CN101702558A - 盘式永磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的盘式永磁风力发电机涉及风力发电机。它至少包括外壳、定子、转子、发电机轴和轴承；发电机轴设置在外壳的轴心线位置，它的两端分别通过轴承架设在外壳上，发电机轴的一端伸出壳体外，另一端设置在外壳内；定子由定子线圈托架和定子线圈组成，定子线圈托架采用放射状均布的分布式结构，定子固定在外壳上；转子径向固定在发电机轴上，并与定子相对设置，定子与转子之间留有气隙；其特征在于：定子线圈托架为双层，采用无交叉叠放方式，定子线圈为两组，分别缠绕在定子线圈托架的两个层面上，转子有两只，分别设置在定子的两侧。本发明具有无摩擦阻力，无噪音，能充分利用磁场，启动风力小，发电量大，结构简单的优点。

Description

盘式永磁风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机，特别是轴向磁场发电机。

背景技术

风力发电是较容易获得的清洁能源之一，现有技术中已经公开了许多种基于风力能源的轴向磁场发电机。如申请号为200610069654.5的发明专利申请“一种盘式风力发电机”，它公开了：定子由绕组线圈组成，不含铁磁材料；固定在转子轴上的永磁体是以转子轴为轴线的回转体，且与固定在上、下壳体内的永磁体相对应，相对面的极性相同，两者间留有间隙，该回转体的母线是弧线或折线或斜线的技术方案。经研究发现，该技术方案存在如下缺陷：1、根据此发明，由于单组线圈在磁极内侧线圈比较拥挤，布线时比较麻烦，功率不能过大，10KW以上电机盘径会很大，用线量增大、与其它普通电机相当，浪费磁场空间，没有经济价值；2、根据此发明的磁性材料代替轴承的图形设计结构，其加工工艺无法实现，因为磁性材料的极性是在磁性物体的两端，要么是纵向，要么是横向，其设计结构是异型的，除非将磁性材料分层好多型块，才能实现，这样就很复杂，因此不可取。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供了一种能充分利用磁场，发电量大的盘式永磁风力发电机。

本发明的技术解决方案是：盘式永磁风力发电机，它至少包括外壳、定子、转子、发电机轴和轴承；发电机轴设置在外壳的轴心线位置，它的两端分别通过轴承架设在外壳上，发电机轴的一端伸出壳体外，另一端设置在外壳内；定子由定子线圈托架和定子线圈组成，定子线圈托架采用放射状均布的分布式结构，定子固定在外壳上；转子径向固定在发电机轴上，并与定子相对设置，定子与转子之间留有气隙；其特征在于：定子线圈托架为双层，采用无交叉叠放方式，定子线圈为两组，分别缠绕在定子线圈托架的两个层面上，转子有两只，分别设置在定子的两侧。

进一步的说，定子为24～72极，磁体间距为磁极厚度的1.2～1.8倍。

进一步的说，转子由转子托架和永磁瓦片组成，永磁瓦片嵌入式安装在转子托架上，永磁瓦片为12～36个极对数，永磁瓦片的厚度为气隙的4～10倍。

进一步的说，所述气隙厚度为1～2毫米。

进一步的说，所述轴承为深沟轴承。

进一步的说，所述轴承为强磁轴承，它由强磁瓦片座I、强磁瓦片座II、若干强磁瓦片I和若干强磁瓦片II组成；强磁瓦片座I为圆锥台，其锥角大于30度，强磁瓦片I为扇形，若干强磁瓦片I嵌入式环设在强磁瓦片座I的侧面上；强磁瓦片座II为环形体，其外侧面为圆柱形，内侧面为与强磁瓦片座I对应的圆锥台形，强磁瓦片II为扇形，若干强磁瓦片II嵌入式环设在强磁瓦片座II的内侧面上；强磁瓦片座II套设在强磁瓦片座I上，强磁瓦片I和强磁瓦片II为同极永磁体，强磁瓦片座I设有与发电机轴配合的中心通孔。

进一步的说，所述永磁瓦片、强磁瓦片I和、强磁瓦片II均可采用钕铁硼永磁或釤钴永磁铁材料。

本发明具有以下结构特点：(1)不需要励磁电路，结构简单，有较高的功率质量比；轴向尺寸短适用于要求薄型安装的场合；电枢绕组两端面直接与气隙接触，有利于电枢绕组散热，运行中允许较大的电负荷。(2)双边结构永磁体轴向对称，对电枢绕组不发生单边磁拉力，因此不会造成电枢变形影响电机的性能。(3)电枢绕组的电感和电阻小，电机运行电阻损耗小，效率高。(4)定子不开槽，电机的设计不需要考虑齿槽效应，电机运行噪音很小，开槽引起的电机震动和转子的高频损耗也都不再存在。除此以外，本发明最主要的优点在于：采用两个定子、两个转子，即两组发电装置，充分利用磁能量，电机盘径无需做大。由于没有定子铁心硅钢片，在转子与定子之间没有磁吸力，因此其启动扭矩很小，小于0.7千克米。由于定子线圈的两侧均有磁铁，因此线圈是在饱和磁场中进行切割，电机运转10转以上就能产生12伏以上电压，因此1米/秒的风速就能启动，在3～10米/秒的风速内就能产生人们所需要的强大电量，是同类发电机发电量的2～3倍，经济价值明显。本发明采用强磁轴承时，由磁悬浮来承载转子、发电机轴和风动叶片的自重；由于强磁轴承中的强磁瓦片斜向设置，产生了纵向和径向磁悬浮力，使得整个发电机的转动部分完全实现了磁悬浮。强磁轴承采用镶嵌式结构，不仅解决了用低成本制造大型磁悬浮载物的工艺问题，而且使得维修和更换更为方便。本发明之盘式永磁风力发电机具有无摩擦阻力，无噪音，能充分利用磁场，启动风力小，发电量大，结构简单，维修方便的优点。

附图说明

图1为本发明分解示意图。

图2为本发明定子线圈托架立体图。

图3为本发明定子外壳立体图。

图4为本发明使用深沟轴承的电机结构示意图。

图5为本发明使用强磁轴承的电机结构示意图。

图6为本发明强磁轴承分解图。

图7为本发明电机磁场示意图。

图中，1、顶盖，2、转子托架，3、永磁瓦片，4、定子线圈托架，5、定子外壳，6、发电机轴，7、键，8、轴用弹性挡圈，9、底盖，10、螺栓，11、深沟轴承，12、强磁轴承，13、强磁瓦片座I，14、强磁瓦片I，15、强磁瓦片II，16、强磁瓦片座II。

具体实施方式

实施例一：深沟轴承盘式永磁风力发电机

深沟轴承盘式永磁风力发电机，它由外壳、定子、转子、发电机轴6和深沟轴承11组成。

外壳包括定子外壳5、顶盖1和底盖9，定子外壳5、顶盖1和底盖9采用压铸铝材质，定子外壳5为环形，其内壁中部设有若干“凸”形块，顶盖1和底盖9分别通过若干螺栓10固定在定子外壳5上。

发电机轴6设置在外壳的轴心线位置，它的两端分别通过深沟轴承11架设在顶盖1和底盖9上，发电机轴6的一端伸出顶盖1外，另一端设置在底盖9内，该端顶头设有轴用弹性挡圈8。

定子由定子线圈托架4和定子线圈组成。定子线圈托架4呈环状，采用放射状均布的分布式结构，无交叉叠放为双层，定子线圈托架4的侧面中部设置有与定子外壳5“凸”形块数量、形状匹配的“凹”形块，定子线圈托架4由酚醛塑料压铸成型。定子线圈为两组，分别缠绕在定子线圈托架4的两个层面上，定子线圈中的漆包线采用铜线或镀银铜线或镀锡铜线材质，定子线圈托架4内、外径以外部分的绕线必须做成弧形。定子与定子外壳5通过“凸”形块、“凹”形块啮合固定联接。定子采用72槽数。

转子有两只，分别通过键7径向固定在发电机轴6上，定子的两侧。定子与转子之间留有气隙，气隙的厚度为1毫米。转子由转子托架2和永磁瓦片3组成。转子托架2采用铝材质压铸成盘形，转子托架2与永磁瓦片3的接触面压铸有若干区隔筋，用于区隔和镶嵌永磁瓦片3，转子托架2与永磁瓦片3的非接触面上压铸有若干加强筋。永磁瓦片3呈扇形，嵌入式安装在转子托架2上。永磁瓦片3为12个极对数，采用钕铁硼永磁材料制造，磁体间距为磁极厚度的1.2倍。永磁瓦片3的厚度为气隙厚度的6倍。

实施例二：强磁轴承盘式永磁风力发电机

强磁轴承盘式永磁风力发电机，它由外壳、定子、转子、发电机轴6和强磁轴承12组成。

外壳包括定子外壳5、顶盖1和底盖9，定子外壳5、顶盖1和底盖9采用压铸铝材质，定子外壳5为环形，其内壁中部设有若干“凸”形块，顶盖1和底盖9分别通过若干螺栓10固定在定子外壳5上。

发电机轴6设置在外壳的轴心线位置，它的两端分别通过强磁轴承12架设在顶盖1和底盖9上，发电机轴6的一端伸出顶盖1外，另一端设置在底盖9内。

强磁轴承12由强磁瓦片座I 13、强磁瓦片座II 16、若干强磁瓦片I 14和若干强磁瓦片II 15组成；强磁瓦片座I 13为圆锥台，其锥角大于30度，强磁瓦片I 14为扇形，若干强磁瓦片I 14嵌入式环设在强磁瓦片座I 13的侧面上；强磁瓦片座II 16为环形体，其外侧面为圆柱形，内侧面为与强磁瓦片座I 13对应的圆锥台形，强磁瓦片II 15为扇形，若干强磁瓦片II 15嵌入式环设在强磁瓦片座II 16的内侧面上；强磁瓦片座II 16套设在强磁瓦片座I 13上，强磁瓦片I 14和强磁瓦片II 15为同极钕铁硼永磁材料永磁体，强磁瓦片座I 13设有与发电机轴6配合的中心通孔。强磁瓦片I 14和强磁瓦片II 15之间必须保持一定的气隙厚度1～2毫米，强磁瓦片I 14和强磁瓦片II 15的长度及厚度，取决于转子、发电机轴6、风动叶片的重量及外间的推力，强磁瓦片I 14和强磁瓦片II 15间所产生出来的推力必需大于上述重量的1.2倍。

定子由定子线圈托架4和定子线圈组成。定子线圈托架4呈环状，采用放射状均布的分布式结构，无交叉叠放为双层，定子线圈托架4的侧面中部设置有与定子外壳5“凸”形块数量、形状匹配的“凹”形块，定子线圈托架4由酚醛塑料压铸成型。定子线圈为两组，分别缠绕在定子线圈托架4的两个层面上，定子线圈中的漆包线采用铜线或镀银铜线或镀锡铜线材质，定子线圈托架4内、外径以外部分的绕线必须做成弧形。定子与定子外壳5通过“凸”形块、“凹”形块啮合固定联接。定子采用72槽数。

转子有两只，分别通过键7径向固定在发电机轴6上，定子的两侧。定子与转子之间留有气隙，气隙厚度为2毫米。转子由转子托架2和永磁瓦片3组成。转子托架2采用铝材质压铸成盘形，转子托架2与永磁瓦片3的接触面压铸有若干区隔筋，用于区隔和镶嵌永磁瓦片3，转子托架2与永磁瓦片3的非接触面上压铸有若干加强筋。永磁瓦片3呈扇形，嵌入式安装在转子托架2上。永磁瓦片3为36个极对数，磁体间距为磁极厚度的1.8倍，采用釤钴永磁铁，永磁瓦片3的厚度是气隙厚度的8倍。

本设计采用双边磁体，主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相对的另一极，沿周向经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合，如图7所示。在试验过程中，通过采用控制器根据位置传感器检测的转子位置信号，触发相应的电子开关元件，给电枢供电。径向通电导体在轴向磁场的作用下产生切向电磁力，驱动转子旋转。分析试验结果表明，采用双边磁体结构，气隙磁密比单边磁体结构高出10％左右，并且可改善极面下磁密分布的均匀性。即双转子结构可以更充分地利用永磁材料，这有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。此外，转子旋转时磁极具有风扇作用，还有利于电机的散热。

本具体实施方式中所公开的两个实施例仅代表两个具体实施的个例，任何根据本发明技术解决方案推导出的具体实施的方案，均在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.盘式永磁风力发电机，它至少包括外壳、定子、转子、发电机轴和轴承；发电机轴设置在外壳的轴心线位置，它的两端分别通过轴承架设在外壳上，发电机轴的一端伸出壳体外，另一端设置在外壳内；定子由定子线圈托架和定子线圈组成，定子线圈托架采用放射状均布的分布式结构，定子固定在外壳上；转子径向固定在发电机轴上，并与定子相对设置，定子与转子之间留有气隙；其特征在于：定子线圈托架为双层，采用无交叉叠放方式，定子线圈为两组，分别缠绕在定子线圈托架的两个层面上，转子有两只，分别设置在定子的两侧。

2.据权利要求1所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：定子为24～72极，磁体间距为磁极厚度的1.2～1.8倍。

3.据权利要求1所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：转子由转子托架和永磁瓦片组成，永磁瓦片嵌入式安装在转子托架上，永磁瓦片为12～36个极对数，永磁瓦片的厚度为气隙的4～10倍。

4.据权利要求1所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：所述气隙厚度为1～2毫米。

5.据权利要求1所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：所述轴承为深沟轴承。

6.据权利要求1所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：所述轴承为强磁轴承，它由强磁瓦片座I、强磁瓦片座II、若干强磁瓦片I和若干强磁瓦片II组成；强磁瓦片座I为圆锥台，其锥角大于30度，强磁瓦片I为扇形，若干强磁瓦片I嵌入式环设在强磁瓦片座I的侧面上；强磁瓦片座II为环形体，其外侧面为圆柱形，内侧面为与强磁瓦片座I对应的圆锥台形，强磁瓦片II为扇形，若干强磁瓦片II嵌入式环设在强磁瓦片座II的内侧面上；强磁瓦片座II套设在强磁瓦片座I上，强磁瓦片I和强磁瓦片II为同极永磁体，强磁瓦片座I设有与发电机轴配合的中心通孔。

7.据权利要求3所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：所述永磁瓦片采用钕铁硼永磁或釤钴永磁铁材料。

8.据权利要求6所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：强磁瓦片I和强磁瓦片II之间必须保持一定的气隙厚度1～2毫米，强磁瓦片I和强磁瓦片II的长度及厚度，取决于转子、发电机轴6、风动叶片的重量及外间的推力，强磁瓦片I和强磁瓦片II间所产生出来的推力必需大于上述重量的1.2倍。

9.据权利要求6所述的盘式永磁风力发电机，其特征在于：所述强磁瓦片I和强磁瓦片II采用钕铁硼永磁或釤钴永磁铁材料。

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