br>[0027]下面结合附图对本发明做进一步说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请的权利要求所限定的范围。
[0028]结合图1至图2描述本发明永磁励磁无刷双馈风力发电机的结构。从该发电机的横向截面图、纵向剖面图中可以看出，发电机主要由四部分组成:定子1、外转子2、内转子3和转轴6。其中定子I上设置有两套独立的绕组:p对极的功率绕组和q对极的控制绕组，所述P和q分别为正整数，且P和q不相等。外转子2上装有(p+q)个在圆周方向均匀分布的导磁块11，导磁块之间的空隙中填充非导磁的环氧树脂材料，外转子2通过其两端的转子端盖4固定于在转轴6上并可与之一起旋转。内转子3上装有永磁体7，永磁体的极对数为q。
[0029]图3所示为永磁励磁无刷双馈风力发电机并网发电系统，转轴6直接与风力机12轮毂相连，外转子2固定在转轴6上，用于传递来自风力机的功率和能量。内转子经轴承5安装在转轴6上，在内转子3装有永磁体7，为功率绕组8和控制绕组9提供励磁磁场。通过外转子2上调磁块11数量与内转子3上永磁体7数量的合理安排，实现定子I上两套绕组磁场的解耦。
[0030]本发明永磁励磁无刷双馈风力发电机外转子的转速1^与功率绕组和控制绕组中电流的频率fp和f。满足关系:ru= 60(fp±f。)/(p+q) ο由于电网频率fp固定，调节控制绕组中电流的频率，就可实现该发电机的变速恒压恒频发电。而且通过控制交直交功率变换器改变控制绕组中电流的频率、大小和相位，还可以实现有功和无功功率的灵活调节。
[0031]图4所示为永磁励磁无刷双馈风力发电机功率传递示意图，图中的Tp为功率绕组磁场对外转子的制动转矩；τ。为控制绕组磁场对外转子的制动转矩；IV为功率绕组经外转子调制作用后的调制磁场对内转子的作用转矩；1?为控制绕组经外转子调制作用后的调制磁场对内转子的作用转矩；?Υ为风力机传递到外转子的输入转矩；为外转子的旋转角速度，即风力机的旋转角速度；ωρ为功率绕组产生磁场的旋转角速度；ω ^为控制绕组产生磁场的旋转角速度，即内转子的稳定旋转角速度。风力机12经由转轴6传递给外转子2的机械功率为P1= ?\ ω L,功率绕组输送到电网的功率为Pp= Tp ωρ，控制绕组输送到电网的功率为 P。= T cWrO
[0032]本发明的永磁励磁双馈风力发电机本质上是一台P对极定子绕组的磁齿轮发电机与一台q对极定子绕组的永磁同步电机的级联，两台电机通过永磁转子机械连接，Tc =Tcr= T pr,控制绕组的磁场不对外转子的转速产生直接的影响。结合磁齿轮的工作原理，该发电机的工作原理如下:风力机把风能转换成机械能，通过转轴传递给外转子，使得外转子旋转角速度为ω ρ只需通过交直交功率变换器调整控制绕组电流频率，使得控制磁场旋转角速度《r满足:(ω= _q/p，则永磁调制磁场在功率绕组上感应出与电网频率相等的反电势，并入电网后发电机即可实现变速恒频发电。
[0033]本发明的永磁励磁双馈风力发电机定义控制绕组通直流电(f。= O)时的外转子的转速为同步转速，当风速较快，时，控制绕组的相序与功率绕组相同，此时控制绕组输出功率；当风速较慢，ω J ω ω时，控制绕组的相序与功率绕组相同，此时控制绕组输入功率；当c^= ω ω时，f\=0，此时控制绕组通入直流电，控制绕组提供的能量仅用于铜耗和铁耗。
[0034]本发明的永磁励磁双馈风力发电机定义转差率为:s = (OirCOlllVCOui= fyfp，控制绕组输送到电网的功率与功率绕组输送到电网的功率的关系为:P。= sPpo则超同步运行时，s为正，风力机的机械功率大部分通过功率绕组输送到电网，小部分通过控制绕组经功率变换器送往电网；亚同步运行时，s为负，控制绕组通过功率变换器从电网吸收电能，吸收的电功率与风力机的机械功率一起传递到功率绕组，输送给电网。永磁励磁双馈风力发电机的效率为η，风力机输入的机械能与电网之间的能量传递关系为i\= η (P p+Pc)=n (i+s)ppo
【主权项】
1.一种永磁励磁无刷双馈风力发电机，其特征在于:该风力发电机包括定子(I)、外转子(2)、内转子(3)和转轴￠)，所述定子(I)和内转子(3)分别设置在所述外转子(2)的外周和内周；所述外转子(2)的两端设有转子端盖(4)，该外转子(2)通过其两端的转子端盖(4)与所述转轴(6)连接，所述转轴(6)上固定有内转子轴承(5)，该内转子(3)通过所述内转子轴承(5)与转轴(6)连接，所述内转子(3)与外转子(2)同轴并可自由旋转；所述定子(I)设置了两套独立的绕组，即功率绕组(8)和控制绕组(9);所述外转子(2)为装有导磁块(11)的调磁环转子；所述内转子(3)为装有永磁体(7)的永磁式转子； 所述定子(I)上设置了两套极对数不同的独立绕组，其中P对极的功率绕组(8)直接与电网相连，q对极的控制绕组(9)经交直交功率变换器(13)与电网相连，两者的磁场不存在直接与间接耦合，所述P和q分别为正整数，且P和q不相等。
2.根据权利要求1所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于:所述外转子(2)上导磁块(11)的个数为P+q，在圆周方向上均匀分布，导磁块的空隙中填充非导磁的环氧树脂材料；外转子⑵通过转轴(6)直接与风力机(12)相连，去除了机械增速齿轮箱；其转速由内转子(3)的转速与功率绕组(8)产生磁场的转速共同决定。
3.根据权利要求1所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于:所述的内转子(3)上永磁体的极对数与控制绕组(9)的极对数相同，内转子(3)的转速与控制绕组(9)产生磁场的转速相同。
4.根据权利要求2或3所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于所述外转子(2)的转速由控制绕组(9)的供电频率决定，通过改变控制绕组(9)的供电频率，可实现风力机的最大功率点跟踪。
5.根据权利要求1所述的永磁励磁双馈风力发电机，其特征在于:所述交直交功率变换器(13)的容量为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值:交直交功率变换器功率=发电机容量X (额定速度一最低运行速度)+额定速度；交直交功率变换器功率=发电机容量X(最高运行速度一额定速度)+额定速度。
【专利摘要】本发明公开了一种永磁励磁无刷双馈风力发电机，它包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(6)，所述定子(1)和内转子(3)分别设置在所述外转子(2)的外周和内周；所述内转子(3)与外转子(2)同轴并可自由旋转；所述定子(1)上设置了两套极对数不同的独立绕组，其中p对极的功率绕组(8)直接与电网相连，q对极的控制绕组(9)经交直交功率变换器与电网相连；所述外转子(2)为装有(p+q)块导磁块的调磁环转子，内转子(3)为装有永磁体(7)的q对极永磁式转子，该永磁体(7)所产生的永磁磁场通过转子(2)的磁场调制作用产生p对极和q对极的磁场分别为功率绕组(8)和控制绕组(9)提供励磁磁场。本发明采用永磁励磁，提高了双馈风力发电机的功率密度有利于降低风电系统的成本。
【IPC分类】H02K7-18, H02K1-27, H02K3-28, H02K16-02
【公开号】CN104600930
【申请号】CN201510010050
【发明人】张建忠, 姜永将, 徐帅, 胡省
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月8日