CN102983695A - 一种永磁励磁双馈风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁励磁双馈风力发电机，它包括定子（1）、转子（2）、内转子（3）和转轴（6），所述定子（1）和内转子（3）分别设置在所述转子（2）的外周和内周；所述内转子（3）与转子（2）同轴并可自由旋转；所述定子（1）和转子（2）上分别设置定子绕组（8）和转子绕组（9），所述内转子（3）为装有永磁体（7）的永磁式转子，该永磁体（7）所产生的永磁磁链分别通过内外气隙匝链定子绕组（8）和转子绕组（9）。本发明的永磁励磁双馈风力发电机能够提高发电机的功率密度、有利于发电机的稳定运行和降低风电系统的成本。

Description

一种永磁励磁双馈风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电设备领域，尤其涉及一种永磁励磁双馈风力发电机。

背景技术

风能是一种洁净的可再生能源。大力发展包括风力发电在内的可再生能源发电技术是解决全球能源和资源紧张的最佳选择。风力发电机组一般采用同步或感应发电机，并网型的风力发电机组要求发电机输出频率与电网频率一致，由于传统的同步或感应发电机不能变速恒频运行，风能的利用率比较低。因而能克服上述缺点的变速恒频风力发电机近年来发展迅速。国际上对变速恒频双馈风力发电机的研究比较充分并已有机组投入商业运行，但这种发电机的缺点也相当明显：由于存在主绕组和励磁绕组，同容量电机的体积较大，效率也较低；发电机的极对数受体积限制不能过多，风机与发电机之间必须要用增速装置，增加了机组的机械损耗，噪音污染以及维护工作量。

为此，国内外对能实现变速恒频运行的永磁发电机开展了较多研究，采用高性能稀土永磁材料的永磁直驱风力发电机在并网方式、保护以及风－电能量转换运行方式等方面均有其独特的优点，永磁发电机是很适合于大中型风电机组的变速恒频发电系统，但是目前存在着发电机本身体积和重量庞大、需要使用全功率的功率变换器、成本高等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种效率高、功率密度高且能使发电系统降低成本和提高运行可靠性的新型发电机。

为实现上述目的，本发明可采用的技术方案是：

一种永磁励磁双馈风力发电机，该风力发电机包括定子、转子、内转子和转轴，所述定子和内转子分别设置在所述转子的外周和内周；所述转子的两端设有转子端盖，该转子通过其两端的转子端盖与所述转轴连接，所述转轴上固定有内转子轴承，该内转子通过所述内转子轴承与转轴连接，所述内转子与转子同轴并可自由旋转；所述定子和转子上分别设置定子绕组和转子绕组，所述内转子为装有永磁体的永磁式转子，该永磁体所产生的永磁磁链分别通过内外气隙匝链定子绕组和转子绕组。

根据本发明所述永磁励磁双馈风力发电机的一个方面：所述转子绕组通入的电流频率需随转子的转速变化而变化，且所述转子转速的角频率与所述内转子电流频率之和等于电网频率，或者，所述转子转速的角频率与所述内转子电流频率之差等于电网频率。

根据本发明所述的永磁励磁双馈风力发电机的一个方面：所述转子绕组为三相绕组且通过电刷和滑环与PWM变换器连接。

根据本发明所述的永磁励磁双馈风力发电机的一个方面：所述PWM变换器的功率为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值：PWM变换器功率＝发电机容量×（额定速度－最低运行速度）÷额定速度；PWM变换器功率＝发电机容量×（最高运行速度－额定速度）÷额定速度。

根据本发明所述的永磁励磁双馈风力发电机的一个方面：所述定子绕组为三相绕组且与电网连接。

本发明所述的永磁励磁双馈风力发电机具有的优点包括：内转子上永磁体提供了发电机的主励磁，提高了发电机的功率因数和效率，同时可通过该磁路设计来获得更高的发电机定转子间气隙磁密，从而大幅增加永磁励磁双馈风力发电机的功率密度，提高铁心和铜导体材料的利用率；由于定子和转子绕组的磁路径上包含了磁阻很大的永磁体，使定子绕组电抗、转子绕组电抗和定子转子绕组间的互感都大大降低，减少了故障发生期间的暂态过电流冲击，提高了发电机定子绕组直接并网运行的抗低电压故障性能；本发明的发电机采用双馈发电运行模式，转子绕组仅输入等于部分发电机容量的控制功率，降低了PWM变换器的成本和制造难度，如果采用相同容量的PWM变换器，永磁励磁双馈风力发电机可以获得数倍于永磁直驱风力发电机的发电功率。

应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制——只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明永磁励磁双馈风力发电机作进一步说明，附图中：

图1是本发明永磁励磁双馈风力发电机的横向截面图；

图2是本发明永磁励磁双馈风力发电机的纵向剖视图；

图3是本发明永磁励磁双馈风力发电机的并网示意图。

其中各附图标记为：定子1、转子2、内转子3、转子端盖4、内转子轴承5、转轴6、永磁体7、定子绕组8、转子绕组9、滑环10、电刷11、定子轴承12、风力机13、PWM变换器14、永磁磁链20。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请的权利要求所限定的范围。

结合图1至图3描述本发明永磁励磁双馈风力发电机的结构。从该发电机的横向截面图、纵向剖面图和并网示意图中可以看出：发电机主要由三部分组成：定子1、外转子2和内转子3，其中内转子3上装有永磁体7。转子2通过其两端的转子端盖4固定于在转轴6上并可与之一起旋转，转子2上设置三相对称的转子绕组9，经滑环10和电刷11连接到PWM变换器14；定子1上也设置三相对称的定子绕组8，与电网连接；内转子3上永磁体所产生的永磁磁链20分别通过内外气隙匝链定子绕组8和转子绕组9。风力机把风能转换成机械能，通过转轴6传递给固定在转轴6上的转子2，内转子经轴承5安装在转轴6上，在内转子的外表面贴装平行充磁的永磁体。通过PWM变换器14控制转子绕组的电流，使得该电流在定子气隙产生的旋转磁场与转子机械转速相叠加后的旋转磁场保持恒定，实现变速恒频发电。

本发明的永磁励磁双馈风力发电机本质上是在传统双馈感应发电机内部增加一个与绕线转子同心布置的永磁内转子，该永磁内转子可为定子气隙提供强励磁，从而提高功率因数和功率密度。该发电机的工作原理如下：风力机把风能转换成机械能，通过转轴传递给转子，使得转子转速为ω_r，转子绕组电流将在转子中将会产生转速为ω’的旋转磁场，这个旋转磁场和转子机械转速相叠加，形成了一个转速为ω_r±ω’的旋转磁场，欲让内转子转速等于同步速ω_g，只需通过PWM变换器调整内转子电流，使得ω_g=ω_r±ω’；若内转子转速等于恒定的同步速ω_g，则内转子永磁磁场在定子绕组上感应出与电网频率相等的反电势，并入电网后发电机即可实现变速恒频发电。

Claims (5)

1.一种永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于：该风力发电机包括定子（1）、转子（2）、内转子（3）和转轴（6），所述定子（1）和内转子（3）分别设置在所述转子（2）的外周和内周；所述转子（2）的两端设有转子端盖（4），该转子（2）通过其两端的转子端盖（4）与所述转轴（6）连接，所述转轴（6）上固定有内转子轴承（5），该内转子（3）通过所述内转子轴承（5）与转轴（6）连接，所述内转子（3）与转子（2）同轴并可自由旋转；所述定子（1）和转子（2）上分别设置定子绕组（8）和转子绕组（9），所述内转子（3）为装有永磁体（7）的永磁式转子，该永磁体（7）所产生的永磁磁链分别通过内外气隙匝链定子绕组（8）和转子绕组（9）。

2.根据权利要求1所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于：所述转子绕组（9）通入的电流频率需随转子的转速变化而变化,且所述转子转速的角频率与所述内转子电流频率之和等于电网频率，或者，所述转子转速的角频率与所述内转子电流频率之差等于电网频率。

3.根据权利要求1或2所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于：所述转子绕组（9）为三相绕组且通过电刷（11）和滑环（10）与PWM变换器（14）连接。

4.根据权利要求2所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于：所述PWM变换器（14）的功率为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值：PWM变换器功率＝发电机容量×（额定速度－最低运行速度）÷额定速度；PWM变换器功率＝发电机容量×（最高运行速度－额定速度）÷额定速度。

5.根据权利要求1或4所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于所述定子绕组（8）为三相绕组且与电网连接。

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