CN103997177A - 一种单相u形定子齿外转子开关磁阻发电机 - Google Patents

一种单相u形定子齿外转子开关磁阻发电机 Download PDF

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Abstract

一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，包括一组相互独立的U形定子齿、环形绕组和安装在定子磁极外的指状转子。所述U形定子齿使用由非铁磁材料构成的带有矩形槽的圆盘将其彼此之间的位置固定，并固定在发电机的外壳上。所述转子由指状铁芯组成，通过键连接到发电机轴上。转子齿数与定子齿数相同。所述发电机的单相绕组为一环形线圈，绕在定子的U形齿槽内。该单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机结构简单，电机及功率变换器制造成本低，绕组绕线容易，发电机定转子磁极数的增加不会影响绕组的绕线空间，更加适合低转速应用。各U形定子齿中形成的磁场是短磁路，且相互之间独立、无交链，发电机可靠性高。

Description

一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机
技术领域
本发明涉及开关磁阻发电机，尤其是一种新型的使用U形定子齿的外转子开关磁阻发电机。
背景技术
传统的风力发电机种类主要有笼型异步发电机、绕线式异步发电机、有刷双馈异步发电机、无刷双馈发电机和永磁同步发电机。感应电机虽然具有较为简单的结构和低制造成本，但其发电时必须保持预设速度，需要额外的变速箱并具有发电的风速限定范围。尤其有刷双馈异步发电机运行可靠性差，需要经常维护。永磁同步发电机无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，具有效率高、寿命长、免维护等优点，因此渐成为风力发电机的主流。但是永磁材料价格较高，且在高温下易被去磁，功率变换器容量与发电机容量相同，电机和变换器成本较高。开关磁阻发电机控制简单、灵活，成本低廉，适合于中低速发电运行。已有的开关磁阻发电机多为高速发电机，采用内转子结构，电机相数多，定子连线较复杂，其功率变换器的功率开关器件数量多，系统成本较高。
发明内容
鉴于传统的发电机和现有的开关磁阻发电机存在的上述各种问题及局限性，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低廉的单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，特别适合于小型风力发电机低转速直驱结构应用。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括一组U形定子齿，安装在U形定子齿外的转子和绕在定子的U形齿槽内的单相绕组。所述U形定子齿相互独立，使用由非铁磁材料构成的带有矩形槽的圆盘将其彼此之间的位置固定，并固定在发电机的外壳上，而圆盘通过轴承与发电机的轴相连。所述转子为外转子结构，由指状铁芯组成，转子上无电刷、无绕组及永磁体，与发电机轴通过键连接。U形定子的齿数与指状转子的齿数相同，并且定子和转子的齿数可任意选择，但考虑到受力均衡可选为偶数齿。所述单相绕组为一环形线圈。发电机轴的端部安装有永磁体，永磁体的磁化方向为径向，发电机的外壳在正对永磁体的位置处安装有磁传感器，以此来实时检测转子的位置。发电机所使用的功率变换器的主电路中包含两个开关管和两个二极管，通过两个开关管的同时通断和两个二极管的续流作用实现发电机的储能和电能回馈过程。
本发明中一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机结构简单，绕组绕线容易，发电机定转子磁极数的增加不会影响绕组的绕线空间，且不会对绕组的绕线产生影响，更加适合低转速应用。各U形定子齿中形成的磁场是短磁路，且相互之间独立、无交链。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，所述一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机结构简单，不含永磁体，且为单相发电机，电机及功率变换器制造成本低。
本发明的一个效果在于，发电机的绕组绕线容易，定转子极数的增加不会影响绕组的绕线空间，且不会对绕组的绕线产生影响。
本发明的一个效果在于，所述一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的各U形定子齿和转子齿相互之间独立，且各U形定子磁极中形成的磁场彼此之间无交链，发电机可靠性高。
本发明的一个效果在于，所述一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机由于采用外转子结构，便于垂直轴风力发电机的安装。
附图说明
图1是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的12/12结构的正面结构示意图。
图2是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的12/12结构的立体结构示意图。
图3是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的9/9结构的正面结构示意图。
图4是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的9/9结构的立体结构示意图。
图5是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的12/12结构的装配体示意图。
图6是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的12/12结构的侧视剖面示意图。
图7是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的U形定子结构示意图。
图8是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机指状转子结构示意图。
图9是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机的用于固定定子的圆盘结构示意图。
图10是本发明一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机使用的功率变换器的主电路图。
图11是开关磁阻电机线性模型的电感随转子位置变化的曲线。
图中：101、定子102、转子103、绕组104、固定定子的圆盘105、发电机轴106、轴承107、永磁体108、发电机的外壳109、磁传感器110、发电机绕组引出电缆111、磁传感器引出电缆112、键201、绕组回路的上桥臂开关管202、绕组回路的下桥臂开关管203、阴极与直流电源正极相接的二极管204、阳极与直流电源负极相接的二极管205、直流电源
具体实施方式
一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，包括定子(101)、转子(102)和绕组(103)，定子(101)采用U形齿，使用非导磁材料制成的带有矩形槽的圆盘(104)将其彼此之间的位置固定，并固定在发电机的外壳上。圆盘(104)通过轴承(106)与发电机轴(105)相连。发电机的绕组(103)为一环形线圈，绕在定子(101)的U形齿槽内。转子(102)安装在定子(101)外，由指状铁芯组成，转子(102)上无电刷、无绕组及永磁体，与发电机轴(105)通过键(112)连接。定子(101)的齿数与转子(102)的齿数相同，并且定子(101)和转子(102)的齿数可任意选择，但考虑到受力均衡可选为偶数齿。发电机轴(105)的端部安装有永磁体(107)，永磁体(107)的磁化方向为径向。发电机的外壳(108)在正对永磁体(107)的位置安装有磁传感器(109)，可实时检测转子(102)的位置。发电机所使用的功率变换器的主电路的包含一号开关管(201)、二号开关管(202)、一号二极管(203)和二号二极管(204)，通过控制两个开关管(201)～(202)的同时通断和两个二极管(203)～(204)的续流作用实现发电机的储能和电能回馈过程。
实施例1：
如图1、图2所示，一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，包括定子(101)、转子(102)和绕组(103)，定子(101)采用U形定子齿，共有12个，使用非导磁材料制成的带有矩形槽的圆盘(104)将其彼此之间的位置固定，并固定在发电机的外壳(109)上；圆盘(104)通过轴承(106)与发电机轴(105)相连；发电机的绕组(103)为一环形线圈，绕在定子(101)的U形齿槽内；转子(102)安装在定子(101)的圆周外，由指状铁芯组成，转子(102)无电刷、无绕组及永磁体，与发电机轴(105)通过键(112)连接，指状铁芯上共有12个齿；所述发电机通过装在发电机轴(105)上的永磁体(107)和装在发电外壳上(108)的磁传感器(109)实时检测转子(102)的位置。
图10所示为一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机相应的功率变换器主电路。图11所示为开关磁阻电机线性模型的电感随转子位置变化曲线，图中的θ代表转子位置，曲线下面给出了不同曲线阶段的定转子位置示意图。其中θ1～θ2阶段时电机的定子处于电机两转子之间的位置，θ2～θ3阶段时电机的定子逐渐与电机的转子重合，θ3～θ4阶段时电机的定子与转子完全重合，θ4～θ5阶段时电机的转子逐渐离开与定子重合的位置。电机运行过程中，通过安装在发电机外壳(108)上的磁传感器(109)检测到转子(102)的位置，当发电机的转子(102)转到与发电机的定子(101)有重合的位置，即处于θ2～θ4阶段时，若开关管(201)和开关管(202)同时导通，所述开关磁阻发电机的绕组(103)中的电流开始上升，在到达相电感减小区域(θ4～θ5阶段)之前建立相绕组励磁电流；当所述开关磁阻电机的转子(102)转到相电感减小的区域(θ4～θ5阶段)时，将一号开关管(201)和二号开关管(202)同时关断，所述绕组(103)则通过一号二极管(203)和二号二极管(204)续流并向直流电源回馈能量，此时所述发电机处于发电状态。通过上述过程的实施，实现了机械能到电能的转化。
实施例2：
如图3、图4所示，一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，包括定子(101)、转子(102)和绕组(103)，定子(101)采用U形定子齿，共有9个，使用非导磁材料制成的带有矩形槽的圆盘(104)将其彼此之间的位置固定，并固定在发电机的外壳(109)上；圆盘(104)通过轴承(106)与发电机轴(105)相连；发电机的绕组(103)为一环形线圈，绕在定子(101)的U形齿槽内；转子(102)安装在定子(101)的圆周外，由指状铁芯组成，转子(102)无电刷、无绕组及永磁体，与发电机轴(105)通过键(112)连接，指状铁芯上共有9个齿；所述发电机通过装在发电机轴(105)上的永磁体(107)和装在发电外壳上(108)的磁传感器(109)实时检测转子(102)的位置。
图10所示为一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机相应的功率变换器主电路。图11所示为开关磁阻电机线性模型的电感随转子位置变化曲线，图中的θ代表转子位置，其中θ1～θ2阶段时电机的定子处于电机两转子之间的位置，θ2～θ3阶段时电机的定子逐渐与电机的转子重合，θ3～θ4阶段时电机的定子与转子完全重合，θ4～θ5阶段时电机的转子逐渐离开与定子重合的位置。电机运行过程中，通过安装在发电机外壳(108)上的磁传感器(109)检测到转子(102)的位置，当发电机的转子(102)转到与发电机的定子(101)有重合的位置，即处于θ2～θ4阶段时，若开关管(201)和开关管(202)同时导通，所述开关磁阻发电机的绕组(103)中的电流开始上升，在到达相电感减小区域(θ4～θ5阶段)之前建立相绕组励磁电流；当所述开关磁阻电机的转子(102)转到相电感减小的区域(θ4～θ5阶段)时，将一号开关管(201)和二号开关管(202)同时关断，所述绕组(103)则通过一号二极管(203)和二号二极管(204)续流并向直流电源回馈能量，此时所述发电机处于发电状态。通过上述过程的实施，实现了机械能到电能的转化。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，其特征在于，包括定子(101)、转子(102)和绕组(103)，定子(101)采用U形齿，转子(102)由指状铁芯组成，绕组(103)为一环形线圈；圆盘(104)将定子(101)固定在发电机的外壳(108)上，圆盘(104)通过轴承(106)与发电机轴(105)相连；转子(102)安装在定子(101)外，与发电机轴(105)通过键(112)连接；绕组(103)绕在定子(101)的U形齿槽内。
2.如权利要求1所述的一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，其特征在于，所述圆盘(104)使用非导磁材料制成并带有矩形槽。
3.如权利要求1所述的一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，其特征在于，转子(102)上无电刷、无绕组和永磁体。
4.如权利要求1所述的一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，其特征在于，定子(101)的齿数与转子(102)的齿数相同。
5.如权利要求1所述的一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，其特征在于，发电机轴(105)的端部安装有永磁体(107)，永磁体(107)的磁化方向为径向，发电机的机壳(108)在正对永磁体的位置处安装有磁传感器(109)。
6.如权利要求1所述的一种单相U形定子齿外转子开关磁阻发电机，其特征在于，发电机所使用的功率变换器的主电路中包含一号开关管(201)、二号开关管(202)、一号二极管(203)和二号二极管(204)。
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