CN103098356B - 滑差永磁体机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能转换***（11），尤其适用于风能转换***。该***包括两个磁分离的永磁体机构（25、27），两个永磁体机构（25、27）由容纳永磁体（39）的自由旋转转子（19）联接。第一机构通常是同步发电机，第二机构通常是感应发电机。同步发电机（25）具有连接到诸如电网的电力***的固定定子（21），感应发电机（27）具有连接到诸如风力涡轮机的机械驱动***的转子（17）。

Description

滑差永磁体机构

技术领域

本发明涉及永磁体激励的机构和***。本发明具体，但不限于，涉及通常在风力发电机中使用的永磁体感应发电机。

背景技术

如本领域所公知的，感应发电机（IG）是一种在机械和电学上与多相感应电动机（IM）类似的发电机。当IG的轴旋转地比等效的IM的同步频率更快时，IG就产生电功率。IG通常用于能量转换***或风力涡轮机以及微型水设施，这是因为IG可以通过最低限度地改变转子速度来产生有效功率。IG通常还在机械和电学上比其他类型发电机更简单。IG还可以更加坚固并且不需要电刷或换向器。

但是，IG不是自激励的，这意味着它们需要外部电源来产生旋转磁通。一旦IG开始产生功率，可以由电网或发电机自身来提供外部电源。来自定子的旋转磁通可以在转子中感应出电流，接着产生磁场。如果转子转动地比旋转磁通率更慢，机构就像感应电动机一样工作。如果转子转动地更快，装置就用作发电机，以同步频率产生功率。

在大多数IG中，在独立***的情况下，通过连接到机构的电容器组来产生磁通。在连接电网的***中，IG从电网中获得磁化电流。IG适用于风能转换***，这是因为在这些应用中，速度总是可变因素。

内激励的永磁体感应发电机（PMIG)的原理是已知的。这种发电机按照附加的自由旋转永磁体（PM）转子与常规感应转子相结合的原理运行，其中常规感应转子设置在感应转子和定子之间。PM转子在机构内部提供磁通，因此不需要磁化电流，进而在总体上改进机构的功率因数。

当前市场上最常见的风能转换***利用复杂的变速箱和高速的IM的组合。这些***通常直接连接到电网，这可以通过能够滑动的IM来实现，因此实现了软联网。

低速永磁体同步机构（PMSM）可替代地用于风能转换***布局和设计中。图1中示出了通常的传动链的布局。传动链可以表示为感应机构或者同步机构。例如如果省略齿轮箱，传动链可以表示为PMSM，如果省略转换器，传动链可以表示为感应机构。PMSM还可以基于全频电子功率转换器来改变所产生功率的电压电平和频率，因此使其直接连接到电网中。在下文中，术语功率转换器指的是全频电子功率转换器。不使用齿轮箱的***（例如所示的***）被称为直接驱动***。

更多变型，例如经常在风力涡轮机产业中使用的双馈感应发电机（DFIG）、PMSM和齿轮箱的组合、或IM和转换器的组合，经常在某些市场中以有限的规模（即，主要是公用规模）使用。就申请人所知，当前使用的风力涡轮机***通常包括与齿轮箱和/或功率转换器协同操作的发电机。

因为最常用的风力涡轮机通常以低转速操作，所以齿轮箱是必需的以便与高速IM一起使用。在没有各种转换器的情况下，IM只能作为高速设备，这是因为低速且直接联网的感应机构的磁化电流的大量增加。另一方面，虽然PMSM可以在低转速下有效地操作，但是不能直接连接到风能转换***中的电网中。

在传统风能转换***中使用的齿轮箱和功率转换器在机械上是复杂的、昂贵的、经常维修的设备，这增加了整体***的总成本。齿轮箱还使整个***的规模和损耗增加，例如由于热量和噪音。另一方面，功率转换器是复杂的且昂贵的电敏感***。

图2中示出了通常的PMIG的布局。PMIG包括普通定子、感应式鼠笼转子、和附加的自由旋转PM转子，该PM转子位于感应机构的定子和鼠笼转子之间或在鼠笼转子的内部（或鼠笼转子的外部），如图3所示。当用于风力涡轮机中时，由风力涡轮机转子提供给发电机的机械轴功率被传送到鼠笼式感应转子，同时PM转子在其自身轴上自由地且独立地旋转。PM转子在发电机内部提供磁通，并且在如图4的等效电路布局中所示的定子绕组中感应电压。原则上，这减少了磁化电流并且改进了机构的功率因数。这种发电机通常使用标准定子和鼠笼式转子绕组。但是，已经发现，在PM转子和定子或转子之间存在齿槽（转矩）效应。齿槽效应使PM转子相对于定子铁芯或鼠笼式转子铁芯锁止，这在低滑差（slip）速度下产生不稳定性。

在风力或其他发电机应用中使用PMIG是非常诱人的，因为可以避免使用齿轮箱或用于并网的功率转换器。因此，该设备是直接驱动、直接联网的风能转换器，这是非常吸引人的设计。尽管存在这些明显的优点，但是据本申请人所知，目前还没有PMIG风力发电机被使用或测试。主要原因在于机构的构造非常困难。

发明目的

本发明的目的在于提供一种至少部分克服上述缺陷的永磁体感应发电机。

发明内容

根据本发明，提供了一种电能转换***，包括：两个永磁体机构，两个永磁体机构的第一永磁体机构具有与电力***连接的固定的定子，两个永磁体机构的第二永磁体机构具有与机械***连接的转子，所述***的特征在于：两个永磁体机构通过用于容纳永磁体（39）并自由转动的转子（19）联接，并且被彼此磁分离。

根据本发明的进一步特征，永磁体机构是发电机，优选地，第一永磁体机构是同步发电机，第二永磁体机构是感应发电机，感应发电机的转子是鼠笼式转子。

根据本发明的又一特征，自由转动的转子包括至少两个转子部分，每个转子部分都具有绕其外周间隔开的一组永磁体，自由转动的转子具有模块化结构，并且转子部分彼此可拆卸地固定，因此，当转子部分彼此固定时，两个永磁体机构结合操作，当转子部分彼此脱离时，两个永磁体机构单独操作。

根据本发明的又一特征，当两个永磁体机构结合操作时，两个永磁体机构绕轴以同轴对齐的方式端对端地安装。自由转动的转子与感应发电机的转子同步地旋转，感应电动机相对于同步转动的永磁体转子（19）以滑差速度运行。

根据本发明的又一特征，两组永磁体被机械地联接，以便一起旋转，在第一转子部分上的一组永磁体被配置成激励同步发电机的固定的定子上的线圈，在第二转子部分上的一组永磁体被配置成激励感应发电机的转子的线圈。第一转子部分以同轴对齐的方式可拆卸地固定到第二转子部分。

根据本发明的又一特征，感应发电机的转子是具有非重叠转子条绕组的感应型鼠笼式转子；感应型鼠笼式转子具有集中绕组和双层绕组。电能转换***被集成入具有转子叶片的风力涡轮机中，风力涡轮机固定到感应发电机的所述转子上。电能转换***是直接驱动的直接联网的***。

本发明还提供了一种电能转换***，包括两个转子和定子，两个转子的第一转子是感应型的鼠笼式转子，两个转子的第二转子是自由旋转的永磁体转子，自由旋转的永磁体转子包括两个同轴对齐的、磁分离的转子部分，每个转子部分都具有绕其外周间隔开的一组永磁体，转子部分被设置成使得第一转子部分上的一组永磁体激励定子上的线圈，第二转子部分上的一组永磁体激励感应型鼠笼式转子上的线圈。本发明还提供了一种包括本发明的电能转换***的风力涡轮机。

附图简要说明

图1是通常的风力涡轮机传动链的电学布局；

图2是通常的永磁体感应发电机（PMIG）的电学布局；

图3是通常耦合的永磁体感应发电机的截面图；

图4是图3的永磁体感应发电机的等效电路布局；

图5是根据本发明的分离式永磁体感应发电机；

图6是根据本发明的分离式永磁体感应发电机的截面图；

图7示出了（a）IG和（b）SG的稳态dq等效电路和矢量图；

图8是（a）双层IG、（b）单层IG和（c）单层SG的截面图和FE槽；

图9是图5和6的分离式永磁体感应发电机的等效电路；

图10是示出根据本发明在感应发电机中相对于磁体节距和槽开度的齿槽转矩灵敏度的三维图表；

图11是示出图10的图表中的齿槽转矩和磁体节距的二维图表；

图12是示出根据本发明的平均转矩相对于磁体节距变化的图表；

图13是示出通过设计优化和齿槽转矩最小化实现的机构尺寸的表格；

图14是示出根据本发明的IG的dq电感相对于dq电流的图表；

图15是示出根据本发明的齿槽转矩和全负载转矩壁动相对于转子位置的图表；

图16是示出根据本发明的机构中转矩相对于滑差百分比的图表；

图17是示出对于负载转矩的范围根据本发明的机构的效率百分比的图表；

图18是示出根据本发明的机构中相对于负载的无功功率变化的图表；以及

图19是实验室测得的根据本发明的机构中在低电网电压条件下SG的朝前电流的图表。

具体实施方式

本实施例中的电能转换***（11）还称作分离式永磁体感应发电机（“SPMIG”），如图5和图6所示，其通常包括具有一组转子叶片（15）的风力涡轮机（13）、感应型鼠笼式转子(17)、常用永磁体（PM）转子（19）、和联网定子（21）。

S-PMIG（11）被电-磁地分成两个PM发电机（25和27），该两个PM发电机（25和27）通过自由旋转的模块化PM转子（19）联接。第一发电机（25）是同步发电机（SG），其固定的定子（21）电连接到电网。第二发电机（27）操作为感应发电机（IG），并且其短路转子（17）连接到涡轮机（13）上，涡轮机（13）相对于同步旋转的PM转子（19）以滑差速度运行。IG转子（17）通过安装板（29）连接到涡轮机（13）上。

PM转子（19）包括两个同轴固定的转子壳（31和33)，每个转子壳都具有一组永磁体（39），这些永磁体在转子壳的内表面上绕转子壳的外周间隔开。第一转子壳（31）与SG（25）一起操作，第二转子壳（33）与IG（27）一起操作。IG(27）的PM转子（33）安装在SG（25）的PM转子（31）上，而IG（27）的非重叠的转子条绕组和轴（35）安装在安装板（29）上；在单层非重叠转子条绕组的情况下，短路单匝转子条线圈可以被单独地制造，并且然后***转子槽中。应当理解，安装板（29）还可以用作转子（17）的短路导体。

因此，电磁分离的PMIG可以被模制成两个分离的解耦机构（如从图9所示的每相等效电路中可以清楚地看出）。在两个机构上的每相感应电压是由旋转的PM转子（19）所引起的。在SG（25）的情况下，在定子（21）中以电网频率感应电压，并且在IG（27）的情况下，在感应转子（17）中以滑差频率感应电压。在操作期间，涡轮机（13）的旋转功率被机械地传送到感应转子（17）和被磁性地传送到PM转子（19），从PM转子（19）处，旋转功率再次被磁性地传送到SG定子（21），然后传送到电网。

在SG（25）和IG（27）中使用非重叠绕组。应当理解，这样在减小嵌齿效应和负载转矩波动方面具有极大的优势。此外，可以减少线圈数量。低齿槽转矩是至关重要的，因为除了别的之外，它影响自由旋转的PM转子（19）的稳定性（尤其在低滑差速度的情况下）。

显然，IG（27）可以被完全移除，风力涡轮机（13）直接安装在SG的安装板（37）上。然后，发电机（11）将仅是常规的的直接驱动的PM风力发电机。

应当注意，IG转子（17）的轴向长度比SG定子（21）的更短，二者都处于相同的额定功率；下面将讨论这种设计优化的结果。

下文中的S-PMIG的设计优化和性能评价都是在稳定状态下且在固定于转子的dq参考坐标系中实现。IG（27）和SG（25）的稳态dq公式分别由公式（1）和公式（2）给出（流出正向电流）：

$\begin{array}{c}0=-I_{\mathrm{qr}}{R}_r-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}{L}_{\mathrm{dr}}{I}_{\mathrm{dr}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mr}}\\ 0=-I_{\mathrm{dr}}{R}_r+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}{L}_{\mathrm{qr}}{I}_{\mathrm{qr}}\end{array}---\left(1\right);$ $\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{qs}}={-I}_{\mathrm{qs}}{R}_s-{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{ds}}{I}_{\mathrm{ds}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ms}}\\ V_{\mathrm{ds}}={-I}_{\mathrm{ds}}{R}_s+{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{qs}}{I}_{\mathrm{qs}}\end{array},---\left(2\right)$

其中，ω_sl是电滑差速度，ω_sl＝ω_t-ω_s，ω_t是涡轮机速度，ω_s=2πf，是同步速度，以及其中，下标“r”表示IG转子（27）并且下标“s”表示SG定子（21）。

负载角Δ、电流角α和SG的功率因数角θ=Δ-α_s都定义在图7的矢量图中。在公式（3）至（6）中给出了电压、电流和铜耗的大体关系：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{qs}}\\ V_{\mathrm{ds}}\end{array}\right]=\sqrt{2}{V}_{\mathrm{rms}}\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\Δ}\\ \sin \mathrm{\Δ}\end{array}\right];$ $\left[\begin{array}{c}{I}_q\\ I_d\end{array}\right]=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{rms}}\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\α}\end{array}\right].\left(3\right)$

$V_{\mathrm{qs}}^2+V_{\mathrm{ds}}^2={2V}_{\mathrm{rms}}^2,[V_{\mathrm{rms}}=V_{\mathrm{grid}}];---\left(4\right)$

$I_q^2+I_d^2={2I}_{\mathrm{rms}}^2---\left(5\right)$

以及 $I_{\mathrm{rms}}^2=\frac{P_{\mathrm{cu}}}{3R}.---\left(6\right)$

公式（6）中的Pcu是转子或定子绕组的铜耗。IG和SG产生的转矩为：

$T_g=\frac{3}{4}p[(L_q-L_d)I_d{I}_q+{\mathrm{\λ}}_m{I}_q],---\left(7\right)$

其中，dq电感定义为：

$L_q=\frac{{\mathrm{\λ}}_q}{{-I}_q};$ $L_d=\frac{{\mathrm{\λ}}_d-{\mathrm{\λ}}_m}{{-I}_d}.---\left(8\right)$

PMIG的效率为：

η＝η_IGη_SG，(9)

其中

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IG}}=\frac{P_{\mathrm{gr}}}{P_t}=\frac{T_{\mathrm{gr}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sm}}}{T_{\mathrm{gr}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{tm}}}---\left(10\right)$

以及

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{SG}}=\frac{P_{\mathrm{gs}}}{P_{\mathrm{gr}}}=\frac{T_{\mathrm{gr}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sm}}-(P_{\mathrm{ecs}}+P_{\mathrm{wfs}})-P_{\mathrm{cus}}}{T_{\mathrm{gr}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sm}}}---\left(11\right)$

其中，下标“m”表示机械速度。在公式（11）中，P_wfs和P_ecs分别是SG的风力-与-摩擦损耗和涡电流-与-铁芯损耗。需要注意，IG的P_wfr和P_ecr实际上为零,因此，在公式（10）中，剩余损耗（铜耗）为P_cur=T_grωslm。SG的转矩由公式（12）给出：

$T_{\mathrm{gs}}=T_{\mathrm{gr}}-\frac{(P_{\mathrm{ecs}}+P_{\mathrm{wfs}})}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sm}}}.---\left(12\right)$

公式（11）和（12）中的P_ecs包括在SG的磁体和PM轭中的涡电流损耗，当使用一体的磁体和一体的转子轭时，P_ecs很大。对于以恒定速度运行的发电机，P_wfs在建模时被认为是恒定的并且被一次性计算。SG的定子铁芯损耗通过经验公式进行计算，该经验公式除了别的之外使用根据FE分析的气隙磁通密度数据。在磁体中及PM轭中的SG的涡电流损耗也根据PE瞬态损耗计算来一次性地确定（在设计优化之后）。最后，提供给电网的或从电网消耗的SG的工作功率和无功功率为

$\left[\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{gs}}\\ Q_{\mathrm{gs}}\end{array}\right]={3V}_{\mathrm{rms}}{I}_{\mathrm{rms}}\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ {\sin \mathrm{\θ}}^{*}\end{array}\right].---\left(13\right)$

在图8中示出了非重叠缠绕的PMIG和PMSG的截面图和FE模型。因为电网频率是50Hz并且额定涡轮机转速是150r/min，所以SG的极数是p=40；在此情况下，IG使用相同的极数。通过p=40和选择高的绕组因数10-12极-槽组合，五极和六槽形成使用负周期性边界条件的FE模型的机构截面。对于IG和SG，使用表面安装的PM。对于IG，已经研究了单层或双层转子条绕组，但是对于SG，考虑使用具有预成型线圈的单层绕组。在IG的情况下，当涡电流频率很低时，使用一体的转子轭。在SG的情况下，考虑分层的且一体的局部分段的转子轭。

在此，考虑仅具有图8（a）和（b）所示的IG的PM转子和转子绕组的最优设计。15kW的IG的设计优化遵循由UIG和GIG给出的所需机构性能：

$U_{\mathrm{IG}}=\left[\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{gr}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sm}}\\ {\mathrm{\η}}_{\mathrm{IG}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}15.96\mathrm{kW}\\ 15.71\mathrm{rad}/s\\ 98.3\%\end{array}\right]\⇒G_{\mathrm{IG}}=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{gr}}\\ P_{\mathrm{cur}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slm}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1016\mathrm{Nm}\\ 276W\\ 0.27\mathrm{rad}/s\end{array}\right]---\left(14\right)$

其中，P_gr=15kW/η_SG，η_SG=94%，并且同步转速是150r/min。在公式（15）中，IG的效率非常高以确保总效率η>92%。从公式（14）中可以看出，额定滑差为1.73%，并且更低的所需效率将增加额定滑差。

通过使机构的每机构铜耗的转矩最大化，来实现IG的设计优化。当IG的铁芯损耗实际上为零时，使固定转速处的每铜耗转速最大化与使IG的效率最大化相同。因此，在优化时将最大化的目标函数为：

$F\left(X\right)=\frac{T_{\mathrm{gr}}}{P_{\mathrm{cur}}}\left(X\right),---\left(15\right)$

其中，X是维向量，包括将被优化的机构的所有维。这些维包括IG的磁体节距、槽节距（在单层绕组的情况中）、槽开度、槽宽度、轭高度、磁体高度和气隙直径。外部叠片直径和内部叠片直径与SG的相同并且在优化时保持恒定。在设计优化之后，IG的轴向叠片长度被调整，以便获得额定铜耗处的公式（14）的所需性能。在新的轴向长度处，进行下一个设计优化以确保最优设计。

通过与FE算法结合的优化算法（Powell算法）来实现设计优化。通过每次迭代，优化算法调用FE程序，以对于给定X计算公式（15）的函数值。然后FE程序根据X重构机构结构并且通过多个非线性静态FE解来计算函数值。这通过以下方式实现：

（i）按照公式（14）的额定铜耗和利用根据给定齿槽尺寸分析地计算的R_r，从公式（6）中计算I_rms。

（ii）使用已知的I_rms和α_r=0，根据一个FE解来首次计算λ_mr，即通过使用Park变换将FE计算出的相磁通链变换成dq参数。通过这种方式考虑到了q轴电流、I_qr或λ_m。

（iii）利用已知的I_rms和在较小的选择后电流角α_r处，计算I_dr和I_qr的初始值。

（iv）利用已知的电流和电流角，根据公式（8），FE解用于计算λ_dr和λ_qr，从而计算L_dr和L_qr。

（v）利用已知的λ_mr、I_rms、和L_dr和L_qr的初始值，通过同时对公式（1）和公式（5）求解来计算L_dr和L_qr的新值和滑差速度ω_sl。

（vi）利用新的L_dr和L_qr电流和新的电流角α_r，为了更高的精度，在dq电流计算中重复步骤（iv）和（v）；如果需要的话，可以执行另一迭代。

（vii）利用已知的电流和电感，公式（7）的T_gr和公式（15）的F(X)最终被计算，并且返回优化算法。总数假设为3-4个的静态FE解用于计算函数值。

在完成如上所述的优化设计之后，通过进一步地调整IG的磁体节距和槽开度，接着使IG的齿槽转矩最小化；这些尺寸对于齿槽转矩具有最大的影响。接着进行灵敏度分析步骤以确定齿槽转矩对磁体节距和槽开度变化的灵敏度。在图10中示出了这些结果，并且从大量的静态FE解中获得这些结果。从图10和图11中可以清楚地看出，存在齿槽转矩与尺寸变化完全无关的区域以及齿槽转矩很低（小于1%）的区域。此外，在图12中，产生的转矩相对于磁体节距变化的灵敏度较低，且与槽开度完全无关。

在图13所示的表格中给出了根据设计优化得到的最终机构尺寸和齿槽转矩的最简化；在图8（a）和图8（b）中示出了IG的最佳截面布局。此外，在图13的表格中给出了IG的额定性能。在98.3%的较高效率处，优化设计的IG的有效质量是优化设计的SG的70%，这主要是因为使用转子条的更好的线圈间隙系数。

当PMIG风力发电机***是非受控***时，公式（1）和（2）的电流必须被求解，以便模拟PMIG相对于负载（即，相对于滑差速度）的稳态性能。

对于快速模拟结果，IG和SG的dq电感开始被确定为电流的函数。这是通过根据静态FE解在空载时计算λ_m且在负载时计算磁链，然后使用公式（8）来实现的。在图13中示出了通过这种方式计算的例如IG的dq电感。这示出了（即便）表面安装PM电机的dq电感上的饱和正交磁化的剧烈影响。

对于IG性能相对于负载的模拟，公式1的滑差频率ω_sl＝ω_t-ω_s可以作为给定的输入参数。然后通过对公式（1）进行求解并且同时使用从图14获得的L_dr和L_qr的初始值，来确定L_dr和L_qr。利用L_dr和L_qr的新值，在图14的二次迭代中，L_dr和L_qr被更新，接着通过再次求解公式（1）来计算L_dr和L_qr。为了更高的精度，可以接着进行进一步的迭代。使用已知的I_dr、I_qr和L_dr、L_qr，可以从公式（7）和（10）中确定对于给定滑差速度的IG的转矩和效率。

通过与IG完全相同的方式，可以通过对公式（2）同时进行求解，来确定SG的电流I_ds和I_qs。在这种情况下，V_rms和ω_s是已知的，并且Δ是可变的输入参数；因此，可以从公式（3）中得知V_ds和V_qs。在每个滑差速度和计算后的IG转矩处，Δ被迭代地增加以增加SG的转矩，直到获得公式（12）所需的转矩。在此Δ处，根据公式（13）计算SG的功率和无功功率。

在图15-19中示出了模拟和测量的某些性能结果。如图15所示，获得几乎接近于零百分比的齿槽转矩。图16示出了转矩性能与短路的IG和SG的滑差的关系曲线；IG在略小于2%的滑差处达到额定转矩，并且每单元具有2.0的牵出转矩。如图17所示，对于宽的转矩范围，可以获得大于92%的优异的总效率。此外，SG的测得的效率与计算结果相比非常好。无功功率相对于负载的变化（如图18所示（电网电压作为参数））是引人关注的，这意味着发电机可以设计成在低负载处将电容性无功功率提供给电网，但是在高负载处抽出无功功率，这就是如何实现电网电压补偿。否则，如果无功功率流是不期望的，可以使用抽头切换变压器。图19示出了实验室测得的低电网电压条件下的SG的超前电流。

用于IG和SG的新提出的分离式PMIG（具有非重叠的绕组）被示出，以在宽的负载范围中给出好的效率结果。饱和与正交磁化对dq电感以及表面安装PM的IG和SG具有明显的影响。较高的IG测得的4.5%的齿槽转矩归因于磁体和制造的不平衡性。利用非重叠的转子条绕组，可以在仅小于2%的很低滑差频率处获得IG的额定转矩。这表明PMIG自动补偿电网电压的变化。对于样机PMIG，SG占用发电机的总质量的约60%，IG（具有铜转子条）占用总质量的约40%。

15kW的PMIG的建议结构克服可PMIG通常具有的结构问题。这种结构特别适用于IG的单层转子条绕组。这种类型的结构可用于小规模或中规模的风力涡轮机。因具体情况的IG而导致的有效质量的增加为67%，但是总的机舱质量的增加有希望变得更小。

应当理解，为了增加PMIG***的电学稳定性，PM机构部分（同步发电机）直接连接到电网并且IM部分（感应发电机）直接连接到风力涡轮机转子的叶片。因为这些机构被磁分离，所以这意味着由于IM和SM机构各自具有一组永磁体，IM和SM机构彼此独立的操作。因此，功率在机械联接的两个PM转子之间传输。

滑动动作（通常向IM）确保：在由风力涡轮机转子叶片感应的随机转矩传送到PM机构转子之前，这些随机转矩被平滑。平滑后的功率流使得电网直接耦合到PM机构。

本发明通过实施模块化的分离的机械布局，简化了传统的PMIG机械构造所特定的复杂性。这意味着PM机构和IM可独立地构造并且可以互换。利用所使用的设计方法，IM部分实际上比通常的PM机构更易于构造。通过将IM机构安装在PM机构的前面来完成最终的组件。该模块化的方法是S-PMIG操作为全PMIG（PM和IG）或操作为传统的PM（没有IM）同步发电机。

应当理解，因此本发明的S-PMIG是具有模块化分离机械结构的PMIG，该结构利用独立磁化的IM和PM电学机构的电学特定优点，因此不需要笨重的齿轮箱和安装的功率变换器。

如果本发明的分离式PMIG（S-PMIG）与已知的耦合的PMIG（C-PMIG）相比，将具有以下结果：（i）S-PMIG中使用的PM材料的量通常与C-PMIG中的相同；（ii）S-PMIG的轭质量可以更高，但是相对于总质量在高磁极数量机构中将很低；（iii）在S-PMIG中，IG和SG的极数和尺寸可以不同，从设计的观点来看这是有利的；在C-PMIG中这是不可能的；（iv）利用S-PMIG，非重叠绕组可以用于SG和IG，这对于降低齿槽与负载转矩波动和更低的线圈数量是非常有利的；低齿槽转矩不能被过分强调，因为它影响PMIG的启动阶段和自由旋转的PM转子的稳定性，尤其在低滑差转速的情况下；（v）在如图5所示具有一前一后安装的IG和SG的S-PMIG中，IG和SG的气隙直径可以被最大化，以最大化产生的转矩。

还应当理解，重叠的或非重叠的绕组可以用在IG和SG上，但是，特别是，根据本发明的机构的模块化结构使非重叠绕组的使用成为可能。虽然可以预计在某些情况下可以使用重叠绕组以获得更好的结果，但是非重叠绕组的使用可以极大地降低成本，这将使机构更加便宜。

因此，本发明提供了一种分离式PMIG，其包括同步发电机和感应发电机的电磁分离，这意味着两个独立的电机构结合为一个发电单元来操作。通过使感应机构安装在同步机构上并且能够再次分离它们，本发明机构的机械设计遵循模块化可分离的方法。

据申请人所知，本发明首次描述了低速度高磁极数的PMIG以及首次描述将在风能转换***中实验和实施的PMIG。

通过省略齿轮箱和功率转换器，风能转换***的总成本可以被很大程度地降低。使用更少的活动部件，可以得到更坚固的***。因此为了使用PMIG的全电势，需要一种如本文所提出的易于构造且便宜的PMIG方案。

应当理解，根据本发明的模块化结构的进一步的优点在于：因为两个机构可以有效地独立操作，所以对于两个独立的机构可以使用任意类型的配置。所以，例如，轴向磁通的IM可以与径向磁通的SM相耦合。此外，还可以使用不同的转子拓扑结构，例如，外部转子容纳在嵌入的PM中（即磁通集中）。

仅通过示例方式给出了上述描述，在不背离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施方式进行各种变化和改进。尤其是，可以预见同步发电机和感应发电机可以通过多种可替换的结果进行电磁分离，例如，以径向方式，而不是上述的轴向方式。例如，本***可以包括一个重叠绕组机构和一个非重叠绕组机构，或者在一侧包括径向磁通机构且在另一侧包括轴向磁通机构。此外，在各机构上的极数不需要是相同的。鼠笼式转子和第二PM转子部分还可以与固定到涡轮机的第二PM转子部分和固定到通常的“PM转子”的鼠笼式转子互换。实际上，任何机械结构都可以用于两个单元中，只要它们具有相同的额定转矩和功率。还可以预期，第二PM机构单元的绕组也可以被短路或者连接到电***。利用这种类型的连接，可以获得可变速度操作。

Claims (15)

1.一种电能转换***(11)，包括两个永磁体机构(25，27)，其中，

所述两个永磁体机构(25，27)的第一永磁体机构(25)具有与电力***连接的固定的定子(21)；

所述两个永磁体机构的第二永磁体机构(27)具有与机械***连接的转子(17)；

所述***(11)的特征在于，所述两个永磁体机构(25，27)被彼此磁分离，并且具有用于容纳永磁体(39)的共同的转子(19)，其中，在使用中，所述共同的转子(19)自由转动。

2.如权利要求1所述的电能转换***(11)，其中，所述两个永磁体机构(25，27)是发电机。

3.如权利要求1所述的电能转换***(11)，其中，自由转动的所述共同的转子(19)包括至少第一转子部分(31)和第二转子部分(33)，每个转子部分都具有绕其外周间隔开的一组永磁体(39)。

4.如权利要求3所述的电能转换***(11)，其中，自由转动的所述共同的转子(19)具有模块化结构，并且所述第一转子部分(31)和所述第二转子(33)部分彼此可拆卸地固定，从而当所述第一转子部分(31)和所述第二转子部分(33)彼此固定时，允许所述两个永磁体机构(25，27)结合操作，当所述第一转子部分(31)和所述第二转子部分(33)彼此脱离时，所述两个永磁体机构(25，27)单独操作。

5.如权利要求4所述的电能转换***(11)，其中，当所述两个永磁体机构(25，27)结合操作时，所述两个永磁体机构(25，27)绕轴以同轴对齐的方式端对端地安装。

6.如权利要求3-5中任一项所述的电能转换***(11)，其中，所述第一永磁体机构(25)是同步发电机，所述第二永磁体机构(27)是感应发电机，所述感应发电机(27)的转子(17)是鼠笼式转子。

7.如权利要求6所述的电能转换***(11)，其中，自由转动的所述共同的转子(19)与所述同步发电机(25)同步地旋转，所述感应发电机(27)相对于自由转动的所述共同的转子(19)以滑差速度运行。

8.如权利要求6所述的电能转换***(11)，其中，成组的永磁体被机械地联接，以便一起旋转，在所述第一转子部分(31)上的成组的永磁体(39)被配置成激励所述同步发电机(25)的所述固定的定子(21)上的线圈，在所述第二转子部分(33)上的成组的永磁体(39)被配置成激励所述感应发电机(27)的转子(17)上的线圈。

9.如权利要求6所述的电能转换***(11)，其中，所述第一转子部分(31)以同轴对齐方式可拆卸地固定到所述第二转子部分(33)。

10.如权利要求6所述的电能转换***(11)，其中，所述感应发电机(27)的所述转子(17)是具有非重叠转子条绕组的感应型鼠笼式转子。

11.如权利要求10所述的电能转换***(11)，其中，所述感应型鼠笼式转子(17)具有集中绕组和双层绕组。

12.如权利要求6所述的电能转换***(11)，其中，所述电能转换***(11)被集成在具有转子叶片(15)的风力涡轮机(13)中，所述转子叶片(15)固定到所述感应发电机(27)的所述转子(17)上。

13.如权利要求6所述的电能转换***(11)，其中，所述电能转换***是直接驱动的直接联网的***。

14.一种电能转换***(11)，包括：

两个转子(17，19)和定子(21)，所述两个转子的第一转子(17)是感应型的鼠笼式转子，所述两个转子的第二转子(19)是在使用时自由旋转的永磁体转子；

自由旋转的所述永磁体转子(19)包括：

两个同轴对齐的、磁分离的转子部分(31，33)，每个转子部分(31，33)都具有绕其外周间隔开的成组的永磁体(39)，所述转子部分(31，33)被设置成使得第一转子部分(31)上的一组永磁体(39)激励所述定子(21)上的线圈，第二转子部分(33)上的一组永磁体(39)激励所述感应型鼠笼式转子(17)上的线圈。

15.一种风力涡轮机，包括如上述权利要求中任一项所述的电能转换***(11)。