專利名稱：一種混合型中速永磁風力發電機及其機組的制作方法
技術領域：
一種混合型中速永磁風力發電機及其機組技術領域[0001]本實用新型涉及一種永磁風力發電機及其組成的風力發電機組，具體地，涉及一種混合型中速永磁同步風力發電機及其組成的準直驅大型永磁同步風力發電機組。
背景技術：
[0002]隨著全球對風電能源日益增長的需求，對風力發電機組的技術先進性和生產成本提出了越來越大的挑戰。目前功率在兆瓦級及以上的大型風電機組中，采用永磁發電機的風電機組有高速永磁風力發電機組、中速永磁半直驅風力發電機組和直驅永磁風力發電機組。高速永磁風力發電機速度高、尺寸小，重量輕，效率高，但其組成的高速永磁風力發電機組的傳動鏈中必須要有大功率變速箱，這對機組的可靠性和可維護性提出了苛刻的要求。 中速永磁風力發電機重量與尺寸中等，但其組成的半直驅風力發電機組仍需要大功率變速箱；直驅永磁型風力發電機組避免了大功率齒輪箱的維護工作量，可靠性有所提高。但由于直驅永磁發電機轉速很低，隨著功率的增大，其尺寸和重量將越來越大，成本也會越來越高，給機組的運輸也帶來極大困難。針對上述問題，如何使電機單位體積的輸出功率增大， 減小電機體積和重量，既降低成本，又能方便運輸等問題亟待解決。實用新型內容[0003]為了克服現有的大型高速永磁風力發電機組、中速永磁半直驅風力發電機組、直驅永磁風力發電機機組或需要大功率變速箱或尺寸重量大、成本高、運輸困難等存在的不足，本實用新型的目的在于提供一種混合型中速永磁風力發電機及其機組；該混合型中速永磁風力發電機尺寸重量與常規中速永磁發電機相當，組成的準直驅風力發電機組又無需大功率變速齒箱，具有與直驅永磁風力發電機組一樣的高可靠性，既降低了永磁發電機的尺寸、重量與成本，又解決了大型直驅永磁風力發電機組的運輸問題。[0004]為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案[0005]一種混合型中速永磁風力發電機，由外至內依次包括定子、外轉子、內轉子；定子包括定子鐵芯、設置在定子鐵芯上的定子繞組、粘貼于定子鐵芯內表面的永磁體；外轉子包括導磁鐵軛及填充于導磁鐵軛之間的非導磁塊；內轉子包括內轉子永磁體及設置在其內的內轉子轉軸；所述定子鐵芯、定子繞組、內轉子永磁體、內轉子轉軸組成一臺中速永磁發電機；所述定子鐵芯內表面的永磁體、外轉子、內轉子永磁體、內轉子轉軸組成一臺電磁變速ο[0006]進一步地，所述定子繞組與內轉子永磁體具有完全一樣的極對數。[0007]進一步地，所述定子繞組可采用分布式繞組形式、分數槽繞組形式或分數槽單節距繞組形式。[0008]進一步地，所述外轉子上導磁鐵軛的極數等于定子鐵芯內表面上的永磁體極對數與內轉子永磁體極對數之和。[0009]進一步地，所述定子鐵芯內表面上的永磁體的極對數與內轉子永磁體的極對數之比為混合型中速永磁發電機的內轉子與外轉子的轉速之比。[0010]進一步地，所述外轉子中的導磁鐵軛及非導磁塊依次相間排列。[0011]一種混合型中速永磁風力發電機組，包括上述的混合型中速永磁風力發電機。[0012]進一步地，混合型中速永磁風力發電機組包括風機輪轂、輪轂軸、主軸承、外轉子低速軸、外轉子前轉盤、發電機前軸承、發電機外殼、定子、外轉子、內轉子永磁體、內轉子轉軸、發電機后軸承、外轉子后轉盤、機架；所述輪轂軸安裝在主軸承的內環中，輪轂軸的前端與風機輪轂緊固，后端與外轉子低速軸緊固；所述外轉子通過外轉子前轉盤、外轉子后轉盤固定于外轉子低速軸上；所述內轉子永磁體、內轉子轉軸組成內轉子，內轉子兩端分別裝有發電機前軸承、發電機后軸承，外轉子低速軸安裝在發電機前軸承與發電機后軸承的內環中；所述定子安裝在發電機外殼內，主軸承的外環安裝發電機外殼內；所述發電機外殼與機架緊固在一起。[0013]進一步地，所述主軸承采用雙列圓錐滾子軸承。[0014]進一步地，所述發電機前軸承和發電機后軸承均為深溝球軸承。[0015]本實用新型由于采取以上技術方案，具有以下優點[0016]1、簡化了風力發電機組的傳動系統，省去了大功率機械變速齒箱。[0017]2、由于其組成的風力發電機組省去了大功率機械變速齒箱，就同時省去了復雜的油處理系統。[0018]3、本實用新型的發電機采用混合型中速永磁發電機，使電機單位體積的輸出功率增大，從而減小電機體積和重量，既降低了成本，又方便了運輸。[0019]4、本實用新型的混合型中速永磁發電機，相對于同容量的直驅低速永磁發電機， 體積重量小，效率高，降低了對冷卻系統的要求。[0020]5、采用混合型中速永磁發電機組成的準直驅永磁風力發電機組，由于電機的尺寸大大減小，由此帶來機組的機艙尺寸也大大減小，重量減輕，大大降低了機艙的成本。本實用新型可以廣泛代替直驅型永磁風力發電系統。[0021]下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
[0022]圖1是本實用新型的混合型中速永磁發電機的定轉子截面圖；[0023]圖2是由混合型中速永磁風力發電機組成的準直驅永磁風力發電機組的系統結構圖；[0024]圖3是結合具體實施例的混合型中速永磁發電機在沒有安裝定子鐵芯內表面的永磁體時的磁場分布云圖；[0025]圖4是結合具體實施例的混合型中速永磁發電機在沒有安裝定子鐵芯內表面的永磁體時外轉子所處位置磁場的諧波階數分布圖。
具體實施方式
[0026]
以下結合附圖對本實用新型的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。[0027]如圖1所示，本實用新型的混合型中速永磁風力發電機，由外至內依次包括定子、外轉子、內轉子；定子包括定子鐵芯8 (a)、設置在定子鐵芯8 (a)上的定子繞組8 (b)、粘貼于定子鐵芯8 (a)內表面的永磁體8 (c)；外轉子包括導磁鐵軛9 (a)、填充于導磁鐵軛9 (a) 之間的非導磁塊9(b)；內轉子永磁體10與設置在其內的內轉子轉軸11組成發電機的內轉子。[0028]定子鐵芯8 (a)、定子繞組8 (b)、內轉子永磁體10、內轉子轉軸11組成一臺中速永磁發電機；定子繞組8(b)與內轉子永磁體10具有完全一樣的極對數。定子繞組8(b)可采用分布式繞組形式、分數槽繞組形式或分數槽單節距繞組形式等。[0029]粘貼于定子鐵芯8 (a)內表面的永磁體8 (c)、外轉子、內轉子永磁體10、內轉子轉軸11組成一臺電磁變速器。永磁體8(C)的極對數與內轉子永磁體10的極對數之比為混合型永磁發電機內轉子與外轉子的轉速之比。[0030]導磁鐵軛9 (a)的極數為永磁體8 (c)的極對數與內轉子永磁體10的極對數之和。[0031]外轉子中的導磁鐵軛9(a)及非導磁塊9(b)依次相間排列。[0032]本實用新型的混合型中速永磁風力發電機即由一臺中速永磁發電機和一臺電磁變速器組成，電磁變速器取代了常規的機械變速器。其工作原理是[0033]以圖1為例定子鐵芯8 (a)、定子繞組8 (b)、內轉子永磁體10、內轉子轉軸11組成一臺中速永磁發電機；粘貼于定子鐵芯8 (a)內表面的永磁體8 (c)、外轉子、內轉子永磁體 10、內轉子轉軸11組成一臺電磁變速器。中速永磁發電機的極對數Pl = 2，定子繞組8 (b) 與內轉子永磁體10具有完全一樣的極對數，即為2對極。粘貼于定子鐵芯8(a)內表面的永磁體8 (c)的極對數P2 = 21，外轉子的導磁鐵軛的極數P3 = 23。[0034]如圖3所示，為結合具體實施實例的混合型中速永磁發電機在沒有安裝定子鐵芯 8(a)內表面的永磁體8(c)時的磁場分布云圖，指引項15為外轉子所處位置的磁場分布云圖。[0035]如4所示，為結合具體實施實例的混合型中速永磁發電機在沒有安裝定子鐵芯 8(a)內表面的永磁體8(c)時外轉子所處位置磁場的諧波階數分布圖，其中，a為外轉子所處位置包含的基波磁場，b為外轉子所處位置包含的高階諧波磁場。[0036]由圖3、圖4可知，由定子鐵芯8 (a)、定子繞組8 (b)、內轉子永磁體10、內轉子轉軸 11組成的中速永磁發電機的磁場極對數為Pl = 2，與內轉子永磁體10的極對數一樣，外轉子所處位置除了有2階基波磁場外，還有很多高階諧波磁場，其中就有21階高次諧波磁場。 當定子鐵芯8 (a)內表面粘貼具有極對數P2 = 21的永磁體8 (c)后，21對極的永磁體8 (c) 也在外轉子所處位置產生與其極對數一樣的21階磁場分布。內轉子永磁體10在外轉子所處位置產生的21階高次諧波磁場與永磁體8 (c)在外轉子所處位置產生的21階磁場相互耦合同步，根據電機學同步發電機基本原理nN = 60*f/P，其中，nN為電機轉速，f為電源頻率，P為電機的極對數，可見，外轉子的轉速為nN2 = 60*f/P2 ；而內轉子的轉速nm = 60*f/Pl, ηΝ1/ηΝ2 = P2/P1 = 21/2 = 10. 5，實現了內、外轉子的電磁變速。[0037]圖2所示為由上述混合型中速永磁風力發電機組成的準直驅永磁風力發電機的系統結構圖。圖中短小的中心線表示不同規格的螺栓。該準直驅風力發電機組包括風機輪轂1、輪轂軸2、主軸承3、外轉子低速軸4、外轉子前轉盤5、發電機前軸承6、發電機外殼 7、定子8、外轉子9、內轉子永磁體10、內轉子轉軸11 (高速軸)、發電機后軸承12、外轉子后轉盤13和機架14。[0038]輪轂軸2安裝在主軸承3的內環中，主軸承3采用雙列圓錐滾子軸承。輪轂軸2 的前端與風機輪轂1緊固，后端與外轉子低速軸4緊固。[0039]外轉子9通過外轉子前轉盤5、外轉子后轉盤13固定在外轉子低速軸4上。[0040]內轉子永磁體10、內轉子轉軸11組成發電機內轉子，內轉子兩端分別裝有發電機前軸承6、發電機后軸承12，該發電機前軸承6和發電機后軸承12均為深溝球軸承，或具有等同功能的其它形式軸承，外轉子低速軸4安裝在發電機前軸承6與發電機后軸承12的內環中。[0041]定子8安裝在發電機外殼7內。[0042]主軸承3的外環安裝在發電機外殼7內。[0043]發電機外殼7與機架14通過螺栓緊固在一起。[0044]本實用新型依靠混合型永磁發電機技術，既提高了永磁發電機的轉速，降低了永磁發電機的體積和重量及其生產成本，應用于風力機組，又省去了大功率變速箱及其復雜的油處理系統，簡化了風力機組的傳動鏈結構，降低了電機對冷卻系統的要求，減低了機艙重量及成本，提高了風電機組的可高性，降低了大型直驅永磁發電機組的運輸困難。適用于兆瓦級及以上的大型永磁風力發電機組。[0045]最后應說明的是以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種混合型中速永磁風力發電機，其特征在于由外至內依次包括定子、外轉子、內轉子；定子包括定子鐵芯、設置在定子鐵芯上的定子繞組、粘貼于定子鐵芯內表面的永磁體；外轉子包括導磁鐵軛及填充于導磁鐵軛之間的非導磁塊；內轉子包括內轉子永磁體及設置在內轉子永磁體內的內轉子轉軸；所述定子鐵芯、定子繞組、內轉子永磁體、內轉子轉軸組成一臺中速永磁發電機；所述定子鐵芯內表面的永磁體、外轉子、內轉子永磁體、內轉子轉軸組成一臺電磁變速O
2.根據權利要求1所述的混合型中速永磁風力發電機，其特征在于所述定子繞組與內轉子永磁體具有完全一樣的極對數。
3.根據權利要求2所述的混合型中速永磁風力發電機，其特征在于所述定子繞組可采用分布式繞組形式、分數槽繞組形式或分數槽單節距繞組形式。
4.根據權利要求1、2或3所述的混合型中速永磁風力發電機，其特征在于所述外轉子上導磁鐵軛的極數等于定子鐵芯內表面上的永磁體極對數與內轉子永磁體極對數之和。
5.根據權利要求4所述的混合型中速永磁風力發電機，其特征在于所述定子鐵芯內表面上的永磁體的極對數與內轉子永磁體的極對數之比為混合型中速永磁發電機的內轉子與外轉子的轉速之比。
6.根據權利要去4所述的混合型中速永磁風力發電機，其特征在于所述外轉子中的導磁鐵軛及非導磁塊依次相間排列。
7.一種混合型中速永磁風力發電機組，其特征在于包括權利要求1-6任一項所述的混合型中速永磁風力發電機。
8.根據權利要求7所述的混合型中速永磁風力發電機組，其特征在于包括風機輪轂、輪轂軸、主軸承、外轉子低速軸、外轉子前轉盤、發電機前軸承、發電機外殼、定子、外轉子、內轉子永磁體、內轉子轉軸、發電機后軸承、外轉子后轉盤、機架；所述輪轂軸安裝在主軸承的內環中，輪轂軸的前端與風機輪轂緊固，后端與外轉子低速軸緊固；所述外轉子通過外轉子前轉盤、外轉子后轉盤固定于外轉子低速軸上；所述內轉子永磁體、內轉子轉軸組成內轉子，內轉子兩端分別裝有發電機前軸承、發電機后軸承，外轉子低速軸安裝在發電機前軸承與發電機后軸承的內環中；所述定子安裝在發電機外殼內，主軸承的外環安裝發電機外殼內；所述發電機外殼與機架緊固在一起。
9.根據權利要求8所述的混合型中速永磁風力發電機組，其特征在于所述主軸承采用雙列圓錐滾子軸承。
10.根據權利要求8或9所述的混合型中速永磁風力發電機組，其特征在于所述發電機前軸承和發電機后軸承均為深溝球軸承。
專利摘要本實用新型公開了一種混合型中速永磁風力發電機，由外至內依次包括定子、外轉子、內轉子；定子包括定子鐵芯、定子繞組、粘貼于定子鐵芯內表面的永磁體；外轉子包括導磁鐵軛及填充于導磁鐵軛之間的非導磁塊；內轉子包括內轉子永磁體及設置在其內的內轉子轉軸；上述結構構成了一臺中速永磁發電機及一臺電磁變速器。本實用新型還公開了一種由上述風力發電機組成的準直驅永磁風力發電機組。本實用新型的混合型中速永磁風力發電機尺寸重量與常規中速永磁發電機相當，組成的準直驅風力發電機組又無需大功率變速齒箱，具有與直驅永磁風力發電機組一樣的高可靠性，既降低了永磁發電機的尺寸、重量與成本，又解決了大型直驅永磁風力發電機組的運輸問題。
文檔編號H02K16/02GK202282706SQ20112043257
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者秦明, 肖珊彩 申請人:國電聯合動力技術有限公司