本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)變速橫頻的場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源。大力發(fā)展包括風(fēng)力發(fā)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)電技術(shù)是解決全球能源和資源緊張的最佳選擇。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用同步或感應(yīng)發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求發(fā)電機(jī)的輸出頻率與電網(wǎng)頻率一致，由于傳統(tǒng)的同步或感應(yīng)發(fā)電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，風(fēng)能的利用率比較低。因而能克服上述缺點(diǎn)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)近年來發(fā)展迅速，目前主要有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中雙饋異步發(fā)電機(jī)工作在一個有限的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子側(cè)功率變換器只需提供轉(zhuǎn)差功率，約為發(fā)電機(jī)額定功率的20％～30％，降低了成本。但這種發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯：由于存在主繞組和勵磁繞組，同容量電機(jī)的體積較大，效率也較低；發(fā)電機(jī)的極對數(shù)受體積限制不能過多，風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間必須要用增速齒輪箱，增加了機(jī)組的機(jī)械損耗，噪音污染以及維護(hù)工作量；轉(zhuǎn)子上存在勵磁繞組，需要滑環(huán)和電刷，降低了可靠性，增加了維護(hù)工作量。直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)取消了增速齒輪箱，轉(zhuǎn)子無繞組，無需滑環(huán)和電刷，提高了可靠性，減少了維修工作量，效率高，但是直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)本身體積和重量龐大，需要全功率的功率變換器，成本高。

近年來，為了取消雙饋感應(yīng)電機(jī)的電刷和滑環(huán)，無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。由于無刷雙饋電機(jī)取消了電刷和滑環(huán)，因此有效地提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，并且保留了傳統(tǒng)有刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)的采用部分功率變換器、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。但無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提出一種變速恒頻的場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本發(fā)明是一種能夠使用部分容量功率變換器的永磁化同步發(fā)電機(jī)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括定子(1)、外轉(zhuǎn)子(2)、內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)和轉(zhuǎn)軸(4)，所述定子(1)、外轉(zhuǎn)子(2)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)依次由外向內(nèi)設(shè)置；所述定子(1)與轉(zhuǎn)軸(4)轉(zhuǎn)動連接，且所述外轉(zhuǎn)子(2)與轉(zhuǎn)軸(4)轉(zhuǎn)動連接，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)固定在轉(zhuǎn)軸(4)上；

所述定子(1)上設(shè)置了兩套極對數(shù)不同的獨(dú)立繞組，這兩套極對數(shù)不同的獨(dú)立繞組分別為p對極的功率繞組(11)、q對極的控制繞組(12)；其中，p對極的功率繞組(11)直接與電網(wǎng)連接，q對極的控制繞組(12)經(jīng)交直交功率變換器(7)與電網(wǎng)相連；所述p和q分別為正整數(shù)，且p和q不相等；

所述外轉(zhuǎn)子(2)為裝有永磁體(21)的永磁式轉(zhuǎn)子，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)為凸極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的極數(shù)為p+q。

進(jìn)一步的，所述凸極轉(zhuǎn)子的凸極的極弧系數(shù)為0.4～0.6，與齒根部的極弧系數(shù)相通。

進(jìn)一步的，所述外轉(zhuǎn)子(2)包括導(dǎo)磁支架(22)，所述永磁體(21)嵌入在導(dǎo)磁支架(22)上。

進(jìn)一步的，所述永磁體(21)排布方式為單層排布，包括單層表貼式排布和單層內(nèi)置式排布；或者所述永磁體(21)的排布方式為雙層排布，且上下兩層處于相同角度位置的永磁體(21)充磁方向相同。

進(jìn)一步的，所述永磁體(21)沿圓周均勻排布，永磁體(21)充磁方向均為徑向充磁，且所述永磁體(21)的弧度≥π/(p+q)；

所述永磁體(21)單個層上的個數(shù)為p個，且所述永磁體(21)充磁方向均相同，均為徑向向外或徑向向內(nèi)；

或者所述永磁體(21)單個層上的個數(shù)為2p個，相鄰永磁體(21)均徑向充磁但充磁方向相反。

進(jìn)一步的，所述外轉(zhuǎn)子(2)兩端設(shè)有轉(zhuǎn)子端蓋(23)，所述轉(zhuǎn)子端蓋(23)通過軸承一(51)與轉(zhuǎn)軸(4)轉(zhuǎn)動連接。

進(jìn)一步的，所述定子(1)的繞組間安裝有霍爾元件(13)。

進(jìn)一步的，所述霍爾元件(13)為三個，且三個霍爾元件(13)沿圓周120°均勻分布。

進(jìn)一步的，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)的轉(zhuǎn)速由控制繞組(12)的供電頻率決定，通過改變控制繞組(12)的供電頻率，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大功率點(diǎn)跟蹤。

進(jìn)一步的，所述交直交功率變換器(7)的容量為發(fā)電機(jī)容量的一部分并與發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行范圍有關(guān)，該功率為下列兩個功率中的較大值：交直交功率變換器功率＝發(fā)電機(jī)容量×(額定速度－最低運(yùn)行速度)÷額定速度；交直交功率變換器功率＝發(fā)電機(jī)容量×(最高運(yùn)行速度－額定速度)÷額定速度。

本發(fā)明的有益效果為：

1.外轉(zhuǎn)子為永磁轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子為凸極轉(zhuǎn)子，凸極轉(zhuǎn)子的極數(shù)為功率繞組與控制繞組極對數(shù)之和，所以本發(fā)明降低了轉(zhuǎn)速，且去除了電刷、滑環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組，提高了可靠性。

2.永磁轉(zhuǎn)子同時為功率繞組和控制繞組提供勵磁磁場，提高了永磁體的利用率，且提高了功率密度。

3.場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率繞組與電網(wǎng)直接連接，交直交功率變換器連接至控制繞組以提供控制電流，可使永磁體為功率繞組提供的勵磁磁場保持在同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒頻運(yùn)行。交直交功率變換器的容量根據(jù)發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍而定，一般只有發(fā)電機(jī)額定容量的20％～30％，相對于永磁同步發(fā)電機(jī)、磁齒輪外轉(zhuǎn)子永磁無刷風(fēng)力發(fā)電機(jī)，本發(fā)電機(jī)無需使用等同于發(fā)電系統(tǒng)額定容量的功率變換器，有利于降低成本。

4.本發(fā)明無需電刷、滑環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組，提高了效率和可靠性。利用永磁轉(zhuǎn)子的主磁場為功率繞組勵磁，利用永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)凸極轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制作用產(chǎn)生的諧波磁場，為控制繞組勵磁，提高了無刷雙饋電機(jī)的功率密度和效率。利用本發(fā)明的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了永磁體的利用率和極對數(shù)轉(zhuǎn)換效果，使用部分功率的功率變化器，降低了成本，使發(fā)電機(jī)在較大范圍內(nèi)變速恒頻運(yùn)行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的橫向截面圖；

圖2是本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的縱向剖視圖；

圖3是本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的霍爾元件安裝圖；

圖5是本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)示意圖；

圖6是本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率傳遞示意圖。

附圖標(biāo)記說明

1-定子、2-外轉(zhuǎn)子、3-內(nèi)轉(zhuǎn)子、4-轉(zhuǎn)軸、5-軸承二、6-風(fēng)力機(jī)、7-交直交功率變換器、11-功率繞組、12-控制繞組、13-霍爾元件、21-永磁體、22-導(dǎo)磁支架、23-轉(zhuǎn)子端蓋、51-軸承一。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1、圖2和圖3所示，一種場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括定子1、外轉(zhuǎn)子2、內(nèi)轉(zhuǎn)子3和轉(zhuǎn)軸4，定子1、外轉(zhuǎn)子2和內(nèi)轉(zhuǎn)子3依次由外向內(nèi)設(shè)置。定子1與轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動連接，且外轉(zhuǎn)子2與轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子3固定在轉(zhuǎn)軸4上。外轉(zhuǎn)子2兩端設(shè)有轉(zhuǎn)子端蓋23，轉(zhuǎn)子端蓋23通過軸承一51與轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動連接。

定子1上設(shè)置了兩套獨(dú)立的繞組為功率繞組11和控制繞組12，分別用于發(fā)電與轉(zhuǎn)速控制。其中p對極的功率繞組11直接與電網(wǎng)連接，q對極的控制繞組12經(jīng)交直交功率變換器7與電網(wǎng)相連。p和q分別為正整數(shù)，且p和q不相等，故沒有直接耦合；且本發(fā)明分別采用永磁外轉(zhuǎn)子主磁場和經(jīng)由內(nèi)轉(zhuǎn)子3調(diào)制后的諧波磁場作為勵磁磁場，兩者不存在間接耦合；該場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可看做是一臺磁齒輪無級變速器與一臺永磁同步發(fā)電機(jī)的級聯(lián)，且只存在機(jī)械連接，不存在電與磁的耦合。

外轉(zhuǎn)子2為裝有永磁體21的p對極永磁式轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子2包含導(dǎo)磁支架22，永磁體21嵌入在導(dǎo)磁支架22上。永磁體21排布方式為單層排布，包括單層表貼式排布和單層內(nèi)置式排布；或者永磁體21的排布方式為雙層排布，且上下兩層處于相同角度位置的永磁體充磁方向相同。

永磁體21沿圓周均勻排布，永磁體21充磁方向均為徑向充磁，且永磁體21的弧度≥π/(p+q)；永磁體21單個層上的個數(shù)為p個，且永磁體21充磁方向均相同，均為徑向向外或徑向向內(nèi)；或者永磁體21單個層上的個數(shù)為2p個，相鄰永磁體21均徑向充磁但充磁方向相反。

相對于其他永磁體布置方式，單層內(nèi)置式排布的永磁轉(zhuǎn)子的單永磁體利用率高，極對數(shù)轉(zhuǎn)換的效率高。且外轉(zhuǎn)子2直接為功率繞組11提供p對極的勵磁磁場，外轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)速由功率繞組11并網(wǎng)拖入同步。

內(nèi)轉(zhuǎn)子3為凸極轉(zhuǎn)子，具有磁場調(diào)制作用，且轉(zhuǎn)子的凸極齒數(shù)為(p+q)。為了達(dá)到更好的調(diào)制效果，凸極齒的極弧系數(shù)為0.5，包括齒根部的極弧系數(shù)同樣為0.5。內(nèi)轉(zhuǎn)子3主要起技術(shù)轉(zhuǎn)換器作用，產(chǎn)生控制繞組12所需的勵磁磁場。

外轉(zhuǎn)子2的p對極磁場經(jīng)過內(nèi)轉(zhuǎn)子3之后，調(diào)制出q對極的諧波磁場，為控制繞組12提供勵磁。內(nèi)轉(zhuǎn)子3與風(fēng)力機(jī)6通過轉(zhuǎn)軸4相連，轉(zhuǎn)速由外轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速與控制繞組12的供電頻率共同決定，通過改變控制繞組12的供電頻率，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)6的最大功率點(diǎn)跟蹤。

交直交功率變換器的容量為發(fā)電機(jī)容量的一部分并與發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行范圍有關(guān)，該功率為下列兩個功率中的較大值：交直交功率變換器功率＝發(fā)電機(jī)容量×(額定速度－最低運(yùn)行速度)÷額定速度；交直交功率變換器功率＝發(fā)電機(jī)容量×(最高運(yùn)行速度－額定速度)÷額定速度。

如圖4所示，外轉(zhuǎn)子2位于定子1和內(nèi)轉(zhuǎn)子3之間，自由旋轉(zhuǎn)，沒有其它軸與外部連接，無法用編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器測量其轉(zhuǎn)速和位置，故在定子1的繞組間安裝霍爾元件13，共有三個霍爾元件13，三個霍爾元件13沿圓周120°均勻分布。而外轉(zhuǎn)子2為永磁轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件13有脈沖信號輸出，可用于測量外轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速和位置。

如圖5所示，轉(zhuǎn)軸4與風(fēng)力機(jī)6相連，內(nèi)轉(zhuǎn)子3固定在轉(zhuǎn)軸4上，用于傳遞來自風(fēng)力機(jī)的功率和能量。外轉(zhuǎn)子2裝有永磁體21，為功率繞組11和控制繞組12提供勵磁磁場。通過內(nèi)轉(zhuǎn)子3的極數(shù)與外轉(zhuǎn)子2上永磁體數(shù)量的合理匹配，實(shí)現(xiàn)定子1上兩套繞組磁場的解耦。

如圖6所示，本發(fā)明場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)速n_L與功率繞組11和控制繞組12中電流的頻率f_p和f_c滿足關(guān)系：n_L＝60(f_p±f_c)/(p+q)。由于電網(wǎng)頻率f_p固定，調(diào)節(jié)控制繞組12中電流的頻率，就可實(shí)現(xiàn)該發(fā)電機(jī)的變速恒壓恒頻發(fā)電。而且通過控制交直交功率變換器改變控制繞組12中電流的頻率、大小和相位，還可以實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的靈活調(diào)節(jié)。

圖6中的T_p為功率繞組11磁場對外轉(zhuǎn)子2的制動轉(zhuǎn)矩，T_c為控制繞組12磁場對內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)的制動轉(zhuǎn)矩，T_pm為外轉(zhuǎn)子2與內(nèi)轉(zhuǎn)子3的作用轉(zhuǎn)矩，T_L為風(fēng)力機(jī)6傳遞到內(nèi)轉(zhuǎn)子3的輸入轉(zhuǎn)矩。ω_L為內(nèi)轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)角速度，即風(fēng)力機(jī)6的旋轉(zhuǎn)角速度；ω_p為功率繞組11產(chǎn)生磁場的旋轉(zhuǎn)角速度；ω_c為控制繞組12產(chǎn)生磁場的旋轉(zhuǎn)角速度；ω_pm為永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度，穩(wěn)定時，ω_pm＝ω_p。風(fēng)力機(jī)6經(jīng)由轉(zhuǎn)軸4傳遞給內(nèi)轉(zhuǎn)子3的機(jī)械功率為P_L＝T_Lω_L，功率繞組11輸送到電網(wǎng)的功率為P_P＝T_pω_p，控制繞組12輸送到電網(wǎng)的功率為P_c＝T_cω_c。

本發(fā)明的場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以等效為一臺p對極永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)經(jīng)由q對極定子繞組的無極調(diào)速磁齒輪與風(fēng)力機(jī)6相連。磁齒輪與永磁同步電機(jī)通過永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械連接，T_p＝T_pm，且T_pm/T_c＝p/q，控制繞組12的磁場不對外轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生直接的影響。

結(jié)合同軸磁齒輪的工作原理，該發(fā)電機(jī)的工作原理如下：風(fēng)力機(jī)6把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過轉(zhuǎn)軸4傳遞給內(nèi)轉(zhuǎn)子3，使得內(nèi)轉(zhuǎn)子3旋轉(zhuǎn)角速度為ω_L，只需通過交直交功率變換器調(diào)整控制繞組12電流頻率，使得控制磁場旋轉(zhuǎn)角速度ω_c滿足：(ω_p-ω_L)/(ω_c-ω_L)＝-q/p，則永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與功率繞組11的同步轉(zhuǎn)速相等，并入電網(wǎng)后發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。

本發(fā)明的場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定義控制繞組通直流電(f_c＝0)時的內(nèi)轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速ω_L0，當(dāng)風(fēng)速較快，ω_L>ω_L0時，控制繞組12的相序與功率繞組11相同，此時控制繞組12輸出功率；當(dāng)風(fēng)速較慢，ω_L<ω_L0時，控制繞組12的相序與功率繞組11相反，此時控制繞組12輸入功率；當(dāng)ω_L＝ω_L0時，f_c＝0，此時控制繞組12通入直流電，控制繞組12提供的能量僅用于銅耗和鐵耗。

本發(fā)明的場調(diào)制雙轉(zhuǎn)子雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定義轉(zhuǎn)差率為：s＝(ω_L-ω_L0)/ω_L0＝f_c/f_p，控制繞組12輸送到電網(wǎng)的功率與功率繞組11輸送到電網(wǎng)的功率的關(guān)系為：P_c＝sP_P。則超同步運(yùn)行時，s為正，風(fēng)力機(jī)6的機(jī)械功率大部分通過功率繞組11輸送到電網(wǎng)，小部分通過控制繞組12經(jīng)功率變換器送往電網(wǎng)；亞同步運(yùn)行時，s為負(fù)，控制繞組12通過功率變換器從電網(wǎng)吸收電能，吸收的電功率與風(fēng)力機(jī)6的機(jī)械功率一起傳遞到功率繞組12，輸送給電網(wǎng)。永磁勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率為η，風(fēng)力機(jī)6輸入的機(jī)械能與電網(wǎng)之間的能量傳遞關(guān)系為P_L＝η(P_P+P_c)＝η(1+s)P_P。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。