專利名稱：小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機及其小型風力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種風力發(fā)電機及風力發(fā)電系統(tǒng)，特別是一種小型風力發(fā)電機及其風力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風力發(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、雙饋異步發(fā)電機，在風電系統(tǒng)中，需要齒輪增速，對于雙饋異步發(fā)電機還要有碳刷和滑環(huán)，這種風電系統(tǒng)制造成本高、可靠性差，而且噪音污染十分嚴重。
無齒輪箱、直驅(qū)、無刷化受到人們的關(guān)注，新的風力發(fā)電系統(tǒng)方案為變速運行，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，成為當前研究開發(fā)的熱點。
其中，小型風力發(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，由于風速會不斷變化，現(xiàn)有的小型風力發(fā)電系統(tǒng)并不能適用，其工作不穩(wěn)定、不可靠，風能利用率低。
另外，目前的風力發(fā)電機的釆用多槽多極電機，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)制作工藝較復雜，性能不穩(wěn)定，因而不能達到最佳的使用效果，并且該電機還存在自身體積大、成本高的缺點，同時還需要減速箱的配合使用，因而使得小型風力發(fā)電機的成本不能進一步降低。而傳統(tǒng)上存有技術(shù)偏見，認為結(jié)構(gòu)相對簡單的少槽少極結(jié)構(gòu)在使用上會導致徑向電磁力過大、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)電機中。低速大轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機通常是采用相對復雜的多槽多極結(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)電機中并沒有使用和嘗試的記載。
實用新型內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型要的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的一種小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機。
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、風能利用率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的小型風力發(fā)電系統(tǒng)。
一種小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機，包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸，機殼內(nèi)設(shè)有主電機和輔助電機，在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子，主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子上分別安裝有磁鋼，在機殼上設(shè)有分別與主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機定子和輔助電機定子，主電機定子和輔助電機定子上分別設(shè)有主電機定子繞組和輔助電機定子繞組，輔助電機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。
進一步，所述的定子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu)。
小型風力發(fā)電系統(tǒng)，包括風力機、發(fā)電機和電能存儲器，風力機直接與發(fā)電機連接，所述發(fā)電機為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，發(fā)電機包括有主電機和輔助電機，發(fā)電機的機殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子，主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子上分別嵌裝有磁鋼，在機殼上設(shè)有分別與主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機定子和輔助電機定子，主電機定子和輔助電機定子上分別設(shè)有主電機定子繞組和輔助電機定子繞組，主電機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力機，對風力機進行速度檢測。進一步，所述的定子和轉(zhuǎn)子為少槽少極結(jié)構(gòu)。
本實用新型的有益效果是由于該電機包括有主電機和輔助電機，
雙定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以采用功率調(diào)節(jié)和能量補償?shù)姆椒ū３诛L能
發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定，由輔助電機進行轉(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，在風力不足時發(fā)電進行功率補償，在額定轉(zhuǎn)速運行，
主電機為發(fā)電機直接供電，輔助電機空轉(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)電機可以在較寬風速范圍內(nèi)穩(wěn)定運
行，更高效地利用風能，操作過程簡單。進一步，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
取消齒輪傳動機構(gòu)，既減小了風力發(fā)電系統(tǒng)的整體體積，又可以避免
齒輪傳動機構(gòu)磨損導致出現(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)濟效益。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。


圖1是本實用新型發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
參照圖1，本實用新型的一種小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機，包 括機殼1，機殼1通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸2，機殼1內(nèi)設(shè)有主電機和輔助
電機，在轉(zhuǎn)軸2上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子3和輔助電機轉(zhuǎn)子4，主電 機轉(zhuǎn)子3和輔助電機轉(zhuǎn)子4上分別安裝有磁鋼5、 6，在機殼1上設(shè)有 分別與主電機轉(zhuǎn)子3和輔助電機轉(zhuǎn)子4位置對應(yīng)的主電機定子7和輔 助電機定子8，主電機定子7和輔助電機定子8上分別設(shè)有主電機定 子繞組9和輔助電機定子繞組10，輔助電機定子繞組10中的一組繞 組連接有直流電源供電調(diào)節(jié)控制端。
進一步，作為本實用新型的優(yōu)選實施方式，電機定子和轉(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，所述主電機和輔助電機中的定 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。
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，進一步，所述定子繞組為三相，三相3組繞組120°集中 嵌放。
本實用新型的小型風力發(fā)電系統(tǒng)，包括風力機、發(fā)電機和電能存 儲器，風力機直接與發(fā)電機連接，所述發(fā)電機為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機， 發(fā)電機包括有主電機和輔助電機，發(fā)電機的機殼1通過軸承安裝有轉(zhuǎn) 軸2，在轉(zhuǎn)軸2上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子3和輔助電機轉(zhuǎn)子4，主電機 轉(zhuǎn)子3和輔助電機轉(zhuǎn)子4上分別嵌裝有磁鋼5、 6，在機殼1上設(shè)有分 別與主電機轉(zhuǎn)子3和輔助電機轉(zhuǎn)子4位置對應(yīng)的主電機定子7和輔助電機定子8，主電機定子7和輔助電機定子8上分別設(shè)有主電機定子 繞組9和輔助電機定子繞組10，主電機定子繞組9和輔助電機定子繞 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 端連接風力機，對風力機進行速度檢測。
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， 所述主電機和輔助電機中的定子為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。
進一步，該發(fā)電機屬于少槽少極結(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)和能量補償?shù)姆椒ū３窒到y(tǒng)的穩(wěn)定， 因此本實用新型是一種新型的風力發(fā)電系統(tǒng)。
采用雙電機結(jié)構(gòu)，當風速合適，在額定轉(zhuǎn)速運行時，主電機為發(fā) 電機直接供電，輔助電機空轉(zhuǎn)；
當風速較大，在額定轉(zhuǎn)速以上運行時，對輔助電機定子繞組之一 供直流電，電流大小由風機轉(zhuǎn)速反饋決定，電流與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線是輔 助電機測出的試驗曲線，此種操作為轉(zhuǎn)矩阻尼式速度調(diào)節(jié)；當風速較小，在額定轉(zhuǎn)速以下運行時，輔助電機投入發(fā)電運行， 其電能與主電機的電纜并網(wǎng)，此種操作是功率調(diào)節(jié)式補償。
以下列舉本實用新型發(fā)電機的一實施例參數(shù)進一步說明-小型直驅(qū)永磁風力發(fā)電機技術(shù)參數(shù)，
1、額定功率P:5000w
2、額定風速Vw二9m/s
3、葉尖速度與風速之比入=7. 94
4、風能利用系數(shù)co=0. 294
5、槳葉半徑Y(jié)=3. 5m直徑二7m
6、風力機額定轉(zhuǎn)數(shù)rF295r/min
7、塔架高度H=10m
8、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、 當風速W超過10. 8m/s時，啟動輔助發(fā)電機，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)矩使風力機轉(zhuǎn)速保持不變；
3、 當風速Vw低于7. 2m/s時，啟動輔助發(fā)電機發(fā)電功能對電網(wǎng) 補充供電，因主電機和輔助電機特性一致，不需要中間控制；
4、 風速過大時停止供電。
另外，本實用新型的發(fā)電機及其系統(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，本實用新型的的試驗中其 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，且反電勢電壓也很高，通過導線的電流比多極電機要小，電流是 發(fā)熱的主要因素，電流小對散熱有利，同時，此發(fā)電機為低頻發(fā)電機， 電機鐵損很少，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，風速具有隨機的波動性，導致風能利用率時大時 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 的捕獲風能，本實用新型風電系統(tǒng)具有較高的效率。
在經(jīng)濟性方面，發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，因無齒輪箱和槳葉 變矩裝置，運行可靠性提高，在設(shè)計壽命內(nèi)不需維護。
該系統(tǒng)可以適用于分散供電、獨立供電、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，可以采用功率調(diào)節(jié)和 能量補償?shù)姆椒ū３诛L能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定，由輔助電機進行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)， 保持恒速，和在風力不足時發(fā)電進行功率補償，在額定轉(zhuǎn)速運行，主 電機為發(fā)電機直接供電，輔助電機空轉(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)電機可以在較寬風速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行， 更高效地利用風能，操作過程簡單。
權(quán)利要求1. 小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機，包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸，其特征在于機殼內(nèi)設(shè)有主電機和輔助電機，在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子，主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子上分別安裝有磁鋼，在機殼上設(shè)有分別與主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機定子和輔助電機定子，主電機定子和輔助電機定子上分別設(shè)有主電機定子繞組和輔助電機定子繞組，輔助電機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)永磁同步風力發(fā)電機，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)永磁同步風力發(fā)電機，其特征在于 所述主電機和輔助電機中的定子為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1、 2或者3所述的小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機，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)永磁同步風力發(fā)電機，其 特征在于所述定子繞組為三相，三相3組繞組12(T集中嵌放。
6. 小型風力發(fā)電系統(tǒng)，包括風力機、發(fā)電機和電能存儲器，風力機直 接與發(fā)電機連接，其特征在于所述發(fā)電機為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，發(fā)電機包括有主電機和輔助電機，發(fā)電機的機殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn) 軸，在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子，主電機轉(zhuǎn)子 和輔助電機轉(zhuǎn)子上分別嵌裝有磁鋼，在機殼上設(shè)有分別與主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機定子和輔助電機定子，主電機 定子和輔助電機定子上分別設(shè)有主電機定子繞組和輔助電機定子繞 組，主電機定子繞組和輔助電機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 接風力機，對風力機進行速度檢測。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的小型風力發(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所述的小型風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述主電機和輔助電機中的定子為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。
專利摘要本實用新型公開了一種小型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機及其發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機包括機殼，機殼通過軸承安裝有轉(zhuǎn)軸，機殼內(nèi)設(shè)有主電機和輔助電機，在轉(zhuǎn)軸上前后設(shè)置有主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子，在機殼上設(shè)有分別與主電機轉(zhuǎn)子和輔助電機轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的主電機定子和輔助電機定子，輔助電機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)電機可以采用功率調(diào)節(jié)和能量補償?shù)姆椒ū３诛L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H02K16/00GK201298793SQ20082020302
公開日2009年8月26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:鶴山市鶴龍機電有限公司