CN102195370A - 漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机*** - Google Patents

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Abstract

漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，涉及一种漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***。本发明解决了现有永磁发电机***存在的控制复杂、可靠性低的问题。本发明所述***中的三相永磁同步发电机的转子极数为10n；定子的两套三相绕组之间的相位差为30°电角度；定子铁心的槽数为12n，两套三相绕组均为集中绕组，组成每套三相绕组的6n个线圈沿圆周均匀分布缠绕在电枢铁心齿上，匝数多的一套绕组嵌放在槽的底层，匝数少的另一套绕组嵌放在槽的上层，上层绕组与下层绕组之间为漏抗调节片；每套三相绕组的输出端连接一个三相整流器的交流输入端，两个三相整流器的直流输出端并联或串联之后接到公共直流母线上。本发明适用于风力发电***。

Description

漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***
技术领域
本发明涉及一种漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，属于电机领域。
背景技术
永磁电机作为发电机，由于省去励磁绕组和容易出现故障的集电环和电刷，具有很多优点：结构简单、加工和装配费用减小、运行更为可靠等等。稀土永磁发电机具有体积小、质量轻、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点；同时，由于处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。因此，小型风力发电机基本上都采用永磁同步发电机。
在风力发电***中，由于风速的变化范围很大，使得风力发电机(特别是永磁发电机)的输出电压在很大范围内波动。因此，小型发电机往往不能直接与负载相连，而是利用整流器将电枢绕组中的交流电压、电流变换成直流电压、电流，给蓄电池充电，将电能储存起来，通过蓄电池给负载供电参见图5所示；还可以通过一个可控的整流调节器，使发电机同时给负载和蓄电池供电。
但是，目前离网型风力发电***存在的主要问题是不能进行最大风能捕获，无法实现最大功率控制，风力机低速时发电机不能进行电能输出；即使能够实现最大功率控制，也存在控制复杂、技术难度大、成本高、可靠性低等问题。
发明内容
为了解决现有永磁发电机***存在的控制复杂、可靠性低的问题，本发明提出一种漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***。
本发明所述的一种漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***由一台三相永磁同步发电机和两个三相整流器构成，所述三相永磁同步发电机包括定子、转子和气隙，所述转子由永磁体、转子轭和转轴构成，转子极数为10n；所述定子由铁心和两套三相绕组构成，所述两套三相绕组之间的相位差为30°电角度；所述定子铁心的槽数为12n，n为正整数，所述两套三相绕组均为集中绕组，每套三相绕组由6n个线圈构成，每套三相绕组中的6n个线圈沿圆周均匀分布缠绕在电枢铁心齿上，即每隔一个齿缠绕一个线圈；两套绕组的匝数不同，匝数多的一套绕组嵌放在槽的底层，匝数少的另一套绕组嵌放在槽的上层，即靠近槽口侧，上层绕组与下层绕组之间设置有由磁性材料构成的漏抗调节片；每套三相绕组的输出端连接一个三相整流器的交流输入端，两个三相整流器的直流输出端并联或串联之后，接到公共直流母线上。
本发明所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***属于宽转速范围输出永磁风力发电机***，该种发电机***的工作原理为：
对于由双绕组发电机和两个整流器构成的宽转速范围输出永磁发电机***，由于发电机中的两套绕组的匝数不同，匝数多的绕组的反电势高于匝数少的绕组的反电势。发电机的转速较低时，匝数多的绕组就会有功率输出，随着发电机转速的升高，匝数多的绕组输出功率和电流也会增大，但是由于匝数多的绕组的线圈边所在槽的槽口宽度小、槽口高度高，因此，匝数多的绕组的漏抗大，抑制了高速时的输出电压增大，从而限制了高速时的输出功率，保证其不会因电流超过限制值而损坏。匝数少的绕组只有发电机高速时才会有输出，并且由于匝数少的绕组的漏抗小，因此匝数少的绕组可以输出大电流、高功率。
图4是发电机***的功率输出特性。从图中可以看出，***总的输出功率曲线与风力机的最大输出功率曲线相接近，因此该发电***能够与风力机的特性相适应，能够实现最大风能的自动跟踪，可以有效地提高发电机速度变化时的机电能量转换能力。本发明可广泛应用于车辆发电、风力发电、小水力发电等变速发电领域。
本发明通过采用特殊的电枢结构，使绕组漏抗随输出电流大小可变，从而限制绕组的输出功率，利用两套绕组的合成输出，实现了从低速到高速的发电机输出功率跟随，增强了发电机的机电能量转换效率；另外，由两套绕组永磁同步发电机和两个整流器构成发电机***，通过绕组的合理布置，还能够使绕组中的5次、7次等高次谐波电流相互抵消，使电枢磁动势呈正弦化。
本发明所述的永磁发电机***具在继承普通永磁同步风力发电机的结构简单、振动和噪声低、效率高、输出电压脉动小、过载能力强、可靠性高、制造成本低等优点的基础上，实现了风力发电***的最大风能自动跟踪控制，大大提高了风速变化条件下风能转换为电能的能力。
附图说明
图1是本发明所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的电气原理图，图2是具体实施方式二所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中的永磁电机的结构示意图，图3是具体实施方式四所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中的永磁电机的结构示意图，图4是永磁发电机***的曲线图，其中曲线11表示风力最大输出功率与发电机输入功率相等的情况，曲线12表示永磁发电机的总输出功率，曲线13表示匝数多的绕组2的输出功率，图5是现有小型风力发电***的电气原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、本实施方式所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，由一台三相永磁同步发电机和两个三相整流器构成，所述三相永磁同步发电机包括定子、转子和气隙，所述转子由永磁体6、转子轭7和转轴构成，转子极数为10n；所述定子由铁心1和两套三相绕组构成，所述两套三相绕组之间的相位差为30°电角度；所述定子铁心1的槽数为12n，n为正整数，所述两套三相绕组均为集中绕组，每套三相绕组由6n个线圈构成，每套三相绕组中的6n个线圈沿圆周均匀分布缠绕在电枢铁心齿4上，即每隔一个齿缠绕一个线圈；两套绕组的匝数不同，匝数多的一套绕组2嵌放在槽的底层，匝数少的另一套绕组3嵌放在槽的上层，即靠近槽口侧，上层绕组与下层绕组之间设置有由磁性材料构成的漏抗调节片5；每套三相绕组的输出端连接一个三相整流器的交流输入端，两个三相整流器的直流输出端并联或串联之后，接到公共直流母线上。
参见图1所示，是本实施方式所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的原理示意图。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的进一步限定，本实施方式中的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中的漏抗调节片5为平板形，该平板形的漏抗调节片5位于其所在槽的径向中间位置，并将所在槽分成内外两部分，所述调节片的轴向长度小于其所在槽内的绕组的轴向两端之间的距离。
参见图2所示，是n＝1的时候，本实施方式所述的永磁发电机的结构示意图，该永磁发电机的定子槽数为12槽，转子极数为10极，因此相邻两个定子槽之间相差的电角度为150°，即(-30°)，绕组为集中绕组，每套绕组由6个线圈构成，每个线圈都绕在电枢铁心齿4上，每隔一个齿绕一个线圈。第2套绕组2匝数多位于槽的下层，即：远离槽口侧；及嵌放在槽的下层6个线圈分别为a1x1、b1y1、c1z1、a2x2、b2y2、c2z2，依次沿圆周在定子铁心齿4上排列，其中a1x1与a2x2串联，b1y1与b2y2串联，c1z1与c2z2串联，这6个线圈构成第2套绕组；第1套绕组3匝数少，位于槽的上层，即：临近槽口侧，6个线圈分别为A1X1、B1Y1、C1Z1、A2X2、B2Y2、C2Z2，依次沿圆周在定子铁心齿4上排列，其中A1X1与A2X2串联，B1Y1与B2Y2串联，C1Z1与C2Z2串联，这6个线圈构成第1套绕组。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的进一步限定，本实施方式中的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中的漏抗调节片5为瓦片形，所述瓦片形的调节片位于其所在槽的径向中间位置，并将所在槽分成内外两部分，所述调节片的轴向长度小于其所在槽内的绕组轴向两端之间的距离。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的进一步限定，本实施方式中的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中，在电枢齿中间沿径向开有轴向通槽，该通槽中嵌放有薄板8。所述薄板8选择电阻率低的材料。
参见图3所示，是当n＝2时，本实施方式所述的永磁发电机的结构示意图。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的进一步限定，本实施方式中的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中的两套三相绕组为星形联结、三角形联结或星形与三角形混合联结。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的进一步限定，本实施方式所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中的转子为内嵌永磁体结构、外插永磁体结构或表面永磁体结构。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***的进一步限定，本实施方式所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***中，所述三相整流器既可是不可控整流器，还可以是由功率半导体器件构成的可控整流器。
本实施方式所述的功率半导体器件可以选择MOSFET或IGBT等。

Claims (8)

1.漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，由一台三相永磁同步发电机和两个三相整流器构成，所述三相永磁同步发电机包括定子、转子和气隙，其特征在于，所述转子由永磁体(6)、转子轭(7)和转轴构成，转子极数为10n；所述定子由铁心(1)和两套三相绕组构成，所述两套三相绕组之间的相位差为30°电角度；所述定子铁心(1)的槽数为12n，n为正整数，所述两套三相绕组均为集中绕组，每套三相绕组由6n个线圈构成，每套三相绕组中的6n个线圈沿圆周均匀分布缠绕在电枢铁心齿(4)上，即每隔一个齿缠绕一个线圈；两套绕组的匝数不同，匝数多的一套绕组(2)嵌放在槽的底层，匝数少的另一套绕组嵌放在槽的上层，即靠近槽口侧，上层绕组与下层绕组之间设置有由磁性材料构成的漏抗调节片(5)；每套三相绕组的输出端连接一个三相整流器的交流输入端，两个三相整流器的直流输出端并联或串联之后，接到公共直流母线上。
2.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，所述漏抗调节片(5)为平板形，该平板形的漏抗调节片(5)位于其所在槽的径向中间位置，并将所在槽分成内外两部分，所述调节片的轴向长度小于其所在槽内的绕组的轴向两端之间的距离。
3.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，所述漏抗调节片(5)为瓦片形，所述瓦片形的调节片位于其所在槽的径向中间位置，并将所在槽分成内外两部分，所述调节片的轴向长度小于其所在槽内的绕组轴向两端之间的距离。
4.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，在电枢齿中间沿径向开有轴向通槽，该通槽中嵌放有薄板(4)。
5.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，所述两套三相绕组为星形联结、三角形联结或星形与三角形混合联结。
6.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，所述转子为内嵌永磁体(6)结构、外插永磁体(6)结构或表面永磁体(6)结构。
7.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，所述三相整流器为不可控整流器。
8.根据权利要求1所述的漏抗可变宽转速范围输出永磁发电机***，其特征在于，所述三相整流器为由功率半导体器件构成的可控整流器。
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