CN103244357B - 一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，所要解决的技术问题是：针对现有磁悬浮风力发电机系统存在的结构过于复杂、自身能耗大、不适用于中小风机等问题。本发明采取的技术方案是：包括转子、两个发电机定子、两个永磁环、三个磁悬浮轴承定子、风叶和转子轴；所述磁悬浮轴承定子上绕有磁悬浮轴承控制绕组；风叶装在转子轴的一端，转子装在转子轴的另一端，风叶和转子与转子轴同步转动；两个永磁环分别与两个发电机定子相连同时与磁悬浮轴承定子相连；永磁环嵌于磁悬浮轴承定子和发电机定子之间；磁悬浮轴承定子均匀分布在转子的外周并且转子的外周伸入到磁悬浮轴承定子内；所述磁悬浮轴承定子与转子的两个平面之间留有气隙。

Description

一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，具体是一种能够适应在低风速风能区域工作，具有极低启动风速的新型磁悬浮轴承风力发电机，属于风力发电技术领域。

背景技术

风能作为清洁可再生能源,具有储量巨大、分布广泛的特点。目前，风能利用的最主要形式就是风力发电。但是，我国的风资源有限，如何充分挖掘可利用的风资源，在低风能区域实现风力发电，开展高效的先进风力发电理论和技术研究已成为风电领域关键科学问题。由于传统风力发电机启动转矩大，启动风速通常在3-5m/s左右，因此传统风力发电机必须安装在中、高风速的偏远地区。要想实现利用低风速风能的策略，即将风力发电机安装在像城市、岛区或山区等低风速风能地区，则必须解决其低风速启动和运行问题。

为了实现风力发电机低风速启动，国内外已有众多学者进行了大量的研究，其重点和难点主要集中在两个方面：一是从发电机的本体入手，研究新型的发电机在风力发电中的应用及其控制策略。二是从发电机转子的支承系统入手，研究如何减少或消除支承系统的各种机械摩擦阻力。

关于发电机部分的研究，目前主要集中在三种发电机上：无刷双馈发电机、永磁同步发电机和双凸极发电机。

无刷双馈发电机可根据风机的转速变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出，通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。但是一般需要配用高速齿轮箱，且适用于3-5m/s的启动风速。又由于无刷双馈发电机的气隙大，则需要的控制绕组励磁变换器的励磁无功功率也大，因此不适合用作低速直驱发电机。

直驱式永磁风力发电机取消了增速齿轮箱，因此具有一系列优点，如重量轻、效率高、动态响应快等。直驱发电机在每分钟几十至几百转的低速下工作，为保证其输出在正常频率的范围内（30～80Hz），发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数。在电机设计过程中，当选定定子直径之后，会面临由于转子永磁磁极数量多而造成磁极极距小、励磁磁势不足的问题。直驱式永磁风力发电机的启动风速也在3-5m/s。

双凸极发电机是20世纪50年代提出来的一种新型电机，进入90年代后才得到人们的广泛关注和深入研究，具有结构简单坚固、制造方便、工作可靠、易于维护的优点，在风力发电场合具有很好的应用前景。根据目前的研究现状，双凸极发电机可分为普通双凸极发电机、磁通反向发电机和磁通切换发电机。

在发电机转子的支承系统研究方面，为了解决传统机械轴承中存在的例如摩擦阻力大，噪声大以及能耗高等问题，很显然，磁悬浮轴承是较理想的选择。此外，采用磁悬浮轴承来支承转子还能够省去很多机械部件，减小风力发电机的大小和重量，为其设计提供了更大的优化空间。

根据悬浮力是否可以主动控制，磁悬浮轴承可划分为两种类型：

（1）被动型磁悬浮轴承。可分为普通永磁型磁悬浮轴承与超导永磁型磁悬浮轴承两种，普通永磁型磁悬浮轴承主要是利用磁性材料之间固有的斥力或吸力来实现转轴的悬浮。超导永磁型磁悬浮轴承利用超导体的完全抗磁性来提供静态悬浮力。

（2）主动型磁悬浮轴承。主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，具体工作原理是：控制器根据位移传感器测得的转子位移信号通过功率放大器来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，使转子稳定悬浮于给定位置。根据偏置磁场建立方式的不同，主动型磁悬浮轴承可分为电磁偏置型与永磁偏置型。

由于普通永磁型磁悬浮轴承具有结构简单、功耗小的优点，在磁悬浮风力发电机中被广泛的研究和采用。然而，单纯采用普通永磁型磁悬浮轴承无法实现转子的全悬浮，也就无法完全消除风机转动部分与非转动部分之间的机械摩擦。为此至少要在一个自由度采用主动型磁悬浮轴承。永磁偏置型磁悬浮轴承具有功耗小同时又能实现主动控制的特点，在风力发电机中具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有磁悬浮风力发电机系统存在的结构过于复杂、自身能耗大、不适用于中小风机等问题。

本发明采取的技术方案是：

一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，包括转子、两个发电机定子、两个永磁环、三个磁悬浮轴承定子、风叶和转子轴；所述磁悬浮轴承定子上绕有磁悬浮轴承控制绕组；

风叶装在转子轴的一端，转子装在转子轴的另一端，风叶和转子与转子轴同步转动；两个永磁环分别与两个发电机定子相连同时与磁悬浮轴承定子相连，永磁环嵌于磁悬浮轴承定子和发电机定子之间；磁悬浮轴承定子均匀分布在转子的外周并且转子的外周伸入到磁悬浮轴承定子内；所述磁悬浮轴承定子与转子的两个平面之间留有气隙；

其中，所述转子两个平面的中间均设有转子圆环形凸极，所述转子的两个平面上均设有转子凸极；所述转子任一平面上的转子凸极位于同一圆周上；所述转子任一平面上的转子凸极均布设置；所述转子圆环形凸极与转子凸极之间留有气隙；所述转子两个平面的外边缘处均设有转子环形凸极；

所述发电机定子一侧平面的中间设有定子圆环形凸极，所述定子圆环形凸极的周围设有定子凸极；所述定子凸极位于同一圆周上；所述定子圆环形凸极上绕有发电机励磁绕组，定子凸极上绕有发电机电枢绕组；所述发电机励磁绕组与发电机电枢绕组之间留有气隙；

所述的永磁环的充磁方向为径向充磁；

所述发电机定子上的定子圆环形凸极与转子上的转子圆环形凸极之间留有气隙，所述发电机定子上的定子凸极与转子的转子凸极之间留有气隙。

为了具有较高的力-体积比，所述磁悬浮轴承定子与转子的外周之间的气隙长度优选为0.3-1.5mm。

为了具有较高的功率密度，发电机定子上的定子圆环形凸极与转子上的转子圆环形凸极之间气隙长度优选为0.3-1.5mm。

为了具有较高的功率密度，发电机定子上的定子凸极与转子的转子凸极之间气隙长度优选为0.3-1.5mm。

本发明所述转子凸极呈扇形。

本发明所述定子凸极呈扇形。

有益效果

本发明与现有技术相比的有益效果：1.采用双定子盘式混合励磁双凸极发电机，具有功率密度高，定位转矩小，输出电压脉动小的特点。2.采用永磁偏置型磁悬浮轴承，偏置磁场由永磁体来产生，在不影响悬浮性能的同时，还能够大大地降低磁悬浮轴承系统的能量消耗。3.可以实现转子的五自由度悬浮，从而消除定、转子之间的机械摩擦，减小风机启动时的阻力矩，降低运行时的噪声。4.在稳定状态下，定、转子之间是没有轴向偏心的，解决了定、转子偏心对发电机性能的影响。

附图说明

图1是本发明的实施例的结构示意图。

其中，1、磁悬浮轴承控制绕组，2、磁悬浮轴承定子，3、永磁环，4、发电机定子，5、发电机励磁绕组，6、发电机电枢绕组，7、转子，8、风叶，9、转子轴。

具体实施方式

本发明以三相风力发电机为例，进一步说明。

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1和具体实施方式做进一步的描述。

如图1所示，本发明的磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，包括转子7、两个发电机定子4、两个永磁环3、三个磁悬浮轴承定子2、风叶8和转子轴9；所述磁悬浮轴承定子2上绕有磁悬浮轴承控制绕组1。

风叶8装在转子轴9的一端，转子7装在转子轴9的另一端，风叶8和转子7与转子轴9同步转动；两个永磁环3分别与两个发电机定子4相连同时与磁悬浮轴承定子2相连，具体的安装方式为，永磁环3的内环面与发电机定子4的外端面相连，永磁环3的外环面与磁悬浮轴承定子2的外端面相连。本发明所述的磁悬浮轴承定子2采用一个矩形块在其一个平面向内开一个矩形槽而制成的，并且在矩形槽口的地方设置成与永磁环3的外环面相配合的曲面。磁悬浮轴承定子2均匀分布在转子7的外周并且转子7的外周伸入到磁悬浮轴承定子2的矩形槽口内；永磁环3嵌于磁悬浮轴承定子2和发电机定子4之间，磁悬浮轴承定子2与两个永磁环3相连实现了两个发电机定子4的安装；所述磁悬浮轴承定子2与转子7的两个平面之间的气隙为0.3-1.5mm。

本发明所述转子7的中间设有与转子轴9相配合通槽。所述转子7呈圆盘状，转子7两个平面的中间均设有转子圆环形凸极，转子7的两个平面上均设有两个转子凸极；转子7任一平面上的转子凸极位于同一圆周上；转子7任一平面上的转子凸极均布设置；所述转子圆环形凸极与转子凸极之间留有0.3-1.5mm的气隙；为了产生径向被动悬浮力，本发明所述转子7两个平面的外边缘处均设有转子环形凸极。

本发明转子7上的两个转子凸极的形状采用任何形状都可以，本发明优先采用转子凸极的形状优先采用扇形，即转子扇形凸极。

本发明所述的发电机定子4的中间设有用于贯穿转子轴9的中心孔，发电机定子4一侧平面的中间设有定子圆环形凸极，定子圆环形凸极的周围设有三个定子凸极；定子凸极位于同一圆周上；定子圆环形凸极上绕有发电机励磁绕组5，定子凸极上绕有发电机电枢绕组6；发电机励磁绕组5与发电机电枢绕组6之间留有0.3-1.5mm的气隙。本发明所采用的两个发电机定子4结构完全一样，两个发电机定子4分别位于转子7的上方和下方，使得发电机定子4上的定子圆环形凸极与转子7上的转子圆环形凸极相对应，发电机定子4上的定子凸极与转子7上的转子凸极相对应。

本发明发电机定子4上的三个定子凸极的形状采用任何形状都可以，本发明优先采用定子凸极的形状阿伟扇形，即定子扇形凸极。

所述发电机定子4上的定子圆环形凸极与转子7上的转子圆环形凸极之间留有0.3-1.5mm的气隙，所述发电机定子4上的定子凸极与转子7的转子凸极之间留有0.3-1.5mm的气隙。所述的永磁环3的充磁方向为径向充磁。本发明所述的三相风力发电机是将发电机定子4内的三个发电机电枢绕组6分别外接交流电控制电路或者直流电控制电路。

将本发明发电机定子4内的三个发电机电枢绕组连接起来外接一路交流电控制电路或者直流电控制电路，就能构成单相风力发电机。

若要构成两相风力发电机，发电机定子4内的发电机电枢绕组6的数量必须为偶数，外接两路的交流电控制电路或者直流电控制电路，就能构成两相风力发电机。

本发明利用磁悬浮轴承定子2与转子7之间的作用实现转子7以及固定与转子7上的转子轴9、风叶8一个轴向自由度和两个径向自由度的主动控制和另外两个径向自由度的被动控制。即磁悬浮轴承定子2与转子7之间的作用力可以主动控制，从而使得转子7能够稳定悬浮在给定位置，基于三点确定一个平面的原理，利用三个磁悬浮轴承定子2就可以实现转子7以及固定与转子7上的转子轴9、风叶8一个轴向自由度和两个径向自由度的主动控制，利用定、转子上凸极之间的吸力，可以实现另外两个径向自由度的被动控制。

本发明的工作原理：

采用本发明利用风力发电时，风吹向风叶8，风叶8带动转子轴9转动，转子轴9带动套装在其外部的转子7旋转，由于转子7上转子圆环形凸极和转子凸极的存在，转子7旋转时会导致与发电机电枢绕组6匝链的励磁磁场发生变化从而在发电机电枢绕组6中感应出电动势，感应电动势的大小与转子转速以及励磁磁场的磁通量有关，通过调节励磁绕组5中的电流可以调节励磁磁场磁通量的大小，使得在不同转速下发电机电枢绕组6的输出电压保持恒定值。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，其特征在于：包括转子（7）、两个发电机定子（4）、两个永磁环（3）、三个磁悬浮轴承定子（2）、风叶（8）和转子轴（9）；所述磁悬浮轴承定子（2）上绕有磁悬浮轴承控制绕组（1）；

风叶（8）装在转子轴（9）的一端，转子（7）装在转子轴（9）的另一端，风叶（8）和转子（7）与转子轴（9）同步转动；两个永磁环（3）分别与两个发电机定子（4）相连同时与磁悬浮轴承定子（2）相连，永磁环（3）嵌于磁悬浮轴承定子（2）和发电机定子（4）之间；磁悬浮轴承定子（2）均匀分布在转子（7）的外周并且转子（7）的外周伸入到磁悬浮轴承定子（2）内；所述磁悬浮轴承定子（2）与转子（7）的两个平面之间留有气隙；

其中，所述转子（7）两个平面的中间均设有转子圆环形凸极，所述转子（7）的两个平面上均设有转子凸极；所述转子（7）任一平面上的转子凸极位于同一圆周上；所述转子（7）任一平面上的转子凸极均布设置；所述转子圆环形凸极与转子凸极之间留有气隙；所述转子（7）两个平面的外边缘处均设有转子环形凸极；

所述发电机定子（4）一侧平面的中间设有定子圆环形凸极，所述定子圆环形凸极的周围设有定子凸极；所述定子凸极位于同一圆周上；所述定子圆环形凸极上绕有发电机励磁绕组（5），定子凸极上绕有发电机电枢绕组（6）；所述发电机励磁绕组（5）与发电机电枢绕组（6）之间留有气隙；

所述的永磁环（3）的充磁方向为径向充磁；

所述发电机定子（4）上的定子圆环形凸极与转子（7）上的转子圆环形凸极之间留有气隙，所述发电机定子（4）上的定子凸极与转子（7）的转子凸极之间留有气隙。

2.如权利要求1所述的磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，其特征在于：所述磁悬浮轴承定子（2）与转子（7）的外周之间的气隙为0.3-1.5mm。

3.如权利要求1所述的磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，其特征在于：发电机定子（4）上的定子圆环形凸极与转子（7）上的转子圆环形凸极之间气隙为0.3-1.5mm。

4.如权利要求1所述的磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，其特征在于：发电机定子（4）上的定子凸极与转子（7）的转子凸极之间气隙为0.3-1.5mm。

5.如权利要求1所述的磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，其特征在于：所述转子凸极呈扇形。

6.如权利要求1所述的磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，其特征在于：所述定子凸极呈扇形。