CN115800670A - 一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机 - Google Patents
一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，包括由内向外依次设置的转轴、转子铁芯和定子铁芯；所述转子铁芯上设有转子绕组，所述定子铁芯上设有两套相互独立的定子励磁绕组和定子功率绕组；其中所述定子励磁绕组由极对数为p1的单相同心式绕组结构组成，通过与直流电源相连接对其供电；所述定子功率绕组由极对数为p2的三相对称绕组结构组成，通过与三相整流桥连接，对直流母线或负载输出直流电源，所述p1和p2不相等。本发明的电励磁无刷双馈直流发电机，能够提高直流微电网系统安全可靠性，有效降低电机制造和维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备领域，具体为一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机。
背景技术
直流微电网作为一种以新能源为主体的新型电网拓扑结构，可高效地接纳风、光等分布式能源以及直流负荷，更加清洁环保，相对传统交流电网，具有输电线路造价低、网络损耗小、不存在谐波以及稳定性好等优势，更加符合绿色可持续发展的要求。然而随着可再生新能源发电机组并网容量的增加，风电、光伏发电的随机性导致新能源消纳的问题也进一步凸显，同时新能源机组的发电并网也对微电网的安全可靠性提出了更高的要求。
目前应用于直流微电网的发电机主要有传统有刷双馈发电机、永磁同步发电机两种。在微电网安全可靠性上，传统有刷双馈发电机的电刷滑环装置，降低了系统安全性。永磁同步发电机存在永磁体退磁风险，弱磁控制下输出直流电压稳定困难，系统可靠性较低，同时还存在电机制作成本偏高等问题。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其目的在于实现发电机有功和无功功率的灵活分开控制，提高直流微电网系统安全可靠性，有效降低电机制造和维护成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，包括由内向外依次设置的转轴、转子铁芯和定子铁芯；所述转子铁芯上设有转子绕组，所述定子铁芯上设有两套相互独立的定子励磁绕组和定子功率绕组；其中所述定子励磁绕组由极对数为p1的单相同心式绕组结构组成，通过与直流电源相连接对其供电；所述定子功率绕组由极对数为p2的三相对称绕组结构组成，通过与三相整流桥连接，对直流母线或负载输出直流电源，所述p1和p2不相等。
优选的，所述定子励磁绕组中每间隔固定槽数的两个定子槽内的导体构成一个线圈，每间隔一定位置的所述线圈采用不同匝数，形成匝数空间位置上的正弦分布。
优选的，所述定子功率绕组为单层或多层绕组排布。
优选的，所述定子功率绕组中相邻两相通过单Y接线方式进行连接。
优选的，所述转子绕组由多个同心式线圈结构的相绕组构成，相邻所述同心式线圈线圈依次串联后自短路联接。
优选的，所述转子相绕组相数m为(p1+p2)的约数，其中m为正整数。
优选的，所述同心式线圈分布于转子槽中，转子槽数Z2满足关系式：Z2＝n*(p1+p2),其中n为正整数。
优选的，所述转子绕组每间隔不等槽数的两个转子槽内的导体构成一个线圈，每间隔一定位置的所述线圈采用不同匝数，形成匝数空间位置上的正弦分布。
优选的，所述定子功率绕组放置于所述定子铁心的槽口位置，所述定子励磁绕组放置于所述定子铁心的槽底位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其定子励磁绕组通过采用单相同心式绕组结构进行直流励磁，相较于传统的三相对称绕组结构的交流励磁，能够实现有功和无功功率的灵活分开控制，定子功率绕组侧输出电压和输出电流控制电机的有功功率，励磁绕组侧励磁电压和励磁电流控制电机的无功功率，发电机无需额外的控制组件，控制更加简单灵活。
(2)本发明提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，与现有的传统双馈发电机技术相比，取消了滑环和电刷，提高了系统运行的安全性，降低维护成本；与现有的永磁同步发电机技术相比，避免了永磁体发生退磁的风险，控制简单，可提供短时强励保持输出直流电压稳定，提高了系统运行的可靠性，降低电机制造成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机结构示意图；
图2是本发明另一个实施例提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机结构示意图；
图3是本发明实施例1提供的定子功率绕组的接线方式示意图；
图4是本发明实施例1提供的定子励磁绕组的接线方式示意图；
图5是本发明实施例1提供的转子绕组的接线方式示意图；
图6是本发明实施例1提供的定子功率绕组的接线方式示意图；
图7是本发明实施例1提供的定子励磁绕组的接线方式示意图；
图8是本发明实施例1提供的转子绕组的接线方式示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-电励磁无刷双馈直流发电机、2-风力机、3-直流可调电源、4-三相可控整流桥、转轴5、转子铁芯6、定子铁芯7、转子绕组8、定子励磁绕组9和定子功率绕组10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本实施例提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机与直流微电网链接的系统组成结构示意图，参见图1，电励磁无刷双馈直流发电机1由风力机2驱动旋转，定子励磁绕组与直流电源3连接，由直接电源3为其供电，定子功率绕组与三相整流桥4连接，将三相交流电转化为直流电，对直接母线或直流负载输出恒定直流电源。
图2是本实施例提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机的组成结构示意图，参见图2，该电励磁无刷双馈直流发电机包括由内向外依次设置的转轴5、转子铁芯6和定子铁芯7；所述转子铁芯6上设有转子绕组8，所述定子铁芯7上设有两套相互独立的定子励磁绕组9和定子功率绕组10；所述定子功率绕组10放置于所述定子铁芯7的槽口位置，所述定子励磁绕组9放置于所述定子铁芯7的槽底位置。
其中所述定子励磁绕组9由极对数为p1的单相同心式绕组结构组成，通过与直流电源相连接对其供电；所述定子功率绕组10由极对数为p2的三相对称绕组结构组成，通过与三相整流桥连接，对直流母线或负载输出直流电源，所述p1和p1不相等，避免两套定子绕组直接耦合。
具体的，所述定子励磁绕组9中每间隔固定槽数的两个定子槽内的导体构成一个线圈，每间隔一定位置的所述线圈采用不同匝数，形成匝数空间位置上的正弦分布。采用不同线圈匝数正弦分布的方式能有效降低单层同心式结构的谐波含量。
具体的，所述定子功率绕组10为单层或多层绕组排布。所述定子功率绕组10中相邻两相通过单Y接线方式进行连接。
具体的，所述转子绕组8由多个同心式线圈结构的相绕组构成，相邻所述同心式线圈线圈依次串联后自短路联接。转子绕组8相绕组相数m为(p1+p2)的约数，其中m为正整数。转子绕组8的同心式线圈分布于转子槽中，转子槽数Z2满足关系式：
Z2＝n*(p1+p2),其中n为正整数。
进一步的，所述转子绕组8每间隔不等槽数的两个转子槽内的导体构成一个线圈，每间隔一定位置的所述线圈采用不同匝数，形成匝数空间位置上的正弦分布。采用不同线圈匝数正弦分布的方式能有效降低单层同心式结构的谐波含量。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
实施例1，实施例1提供的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，根据其运行转速范围在500到1000r/min的要求，选取其定子功率绕组极对数和励磁绕组极对数分别为p1＝3和p2＝1。定子槽数为36，转子槽数为48，下面对其具体定转子结构和接线方式进行说明。
图3是实施例1中定子功率绕组的接线方式示意图，如图3所示，定子功率绕组采用双层叠绕组的单Y，分相后每相由两个线圈串联成一个极相组。节距为6，以A相为例，1号槽和2号槽的上层导体与串联后再与8号槽和7号槽的上层导体串联，依此类推到32号槽和31号槽的导体，最后与其它两相通过单Y方式进行连接，B相、C相依此类推。其中节距取5，1号槽的上层导体与6号槽的下层导体构成一个线圈，2号槽的上层导体与7号槽的下层导体构成一个线圈，3号槽的上层导体与8号槽的下层导体构成一个线圈，依次类推到36号槽的上层导体与5号槽的下层导体构成一个线圈。
图4是实施例1中定子励磁绕组的接线方式示意图，如图4所示，定子励磁绕组采用单层同心式结构的接线方式，其中1号槽和36号槽内导体构成一个线圈，2号槽和35号槽内导体构成一个线圈，3号槽和34号槽内导体构成一个线圈，依此类推到18号槽和19号槽内导体构成一个线圈，所有线圈串联起来，线圈采用3到6种不同的匝数，构成多匝正弦绕组结构。以5种不同匝数作为实例说明多匝正弦绕组结构，槽号上标代表槽内线圈匝数。在1号槽和36号槽、2号槽和35号槽、18号槽和19号槽、17号槽和20号槽内的线圈采用3匝；在3号槽和34号槽、4号槽和33号槽、16号槽和21号槽、15号槽和22号槽内的线圈采用5匝；在5号槽和32号槽、6号槽和31号槽、14号槽和23号槽、13号槽和24号槽内的线圈采用7匝；在7号槽和30号槽、8号槽和29号槽、12号槽和25号槽、11号槽和26号槽内的线圈采用9匝；在9号槽和28号槽、10号槽和27号槽内的线圈采用11匝，形成匝数空间位置上的正弦分布。
图5为实施例1中转子绕组的接线方式示意图，如图5所示，转子绕组采用单层不等匝同心式绕组结构，转子绕组相数为4。其中A相1号槽和12号槽内导体构成一个线圈，2号槽和11号槽内导体构成一个线圈，3号槽和10号槽内导体构成一个线圈，依此类推到6号槽和7号槽内导体构成一个线圈，线圈采用3到6种不同的匝数，构成多匝正弦绕组结构。以3种不同匝数作为实例说明多匝正弦绕组结构，槽号上标代表槽内线圈匝数。1号槽和12号槽、6号槽和7号槽内线圈匝数为5；2号槽和11号槽、5号槽和8号槽内线圈匝数为7；3号槽和10号槽、4号槽和9号槽内线圈匝数为9，形成匝数空间位置上的正弦分布，B相到D相依此类推，采用不同线圈匝数的好处在于能有效同时降低两种基波极对数下的磁动势谐波含量。
实施例2：实施例2提供的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，，根据其运行转速范围在300到700r/min的要求，选取其定子功率绕组极对数和励磁绕组极对数分别为p1＝4和p2＝2。定子槽数为72，转子槽数为60，下面对其具体定转子结构和接线方式进行说明。
图6是实施例2中定子功率绕组的接线方式示意图，如图6所示定子功率绕组采用双层叠绕组的单Y接线方式，分相后每相由三个线圈串联成一个极相组。以A相为例，1号槽和2号槽和3号槽的上层导体与串联后再与12号槽和11号槽和10号槽的上层导体串联，依此类推到66号槽和65号槽和64号槽的导体，最后与其它两相通过单Y方式进行连接，B相、C相依此类推。其中节距取8，1号槽的上层导体与9号槽的下层导体构成一个线圈，2号槽的上层导体与10号槽的下层导体构成一个线圈，3号槽的上层导体与11号槽的下层导体构成一个线圈，依次类推到72号槽的上层导体与8号槽的下层导体构成一个线圈。
图7是实施例2中定子励磁绕组的接线方式示意图，如图7所示定子励磁绕组采用单层同心式绕组的接线方式，其中1号槽和36号槽内导体构成一个线圈，2号槽和35号槽内导体构成一个线圈，3号槽和34号槽内导体构成一个线圈，依此类推到18号槽和19号槽内导体构成一个线圈，37号槽和72号槽内导体构成一个线圈，38号槽和71号槽内导体构成一个线圈，39号槽和70号槽内导体构成一个线圈，依此类推到54号槽和55号槽内导体构成一个线圈，所有线圈串联起来，线圈采用3到6种不同的匝数，构成多匝正弦绕组结构。以5种不同匝数作为实例说明多匝正弦绕组结构，槽号上标代表槽内线圈匝数。在1号槽和36号槽、2号槽和35号槽、18号槽和19号槽、17号槽和20号槽、37号槽和72号槽、38号槽和71号槽、54号槽和55号槽、53号槽和56号槽内的线圈采用3匝；在3号槽和34号槽、4号槽和33号槽、16号槽和21号槽、15号槽和22号槽、39号槽和70号槽、40号槽和69号槽、52号槽和57号槽、51号槽和58号槽内的线圈采用5匝；在5号槽和32号槽、6号槽和31号槽、14号槽和23号槽、13号槽和24号槽、41号槽和68号槽、42号槽和67号槽、50号槽和59号槽、49号槽和60号槽内的线圈采用7匝；在7号槽和30号槽、8号槽和29号槽、12号槽和25号槽、11号槽和26号槽、43号槽和66号槽、44号槽和65号槽、48号槽和61号槽、47号槽和62号槽内的线圈采用9匝；在9号槽和28号槽、10号槽和27号槽、45号槽和64号槽、46号槽和63号槽内的线圈采用11匝，形成匝数空间位置上的正弦分布。
图8为实施例2中转子绕组的接线方式，如图8所示，转子绕组采用单层不等匝同心式绕组结构，其中A相1号槽和10号槽内导体构成一个线圈，2号槽和9号槽内导体构成一个线圈，3号槽和8号槽内导体构成一个线圈，依此类推到5号槽和6号槽内导体构成一个线圈，线圈采用3到6种不同的匝数，B相到F相依此类推，转子绕组相数为6。线圈采用3到6种不同的匝数，构成多匝正弦绕组结构。以3种不同匝数作为实例说明多匝正弦绕组结构，槽号上标代表槽内线圈匝数。1号槽和10号槽、5号槽和6号槽内线圈匝数为5；2号槽和9号槽、4号槽和7号槽内线圈匝数为7；3号槽和8号槽内线圈匝数为9，形成匝数空间位置上的正弦分布，B相到F相依此类推。
本发明提供的一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其定子励磁绕组通过采用单相同心式绕组结构进行直流励磁，相较于传统的三相对称绕组结构的交流励磁，能够实现有功和无功功率的灵活分开控制，定子功率绕组侧输出电压和输出电流控制电机的有功功率，励磁绕组侧励磁电压和励磁电流控制电机的无功功率，发电机无需额外的控制组件，控制更加简单灵活。
与现有的传统双馈发电机技术相比，取消了滑环和电刷，提高了系统运行的安全性，降低维护成本；与现有的永磁同步发电机技术相比，避免了永磁体发生退磁的风险，控制简单，可提供短时强励保持输出直流电压稳定，提高了系统运行的可靠性，降低电机制造成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，包括由内向外依次设置的转轴、转子铁芯和定子铁芯；所述转子铁芯上设有转子绕组，所述定子铁芯上设有两套相互独立的定子励磁绕组和定子功率绕组；其中所述定子励磁绕组由极对数为p1的单相同心式绕组结构组成，通过与直流电源相连接对其供电；所述定子功率绕组由极对数为p2的三相对称绕组结构组成，通过与三相整流桥连接，对直流母线或负载输出直流电源，所述p1和p2不相等。
2.如权利要求1所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述定子励磁绕组中每间隔固定槽数的两个定子槽内的导体构成一个线圈，每间隔一定位置的所述线圈采用不同匝数，形成匝数空间位置上的正弦分布。
3.如权利要求1所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述定子功率绕组为单层或多层绕组排布。
4.如权利要求1所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述定子功率绕组中相邻两相通过单Y接线方式进行连接。
5.如权利要求1所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述转子绕组由多个同心式线圈结构的相绕组构成，相邻所述同心式线圈线圈依次串联后自短路联接。
6.如权利要求5所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述转子相绕组相数m为(p1+p2)的约数，其中m为正整数。
7.如权利要求5所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述同心式线圈分布于转子槽中，转子槽数Z2满足关系式：Z2＝n*(p1+p2),其中n为正整数。
8.如权利要求5所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述转子绕组每间隔不等槽数的两个转子槽内的导体构成一个线圈，每间隔一定位置的所述线圈采用不同匝数，形成匝数空间位置上的正弦分布。
9.如权利要求1所述的应用于直流微电网的电励磁无刷双馈直流发电机，其特征在于，所述定子功率绕组放置于所述定子铁心的槽口位置，所述定子励磁绕组放置于所述定子铁心的槽底位置。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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