專利名稱：多繞組異步變極發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種屬于風力發(fā)電技術(shù)領域的發(fā)電機，具體地說，涉及的是一種多繞 組異步變極發(fā)電機。
背景技術(shù)：
風能是一種清潔的可再生資源，它的使用越來越受到世界各國的重視。隨著世界 能源危機的發(fā)展，利用風力動能發(fā)電作為現(xiàn)代社會發(fā)展新能源，成為社會發(fā)展的熱點。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的螺旋槳式風力發(fā)電機組、國內(nèi)外的立軸 風力發(fā)電機組，包括已有的中國專利申請?zhí)朲L200430067146. 5的發(fā)電機組、專利申請?zhí)?200610157277. 0、申請?zhí)?專利號200410073317的同步發(fā)電機、專利號200610125361的大 功率雙樞雙饋無刷風力發(fā)電機、申請專利號200810015188的無刷交流勵磁變速同頻發(fā)電 機等，雙饋發(fā)電機把轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電能由電刷與滑環(huán)輸出體外，經(jīng)整流器與逆變器變換后并 網(wǎng)。這些都存在一定結(jié)構(gòu)和工作特性的缺陷，不能完全適應風力自然環(huán)境特點與滿足電網(wǎng) 要求。風力發(fā)電機與水力發(fā)電機及火力發(fā)電機不同，由于風力連續(xù)性差，風力風速變化 大，風力動力機所輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化極大，風力發(fā)電機工作在特殊環(huán)境。在沙漠與海上 環(huán)境下需要嚴格的密封條件，嚴防風沙和海上空氣侵襲，同時又需要很好的散熱條件，這就 為風力發(fā)電機提出更高的技術(shù)要求與對環(huán)境有更高的適應性。由于風力時有時無，風力發(fā) 電機工作在頻繁的并網(wǎng)與切除狀態(tài)。目前我國的風力發(fā)電機不能完全滿足適應風力自然環(huán) 境特點與電網(wǎng)并網(wǎng)要求，存在并網(wǎng)難，對電網(wǎng)造成沖擊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種風力發(fā)電系統(tǒng)用多繞組 異步變極發(fā)電機，該發(fā)電機能適應風力自然環(huán)境特點與滿足電網(wǎng)要求。為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明所述的多繞組異步變極發(fā)電機，包括轉(zhuǎn)子、定子和散熱 冷卻裝置。所述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用鼠籠式結(jié)構(gòu)。所述定子為多繞組變極式定子結(jié)構(gòu)，其接線方 式為2繞組異步變極方式、3繞組異步變極方式及多繞組異步變極方式。所述散熱冷卻裝置 采用軸鼓式轉(zhuǎn)子冷卻散熱方式。以下對本發(fā)明個部分進行詳細說明1.鼠籠式軸鼓散熱式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)散熱需要發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用鼠籠式軸鼓散熱式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。 轉(zhuǎn)子軸采用機軸與軸鼓兩部分，轉(zhuǎn)子磁鋼片磁極固定在軸鼓上。轉(zhuǎn)子磁極的磁條采用直槽 式與斜槽式兩種方式，直槽式制造簡單，斜槽式轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時可以使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生均勻的 旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子軸采用機軸與軸鼓兩部分，軸鼓采用中空方式，兩端設有通風孔，由散熱冷卻 裝置把冷卻氣體注入到機體，經(jīng)軸鼓通風孔注入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，通過通風孔把熱量排出機體外起到散熱作用。采用軸鼓結(jié)構(gòu)既可起散熱作用，又減輕轉(zhuǎn)子重量，又增加固定磁極的面 積，可以增加磁通量與極對數(shù)。2.多繞組變極式定子結(jié)構(gòu)定子包括機體、定子磁極以及繞組線圈。機體設有排氣窗，冷卻氣體由散熱冷卻裝 置經(jīng)排氣窗注入機體與排出熱量。磁鋼片由固定裝置固定在機體上，繞組線圈固定在機體 線槽內(nèi)，通過改變繞組線圈的接線方式，來改變定子的極對數(shù)，來對應風速變化以適應風速 變化的需要。繞組線圈連接繞組線圈組合控制器，繞組線圈組合控制器可根據(jù)風速高低控制繞 組線圈組合，構(gòu)成與風速與發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)相對應的磁極對數(shù)。并可由調(diào)相控制器調(diào)整發(fā)電機 輸出電壓電流相位與功率因數(shù)，以達到零相位無沖擊并網(wǎng)。為了適應風力發(fā)電機工況與并網(wǎng)的需要，本系統(tǒng)分別控制組合為2極對繞組組合 方式，3極對繞組組合方式，4極對繞組組合方式，5極對繞組組合方式與多極對繞組組合方 式。繞組線圈組合控制器包括風速檢測儀、發(fā)電機轉(zhuǎn)速檢測器，定子極對數(shù)編程控制 器，發(fā)電機繞組線圈切換開關構(gòu)成，由DSP控制繞組線圈組合控制器與定子極對數(shù)編程控 制器，來控制極對數(shù)組合與發(fā)電機運行。DSP根據(jù)檢測到的風速檢測儀與發(fā)電機轉(zhuǎn)速檢測器的數(shù)據(jù)，計算出發(fā)電機定子應 該對應的定子極對數(shù)，由DSP控制極對數(shù)編程控制器來對發(fā)電機定子極對數(shù)與發(fā)電機繞組 線圈進行組合控制，極對數(shù)編程控制器驅(qū)動發(fā)電機定子極對數(shù)組合切換開關，來切換發(fā)電 機定子極對數(shù)所對應的定子線圈繞組的組合與切換。此控制方式大大提高發(fā)電機的輸出電 力特性。3.散熱冷卻裝置散熱冷卻裝置包括空氣濾清裝置與氣體壓縮傳輸裝置。該散熱冷卻裝置設置在機 體上。本系統(tǒng)利用氣體壓縮傳輸裝置，把冷卻循環(huán)氣體或低溫氣體經(jīng)過濾清裝置與排氣窗 注入機體內(nèi)部，氣體由軸鼓端部通風孔注入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，把熱量經(jīng)排氣窗排出電機體外。本系統(tǒng)，高壓冷卻氣體由下部利用高壓泵注入到轉(zhuǎn)子下部，高壓冷卻氣體經(jīng)過轉(zhuǎn) 子通風孔與發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子氣隙與定子把熱量帶走排出體外冷卻循環(huán)使用。高壓冷卻氣體由下部利用高壓泵注入到轉(zhuǎn)子下部，氣壓把轉(zhuǎn)子由下向上施加一個 上推的支撐力，減少了軸承壓力與磨擦力及阻力矩，使發(fā)電機組需要的初始啟動力矩明顯 的減小。本發(fā)明無論在沙漠或者是在海上都能做到封閉工作方式，以防止風沙的侵襲與海 上空氣的腐蝕，以適應沙漠與海上工況與運轉(zhuǎn)。4.轉(zhuǎn)子電能傳輸本發(fā)明中，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的能量通過磁傳輸給定子，由定子轉(zhuǎn)換為電壓與電流傳輸?shù)?電網(wǎng)，省去了發(fā)電機轉(zhuǎn)子電刷和滑環(huán)，省去了雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子逆變器，消除了因轉(zhuǎn)子電 刷與滑環(huán)所產(chǎn)生的火花和逆變器所產(chǎn)生的高次諧波及易損壞性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全 性。本發(fā)明中，所述發(fā)電機定子中的接線方式為2繞組異步變極方式、3繞組異步變極 方式及多繞組異步變極方式。具體實施實例為
(1).發(fā)電機的定子的接線2繞組異步變極方式，分別利用控制開關控制切換，構(gòu) 成 12/14、12/16、12/18、12/20、12/22、12/24、12/36、12/72、12/120 對極，即 N/M(N 興 M ;N = 2，3，4，. . .，120 ;M = 2，3，4，. . .，120。)。在本系統(tǒng)中主要需要構(gòu)成低轉(zhuǎn)速多工作區(qū)域的 工作特性，分別為12極對應500轉(zhuǎn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，14極對應444轉(zhuǎn)速，16極對應375轉(zhuǎn)速，18 極對應333轉(zhuǎn)速，20極對應300轉(zhuǎn)速，22極對應272. 7轉(zhuǎn)速，24極對應250轉(zhuǎn)速，30極對應 200轉(zhuǎn)速，36極對應180轉(zhuǎn)速，60極對應100轉(zhuǎn)速，120極對應50轉(zhuǎn)速，120極對應50轉(zhuǎn)速 構(gòu)成直驅(qū)式發(fā)電機組。由發(fā)電機的定子三相繞組對外輸出三相工頻交流電。例1 :12/16對 極所對應的速比500轉(zhuǎn)/375轉(zhuǎn)；例2 12/24對極所對應的速比500轉(zhuǎn)/250轉(zhuǎn)。(2).發(fā)電機的定子的接線3繞組異步變極方式，構(gòu)成12/16/24、12/18/24、 12/20/24、12/24/36、12/24/48、12/24/60、12/36/72、12/48//96、12/60/120 對極，即 N/M/ H(N 乒 M 乒 H ;N = 2,3,4, · · ·，120 ;M = 2,3,4, · · ·，120 ;H = 2,3,4, · · ·，120)。在本系統(tǒng) 中根據(jù)自然風速需要，構(gòu)成低轉(zhuǎn)速多工作區(qū)域的工作特性。例3 :12/16/24對極所對應的速 比500轉(zhuǎn)/375/250轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)；例4 12/18/24對極所對應的速比500轉(zhuǎn)/333轉(zhuǎn)/250轉(zhuǎn)。(3).發(fā)電機的定子的接線4繞組異步變極方式，構(gòu)成12/16/20/24、12/14/16/24、 12/14/16/18、12/14/16/20、12/14/18/24、12/18/24/36、12/18/24/36、12/24/36/48、 12/24/48/60、12/24/48/72、12/36/48/72、12/36/60/84、12/36/48/72/120 對極，即 N/M/ H/G(N 乒 M 乒 H 乒 G ;N = 2，3，4，. . .，120 ;M = 2，3，4，. . .，120。H = 2，3，4，...，120 ；G =2,3,4, ... 120)。構(gòu)成4工作區(qū)域的工作特性。例5 12/24/60/120對極所對應的速比 500/250/100/50轉(zhuǎn)。構(gòu)成接線多繞組異步變極方式。(4).發(fā)電機的定子的接線5繞組異步變極方式，N/M/H/G/V(N興M興H興G ;N = 2,3,4, . . .，120 ;M = 2，3，4，...，120。H = 2,3,4,…，120 ；G = 2,3,4,…，120 ；V = 2， 3，4，· · ·，120 ；)。例構(gòu)成 12/16/20/24/30，對極所對應的速比 500/375/300/250/200 轉(zhuǎn)。風力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風速變化的特點，切換風力發(fā)電機繞組，充分利用低轉(zhuǎn)速與各 風速區(qū)工作狀態(tài)。本發(fā)明中，發(fā)電機分別為12極對應500轉(zhuǎn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，14極對應444轉(zhuǎn) 速，16極對應375轉(zhuǎn)速，18極對應333轉(zhuǎn)速，20極對應300轉(zhuǎn)速，22極對應272. 7轉(zhuǎn)速，24 極對應250轉(zhuǎn)速，30極對應200轉(zhuǎn)速，36極對應166. 6轉(zhuǎn)速，60極對應100轉(zhuǎn)速，120極對 應50轉(zhuǎn)速，目前直驅(qū)風力發(fā)電機主要采用120極對應50轉(zhuǎn)速。風力動力機的轉(zhuǎn)數(shù)隨風力與風速的變化而變化，風力發(fā)電系統(tǒng)的工作風速范圍最 低風速3m/s，最高風速36m/s。因此發(fā)電機的輸出電壓，頻率和輸出功率都相差極大。為了 適應風力發(fā)電系統(tǒng)的工作特點，本發(fā)明把風力發(fā)電機的定子工作線圈設為低速線圈 高速 線圈，發(fā)電機分別工作在轉(zhuǎn)速為500rpm轉(zhuǎn)/12P 250rpm/24P轉(zhuǎn)速域。通過測速發(fā)電機檢 測出風力動力機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，利用DSP—方面控制切換發(fā)電機高速與低速工作線圈， 使之發(fā)電機工作在適合的風力與風速區(qū)域。本發(fā)明中，定子繞組與極對數(shù)的組合切換控制，由DSP檢測風速與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速， 根據(jù)風速與發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制定子繞組與極對數(shù)的控制。控制線圈，在控制線繞組產(chǎn)生 一個超前電角度的磁場，控制電機輸出功率因數(shù)，使電能輸出線圈中產(chǎn)生超前的電壓電流 與電功率，提高輸出功率因數(shù)與輸出功率。本發(fā)明具有實質(zhì)性的進步和顯著的特點，本發(fā)明的優(yōu)點是(1)發(fā)電機轉(zhuǎn)子無電 刷結(jié)構(gòu)，不會因電刷換向而產(chǎn)生電弧與火花，不會因電刷摩擦產(chǎn)生炭粉及電磁干擾等缺陷；(2)發(fā)電機轉(zhuǎn)子能量輸出，即省去電刷與滑環(huán)，也省去了雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的逆變器，使發(fā) 電機增加可靠性和安全性。(3)采用定子多繞組變極異步工作方式，可以使發(fā)電機工作在更 寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使發(fā)電機更能適應風力通過磁場傳輸?shù)蕉ㄗ?，與定子的能量共同轉(zhuǎn)換成 電能，由定子上直接與風速變化，改變極對數(shù)使之更適應風力與各風速區(qū)。(4)本發(fā)明采用 機軸軸鼓轉(zhuǎn)子軸體結(jié)構(gòu)，中間為空間，端部通風孔，即減輕轉(zhuǎn)子的重量，增加機軸固定磁極 的面積，冷卻氣體由通風孔注入，熱量由通風孔排出，起到良好的密封與散熱效果。本發(fā)明 發(fā)電機適用于立式風力發(fā)電機，也適用于螺旋漿式風力發(fā)電機、臥式發(fā)電機組、潮汐式發(fā)電 機組、水力與火力發(fā)電機組。


圖1為本發(fā)明一實施例中總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為轉(zhuǎn)子立體圖；圖3為鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為直條式鼠籠式轉(zhuǎn)子側(cè)視圖；圖5為斜槽鼠籠式轉(zhuǎn)子側(cè)視圖；圖6為定子結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為多繞組變極式發(fā)電機12極/16極切換特性圖。以上圖中1為轉(zhuǎn)子的機軸，2為轉(zhuǎn)子軸鼓，3為轉(zhuǎn)子磁極，4為轉(zhuǎn)子通風孔，5為籠 式轉(zhuǎn)子軸承，6為機體，7為定子磁極，8為繞組線圈，9為排氣窗，10為上機蓋，11為下機蓋， 12為散熱冷卻裝置，13為電機轉(zhuǎn)數(shù)編碼器，14機座。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的解釋，但是以下的內(nèi)容不 用于限定本發(fā)明的保護范圍。如圖1所示，本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意。圖中所示1為轉(zhuǎn)子的機軸，2為轉(zhuǎn)子的軸鼓，3 為轉(zhuǎn)子磁極，磁極3由固定件固定在軸鼓2上。軸鼓2采用中空方式，兩端設有通風孔4，通 過排氣窗9和散熱冷卻裝置12把冷卻氣體輸入電機內(nèi)部，經(jīng)過軸鼓通風孔4穿過軸鼓對轉(zhuǎn) 子內(nèi)部進行散熱循環(huán)，通過下通風孔把熱排出發(fā)電機體外。5為轉(zhuǎn)子，6為發(fā)電機殼體，7為 定子磁極，8為繞組線圈，9為排氣窗，10為上機蓋，11為下機蓋，12為散熱冷卻裝置，13為 電機轉(zhuǎn)數(shù)編碼器，14機座。轉(zhuǎn)子的磁場穿過鑄造金屬條產(chǎn)生電流，電流加強磁場強度，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場掃過定子線圈，使線圈產(chǎn)生電壓與電流輸入電網(wǎng)，旋轉(zhuǎn)速度越高，產(chǎn)生 電能越大，在定子上產(chǎn)生電壓越高輸出電流越大，輸出功率越大，轉(zhuǎn)子能量通過磁場能量傳 到定子，與定子產(chǎn)生的電能通過定子線圈共同輸送到電網(wǎng)。省去電刷與滑環(huán)，提高了發(fā)電機 的發(fā)電效率與傳輸效率，提高了發(fā)電機的穩(wěn)定性。1.鼠籠軸鼓散熱式轉(zhuǎn)子如圖2所示，為鼠籠軸鼓散熱式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，其中鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由1轉(zhuǎn)子的 機軸，2轉(zhuǎn)子軸鼓，3轉(zhuǎn)子磁極，4轉(zhuǎn)子通風孔，5a轉(zhuǎn)子直金屬條，5b轉(zhuǎn)子斜金屬條組成。轉(zhuǎn)子 由圖3所示、圖4所示直槽鼠籠式轉(zhuǎn)子、圖5所示斜槽鼠籠式轉(zhuǎn)子。
機軸1與軸鼓2焊接固定在一起，中間為空間，即減輕轉(zhuǎn)子的重量，增加機軸固定 磁極的面積，磁極3固定在軸鼓2上。磁極3上的金屬條如圖4所示的直條式鼠籠式結(jié)構(gòu)， 其結(jié)構(gòu)簡單。另一種鼠籠式結(jié)構(gòu)的金屬條為斜槽金屬條鼠籠式結(jié)構(gòu)。斜式金屬條結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動狀態(tài)時可以產(chǎn)生均勻的磁場。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的能量通過磁場傳到定子，由定子產(chǎn)生為 電壓與電流通過定子傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，減輕轉(zhuǎn)子重量，增加磁極固定面積，提 高轉(zhuǎn)子散熱效果和機體內(nèi)的散熱效果，提高機體的密封度，提高了發(fā)電機組對沙漠與海上 空氣侵襲與腐蝕的適應性。傳統(tǒng)的發(fā)電機軸為實心軸，但機軸重，所需啟動力矩大，散熱性能差。本方案如圖 2中所示為機軸與軸鼓兩部分組成，磁鼓與心軸焊接為一體，磁鼓中為空，減輕重量，增加固 定磁極面積，通過通風孔注入冷卻氣體，構(gòu)成良好的散熱體系。適應沙漠與海上等密閉式風 力發(fā)電機。2.多繞組變極式定子結(jié)構(gòu)多繞組變極式定子由圖6所示，由機體、定子磁極7，繞組線圈8所構(gòu)成。磁鋼片由 固定裝置固定在機體上構(gòu)成磁極7，繞組線圈8固定在線槽內(nèi)，通過改變繞組線圈8的接線 方式，來改變定子的極對數(shù)，來對應風速變化以適應電網(wǎng)與風速的需要。繞組線圈組合由極對數(shù)的多少而決定線圈串并連接的數(shù)量。本系統(tǒng)分別為2組雙 速發(fā)電機接線方式、為3組3速發(fā)電機接線方式、為4組4速發(fā)電機接線方式、為5組5速 發(fā)電機接線方式、為N組N速發(fā)電機接線方式(N = 1、2、3…120)。繞組線圈可根據(jù)風速高低通過繞組線圈組合控制器，組合繞組線圈，構(gòu)成與風速 與發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)相對應的電子極對數(shù)。為了適應風力發(fā)電機工況與并網(wǎng)的需要，本系統(tǒng)分別控制組合為2極對繞組組合 方式，3極對繞組組合方式，4極對繞組組合方式，5極對繞組組合方式與多極對繞組組合方 式。繞組線圈組合控制器包括風速檢測儀，發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)檢測器，定子極對數(shù)編程控制 器，發(fā)電機繞組線圈切換開關，由DSP檢測風速與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)風速與發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速控制定子繞組與極對數(shù)，并控制極對組合與發(fā)電機運行。機體為發(fā)電機殼體如圖1所示，機體由機殼6、排氣窗9、上機蓋10、下機蓋11、機 座14所構(gòu)成，主要起到支承發(fā)電機的定子與轉(zhuǎn)子與主體的作用。機殼6設置在基座14上， 機殼6的上下端部設有上機蓋10以及下機蓋11，所述機殼6的四個角處設有排氣窗9。3.散熱冷卻裝置散熱冷卻裝置12包含冷卻循環(huán)氣體，空氣濾清裝置，氣體壓縮傳輸裝置。散熱冷 卻裝置12設置在機體上，本系統(tǒng)利用氣體壓縮傳輸裝置把冷卻循環(huán)氣體或低溫氣體經(jīng)過 濾清裝置與排氣窗9注入機體內(nèi)部，氣體經(jīng)軸鼓2端部通風孔4注入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，把熱量由排 氣窗9排出電機體外。本系統(tǒng)無論在沙漠或者是在海上都能做到封閉工作方式，以防止風沙的侵襲與海 上空氣的腐蝕，以適應沙漠與海上環(huán)境與運轉(zhuǎn)。
實施例說明本發(fā)明多繞組異步變極發(fā)電機主體部分，所述圖6中定子中的接線方式，如2繞組雙速異步變極方式、3繞組3速異步變極方式及多繞組多速異步變極方式。本發(fā)明中定子繞 組線圈與定子磁極如圖6與圖7所示。(1).發(fā)電機的定子的接線2繞組異步變極方式，分別利用控制開關控制切換，構(gòu) 成 12/14、12/16、12/18、12/20、12/22、12/24、12/36、12/72、12/120 對極，即 N/M(N 興 M ;N = 2，3，4，. . .，120 ;M = 2，3，4，. . .，120。)。在本系統(tǒng)中主要需要構(gòu)成低轉(zhuǎn)速多工作區(qū)域的 工作特性，分別為12極對應500轉(zhuǎn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，14極對應444轉(zhuǎn)速，16極對應375轉(zhuǎn)速，18 極對應333轉(zhuǎn)速，20極對應300轉(zhuǎn)速，22極對應272. 7轉(zhuǎn)速，24極對應250轉(zhuǎn)速，30極對應 200轉(zhuǎn)速，36極對應180轉(zhuǎn)速，60極對應100轉(zhuǎn)速，120極對應50轉(zhuǎn)速，構(gòu)成直驅(qū)式發(fā)電機 組。由發(fā)電機的定子三相繞組對外輸出三相工頻交流電。例1 :12/16對極所對應的速比 500轉(zhuǎn)/375轉(zhuǎn)M 2 12/24對極所對應的速比500轉(zhuǎn)/250轉(zhuǎn)。(2).發(fā)電機的定子的接線3繞組異步變極方式，構(gòu)成12/16/24、12/18/24、 12/20/24、12/24/36、12/24/72、12/24、12/36、12/72、12/120 對極，即 N/M/H(N 興 M 乒 H ;N = 2,3,4, . . . ,120 ;M = 2,3,4, . . .，120 ;H = 2,3,4, · · · , 120) 在本系統(tǒng)中根據(jù)自然風速需 要，構(gòu)成低轉(zhuǎn)速多工作區(qū)域的工作特性。例3 12/16/24對極所對應的速比500轉(zhuǎn)/375/250 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)M 4 12/18/24對極所對應的速比500轉(zhuǎn)/333轉(zhuǎn)/250轉(zhuǎn)。 (3).發(fā)電機的定子的接線4繞組異步變極方式，構(gòu)成12/16/20/24、12/14/16/24、 12/14/16/18,12/14/16/20,12/14/18/24,12/18/24/36,12/18/24/36,12/24/36/48, 12/24/48/60、12/36/72/108、12/48/84/120、12/24/60/120、12/48/96/120 對極，即 N/M/H/ G (N 乒 M 乒 H 乒 G ;N = 2，3，4，. . .，120 ;M = 2，3，4，. . .，120。H = 2，3，4，. . .，120 ;G = 2,3,4, ...，120)。構(gòu)成4工作區(qū)域的工作特性。例5:12/24/60/120對極所對應的速比 500/250/100/50轉(zhuǎn)。構(gòu)成接線多繞組異步變極方式。(4).發(fā)電機的定子的接線5繞組異步變極方式，N/M/H/G/V(N興M興H興G ;N = 2,3,4, . . .，120 ;M = 2，3，4，...，120。H = 2,3,4,…，120 ；G = 2,3,4,…，120 ；V = 2， 3，4，· · ·，120 ；)。例構(gòu)成 12/16/20/24/30，對極所對應的速比 500/375/300/250/200 轉(zhuǎn)。本發(fā)明中，發(fā)電機分別為12極對應500轉(zhuǎn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，14極對應444轉(zhuǎn)速，16極對 應375轉(zhuǎn)速，18極對應333轉(zhuǎn)速，20極對應300轉(zhuǎn)速，22極對應272. 7轉(zhuǎn)速，24極對應250 轉(zhuǎn)速，30極對應200轉(zhuǎn)速，36極對應166. 6轉(zhuǎn)速，60極對應100轉(zhuǎn)速，120極對應50轉(zhuǎn)速， 目前直驅(qū)風力發(fā)電機主要采用120極對應50轉(zhuǎn)速。本發(fā)明作為實施案例，2繞組變極發(fā)電機應用實例采用12/16對極，轉(zhuǎn)速為500 轉(zhuǎn)/375轉(zhuǎn)；采用12/24對極，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/250轉(zhuǎn)，效率96. 2% /93. 5 %，功率因數(shù)可高 達0. 912/0. 734 ；12/16對極，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/375轉(zhuǎn)，工作效率為95. 3/93. 8，功率因數(shù)可達 0.858/0.807 ；本發(fā)明為3繞組變極發(fā)電機應用實例目前，采用12/16/24對極，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn) /375 轉(zhuǎn) /250 轉(zhuǎn)；效率 96. 2% /93. 5% /90. 2%，功率因數(shù)可達 0. 912/0. 865/0. 827。以下結(jié)合風機發(fā)電系統(tǒng)進一步說明本發(fā)明的應用，即2000/1000kW 12/16極 6. 3kV變極調(diào)速型風力異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與運行工作特性。1.關于風機發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成風力發(fā)電機為立式安裝在地面，軸伸朝上。風機安裝在電機頂部，中間為增速器， 增速器直接固定在發(fā)電機機座上端，發(fā)電機的軸伸通過中間聯(lián)軸器與增速器相連結(jié)。
發(fā)電機為雙繞組(或多饒組)變極調(diào)速型鼠籠異步發(fā)電機，定子的引出線通過電 源開關切換系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相聯(lián)。2.發(fā)電機的運行狀態(tài)發(fā)電機為12/16極雙繞組變極型異步電機，兩套繞組的定子引出線各自通過電源 開關直接與電網(wǎng)相聯(lián)。發(fā)電機輸出頻率為50Hz，16極時同步轉(zhuǎn)速為375r/min，12極時同步 轉(zhuǎn)速為500r/min。發(fā)電機長期運行于16極IOOOkW低速狀態(tài)，運行于12極2000kW高速狀態(tài)。當風機 通過增速器傳給電機的轉(zhuǎn)速超過375r/min時，電機進入低速發(fā)電機狀態(tài)，定子向電網(wǎng)輸出 電能，并在某一轉(zhuǎn)速達到額定輸出；當風機拖動電機的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，達到發(fā)電機低速(16 極)所允許的過電流限值時，通過電源開關切換系統(tǒng)將發(fā)電機的定子開關切換到12極的定 子繞組上，在風機拖動電機的轉(zhuǎn)速低于500r/min時，電機為電動機工況運行，電機從電網(wǎng) 吸收電能拖動風機加速。如風機風力足夠大，拖動電機的轉(zhuǎn)速超過500r/min時，發(fā)電機進 入高速(12極)的發(fā)電機狀態(tài)，如此反復循環(huán)運行。3.發(fā)電機機械特性為了使發(fā)電機能運行在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機的機械特性應按高滑差軟特性 設計，發(fā)電機的控制特性如圖9所示。例如，在12/16對極時，當轉(zhuǎn)速變化時，電機轉(zhuǎn)矩變化 較小，這樣才能保證在16極低速運行時，在一定的過電流限值范圍內(nèi)電機有較寬的轉(zhuǎn)速運 行區(qū)間，而不致因轉(zhuǎn)速變化使發(fā)電機頻繁切換到12極高速運行狀態(tài)。發(fā)電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特 性及開關切換過程如圖7所示。4.發(fā)電機的規(guī)格和性能參數(shù)4. 1電機類別12/16雙繞組變極調(diào)速鼠籠型異步發(fā)電機4. 3 額定功率2000/1000kW4. 4 極數(shù)12/164. 5 額定電壓6. 3kV4. 6 額定頻率50Hz4. 7 額定電流213. 6/113. 5A4. 8 額定轉(zhuǎn)速510. 7/383. 4r/min4. 9 功率因數(shù)0. 858/0. 8074. 10 額定效率95. 26% /93. 78%4. 11旋轉(zhuǎn)方向雙向4. 12 繞組接法2Y/Y4. 13定子引出線數(shù)3/3個，每套繞組3個出頭4. 124發(fā)電機按高滑差類型設計，電機的機械特性如下12極時，發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速500rpm，輸出功率Pn =為2000kW16極時，發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速375rpm，輸出功率Pn = IOOOkff4.控制系統(tǒng)目前傳統(tǒng)的風力發(fā)電機，如螺旋槳式風力動力機與其他類型的風力動力機的轉(zhuǎn)數(shù) 隨風力與風速的變化而變化，因此發(fā)電機的輸出電壓，頻率和輸出功率都相差極大。本系統(tǒng)為了適應風力發(fā)電系統(tǒng)的工作特點，風力發(fā)電機通過測速裝置與DSP控制器實現(xiàn)對發(fā)電機輸出頻率相位與幅值進行控制。本系統(tǒng)控制定子繞組，以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機 的轉(zhuǎn)速；另一方面控制發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)，使風力發(fā)電機輸出的電壓電流波形不隨風速 變化，使發(fā)電機組輸出電壓頻率恒定并可調(diào)控的發(fā)電機組。本系統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)的工作風 力范圍最低風速3m/s，最高風速42m/s的全天氣運行。本系統(tǒng)采用高精度DSP控制器，控制風力發(fā)電機發(fā)出電壓幅值與相位可調(diào)，頻率 50Hz恒定的交流電力，以達到與工頻電源高精度同步及頻率恒定，便于與電網(wǎng)并網(wǎng)。在無工 頻參考電壓供電時，本系統(tǒng)輸出電壓的幅值，頻率，相位也能夠達到高精度穩(wěn)定。本系統(tǒng)控制系統(tǒng)根據(jù)風速與電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，定子輸出電壓與電流參數(shù)，來控制定 子繞組與極對數(shù)，本控制系統(tǒng)由電機參數(shù)檢測裝置，DSP，高壓無觸點開關或高壓控制開關 構(gòu)成發(fā)電機定子繞族與對數(shù)控制變換控制器，由DSP根據(jù)風速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化，由線圈控 制器控制定子繞族與對數(shù)的變換，切換到相應的風速所對應的極對數(shù)。本系統(tǒng)采用多繞組組合變極控制方式，充分利用低風區(qū)到高風速區(qū)工作特點，分 組切換到適應的工作特性區(qū)，提高風力利用率，提高發(fā)電機的工作特性與發(fā)電機效率。由以上實施例可以看出，本發(fā)明中，發(fā)電機采用多極對多繞組變極異步發(fā)電機的 結(jié)構(gòu)工作方式，利用發(fā)電機輸出電流反饋作用，自動調(diào)整電機的相位與輸出電力的功率，使 其始終跟蹤電網(wǎng)并與其同步，減少與消除其并網(wǎng)與離網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊與影響。本發(fā)明采 用鼠籠式軸鼓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與多極對多繞組的定子結(jié)構(gòu)方式，利用外部檢測與控制電路，根據(jù) 風速控制極對數(shù)的組合與切換，保證了極對數(shù)的平穩(wěn)組合切換，又減少了在切換過程中發(fā) 電機輸出頻率的變化與對電網(wǎng)的沖擊，增加風力發(fā)電機對風速的適應范圍，實驗證明本發(fā) 明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)與控制原理，是目前其他所有機型所不具備的優(yōu)點。
權(quán)利要求
一種多繞組異步變極發(fā)電機，包括轉(zhuǎn)子、定子和散熱冷卻裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的能量通過磁傳輸給定子，由定子轉(zhuǎn)換為電壓與電流傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，省去了發(fā)電機轉(zhuǎn)子電刷和滑環(huán)，省去了雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子逆變器；其中所述轉(zhuǎn)子采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子軸包括機軸與軸鼓兩部分，機軸與軸鼓固定在一起，軸鼓采用中空方式，軸鼓兩端設有通風孔，轉(zhuǎn)子磁極固定在軸鼓上；所述定子包括機體、定子磁極和繞組線圈，機體設有排氣窗，冷卻氣體由散熱冷卻裝置經(jīng)排氣窗注入機體與排出熱量，磁鋼片固定在機體上構(gòu)成磁極，繞組線圈固定在機體線槽內(nèi)；所述定子為多繞組變極式定子結(jié)構(gòu)，其接線方式為2繞組異步變極方式以及2繞組以上的多繞組異步變極方式，通過改變繞組線圈的接線方式來改變定子的極對數(shù)；所述散熱冷卻裝置采用軸鼓式轉(zhuǎn)子冷卻散熱方式，散熱冷卻裝置設置在機體上，它經(jīng)軸鼓通風孔穿過軸鼓對轉(zhuǎn)子內(nèi)部進行散熱循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子為直條式鼠 籠式結(jié)構(gòu)或斜槽金屬條鼠籠式結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述機軸與軸鼓焊接 固定在一起，中間為空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述繞組線圈連接繞 組線圈組合控制器，所述繞組線圈組合控制器根據(jù)風速高低對繞組線圈進行組合，構(gòu)成風 速與發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)相對應的電子極對數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述繞組線圈組合控 制器包括風速檢測儀、發(fā)電機轉(zhuǎn)速檢測器，定子極對數(shù)編程控制器以及發(fā)電機繞組線圈切 換開關構(gòu)成，DSP根據(jù)檢測到的風速檢測儀與發(fā)電機轉(zhuǎn)速檢測器的數(shù)據(jù)，計算出發(fā)電機定子 應該對應的定子極對數(shù)，由DSP控制極對數(shù)編程控制器來對發(fā)電機定子極對數(shù)與發(fā)電機繞 組線圈進行組合控制，極對數(shù)編程控制器驅(qū)動發(fā)電機定子極對數(shù)組合切換開關，來切換發(fā) 電機定子極對數(shù)所對應的定子線圈繞組的組合與切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述繞組線圈組 合由極對數(shù)的多少而決定線圈串并連接的數(shù)量，具體分別為2組雙速發(fā)電機接線方式、為3 組3速發(fā)電機接線方式、為4組4速發(fā)電機接線方式、為5組5速發(fā)電機接線方式、為N組 N速發(fā)電機接線方式，其中N= 1、2、3…120。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述發(fā)電機分別為12 極對應500轉(zhuǎn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，14極對應444轉(zhuǎn)速，16極對應375轉(zhuǎn)速，18極對應333轉(zhuǎn)速，20 極對應300轉(zhuǎn)速，22極對應272. 7轉(zhuǎn)速，24極對應250轉(zhuǎn)速，30極對應200轉(zhuǎn)速，36極對應 166. 6轉(zhuǎn)速，60極對應100轉(zhuǎn)速，120極對應50轉(zhuǎn)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述散熱冷卻裝置包 括空氣濾清裝置、氣體壓縮傳輸裝置，所述氣體壓縮傳輸裝置將冷卻循環(huán)氣體或低溫氣體 經(jīng)過空氣濾清裝置與定子機體上的排氣窗注入機體內(nèi)部，氣體經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸鼓端部通風孔注 入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，把熱量經(jīng)排氣窗排出電機體外。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于所述機體為發(fā)電機殼 體，機體包括機殼、排氣窗、上機蓋、下機蓋、機座，所述機殼設置在基座上，機殼的上下端部 設有上機蓋以及下機蓋，所述機殼的四個角處設有排氣窗。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多繞組異步變極發(fā)電機，其特征在于該發(fā)電機適用于立式 風力發(fā)電機，也適用于螺旋漿式風力發(fā)電機、臥式發(fā)電機組、潮汐式發(fā)電機組、水力與火力 發(fā)電機組。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多繞組異步變極發(fā)電機，包括轉(zhuǎn)子、定子和散熱冷卻裝置，所述轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的能量通過磁傳輸給定子，由定子轉(zhuǎn)換為電壓與電流傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，省去了發(fā)電機轉(zhuǎn)子電刷和滑環(huán)，省去了雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子逆變器；其中所述轉(zhuǎn)子采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子軸包括機軸與軸鼓兩部分，機軸與軸鼓固定在一起，軸鼓采用中空方式，軸鼓兩端設有通風孔，轉(zhuǎn)子磁極固定在軸鼓上。所述定子為多繞組變極式定子結(jié)構(gòu)，其接線方式為2繞組異步變極方式以及2繞組以上的多繞組異步變極方式，通過改變繞組線圈的接線方式來改變定子的極對數(shù)；所述散熱冷卻裝置采用軸鼓式轉(zhuǎn)子冷卻散熱方式。本發(fā)明能適應風力自然環(huán)境特點與滿足電網(wǎng)要求。
文檔編號H02K1/22GK101908807SQ201010234129
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者李樹廣 申請人:李樹廣