小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机

1.本发明属于轴向磁通永磁发电机技术领域，涉及小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机。


背景技术：

2.水力发电是世界上最大的可再生能源发电来源，随着水力发电技术的不断发展，对发电机的发电效率、功率密度、电压波动等性能的要求也越来越高。混合励磁发电机既有永磁体励磁发电机高功率密度的优点，也有电励磁发电机输出电压可调的特点，在水力发电领域具有广阔的应用前景。
3.轴向磁通混合励磁发电机结合了混合励磁发电机和轴向磁通永磁电机的特点，具有结构紧凑、体积小、空间利用率高、鲁棒性好、发电效率高、功率密度高、散热方便等优点，非常适合水力发电领域，但调磁效率不高，气隙磁场调节不够灵活，且电励磁需施加持续的调磁电流，损耗较大，限制了发电效率与功率密度进一步提高，散热能力差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，解决了现有混合励磁轴向磁通发电机调磁效率低、电压调节灵活度低，散热能力差等问题。
5.本发明所采用的技术方案是，小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，包括同轴依次安装的第一转子、第一调磁铁块组、定子、第二调磁铁块组、第二转子；第一转子与第一调磁铁块组之间、第一调磁铁块组与定子之间、定子与第二调磁铁块组之间、第二调磁铁块组与第二转子之间均留有气隙。
6.本发明的特征还在于，
7.第一转子和第二转子的结构相同且关于定子中心对称，均包括八个钕铁硼永磁体，八个钕铁硼永磁体a依次连接构成圆环状，八个钕铁硼永磁体a均反极性表贴在圆环状的转子背铁上，转子背铁远离定子设置。
8.第一调磁铁块组和第二调磁铁块组的结构相同且关于定子中心对称，均包括二十四个调磁铁块，二十四个调磁铁块沿圆周等间距排列构成圆环状。
9.定子包括定子中间单元，定子中间单元两侧分别对称的设置有定子侧边单元；
10.每个定子侧边单元包括十二个定子齿和十二个钕铁硼永磁体b，定子齿和钕铁硼永磁体b交替排列构成圆环状，每个定子齿上绕有集中式脉冲线圈b和集中式电枢线圈。
11.定子中间单元包括十二个铝镍钴永磁体a和十二个扇形定子铁心，铝镍钴永磁体a和扇形定子铁心交替排列构成圆环状，每个扇形定子铁心的两侧均对称的表贴有铝镍钴永磁体b，每个铝镍钴永磁体b上绕有集中式脉冲线圈a。
12.每个钕铁硼永磁体b和每个铝镍钴永磁体a为切向充磁，每个铝镍钴永磁体b为轴向充磁。
13.相邻钕铁硼永磁体b的充磁方向相反。
14.每个定子齿为凸极结构。
15.本发明的有益效果是，
16.(1)本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，定子为分层轴向拓扑结构，结构紧凑，体积小，功率密度高，散热方便，且通过控制集中式脉冲线圈b上电流的大小和方向，容易改变铝镍钴永磁体a的磁化方向和水平，气隙磁场灵活可调，集中式脉冲线圈b无需施加持续的调磁电流，调磁效率高，损耗小；
17.(2)本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，钕铁硼永磁体b和铝镍钴永磁体a采用切向充磁、铝镍钴永磁体b采用轴向充磁、相邻钕铁硼永磁体b的充磁方向相反，且定子齿为凸极结构，能够产生聚磁效应，有效改善气隙磁通密度；
18.(3)本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，设置有第一调磁铁块组和第二调磁铁块组，能够对定子、第一转子、第二转子侧永磁体产生的磁场进行调制，使二者磁场有效耦合，提高永磁体利用率，进而提高发电机效率与功率密度；
19.(4)本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，定子齿上绕有集中式脉冲线圈b，在不调磁时可以作为电枢绕组参与发电，提高发电机工作效率，在发电机增磁运行时，集中式脉冲线圈b与集中式脉冲线圈a可以互为备用，且两套脉冲线圈可以独立控制，提高发电机容错能力；
20.(5)本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，钕铁硼永磁体a反极性表贴在圆环状的转子背铁上，能够提高发电机材料利用率，进而提高发电机功率密度；
21.(6)本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，两个定子侧边单元上的集中式电枢线圈串联或并联，既可以协同运行发电，也可以独立运行、控制，使用灵活方便。
附图说明
22.图1是本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机结构示意图；
23.图2是本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机中定子的分层结构示意图；
24.图3是本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机的增磁运行原理图；
25.图4是本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机的去磁运行原理图。
26.图中，1.第一转子，2.第一调磁铁块组，3.定子，4.第二调磁铁块组，5.第二转子，6.转子背铁，7.钕铁硼永磁体a，8.调磁铁块，9.定子齿，10.钕铁硼永磁体b，11.铝镍钴永磁体a，12.扇形定子铁心，13.集中式脉冲线圈a，14.铝镍钴永磁体b，15.集中式脉冲线圈b，16.集中式电枢线圈，17.第一气隙，18.第二气隙。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.本发明提供一种小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机，结构如图
1所示，包括同轴依次安装的第一转子1、第一调磁铁块组2、定子3、第二调磁铁块组4、第二转子5；第一转子1与第一调磁铁块组2之间、第一调磁铁块组2与定子3之间、定子3与第二调磁铁块组4之间、第二调磁铁块组4与第二转子5之间均留有气隙，第一转子1、定子3及第二转子5中的铁心均为盘式拓扑结构，提高发电机空间利用率，进而提高功率密度。
29.第一转子1和第二转子5的结构相同且关于定子3中心对称，均包括八个钕铁硼永磁体7，八个钕铁硼永磁体a7依次连接构成圆环状，八个钕铁硼永磁体a7均反极性表贴在圆环状的上，转子背铁6远离定子3设置。
30.第一调磁铁块组2和第二调磁铁块组4的结构相同且关于定子3中心对称，均包括二十四个调磁铁块8，二十四个调磁铁块8沿圆周等间距排列构成圆环状；第一调磁铁块组2与钕铁硼永磁体a7之间设置有第一气隙17，第一调磁铁块组2与定子侧边单元之间设置有第二气隙18。
31.如图2所示，定子3采用分层结构，具体包括定子中间单元，定子中间单元两侧分别对称的设置有定子侧边单元；
32.每个定子侧边单元包括十二个定子齿9和十二个钕铁硼永磁体b10，每个定子齿9为凸极结构，定子齿9和所述钕铁硼永磁体b10交替排列构成圆环状，每个钕铁硼永磁体b10为切向充磁，相邻钕铁硼永磁体b10的充磁方向相反，增强气隙磁密；每个定子齿9上绕有集中式脉冲线圈b15和集中式电枢线圈16，两个定子侧边单元上的集中式电枢线圈16串联或并联，两个定子侧边单元中的二十四个集中式电枢线圈16构成定子3的三相电枢绕组，两个定子侧边单元以“背靠背”的形式设置，即两个定子侧边单元中的定子齿9和钕铁硼永磁体b10靠近定子中间单元设置。
33.定子中间单元包括十二个铝镍钴永磁体a11和十二个扇形定子铁心12，铝镍钴永磁体a11和扇形定子铁心12交替排列构成圆环状，每个扇形定子铁心12的两侧均对称的表贴有铝镍钴永磁体b14，每个铝镍钴永磁体a11为切向充磁，每个铝镍钴永磁体b14为轴向充磁，每个铝镍钴永磁体b14上绕有集中式脉冲线圈a13。
34.小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机通过给集中式脉冲线圈a13或集中式脉冲线圈b15施加脉冲电流，改变铝镍钴永磁体a11和铝镍钴永磁体b14的磁化水平和磁化方向，气隙磁场调节灵活，调磁效率高；定子3采用分层结构使电机具有良好的散热能力，定子、第一转子1、第三转子3间的第一调磁铁块组2、第二调磁铁块组4能够耦合定子、第一转子1、第三转子3侧永磁磁场，改善气隙磁密。
35.如图3所示，本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机的增磁运行原理图，带箭头实线表示定子3上钕铁硼永磁体b和第一转子1、第二转子5上钕铁硼永磁体a产生的磁通的路径，带箭头虚线表示定子3上铝镍钴永磁体a11和铝镍钴永磁体b14产生的磁通的路径。气隙磁场由钕铁硼永磁体a 7、钕铁硼永磁体b、铝镍钴永磁体a11、铝镍钴永磁体b14共同提供。在需要输出较大电压或第一转子和第二转子转速较低需要稳定输出电压时，给集中式脉冲线圈a13施加脉冲电流，使铝镍钴永磁体a11和铝镍钴永磁体b14磁化方向变为图3所示方向，发电机运行在增磁模式。钕铁硼永磁体b10产生的磁通从钕铁硼永磁体b10穿出，经过定子齿9、第二气隙18、调磁铁块8、第一气隙17，穿入钕铁硼永磁体a7，再从钕铁硼永磁体a7穿出，经过转子背铁6，穿入相邻的反极性充磁钕铁硼永磁体a7，再依次经过第一气隙17、调磁铁块8、第二气隙18、定子齿9，最终回到钕铁硼永磁体b10。铝镍钴永
磁体产生的磁通从铝镍钴永磁体a11穿出，经扇形定子铁心12穿入铝镍钴永磁体b14，进入定子齿9，依次经过定子齿9、第二气隙18、调磁铁块8、第一气隙17，穿入钕铁硼永磁体a7，经过转子背铁6，从相邻的反极性充磁钕铁硼永磁体a7穿出，再经过第一气隙17、调磁铁块8、第二气隙18、定子齿9，穿入铝镍钴永磁体a11，进入扇形定子铁心12，最终回到铝镍钴永磁体b14。
36.如图4所示，本发明小型水力发电定子分层轴向磁场永磁可控磁通发电机的去磁运行原理图，带箭头实线表示定子3上钕铁硼永磁体b10和第一转子、第二转子上钕铁硼永磁体a7产生的磁通的路径，带箭头虚线表示定子3上铝镍钴永磁体a11和铝镍钴永磁体b14产生的磁通的路径。气隙磁场由钕铁硼永磁体a7、钕铁硼永磁体b10共同提供。在需要输出较小电压或转子转速过快需要稳定输出电压时，给集中式脉冲线圈a13或集中式脉冲线圈b15施加脉冲电流，使铝镍钴永磁体a11和铝镍钴永磁体b14磁化方向变为图4所示方向，发电机运行在去磁模式。钕铁硼永磁体产生的磁通从钕铁硼永磁体b10穿出，经过定子齿9、第二气隙18、调磁铁块8、第一气隙17，穿入钕铁硼永磁体a7，再从钕铁硼永磁体a7穿出，经过转子背铁6，穿入相邻的反极性充磁钕铁硼永磁体a7，再依次经过第一气隙17、调磁铁块8、第二气隙18、定子齿，最终回到钕铁硼永磁体b10。铝镍钴永磁体产生的磁通从铝镍钴永磁体a11穿出，经扇形定子铁心12穿入铝镍钴永磁体b14，进入定子齿9，沿定子齿9轭部穿入钕铁硼永磁体b10，再沿相邻定子齿9轭部穿入铝镍钴永磁体b14，经扇形定子铁心12回到铝镍钴永磁体b14。