三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機的製作方法

2023-10-08 16:31:34

專利名稱：三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機的製作方法
技術領域：
本發明是一種新型電勵磁雙凸極發電機結構設計技術，屬於電機設計領域。
背景技術：
風能作為一種潔淨的可再生能源，隨著技術逐步成熟，其發展前景非常廣闊。 隨著風力發電機單機容量的不斷增大，變速齒輪箱是在風力發電機組中過載能 力較差和過早損壞率較高的部件，目前國內外開始研製一種直接驅動式的風力發 電機組，這種機組採用電機與風輪機直接連接進行驅動的方式，省去了增速齒輪 箱這一傳統部件，具有噪聲低、機組壽命高、體積小、運行維護成本低、效率高 等優點，成為今後風力發電機發展的重要方向。但是由於風速受季節、氣候、地 貌的影響，使得風能的隨機性很大，對於直驅式風力發電機，發電機轉速直接取 決與風輪機的轉速，無增速齒輪箱風輪機轉速可能低至幾十乃至十幾轉，要求發 電機在如此低轉速下仍能輸出所要求的電壓，並且風速的隨機性也要求發電機具 有較寬的轉速範圍，常規電機結構基本無法解決該問題。
目前直驅式風力發電機中常用的機型為改進型異步電機或永磁同步電機，多 將其設計成多極式或多繞組結構，以滿足低速要求。多極或多繞組的特殊結構， 使得發電機的徑向尺寸加大，大功率場合也使得電機體積重量加大，影響風力發 電機機艙的總體布局與安置。並且其輸出直接通過不控整流，直流端電壓隨著風 速的變化而變化，調壓困難，給後級變換器設計帶來難度，為使輸出電壓恆定， 必須通過可控整流，變換器、控制器相對比較複雜。並且永磁機由於永磁體的成 本較高，尤其大功率電機設計、生產成本使得風力發電機系統的成本居高不下， 風電價格較高，限制了風電的規模化推廣。因此設計新型適於直驅式風力發電應 用場合的電機結構尤為重要。
電勵磁雙凸極電機作為一種新型電機，其定轉子均為凸極結構，類似開關磁 阻電機，定子嵌有電樞繞組和勵磁繞組，轉子無繞組，能夠直接通過勵磁電流的 控制調節輸出電壓，控制簡單、功率密度高並且成本較低。相比較永磁雙凸極電 機，電勵磁雙凸極電機勵磁電流可控的優點使得發電機輸出無需可控功率變換 器，並且在負載和發電機轉速變化的情況下，可以通過勵磁電流的調節控制輸出 電壓穩定在所需值，極大簡化了後級變換器的的設計。雙凸極電機轉子無繞組類 似開關磁阻電機，在高速大功率發電機應用場合具有突出的優點。作為新型直驅
式風力發電機，在較低轉速的條件下，要獲得所需要的輸出，還需研究新型的電 機結構，以期在極低和多變的轉速條件下獲得較高和穩定的輸出電壓和較寬的轉 速範圍、較小的體積重量以及較低的成本並提高發電的運行效率。

發明內容
本發明的目的即在電勵磁雙凸極發電機的基本原理的基礎上，提出一種三相 外轉子電勵磁雙凸極風力發電機，使其滿足直驅式風力發電機的低速、寬轉速範 圍、高效率的要求。
本發明三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機具有定子在內，轉子在外的結構 形式，轉子齒數大於定子齒數，電樞繞組、勵磁繞組均位於定子上，定子固定在 風機架上，轉子直接與風輪機相連。以6/8極外轉子電勵磁雙凸極電機為例，定 子外圈均勻分布6個凸極，轉子內圈均分分布8個凸極，並且定轉子極弧相等。 定子凸極按圓周鑲嵌六個線圈，定子相對的兩個線圈串連成一相繞組，構成A、 B、 C三相繞組，勵磁繞組鑲嵌於一對定子槽中。本發明雙凸極發電機輸出通過 三相不控整流獲得直流輸出電壓，並且根據轉速與負載的需要調節勵磁電流以維 持輸出電壓不變，減小了後級變換器的設計難度。
本發明6/8結構外轉子電勵磁雙凸極發電機的有益效果
1、 採用電勵磁雙凸極電機，其定轉子凸極結構簡單，可靠性高。
2、 採用外轉子結構，風輪機可以直接安裝在電機外殼上，電機和風輪機之 間無其它傳動裝置，風能利用率高，轉子更容易與外部機械集成一體，可有效的 減小系統的重量和體積。
3、 外轉子結構可以有效地增大發電機的轉動慣量，較大轉動慣量可以存儲 更多的機械動能，並且可以用來平衡風速變化引起的短時電機轉速的突變。
4、 內定子繞電樞繞組可使繞組端部比較短，用銅量少，節約成本
5、 採用6/8結構使發電機定子繞組為三相，整流輸出裝置簡單。並且轉子 齒數大於定子齒數有效地提高了發電機低速輸出能力。


圖1三相外轉子電勵磁雙凸極發電機截面圖 圖2三相外轉子電勵磁雙凸極發電機空載磁路分布圖 圖3三相外轉子電勵磁雙凸極發電機三相磁鏈曲線 圖4三相外轉子電勵磁雙凸極發電機感應反電勢波形
具體實施例方式
如圖1所示，本發明外轉子電勵磁雙凸極風力發電機由6齒內定子、8齒外 轉子構成，定轉子均由矽鋼片疊壓而成，且定轉子齒寬相等，以保證在任意位置， 定轉子重合面積相等，氣隙磁鏈為一恆定值。採用轉子齒數多於定子齒數可以提 高電機內磁場的變化頻率以使發電機能夠在較低轉速感應出所需電壓，故該電機 結構適用於低轉速應用場合，如直驅式風力發電系統。如圖1所示，本發明電機 定子上鑲嵌的A1、 A2、 Bl、 B2、 Cl、 C2六個電樞繞組和勵磁繞組L，其中定子 相對齒上的A1、 A2兩個電樞繞組串連成A相繞組；Bl、 B2兩個電樞繞組串連成 B相繞組；Cl、 C2兩個電樞繞組串連成C相繞組。L為勵磁繞組。給勵磁繞組通 入直流電後，隨著風輪機帶動轉子旋轉，空載情況下電機各個位置的空載磁路分 布如圖2中(a)、 (b)、 (c)三個圖所示(給出三個典型位置的磁路分布圖)，隨 著轉子位置的變化，整個電機氣隙磁鏈基本不變，但是每相繞組所匝鏈的磁鏈隨 著轉子位置變化而變化，三相繞組的磁鏈隨轉子位置曲線如圖3所示，每相繞組 磁鏈基本成三角形變化，理想情況下，感應的反電勢為矩形波，但是由於定轉子 重合位置，以及磁路的飽和特性，使得三相繞組感應的反電勢如圖4所示。本發 明外轉子電勵磁雙凸極風力發電機反電勢基本成方波形式，通過三相不控整流即 可獲得直流輸出電壓，風速和負載變化後可以通過勵磁電流的調節控制輸出電壓 穩定在所需值，具有較寬的轉速適應範圍和穩定的輸出特性，極大地簡化了後級 變換器的設計。與其它直驅式風力發電機如永磁同步電機、雙饋異步電機、甚至 包括永磁雙凸極電機等相比較，本發明外轉子電勵磁雙凸極發電機省去了後級的 可控功率變換器，並且具有寬轉速範圍的適應性，在風速變化較大，對系統性能 和效率要求較高的場合，如應用於鋁電解等非併網式風力發電領域具有廣泛的應 用前景。
權利要求
1、一種三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機，包括定子、轉子、電樞繞組和勵磁繞組，其特徵是定子在內，轉子在外，轉子齒數大於定子齒數，定子外圈沿圓周均勻分布6個凸極，轉子內圈沿圓周均分分布8個凸極，定子與轉子的極弧相等，定子凸極按圓周鑲嵌六個線圈(A1、B1、C2、A2、B2、C1)，相對的兩個線圈串連成一相繞組，構成三相繞組，勵磁繞組(L)鑲嵌於一對定子槽中。
全文摘要
一種三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機，屬雙凸極電機。該三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機由8齒外轉子(1)、6齒內定子(2)以及定子上鑲嵌六個電樞繞組(A1、A2、B1、B2、C1、C2)和勵磁繞組(L)構成，其中定子上相對齒上繞組串連成一相，構成三相發電機。給勵磁繞組通入直流電後，隨著風輪機帶動電機外轉子旋轉，三相繞組直接通過三相整流橋輸出，本發明三相外轉子電勵磁雙凸極風力發電機結構簡單、低速性能好，適用於直驅式風力發電系統。
文檔編號H02K1/06GK101183804SQ20071013295
公開日2008年5月21日 申請日期2007年9月24日 優先權日2007年9月24日
發明者波 周, 孟小利, 航 尹, 張卓然, 張永帥, 胡朝燕, 魏佳丹 申請人:南京航空航天大學