CN108365719A - 一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，涉及风力发电机技术领域。转子位于外定子和内定子之间；外定子、内定子和转子均为开关磁阻式凸极齿槽结构，所述外定子、内定子和转子沿中轴线方向均包括2段以上式结构，相邻两段之间齿槽均相互错开半个极距角度；外定子和内定子的齿槽式结构上均设有绕组；转子的外侧轮廓为凸球面状、内侧轮廓为凹球面状。当风向改变时，可重新使风轮对准风向，提高风能利用率；且启动风速低，发电效率高，输出电能稳定，易于整流储存；容错性好，使用寿命长，结构简单紧凑，占用空间体积少，成本较低。适用于各类风力发电场合使用。

Description

一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机

技术领域

本发明专利涉及风力发电机技术领域。

背景技术

随着煤炭资源的日渐枯竭，发电领域急需寻找新的清洁无污染能源予以代替。风能资源具有分布广泛、取之不尽、用之不竭、清洁等优点，受到了国内外学者的关注。目前广泛应用的是永磁和双馈式发电机，这两类发电机具有效率较高、制造加工技术成熟等优点。但因其结构复杂，成本较高，在使用中受到了很多限制。开关磁阻电机是一种新型电机，兼具直流、交流两类电机系统的优点，是继永磁同步交流变频系统、无刷直流电机系统的最新一代机电能量转换系统。它的结构简单坚固，功率范围宽，调速或发电性能优异，且在整个运行范围内都具有较高效率，系统可靠性高，容错性强，是近年来研究的重点。目前兆瓦级开关磁阻发电机已经初步实现产品化，但均为单定子结构，性能还有待提高。

直驱式风力发电机，是由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮箱风力发动机，这种发电机采用多极发电机与风轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于目前齿轮箱在风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。另外，现有风力发电机当风向改变时，为提高风能利用率，需要借助复杂的对风系统装置实现发电机的偏转使风轮对准风向，故造价高，且启动风速高，风能利用率整体偏低，容错性能差，输出电能不够稳定；风机使用寿命短，发电效率有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，目的是解决现有风力发电机技术中存在对风系统结构复杂、发电机输出电能质量不高、风能利用率整体偏低，容错性能差等问题，具有结构简单紧凑、易于实现偏转对风、启动风速低、风能利用率和发电效率高、电能输出灵活和质量好、成本较低、使用寿命长等优点。其推广应用，有利于产生较大的经济效益和社会效益。

本发明的主要技术方案是：一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于：包括双定子和转子，所述双定子包括外定子和内定子，所述转子位于外定子和内定子之间；所述外定子、内定子和转子均为开关磁阻式凸极齿槽结构，转子双侧具有齿槽式结构；所述外定子、内定子均包括铁芯和绕组；所述外定子的铁芯內侧具有齿槽式结构，所述内定子的铁芯外侧具有齿槽式结构；所述外定子、内定子和转子沿中轴线方向均包括2段以上式结构，相邻两段之间齿槽均相互错开半个极距角度；所述外定子和内定子的齿槽式结构上均设有绕组；所述外定子的内侧轮廓为凹球面状；所述内定子的外侧轮廓为凸球面状；所述转子的外侧轮廓为凸球面状、内侧轮廓为凹球面状；所述转子能实现一定的角度偏转范围。

优选的，所述2段以上为3段。电磁转矩大，运行平稳。

优选的，所述内定子通过内定子轴固定安装在内定子支架上；所述外定子固定在外定子支架上。

优选的，所述转子连接有转子轴筒。

优选的，所述转子轴筒为双侧轴式结构，转子轴筒双侧均连接有关节轴承。

优选的，所述转子轴筒与关节轴承内圈相连，关节轴承的外圈与液压控制台连接，控制液压控制台的位置或升降来实现转子轴筒的偏转。

优选的，所述外定子和内定子上的绕组为集中式绕组。

优选的，所述转子的角度偏转范围为不小于±10°。

优选的，所述外定子和内定子的轭部均设有48个定子槽，转子的轭部内外表面均设有36个转子齿极。

优选的，所述转子与直驱式驱动机构连接。

本发明的技术效果是：与现有技术相比，当风向改变时，易于实现发电机的主动控制或被动偏转，重新使风轮对准风向，提高风能利用率；适合直驱式应用，并可简化或省去复杂的俯仰和偏航装置；且启动风速低，发电效率高，输出电能稳定，易于整流储存；容错性好，使用寿命长，结构简单紧凑，制造简便；占用空间体积少，设计和安放灵活，成本较低，适用于各类风力发电场合使用。

能集水平轴风机与垂直轴风机的优点于一身，做到了优势互补。偏转型发电机将转轴进行适当偏转，同时对定转子及其齿槽结构进行特殊设计，可灵活调节发电机的发电功率与适应性亦可提高发电机输出电能质量。而开关磁阻电机具有较大的电机利用系数，其利用系数是感应式电机利用系数的1.2-1.4倍。可简化或省去复杂的俯仰和偏航装置，特别适合直驱式应用。其推广应用，有利于产生较大的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但本发明要求保护的范围不仅局限于本实施例表示的范围。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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例双定子和转子的结构示意图。

图2为图1双定子和转子的立体结构示意图。

图3为图2局部立体结构示意图。

图4为图2中的转子的立体结构示意图。

图5为图2中内定子的立体结构示意图。

图6为图2中外定子的立体结构示意图。

图7为图2中双定子和转子的截面图。

图8为图1中的A-A定转子剖视图。

图9为图1带轴的立体结构示意图。

图10为图9的截面示意图。

图11为发电机未偏转工作时整体结构示意图。

图12为发电机偏转工作时整体结构示意图。

图13为图12中关节轴承及液压控制台结构示意图。

图14为图12中关节轴承及液压控制台结构截面图。

图15为可偏转双定子开关磁阻式风力发电机实施例的控制算法流程图。

图16为可偏转双定子开关磁阻式风力发电机实施例的控制系统功能框图。

图中各标号含义：

1—内定子，1a—内定子铁芯，1b—内定子绕组，2—转子，3—外定子，3a—外定子铁芯，3b—外定子绕组，4—转子轴筒，5—内定子轴，6—定子固定板，7—关节轴承，7a—关节轴承外圈，7b—关节轴承内圈，8—液压控制台，9—螺栓，10—内定子支架，11—外定子支架，12—机架，13—转子轴筒外齿轮。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1-图8，现对本发明提供的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机进行说明。

本发明一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于：包括双定子和转子2，所述双定子包括外定子3和内定子1，所述转子2位于外定子3和内定子1之间；所述外定子3、内定子1和转子2均为开关磁阻式凸极齿槽结构，转子2双侧具有齿槽式结构；所述外定子3、内定子1均包括铁芯和绕组；所述外定子3的铁芯內侧具有齿槽式结构，所述内定子1的铁芯外侧具有齿槽式结构；所述外定子3、内定子1和转子2沿中轴线方向均包括2段以上式结构，相邻两段之间齿槽均相互错开半个极距角度；所述外定子3和内定子1的齿槽式结构上均设有绕组；所述外定子3的内侧轮廓为凹球面状；所述内定子1的外侧轮廓为凸球面状；所述转子2的外侧轮廓为凸球面状、内侧轮廓为凹球面状；所述转子2能实现一定的角度偏转范围。

进一步地，请一并参阅图9、图10，作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，所述2段以上为3段。电磁转矩大，运行平稳。使得发电机工作中转矩更加平稳，振动和噪声影响更小，同时外、内定子不同段绕组之间可以根据需要进行串联或并联组合，增加电能输出的灵活性。

优选的，所述转子2连接有转子轴筒4。

进一步地，请参阅图11至图16，作为本发明的一种具体实施方式。

优选的，所述内定子1通过内定子轴5固定安装在内定子支架10上；所述外定子3固定在外定子支架11上。

优选的，所述转子2连接有转子轴筒4。

内定子轴5与转子轴筒4之间存在一定间隙，便于实现一定角度的偏转。

优选的，所述转子轴筒4为双侧轴式结构，转子轴筒4双侧均连接有关节轴承7。与单侧轴相比，双侧轴有利于转子旋转的稳定性和刚度，且与风机可以进行双侧转矩传递，提高传动的可靠性与灵活性；双侧的关节轴承7可以配合液压控制台8根据偏转需要对转子轴筒4进行柔性连接，可靠性高。

优选的，所述转子轴筒4与关节轴承内圈7b相连，关节轴承的外圈7a与液压控制台8连接，液压控制台8控制，实现转子轴筒4的偏转。关节轴承7可以使内圈7b实现绕中心点的偏转，外圈7a与液压台8固连可以随液压台8升降，内外圈可以保证转子轴筒4的灵活支承，从而确保转子轴筒4各个方向的偏转，满足对风需要。

优选的，内定子轴5与内定子支架10连接，两端关节轴承7安装在液压控制台8上，通过2个液态控制台8的升/降实现转子轴筒4的偏转，带动转子2实现偏转。

优选的，所述外定子3和内定子1上的绕组为集中式绕组。内外定子上有绕组，转子上既无绕组也无永磁体，由此带来变流器与驱动、控制的简便性；集中式绕组与分布式绕组比，结构简单，制造和下线安装容易，具有高容错性。

优选的，所述转子2的角度偏转范围为不小于±10°。不小于10度的偏转范围可以有效满足一般的对风要求，提高风能利用率，且可以简化或省去复杂的俯仰和偏航装置。

优选的，所述外定子3和内定子1的轭部均设有48个定子槽，转子2的轭部内外表面均设有36个转子齿极。经过分析和优化，确定的齿槽最佳配比，可以保证发电机旋转中转矩脉动最小，运行平稳，振动最小，噪声也最小。

优选的，所述转子2与直驱式驱动机构例如风轮齿轮式传动机构等连接。直驱式风力发电机避免使用齿轮箱，可靠性更高，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。

如图11、12所示，为发电机未偏转工作时整体结构示意图及发电机偏转工作时整体结构示意图。转子2通过转子轴筒外齿轮13与风力机进行动力连接和带动旋转。转子2偏转后通过旋转仍然可以实现发电运行。

如图15所示，是本发明采用可偏转的双定子分段直驱式开关磁阻式风力发电机控制算法流程图，以蓄电池储能和电能输出为例说明，具体步骤如下：

步骤S1，启动风力发电机和风机控制器；

步骤S2，判断风速，当风速过高时，进入步骤S3；风速正常时，进入步骤S4判断风向；

步骤S3，当风速过高时，启动制动，刹车保护风电系统；

步骤S4，当风向与叶轮轴向存在偏差时，通过传感器得到发电机位置信号；

步骤S5，控制器根据风向偏差信号控制液压偏转系统实现风向对准，实现最大风能捕获；当发电机输出电压符合电能输出要求时，直接输出；

步骤S6，当蓄电池荷电状态SOC值低于规定值时，发电机给蓄电池充电；当实际需要更多电能输出时，蓄电池配合发电机输出。

如图16所示，发电机控制系统功能框图。

该风机旋转样式一般多为水平轴。

未述及部分本专业技术人员均可实施。

将发电机本体与对风系统装置进行一体化考虑，同时进行直驱化设计，是风力发电机特别是大型风力发电装备迫切解决的和发展的方向，具有十分重要的意义。双定子或多定子电机，能有效提高能量输出密度和转换效率；开关磁阻发电机采用分段式结构可以有效平衡转矩，减小发电纹波，提高电能输出质量，减小电机振动、噪声；且不同定子、不同段绕组之间可以根据需要进行串联或并联组合，增加电能输出的灵活性。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于：包括双定子和转子(2)，所述双定子包括外定子(3)和内定子(1)，所述转子(2)位于外定子(3)和内定子(1)之间；所述外定子(3)、内定子(1)和转子(2)均为开关磁阻式凸极齿槽结构，转子(2)双侧具有齿槽式结构；所述外定子(3)、内定子(1)均包括铁芯和绕组；所述外定子(3)的铁芯內侧具有齿槽式结构，所述内定子(1)的铁芯外侧具有齿槽式结构；所述外定子(3)、内定子(1)和转子(2)沿中轴线方向均包括2段以上式结构，相邻两段之间齿槽均相互错开半个极距角度；所述外定子(3)和内定子(1)的齿槽式结构上均设有绕组；所述外定子(3)的内侧轮廓为凹球面状；所述内定子(1)的外侧轮廓为凸球面状；所述转子(2)的外侧轮廓为凸球面状、内侧轮廓为凹球面状；所述转子(2)能实现一定的角度偏转范围。

2.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述2段以上为3段。

3.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述内定子(1)通过内定子轴(5)固定安装在内定子支架(10)上；所述外定子(3)固定在外定子支架(11)上。

4.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述转子(2)连接有转子轴筒(4)。

5.根据权利要求4所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述转子轴筒(4)为双侧轴式结构，转子轴筒(4)双侧均连接有关节轴承(7)。

6.根据权利要求5所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述转子轴筒(4)与关节轴承内圈(7b)相连，关节轴承的外圈(7a)与液压控制台(8)连接，实现转子轴筒(4)的偏转。

7.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述外定子(3)和内定子(1)上的绕组为集中式绕组。

8.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述转子(2)的角度偏转范围为不小于±10°。

9.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述外定子(3)和内定子(1)的轭部均设有48个定子槽，转子(2)的轭部内外表面均设有36个转子齿极。

10.根据权利要求1所述的一种可偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其特征在于，所述转子(2)与直驱式驱动机构连接。