專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)裝置，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電的差動(dòng)永磁電機(jī)裝置。
背景技術(shù)：
在風(fēng)力發(fā)電中，為了最大限度地捕獲風(fēng)能，要求輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸的速度要隨風(fēng)速進(jìn)行變化，即變速；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，又要求發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能的頻率與電網(wǎng)的頻率一致，即恒頻。目前在風(fēng)力發(fā)電大型分布式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中常見的核心發(fā)電裝置主要有籠型異步發(fā)電機(jī)構(gòu)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)構(gòu)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)構(gòu)和永磁發(fā)電機(jī)構(gòu)等。在這些發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，由于采用傳統(tǒng)整流和逆變?cè)淼淖兯俸泐l裝置而造成的功率損耗很高，大多均在15％-20％，且變流設(shè)備價(jià)格昂貴，特別是兆瓦級(jí)永磁發(fā)電機(jī)組及其變流裝置的造價(jià)更高，所以整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大且發(fā)電效率低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種帶有控制電機(jī)的兩自由度混合驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，從而有效地解決現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所存在的缺陷，降低設(shè)備造價(jià)，提高發(fā)電效率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子、逆變器、與逆變器電信號(hào)連接的控制器，所述的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子與增速齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)軸相連；所述的增速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)軸與差動(dòng)永磁電機(jī)的輸入軸相連；所述的差動(dòng)永磁電機(jī)的輸出軸與控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連；所述的控制電機(jī)由電力饋線與逆變器的輸入端電連接；所述的差動(dòng)永磁電機(jī)的定子繞組由電力饋線與電網(wǎng)電連接；所述的逆變器的輸出端與電力饋線并聯(lián)電連接。
上述技術(shù)方案中，所述的差動(dòng)永磁電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、輸入軸和輸出軸，所述的轉(zhuǎn)子沿徑向設(shè)置有差速機(jī)構(gòu)。該差速機(jī)構(gòu)包括側(cè)板、與輸入軸固聯(lián)的行星架、設(shè)置在行星架上的行星齒輪、與轉(zhuǎn)子及側(cè)板固聯(lián)的內(nèi)齒圈、設(shè)置在輸出軸上的中心齒輪，所述的行星齒輪與內(nèi)齒圈和中心齒輪齒合。
逆變器由電機(jī)側(cè)逆變器與電網(wǎng)側(cè)逆變器組成，電機(jī)側(cè)逆變器與電網(wǎng)側(cè)逆變器背靠背設(shè)置；電機(jī)側(cè)逆變器、電網(wǎng)側(cè)逆變器各自的控制輸入端分別與控制器的兩個(gè)控制輸出端信號(hào)連接。逆變器的輸入端、輸出端各設(shè)有一個(gè)采樣傳感器組，該兩個(gè)采樣傳感器組分別與控制器的兩個(gè)輸入端信號(hào)連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過兩自由度的混合變速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻。本發(fā)明采用差動(dòng)永磁電機(jī)的一個(gè)輸入軸和一個(gè)輸出軸分別連接增速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)軸和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，通過差動(dòng)永磁電機(jī)的差速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)絕大多份額電能的直接恒頻輸出；與此同時(shí)，通過控制器與逆變器對(duì)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的變速輸入和發(fā)電機(jī)的恒速恒頻(50HZ)輸出。由此，80％至90％的電能通過發(fā)電機(jī)可直接并入電網(wǎng)，而只有10％至20％的電能通過控制電機(jī)發(fā)出交流電后通過AC-DC-AC變流后(50Hz)并入電網(wǎng)。與傳統(tǒng)的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)相比，本發(fā)明通過流變系統(tǒng)的功率只有10％至20％，因此在顯著提高發(fā)電機(jī)效率的基礎(chǔ)上，還可大大降低流變系統(tǒng)昂貴的造價(jià)，從而降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體造價(jià)。


圖1為本發(fā)明的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中的差動(dòng)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
圖3為圖2中A-A向的剖視圖。
圖4是本發(fā)明的控制器部分的連接框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，一種風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1、逆變器5、與逆變器5電信號(hào)連接的控制器6；風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1與增速齒輪箱2的輸入轉(zhuǎn)軸相連，增速齒輪箱2的輸出轉(zhuǎn)軸由聯(lián)軸器與差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10相連差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸出軸23與控制電機(jī)4的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器相連控制電機(jī)4由電力饋線與逆變器5的輸入端33電連接差動(dòng)永磁電機(jī)3的定子繞組11由電力饋線7與電網(wǎng)9電連接逆變器5的輸出端8與電力饋線7并聯(lián)電連接。增速齒輪箱2可以是兩級(jí)或一級(jí)行星增速器，其安裝為單自由度2K-H負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)串聯(lián)形式；差動(dòng)永磁電機(jī)3與增速齒輪箱2可以由積木組合的型式做成一個(gè)整體，本實(shí)施例中是分體形式。
如圖2、圖3所示，差動(dòng)永磁電機(jī)3包括機(jī)箱29、設(shè)置在機(jī)箱29內(nèi)軸向兩側(cè)且分別與輸入軸10、輸出軸23相連的滾動(dòng)軸承24、設(shè)置在機(jī)箱29內(nèi)環(huán)壁27上的定子鐵芯12及其定子繞組11、相對(duì)于定子鐵芯12位置設(shè)有轉(zhuǎn)子鐵芯環(huán)13并鑲嵌有永磁體14的轉(zhuǎn)子15，轉(zhuǎn)子15沿徑向設(shè)置有差速機(jī)構(gòu)30。
差速機(jī)構(gòu)30包括側(cè)板21、與轉(zhuǎn)子的永磁體14固定在一起的內(nèi)齒圈16、帶有軸承18并與內(nèi)齒圈16、設(shè)置在輸出軸23上的中心齒輪25齒合的行星齒輪17，內(nèi)齒圈16由螺釘26與側(cè)板21固聯(lián)；行星齒輪17由齒輪軸20設(shè)置在行星架19上；行星架19與輸入軸10固聯(lián)；側(cè)板21與行星架19由軸承22滾動(dòng)連接。
設(shè)有行星齒輪17的差速機(jī)構(gòu)30為雙自由度2K-H負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下，盡可能保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、以減輕重量。箱體29采用整體鑄造構(gòu)成；輸入軸10及輸出軸23、行星齒輪17采用合金鋼；中心齒輪25可選用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料，內(nèi)齒圈16和軸承18、22、24可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。
為了在盡可能小的轉(zhuǎn)子15直徑內(nèi)放置盡可能大的永磁體14，以提高氣隙磁密，同時(shí)考慮到稀土永磁的矯頑力高，永磁體磁化方向長(zhǎng)度小，本實(shí)施例的永磁體14采用徑向瓦片形，永磁體14固定在鐵芯環(huán)13上，并與非磁性材料31交替組合，用電子束焊接而成。
如圖4所示，控制電機(jī)4的電力饋線與電機(jī)側(cè)逆變器34直接相聯(lián)，電網(wǎng)側(cè)逆變器35與電機(jī)側(cè)逆變器34背靠背安裝，逆變器5可以四象限運(yùn)行。
控制器6包括對(duì)稱設(shè)置的信號(hào)采集電路44和41、分別與信號(hào)采集電路44、41采集輸出信號(hào)連接的前級(jí)處理電路48和45、由信號(hào)線53、51分別與前級(jí)處理電路48和45輸出連接的DSP數(shù)字處理芯片47和46、分別與DSP數(shù)字處理芯片47和46輸出信號(hào)連接的外圍擴(kuò)展控制電路43和42、為各電路模塊供電的電源模塊49，DSP數(shù)字處理芯片47和46之間由串行信號(hào)線51和并網(wǎng)通訊接口電路50信號(hào)連接；信號(hào)采集電路44、41的分別與電機(jī)側(cè)采樣傳感器組32、電網(wǎng)側(cè)采樣傳感器組40信號(hào)連接；外圍擴(kuò)展控制電路43和42的控制輸出信號(hào)分別連接至電機(jī)側(cè)逆變器34和電網(wǎng)側(cè)逆變器35。電機(jī)側(cè)采樣傳感器32可以采集控制電機(jī)4的轉(zhuǎn)速、電流及電壓等；電網(wǎng)側(cè)采樣傳感器40可以采集電網(wǎng)側(cè)逆變器35交流側(cè)電網(wǎng)電壓與電流、直流側(cè)電壓與電流等。
本發(fā)明裝置的工作原理是，Pw是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1的輸入功率，其流向經(jīng)過增速齒輪箱2輸入差動(dòng)永磁電機(jī)3后可以有兩個(gè)方向流動(dòng)情況一種情況如圖4中①所示，風(fēng)能輸入功率大于差動(dòng)永磁電機(jī)3的額定功率時(shí)，控制電機(jī)4處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)控制電機(jī)4的功率流Ps流出差動(dòng)永磁電機(jī)系統(tǒng)，差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10上的功率流Pw通過行星齒輪17、中心齒輪25后，進(jìn)行功率分流，一路功率流Pg通過行星齒輪17進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)3定子繞組11直接發(fā)電，并經(jīng)過饋線7到電網(wǎng)9；另一路功率流Ps通過與差速機(jī)構(gòu)30中心齒輪25嚙合，進(jìn)入控制電機(jī)4轉(zhuǎn)化為交流電，然后通過逆變器5的輸入端33進(jìn)行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，由逆變器5的輸出端8并入饋線7至電網(wǎng)9中。另一種情況如圖4中②所示，風(fēng)能輸入功率小于差動(dòng)永磁電機(jī)3的額定功率時(shí)，控制電機(jī)4處于電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)控制電機(jī)4的功率流Ps流入差動(dòng)永磁電機(jī)系統(tǒng)，差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10上的功率流Pw通過行星齒輪17、中心齒輪25、與控制電機(jī)4傳入的功率流Ps進(jìn)行功率合流后，通過內(nèi)齒圈16帶動(dòng)轉(zhuǎn)子15旋轉(zhuǎn)，從而形成差動(dòng)永磁電機(jī)3輸出功率流Pg，帶動(dòng)差動(dòng)永磁電機(jī)3發(fā)電，經(jīng)由饋線7到電網(wǎng)9。從圖2的結(jié)構(gòu)可知，差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10的功率輸入是恒定的，由內(nèi)齒圈16及永磁體14、定子繞組11等組成的差動(dòng)永磁電機(jī)3的功率輸出也是恒定的。控制電機(jī)4上的功率流Ps可以是流入或流出的，其雙向變化是依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速的大小由控制器6和逆變器5進(jìn)行調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)、逆變器(5)、與逆變器5電信號(hào)連接的控制器(6)，其特征是，所述的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)與增速齒輪箱(2)的輸入轉(zhuǎn)軸相連，所述的增速齒輪箱(2)的輸出轉(zhuǎn)軸與差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸入軸(10)相連，所述的差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸出軸(23)與控制電機(jī)(4)的轉(zhuǎn)軸相連，所述的控制電機(jī)(4)由電力饋線與逆變器(5)的輸入端(33)電連接，所述的差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的定子繞組(11)由電力饋線(7)與電網(wǎng)(9)電連接，所述的逆變器(5)的輸出端(8)與電力饋線(7)并聯(lián)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，其特征是，所述的差動(dòng)永磁電機(jī)(3)包括轉(zhuǎn)子(15)、輸入軸(10)和輸出軸(23)，所述的轉(zhuǎn)子(15)沿徑向設(shè)置有差速機(jī)構(gòu)(30)；所述的差速機(jī)構(gòu)(30)包括側(cè)板(21)、與輸入軸(10)固聯(lián)的行星架(19)、設(shè)置在行星架(19)上的行星齒輪(17)、與轉(zhuǎn)子(15)及側(cè)板(21)固聯(lián)的內(nèi)齒圈(16)、設(shè)置在輸出軸(23)上的中心齒輪(25)，所述的行星齒輪(17)與內(nèi)齒圈(16)和中心齒輪(25)齒合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，其特征是，所述的逆變器5由電機(jī)側(cè)逆變器(34)與電網(wǎng)側(cè)逆變器(35)組成，電機(jī)側(cè)逆變器(34)與電網(wǎng)側(cè)逆變器(35)背靠背設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，其特征是，所述的逆變器(5)的輸入端(33)、輸出端(8)分別設(shè)有采樣傳感器組(32)、(40)，所述的采樣傳感器組(32)、(40)分別與控制器(6)的輸入端(p1)、(p2)信號(hào)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，其特征是，所述的電機(jī)側(cè)逆變器(34)、電網(wǎng)側(cè)逆變器(35)的控制輸入端(p3)、(p4)分別與控制器(6)的控制輸出端(o1)、(o2)信號(hào)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電差動(dòng)永磁電機(jī)裝置，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)、逆變器(5)、與逆變器5電信號(hào)連接的控制器(6)，其中風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)與增速齒輪箱(2)的輸入轉(zhuǎn)軸相連；增速齒輪箱(2)的輸出轉(zhuǎn)軸與差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸入軸(10)相連；差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸出軸(23)與控制電機(jī)(4)的轉(zhuǎn)軸相連；控制電機(jī)(4)由電力饋線與逆變器(5)的輸入端(33)電連接；差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的定子繞組(11)由電力饋線(7)與電網(wǎng)(9)電連接；逆變器(5)的輸出端(8)與電力饋線(7)并聯(lián)電連接。本發(fā)明通過差動(dòng)永磁電機(jī)(3)中的兩自由度混合變速機(jī)構(gòu)(30)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻，其在顯著提高發(fā)電機(jī)效率的基礎(chǔ)上，可大大降低流變系統(tǒng)昂貴的造價(jià)。
文檔編號(hào)H02K7/116GK1808852SQ200510022770
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者穆安樂, 劉宏昭 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)