寬轉速範圍電勵磁雙凸極風力發電機的製作方法
2023-10-08 16:31:59 1
專利名稱：寬轉速範圍電勵磁雙凸極風力發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及電勵磁雙凸極發電機繞組設計技術，具體涉及一種通過電機繞組 連接方式改變電機相數，具有寬轉速範圍的新型電勵磁雙凸極發電機。
背景技術：
直驅式風力發電系統作為當今風力發電領域的最新技術，省去了發電機與風 輪機之間的增速齒輪箱，使機組的水平軸向長度大大減小，風能的機械傳動路徑 縮短，避免了因齒輪箱旋轉而產生的損耗、噪聲以及材料的磨損問題，使機組的 工作壽命更加有保障。並且省去了齒輪箱部件的維修和更換，不需要齒輪箱潤滑 油以及對油溫的監控，因而提高了風力發電機的可靠性。但是由於風輪轉速低至 幾十轉甚至十幾轉，而且風速的不確定性，對發電機的低速性能和寬轉速範圍提 出了很高的要求。直驅式風力發電機中要求發電機輸出電壓較高，由於發電機由 風輪機直接驅動，電機轉速較低，為提高輸出電壓，採取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。現今的風力發電機中永磁同步電機由於其永磁體的存在，電機功率密度較 高，在風力發電機中成為較廣泛的選擇，因此永磁電機作為直驅式風力發電機應 用較廣泛。在永磁電機中可以利用電機繞組自感與可控整流器構成boost升壓式變換器，或者利用電機繞組中點電壓提升發電機輸出電壓，另外就是利用電機多 相繞組連接方式的改變提高發電機輸出電壓。但是對於大功率、高壓輸出的發電機，永磁電機由於其繞組自感比較小，構成的b00St升壓裝置電壓提升有限；利 用繞組中點電壓、多繞組連接方式改變對於發電機電壓提升幅度也比較有限。並 且由於電機輸出功率大，繞組導線粗，因此大功率發電機均存在電機體積重量大 的問題，影響風力發電機機艙的總體布局與安置。並且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，風電成本較高，限制了風電的規模化推廣。同時由於風速受季節、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於風輪機的 轉速，要求電機的工作轉速範圍比較寬。永磁發電機磁場強度是基本恆定的，調 節非常困難，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。
電勵磁雙凸極發電機其定轉子類似開關磁阻電機，轉子無繞組，具有類似開 關磁阻電機的優越的高速性能，並且由於定子嵌有勵磁繞組，可以直接通過勵磁 電流的控制調節輸出電壓，無需可控功率變換器，控制簡單，可靠性高。在低轉 速應用的直驅式風力發電機系統中，為使發電機能夠獲得較高的輸出電壓，可採 用外轉子結構，增加轉子齒數來提高發電機的低速性能，但是風能的隨機性導致 風輪機的轉速範圍較寬，僅通過勵磁電流的調節無法滿足風速和負載的變化範 圍，因此對於電勵磁雙凸極發電機，為保證其穩定的輸出還必須對現有的電勵磁 雙凸極電機結構作進一步改進。發明內容本發明的目的即在提供一種新型直驅式寬轉速範圍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、高壓、大功率特性要求，並具有較寬的 轉速範圍。採用結構簡單、功率密度較高的雙凸極電機能夠解決發電機成本和功率密度導致 的體積重量的問題。低轉速、高壓、大功率工作時雙凸極風力發電機必須在其常 規結構的基礎上設計新型的電機結構與繞組方式。本發明中雙凸極發電機可釆用 內轉子或外轉子"4/6系列結構"，如4/6、 8/12、 12/18等結構,相比較傳統的 如圖1所示的三相12/8極雙凸極電機和如圖2所示的兩相內轉子8/12結構雙凸 極電機，本發明兩相外轉子電勵磁雙凸極電機內定子數為4的倍數，外轉子數為 6的倍數，定子齒數小於轉子齒數，定子槽中相對的電樞繞組串連成一相，構成 A、 B兩相電樞繞組。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；並且轉子更容易與外部機械集成 一體，可有效地減小系統的重量和體積；外轉子結構可以增加轉子齒數，有效地 提高其低速發電能力，並通過電機繞組的連接方式來擴大發電機的轉速範圍，以 滿足負載與轉速變化的要求。另外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，提高了整個系統的運行效率。以8/12結構外 轉子電勵磁雙凸極發電機為例，釆用8/12結構，內定子8齒，外轉子12齒。外 轉子結構能夠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，可以用來平衡風速變化引起的短時電機轉速突變。內定子上繞電樞繞組可 使繞組端部比較短，用銅量少。採用8/12結構發電機為兩相結構，定子兩對齒 上繞組串連為一相，並且可以將兩相繞組反相串連為一相，使發電機成為單相結 構。低速時電機兩相繞組串連通過單相整流輸出可有效的提高發電機輸出電壓， 風速高時，將電機兩相繞組通過兩相整流輸出可以有效的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。本發明提出了一種直驅式寬轉 速範圍的外轉子電勵磁雙凸極風力發電機，區別於傳統雙凸極電機結構，釆用外 轉子結構，並通過改變電機繞組連接方式提高了發電機低速性能並適應風速的多 變性引起的風輪機寬轉速範圍，有效提高系統的運行效率。
圖1常規的三相12/8極雙凸極電機圖2兩相內轉子8/12結構雙凸極電機圖3本發明兩相外轉子8/12極雙凸極電機圖4本發明兩相外轉子8/12極雙凸極電機各個位置空載磁路分布圖 圖5本發明兩相外轉子8/12極雙凸極電機空載磁鏈曲線 圖6本發明兩相外轉子8/12極雙凸極電機空載反電勢曲線 圖7本發明兩相外轉子8/12極雙凸極龜機繞組連接方式具體實施方式
如圖3所示，本發明的兩相外轉子8/12雙凸極電機主要由以下各部分組成: (1) 8齒的凸極定子及其各個齒上繞制的A1、 A2、 A3、 A4、 Bl、 B2、 B3、 B4八 個電樞繞組；(2)鑲嵌於定子槽中的勵磁繞組L; (3) 12齒的凸極外轉子。 工作原理定子槽中的A1、 A2、 A3、 A4四個電樞繞組串連成A相，Bl、 B2、 B3、 B4四個電樞繞組串連成B相，給勵磁繞組L通入直流電流後，隨著外轉子的旋 轉，電機各個位置的空載磁路分布如圖4中的(a)、 (b)、 (c)三個圖所示(給 出三個典型位置的磁路分布圖)，A、 B兩相的磁鏈曲線如圖5所示，在A、 B兩 相端子處感應的反電勢如圖6所示，可見兩相繞組的反電勢相差180°。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，如圖 7所示，將開關S閉合，構成單相發電機，通過單相整流，調節勵磁電流即可獲 得較髙的輸出電壓；當風機轉速較高時，為能夠提高發電機輸出能力，將開關S 打開，構成兩相發電機，A、 B兩相繞組通過兩個單相整流橋並聯輸出，並調節 勵磁電流即可獲得要求的輸出。本發明電機能夠通過電機繞組的連接方式改變發 電機相數有效的擴大轉速範圍。在整個寬轉速範圍內，通過電機繞組的連接滿足 轉速和負載的需要，並且勵磁電流直接可以調節輸出電壓。與其它直驅式風力發 電機相比較，本發明發電機省去了後級的變換器，並且能夠提高發電機在不同轉 速、負載下的運行效率，以及寬轉速範圍的適應性，適用於在風速變化較大，對 系統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、一種寬轉速範圍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，電樞繞組和勵磁繞組均繞制在定子上，其特徵在於採用外轉子「4/6」系列結構，內定子齒數為4的倍數，外轉子齒數為6的倍數，定子齒數小於轉子齒數，定子相對齒上的電樞繞組串連成一相，構成A、B兩相，當風機轉速較低時，為保證輸出電壓，通過切換開關將A、B兩相繞組反相串連構成單相發電機，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，為能夠提高發電機輸出能力，通過切換開關構成兩相發電機，A、B兩相繞組通過兩相整流橋，並調節勵磁電流即可獲得要求的輸出。
全文摘要
一種寬轉速範圍電勵磁雙凸極風力發電機，屬兩相外轉子雙凸極發電機。該兩相外轉子風力發電機由外轉子(1)、內定子(2)以及定子上繞制的八個電樞繞組(A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4)和一個勵磁繞組(L)組成，以及繞組切換開關S。定子槽中的A1、A2、A3、A4四個電樞繞組串連成A相，B1、B2、B3、B4四個電樞繞組串連成B相。該兩相電勵磁雙凸極發電機可以通過切換開關S改變電機的相數，提高適應的轉速範圍，適用於風輪機轉速變化較寬的直驅式風力發電系統中。
文檔編號H02K1/14GK101154838SQ20071013295
公開日2008年4月2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