CN108964299B - 一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，包含发电机机座和发电机转轴，在发电机机座和发电机转轴之间周向均布有n个扇形电机单元；每个扇形电机单元均包括一扇形定子单元和一扇形转子单元，每个扇形定子单元均固定在发电机机座上，每个扇形转子单元均固定在发电机转轴上。本发明优点在于：各扇形电机单元在电路上相互独立,一个扇形电机单元的故障不会对其它扇形电机单元的运行产生大的影响,可对各扇形电机单元进行单独控制,各扇形电机单元互为热备份,从而使整个发电机系统具有良好的容错性能，发电机即可输出n组幅值、相位相同的三相电压。

Description

一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及具有多电输出端口的永磁同步发电机技术领域，特别涉及一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机,该新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机是三相永磁同步电机在电气和机械上的复合。

背景技术

现有风力发电机主要有以下两种形式：双馈式和直驱式。无论哪种形式的发电，都是以三相永磁同步发电机为基础的。三相永磁同步风力发电机在断相、短路等故障时，必须停机或重新启动，鲁棒性差。多相电机的鲁棒性、容错性比三相电机的好，但是多相电机在控制上却比三相电机复杂。

为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足和缺陷而提供一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，包含发电机机座和发电机转轴，其特征在于，在所述发电机机座和所述发电机转轴之间周向布有n个电机单元，每个电机单元均包括一扇形定子单元和一扇形转子单元，每个扇形定子单元均固定在所述发电机机座上，每个扇形转子单元均固定在所述发电机转轴上；每个扇形定子单元由扇形定子铁芯和绕制在所述扇形定子铁芯上的一套三相定子绕组构成，每套三相定子绕组均输出三相对称反电势；每个扇形转子单元由扇形转子铁芯和固定在所述扇形转子铁芯上的永磁体构成。

在本发明的一个优选实施例中，所有的扇形电机单元的中性点相互连接起来，可以输出n组幅值、相位相同的三相电压。

在本发明的一个优选实施例中，每个扇形定子单元均采用燕尾槽结构形式固定在所述发电机机座上；每个扇形转子单元均采用燕尾槽结构形式固定在所述发电机转轴上。

在本发明的一个优选实施例中，每个扇形定子铁芯由扇形定子铁芯冲片冲压而成，每个扇形转子铁芯由扇形转子铁芯冲片冲压而成。

在本发明的一个优选实施例中，每套三相定子绕组为双层、短距分布绕组。

在本发明的一个优选实施例中，每套三相定子绕组的并联支路数a的最大值a_max满足：a_max＝2p，其中p为发电机的极对数。

在本发明的一个优选实施例中，还包括第一风扇和第二风扇，所述第一风扇固定在所述发电机转轴的一端，所述第二风扇固定在所述发电机转轴的另一端；在每一扇形转子铁芯中均设置有轴向贯通所述扇形转子铁芯的通风孔。

在本发明的一个优选实施例中，还包括第一端盖和第二端盖，所述第一端盖位于所述第一风扇的外侧并通过第一轴承部件安装在所述发电机转轴的一端上，所述第二端盖位于所述第二风扇的外侧并通过第二轴承部件安装在所述发电机转轴的另一端上。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一法兰，所述法兰固定在所述发电机机座的一侧并位于所述第一端盖的外侧。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一整流罩，所述整流罩固定在所述发电机机座的另一侧并位于所述第二端盖的外侧。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：本发明结构中各扇形电机单元在电路上相互独立,一个扇形电机单元的故障不会对其它扇形电机单元的运行产生大的影响,可对各扇形电机单元进行单独控制,各扇形电机单元互为热备份,从而使整个发电机系统具有良好的容错性能，发电机即可输出n组幅值、相位相同的三相电压。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机结构示意图。

图2为发电机的径向截面图示意图。

图3为扇形电机单元的结构示意图。

图4为以4级24槽为例的扇形定子单元的三相定子绕组分布图。

图5为一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机并网控制框示意图。

图6为一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机空载反电动势图。

图7为一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机转矩输出特性图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

如图1至图5所示的一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机，包括一发电机机座100和设置在发电机机座100内的发电机转轴200，发电机转轴200的一端210连接第一风扇412，第一风扇412的外侧位置有第一端盖410通过第一轴承部件430安装在发电机转轴200的一端210上，第一端盖410的外侧有一法兰411固定在发电机机座100上，第一轴承部件430包括第一轴承内、外盖431、432和第一深沟球轴承433，第一轴承外盖432设置在法兰411中心位置并连接第一端盖410，第一轴承内盖431设置在第一端盖410和第一风扇412之间并连接第一端盖410，第一深沟球轴承433通过第一轴承内、外盖431、432固定在前端盖410内。在本实施例中第一风扇412通过六角自锁盖形螺母(图中未示出)固定在发电机转轴200一端210，第一轴承内、外盖431、432通过带弹簧垫圈的六角组合螺栓(图中未示出)与第一端盖410固定，法兰411通过带弹簧垫圈的六角组合螺栓(图中未示出)与发电机机座100固定。

发电机转轴200的另一端220固定有第二风扇422，第二风扇422的外侧位置有第二端盖420通过第二轴承部件440安装在发电机转轴200的另一端220上，第二端盖420的外侧位置有一整流罩421固定在发电机机座100上，第二轴承部件440包括第二轴承内、外盖441、442和第二深沟球轴承443，第二轴承外盖442设置在第二端盖420与整流罩421之间并连接第二端盖420，第二轴承内盖441设置在第二端盖420和第二风扇422之间并连接第二端盖420，第二深沟球轴承443通过第二轴承内、外盖441、442固定在第二端盖420内。在本实施例中第二风扇422通过带弹簧垫圈的组合螺母固定在发电机转轴200另一端220，第二轴承内、外盖441、442通过带弹簧垫圈的六角组合螺栓与第二端盖420固定，整流罩421通过六角螺栓与发电机机座100固定。

发电机机座100和发电机转轴200之间周向均布有6个扇形电机单元300，每个扇形电机单元300之间采用热固型环氧树脂制作的磁、热隔绝层隔绝，每个扇形电机单元300均包括一扇形定子单元310和一扇形转子单元320。每个扇形定子单元310均固定在发电机机座100上，每个扇形定子单元310均包括一扇形定子铁芯311和绕制在扇形定子铁芯311上的一套三相定子绕组312，每套三相定子绕组312均可以输出三相对称反电势。每一扇形定子铁芯311均由扇形定子铁心冲片冲压而成。

每个扇形转子单元320均固定在发电机转轴200上，每个扇形转子单元320均包括永磁体321和扇形转子铁芯322，每一永磁体321均采用环氧树脂胶固定在扇形转子铁芯322上，每一扇形转子铁芯322均由扇形转子铁心冲片冲压而成，在每一扇形转子铁芯322中均设置有轴向贯通扇形转子铁芯322的通风孔323。在本实施例中每个扇形定子单元310与均采用燕尾槽结构形式固定在发电机机座100上；每个扇形转子单元320均采用燕尾槽结构形式固定在发电机转轴200上,每个扇形定子单元310和每个扇形转子单元320上均有燕尾榫521、522，发电机机座100和发电机转轴200上设置有燕尾槽511、512配合燕尾榫521、522。

如图4所示以4级24槽为例的扇形定子单元的三相定子绕组分布图，扇形电机单元300的三相定子绕组312采用双层、短距分布绕组，三相定子绕组312的的第1至第24槽导体的上层边用数字1-24表示，第1至第24槽的下层边用数字1’-24’表示，上层边1和下层边6’构成线圈1，上层边2和下层边7’构成线圈2，下层边6’和上层边2相连后，线圈1和线圈2串联组成A相的第一个绕组；上层边7和下层边12’构成线圈3，上层边8和下层边13’构成线圈4，下层边12’和上层边8连接，线圈3和线圈4串联组成A相的第二个绕组；上层边13和下层边18’构成线圈5，上层边14和下层边19’构成线圈6，下层边18’和上层边14相连后，线圈5和线圈6串联组成A相的第三个绕组；上层边19和下层边24’构成线圈7，上层边20和下层边1’构成线圈7，下层边24’和上层边20连接，则线圈7和线圈8串联组成A相的第四个绕组。

在发电机中，三相定子绕组312的并联支路数a的最大值a_max满足：a_max＝2p，其中p为发电机的极对数。因此，对于图4所示的4极扇形电机单元300，绕组的并联支路数有1、2、4三种。以并联支路数a＝1为例，7’和13’连接，7和13连接，19’和1’连接，则A相的4个绕组串联组成了电机单元的A相绕组。A相电压等于4个绕组产生的感应电压的向量和，流经4个绕组的电流相等。B、C两相的绕组分布与A相相仿。如图4所示，A、X为A相绕组的引出线，B、Y为B相绕组的引出线，C、Z为C相绕组的引出线。

如图5所示一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机并网控制框示意图，将每个扇形电机单元300的中性点连接后，永磁同步风力发电机即可输出6组幅值、相位相同的三相电压。相比于常规的多相电机，本发明只需一组逆变模块即可对6组三相电压进行并网控制。

如图6所示一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机空载反电动势图。6个扇形电机单元300输出的空载反电势完全重合(A1、A2、A3、A4、A5、A6重合，B1、B2、B3、B4、B5、B6重合，C1、C2、C3、C4、C5、C6重合；A1、B1、C1互差120°电角度、A2、B2、C2互差120°电角度、A3、B3、C3互差120°电角度、A4、B4、C4互差120°电角度、A5、B5、C5互差120°电角度、A6、B6、C6互差120°电角度)。

如图7所示一种新型的直驱6*3相永磁同步风力发电机转矩输出特性图，扇形电机单元310和扇形电机单元320与扇形电机单元310和扇形电机单元330输出的电磁转矩相等，且是独立扇形电机单元310或扇形电机单元320或扇形电机单元330输出电磁转矩的2倍；扇形电机单元310、扇形电机单元320和扇形电机单元330输出的电磁转矩是独立扇形电机单元310或扇形电机单元320或扇形电机单元330输出电磁转矩的3倍；扇形电机单元310至360输出的电磁转矩是扇形电机单元310或扇形电机单元320或扇形电机单元330输出电磁转矩的6倍；由此可知，n*3永磁同步风力发电机输出的电磁转矩为每个扇形电机单元300输出电磁转矩的总和，很好的满足了永磁同步风力发电机输出转矩的叠加特性；同时也说明了每个扇形电机单元300之间的独立性与可重复性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，包含发电机机座和发电机转轴，其特征在于，在所述发电机机座和所述发电机转轴之间周向均布有n个扇形电机单元，每个扇形电机单元之间采用磁和热隔绝层隔绝；每个扇形电机单元均包括一扇形定子单元和一扇形转子单元，每个扇形定子单元均固定在所述发电机机座上，每个扇形转子单元均固定在所述发电机转轴上；每个扇形定子单元由扇形定子铁芯和绕制在所述扇形定子铁芯上的一套三相定子绕组构成，每套三相定子绕组均输出三相对称反电势；每个扇形转子单元由扇形转子铁芯和固定在所述扇形转子铁芯上的永磁体构成；

所有的扇形电机单元的中性点相互连接起来，输出n组幅值、相位相同的三相电压。

2.如权利要求1所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，每个扇形定子单元均采用燕尾槽结构形式固定在所述发电机机座上；每个扇形转子单元均采用燕尾槽结构形式固定在所述发电机转轴上。

3.如权利要求1所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，每个扇形定子铁芯由扇形定子铁芯冲片冲压而成，每个扇形转子铁芯由扇形转子铁芯冲片冲压而成。

4.如权利要求1所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，每套三相定子绕组为双层和短距分布绕组。

5.如权利要求1所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，每套三相定子绕组的并联支路数

的最大值

满足：

，其中

为发电机的极对数。

6.如权利要求1至5任一项权利要求所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，还包括第一风扇和第二风扇，所述第一风扇固定在所述发电机转轴的一端，所述第二风扇固定在所述发电机转轴的另一端；在每一扇形定子铁芯中均设置有轴向贯通所述扇形定子铁芯的通风孔。

7.如权利要求6所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，还包括第一端盖和第二端盖，所述第一端盖位于所述第一风扇的外侧并通过第一轴承部件安装在所述发电机转轴的一端上，所述第二端盖位于所述第二风扇的外侧并通过第二轴承部件安装在所述发电机转轴的另一端上。

8.如权利要求7所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，还包括一法兰，所述法兰固定在所述发电机机座的一侧并位于所述第一端盖的外侧。

9.如权利要求8所述的新型的直驱n*3相永磁同步风力发电机，其特征在于，还包括一整流罩，所述整流罩固定在所述发电机机座的另一侧并位于所述第二端盖的外侧。

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