CN103546007B - 一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其包括主电机和励磁机，所述主电机和励磁机在转轴上沿轴线并列放置。本发明采用主电机与励磁机共轴组合结构，省去了滑环电刷装置，提高系统供电可靠性；主电机与励磁机在机械和磁路结构上独立，可以分开进行电磁方案设计；电机采用电励磁形式，与永磁发电机相比，成本大大降低；彻底解决了低风速地区利用风能的难题。

Description

一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机

技术领域

本发明属于发电机领域，具体是一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机。

背景技术

随着化石能源的枯竭，太阳能、风能、生物质能作为种新型绿色环保能源在新世纪具有广阔的应用前景，随着各项实用技术的逐步完善，此类新能源将不断得到大力普及。

目前，新能源领域以风能利用最为普及，其代表机型是中、大型风力机为主的并网模式，然而此类风力机因为体积大、叶片长、风轮的直径大，因此转速都是很低的，额定转速在每分钟20-30转范围。但是为其配套的发电机的转速(每分钟1500转）均采用体积小、重量轻的高速发电机这是因为这些部件都要安装在空中的机舱内，不允许超重的原因。

因此，为了满足发电机的高转速，必须配套使用变速比极大的变速器，拿功率为1000千瓦，每分钟20转的风力机来说，所配套每分钟1500转的发电机时就需要变速器的变速比为1:75，即风力机主轴旋转一圈，发电机轴就要转75圈，如此大变比的变速器，不但自身因为摩擦的原因，其本身要消耗很多的功率，一般要消耗风力机主轴总功率的1/3-1/4，同时因为变速器变比太大因此导致体积大、重量大并且在低速段的齿轮受力太大，经常损坏，是现在运转中的风力机的主要缺陷之一。

如果是1500千瓦的风力机组，风轮为每分钟转17圈的风力机配套1500转的发电机，那么变比将达到1:89，即风力机主轴转一圈，发电机主轴要转89圈，上述这些问题就更严重了，就更容易损坏了。

四年前在大型风力发电机的结构创新方面出现了一种无变速器的永磁直驱式低速发电机，其转速很低可以直接与低转速的风力机直接连接，不再需要变速器，其转子是由磁力很强的稀土永磁铁制作的，虽然是不用变速器了，但是因为转子的磁力太强，致使这种发电机的启动阻力太大，目前仅适用于高风速地区使用，因为只在高风速地区才能使风力机获得很大的转动力矩，才能克服永磁铁转子对定子的吸引力，才能够启动。

但是高风速的地区，专业上称为“风能资源丰富区”仅占我国国土面积的8%，其它如风能资源较丰富区占18%；可利用区占50%；贫乏区占24%。因此，目前的风力机都是安装在8%的地区中，而其它国土面积的绝大部分都无法利用现在的这种模式的风力机。目前传统的在中、大型风力机上配套的发电机的形式，无论是早期的恒速、恒频式风力机，还是改进后的变速、变频双馈式风力机以及最新式的直驱永磁的风力机，都是不能解决低风速区的启动问题，因此无法在绝大部分地区使用。

然而这两类地区占我国国土总面积的68%，我国的风能利用模式如果不能够在68%的国土面积上发展，而仅仅是在8%的国土面积上做文章，想要大力发展风能资源，其实是有严重缺陷的，如果在此类地区（我国沿海大部分地区，年平均风速为4-6秒/米，但是风能有效小时在5000-7000小时，即风速低、时间长，总量很大，但风速偏低所以现有模式的风力机无法利用），能够解决低风速风力机和配套的发电机的问题，毋庸置疑，是可以大大拓宽风能资源的利用地区范围，从根本上改变我国风能利用大局。

本发明所提出的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，正是立足于占国土面积68%的风能资源较丰富区和可利用区地区，研究开发低风速风力机组，充分利用占68%的土地面积的风能，解决这些大范围地区的风能利用难题，而提出的一种前任没有的、先进的、实用的技术及装置，希望我国的风能资源利用步入一个崭新的局面。

风力机获得的能量是与风力机的迎风面积成正比，并且与风速的3次方成正比的关系，因此，低风速的风力机也毫无例外的遵循这个定律，即，风力机的获得能量与风速的3次方成正比，因此在风速降低时，总输出功率也以3次方的规律降低，一般是表现为低风速时不能启动，这是因为在低风速的情况下风力机获得的能量很小，不能克服启动阻力，而传统的风力机因为有变速比特大的变速器，所以阻力特别大，而永磁直驱式的风力机组虽然没有变速器，但是因为使用的转子是拥有极强磁力的稀土磁铁做成，因此转子对定子的磁吸力特别大，也是表现为启动阻力巨大，无法在低风速时启动。

风速低时能量太小，所以现在的大型风力机都是工作在高风速区（风速≥10s/m，一般额定风速范围是12-16s/m），小于10s/m的风速根本不能启动，皆因为启动阻力大大超过了风力机在这个风速中所获得的动力。

在风能资源较丰富区，一般的平均风速是5-10s/m（4-6级风），在风能资源可利用区，平均风速是3-7s/m（2-5级风）

因此，要想利用低于10s/m）的风能，必须要在风力机启动时完全没有任何阻力才行，本发明就是以可调控电励磁方式，在风力机启动时断开励磁电流，使风力机在没有任何阻力的情况下顺利启动，而风力机启动后即可充分的利用这些低风速地区的风能资源。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机。

一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于其包括主电机和励磁机，所述主电机和励磁机在转轴上沿轴线并列放置。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于所述主电机包括主机转子支架，所述主机转子支架的外部设置有主机转子铁心，所述主机转子铁心上设置有主机励磁绕组，主机转子铁心的外部设置有主机定子铁心，主机定子铁心上设置有主机定子电枢绕组；所述励磁机包括励磁机转子支架，所述励磁机转子支架的外部设置有励磁机转子铁心，所述励磁机转子铁心上设置有励磁机电枢绕组，励磁机转子铁心的外部设置有励磁机定子铁心，励磁机定子铁心上设置有励磁机励磁绕组。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于所述励磁机励磁绕组与直流电源连接，所述励磁机电枢绕组与整流装置的输入端连接，所述主机励磁绕组与整流装置的输出端连接，所述主机定子电枢绕组与三相对称负载或整流负载连接。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于在转轴上设置有端盖和机壳，所述主电机和励磁机设置在所述端盖和机壳中。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于所述端盖与转轴之间设置有轴承。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于在转轴上端盖的外侧设置有整流装置。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于所述主电机的绕组输出线圈是36极—48极，转速范围是100—200转/每分钟，所述励磁机电枢绕组为12—36对励磁线圈组成，励磁电压为0-120V，电流为0-80A直流电。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于主电机的励磁电源由安装在转轴上的励磁直流电源提供。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于主电机的励磁电源由安装在转轴上的交流低压励磁绕组提供，所述交流低压励磁绕组的交流电由安置在主电机上的定子副绕组提供，所述定子副绕组接入低压直流电后，通过电磁感应的无接触方式感应到交流低压励磁绕组，交流低压励磁绕组的交流电再经过安置在转轴上的三相或者是单相整流器整流为直流电，所述交流低压励磁绕组是三相绕组或者单相绕组。

所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于主电机的主机绕组和励磁机的励磁绕组均为凸极式结构。

本发明采用大幅度的电励磁方式，励磁电流调整范围在0-80A直流电，可以使风力机根据风况大幅度调节主发电机的输出功率，如：在3.4-5.4m/s的风速（3级风）时，此时根据风速传感器的信号，将励磁电流调整为零，即发电机没有任何输出功率，整个主机除两盘轴承外，没有任何阻力，在这样小的风况时风力机即可顺利启动，风力机启动后在空气流的作用下，叶片与空气流会自动形成一个“攻角”，从而产生连续增大的动力，而风力机不转动时，这个现象是不产生的。

当风速增大到8-10m/s（5级风），此时根据传感器测到的风速，自动调节励磁电流到60A，整个过程是连续自动调节，发电机输出功率是平稳的自动增大，这就是大幅度调节励磁电流而达到低风速启动和自动输出功率的方案，这种方式既没有变速器的巨大阻力，又没有永磁转子的巨大磁吸引阻力成本还很低，从技术角度看，要优于这两类方式。

多级数主电机，因为这是低转速状态的运行方式，普通的高速发电机在这样的转速下是不能发电，所以必须使发电机在低速状态下也能够高效率的发电，本发明之所以将主机的定子绕组设计成36-48极，就是在低速状态下可以高效率的发电，给主机定子绕组励磁的励磁机也是36-48极的凸极式励磁机，这个范围设计是根据当地的风速、风况决定的，可以适合我国的各个地区不同的风况，制作出低成本的风力发电机组。

另外，本发明也是以直驱方式将风力机的能量传递到发电机的，也是取消了又耗能又昂贵又故障百出的变速器，为降低成本创新了一种新技术方式。

本发明的励磁直流电是有专门设置的蓄电池提供的，此蓄电池在风力发电机组启动前并不工作，是在风力发电机组启动后才开始工作，是根据当时的风况逐步的变化直流励磁电流，使风力机不但能够在极低的风速下启动，而且可以随时调节到相应的风况的高效率输出能量形式，这样不但做的了高效率，更是解决了传统的发电机离不开铜环、碳刷接触的励磁方式，不但可以将发电机做成全密封状态，实现防水、防雾、防腐蚀、防雷电的特性，更是不再定期更换碳刷了，可以说永远不存在碳刷接触不良的问题，可以长时间安全工作。

本发明的有益效果是：采用主电机与励磁机共轴组合结构，省去了滑环电刷装置，提高系统供电可靠性；主电机与励磁机在机械和磁路结构上独立，可以分开进行电磁方案设计；电机采用电励磁形式，与永磁发电机相比，成本大大降低；彻底解决了低风速地区利用风能的难题。

附图说明

图1是本发明的轴向截面示意图；

图2是本发明的电机绕组连接图；

图中，1—主机转子支架；2—主机励磁绕组；3—主机转子铁心；4—端盖；5—机壳；6—主机定子铁心；7—主机定子电枢绕组；8—励磁机定子铁心；9—励磁机励磁绕组；10—励磁机电枢绕组；11—励磁机转子铁心；12—励磁机转子支架；13—轴承；14—整流装置；15—转轴；16—主电机；17—励磁机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，

包括主电机16和励磁机17，主电机16和励磁机17在转轴15上沿轴线并列放置。主电机16包括主机转子支架1，主机转子支架1的外部设置有主机转子铁心3，主机转子铁心3上设置有主机励磁绕组2，主机转子铁心3的外部设置有主机定子铁心6，主机定子铁心6上设置有主机定子电枢绕组7；励磁机17包括励磁机转子支架12，励磁机转子支架12的外部设置有励磁机转子铁心11，励磁机转子铁心11上设置有励磁机电枢绕组10，励磁机转子铁心11的外部设置有励磁机定子铁心8，励磁机定子铁心8上设置有励磁机励磁绕组9。电机中包括4套绕组，其中，主机定子电枢绕组7和励磁机励磁绕组9固定不动，主机励磁绕组2和励磁机电枢绕组10固定在转子上，随转轴15旋转。励磁机17的电枢绕组输出交流电源经整流后获得直流电源，该直流电源作为主机励磁绕组2的励磁电源。主电机16的主机绕组和励磁机17的励磁绕组均为凸极式结构。

主电机定子铁心6、主电机定子电枢绕组7、励磁机励磁绕组9、励磁机定子铁心8、机壳5、端盖4固定不动，主机转子铁心3、主机励磁绕组2、励磁机转子铁心11、励磁机电枢绕组10，主机转子支架1、励磁机转子支架12、整流装置14随转轴15一起旋转。主电机16与励磁机17在轴向方向上为并列结构，励磁机17极对数尽量是主电机16极对数的3倍以上。电机就有一个电能输入端口（励磁机励磁绕组）和一个电能输出端口（主机电枢绕组），励磁机电枢绕组和主机励磁绕组经整流装置构成闭合回路。

励磁机励磁绕组9与直流电源连接，励磁机电枢绕组10与整流装置14的输入端连接，主机励磁绕组2与整流装置14的输出端连接，主机定子电枢绕组7与三相对称负载或整流负载连接。主电机16的绕组输出线圈是36极—48极，转速范围是100—200转/每分钟，所述励磁机电枢绕组10为12—36对励磁线圈组成，励磁电压为0-120V，电流为0-80A直流电。主电机16的励磁电源由安装在转轴15上的励磁直流电源提供，或者由安装在转轴15上的交流低压励磁绕组提供，交流低压励磁绕组的交流电由安置在主电机上的定子副绕组提供，定子副绕组接入低压直流电后，通过电磁感应的无接触方式感应到交流低压励磁绕组，交流低压励磁绕组的交流电再经过安置在转轴上的三相或者是单相整流器整流为直流电，交流低压励磁绕组是三相绕组或者单相绕组。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于其包括主电机（16）和励磁机（17），所述主电机（16）和励磁机（17）在转轴（15）上沿轴线并列放置；所述主电机（16）包括主机转子支架（1），所述主机转子支架（1）的外部设置有主机转子铁心（3），所述主机转子铁心（3）上设置有主机励磁绕组（2），主机转子铁心（3）的外部设置有主机定子铁心（6），主机定子铁心（6）上设置有主机定子电枢绕组（7）；所述励磁机（17）包括励磁机转子支架（12），所述励磁机转子支架（12）的外部设置有励磁机转子铁心（11），所述励磁机转子铁心（11）上设置有励磁机电枢绕组（10），励磁机转子铁心（11）上设置有励磁机定子铁心（8），励磁机定子铁心（8）的外部设置有励磁机励磁绕组（9）；所述励磁机励磁绕组（9）与直流电源连接，所述励磁机电枢绕组（10）与整流装置（14）的输入端连接，所述主机励磁绕组（2）与整流装置（14）的输出端连接，所述主机定子电枢绕组（7）与三相对称负载或整流负载连接；所述主机定子电枢绕组（7）是36极—48极，转速范围是100—200转/每分钟，所述励磁机电枢绕组（10）为12—36对励磁线圈组成，励磁电压为0-120V，励磁电流为0-80A直流电；在3.4-5.4m/s的风速时，将励磁电流调整为零，即发电机没有任何输出功率，在这样小的风况时风力机即可顺利启动，风力机启动后在空气流的作用下，产生连续增大的动力；当风速增大到8-10m/s，自动调节励磁电流到60A，整个过程是连续自动调节，发电机输出功率是平稳的自动增大。

2.如权利要求1所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于在转轴（15）上设置有端盖（4）和机壳（5），所述主电机（16）和励磁机（17）设置在所述端盖（4）和机壳（5）中。

3.如权利要求2所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于所述端盖（4）与转轴（15）之间设置有轴承（13）。

4.如权利要求2所述的一种适应低风速风力机的无刷电励磁低速发电机，其特征在于在转轴（15）上端盖（4）的外侧设置所述整流装置（14）。