CN110011505A - 双定子风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了双定子风力发电机，涉及风电制氢技术领域。包括外定子和内定子，转子位于外定子和内定子之间，外定子与转子外侧组成开关磁阻发电机输出直流电或永磁同步发电机输出交流电，内定子与转子内侧组成的永磁同步发电机输出交流电或开关磁阻发电机输出直流电；二发电机同时工作或单独工作。解决现有技术中双馈异步感应风力发电机控制方式较为复杂，对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱，以及开关磁阻发电机能量转换密度较低，输出电能不够稳定等问题。本发明具有电能质量和风能利用率较高，发电效率高，功率范围大，结构简单，占用空间体积小和成本低的特点。特别适应于不同的风速和较宽的波动范围。
Description
技术领域
本发明专利涉及风电制氢技术领域。
背景技术
近年来全球新能源的发展过程中，风能作为能源发展的重要角色，在新能源的发展中起到了关键性的作用。风电制氢不但提供了大量的氢能源，还提供和产出多种有直接经济效益的产品。
目前应用最为广泛的风力发电机组为双馈式和永磁直驱式风力发电机。双馈异步感应风力发电机的无功调节范围较大，电能质量较高，但其控制方式较为复杂，对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱，此外，齿轮箱效率的增加也使双馈式风力发电机的性能进一步提升。永磁直驱式发电机主要通过增加磁极对数从而使电机的额定转速下降，减少了增速齿轮箱部件，且不需要无功补偿装置，虽风能利用率相对较高但造价高、损耗较大，可靠性有待提高。
开关磁阻发电机是一种新型电机，它的结构简单，成本低，功率范围宽，各相独立工作，系统可靠性高，兆瓦级的开关磁阻发电机已初步实现产品化，但也存在着能量转换密度较低，输出电能不够稳定等问题。近年来开关磁阻发电机在风力发电领域受到了国内外学者的关注，现已提出偏转双定子开关磁阻式风力发电机，其球形可偏转设计和双定子结构大大提高了发电机的风能利用率和发电效率，但其输出电能不够稳定，复杂的轴向结构增加了发电机的维护量。因此，在现有发电机基础上设计面向风电制氢应用的高经济性和高适应性的风力发电机显得十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供双定子风力发电机，目的是解决现有技术中双馈异步感应风力发电机控制方式较为复杂，对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱风，以及开关磁阻发电机能量转换密度较低，输出电能不够稳定等问题。本发明发电机同时具有电能质量和风能利用率较高，发电效率高，功率范围大，结构简单，占用空间体积小和成本低的特点。特别适应于不同的风速和较宽的波动范围。可产生较高的经济效率和社会效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：双定子风力发电机，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；所述的外定子固定在发电机外壳上，内定子与发电机底座连接；所述外定子和内定子均采用开关磁阻式凸极齿槽结构；转子包括使两侧的磁场互不干扰的隔磁环，隔磁环的内侧固定有永磁体或带开关磁阻式凸极齿槽结构的转子铁心，隔磁环的外侧固定有带开关磁阻式凸极齿槽结构的转子铁心或永磁体；外定子与转子外侧组成开关磁阻发电机输出直流电或永磁同步发电机输出交流电，内定子与转子内侧组成的永磁同步发电机输出交流电或开关磁阻发电机输出直流电；所述开关磁阻发电机和永磁同步发电机同时工作或单独工作。
进一步的，所述直流电滤波后经DC/DC变换器；所述交流电滤波后进行AC/DC整流，经逆变调节。
优选的，所述外定子包括外定子铁心和外定子绕组，内定子包括内定子铁心和内定子绕组。
优选的，所述的外定子绕组和内定子绕组为集中式绕组。
优选的，所述的转子铁心上设有8个齿极，外定子铁心上设有12个齿极，内定子铁心上设有6个齿极。
优选的，所述转子包括固定板，所述的转子铁心，隔磁板(和永磁体由转子固定板固定在一起，所述的固定板还与连接片固定，连接片和转轴固定。
优选的，永磁体分为4段，N,S极交错分布。
上述的双定子风力发电机为用于离/并网风电制氢的双定子风力发电机。
本发明发电机的有益效果在于：与现有技术相比，同时具有开关磁阻发电机和永磁同步发电机的双重优势，本发明同时具有风能利用率较高，电能质量较高，功率范围大，功率范围大，发电效率高，结构简单，占用空间体积小，成本低等优良性能。外部开关磁阻发电机输出直流电用于制氢负载，内部永磁同步发电机输出交流电用于并网，大大提高了发电机的工作效率。本发明适应于不同的风速和较宽的波动范围。可产生较高的经济效率和社会效益。
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，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的立体结构剖视图。
图2为图1中的外定子，转子，内定子的立体剖视图。
图3为图1中的外定子，转子，内定子的截面图。
图4为图1中的外定子立体结构示意图。
图5为图1中的内定子立体结构示意图。
图6为图1中的转子立体结构示意图。
图7为图6的永磁体结构示意图。
图8为发电机旋转部分整体结构示意图。
图9为发电机控制系统功能框图。
图10为发电机用于离/并网风电制氢的系统框架图。
图中各标号含义：
1—内定子，1a—内定子绕组，1b—内定子铁心，2—外定子，2a—外定子绕组，2b—外定子铁心，3—转子，3a—永磁体，3b—转子铁心，3c—隔磁板，4—固定板，5—连接片，6—转轴，7—上端盖，8—外壳，9—底座。
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10。现对本发明提供的双定子风力发电机进行说明。作为本发明提供的一种具体实施方式，本发明采用的技术方案是：一种双定子风力发电机，其特征在于：包括双定子和转子3，所述双定子包括外定子2和内定子1；所述转子3位于外定子2和内定子1之间；所述的外定子2固定在发电机外壳8上，内定子1与发电机底座9连接；所述外定子2和内定子1均采用开关磁阻式凸极齿槽结构；转子3包括使两侧的磁场互不干扰的隔磁环3c，隔磁环3c的内侧固定有永磁体3a或带开关磁阻式凸极齿槽结构的转子铁心3b，隔磁环3c的外侧固定有带开关磁阻式凸极齿槽结构的转子铁心3b或永磁体3a；外定子2与转子外侧组成开关磁阻发电机输出直流电或永磁同步发电机输出交流电，内定子1与转子内侧组成的永磁同步发电机输出交流电或开关磁阻发电机输出直流电(即二者这位置可互换)；所述开关磁阻发电机和永磁同步发电机同时工作或单独工作。
所述的双定子风力发电机为用于离/并网风电制氢的双定子风力发电机。
隔磁板3c将转子内侧产生的磁场与转子外侧产生的磁场隔离，互不干扰，保证了内部永磁同步发电机与外部开关磁阻发电机的高效运行。双定子共用一个转子3，发电机占用空间体积小。可根据不同风速，灵活投切开关磁阻发电机与永磁同步发电机，发电效率高。解决了现有技术中双馈异步感应风力发电机控制方式较为复杂，对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱风，以及开关磁阻发电机能量转换密度较低，输出电能不够稳定等问题。同时具有电能质量和风能利用率较高，发电效率高，功率范围大，结构简单，占用空间体积小和成本低的特点。
作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，所述直流电滤波后经DC/DC变换器用于制氢负载；所述交流电滤波后进行AC/DC整流，经逆变调节用于并网。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述外定子2包括外定子铁心2b和外定子绕组2a，内定子1包括内定子铁心1b和内定子绕组1a。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的外定子绕组2a和内定子绕组1a为集中式绕组。集中式绕组与分布式绕组相比，结构简单，制造和下线安装容易，具有较高的容错性。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的转子铁心3b上设有8个齿极，外定子铁心2b上设有12个齿极，内定子铁心上设有6个齿极。经过分析和优化，确定的齿槽和极数最佳配比，能够保证发电机运行平稳，振动噪声小。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述转子3包括固定板4，所述的转子铁心3b，隔磁板3c和永磁体3a由转子固定板4固定在一起，所述的固定板4还与连接片5固定，连接片5和转轴6固定。保证发电机旋转部分的稳定性与刚度。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，永磁体3a分为4段，N,S极交错分布。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，发电机结构为柱形设计。
作为本发明提供的一种具体实施方式，以下作进一步说明。
如图9，图10所示，是该发电机控制系统功能框图以及采用该发电机用于离/并网风电制氢的系统框架图。以所述的外定子2与转子铁心3b组成的开关磁阻发电机为外部发电机，内定子1与转子内侧永磁体3a组成的永磁同步发电机为内部发电机为例说明，具体步骤如下：
根据离/并网风电制氢系统的状态需求，可以灵活投切开关磁阻发电机与永磁同步发电机。发电机在风速的作用下旋转，给开关磁阻发电机提供直流起励电压，通过转子位置检测器获取转子位置信息，从而控制开关磁阻发电机以及永磁同步发电机的输出电流，根据风速大小和负载需求调节总控制器，使发电机高效稳定运行。
永磁同步发电机输出的交流电经低阶的机侧滤波单元过滤掉一部分谐波，通过AC/DC整流变换单元，将交流电转化为直流电，再经过直流支撑电路后进行逆变，逆变后的交流电经过高阶的滤波单元将电能中的谐波滤去，达到并网需求的高质量电能，由升压变压器为电网供电；开关磁阻发电机输出的直流电被滤波后经DC/DC变换单元，将直流电进行降压或升压处理，达到可以制氢的电能。风电并网侧与制氢侧进行合理的功率分配，做到能源的最大利用。
以上未述及部分本领域技术人员均能实施。
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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.双定子风力发电机，其特征在于：包括双定子和转子(3)，所述双定子包括外定子(2)和内定子(1)；所述转子(3)位于外定子(2)和内定子(1)之间；所述的外定子(2)固定在发电机外壳(8)上，内定子(1)与发电机底座(9)连接；所述外定子(2)和内定子(1)均采用开关磁阻式凸极齿槽结构；转子(3)包括使两侧的磁场互不干扰的隔磁环(3c)，隔磁环(3c)的内侧固定有永磁体(3a)或带开关磁阻式凸极齿槽结构的转子铁心(3b)，隔磁环(3c)的外侧固定有带开关磁阻式凸极齿槽结构的转子铁心(3b)或永磁体(3a)；外定子(2)与转子外侧组成开关磁阻发电机输出直流电或永磁同步发电机输出交流电，内定子(1)与转子内侧组成的永磁同步发电机输出交流电或开关磁阻发电机输出直流电；所述开关磁阻发电机和永磁同步发电机同时工作或单独工作。
2.根据权利要求1所述的双定子风力发电机，其特征在于：所述直流电滤波后经DC/DC变换器；所述交流电滤波后进行AC/DC整流，经逆变调节。
3.根据权利要求1所述的双定子风力发电机，其特征在于：所述外定子(2)包括外定子铁心(2b)和外定子绕组(2a)，内定子(1)包括内定子铁心(1b)和内定子绕组(1a)。
4.根据权利要求2所述的双定子风力发电机，其特征在于，所述的外定子绕组(2a)和内定子绕组(1a)为集中式绕组。
5.根据权利要求3所述的双定子风力发电机，其特征在于，所述的转子铁心(3b)上设有8个齿极，外定子铁心(2b)上设有12个齿极，内定子铁心上设有6个齿极。
6.根据权利要求1所述的双定子风力发电机，其特征在于，所述转子(3)包括固定板(4)，所述的转子铁心(3b)，隔磁板(3c)和永磁体(3a)由转子固定板(4)固定在一起，所述的固定板(4)还与连接片(5)固定，连接片(5)和转轴(6)固定。
7.根据权利要求1-6中任一项所述双定子风力发电机，其特征在于，永磁体(3a)分为4段，N,S极交错分布。
8.根据权利要求7中任一项所述双定子风力发电机，其特征在于所述的双定子风力发电机为用于离/并网风电制氢的双定子风力发电机。
9.根据权利要求1-6中任一项所述双定子风力发电机，其特征在于所述的双定子风力发电机为用于离/并网风电制氢的双定子风力发电机。
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