一種單相u形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電的制造方法
【專利摘要】一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，包括一組相互獨立的U形定子齒、環(huán)形繞組和安裝在定子磁極外的指狀轉(zhuǎn)子。所述U形定子齒使用由非鐵磁材料構(gòu)成的帶有矩形槽的圓盤將其彼此之間的位置固定，并固定在發(fā)電機的外殼上。所述轉(zhuǎn)子由指狀鐵芯組成，通過鍵連接到發(fā)電機軸上。轉(zhuǎn)子齒數(shù)與定子齒數(shù)相同。所述發(fā)電機的單相繞組為一環(huán)形線圈，繞在定子的U形齒槽內(nèi)。該單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，電機及功率變換器制造成本低，繞組繞線容易，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子磁極數(shù)的增加不會影響繞組的繞線空間，更加適合低轉(zhuǎn)速應(yīng)用。各U形定子齒中形成的磁場是短磁路，且相互之間獨立、無交鏈，發(fā)電機可靠性高。
【專利說明】一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻發(fā)電機，尤其是一種新型的使用U形定子齒的外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的風力發(fā)電機種類主要有籠型異步發(fā)電機、繞線式異步發(fā)電機、有刷雙饋異步發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機。感應(yīng)電機雖然具有較為簡單的結(jié)構(gòu)和低制造成本，但其發(fā)電時必須保持預(yù)設(shè)速度，需要額外的變速箱并具有發(fā)電的風速限定范圍。尤其有刷雙饋異步發(fā)電機運行可靠性差，需要經(jīng)常維護。永磁同步發(fā)電機無需外加勵磁裝置，減少了勵磁損耗；同時它無需電刷與滑環(huán)，具有效率高、壽命長、免維護等優(yōu)點，因此漸成為風力發(fā)電機的主流。但是永磁材料價格較高，且在高溫下易被去磁，功率變換器容量與發(fā)電機容量相同，電機和變換器成本較高。開關(guān)磁阻發(fā)電機控制簡單、靈活，成本低廉，適合于中低速發(fā)電運行。已有的開關(guān)磁阻發(fā)電機多為高速發(fā)電機，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機相數(shù)多，定子連線較復(fù)雜，其功率變換器的功率開關(guān)器件數(shù)量多，系統(tǒng)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于傳統(tǒng)的發(fā)電機和現(xiàn)有的開關(guān)磁阻發(fā)電機存在的上述各種問題及局限性，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，特別適合于小型風力發(fā)電機低轉(zhuǎn)速直驅(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明包括一組U形定子齒，安裝在U形定子齒外的轉(zhuǎn)子和繞在定子的U形齒槽內(nèi)的單相繞組。所述U形定子齒相互獨立，使用由非鐵磁材料構(gòu)成的帶有矩形槽的圓盤將其彼此之間的位置固定，并固定在發(fā)電機的外殼上，而圓盤通過軸承與發(fā)電機的軸相連。所述轉(zhuǎn)子為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由指狀鐵芯組成，轉(zhuǎn)子上無電刷、無繞組及永磁體，與發(fā)電機軸通過鍵連接。U形定子的齒數(shù)與指狀轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相同，并且定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)可任意選擇，但考慮到受力均衡可選為偶數(shù)齒。所述單相繞組為一環(huán)形線圈。發(fā)電機軸的端部安裝有永磁體，永磁體的磁化方向為徑向，發(fā)電機的外殼在正對永磁體的位置處安裝有磁傳感器，以此來實時檢測轉(zhuǎn)子的位置。發(fā)電機所使用的功率變換器的主電路中包含兩個開關(guān)管和兩個二極管，通過兩個開關(guān)管的同時通斷和兩個二極管的續(xù)流作用實現(xiàn)發(fā)電機的儲能和電能回饋過程。
[0006]本發(fā)明中一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，繞組繞線容易，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子磁極數(shù)的增加不會影響繞組的繞線空間，且不會對繞組的繞線產(chǎn)生影響，更加適合低轉(zhuǎn)速應(yīng)用。各U形定子齒中形成的磁場是短磁路，且相互之間獨立、無交鏈。
[0007]由于上述技術(shù)方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點和效果:
[0008]本發(fā)明的一個效果在于，所述一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，不含永磁體，且為單相發(fā)電機，電機及功率變換器制造成本低。[0009]本發(fā)明的一個效果在于，發(fā)電機的繞組繞線容易，定轉(zhuǎn)子極數(shù)的增加不會影響繞組的繞線空間，且不會對繞組的繞線產(chǎn)生影響。
[0010]本發(fā)明的一個效果在于，所述一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的各U形定子齒和轉(zhuǎn)子齒相互之間獨立，且各U形定子磁極中形成的磁場彼此之間無交鏈，發(fā)電機可靠性高。
[0011]本發(fā)明的一個效果在于，所述一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機由于采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，便于垂直軸風力發(fā)電機的安裝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的12/12結(jié)構(gòu)的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的12/12結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的9/9結(jié)構(gòu)的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖4是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的9/9結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖5是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的12/12結(jié)構(gòu)的裝配體示意圖。
[0017]圖6是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的12/12結(jié)構(gòu)的側(cè)視剖面示意圖。
[0018]圖7是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的U形定子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖8是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機指狀轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖9是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機的用于固定定子的圓盤結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖10是本發(fā)明一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機使用的功率變換器的主電路圖。
[0022]圖11是開關(guān)磁阻電機線性模型的電感隨轉(zhuǎn)子位置變化的曲線。
[0023]圖中:101、定子102、轉(zhuǎn)子103、繞組104、固定定子的圓盤105、發(fā)電機軸106、軸承107、永磁體108、發(fā)電機的外殼109、磁傳感器110、發(fā)電機繞組引出電纜111、磁傳感器引出電纜112、鍵201、繞組回路的上橋臂開關(guān)管202、繞組回路的下橋臂開關(guān)管203、陰極與直流電源正極相接的二極管204、陽極與直流電源負極相接的二極管205、直流電源
【具體實施方式】
[0024]一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，包括定子(101)、轉(zhuǎn)子(102)和繞組
(103)，定子(101)采用U形齒，使用非導磁材料制成的帶有矩形槽的圓盤(104)將其彼此之間的位置固定，并固定在發(fā)電機的外殼上。圓盤(104)通過軸承(106)與發(fā)電機軸(105)相連。發(fā)電機的繞組(103)為一環(huán)形線圈，繞在定子(101)的U形齒槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子(102)安裝在定子(101)外，由指狀鐵芯組成，轉(zhuǎn)子(102)上無電刷、無繞組及永磁體，與發(fā)電機軸(105)通過鍵(112)連接。定子(101)的齒數(shù)與轉(zhuǎn)子(102)的齒數(shù)相同，并且定子(101)和轉(zhuǎn)子(102)的齒數(shù)可任意選擇，但考慮到受力均衡可選為偶數(shù)齒。發(fā)電機軸(105)的端部安裝有永磁體(107),永磁體(107)的磁化方向為徑向。發(fā)電機的外殼(108)在正對永磁體
(107)的位置安裝有磁傳感器(109)，可實時檢測轉(zhuǎn)子(102)的位置。發(fā)電機所使用的功率變換器的主電路的包含一號開關(guān)管(201)、二號開關(guān)管(202)、一號二極管(203)和二號二極管(204)，通過控制兩個開關(guān)管(201)?(202)的同時通斷和兩個二極管(203)?(204)的續(xù)流作用實現(xiàn)發(fā)電機的儲能和電能回饋過程。
[0025]實施例1:
[0026]如圖1、圖2所示，一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，包括定子(101)、轉(zhuǎn)子(102)和繞組(103)，定子(101)采用U形定子齒，共有12個，使用非導磁材料制成的帶有矩形槽的圓盤(104)將其彼此之間的位置固定，并固定在發(fā)電機的外殼(109)上；圓盤(104)通過軸承(106)與發(fā)電機軸(105)相連；發(fā)電機的繞組(103)為一環(huán)形線圈，繞在定子(101)的U形齒槽內(nèi)；轉(zhuǎn)子(102)安裝在定子(101)的圓周外，由指狀鐵芯組成，轉(zhuǎn)子(102)無電刷、無繞組及永磁體，與發(fā)電機軸(105)通過鍵(112)連接，指狀鐵芯上共有12個齒；所述發(fā)電機通過裝在發(fā)電機軸(105)上的永磁體(107)和裝在發(fā)電外殼上(108)的磁傳感器(109)實時檢測轉(zhuǎn)子(102)的位置。
[0027]圖10所示為一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機相應(yīng)的功率變換器主電路。圖11所示為開關(guān)磁阻電機線性模型的電感隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線，圖中的Θ代表轉(zhuǎn)子位置，曲線下面給出了不同曲線階段的定轉(zhuǎn)子位置示意圖。其中Q1N 02階段時電機的定子處于電機兩轉(zhuǎn)子之間的位置，θ2?03階段時電機的定子逐漸與電機的轉(zhuǎn)子重合，θ3?94階段時電機的定子與轉(zhuǎn)子完全重合，θ4?θ5階段時電機的轉(zhuǎn)子逐漸離開與定子重合的位置。電機運行過程中，通過安裝在發(fā)電機外殼(108)上的磁傳感器(109)檢測到轉(zhuǎn)子
(102)的位置，當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(102)轉(zhuǎn)到與發(fā)電機的定子(101)有重合的位置，即處于θ2?θ4階段時，若開關(guān)管(201)和開關(guān)管(202)同時導通，所述開關(guān)磁阻發(fā)電機的繞組
(103)中的電流開始上升，在到達相電感減小區(qū)域(θ4?Θ 5階段)之前建立相繞組勵磁電流；當所述開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子(102)轉(zhuǎn)到相電感減小的區(qū)域(θ 4?Θ 5階段)時，將一號開關(guān)管(201)和二號開關(guān)管(202)同時關(guān)斷，所述繞組(103)則通過一號二極管(203)和二號二極管(204)續(xù)流并向直流電源回饋能量，此時所述發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)。通過上述過程的實施，實現(xiàn)了機械能到電能的轉(zhuǎn)化。
[0028]實施例2:
[0029]如圖3、圖4所示，一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，包括定子(101)、轉(zhuǎn)子(102)和繞組(103)，定子(101)采用U形定子齒，共有9個，使用非導磁材料制成的帶有矩形槽的圓盤(104)將其彼此之間的位置固定，并固定在發(fā)電機的外殼(109)上；圓盤(104)通過軸承(106)與發(fā)電機軸(105)相連；發(fā)電機的繞組(103)為一環(huán)形線圈，繞在定子(101)的U形齒槽內(nèi)；轉(zhuǎn)子(102)安裝在定子(101)的圓周外，由指狀鐵芯組成，轉(zhuǎn)子
(102)無電刷、無繞組及永磁體，與發(fā)電機軸(105)通過鍵(112)連接，指狀鐵芯上共有9個齒；所述發(fā)電機通過裝在發(fā)電機軸(105)上的永磁體(107)和裝在發(fā)電外殼上(108)的磁傳感器(109)實時檢測轉(zhuǎn)子(102)的位置。[0030]圖10所示為一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機相應(yīng)的功率變換器主電路。圖11所示為開關(guān)磁阻電機線性模型的電感隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線，圖中的Θ代表轉(zhuǎn)子位置，其中Q1N θ2階段時電機的定子處于電機兩轉(zhuǎn)子之間的位置，Θ2?Θ3階段時電機的定子逐漸與電機的轉(zhuǎn)子重合，θ3?04階段時電機的定子與轉(zhuǎn)子完全重合，θ4?θ5階段時電機的轉(zhuǎn)子逐漸離開與定子重合的位置。電機運行過程中，通過安裝在發(fā)電機外殼(108)上的磁傳感器(109)檢測到轉(zhuǎn)子(102)的位置，當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(102)轉(zhuǎn)到與發(fā)電機的定子(101)有重合的位置，即處于θ2?θ4階段時，若開關(guān)管(201)和開關(guān)管(202)同時導通，所述開關(guān)磁阻發(fā)電機的繞組(103)中的電流開始上升，在到達相電感減小區(qū)域(θ4?θ5階段)之前建立相繞組勵磁電流；當所述開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子(102)轉(zhuǎn)到相電感減小的區(qū)域(θ4?θ5階段)時，將一號開關(guān)管(201)和二號開關(guān)管(202)同時關(guān)斷，所述繞組
(103)則通過一號二極管(203)和二號二極管(204)續(xù)流并向直流電源回饋能量，此時所述發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)。通過上述過程的實施，實現(xiàn)了機械能到電能的轉(zhuǎn)化。
[0031 ] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，其特征在于，包括定子(101)、轉(zhuǎn)子(102)和繞組(103)，定子(101)采用U形齒，轉(zhuǎn)子(102)由指狀鐵芯組成，繞組(103)為一環(huán)形線圈；圓盤(104)將定子(101)固定在發(fā)電機的外殼(108)上，圓盤(104)通過軸承(106)與發(fā)電機軸(105)相連；轉(zhuǎn)子(102)安裝在定子(101)外，與發(fā)電機軸(105)通過鍵(112)連接；繞組(103)繞在定子(101)的U形齒槽內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，其特征在于，所述圓盤(104)使用非導磁材料制成并帶有矩形槽。
3.如權(quán)利要求1所述的一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，其特征在于，轉(zhuǎn)子(102)上無電刷、無繞組和永磁體。
4.如權(quán)利要求1所述的一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，其特征在于，定子(101)的齒數(shù)與轉(zhuǎn)子(102)的齒數(shù)相同。
5.如權(quán)利要求1所述的一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，其特征在于，發(fā)電機軸(105)的端部安裝有永磁體(107),永磁體(107)的磁化方向為徑向，發(fā)電機的機殼(108)在正對永磁體的位置處安裝有磁傳感器(109)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種單相U形定子齒外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機，其特征在于，發(fā)電機所使用的功率變換器的主電路中包含一號開關(guān)管(201)、二號開關(guān)管(202)、一號二極管(203)和二號二極管(204)。
【文檔編號】H02K1/12GK103997177SQ201410258158
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】冬雷 申請人:北京理工大學