专利名称：用磁齿轮传动机械发电的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及发电，尤其涉及包括磁齿轮传动机械的发电系统。
背景技术：
10 电力机械如电动机和发电机通常在高速时比在低速时产生更多 的功率。为了将高速旋转电力机械改装成高转矩低速机械元器件(如在发电机情形中的原动机(prime mover)或电动机情形中的负载)， 通常选择机械齿轮传动箱，因为用于速度/转矩转换的使高速电力机械 与机械齿轮传动的耦合的成本低于低速电力机械的成本。机械齿轮传15动在如噪声、振动、可靠性和维护方面具有某些内在的缺陷。磁齿轮并不要求输入轴与输出轴之间的物理接触，但传统上在业 内很少受到关注，因为设计复杂且在转矩密度方面受限。例如，布置 在直齿轮构造(spur configuration)中的磁齿轮组件仅产生实际上有助 于在任何指定时间的转矩转换的位于齿轮上的永磁体的少量摩擦。20 在共同转让的US20070186692中， 一种机械包括可移动转子、定子和磁通量调制器，该可移动转子具有与之关联的第一磁场，该定子 构造成其中具有多个静止的定子绕组，且该磁通量调制器插在该可移 动转子和这些定子绕组之间。这种磁通量调制器构造成在与该可移动转子关联的该第 一磁场与由多个静止定子绕组激发的第二磁场之间 25 传递转矩。这些》兹齿轮传动发电机(magnetically geared generator)能 够在低速高转矩的条件下从原动机发电，且在发电时无需齿轮箱 (gearbox)或速度适配器。不过，由于磁漏和磁耦合方面的问题，磁 齿轮传动发电机具有比大多数常规的发电机高的电抗和低的感应电
动势，并具有固有的低功率因数(例如，低于0.7或甚至更低，通常 在0.2至0.5的范围内)。往往希望有一种获得磁齿轮传动发电机的好处的技术性和有成 本效率的方法，而克服前面所提及的功率因数方面的缺陷。发明内容在某些发电系统中，采用包括同步机械的发电机。同步机械具有 高于磁齿轮传动机械的功率因数甚至是可以调节至大的值(如1.0) 的功率因数，如在单独激发的场绕组的情形中。这些同步机械系统可10 要求网络(grid)侧上的功率调节。例如，在US6943462中，将一种 电容器组用于将电容电流传递到直接驱动的发电机定子中(且该电容 电流产生发电机的激励功率的一部分)并向位于发电机下游的整流器 4是供谐波功率。例如，在US6924627中，将一种补偿器件描述为通过 调节功率相位、振幅或频率调节提供给消费者(网络)的无功功率。15将这种补偿器件描述为包括变流器和电压或电流传感器，并且描述为 对这种补偿器件进行调节以产生之后提供给该网络的电容无功功率。 这些系统并不提供磁齿轮传动发电机系统的低速高转矩运行优点。相反，根据本发明的一个实施例， 一种发电系统包括原动机、 耦合到该原动机的电力机械、耦合到该电力机械的无功功率供应组件20以及功率电子变换器，这种功率电子变换器在一侧耦合到该无功功率 供应组件和该电力机械，且在另一侧耦合到网络。这种电力机械构造 成用于将机械功率变换成电功率并具有小于或等于0.7的功率因数。 该无功功率供应组件构造成向该电力机械提供无功功率。这种功率电 子变换器构造成用于将功率从该电力机械传递到网络。25 根据本发明的另一个实施例， 一种发电系统包括风力驱动涡轮机；耦合到该风力驱动涡轮机的磁齿轮传动发电机；无功功率供应组 件，该无功功率供应组件耦合到该磁齿轮传动发电机并构造成向该电 力机械提供无功功率；以及功率电子变换器，这种功率电子变换器耦 合到该无功功率供应组件并构造成用于将功率从该磁齿轮传动发电 才几传递到网络。根据本发明的再一个实施例， 一种发电系统包括原动机、耦合 到该原动机的磁齿轮传动发电机、以及功率电子变换器，这种功率电并用于向该磁齿轮传动发电机提供无功功率。
在参考附图阅读下面的详细描述时就会更好地理解本发明的这 10 些和其它特征、方面和优点，在这些图中，相同的符号在整个的这些 图中表示相同的部分，在这些图中图1是根据本发明的一个实施例的发电系统的单线框图。 图2是可用在图1的实施例中的定子和转子的局部框图。 图3是用于几种不同类型的机械的转矩密度曲线的才莫拟曲线图。 15 图4至图5是表示用于图1的实施例中的几种无功功率供应组件的框图。图6至图8是表示用于图1的实施例中的功率电子变换器几种选 择的电路图。图9是磁齿轮传动机械的简化等效电路图。 20 图10示出了用于说明线性和非线性条件下的常规风力功率曲线的有功功率中的变化以及最大变换器视在功率和每单位速度的模拟 曲线图。图11是根据本发明的另一个实施例的发电系统的框图。图12至图14是用在图1的实施例中的示范性电容器构造的电路25 图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的发电系统10的单线框图。功 率系统10包括原动机12、耦合到该原动机12的电力机械14、耦合 到该电力机械14的无功功率供应组件16以及功率电子变换器18，这 种功率电子变换器18耦合到该无功功率供应组件并构造成用于将功 率从该电力机械传递到网络20。电力机械14构造成用于在以发电才莫 5 式运行的实施例(例如，风力或水力涡轮机系统)中将机械功率变换 成电功率，或者在以电机驱动模式运行的实施例(例如，船只推进系 统)中将电功率变换成机械功率。电力机械14通常具有小于或等于 0.7的功率因数并且在一个实施例中包括》兹齿轮传动才几械，如在前面 所提及的US20070186692中所描述的磁齿轮传动机械。无功功率供应10 组件16构造成向电力机械14提供无功功率。虽然实施例通常会包括 三相线路，但为了说明，在本说明书中采用单线路。在更具体的实施例中，电力机械14具有从0.2至0.5的范围内变 化的功率因数。虽然可釆用任何类型的低功率因数电力机械，但预期 特别适于用在风力涡轮机12和水力涡轮机112 (图4 )实施例中的一15 种机械是这种磁齿轮传动机械。低功率因数机械的另一种示例是微调 机械。认为本说明书中所公开的实施例特别适用于原动机，机械能的可 变源处于这些原动机中。例如，风力涡轮机经历风速的变化。这些系 统通常在可变节距条件下运行以应对变化中的风速；不过，仍导致旋20 转速度中的变化。虽然在图1中参考了磁齿轮传动发电机，但所公开 的这些概念同样也适用于电动机实施例。图2是可用在图1的实施例中的定子和转子的局部框图。正如前 面所讨论的那样，前面所提及的US20070186692中描述了^f兹齿轮传动 发电机的一个示例，在这种磁齿轮传动发电机中，多相AC发电机包25 括多极永磁体转子52、磁通量调节器54和定子绕组56。转子52包 括芯60和永磁体62,芯60通常是叠片芯。转子52构造成用于与发 电机轴(未示出)同步旋转并在单圆柱形气隙58内提供主要旋转磁 通量。磁通量调节器54包括空间周期性静态铁磁结构，这种结构带
有散布在转子52与定子64之间的元件。在一个实施例中，磁通量调 节器54由以凸齿66的形式的定子叠层的一部分形成。定子绕组56 可以是任何适当的类型，定子绕組56的示例包括集中绕组或分布绕 组布置。这些定子绕组的极对数量不同于转子极对的数量并可通过将 5 转子的极对数量从>磁通量调节器的元件(图2中的齿66)的数量中减 去进行计算。在一个实施例中，将这些定子相位分成多个组，每组三 个定子相位，且这些定子相位具有外部终端连接。图3是用于几种不同类型机械的转矩密度题名曲线的;f莫拟曲线 图，这些机械示为IM (感应机械)、SM (同步机械)、PM (常规的 10 永磁体机械)和MGG (磁齿轮传动机械)。该曲线图*￡设采用现有 技术中的设计技术并包括冷却实施方式和常规的铁磁材料选择。这些 IM、 SM和PM线从公开的文献数据产生，且该MGG线由本发明人 通过模拟产生。在L表示理想的定子长度(轴向有效钻孔长度)、M表示理想的 15输出转矩且D表示钻孔直径时，则将实现理想的转矩所要求的剪切应 力a计算如下2M剪切应力还是磁通量密度的函数。例如，在常规的PM机械中， 下面的等式可用于表示由磁通量的相互作用产生的剪切应力的特征220其中a表示以kPa为单位的剪切应力，As表示以kA/m为单位的电 流负载，BgM表示以Tesla为单位的基本气隙通量密度谐波的峰值， 且kwi表示用于该基本谐波的电枢绕组因数。若峰值气隙通量密度Bg已知，则可计算BgnU (Bgm尸BgX 1.273 )。25 作为示例，对于Bg = 1 T且电流负载为60kA/m的普通钢材料而言，合成剪切应力为53.8kPa。这种剪切应力表示，假定设计条件良 好，这种机械所具有的用于产生转矩的权限。对于磁齿轮传动机械而言，下面的等式可用于表示剪切应力的特征C7--21-25 式中Bm是在这些插件处的磁通量密度，且J-Pr/Ps是齿轮传动比。可直接看出，由于J可比1大很多，所以MGG有可能逐渐形成大得 多的剪切应力(换言之，大得多的转矩密度)。在图3的结构中，当 平均气隙直径D为2.4m、 Pr=130、 Ps-26时，得到的剪切应力为92 kPa。10 再参看图l,将无功功率供应组件16构造成提供克服与磁齿轮传动发电机关联的高电抗和低功率因数所要求的伏安激发。要提供的无 功功率的大小与所涉及的能量数量和功率输送与返回速度有关。还可 无源地或有源地提供另外的无功功率，在有源提供时成本较高。无源 功率供应组件的一个示例是电容器组22。有源功率供应组件的示例包15括如在下面所讨论的同步机械和功率电子变换器。在一个实施例中，无功功率供应组件16包括电容器组22。在更 具体的实施例中，电容器组22包括并联耦合的多个电容器。在附加或替代实施例中，至少一个电容器耦合到机械14的至少 一个相位连接。若有需要，可将多个电容器耦合在多个组中，且每个20 组耦合到机械14的各相位连接，这种相位连接有几种可供选择的构 造72、 74、 76，为了举例目的，这些构造在图12至图14中示出。虽 然示出了在各种相脚上的单电容器，但若有需要，可并联耦合多个电谷為。这些电容器24可经由电缆或母线13耦合到^/L械14,并且用每个 25 相位与备选电抗(未示出)串联耦合。在将这些相位电容器与开关控 制的变换器18结合时，变换器18的切换可用于避免通过这些功率电 子变换器的闭环操作(例如，利用常规的电压感测和补偿技术)激发
这种系统的电感与该电容之间的电共振频率。若有需要，可使用不同类型的无功功率供应组件。两个示例包括另外的功率电子变换器28 (在图4中示出)和同步机械26 (在图5 中示出)。在再一个实施例中，可用设计用于将有功功率从磁齿轮传 5 动发电机传递到网络并向该磁齿轮传动发电机提供无功功率的方式， 切换功率电子变换器18。这种变换器通常可能需要进行改装以对高于 仅具有有功功率传递功能的变换器的电流进行处理。在图l的实施例中，功率电子变换器18包括AC至DC变换器 30并用任何适当的技术进行控制。在一个控制实施例中，在变换器10 30的机械侧，相对于在网络侧的DC电压向量对AC输出电压向量的 位置进行控制。另 一种变换器如DC至AC变换器31可用于通过任何 适当的元器件在变换器18向网络20提供功率之前变换来自变换器18 的功率，这些适当的元器件如变压器33和滤波器(未示出)。图6至图8是表示几种功率电子变换器实施例的电路图。图6示15 出了开关控制的功率电子变换器34。在更具体的实施例中，变换器 34将功率从机械14向网络20变换，而另外还控制穿过机械14的电 流(在图1中示出)。在使用磁齿轮传动机械时，开关控制的实施例 特别有用，因为切换允许强制换向(这种强制换向反过来允许更有成 本效率的操作)。在一种强制换向模式中，将电压和电流向量主动定20 位于所有的象限中。在另一种特定强制换向模式中，定子电流仅具有 正交轴分量。在替代实施例中，这种功率电子变换器包括如图7所示的不受控 二极管整流器36。作为再一种选择，在示于图8的实施例中，这种功 率电子变换器包括AC至AC变换器32。 25 再参看图1，发电系统10还可包括防护组件38,这种防护组件38可包括下面所讨论的防护性元件中的一个或多个。在无功功率供应 组件16包括电容器组22的一种实施例中，这种防护组件包括多个过 压保护器40,这些过压保护器40与电容器组22的各电容器24并联 耦合。在更具体的实施例中，这些过压保护器40包括变阻器。变阻 件的情形中。在另一种实施例中，防护組件38包括与无功功率供应组件16串 5联的过流保护器42。过流保护器42可包括如一个或多个熔断器、断 路器、可控接触器或它们的组合。在使用多个过流保护器(未示出) 的实施例中，这些过流保护器还可并联或串联耦合，以在终端电容器 连接或连接发电机母线或电缆发生短路的情况下将这些电容器隔离。 在再一个实施例中，防护组件38包括与无功功率供应组件16并 10 联的短路器44。短路器44可包括如串联耦合的闸流管46和电阻器 48，并用于防止机械14与这些电容器24之间的瞬态振荡并增加所得 到的电路在故障条件下的阻尼表现。在再一个实施例中，发电系统10还包括串联电抗50，该串联电 抗50耦合在该功率电子变换器与该短路器和该电力机械的7>共耦合 15 点39之间。在一个实施例中，相对于原动机12、机械14和无功功率 供应组件16落塔(down tower)(意指在地面上或在支撑这种塔的平 台(未示出)上)定位该串联电抗。串联电抗50可包括分立元件， 或者可将该发电系统的电缆布线设计成提供适当的电抗。在另一个实施例中，在发生故障的情况下，另外的过流保护器43 20与功率电子变换器18串联耦合。在再一个实施例中，这种变换器本 身包括自防护部件(未示出)，以在过流情况下阻止半导体触发，这 些自防护部件如电流传感器和控制器。在再一个实施例中，使用常规 的防护措施，如螺距致动器(pitch-actuator)(未示出)。此外，可通过 常规的技术监测和控制诸如相电流、输出电压、泄漏电流、电容器温 25 度、转子轴位置和绕组温度这样的参数。作为另一个示例，在变换器 18包括DC链路49的实施例中，可将制动斩波器45耦合到变换器18 的DC链路49。制动斩波器45可用于从该DC链路吸收过多的能量。 图9是磁齿轮传动机械212的筒化等效电路图。在堆栈长度为3
米、额定功率为4兆瓦的实施例中，估计额定功率因数将会是0.29。 在平均气隙直径增加时，剪切应力的包络随着齿轮比单调增加，而功 率因数随着齿轮比下降。在图9中，相位"a"中的定子电流Is以角度卩领先有效》兹电流 5 Im,且关系由下面的等式示出且反EMF (电动势)由下面的等式给出 静态转矩表示为其中p表示机械极对的数量。对于给定的定子电流而言，在(3 =兀时 将转矩大小最大化(领先90度)。若功率电子装置单独提供所需的无功功率，则应将这种电子装置 设定为以下总视在功率15 cos炉在该示例中，这种一见在功率为4MW/0.29=13.8MVAr (或者比实际上 需要由这些变换器传递的有功功率大3.5倍)。相反，更有成本效率的方案是使用来自这些电容器的无源VAr 补偿(如图1所示)。利用等式20就产生13.2MVAr的额定值。若所输送的功率和这些机械终端电压呈 线性，则这种无源补偿有时对任意可变速度运行和发电构成难题。不 过，风力发电所固有特定转矩速度曲线允许无源VAr补偿的有利设 计。在风力涡轮机中，所俘获的平稳功率由下式给出
尸*=。關艸3式中v是风速，A是转子扫掠面积，p是空气密度，且在该式中，无 量纲转子功率系数Cp是尖速比？i-coR/v与叶片螺距角P的函数，并由 16/27 = 0.593 (称为贝兹极限)的基本物理值设定上限。因此，传输 5 至风力用途中的MGG的平稳转矩是在最大二次角速度w处，且可利 用这种磁齿轮传动发电机以无源VAr补偿实现这种发电系统的有利 定尺。在将直接驱动发电机用在常规的风力涡轮机系统中时，利用永磁 体激发或利用单独的场激发，沿着气隙圆周的转矩密度相对较低，这 10 样，机械尺寸和重量就不成比例地大。认为前面所7>开的实施例特别 适用于风力涡轮机应用，因为这种磁齿轮传动发电机具有高功率密 度，而无需齿轮箱或机械速度适配器(因此，尺寸较小、质量较小且 成本较低)。正如在前面所提及的US20070186692中所描述的那样，15而降低成本并减少质量。在加上所公开的这些实施例的无功功率供应 组件的特征时，可减小低功率因数效应。图10左侧的曲线图示出了与典型的风力发电机方案相比的利用 速度线性产生功率的系统的发电(归一化为全功率)(2.x曲线)。 对于风力发电机而言，右上图示出了穿过所有运行速度所要求的最大20变换器视在功率，这种最大变换器视在功率作为该MGG的标称功率 因数的函数。右下图示出了上部曲线的最大值在哪种每单位速度(称 为标称全速)处发生。对于大于0.2的所有的功率因数而言，所要求 的最大视在功率为1 (按每单位)，且这种最大视在功率在速度为1 (按每单位)处发生。正如可从这些曲线图中看出的那样，只要该25 MGG具有小于0.2的PF，则可将这些电容器经济地用于对风力涡轮 机的整个运行范围进行补偿。图11是根据本发明的另一个实施例的发电系统110的框图。虽然在前面对三相实施例进行了描述，但其它选择也适用。例如，图11 是示出了多线程布置的框图，这种多线程布置具有用于总共六相的两个三相线程68和70。为了简单起见，用单个电容器124、 224表示电 容器组。若在一个变换器118或218出现故障的情形中需要冗余，或 者若单变换器的额定功率太低，则这些实施例是有益的(且这些功率 电子变换器因此而受益于并联运行)。凑、重量轻、可靠而经济的发电，而利用这些涡轮机所普遍固有的变 速发电特征，这种变速涡轮机如风力涡轮机或水力涡轮机。预期这些 实施例也可用在电力机械包括船只推进电动机114 (图5)的应用中。 虽然本说明书仅示出并描述了本发明的某些特征，但本领域中熟 练的技术人员会构思出许多修改和变化。因此，应理解，所附的权利 要求书旨在覆盖在本发明的真实精神范围内的所有的这些修改和变化。
沿着电路基板18上的相向的侧边设置有引线14，该引线14 作为混合集成电路装置10的输入输出端子而发挥功能。这些引 线由以铜(Cu)、铝(Al)或Fe-Ni的合金等为主成分的金属构成。 在附图中，各引线14被引出到上方，但是引线14也可以在中途 被直角弯曲后引出到侧方。参照图1的(A),呈框缘形状的壳体构件12与电路基板18的 四个侧边相对应地具有四个侧壁部。具体地i兌，主要由第一侧 壁部12A、第二侧壁部12B、第三侧壁部12C以及第四侧壁部12D 构成壳体构件12。说明纸面上的各侧壁部的位置，第一侧壁部 12A位于内侧，第二侧壁部12B位于前侧，第三侧壁部12C位于
元件清单10、 11012、 112、 21213514、 114 1618、 118、 218202210 24、 124、 224 26 28303115 32 34 36383920 404243444525 46474849发电系统 原动机 电缆或母线 电力机械无功功率供应组件功率电子变换器网络电容器组电容器同步机械功率电子变换器AC至DC变换器DC至AC变换器AC至AC变换器开关控制的功率电子变换器二极管整流器防护组件公共耦合点过压保护器过流保护器过流保护器短路器制动斩波器闸流管过流保护器电阻器DC链路 50电抗52转子54磁通量调节器56定子绕组5 58气隙60芯62磁体64定子66定子齿10 68线程70线程72电容器布置74电容器布置76电容器布置。
权利要求
1. 一种发电系统(10)，包括原动机(12)；电力机械(14)，所述电力机械(14)耦合到所述原动机(12)并构造成用于将机械功率变换成电功率，所述电力机械(14)具有小于或等于0.7的功率因数；无功功率供应组件(16)，所述无功功率供应组件(16)耦合到所述电力机械(14)并构造成向所述电力机械(14)提供无功功率；功率电子变换器(18)，所述功率电子变换器(18)耦合到所述无功功率供应组件并构造成用于将功率从所述电力机械(14)传递到网络(20)。
2. 如权利要求1所述的发电系统，其中所述电力机械(14)包 括磁齿轮传动发电机。
3. 如权利要求1所述的发电系统，其中所述无功功率供应组件 包括无源组件。
4. 如权利要求3所述的发电系统，其中所述无功功率供应组件 包括电容器组(22)，所述电容器组(22)包括并:i关耦合的多个电容 器(24)。
5. 如权利要求2所述的发电系统，其中所述功率电子变换器包 括开关控制的功率电子变换器(34)。
6. 如权利要求3所述的发电系统，其中还包括防护组件(38)。
7. 如权利要求6所述的发电系统，其中所述无功功率供应组件 包括电容器组，以及所述防护组件包括多个过压保护器(40)，所述 多个过压保护器(40)并联耦合到所述电容器组的各电容器。
8. 如权利要求6所述的发电系统，其中所述防护组件包括与所述无功功率供应组件串联的过流保护器 (42)，其中所述过流保护器包括熔断器、断路器、可控接触器或它们的组合；所述防护组件还包括与所述无功功率供应组件并联耦合的短路 器(44);以及还包括串联电抗(50)，所述串联电抗(50)耦合在所述功率电 5子变换器与所述短路器和所述电力机械的公共耦合点(39)之间。
9. 一种发电系统(10)，所述包括发电系统(10)包括 风力驱动涡轮机(12);磁齿轮传动发电机(14 ),所述磁齿轮传动发电机(14 )耦合到 所述风力驱动涡轮机； 10 无功功率供应组件(16),所述无功功率供应组件(16 )耦合到所述磁齿轮传动发电机并构造成向所述电力机械提供无功功率；功率电子变换器(18)，所述功率电子变换器(18)耦合到所述 无功功率供应组件并构造成用于将功率从所述磁齿轮传动发电机传 递到网络(20)。 15
10. —种发电系统(10),所述包括发电系统(10)包括原动机(12);磁齿轮传动发电机(14)，所述磁齿轮传动发电机(14)耦合到 所述原动机；功率电子变换器(18)，所述功率电子变换器(18)构造成用于 20 将有功功率从所述磁齿轮传动发电机传递到网络(20 )并用于向所述 磁齿轮传动发电机提供无功功率。
11.如权利要求IO所述的发电系统，其中所述原动机包括风力驱 动涡轮机(12)。
全文摘要
一种发电系统(10)包括原动机(12)；耦合到该原动机(12)的电力机械(14)，这种电力机械(14)构造成用于将机械功率变换成电功率，这种电力机械(14)具有小于或等于0.7的功率因数；耦合到该电力机械(14)的无功功率供应组件(16)，该无功功率供应组件(16)构造成向该电力机械(14)提供无功功率；以及功率电子变换器(18)，这种功率电子变换器(18)耦合到该无功功率供应组件，这种功率电子变换器(18)构造成用于将功率从该电力机械(14)传递到网络(20)。
文档编号H02H3/08GK101399445SQ200810168459
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者J·马里, M·-W·瓦萨克, S·施拉姆 申请人:通用电气公司