CN110932510A - 一种双定子磁通切换风力发电机 - Google Patents

一种双定子磁通切换风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双定子磁通切换风力发电机，主要包括外定子、转子和内定子，其中外定子由外定子铁心、永磁体、直流励磁绕组和三相电枢绕组组成，所述内定子由内定子铁心，永磁体和直流励磁绕组和三相电枢绕组组成，所述内定子内设有转轴，所述转子位于外定子和内定子之间，呈双凸极结构，所述转子由转子铁心和隔磁套筒构成。双定子磁通切换风力发电机特殊的转子结构，在保持混合励磁电机高功率密度和高转矩密度优点的同时，可以实现发电机的无刷化，风能利用率显著提高，发电效率和发电量大大增强，特别适合偏远地区或者海上等风力发电场合。

Description

一种双定子磁通切换风力发电机
技术领域
本发明专利涉及电机技术领域，尤其涉及一种双定子磁通切换风力发电机技术。
背景技术
定子励磁磁通切换电机转子结构简单，既无永磁体、又无绕组，机械强度高，适合高速运行，其永磁体位于定子，易于采取冷却措施，可有效避免永磁体过热所产生的不可逆去磁，定子励磁磁通切换电机具有功率密度高、结构简单、容错性能好、控制灵活等优点，在电气牵引、航空航大、风力发电等领域得到初步应用。然而由于自然界的风能是随机变化的，定子励磁磁通切换发电机内气隙磁场基本保持恒定，调节困难，所以定子励磁磁通切换发电机在风力发电运行场合的应用受到一定限制。
随着风力发电技术的不断提高，要求风力发电机具有更加可靠的磁场调节性能，这样才能满足在风能不断变化的前提下，发电机能够有稳定的电能输出，保证负载用电的安全。要实现定子励磁磁通切换发电机气隙磁场的调节和控制，可从电机结构方面进行改进。目前磁通切换发电机大多数为单定子结构，发电效率、发电量和控制效果有待提高。
发明内容
针对现有定子励磁磁通切换发电机技术中存在气隙磁场调节困难，本发明提供一种可以很容易调节气隙磁场的具有高功率密度和高转矩密度，同时能够提高发电效率、增大发电量和风能利用率的双定子磁通切换风力发电机，包括：外定子、转子和内定子，转子外同轴套有外定子，转子内同轴套有内定子，三者同轴心安装。
所述内定子由铁心，内定子永磁体、内定子励磁绕组和内定子绕组组成，所述外定子由铁心，外定子永磁体、外定子励磁绕组和外定子绕组组成。内定子和外定子均为凸极结构，内定子和外定子三相交流电枢绕组分别安装在内定子和外定子铁心凸极齿上，内定子和外定子铁心相邻凸极齿上跨接安装有直流励磁绕组，内定子和外定子永磁体分别安装在各自凸极齿上。
优选地，内定子和外定子铁心凸极齿的数量与所述永磁体的数量相等，凸极齿的径向中心线与所述永磁体的径向中心线重合。
所述转子由转子铁心和隔磁套筒构成，转子铁心内外侧凸极齿的数量相等且中心线重合，隔磁套筒位于转子铁心内部，隔磁套筒将转子分隔为两个独立的磁路。
所述内定子励磁绕组和外定子励磁绕组分别跨接在内定子和外定子铁心两个相邻凸极齿之间，且相邻的两个励磁绕组内通入的励磁电流方向相反。
优选地，所述隔磁套筒外侧转子和外定子组成外三相双凸极磁通切换电机；所述隔磁套筒内侧转子和所述内定子构成内三相双凸极磁通切换电机，内定子绕组和外定子绕组可以串联或者并联。
优选地，内定子和外定子均为凸极结构，极数均为12。转子内侧和外侧凸极数均为10。
本发明采用上述技术方案后的有益效果是：
1、转子在风力涡轮机的拖动下能相对于内定子和外定子运动，在内定子绕组和外定子绕组中就会产生交变的感应电动势，如果将两套定子绕组串联，从而可以将绕组产生的感应电动势增大，同样风速条件下发电能力得到提高，即使是在风速较低的情况下也能建压工作，大大降低了起动风速；
2、由于转子内外凸极在磁路上是完全独立的，内定子和外定子共用一个转子，明显提高了电机的运行效率和材料利用率，而且发电机工作风速的范围能得到较大程度地扩展，风能利用率显著提高；
3、通过转子内部安装隔磁套筒，实现内、外两个电机磁路完全隔离，使得发电机的发电效率显著增强；
4、转子为双侧凸极结构，无励磁绕组、滑环和电刷，因而提高了可靠性，减小了维护工作量，由于定子上安装了永磁材料，转矩密度和功率密度也有所提高；
5、所述发电机采用双定子绕组结构，定子绕组与电网连接，单机发电量大，电
励磁和永磁体混合励磁可以提高功率密度和发电的稳定性，特别适合海上或偏远地区发电场所使用。
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个实施例，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为本发明双定子磁通切换风力发电机结构示意图。
图2为本发明双定子磁通切换风力发电系统结构示意图。
图中标号：1、外定子；2、外定子绕组；3、外定子励磁绕组；4、内定子；5、内定子绕组；6、内定子励磁绕组；7、转子；8、外定子永磁体；9、隔磁套筒；10、转轴；11、内定子永磁体；12、转子风轮；13、发电机侧变流器；14、网侧变流器。
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个实施例，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。
本发明提出的一种双定子磁通切换风力发电机，如图1所示，包括：外定子1、转子7和内定子4，转子7外同轴套有外定子1，转子7内同轴套有内定子4，三者同轴心安装。
所述内定子4由铁心，内定子永磁体11和内定子励磁绕组6组成，所述外定子1由铁心，外定子永磁体8和外定子励磁绕组3组成。内定子4和外定子1均为凸极结构，内定子绕组5和外定子绕组2分别安装在内定子4和外定子1凸极齿上，内定子4和外定子1相邻凸极齿上跨接安装有内定子励磁绕组6和外定子励磁绕组3，内定子4和外定子1凸极齿上分别安装内定子永磁体11和外定子永磁体8。
优选地，内定子4和外定子1凸极齿的数量与所述永磁体的数量相等，内定子4和外定子1凸极齿的径向中心线与所述永磁体的径向中心线重合。
所述转子7由铁心和隔磁套筒10构成，转子铁心内外侧凸极齿的数量相等且中心线重合，隔磁套筒10位于转子铁心内部，隔磁套筒10将转子分隔为两个独立的磁路。
所述内定子励磁绕组6和外定子励磁绕组3相邻凸极齿之间，且相邻的两个励磁绕组内通入的励磁电流方向相反。
优选地，所述隔磁套筒10外侧转子和外定子1组成外三相双凸极磁通切换电机；所述隔磁套筒10内侧转子和所述内定子4构成内三相双凸极磁通切换电机；外定子绕组2和内定子绕组5可以串联或者并联。所述外定子绕组2和内定子绕组5均为三相对称交流绕组。
本实施例中，转子7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转子风轮12。
本实施例中，外定子励磁绕组3和内定子励磁绕组6由系统励磁装置供电。
所述外定子永磁体8和内定子永磁体11均为切向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反。
本实施例中，外定子永磁体8位于外定子凸极齿中，外定子永磁体8产生的磁链和外定子励磁的绕组3在空气隙中产生的磁链匝链，同时与外定子绕组2产生的磁场匝链，实现混合励磁。
本实施例中，内定子永磁体11与内定子4之间设有空气隙，内定子永磁体11产生的磁链和内定子励磁绕组6在空气隙中产生的磁链匝链，同时与内定子绕组5产生的磁场匝链，实现混合励磁。
转子7上既没有永磁体，又不安装绕组，并采用凸极结构，转子铁心中间加入隔磁套筒10，使得隔磁套筒10两侧磁场不会在转子铁心发生耦合，从而不会影响内外磁通切换电机的性能。从磁场的角度来看，这就是传统两个磁通切换电机的复合结构。
应用双定子磁通切换风力发电机系统如图2所示，由转子风轮机12、双定子磁通切换发电机、发电机侧变流器13和网侧变流器14组成。所述磁通切换风力发电系统为直驱式风力发电系统，转子风轮机12与发电机转子通过转轴10连接，这种结构具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点。发电机内定子绕组5和外定子绕组2通过发电机侧变流器13和网侧变流器14与电网连接。采用双功率变流器，可以实现能量双向流动，发电机侧变流器13可以对磁通切换发电机的转速/转矩进行控制，实现最大风能跟踪控制；网侧变流器14通过对直流母线进行稳压控制，实现并网控制。
在工作原理上，双定子磁通切换风力发电机可以看作是一台内磁通切换电机和一台外磁通切换电机相互串联，外磁通切换电机绕组在外定子永磁体8的作用下产生的电势与内磁通切换电机绕组在内定子永磁体11的作用下产生的电势相互叠加组成双定子磁通切换风力发电机电势，外定子绕组2产生的转矩与内定子绕组5产生的转矩相互叠加组成双定子磁通切换风力发电机的电磁转矩。所以双定子磁通切换风力发电机的工作原理转化为内、外磁通切换电机的工作原理。
当风速变化时，检测装置发出信号，调整内定子励磁绕组6和外定子励磁绕组3电流大小和方向，来调节电机内部的磁场，保证发电的连续与稳定。
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。对这个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个实施例，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 (7)

1.一种双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：主要包括外定子(1)、转子(7)和内定子(4)，转子(7)外同轴套有外定子(1)，转子(7)内同轴套有内定子(4)，三者同轴心安装。所述内定子(4)由定子铁心，内定子永磁体(11)、内定子励磁绕组(6)和内定子绕组(5)组成，所述外定子(1)由定子铁心，外定子永磁体(8)、外定子励磁绕组(3)和外定子绕组(2)组成。内定子(4)和外定子(1)均为凸极结构，内定子绕组(5)和外定子绕组(2)分别安装在内定子(4)和外定子(1)铁心凸极齿上，内定子(4)和外定子(1)永磁体安装在凸极齿上。凸极齿的数量与所述永磁体的数量相等，内定子(4)和外定子(1)铁心凸极齿的径向中心线与所述永磁体的径向中心线重合。所述励磁绕组分别跨接在内定子(4)和外定子(1)铁心两个相邻凸极齿之间，且相邻的两个励磁绕组内通入的励磁电流方向相反。所述转子(7)由转子铁心和隔磁套筒(10)构成，转子铁心内外侧凸极齿的数量相等且中心线重合，隔磁套筒(10)位于转子铁心内部，隔磁套筒(10)将转子分隔为两个独立的磁路。所述隔磁套筒(10)外侧转子和所述外定子(1)组成外三相双凸极磁通切换电机；所述隔磁套筒(10)内侧转子和所述内定子(4)构成内三相双凸极磁通切换电机；内电机和外电机定子绕组可以串联或者并联。
2.根据权利要求1所述的一种双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：内定子(4)和外定子(1)三相电枢绕组均为集中电枢线圈，沿圆周方向依次布置，所述转子(7)为双侧凸极结构并被隔磁套筒(10)分隔为两个独立的磁路，转子内侧和外侧凸极数均为10。内定子(4)和外定子(1)均为凸极结构，极数均为12。
3.根据权利要求1所述双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：外定子绕组(2)有12个集中电枢线圈沿圆周方向依序布置，集中电枢线圈A1和集中电枢线圈A3径向相对，集中电枢线圈A2和集中电枢线圈A4径向相对，所述集中电枢线圈A1、A2、A3和A4顺序串联后组成A相电枢绕组；集中电枢线圈B1和集中电枢线圈B3径向相对，集中电枢线圈B2和集中电枢线圈B4径向相对，所述集中电枢线圈B1、B2、B3和B4顺序串联后组成B相电枢绕组；集中电枢线圈C1和集中电枢线圈C3径向相对，集中电枢线圈C2和集中电枢线圈C4径向相对，所述集中电枢线圈C1、C2、C3和C4顺序串联后组成C相电枢绕组。
内定子绕组(3)有12个集中电枢线圈沿圆周方向依序布置，内定子上的A、B、C三相电枢绕组的径向位置与外定子上的A、B、C三相电枢绕组的径向位置一一对应，内定子绕组(3)顺序串联形式与外定子绕组(2)相同，如图1所示。
4.根据权利要求1所述的一种双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：转子(7)为双侧凸极结构，双侧凸极齿的数量相等，隔磁套筒(10)位于转子铁心内部，将转子(7)分隔为两个完全独立的磁路，内电机和外电机共用转子(7)。
5.根据权利要求1所述的一种双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：内定子(4)和外定子(1)铁心每个凸极均安装永磁体。外定子永磁体(8)和内定子永磁体(11)切向充磁，所述两块相邻的永磁体充磁方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：内定子(4)和外定子(1)电枢绕组按照一定的方式进行串联或者并联连接，使之能够合成完整的三相交流电势。
7.根据权利要求1所述的一种双定子磁通切换风力发电机，其特征在于：内定子(4)和外定子(1)分别安装内定子励磁绕组(6)和外定子励磁绕组(3)，励磁绕组中通入方向可调节的直流电，可以实现电机的增磁或弱磁控制。
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