[发明专利]双凸极永磁电机

说明书

                           发明背景

发明领域

本发明涉及低速发电机，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。

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