本發(fā)明涉及一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機，可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電。

背景技術(shù)：

當(dāng)今，能源危機、環(huán)境污染等一系列問題日益突出，發(fā)展持續(xù)的可再生能源以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)勢在必行。風(fēng)能取之不盡、用之不竭，是最有潛力的新能源之一，因此受到了世界范圍的關(guān)注。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，為降低發(fā)電成本，風(fēng)力發(fā)電機的單機容量越來越大，導(dǎo)致其體積和重量變得巨大，給制造、安裝和維護均帶來了困難，而且復(fù)雜的海上環(huán)境對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提出了更高的要求。現(xiàn)在最流行的風(fēng)力發(fā)電機有兩種：雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機。雙饋異步發(fā)電機的優(yōu)勢在于僅需使用占發(fā)電機總?cè)萘?0％左右的變頻器，便可實現(xiàn)變速恒壓恒頻運行，直接向電網(wǎng)供電；但是它需要電刷和滑環(huán)向轉(zhuǎn)子繞組供電，這不但降低了可靠性、增大了維護成本，而且對其在大容量的海上風(fēng)電中的應(yīng)用極其不利。近年來，永磁直驅(qū)發(fā)電機受到了廣泛關(guān)注，發(fā)展迅速；永磁直驅(qū)發(fā)電機省去了機械傳動裝置，可直接與風(fēng)力渦輪機相連，簡化了機械結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性，而且使用永磁體勵磁，無勵磁損耗，效率高。但是直驅(qū)永磁發(fā)電機的體積和重量巨大，這既增加了海上風(fēng)電的建設(shè)成本，又不便于海上的安裝、維護作業(yè)。為實現(xiàn)變速恒壓恒頻運行，永磁同步發(fā)電機需要使用全功率變頻器，而且需要額外的無功功率調(diào)節(jié)裝備調(diào)節(jié)無功，所以直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)成本很高。

為克服雙饋感應(yīng)發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機的缺點，無刷雙饋發(fā)電機得到了廣泛的研究。無刷雙饋電機源于兩臺感應(yīng)電機的級聯(lián)，根據(jù)電刷消去方式的不同，可以分為級聯(lián)式和磁場調(diào)制式兩類。磁場調(diào)制類無刷雙饋電機是依靠特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將位于同一定子上的兩套不同極數(shù)的繞組間接耦合，實現(xiàn)能量的傳遞。這種特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式，一種是類鼠籠式的感應(yīng)轉(zhuǎn)子，另一種是磁阻轉(zhuǎn)子。常見的磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有簡單凸極結(jié)構(gòu)、軸向疊片各向異性結(jié)構(gòu)和多層磁障結(jié)構(gòu)。

磁場調(diào)制分為“和調(diào)制”和“差調(diào)制”，大部分無刷雙饋電機采用“和調(diào)制”。另外，在結(jié)構(gòu)上多采用單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，兩套繞組位于一個定子上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子體積較大，造成了內(nèi)部空間的浪費。目前的研究成果表明，現(xiàn)有的無刷雙饋電機比傳統(tǒng)的雙饋感應(yīng)電機和鼠籠式感應(yīng)電機功率密度低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了提高無刷雙饋電機的功率密度，本發(fā)明提出了一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷發(fā)電機，采用了雙定子和杯型磁阻轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)以充分利用內(nèi)部空間，并且能夠同時實現(xiàn)“和調(diào)制”和“差調(diào)制”；因該發(fā)電機具有三個電氣端口，與當(dāng)前的具有兩個電氣端口的磁場調(diào)制類無刷雙饋發(fā)電機相比，具有功率密度高、可靠性高的優(yōu)勢。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機，包括由外向內(nèi)同心設(shè)置的外定子、杯型磁阻轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子，外定子和杯型磁阻轉(zhuǎn)子之間形成外氣隙，杯型磁阻轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子之間形成內(nèi)氣隙；

所述外定子包括外定子軛、外定子齒和外功率繞組，外定子齒間的空隙形成外定子槽，外功率繞組嵌入在外定子槽內(nèi)，外定子齒設(shè)置在外定子軛內(nèi)側(cè)；

所述內(nèi)定子包括內(nèi)定子軛、內(nèi)定子齒和內(nèi)功率繞組，內(nèi)定子齒間的空隙形成內(nèi)定子槽，內(nèi)功率繞組嵌入在內(nèi)定子槽內(nèi)，內(nèi)定子軛設(shè)置在內(nèi)定子齒內(nèi)側(cè)；

所述杯型磁阻轉(zhuǎn)子包括沿圓周均勻交錯布置的導(dǎo)磁塊和非導(dǎo)磁塊；

在外定子槽內(nèi)或內(nèi)定子槽內(nèi)還嵌入有控制繞組；所述外功率繞組(8)的極對數(shù)為p_opw，內(nèi)功率繞組(12)的極對數(shù)為p_ipw，控制繞組(9)的極對數(shù)為p_cw，導(dǎo)磁塊(13)的個數(shù)為p_r；當(dāng)控制繞組嵌入外定子槽內(nèi)時，四個參數(shù)滿足|p_opw-p_cw|＝p_r，p_ipw+p_cw＝p_r；當(dāng)控制繞組嵌入內(nèi)定子槽內(nèi)時，四個參數(shù)滿足p_opw+p_cw＝p_r，|p_ipw-p_cw|＝p_r。

具體的，所述外功率繞組和控制繞組之間通過杯型磁阻轉(zhuǎn)子的調(diào)制作用實現(xiàn)耦合，內(nèi)功率繞組和控制繞組之間通過杯型磁阻轉(zhuǎn)子的調(diào)制作用實現(xiàn)耦合。

具體的，所述外功率繞組、控制繞組和內(nèi)功率繞組均采用分布式繞組結(jié)構(gòu)或均采用集中式繞組結(jié)構(gòu)。

具體的，一套功率繞組輸出恒壓恒頻的電能，直接與電網(wǎng)連接；另一套功率繞組輸出變壓變頻的電能，通過變頻器與電網(wǎng)連接；控制繞組通過變頻器與電網(wǎng)連接，同時對兩套功率繞組進行控制。

具體的，兩套變頻器的容量均為該雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機總?cè)萘康囊徊糠?，其容量與各自連接的繞組容量相當(dāng)。

具體的，該雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機的總功率為三套繞組的功率之和。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)磁塊由硅鋼片軸向或縱向疊壓而成。

優(yōu)選的，所述外定子、杯型磁阻轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子均為分塊組裝結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述外定子和內(nèi)定子均為凸極結(jié)構(gòu)或隱極結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的是提出一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機，該電機具有一個杯型磁阻轉(zhuǎn)子、兩個定子和三套繞組，由內(nèi)向外同心依次布置內(nèi)定子、杯型磁阻轉(zhuǎn)子和外定子，本案優(yōu)選將兩套繞組布置在外定子上，分別稱為外功率繞組和控制繞組，第三套繞組布置在內(nèi)定子上，稱為內(nèi)功率繞組。控制繞組通過一套背靠背的頻率變換器與電網(wǎng)連接，控制電機的運行狀態(tài)；外功率繞組通過另一套背靠背的頻率變換器與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)饋電；內(nèi)功率繞組直接與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)饋電。電機的總功率為三套繞組的功率之和，變頻器的功率與各自相連的繞組的功率相當(dāng)?？刂评@組的功率與電機的調(diào)速范圍有關(guān)，調(diào)速范圍越大，其功率越大。

所述控制繞組通過一套背靠背的頻率變換器與電網(wǎng)相連，同時控制兩套功率繞組，其功率與電機的調(diào)速范圍有關(guān)，其功能和雙饋電機的控制繞組相同；所述內(nèi)功率繞組是變速恒壓恒頻發(fā)電運行，類似于雙饋電機的功率繞組，可直接與電網(wǎng)連接；所述外功率繞組是變速變壓變頻發(fā)電運行，類似于同步發(fā)電機的電樞繞組，通過一套背靠背的頻率變換器與電網(wǎng)相連；變頻器的容量與各自相連的繞組的容量相當(dāng)；當(dāng)控制繞組中通入直流電時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子速度定義為自然同步速。自然同步速以上，稱為超同步速，此時控制繞組向電網(wǎng)輸出電能。自然同步速以下，稱為亞同步速，此時控制繞組從電網(wǎng)吸收能量。本發(fā)明的發(fā)電機調(diào)速范圍大約為自然同步速上下30％，控制繞組傳遞的是轉(zhuǎn)差功率，所以與控制繞組連接的變頻器的容量大約為電機容量的30％，實現(xiàn)了由小容量變頻器控制大容量電機的功能，這點和雙饋發(fā)電機非常相似。

所述控制繞組可以為單層整距分布繞組，也可以為雙層短距分布繞組；所述外功率繞組和內(nèi)功率繞組同時采用雙層短距分布繞組，或同時采用整距分?jǐn)?shù)槽繞組。

有益效果：本發(fā)明提供的三電氣端口的雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢：

1、本發(fā)明提出的發(fā)電機具有兩個功率電氣端口和一個控制電氣端口，三個電氣端口均能向電網(wǎng)饋電，所以該發(fā)電機機功率密度高、容錯能力強、可靠性高；

2、本發(fā)明提出的發(fā)電機采用雙定子和杯型磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機相比，該電機充分利用內(nèi)部空間，提高了空間利用率；另外，杯型磁阻轉(zhuǎn)子使用簡單凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡單可靠，機械強度高；

3、本發(fā)明提出的發(fā)電機具有兩個功率電氣端口，一個變速恒壓恒頻運行，可直接向電網(wǎng)供電，另一個變速變壓變頻運行，通過一套背靠背的頻率變換向電網(wǎng)供電；當(dāng)其中一個功率電氣端口發(fā)生故障時，另一個功率電氣端口可繼續(xù)向電網(wǎng)供電，提高了發(fā)電機的容錯能力和可靠性；

4、本發(fā)明提出的發(fā)電機的最大功率為三個電氣端口同時向電網(wǎng)供電時的功率總和；因為其中一個功率電氣端口可輸出恒壓恒頻的電能，不需變頻器即可直接向電網(wǎng)供電，所以該發(fā)電機使用的變頻器的容量小于發(fā)電機的總?cè)萘浚?/p>

5、本發(fā)明提出的發(fā)電機沒有永磁體和電刷，可調(diào)節(jié)無功功率；與永磁同步發(fā)電機相比，該發(fā)電機成本低，且不需要全功率變頻器和無功功率補償裝置；與雙饋感應(yīng)發(fā)電機相比，該發(fā)電機沒有電刷，可靠性高、維護成本低；與單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機相比，該發(fā)電機具有三個電氣端口，功率密度更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電機的結(jié)構(gòu)截面示意圖；

圖2為本發(fā)明電機與電網(wǎng)的連接關(guān)系圖；

圖3為本發(fā)明電機在350r/min空載時，外功率繞組和內(nèi)功率繞組相電動勢波形圖；

圖4為本發(fā)明電機在500r/min空載時，外功率繞組和內(nèi)功率繞組相電動勢波形圖；

圖5為本發(fā)明電機在650r/min空載時，外功率繞組和內(nèi)功率繞組相電動勢波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風(fēng)力發(fā)電機，包括由外向內(nèi)同心設(shè)置的外定子1、杯型磁阻轉(zhuǎn)子3和內(nèi)定子5，外定子1和杯型磁阻轉(zhuǎn)子3之間形成外氣隙2，杯型磁阻轉(zhuǎn)子3和內(nèi)定子5之間形成內(nèi)氣隙4；所述外定子1包括外定子軛6、外定子齒7、外功率繞組8和控制繞組9，外定子齒7間的空隙形成外定子槽，外功率繞組8和控制繞組9嵌入在外定子槽內(nèi)，控制繞組9設(shè)置在外功率繞組8內(nèi)側(cè)，外定子齒7設(shè)置在外定子軛6內(nèi)側(cè)；所述內(nèi)定子5包括內(nèi)定子軛10、內(nèi)定子齒11和內(nèi)功率繞組12，內(nèi)定子齒11間的空隙形成內(nèi)定子槽，內(nèi)功率繞組12嵌入在內(nèi)定子槽內(nèi)，內(nèi)定子軛10設(shè)置在內(nèi)定子齒11內(nèi)側(cè)；所述杯型磁阻轉(zhuǎn)子3包括沿圓周均勻交錯布置的導(dǎo)磁塊13和非導(dǎo)磁塊14；所述外功率繞組8的極對數(shù)為p_opw，內(nèi)功率繞組12的極對數(shù)為p_ipw，控制繞組9的極對數(shù)為p_cw，導(dǎo)磁塊13的個數(shù)為p_r，滿足p_opw-p_cw＝p_r，p_ipw+p_cw＝p_r。

如圖2所示，控制繞組9通過一套背靠背的頻率變換器15與電網(wǎng)相連，可同時控制外功率繞組8和內(nèi)功率繞組12，所述變頻器15的容量與控制繞組9的容量相當(dāng)；外功率繞組8輸出變壓變頻的電能，通過另一套背靠背的頻率變換器16與電網(wǎng)相連，所述變頻器16的容量與外功率繞組8的容量相當(dāng)；內(nèi)功率繞組12可直接恒壓恒頻的向電網(wǎng)供電，不需要變頻器。發(fā)電機的總功率為外功率繞組8、內(nèi)功率繞組12和控制繞組9的功率之和。

與當(dāng)前的雙饋風(fēng)力發(fā)電機相似，本發(fā)明的發(fā)電機的速度調(diào)節(jié)范圍大約為自然同步速度上下30％?？刂评@組9通過變頻器與電網(wǎng)間傳遞的功率是轉(zhuǎn)差功率，所以與控制繞組9相連的變頻器15的功率大約為電機功率的30％。所述的外功率繞組8和所述的內(nèi)功率繞組12是兩套相互獨立的功率繞組，它們之間的耦合作用很小。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)所述控制繞組9中的電流的頻率和幅值可以保證所述內(nèi)功率繞組12輸出恒頻率恒幅值的電壓，但所述外功率繞組8卻不能輸出恒定的電壓，它的電壓頻率和幅值會隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高，轉(zhuǎn)速越高，外功率繞組8的輸出功率越大。關(guān)于外功率繞組8和內(nèi)功率繞組12的功率分配，通常這樣設(shè)計：當(dāng)電機運行于自然同步速度時，外功率繞組8的功率是內(nèi)功率繞組12的功率的50％左右；當(dāng)電機運行在最高速度時，外功率繞組8的功率大約為內(nèi)功率繞組12的功率的80％。

將轉(zhuǎn)子的上極弧系數(shù)定義為所述導(dǎo)磁塊13的上表面寬度比上所述非導(dǎo)磁塊14的上表面寬度與導(dǎo)磁塊13的上表面寬度之和的值，類似的規(guī)則，可定義轉(zhuǎn)子的下極弧系數(shù)。轉(zhuǎn)子的上極弧系數(shù)與下極弧系數(shù)對電機性能有較大影響，一般將這兩個系數(shù)設(shè)計在0.5到0.7。

所述的兩個定子均可采用有齒槽結(jié)構(gòu)或無齒槽結(jié)構(gòu)；所述的兩組功率繞組和控制繞組9均可采用分布繞組或集中繞組；所述的兩組功率繞組和控制繞組9均可采用雙層繞組或單層繞組。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，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和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。