CN113949245B - 一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，包括外定子、复式转子、内定子、整流电路和励磁控制器；所述整流电路包括第一整流电路和第二整流电路；所述外定子上安装有第一电枢绕组和第一励磁绕组，所述内定子上安装有第二电枢绕组和第二励磁绕组，所述复式转子位于所述外定子和内定子之间，所述第一励磁绕组和第二的励磁绕组分别连接到励磁控制器不同的控制电路上，所述第一电枢绕组和第二电枢绕组各自独立构成一相，分别连接第一整流电路和第二整流电路，其中内转子齿极相对于外转子齿极角度位置偏移三分之一电角度，使得内外转子齿极上的扭矩波动峰谷互相抵消，大大降低所述空间磁阻双凸极励磁风力发电机的综合扭矩波动。

Description

一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机。

背景技术

双凸极直流电励磁发电机因其转子上无绕组、无磁钢、无刷等,表现为结构简单、可靠性高和成本低廉等特点而成为交流发电机及其控制领域又一新的研究方向。空间磁阻双凸极励磁风力发电机是在双凸极直流励磁发电机基础上研制开发的创新产品，该风力发电机具备双凸极直流励磁发电机的全部优点，同时拓展了磁路空间结构，提高了风力发电机转子内部空间利用率，因此有效的提高了低转速风力发电机的体积功率密度，表现出了双凸极风力发电机结构和制造工艺非常简单，可靠性高、成本低等特点，特别适用于低转速直驱或半直驱大功率风力发电。

目前国内外所使用的双凸极发电机都是由单一径向结构的转子和定子组成，现有专利CN1099155C公开了一种双凸极无刷直流发电机，其特点是结构上转子在单一定子内部转动，通过径向气隙产生径向磁路，要增加输出扭矩或功率需要增加定子外径和转子铁芯长度，机体尺寸大，可以做高转速双馈风力发电机，但不适合做低转速直驱或半直驱风力发电机。

现有专利CN101183804公开了一种三相外转子电励磁双凸极风力发电机，其单一定子位于外转子内部，通过径向气隙产生径向磁路，可以只适用于较低转速半直驱风力发电应用，且这种风力发电机在较低转速发电时体积功率密度低，定子的内部空间没有利用起来。

现有专利CN207150326U公开了一种不对称励磁的定子错角双凸极电机，其中具体公开了在同一电机转轴方向进行轴向布置两组凸极定子、两组凸极转子和两组定子绕组、覆盖于电机转轴的导磁材料和中央电励磁线圈。这种电机轴向尺寸较长，不适合做低转速风力发电机。但是该实用新型采用沿电机轴向安装的两组双凸机定子，基于转矩叠加原理减小了转矩脉动。

综上，急需创新设计一种低转速下高体积功率密度的风力发电机，结构和制造工艺简单，可靠性好且成本低适合做成盘状的低转速风力发电机。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种磁路结构空间布局紧凑，以提高体积功率密度为目标，可靠性高，制作工艺简单且适合做成盘状的低转速无刷直流风力发电机。

采用以下技术方案：具体地，一方面，本发明提供的技术方案如下：一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，包括外定子、复式转子、内定子、整流电路和励磁控制器；所述整流电路包括第一整流电路和第二整流电路；所述外定子上安装有第一电枢绕组和第一励磁绕组，所述内定子上安装有第二电枢绕组和第二励磁绕组，所述复式转子位于所述外定子和内定子之间，所述第一励磁绕组和第二励磁绕组分别连接到励磁控制器不同的控制电路上，所述第一电枢绕组和第二电枢绕组各自独立构成一相，分别连接第一整流电路和第二整流电路。

另一方面，本发明提供了一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，包括外定子、复式转子、内定子、整流电路和励磁控制器；所述外定子上安装有第一电枢绕组和第一励磁绕组，所述内定子上安装有第二电枢绕组和第二励磁绕组；所述复式转子位于所述外定子和内定子之间；

所述第一电枢绕组和第二电枢绕组串联构成一相与整流电路连接，所述第一励磁绕组和第二励磁绕组串联后与所述励磁控制器连接。

优选地，所述内定子和外定子各齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360゜/6N，其中6N为定子极数，N＝1、2、3、4。

优选地，所述复式转子的内、外转子齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/4N，其中4N为盘式转子极数，N＝1、2、3、4。

优选地，所述第一励磁绕组和第二励磁绕组分别为外定子和内定子提供直流励磁产生恒定磁势。

优选地，所述复式转子包括内转子齿极和外转子齿极，所述内转子齿极和外转子齿极具有相同的极对数。

优选地，所述内转子齿极相对于外转子齿极角度位置偏移三分之一电角度。

优选地，所述外定子具有第一轭部，所述内定子具有第二轭部，所述复式转子包括轭部，所述第一轭部和第二轭部各自独立，其磁通共同通过复式转子的轭部。

优选地，当第一励磁绕组通电时，经过第一轭部、外定子/外转子气隙，再通过外转子齿极及复式转子的轭部形成回路；当第二励磁绕组通电时，经过第二轭部、内定子/内转子气隙，再通过内转子齿极及复式转子的轭部形成回路。

优选地，所述第一整流电路和第二整流电路均提供三相交流整流输出直流发电。

优选地，通过第一整流电路、第二整流电路和第一电磁绕组和第二电磁绕组形成两个独立发电机电路，输出相同的直流电压，并联驱动负载。

优选地，所述内转子齿极和外转子齿极的角度位置中心对齐。

优选地，所述外定子具有第一轭部，所述内定子具有第二轭部，所述复式转子包括轭部，第一轭部磁通一部分通过复式转子的轭部，另一部分进入内定子第二轭部。

优选地，第一励磁绕组通电时，其中一部分磁通经过第一轭部、外定子/外转子气隙，外转子极、复式转子轭部形成回路，另一部分磁通经过第一轭部、外定子/外转子气隙，再通过外转子极、内转子极、内转子/内定子气隙、第二轭部形成回路，第二励磁绕组通电时，磁通经过第二轭部、内定子/内转子气隙，再通过内转子极、外转子极、外转子/外定子气隙、第一轭部形成回路。

优选地，所述整流电路提供三相整流直流发电输出。

优选地，所述第一电枢绕组和第二电枢绕组串联，所述第一励磁绕组和第二励磁绕组串联，通过共同的整流电路形成一个电机电路，输出直流电压驱动负载。

与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

(1)由于复式转子转动时内外两个定子可以同时发电，在给定的发电机外径尺寸范围内有效提高了发电功率，使得风力发电机的体积功率密度得到大大提高。

(2)当复式转子内外齿极中心偏移三分之一电角度时，转子上的综合扭矩波动幅度因为内转子齿极与外转子齿极上的两个扭矩波动相位偏移导致扭矩峰谷互补而大大降低。

(3)本空间磁阻直流励磁风力发电机在大大提高低转速发电时的体积功率密度、大幅降低扭矩波动的同时，发电机转子无永磁、无绕组、无电刷等特点带来的成本低、生产组装工艺简单等优势得到充分的发挥。

(4)使用空间磁阻直流励磁风力发电机时，控制器不需要使用大功率高频IGBT、只需要使用二极管滤波整流输出直流电，使得控制器成本低、转换效率高(二极管开关损耗很低)、可靠性大大提高(二极管无失效模式)，在海上风力发电机应用领域具有广阔的应用前景，在低转速直驱或半直驱风力发电应用优势大，具有重要意义。

附图说明

图1a为空间磁阻发电机复式转子内外齿极中心偏移结构示意图；图1b空间磁阻发电机复式转子内外齿极中心重合结构示意图；

图2a为空间磁阻发电机复式转子内外齿中心偏移时磁路结构示意图；图2b为空间磁阻发电机复式转子内外齿中心重合时磁路结构示意图；

图3为内外定子电枢绕组和励磁绕组全串联时电路结构示意图；

图4为内外定子电枢绕组和励磁绕组分别独立连接时电路结构示意图。

附图标记如下：

其中，1-外定子；2-复式转子；3-内定子；4-内转子齿极；5-外转子齿极；6-第二电枢绕组；7-第二励磁绕组；8-第一电枢绕组；9-第一励磁绕组；20-整流电路；21-第一整流电路；22-第二整流电路；27-励磁控制器；30-第二轭部；31-第一轭部；32-轭部；40-负载。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。

如图1a所示，本发明提供了一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，包括外定子1、复式转子2、内定子3和整流电路20和励磁电路，其中整流电路包括第一整流电路21和第二整流电路22；所述风力发电机的外定子1和内定子3均装有电枢绕组和励磁绕组，具体地，所述外定子1上安装有第一电枢绕组8和第一励磁绕组9，所述内定子3上安装有第二电枢绕组6和第二励磁绕组7；所述复式转子2位于所述外定子1和内定子3之间，所述第一励磁绕组9和第二励磁绕组7分别连接到励磁控制器27不同的控制电路上，所述第一电枢绕组和第二电枢绕组各自独立构成一相，分别连接第一整流电路和第二整流电路。所述风力发电机的复式转子2无永磁、无绕组和无换向器，其中，所述复式转子2具有内转子齿极4和外转子齿极5且具有相同的极对数。所述整流电路为外定子1和内定子3提供三相整流直流发电输出，所述励磁电路为外定子1和内定子3提供直流励磁产生恒定磁势。

具体地，在内定子3的第二励磁绕组7与外定子1的第一励磁绕组9独立连接工作时(图4)，励磁控制器27需要同时控制两路IGBT分别为两个励磁绕组进行PWM励磁电流调节。另一方面，所述复式转子在低转速转动过程中同时为内、外两个定子提供磁通变化，产生两路三相交流电。

其中，本发明提供的所述复式转子的内转子齿极4和外转子齿极5的角度位置中心相对偏移三分之一电角度(图1a)，这时内定子3第二电枢绕组6、第二励磁绕组7和外定子1的第一电枢绕组8、第一励磁绕组9各自独立连接，分别通过独立的第一整流电路21和第二整流电路22和第一励磁绕组9和第二励磁绕组7形成两个独立发电机电路，输出相同的直流电压，并联驱动负载40(如图4所示)。此种方式是内、外转子极分别独立为内、外定子励磁磁路通过转子轭部单独提供交变磁路，这时复式转子轭部较宽，内转子齿极相对于外转子齿极角度位置偏移三分之一电角度，使得内外转子齿极上的扭矩波动峰谷互相抵消，大大降低所述空间磁阻双凸极励磁风力发电机的综合扭矩波动，如图2a所示。

具体地，所述复式转子的内转子齿极4和外转子齿极5的角度位置中心相对偏移三分之一电角度(120°)；所述外定子具有第一轭部31，所述内定子具有第二轭部30，所述复式转子包括轭部32，这时外定子1的第一轭部31和内定子3的第二轭部30各自独立，共同通过复式转子2的轭部32。

具体地，所述内定子3、外定子1各齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360゜/6N，其中6N为盘式定子极数，N＝1、2、3、4。

具体地，所述复式转子2的内、外转子齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/4N，其中4N为盘式转子极数，N＝1、2、3、4。

如图1b所示，作为另一种实施方式，本发明提供的所述复式转子的内转子齿极10和外转子齿极11的角度位置中心对齐(图1b)，这时内定子3的第二电枢绕组6和外定子1的第一电枢绕组8全串联连接，第二励磁绕组7和第一励磁绕组9串联连接，通过一套整流电路20形成一个电机电路，输出直流电压驱动负载40(图3)。此种方式是内、外定子的一部分励磁磁路穿过复式转子通过外、内定子极励磁磁路形成回路，而另一部分的励磁磁路通过转子极轭部形成回路；这时内、外转子极需要中心对齐，而转子齿轭部较小，综合发电功率提高，如图2b所示。

其中，本发明提供的所述内定子3和外定子1具有相同的极数，分别嵌入第一电枢绕组8和第二电枢绕组6，以及分别嵌入第一励磁绕组9和第二励磁绕组7，随着转子的转动发出三相交流电。

具体地，所述复式转子的内转子齿极4和外转子齿极5的角度位置中心对齐，所述外定子具有第一轭部31，所述内定子具有第二轭部30，所述复式转子包括轭部32，这时外定子1的第一轭部31一部分通过复式转子2的轭部32，另一部分进入内定子的第二轭部30。

具体地，所述内定子3、外定子1各齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360゜/6N，其中6N为盘式定子极数，N＝1、2、3、4。

具体地，所述复式转子2的内、外转子齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/4N，其中4N为盘式转子极数，N＝1、2、3、4。

具体地，在内定子3的第二励磁绕组7与外定子1的第一励磁绕组9串联连接工作时(图3)，励磁控制器27仅需控制一路IGBT进行PWM励磁电流调节。

所述空间磁阻直流励磁风力发电机的基本工作原理是，内、外两个定子上的励磁绕组通过恒定直流电时分别在内外定子两个空间中产生恒定的磁势。复式转子在转动时，其转子齿极与定子齿极之间产生变化的磁阻，在内外两个定子齿极上产生两路独立的变化磁通，在电枢绕组中感应出电势，发电产生三相交流电。当转速变化时，可通过调节励磁电流的大小来调接磁势大小、达到维持恒定电压发电输出的目的。

实施例1

本实施例提供了一种空间磁阻双凸极直流励磁风力发电机，包括外定子1、复式转子2、内定子3、整流电路、励磁电路和励磁控制器27(如图4)。所述整流电路包括第一整流电路21和第二整流电路22；所述风力发电机的所述外定子上安装有第一电枢绕组和第一励磁绕组，所述内定子上安装有第二电枢绕组和第二励磁绕组，所述风力发电机的复式转子2无永磁、无绕组和无换向器，结构上具有内转子齿极4和外转子齿极5且具有相同的极对数(如图1a所示)。所述复式转子的内、外齿极中心相互偏移三分之一电角度(120°)，使得复式转子内、外齿极上的扭矩波动峰和谷互相抵消，大大降低发电机转子的总扭矩波动。

这时，内定子3的第二电枢绕组6和外定子1的第一电枢绕组8各自独立分别构成一相，组成A-X，B-Y和C-Z的三相绕组(见图4)，分别连接到各自的第一整流电路21和第二整流电路22进行独立整流后发出直流电；内定子3的第二励磁绕组7和外定子1的第一励磁绕组9分别连接到励磁控制器27不同的控制电路上，对内外定子的励磁电流分别进行独立的调节。

其基本工作原理是，当外定子1的第一励磁绕组9通有恒定电流时，产生顺时针磁通，经过外定子的第一轭部31、外定子/外转子气隙，再通过外转子齿极5及复式转子轭部32形成回路，产生电动势。当内定子3的第二励磁绕组7通有恒定电流时，产生逆时针磁通，经过内定子轭部30、内定子/内转子气隙，再通过内转子齿极4及复式转子轭部32形成回路，产生电动势。由于内外磁通回路均通过复式转子轭部32，因此转子轭部32要求增加厚度，保持全部磁路中磁密的均匀。

实施例2

如图1b所示，所述复式转子的内、外齿极中心重合无偏移，使得内定子3和外定子1的磁路共享，降低了复式转子2的轭部32磁密，允许复式转子的轭部32厚度减低，使得内定子3的外径增加，因此可以增加内定子3的发电功率。这时，内定子3的第二电枢绕组6和外定子1的第一电枢绕组8组合串联构成一相，组成A-X，B-Y和C-Z的三相绕组，组合连接到整流电路20进行整流发出直流电；内定子3的第二励磁绕组7和外定子1的第一励磁绕组9组合串联连接后与励磁控制器27的控制电路连接，同步调节内、外定子的励磁电流。

其基本工作原理是，当外定子1的第一励磁绕组9通有恒定电流时，产生顺时针磁通，其中一部分磁通经过外定子的第一轭部31、外定子/外转子气隙，外转子齿极5、复式转子轭部32形成回路，在外定子中产生电动势；另一部分磁通经过外定子的第一轭部31、外定子/外转子气隙，再通过外转子齿极5、内转子齿极4、内转子/内定子气隙、内定子的第二轭部30形成回路，在外定子内部产生电动势。

当内定子3的第二励磁绕组7通有恒定电流时，同时产生顺时针磁通，经过内定子的第二轭部30、内定子/内转子气隙，再通过内转子齿极4、外转子齿极5、外转子/外定子气隙、外定子的第一轭部31形成回路，在内定子中产生电动势。由于只有部分外定子磁通回路通过复式转子轭部32，磁密较低，因此转子轭部32厚度相应减少，允许内定子外径加大，增加发电功率。

与实施例1相比，区别在于本实施例中所述部分外定子磁路和全部内定子磁路在空间上通过复式转子2横跨外定子1与内定子3形成回路。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，其特征在于，包括外定子、复式转子、内定子、整流电路和励磁控制器；所述外定子上安装有第一电枢绕组和第一励磁绕组，所述内定子上安装有第二电枢绕组和第二励磁绕组，所述复式转子位于所述外定子和内定子之间；

所述第一电枢绕组与第二电枢绕组进行串联构成三相交流电路与整流电路连接，所述第一励磁绕组和第二励磁绕组串联后与所述励磁控制器连接；

所述复式转子包括内转子齿极和外转子齿极，所述内转子齿极和外转子齿极具有相同的极对数；所述内转子齿极相对于外转子齿极角度位置偏移三分之一电角度，使得复式转子内、外齿极上的扭矩波动峰和谷互相抵消，降低发电机转子的总扭矩波动；

所述外定子具有第一轭部，所述内定子具有第二轭部，所述复式转子包括轭部，所述第一轭部和第二轭部各自独立，其磁通共同通过复式转子的轭部；当第一励磁绕组通电时，经过第一轭部、外定子/外转子气隙，再通过外转子齿极及复式转子的轭部形成回路；当第二励磁绕组通电时，经过第二轭部、内定子/内转子气隙，再通过内转子齿极及复式转子的轭部形成回路。

2.如权利要求1所述的一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，其特征在于，所述内定子和外定子各齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360゜/6N，其中6N为定子极数，N＝1、2、3、4。

3.如权利要求1所述的一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，其特征在于，所述复式转子的内、外转子齿极沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/4N，其中4N为盘式转子极数，N＝1、2、3、4。

4.如权利要求1所述的一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，其特征在于，所述第一励磁绕组和第二励磁绕组分别为外定子和内定子提供直流励磁产生恒定且可调节磁势。

5.如权利要求1所述的一种空间磁阻双凸极励磁风力发电机，其特征在于，所述整流电路提供三相整流直流发电输出，通过共同的整流电路形成一个电机电路，输出直流电压驱动负载。

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