(4)的梨形槽和磁通调制极(10)正对分布设置，外定子(4)的第一定子齿与磁通调制极槽(11)正对分布设置。本发明不仅能够产生高度正弦的气隙磁场，而且还具有大输出转矩的特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型低速大转矩三相永磁游标直驱式风力发电机，属于电机制造技术领域。 

背景技术

现有可再生清洁能源中，风能具有绿色清洁、安全、技术成熟度高等优点，其开发利用前景广阔。风力发电系统能够将自然界中风的动能转变成机械动能，继而进行机电能量转换，最终转换成生产生活可用的电能。风电系统核心装置在于完成机电能量转换的风力发电机，风力发电机性能优劣在很大程度上直接制约着风能利用效率，关系到风力发电系统的可靠性以及运营成本。大功率风力发电机转速较低，MW级容量的风机转速只有十几转/min。风速大于4m/s时可用于风力发电，现有多数风力发电机在较低风速时发电效率低下、风能利用较低，限制了风力发电在低速场合的应用，设计低速大转矩风力发电机一直是风电研究领域的热点和难点。 

游标电机是一种新型的低速大转矩永磁电机，其工作原理基于“磁齿轮效应”原理，当定子电枢绕组相数、转子永磁体极对数、磁通调制极数目三者满足特定关系时，永磁转子产生的磁场被磁通调制极调制成含有不同次数谐波的空间磁场，其主要次数谐波与磁通调制极的极对数相同，该主波与定子电枢绕组所产生的基波磁场相互作用，产生特定的传动比，即为有效转矩，从而避免使用传统的齿轮箱，实现低速大转矩直驱式风力发电。 

近些年来，一种单定子表贴式永磁游标电机(Surface Permanent Magnet Vernier Machine，以下简称SPMVM)由于其卓越的性能，如结构简单、空载反电动势正弦度较高和低速大转矩等优点，受到国内外学者广泛关注。然而，这种表贴式永磁Vernier电机的永磁体利用率不高，其气隙磁密强度不大，导致电机出力不够，转矩密度还有提升空间。 

目前国内外对于双定子结构的永磁游标电机研究还比较少。 

中国专利(申请号：CN201310069627.8)公布了一种内置永磁体式的双定子径向磁场游标电机，给出了内嵌式永磁转子组装的四种方法。上述所提出电机结构新颖，功率因数较高。其内定子中开有凹槽，凸起为定子齿，两凸起之间凹槽容纳绕组，这种定子 结构使得绕组利用率不高。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高度正弦的气隙磁场和大输出转矩特性的径向磁场双定子永磁游标电机。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种双定子永磁游标风力发电机，包括外定子(4)、内定子(8)以及转子(6)；所述外定子(4)、内定子(8)尺寸不同，且所述外定子(4)、内定子(8)同轴内外套接布置，而所述转子(6)设置于外定子(4)和内定子(8)之间，且外定子(4)、内定子(8)与转子(6)三者同心分布： 

所述外定子(4)呈圆筒形，且其内部沿周向开设有梨形槽，所述梨形槽槽中放置第一三相电枢绕组，相邻槽间为第一定子齿； 

所述内定子(8)为圆筒齿形结构，所述内定子(8)外部沿周向设置有一个以上的第二定子齿(9)，所述相邻的第二定子齿之间放置第二三相电枢绕组，每个第二定子齿(9)沿周向均设置一个以上的磁通调制极(10)，所述磁通调制极之间设置有磁通调制极槽(11)； 

所述转子(6)为杯状结构，所述转子(6)内外表面上设置有Halbach结构永磁体(7)，且内外表面上相对的永磁体(7)的充磁方向相同； 

所述外定子(4)的第一定子齿的齿数与内定子(8)上磁通调制极齿(10)的个数总数相等；且所述外定子(4)的梨形槽和磁通调制极(10)正对分布设置，外定子(4)的第一定子齿与磁通调制极槽(11)正对分布设置。 

进一步地：还包括机壳(1)、转轴(2)，所述转轴(2)设置于机壳(1)内，而转轴(2)的作动端通过第一轴承与机壳(1)连接，且该作动端伸出机壳(1)外；所述外定子(4)固定于机壳(1)上，内定子(8)通过电机机座臂(12)固定于机壳(1)上；所述转轴(2)上设置有有凸起，所述杯状转子(6)一侧通过凸起与转轴(2)相连，另一侧通过轴承(3)固定于机座臂(12)上。 

优选的：所述第一三相电枢绕组、第二三相电枢绕组均采用三相分数槽集中结构形式。 

优选的：所述第二定子齿(9)上磁通调制极(10)为平行齿梯形槽结构。 

优选的：所述Halbach结构永磁体(7)通过表贴的方式设置于转子的内外表面。 

优选的：所述Halbach结构永磁体(7)通过内置的方式设置于转子上，且所述Halbach结构永磁体通过隔磁套封装于转子内。 

优选的：所述每个第二定子齿(9)上的磁通调制极的个数为三个。 

优选的：所述外定子(4)上圆周上均匀分布有18个梨形槽；所述第二定子齿(9)的个数为6个。 

本发明电机转矩密度和反电势高度正弦原理如下： 

通过采用转子(6)内外表贴Halbach型永磁体(7)体方式，在给电机提供了较高气隙密度磁通同时，气隙磁密波形正弦度有较大提高，内外双定子结构，能够增大定子电枢绕组(5)的电势，从而提高电机转矩密度。 

工作原理： 

由于外定子(4)内部沿周向开设有梨形槽，所述梨形槽槽中放置第一三相电枢绕组，相邻槽间为第一定子齿；内定子(8)外部沿周向设置有一个以上的第二定子齿(9)，所述相邻的第二定子齿之间放置第二三相电枢绕组，每个第二定子齿(9)沿周向均设置一个以上的磁通调制极(10)，所述磁通调制极之间设置有磁通调制极槽(11)；所述转子(6)内外表面上设置有Halbach结构永磁体(7)，且内外表面上相对设置的永磁体(7)的充磁方向相同；且所述外定子(4)的第一定子齿的齿数与内定子(8)上磁通调制极齿(10)的个数总数相等；且所述外定子(4)的梨形槽和磁通调制极(10)正对分布设置，外定子(4)的第一定子齿与磁通调制极槽(11)正对分布设置；因此外定子(4)的第一定子齿的齿数等于永磁体(7)极对数与外定子(4)的第一三相电枢绕组极对数之和，内定子(8)磁通调制极数等于永磁体7极对数与内定子(8)第二三相电枢绕组极对数之和，外定子(4)的第一定子齿的齿数与内定子(8)上磁通调制极数相等，内外定子第一、二三相电枢绕组反电势同频率；永磁体(7)极对数与外定子磁场极对数比即为电机传动比；当永磁转子(6)有一个微小位置变化时，就能引起一个较大的磁通变化，从而产生大转矩输出，满足游标电机谐波调制工作原理。 

本发明提供的一种双定子永磁游标风力发电机，相比现有技术，具有以下有益效果： 

1.省略了齿轮箱环节，减小了风力发电系统故障率，提高了整个风力发电系统的可靠性。 

2.产生正弦度较高的反电势波形，定转子结构简单，易于制造、装配，维护方便。 

3.电机定子电枢绕组采用集中式绕组，能够有效地降低绕组端部长度，使得电机 端部效应明显减小。 

附图说明

附图1为本发明电机的装配示意图； 

附图2为本发明电机的结构示意图； 

附图3为本发明电机定子齿及磁通调制极示意图； 

附图4为本发明电机的绕组分布示意图； 

附图5为本发明电机的转子(6)三种不同形式，图5.1(a)为Halbach永磁转子结构，图5.1(b)内外表贴永磁转子结构，图5.1(c)为具有聚磁效应的内嵌式永磁转子结构。 

图中：1机壳，2转轴，3轴承，4外定子，5电枢绕组，6杯状转子，7Halbach结构永磁体，8内定子，9定子齿，10磁通调制极11磁通调制极槽，12机座臂，13隔磁套。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

一种双定子永磁游标风力发电机，如图1所示，包括外定子4、内定子8以及转子6；所述外定子4、内定子8尺寸不同，且所述外定子4、内定子8同轴内外套接布置，而所述转子6设置于外定子4和内定子8之间，且外定子4、内定子8与转子6三者同心分布： 

本发明实例电机含有双层气隙拓扑结构，所述外定子4呈圆筒形，且其内部沿周向开设有梨形槽，所述梨形槽槽中放置第一三相电枢绕组，相邻槽间为第一定子齿； 

所述内定子8为圆筒齿形结构，所述内定子8外部沿周向设置有一个以上的第二定子齿9，所述相邻的第二定子齿之间放置第二三相电枢绕组，每个第二定子齿9沿周向均设置一个以上的磁通调制极10，所述磁通调制极之间设置有磁通调制极槽11； 

所述转子6为杯状结构，所述转子上设置有Halbach结构永磁体7，且内外表贴的永磁体7的充磁方向相同；即所述转子(6)内外表面上设置有Halbach结构永磁体(7)，且内外表面上相对的永磁体(7)的充磁方向相同。 

所述外定子4的第一定子齿的齿数与内定子8上磁通调制极齿10的个数总数相等；定子电枢绕组极对数、转子永磁极对数和定子磁通调制极数有多种组合，如2所示，有17对转子极，1对定子极和18个磁通调制极；且所述外定子4的梨形槽和磁通调制极10正对分布设置，外定子4的第一定子齿与磁通调制极槽11正对分布设置。 

所述外定子4、内定子8形状尺寸不同，外定子4齿数与内定子8上磁通调制极数相等，内外定子电枢绕组均采用三相集中式绕组，外定子4、内定子8与转子6三者同心分布，转子6上有Halbach型钕铁硼永磁体7，产生高度正弦反电势波形。外定子4的第一定子齿的齿数等于永磁体7极对数与外定子4的第一三相电枢绕组极对数之和，内定子8磁通调制极数等于永磁体7极对数与内定子8第二三相电枢绕组极对数之和。因此本发明的永磁体7极对数Pr、内定子电枢极对数Ns以及磁通调制极数目N_FMP之间满足N_FMP＝Ns+Pr，完成谐波磁通调制工作原理，实现低速大转矩运行。本电机采用所述双定子及转子内外表贴Halbach永磁结构，可有效提高电机的转矩和功率密度，减少电机的铜耗。 

所述外定子4上圆周上均匀分布有18个梨形槽；所述第二定子齿9的个数为6个。 

如图1所示，还包括机壳1、转轴2，所述转轴2设置于机壳1内，而转轴2的作动端通过第一轴承与机壳1连接，且该作动端伸出机壳1外；所述外定子4固定于机壳1上，内定子8通过电机机座臂12固定于机壳1上；所述转轴2上设置有有凸起，所述杯状转子6一侧通过凸起与转轴2相连，另一侧通过轴承3固定于机座臂12上。 

上述外定子4、内定子8，转子6结构机械稳定性较强，受力均衡，可保证本发明的电磁性能不受影响。 

本发明实例所述第二定子齿9上磁通调制极10为平行齿梯形槽结构。即电机内定子8上磁通调制极10优选采用平行齿梯形槽结构，如图3所示，所述每个第二定子齿9上的磁通调制极的个数为三个。即每个定子齿上有三个磁通调制极10。 

本发明实例的游标电机转子6采用内外表贴Halbach永磁结构，与传统单定子永磁表贴式游标电机相比，本发明电机在提高主磁通的同时也能较大幅度提高气隙磁通的正弦度，双定子结构增大了电机转矩输出能力，提高了电机的功率因数。 

所述第一三相电枢绕组、第二三相电枢绕组均采用三相分数槽集中结构形式，即本发明实例的游标电机内外定子4均采用三相集中式绕组，图4为本电机绕组示意图，绕组顺序为A+A-C-C+B+B-A-A+C+C-B-B+。 

图5为所提出电机的三种不同的转子结构，图5.1(a)游标电机转子所示结构中，内外表贴Halbach永磁结构转子，该结构能够产生高度正弦的气隙磁场，图5.1(b)为内外表贴式永磁结构转子，图5.1(c)永磁体内嵌结构转子，该结构有聚磁效益，但有漏磁现象，需增加隔磁套。即： 

所述Halbach结构永磁体7通过表贴的方式设置于转子的内外表面。 

所述Halbach结构永磁体7通过内置的方式设置于转子上，且所述Halbach结构永磁体通过隔磁套封装于转子内。 

本发明实例游标电机相邻磁极磁路路径为：从内定子8轭部穿过内定子8齿到磁通调制极9，再穿过内定子8与转子6之间的气隙，然后穿过转子6，接着穿过转子6与外定子4之间的气隙，最后通过外定子4齿部到达外定子4轭部。 

本发明电机转矩密度和反电势高度正弦原理如下： 

通过采用转子6内外表贴Halbach型永磁体7体方式，在给电机提供了较高气隙密度磁通同时，气隙磁密波形正弦度有较大提高，内外双定子结构，能够增大定子电枢绕组5的电势，从而提高电机转矩密度。 

工作原理： 

由于外定子4内部沿周向开设有梨形槽，所述梨形槽槽中放置第一三相电枢绕组，相邻槽间为第一定子齿；内定子8外部沿周向设置有一个以上的第二定子齿9，所述相邻的第二定子齿之间放置第二三相电枢绕组，每个第二定子齿9沿周向均设置一个以上的磁通调制极10，所述磁通调制极之间设置有磁通调制极槽11；所述转子6内外表面上设置有Halbach结构永磁体7，且内外表面上相对设置的永磁体7的充磁方向相同；且所述外定子4的第一定子齿的齿数与内定子8上磁通调制极齿10的个数总数相等；且所述外定子4的梨形槽和磁通调制极10正对分布设置，外定子4的第一定子齿与磁通调制极槽11正对分布设置；因此外定子4的第一定子齿的齿数等于永磁体7极对数与外定子4的第一三相电枢绕组极对数之和，内定子8磁通调制极数等于永磁体7极对数与内定子8第二三相电枢绕组极对数之和，外定子4的第一定子齿的齿数与内定子8上磁通调制极数相等，内外定子第一、二三相电枢绕组反电势同频率；永磁体7极对数与外定子磁场极对数比即为电机传动比；当永磁转子6有一个微小位置变化时，就能引起一个较大的磁通变化，从而产生大转矩输出，满足游标电机谐波调制工作原理。 

由上述可知，本发明提出的游标电机与磁齿轮有明显区别。磁齿轮由具有较少磁极高速旋转的内转子、较多磁极低速旋转的外转子以及一个由高导磁材料和非导磁材料交错组成的调磁环组成，内、外转子表面放置不同极对数的永磁体，调磁环固定不动，将多级外转子产生的较多数目的空间磁场在内侧气隙中调制成含有主要谐波次数与内定子极对数相同的空间谐波，调磁环起到调制内、外转子磁场的作用。由此可以看出，磁 齿轮由于调磁环的存在，产生了双层气隙结构，使得气隙磁场较为复杂，导致其功率密度较低。本发明提出一种新型双定子低速大转矩游标电机，在实现低速大转矩的同时，能够有效增加电机的磁场强度和功率密度。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。