CN105162271A - 定子励磁风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种定子励磁风力发电机，包括定子和转子，转子位于定子的内部，且定子和转子之间设置有气隙，定子和转子均为凸极结构；定子包括定子铁芯、多个绕组和机座，定子铁芯包括定子轭、多个定子齿和多个定子槽，相邻的定子齿之间为定子槽，每个定子槽中设置有绕组；转子包括转轴、支架和转子铁芯，转子铁芯包括转子轭和多个转子齿。本发明的定子励磁风力发电机结构简单功率密度高、可靠性高、励磁电流调节方便、电机电压波形畸变率低及转矩脉动低。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型风力发电机结构技术，特别涉及一种定子励磁风力发电机。
背景技术
随着社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势。风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生资源之一，凭借其可开发量、分布区域广、安全环保等优点，在社会经济可持续发展中发挥着重要的作用。
目前社会上已出现了各种结构的风力发电机，但是已有的风力发电机主要以双馈式发电机和永磁直驱或半直驱发电机为主，电机结构相对复杂，励磁电流调节不方便。其中，双馈式发电系统中常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其缺点是仍然包括有滑环和电刷结构，使得风力发电机在恶劣的运行环境中较易出现故障；永磁发电机的缺点是永磁材料成本高，导致整机成本相对较高，以及在使用过程中会出现励磁调节困难及电机退磁的风险，其原因是永磁材料在高温、震动和过电流情况下，有可能永久退磁，致使发电机整体报废。另外，社会上出现的磁通切换发电机主要以永磁型以及混合励磁型为主，其应用场合主要以小型发电机为主，在大型的风力发电场合还未见应用。
因此本领域迫切需要一种结构简单、励磁电流调节方便、可靠性高及能够应用于大型的风力发电场合的风力发电机。
发明内容
本发明的实施例旨在克服以上技术问题，提出一种结构简单、励磁电流方便、电机电压波形畸变率低、转矩脉动低、可靠性高以及适合于在大型的风力发电场合使用的定子励磁风力发电机。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，包括定子和转子，
所述转子位于所述定子的内部，所述转子能够转动，且所述定子和所述转子之间设置有气隙，所述定子和所述转子均为凸极结构；
所述定子包括定子铁芯、多个绕组和机座；
所述定子铁芯包括定子轭、多个定子齿和多个定子槽，相邻的所述定子齿之间为所述定子槽，每个所述定子槽中设置有所述绕组；
所述转子包括转轴、支架和转子铁芯；
所述转子铁芯包括转子轭和多个转子齿。
根据本发明的第二方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述绕组包括励磁绕组和电枢绕组，所述励磁绕组和所述电枢绕组分别设置在不同的所述定子槽中。
根据本发明的第三方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述励磁绕组和所述电枢绕组分别设置在相邻的所述定子槽中，所述绕组的节距为2。
根据本发明的第四方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，每个所述定子槽中的所述绕组设置为上下双层分布。
根据本发明的第五方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述转子和所述定子的轴向剖面为圆环形。
根据本发明的第六方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述定子和所述转子由导磁材料制成。
根据本发明的第七方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述定子和所述转子均由硅钢片叠压制成。
根据本发明的第八方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述励磁绕组的连接是每相邻所述励磁绕组线圈串联。
根据本发明的第九方面，提供一种定子励磁风力发电机，其中，所述励磁绕组和所述电枢绕组均采用集中绕组。
本发明的定子励磁风力发电机相比于现有技术具有如下优点:
1、该风力发电机的定子和转子的磁路遵循磁阻最小原理，通过定子绕组的磁链是双极性的，定子绕组感应的反应电动势波形正弦性良好，电压波形畸变率低，同时电机的转矩脉动小；
2、该电机由于励磁绕组和电枢绕组都安放于定子槽中，定子绕组的连接方式和普通电机相同，不需要在定子上额外开槽来安放励磁绕组，电机结构简单，同时电机在励磁的控制方式上也得到了简化；
3、和传统的风力发电机相比由于励磁绕组放在定子中不需要电刷和滑环等结构，同时由于没有永磁体，避免了电机在实际运行时励磁调节困难以及电机退磁的风险。
附图说明
图1为本发明的定子励磁风力发电机的轴向剖面图；
图2为本发明的定子励磁风力发电机的定子中电枢绕组的连接原理图；
图3为本发明的定子励磁风力发电机的定子中励磁绕组的连接原理图；
图4为本发明的定子励磁风力发电机的电机原理说明图，其中，
图4a为风力发电机的转子齿和定子齿相对的实施例一；
图4b为风力发电机的转子齿和定子齿相对的实施例二。
附图标记说明：
1、定子1-1、定子轭1-2、定子齿
1-2-1、定子齿1-2-2、定子齿1-3、定子槽
2、转子2-1、转子齿2-2、转子轭
3、绕组3-1、电枢绕组3-2、励磁绕组
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构及技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1为本发明的定子励磁风力发电机的轴向剖面图，如图1所示，本发明的定子励磁风力发电机包括定子1和转子2，其中，转子2能够转动，定子1固定不动，该定子1和转子2均为凸极结构，这样设置可以有效地降低定位力矩，减少转矩脉动。另外，定子1和转子2的轴向剖面为圆环形结构，如图1所示，转子2位于定子1的内部，并且在定子1和转子2之间留有气隙，从而使得本发明的定子励磁风力发电机轴向尺寸较短，电机功率密度高，很适合应用于风力发电场合。由于转子2中既不包括永磁体也不包括绕组，即转子2上没有设置永磁体和绕组3，使得本发明的定子励磁风力发电机结构简单，运行可靠，也提高了风电系统的稳定性。
如图1所示，转子2位于定子1的内部，定子1包括定子铁芯、多个绕组3和机座，定子铁芯包括定子轭1-1、多个定子齿1-2和多个定子槽1-3，转子2包括转轴、支架和转子铁芯，转子铁芯包括转子轭2-2和多个转子齿2-1。在图1中，上述机座、转轴和支架均未示出。其中，转子支架的第一端连接在转轴上，转子支架的第二端连接在转子铁芯上，在本发明的定子励磁风力发电机的使用过程中，转子2中设置的转轴可以通过转子支架来带动转子2发生转动。本发明的定子励磁风力发电机中的机座主要是支撑和固定铁芯、绕组3等部件，并且将定子1、转子2连接组装起来的结构件，同时起到方便设备安装，适应不同的设备及安装环境而调整安装尺寸的作用。需要说明的是，相邻的定子齿1-2之间为定子槽1-3，每个定子槽1-3中设置有绕组3，多个转子齿2-1相互之间间隔设置在转子轭2-2上。
在本发明的实施例中，上述定子1上设置的绕组3中既包括励磁绕组3-2也包括电枢绕组3-1，并且励磁绕组3-2和电枢绕组3-1分别设置在不同的定子槽1-3中，在本发明的实施例中，励磁绕组3-2和电枢绕组3-1分别设置在相邻的两个定子槽1-3中，且绕组3节距设置为2，即同一个定子槽1-3中只有一种类型的绕组3，相邻的定子槽1-3中放置不同性质的绕组3。另外，每个定子槽1-3中的绕组3设置为上下双层分布，由于在同一个定子槽1-3中只能放置一种性质的绕组3即励磁绕组3-2或电枢绕组3-1，则在每个定子槽1-3的上层边和下层边均放置励磁绕组3-2或电枢绕组3-1。
图2为本发明的定子励磁风力发电机的定子中电枢绕组的连接原理图，如图2所示，本发明的电枢绕组3-1的连接方式同普通的交流电机的电枢绕组3-1的连接方式相同，由于绕组3的节距为2，即对于一个线圈来说其上层边和下层边相隔一个定子槽1-3。从图中可以看出本发明的定子1上包括有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C412个电枢绕组3-1，电枢绕组3-1为三相交流电枢绕组3-1，即A相绕组、B相绕组及C相绕组，且三相绕组电流分别相差120度相位角，其中，定子1相对齿上的A1、A2、A3、A44个电枢绕组3-1串联连接为A相绕组；定子1相对齿上的B1、B2、B3、B44个电枢绕组3-1串联连接为B相绕组；定子1相对齿上的C1、C2、C3、C44个电枢绕组3-1串联连接为C相绕组。其中，上述A相绕组、B相绕组及C相绕组是相互独立的，构成了三相交流电枢绕组3-1，其外部可以接三相对称负载或者是无穷大电网。需要说明的是，图中的⊕表示电枢绕组3-1中的电流向里流入，●表示电枢绕组3-1中的电流向外流出，例如：以图中的纸面为参照物即⊕表示电枢绕组3-1中的电流流入纸面，●表示电枢绕组3-1中的电流流出纸面。
图3为本发明的定子励磁风力发电机的定子中励磁绕组的连接原理图，如图3所示，本发明中励磁绕组3-2为直流励磁，每相邻两个励磁绕组3-2线圈中的电流方向是相反的，即每个定子槽1-3中上下双层的励磁绕组3-2中电流方向均为向里或向外，这样设置使得相邻定子槽1-3中的励磁绕组3-2产生的磁场方向相反，在面对定子1与转子2之间设置的气隙方向上，N极和S极间隔排列。其中，相邻定子槽1-3中设置的励磁绕组3-2线圈串联连接。需要说明的是，图中的⊕表示励磁绕组3-2中的电流向里流入，●表示励磁绕组3-2中的电流向外流出，例如：以图中的纸面为参照物即⊕表示励磁绕组3-2中的电流流入纸面，●表示励磁绕组3-2中的电流流出纸面。
本发明的进一步实施例中，电枢绕组3-1与励磁绕组3-2都采用集中绕组，端部较短，从而使铜耗减少，电机效率得以提高。
本发明的进一步实施例中，定子1和转子2均由导磁材料制成，具体地，定子1和转子2均由硅钢片叠压制成，转子2上无线圈，使得发电机转子结构非常坚固，且能够提高磁能利用率。
本发明的进一步实施例中，本发明的定子励磁风力发电机为24/14的内转子型结构的风力发电机，即本发明的定子励磁风力发电机包括24齿外定子及14齿内转子。
图4为本发明的定子励磁风力发电机的电机原理说明图，其中，图4a为风力发电机的转子齿和定子齿相对的实施例一；图4b为风力发电机的转子齿和定子齿相对的实施例二。如图4a所示，在给定子槽1-3中的励磁绕组3-2中通入直流电流后，励磁绕组3-2中会产生相应的磁通，随着转子2的不断旋转，某一时刻转子齿2-1和相邻设置的定子齿1-2-1重合，此时磁力线穿过转子齿2-1、定子齿1-2、定子轭1-1、转子齿2-1和转子轭2-2形成闭合回路。如图4b所示，在给定子槽1-3中的励磁绕组3-2中通入直流电流后，励磁绕组3-2中会产生相应的磁通，随着转子2的不断旋转，在上述情况出现的下一时刻转子齿2-1和相邻设置的定子齿1-2-2重合，此时磁力线穿过转子齿2-1、定子齿1-2、定子轭1-1、转子齿2-1和转子轭2-2形成闭合回路，但是此时穿过电枢绕组3-1的磁力线方向相反。图4即图4a和图4b表明穿过绕组3的磁通在一个齿距范围内交变一次，此时在定子槽1-3中的电枢绕组3-1内产生周期性的感应电动势。
本发明的定子励磁风力发电机的具体工作过程如下：
首先通过外部给定子槽1-3中的励磁绕组3-2中通入直流电流，此时励磁绕组3-2中会产生相应的磁通，其中，直流励磁能够建立稳定而恒定的磁场。在风力发电机的驱动端的带动下转子2会发生转动，随着转子2的不断旋转，在某一时刻转子齿2-1和定子齿1-2-1重合，此时磁力线会穿过转子齿2-1、定子齿1-2、定子轭1-1、转子齿2-1和转子轭2-2形成闭合回路；
在转子2的旋转作用下，在上述情况出现的下一时刻转子齿2-1和定子齿1-2-2重合，此时磁力线穿过转子齿2-1、定子齿1-2、定子轭1-1、转子齿2-1和转子轭2-2形成闭合回路，但此时穿过电枢绕组3-1的磁力线方向反向；
由于转子2的旋转不断切换其路径，使得磁通在不断发生变化，又由于绕组3的节距为2，以及励磁绕组3-2在相邻的定子槽1-3中电流方向相反，使得穿过绕组3的磁通在一个齿距范围内交变一次，此时定子槽1-3中的电枢绕组3-1内会产生周期性的感应电动势。当电枢绕组3-1外接负载时发电机便会向外部供电，实现机械能向电能的转变。
本发明的定子励磁风力发电机由于定子1和转子2的相对设置，且均为凸极结构，同时满足24/14的内转子结构，同时电机的转矩脉动小。本发明的风力发电机的定子1和转子2在工作过程中形成的磁路遵循磁路磁阻最小原理，通过绕组3的磁链是双极性的，绕组3感应的反电动势波形正弦性良好，电压波形畸变率低，同时电机的转矩脉动小；由于电枢绕组3-1与励磁绕组3-2均设置在定子槽1-3中，且绕组3的连接方式和普通电机相同，不需要在定子1上额外开槽来安放励磁绕组3-2，电机结构简单，同时电机在励磁的控制方式上也得到了简化；由于励磁绕组3-2放在定子1中不需要电刷和滑环等结构，同时由于没有永磁体，避免了电机在实际运行时励磁调节困难以及电机退磁的风险；由于转子2上既无永磁体也无绕组，使得本发明的定子励磁风力发电机的结构简单、适合于高速运行并且在风力发电领域具有广泛的应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神及范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围及边界、或者这种范围及边界的等同形式内的全部变化及修改例。
Claims (9)
1.一种定子励磁风力发电机，包括定子和转子，其特征在于，
所述转子位于所述定子的内部，所述转子能够转动，且所述定子和所述转子之间设置有气隙，所述定子和所述转子均为凸极结构；
所述定子包括定子铁芯、多个绕组和机座；
所述定子铁芯包括定子轭、多个定子齿和多个定子槽，相邻的所述定子齿之间为所述定子槽，每个所述定子槽中设置有所述绕组；
所述转子包括转轴、支架和转子铁芯；
所述转子铁芯包括转子轭和多个转子齿。
2.根据权利要求1所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，
所述绕组包括励磁绕组和电枢绕组，所述励磁绕组和所述电枢绕组分别设置在不同的所述定子槽中。
3.根据权利要求2所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，所述励磁绕组和所述电枢绕组分别设置在相邻的所述定子槽中，所述绕组的节距为2。
4.根据权利要求1所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，每个所述定子槽中的所述绕组设置为上下双层分布。
5.根据权利要求1所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，所述转子和所述定子的轴向剖面为圆环形。
6.根据权利要求1所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，所述定子和所述转子由导磁材料制成。
7.根据权利要求6所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，所述定子和所述转子均由硅钢片叠压制成。
8.根据权利要求2所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，所述励磁绕组的连接是每相邻所述励磁绕组线圈串联。
9.根据权利要求2所述的定子励磁风力发电机，其特征在于，所述励磁绕组和所述电枢绕组均采用集中绕组。
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