多體式電勵磁雙凸極風力發電機的製作方法

2023-10-08 16:31:29 2

專利名稱：多體式電勵磁雙凸極風力發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及新型電勵磁雙凸極風力發電機結構技術，具體涉及一種多體式結 構的具有低轉速、高效率、寬轉速範圍和負載適應性的新型電勵磁雙凸極風力機。
背景技術：
目前大型直驅式風力發電機中由於風輪機轉速較低，風力發電機大都釆用多 極式特殊結構的永磁電機、異步電機，由於多極式結構需要極組在發電機的圓周 展開使得發電機直徑增大，尤其在大功率場合，多極式風力發電機使其截面積增 大，影響風輪機的風道。另外大功率直驅式風力發電機由於受隨機性很大的風速 以及負載的影響，要求發電機具有較寬的轉速範圍，並能夠適應不同的負載要求。 現有的大功率風力發電機在風速較低、負載較小的情況下由於輸出功率較低，使 得發電機效率較低，嚴重影響風能的利用率。為此在大功率直驅式風力發電機的 研究中，提出新型電機結構改善其徑向尺寸的同時，還必須提高風力發電機在不 同工作點的運行效率。
永磁電機由於永磁體的存在，電機功率密度、效率較高，成為風力發電機中 較為廣泛的選擇，為適應直驅型風力發電機需求，改用外轉子結構有效地提高了 發電機的極數，改善了其低速性能。但是永磁體的高額成本，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，導致風電成本較高，限制了風電 的規模化推廣。並且永磁發電機磁場強度是基本恆定的，調壓比較困難，為此人 們常常通過漏磁的設計達到其較寬的工作範圍，然而這種方式使得發電機的體 積、重量大幅度升高，材料利用率低、損耗加大，造成各種材料及能源的浪費。 並且仍然無法提高大型發電機在不同轉速、負載的下的運行效率。
電勵磁雙凸極電機作為一種新型電機，類似於開關磁阻電機的定轉子結構使 其具有開關磁阻電機優良的電氣特性，應用於風力發電機，與永磁電機、異步電
機比較具有輸出電壓控制簡單、可靠性高、無需可控功率變換器等優點，並且轉 速適應範圍寬、結構簡單、成本低、適合於大功率應用場合。作為直驅式風力發 電機的低轉速場合應用，可採用外轉子結構改善其低速性能。但是同樣為解決在 不同轉速、負載下的運行效率以及電機徑向尺寸問題還必須對其雙凸極發電機結 構作進一步的改進。
三、發明內容供一種大功率應用場合直驅式電勵磁雙凸極風力發電 機，使其滿足直驅式風力發電機的大功率、寬轉速範圍、高效率等特性要求。 為解決電機徑向尺寸過大的問題，在省去了齒輪箱的風輪機艙內，最有效的途徑 是增加電機軸向尺寸以削減徑向尺寸，並維持電機的額定功率，同時為保證電機 在各個負載狀態的效率，提出分布式電機結構的概念，即採用多體式結構，在風 輪機的軸上通過機械串連一臺以上的發電機，根據負載與風速的要求，每臺電機 可以獨立工作，也可以互相串並聯工作，以使每臺電機都能夠工作在最大負載點， 提高單體電機的運行效率，則整機運行效率也能夠有效地獲得提高。並且本發明 多體式風力發電機單體發電機採用兩相電勵磁雙凸極發電機，並結合多體式連接 方式有效地減小發電機的徑向尺寸。該多體式風力發電機可通過單體電機繞組之 間的連接方式改變整個電機的相數，根據風速與負載的變化，採用電子電氣裝置 控制各臺電機的繞組串並聯方式，低速時多臺電機繞組串連，有效地提高發電機 輸出電壓，風速高時，將多臺電機並聯可以有效地提高發電機輸出功率，以實現 低轉速、寬轉速範圍輸出有效電壓的目的，以能夠保證每臺發電機工作在最大負 載點，並且雙凸極發電機通過勵磁電流的調節可以直接控制輸出電壓，省去了後 級變換器，整個系統的運行效率較高。本發明多體式電勵磁雙凸極風力發電機將 多臺單體式勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組相互串連或者相互並聯，通過單相
整流橋輸出電壓，當風速為低速時，為提高輸出電壓，通過切換開關將各臺單體 電勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組反相串連；當風速為高速時，為提高輸出功 率，通過切換開關將各臺單體式電勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組反相併聯。 該單體式電勵磁雙凸極風力發電機，包括定子、轉子、電樞繞組、勵磁繞組，其
中電樞繞組和勵磁繞組均繞制在定子上，其特徵在於所述轉子為外轉子或內轉 子，外轉子採用"4/6"系列結構，內轉子釆用"6/4"系列結構。定子上的電樞 繞組是將定子上相對齒的電樞繞組串聯成一相繞組，構成A、 B兩相繞組的電勵 磁雙凸極風力發電機。多體式電勵磁雙凸極風力發電機，其特徵在於，是將各臺
單體電勵磁雙凸極風力發電機相互之間錯開10。軸向機械角連接成具有多相的 多體式電勵磁雙凸極風力發電機。本發明提出了一種大功率直驅式寬轉速範圍的 電勵磁雙凸極發電機，針對風能的隨機性和風速的多變性，採用軸向多體式連接 方式，有效地擴大了發電機的轉速範圍，提高系統的運行效率。


圖l本發明單體兩相電勵磁雙凸極發電機
圖2本發明單體兩相電勵磁雙凸極發電機A相電勢與B相反相電勢 圖3本發明多體式雙凸極發電機軸向連接方式 圖4本發明多體式雙凸極發電機系統結構圖
具體實施例方式
本發明單體兩相電勵磁雙凸極發電機有外轉子(釆用"4/6系列結構")、內 轉子(採用"6/4"系列結構)兩種，如圖1中的(a)、 (b)、 (c)、 (d)圖所示。 兩相電勵磁雙凸極發電機主要定子、轉子及繞制在定子上的電樞繞組和勵磁繞 組。以8/12外轉子電勵磁雙凸極發電機為例，其中定子上電樞繞組A1、 A2、 A3、 A4串連成A相，Bl、 B2、 B3、 B4串連成B相，勵磁繞組為L。給勵磁繞組L通 入直流電流後，隨著轉子的旋轉，兩相繞組的反電勢均類似方波形式並相差 180° ，並且B相反電勢反相後與A相基本重合，如圖2所示。當風機轉速較低時， 為保證輸出電壓，通過切換開關將A、 B兩相繞組反相串連，通過單相整流，調 節勵磁電流即可獲得較高的輸出電壓；當風機轉速較高時，為提高發電機輸出能 力，將A、 B兩相繞組反相併聯，通過單相整流橋，並調節勵磁電流即可獲得所 要求的輸出。通過多體式連接方式實現的本發明電勵磁雙凸極發電機，以三體式 為例，如圖3所示，軸向將三臺單體8/12極雙凸極電機錯開10。軸向連接構成 具有6相的多體式發電機，其結構如圖4所示，單體電機1等效為繞組WU、 W12; 單體電機2等效為繞組W21、 W22;單體電機3等效為繞組W31、 W32。應用於非 併網風力發電系統中，根據風速與後級負載的需要，通過切換開關Sll、 S12、 S13、 S14、 S21、 S22、 S23、 S24、 S31、 S32、 S33、 S34實現多態調節:
(l)在風速較低、負載較小的情況下，可由一臺電機如generatorl內部兩相繞 組串連成一相通過單相整流橋輸出，即S12、 S13閉合，Sll、 S14斷開，Wll、 W12串連成一相，並切斷另外兩臺電機generator2、 generator3的勵磁電流， 由單體電機工作於最大負載工作點，提高單體發電機的運行效率。
(2) 在風速較低、負載較大的情況下，將每臺電機內部繞組單獨串連成一 相，ge匿atorl中，S12、 S13合上，Sll、 S14斷開;generator2中，S22、 S23 合上，S21、 S24斷開;generator3中，S32、 S33合上，S31、 S34斷開，構成三 相發電機，通過三個單相整流橋輸出，以滿足負載需要。
(3) 在風速較高、負載較小的情況下，可根據負載需要由一臺電機如 generatorl內部一相繞組通過一個單相整流橋輸出，即Sll閉合，S12、 S13、 S14斷開；或者兩相繞組反相併聯，即Sll、 S12、 S14閉合，S13斷開，通過單
相整流橋輸出，並切斷另外兩臺電機generator2、 generator3的勵磁電流，由 generatorl電機單獨工作，提高發電機的輸出效率。
(4)在風速較高、負載較大的情況下，將單體電機的兩套繞組並聯，構成 三相繞組發電機通過三個單相整流橋輸出，即Sll、 S12、 S14、 S21、 S22、 S24、 S31、 S32、 S34閉合，S13、 S23 、 S33斷開，以滿足負載的需要。
在整個寬轉速範圍內，通過多體式電機繞組內部的連接方式滿足轉速和負載 的需要，並且勵磁電流直接可以調節輸出電壓。有效的改善了大功率風力發電機 的徑向尺寸，並提高了各個運行狀態下電機的效率。並且釆用結構簡單的雙凸極 發電機有效的降低了系統成本，在大規模、大功率風力發電機應用場合推廣具有 廣泛的應用前景。
權利要求
1、一種多體式電勵磁雙凸極風力發電機，其特徵在於將各臺單體電勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組相互串連或者相互並聯，通過單相整流橋輸出電壓，當風速為低速時，為提高輸出電壓，通過切換開關將各臺單體電勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組反相串連；當風速為高速時，為提高輸出功率，通過切換開關將各臺單體 電勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組反相併聯。
2、 根據權利要求1所述的多體式電勵磁雙凸極風力發電機，所述的單體電勵磁 雙凸極風力發電機，包括定子、轉子、電樞繞組、勵磁繞組，其中電樞繞組 和勵磁繞組均繞制在定子上，其特徵在於所述轉子為外轉子或內轉子，外轉 子採用"4/6"系列結構，內轉子釆用"6/4"系列結構，所述的定子上的電 樞繞組是將定子上相對齒的電樞繞組串聯成一相繞組，構成A、 B兩相繞組的 電勵磁雙凸極風力發電機。
3、 根據權利要求1所述的多體式電勵磁雙凸極風力發電機，其特徵在於，是將 各臺單體電勵磁雙凸極風力發電機相互之間錯開10。軸向機械角連接成具有多相的多體式電勵磁雙凸極風力發電機。
全文摘要
一種多體式電勵磁雙凸極風力發電機，屬風力發電機。該風力發電機是將各臺單體電勵磁雙凸極風力發電機的電樞繞組相互串連或者相互並聯，通過單相整流橋輸出電壓，當風速為低速時，將各臺單體風力發電機的電樞繞組反相串連；當風速為高速時，將各臺單體風力發電機的電樞繞組反相併聯。各臺發電機之間錯開10°軸向機械角連接成多體式電勵磁雙凸極風力發電機。單體電勵磁雙凸極風力發電機包括定子、轉子、電樞繞組、勵磁繞組，轉子為外轉子或內轉子，定子上的電樞繞組是將定子上相對齒的電樞繞組串聯成一相繞組，構成A、B兩相繞組的電勵磁雙凸極風力發電機。本發電機具有功率大、轉速範圍寬、效率高的優點，能滿足大功率風力發電機的要求。
文檔編號H02P9/00GK101183847SQ20071013301
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