改进的永磁直流无刷变速恒压风力发电机制造技术

一种改进的永磁直流无刷变速恒压风力发电机，由变速风轮驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向电网，发电机包括：一定子，包括电枢铁芯、安装于电枢铁芯内的绕组及用于安装电枢铁芯的铁芯安装架；一转子，可转动地安装于定子上，由变速风轮驱动旋转，其包括永磁磁极和用于安装永磁磁极的磁极固定架；一多相全波整流器，接绕组的输出端，其将电流整流后再输出至逆变器；电枢铁心上成形有多道容置槽，绕组安装于容置槽内，容置槽的深度与宽度之比大于６∶１。该发电机无需增加任何附加设备或控制电路即能实现恒压输出，结构简单、成本低，转换效率高，谐波分量小，尤其适用于大型变速风力发电机。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种发电机，尤其涉及一种由变速风轮驱动的永磁直流无刷变速恒压风力发电机。
技术介绍
并网型风力发电机是将风轮捕获的机械能转化为电能并输送到恒压、恒频电网中去。在大功率电力电子技术不够成熟时，改变发电机发出风电的频率、电压是非常困难的。为了能把风电直接输送到电网中，只有选用与电网同频率的交流异步发电机或交流同步发电机。异步发电机只能运行在同步转速以上1％～4％左右转速差范围内，同步发电机只能运行在同步转速。为了使发电机频率适合电网，必须用大变速比的齿轮箱与恒速风轮连接，使风轮与发电机的转速、风电与电网的频率都相匹配。这两种电机的优点是不经逆变而直接并网，但存在诸多不足1、电机的功率—转速特性较硬，不易与风轮的输出特性曲线很好地匹配，也很难提高捕获风能效率以最大限度地吸收风能；2、在并网时易对机组及电网造成冲击；3、由于风速的不稳定性，易对齿轮箱产生冲击而使齿轮箱损坏，维护成本高；4、发电机要经常处于停机、低速发电、高速发电的频繁投入、切出状态，控制复杂，易出故障；5、发电机在低负载时空载损耗较大，难以提高轻载时效率，高效率区不大，而且只能由平均捕捉风能效率较低的恒速风轮驱动。对于同步发电机而言，还需有一套励磁电源及其控制系统。因此这种发电方案既效率不够高，极不经济；又结构复杂，增加了生产成本。为了提高风轮捕捉风能的效率，从空气动力学角度考虑，通过优化，可以设计出几乎在所有的风况下都具有较高能量转换效率的变速风轮。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风轮要比恒速风轮多捕捉15％的风能。随着电力电子技术的发展，大功率交流变频技术已得到推广应用，大功率风电的稳压和变频并网已可以实现，因此风轮转速及转速变化与电网的频率没有必然的直接关系。为此，世界上各生产厂家又开发出新型的由变速风轮驱动的风力发电机，如Vestas公司生产的V66风力机及Enercon公司生产的E-30及E-66/1.8风力发电机等。V66风力机可以按照风况控制浆距角使其始终处于最佳状态，从而提高了发电量，系统噪声也得到控制。风轮功率通过齿轮箱和联轴节传递到双馈异步发电机。该机组采用了称为VCS(Vestas Converter System)的最佳转速控制技术，能保证机组输出稳定的电功率。VCS是由具有绕组转子和滑环的异步发电机，由一个采用IGBT(绝缘栅极晶体管)开关的功率逆变器、接触器和保护装置组成。VCS可以使运行转速变化范围达到额定转速的60％。以VCS技术为代表的双馈异步发电机能够把变速风轮捕捉的风能尽可能多地转化为电能，增加发电量，保持低噪音运行，降低齿轮箱载荷，但其不足之处在于转子有滑环，结构复杂，很难省去齿轮箱直驱运行。Enercon公司生产的E-30及E-66/1.8等风力发电机均采用直驱变速电励磁同步发电机，这种发电机靠调整励磁电流来达到变速稳压输出的目的，靠大功率整流器、逆变器实现AC-DC-AC的整流、逆变并网，虽然发挥了变速风轮的优点，但其必须有滑环及励磁系统，结构复杂，生产及运行成本高。此外，国家知识产权局2005年8月3日公开的CN1649239号专利技术专利申请，公开了一种“MW级直接驱动永磁外转子同步风力发电机”，所述发电机的励磁系统为永磁体，且直接驱动外转子，省去了电励磁同步发电机的励磁系统和滑环等结构。但该专利没有公开变速永磁发电机在电能并网前的稳压方式。为实现永磁发电机的稳压输出，现有技术中已提出一些解决办法。如国家知识产权局1996年10月30日公开的95111026.8号专利技术专利申请，公开了一种稳压永磁发电机及其稳压方法。所述发电机包括定子、转子、蜗轮蜗杆机构、执行电机和取样控制电路，转子与发动机的输出轴相连接，取样控制电路与发电机电压输出端相连接，执行电机与取样控制电路相连接，执行电机通过蜗轮蜗杆机构驱动一根丝杠作轴向运动，该丝杠的一端与定子相固定。其稳压方法是通过控制电路和调压执行机构根据负载变化来调整发电机转子、定子的相对位置，从而改变定、转子间的磁场耦合状态，实现稳压输出。这种方法的缺点是1、由于需增设取样控制电路和调压执行机构、执行电机等诸多设备，控制系统和机械结构都较为复杂，大大提高了生产成本；2、由于其具有复杂的调压执行机构，很难在大型发电机(例如MW级风力发电机)上应用(因为如果大型发电机采用这种方法调压，调压执行机构将非常庞大、结构异常笨重，难于实现)。此外，1999年9月11日授权公告95239710.2技术专利也公开了一种稳压永磁发电机，所述发电机具有与前述专利类似的结构，采用同样的方法实现稳压；2000年8月9日公开的CN1262547号专利技术专利申请，公开了一种永磁发电机输出电压稳定方法及稳压永磁发电机，其通过设置在同一轴线上的复位弹簧、平衡弹簧及弹簧调节螺母的共同作用，来调节定子与转子之间的相对位移量从而实现稳压，其稳压方法的本质与前述专利相同。因此这些专利所公开的稳压方法皆存在上述诸多不足。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是，克服上述现有技术的诸多不足，提供一种只需对发电机进行优化电磁设计，无需增加任何附加设备或控制电路即能实现恒压输出的永磁直流无刷变速恒压风力发电机。按照本技术提供的改进的永磁直流无刷变速恒压风力发电机，由变速风轮驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向电网，所述发电机包括一定子，包括电枢铁芯、安装于所述电枢铁芯内的绕组及用于安装所述电枢铁芯的铁芯安装架一转子，可转动地安装于所述定子上，由所述变速风轮驱动旋转，其包括永磁磁极和用于安装所述永磁磁极的磁极固定架；一多相全波整流器，接所述绕组的输出端，其将电流整流后再输出至所述逆变器；所述电枢铁心上成形有多道容置槽，所述绕组安装于所述容置槽内，所述容置槽的深度与宽度之比大于6∶1按照本技术提供的改进的永磁直流无刷变速恒压风力发电机还具有如下附属技术特征在本技术给出的一种优选实施方案中，所述容置槽内安装的槽楔为导磁体，其将所述绕组封闭于所述容置槽内；所述容置槽的深度与宽度之比大于8∶1，一种更优选的方案是，所述容置槽的深度与宽度之比为10∶1至16∶1。作为上述优选实施方案的一种实施例方式，所述发电机为外转式发电机，所述定子还包括一固定轴，所述铁芯安装架固定于所述固定轴上；所述磁极固定架由机壳和安装于机壳两端的端盖组成，所述永磁磁极固定于所述机壳的内侧，所述两端盖借助两滚动轴承安装于所述固定轴上。所述两端盖的中部成形有两向内延伸的环形凸缘，所述滚动轴承设于所述环形凸缘和所述固定轴之间。所述永磁磁极借助胶粘剂粘固于所述机壳的内表面。作为上述优选实施方案的另一种实施例方式，所述发电机为内转式发电机，所述转子还包括一旋转轴，所述磁极固定架固定于所述旋转轴上；所述铁芯安装架由机壳和安装于所述机壳两端的端盖组成，所述电枢铁芯固定于所述机壳的内侧；所述两端盖借助两滚动轴承安装于所述旋转轴上。所述两端盖的中部成形有两向内延伸的环形凸缘，所述滚动轴承设于所述环形凸缘与所述旋转轴之间。所述永磁磁极借助胶粘剂粘固于所述磁极固定架的外周。按照本技术提供的改进的永磁直流无刷变速恒压风力发电机，由于仅通过增大电枢铁心上绕组容置槽的深、宽比来增加绕组的漏感电抗，并合理利用了电枢反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的永磁直流无刷变速恒压风力发电机，由变速风轮驱动，发出的恒压直流电经逆变器（２０）变频后输向电网（３０），所述发电机（１０）包括：一定子（１），包括电枢铁芯（１１）、安装于所述电枢铁芯（１１）内的绕组（１２）及用于安装所述电 枢铁芯（１１）的铁芯安装架（１３）；一转子（２），可转动地安装于所述定子（１）上，由所述变速风轮驱动旋转，其包括永磁磁极（２１）和用于安装所述永磁磁极（２１）的磁极固定架（２２）；一多相全波整流器（３），接所述绕组（１２）的 输出端，其将电流整流后再输出至所述逆变器（２０）；其特征在于：所述电枢铁心（１１）上成形有多道容置槽（１１１），所述绕组（１２）安装于所述容置槽（１１１）内，所述容置槽（１１１）的深度与宽度之比大于６∶１。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘长安，张继鹏，刘慧博，
申请(专利权)人：包头长安永磁电机研发有限公司，
类型：实用新型
国别省市：15[中国|内蒙]