CN110957822B - 一种双转子磁通切换风力发电机及发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双转子磁通切换风力发电机及发电系统，主要包括定子、外转子和内转子，内转子外同轴套有定子，定子外同轴套有外转子，三者同轴心安装，所述内转子和外转子均由呈凸极结构的铁心组成。所述定子由定子铁心、永磁体、励磁绕组、隔磁套筒、定子外层绕组和定子内层绕组构成。隔磁套筒位于定子铁心内部，隔磁套筒将定子分隔为两个独立的磁路。本发明所述双转子磁通切换发电机特殊的定子、内转子和外转子结构，可以实现发电机高功率密度、高转矩密度和无刷化，提高风力发电的效率和发电量，混合励磁可以更加灵活地调节气隙磁场，能够满足发电机在各种工况下的稳定运行能力。
Description
技术领域
本发明专利涉及电机技术领域，尤其涉及一种双转子磁通切换风力发电机技术。
背景技术
磁通切换发电机从结构上来说属于双凸极电机。它与传统永磁同步发电机最大的不同点在于：一是它将永磁体径向内置于定子齿中，不像传统永磁同步发电机永磁体在转子上表贴式安装，因此这种永磁体内嵌于定子齿中的结构，能够产生“聚磁效应” 所以发电机的转矩密度与功率密度较高；二是转子上既没有永磁体也没有绕组，仅采用硅钢片叠压而成，结构简单，由于转子齿采用凸极结构，发电机内部的温升较小，不容易造成不可逆退磁，同时这种结构使得发电机的磁链和反电动势的正弦化程度较高，更加适合交流风力发电。因此，磁通切换风力发电机的研究受到了广泛的关注。
目前磁通切换发电机大多数为单定子结构，发电量不大，转矩密度和功率密度不高，发电效率和控制效果有待提高。
发明内容
针对现有风力发电机技术中存在发电量不大和效率低等不足，本发明提出了一种新型拓扑结构的双转子磁通切换风力发电机，使用隔磁套筒将定子分为两个独立的磁路，设计了内外两个转子共用定子，保留了常规磁通切换发电机结构的优点，其结构主要包括定子、外转子和内转子，内转子外同轴套有定子，定子外同轴套有外转子，三者同轴心安装。
所述内、外转子均由铁心组成，呈凸极结构。
所述定子由铁心，永磁体，励磁绕组，隔磁套筒、定子内层绕组和定子外层绕组构成，定子铁心为内外双凸极结构，定子铁心内、外侧凸极齿的数量相等且中心线重合，定子内层绕组和定子外层绕组分别安装在定子铁心内外侧凸极齿上。
定子铁心内部设有隔磁套筒，将定子铁心分割为两个独立的磁路，隔磁套筒在定子内部安装，隔磁套筒固定在定子铁心内部。
定子铁心内、外侧凸极齿中设有永磁体，内外凸极齿的数量与所述永磁体的数量相等，定子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。定子铁心内、外侧凸极齿中设有的永磁体为切向充磁，相邻两个永磁体充磁方向相反。
所述定子内层励磁绕组和定子外层励磁绕组安装在定子铁心两个相邻凸极齿之间的铁心轭部位置处，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，外转子接有外转轮连接轴，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外转子风轮。
优选地，转轴设有内转轮轴套，内转轮轴套上套设有内转子风轮。
优选地，定子内层励磁绕组和定子外层励磁绕组分别由单相励磁电源供电。
所述定子内、外层绕组均为集中式三相对称交流绕组。
优选地，定子内、外侧铁心凸极中永磁体产生的磁链和通入直流励磁电源的励磁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为22，内转子的极数为10。
一种应用双转子磁通切换风力发电机的发电系统，包括：双转子磁通切换风力发电机，网侧变流器、发电机侧变流器、直流励磁电源、外转子风轮和内转子风轮；
双转子磁通切换风力发电机的定子绕组通过发电机侧变流器和网侧变流器与电网相连；
双转子磁通切换风力发电机的励磁绕组与直流励磁电源连接。
本发明采用上述技术方案后的有益效果是：
1、内外转子在风力涡轮机的拖动下能相对于定子运动（同方向旋转，或不同方向旋转，速度大小相同或者不同），定子内层绕组切割内转子中的永磁体产生的磁场，定子外层绕组切割外转子中的永磁体产生的磁场，从而将定子绕组产生的感应电动势增大，同样风速条件下发电能力提高，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、由于定子内层绕组和外层绕组在磁路上是完全独立的，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、通过定子铁心内部安装隔磁套筒，实现定子内层绕组和外层绕组磁路完全隔离，使得发电机的工作效率显著增强；而且采用定子内外层绕组同时感应电动势，减小了感应电动势的谐波含量的同时，提升了发电量；
4、内转子和外转子均为凸极结构，均不需要励磁绕组、滑环和电刷，因而提高了可靠性，减小了维护工作量，由于定子上安装了切向充磁永磁材料，转矩密度和功率密度也有所提高；
5、双转子磁通切换风力发电机采用定子内层绕组和外层绕组结构，定子绕组与电网连接。当电网出现各种故障时，由于定子内外层绕组都可以施加直流励磁，可以对发电机内部磁场进行增磁或弱磁调节，保持发电机连续稳定运行。
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是本发明专利双转子磁通切换风力发电机结构图。
图2是本发明专利双转子磁通切换风力发电系统实施例一图。
图3是本发明专利双转子磁通切换风力发电系统实施例二图。
图中标号：1、机壳；2、定子外层绕组；3、定子内层绕组；4、永磁体；4-1、定子外层永磁体；4-2、定子内层永磁体；5、定子；6、内转子；7、转轴；8、励磁绕组；8-1、定子外层励磁绕组；8-2、定子内层励磁绕组；9、外转子；10、隔磁套筒；11、内转子风轮；12、外转子风轮；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。
实施例一：结合图 1和图 2说明本发明的双转子磁通切换风力发电机，如图1所示，包括：发电机机壳1，机壳1内部设有内转子6，内转子6外部包裹有定子5，定子5外部包裹有外转子9，内转子 6由内转子风轮11拖动，外转子9由外转子风轮12拖动，内、外转子的转速和旋转方向可以相同也可以不相同。
定子5设有内层外层双凸极，内外双凸极设有定子内层绕组3和定子外层绕组2，定子外层绕组2为三相对称绕组，由12个集中电枢线圈沿圆周方向依序布置，第一集中电枢线圈211和第七集中电枢线圈213径向相对，第四集中电枢线圈212和第十集中电枢线圈214径向相对，第一、第四、第七、第十集中电枢线圈顺序串联后组成A相电枢绕组，第二集中电枢线圈221和第八集中电枢线圈223径向相对，第五集中电枢线圈222和第十一集中电枢线圈224径向相对，第二、第五、第八、第十一集中电枢线圈顺序串联后组成B相电枢绕组，第三集中电枢线圈231和第九集中电枢线圈233径向相对，第六集中电枢线圈232和第十二集中电枢线圈234径向相对，第三、第六、第九、第十二集中电枢线圈顺序串联后组成C相电枢绕组；
定子内层绕组3由12个集中电枢线圈沿圆周方向依序布置，定子内层绕组(3)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，定子内层绕组3连接方式与定子外层绕组2相同，如图1所示。
内、外双凸极齿内设有永磁体4，定子5内、外双凸极齿轭部设有励磁绕组8，所述永磁体4和励磁绕组8为定子气隙磁场提供强励磁，从而提高发电机运行的转矩密度和功率密度。
其中，定子5的中心线，外转子9的中心线以及内转子6的中心线在同一条直线上。
本实施例中，永磁体4产生的磁链和通入励磁电流的励磁绕组8在空气隙中产生的磁链匝链，同时与定子外层绕组2和定子内层绕组3产生的磁场匝链，实现混合励磁。
转子上既没有永磁体，又不安装绕组，并采用凸极结构；定子外层绕组2和定子内层绕组3是相互独立的集中式绕组，定子绕组的这种放置方式使得电机能够实现无刷化运行，定子铁心中间加入隔磁套筒10，使得内电机和外电机磁场不会在定子铁心轭部发生耦合，从而不会影响内外磁通切换电机的性能，并且这种隔磁套筒10的设置可以使得内转子6和外转子9既可以按不同的方向旋转，也可以按不同的角速度旋转。
本实施例中，可以看出，在工作原理上，双转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定子外层永磁体4-1的作用下产生的电势与内磁通切换电机绕组在定子内层永磁体4-2的作用下产生的电势相互叠加组成双转子磁通切换风力发电机电势，定子外层绕组2产生的转矩与定子内层绕组3产生的转矩相互叠加组成双转子磁通切换风力发电机的电磁转矩。所以双转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。
当风速发生较大变化时，检测装置发出信号，直流励磁绕组进行励磁操作，对电机内部磁场进行调解，来增强或者减弱电机内部的磁场，保证风力发电系统不间断地输出功率。
本发明提出的一种双转子磁通切换风力发电系统，由内转子风轮11、外转子风轮12、双转子磁通切换发电机、发电机侧变流器13、网侧变流器14和直流励磁电源组成，如图2所示。所述磁通切换风力发电系统为直驱式风力发电系统，风力机与发电机内转子6和外转子9连接。
双转子磁通切换风力发电机的定子绕组通过发电机侧变流器13以及网侧变流器14与电网相连。
实施例二：参见图 3 说明本实施方式，本实施例与实施例一的双转子磁通切换电机的区别在于在转子的结构和运行方式上，内转子和外转子固定在一起，由同一个风轮共同拖动，同方向同速度旋转。
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 (2)
1.一种双转子磁通切换风力发电机，其特征在于：主要包括定子(5)、外转子(9)和内转子(6)，内转子(6)外同轴套有定子(5)，定子(5)外同轴套有外转子(9)，三者同轴心安装，所述内转子(6)和外转子(9)均由呈凸极结构的铁心组成；所述定子(5)由定子铁心、定子外层永磁体(4-1)、定子内层永磁体(4-2)、外层励磁绕组(8-1)、内层励磁绕组(8-2)、隔磁套筒(10)、定子外层绕组(2)和定子内层绕组(3)构成，定子铁心外侧和定子铁心内侧凸极齿的数量相等且中心线重合，定子(5)为内侧外侧双凸极结构，定子外层绕组(2)和定子内层绕组(3)分别安装在定子铁心外侧和定子铁心内侧凸极齿上；内外凸极齿的数量与所述定子内层永磁体(4-2)、定子外层永磁体(4-1)的数量相等，定子铁心凸极齿的径向中心线与所述定子内层永磁体(4-2)、定子外层永磁体(4-1)的径向中心线重合；所述外层励磁绕组(8-1)、内层励磁绕组(8-2)置于定子铁心两个相邻凸极齿之间的位置处，且相邻的两个励磁绕组内通入的励磁电流方向相反；隔磁套筒(10)将定子(5)分割为两个独立的磁路；所述定子铁心外侧，外转子(9)以及定子外层绕组(2)构成外三相磁通切换发电机；所述定子铁心内侧，内转子(6)以及定子内层绕组(3)构成内三相双凸极磁通切换发电机；定子外层绕组(2)和定子内层绕组(3)串联或者并联发电或独立发电；
定子内层绕组(3)和定子外层绕组(2)均由12个集中电枢线圈沿圆周方向依次布置，所述外转子(9)为凸极结构，极数为22，内转子(6)也为凸极结构，极数为10；
定子外层绕组(2)布置如下，第一集中电枢线圈211和第七集中电枢线圈213径向相对，第四集中电枢线圈212和第十集中电枢线圈214径向相对，第一、第四、第七、第十集中电枢线圈顺序串联后组成A相电枢绕组，第二集中电枢线圈221和第八集中电枢线圈223径向相对，第五集中电枢线圈222和第十一集中电枢线圈224径向相对，第二、第五、第八、第十一集中电枢线圈顺序串联后组成B相电枢绕组，第三集中电枢线圈231和第九集中电枢线圈233径向相对，第六集中电枢线圈232和第十二集中电枢线圈234径向相对，第三、第六、第九、第十二集中电枢线圈顺序串联后组成C相电枢绕组；
定子内层绕组(3)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，连接方式与定子外层绕组(2)相同；
所述定子外层永磁体(4-1)和定子内层永磁体(4-2)切向充磁，材料为钕铁硼，所述定子铁心内侧和定子铁心外侧两个相邻凸极齿内的永磁体充磁方向相反；
定子外层绕组(2)和定子内层绕组(3)按照一定的方式进行串联或者并联连接，使之能够单独或联合产生三相交流电势；
定子铁心中间加入隔磁套筒(10)，使得隔磁套筒(10)内外磁场不会在定子铁心发生耦合，从而不会影响内外磁通切换电机的性能，并且这种隔磁套筒(10)的设置使得内转子(6)和外转子(9)按不同的方向旋转或不同的角速度旋转；
定子铁心分别设有内层励磁绕组(8-2)和外层励磁绕组(8-1)，内层励磁绕组(8-2)和外层励磁绕组(8-1)中通入方向可调节的直流电，实现风力发电机气隙磁场增磁或弱磁控制。
2.一种应用权利要求1所述的双转子磁通切换风力发电机的发电系统，其特征在于：包括双转子磁通切换风力发电机，发电机侧变流器（13），网侧变流器（14）；双转子磁通切换风力发电机的定子外层绕组(2)和定子内层绕组(3)通过发电机侧变流器（13）和网侧变流器（14）与电网相连；双转子磁通切换风力发电机的内层励磁绕组(8-2)和外层励磁绕组(8-1)与直流励磁电源连接。
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