CN207926298U - 一种复合励磁无刷风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合励磁无刷风力发电机，具体方案为：主轴通过轴承设置于电机壳体中央；定子绕组、反馈绕组、磁钢设于电机定子部分；励磁绕组、励磁发电绕组、电路腔体设于电机转子部分；定子绕组与励磁绕组构成磁通交链结构，反馈绕组与磁钢同时与励磁发电绕组构成磁通交链结构；励磁发电整流器设于电路腔体内部；励磁发电绕组与励磁发电整流器的交流侧电连接，励磁绕组与励磁发电整流器的直流侧电连接；反馈绕组与外部反馈控制端电连接或与定子绕组的输出端电连接；定子绕组的输出端直接或经过输出整流器与发电机功率输出端电连接。本技术方案具有成本低、输出电压平稳、功率变换电路成本低、磁钢用量少等优点。

Description

一种复合励磁无刷风力发电机

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电设备，特别涉及一种复合励磁无刷风力发电机。

背景技术

风力发电近些年发展势头迅猛，在众多新能源发电方案中，风电是性能最稳定、可靠性最高的方案。目前，永磁直驱风力发电机方案日益成为风力发电的主流，永磁直驱方案效率高、弱风出力大、无刷、无齿轮箱故障隐患，然而现有技术的永磁直驱方案还存在不少缺点，使之与弱风效率较低的双馈异步方案相比竞争力欠缺；主要缺点如下：

第一，成本过高。永磁直驱方案成本是双馈异步方案的1.3倍，本来双馈方案成本也并非十分低廉，且随着稀土资源的供应受限，日后成本可能进一步提高，使风电投资成本回收十分缓慢。

第二，输出电压波动过大。永磁直驱方案输出电压基本与转速成正比，由于该方案并网必须配置全功率逆变器，这样直流侧输出电压的变化幅度就必须使逆变器具有非常宽的输入电压范围，这使得逆变器成本大幅提高、效率降低，而永磁直驱方案的出力必须全额通过逆变器上网，逆变器效率的降低将使该方案效率高的优势大打折扣。在直流微网应用场合，同样由于输出电压波动大，无法直接接入直流母线，必须配置全功率的DC-DC稳压装置，这同样大幅降低了效率又抬高了成本。

第三，永磁材料面临退磁隐患；永磁电机的永磁材料很难估计日后会否发生退磁，一旦退磁，则电机性能急剧恶化，而维修十分困难，至今没有防范的技术措施。

实用新型内容

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种复合励磁无刷风力发电机，本实用复合励磁无刷风力发电机解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种复合励磁无刷风力发电机，其中，包括主轴、轴承、励磁绕组、定子绕组、反馈绕组、磁钢、励磁发电绕组、电路腔体和励磁发电整流器；

所述主轴通过轴承设置于电机壳体中央；所述定子绕组、反馈绕组、磁钢设于电机定子部分；所述励磁绕组、励磁发电绕组、电路腔体设于电机转子部分；所述定子绕组与励磁绕组构成磁通交链结构，所述反馈绕组与磁钢同时与励磁发电绕组构成磁通交链结构；所述励磁发电整流器设于电路腔体内部；所述励磁发电绕组与励磁发电整流器的交流侧电连接，所述励磁绕组与励磁发电整流器的直流侧电连接；所述反馈绕组与外部反馈控制端电连接或与定子绕组的输出端电连接；所述定子绕组的输出端直接或经过输出整流器与发电机功率输出端电连接。

作为优选，上述的复合励磁无刷风力发电机，其中，所述反馈绕组产生磁通方向与磁钢磁通方向相反。

作为优选，上述的复合励磁无刷风力发电机，其中，所述反馈绕组通过反馈绕组整流器与定子绕组的输出端电连接。

作为优选，上述的复合励磁无刷风力发电机，其中，所述反馈绕组经输出整流器与定子绕组的输出端通过控制晶体管电连接。

作为优选，上述的复合励磁无刷风力发电机，其中，所述反馈绕组与与定子绕组之间接有阻抗元件。

作为优选，上述的复合励磁无刷风力发电机，其中，所述发电机为外转子型结构。

本实用新型的有益效果在于：

第一、大幅降低了永磁直驱方案的成本；现有永磁直驱方案永磁材料使用量惊人，由于电机级数过多，永磁材料的成本极其昂贵，本实用新型的永磁体磁钢仅仅用来给励磁绕组提供励磁发电的需要，主定子绕组的励磁由电励磁实现，因此磁钢数量就可大幅降低，按一般发电机励磁功率占电机功率3％计算，本实用新型仅需要现有技术3％左右的磁钢即可，考虑到先有永磁直驱方案磁钢成本要占电机成本的 80％，而本实用新型的电励磁绕组、反馈绕组等结构常规，成本低廉，可将现有技术电机的成本降低60-70％，由于无刷无集流环，成本甚至可比双馈电机更低，从而极大降低了永磁直驱技术的推广的门槛。

第二、实现了宽转速输出电压的稳定。现有技术的永磁直驱方案励磁不可控，弱风输出电压很低，强风输出电压高，必须配置极宽输入电压的电源转换器，不但成本极高，而且损耗大，一般宽电压输入的转换器需要两级转换，效率要比一级转换至少低4％，本实用新型采用反馈绕组与磁钢共同控制励磁发电绕组的电压，转速高时减小励磁，转速低时增大励磁，从而在无需电源转换器的条件下实现输出电压的稳定，加上电励磁消耗的功率，仍比现有技术效率高1％左右。

第三、克服了永磁材料退磁的隐患。本实用新型由于采用反馈绕组与磁钢共同控制励磁发电绕组，如果磁钢退磁，反馈绕组的反馈电流也同步减小，最后输出功率、电压维持不变，理论上只要磁钢仍能维持极其微小的剩磁，都能使发电机正常发电，现有技术磁钢一旦退磁，励磁磁通同比减小，电机性能立即恶化，弱风出力会受到非常明显的降低。

控制方式多样、控制器容量极小。本实用新型巧妙利用反馈绕组与磁钢的共同作用控制励磁发电电压，通过这种间接控制手段，使得控制方式更为方便多样，既可以定子通过输出端反馈，也可通过励磁发电机输出端反馈，也可加上频敏元件反馈，更可通过电子元件外部反馈，从而实现极为多样的特性曲线；最重要的是，控制部分的容量可以非常小，根据励磁容量占主绕组容量3％计算，整个磁钢与反馈绕组提供的功率仅需要发电机功率的0.1％即可，对于1MW的风机，仅需要1KW的控制容量，这使得控制器的容量大幅降低，从而使成本进一步大幅降低。

第四、微网场合完全无需额外变换器。由于本实用新型在无需电源转换器的条件下实现输出电压的稳定，因此可实现无电力电子变换器直接并网的能力，这在永磁直驱方案中的绝无仅有的，也大幅降低了无电地区风光互补微网的建设成本。

第五、电机机械结构坚固，直驱非直驱兼容。本实用新型电机无电刷、无滑环，转子内部无控制部件，主体结构为硅钢片与绕组，结构形式简单坚固，磁钢用量很小，易于布置，因此整机机械结构牢固，即可做成多极直驱方案，也可做成少极高速方案。

第六、兼容低密度永磁体，免去永磁材料紧张顾虑。本实用新型仅需要现有技术3％左右的磁钢即可，由于磁钢用量大幅降低，因此其可使用低密度的廉价铁氧体磁钢，这不但进一步降低成本，还免去了稀土永磁材料可能的紧张局面。

第七、无需外部励磁控制电路与励磁设备。现有技术的同步发电机需要外部控制励磁，电励磁同步风力发电机还需要电刷滑环与励磁机，永磁无刷同步发电机则需要外部全功率转换器，而本实用新型利用机内反馈绕组实现了励磁发电、励磁控制一体化，完全免去了外部的励磁设备或励磁电源，从而大幅简化了机组的结构、降低了成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1是本实用新型第一个实施例的结构示意图。

图2是本实用新型第一个实施例的反馈电路示意图。

图3是本实用新型第二个实施例的反馈电路示意图。

图4是本实用新型第三个实施例的反馈电路示意图。

图5是本实用新型第四个实施例的结构示意图。

图6为磁通—转速关系图；

图7为输出功率—转速关系图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型作进一步的说明，但是不作为本实用新型的限定。

如图1-5所示，本实用新型复合励磁无刷风力发电机具体技术方案包括：

参看附图1、2，这是本实用新型第一个实施例的结构示意图与反馈绕组电路图。包括主轴1、轴承2、励磁绕组3、定子绕组4、反馈绕组5、磁钢6、励磁发电绕组7、电路腔体8、励磁发电整流器。所述主轴1通过轴承2设置于电机壳体中央；所述定子绕组4、反馈绕组5、磁钢6设于电机定子部分；所述励磁绕组3、励磁发电绕组 7、电路腔体8设于电机转子部分；所述定子绕组4与励磁绕组3构成磁通交链结构，所述反馈绕组5与磁钢6同时与励磁发电绕组7构成磁通交链结构；所述励磁发电整流器设于电路腔体8内部。所述励磁发电绕组7与励磁发电整流器的交流侧电连接，所述励磁绕组3与励磁发电整流器的直流侧电连接；所述定子绕组4的输出端直接或经过输出整流器9与发电机功率输出端电连接。反馈绕组5产生磁通方向与磁钢6磁通方向相反；反馈绕组5经输出整流器9与定子绕组4 的输出端直接电连接。

本实用新型部分类似于无刷同步发电机，但与之相比，本实用新型结构更简单巧妙，且无需外部励磁产生或控制设备。当风轮带动主轴旋转后，励磁发电绕组与磁钢组成永磁交流同步发电机，励磁发电绕组在磁钢的磁力线切割下感应出交变电压，该电压经过励磁发电整流器整流为直流后，输至同轴旋转的励磁绕组，励磁绕组产生励磁磁场，切割定子绕组发出交变电压，该交变电压经输出整流器或直接向外输出，完成发电过程。当风力加大发电机转速提高以后，定子绕组发出的交流电压随即升高，这个电压一小部分经过输出整流器变换为直流后加在反馈绕组上，由于反馈绕组端电压提高、反馈绕组产生的励磁磁通增加，由于反馈绕组与磁钢磁通方向相反，使得交链于励磁发电绕组的总励磁磁通减小，从而降低了励磁发电绕组的输出电压，使励磁绕组的励磁电流较小，使得定子绕组的励磁磁通减小，降低定子绕组输出电压，实现了输出电压的稳定，本实用新型励磁发电绕组的磁通—转速关系、输出功率—转速关系如图6、7所示，本实用新型利用磁钢与特殊设计的反馈绕组、以及反馈绕组的励磁负反馈作用，实现了发电机输出电压的稳定，从而免去了大容量的电源变换器、成本高昂的磁钢等材料，大幅降低了发电机的成本。为进一步提升控制性能，平滑励磁电流，所述的励磁发电整流器除采用普通二极管整流器外，还可以采用晶闸管全控或半控桥，直流侧也可增加平滑电感器等。

参看附图3，这是本实用新型第二个实施例的反馈绕组电路示意图。本实施例原理与实施例一基本相同，主要区别是，反馈绕组5经输出整流器9与定子绕组4的输出端通过控制晶体管10电连接，这样，反馈绕组的反馈励磁磁通可通过控制晶体管进一步控制，可使励磁控制更精确，也可使整个发电机的控制方式更灵活，由于反馈绕组电流容量很小，因此该晶体管可以工作在线性放大状态，令控制更精确灵敏，也可工作在开关状态，仅需加上续流二极管即可；控制晶体管可与反馈绕组并联或串联，形成降压斩波、升压斩波或隔离斩波。

参看附图4，这是本实用新型第三个实施例的反馈绕组电路示意图。本实施例原理与实施例一、二基本相同，主要区别是，反馈绕组与定子绕组4通过反馈绕组整流器11电连接，反馈绕组整流器11与定子绕组4之间接有阻抗元件12，阻抗元件12由电容串联构成。这样，反馈绕组通过独立的整流器取用定子绕组一相电压，原理是完全一样的，再通过阻抗元件，如串联电容器或并联电抗器，可进一步优化负反馈的灵敏度，因为发电机转速提高后频率同步提升，由于电容器容抗随频率降低，可进一步提高反馈绕组同等输出电压变化下的反馈电流变化量，阻抗元件也可并联电感器等，使反馈绕组的反馈电流随转速的升高变化更为限制，从而提升反馈灵敏度，同时阻抗元件的被动属性具有较好的可靠性，也免去了有源控制电路的高成本与复杂性。

参看附图5，这是本实用新型第四个实施例的结构示意图。本实施例原理与实施例一、二、三也基本相同，主要区别是，首先，反馈绕组与定子绕组4通过与外部控制端电连接，反馈绕组的反馈电流就完全可由外部控制单元提供，可实现更精确的控制与更好的响应性能。外部控制单元可利用电网电压或发电机励磁发电绕组电压经转换后提供给反馈绕组，这样反馈控制的时间常数可缩短，从而提升电压功率调整进度，也有助于降低发电机功角的抖动。其次，本实施例的发电机采用外转子结构，风轮支架直接安装到电机外部壳体上，转轴固定外壳旋转，这样可以更好的与风轮结构配合，将绕组体积较大的定子绕组与振动易碎的磁钢绕组放到电机中间，可提高电机功率密度并防止磁钢碎裂。当然根据电机学原理，本实用新型的其他实施例亦完全可使用外转子结构，用于水平轴或垂直轴风力发电机。

从本实用新型的上述实施例可以看出，本实用新型完全具备以下有益效果与实质性特点：

第一、大幅降低了永磁直驱方案的成本。现有永磁直驱方案永磁材料使用量惊人，由于电机级数过多，永磁材料的成本极其昂贵，本实用新型的永磁体磁钢仅仅用来给励磁绕组提供励磁发电的需要，主定子绕组的励磁由电励磁实现，因此磁钢数量就可大幅降低，按一般发电机励磁功率占电机功率3％计算，本实用新型仅需要现有技术3％左右的磁钢即可，考虑到先有永磁直驱方案磁钢成本要占电机成本的 80％，而本实用新型的电励磁绕组、反馈绕组等结构常规，成本低廉，可将现有技术电机的成本降低60-70％，由于无刷无集流环，成本甚至可比双馈电机更低，从而极大降低了永磁直驱技术的推广的门槛。

第二、实现了宽转速输出电压的稳定。现有技术的永磁直驱方案励磁不可控，弱风输出电压很低，强风输出电压高，必须配置极宽输入电压的电源转换器，不但成本极高，而且损耗大，一般宽电压输入的转换器需要两级转换，效率要比一级转换至少低4％，本实用新型采用反馈绕组与磁钢共同控制励磁发电绕组的电压，转速高时减小励磁，转速低时增大励磁，从而在无需电源转换器的条件下实现输出电压的稳定，加上电励磁消耗的功率，仍比现有技术效率高1％左右。

第三、克服了永磁材料退磁的隐患。本实用新型由于采用反馈绕组与磁钢共同控制励磁发电绕组，如果磁钢退磁，反馈绕组的反馈电流烨辉同步减小，最后输出功率、电压维持不变，理论上只要磁钢仍能维持及其微小的剩磁，都能使发电机正常发电，现有技术磁钢一旦退磁，励磁磁通同比减小，电机性能立即恶化，弱风出力会受到非常明显的降低。

控制方式多样、控制器容量极小。本实用新型巧妙利用反馈绕组与磁钢的共同作用控制励磁发电电压，通过这种间接控制手段，使得控制方式更为方便多样，既可以定子通过输出端反馈，也可通过励磁发电机输出端反馈，也可加上频敏元件反馈，更可通过电子元件外部反馈，从而实现极为多样的特性曲线；最重要的是，控制部分的容量可以非常小，根据励磁容量占主绕组容量3％计算，整个磁钢与反馈绕组提供的功率仅需要发电机功率的0.1％即可，对于1MW的风机，仅需要1KW的控制容量，这使得控制器的容量大幅降低，从而使成本进一步大幅降低。

第四、微网场合完全无需额外变换器。由于本实用新型在无需电源转换器的条件下实现输出电压的稳定，因此可实现无电力电子变换器直接并网的能力，这在永磁直驱方案中的绝无仅有的，也大幅降低了无电地区风光互补微网的建设成本。

第五、电机机械结构坚固，直驱非直驱兼容。本实用新型电机无电刷、无滑环，转子内部无控制部件，主体结构为硅钢片与绕组，结构形式简单坚固，磁钢用量很小，易于布置，因此整机机械结构牢固，即可做成多极直驱方案，也可做成少极高速方案。

第六、兼容低密度永磁体，免去永磁材料紧张顾虑。本实用新型仅需要现有技术3％左右的磁钢即可，由于磁钢用量大幅降低，因此其可使用低密度的廉价铁氧体磁钢，这不但进一步降低成本，还免去了稀土永磁材料可能的紧张局面。

第七、无需外部励磁控制电路与励磁设备。现有技术的同步发电机需要外部控制励磁，电励磁同步风力发电机还需要电刷滑环与励磁机，永磁无刷同步发电机则需要外部全功率转换器，而本实用新型利用机内反馈绕组实现了励磁发电、励磁控制一体化，完全免去了外部的励磁设备或励磁电源，从而大幅简化了机组的结构、降低了成本。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种复合励磁无刷风力发电机，其特征在于，包括主轴、轴承、励磁绕组、定子绕组、反馈绕组、磁钢、励磁发电绕组、电路腔体和励磁发电整流器；

所述主轴通过轴承设置于电机壳体中央；所述定子绕组、反馈绕组、磁钢设于电机定子部分；所述励磁绕组、励磁发电绕组、电路腔体设于电机转子部分；所述定子绕组与励磁绕组构成磁通交链结构，所述反馈绕组与磁钢同时与励磁发电绕组构成磁通交链结构；所述励磁发电整流器设于电路腔体内部；所述励磁发电绕组与励磁发电整流器的交流侧电连接，所述励磁绕组与励磁发电整流器的直流侧电连接；所述反馈绕组与外部反馈控制端电连接或与定子绕组的输出端电连接；所述定子绕组的输出端直接或经过输出整流器与发电机功率输出端电连接。

2.根据权利要求1所述的复合励磁无刷风力发电机，其特征在于，所述反馈绕组产生磁通方向与磁钢磁通方向相反。

3.根据权利要求1所述的复合励磁无刷风力发电机，其特征在于，所述反馈绕组通过反馈绕组整流器与定子绕组的输出端电连接。

4.根据权利要求1所述的复合励磁无刷风力发电机，其特征在于，所述反馈绕组经输出整流器与定子绕组的输出端通过控制晶体管电连接。

5.根据权利要求1所述的复合励磁无刷风力发电机，其特征在于，所述反馈绕组与定子绕组之间接有阻抗元件。

6.根据权利要求1所述的复合励磁无刷风力发电机，其特征在于，所述发电机为外转子型结构。