CN112636490A - 一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机 - Google Patents

一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，包括24/14极分布的电励磁双凸极电机和三相不控整流二极管，电励磁双凸极电机包括定子和转子，定子上设有多个定子极，定子极上绕制有励磁线圈，励磁线圈相互连接构成励磁绕组，定子极上还绕制有电枢线圈，8个定子极组合形成电枢绕组，3个电枢绕组形成三相电枢绕组，每相电枢绕组中两个相邻的定子极为一组电枢线圈组，相邻电枢线圈组之间相距4个定子极，三相电枢绕组的一端引出组合在一起，构成风力发电机的负极，另一端与三相不控整流二极管连接，作为风力发电机的正极，构成全桥整流电路。与现有技术相比，本发明具有增加输出功率、消除反电势中的偶次谐波、减小转矩波动率等优点。

Description

一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机
技术领域
本发明涉及特种电机技术领域，尤其是涉及一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机。
背景技术
目前，风力发电机类型主要有笼型异步发电机，双馈发电机和永磁同步发电机，笼型异步发电机和双馈发电机极数相对成熟，但变换装置复杂，永磁同步电机效率和功率密度高，但是气隙磁场不能调节。高可靠性，低速直驱，高效率是风力发电机的发展趋势。电励磁双凸极是一种新型的无刷电机，它的定子，转子均为凸极齿槽结构，定子上装有电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组。定子上励磁绕组围绕电枢绕组进行绕制，提供励磁磁场，这种结构可以很方便的实现对电励磁双凸极电机的磁场调节。由于电励磁双凸极电机无需使用永磁体，转子上无绕组，无电刷和换向器，因此具有结构简单，可靠性高，成本低廉，易于故障灭磁等突出优点。并且该电机与外接整流电路即可构成电励磁双凸极无刷直流发电机系统，将其成功应用于风力发电系统有望降低发电系统成本，并提高系统可靠性。
在风力发电领域的研究中，电励磁双凸极发电机通常选择多个定子极数和多个转子极数来减小转矩脉动和提高材料的利用率，其定转子极数配合一般满足6N/4N或者6N/8N(N为整数)，常见的定转子极数配合为24/16，24/32等。但是目前所使用的电励磁双凸极发电机一般都采用集中励磁的方式，即励磁绕横跨多个定子极，每个定子极上都绕制有电枢绕组，这导致各相磁路不对称，进一步导致整流输出电压波动率较高和转矩波动率较高，增加电机的振动和噪声。目前，即使有很多新型的换流电路来降低电励磁双凸极无刷直流风力发电机的输出电压波动率和转矩脉动，但是电机本体固有的不足使各种外部电路的效果有限。
现有技术CN202010913228.5公开了一种三相24/20极分布电励磁双凸极风力发电机，通过间隔两个定子极设置电枢绕组，形成三相电流输出，但是间隔设置的结构输出功率有限，对于输出功率要求较高的输出环境不能达到相应的输出要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的输出效率较低的缺陷而提供一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，包括24/14极分布的电励磁双凸极电机和三相不控整流二极管，所述电励磁双凸极电机包括定子和转子，所述定子上设有多个定子极，所述定子极上绕制有励磁线圈，所述励磁线圈相互连接构成励磁绕组，所述定子极上还绕制有电枢线圈，8个定子极组合形成电枢绕组，所述电枢绕组的数量为3个，3个电枢绕组形成三相电枢绕组，每相电枢绕组中两个相邻的定子极为一组电枢线圈组，所述电枢线圈组中相邻定子极上的两个电枢线圈相互连接，相邻电枢线圈组之间相距4个定子极，4组电枢线圈组按照首尾相互串联形成一相电枢绕组，所述三相电枢绕组的一端引出组合在一起，构成风力发电机的负极，另一端与所述三相不控整流二极管连接，作为风力发电机的正极，构成全桥整流电路。
所述电励磁双凸极电机为内转子或外转子结构的双凸极电机。
所述励磁绕组中施加的电流为直流电。
所述定子极的数量为24个，相邻定子极之间相差的电角度为210°。
所述电枢绕组中相邻两个电枢线圈组之间的电角度为180°。
进一步地，相邻两组的电枢线圈反向串联，满足合成电动势最大。
相邻所述定子极上的励磁线圈的绕制方向相反。
所述励磁线圈为集中非重叠励磁线圈。
所述励磁线圈的连接方式为相互串联。
所述电枢线圈组中相邻定子极上的两个电枢线圈的连接方式为同向串联。
进一步地，所述同向串联的连接方式具体为相邻两个电枢线圈中一个定子极上的电枢线圈的首部与另一个定子极上的电枢线圈的尾部进行连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中在同一组电枢线圈组中的两个电枢线圈处于相邻定子极上，由励磁绕组和电枢绕组共同产生的磁链通过相邻定子极后形成一个短磁路，增加发电机的平均转矩，进而双凸极发电机的增加输出功率。
2.本发明在同相的电枢绕组中，相差180°电角度的各组电枢线圈组反向串联，并且同一组电枢线圈组中的两个电枢线圈同向串联，消除了反电势中的偶次谐波，减小了转矩波动率。
3.本发明在每个定子极上均集中绕制励磁绕组，绕着定子圆周均匀分布，使各相磁路对称，减小转矩波动和整流输出电压脉动。
4.本发明采用多定子极的结构，适用于低速大转矩的风力发电场合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明线圈电势矢量的示意图；
图3为本发明全桥整流电路的示意图；
图4为本发明发电机空载磁链的示意图；
图5为本发明发电机空载反电势的示意图；
图6为本发明发电机谐波分量的示意图；
图7为本发明发电机空载整流输出电压的示意图；
图8为本发明发电机加载电磁转矩的示意图。
附图标记：
1-定子；2-转子；3-定子极；4-转子极；5-励磁绕组；6-电枢绕组；7-电枢线圈；8-电枢线圈组；Lf+-励磁电流的流入端；Lf--励磁电流的流出端；A-A相电枢绕组的首部；X-A相电枢绕组的尾部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，包括24/14极分布的电励磁双凸极电机和三相不控整流二极管，电励磁双凸极电机包括定子1和转子2，定子1上设有多个定子极3，定子极3上绕制有励磁线圈，励磁线圈相互连接构成励磁绕组5，定子极3上还绕制有电枢线圈7，8个定子极3组合形成电枢绕组6，电枢绕组6的数量为3个，3个电枢绕组6形成三相电枢绕组，每相电枢绕组6中两个相邻的定子极3为一组电枢线圈组8，电枢线圈组8中相邻定子极3上的两个电枢线圈7相互连接，相邻电枢线圈组8之间相距4个定子极3，4组电枢线圈组8按照首尾相互串联形成一相电枢绕组6，三相电枢绕组的一端引出组合在一起，构成风力发电机的负极，另一端与三相不控整流二极管连接，作为风力发电机的正极，构成全桥整流电路。
本实施例中，每相电枢绕组6的电势矢量图如图2所示，三相不控整流二极管的结构如图3所示，其中eAF、eBF,和eCF分别表示A相、B相和C相的空载反电势，LA、LB和LC分别表示A相、B相和C相的电感，RA、RB和RC分别表示A相、B相和C相的绕组电阻，R0表示负载电阻，U0表示负载电压，DA1、DB1、DC1、DA2、DB2和DC2表示整流桥的二极管。
当电枢绕组6与整流装置按照图3所示连接时，在转子极4滑入和滑出定子极3时，该定子极3所对应的相都能向负载供电，提高输出功率。
电励磁双凸极电机为内转子或外转子结构的双凸极电机。
励磁绕组5中施加的电流为直流电。
定子极3的数量为24个，相邻定子极之间相差的电角度为210°。
电枢绕组6中相邻两个电枢线圈组8之间的电角度为180°。
相邻两组的电枢线圈7反向串联，满足合成电动势最大。
相邻定子极3上的励磁线圈的绕制方向相反。
励磁线圈为集中非重叠励磁线圈。
励磁线圈的连接方式为相互串联。
电枢线圈组8中相邻定子极3上的电枢线圈7的连接方式为同向串联。
同向串联的连接方式具体为相邻两个电枢线圈7中一个定子极3上的电枢线圈7的首部与另一个定子极3上的电枢线圈7的尾部进行连接。
发电机的初始位置如图1所示，A、B、C三相的电枢绕组空载磁链如图4所示，各相磁链波形对称。A、B、C三相的电枢绕组的空载反电势如图5所示，A相的电枢绕组的空载反电势的谐波分量见图6所示；如图6所示，A相空载反电势的谐波分量中仅存在奇次谐波，无偶次谐波，且主要存在基波和三次谐波，验证了本发明提出的电机结构能减小了转矩脉动和谐波畸变率；图7是未滤波的空载整流输出电压波形，结果显示发电机的输出电压波动率较低；图8是加载状态下的电磁转矩波形，结果显示发电机的输出转矩脉动较低。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，包括24/14极分布的电励磁双凸极电机和三相不控整流二极管，所述电励磁双凸极电机包括定子(1)和转子(2)，所述定子(1)上设有多个定子极(3)，所述定子极(3)上绕制有励磁线圈，所述励磁线圈相互连接构成励磁绕组(5)，所述定子极(3)上还绕制有电枢线圈(7)，8个定子极(3)组合形成电枢绕组(6)，所述电枢绕组(6)的数量为3个，3个电枢绕组(6)形成三相电枢绕组，每相电枢绕组(6)中两个相邻的定子极(3)为一组电枢线圈组(8)，所述电枢线圈组(8)中相邻定子极(3)上的两个电枢线圈(7)相互连接，相邻电枢线圈组(8)之间相距4个定子极(3)，4组电枢线圈组(8)按照首尾相互串联形成一相电枢绕组(6)，所述三相电枢绕组的一端引出组合在一起，构成风力发电机的负极，另一端与所述三相不控整流二极管连接，作为风力发电机的正极，构成全桥整流电路。
2.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述电励磁双凸极电机为内转子或外转子结构的双凸极电机。
3.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述励磁绕组(5)中施加的电流为直流电。
4.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述定子极(3)的数量为24个。
5.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述电枢绕组(6)中相邻两个电枢线圈组(8)之间的电角度为180°。
6.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，相邻所述定子极(3)上的励磁线圈的绕制方向相反。
7.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述励磁线圈为集中非重叠励磁线圈。
8.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述励磁线圈的连接方式为相互串联。
9.根据权利要求1所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述电枢线圈组(8)中相邻定子极(3)上的电枢线圈(7)的连接方式为同向串联。
10.根据权利要求9所述的一种三相24/14极分布电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，所述同向串联的连接方式具体为相邻两个电枢线圈(7)中一个定子极(3)上的电枢线圈(7)的首部与另一个定子极(3)上的电枢线圈(7)的尾部进行连接。
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