CN110149037B - 一种双定子双凸极大功率发电机 - Google Patents

一种双定子双凸极大功率发电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双定子双凸极大功率发电机，涉及大功率风力发电机及风电制氢技术领域。内定子外侧设有内定子齿极及内定子绕组，外定子内侧设有外定子齿极及外定子绕组；转子内侧设有转子内侧齿极，外侧设有转子外侧齿极，转子内侧齿极和转子外侧齿极之间设有隔磁板。外定子、转子、内定子的极数设为6N/4N/6M/8M极,其中N≥4、M≥1，M、N均为正整数；所述外定子、转子及外定子绕组构成外发电机；内定子、转子及内定子绕组构成内发电机。本发明具有输出功率大、功率范围宽、风能利用率高、输出电能质量高、结构简单紧凑和占用空间少等特点。是一种特别适用于离/并网风电制氢的风力发电机。

Description

一种双定子双凸极大功率发电机
技术领域
本发明专利涉及风电制氢技术领域。
背景技术
21世纪是高效、洁净、安全、经济可持续利用能源的时代，世界各国也都把能源的利用作为科研领域的关键。风电制氢技术是一种通过风力发电机产生电能通过简单的处理直接应用到电解水制氢的一种新型环保制氢技术。国内的风电制氢技术起步较晚，且关于风电制氢的研究还比较少。在我国相关的项目与工程方面，2008年中国城市规划设计研究院提出了海水淡化制氢产业基地的建设格局。2013年国电联合动力技术有限公司提出一种大规模风电储存的新途径—风电制氢和燃料电池发电系统。2014年风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范项目立项，该项目为国家风电消纳积极探索了风电与其他形式能源互补利用新途径。2017年国内首个风电制氢工业应用项目——河北沽源风电制氢项目制氢站顺利开工，是全球最大容量风电制氢工程，为实现风电制氢规模化和产业化提供经验和基础。风电制氢的发展将会带动风电装备、氢气制备、储氢、运营和氢气应用等各行各业的发展。首要的是，在发电过程中，将会利用到大量的风力发电机、齿轮箱、叶片、电控系统以及塔基、塔架、轴承等基础设施。
现有的双凸极单定子结构发电机的研究大都集中在三相结构如12/8、6/4 等，电机作为发电机时不能使输出功率达到最大；四相发电机主要结构为8/6 极，不能实现宽功率输出的要求。本发明为双定子发电机，外发电机为永磁三相双凸极发电机，采用24/16极结构，内发电机为永磁四相双凸极发电机，采用8/6极结构。同时转子设为Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构，不同的转子极宽可满足不同的输出功率要求，其中当转子极弧系数为1/3时，发电机的输出功率及功率密度达到最大。本发电机结合不同相数，Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构的发电机的优点，通过内外发电机协同控制，可使其工作在大型风力发电场合，实现并满足宽功率、高功率输出。
发明内容
本发明提供一种双定子双凸极大功率发电机，目的是解决现有发电机尤其离/并网风电制氢系统中风力发电机输出功率小，功率范围不够宽，风能利用率低，输出电能质量不高等问题。具有输出功率大、功率范围宽、风能利用率高、输出电能质量高、结构简单紧凑和占用空间少等特点。是一种特别适用于离/ 并网风电制氢的风力发电机。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于：包括发电机外壳，外定子和内定子，转子位于外定子和内定子之间，转子与输出轴固定；内定子的外侧均设有内定子齿极及内定子绕组，外定子的内侧设有外定子齿极及外定子绕组；转子中内侧设有转子内侧齿极，转子中外侧设有转子外侧齿极；转子内侧齿极和转子外侧齿极之间设有隔磁板，使转子中内外两侧磁路分离；所述外定子、转子、内定子的极数设为 6N/4N/6M/8M极,其中N≥4、M≥1，M、N均为正整数；所述外定子、转子及外定子绕组构成外发电机，外发电机为永磁三相双凸极发电机；所述内定子转子及内定子绕组构成内发电机，内发电机为永磁四相双凸极发电机；两个发电机单独发电或协同发电。
进一步的，转子内侧齿极和转子外侧齿极采用Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构。
优选的，转子内侧齿极和转子外侧齿极采用Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构为：转子齿极每段等宽，齿极轴向Z分段，段与段的转子齿极不等宽且均需满足转子齿齿宽略大于对应的外定子齿极的宽度和内定子齿极的宽度；当采用Z分段不等宽轴向对齐结构时，通过不同外控电路的控制，可使其工作在Z分段的不同结构下，满足不同输出功率的要求；当采用Z分段不等宽轴向交错排列结构时，对应外定子、内定子也错开相应的角度，相应的外定子绕组、内定子绕组进行串联或并联组合，不同段的转子外侧齿极,转子内侧齿极，对应不同段的外定子绕组，内定子绕组，通过外控电路的控制，可使各段结构单独工作；其中当转子极弧系数为1/3时，发电机的输出功率及功率密度达到最大，不同的的转子齿宽可满足不同的输出功率要求；其中Z≥2，Z为正整数；与之对应的外定子、内定子上的齿极也与之对应交错排列；外定子绕组、内定子绕组进行串联或并联组合。
进一步的，所发风电经低阶滤波单元AC/DC整流器-DC/AC逆变器-高阶滤波单元-升压变压器直接并网，或风电被滤波后经过AC/DC-DC/DC-升压/降压变压器处理后制氢。实现输入功率的平滑稳定。
优选的，所述转子通过转子连接板与输出轴固定连接，输出轴的下端与内定子或固定在外壳底座上的内定子连接轴间设有轴承，外定子与发电机外壳两侧相固定，内定子与外壳底座相固定，或通过定子连接轴与相固定，发电机外壳7包括外壳底座。
优选的，所述外定子,转子,内定子均采用硅钢片叠压而成；所述绕组6采用集中式绕组；所述转子上即无绕组也无永磁体。
优选的，所述的双定子双凸极永磁发电机为用于离/并网风电制氢的双定子双凸极风力发电机。
本发明的积极技术效果是：解决现有发电机尤其离/并网风电制氢系统中风力发电机输出功率小，功率范围不够宽，风能利用率低，输出电能质量不高等问题。具有输出功率大、功率范围宽、风能利用率高、输出电能质量高、结构简单紧凑和占用空间少等特点。特别适用于离/并网风电制氢。
本发明与现有技术相比，能集三相/四相永磁双凸极发电机优点于一身，做到了优势互补。此外，在结合转子内外侧齿极采用的Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构，不同极弧系数的内外两个双凸极发电机，可有效改善发电机的性能，提高发电效率。并可提高电能输出的灵活性，同时电磁转矩大、运行平稳、可减少发电机振动和噪声。通过控制内外两个发电机单独工作或协同工作，可使输出功率达到兆瓦级。可工作在大型风力发电场合，实现并满足宽功率、高功率输出。其结构简单紧凑，占用空间少。该发电机与制氢、燃料电池储能构成互补系统。当风能充足时，双定子发电机从燃料电池和永磁体协同获得励磁，另一方面又给负载供电，还能给电解池供电制氢气，将剩余的电能储存为氢能；当风力不足时，制氢储能将释放出来，供负载使用。风电被滤波后经过AC/DC-DC/DC-升压/降压变压器处理后制氢，此装置可实现输入功率的平滑稳定。
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示意图。
图2为图1的立体剖视图。
图3为图2中内外双定子和转子的立体结构示意图。
图4为外发电机的立体结构示意图及转子内侧齿极上Z分段不等宽式结构。
图5为内发电机的立体结构示意图及转子外侧齿极上Z分段不等宽式结构。
图6为转子齿Z分段不等宽沿轴向交错排列结构(Z＝2)及对应的内定子齿错开相应角度的示意图。
图7为内外发电机控制系统功能框图。
图8为内外发电机用于离/并网风电制氢的系统框架图。
图中各标号含义如下：1—外定子，2—转子，3—隔磁板，4—内定子，5a —内发电机的永磁体，5b—外发电机的永磁体，5—所有永磁体，6a—外定子绕组，6b—内定子绕组，6—所有绕组，7a—发电机上端盖，7b—发电机外壳两侧， 7c—发电机外壳底座，7—发电机外壳，8—输出轴，9—内定子连接轴，10—转子连接板，11a—转子外侧齿极，11b—转子内侧齿极，11c—内定子齿极，11d —外定子齿极，11—发电机的所有齿极。
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。
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：一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于：包括发电机外壳7，外定子1和内定子4，转子2位于外定子1和内定子4之间，转子2与输出轴8固定；内定子4 的外侧均设有内定子齿极11c及内定子绕组6b，外定子1的内侧设有外定子齿极11d及外定子绕组6a；转子2中内侧设有转子内侧齿极11b，转子2中外侧设有转子外侧齿极11a；转子内侧齿极11b和转子外侧齿极11a之间设有隔磁板3，使转子2中内外两侧磁路分离；所述外定子1、转子2、内定子4的极数设为6N/4N/6M/8M极,其中N≥4、M≥1，M、N均为正整数；所述外定子1、转子2及外定子绕组6a构成外发电机，外发电机为永磁三相双凸极发电机；所述内定子4、转子2及内定子绕组6b构成内发电机，内发电机为永磁四相双凸极发电机；两个发电机单独发电或协同发电。
作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，转子内侧齿极11b和或转子外侧齿极11a采用Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，转子内侧齿极11b和转子外侧齿极11a采用Z分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构为：转子齿极每段等宽，齿极轴向Z分段，段与段的转子齿极不等宽且均需满足转子齿齿宽略大于对应的外定子齿极11d的宽度和内定子齿极11c的宽度；当采用Z分段不等宽轴向对齐结构时，通过不同外控电路的控制，可使其工作在Z分段的不同结构下，满足不同输出功率的要求；当采用Z分段不等宽轴向交错排列结构时，对应外定子1、内定子4也错开相应的角度，相应的外定子绕组6a、内定子绕组6b进行串联或并联组合，不同段的转子外侧齿极11a,转子内侧齿极11b，对应不同段的外定子绕组6a，内定子绕组6b，通过外控电路的控制，可使各段结构单独工作；其中当转子极弧系数为1/3时，发电机的输出功率及功率密度达到最大，不同的的转子齿宽可满足不同的输出功率要求；其中Z≥2，Z为正整数；与之对应的外定子1、内定子4上的齿极也与之对应交错排列；外定子绕组6a、内定子绕组6b进行串联或并联组合。
作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，所发风电经低阶滤波单元AC/DC整流器-DC/AC逆变器-高阶滤波单元-升压变压器直接并网，或风电被滤波后经过AC/DC-DC/DC-升压/降压变压器处理后制氢。实现输入功率的平滑稳定。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述转子2通过转子连接板10与输出轴8固定连接，输出轴8的下端与内定子4或固定在外壳底座7c 上的内定子连接轴9间设有轴承，外定子1与发电机外壳两侧7b相固定，内定子4与外壳底座7c相固定，或通过定子连接轴9相固定，发电机外壳7包括外壳底座7c。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述外定子1,转子2,内定子4均采用硅钢片叠压而成；所述绕组6采用集中式绕组；所述转子2上即无绕组也无永磁体。
作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的双定子双凸极大功率发电机为用于离/并网风电制氢的双定子双凸极大功率风力发电机。
请一并参阅图1-图8。作为本发明提供的一种具体实施方式，以下对本发明作进一步说明。
所述转子隔磁板嵌于转子的内外两侧之间，使转子中内外两侧磁路分离。所述外定子上的齿极、内定子上的齿极均设有绕组；所述外定子、转子及卷绕在外定子上的绕组构成外发电机，外发电机为永磁三相双凸极发电机；所述内定子、转子及卷绕在内定子上的绕组构成内发电机，内发电机为永磁四相双凸极发电机；通过两个发电机单独发电或协同发电，可工作在不同工况、满足不同的功率需求并实现功率的灵活分配。
参阅图1-图2，所述的转子通过转子连接板与输出轴连接，输出轴的下端与内定子连接轴组成滚筒轴承。所述发电机外壳7包括发电机上端盖7a、发电机外壳两侧7b、发电机外壳底座7c；所述内定子连接轴9两侧与内定子4相固定，下与外壳底座7c相固定；外定子与发电机外壳两侧相固定。
如图3-图4所示，所述外发电机为永磁三相双凸极发电机，这种多极多槽的发电机结构将带来转矩脉动小并可有效利用空间的优点，配合内发电机协同工作，输出功率可达兆瓦级，可使其工作在大型风力发电场合，实现并满足宽功率输出。
如图3-图5所示，所述内发电机为永磁四相双凸极发电机，由于转子内侧的齿极采用Z分段不等宽沿轴向对齐结构，不同的转子极宽可满足不同的输出功率要求，其中当转子极弧系数为1/3时，发电机的输出功率及功率密度达到最大。
如图6所示，所述转子齿为Z分段不等宽沿轴向交错排列结构(Z＝2)，相对应的内定子齿也错开相应角度，可提高电能输出的灵活性，同时电磁转矩大、运行平稳、可减少发电机振动和噪声。
如图7-图8所示，是该发电机驱动系统流程图及采用该发电机用于离并网风电制氢的系统框架图。以所述的外发电机为24/16齿极、内发电机为8/6齿极，转子齿极轴向采用2段式结构为例进行说明，具体步骤如下：
根据负载要求功率的需要，使内外两个发电机单独发电或协同发电。风致使发电机转子旋转，永磁体励磁发电，通过检测装置获取转子位置、角度信息，协同控制内外发电机输出电流，根据风速大小以及功率需求调节总控制器，使发电机高效稳定运行。
内外两个发电机输出交流电，风电经低阶滤波单元AC/DC整流器-DC/AC逆变器-高阶滤波单元-升压变压器直接并网，或风电被滤波后经过AC/DC-DC/DC- 升压/降压变压器处理后制氢。并网与制氢协同工作，进行功率的合理分配利用，做到清洁、高效、提高效率。
以上未述及部分本领域技术人员均能实施。
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 (5)

1.一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于：包括发电机外壳(7)，外定子(1)和内定子(4)，转子(2)位于外定子(1)和内定子(4)之间，转子(2)与输出轴(8)固定；
内定子(4)的外侧均设有内定子齿极(11c)及内定子绕组(6b)，外定子(1)的内侧设有外定子齿极(11d)及外定子绕组(6a)；
转子(2)中内侧设有转子内侧齿极(11b)，转子(2)中外侧设有转子外侧齿极(11a)；转子内侧齿极(11b)和转子外侧齿极(11a)之间设有隔磁板(3)，使转子(2)中内外两侧磁路分离；
转子内侧齿极(11b)和转子外侧齿极(11a)采用2分段不等宽沿轴向对齐、或交错排列结构，具体为：转子齿极每段等宽，齿极轴向2分段，段与段的转子齿极不等宽且均需满足转子齿齿宽略大于对应的外定子齿极(11d)的宽度和内定子齿极(11c)的宽度；当采用2分段不等宽轴向对齐结构时，通过不同外控电路的控制，使其工作在2分段的不同结构下，满足不同输出功率的要求；当采用2分段不等宽轴向交错排列结构时，对应外定子(1)、内定子(4)也错开相应的角度，相应的外定子绕组(6a)、内定子绕组(6b)进行串联或并联组合，不同段的转子外侧齿极(11a)、转子内侧齿极(11b)对应不同段的外定子绕组(6a)、内定子绕组(6b)，通过外控电路的控制，使各段结构单独工作；与之对应的外定子(1)、内定子(4)上的齿极也与之对应交错排列；外定子绕组(6a)、内定子绕组(6b)进行串联或并联组合；
所述外定子(1)、转子(2)及外定子绕组(6a)构成外发电机，外发电机为永磁三相双凸极发电机，外发电机为24/16齿极；
所述内定子(4)、转子(2)及内定子绕组(6b)构成内发电机，内发电机为永磁四相双凸极发电机，内发电机为8/6齿极；
两个发电机单独发电或协同发电。
2.根据权利要求1所述的一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于转子(2)通过转子连接板(10)与输出轴(8)固定连接，输出轴(8)的下端与内定子(4)或固定在发电机外壳底座(7c)上的内定子连接轴(9)间设有轴承，外定子(1)与发电机外壳两侧(7b)相固定，内定子(4)与发电机外壳底座(7c)相固定，或通过内定子连接轴(9)相固定，发电机外壳(7)包括外壳底座(7c)。
3.根据权利要求1所述的一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于所述外定子(1),转子(2),内定子(4)均采用硅钢片叠压而成；所述绕组(6)采用集中式绕组；所述转子(2)上既 无绕组也无永磁体。
4.根据权利要求1所述的一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于所述的双定子双凸极大功率发电机为用于离/并网风电制氢的双定子双凸极大功率风力发电机。
5.根据权利要求4所述的一种双定子双凸极大功率发电机，其特征在于所述风电经低阶滤波单元AC/DC整流器-DC/AC逆变器-高阶滤波单元-升压变压器直接并网，或风电被滤波后经过AC/DC-DC/DC-升压/降压变压器处理后制氢。
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