专利名称：适应变化力矩动力的稳频锁相发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电机，特别是涉及一种适应变化力矩动力的稳频锁 相发电机。
背景技术：
-.
风能是一种无污染的可再生能源，利用风能发电为人类造福已越 来越被世界各国所重视。针对风力并网发电，目前存在着很多种系统 方案，其中主要以几种形式为主，分别是鼠笼异步电机、双馈电机、 同步发电机、永磁同步发电机等。当前工业化使用的大部分风力发电 机有齿轮箱以及电气控制，机械磨损很大，故障频繁和维护代价大， 电气损耗也较大，而且设备昂贵。总体来看，永磁电机代表着未来电 机的方向，但是目前技术还比较有限，主要体现在其电气损耗大、变 频器昂贵、系统复杂等方面。
发明内容
本发明专利从针对目前工业化风力发电机的普遍不足入手，旨在 简化风力发电设备的构造，提高系统效率，提出一种新型发电机的系 统i殳计方案。
具体地说，本发明提供一种可以适应变化力矩动力的稳频锁相发 电机，其特征是，转子和定子分别采用"U，，型永磁体及"U"型绕组构成 的闭合磁路磁钢设计，选择满足三相电要求的特定的转子极数和定子 极数组合，每个绕组上都配备一电子电气元器件开关，并用电子电气 控制系统分别控制其通断状态。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，各"U，，型体的"U，，型面垂直于转子定子圆平面，中心线都通过圆心。
冲艮据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征
是，转子极数(m)和定子极数(n)組合m/n-2/3为典型组合。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，定子极绕组均匀分布，相邻绕组的电角度距离为120°。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，采用阵列型分布，沿轴向设置多层定子转子盘。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，采用无轴承设计，用"U"型永磁体部分代替定子绕组极，同极相 对放置，靠斥力将转子固定在轴线上。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，定子盘上下方的永磁体厚度不等，或者采用磁性强弱不同的永磁 体，以产生足够的对抗转子重力的斥力。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，利用控制个别定子极的不对称选通来进行主动控制。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是，"U，，型永磁体为宽温钕铁硼永磁体。
根据本发明的上述适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征 是通过接通定子绕组的多少稳定输出电流频率和锁定电流相位。
本发明从无齿轮箱的放大原理入手，兼顾三相电的设计，使发电 机本身仅依靠电子电气元器件控制就可以实现稳频锁相的功能，使发 电机可直接并网，自动跟踪电网频率和相位，省去繁瑣的后续电气控 制及损耗，而且发电机还采用了低噪音无轴承设计，利用宽温钕铁硼 永磁材料技术。作为发电机与电子电气相结合的系统，该发电机还可 推广到其它应用领域。
图1为转子定子組合同心圓几何模拟系统图
图2为根据本发明实施例的转子极和定子极示意图
图3为根据本发明实施例的三相电生成方式示意图
图4为才艮据本发明实施例的阵列型分布示意图 图5为根据本发明实施例的无轴承结构示意图
具体实施例方式
以下根据一个优选实施例描述本发明的设计，这将使本领域技术 人员能够更加清楚地理解本发明的思想和种种优点。然而，本领域技 术人员能够理解，这不代表将本发明限制于实施例的精确形式。
1定子极和转子极的选择
本发明的发电机设计的基本出发点是要通过适当的结构设计，以 合理的定子转子极数组合，实现无齿轮箱变速的适应变化力矩的发电 机。可以先从最简单的几何图形进行理解(如图1)。两个同心圓上 均匀分布着一些点，各点均称为一极，设内圓(转子)上的点数为m， 外圆(定子)上的点数为n,模仿发电机的结构，假设外圆固定不动， 内园绕圃心顺时针转动，当出现内外圃上至少有一对点的连线通过圃 心时称之为一次相遇，每次相遇发生时对应的内外圆点对的组数称为 耦合度，同时将转子每转一圏发生相遇的次数称为放大倍数。
图1示例性地示出了转子定子(2,3) 、 (2，4)、 (3，6)、 (4，6) 组合，其对应的放大倍数分别为6、 4、 6和12，对应的耦合度分别为 1、 2、 3和2。考虑到发电机上定子与转子的每次相遇都是一次力的作 用，而这种力的作用必然会对转子及轴产生影响。如果转子定子(m， n)组合仅能发生一级耦合(即耦合度为1)的话，转子的转动必然不 稳定，对轴的损害就相对较大，这是不难理解的；如果(m， n)组合 为二级或二级以上耦合，通过合理的结构设计和控制可以达到每次作
用在转子平面的合力为零，将对轴的损害程度达到最小。
如杲发电机转子在外力作用下的转速为r,而需要输出电流频率
为f (如果并入电网则是50Hz)，假设定子转子的每次相遇都会产生
且只生成一个完整的正余弦波，则需要实现的放大倍数约为f/r。后面
的论述将根据产生三相电的情况进行修正。
在本发明的发电机中，转子的每一极代表"U，，型宽温钕铁硼永磁
体，而定子的每一极代表按照某种规则缠绕在"u，，型轭铁的线圏绕组， 而且各定子极上线圏缠绕的方式，多少完全一致。各"u"型体的"u，，
型面垂直于转子定子圓平面，中心线都通过圆心，如图2所示。"U，， 型永磁体的结构以及排列方式及"U，，型绕组的连接方式能够保证定子 能够输出完整连续的正余弦交流电波形。这种结构的最大特点是定子 极和转子极能够形成闭合磁路，磁场利用效率大。而且各绕组都可以 配备一个电子电气元器件开关，实现用电子控制系统灵活控制其通断 状态。
2三相电的产生
在三相电的设计上，基于定子极均匀分布，为了说明问题，以(18， 27)转子定子极数组合为例进行分析。观察转子顺时针旋转过程中定 子转子相遇的规律，首先这种組合的耦合度为9，即相遇瞬间同时有9 对定子转子极相遇。如图3所示耦合瞬间对应的定子极编号分别为0, 3， 6...24,下一次相遇时耦合瞬间对应的定子极编号换为2， 5, 8…26， 再下一次相遇时耦合瞬间对应的定子极编号换作1， 4, 7…25,第四 次相遇时耦合瞬间对应的定子极编号又恢复到0, 3， 6…24,依次循 环重复。维持之前的假设即每次相遇对应的定子极产生一个周期为T 的完整的正弦波(通过适当的结构设计完全可以实现)，通过对定子 转子的合理设计，再使相隔的两次相遇的时间间隔为T/3，就会发现 定子编号0， 3, 6…24; 2， 5， 8…26以及1， 4， 7…25之间的电流相 位差正好是1200，同时每隔3个定子极线圈内的电流同步。这样我们 将定子极线圏0， 3， 6…24并联就形成三相电的一相，将定子极线圏 2, 5, 8…26并联形成三相电的第二相，将定子极线圏1， 4, 7…25 并联形成三相电的第三相。
显然，本发明并不限于(18, 27)这种组合，满足三相电设计要 求的任何組合都适用。理论上m/n = 2/3的所有(m， n)组合都可以 满足三相电的设计要求。当然，本发明也可适用非m/n-:2y3的其他组 合。
不仅如此，将任意相邻的三个定子极线圏组合都可以单独构成一
組三相电，当然也可以取两组，三组等，如(18， 27)组合中最大可 以取9组三相电进行并联。在转子转速不变的情况下，无论取几组三 相电并联，三相电电压恒定，负载不变时，各绕组內电流恒定，不同 的是总输出电流会成倍增大。同时，可采取对称选通的方式，即从位 置比较对称的角度考虑，取多组三相电并联，使各定子转子极的相互 作用力对于轴的合力为0。同时因为是三相电，其放大倍数也缩小到 理论值的1/3。
基于这种三相电的设计，在定子中接通外来交流电，发电机就变 成了电动机，如果需要外力启动发电机，可以利用这种发电机变电动 机的方式。
3阵列型分布及电机自动稳频锁相
本发明中谈到的阵列型分布就是沿轴向排布多层定子转子，如图 4所示，沿轴向装配着多层定子转子盘，结合三相电的设计思路，就 可以实现仅依靠发电机本身的调频调相位，下面将举例进行说明。
以(66， 99)转子定子极组合(但不限于这种组合)，如果不考 虑轴线的阵列多层排布，通过控制不同定子线圏组的通断，相同负载 下，最多可以实现电流的33级变化，如果再加上轴向的多层阵列排布， 以18层为例，则一共会出现594级电流均匀变化。这样就可以通过灵 敏的电子电气元器件控制和精密的机械结构设计，根据转子输入力矩 的大小，控制不同绕组接通的数量，调节定子组总的并联电流大小， 从而调节定子级对转子极的切向阻力，维持转子转速不变，保持电压 不变，从而调节发电功率的大小。整个调节控制过程都是通过电子电 气系统，控制配备在绕组上的电子电气元器件开关的通断状态，目的
是维持转子转速恒定。
在这种设计背景下，发电机输出电流的频率正比于转子的转速， 为维持转子转速不变，转子又要应对不同输入转矩(应用在风力发电 上就对应于不同的风力)就取决于接通绕组的数量。如果电子控制系 统检测到输出电流的频率略微低于所要求的频率，则说明转子转速略 低，于是，电子控制系统根据频率的偏差量，对应地减少定子绕组接
通的数量，反之，应该相应增大定子线圏接通的数量。用同样的道理 进行相位调节，在保证输出电流频率要求的情况下，如果相位略落后 于要求相位，则应该微调减少定子线團接通的数量，反之微调增大定 子线圏接通的数量。调频调相总的原则是频率精调，相位微调。
在转子转速不变和负载不变的情况下，由于单个绕组内电流恒
定，所以铜损小。通过对(m， n)组合的选取以及选择转子定子阵列 盘的层数可以实现电流的多级变化，电流变化范围越大，发电机适应 的输入转矩范围越宽(风电中对应的风速范围更宽)。 4磁悬浮轴及主动控制
图5是根据本发明一个优选实施例的永磁发电机磁无轴承结构沿 径向和轴向平面的切面图，在本发明的一个优选设计中，借助了转子 永磁极的强磁性，用"U"型永磁体部分代替定子绕组极，如图所示， 同极相对放置，靠斥力将转子固定在轴线上，考虑到转子的重力，靠 下方的永磁体较上方的厚，或者采用磁性更强的永磁体，以产生足够 的斥力对抗转子重力对悬浮效果的影响。
基于上述分析，除了精确的计算及精密的转子定子设计外，还可 以对转子的振动进行主动控制。这里，借助了定子线圏的作用。例如， 通过一个测量分析系统检测和分析振动的趋势，基于检测和分析，对 定子线圏进行不对称选通，即选择性的接通个别定子转子盘上特定的 定子极绕组，以产生对抗转子不平衡的附加阻力扭矩，从而维持转子 的稳定性，使转子组分别在轴向、径向和切向的合力都为零。同时这 种调节的过程在本发电机系统中的应用应该在不扰乱稳频锁相效果的 前提下进行。这种无轴承设计的特点是机械效率高，低噪音等。
本发明的发电机设计技术的特点及优势可总结如下
a) 转子上"U"型永磁体与定子上"U"型绕組结构配置合理，定子
极和转子极能够形成闭合磁路，磁场利用效率大；
b) 通过逸取适当的转子极定子极組合，就可以实现频率自动放
大，不需要齿轮箱的支持；
c) 通过电子电气元器件控制接通定子绕组的多少就可以实现跟
踪电网频率和相位，而且转子转速基本恒定，输出电压恒定，可以实
现发电机直接并网的效果，不需要额外的电气控制；
d) 负载不变时，由于单个绕组内电流恒定，铜损小，适应的输 入转矩范围可根据调节电流的级数增多相应变宽(风速范围可实现比 传统风力发电机更宽)；
e) 无轴承的设计，不仅考虑到转子重力的影戏，而且可以通过 主动控制减小振动；
f) 发电机启动简单，如需外力启动，将发电才几直接转变成电动 机就可以实现启动；
g) 由于减少了齿轮箱以及特殊电气控制装置，且采用无轴承设 计，风电转换效率有望突破新高；
h) 整体结构简单，成本低。
本发明有各种修改和可选形式，附图所图解的具体实施例在这里 作为实例被详细说明。但是应该理解的是，在这里描述的具体实施例 并不是要将本发明限制为所公开的具体形式，相反，本发明包括属于 权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改，等同物和可 选方案。
权利要求
1. 一种可以适应变化力矩动力的稳频锁相发电机，其特征在于，转子和定子分别采用“U”型永磁体及“U”型绕组构成的闭合磁路磁钢设计，选择满足三相电要求的特定的转子极数和定子极数组合，每个绕组上都配备一电子电气元器件开关，并用电子电气控制系统分别控制其通断状态。
2. 根据权力要求1所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，各"U"型体的"U"型面垂直于转子定子圓平面，中心 线都通过圓心。
3. 根据权力要求1所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，转子极数(m)和定子极数(n)组合m/n = 2/3为典型组合。
4. 根据权力要求1所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，定子极绕组均匀分布，相邻绕組的电角度距离为uo°。
5. 根据权力要求1所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，采用阵列型分布，沿轴向设置多层定子转子盘。
6. 根据权力要求1所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，采用无轴承设计，用"U，，型永磁体部分代替定子绕 组极，同极相对放置，靠斥力将转子固定在轴线上。
7. 根据权力要求6所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，靠下方的永磁体较厚，或者采用磁性更强的永磁体， 以产生足够的对抗转子重力的斥力。
8. 根据权力要求6所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，利用控制个别定子极的不对称选通来进行主动控制。
9. 根据权力要求1所述的适应变化力矩动力的稳频锁相发电 机，其特征在于，"U，，型永磁体为宽温钕4失硼永》兹体。
10. 根据权力要求1-9任一项所述的适应变化力矩动力的稳频锁 相发电机，其特征是通过接通定子绕组的多少稳定输出电流频率和锁 定电流相位。
全文摘要
本发明涉及一种可以适应变化力矩动力的稳频锁相永磁阵列式无轴承发电机。这种新型发电机采用“U”型永磁体及绕组，不需要齿轮箱加速，不需要后续的电气控制等步骤，采用合理的定子极转子极组合，利用电子电气元器件控制各定子极绕组的接通就可以实现发电机恒压恒频输出，同时可以自动跟踪锁定(如电网)相位，另外还采用了无轴承的设计，并可以实现主动控制抑制轴的振动。这种发电机系统结构相对简单，综合成本低；而且适应风速范围很宽，风电转换效率高，可以实现发电机直接并网。发电机可应用于风力发电及其它应用领域。
文档编号H02K21/12GK101207314SQ20061016530
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者毕大川 申请人:北京前沿科学研究所