br>[0027]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明，應理解這些實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領域的技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請的權利要求所限定的范圍。
[0028]結合圖1至圖2描述本發(fā)明永磁勵磁無刷雙饋風力發(fā)電機的結構。從該發(fā)電機的橫向截面圖、縱向剖面圖中可以看出，發(fā)電機主要由四部分組成:定子1、外轉子2、內轉子3和轉軸6。其中定子I上設置有兩套獨立的繞組:p對極的功率繞組和q對極的控制繞組，所述P和q分別為正整數(shù)，且P和q不相等。外轉子2上裝有(p+q)個在圓周方向均勻分布的導磁塊11，導磁塊之間的空隙中填充非導磁的環(huán)氧樹脂材料，外轉子2通過其兩端的轉子端蓋4固定于在轉軸6上并可與之一起旋轉。內轉子3上裝有永磁體7，永磁體的極對數(shù)為q。
[0029]圖3所示為永磁勵磁無刷雙饋風力發(fā)電機并網發(fā)電系統(tǒng)，轉軸6直接與風力機12輪轂相連，外轉子2固定在轉軸6上，用于傳遞來自風力機的功率和能量。內轉子經軸承5安裝在轉軸6上，在內轉子3裝有永磁體7，為功率繞組8和控制繞組9提供勵磁磁場。通過外轉子2上調磁塊11數(shù)量與內轉子3上永磁體7數(shù)量的合理安排，實現(xiàn)定子I上兩套繞組磁場的解耦。
[0030]本發(fā)明永磁勵磁無刷雙饋風力發(fā)電機外轉子的轉速1^與功率繞組和控制繞組中電流的頻率fp和f。滿足關系:ru= 60(fp±f。)/(p+q) ο由于電網頻率fp固定，調節(jié)控制繞組中電流的頻率，就可實現(xiàn)該發(fā)電機的變速恒壓恒頻發(fā)電。而且通過控制交直交功率變換器改變控制繞組中電流的頻率、大小和相位，還可以實現(xiàn)有功和無功功率的靈活調節(jié)。
[0031]圖4所示為永磁勵磁無刷雙饋風力發(fā)電機功率傳遞示意圖，圖中的Tp為功率繞組磁場對外轉子的制動轉矩；τ。為控制繞組磁場對外轉子的制動轉矩；IV為功率繞組經外轉子調制作用后的調制磁場對內轉子的作用轉矩；1?為控制繞組經外轉子調制作用后的調制磁場對內轉子的作用轉矩；?Υ為風力機傳遞到外轉子的輸入轉矩；為外轉子的旋轉角速度，即風力機的旋轉角速度；ωρ為功率繞組產生磁場的旋轉角速度；ω ^為控制繞組產生磁場的旋轉角速度，即內轉子的穩(wěn)定旋轉角速度。風力機12經由轉軸6傳遞給外轉子2的機械功率為P1= ?\ ω L,功率繞組輸送到電網的功率為Pp= Tp ωρ，控制繞組輸送到電網的功率為 P。= T cWrO
[0032]本發(fā)明的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機本質上是一臺P對極定子繞組的磁齒輪發(fā)電機與一臺q對極定子繞組的永磁同步電機的級聯(lián)，兩臺電機通過永磁轉子機械連接，Tc =Tcr= T pr,控制繞組的磁場不對外轉子的轉速產生直接的影響。結合磁齒輪的工作原理，該發(fā)電機的工作原理如下:風力機把風能轉換成機械能，通過轉軸傳遞給外轉子，使得外轉子旋轉角速度為ω ρ只需通過交直交功率變換器調整控制繞組電流頻率，使得控制磁場旋轉角速度《r滿足:(ω= _q/p，則永磁調制磁場在功率繞組上感應出與電網頻率相等的反電勢，并入電網后發(fā)電機即可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。
[0033]本發(fā)明的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機定義控制繞組通直流電(f。= O)時的外轉子的轉速為同步轉速，當風速較快，時，控制繞組的相序與功率繞組相同，此時控制繞組輸出功率；當風速較慢，ω J ω ω時，控制繞組的相序與功率繞組相同，此時控制繞組輸入功率；當c^= ω ω時，f\=0，此時控制繞組通入直流電，控制繞組提供的能量僅用于銅耗和鐵耗。
[0034]本發(fā)明的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機定義轉差率為:s = (OirCOlllVCOui= fyfp，控制繞組輸送到電網的功率與功率繞組輸送到電網的功率的關系為:P。= sPpo則超同步運行時，s為正，風力機的機械功率大部分通過功率繞組輸送到電網，小部分通過控制繞組經功率變換器送往電網；亞同步運行時，s為負，控制繞組通過功率變換器從電網吸收電能，吸收的電功率與風力機的機械功率一起傳遞到功率繞組，輸送給電網。永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機的效率為η，風力機輸入的機械能與電網之間的能量傳遞關系為i\= η (P p+Pc)=n (i+s)ppo
【主權項】
1.一種永磁勵磁無刷雙饋風力發(fā)電機，其特征在于:該風力發(fā)電機包括定子(I)、外轉子(2)、內轉子(3)和轉軸￠)，所述定子(I)和內轉子(3)分別設置在所述外轉子(2)的外周和內周；所述外轉子(2)的兩端設有轉子端蓋(4)，該外轉子(2)通過其兩端的轉子端蓋(4)與所述轉軸(6)連接，所述轉軸(6)上固定有內轉子軸承(5)，該內轉子(3)通過所述內轉子軸承(5)與轉軸(6)連接，所述內轉子(3)與外轉子(2)同軸并可自由旋轉；所述定子(I)設置了兩套獨立的繞組，即功率繞組(8)和控制繞組(9);所述外轉子(2)為裝有導磁塊(11)的調磁環(huán)轉子；所述內轉子(3)為裝有永磁體(7)的永磁式轉子； 所述定子(I)上設置了兩套極對數(shù)不同的獨立繞組，其中P對極的功率繞組(8)直接與電網相連，q對極的控制繞組(9)經交直交功率變換器(13)與電網相連，兩者的磁場不存在直接與間接耦合，所述P和q分別為正整數(shù)，且P和q不相等。
2.根據(jù)權利要求1所述的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機，其特征在于:所述外轉子(2)上導磁塊(11)的個數(shù)為P+q，在圓周方向上均勻分布，導磁塊的空隙中填充非導磁的環(huán)氧樹脂材料；外轉子⑵通過轉軸(6)直接與風力機(12)相連，去除了機械增速齒輪箱；其轉速由內轉子(3)的轉速與功率繞組(8)產生磁場的轉速共同決定。
3.根據(jù)權利要求1所述的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機，其特征在于:所述的內轉子(3)上永磁體的極對數(shù)與控制繞組(9)的極對數(shù)相同，內轉子(3)的轉速與控制繞組(9)產生磁場的轉速相同。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機，其特征在于所述外轉子(2)的轉速由控制繞組(9)的供電頻率決定，通過改變控制繞組(9)的供電頻率，可實現(xiàn)風力機的最大功率點跟蹤。
5.根據(jù)權利要求1所述的永磁勵磁雙饋風力發(fā)電機，其特征在于:所述交直交功率變換器(13)的容量為發(fā)電機容量的一部分并與發(fā)電機變速運行范圍有關，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)電機容量X (額定速度一最低運行速度)+額定速度；交直交功率變換器功率=發(fā)電機容量X(最高運行速度一額定速度)+額定速度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁勵磁無刷雙饋風力發(fā)電機，它包括定子(1)、外轉子(2)、內轉子(3)和轉軸(6)，所述定子(1)和內轉子(3)分別設置在所述外轉子(2)的外周和內周；所述內轉子(3)與外轉子(2)同軸并可自由旋轉；所述定子(1)上設置了兩套極對數(shù)不同的獨立繞組，其中p對極的功率繞組(8)直接與電網相連，q對極的控制繞組(9)經交直交功率變換器與電網相連；所述外轉子(2)為裝有(p+q)塊導磁塊的調磁環(huán)轉子，內轉子(3)為裝有永磁體(7)的q對極永磁式轉子，該永磁體(7)所產生的永磁磁場通過轉子(2)的磁場調制作用產生p對極和q對極的磁場分別為功率繞組(8)和控制繞組(9)提供勵磁磁場。本發(fā)明采用永磁勵磁，提高了雙饋風力發(fā)電機的功率密度有利于降低風電系統(tǒng)的成本。
【IPC分類】H02K7-18, H02K1-27, H02K3-28, H02K16-02
【公開號】CN104600930
【申請?zhí)枴緾N201510010050
【發(fā)明人】張建忠, 姜永將, 徐帥, 胡省
【申請人】東南大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月8日