CN106787545B - 一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，包括由外向内同心设置的外定子、杯型磁阻转子和内定子；所述外定子包括外定子轭、外定子齿和外功率绕组，外定子齿间的空隙形成外定子槽，外功率绕组嵌入在外定子槽内，外定子齿设置在外定子轭内侧；所述内定子包括内定子轭、内定子齿和内功率绕组，内定子齿间的空隙形成内定子槽，内功率绕组嵌入在内定子槽内，内定子轭设置在内定子齿内侧；所述杯型磁阻转子包括沿圆周均匀交错布置的导磁块和非导磁块；在外定子槽内或内定子槽内还嵌入有控制绕组。该发电机具有三个电气端口，与当前的具有两个电气端口的磁场调制类无刷双馈发电机相比，具有功率密度高、可靠性高的优势。

Description

一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机
技术领域
本发明涉及一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，可应用于风力发电。
背景技术
当今，能源危机、环境污染等一系列问题日益突出，发展持续的可再生能源以转变传统的能源结构势在必行。风能取之不尽、用之不竭，是最有潜力的新能源之一，因此受到了世界范围的关注。随着海上风电的发展，为降低发电成本，风力发电机的单机容量越来越大，导致其体积和重量变得巨大，给制造、安装和维护均带来了困难，而且复杂的海上环境对风力发电系统提出了更高的要求。现在最流行的风力发电机有两种：双馈异步发电机和永磁同步发电机。双馈异步发电机的优势在于仅需使用占发电机总容量30％左右的变频器，便可实现变速恒压恒频运行，直接向电网供电；但是它需要电刷和滑环向转子绕组供电，这不但降低了可靠性、增大了维护成本，而且对其在大容量的海上风电中的应用极其不利。近年来，永磁直驱发电机受到了广泛关注，发展迅速；永磁直驱发电机省去了机械传动装置，可直接与风力涡轮机相连，简化了机械结构，提高了系统可靠性，而且使用永磁体励磁，无励磁损耗，效率高。但是直驱永磁发电机的体积和重量巨大，这既增加了海上风电的建设成本，又不便于海上的安装、维护作业。为实现变速恒压恒频运行，永磁同步发电机需要使用全功率变频器，而且需要额外的无功功率调节装备调节无功，所以直驱式永磁同步风力发电机系统成本很高。
为克服双馈感应发电机和永磁同步发电机的缺点，无刷双馈发电机得到了广泛的研究。无刷双馈电机源于两台感应电机的级联，根据电刷消去方式的不同，可以分为级联式和磁场调制式两类。磁场调制类无刷双馈电机是依靠特殊的转子结构，将位于同一定子上的两套不同极数的绕组间接耦合，实现能量的传递。这种特殊的转子结构有两种形式，一种是类鼠笼式的感应转子，另一种是磁阻转子。常见的磁阻转子结构有简单凸极结构、轴向叠片各向异性结构和多层磁障结构。
磁场调制分为“和调制”和“差调制”，大部分无刷双馈电机采用“和调制”。另外，在结构上多采用单定转子结构，两套绕组位于一个定子上，导致转子体积较大，造成了内部空间的浪费。目前的研究成果表明，现有的无刷双馈电机比传统的双馈感应电机和鼠笼式感应电机功率密度低。
发明内容
发明目的：为了提高无刷双馈电机的功率密度，本发明提出了一种三电气端口的双定子磁阻无刷发电机，采用了双定子和杯型磁阻转子的结构以充分利用内部空间，并且能够同时实现“和调制”和“差调制”；因该发电机具有三个电气端口，与当前的具有两个电气端口的磁场调制类无刷双馈发电机相比，具有功率密度高、可靠性高的优势。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，包括由外向内同心设置的外定子、杯型磁阻转子和内定子，外定子和杯型磁阻转子之间形成外气隙，杯型磁阻转子和内定子之间形成内气隙；
所述外定子包括外定子轭、外定子齿和外功率绕组，外定子齿间的空隙形成外定子槽，外功率绕组嵌入在外定子槽内，外定子齿设置在外定子轭内侧；
所述内定子包括内定子轭、内定子齿和内功率绕组，内定子齿间的空隙形成内定子槽，内功率绕组嵌入在内定子槽内，内定子轭设置在内定子齿内侧；
所述杯型磁阻转子包括沿圆周均匀交错布置的导磁块和非导磁块；
在外定子槽内或内定子槽内还嵌入有控制绕组；所述外功率绕组(8)的极对数为popw，内功率绕组(12)的极对数为pipw，控制绕组(9)的极对数为pcw，导磁块(13)的个数为pr；当控制绕组嵌入外定子槽内时，四个参数满足|popw-pcw|＝pr，pipw+pcw＝pr；当控制绕组嵌入内定子槽内时，四个参数满足popw+pcw＝pr，|pipw-pcw|＝pr。
具体的，所述外功率绕组和控制绕组之间通过杯型磁阻转子的调制作用实现耦合，内功率绕组和控制绕组之间通过杯型磁阻转子的调制作用实现耦合。
具体的，所述外功率绕组、控制绕组和内功率绕组均采用分布式绕组结构或均采用集中式绕组结构。
具体的，一套功率绕组输出恒压恒频的电能，直接与电网连接；另一套功率绕组输出变压变频的电能，通过变频器与电网连接；控制绕组通过变频器与电网连接，同时对两套功率绕组进行控制。
具体的，两套变频器的容量均为该双定子磁阻无刷风力发电机总容量的一部分，其容量与各自连接的绕组容量相当。
具体的，该双定子磁阻无刷风力发电机的总功率为三套绕组的功率之和。
优选的，所述导磁块由硅钢片轴向或纵向叠压而成。
优选的，所述外定子、杯型磁阻转子和内定子均为分块组装结构。
优选的，所述外定子和内定子均为凸极结构或隐极结构。
本发明的目的是提出一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，该电机具有一个杯型磁阻转子、两个定子和三套绕组，由内向外同心依次布置内定子、杯型磁阻转子和外定子，本案优选将两套绕组布置在外定子上，分别称为外功率绕组和控制绕组，第三套绕组布置在内定子上，称为内功率绕组。控制绕组通过一套背靠背的频率变换器与电网连接，控制电机的运行状态；外功率绕组通过另一套背靠背的频率变换器与电网连接，向电网馈电；内功率绕组直接与电网连接，向电网馈电。电机的总功率为三套绕组的功率之和，变频器的功率与各自相连的绕组的功率相当。控制绕组的功率与电机的调速范围有关，调速范围越大，其功率越大。
所述控制绕组通过一套背靠背的频率变换器与电网相连，同时控制两套功率绕组，其功率与电机的调速范围有关，其功能和双馈电机的控制绕组相同；所述内功率绕组是变速恒压恒频发电运行，类似于双馈电机的功率绕组，可直接与电网连接；所述外功率绕组是变速变压变频发电运行，类似于同步发电机的电枢绕组，通过一套背靠背的频率变换器与电网相连；变频器的容量与各自相连的绕组的容量相当；当控制绕组中通入直流电时，相应的转子速度定义为自然同步速。自然同步速以上，称为超同步速，此时控制绕组向电网输出电能。自然同步速以下，称为亚同步速，此时控制绕组从电网吸收能量。本发明的发电机调速范围大约为自然同步速上下30％，控制绕组传递的是转差功率，所以与控制绕组连接的变频器的容量大约为电机容量的30％，实现了由小容量变频器控制大容量电机的功能，这点和双馈发电机非常相似。
所述控制绕组可以为单层整距分布绕组，也可以为双层短距分布绕组；所述外功率绕组和内功率绕组同时采用双层短距分布绕组，或同时采用整距分数槽绕组。
有益效果：本发明提供的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，相对于现有技术，具有如下优势：
1、本发明提出的发电机具有两个功率电气端口和一个控制电气端口，三个电气端口均能向电网馈电，所以该发电机机功率密度高、容错能力强、可靠性高；
2、本发明提出的发电机采用双定子和杯型磁阻转子结构，与单定转子结构的无刷双馈电机相比，该电机充分利用内部空间，提高了空间利用率；另外，杯型磁阻转子使用简单凸极结构，由硅钢片叠压而成，结构简单可靠，机械强度高；
3、本发明提出的发电机具有两个功率电气端口，一个变速恒压恒频运行，可直接向电网供电，另一个变速变压变频运行，通过一套背靠背的频率变换向电网供电；当其中一个功率电气端口发生故障时，另一个功率电气端口可继续向电网供电，提高了发电机的容错能力和可靠性；
4、本发明提出的发电机的最大功率为三个电气端口同时向电网供电时的功率总和；因为其中一个功率电气端口可输出恒压恒频的电能，不需变频器即可直接向电网供电，所以该发电机使用的变频器的容量小于发电机的总容量；
5、本发明提出的发电机没有永磁体和电刷，可调节无功功率；与永磁同步发电机相比，该发电机成本低，且不需要全功率变频器和无功功率补偿装置；与双馈感应发电机相比，该发电机没有电刷，可靠性高、维护成本低；与单定转子结构的无刷双馈电机相比，该发电机具有三个电气端口，功率密度更高。
附图说明
图1为本发明电机的结构截面示意图；
图2为本发明电机与电网的连接关系图；
图3为本发明电机在350r/min空载时，外功率绕组和内功率绕组相电动势波形图；
图4为本发明电机在500r/min空载时，外功率绕组和内功率绕组相电动势波形图；
图5为本发明电机在650r/min空载时，外功率绕组和内功率绕组相电动势波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，包括由外向内同心设置的外定子1、杯型磁阻转子3和内定子5，外定子1和杯型磁阻转子3之间形成外气隙2，杯型磁阻转子3和内定子5之间形成内气隙4；所述外定子1包括外定子轭6、外定子齿7、外功率绕组8和控制绕组9，外定子齿7间的空隙形成外定子槽，外功率绕组8和控制绕组9嵌入在外定子槽内，控制绕组9设置在外功率绕组8内侧，外定子齿7设置在外定子轭6内侧；所述内定子5包括内定子轭10、内定子齿11和内功率绕组12，内定子齿11间的空隙形成内定子槽，内功率绕组12嵌入在内定子槽内，内定子轭10设置在内定子齿11内侧；所述杯型磁阻转子3包括沿圆周均匀交错布置的导磁块13和非导磁块14；所述外功率绕组8的极对数为popw，内功率绕组12的极对数为pipw，控制绕组9的极对数为pcw，导磁块13的个数为pr，满足popw-pcw＝pr，pipw+pcw＝pr。
如图2所示，控制绕组9通过一套背靠背的频率变换器15与电网相连，可同时控制外功率绕组8和内功率绕组12，所述变频器15的容量与控制绕组9的容量相当；外功率绕组8输出变压变频的电能，通过另一套背靠背的频率变换器16与电网相连，所述变频器16的容量与外功率绕组8的容量相当；内功率绕组12可直接恒压恒频的向电网供电，不需要变频器。发电机的总功率为外功率绕组8、内功率绕组12和控制绕组9的功率之和。
与当前的双馈风力发电机相似，本发明的发电机的速度调节范围大约为自然同步速度上下30％。控制绕组9通过变频器与电网间传递的功率是转差功率，所以与控制绕组9相连的变频器15的功率大约为电机功率的30％。所述的外功率绕组8和所述的内功率绕组12是两套相互独立的功率绕组，它们之间的耦合作用很小。当电机转速发生变化时，通过调节所述控制绕组9中的电流的频率和幅值可以保证所述内功率绕组12输出恒频率恒幅值的电压，但所述外功率绕组8却不能输出恒定的电压，它的电压频率和幅值会随着转速的升高而升高，转速越高，外功率绕组8的输出功率越大。关于外功率绕组8和内功率绕组12的功率分配，通常这样设计：当电机运行于自然同步速度时，外功率绕组8的功率是内功率绕组12的功率的50％左右；当电机运行在最高速度时，外功率绕组8的功率大约为内功率绕组12的功率的80％。
将转子的上极弧系数定义为所述导磁块13的上表面宽度比上所述非导磁块14的上表面宽度与导磁块13的上表面宽度之和的值，类似的规则，可定义转子的下极弧系数。转子的上极弧系数与下极弧系数对电机性能有较大影响，一般将这两个系数设计在0.5到0.7。
所述的两个定子均可采用有齿槽结构或无齿槽结构；所述的两组功率绕组和控制绕组9均可采用分布绕组或集中绕组；所述的两组功率绕组和控制绕组9均可采用双层绕组或单层绕组。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：包括由外向内同心设置的外定子(1)、杯型磁阻转子(3)和内定子(5)，外定子(1)和杯型磁阻转子(3)之间形成外气隙(2)，杯型磁阻转子(3)和内定子(5)之间形成内气隙(4)；
所述外定子(1)包括外定子轭(6)、外定子齿(7)和外功率绕组(8)，外定子齿(7)间的空隙形成外定子槽，外功率绕组(8)嵌入在外定子槽内，外定子齿(7)设置在外定子轭(6)内侧；
所述内定子(5)包括内定子轭(10)、内定子齿(11)和内功率绕组(12)，内定子齿(11)间的空隙形成内定子槽，内功率绕组(12)嵌入在内定子槽内，内定子轭(10)设置在内定子齿(11)内侧；
所述杯型磁阻转子(3)包括沿圆周均匀交错布置的导磁块(13)和非导磁块(14)；
在外定子槽内或内定子槽内还嵌入有控制绕组(9)；
所述外功率绕组(8)的极对数为popw，内功率绕组(12)的极对数为pipw，控制绕组(9)的极对数为pcw，导磁块(13)的个数为pr；当控制绕组嵌入外定子槽内时，四个参数满足|popw-pcw|＝pr，pipw+pcw＝pr；当控制绕组嵌入内定子槽内时，四个参数满足popw+pcw＝pr，|pipw-pcw|＝pr。
2.根据权利要求1所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：popw≠pipw≠pcw。
3.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：所述外功率绕组(8)和控制绕组(9)之间通过杯型磁阻转子(3)的调制作用实现耦合，内功率绕组(12)和控制绕组(9)之间通过杯型磁阻转子(3)的调制作用实现耦合。
4.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：所述外功率绕组(8)、控制绕组(9)和内功率绕组(12)均采用分布式绕组结构或均采用集中式绕组结构。
5.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：一套功率绕组输出恒压恒频的电能，直接与电网连接；另一套功率绕组输出变压变频的电能，通过变频器与电网连接；控制绕组(9)通过变频器与电网连接，同时对两套功率绕组进行控制。
6.根据权利要求5所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：两套变频器的容量均为该双定子磁阻无刷风力发电机总容量的一部分，其容量与各自连接的绕组容量相当。
7.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：该双定子磁阻无刷风力发电机的总功率为三套绕组的功率之和。
8.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：所述导磁块(13)由硅钢片轴向或纵向叠压而成。
9.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：所述外定子(1)、杯型磁阻转子(3)和内定子(5)均采用分块组装结构。
10.根据权利要求1或2所述的三电气端口的双定子磁阻无刷风力发电机，其特征在于：所述外定子(1)和内定子(5)均为凸极结构或隐极结构。
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