磁通可調式風力發電機的製作方法

2023-06-17 17:43:01

專利名稱：磁通可調式風力發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直驅式混合勵磁雙定子風力發電機，屬於發電機製造 的技術領域。
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，今後的運行成本會 低於水電和火電，發展前景非常廣闊。風力發電機是風能開發中至關重要的核 心環節。大型風輪機的轉速低至幾十轉甚至十幾轉，所以不得不藉助於升速齒 輪箱，才能通過普通轉速的發電機發出工頻的交流電。由於風機安裝在野外高 空幾十米處，經受酷暑嚴冬，環境條件苛刻，升速齒輪箱工況嚴酷、造價高昂、 維護保養工作量大，是目前MW級風力發電機組中過載和過早損壞率較高的部 件，成為制約風力發電經濟性的瓶頸。為此，各國瞄準直驅式永磁風力發電機 加以開發研究，直驅式永磁風力發電機成為當今發電領域的首選最新尖端技術。風力發電機的低速運行特性，要求發電機組採取多極的特殊結構，極組需 要在發電機的圓周展開，發電機直徑增大。而盤式永磁發電機由於定子空間大， 定子利用率低，限制了其在低速大型風力發電機中的應用。因此，對於直驅式風力發電機還需要研究新的電機結構以獲得較高的輸出電壓，較低的輸出電流， 提高發電機運行效率。由於風速變化的隨機性，為捕獲最大風能，要求風力機實時追蹤風能變化， 輸出最大功率，為此風力發電機需變速運行，並且保持最佳葉尖速比。因此， 對於直驅式風力發電機還需要研究新的電機結構以實現發電機變速運行，捕獲 最大風能，提高發電機的輸出功率。混合勵磁發電機勵磁部分由永磁體勵磁和電勵磁組成。永磁體產生的氣隙 磁場是恆定的，難以進行調節；電勵磁部分產生的氣隙磁場可通過改變勵磁電 流大小和方向進行調節，從而改變合成氣隙磁場的大小。根據這個原理，在一 般混合勵磁發電機系統中，電勵磁部分主要是穩定發電機輸出電壓的作用；而
在風力發電系統中，風速經常變化，當風速在起動風速與額定風速之間變化時， 為捕獲最大風能，使風力機實時輸出最大功率，發電機輸出電壓和輸出功率需 實時變化，發電機轉速與風速才能保持最佳葉尖速比，因此，通過引入混合勵 磁，可使風力發電機通過勵磁電流的調節，改變氣隙磁場的大小，達到改變輸 出功率，調節發電機轉速進而實現捕獲最大風能的目的；而當風速超過額定轉速時，可通過調節風力機槳距角的大小使發電機在額定轉速下運行。 發明內容技術問題本實用新型所要解決的技術問題是提供一種定子空間大、低速 高輸出電壓、實時捕獲最大風能的磁通可調式風力發電機。技術方案為了在低速運行時獲得較髙的輸出電壓，本實用新型採用了特 殊的電機結構，即在較大的發電機機體空間內根據實際應用需要設置雙定子， 內外定子和普通電機定子結構類似，定子繞組串聯供電；為了使發電機實時輸 出最大功率，捕獲最大風能，本發明引入了電勵磁部分。外定子同時作為永磁磁路及電勵磁磁路的一部分，永磁磁路和電勵磁磁路 相互獨立，兩者之間互不影響，無電磁關係，磁路並聯。本實用新型的磁通可調式風力發電機，由定子、轉子和電勵磁繞組部分構 成，該發電機的定子為雙定子，雙定子部分包括內定子、外定子和內定子支架; 電勵磁繞組部分包括電勵磁繞組和勵磁繞組支架；轉子包括杯形轉子、內永磁 體、外永磁體、轉子背軛和轉軸；其中，外定子固定於電機外殼內，內定子固 定於內定子支架上，內定子支架固定在電機端蓋上；極性相異的外永磁體交錯 排列分布在杯形轉子的外壁，極性相異的內永磁體交錯排列分布在杯形轉子的 內壁，並位於內定子和外定子之間，外永磁體和內永磁體互相串聯，杯形轉子 和轉子背軛固定於轉軸上；電勵磁繞組套在電勵磁繞組支架中，電勵磁繞組支 架固定於端蓋上；懸臂爪極固定在爪極上，爪極固定在轉子背軛上。內定子、 外定子電樞繞組互相串聯。所述的懸臂爪極和爪極為瓦片形狀。所述的杯形轉 子外壁內永磁體和外永磁體採用釹鐵硼永磁材料製成，轉軸採用非導磁鋼。有益效果由於內外定子電樞繞組串聯連接，可獲得比普通單定子發電機 更髙的輸出電壓，從而提高功率密度。此外，由於電機定子槽深減小，可減少 電機定子漏抗，提高氣隙磁密，從而提高電機的功率密度。由於電勵磁部分可
以調節氣隙磁場，捕獲最大風能，因此發電機能夠實時輸出最大功率。有益效果本實用新型與普通單定子電機相比，由於採用此特殊電機結構, 在相同直徑情況下，電機可獲得較高的輸出電壓；而與無電勵磁的情況相比，通過適當調節勵磁電流的大小，能夠使發電機轉速實時追蹤風速變化，輸出最 大功率，捕獲最大風能。由於發電機實現了直接驅動發電，免去了價格高昂且效率較低的升速齒輪 箱，電機定子空間大，利用率高，在低速時可獲得較商的輸出電壓。具有無霱 機械變速，低速高效，結構合理，空間利用率高，製造成本低、電機部件更趨 向普通電機的特點。考慮到風力發電系統中的整流濾波環節，為減小濾波電容，本專利採用瓦 片形狀爪極，以得到方波輸出電壓波形。此外，該結構簡單、易於加工。


圖1是磁通可調式風力發電機剖面示意圖； 圖2是本實用新型發電機永磁部分磁路示意圖；以上的圖中有外定子l,外永磁體2，內永磁體3，內定子4，內定子支 架5,軸承6，轉軸7,杯形轉子8，懸臂爪極9，電勵磁繞組支架IO，轉子背 軛ll，電勵磁繞組12，爪極B,電機端蓋14。
具體實施方式
本實用新型採用了特殊的電機結構，即在較大的發電機機體空間內根據實 際應用需要設置內外兩個定子，定子和普通外轉子內轉子電機的定子結構類似。 外定子1固定在電機的外殼上；極性相異的外永磁體2和內永磁體3交錯排列 粘貼在杯形轉子8的內外壁；內定子4固定於內定子支架5上；內定子支架5 固定在端蓋14上；杯形轉子8和轉子背軛11固定在轉軸7上；懸臂爪極9、爪極13通過螺絲和轉子圓環固定在一起；電勵磁繞組支架10固定在電機端蓋14上；電勵磁繞組12套在電勵磁繞組支架10中。通過在杯形轉子8內外壁上粘貼永磁體，內外壁上極性相異且交錯拌列的 永磁體所形成的磁場通過相鄰的外定子1、內定子4和杯形轉子8等形成串聯 磁路，如附圖2所示。該磁通路徑為杯形轉子8外壁永磁體3、外定子l、相鄰杯形轉子內壁永磁體2、杯形轉子8、杯形轉子內壁永磁體3、內定子4、相 鄰杯形轉子內壁永磁體3、杯形轉子8，最後回到杯形轉子外壁永磁體2。通過在轉子背軛11上布置爪極13和懸臂爪極9等形成電勵磁磁路，如附 圖1所示。該磁通路徑為外定子1、懸臂爪極9、電勵磁繞組支架10、轉子 背軛ll、爪極13，最後回到外定子l。此外，從提高電機氣隙磁密和磁鋼的熱穩定性考慮，選擇具有較髙內稟矯 頑力的釹鐵硼永磁材料作為電機杯形轉子外壁永磁體2和杯形轉子內壁永磁體 3的材料。內外定子電樞繞組串聯連接，從而可獲得比傳統發電機更高的輸出電壓。 調節勵磁電流使發電機實時跟蹤風速變化，輸出最大功率，最後，使用一臺全 功率變頻器將頻率變化的風電變換為工頻電送入電網。
權利要求1. 一種磁通可調式風力發電機，由定子、轉子和電勵磁繞組部分構成， 其特徵是該發電機的定子為雙定子，雙定子部分包括內定子(4)、外定子(1) 和內定子支架(5);電勵磁繞組部分包括電勵磁繞組(12)和勵磁繞組支架(10); 轉子包括杯形轉子(8)、內永磁體(3)、外永磁體(2)、轉子背軛(11)和轉 軸(7);其中，外定子(1)固定於電機外殼內，內定子(4)固定於內定子支 架(5)上，內定子支架(5)固定在電機端蓋(14)上；極性相異的外永磁體(2)交錯排列分布在杯形轉子(8)的外壁，極性相異的內永磁體(3)交錯排 列分布在杯形轉子(8)的內壁，並位於內定子(4)和外定子(1)之間，外永 磁體(2)和內永磁體(3)互相串聯，杯形轉子(8)和轉子背軛(11)固定於 轉軸(7)上；電勵磁繞組(12)套在電勵磁繞組支架(10)中，電勵磁繞組支 架(10)固定於端蓋(14)上；懸臂爪極(9)固定在爪極(13)上，爪極(13) 固定在轉子背軛(11)上。
2. 根據權利要求1所述的磁通可調式風力發電機，其特徵是內定子(4)、 外定子(1)電樞繞組互相串聯。
3. 根據權利要求1所述的磁通可調式風力發電機，其特徵是所述的懸臂 爪極(9)和爪極(13)為瓦片形狀。
4. 根據權利要求1所述的磁通可調式風力發電機，其特徵在於所述的杯 形轉子(8)外壁內永磁體(3)和外永磁體(2)採用釹鐵硼永磁材料製成，轉 軸採用非導磁鋼。
專利摘要磁通可調式風力發電機是一種定子空間大、低速高輸出電壓、實時捕獲最大風能的風力發電機，該發電機的定子為雙定子，雙定子部分包括內定子(4)、外定子(1)和內定子支架(5)；電勵磁繞組部分包括電勵磁繞組(12)和勵磁繞組支架(10)；轉子包括杯形轉子(8)、內永磁體(3)、外永磁體(2)、轉子背軛(11)和轉軸(7)；該電機取消了齒輪箱，採用雙定子結構提高了功率密度，通過調節勵磁電流的大小和方向可方便地調節氣隙磁場的大小，調節電機轉速，捕獲最大風能。
文檔編號H02K16/00GK201038949SQ200720035048
公開日2008年3月19日 申請日期2007年3月12日 優先權日2007年3月12日
發明者劉細平, 楊成峰, 林鶴雲 申請人:東南大學