CN104578630B - 双定子永磁无刷双馈风力发电机 - Google Patents

双定子永磁无刷双馈风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子永磁无刷双馈风力发电机，外定子(2)和内转子(4)分别设置在所述外转子(3)的外周和内周，所述内定子(5)设置在所述内转子(4)的内周；所述外转子(3)与内转子(4)同轴并可自由旋转；所述外定子(2)上设置了p对极的功率绕组(21)直接与电网相连；所述内定子(5)上设置了q对极的控制绕组(51)经交直交功率变换器与电网相连；所述外转子(3)的内、外表面各装有p对永磁体(31)；所述内转子(4)为装有p+q个导磁块的调磁环，永磁体(31)产生的磁场通过所述内转子(4)的磁场调制作用，为控制绕组(51)提供励磁磁场。本发明采用永磁励磁，提高了双馈风力发电机的功率密度；加入了磁齿轮，去除了机械增速齿轮箱，提高了可靠性；利用永磁体的相对小的谐波磁场为小功率的控制绕组励磁。

Description

双定子永磁无刷双馈风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电设备领域，尤其涉及一种能够实现变速恒频的双定子永磁无刷双馈风力发电机。
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的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实现变速恒频运行，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，目前主要有双馈异步风力发电机和直驱型永磁同步风力发电机。其中双馈异步发电机工作在一个有限的转速范围内，转子侧功率变换器只需提供转差功率，约为发电机额定功率的20％～30％，降低了成本。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齿轮箱，增加了机组的机械损耗，噪音污染以及维护工作量；转子上存在励磁绕组，需要滑环和电刷，降低了可靠性，增加了维护工作量。直驱型永磁同步发电机取消了增速齿轮箱，转子无绕组，无需滑环和电刷，提高了可靠性，减少了维修工作量，效率高，但是直驱型永磁同步发电机本身体积和重量庞大，需要全功率的功率变换器，成本高。
近年来，磁齿轮技术发展迅速，出现了一种磁齿轮外转子永磁无刷风力发电机，可以大大降低永磁同步电机的极对数，减小发电机的体积，但也增加了发电机的结构复杂度，且同样需要全功率变换器，成本很高。磁齿轮的永磁体利用率低，增加了永磁材料的用量，进一步增加了成本。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出一种变速恒频的双定子永磁无刷双馈电机，该电机无需齿轮箱，取消了滑环和电刷，提高了效率和可靠性，利用磁齿轮中的谐波磁场实现控制功能，利用主磁场为功率绕组提供励磁，提高了永磁体的利用率，功率密度高，使用部分功率的功率变化器，降低了成本，使发电机在较大范围内变速恒频运行。
技术方案：本发明的一种双定子永磁无刷双馈风力发电机包括机座、外定子、外转子、内转子、内定子和转轴；所述外定子和内转子分别设置在所述外转子的外周和内周；所述内定子设置在所述内转子的内周；所述外转子固定在外转子端盖上，所述外转子端盖通过外转子轴承与机座连接；所述内转子通过内转子端盖固定在转轴上；所述内转子与外转子同轴并可自由旋转；所述转轴与机座通过轴承连接；所述外定子设置了功率绕组，内定子设置了控制绕组；所述外转子为装有永磁体的永磁式转子；所述内转子为装有导磁块的调磁环转子；
所述外定子设置了p对极的功率绕组并直接与电网相连，所述内定子设置了q对极的控制绕组经交直交功率变换器与电网相连，所述p和q分别为正整数，且p和q不相等，由于所述内转子上导磁块的磁场调制作用，功率绕组与控制绕组的磁场不存在耦合，所述p和q分别为正整数，且p和q不相等。
所述的外转子的内、外表面分别贴有p对永磁体，且与功率绕组的极对数相同；外转子内外两侧永磁体的充磁方向相同，产生的永磁磁链通过内转子上导磁块调制后获得主磁场与谐波磁场，且分别匝链功率绕组和控制绕组，为功率绕组和控制绕组提供励磁；所述外转子的转速与功率绕组产生磁场的转速相同。
所述内转子上安装导磁块的个数为p+q，在圆周方向上均匀分布，导磁块的空隙中填充非导磁的环氧树脂材料；内转子通过转轴直接与风力机相连，去除了机械增速齿轮箱，其转速由控制绕组产生磁场的转速与外转子的转速共同决定，并与功率绕组与控制绕组的极对数有关。
所述内转子的转速由控制绕组的供电频率决定，通过改变控制绕组的供电频率，可实现风力机的最大功率点跟踪。
所述交直交功率变换器的容量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：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。
有益效果：
1、增加了磁齿轮，去除了机械增速齿轮箱，提高了可靠性，减小了维护工作量，提高了转矩密度和功率密度。
2、功率绕组与控制绕组充分利用了永磁体的主磁场与谐波磁场，提高了永磁体的利用率。
3、双定子永磁无刷双馈风力发电机功率绕组与电网直接连接，交直交功率变换器连接至控制绕组以提供控制电流，可使永磁体为功率绕组提供的励磁磁场保持在同步转速，实现恒频运行。交直交功率变换器的容量根据发电机的调速范围而定，一般只有发电机额定容量的20％～30％，相对于永磁同步发电机、磁齿轮外转子永磁无刷风力发电机，本发电机无需使用等同于发电系统额定容量的功率变换器，有利于降低成本。
4、外转子为永磁转子，内转子为调磁环转子，均不需要绕组、滑环和电刷，提高了可靠性，减少了维护工作量。
附图说明
图1本发明双定子永磁无刷双馈风力发电机的横向截面图；
图2是本发明双定子永磁励磁无刷双馈风力发电机的纵向剖视图；
图3是本发明双定子永磁励磁无刷双馈风力发电机的并网示意图；
图4是本发明双定子永磁励磁无刷双馈风力发电机的功率传递示意图。
图中有：机座1、外定子2、功率绕组21、外转子3、永磁体31、外转子端盖32、外转子轴承33、内转子4、内转子端盖41、调磁块42、内定子5、控制绕组51、转轴6、轴承61、风力机7、交直交功率变换器8。
具体实施方式
本发明的双定子永磁无刷双馈风力发电机，包括外定子、外转子、内转子、内定子和转轴，所述外定子和内转子分别设置在所述外转子的外周和内周；所述内定子位于所述内转子的内周。所述外转子固定在外转子端盖上，外转子端盖通过外转子轴承与机座连接；所述内转子通过内转子端盖固定在转轴上，所述转轴通过轴承与机座连接，所述外转子与内转子同轴并可自由旋转；所述外定子与内定子上分别设置有功率绕组和控制绕组，两套绕组的极数不等，分别用于发电与转速控制；所述外转子为装有永磁体的永磁式转子；所述内转子为安装有导磁块的调磁环转子，用于调制外转子的永磁磁场，产生功率绕组与控制绕组所需的两种励磁磁场，并直接与风力机通过转轴相连。
根据本发明所述双定子永磁无刷双馈风力发电机的一个方面：所述外定子和内定子分别设置了极数不等的功率绕组与控制绕组，分别采用外转子永磁磁场的主磁场与调制后的谐波磁场作为励磁磁场，两者不存在间接耦合；功率绕组直接与电网相连，控制绕组通过功率变换器与电网相连；该双定子永磁无刷双馈风力发电机可看做是一台恒速永磁同步发电机与一台无级变速磁齿轮的级联。
根据本发明所述的双定子永磁无刷双馈风力发电机的一个方面：所述外转子上装有永磁体，永磁体的极对数与功率绕组极对数相同，为功率绕组提供励磁磁场；外转子的转速与功率绕组产生磁场的转速相同，即受电网频率的控制。
根据本发明所述的双定子永磁无刷双馈风力发电机的一个方面：所述内转子为装有导磁块的调磁环，用于调制外转子的永磁磁场，以产生与控制绕组极对数相同的谐波磁场作为控制绕组的励磁磁场；导磁块的个数为功率绕组与控制绕组极对数之和；所述内转子与风力机直接相连，通过调节控制绕组的频率控制外转子的转速，实现风力机的最大功率点跟踪。
根据本发明所述的双定子永磁无刷双馈风力发电机的一个方面：所述控制绕组通过交直交功率变换器与电网相连，功率变换器的容量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：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。
下面结合附图对本发明做进一步说明，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2描述本发明双定子永磁励磁无刷双馈风力发电机的结构。从该发电机的横向截面图、纵向剖面图中可以看出，发电机主要由六部分组成：机座1、外定子2、外转子3、内转子4、内定子5和转轴6。其中外定子2上设置有p对极的功率绕组；外转子3内外两侧均装有p对永磁体31，且内、外两侧永磁体的充磁方向相同，外转子通过外转子端盖、外转子轴承连接到机座；。内转子4上装有(p+q)个在圆周方向均匀分布的导磁块42，导磁块之间的空隙中填充非导磁的环氧树脂材料，内转子4通过内转子端盖41固定在转轴6上随转轴一起旋转；内定子5上设置有q对极的控制绕组，所述p和q分别为正整数，且p和q不相等。
图3所示为双定子永磁无刷双馈风力发电机并网发电系统，转轴6直接与风力机7的轮毂相连，内转子4固定在转轴6上，用于传递来自风力机的功率和能量。外转子3内外两侧装有永磁体31，为功率绕组8和控制绕组9提供励磁磁场，并通过内转子4上调磁块42的数量与功率、控制绕组极对数的合理设计，实现两套绕组磁场的解耦。
本发明双定子永磁无刷双馈风力发电机内转子的转速nL与功率绕组和控制绕组中电流的频率fp和fc满足关系：nL＝60(fp±fc)/(p+q)。由于电网频率fp固定，调节控制绕组中电流的频率，就可实现该发电机的变速恒压恒频发电。而且通过控制交直交功率变换器改变控制绕组中电流的频率、大小和相位，还可以实现有功和无功功率的灵活调节。
图4所示为双定子永磁无刷双馈风力发电机稳态下的功率传递示意图，图中的Tp为功率绕组磁场对外转子的制动转矩；Tc为控制绕组磁场对内转子的制动转矩；TL为风力机传递到内转子的输入转矩；ωL为内转子的旋转角速度，即风力机的旋转角速度；ωp为功率绕组产生磁场的旋转角速度，即外转子的稳定旋转角速度；ωr为控制绕组产生磁场的旋转角速度。风力机7经由转轴6传递给内转子4的机械功率为PL＝TLωL，功率绕组输送到电网的功率为PP＝Tpωp，控制绕组输送到电网的功率为Pc＝Tcωr。
本发明的双定子永磁无刷双馈风力发电机本质上是一台p对极定子绕组的永磁同步发电机与一台q对极定子绕组的无级变速磁齿轮的级联，两台电机通过永磁转子机械连接。结合磁齿轮的工作原理，该发电机的工作原理如下：风力机把风能转换成机械能，通过转轴传递给内转子，使得内转子旋转角速度为ωL，只需通过交直交功率变换器调整控制绕组电流频率，使得控制磁场旋转角速度ωc满足：(ωp-ωL)/(ωc-ωL)＝-q/p，则永磁体主磁场在功率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。
本发明的双定子永磁无刷双馈风力发电机定义控制绕组通直流电(fc＝0)时内转子的转速为同步转速ωL0，当风速较快，ωL>ωL0时，控制绕组的相序与功率绕组相同，此时控制绕组输出功率；当风速较慢，ωL<ωL0时，控制绕组的相序与功率绕组相同，此时控制绕组输入功率；当ωL＝ωL0时，fc＝0，此时控制绕组通入直流电，控制绕组提供的能量仅用于铜耗和铁耗。
本发明的双定子永磁无刷双馈风力发电机定义转差率为：s＝(ωL-ωL0)/ωL0＝fc/fp，控制绕组输送到电网的功率与功率绕组输送到电网的功率的关系为：Pc＝sPP。则超同步运行时，s为正，风力机的机械功率大部分通过功率绕组输送到电网，小部分通过控制绕组经功率变换器送往电网；亚同步运行时，s为负，控制绕组通过功率变换器从电网吸收电能，吸收的电功率与风力机的机械功率一起传递到功率绕组，输送给电网。永磁励磁双馈风力发电机的效率为η，风力机输入的机械能与电网之间的能量传递关系为PL＝η(PP+Pc)＝η(1+s)PP。

Claims (4)

1.一种双定子永磁无刷双馈风力发电机，其特征在于：该风力发电机包括机座(1)、外定子(2)、外转子(3)、内转子(4)、内定子(5)和转轴(6)；所述外定子(2)和内转子(4)分别设置在所述外转子(3)的外周和内周；所述内定子(5)设置在所述内转子(4)的内周；所述外转子(3)固定在外转子端盖(32)上，所述外转子端盖(32)通过外转子轴承(33)与机座(1)连接；所述内转子(4)通过内转子端盖(41)固定在转轴(6)上；所述内转子(3)与外转子(2)同轴并可自由旋转；所述转轴(6)与机座(1)通过轴承(61)连接；所述外定子(2)设置了功率绕组(21)，内定子(5)设置了控制绕组(51)；所述外转子(3)为装有永磁体(31)的永磁式转子；所述内转子(4)为装有导磁块(42)的调磁环转子；
所述外定子(2)设置了p对极的功率绕组(21)并直接与电网相连，所述内定子(5)设置了q对极的控制绕组(51)经交直交功率变换器(8)与电网相连，且p≠q，由于所述内转子(4)上导磁块(42)的磁场调制作用，功率绕组(21)与控制绕组(51)的磁场不存在耦合，所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；
所述的外转子(3)的内、外表面分别贴有p对永磁体(31)，且与功率绕组(9)的极对数相同；外转子内外两侧永磁体的充磁方向相同，产生的永磁磁链通过内转子(4)上导磁块(42)调制后获得主磁场与谐波磁场，且分别匝链功率绕组(21)和控制绕组(51)，为功率绕组和控制绕组提供励磁；所述外转子(3)的转速与功率绕组(21)产生磁场的转速相同。
2.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述内转子(4)上安装导磁块(42)的个数为p+q，在圆周方向上均匀分布，导磁块的空隙中填充非导磁的环氧树脂材料；内转子(4)通过转轴(6)直接与风力机(7)相连，去除了机械增速齿轮箱，其转速由控制绕组(51)产生磁场的转速与外转子(3)的转速共同决定，并与功率绕组与控制绕组的极对数有关。
3.根据权利要求1或2所述的双定子永磁无刷双馈风力发电机，其特征在于所述内转子(4)的转速由控制绕组(51)的供电频率决定，通过改变控制绕组(51)的供电频率，可实现风力机的最大功率点跟踪。
4.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述交直交功率变换器(8)的容量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：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。
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