CN102710083B - 混合励磁无刷直流风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机，具体为一种混合励磁无刷直流风力发电机。解决现有无刷直流发电机因励磁或提供励磁电流的结构不合理而无法适用于风力发电的问题。其包括定子和直流电机电枢绕组，转轴，设置于转轴上的主励永磁极和辅励电磁极，还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机和环形直流励磁机的励磁电流供给装置，其中环形直流励磁机包括固定在转轴上环形转子和直流励磁调节器，每个直流励磁调节器包括U形铁心和缠在U形铁心上的励磁线圈。本发明适用于较大面积的风场和多台风电机同时工作的风电场，也可做为电动机，用在大功率，多变速，可调输出力矩的工程设备。

Description

混合励磁无刷直流风力发电机

技术领域

本发明涉及发电机，特别涉及风力发电机，具体为一种混合励磁无刷直流风力发电机。

背景技术

风力发电是最有发展前途的可再生能源形式之一，对于节约能源、保护环境和促进可持续发展具有重要作用。我国风能资源丰富，随着国家对风电产业的政策扶持和政策导向力度的加大，近年来，我国风电市场高速发展。而风力发电机技术是这一可再生能源形式的关键技术，决定了风电电机组向电网供电质量的好坏，因此人们将大量的研究工作放在了风力发电机技术上，风力发电机随着人们的研究经历了几代的变化。

第一代风力发电机是采用鼠笼式异步发电机，定子接电网，叶轮通过变速箱拖动发电机的转子，具有结构简单、使用维护方便、成本低廉等优点，但是需要从电网吸收无功功率，使得电网的功率因数变坏，另外对风速要求也苛刻，可工作风速区间窄。

第二代风力发电机是采用双馈异步发电机。定子接电网，在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。转速变化的时候控制励磁电流的频率、相位，可使定子电流频率稳定。但是双馈异步发电机有滑环和电刷，增加了***维护的工作量和成本。

第三代风力发电机是采用永磁发电机，一般是叶轮直接与发电机的转子连接，叶轮带动转子转动，切割磁感线产生电力。永磁发电机由于是永磁体励磁，没有励磁损耗，结构简单、可靠性高。但是叶轮的转速一般是变化的，所以发电机发出的电压和电流不稳定，这时候需要在发电机的输出侧加上一个大功率的变流器，无疑增加了成本。

上述的现有风力发电机都属于交流发电机，即其电枢绕组都是三相交流对称绕组。目前未见直流发电机（即电枢绕组是直流电机电枢绕组的发电机）用于风力发电的，也未见相关的文献报道。

现有技术中有无刷直流发电机（其电枢绕组为直流电机电枢绕组）。无刷直流发电机的电枢绕组中的感应电势（交变的）是通过整流装置转化成直流电的。直流电机电枢绕组通常有几个电枢绕组，绕组的个数可以是能整除360度电度角的数（包括1），整流时，通常是每个电枢绕组连接一个整流装置，触发控制装置依据转子位置传感器发出的转子位置信号控制各整流装置的导通顺序、导通时刻、导通角度等实现最优的直流输出。

无刷直流发电机的励磁主要有永磁体励磁和励磁绕组励磁（也称电励磁）两种。

由于风力发电机的转子转速是不稳定的，要保证输出电压的稳定，必须要进行励磁调节。永磁体励磁的直流发电机虽然具有效率高等优点，但由于其励磁无法调节而无法用于风力发电。

电励磁的无刷直流发电机可方便地实现励磁调节。其励磁绕组的励磁电流的供给目前有两种方式，一种是连接在电网上的整流装置通过电刷和滑环向励磁绕组提供励磁电流，但是由于电刷和滑环的存在***维护工作量大，电机使用寿命短，同时励磁也容易受到电网电压波动的影响，从而引起输出电压的波动，难以适应风力发电的需求；另一种是在电机转子的转轴上设置与励磁绕组同轴的交流励磁机，交流励磁机通过同样设置于转轴上的整流装置向励磁绕组提供励磁电流，这样***结构复杂，而且整流装置会带来谐波，同时其励磁电流的调节范围相对较小，难以适应风力发电机励磁调节范围大的需求。由于提供励磁电流的结构存在上述问题和缺陷，因此现有的电励磁的无刷直流发电机也不适用于风力发电。

发明内容

本发明解决现有无刷直流发电机因励磁或提供励磁电流的结构存在缺陷而无法适用于风力发电的问题，提供一种混合励磁无刷直流风力发电机。

本发明是采用如下技术方案实现的：混合励磁无刷直流风力发电机，包括定子和定子上的直流电机电枢绕组，转轴，设置于转轴上的主励永磁极，与定子上的直流电机电枢绕组相连的整流装置；转轴上还设有与主励永磁极的磁极数及其磁极安装相位相同（即磁极相对位置确定后磁极位置相同）的辅励电磁极，还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机和设置于定子上或者定子外且其输出的直流电压极性和大小随励磁极（主励永磁极和辅励电磁极，即转子）转速和该发电机的输出电压的变化而可调的环形直流励磁机的励磁电流供给装置，其中环形直流励磁机包括固定在转轴上由环形硅钢片叠成的环形转子和沿定子内壁均匀分布的直流励磁调节器，环形转子的外圈上均匀设置有外层沟槽，环形转子的内圈设置有与外层沟槽一一对应的内层沟槽，每一对应的外层沟槽和内层沟槽缠绕有环形转子电枢绕组，各环形转子电枢绕组首尾串联起来，与辅励电磁极的励磁绕组的输入端连接，环形转子的内圈覆盖并固定有硅钢片的环盖，每个直流励磁调节器包括固定在定子内壁上的U形铁心和缠在U形铁心上的励磁线圈，直流励磁调节器的U形铁心一边***环形转子并贴近覆着于环形转子内圈的环盖，各个直流励磁调节器U形铁心上的励磁线圈串联起来，与环形直流励磁机的励磁电流供给装置的输出端连接，U形铁心上的励磁线圈的绕制及连线方式要保证U形铁心***环形转子的一边为相同磁极性（同为N极或同为S极）。该风力发电机工作时，其转轴（子）被风力拖动，采集风速或磁极（转子）转速、发电机输出电压信号输送给环形直流励磁机的励磁电流供给装置，环形直流励磁机的励磁电流供给装置根据风速、发电机输出电压确定环形直流励磁机励磁电流If的极性和大小，从而确定了辅励电磁极的励磁电流Ia的极性和大小，从而调节发电机的输出电压。当风速较低或者发电机的负荷较大（输出电压较低）时，环形直流励磁机的励磁电流供给装置给环形直流励磁机提供增长的正极性的励磁电流If，环形直流励磁机则输出增长的正极性的励磁电流Ia给辅励电磁极，辅励电磁极将提供和主励永磁极磁通同方向的磁通，以提高直流电机电枢绕组的感应电势，使输出电压提高；当风速较高或者发电机的负荷较小（输出电压较高）时，环形直流励磁机的励磁电流供给装置给环形直流励磁机提供的正极性的励磁电流If减小，从而使辅励电磁极正极性的励磁电流Ia减小，使输出电压减小；当风速特别高或者发电机的负荷特别小，而通过减小辅励电磁极正极性的励磁电流Ia也不足以平稳输出电压时，环形直流励磁机的励磁电流供给装置给环形直流励磁机提供负极性的励磁电流If，环形直流励磁机则输出负极性的励磁电流Ia给辅励电磁极，辅励电磁极将提供和主励永磁极磁通反方向的磁通，以降低直流电机电枢绕组的感应电势。定子上的直流电机电枢绕组经分别整流后得到脉动较小的直流电，逆变后送入电网。其中，覆盖在环形转子内圈的硅钢片的环盖可造成环形转子电枢绕组位于内层沟槽中的导体的磁短路或者使很少的磁力线穿过内层沟槽（造成内层沟槽中的导体不切割或很少切割磁力线），这样环形转子电枢绕组位于外层沟槽中的导体比内层沟槽中的导体所感应的电势多，使每一个环形转子电枢绕组有感应电势输出，便可为辅励电磁极提供直流励磁电流Ia。

从上述的工作过程描述可以看出，所述的环形直流励磁机的励磁电流供给装置是在发电机转轴（子）转速或输出电压与励磁之间构建了一个闭环控制，其作用或功能是采集发电机转轴（子）转速或输出电压信号，并根据转轴（子）转速或输出电压信号输出相应极性及电压的直流电，为环形直流励磁机提供合适励磁，进而使环形直流励磁机为辅助电磁极提供合适的励磁电流，最终达到调节励磁的目的。实现上述功能的环形直流励磁机的励磁电流供给装置的结构（包括硬件和软件结构）是所属领域的技术人员容易实现的，所以本发明对其未作具体结构描述。

为进一步完善结构，各直流励磁调节器U形铁心位于环形转子外的一边上连接有外环盖，并且外环盖将环形转子完全套在里面。这样外环盖与所连接的U形铁心的一边是同样的磁极，目的是为环形转子的外层沟槽中的环形转子电枢绕组提供均匀的磁场，降低感应电压的脉动。

本发明开拓性地在无刷直流发电机（电枢绕组是直流电机电枢绕组）上采用了混合励磁，相比现有的永磁体励磁的无刷直流发电机实现了励磁调节，使其能够用于风力发电；相比现有电励磁的无刷直流发电机，混合励磁增大了励磁的调节范围，更加适合风力发电转子转速变化大的需求，同时由于电励磁只是起到辅助励磁和调节励磁的作用，从而大大降低了电网电压的波动对励磁、进而对发电机输出电压的影响；更关键的是本发明在辅励电磁极的励磁电流提供装置中创造性地采用了全新结构设计的环形直流励磁机，该环形直流励磁机可直接输出直流电（即该环形直流励磁机的电枢绕组中的感应电势为直流感应电势）为辅助电磁极提供励磁电流，克服了现有电励磁的无刷直流发电机因电刷滑环结构、同轴设置整流装置所带来的缺陷和问题，使其更加安全可靠地适用于风力发电。

另一种结构的混合励磁无刷直流风力发电机，包括定子和定子上的直流电机电枢绕组，转轴，设置于转轴上的主励永磁极，与定子上的直流电机电枢绕组相连的整流装置；转轴上还设有与主励永磁极的磁极数及其磁极安装相位相同（即磁极相对位置确定后磁极位置相同）的辅励电磁极，还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机和设置于定子上或者定子外且其输出的直流电压极性和大小随励磁极（主励永磁极和辅励电磁极，即转子）转速和该发电机的输出电压的变化而可调的环形直流励磁机的励磁电流供给装置，其中环形直流励磁机包括固定在转轴上盘状环形转子和沿定子内壁均匀分布的直流励磁调节器，盘状环形转子的左侧端面均布开设有左沟槽，盘状环形转子的右侧端面开设有与左沟槽一一对应的右沟槽，每一对应的左沟槽和右沟槽缠绕有盘状环形转子电枢绕组，各盘状环形转子电枢绕组首尾串联起来，与辅励电磁极的励磁绕组的输入端连接，盘状环形转子的一侧端面覆盖并固定有硅钢片的环盖，每个直流励磁调节器包括固定在定子内壁上的U形铁心和缠在U形铁心上的励磁线圈，直流励磁调节器的U形铁心的两边分别位于盘状环形转子的两端并分别贴近覆着于盘状环形转子一侧端面上的环盖和另一侧端面，各个直流励磁调节器U形铁心上的励磁线圈串联起来，与环形直流励磁机的励磁电流供给装置的输出端连接，U形铁心上的励磁线圈的绕制及连线方式要保证U形铁心位于盘状环形转子同一侧的边为相同磁极性（同为N极或同为S极）。该结构的混合励磁无刷直流风力发电机与前一种属于一个总的发明构思，其工作过程与前一种完全相同，区别仅在于环形直流励磁机的转子结构不同。同样地，覆盖在盘状环形转子一侧端面的硅钢片的环盖可造成盘状环形转子电枢绕组位于被环盖覆盖的沟槽中（右沟槽）的导体的磁短路或者使很少的磁力线穿过该被覆盖的沟槽（造成该被覆盖的沟槽中的导体不切割或很少切割磁力线）。同样地，为进一步完善结构，各直流励磁调节器U形铁心位于盘状环形转子没有覆盖环盖一侧的边上连接有外环盖，并且外环盖将盘状环形转子的盘面全部覆盖，这样外环盖与所连接的U形铁心的一边是同样的磁极，目的是为盘状环形转子贴近外环盖的盘状环形转子电枢绕组提供均匀的磁场，降低感应电压的脉动。

本发明所述的混合励磁无刷直流风力发电机相比现有技术具有如下优点：

1、控制设备简单，比现有交流风力发电机变频电子设备少三分之一，更可靠；

2、风速范围广，如每秒二米至二十五米；图7是输出功率一定时，通过调节励磁发电机出口电压和转子转速之间的变化曲线，可以看出在较大的转速（风速）变化范围内，通过调节励磁可使输出电压保持平稳，也说明该发电机具有较宽的励磁调节范围。

3、减少了现有交流风力发电机的无功45%，减低损耗20%以上。

4、易于实现多台、不同风速运转中的发电机并网联机，由微电网集中变频后接入大电网。

5、提高了直流变交流设备前的功率储备，改善电流波形。

6、有极强的低电压穿越能力和风电机电压自恢复容量。

7、由于减少发电机相关元件和简化结构，提高了电机的运行可靠性，克服了现有无刷直流发电机维护不方便、成本高或者结构复杂的问题。

本发明所述的混合励磁无刷直流风力发电机对电机结构进行了全新调整和研究，其工作方式更灵活、对电源要求更弹性、速度可以无级变化和损耗相对最小，它对于提高风电机电力的质量，经济性和可靠性，有很大的意义。它可以适用于较大面积的风场和多台风电机同时工作的风电场，并可让转速不同的风电机并网运行，是风力发电工程中继感应发电机，双馈发电机和永磁同步发电机后的又一种全新的风电机。

本发明具有工作稳定,结构简单和可靠,节能,运行损耗小,适宜宽风速范围工作,输出电压稳定等一系列特点；本电机也可做为电动机，用在大功率，多变速，可调输出力矩的工程设备。也可适用如多变速动力源发电的中小发电机***,如飞机,船舶,汽车等。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为图1中环形直流励磁机的结构示意图；

图3为图2的左视图；

图4为本发明的另一种结构示意图；

图5为图4中的环形直流励磁机的结构示意图；

图6为图5的左视图（无U形铁心）；

图7为输出功率一定时，通过调节励磁发电机出口电压和转子转速之间的变化曲线。

图中：1－定子，2－转轴，3－主励永磁极，4－辅励电磁极，5－环形直流励磁机，6－环形直流励磁机的励磁电流供给装置，7－环形转子，8－外层沟槽，9－内层沟槽，10－环形转子电枢绕组，11－环盖，12－U形铁心，13－励磁线圈，14－转子位置传感器，15－外环盖，16－盘状环形转子，17－左沟槽，18－右沟槽，19－盘状环形转子电枢绕组。

具体实施方式

实施例1

混合励磁无刷直流风力发电机，包括定子1和定子上的直流电机电枢绕组，转轴2，设置于转轴2上的主励永磁极3，与定子上的直流电机电枢绕组相连的整流装置；转轴2上还设有与主励永磁极3的磁极数及其磁极安装相位相同（即磁极相对位置确定后磁极位置相同）的辅励电磁极4，还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机5和设置于定子上或者定子外且其输出的直流电压极性和大小随励磁极（主励永磁极和辅励电磁极，即转子）转速和该发电机的输出电压的变化而可调的环形直流励磁机的励磁电流供给装置6，其中环形直流励磁机包括固定在转轴2上由环形硅钢片叠成的环形转子7和沿定子内壁均匀分布的直流励磁调节器，环形转子7的外圈上均匀设置有外层沟槽8，环形转子7的内圈设置有与外层沟槽一一对应的内层沟槽9，每一对应的外层沟槽和内层沟槽缠绕有环形转子电枢绕组10，各环形转子电枢绕组首尾串联起来，与辅励电磁极4的励磁绕组的输入端连接，环形转子7的内圈覆盖并固定有硅钢片的环盖11，每个直流励磁调节器包括固定在定子内壁上的U形铁心12和缠在U形铁心上的励磁线圈13，直流励磁调节器的U形铁心一边***环形转子并贴近覆着于环形转子内圈的环盖11，各个直流励磁调节器U形铁心上的励磁线圈13串联起来，与环形直流励磁机的励磁电流供给装置6的输出端连接，U形铁心上的励磁线圈的绕制及连线方式要保证U形铁心***环形转子的一边为相同磁极性（同为N极或同为S极）。具体实施时，与现有技术一样，在定子1上设置有转子位置传感器14。所述的主励永磁极3可采用铁氧体或稀土永磁材料制作的磁极。U形铁心12可采用专门的连接件与定子固定，或者直接与定子固定。

进一步地，各直流励磁调节器U形铁心12位于环形转子外的一边上连接有外环盖15（显然，转轴2要穿过外环盖15，转轴才能正常旋转），并且外环盖15将环形转子7完全套在里面。

实施例2

混合励磁无刷直流风力发电机，包括定子1和定子上的直流电机电枢绕组，转轴2，设置于转轴上的主励永磁极3，与定子上的直流电机电枢绕组相连的整流装置；转轴2上还设有与主励永磁极3的磁极数及其磁极安装相位相同（即磁极相对位置确定后磁极位置相同）的辅励电磁极4，还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机5和设置于定子上或者定子外且其输出的直流电压极性和大小随励磁极（主励永磁极和辅励电磁极，即转子）转速和该发电机的输出电压的变化而可调的环形直流励磁机的励磁电流供给装置6，其中环形直流励磁机5包括固定在转轴上盘状环形转子16和沿定子内壁均匀分布的直流励磁调节器，盘状环形转子的左侧端面均布开设有左沟槽17，盘状环形转子的右侧端面开设有与左沟槽一一对应的右沟槽18，每一对应的左沟槽和右沟槽缠绕有盘状环形转子电枢绕组19，各盘状环形转子电枢绕组首尾串联起来，与辅励电磁极4的励磁绕组的输入端连接，盘状环形转子16的一侧端面覆盖并固定有硅钢片的环盖11，每个直流励磁调节器包括固定在定子内壁上的U形铁心12和缠在U形铁心上的励磁线圈13，直流励磁调节器的U形铁心的两边分别位于盘状环形转子的两端并分别贴近覆着于盘状环形转子一侧端面上的环盖11和另一侧端面，各个直流励磁调节器U形铁心上的励磁线圈13串联起来，与环形直流励磁机的励磁电流供给装置6的输出端连接，U形铁心上的励磁线圈的绕制及连线方式要保证U形铁心位于盘状环形转子同一侧的边为相同磁极性（同为N极或同为S极）。具体实施时，与现有技术一样，在定子1上设置有转子位置传感器14。所述的主励永磁极3可采用铁氧体或稀土永磁材料制作的磁极。

进一步地，各直流励磁调节器U形铁心12位于盘状环形转子16没有覆盖环盖一侧（覆盖有环盖的一侧的相对侧）的边上连接有外环盖15（显然，转轴2要穿过外环盖15，转轴才能正常旋转），并且外环盖15将盘状环形转子16的盘面全部覆盖。

Claims (4)

1.一种混合励磁无刷直流风力发电机，包括定子（1）和定子上的直流电机电枢绕组，转轴（2），设置于转轴（2）上的主励永磁极（3），与定子上的直流电机电枢绕组相连的整流装置；其特征在于，转轴（2）上还设有与主励永磁极（3）的磁极数及其磁极安装相位相同的辅励电磁极（4），还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机（5）和设置于定子上或者定子外且其输出的直流电压极性和大小随主励永磁极和辅励电磁极转速和该发电机的输出电压的变化而可调的环形直流励磁机的励磁电流供给装置（6），其中环形直流励磁机包括固定在转轴（2）上由环形硅钢片叠成的环形转子（7）和沿定子内壁均匀分布的直流励磁调节器，环形转子（7）的外圈上均匀设置有外层沟槽（8），环形转子（7）的内圈设置有与外层沟槽一一对应的内层沟槽（9），每一对应的外层沟槽和内层沟槽缠绕有环形转子电枢绕组（10），各环形转子电枢绕组首尾串联起来，与辅励电磁极（4）的励磁绕组的输入端连接，环形转子（7）的内圈覆盖并固定有硅钢片的环盖（11），每个直流励磁调节器包括固定在定子内壁上的U形铁心（12）和缠在U形铁心上的励磁线圈（13），直流励磁调节器的U形铁心一边***环形转子并贴近覆着于环形转子内圈的环盖（11），各个直流励磁调节器U形铁心上的励磁线圈（13）串联起来，与环形直流励磁机的励磁电流供给装置（6）的输出端连接，U形铁心（12）上的励磁线圈的绕制及连线方式要保证U形铁心***环形转子的一边为相同磁极性。

2.根据权利要求1所述的混合励磁无刷直流风力发电机，其特征在于，各直流励磁调节器U形铁心（12）位于环形转子外的一边上连接有外环盖（15），并且外环盖（15）将环形转子（7）完全套在里面。

3.一种混合励磁无刷直流风力发电机，包括定子（1）和定子上的直流电机电枢绕组，转轴（2），设置于转轴上的主励永磁极（3），与定子上的直流电机电枢绕组相连的整流装置；其特征在于，转轴（2）上还设有与主励永磁极（3）的磁极数及其磁极安装相位相同的辅励电磁极（4），还包括辅励电磁极的励磁电流提供装置，辅励电磁极的励磁电流提供装置包括环形直流励磁机（5）和设置于定子上或者定子外且其输出的直流电压极性和大小随主励永磁极和辅励电磁极转速和该发电机的输出电压的变化而可调的环形直流励磁机的励磁电流供给装置（6），其中环形直流励磁机（5）包括固定在转轴上的盘状环形转子（16）和沿定子内壁均匀分布的直流励磁调节器，盘状环形转子的左侧端面均布开设有左沟槽（17），盘状环形转子的右侧端面开设有与左沟槽一一对应的右沟槽（18），每一对应的左沟槽和右沟槽缠绕有盘状环形转子电枢绕组（19），各盘状环形转子电枢绕组首尾串联起来，与辅励电磁极（4）的励磁绕组的输入端连接，盘状环形转子（16）的一侧端面覆盖并固定有硅钢片的环盖（11），每个直流励磁调节器包括固定在定子内壁上的U形铁心（12）和缠在U形铁心上的励磁线圈（13），直流励磁调节器的U形铁心的两边分别位于盘状环形转子的两端并分别贴近覆着于盘状环形转子一侧端面上的环盖（11）和另一侧端面，各个直流励磁调节器U形铁心上的励磁线圈（13）串联起来，与环形直流励磁机的励磁电流供给装置（6）的输出端连接，U形铁心上的励磁线圈的绕制及连线方式要保证U形铁心位于盘状环形转子同一侧的边为相同磁极性。

4.根据权利要求3所述的混合励磁无刷直流风力发电机，其特征在于，各直流励磁调节器U形铁心（12）位于盘状环形转子（16）没有覆盖环盖一侧的边上连接有外环盖（15），并且外环盖（15）将盘状环形转子（16）的盘面全部覆盖。

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