CN101154838A - 宽转速范围电励磁双凸极风力发电机 - Google Patents
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Abstract
一种宽转速范围电励磁双凸极风力发电机，属两相外转子双凸极发电机。该两相外转子风力发电机由外转子(1)、内定子(2)以及定子上绕制的八个电枢绕组(A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4)和一个励磁绕组(L)组成，以及绕组切换开关S。定子槽中的A1、A2、A3、A4四个电枢绕组串连成A相，B1、B2、B3、B4四个电枢绕组串连成B相。该两相电励磁双凸极发电机可以通过切换开关S改变电机的相数，提高适应的转速范围，适用于风轮机转速变化较宽的直驱式风力发电系统中。
Description
技术领域
本发明涉及电励磁双凸极发电机绕组设计技术，具体涉及一种通过电机绕组连接方式改变电机相数，具有宽转速范围的新型电励磁双凸极发电机。
背景技术
直驱式风力发电系统作为当今风力发电领域的最新技术，省去了发电机与风轮机之间的增速齿轮箱，使机组的水平轴向长度大大减小，风能的机械传动路径缩短，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损问题，使机组的工作寿命更加有保障。并且省去了齿轮箱部件的维修和更换，不需要齿轮箱润滑油以及对油温的监控，因而提高了风力发电机的可靠性。但是由于风轮转速低至几十转甚至十几转，而且风速的不确定性，对发电机的低速性能和宽转速范围提出了很高的要求。直驱式风力发电机中要求发电机输出电压较高，由于发电机由风轮机直接驱动，电机转速较低，为提高输出电压，采取多极或多绕组的特殊结构，使得发电机的径向尺寸加大，大功率场合也使得电机体积重量加大。
现今的风力发电机中永磁同步电机由于其永磁体的存在，电机功率密度较高，在风力发电机中成为较广泛的选择，因此永磁电机作为直驱式风力发电机应用较广泛。在永磁电机中可以利用电机绕组自感与可控整流器构成boost升压式变换器，或者利用电机绕组中点电压提升发电机输出电压，另外就是利用电机多相绕组连接方式的改变提高发电机输出电压。但是对于大功率、高压输出的发电机，永磁电机由于其绕组自感比较小，构成的boost升压装置电压提升有限；利用绕组中点电压、多绕组连接方式改变对于发电机电压提升幅度也比较有限。并且由于电机输出功率大，绕组导线粗，因此大功率发电机均存在电机体积重量大的问题，影响风力发电机机舱的总体布局与安置。并且由于永磁体的成本较高，尤其大功率电机设计、生产成本使得风力发电机系统的成本居高不下，风电成本较高，限制了风电的规模化推广。同时由于风速受季节、气候、地貌的影响，使得风能的随机性很大，对于直驱式风力发电机，发电机转速直接取决于风轮机的转速，要求电机的工作转速范围比较宽。永磁发电机磁场强度是基本恒定的，调节非常困难，为此人们常常通过漏磁的设计达到其较宽的工作范围，然而这种方式使得发电机的体积、重量大幅度升高，材料利用率低、损耗加大，造成各种材料及能源的浪费。
电励磁双凸极发电机其定转子类似开关磁阻电机，转子无绕组，具有类似开关磁阻电机的优越的高速性能，并且由于定子嵌有励磁绕组，可以直接通过励磁电流的控制调节输出电压，无需可控功率变换器，控制简单，可靠性高。在低转速应用的直驱式风力发电机系统中，为使发电机能够获得较高的输出电压，可采用外转子结构，增加转子齿数来提高发电机的低速性能，但是风能的随机性导致风轮机的转速范围较宽，仅通过励磁电流的调节无法满足风速和负载的变化范围，因此对于电励磁双凸极发电机，为保证其稳定的输出还必须对现有的电励磁双凸极电机结构作进一步改进。
发明内容
本发明的目的即在提供一种新型直驱式宽转速范围电励磁双凸极风力发电机，使其满足直驱式风力发电机的低速、高压、大功率特性要求，并具有较宽的转速范围。
采用结构简单、功率密度较高的双凸极电机能够解决发电机成本和功率密度导致的体积重量的问题。低转速、高压、大功率工作时双凸极风力发电机必须在其常规结构的基础上设计新型的电机结构与绕组方式。本发明中双凸极发电机可采用内转子或外转子“4/6系列结构”，如4/6、8/12、12/18等结构，相比较传统的如图1所示的三相12/8极双凸极电机和如图2所示的两相内转子8/12结构双凸极电机，本发明两相外转子电励磁双凸极电机内定子数为4的倍数，外转子数为6的倍数，定子齿数小于转子齿数，定子槽中相对的电枢绕组串连成一相，构成A、B两相电枢绕组。采用外转子结构风轮机可以直接安装在电机外壳上，电机和风轮机之间无其它传动装置，风能利用率高；并且转子更容易与外部机械集成一体，可有效地减小系统的重量和体积；外转子结构可以增加转子齿数，有效地提高其低速发电能力，并通过电机绕组的连接方式来扩大发电机的转速范围，以满足负载与转速变化的要求。另外双凸极发电机通过励磁电流的调节可以直接控制输出电压，省去了后级变换器，提高了整个系统的运行效率。以8/12结构外转子电励磁双凸极发电机为例，采用8/12结构，内定子8齿，外转子12齿。外转子结构能够有效地增大发电机的转动惯量，较大转动惯量可以存储更多的机械动能，可以用来平衡风速变化引起的短时电机转速突变。内定子上绕电枢绕组可使绕组端部比较短，用铜量少。采用8/12结构发电机为两相结构，定子两对齿上绕组串连为一相，并且可以将两相绕组反相串连为一相，使发电机成为单相结构。低速时电机两相绕组串连通过单相整流输出可有效的提高发电机输出电压，风速高时，将电机两相绕组通过两相整流输出可以有效的提高发电机输出功率，以实现低转速、宽转速范围输出有效电压的目的。本发明提出了一种直驱式宽转速范围的外转子电励磁双凸极风力发电机，区别于传统双凸极电机结构，采用外转子结构，并通过改变电机绕组连接方式提高了发电机低速性能并适应风速的多变性引起的风轮机宽转速范围，有效提高系统的运行效率。
附图说明
图1常规的三相12/8极双凸极电机
图2两相内转子8/12结构双凸极电机
图3本发明两相外转子8/12极双凸极电机
图4本发明两相外转子8/12极双凸极电机各个位置空载磁路分布图
图5本发明两相外转子8/12极双凸极电机空载磁链曲线
图6本发明两相外转子8/12极双凸极电机空载反电势曲线
图7本发明两相外转子8/12极双凸极电机绕组连接方式
具体实施方式
如图3所示，本发明的两相外转子8/12双凸极电机主要由以下各部分组成：(1)8齿的凸极定子及其各个齿上绕制的A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4八个电枢绕组；(2)镶嵌于定子槽中的励磁绕组L；(3)12齿的凸极外转子。工作原理：定子槽中的A1、A2、A3、A4四个电枢绕组串连成A相，B1、B2、B3、B4四个电枢绕组串连成B相，给励磁绕组L通入直流电流后，随着外转子的旋转，电机各个位置的空载磁路分布如图4中的(a)、(b)、(c)三个图所示(给出三个典型位置的磁路分布图)，A、B两相的磁链曲线如图5所示，在A、B两相端子处感应的反电势如图6所示，可见两相绕组的反电势相差180°。当风机转速较低时，为保证输出电压，通过切换开关将A、B两相绕组反相串连，如图7所示，将开关S闭合，构成单相发电机，通过单相整流，调节励磁电流即可获得较高的输出电压；当风机转速较高时，为能够提高发电机输出能力，将开关S打开，构成两相发电机，A、B两相绕组通过两个单相整流桥并联输出，并调节励磁电流即可获得要求的输出。本发明电机能够通过电机绕组的连接方式改变发电机相数有效的扩大转速范围。在整个宽转速范围内，通过电机绕组的连接满足转速和负载的需要，并且励磁电流直接可以调节输出电压。与其它直驱式风力发电机相比较，本发明发电机省去了后级的变换器，并且能够提高发电机在不同转速、负载下的运行效率，以及宽转速范围的适应性，适用于在风速变化较大，对系统效率要求较高的场合，如应用于铝电解等非并网式风力发电领域具有广泛的应用前景。
Claims (1)
1.一种宽转速范围电励磁双凸极风力发电机，包括定子、转子、电枢绕组、励磁绕组，电枢绕组和励磁绕组均绕制在定子上，其特征在于采用外转子“4/6”系列结构，内定子齿数为4的倍数，外转子齿数为6的倍数，定子齿数小于转子齿数，定子相对齿上的电枢绕组串连成一相，构成A、B两相，当风机转速较低时，为保证输出电压，通过切换开关将A、B两相绕组反相串连构成单相发电机，通过单相整流，调节励磁电流即可获得较高的输出电压；当风机转速较高时，为能够提高发电机输出能力，通过切换开关构成两相发电机，A、B两相绕组通过两相整流桥，并调节励磁电流即可获得要求的输出。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN100568680C (zh) * | 2008-07-03 | 2009-12-09 | 浙江工业大学 | 兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机 |
| CN102447438A (zh) * | 2010-10-08 | 2012-05-09 | 河南森源电气股份有限公司 | 永磁风力发电机线圈连接的切换装置 |
| CN106899158A (zh) * | 2017-05-08 | 2017-06-27 | 史立伟 | 一种电动车四相电励磁电机 |
| CN110829915A (zh) * | 2019-10-17 | 2020-02-21 | 中国计量大学 | 一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统 |
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2007
- 2007-09-24 CN CNA2007101329567A patent/CN101154838A/zh active Pending
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