CN107013410A - 一种垂直轴永磁直驱风力发电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垂直轴永磁直驱风力发电机及其控制方法，属于风电领域。该风力发电机包括：定子、转子、外壳、塔筒、基座、悬浮与刹车系统、采风驱动系统、控制系统。所述定子包括定子铁心和三相绕组，套装在所述塔筒的外圆周上，并与塔筒固定，所述转子包括转子铁心、永磁体，转子与横向支架固定；所述悬浮与刹车系统包括两对磁轴承、电磁铁、气隙传感器；所述采风驱动系统包括横向支架、纵向支架、叶片、套管；所述控制系统通过悬浮气隙长度设定值与实时测量值之差得到悬浮电流给定值，以此控制悬浮气隙，确保发动机平稳发电。本发明结构巧妙、控制简单、安装维护简便，可低风速启动，风能利用率更高，发动机体积小，可实现大功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，尤其是一种垂直轴永磁直驱风力发电机及其控制方法，属于风电领域。
背景技术
目前风力发电机以水平轴风力发电机为主流产品。但水平轴风力发电机存在需要偏航对风、风能利用率低、控制复杂困难、安装不变、成本高等固有缺陷。
垂直轴风力发电机可以克服上述缺陷，它无需对风，具有风能利用率较高、控制简单、安装简便等优势，已经在中小功率等级垂直轴风力发电机中得以应用。
但现有垂直轴风力发电机几乎均采用转轴在中心位置的结构，叶片固定在转轴上，这种结构采风面积小，限制了风能的利用，使得发电机笨重、功率小、成本高。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种结构巧妙、控制简单、效率高、功率大的垂直轴永磁直驱风力发电机。
为了达到以上目的，本发明一种垂直轴永磁直驱风力发电机，包括：定子、转子、外壳、塔筒、基座、悬浮与刹车系统、采风驱动系统、控制系统。
所述定子套装在所述塔筒的外圆周上，并与所述塔筒固定，所述定子包括定子铁心和定子三相绕组；所述塔筒固定在所述基座上；所述转子与所述定子相对，并与横向支架固定，所述转子包括转子铁心、永磁体。
所述悬浮与刹车系统包括第一磁轴承、第二磁轴承、第一电磁铁、气隙传感器；所述第一磁轴承包括第一静磁环、第一动磁环，均为永磁体，所述第一静磁环套装在所述塔筒外圆周上，并与所述塔筒固定；所述第一动磁环与所述外壳的顶板固定，且与所述塔筒同轴；所述第二磁轴承包括第二静磁环、第二动磁环，均为永磁体，所述第二静磁环套装在所述塔筒外圆周上，并与所述塔筒固定；所述第二动磁环与所述外壳的底板固定，且与所述塔筒同轴；所述第一电磁铁由铁心和绕组组成，所述绕组为直流励磁绕组，所述第一电磁铁与所述气隙传感器均与所述定子固定，且所述气隙传感器位于所述第一动磁环的正下方。
所述采风驱动系统包括横向支架、纵向支架、叶片、套管，所述横向支架的一端与所述转子固定，另一端与所述纵向支架一端垂直固定，所述纵向支架的另一端与外壳的顶板固定，所述套管与所述纵向支架的端头固定，所述叶片与所述套管固定。
所述控制系统包括风速传感器、第一变流器，所述第一变流器与所述第一电磁铁的绕组相连；所述第一变流器为DC/DC斩波器。
上述垂直轴永磁直驱风力发电机，其控制方法包括如下步骤：
1)当风速传感器测得风速达到切入风速时，准备启动。
2)调节所述第一变流器的输出电流，使悬浮物缓慢上升至平衡点，使所述悬浮物处于悬浮状态，所述转子开始旋转，发电机发电；所述悬浮物为所述转子、采风驱动系统、外壳、第一磁轴承的动磁环和第二磁轴承的动磁环的总称。
3)在运行过程中，如果因干扰导致所述悬浮物偏移平衡点，则所述气隙传感器将检测到气隙变化，此时将平衡点处的气隙长度设定值δref与所述气隙传感器实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器(如PI调节器)得到所述第一电磁铁绕组的励磁电流给定值将此励磁电流给定值输至所述第一变流器，所述第一变流器输出励磁电流if至所述第一电磁铁绕组，使所述悬浮物保持在平衡点，确保所述转子平稳旋转，使发动机发电。
4)停机时，调节所述第一变流器的输出电流，使所述悬浮物平缓下降至停机位置，此时所述外壳的顶板降落在塔筒上，并使得第一电磁铁吸住第一磁轴承，实现刹车。
本发明的有益效果是：1)运行时系统处于悬浮状态，可实现低风速启动，同时采风驱动系统采风面积大，使得风能利用率更高，可使发动机体积小、成本低，且可实现大功率输出。2)结构巧妙、控制简单，安装、维护简便。
附图说明
图1为本发明垂直轴风力发电机的结构示意图。
图2为本发明垂直轴风力发电机的悬浮与刹车系统控制系统结构框图。
图3为本发明垂直轴风力发电机的实施例2的结构示意图。
图4为本发明垂直轴风力发电机的实施例2的悬浮与刹车系统控制系统结构框图。
图5为本发明垂直轴风力发电机的实施例3的结构示意图。
图中标号：1-定子，2-转子，3-外壳，31-外壳顶板，32-外壳底板，33-外壳侧板，4-第一电磁铁，5-第二电磁铁，6-第一磁轴承，61-第一磁轴承的静磁环，62-第一磁轴承的动磁环，7-第二磁轴承，71-第二磁轴承的静磁环，72-第二磁轴承的动磁环，8-气隙传感器，81-第一变流器，82-第二变流器，83-控制算法调节器，90-横向支架，91-纵向支架，10-塔筒，11-套管，12-叶片，13-基座，15-第二套管，16-第二叶片。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明垂直轴永磁直驱风力发电机包括：定子1、转子2、外壳3、塔筒10、基座13、悬浮与刹车系统、采风驱动系统、控制系统。
定子1为盘式，套装在塔筒10的外圆周上，并与塔筒10固定，定子1包括定子铁心和定子三相绕组；塔筒10固定在基座13上；转子2为盘式，与定子1相对，并与横向支架90固定，转子2包括转子铁心、永磁体，永磁体以Halbach阵列均匀分布在转子铁心表面。
所述悬浮与刹车系统包括第一磁轴承6、第二磁轴承7、第一电磁铁4、气隙传感器8；第一磁轴承6包括第一静磁环61、第一动磁环62，均为永磁体，第一静磁环61套装在塔筒10的外圆周上，并与塔筒10固定；第一动磁环62与外壳3的顶板31固定，且与塔筒10同轴；第二磁轴承7包括第二静磁环71、第二动磁环72，均为永磁体，第二静磁环71套装在塔筒10的外圆周上，并与塔筒10固定；第二动磁环72与外壳的底板32固定，且与塔筒10同轴；第一电磁铁4由铁心和绕组组成，所述绕组为直流励磁绕组，第一电磁铁4与气隙传感器8均与定子1固定，且气隙传感器8位于第一动磁环62的正下方。
所述采风驱动系统包括三组及三组以上组件，沿圆周均匀分布，每组组件包括1个横向支架90、1个纵向支架91、1只套管11、2～3个叶片12，其中横向支架90的一端与转子2固定，另一端与纵向支架91的一端垂直固定，纵向支架91的另一端与外壳顶板31固定，套管11与纵向支架91的端头固定，叶片12与套管11固定。
所述控制系统包括风速传感器、第一变流器81，其中第一变流器81与第一电磁铁4的绕组相连；第一变流器81为DC/DC斩波器。
如图2所示，实现本发明垂直轴磁永磁直驱发电机的悬浮与刹车控制系统由气隙传感器8、第一变流器81、控制算法调节器83(如PI调节器)构成。
平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器8的输出值δ之差输入至控制算法调节器83，控制算法调节器83的输出端连接第一变流器81，第一变流器81的输出端连接至第一电磁铁4的绕组。
上述垂直轴永磁直驱风力发电机，其控制方法包括如下步骤：
1)当风速传感器测得风速达到切入风速时，准备启动。
2)调节第一变流器81的输出电流，使悬浮物缓慢上升至平衡点，使所述悬浮物处于悬浮状态，转子2开始旋转，发电机发电；所述悬浮物为转子2、外壳3、采风驱动系统、第一动磁环62和第二动磁环72的总称。
3)在运行过程中，如果因干扰导致所述悬浮物偏移平衡点向上运动，则参见图1可知，气隙传感器8将检测到气隙变大，此时将平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器8实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器83(如PI调节器)得到第一电磁铁4绕组的励磁电流给定值将此励磁电流给定值输至第一变流器81，第一变流器81输出励磁电流if至第一电磁铁4的绕组，则产生的电磁吸力将使悬浮物下降保持在平衡点，确保转子2在平衡点平稳旋转，使发动机发电；如果因干扰导致所述悬浮物偏移平衡点向下运动，则气隙传感器8将检测到气隙变小，此时将平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器8实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器83(如PI调节器)得到第一电磁铁4绕组的反向励磁电流给定值将此励磁电流给定值输至第一变流器81，第一变流器81输出励磁电流if至第一电磁铁4的绕组，则产生的电磁推力将使悬浮物上升保持在平衡点，确保转子2在平衡点平稳旋转，使发动机发电。
4)停机时，使叶片12顺风，转子2转速下降，调节第一变流器81的输出电流，使所述悬浮物平缓下降至停机位置，此时外壳的顶板31降落在塔筒10上，并使第一电磁铁81吸住第一磁轴承，实现刹车。
实施例2：
如图3所示，是本发明垂直轴永磁直驱风力发电机的另一种实施方式，采用双定子双转子，从而提高了电机功率等级，它包括：定子1、转子2、第二定子21、第二转子22、外壳3、塔筒10、基座13、悬浮与刹车系统、采风驱动系统、控制系统。
定子1为盘式，套装在塔筒10的外圆周上，并与塔筒10固定，定子1包括定子铁心和定子三相绕组；塔筒10固定在基座13上；转子2为盘式，与定子1相对且位于定子1的下方，并与横向支架90固定，转子2包括转子铁心、永磁体，永磁体以Halbach阵列均匀分布在转子铁心表面。
定子21亦为盘式，套装在塔筒10的外圆周上，并与塔筒10固定，定子21包括定子铁心和定子三相绕组；转子22亦为盘式，与定子21相对且位于定子21的上方，并与横向支架90固定，转子22包括转子铁心、永磁体，永磁体以Halbach阵列均匀分布在转子铁心表面。定子21、转子22产生的功率小于定子1、转子2产生的功率。
所述悬浮与刹车系统除增加了一个第二电磁铁5，其余部件均与上述实施例1的悬浮与刹车系统相同，即包括第一磁轴承6、第二磁轴承7、第一电磁铁4、第二电磁铁5、气隙传感器8；第二电磁铁5由铁心和绕组组成，所述绕组为直流励磁绕组，第二电磁铁5与定子21固定。
所述采风驱动系统与上述实施例1相同。
所述控制系统增加了一个第二变流器82，即包括风速传感器、第一变流器81、第二变流器82，其中第一变流器81与第一电磁铁4的绕组相连，第二变流器82与第二电磁铁5的绕组相连；第一变流器81、第二变流器82均为DC/DC斩波器。
如图4所示，本实施例的悬浮与刹车控制系统由气隙传感器8、第一变流器81、第二变流器82、控制算法调节器83(如PI调节器)构成。
平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器8的输出值δ之差输入至控制算法调节器83，控制算法调节器83的输出端分别连接第一变流器81、第二变流器82，第一变流器81的输出端连接至第一电磁铁4的绕组，第二变流器82的输出端连接至第二电磁铁5的绕组。
本实施例的垂直轴永磁直驱风力发电机，其控制方法包括如下步骤：
1)当风速传感器测得风速达到切入风速时，准备启动。
2)调节第一变流器81、第二变流器82的输出电流，使悬浮物缓慢上升至平衡点，使所述悬浮物处于悬浮状态，转子2开始旋转，发电机发电；所述悬浮物为转子2、转子22、外壳3、采风驱动系统、第一动磁环62和第二动磁环72的总称。
3)在运行过程中，如果因干扰导致所述悬浮物偏移平衡点向上运动，则参见图3可知，气隙传感器8将检测到气隙变大，此时将平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器8实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器83(如PI调节器)得到第一电磁铁4绕组和第二电磁铁5绕组的励磁电流给定值将此励磁电流给定值分别输至第一变流器81、第二变流器82，第一变流器81、第二变流器82分别输出励磁电流if至第一电磁铁4的绕组、第二电磁铁5绕组，则第一电磁铁4产生的电磁吸力和第二电磁铁5产生的电磁推力将使悬浮物下降保持在平衡点，确保转子2在平衡点平稳旋转，使发动机发电；如果因干扰导致所述悬浮物偏移平衡点向下运动，则气隙传感器8将检测到气隙变小，此时将平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器8实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器83(如PI调节器)得到第一电磁铁4绕组和第二电磁铁5绕组的反向励磁电流给定值将此励磁电流给定值分别输至第一变流器81、第二变流器82，第一变流器81、第二变流器82分别输出励磁电流if至第一电磁铁4的绕组、第二电磁铁5绕组，则第一电磁铁4产生的电磁推力和第二电磁铁5产生的电磁吸力将使悬浮物上升保持在平衡点，确保转子2在平衡点平稳旋转，使发动机发电。
4)停机时，使叶片12顺风，转子2转速下降，调节第一变流器81、第二变流器82的输出电流，使所述悬浮物平缓下降至停机位置，此时外壳的顶板31降落在塔筒10上，并使第一电磁铁81吸住第一磁轴承，第二电磁铁对第二磁轴承产生最大推力，实现刹车。
实施例3：
如图5所示，是本发明垂直轴永磁直驱风力发电机的另一种实施方式，在实施例2的基础上，再增加一套采风系统，即采用双定子双转子双采风驱动系统，从而进一步提高电机功率等级，它包括：定子1、转子2、第二定子21、第二转子22、外壳3、塔筒10、基座13、悬浮与刹车系统、采风驱动系统、控制系统。
如图5所示，采风驱动系统包括第一采风系统和第二采风系统；第一采风系统包括三组及三组以上组件，沿圆周均匀分布，每组组件包括1个横向支架90、1个纵向支架91、1只套管11、2～3个叶片12，其中横向支架90的一端与转子2固定，另一端穿过外壳侧板33并与之固定，纵向支架91的一端与横向支架90垂直固定，另一端与外壳顶板31固定，套管11与纵向支架91的端头固定，叶片12与套管11固定；第二采风系统包括三组及三组以上组件，沿圆周均匀分布，每组组件包括1个横向支架90、1只第二套管15、2～3个第二叶片16，其中第二套管15与横向支架90的端头固定，第二叶片16与第二套管15固定。
Claims (2)
1.一种垂直轴永磁风力发电机，其特征在于：包括定子、转子、外壳、塔筒、基座、悬浮与刹车系统、采风驱动系统、控制系统；
所述定子套装在所述塔筒的外圆周上，并与所述塔筒固定，所述定子包括定子铁心和定子三相绕组；所述塔筒固定在所述基座上；所述转子与所述定子相对，并与横向支架固定，所述转子包括转子铁心、永磁体；
所述悬浮与刹车系统包括第一磁轴承、第二磁轴承、第一电磁铁、气隙传感器；所述第一磁轴承包括第一静磁环、第一动磁环，均为永磁体，所述第一静磁环套装在所述塔筒外圆周上，并与所述塔筒固定；所述第一动磁环与所述外壳的顶板固定，且与所述塔筒同轴；所述第二磁轴承包括第二静磁环、第二动磁环，均为永磁体，所述第二静磁环套装在所述塔筒外圆周上，并与所述塔筒固定；所述第二动磁环与所述外壳的底板固定，且与所述塔筒同轴；所述第一电磁铁由铁心和绕组组成，所述绕组为直流励磁绕组，所述第一电磁铁与所述气隙传感器均与所述定子固定，且所述气隙传感器位于所述第一动磁环的正下方；
所述采风驱动系统包括横向支架、纵向支架、叶片、套管，所述横向支架的一端与所述转子固定，另一端与所述纵向支架一端垂直固定，所述纵向支架的另一端与外壳的顶板固定，所述套管与所述纵向支架的端头固定，所述叶片与所述套管固定；
所述控制系统包括风速传感器、第一变流器，所述第一变流器与所述第一电磁铁的绕组相连；所述第一变流器为DC/DC斩波器。
2.一种如权利要求1所述的垂直轴永磁风力发电机的控制方法，其特征在于采用如下步骤：
1)当风速传感器测得风速达到切入风速时，准备启动。
2)调节所述第一变流器的输出电流，使悬浮物缓慢上升至平衡点，使所述悬浮物处于悬浮状态，所述转子开始旋转，发电机发电；所述悬浮物为所述转子、采风驱动系统、外壳、第一磁轴承的动磁环和第二磁轴承的动磁环的总称。
3)在运行过程中，如果因干扰导致所述悬浮物偏移平衡点，则所述气隙传感器将检测到气隙变化，此时将平衡点处的气隙长度设定值δref与所述气隙传感器实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器(如PI调节器)得到所述第一电磁铁绕组的励磁电流给定值将此励磁电流给定值输至所述第一变流器，所述第一变流器输出励磁电流if至所述第一电磁铁绕组，使所述悬浮物保持在平衡点，确保所述转子平稳旋转，使发动机发电。
4)停机时，调节所述第一变流器的输出电流，使所述悬浮物平缓下降至停机位置，此时所述外壳的顶板降落在塔筒上，并使得第一电磁铁吸住第一磁轴承，实现刹车。
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