一种场调制双转子无刷双馈风力发电机制造技术

本发明专利技术公开了一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，定子、外转子和内转子依次由外向内设置。定子设置了两套极对数不同的独立绕组，p对极的功率绕组(11)与电网相连，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器与电网相连。外转子为装有径向充磁永磁体(21)的p对极永磁转子，内转子为(p+q)对极凸极转子。外转子为功率绕组提供p对极的励磁磁场，该磁场经过内转子后，调制出q对极的谐波磁场为控制绕组提供励磁。本发明专利技术的永磁转子结构，永磁体利用率高，极对数转化效率高，且运用凸极转子，结构简单坚固，降低了制造成本，减小维护量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风力发电设备领域，尤其涉及一种能够实现变速横频的场调制双转子无刷双馈风力发电机。
技术介绍
风能是一种洁净的可再生能源。大力发展包括风力发电在内的可再生能源发电技术是解决全球能源和资源紧张的最佳选择。风力发电机组一般采用同步或感应发电机，并网型的风力发电机组要求发电机的输出频率与电网频率一致，由于传统的同步或感应发电机不能实现变速恒频运行，风能的利用率比较低。因而能克服上述缺点的变速恒频风力发电机近年来发展迅速，目前主要有双馈异步风力发电机和直驱型永磁同步风力发电机。其中双馈异步发电机工作在一个有限的转速范围内，转子侧功率变换器只需提供转差功率，约为发电机额定功率的20％～30％，降低了成本。但这种发电机的缺点也相当明显：由于存在主绕组和励磁绕组，同容量电机的体积较大，效率也较低；发电机的极对数受体积限制不能过多，风机与发电机之间必须要用增速齿轮箱，增加了机组的机械损耗，噪音污染以及维护工作量；转子上存在励磁绕组，需要滑环和电刷，降低了可靠性，增加了维护工作量。直驱型永磁同步发电机取消了增速齿轮箱，转子无绕组，无需滑环和电刷，提高了可靠性，减少了维修工作量，效率高，但是直驱型永磁同步发电机本身体积和重量庞大，需要全功率的功率变换器，成本高。近年来，为了取消双馈感应电机的电刷和滑环，无刷双馈风力发电机成为了国内外学者研究的重点。由于无刷双馈电机取消了电刷和滑环，因此有效地提高了风力发电系统的可靠性，并且保留了传统有刷双馈发电系统的采用部分功率变换器、成本较低的优点。但无刷双馈电机的转子结构复杂，制造困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出一种变速恒频的场调制双转子无刷双馈风力发电机。本专利技术是一种能够使用部分容量功率变换器的永磁化同步发电机。本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，所述定子(1)、外转子(2)和内转子(3)依次由外向内设置；所述定子(1)与转轴(4)转动连接，且所述外转子(2)与转轴(4)转动连接，所述内转子(3)固定在转轴(4)上；所述定子(1)上设置了两套极对数不同的独立绕组，这两套极对数不同的独立绕组分别为p对极的功率绕组(11)、q对极的控制绕组(12)；其中，p对极的功率绕组(11)直接与电网连接，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器(7)与电网相连；所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；所述外转子(2)为装有永磁体(21)的永磁式转子，所述内转子(3)为凸极转子，转子的极数为p+q。进一步的，所述凸极转子的凸极的极弧系数为0.4～0.6，与齿根部的极弧系数相通。进一步的，所述外转子(2)包括导磁支架(22)，所述永磁体(21)嵌入在导磁支架(22)上。进一步的，所述永磁体(21)排布方式为单层排布，包括单层表贴式排布和单层内置式排布；或者所述永磁体(21)的排布方式为双层排布，且上下两层处于相同角度位置的永磁体(21)充磁方向相同。进一步的，所述永磁体(21)沿圆周均匀排布，永磁体(21)充磁方向均为径向充磁，且所述永磁体(21)的弧度≥π/(p+q)；所述永磁体(21)单个层上的个数为p个，且所述永磁体(21)充磁方向均相同，均为径向向外或径向向内；或者所述永磁体(21)单个层上的个数为2p个，相邻永磁体(21)均径向充磁但充磁方向相反。进一步的，所述外转子(2)两端设有转子端盖(23)，所述转子端盖(23)通过轴承一(51)与转轴(4)转动连接。进一步的，所述定子(1)的绕组间安装有霍尔元件(13)。进一步的，所述霍尔元件(13)为三个，且三个霍尔元件(13)沿圆周120°均匀分布。进一步的，所述内转子(3)的转速由控制绕组(12)的供电频率决定，通过改变控制绕组(12)的供电频率，可实现风力机的最大功率点跟踪。进一步的，所述交直交功率变换器(7)的容量为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。本专利技术的有益效果为：1.外转子为永磁转子，内转子为凸极转子，凸极转子的极数为功率绕组与控制绕组极对数之和，所以本专利技术降低了转速，且去除了电刷、滑环和转子绕组，提高了可靠性。2.永磁转子同时为功率绕组和控制绕组提供励磁磁场，提高了永磁体的利用率，且提高了功率密度。3.场调制双转子无刷双馈风力发电机功率绕组与电网直接连接，交直交功率变换器连接至控制绕组以提供控制电流，可使永磁体为功率绕组提供的励磁磁场保持在同步转速，实现恒频运行。交直交功率变换器的容量根据发电机的调速范围而定，一般只有发电机额定容量的20％～30％，相对于永磁同步发电机、磁齿轮外转子永磁无刷风力发电机，本发电机无需使用等同于发电系统额定容量的功率变换器，有利于降低成本。4.本专利技术无需电刷、滑环和转子绕组，提高了效率和可靠性。利用永磁转子的主磁场为功率绕组励磁，利用永磁转子经凸极转子的磁场调制作用产生的谐波磁场，为控制绕组励磁，提高了无刷双馈电机的功率密度和效率。利用本专利技术的永磁转子结构，提高了永磁体的利用率和极对数转换效果，使用部分功率的功率变化器，降低了成本，使发电机在较大范围内变速恒频运行。附图说明图1是本专利技术场调制双转子无刷双馈风力发电机的横向截面图；图2是本专利技术场调制双转子无刷双馈风力发电机的纵向剖视图；图3是本专利技术场调制双转子无刷双馈风力发电机的永磁转子结构图；图4是本专利技术场调制双转子无刷双馈风力发电机的霍尔元件安装图；图5是本专利技术场调制双转子无刷双馈风力发电机的并网示意图；图6是本专利技术场调制双转子无刷双馈风力发电机的功率传递示意图。附图标记说明1-定子、2-外转子、3-内转子、4-转轴、5-轴承二、6-风力机、7-交直交功率变换器、11-功率绕组、12-控制绕组、13-霍尔元件、21-永磁体、22-导磁支架、23-转子端盖、51-轴承一。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。如图1、图2和图3所示，一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，包括定子1、外转子2、内转子3和转轴4，定子1、外转子2和内转子3依次由外向内设置。定子1与转轴4转动连接，且外转子2与转轴4转动连接，内转子3固定在转轴4上。外转子2两端设有转子端盖23，转子端盖23通过轴承一51与转轴4转动连接。定子1上设置了两套独立的绕组为功率绕组11和控制绕组12，分别用于发电与转速控制。其中p对极的功率绕组11直接与电网连接，q对极的控制绕组12经交直交功率变换器7与电网相连。p和q分别为正整数，且p和q不相等，故没有直接耦合；且本专利技术分别采用永磁外转子主磁场和经由内转子3调制后的谐波磁场作为励磁磁场，两者不存在间接耦合；该场调制双转子无刷双馈风力发电机可看做是一台磁齿轮无级变速器与一台永磁同步发电机的级联，且只存在机械连接，不存在电与磁的耦合。外转子2为装有永磁体21的p对极永磁式转子，外转子2包含导磁支架22，永磁体21嵌入在导磁支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，所述定子(1)、外转子(2)和内转子(3)依次由外向内设置；所述定子(1)与转轴(4)转动连接，且所述外转子(2)与转轴(4)转动连接，所述内转子(3)固定在转轴(4)上；所述定子(1)上设置了两套极对数不同的独立绕组，这两套极对数不同的独立绕组分别为p对极的功率绕组(11)、q对极的控制绕组(12)；其中，p对极的功率绕组(11)直接与电网连接，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器(7)与电网相连；所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；所述外转子(2)为装有永磁体(21)的永磁式转子，所述内转子(3)为凸极转子，转子的极数为p+q。

【技术特征摘要】
1.一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，所述定子(1)、外转子(2)和内转子(3)依次由外向内设置；所述定子(1)与转轴(4)转动连接，且所述外转子(2)与转轴(4)转动连接，所述内转子(3)固定在转轴(4)上；所述定子(1)上设置了两套极对数不同的独立绕组，这两套极对数不同的独立绕组分别为p对极的功率绕组(11)、q对极的控制绕组(12)；其中，p对极的功率绕组(11)直接与电网连接，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器(7)与电网相连；所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；所述外转子(2)为装有永磁体(21)的永磁式转子，所述内转子(3)为凸极转子，转子的极数为p+q。2.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述凸极转子的凸极的极弧系数为0.4～0.6，与齿根部的极弧系数相通。3.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述外转子(2)包括导磁支架(22)，所述永磁体(21)嵌入在导磁支架(22)上。4.如权利要求3所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述永磁体(21)排布方式为单层排布，包括单层表贴式排布和单层内置式排布；或者所述永磁体(21)的排布方式为双层排布，且上下两层处于相同角度位置的永磁体(21)充磁方向相同。5.如权利要求4所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建忠，姜永将，徐帅，胡省，李天一，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32