專利名稱：磁通可以調節的高功率密度發電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種改進的發電機，特別是一種高性能和直接驅動領域的磁通切換型 混合勵磁橫向磁通風力發電機。
背景技術：
能源危機的加劇，制約全球經濟的提升，并威脅著人類社會可持續發展，大力開發利 用新能源和可再生能源已成為全球多數國家能源發展戰略的重要組成部分。相比于其它形 式的可再生能源，風能(Wind Power)成熟度最高，經濟性最好。到2010年，全球風電 裝機總容量將達230GW，中國約IOGW，發展勢頭迅猛，開發利用前景廣闊。風力發屯機(Wind Generator)是風電系統的關鍵核心裝備，其電氣和機械性能的優劣直接影響著風電能量 轉換的效率以及系統的成本與可靠性。
由于風力發電機轉速較低，中小功率的為幾十~兒百轉/分，MW級的只有十兒轉/分， 根據電機原理，要達到一定的功率，且要減小電機直徑、減輕其體積和重量，就必須顯著 增大電磁力。電磁力正比T磁通量和電流，傳統的徑向磁通和軸向磁通電機中，導向磁通 的鐵心和傳導電流的導線處于同一平面內，在電機直徑一定的情況下，增加鐵心面積和增 大導體截面積相互矛盾。幸運的是，橫向磁通電機(Transverse Flux Motor-TFM)可以 解決這一問題，其電樞繞組與主磁路在結構上完全解耦，因此可以根據需要獨立調整線圈 窗口和磁路尺寸來確定電機的電、磁負荷，從而可以獲得很高的轉矩密度。
近幾年雖然國內外眾多機構對橫向磁通發電機進行了大量的研究.T.作，但是還存在一 些問題亟待改進和解決。現有的橫向磁通永磁電機，相鄰兩組轉子鐵心只對應一組定子鐵 心，磁通的空間利用率偏低，繞組的有效長度比例不高，轉矩密度還有提高的空間。此外， 傳統的永磁發電機氣隙磁場無法調節，作為風力發電機時，電機輸出電壓不能方便的根據 風速的大小進行調節，因此將混合勵磁的方式引入永磁風力發電機中。
發明內容
技術問題本實用新型所要解決的技術問題是提供一種可以調節電機磁通、高功率 密度和高轉矩密度的磁通切換型混合勵磁橫向磁通風力發電機。
技術方案本實用新型的磁通可以調節的高功率密度發電機，定子是由分布在轉子周 圍的若干定子鐵心、第一永磁體、第二永磁體、電樞繞組以及電勵磁繞組構成；每個定子 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磁繞組，每相相鄰兩個定子鐵心的第一永磁體、 第二永磁體磁極反向相反；各轉子鐵心的尺寸相同，每相相鄰兩個轉子鐵心左、右分別對齊間隔排列，轉子鐵心采用硅鋼片疊制，并安裝在非導磁材料圓筒上形成一個轉子整體， 并與發電機轉軸相連，最后通過軸承與機殼相連。
各定子鐵心的尺寸相同，且采用硅鋼片疊制，并安裝在非導磁材料機殼套筒內形成一 個定子整體。定子鐵心和轉子鐵心有二組，在電機軸方向，并排三組定子鐵心和三組轉子 鐵心，并使得每組定子鐵心相差120度電角度，或者使得每組轉子鐵心相差120度電角度， 構成三相發電機。
定子鐵心和轉子鐵心為極數2p的發電機時，每相具有2p個定子鐵心和2p的轉子鐵 心。該發電機做三相發電機時，每相的電勵磁繞組采用串聯或者并聯的方式進行連接，當 輸入同方向的電流時，可以起到同時增磁或弱磁的作用，而三相電勵磁繞組采用串聯方式 連接，當氣隙磁場為正弦時，可以完全消除電勵磁繞組中感應電流對勵磁電流的影響。
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。定子和轉子位置可以互換，構成外 轉子、內定子的結構形式。
有益效果定子鐵心中放置一對永磁體，且相鄰兩個定子鐵心中的永磁體磁化方向相 反，結合相鄰兩個轉子鐵心左、右分別對齊間隔排列的結構特點，可以實現磁通切換的功 能，可以避免相鄰兩個轉子鐵心只對應一個定子鐵心的情況，當該電機的極數2p時，每 相具有2p個定子鐵心和2p的轉子鐵心，即一個轉子鐵心對應于一個定子鐵心，從而提高 了電機磁通的利用率。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 的轉矩密度。
在定子齒部放置電勵磁繞組，每相的電勵磁繞組采ffl串聯或者并聯的方式進行恰當的 連接，使得輸入同方向的電流時，可以起到同時增磁或弱磁的作用，而三相電勵磁繞組采 用串聯方式連接，當氣隙磁場為正弦時，可以消除電勵磁繞組中感應電流對勵磁電流的影 響。并且在定子永磁體上留有磁橋，可以有效地減小了電勵磁回路的磁阻。
該電機的各定子鐵心尺寸相同，各轉子鐵心尺寸也相同，且都可用硅鋼片疊制而成。 各定子鐵心安裝在非導磁材料機殼圓形套筒內，形成定子整體；各轉子鐵心安置在非導磁 材料圓筒上，形成轉子整體，并且與屯機轉軸相連。由于采用了硅鋼片疊制，可以有效地 減少電機的漏磁通，從而可以提高電機的功率因數。
圖l是磁通可以調節的高功率密度發電機結構示意圖(一相一對極) 圖2是磁通可以調節的高功率密度發電機的剖面圖(一相)； 圖3是/。磁通可以調節的高功率密度發電機的主磁通 圖4是^磁通可以調節的高功率密度發電機的主磁通。
以上圖中有發電機定子鐵心1，第一永磁體2、第二永磁體3，電樞繞組4，電勵磁繞 組5，轉子鐵心6，磁橋7,非導磁材料定子套筒(電機機殼)8，非導磁材料轉子圓筒9， 發電機轉軸IO,軸承ll。
具體實施方式
本實用新型的磁通可以調節的高功率密度發電機由定子、轉子所組成。為了更好的磁極方向相對的永磁體， 每相相鄰兩個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，定子 內安放電樞繞組，在定子齒部放置屯勵磁繞組，各定子鐵心都用硅鋼片疊制，且尺寸相同， 在并置于非導磁材料機殼套筒內，形成定子整體。定子鐵心中的永磁體采用釹鐵硼材料。
各轉子鐵心僅有硅鋼片疊制，結構簡單，各轉子鐵心尺寸相同，每相相鄰兩個轉子鐵 心左、右分別對齊間隔排列，置于非導磁材料圓筒上，構成轉子整體。
當發電機為3相時，每相結構之間的電角度相差120度。此外，當該電機的極數2p 時，每相具有2p個定子鐵心和2p的轉子鐵心。因此可以有效地利用其空間。
電機磁通切換原理如下
該電機轉子存在兩個不同的交錯位置。
當轉子處于位置一時，相鄰兩個單元永磁產生的穿過定子繞組的磁通方向同為一個方 向；而當轉子處于和位置一相差180度電角度的位置二時，磁通方向切換為另一個方向。 轉子連續旋轉時，定子繞組中匝鏈的磁通方向爭周期性改變，從而感應出感應電勢，實現 機電能量轉換。
混合勵磁的原理如下
傳統的永磁風力發電機存在著磁場無法調節的缺點，電機無法隨風速的變化調節發電 機輸出的端電壓。通過電勵磁的作用，可以根據需要改變電機氣隙磁場，進而根據風速的 變換方便的調節發電機的輸出電壓，從而更適用于風力發電機組的運行。
如圖l所示，對于二相發電機的一相來說，該磁通切換型混合勵磁橫向磁通風力發電 機的實體模型主要由以下幾個部分組成定子鐵心l、永磁體2和3、屯樞繞組4、電勵 磁繞組5、轉子鐵心6、磁橋7、非導磁材料定子套筒(電機機殼)8、非導磁材料轉子圓 筒9，發電機轉軸10和軸承11組成。各定子由定于鐵芯1和電樞繞組4和永磁體2和3 以及電勵磁繞組5構成，并在永磁體2、 3上端留有磁橋7;轉子部分包括相鄰且左、右 分別對齊間隔排列的轉子鐵心6構成。各定子鐵心l尺寸一致，且采用硅鋼片疊制，并安 裝在非導磁材料套筒(電機機殼)8內形成一個定子整體。各轉子鐵心6尺寸一致，且采 用硅鋼片疊制，并安裝在非導磁材料圓筒9上形成一個轉子整體，并與發電機轉軸10相 連，并通過軸承11與電機機殼8相連。以增強發電機轉子旋轉工作時的堅固性和可靠性， 保證發電機在運轉過程中的平穩運行。
對于三相發電機來說，在電機軸10的方向上，相應的共有三組同樣的定轉子結構， 并且使得每組結構的電角度相差120度。
在電勵磁繞組5的連接方式上，每相的電勵磁繞組采用串聯或者并聯的方式進行恰當 的連接，使得輸入同方向的電流時，可以起到同時增磁或弱磁的作用，而三相電勵磁繞組 5采用串聯方式連接，當氣隙磁場為正弦時，可以消除電勵磁繞組中感應電流對勵磁電流 的影響。
外轉子結構的電機也適用于此。
此外，從提高電機氣隙磁密和磁鋼的熱穩定性考慮，選擇具有較高矯頑力的釹鐵硼永 磁材料作為電機永磁體2和3的材料。
權利要求1、一種磁通可以調節的高功率密度發電機，其特征是定子是由分布在轉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)以及電勵磁繞組(5)構成；每個定子鐵心(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磁繞組(5)，每相相鄰兩個定子鐵心(1)的第一永磁體(2)、第二永磁體(3)磁極反向相反；各轉子鐵心(6)的尺寸相同，每相相鄰兩個轉子鐵心(6)左、右分別對齊間隔排列，轉子鐵心(6)采用硅鋼片疊制，并安裝在非導磁材料圓筒(9)上形成一個轉子整體，并與發電機轉軸(10)相連，最后通過軸承(11)與機殼(8)相連。
2、 根據權利1所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，其特征是各定子鐵心(1) 的尺寸相同，且采用硅鋼片疊制，并安裝在非導磁材料機殼(8)套筒內形成一個定子整 體。
3、 根據權利1所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，其特征是定子鐵心(1) 和轉子鐵心(6)有三組，在電機軸(10)方向，并排三組定子鐵心O)和二組轉子鐵心(6) ，并使得每組定子鐵心(1)相差120度電角度，或者使得每組轉子鐵心(6)相差 120度電角度，構成三相發電機。
4、 根據權利所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，其特征是定子鐵心(1) 和轉子鐵心(6)為極數2p的發電機時，每相具有2p個定子鐵心(1)和2p的轉子鐵心(6)。
5、 根據權利3所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，其特征是該發電機做三 相發電機時，每相的電勵磁繞組(5)采用串聯或者并聯的方式進行連接，當輸入同方向 的電流時，可以起到同時增磁或弱磁的作用，而三相電勵磁繞組(5)采用串聯方式連接， 當氣隙磁場為正弦時，可以完全消除電勵磁繞組中感應電流對勵磁電流的影響。
6、 根據權利1所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，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磁冋路的磁阻的磁 橋(7)。
7、 根據權利1所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，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、 根據權利1所述的磁通可以調節的高功率密度發電機，其特征是定子和轉子位 置可以互換，構成外轉子、內定子的結構形式。
專利摘要磁通可以調節的高功率密度發電機是一種高性能和可用于直接驅動的磁通可調節式的新型橫向磁通風力發電機。定子是由分布在轉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)以及電勵磁繞組(5)構成；每個定子鐵心(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磁繞組(5)，每相相鄰兩個定子鐵心(1)的兩永磁體磁極反向相反；各轉子鐵心(6)的尺寸相同，每相相鄰兩個轉子鐵心(6)左、右分別對齊間隔排列，轉子鐵心(6)采用硅鋼片疊制，并安裝在非導磁材料圓筒(9)上形成一個轉子整體，并與發電機轉軸(10)相連，最后通過軸承(11)與機殼(8)相連。
文檔編號H02K3/28GK201378789SQ200920035728
公開日2010年1月6日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者奕 馮, 林鶴云, 顏建虎 申請人:東南大學