CN105048677A - 一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子。解决了目前直驱永磁风力发电机转子存在稳定性差以及安装难度大等技术问题。本发明针对目前关于磁钢磁极设计、安装和固定出现的问题，提出了一种磁钢组件式直驱永磁转子，采用分段斜极结构有效减小齿槽转矩和转矩脉动，采用磁钢组件式结构，便于大批量生产制造，易于安装，提高了磁钢防腐等级，并采用了直线压条的安装固定形式，便于磁极安装固定，增加了磁极的可靠性。

Description

一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子。

背景技术

随着风力发电技术的迅猛发展，风力发电机组朝着大型化、大功率等特点不断发展。永磁直驱技术是风力发电的主力趋势之一，大型的直驱风力发电机是其关键部件，通常分为外转子结构和内转子结构，因外转子结构具有重量轻、体积小的优势，被广泛采用。

直驱永磁风力发电机定子直径尺寸达到4.5m以上，极数达到88或以上，磁极上安装磁钢。对于外转子永磁直驱风力发电机来说，磁钢磁极的设计、安装、固定一个难题。

对于永磁直驱发电机设计需要考虑的一个重要因素是，有效减小齿槽转矩和转矩脉动。齿槽转矩和转矩脉动是直驱永磁风力发电机的一个关键问题，齿槽转矩越小则意味着低的切入风速，发电机就可获得更多的能量；转矩脉动影响风机的稳定性和轴承的使用寿命，转矩脉动越小，风机的稳定性越好，对轴承的损害越小。对于永磁直驱发电机设计需要考虑的另一个重要因素是，磁钢的安装和固定，特别是外转子直驱发电机磁极的结构。外转子直驱发电机磁极一般采用表面安装方式，应用较多的是将永磁体安装于转子机壳上，外部采用灌封胶将其灌封固定，这种磁钢安装方式，不仅安装难度大，而且容易造成单个磁极表面不平，会在一定程度上影响电机的气隙和磁极灌封胶的均匀度，其制造效率较低、成本较高，不便于大批量生产。

发明内容

本发明为解决目前直驱永磁风力发电机转子存在稳定性差以及安装难度大等技术问题，提供一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，包括外转子机壳，环绕外转子机壳内圆周面固定有多个磁钢组件；每个磁钢组件包括由导磁材料制成的上表面开有凹槽的底板，凹槽内固定有磁钢，磁钢外部固定套有底部开口的保护盒；所述底板在水平面的投影呈平行四边形；底板上表面在靠近一对短侧边的两端向上突起呈一对凸台，两个凸台的内侧边即为凹槽的槽边，凹槽的两条槽边均与底板的两条长侧边垂直；四个磁钢组件构成一组并排成一列形成一个磁极，排成一列的四个磁钢组件的磁钢极性相同；每个磁极的四个底板都相互平行且四个底板的短侧边连成一条直线；所有磁极的四个底板的短侧边所连成的直线均和转子的轴线在同一水平面的投影成角度相同的倾斜角；相邻磁极的极性相反；磁钢组件以组为单元顺次环绕外转子机壳内圆周面排布；底板底面由一个短侧边向另一个短侧边呈与外转子机壳圆周面相配的圆弧形。

针对目前关于磁钢磁极设计、安装和固定出现的技术问题，本发明提出了一种磁钢组件式直驱永磁转子，采用分段斜极结构有效减小齿槽转矩和转矩脉动，采用磁钢组件式结构，便于大批量生产制造，易于安装，提高了磁钢防腐等级，并采用了直线压条的安装固定形式，便于磁极安装固定，增加了磁极的可靠性。

对于直驱永磁风力发电机来说，减小齿槽转矩和转矩脉动的方法有定子分数槽绕组和转子斜极等。转子斜极的结构形式是较好的一种形式，特别是在外转子结构形式下，可以有效减小齿槽转矩和转矩脉动。转子斜极分为两种：连续斜极和分段斜极。在直驱发电机上，如果采用连续斜极，需要将磁钢加工成异形，增加了制造的难度和生产成本，因此采用磁钢分段斜极结构是一种较好的方案。

本发明所述的磁钢组件包括：底板、磁钢、保护盒、铆钉。底板为导磁材料，底板上有槽，便于磁钢定位，底板底面c为圆弧形式（如图2所示），易于与外转子机壳贴合；磁钢为钕铁硼材料，容易腐蚀，需要考虑防腐；保护盒为不锈钢或塑料等材料，起到对磁钢的保护作用；铆钉为铜或不锈钢等材料，起到连接固定作用。

进一步的，组成一组的四个磁性组件均通过一对相互平行的压条固定在外转子机壳内圆周面上；每条压条均为直线结构。

进一步的，所述凹槽沿底板的短中心线方向呈前后贯通的结构。

进一步的，所述磁钢组件在制作时，先在保护盒内灌入环氧树脂，将磁钢放入保护盒内，再用铆钉将保护盒和底板铆接起来，就形成一个磁钢组件，然后充磁安装于外转子机壳的内圆周上。

进一步的，所述压条通过螺栓预固定于外转子机壳的内圆周上，外转子机壳上预先打好螺栓孔，通过磁钢组件安装工装依次将四个磁钢组件推入两列压条之间，形成一个磁极，然后将螺栓紧固。

本发明所述的磁钢组件生产时的优点：磁钢组件组装过程中磁钢不充磁，没有磁性，操作方便，没有危险；生产方便，便于大批量生产；磁钢置于保护盒内，且保护盒内灌封有环氧树脂，增强了磁钢防腐效果，提高直驱永磁发电机的使用寿命。

如图5所示，磁钢N1、N2、N3、N4同极性，固定于磁极底板上，磁极底板沿线F-1（四个底板的短侧边连线）形成一个磁极，线F-1与外转子轴线O-O形成磁极倾斜角，实现磁极连续斜极，磁钢分段斜极结构；磁钢S1、S2、S3、S4同极性，固定于磁极底板上，磁极底板沿线F-2形成一个磁极，线F-2与轴线O-O形成磁极倾斜角，实现磁极连续斜极，磁钢分段斜极结构。

所述的直驱永磁转子包括：外转子机壳、磁钢组件、压条和螺栓。

本发明的结构特点：连续斜极的磁极安装结构，分段斜极的磁钢分布结构，直线压条的固定结构。由于底板两个面b和面b’为平行面（图3所示，相当于两个短侧边所在的面），且与轴线有一定的倾斜角，即为磁极斜极角（4~10度），实现了斜极的结构。由于直驱电机的转子机壳直径比较大，通常达到4.5m，两列磁极直径可以采用直线形式的压条进行固定和压紧。由于底板倾斜了一个角度，固定在底板上的磁钢实现了分段斜极结构，但底板实现了连续斜极结构。

本发明的技术特点：

（1）采用分段斜极结构有效减小齿槽转矩和转矩脉动，提升发电机电气性能；

（2）采用磁钢组件式结构，便于大批量生产制造，易于安装，提高了磁钢防腐等级；

（3）采用了直线压条的安装固定形式，便于磁极安装固定，增加了磁极的可靠性。

本发明技术方案带来的有益效果：

采用分段斜极结构有效减小了齿槽转矩和转矩脉动，提升了发电机的电气性能，增强了电机的可靠性和使用寿命。图7和图8分别为某MW级直驱永磁风力发电机采用分段斜极和不斜极之后的齿槽转矩和负载转矩脉动的影响；

齿槽转矩：采用分段斜极，齿槽转矩脉动振幅（峰-峰）为额定转矩的约0.14%；采用不斜极，齿槽转矩脉动振幅（峰-峰）为额定转矩的约1.9%；

负载转矩：采用分段斜极，负载转矩脉动振幅（峰-峰）为额定转矩的约0.08%；采用不斜极，负载转矩脉动振幅（峰-峰）为额定转矩的约8.5%。

附图说明

图1本发明所述磁钢组件的结构示意图。

图2本发明所述底板的主视结构示意图（面b和b’为平行面，面a-b形成倾斜角，角度即为转子磁极倾斜角，底面c为弧面）。

图3本发明所述底板的俯视结构示意图。

图4本发明所述外转子机壳内圆周的局部结构示意图。

图5本发明所述磁钢组件安装于外转子机壳内圆周的结构示意图。

图6压条截面示意图。

图7分段斜极及不斜坡情况下对齿槽转矩的影响。

图8分段斜极及不斜坡情况下对发电机负载转矩的影响。

1-底板，2-磁钢，3-保护盒，4-铆钉，5-磁钢组件，6-外转子机壳，7-压条，8-螺栓。

具体实施方式

一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，包括外转子机壳6，环绕外转子机壳6内圆周面固定有多个磁钢组件5；每个磁钢组件5包括由导磁材料制成的上表面开有凹槽的底板1，凹槽内固定有磁钢2，磁钢2外部固定套有底部开口的保护盒3；所述底板2在水平面的投影呈平行四边形；底板2上表面在靠近一对短侧边的两端向上突起呈一对凸台，两个凸台的内侧边即为凹槽的槽边，凹槽的两条槽边均与底板1的两条长侧边垂直（如图3中a、a’所示）；四个磁钢组件5构成一组并排成一列形成一个磁极，排成一列的四个磁钢组件5的磁钢3极性相同；每个磁极的四个底板1都相互平行且四个底板1的短侧边连成一条直线；所有磁极的四个底板1的短侧边所连成的直线均和转子的轴线在同一水平面的投影成角度相同的倾斜角；相邻磁极的极性相反；磁钢组件5以组为单元顺次环绕外转子机壳内圆周面排布；底板1底面由一个短侧边向另一个短侧边呈与外转子机壳6圆周面相配的圆弧形。

组成一组的四个磁性组件5均通过一对相互平行的压条7固定在外转子机壳6内圆周面上；每条压条7均为直线结构。

所述凹槽沿底板1的短中心线方向呈前后贯通的结构。

磁钢组件生产过程：在保护盒内灌入环氧树脂，将磁钢放入保护盒内，再用铆钉将保护盒和底板铆接起来，形成一个磁钢组件，然后充磁安装与转子机壳上。

直驱永磁转子生产过程：首先将压条通过螺栓预固定于转子机壳上，转子机壳上预先打好螺栓孔，通过磁钢组件安装工装将磁钢推入两列压条之间，每条压条为直线结构，然后将螺栓8紧固，由多块磁钢组件形成一个磁极，每一列磁钢的极性是相同的，与相邻列的极性是相反的，将所有磁钢组件安装完成形成直驱永磁转子。

图1中为了显示磁钢将保护盒的一角去掉了。图6为压条的横截面图，呈一个中部向上突起的结构。保护盒底部开口与底板长侧边对应的边沿水平向外延伸，延伸段与底板之间通过铆钉固定。底板圆弧呈一条短侧边向另一条短侧边的走向。

Claims (5)

1.一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，包括外转子机壳（6），其特征在于，环绕外转子机壳（6）内圆周面固定有多个磁钢组件（5）；每个磁钢组件（5）包括由导磁材料制成的上表面开有凹槽的底板（1），凹槽内固定有磁钢（2），磁钢（2）外部固定套有底部开口的保护盒（3）；所述底板（2）在水平面的投影呈平行四边形；底板（2）上表面在靠近一对短侧边的两端向上突起呈一对凸台，两个凸台的内侧边即为凹槽的槽边，凹槽的两条槽边均与底板（1）的两条长侧边垂直；四个磁钢组件（5）构成一组并排成一列形成一个磁极，排成一列的四个磁钢组件（5）的磁钢（3）极性相同；每个磁极的四个底板（1）都相互平行且四个底板（1）的短侧边连成一条直线；所有磁极的四个底板（1）的短侧边所连成的直线均和转子的轴线在同一水平面的投影成角度相同的倾斜角；相邻磁极的极性相反；磁钢组件（5）以组为单元顺次环绕外转子机壳内圆周面排布；底板（1）底面由一个短侧边向另一个短侧边呈与外转子机壳（6）圆周面相配的圆弧形。

2.如权利要求1所述的一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，其特征在于，组成一组的四个磁性组件（5）均通过一对相互平行的压条（7）固定在外转子机壳（6）内圆周面上；每条压条（7）均为直线结构。

3.如权利要求1或2所述的一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，其特征在于，所述凹槽沿底板（1）的短中心线方向呈前后贯通的结构。

4.如权利要求1或2所述的一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，其特征在于，所述磁钢组件（5）在制作时，先在保护盒（3）内灌入环氧树脂，将磁钢（2）放入保护盒（3）内，再用铆钉（4）将保护盒和底板（1）铆接起来，就形成一个磁钢组件，然后充磁安装于外转子机壳（6）的内圆周上。

5.如权利要求2所述的一种磁钢组件式结构的直驱永磁转子，其特征在于，所述压条（4）通过螺栓预固定于外转子机壳（6）的内圆周上，外转子机壳（6）上预先打好螺栓孔，通过磁钢组件安装工装依次将四个磁钢组件推入两列压条（4）之间，形成一个磁极，然后将螺栓紧固。