一種小型直驅永磁同步風力發電機及其小型風力發電系統的製作方法
2023-06-26 13:01:16 1
專利名稱：一種小型直驅永磁同步風力發電機及其小型風力發電系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力發電機及風力發電系統，特別是一種小 型風力發電機及其風力發電系統。
背景技術：
風力發電是再生能源技術中增長最快的一種，常見有交流異步發 電機、雙饋異步發電機，在風電系統中，需要齒輪增速，對於雙饋異 步發電機還要有碳刷和滑環，這種風電系統製造成本高、可靠性差， 而且噪音汙染十分嚴重。
無齒輪箱、直驅、無刷化受到人們的關注，新的風力發電系統方 案為變速運行，變漿矩調節、低轉速、高效率、高功率因數的直驅多 極永磁同步發電機，成為當前研究開發的熱點。
其中，小型風力發電系統因其體積小、單價低，所以不適宜採用 變槳矩調節機構，因而現有技術一般是採用固定槳矩的方式。但是， 由於風速會不斷變化，現有的小型風力發電系統並不能適用，其工作 不穩定、不可靠，風能利用率低。
另外，目前的風力發電機的採用多槽多極電機，所對應的定子槽 數多，為滿足工藝要求，定子和轉子尺寸要製作得很大，以使之獲得 需要的頻率，由於轉動慣量大可以平抑由於風力變化引發的電勢波動。 但是，該多槽多極的結構製作工藝較複雜，性能不穩定，因而不能達 到最佳的使用效果，並且該電機還存在自身體積大、成本高的缺點， 同時還需要減速箱的配合使用，因而使得小型風力發電機的成本不能進一步降低。而傳統上存有技術偏見，認為結構相對簡單的少槽少極 結構在使用上會導致徑向電磁力過大、震動劇烈和噪聲大的問題，一 直以來只用於小型或者微型發電機中。低速大轉矩的發電機通常是採 用相對複雜的多槽多極結構，而結構相對簡單的少槽少極結構在低速 大轉矩的發電機中並沒有使用和嘗試的記載。
另外，在公開號為CN101017998A
公開日為2007年8月15日的 專利文獻中公開了一種採用雙定子結構的直驅式勵磁風力發電機，其 通過雙定子結構來實現提高功率密度，捕獲最大風能，雖然達到一定 的使用效果，但是，採用該種結構的風機只能單純提高功率密度，在 風速寬範圍變化的狀況下工作不穩定，並且在單純提高功率密度的情 況下，製造成本過高。
實用新型內容
為了解決上述技術問題，本實用新型要的目的在於提供一種結構 簡單、效率高、運轉平穩的一種小型直驅永磁同步風力發電機。
另外一個目的在於提供一種結構簡單、成本低廉、使用可靠、風 能利用率高、運轉平穩的小型風力發電系統。
一種小型直驅永磁同步風力發電機，包括機殼，機殼通過軸承安 裝有轉軸，機殼內安裝固定有主定子和副定子，主定子套在副定子的 外圍，主定子和副定子上分別有主定子繞組和副定子繞組，主定子與 副定子之間設有與轉軸連接的轉子，所述轉子上有分別與主定子和副 定子相對應的外永磁體和內永磁體，副定子繞組中的一組繞組連接有 直流電源供電調節控制端。
進一步，所述的定子和轉子為少槽少極結構。一種小型風力發電系統，包括風力機、發電機和電能存儲器，風 力機直接與發電機連接，所述發電機為直驅永磁同步發電機，發電機 包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉軸，機殼內安裝固定有主定子和副 定子，主定子套在副定子的外圍，主定子和副定子上分別有主定子繞 組和副定子繞組，主定子與副定子之間設有與轉軸連接的轉子，所述 轉子上有分別與主定子和副定子相對應的外永磁體和內永磁體，副定 子繞組中的一組繞組連接有直流電源供電調節控制端，主定子繞組和 副定子繞組的輸出端通過電纜與電能存儲器和用電設備連接，副定子 繞組的繞組連接有直流電源供電調節器，直流電源供電調節器連接控 制器，控制器的輸入端連接風力機，對風力機進行速度檢測。
進一步，所述的定子和轉子為少槽少極結構。
本實用新型的有益效果是由於該電機採用雙定子結構，可以採 用功率調節和能量補償的方法保持風能發電系統的穩定，由副定子和 轉子進行轉矩調節，實現轉矩阻尼式速度調節，解決了上述直驅式勵 磁雙定子風力發電機無法解決的技術難題，在風力不足時發電進行功 率補償，在額定轉速運行，主定子為發電機直接供電，副定子空轉， 整個發電系統的工作效率能夠有效提高，並且發電系統的發電機可以 在較寬風速範圍內穩定運行，更高效地利用風能，操作過程簡單。進 一步，所述的定子和轉子為少槽少極結構，以實現低速大扭矩輸入， 具有高的功率密度，能夠取消齒輪傳動機構，既減小了風力發電系統 的整體體積，又可以避免齒輪傳動機構磨損導致出現故障，提高整個 發電系統的工作效率。並且該少槽少極結構在提高功率密度方面而言， 已經達到了上述直驅式勵磁雙定子風力發電機中內定子的作用，而且效果更好，製造成本能夠大大地有效降低，具有極大的經濟效益。以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。
圖1是本實用新型發電機的結構示意圖； 圖2是本實用新型發電系統的結構示意圖。
具體實施方式
參照圖1,本實用新型的一種小型直驅永磁同步風力發電機，包 括機殼1，機殼1通過軸承安裝有轉軸2,機殼1內安裝固定有主定子 3和副定子4，主定子3套在副定子4的外圍，主定子3和副定子4 上分別有主定子繞組5和副定子繞組6，主定子3與副定子4之間設 有與轉軸2連接的轉子7，所述轉子7上有分別與主定子3和副定子4 相對應的外永磁體8和內永磁體9，副定子繞組6中的一組繞組連接 有直流電源供電調節控制端。
進一步，作為本實用新型的優選實施方式，電機定子和轉子結構 簡單，極數和槽數優化配合，所述的定子和轉子為少槽少極結構，其 具有極高的功率密度。具體可以如下，所述主定子為9槽結構，所述 轉子為8極或者10極結構。
另外，進一步，所述定子繞組為三相，三相3組繞組120°集中 嵌放。
本實用新型的一種小型風力發電系統，包括風力機、發電機和電 能存儲器，風力機直接與發電機連接，所述發電機為直驅永磁同步發 電機，發電機包括機殼1，機殼1通過軸承安裝有轉軸2，機殼1內安裝固定有主定子3和副定子4，主定子3套在副定子4的外圍，主定 子3和副定子4上分別有主定子繞組5和副定子繞組6，主定子3與 副定子4之間設有與轉軸2連接的轉子7，所述轉子7上有分別與主 定子3和副定子4相對應的外永磁體8和內永磁體9，副定子繞組6 中的一組繞組連接有直流電源供電調節控制端，主定子繞組5和副定 子繞組6的輸出端通過電纜與電能存儲器和用電設備連接，其中，副 定子繞組6的輸出端通過供電開關連接在電纜上，副定子繞組6的繞 組還連接有直流電源供電調節器，直流電源供電調節器連接控制器， 另一端通過直流電供電開關連接電能存儲器，控制器的輸入端連接風 力機，對風力機進行速度檢測。
如圖1所示，所述的定子和轉子可以為少槽少極結構。具體為， 所述主定子、副定子為9槽結構，所述轉子為8極或者10極結構。優 選，所述定子繞組為三相，三相3組繞組120。集中嵌放。
由於該發電機屬於少槽少極結構，為高密度磁路，定子繞組匝數 比多極永磁同步發電機多數十倍，充分利用槽隙空間增加繞組匝數以 獲得在低速運行情況下產生較高的反電勢電壓，在低速條件下，可直 接輸出220V電壓，系統設計為恆速、恆頻、固定槳矩、雙定子雙轉子 結構，控制方式採用功率調節和能量補償的方法保持系統的穩定，因 此本實用新型是一種新型的風力發電系統。
採用上述雙定子和轉子的結構，可以對副定子的相關部件進行直 流電源供電調節，可以具有轉矩阻尼式速度調節的作用。
當風速合適，在額定轉速運行時，主電機為發電機直接供電，副 定子空轉；當風速較大，在額定轉速以上運行時，對副定子繞組之一供直流
電，電流大小由風機轉速反饋決定，使之成為轉矩阻尼式速度調節；
當風速較小，在額定轉速以下運行時，副定子繞組投入發電運行， 其電能與主電機的電纜併網，此種操作是功率調節式補償。
另外，本實用新型的發電機及其系統在使用時，對有頻率要求的動 力裝置可通過頻率預定裝置提升供電頻率，對於頻率無要求的可直接 供電使用。
另外，起動阻力矩是由齒槽效應引起的，本實用新型的的試驗中其 影響極小，轉動平穩定子不需斜槽，並且繞組匝數數倍高於多極發電 機，且反電勢電壓也很高，通過導線的電流比多極電機要小，電流是 發熱的主要因素，電流小對散熱有利，同時，此發電機為低頻發電機， 電機鐵損很少，故不會發熱，可以使磁鋼的物理性能不受衝擊和影響。
在控制技術方面，風速具有隨機的波動性，導致風能利用率時大時 小，因此要有一個控制方式，通過控制保證電能質量的同時最大限度 的捕獲風能，本實用新型風電系統具有較高的效率。
在經濟性方面，發電機結構簡單，製造成本低，因無齒輪箱和槳葉 變矩裝置，運行可靠性提高，在設計壽命內不需維護。
該系統可以適用於分散供電、獨立供電、農田的小型水利用電， 減少集中供電的工程投資，小型風力發電系統的電能單位成本低於集 中供電的煤電成本。
由於採用了上述結構定子和轉子的發電機，可以採用功率調節和 能量補償的方法保持風能發電系統的穩定，由副定子進行轉矩調節， 保持恆速，和在風力不足時發電進行功率補償，在額定轉速運行，主電機為發電機直接供電，副定子空轉，整個發電系統的工作效率能夠 有效提高，並且發電系統的發電機可以在較寬風速範圍內穩定運行， 更高效地利用風能，操作過程簡單。
權利要求1. 一種小型直驅永磁同步風力發電機，包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉軸，其特徵在於機殼內安裝固定有主定子和副定子，主定子套在副定子的外圍，主定子和副定子上分別有主定子繞組和副定子繞組，主定子與副定子之間設有與轉軸連接的轉子，所述轉子上有分別與主定子和副定子相對應的外永磁體和內永磁體，副定子繞組中的一組繞組連接有直流電源供電調節控制端。
2. 根據權利要求1所述的一種小型直驅永磁同步風力發電機，其特徵 在於所述的定子和轉子為少槽少極結構。
3. 根據權利要求2所述的一種小型直驅永磁同步風力發電機，其特徵 在於所述主定子和副定子為9槽結構，所述轉子為8極或者10極 結構。
4. 根據權利要求1、2或者3所述的一種小型直驅永磁同步風力發電機， 其特徵在於所述定子繞組為三相，三相3組繞組120。集中嵌放。
5. —種小型風力發電系統，包括風力機、發電機和電能存儲器，風力 機直接與發電機連接，其特徵在於所述發電機為直驅永磁同步發電機，發電機包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉軸，機殼內安裝固 定有主定子和副定子，主定子套在副定子的外圍，主定子和副定子 上分別有主定子繞組和副定子繞組，主定子與副定子之間設有與轉 軸連接的轉子，所述轉子上有分別與主定子和副定子相對應的外永 磁體和內永磁體，副定子繞組中的一組繞組連接有直流電源供電調 節控制端，主定子繞組和副定子繞組的輸出端通過電纜與電能存儲 器和用電設備連接，副定子繞組的繞組連接有直流電源供電調節器，直流電源供電調節器連接控制器，控制器的輸入端連接風力機，對 風力機進行速度檢測。
6. 根據權利要求5所述的一種小型風力發電系統，其特徵在於所述 的定子和轉子為少槽少極結構。
7. 根據權利要求5所述的一種小型風力發電系統，其特徵在於所述主定子和副定子為9槽結構，所述轉子為8極或者10極結構。
8. 根據權利要求5所述的一種小型風力發電系統，其特徵在於所述 定子繞組為三相，三相3組繞組120°集中嵌放。
專利摘要本實用新型公開了一種小型直驅永磁同步風力發電機及其發電系統，發電機包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉軸，機殼內安裝固定有主定子和副定子，主定子套在副定子的外圍，主定子和副定子上分別有主定子繞組和副定子繞組，主定子與副定子之間設有與轉軸連接的轉子，所述轉子上有分別與主定子和副定子相對應的外永磁體和內永磁體，副定子繞組中的一組繞組連接有直流電源供電調節控制端。發電系統還包括有電能存儲器、直流電源供電調節器、控制器等，該發電機可以採用功率調節和能量補償的方法保持風能發電系統的穩定，整個發電系統的工作效率能夠有效提高。
文檔編號H02K16/00GK201307818SQ20082020302
公開日2009年9月9日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者吳金華, 徐繼鴻, 趙少俊 申請人:鶴山市鶴龍機電有限公司