本发明公开了一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，属于海上漂浮式垂直轴风力发电技术领域，通过采用双定子结构，由上定子、下定子、转子、永磁悬浮和电磁悬浮组成。其中转子为调制齿、实现磁场调制，并降低减少转子质量以悬浮控制惯量和转动惯量。上定子为发电机电枢绕组和铁芯，下定子为永磁和励磁结合，磁场通过上下定子并穿过转子形成磁路，气隙和转子磁阻基本不发生变化，以实现悬浮控制调节对发电机无影响。混合励磁可实现在海上风电系统完全处于黑启动状态时，下定子的永磁可在风力驱动下经磁场调制后对上定子电枢励磁，待逐渐聚集电能后，再施加电励磁、实现功率输出，电磁悬浮可实现随风速变化和电机调制运行时的动态悬浮控制。
1.一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：包括可控磁场调制轴向磁通电机、永磁斥力悬浮机构和电励磁悬浮机构；所述的可控磁场调制轴向磁通电机包括电机上定子（1）、上定子背铁（2）、电机下定子（3）、下定子背铁（4）、电机转子（6）和悬浮转子（25），永磁斥力悬浮机构包括上端斥浮结构上部磁体环（8）、上端斥浮结构下部磁体环（9）、下端斥浮结构上部磁体环（10）、下端斥浮结构下部磁体环（11）、下端斥浮结构背铁（13）和上端斥浮结构背铁（14）；所述的电励磁悬浮机构包括电励磁上部悬浮绕组（5）、电励磁下部悬浮绕组（7）和电励磁上部悬浮定子铁芯（23）、电励磁下部悬浮定子铁芯（24）；所述的电机转子（6）和悬浮转子（25）共同组成了转子整体，电机转子（6）为扇形转子调制齿（18）组成的圆环，且该圆环覆盖电机上定子（1）和电机下定子（3），悬浮转子（25）为导磁铁组成的圆环，圆环覆盖电励磁上部悬浮绕组（5）和电励磁下部悬浮绕组（7）；所述的电机转子（6）由若干个扇形转子调制齿（18）组成；每个转子所对应的调制齿数为Pr，上定子电枢的沿圆周方向极对数为Ps以及下定子沿圆周方向磁极数Pn满足：Pr=Pn±Ps，当仅有永磁作用时，为单相发电机，绕组工作在单相发电模式，为外部设备供电，当系统启动后切换到三相调制运行状态，以实现系统黑启动运行。
2.根据权利要求1所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的电机下定子（3）包括电机下定子齿（19）、下定子励磁绕组（21）和下定子轭（20）。
3.根据权利要求1所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的上端斥浮结构上部磁体环（8）、上端斥浮结构下部磁体环（9）、下端斥浮结构上部磁体环（10）、下端斥浮结构下部磁体环（11）均为四个环形磁体组成，磁体沿轴向充磁；四个环形磁体中内外两个环磁体充磁方向相反，上下两个环磁体充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的上端斥浮结构上部磁体环（8）和下端斥浮结构下部磁体环（11）与中心轴（15）连接，并与中心轴（15）同步旋转，上端斥浮结构下部磁体环（9）、下端斥浮结构上部磁体环（10）分别安装于上定子背铁（2）和下定子背铁（4）上。
5.根据权利要求1所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的电励磁上部悬浮定子铁芯（23）和电励磁下部悬浮定子铁芯（24）均设置为2层圆环铁芯，电励磁上部悬浮绕组（5）、电励磁下部悬浮绕组（7）均设置为三层环形绕组，中间一层绕组数是内外两层绕组数两倍，中间一层绕组电流与内外两层绕组电流方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的电励磁上部悬浮绕组（5）、电励磁下部悬浮绕组（7）分别与悬浮转子（25）形成并联磁路；通过控制，电励磁上部悬浮绕组（5）、电励磁下部悬浮绕组（7）电流，控制上下悬浮力的大小，实现悬浮。
7.根据权利要求2所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：下定子永磁体（22）间隔两个槽内安放，并且邻近永磁体的充磁方向相反；下定子励磁绕组（21）采用集中绕组绕在无永磁的下定子槽和下定子轭（20）的外部。
8.根据权利要求7所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的电机上定子（1）由电机上定子电枢（17）和电机上定子铁芯（16）组成，电机上定子电枢（17）采用集中绕组绕在电机上定子铁芯（16），同一槽内安放邻近铁芯的两套绕组，根据绕组分布和初级极对数设定绕组的相。
9.根据权利要求8所述的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，其特征在于：所述的扇形转子调制齿（18）设置有十三个；电机上定子电枢（17）为十二个；下定子励磁绕组（21）为十六个，下定子永磁体（22）为八个。
一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机
技术领域
[0001] 本发明属于海上漂浮式垂直轴风力发电技术领域，具体涉及一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机。
背景技术
[0002] 随着深海水域风力发电的开拓，浮式风电将成为一个非常具有竞争力的海上解决方案，即采用漂浮平台(或称浮式基础)将风电机组安置于深海区域。
[0003] 在对于漂浮式海上风力发电机，垂直轴风力发电机可转换360°方位中任何方向风能为电能，无需迎风调节系统，不存在对风损失。漂浮式海上垂直轴风电系统比较适合采用轴向磁通发电机。与径向磁通电机相比，轴向磁通电机扁平结构缩短了电机的轴向长度，同时具有绕组设计方便、冷却简单、可进行模块化结构设计的特点。
[0004] 垂直轴风力发电的优势‑风机直驱，造成电机运行速度低，从而使得垂直轴风力发电系统功率提高困难。采用大功率永磁同步发电机直接耦合，造成风机本身就存在的启动困难变得更加严重。对于浮式风电，在海洋中经常会遇到天气变化造成的随波浪等外力形成的水中摆动，也会造成转子偏置。
发明内容
[0005] 发明目的：本发明的目的是提供一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，
[0006] 减少悬浮控制和浮体波动形成转子偏置对电机的影响。
[0007] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，包括可控磁场调制轴向磁通电机、永磁斥力悬浮机构和电励磁悬浮机构；所述的可控磁场调制轴向磁通电机包括电机上定子、定子背铁、电机下定子、下定子背铁、电机转子和悬浮转子，永磁斥力悬浮机构包括上端斥浮结构上部磁体环、上端斥浮结构下部磁体环、下端斥浮结构上部磁体环、下端斥浮结构下部磁体环、下端斥浮结构背铁和上端斥浮结构背铁；所述的电励磁悬浮机构包括电励磁上部悬浮绕组、电励磁下部悬浮绕组和电励磁上部悬浮定子铁芯、电励磁下部悬浮定子铁芯；所述的电机转子和悬浮转子共同组成了电机转子部分，电机转子为扇形转子调制齿组成的圆环，且该圆环覆盖电机上定子和电机下定子，悬浮转子为导磁铁组成的圆环，圆环覆盖电励磁上部悬浮绕组和电励磁下部悬浮绕组。
[0009] 进一步地，所述的电机上定子包括电机下定子齿、下定子励磁绕组和下定子轭。
[0010] 进一步地，所述的电机转子由若干个扇形转子调制齿组成；每个转子所对应的调制齿数为Pr，上定子电枢的沿圆周方向极对数为Ps以及下定子沿圆周方向磁极数Pn满足：Pr＝Pn±Ps。
[0011] 进一步地，所述的上端斥浮结构上部磁体环、上端斥浮结构下部磁体环、下端斥浮结构上部磁体环、下端斥浮结构下部磁体环均为四个环形磁体组成，磁体沿轴向充磁；四个环形磁体中内外两个环磁体充磁方向相反，上下两个环磁体充磁方向相反。
[0012] 进一步地，所述的上端斥浮结构上部磁体环和下端斥浮结构下部磁体环与中心轴连接，并与中心轴同步旋转，上端斥浮结构下部磁体环、下端斥浮结构上部磁体环分别安装于上定子背铁和下定子背铁上。
[0013] 进一步地，所述的电励磁上部悬浮定子铁芯和电励磁下部悬浮定子铁芯均设置为2层圆环铁芯，电励磁上部悬浮绕组、电励磁下部悬浮绕组均设置为三层环形绕组，中间一层绕组数是内外两层绕组数两倍，中间一层绕组电流与内外两层绕组电流方向相反。
[0014] 进一步地，所述的电励磁上部悬浮绕组、电励磁下部悬浮绕组分别与悬浮转子形成并联磁路；通过控制，电励磁上部悬浮绕组、电励磁下部悬浮绕组电流，控制上下悬浮力的大小，实现悬浮。
[0015] 进一步地，所述的下定子永磁体间隔两个槽内安放，并且邻近永磁体的充磁方向相反；下定子励磁绕组采用集中绕组绕在无永磁的下定子槽和下定子轭的外部。
[0016] 进一步地，所述的电机上定子由电机上定子电枢和电机上定子铁芯组成，电机上定子电枢采用集中绕组绕在电机上定子铁芯，同一槽内安放邻近铁芯的两套绕组，根据绕组分布和初级极对数设定绕组的相。
[0017] 进一步地，扇形转子调制齿设置有十三个；电机上定子电枢为十二个；下定子励磁绕组为十六个，下定子永磁体为八个。
[0018] 发明原理：本发明的电机采用双定子结构，该电机采用磁场调制和混合磁场调制原理，转子采用调制齿，转子上下存在偏置移动时，气隙和转子磁阻基本不发生变化，气隙磁场也不会变，没有转子永磁电机所存在的随气隙变换较大的问题，可以实现悬浮控制调节和转子偏置对发电机无影响。转子采用调制齿，结构简单，可减少转子质量，同时降低悬浮控制惯量。采用永磁和励磁并结合磁场调制，可实现下定子磁极的极对数变化和磁场强度变化，可实现不同调制比转变，实现黑启动同时提升启动性能，并增大发电机风速的适应范围，提高发电机输出功率。
[0019] 有益效果：与现有技术相比，本发明的一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，每个转子所对应的调制齿数为Pr，上定子电枢的沿圆周方向极对数为Ps以及下定子沿圆周方向磁极数Pn满足：Pr＝Pn±Ps。当仅有永磁作用时，为单相发电机，绕组工作在单相发电模式，为外部设备供电，当系统启动后切换到三相调制运行状态，以实现系统黑启动运行。通过悬浮控制实现电机阻力很小，以提高风能捕获的范围。电机采用双定子结构，转子采用调制齿，转子上下存在偏置移动时，气隙和转子磁阻基本不发生变化，气隙磁场也不会变，没有转子永磁电机所存在的随气隙变换较大的问题，可以实现悬浮控制调节对发电机无影响。转子采用调制齿，结构简单，可减少转子质量，同时降低悬浮控制惯量。本发明可适应用于海上垂直轴风力发电机，可提高风机的启动性能、增大发电系统的功率工作范围。
附图说明
[0020] 图1是结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机的轴向结构图；
[0021] 图2是可控磁场调制轴向磁通发电机部分的三维结构图；
[0022] 图3是仅有永磁磁场时候的沿圆周剖面图；
[0023] 图4是仅有永磁和励磁磁场时的沿圆周剖面图；
[0024] 图5为电机转子和悬浮转子横切面图；
[0025] 附图标记：1‑电机上定子、2‑上定子背铁、3‑电机下定子、4‑下定子背铁、5‑电励磁上部悬浮绕组、6‑电机转子、7‑电励磁下部悬浮绕组、8‑上端斥浮结构上部磁体环、9‑上端斥浮结构下部磁体环、10‑下端斥浮结构上部磁体环、11‑下端斥浮结构下部磁体环、12‑上定子轭、13‑下端斥浮结构背铁、14‑上端斥浮结构背铁、15‑中心轴、16‑电机上定子铁芯、17‑电机上定子电枢、18‑转子调制齿、19‑下定子齿、20‑下定子轭、21‑下定子励磁绕组、22‑下定子永磁体、23‑电励磁上部悬浮定子铁芯、24‑电励磁下部悬浮定子铁芯、25‑悬浮转子。
具体实施方式
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0027] 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 一种结合磁悬浮的可控磁场调制轴向磁通发电机，包括可控磁场调制轴向磁通电机、永磁斥力悬浮机构和电励磁悬浮机构。可控磁场调制轴向磁通电机包括电机上定子1、定子背铁2、电机下定子3、下定子背铁4和电机转子6，电机上定子1包括电机上定子铁芯16、电机上定子电枢17和上定子轭12。电机上定子3包括电机下定子齿19、下定子励磁绕组21和下定子轭20。
[0029] 电机转子6由若干个扇形转子调制齿18组成。每个转子所对应的调制齿数为Pr，上定子电枢的沿圆周方向极对数为Ps以及下定子沿圆周方向磁极数Pn满足：Pr＝Pn±Ps。
[0030] 电机上定子电枢17采用集中绕组绕在电机上定子铁芯16，邻近铁芯绕的两套电枢绕组共用一个槽，根据绕组分布和初级极对数设定绕组的相。
[0031] 下定子永磁体22间隔两个槽内安放，并且邻近永磁体的充磁方向相反。下定子励磁绕组21采用集中绕组绕在无永磁的下定子槽和下定子轭20的外部。
[0032] 永磁斥力悬浮机构包括上端斥浮结构上部磁体环8、上端斥浮结构下部磁体环9、下端斥浮结构上部磁体环10、下端斥浮结构下部磁体环11、下端斥浮结构背铁13和上端斥浮结构背铁14。上端斥浮结构上部磁体环8、上端斥浮结构下部磁体环9、下端斥浮结构上部磁体环10、下端斥浮结构下部磁体环11、下端斥浮结构背铁13和上端斥浮结构背铁14均放置与中心轴15的外侧。
[0033] 上端斥浮结构上部磁体环8、上端斥浮结构下部磁体环9、下端斥浮结构上部磁体环10、下端斥浮结构下部磁体环11均为四个环形磁体组成，磁体沿轴向充磁。四个环形磁体中内外两个环磁体充磁方向相反，上下两个环磁体充磁方向相反。上端斥浮结构上部磁体环8和下端斥浮结构下部磁体环11与中心轴15连接，并与中心轴15同步旋转，上端斥浮结构下部磁体环9、下端斥浮结构上部磁体环10分别安装于上定子背铁2和下定子背铁4上。
[0034] 电励磁悬浮机构包括电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组7和电励磁上部悬浮定子铁芯23、电励磁下部悬浮定子铁芯24和悬浮转子25的一部分。电励磁上部悬浮定子铁芯23和电励磁下部悬浮定子铁芯24均设置为2层圆环铁芯，电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组7均设置为三层环形绕组，中间一层绕组数是内外两层绕组数两倍，中间一层绕组电流与内外两层绕组电流方向相反。电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组7分别与悬浮转子25形成并联磁路。通过控制，电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组
7电流，控制上下悬浮力的大小，实现悬浮。
[0035] 电机转子6和悬浮转子25共同组成了转子部分，电机转子6为扇形弧状调制转子调制齿组成的圆环，且圆环覆盖电机上定子、下定子。每个转子所对应的调制齿数为Pr，上定子电枢的沿圆周方向极对数为Ps以及下定子沿圆周方向磁极数Pn满足：Pr＝Pn±Ps。悬浮转子25为导磁铁组成的圆环，圆环覆盖电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组7。
[0036] 扇形转子调制齿18设置有十三个。电机上定子电枢17为十二个。下定子励磁绕组21为十六个，下定子永磁体22为八个。
[0037] 风机黑启动时当仅有永磁作用，发电机发电作为系统启动，电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组7不控制，系统启动完成后，电机电枢切换到三相调制运行状态，电励磁上部悬浮绕组5、电励磁下部悬浮绕组7开始控制运行实现电机阻力很小运行，并提高风能捕获的范围。
[0038] 上述实施例仅是本发明的优选实施方式和主要特征，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
