双凸级永磁电机制造技术

一种双凸极永磁电机，它包括： 至少两个彼此共轴固定的定子； 至少一个位于上述至少两个定子之间的转子；和 由上述至少两个定子支承的两相绕组。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
专利
本专利技术涉及低速发电机，具体涉及用于风轮机直接驱动的发电机。相关技术描述近年来风轮机作为对环境安全的而且相当廉价的替代能源已受到广泛注意。随着这种兴趣的增长，已进行了显著的努力来开发可靠且高效率的风轮机。风轮机一般包括具有多个叶片的转子。该转子水平装在一个机座内，该机座位于桁梁或单管塔的顶部。风轮机的叶片将风能转换为驱动一个或多个发电机的转动力，该发电机通过齿轮装置可转动地连接于该转子。为了使发电机有效地将机械能转换为电能，必须用齿轮装置提升风轮机转子固有的低转速，产生的电能被馈送到公用电网上。很多常规风轮机以恒定速度转动产生每秒60周(60Hz)的电能，该频率是美国交流电的标准。因为风速连续变化，所以这些风轮机必须具有保持转子速度恒定的系统。在一种这样的系统中，当风速增加时将叶片的叶距增加，而在风速减小时将叶片的叶距减小，由此使转子转速保持恒定。有些风轮机通过采用电力换流器调节其输出而变速工作。当风轮机转子的速度波动时，从发电机输出的交流电流的频率也发生改变。配置在发电机和公用电网之间的电力换流器将频率变化的交流电流转化为直流，然后再将直流转换成具有固定频率60Hz的交流电流。风轮机必须结实和可靠。因为风轮机的齿轮装置价格贵、重量大、又要经常维修，所以很希望通过使发电机直接连接于风轮机转子而除去齿轮装置。风轮机直接驱动的优点是提高了可靠性、降低了成本、减小了重量、减小了工作噪声、提高了效率而且没有转矩限制。然而，因为常规发电机不能在30～50r/min范围内的低转速下有效工作，所以将风轮机直接连接到发电机上也是有问题的。Weh H.，May H.和Salaby M.在Proc.ICEM，1990年第3卷1040～1045页的题为“永磁激励同步电机的高效磁路”“(Highly Effective MagneticCircuits for Permanent Magnet Excited Synchronous Machines)的论文中公开了一种可用作低转子转速发电机的电机。附图说明图1所示的这种横向磁通电机(TF电机)包括环形转子2(图中仅示出其一部分)、固定的外侧电枢绕组4、固定的内侧电枢绕组6、多个外侧定子铁心磁通导向件8和多个内侧定子铁心磁通导向件10。环形转子2包括第一列永磁体12和第二列永磁体14。用非磁性材料例如纤维增强树脂做的环形件16被夹在两列永磁体之间。环形转子2构造成永磁体12和铁部件18交替布置，永磁体14与铁部件20交替布置。即使TF电机可以在低转子转速下工作，但它也具有若干显著的缺点。具体是，TF电机可能有相当大的槽口漏磁，这对操作性能有负面影响。为弄清此问题的本质，考虑P≡Γω这一关系，式中P＝电机的额定功率Γ＝转矩ω＝转子角速度从上述关系中可以明显看出，为在低的角速度(ω)下达到高的额定功率(P)，必须尽量增大由电机产生的转矩(Γ)。众所周知，在这种技术中为获得高的转矩，必须尽量增加电机的磁通量和电枢绕组4和6中的电流。为了承载绕组4和6中增加的电流而又不会因发热造成能量过分损失，必须增加电枢绕组4和6的横截面积。另外，众所周知，在这种技术中由电机产生的转矩正比于电机直径的平方(或立方或大于1的幂数)与电机长度之乘积。换言之Γ＝kd2L式中，Γ＝转矩k＝常数L＝电机的有效材料长度d＝电机的有效材料直径上述关系表示，为在紧凑装置中获得高的转矩，最佳技术方案是增加电机直径而不是电机长度。在图1所示的先有技术系统中，如果要增加TF电机的直径并保持长度不变，则只有增加分别包含电枢绕组4和6的定子铁心磁通导向件8和10的槽口深度D，以便尽可能增大电枢绕组4和6的横截面积(因为深度D是电机直径的函数)，而定子铁心磁通导向件8和10的槽口宽度W(该宽度是机器长度的函数)必须保持不变。图2示出，当槽口深度D增加时，槽口空气隙的横截面积Aa以及穿过例如钢制外部定子铁心磁通导向件8的磁路长度Ls也增加。而外部定子铁心磁通导向件8的横截面积As和穿过槽口空气隙的磁路长度La保持不变。因为磁阻R(磁路对磁通量形成的阻力)等于L/μA，式中μ＝介质的导磁率L＝磁路长度A＝介质的横截面积所以从图2可以明显看出，当槽口深度D增加时，通过钢制外部定子铁心磁通导向件8的磁阻增加，而通过槽口空气间隙的磁阻减小。因此增加槽口深度D导致漏磁的增大，因而磁链沿路径La穿过槽口空气间隙而不是沿着穿过外部定子铁心磁通导向件8中的路径Ls。任何沿路径La而不是沿路径Ls经槽口空隙漏出的磁力线没有链接位于槽口空气间隙中的绕组的所有线圈(例如图1的绕组4)，因而不能产生电机的额定转矩，造成电机的额定功率减小。TF电机的另一缺点是，由于两个定子(即外部定子铁心磁通导向件8和内部定子铁心磁通导向件10)的非对称配置，由外部电枢绕组4和内部电枢绕组6(图1)形成的磁阻是不同的，造成两相之间的电磁不平衡。由图3可以看到TF电机电磁不平衡的原因。由外部定子铁心磁通导向件8与空气间隙23交替配置所形成的外部体积22大于由内部定子铁心磁通导向件10与空气间隙25交替配置所形成的内部体积24。因为体积22和24内均包括相同数目的相同的钢制定子铁心磁通导向件，而且外部体积22事实上大于内部体积24，所以在外部体积22中的钢与空气之比小于在内部体积24的。因此外部体积22与内部体积24相比，对磁通具有更大的磁阻，这造成外部电枢绕组4和内部电枢绕组6(图3中未示出)的两相之间的磁不平衡。TF电机两相之间的磁的不平衡导致产生热损耗的循环电流、可能损坏转子轴承的轴承电流和转子的不均匀负载，这些造成电机的机械设计和电气设计中的困难。另外，已证明制造大型TF机(很希望制造这种大型机，因为磁极数目且由此电机尺寸的增加将改进它在低转子转速下的操作特性)是一项艰巨的任务，因为当这些部件的尺寸增大时，在环形转子2和外部与内部定子铁心磁通导向件8和10之间要保持小的如图4所示的空气间隙26和28是相当困难的。(众所周知，在这种技术中为获得最大功率和效率，必须尽量减小电机的活动部件和固定部件之间的空气间隙。)另外，TF电机不适合于高速操作，因为固定的外部定子铁心磁通导向件8和环形转子2的同心取向使得当转子转速增加时，环形转子2的径向膨胀将逐渐减少空气间隙26，直到环形转子2碰撞到外部定子铁心磁通导向件8，这将造成TF电机的灾难性破坏。另外，TF电机成本相当高，因为制造包括外部、内部定子铁心磁通导向件8、10及电枢绕组4、6的复杂固定组件是相当困难的。TF电机在其绕组中用了大量铜，这又增加了制造成本。在绕组中铜的利用率不高，因为仅在电枢绕组4和6的厚度为T(图4)的部分被用于形成转矩(因为绕组中仅有这些部分由磁力线链接)。厚度为G(G＞T)的其余部分绕组的作用只是用以闭合电路。TF电极的另一缺点是，由于不存在通到内部的出入口，所以在机器操作期间在内部定子铁心磁通导向件10中产生的热量很难散发出去，这样便降低了效率和功率输出。专利技术概述因此要求提供一种双凸极永磁电极，该电机可以克服上述缺点，例如，可以尽量减小槽口磁漏、具有电磁平衡的绕组相、制造容易且成本低、可以在低速和高速下运转、有利于散热并具有紧凑和高效的结构。还希望永磁电机在低角速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双凸极永磁电机，它包括： 至少两个彼此共轴固定的定子； 至少一个位于上述至少两个定子之间的转子；和 由上述至少两个定子支承的两相绕组。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T·A·利波，Y·李，
申请(专利权)人：宗德能源系统公司，
类型：发明
国别省市：