專利名稱:小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),特別是一種小型風(fēng) 力發(fā)電機(jī)及其風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
技術(shù)背景風(fēng)力發(fā)電是再生能源技術(shù)中增長最快的一種,常見有交流異步發(fā) 電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī),在風(fēng)電系統(tǒng)中,需要齒輪增速,對于雙饋異 步發(fā)電機(jī)還要有碳刷和滑環(huán),這種風(fēng)電系統(tǒng)制造成本高、可靠性差, 而且噪音污'染十分嚴(yán)重。無齒輪箱、直驅(qū)、無刷化受到人們的關(guān)注,新的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方 案為變速運(yùn)行,變漿矩調(diào)節(jié)、低轉(zhuǎn)速、高效率、高功率因數(shù)的直驅(qū)多 極永磁同步發(fā)電機(jī),成為當(dāng)前研究開發(fā)的熱點(diǎn)。其中,小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其體積小、單價低,所以不適宜采用 變槳矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),因而現(xiàn)有技術(shù)一般是采用固定槳矩的方式。但是, 由于風(fēng)速會不斷變化,現(xiàn)有的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并不能適用,其工作 不穩(wěn)定、不可靠,風(fēng)能利用率低。,另外,目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的采用多槽多極電機(jī),所對應(yīng)的定子槽 數(shù)多,為滿足工藝要求,定子和轉(zhuǎn)子尺寸要制作得很大,以使之獲得 需要的頻率,由于轉(zhuǎn)動慣量大可以平抑由于風(fēng)力變化引發(fā)的電勢波動。 但是,該多槽多極的結(jié)構(gòu)制作工藝較復(fù)雜,性能不穩(wěn)定,因而不能達(dá) 到最佳的使用效果,并且該電機(jī)還存在自身體積大、成本高的缺點(diǎn), 同時還需要減速箱的配合使用,因而使得小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本不能進(jìn)一步降低。而傳統(tǒng)上存有技術(shù)偏見,認(rèn)為結(jié)構(gòu)相對簡單的少槽少極 結(jié)構(gòu)在使用上會導(dǎo)致徑向電磁力過大、震動劇烈和噪聲大的問題,一 直以來只用于小型或者微型發(fā)電機(jī)中。低速大轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)通常是采 用相對復(fù)雜的多槽多極結(jié)構(gòu),而結(jié)構(gòu)相對簡單的少槽少極結(jié)構(gòu)在低速 大轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)中并沒有使用和嘗試的記載。 發(fā)明內(nèi)容為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明要的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、 效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的一種小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。另外一個目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用可靠、風(fēng) 能利用率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。一種小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),包括機(jī)殼,機(jī)殼通過軸承安 裝有轉(zhuǎn)軸,機(jī)殼內(nèi)設(shè)有主電機(jī)和輔助電機(jī),在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電 機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子,主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子上分別安裝有磁 鋼,在機(jī)殼上設(shè)有分別與主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電 機(jī)定子和輔助電機(jī)定子,主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子上分別設(shè)有主電 機(jī)定子繞組和輔助電機(jī)定子繞組,輔助電機(jī)定子繞組中的一組繞組連 接有直流電源供電調(diào)節(jié)控制端。進(jìn)一步,所述的定子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和電能存儲器,風(fēng)力機(jī) 直接與發(fā)電機(jī)連接,所述發(fā)電機(jī)為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)包括 有主電機(jī)和輔助電機(jī),發(fā)電機(jī)的機(jī)殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸,在轉(zhuǎn)軸上 前后設(shè)置有主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子,主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子 上分別嵌裝有磁鋼,在機(jī)殼上設(shè)有分別與主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子,主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子 上分別設(shè)有主電機(jī)定子繞組和輔助電機(jī)定子繞組,主電機(jī)定子繞組的 輸出端通過電纜與電能存儲器和用電設(shè)備連接,輔助電機(jī)定子繞組的 繞組連接有直流電源供電調(diào)節(jié)器,直流電源供電調(diào)節(jié)器連接控制器, 控制器的輸入端連接風(fēng)力機(jī),對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行速度檢測。 進(jìn)一步,所述的定子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是由于該電機(jī)包括有主電機(jī)和輔助電機(jī),雙 定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),可以采用功率調(diào)節(jié)和能量補(bǔ)償?shù)姆椒ū3诛L(fēng)能發(fā) 電系統(tǒng)的穩(wěn)定,由輔助電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié),實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩阻尼式速度調(diào)節(jié), 保持恒速,在風(fēng)力不足時發(fā)電進(jìn)行功率補(bǔ)償,在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,主電 機(jī)為發(fā)電機(jī)直接供電,輔助電機(jī)空轉(zhuǎn),整個發(fā)電系統(tǒng)的工作效率能夠 有效提高,并且發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)可以在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行, 更高效地利用風(fēng)能,操作過程簡單。進(jìn)一步,所述的定子和轉(zhuǎn)子為少 槽少極結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)低速大扭矩輸入,具有高的功率密度,能夠取消 齒輪傳動機(jī)構(gòu),既減小了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體體積,又可以避免齒輪 傳動機(jī)構(gòu)磨損導(dǎo)致出現(xiàn)故障,提高整個發(fā)電系統(tǒng)的工作效率,并且其 成本能夠大大地有效降低,具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 圖1是本發(fā)明發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2是本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
參照圖1,本發(fā)明的一種小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),包括機(jī)殼l,機(jī)殼1通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸2,機(jī)殼1內(nèi)設(shè)有主電機(jī)和輔助電機(jī),在轉(zhuǎn)軸2上前后設(shè)置有主電機(jī)轉(zhuǎn)子3和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子4,主電機(jī)轉(zhuǎn)子3 和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子4上分別安裝有磁鋼5、 6,在機(jī)殼l上設(shè)有分別與主 電機(jī)轉(zhuǎn)子3和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子4位置對應(yīng)的主電機(jī)定子7和輔助電機(jī)定 子8,主電機(jī)定子7和輔助電機(jī)定子8上分別設(shè)有主電機(jī)定子繞組9 和輔助電機(jī)定子繞組10,輔助電機(jī)定子繞組10中的一組繞組連接有 直流電源供電調(diào)節(jié)控制端。進(jìn)一步,作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單, 極數(shù)和槽數(shù)優(yōu)化配合,所述的定子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu),其具有極 高的功率密度。具體可以如下,所述主電機(jī)和輔助電機(jī)中的定子為9 槽結(jié)構(gòu),所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有8極或者L0極,轉(zhuǎn)子的每一極設(shè)置有磁鋼。作為優(yōu)先方式,所述磁鋼為矩形,嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi),并呈切向排列, 所述定子的槽為直槽,槽形相同,均勻分布。另外,進(jìn)一步,所述定子繞組為三相,三相3組繞組120°集中 嵌放。本發(fā)明的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和電能存儲器, 風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)連接,所述發(fā)電機(jī)為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī),發(fā)電 機(jī)包括有主電機(jī)和輔助電機(jī),發(fā)電機(jī)的機(jī)殼1通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸2, 在轉(zhuǎn)軸2上前后設(shè)置有主電機(jī)轉(zhuǎn)子3和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子4,主電機(jī)轉(zhuǎn)子3 和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子4上分別嵌裝有磁鋼5、 6,在機(jī)殼1上設(shè)有分別與主 電機(jī)轉(zhuǎn)子3和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子4位置對應(yīng)的主電機(jī)定子7和輔助電機(jī)定 子8,主電機(jī)定子7和輔助電機(jī)定子8上分別設(shè)有主電機(jī)定子繞組9 和輔助電機(jī)定子繞組10,主電機(jī)定子繞組9和輔助電機(jī)定子繞組10的輸出端通過電纜與電能存儲器和用電設(shè)備連接,其中,輔助電機(jī)定 子繞組10的輸出端通過供電開關(guān)連接在電纜上,輔助電機(jī)定子繞組10的繞組還連接有直流電源供電調(diào)節(jié)器,直流電源供電調(diào)節(jié)器連接控制器,另一端通過直流電供電開關(guān)連接電能存儲器,控制器的輸入端 連接風(fēng)力機(jī),對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行速度檢測。如圖1所示,所述的定子和轉(zhuǎn)子可以為少槽少極結(jié)構(gòu)。具體為,所述主電機(jī)和輔助電機(jī)中的定子為9槽結(jié)構(gòu),所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有8極或 者10極,轉(zhuǎn)子的每一極設(shè)置有磁鋼。所述磁鋼為矩形,嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi), 并呈切向排列,所述定子的槽為直槽,槽形相同,均勻分布。優(yōu)選, 所述定子繞組為三相,三相3組繞組120。集中嵌放。進(jìn)一步,該發(fā)電機(jī)屬于少槽少極結(jié)構(gòu),為高密度磁路,定子繞組 匝數(shù)比多極永磁同步發(fā)電機(jī)多數(shù)十倍,充分利用槽隙空間增加繞組匝 數(shù)以獲得在低速運(yùn)行情況下產(chǎn)生較高的反電勢電壓,在低速條件下, 可直接輸出220V電壓,系統(tǒng)設(shè)計為恒速、恒頻、固定槳矩、雙定子雙 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),控制方式采用功率調(diào)節(jié)和能量補(bǔ)償?shù)姆椒ū3窒到y(tǒng)的穩(wěn)定, 因此本發(fā)明是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu),當(dāng)風(fēng)速合適,在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時,主電機(jī)為發(fā) 電機(jī)直接供電,輔助電機(jī)空轉(zhuǎn);當(dāng)風(fēng)速較大,在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時,對輔助電機(jī)定子繞組之一 供直流電,電流大小由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋決定,電流與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線是輔 助電機(jī)測出的試驗曲線,此種操作為轉(zhuǎn)矩阻尼式速度調(diào)節(jié);當(dāng)風(fēng)速較小,在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時,輔助電機(jī)投入發(fā)電運(yùn)行, 其電能與主電機(jī)的電纜并網(wǎng),此種操作是功率調(diào)節(jié)式補(bǔ)償。以下列舉本發(fā)明發(fā)電機(jī)的一實施例參數(shù)進(jìn)一步說明: 小型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù),1;額定功率P=5000w2、額定風(fēng)速Vw=9m/s3、葉尖速度與風(fēng)速之比入=7. 944、風(fēng)能利用系數(shù)"=0. 2945、槳葉半徑Y(jié) =3. 5m直徑^7m6、風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)n=295r/min7、塔架高度H=10m8、輸出電壓三相220V控制方案如下1、 恒速、恒頻,額定轉(zhuǎn)數(shù)195r/min,頻率13Hz,頻率變化誤 差±20%;2、 當(dāng)風(fēng)速Vw超過10. 8m/s時,啟動輔助發(fā)電機(jī),對其中一繞 組線圈供直流電流,對速度反饋由于分析后確定電流大小,產(chǎn)生阻 尼轉(zhuǎn)矩使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變;3、 當(dāng)風(fēng)速Vw低于7.2m/s時,啟動輔助發(fā)電機(jī)發(fā)電功能對電網(wǎng)補(bǔ)充供電,因主電機(jī)和輔助電機(jī)特性一致,不需要中間控制;4、 風(fēng)速過大時停止供電。另外,本發(fā)明的發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)在使用時,對有頻率要求的動力裝 置可通過頻率預(yù)定裝置提升供電頻率,對于頻率無要求的可直接供電 使用。另外,起動阻力矩是由齒槽效應(yīng)引起的,本發(fā)明的的試驗中其影響極小,轉(zhuǎn)動平穩(wěn)定子不需斜槽,并且繞組匝數(shù)數(shù)倍高于多極發(fā)電機(jī), 且反電勢電壓也很高,通過導(dǎo)線的電流比多極電機(jī)要小,電流是發(fā)熱 的主要因素,電流小對散熱有利,同時,此發(fā)電機(jī)為低頻發(fā)電機(jī),電 機(jī)鐵損很少,故不會發(fā)熱,可以使磁鋼的物理性能不受沖擊和影響。在控制技術(shù)方面,風(fēng)速具有隨機(jī)的波動性,導(dǎo)致風(fēng)能利用率時大時 小,因此要有一個控制方式,通過控制保證電能質(zhì)量的同時最大限度 的捕獲風(fēng)能,本發(fā)明風(fēng)電系統(tǒng)具有較高的效率。在經(jīng)濟(jì)性方面,發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,因無齒輪箱和槳葉 變矩裝置,運(yùn)行可靠性提高,在設(shè)計壽命內(nèi)不需維護(hù)。該系統(tǒng)可以適用于分散供電、獨(dú)立供電、農(nóng)田的小型水利用電, 減少集中供電的工程投資,小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能單位成本低于集 中供電的煤電成本。由于采用了上述結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī),可以采用功率調(diào)節(jié)和 能量補(bǔ)償?shù)姆椒ū3诛L(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定,由輔助電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié), 保持恒速,和在風(fēng)力不足時發(fā)電進(jìn)行功率補(bǔ)償,在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,主 電機(jī)為發(fā)電機(jī)直接供電,輔助電機(jī)空轉(zhuǎn),整個發(fā)電系統(tǒng)的工作效率能 夠有效提高,并且發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)可以在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行, 更高效地利用風(fēng)能,操作過程簡單。
權(quán)利要求
1.小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),包括機(jī)殼,機(jī)殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸,其特征在于機(jī)殼內(nèi)設(shè)有主電機(jī)和輔助電機(jī),在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子,主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子上分別安裝有磁鋼,在機(jī)殼上設(shè)有分別與主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子,主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子上分別設(shè)有主電機(jī)定子繞組和輔助電機(jī)定子繞組,輔助電機(jī)定子繞組中的一組繞組連接有直流電源供電調(diào)節(jié)控制端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),其特征在于 所述的定子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),其特征在于 所述主電機(jī)和輔助電機(jī)中的定子為9槽結(jié)構(gòu),所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有8極 或者10極,轉(zhuǎn)子的每一極設(shè)置有磁鋼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或者3所述的小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),其特征在于所述磁鋼為矩形,嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi),并呈切向排列,所述定子的槽為直槽,槽形相同,均勻分布。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或者3所述的小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),其 特征在于所述定子繞組為三相,三相3組繞組120。集中嵌放。
6. 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和電能存儲器,風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)連接,其特征在于所述發(fā)電機(jī)為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)包括有主電機(jī)和輔助電機(jī),發(fā)電機(jī)的機(jī)殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn) 軸,在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子,主電機(jī)轉(zhuǎn)子 和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子上分別嵌裝有磁鋼,在機(jī)殼上設(shè)有分別與主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子,主電機(jī) 定子和輔助電機(jī)定子上分別設(shè)有主電機(jī)定子繞組和輔助電機(jī)定子繞 組,主電機(jī)定子繞組和輔助電機(jī)定子繞組的輸出端通過電纜與電能 存儲器和用電設(shè)備連接,輔助電機(jī)定子繞組的繞組連接有直流電源 供電調(diào)節(jié)器,'直流電源供電調(diào)節(jié)器連接控制器,控制器的輸入端連 接風(fēng)力機(jī),對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行速度檢測。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其特征在于所述的定 子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其特征在于所述主電 機(jī)和輔助電機(jī)中的定子為9槽結(jié)構(gòu),所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有8極或者10極, 轉(zhuǎn)子的每一極設(shè)置有磁鋼。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其特征在于所述磁鋼 為矩形,嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi),并呈切向排列,所述定子的槽為直槽,槽形 相同,均勻分布。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其特征在于所述定子繞組為三相,三相3組繞組120。集中嵌放。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其發(fā)電系統(tǒng),發(fā)電機(jī)包括機(jī)殼,機(jī)殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸,機(jī)殼內(nèi)設(shè)有主電機(jī)和輔助電機(jī),在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子,在機(jī)殼上設(shè)有分別與主電機(jī)轉(zhuǎn)子和輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機(jī)定子和輔助電機(jī)定子,輔助電機(jī)定子繞組中的一組繞組連接有直流電源供電調(diào)節(jié)控制端。發(fā)電系統(tǒng)還包括有電能存儲器、直流電源供電調(diào)節(jié)器、控制器等,該發(fā)電機(jī)可以采用功率調(diào)節(jié)和能量補(bǔ)償?shù)姆椒ū3诛L(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定,整個發(fā)電系統(tǒng)的工作效率能夠有效提高。
文檔編號H02P9/00GK101404434SQ20081021894
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者吳金華, 徐繼鴻 申請人:馮可健