專利名稱：改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發電機，尤其涉及一種由變速風輪驅動的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機。
背景技術：
并網型風力發電機是將風輪捕獲的機械能轉化為電能并輸送到恒壓、恒頻電網中去。在大功率電力電子技術不夠成熟時，改變發電機發出風電的頻率、電壓是非常困難的。為了能把風電直接輸送到電網中，只有選用與電網同頻率的交流異步發電機或交流同步發電機。異步發電機只能運行在同步轉速以上1％～4％左右轉速差范圍內，同步發電機只能運行在同步轉速。為了使發電機頻率適合電網，必須用大變速比的齒輪箱與恒速風輪連接，使風輪與發電機的轉速、風電與電網的頻率都相匹配。這兩種電機的優點是不經逆變而直接并網，但存在諸多不足1、電機的功率—轉速特性較硬，不易與風輪的輸出特性曲線很好地匹配，也很難提高捕獲風能效率以最大限度地吸收風能；2、在并網時易對機組及電網造成沖擊；3、由于風速的不穩定性，易對齒輪箱產生沖擊而使齒輪箱損壞，維護成本高；4、發電機要經常處于停機、低速發電、高速發電的頻繁投入、切出狀態，控制復雜，易出故障；5、發電機在低負載時空載損耗較大，難以提高輕載時效率，高效率區不大，而且只能由平均捕捉風能效率較低的恒速風輪驅動。對于同步發電機而言，還需有一套勵磁電源及其控制系統。因此這種發電方案既效率不夠高，極不經濟；又結構復雜，增加了生產成本。
為了提高風輪捕捉風能的效率，從空氣動力學角度考慮，通過優化，可以設計出幾乎在所有的風況下都具有較高能量轉換效率的變速風輪。試驗表明，在平均風速6.7m/s時，變速風輪要比恒速風輪多捕捉15％的風能。隨著電力電子技術的發展，大功率交流變頻技術已得到推廣應用，大功率風電的穩壓和變頻并網已可以實現，因此風輪轉速及轉速變化與電網的頻率沒有必然的直接關系。為此，世界上各生產廠家又開發出新型的由變速風輪驅動的風力發電機，如Vestas公司生產的V66風力機及Enercon公司生產的E-30及E-66/1.8風力發電機等。V66風力機可以按照風況控制漿距角使其始終處于最佳狀態，從而提高了發電量，系統噪聲也得到控制。風輪功率通過齒輪箱和聯軸節傳遞到雙饋異步發電機。該機組采用了稱為VCS(Vestas Converter System)的最佳轉速控制技術，能保證機組輸出穩定的電功率。VCS是由具有繞組轉子和滑環的異步發電機，由一個采用IGBT(絕緣柵極晶體管)開關的功率逆變器、接觸器和保護裝置組成。VCS可以使運行轉速變化范圍達到額定轉速的60％。以VCS技術為代表的雙饋異步發電機能夠把變速風輪捕捉的風能盡可能多地轉化為電能，增加發電量，保持低噪音運行，降低齒輪箱載荷，但其不足之處在于轉子有滑環，結構復雜，很難省去齒輪箱直驅運行。
Enercon公司生產的E-30及E-66/1.8等風力發電機均采用直驅變速電勵磁同步發電機，這種發電機靠調整勵磁電流來達到變速穩壓輸出的目的，靠大功率整流器、逆變器實現AC-DC-AC的整流、逆變并網，雖然發揮了變速風輪的優點，但其必須有滑環及勵磁系統，結構復雜，生產及運行成本高。
此外，國家知識產權局2005年8月3日公開的CN1649239號發明專利申請，公開了一種“MW級直接驅動永磁外轉子同步風力發電機”，所述發電機的勵磁系統為永磁體，且直接驅動外轉子，省去了電勵磁同步發電機的勵磁系統和滑環等結構。但該專利沒有公開變速永磁發電機在電能并網前的穩壓方式。
為實現永磁發電機的穩壓輸出，現有技術中已提出一些解決辦法。如國家知識產權局1996年10月30日公開的95111026.8號發明專利申請，公開了一種穩壓永磁發電機及其穩壓方法。所述發電機包括定子、轉子、蝸輪蝸桿機構、執行電機和取樣控制電路，轉子與發動機的輸出軸相連接，取樣控制電路與發電機電壓輸出端相連接，執行電機與取樣控制電路相連接，執行電機通過蝸輪蝸桿機構驅動一根絲杠作軸向運動，該絲杠的一端與定子相固定。其穩壓方法是通過控制電路和調壓執行機構根據負載變化來調整發電機轉子、定子的相對位置，從而改變定、轉子間的磁場耦合狀態，實現穩壓輸出。這種方法的缺點是1、由于需增設取樣控制電路和調壓執行機構、執行電機等諸多設備，控制系統和機械結構都較為復雜，大大提高了生產成本；2、由于其具有復雜的調壓執行機構，很難在大型發電機(例如MW級風力發電機)上應用(因為如果大型發電機采用這種方法調壓，調壓執行機構將非常龐大、結構異常笨重，難于實現)。此外，1999年9月11日授權公告95239710.2實用新型專利也公開了一種穩壓永磁發電機，所述發電機具有與前述專利類似的結構，采用同樣的方法實現穩壓；2000年8月9日公開的CN1262547號發明專利申請，公開了一種永磁發電機輸出電壓穩定方法及穩壓永磁發電機，其通過設置在同一軸線上的復位彈簧、平衡彈簧及彈簧調節螺母的共同作用，來調節定子與轉子之間的相對位移量從而實現穩壓，其穩壓方法的本質與前述專利相同。因此這些專利所公開的穩壓方法皆存在上述諸多不足。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是，克服上述現有技術的諸多不足，提供一種只需對發電機進行優化電磁設計，無需增加任何附加設備或控制電路即能實現恒壓輸出的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機。
按照本實用新型提供的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，由變速風輪驅動，發出的恒壓直流電經逆變器變頻后輸向電網，所述發電機包括一定子，包括電樞鐵芯、安裝于所述電樞鐵芯內的繞組及用于安裝所述電樞鐵芯的鐵芯安裝架一轉子，可轉動地安裝于所述定子上，由所述變速風輪驅動旋轉，其包括永磁磁極和用于安裝所述永磁磁極的磁極固定架；一多相全波整流器，接所述繞組的輸出端，其將電流整流后再輸出至所述逆變器；所述電樞鐵心上成形有多道容置槽，所述繞組安裝于所述容置槽內，所述容置槽的深度與寬度之比大于6∶1按照本實用新型提供的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機還具有如下附屬技術特征在本實用新型給出的一種優選實施方案中，所述容置槽內安裝的槽楔為導磁體，其將所述繞組封閉于所述容置槽內；所述容置槽的深度與寬度之比大于8∶1，一種更優選的方案是，所述容置槽的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。
作為上述優選實施方案的一種實施例方式，所述發電機為外轉式發電機，所述定子還包括一固定軸，所述鐵芯安裝架固定于所述固定軸上；所述磁極固定架由機殼和安裝于機殼兩端的端蓋組成，所述永磁磁極固定于所述機殼的內側，所述兩端蓋借助兩滾動軸承安裝于所述固定軸上。所述兩端蓋的中部成形有兩向內延伸的環形凸緣，所述滾動軸承設于所述環形凸緣和所述固定軸之間。所述永磁磁極借助膠粘劑粘固于所述機殼的內表面。
作為上述優選實施方案的另一種實施例方式，所述發電機為內轉式發電機，所述轉子還包括一旋轉軸，所述磁極固定架固定于所述旋轉軸上；所述鐵芯安裝架由機殼和安裝于所述機殼兩端的端蓋組成，所述電樞鐵芯固定于所述機殼的內側；所述兩端蓋借助兩滾動軸承安裝于所述旋轉軸上。所述兩端蓋的中部成形有兩向內延伸的環形凸緣，所述滾動軸承設于所述環形凸緣與所述旋轉軸之間。所述永磁磁極借助膠粘劑粘固于所述磁極固定架的外周。
按照本實用新型提供的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，由于僅通過增大電樞鐵心上繞組容置槽的深、寬比來增加繞組的漏感電抗，并合理利用了電樞反應的去磁特性，從而實現穩壓，且保證了其穩壓效果。與現有技術相比，一方面，這種完全靠優化電磁設計參數來實現穩壓的發電機，不需要增加任何檢測、控制環節及執行電機等，不僅結構大為簡化，成本大大降低，而且非常適用于其他穩壓方法無法適用的風力發電機；另一方面，克服了現有技術中的技術偏見。現有技術中，設計發電機時，為了提高發電機的效率和功率因數，提高發電機在負載變化時輸出電壓的穩定性，一般要努力減小繞組的漏感電抗。而本實用新型的發明思路剛好與其相反——通過增大漏感電抗來實現穩壓。因此不僅在大功率永磁直流無刷發電機變速恒壓輸出方面實現了飛躍性的技術突破，用電機自然輸出特性達到了永磁變速恒壓輸出的目的；而且這種新穎獨特的設計思想也給本領域的普通技術人員對永磁發電機的穩壓研發提供了更廣闊的思路。
按照本實用新型提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，可與變速風輪的輸出特性實現直接耦合匹配，運行轉速范圍寬，最大、最小工作轉速的變化范圍可達到最大轉速的70％。既保持了永磁發電機的高效率、輕便、結構簡單等優點，又能在變速變負載情況下自動實現穩壓，其發出的恒壓直流電只需經逆變即可并網。系統中減少了大量的機電檢測及調控設備，不僅結構簡單，降低造價，也提高了運行可靠性。
按照本實用新型提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，在變速風輪和逆變器之間能實現自身的輸入輸出特性分別與變速風輪輸出特性及逆變器的輸入特性自動優化匹配，靠其自然輸出特性自動選取最優工作點，消除了系統中的機械沖擊和電氣沖擊過程，延長了發電機的運行壽命，節省了運行成本。
按照本實用新型提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，由于是由其自然輸出特性自動實現變速恒壓輸出的，不需要斬波調壓，所以諧波分量小，僅存在整流諧波，逆變前無斬波諧波。如果風電場內若干臺風力發電機組直流電能匯集后再逆變輸往電網，不僅直流電源匯集方便，而且整流諧波互補后可以消除大部分諧波，減小對電網的諧波污染。
以下結合附圖給出的優選實施例對本實用新型進行詳細說明，其中圖1為按照本實用新型提供的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機的應用原理示意圖；圖2為按照本實用新型提供的外轉式永磁直流無刷變速恒壓風力發電機的半剖示意圖；圖3為圖2所示外轉式永磁直流無刷變速恒壓風力發電機的電樞沖片的平面示意圖；圖4為按照本實用新型提供的內轉式永磁直流無刷變速恒壓風力發電機的半剖示意圖；圖5為圖4所示內轉式永磁直流無刷變速恒壓風力發電機的電樞沖片的平面示意圖。
具體實施方式
參見圖1，按照本實用新型提供的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機10，由變速風輪驅動，發出的恒壓直流電經逆變器20變頻后輸向電網30。變速風輪和逆變器的具體結構及其與發電機10的連接、安裝方式及結構等皆為公知技術，此處不再贅述。
參見圖2，所述發電機10包括
一定子1，包括電樞鐵芯11、安裝于所述電樞鐵芯11內的繞組12及用于安裝所述電樞鐵芯11的鐵芯安裝架13；一轉子2，可轉動地安裝于所述定子1上，由所述變速風輪驅動旋轉，其包括永磁磁極21和用于安裝所述永磁磁極21的磁極固定架22；一多相全波整流器3，接所述繞組12的輸出端，其將電流整流后再輸出至所述逆變器20；所述電樞鐵芯11由多片電樞沖片疊壓而成，參見圖3，圖中示出了每片電樞沖片的平面示意圖，所述電樞鐵心11上成形有多道容置槽111，所述繞組12安裝于所述容置槽111內，本實用新型的特征在于所述容置槽111的深度與寬度之比大于6∶1(圖3中的h比b)，因此電樞繞組12的漏感電抗大大增加，并利用該原理(詳見下述)實現穩壓。
參見圖3，作為對上述結構的更進一步改進，所述容置槽111內安裝的槽楔14為導磁體，其將所述繞組12封閉于所述容置槽111內。選擇導磁體作為槽楔能進一步增大繞組12的漏感電抗，從而更好地實現穩壓。
在本實用新型給出的一種優選實施方案中，所述容置槽111的深度與寬度之比大于8∶1。容置槽的深寬比位于該范圍內的電樞鐵芯的發電機能更好地實現穩壓。
作為上述優選實施方案的一種實施方式，所述容置槽111的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。容置槽的深寬比位于該范圍內的電樞鐵芯更適用于變速范圍較大的風力發電機。
參見圖2和3，在本實用新型的一種具體實施方案中，所述發電機10為外轉式發電機，所述定子1還包括一固定軸15，所述鐵芯安裝架13固定于所述固定軸15上；所述磁極固定架22由機殼221和安裝于機殼221兩端的端蓋222組成，所述永磁磁極21固定于所述機殼221的內側，所述兩端蓋222借助兩滾動軸承4安裝于所述固定軸15上。所述兩端蓋222的中部成形有兩向內延伸的環形凸緣223，所述滾動軸承4設于所述環形凸緣223和所述固定軸15之間。所述環形凸緣223的結構能大大方便所述滾動軸承4的安裝。所述永磁磁極21借助膠粘劑粘固于所述機殼221的內表面，因此安裝方便，降低了生產成本。這種結構的發電機，變速風輪(圖中未示)直接或借助另一固定件安裝于所述機殼221上，從而驅動所述轉子2轉動。
參見圖4和5，在本實用新型的另一種具體實施方案中，所述發電機10為內轉式發電機，所述轉子2還包括一旋轉軸23，所述磁極固定架22固定于所述旋轉軸23上；所述鐵芯安裝架13由機殼131和安裝于所述機殼131兩端的端蓋132組成，所述電樞鐵芯11固定于所述機殼131的內側；所述兩端蓋132借助兩滾動軸承4安裝于所述旋轉軸23上。所述兩端蓋132的中部成形有兩向內延伸的環形凸緣133，所述滾動軸承4設于所述環形凸緣133與所述旋轉軸23之間。所述環形凸緣133的結構能大大方便所述滾動軸承4的安裝。所述永磁磁極21借助膠粘劑粘固于所述磁極固定架22的外周，因此安裝方便，降低了生產成本。這種結構的發電機，變速風輪(圖中未示)直接或借助另一固定件安裝于所述旋轉軸23上，從而驅動所述轉子2轉動。
本實用新型具體的設計思路及實現原理如下設永磁直流無刷變速恒壓風力發電機由轉速變化范圍為最小工作轉速n0至最大工作轉速ne的變速風輪驅動，發出電壓為Ue的直流電經逆變器變頻輸向電網。當輸入轉速n變化時，電勢E＝ke·n、電樞繞組漏電抗X＝f(n)都正比于n變化，輸出電流也會隨著n的增加而增加；當電樞電阻R足夠小(在計算內阻壓降時可以略去電阻值)，如果能使電樞繞組漏電抗壓降X·I與電勢E＝ke·n等量、同步變化，即可利用電抗壓降穩壓，實現恒壓輸出。
為實現上述目標，由最小工作轉速n0、最大工作轉速ne、額定電壓Ue、額定電流Ie等給定條件確定電勢系數ke=Ueno,X=nne·ne-n0n0·UeIe,]]>電磁設計時使電樞電阻標幺值R*＝0.02～0.04，電樞電勢E=Uen0·n]]>輸出電流I=E-UeX,]]>即I=n-n0ne-n0·nen·Ie,]]>則發電機輸出電壓U＝f(n)＝E-X·I，代入相關參數后即得U＝f(n)＝Ue，實現了利用電抗壓降穩壓，達到恒壓輸出的目的。由此可見，本實用新型利用電抗壓降達到了自動穩壓的目的，實現了恒壓輸出。例如按照本實用新型提供的一永磁直流發電機，其額定功率為1500kW，額定電壓1000V，起始工作轉速n0＝8.8rpm，最高工作轉速ne＝22rpm。電樞繞組為六相交流繞組，整流器為六相全波整流器，機殼外徑為4.8m，定子電樞鐵芯的外徑為4.5m，電機極數為2p＝96極，鐵芯長度l＝750mm，電樞容置槽的深、寬之比為h∶b＝11.7∶1，電勢系數ke＝113.64v/rpm，在最高工作轉速時繞組漏抗標幺值X*＝1.5。該發電機能很好地實現恒壓輸出。
上述優選實施例僅供說明本實用新型之用，而并非對本實用新型的限制。本領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內指引下，還可做出各種變形和變換，因此所有等同技術方案皆屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，由變速風輪驅動，發出的恒壓直流電經逆變器(20)變頻后輸向電網(30)，所述發電機(10)包括一定子(1)，包括電樞鐵芯(11)、安裝于所述電樞鐵芯(11)內的繞組(12)及用于安裝所述電樞鐵芯(11)的鐵芯安裝架(13)；一轉子(2)，可轉動地安裝于所述定子(1)上，由所述變速風輪驅動旋轉，其包括永磁磁極(21)和用于安裝所述永磁磁極(21)的磁極固定架(22)；一多相全波整流器(3)，接所述繞組(12)的輸出端，其將電流整流后再輸出至所述逆變器(20)；其特征在于所述電樞鐵心(11)上成形有多道容置槽(111)，所述繞組(12)安裝于所述容置槽(111)內，所述容置槽(111)的深度與寬度之比大于6∶1。
2.根據權利要求1所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述容置槽(111)內安裝的槽楔(14)為導磁體，其將所述繞組(12)封閉于所述容置槽(111)內。
3.根據權利要求1所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述容置槽(111)的深度與寬度之比大于8∶1。
4.根據權利要求3所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述容置槽(111)的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。
5.根據權利要求1或2所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述發電機為外轉式發電機，所述定子(1)還包括一固定軸(15)，所述鐵芯安裝架(13)固定于所述固定軸(15)上；所述磁極固定架(22)由機殼(221)和安裝于機殼(221)兩端的端蓋(222)組成，所述永磁磁極(21)固定于所述機殼(221)的內側，所述兩端蓋(222)借助兩滾動軸承(4)安裝于所述固定軸(15)上。
6.根據權利要求5所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述兩端蓋(222)的中部成形有兩向內延伸的環形凸緣(223)，所述滾動軸承(4)設于所述環形凸緣(223)和所述固定軸(15)之間。
7.根據權利要求5所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述永磁磁極(21)借助膠粘劑粘固于所述機殼(221)的內表面。
8.根據權利要求1或2所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述發電機(10)為內轉式發電機，所述轉子(2)還包括一旋轉軸(23)，所述磁極固定架(22)固定于所述旋轉軸(23)上；所述鐵芯安裝架(13)由機殼(131)和安裝于所述機殼(131)兩端的端蓋(132)組成，所述電樞鐵芯(11)固定于所述機殼(131)的內側；所述兩端蓋(132)借助兩滾動軸承(4)安裝于所述旋轉軸(23)上。
9.根據權利要求8所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述兩端蓋(132)的中部成形有兩向內延伸的環形凸緣(133)，所述滾動軸承(4)設于所述環形凸緣(133)與所述旋轉軸(23)之間。
10.根據權利要求8所述的改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，其特征在于所述永磁磁極(21)借助膠粘劑粘固于所述磁極固定架(22)的外周。
專利摘要一種改進的永磁直流無刷變速恒壓風力發電機，由變速風輪驅動，發出的恒壓直流電經逆變器變頻后輸向電網，發電機包括一定子，包括電樞鐵芯、安裝于電樞鐵芯內的繞組及用于安裝電樞鐵芯的鐵芯安裝架；一轉子，可轉動地安裝于定子上，由變速風輪驅動旋轉，其包括永磁磁極和用于安裝永磁磁極的磁極固定架；一多相全波整流器，接繞組的輸出端，其將電流整流后再輸出至逆變器；電樞鐵心上成形有多道容置槽，繞組安裝于容置槽內，容置槽的深度與寬度之比大于6∶1。該發電機無需增加任何附加設備或控制電路即能實現恒壓輸出，結構簡單、成本低，轉換效率高，諧波分量小，尤其適用于大型變速風力發電機。
文檔編號H02K3/487GK2850124SQ200620004649
公開日2006年12月20日 申請日期2006年3月30日 優先權日2006年1月25日
發明者劉長安, 張繼鵬, 劉慧博 申請人:包頭長安永磁電機研發有限公司