CN101364749A - 五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机 - Google Patents
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Abstract
一种五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，属风能发电机，本电机包括定子、励磁绕组、电枢绕组、转子及转轴，定子极数为10k，转子极数为8Nk，其中N为除5和5的倍数以外的自然数，定子极距为定子极弧长的2N倍，转子极的弧长等于或大于定子极的弧长，电机的特点是，任一时刻均有两相绕组输出相同电势，只要任相邻两相不同时出现故障，电机输出电势波形仍完整无缺口，具有容错能力。
Description
一、技术领域
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，属风能发电机。
二、技术背景
风能是一种洁净和可再生能源，在当今能源危机日益严重的情况下，风能的利用日益得到重视。风力发电中风能与电能的转换主要通过发电机。双凸极无刷直流电机(专利号：ZL99114250.0)属于变磁阻电机。其定、转子均为凸极结构，由硅钢片叠制而成，结构简单，制造方便，价格便宜。作发电机工作时，不需要转子位置传感器，***可靠性高。控制励磁电流可调节输出电压，故障时可灭磁。用在大功率场合，其可做成多极结构。双凸极无刷直流电机的这些特点使其较适合用于风力发电。三相双凸极电机的定子铁心极数与转子铁心极数为6k/4k(k为自然数)。k＝1时的6/4结构是三相双凸极无刷直流电机基本结构，也称为电机单元。
当今风力发电朝着低成本、高效率和高可靠性方面发展，常规三相双凸极发电机输出三相互差120°的电势，各相电势波形无重叠，电机不具备容错能力，在风力发电场合应用受到限制。而通过外加硬件等方法来实现容错能力会增加***的复杂程度和实现难度，同时成本也会上升。因此，寻求不增加***复杂程度，仅依靠电机结构与常规整流电路就能实现容错特性的双凸极发电机新结构，成为本发明的初衷。
三、发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出了一种仅依靠电机结构就能实现容错特性的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机新结构。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，由定子、转子及其相关结构件构成。定子铁心与转子铁心均为凸极结构，其极数配合关系为10k/8Nk，即定子极数为10k，转子极数为8Nk，其中N为除5和5的倍数以外的自然数。定子包括定子铁心、励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组均为集中绕组，励磁绕组共有k套，每套励磁绕组之间有五个定子极。电枢绕组可以为10k套，即每个定子极上套有一套电枢绕组，也可以为5k套，即定子极上每隔一个定子极套有一套绕组。转子由转子铁心组成，转子极上无绕组。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，其相邻两定子极间弧长为定子极距，大小为定子极弧长的2N倍。当N＝1时，定子槽口所占弧长与定子极弧长相等，当N>1时，定子槽口所占弧长大于定子极弧长。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，转子极的弧长等于或大于定子极的弧长。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，其实现的原理为：本发电机为直流发电机。对于直流发电机，在任一时刻有两相或多于两相电枢绕组向同一负载提供相同电势，且其中一相或多相绕组出现故障时，故障相不影响正常相的运行，电机仍能正常输出额定电势，其具有容错能力。此发电机中，电机的转子极滑入定子极时，相绕组匝链磁链增加，转子极滑出定子极时，相绕组匝链磁链减少。转子旋转一周，各相绕组的匝链磁链发生8Nk个周期变化，其感应电势也发生8Nk个周期变化，所以电机的极对数等于转子极数，且转子旋转一周对应的电角度为8Nk·360°。定子极距所占电角度为8Nk·360°/10k，即N·288°。定子极弧长为定子极距的1/2N，所占电角度为288°·N/2N，即144°。转子转过360°电角度，五相绕组的感应电势相位依次相差360°/5，即72°电角度，而每相感应的正电势或负电势所占电角度与定子极弧长所占电角度相同，均为144°，所以每相感应的正电势或负电势与其前后两相相应电势各有(144°-72°)，即72°电角度重合，不重合的电角度为(144°-2·72°)，即0°，任一时刻均有相邻两相绕组输出电势重合。相邻两相绕组互作备份，若其中一相发生故障，另外一相立即启用，输出相同电势。此外，电励磁双凸极电机各相相绕组之间互感小，当某相出现故障时，此相不影响其它相正常工作，具有磁隔离能力。本电机能实现容错供电。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，定子极绕组相序与转子转动方向和N有关。沿转子旋转逆方向，N/5的余数为1时，定子极相序为A相→B相→C相→D相→E相，N/5的余数为2时，定子极相序为A相→C相→E相→B相→D相，N/5的余数为3时，定子极相序为A相→D相→B相→E相→C相，N/5的余数为4时，定子极相序为A相→E相→D相→C相→B相。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，有三种基本结构形式。第一种结构形式定子在外侧，为外定子结构，第二种结构形式定子在内侧，为内定子结构，第三种结构形式内外均有定子，转子在中间，为双定子结构。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，磁源可以为电励磁，此时电机为五相10k/8Nk结构电励磁双凸极容错发电机，磁源也可以为永磁励磁，此时电机为五相10k/8Nk结构永磁双凸极容错发电机。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，既可作发电机使用，安装转子位置传感器后也可做电动机使用，同样具有容错能力。
本发明的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，与现有技术相比，任一时刻，均有两相绕组输出相同电势，只要五相绕组中相邻两相不同时出现故障，电机电势波形不会出现缺口，可缺任意一相或不相邻的两相，可满足一些场合如对输电可靠性要求高的风力发电，对供电高可靠性要求高的航空航天的需要，扩大了双凸极电机的应用范围。
四、附图说明
图1是五相10/8k结构双凸极容错发电机。
图2是五相10·10/8·10(k＝10)结构双凸极容错发电机截面图，图中虚线框中示出其局部截面。
图3是五相10/16结构双凸极容错发电机截面图。
图4是五相10·10/16·10(k＝10)结构双凸极容错发电机截面图，图中虚线框中示出其局部截面。
图5是五相10/8结构双凸极容错发电机单匝相绕组匝链磁链、单匝感应电势与转子位置之间关系的仿真图。
图6是五相10/8结构双凸极容错发电机全桥整流输出连接图。
图7是五相10/8结构双凸极容错发电机半桥整流输出连接图。
图8是五相10/8结构双凸极容错发电机缺一相时半桥整流输出仿真波形图。
图9是五相10/8结构双凸极容错发电机缺两相时全桥整流输出仿真波形图。
上述图中标号名称：1.定子铁心，2.励磁绕组，3.电枢绕组，4.转子铁心，5.转轴，l代表定子极距，t代表定子齿宽，v代表转子转速，ΦA，ΦB，ΦC，ΦD，ΦE分别代表A，B，C，D，E相磁通，eA，eB，eC，eD，eE分别代表A，B，C，D，E相感应电势。
五、具体实施方式
由于N与k所取数值变化时，电机结构实施方式与N等于1，k等于1的电机结构相似，下面以N等于1，k等于1电机结构(即10/8结构)为例来说明具体的实施方式。
本发明的五相10/8结构双凸极容错发电机，由转子、定子、其他结构件构成，转子、定子均为凸极结构，由硅钢片叠压而成。其定子铁心极数为10，转子铁心极数为8，其截面图如图1所示。定子由定子铁心1，励磁绕组2和电枢绕组3构成。定子极距为l，定子极弧长为t，定子极距为定子极弧长的2N＝2倍，即l＝2t。转子极的弧长大于等于定子极的弧长。电机有两套A，B，C，D，E五相绕组，分别套装在各自定子极上，电机有一套励磁绕组2，励磁绕组2中间有5个定子极。如图1所示，沿转子旋转逆方向，定子极相序为A相→B相→C相→D相→E相→A相→B相→C相→D相→E相。
本发明的五相10/8结构双凸极容错发电机，单匝相绕组匝链磁链、单匝感应电势与转子位置之间关系如图5所示。图1所示转子位置设为0°，当转子转过电角度在0°到72°之间时，E相与A相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的正电势，B相与C相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的负电势；当转子转过电角度在72°到144°之间时，A相与B相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的正电势，C相与D相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的负电势；当转子转过电角度在144°到216°之间时，B相与C相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的正电势，D相与E相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的负电势；当转子转过电角度在216°到288°之间时，C相与D相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的正电势，E相与A相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的负电势；当转子转过电角度在288°到360°之间时，D相与E相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的正电势，A相与B相的感应电势互为备份，组成此段角度内电机输出的负电势。
本发明的五相10/8结构双凸极容错发电机，接整流器向负载提供直流电源，整流器可为全桥或半桥整流器，如图6、7所示。发电机接全桥整流器时，任一时刻发电机输出电势为此时五相相绕组中最大感应电势与五相相绕组中最小感应电势的差。发电机接半桥整流器时，任一时刻发电机输出电势为此时五相相绕组中最大的感应电势。
本发明的五相10/8结构双凸极容错发电机，当一相出现故障时，发电机经半桥或全桥整流输出的电势波形与所有相正常工作时相同。以C相缺失，即C相输出电势等于0为例，如图8所示，当转子转过电角度在0°到72°之间时，半桥整流器输出E相的感应电势；当转子转过电角度在72°到144°之间时，半桥整流器输出A相的感应电势；当转子转过电角度在144°到216°之间时，半桥整流器输出B相的感应电势；当转子转过电角度在216°到288°之间时，若C相正常工作，则半桥整流器应该输出C相的感应电势，而此时输出其备份相D相的电势；当转子转过电角度在288°到360°之间时，半桥整流器输出D相的感应电势。当不相邻两相出现故障时，发电机经半桥或全桥整流输出的电势波形与所有相正常工作时相同。以C相、E相缺失，即C相及E相输出电势等于0为例，如图9所示，当转子转过电角度在0°到72°之间时，在C相与E相正常工作的情况下，全桥整流器输出电势应该为E相感应电势与C相感应电势的差，此时输出电势为A相感应电势与B相感应电势的差；当转子转过电角度在72°到144°之间时，全桥整流器输出电势为A相感应电势与D相感应电势的差；当转子转过电角度在144°到216°之间时，在E相正常工作的情况下，全桥整流器输出电势应该为B相感应电势与E相感应电势的差，此时输出为B相感应电势与D相感应电势的差；当转子转过电角度在216°到288°之间时，在C相正常工作的情况下，全桥整流器输出电势应该为C相感应电势与A相感应电势的差，此时输出为D相感应电势与A相感应电势的差；当转子转过电角度在288°到360°之间时，全桥整流器输出电势为D相感应电势减去B相感应电势的差。
本发明的五相10/8结构双凸极容错发电机，为10k/8Nk结构的特例。在10k/8Nk结构中，当N取1，k取10时，电机结构为100/80结构，即定子极数为100，转子极数为80，其截面图如图2所示，图中虚线框中为其局部截面的放大图。当N取2，k取1时，电机结构为10/16结构，即定子极数为10，转子极数为16，其截面图如图3所示。当N取2，k取10时，电机结构为100/160结构，即定子极数为100，转子极数为160，其截面图如图4所示，图中虚线框中为其局部截面的放大图。
Claims (4)
1.一种五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，包括定子(1)，励磁绕组(2)，电枢绕组(3)，转子(4)和转轴(5)，其特征在于，所述电机的定子极数为10k，转子极数为8Nk，N为除5M以外的自然数，M为自然数，k为自然数，定子极的弧长为定子极距1/2N。
2.根据权利要求1所述五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，其特征在于，所述电枢绕组(3)为10k套，即每个定子极上套有一套电枢绕组，或者为5k套，即定子极上每隔一个定子极套有一套电枢绕组。
3.根据权利要求1所述五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，其特征在于，转子极的弧长等于或者大于定子极的弧长。
4.根据权利要求1所述的五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，其特征在于，有三种基本结构形式，第一种结构形式定子在外侧，为外定子结构，第二种结构形式定子在内侧，为外转子结构，第三种结构形式内外均有定子，转子在中间，为双定子结构。
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