CN108282064B - 一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机及发电系统 - Google Patents

一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机及发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机及发电系统，包括：机壳，机壳内部设有内绕线转子，内绕线转子外部包裹有外永磁转子，外永磁转子外部包裹有定子；定子固设在机壳的内壁；内绕线转子设有内转子绕组，内绕线转子的中心设置有转轴；外永磁转子在轴承的支撑下自由旋转，其旋转速度同时受风轮带动和内绕线转子产生的磁场共同作用，在同样风速的条件下发电机启动和变速运行时，对风机机械冲击减小。采用永磁体磁场和内绕线转子共同励磁，可以更加灵活地调节气隙磁场，降低了转子侧变频器励磁容量，提高了电机的功率因数和效率。在电网侧电压波动时，由于外永磁转子的存在，提高了发电机的各种故障状态下的运行能力。

Description

一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机及发电系统
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机及发电系统。
背景技术
风力发电机技术作为一种最具发展前景的可再生能源技术之一，逐步受到了全球范围内的密切关注，风力发电机组的装机容量不断扩大，励磁容量也不断增加，这样就需要从电网获取更多的无功功率。目前主流的风力发电机通常采用同步发电机或者感应发电机，随着风力发电机组装机容量的不断扩大，它们消耗的无功功率相当可观，同时以上两种发电机不能实现变速恒频运行。近些年，能够实现变速恒频发电的双馈发电机成为风力发电的研究热点，普通双馈风力发电机转子三相励磁来源于转子侧变流器三相交流电源，通常励磁变换器的容量是发电机容量的二分之一到三分之一之间，但是当发电机容量是兆瓦级时，转子侧变换器的容量将会很大，由于风速是随机变化的，风力发电机的启动和变速运行通常会给风力机传动机构的齿轮等造成较大的冲击应力。
发明内容
针对现有风力发电机技术中存在启动时冲击大，本发明提供一种可减小风机启动和变速运行时机械冲击，同时减小转子侧变换器励磁容量的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，包括：机壳，机壳设有第一侧面和第二侧面；第一侧面设有第一固定孔，第二侧面设有第二固定孔；第一固定孔的孔壁内套设有第一轴承，第二固定孔的孔壁内套设有第二轴承；
机壳内部设有内绕线转子，内绕线转子外部包裹有外永磁转子，外永磁转子外部包裹有定子；
定子固设在机壳的内壁；
外永磁转子设有第一圆柱体框架和第二圆柱体框架；
第一圆柱体框架的第一圆周面与第二圆柱体框架的第二圆周面连接；第一圆柱体框架的柱形架上设有永磁体；
第一圆柱体框架第二圆周面上设有第三轴承；第一圆柱体框架第二圆周面的位置靠近第二侧面设置；
第二圆柱体框架的第一圆周面延伸出机壳的第一侧面；第二圆柱体框架设有与第一轴承相配合的第二圆柱体框架配合部，第一轴承套设在第二圆柱体框架配合部的外部，第二圆柱体框架配合部的内侧套设有第三轴承，第二圆柱体框架配合部在第一轴承与第三轴承之间自由转动；
内绕线转子设有内转子绕组，内绕线转子的中心设置有转轴；转轴第一端穿过第三轴承内孔延伸至第一侧面外部，转轴第一端在第一侧面一侧自由转动；转轴第二端依次穿过第三轴承内孔和第二轴承内孔，延伸至第二侧面外部，转轴第二端在第二侧面一侧自由转动。
优选地，定子的中心线，外永磁转子的第一圆柱体框架中心线和第二圆柱体框架中心线以及内绕线转子的中心线在同一条直线上。
优选地，第二圆柱体框架的第一圆周面上连接有外转轮连接轴，外转轮连接轴的端部套设有外转轮轴套，外转轮轴套上套设有永磁外转子风轮。
优选地，转轴第二端设有内转轮轴套，内转轮轴套上套设有绕线内转子风轮。
优选地，内转子绕组依次连接有电刷和滑环，内转子绕组依次通过电刷和滑环连接转子侧双PWM变换器，由转子侧双PWM变换器提供三相励磁电源；
定子包括：定子铁芯和定子绕组；所述定子绕组和内转子绕组均为三相对称交流绕组。
优选地，永磁体与定子之间设有空气隙，永磁体产生的磁链和通入交流励磁电源的内转子绕组在空气隙中产生的磁链匝链，同时与定子绕组产生的磁场匝链，实现混合励磁。
优选地，所述外永磁转子的极数要和定子和绕线内转子的极数相同；
所述外永磁转子采用导磁材料制作，永磁体的位置与内转子绕组的位置对应，永磁体的充磁方向为径向充磁。
优选地，第一圆柱体框架的圆柱体直径大于第二圆柱体框架的圆柱体直径。
一种应用交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的发电系统，包括：交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，网侧变换器，转子侧变换器和风轮；
交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的定子绕组通过网侧变换器与电网相连；
交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的内转子绕组与转子侧变换器连接，转子侧变换器通过网侧变换器连接电网，可以实现能量的双向流动。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
外永磁转子在轴承的支撑下自由旋转，其旋转速度同时受风轮带动和内绕线转子产生的磁场共同作用，在同样风速的条件下发电机启动和变速运行时，对风机机械冲击减小。
外永磁转子具有独立的风轮拖动，发电机正常工作时的风速变化范围变宽，显著提高了风能的利用率。
采用永磁体磁场和内绕线转子共同励磁，可以更加灵活地调节气隙磁场，降低了转子侧变频器励磁容量，提高了电机的功率因数和效率。
在电网侧电压波动时，由于外永磁转子的存在，提高了发电机的各种故障状态下的运行能力，对故障状态下的电网稳定提供有力支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为交流及永磁混合励磁双馈风力发电机整体示意图；
图2为交流及永磁混合励磁双馈风力发电机轴向剖面结构示意图；
图3为应用交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的发电系统整体示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
本实施例提供一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，如图1和图2所示，包括：机壳12，机壳12设有第一侧面21和第二侧面22；第一侧面21设有第一固定孔，第二侧面设有第二固定孔；第一固定孔的孔壁内套设有第一轴承10，第二固定孔的孔壁内套设有第二轴承9；
机壳12内部设有内绕线转子15，内绕线转子15外部包裹有外永磁转子3，外永磁转子3外部包裹有定子1；定子1固设在机壳12的内壁；定子1固设在机壳12内壁的方式这里不做限定，可以采用螺栓连接，或者铆钉连接等等。
外永磁转子3设有第一圆柱体框架23和第二圆柱体框架24；优选地，第一圆柱体框架23的圆柱体直径大于第二圆柱体框架24的圆柱体直径。这样可以减少外永磁转子3的面积，节约材料，还可以起到由交流和永磁混合励磁双馈风力发电机上增加一个与绕线转子同心布置的外永磁转子，该外永磁转子的第一圆柱体框架23的永磁体4可为定子气隙提供强励磁，从而提高发电机运行的功率因数和功率密度。第一圆柱体框架23的圆柱体直径大于第二圆柱体框架24的圆柱体直径，可以起到将强励磁集中到第一圆柱体框架23，从而提高发电机运行的功率因数和功率密度。
第一圆柱体框架23的第一圆周面与第二圆柱体框架24的第二圆周面连接；第一圆柱体框架23第二圆周面上设有第三轴承25；第一圆柱体框架23第二圆周面的位置靠近第二侧面22设置；
第二圆柱体框架24的第一圆周面延伸出机壳12的第一侧面21；第二圆柱体框架24设有与第一轴承10相配合的第二圆柱体框架配合部26，第一轴承10套设在第二圆柱体框架配合部26的外部，第二圆柱体框架配合部26的内侧套设有第三轴承27，第二圆柱体框架配合部26在第一轴承10与第三轴承27之间自由转动；
内绕线转子15设有内转子绕组6，内绕线转子的中心设置有转轴11；转轴11第一端穿过第三轴承27内孔延伸至第一侧面21外部，转轴11第一端在第一侧面21一侧自由转动；转轴11第二端依次穿过第三轴承25内孔和第二轴承9内孔，延伸至第二侧面22外部，转轴11第二端在第二侧面22一侧自由转动。
其中，定子1的中心线，外永磁转子3的第一圆柱体框架23中心线和第二圆柱体框架24中心线以及内绕线转子15的中心线在同一条直线上。
外永磁转子3安装在定子1和内绕线转子15之间，外永磁转子3可以绕轴承自由旋转。永磁体4与外永磁转子3固定在一起。只能与内绕线转子15同方向旋转。
本实施例中，第二圆柱体框架24的第一圆周面上连接有外转轮连接轴，外转轮连接轴的端部套设有外转轮轴套，外转轮轴套上套设有永磁外转子风轮13。转轴11第二端设有内转轮轴套，内转轮轴套上套设有绕线内转子风轮14。永磁外转子风轮13和绕线内转子风轮14旋转方向相同。
本实施例中，内转子绕组6依次连接有电刷7和滑环8，内转子绕组6依次通过电刷7和滑环8连接转子侧PWM变换器，由转子侧PWM变换器提供三相励磁电源；定子1包括：定子铁芯和定子绕组5；所述定子绕组5和内转子绕组6均为三相对称交流绕组。
本实施例中，永磁体4与定子1之间设有空气隙，永磁体4产生的磁链和通入交流励磁电源的内转子绕组6在空气隙中产生的磁链匝链，同时与定子绕组5产生的磁场匝链，实现混合励磁。
所述外永磁转子的极数要和定子和绕线内转子的极数相同；所述外永磁转子3采用导磁材料制作，永磁体4的位置与内转子绕组6的位置对应，永磁体4的充磁方向为径向充磁。该磁体结构可以提高电机双气隙的气隙磁密。
在电机内绕线转子与定子之间有内气隙，外永磁转子3与定子之间有外气隙。内外转子与定子之间分别形成电机的内外气隙，双气隙的形成增大了电机的有效气隙面积。定子铁芯和转子铁芯由硅钢叠片或其他导磁材料构成，与普通电机制造工艺相同。
本实施例中，通过交流及永磁混合励磁双馈风力发电机本体结构的改变来减小励磁变换器的容量和运行时的冲击应力，既有助于风力发电系统减轻重量，同时也有助于节省风力发电运行和维护成本。
本实施例中，可减小风机启动和变速运行时机械冲击，同时减小转子侧变换器励磁容量。提出了一种交流和永磁混合励磁双馈风力发电机新结构。而且针对现有风力发电机技术中存在启动时冲击大，兆瓦级容量风机转子侧励磁变换器容量大的不足，本发明采用背靠背变换器、适用于直驱或半直驱场合的混合励磁双馈风力发电机，与传统的双馈风力发电机相比，相同容量下体积和重量更小、维护成本更低，励磁容量小，且更能利用低风速下的风能。
外永磁转子不接任何负载。外永磁转子的极数要和定子和绕线内转子的极数相同；内绕线转子安装于外永磁转子内部，与外永磁转子之间有空气隙，内绕线转子包括内转子铁芯和绕组；内转子与转轴固定连接。定子绕组和绕线内转子均为三相对称交流绕组。
外永磁转子的第一圆柱体框架23和第二圆柱体框架24采用导磁材料制作，第一圆柱体框架23内外表面粘贴永磁体结构，内外表面永磁体位置相互对应。内外表面磁体结构的充磁方向为径向充磁。该磁体结构可以提高电机双气隙的气隙磁密。
电机的转矩密度和电机气隙表面积、气隙磁密值成正比，本发明的交流和永磁混合励磁双馈风力发电机，增大了气隙表面积，而且增加的外永磁转子磁体都采用特殊的磁体结构而增大了气隙磁密，从而提高了电机的转矩密度。
本实施例的交流和永磁混合励磁双馈风力发电机采用的内外转子结构，不但使内、外转子气隙磁密提高、使内外转子扼部磁密降低，从而提高电机的运行效率和转矩密度，而且使内外转子气隙磁密呈正弦分布，能够保证绕组电势呈正弦分布。
本发明还提供一种应用交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的发电系统，如图3所示，包括：交流及永磁混合励磁双馈风力发电机31，网侧变换器32以及转子侧变换器33；
交流及永磁混合励磁双馈风力发电机31的定子绕组与电网相连；交流及永磁混合励磁双馈风力发电机31的内转子绕组与转子侧变换器32连接，转子侧变换器33通过网侧变换器32连接电网。
交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的并网运行如图3所示，该发电机的工作原理与普通双馈风力发电机原理类似，但是由于在结构上增加了一个外永磁转子，根据风速变化的大小，调节绕线转子侧PWM变换器来实现内绕线转子电流的变化，此时绕线内转子磁场和外永磁转子磁场共同在定子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双馈发电。当发电机处于亚同步速运行时，内绕线转子频率f2为正，内绕线转子绕组相序与定子相同；当发电机超同步速运行时，频率f2为负，内绕线转子绕组相序与定子相反；当发电机同步速运行时，内绕线转子频率f2为零，内绕线转子进行直流励磁。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，包括：机壳（12），机壳（12）设有第一侧面（21）和第二侧面（22）；第一侧面（21）设有第一固定孔，第二侧面设有第二固定孔；第一固定孔的孔壁内套设有第一轴承（10），第二固定孔的孔壁内套设有第二轴承（9）；
机壳（12）内部设有内绕线转子（15），内绕线转子（15）外部包裹有外永磁转子（3），外永磁转子（3）外部包裹有定子（1）；
定子（1）固设在机壳（12）的内壁；
外永磁转子（3）设有第一圆柱体框架（23）和第二圆柱体框架（24）；
第一圆柱体框架（23）的第一圆周面与第二圆柱体框架（24）的第二圆周面连接；第一圆柱体框架（23）的柱形架上设有永磁体（4）；
第一圆柱体框架（23）第二圆周面上设有第三轴承（25）；第一圆柱体框架（23）第二圆周面的位置靠近第二侧面（22）设置；
第二圆柱体框架（24）的第一圆周面延伸出机壳（12）的第一侧面（21）；第二圆柱体框架（24）设有与第一轴承（10）相配合的第二圆柱体框架配合部（26），第一轴承（10）套设在第二圆柱体框架配合部（26）的外部，第二圆柱体框架配合部（26）的内侧套设有第三轴承（27），第二圆柱体框架配合部（26）在第一轴承（10）与第三轴承（27）之间自由转动；
内绕线转子（15）设有内转子绕组（6），内绕线转子的中心设置有转轴（11）；转轴（11）第一端穿过第三轴承（27）内孔延伸至第一侧面（21）外部，转轴（11）第一端在第一侧面（21）一侧自由转动；转轴（11）第二端依次穿过第三轴承（25）内孔和第二轴承（9）内孔，延伸至第二侧面（22）外部，转轴（11）第二端在第二侧面（22）一侧自由转动。
2.根据权利要求1所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
定子（1）的中心线，外永磁转子（3）的第一圆柱体框架（23）中心线和第二圆柱体框架（24）中心线以及内绕线转子（15）的中心线在同一条直线上。
3.根据权利要求1或2所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
第二圆柱体框架（24）的第一圆周面上连接有外转轮连接轴，外转轮连接轴的端部套设有外转轮轴套，外转轮轴套上套设有永磁外转子风轮（13）。
4.根据权利要求1或2所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
转轴（11）第二端设有内转轮轴套，内转轮轴套上套设有绕线内转子风轮（14）。
5.根据权利要求1或2所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
内转子绕组（6）依次连接有电刷（7）和滑环（8），内转子绕组（6）依次通过电刷（7）和滑环（8）连接转子侧PWM变换器，由转子侧PWM变换器提供三相励磁电源；
定子（1）包括：定子铁芯和定子绕组（5）；所述定子绕组（5）和内转子绕组（6）均为三相对称交流绕组。
6.根据权利要求5所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
永磁体（4）与定子（1）之间设有空气隙，永磁体（4）产生的磁链和通入交流励磁电源的内转子绕组（6）在空气隙中产生的磁链匝链，同时与定子绕组（5）产生的磁场匝链，实现混合励磁。
7.根据权利要求1或2所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
所述外永磁转子的极数要和定子和绕线内转子的极数相同；
所述外永磁转子（3）采用导磁材料制作，永磁体（4）的位置与内转子绕组（6）的位置对应，永磁体（4）的充磁方向为径向充磁。
8.根据权利要求1或2所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机，其特征在于，
第一圆柱体框架（23）的圆柱体直径大于第二圆柱体框架（24）的圆柱体直径。
9.一种应用如权利要求1-8任一项所述的交流及永磁混合励磁双馈风力发电机的发电系统，其特征在于，包括：交流及永磁混合励磁双馈风力发电机（31），网侧变换器（32）以及转子侧变换器（33）；
交流及永磁混合励磁双馈风力发电机（31）的定子绕组通过网侧变换器（32）与电网相连；
交流及永磁混合励磁双馈风力发电机（31）的内转子绕组与转子侧变换器（33）连接，转子侧变换器（33）通过网侧变换器（32）连接电网。
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