CN116094199A - 一种复用型模块化永磁风力发电机定子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及永磁风力发电机领域，具体公开了一种复用型模块化永磁风力发电机定子结构，包括定子铁心单元，所述定子铁心单元沿圆周方向开设有定子槽，相邻的所述定子槽之间形成定子齿，所述定子铁心单元两侧设有工质可在重力作用下自然回流的第一重力式微热管阵列；和/或，所述定子齿底部设有凹槽，所述凹槽中设有工质可在重力作用下自然回流的第二重力式微热管阵列。本发明具有构造简单、成本低，可以实现风力发电机的高效散热，提升工作效率和运行可靠性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及永磁风力发电机领域，尤其涉及一种复用型模块化永磁风力发电机定子结构。
背景技术
当下，我国正面临产业转型升级和创新发展，能源结构处于向清洁能源转型的重大调整阶段，风力发电作为清洁能源发电的主要项目，在促进我国能源结构转型、确保能源安全、缓解生态与环境危机等方面扮演着至关重要的角色。由于高能永磁材料和电力电子技术方面取得的发展，永磁电机也凭借其高功率密度、高效率及强容错性的优点在风电装备等领域中展现巨大的竞争优势。
随着风力发电领域对电机功率等级的需求日益提升，风力发电机尺寸的进一步大型化已成为风电技术的重要发展方向，巨型风机的制造、安装和维修问题成为了本领域技术发展的关键问题。永磁风力发电机的定子往往采用分段设计以解决制造和安装等问题，将大功率电机拆分为多模块组合的结构，十分适用于风力发电领域。但传统多模块组合的结构中，定子模块间不存在隔离，模块间严重耦合，故障容易从单一故障点扩散到整个电机。此外，模块化电机常采用分数槽集中式绕组定子结构，电机气隙中存在大量次谐波磁场，这必然会增加电机的谐波损耗，加剧振动噪声和转矩脉动等问题，对电机的稳态性能产生不良影响。
与此同时，大功率风力发电机具有温升高、体积大的特点，传统风力发电机一般采用强制风冷的散热方式，但作为传热介质的空气热容较低且热响应速度慢，不能大量消纳热量，无法适应日益发展的需求；而且空气对流换热系数小，换热效率低，散热结构需要设计更大的换热面积，导致***体积庞大。因此，传统冷却方式已经无法同时兼顾大功率风力发电机的结构特点、冷却要求和经济性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种构造简单、成本低，可以实现风力发电机的高效散热，提升工作效率和运行可靠性的复用型模块化永磁风力发电机定子结构。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种复用型模块化永磁风力发电机定子结构，包括定子铁心单元，所述定子铁心单元沿圆周方向开设有定子槽，相邻的所述定子槽之间形成定子齿，所述定子铁心单元两侧设有工质可在重力作用下自然回流的第一重力式微热管阵列；
和/或，所述定子齿底部设有凹槽，所述凹槽中设有工质可在重力作用下自然回流的第二重力式微热管阵列。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列的蒸发段与所述定子铁心单元通过导热胶粘接，所述第二重力式微热管阵列的蒸发段与所述凹槽通过导热胶粘接。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列和所述第二重力式微热管阵列的冷凝段向所述定子铁心单元外侧弯折。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列和所述第二重力式微热管阵列均为L型结构，所述定子铁心单元每侧设有两个相对布置的所述第一重力式微热管阵列，各所述凹槽中设有两个相对布置的所述第二重力式微热管阵列。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列和所述第二重力式微热管阵列为平板型结构并包括多层叠压薄片，各层所述薄片表面浸有绝缘漆。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列和所述第二重力式微热管阵列内部具有多个并联的通道，所述通道内填充有气-液相变工质。
作为上述技术方案的进一步改进：所述通道侧壁上设有微米级多凸起结构。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列和所述第二重力式微热管阵列的冷凝段设有多孔散热翅片。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一重力式微热管阵列和所述第二重力式微热管阵列的冷凝段通过导热胶与所述多孔散热翅片粘接。
作为上述技术方案的进一步改进：所述多孔散热翅片为锯齿形、泡沫形或晶格形。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）散热性好：重力式微热管阵列导热性能好，表观热导率可达200000 W/(m•K)，远高于常用的金属材料并大于芯式热管，且具有良好的均温性和热响应速度。重力式微热管阵列置于定子轭部和定子齿，与热源接触面积大，利于热量高效传导，可将定子铁心和电枢绕组产生的热量沿轴向传导出去。散热翅片的多孔结构大幅增大了比表面积，利于高效散热。
2）复用功能：针对永磁风力发电机领域，在相邻定子铁心单元间增设第一重力式微热管阵列形成屏蔽磁障，降低了各模块单元之间的磁场耦合。在定子齿部安装第二重力式微热管阵列可以削弱沿定子齿顶闭合的漏磁通，提升进入定子的有效磁通，进一步提升电机的性能；热管结构的布置可以改变气隙磁导分布，增大齿槽转矩重复周期，减小齿槽转矩幅值。针对性地改变重力式微热管阵列的结构参数，可以改变气隙磁导谐波的幅值大小，实现气隙磁密谐波幅值的调节，从而削弱固定阶次的电机径向磁拉力。
3）安全性高：区别于芯式热管散热结构，多通道结构的重力式微热管阵列稳定性高，不易出现堵塞等故障。阵列中各通道可实现独立运行，单通道故障对整体导热性能影响较小。材料成本较低，可以根据电机结构和散热需求对热管灵活选型，便于推广。
4）对电机***影响小：定子结构不需要增设额外装置即可实现定子热源的高效散热，可以有效提升整个风力发电***的效率。多叠片式热管结构和叠片绝缘漆可以阻断涡流的轴向流通路径，避免结构本身对电机性能产生影响。
附图说明
图1是本发明复用型模块化永磁风力发电机定子结构的立体结构示意图。
图2是本发明复用型模块化永磁风力发电机定子结构的主视结构示意图。
图3是本发明中的重力式微热管阵列的立体结构示意图，其中（a）为第一重力式微热管阵列，（b）为第二重力式微热管阵列。
图4是本发明中的微米级多凸起结构的扫描电镜图，其中（a）为三个圆柱形微米级多凸起结构，（b）为四个半圆柱形微米级多凸起结构。
图5是模块化永磁风力发电机定子齿部漏磁分布示意图。
图6是安放微热管阵列前后定子齿部漏磁示意图。
图7是安放微热管阵列前后气隙磁导示意图。
图中各标号表示：1、定子铁心单元；11、定子槽；12、定子齿；2、第一重力式微热管阵列；3、第二重力式微热管阵列；4、多孔散热翅片。
具体实施方式
如本部分和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本部分中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1至图3示出了本发明复用型模块化永磁风力发电机定子结构的一种实施例，本实施例的复用型模块化永磁风力发电机定子结构包括模块化的定子铁心单元1、第一重力式微热管阵列2、第二重力式微热管阵列3和多孔散热翅片4。
模块化定子铁心沿圆周方向均匀开定子槽11，相邻定子槽11之间形成定子齿12。定子槽11中布置电枢绕组（图中未示出），本实施例中，电枢绕组采用真分数槽集中式绕组，每极每相槽数为：
为保证电机的绕组对称，每相分配的槽数应该相等，为整数。上式中，Z和Z0分别为定子总槽数和单个定子模块总槽数，m为电机相数，p为电机极对数，t为定子模块个数。
定子模块包括若干个子模块，每个子模块的绕组排布相同且各相绕组对称分布，各个子模块的槽数为nZ0。相邻两个子模块之间（具体为定子铁心单元1之间）安放有第一重力式微热管阵列2。每个子模块的定子齿12底部开有x个凹槽，凹槽中排布有第二重力式微热管阵列3，凹槽的长度与定子铁心长度一致，高度分别为h1、h2…hx，宽度分别为b1、b2…bx。
重力式微热管阵列为平板型结构，管材由导热性良好的金属薄片叠压而成。优选的，管材选择电导率低的材料，成型后对表面进行浸绝缘漆工艺处理再进行叠压。由于热管安装的位置深入电机内部，铁心中的交变磁场会在金属表面引起涡流，从而导致热管上的损耗。多叠片式结构和表面浸漆的工艺可以阻断涡流的轴向流通路径，极大程度减小热管的自身损耗，避免对电机性能产生不良影响。
热管内部具有多个通道，相邻通道间由管壁进行分割，形成并联通道阵列，通道内填充沸点低的气-液相变工质。微热管阵列内部通道的数量可达数十个，优选的，管壁上可设置微米级多凸起结构，增大内表面积，进一步提升热管传热性能。
重力式微热管阵列的蒸发段置于定子铁心内部，与定子铁心之间的连接方式优选为导热硅胶粘连，冷凝段贴有多孔散热翅片以实现高效散热。
第一重力式微热管阵列2放置于定子铁心单元1两侧。优选的，第一重力式微热管阵列2设计为L型结构，蒸发段长度为定子铁心轴向长度的1/2；高度略大于定子铁心轭部高度，传热段和冷凝段的长度根据机壳结构和电机整体结构尺寸选择。
第二重力式微热管阵列3放置于定子齿12底部的凹槽中。优选的，第二重力式微热管阵列3也设计为L型结构，尺寸与第一重力式微热管整列2存在差别，蒸发段长度为定子铁心轴向长度的1/2；高度和宽度分别对应定子齿12底部凹槽的高度和宽度，传热段和冷凝段的长度根据机壳结构和电机整体结构尺寸选择。
为保证热管内部相变工质可以在重力因素下自然回流，热管冷凝段沿竖直方向向上弯折，传热段和冷凝段之间形成夹角α，90°＜α＜180°。
多孔散热翅片4设置在热管冷凝段的外侧，与热管冷凝段之间的连接方式为导热硅胶粘连。多孔散热翅片4的材质采用金属。
多孔散热翅片4可采用锯齿形、泡沫形或者晶格形等，具体可根据实际情况确定。翅片的多孔结构具有高孔隙率特性，极大程度地增加了翅片的比表面积，进而能够在有限体积内大幅度提升换热效率。多孔结构能够形成复杂曲折的空气流动通道，强化空气在通道内的湍流扰动程度，并使流动边界层和热边界层断裂、重组，进一步强化整体结构的对流换热系数。
本发明的工作原理如下：
1）、电机运行过程中，电枢中的电流和电机内的交变磁场会分别在绕组和铁心上引起焦耳损耗和铁心损耗，损耗将以热量的形式表现，进而引起电机内部的热量积累和温度上升。
本发明中热管的蒸发段置于定子齿12底部，与定子铁心接触良好，定子铁心为金属材质，具有良好的导热性能，可以将铁心和绕组上产生的热量高效地传递至重力式微热管阵列的蒸发段。蒸发段通道内部的工质初始状态为液态，在温度上升的影响下，液态工质迅速气化，并吸收储存大量潜热，同时经由传热段向冷凝段扩散。气态工质到达冷凝段后，发生相变冷凝液化，通过多孔散热翅片4的高效对流换热作用下，将储存的热量释放出去，并在重力作用下自然回流，经由传热段重新回到蒸发段。该过程多次循环，借助汽-液两相流间的相互转换，实现对潜热的吸收和释放，将电机内部关键热源的热量散发至电机外。
2）、模块化永磁风力发电机的结构特点会导致转子磁场不经过电机定子轭的主磁路而是通过相邻定子齿12直接进入另一个磁极，形成较大的漏磁，具体如下图5所示。
根据磁阻最小原理，磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。在定子齿12底部的漏磁路径上安置重力式微热管阵列，可以增加漏磁路的磁阻，可以有效地屏蔽漏磁通，提升主磁路的有效磁通，提高电机的性能，具体如下图6所示，其中（a）为安放微热管阵列前定子齿部漏磁示意图，（b）为安放微热管阵列后定子齿部漏磁示意图。
3）在定子齿12底部添加重力式微热管阵列散热结构后，气隙磁导分布发生变化如下图7所示，其中（a）为安放微热管阵列前气隙磁导示意图，（b）为安放微热管阵列后的气隙磁导示意图。
相对气隙磁导函数的平方可以表示为：
其中，为气隙磁导平方的直流分量幅值，为气隙磁导平方的谐波分量幅值。
根据永磁电机齿槽转矩的计算方法：
其中，为永磁体剩磁的空间分布函数。
通过在定子齿增设重力式微热管阵列，改变了电机气隙磁导的分布情况，降低了磁导函数主要谐波的幅值。在对电机散热的同时，增大了齿槽转矩的基波周期，从而使总齿槽转矩幅值降低，进一步降低电机的转矩脉动和振动噪声。
3）电机气隙中的合成磁场密度为：
为合成磁场密度时空分布函数，为磁动势时空分布函数。
依据麦克斯韦定律，电机转子上中单位面积上所受的张力为：
为电机铁心磁导率，和分别为气隙磁场密度的径向和切向分量。
在设计时，采用有限元方法对电机模态进行分析，确定对电机振动噪声影响程度最大的关键阶次径向磁拉力（如与定子结构形成共振的磁拉力），并提取引起关键磁拉力的对应气隙磁导谐波。在此基础上，综合考虑定子齿的饱和程度以及实际导热效果，针对性地设计重力式微热管阵列的结构尺寸参数，通过对气隙磁导谐波分布情况进行调节，降低关键阶次径向磁拉力密度的幅值，削弱电机的振动噪声情况。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种复用型模块化永磁风力发电机定子结构，包括定子铁心单元（1），所述定子铁心单元（1）沿圆周方向开设有定子槽（11），相邻的所述定子槽（11）之间形成定子齿（12），其特征在于：所述定子铁心单元（1）两侧设有工质可在重力作用下自然回流的第一重力式微热管阵列（2）；
和/或，所述定子齿（12）底部设有凹槽，所述凹槽中设有工质可在重力作用下自然回流的第二重力式微热管阵列（3）。
2.根据权利要求1所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）的蒸发段与所述定子铁心单元（1）通过导热胶粘接，所述第二重力式微热管阵列（3）的蒸发段与所述凹槽通过导热胶粘接。
3.根据权利要求2所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）和所述第二重力式微热管阵列（3）的冷凝段向所述定子铁心单元（1）外侧弯折。
4.根据权利要求3所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）和所述第二重力式微热管阵列（3）均为L型结构，所述定子铁心单元（1）每侧设有两个相对布置的所述第一重力式微热管阵列（2），各所述凹槽中设有两个相对布置的所述第二重力式微热管阵列（3）。
5.根据权利要求1所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）和所述第二重力式微热管阵列（3）为平板型结构并包括多层叠压薄片，各层所述薄片表面浸有绝缘漆。
6.根据权利要求1所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）和所述第二重力式微热管阵列（3）内部具有多个并联的通道，所述通道内填充有气-液相变工质。
7.根据权利要求6所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述通道侧壁上设有微米级多凸起结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）和所述第二重力式微热管阵列（3）的冷凝段设有多孔散热翅片（4）。
9.根据权利要求8所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述第一重力式微热管阵列（2）和所述第二重力式微热管阵列（3）的冷凝段通过导热胶与所述多孔散热翅片（4）粘接。
10.根据权利要求8所述的复用型模块化永磁风力发电机定子结构，其特征在于：所述多孔散热翅片（4）为锯齿形、泡沫形或晶格形。
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