专利名称：自动调磁的低速启动风力发电电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含锥形转子的低速启动发电机系统，特别涉及一种在风力发电 中，实现超低风速发电的发电装置。
背景技术：
自上个世纪末以来，全球范围内煤炭、石油等不可再生能源日渐减少，同时，以煤 炭为主要能源的电力行业给环境带来了严重的污染问题。世界各国都在积极寻找、开发新 能源，并逐渐将目光转移到可再生、清洁能源的研究、开发和利用上来。在此背景下，风能发 电作为一种新的能源形式，以其全球总存储量大、可开发利用量大、清洁无污染的特点，在 近十年的时间里得到了快速的发展，并作为一种新的能源利用方式登上了历史的舞台。欧洲的风力发电持续引领世界，总装机容量超过40500MW。欧洲电力的将近3%由 这些风电设施提供，其发电量足够满足4000多万人的需要。德国是风电装机容量最大的国 家，风力发电量22247丽，其电力的6%来自风电。西班牙和美国风电容量均超过10000MW， 其电力的8%来自风电。丹麦的风电容量为3125MW，位居世界第六，可以满足其电力需求的 20 %，是世界上风电份额最大的国家。全球范围内，2006年年底之前海上风电装机容量将超 过900MW，全部在欧洲。2005年年底加拿大风电容量为680MW，2006年年底增加到1200MW。然而，风力发电技术的发展仍然处于探索阶段，技术还不够成熟，依然存在着许多 问题。特别是在目前的技术水平条件下，风力发电具有造价高、稳定性差和发电效率低等缺 陷。提高风电效率与供电稳定性一直以来是风力发电中研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供自动调磁的低速启动风力 发电电机，当电机转速发生改变时，定子与转子的相对位置随之改变，使转子线圈与定子磁 场耦合强度实现自动调节，从而达到发电机低速启动和正常发电的目的。本发明通过如下技术方案实现自动调磁的低速启动风力发电电机，包括转子和定子、小铁柱、电磁铁和用于采样 转子线圈中电流的电流采样器，电磁铁安装在定子上，小铁柱安装在转子上，电磁铁与小铁 柱相互正对，电流采样器将采样到的转子线圈中的电流送入电磁铁中，电磁铁产生的电磁 力吸引转子上的小铁柱，控制转子线圈进入磁场中的面积，实现电机的低速启动和高速运 行发电。上述的自动调磁的低速启动风力发电电机中，所述定子的形状为圆锥形空心槽， 槽内侧均勻间隔开凿了 18个条形细槽，每个条形槽在沿圆锥形中心轴方向上的正投影对 应的圆心角为16度；任取连续的9个条形槽设为南极，剩下连续9个槽设为北极，并分别嵌 入极性为N、S极的永磁体；圆锥形空心槽较小一端的底部开有一个圆柱形孔，所述电磁铁 安装在该圆柱形孔中，电磁铁的高度低于圆柱形孔的高度。上述的自动调磁的低速启动风力发电电机中，所述转子的形状为圆锥形台，在圆锥台的外侧开凿18个条形槽，每个条形槽在沿圆锥台中心轴方向上的正投影对应的圆心 角为16度，槽内嵌入线圈；圆锥台较小一端的底部设置有所述小铁柱，小铁柱半径小于定 子底部圆柱形孔的半径。上述的自动调磁的低速启动风力发电电机中，电机输入轴的轴径大于转子轴轴 径，转子轴与输入轴用弹簧连接，转子轴能够在径向做弹性运动。上述的自动调磁的低速启动风力发电电机中，锥形槽和锥柱台的母线与水平平面 的夹角设置为a，a在30度至90度之间。电机运行时，利用电流采样器，对转子线圈中的电流进行采样并送入电磁铁绕线 中，于是，电磁铁将吸引小铁柱进入圆柱孔内，转子也将向下移动，转子线圈进入磁场的面 积增大；相反，当采样电流变小时，小铁柱将被弹回，转子线圈离开磁场的面积增大。当转子在停转或转速较低时，转子线圈发电量小，电磁铁中电流也小，小铁柱所受 吸合力小，于是转子线圈离磁场较远，受到的磁阻矩小；当转子高速运行时，转子线圈发电 量大，电磁铁中电流也大，小铁柱所受吸合力大，于是转子线圈则完全进入磁场中，磁感应 强度大。与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果本发明通过对风力发电机的结构 的改进，实现风力发电机的低速启动和低速运行，提高风电效率与供电稳定性。本发明中， 即使在风速很小时，风机也能够正常运行，使供电系统供电稳定。当转子转速发生改变时， 转子线圈进入磁场的多少也将发生改变，从而维持电机转子的持续转动。这样既可减小风 机的启动阻矩又不影响发电效率。
图1为自动调磁的低速启动风力发电电机的结构示意图。
图2为风力发电电机定子结构示意图，右半部分为剖视图。
图3为图2所示发电电机定子的俯视图。
图4为风力发电电机转子结构示意图。
图5为图4所示转子的俯视图。
图6为风力发电机电机转子低速运行时的示意图。
图7为风力发电机电机转子高速运行时的示意图。
图8为电机转子转速增加运行方式示意图。
图9为电机转子转速减小运行方式示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施和保护 范围不限于此。实施例本实施例是一种自动调磁的低速启动风力发电电机系统，如图1所示为自动调磁 的低速启动风力发电电机的结构示意图，包括电机转子13和电机定子7，还包括小铁柱11、 电磁铁9和用于采样转子线圈中电流的电流采样器(图中略)，电磁铁9安装在定子7上， 小铁柱11安装在转子13上，电磁铁9与小铁柱11相互正对，电流采样器的输入端与转子
4线圈连接，电流采样器的输出端与电磁铁连接，电流采样器将采样到的转子线圈中的电流 送入电磁铁9中，电磁铁9产生的电磁力吸引转子上的小铁柱11，控制转子线圈进入磁场中 的面积，实现电机的低速启动和高速运行发电。如图2 图5，在本装置中发电机定子7设计成圆锥形空心槽，槽内侧开凿了 18个 条形永磁体槽6，槽宽角为16度，槽间距为4度，任取连续的9个条形槽设为南极，剩下连续 9个槽设为北极，并分别嵌入极性为N、S极的永磁体。圆锥形槽的底部开一个圆柱形的孔， 然后置入电磁铁并将其固定(电磁铁的高度低于圆柱形孔的高度)。发电机转子13设计成 圆锥形台(如图4、图5)，在圆锥台的外侧开凿18个条形线圈槽5，槽宽角为16度，槽间距 为4度，槽内嵌入线圈。圆锥台底部设置一个小铁柱11，其半径小于定子底部圆柱形孔11 的半径。另外，电机输入轴1的轴径大于转子轴轴径，输入轴1通过轴承3安装在定子的端 盖4上，转子轴14与输入轴用弹簧2连接，使转子轴14能够在径向做弹性运动。当电机运行时，利用电流采样器，对转子线圈中的电流进行采样并送入电磁铁绕 线中，于是，电磁铁将吸引小铁柱进入圆柱孔内，转子也将向下移动，转子线圈进入磁场的 面积增大；相反，当采样电流变小时，小铁柱将被弹回，转子线圈离开磁场的面积增大。当转 子在停转或转速较低时，转子线圈发电量小，电磁铁中电流也小，小铁柱所受吸合力小，于 是转子线圈离磁场较远，受到的磁阻矩小；当转子高速运行时，转子线圈发电量大，电磁铁 中电流也大，小铁柱所受吸合力大，于是转子线圈则完全进入磁场中，磁感应强度大。其具 体的工作过程如下1、转子转动前，定子与转子处于如图6所示的状态。此时，由于转子线圈中没有电 流，电磁铁磁力消失，小铁柱弹出圆柱孔，转子轴端的弹簧处于自由伸长状态，转子线圈的 大部分面积都在定子磁场外；2、当输入轴转速达到某个较小的值％时，由于转子线圈的大部分在定子磁场外， 转子轴所受磁阻矩小，易于启动，于是转子以同样小的速度开始转动。因此，不需要很大的 速度，转子即被启动运行，实现发电。说明当^<%时，小铁柱不能进入圆柱孔，线圈大部 分面积位于磁场外面。3、转子一旦启动，在图6中转子线圈没有完全退出磁场的部分即可随着转子的转 动切割磁感线发电。此时，电流采样器将采样到的电流送入电磁铁，电磁铁开始吸引小铁 柱。如果磁力强度达到某个值&，则小铁柱和转子将沿径向向下运动，弹簧被拉伸。但由于 此时转子速度没有增加，而线圈进入磁场后必将受到更大的磁阻矩，因此转子转速会逐渐 降低，线圈的发电量变小，电磁铁磁力逐渐降低到& 一下，小铁柱将弹回，弹簧收缩，转子线 圈又回到某一位置继续低速转动。实际上，转子与定子的相对位置处于动态变化过程中。4、当转子速度开始增加，并远远大于％达到Vf时，转子与定子的相对位置变为如 图7所示的状态。此时，线圈完全进入磁场，由于转子转速很大，发电量也很大，线圈中的电 流增大，于是电磁铁产生的强磁力使小铁柱被牢牢地吸入到圆柱孔中，从而实现发电稳定。 说明当V>Vf时，线圈完全进入磁场中。5、在某个时刻，转速变化为V，并且％ < V < Vf，此时，小铁柱有一部分进入圆柱孔 内，一部分漏在孔外，因此必有一部分的转子线圈离开磁场，转子运行此时处于相对稳定状 态。那么，转速大小V、线圈进入磁场的面积S、小铁柱进入圆柱孔的长度L以及磁阻矩Mf的大小形成一个自动调节系统，它们的变化能够维持转子的低速启动、持续运行和发电， 如图8，图9所示。 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用 来限定本发明的实施范围。
权利要求
自动调磁的低速启动风力发电电机，包括转子和定子，其特征在于还包括小铁柱、电磁铁和用于采样转子线圈中电流的电流采样器，电磁铁安装在定子上，小铁柱安装在转子上，电磁铁与小铁柱相互正对，电流采样器将采样到的转子线圈中的电流送入电磁铁中，电磁铁产生的电磁力吸引转子上的小铁柱，控制转子线圈进入磁场中的面积，实现电机的低速启动和高速运行发电。
2.根据权利要求1所述的自动调磁的低速启动风力发电电机，其特征在于所述定子的 形状为圆锥形空心槽，槽内侧均勻间隔开凿了 18个条形细槽，每个条形槽在沿圆锥形中心 轴方向上的正投影对应的圆心角为16度；任取连续的9个条形槽设为南极，剩下连续9个 槽设为北极，并分别嵌入极性为N、S极的永磁体；圆锥形空心槽较小一端的底部开有一个 圆柱形孔，所述电磁铁安装在该圆柱形孔中，电磁铁的高度低于圆柱形孔的高度。
3.根据权利要求2所述的自动调磁的低速启动风力发电电机，其特征在于所述转子 的形状为圆锥形台，在圆锥台的外侧开凿18个条形线圈槽，每个槽在沿圆锥台中心轴方向 上的正投影对应的圆心角为16度，槽内嵌入线圈；圆锥台较小一端的底部设置有所述小铁 柱，小铁柱半径小于定子底部圆柱形孔的半径。
4.根据权利要求2所述的自动调磁的低速启动风力发电电机，其特征在于电机输入轴 的轴径大于转子轴轴径，转子轴与输入轴用弹簧连接。
5.根据权利要求2所述的自动调磁的低速启动风力发电电机，其特征在于锥形槽和锥 柱台的母线与水平平面的夹角设置为a，a在30度至90度之间。
全文摘要
本发明公开了自动调磁的低速启动风力发电电机，包括转子、定子、小铁柱、电磁铁和电流采样器，电磁铁安装在定子上，小铁柱安装在转子上，电磁铁与小铁柱相互正对，通过电磁铁对小铁柱的吸合作，实现了转子线圈在定子磁场中的面积发生改变，使定子与转子之间的电磁感应量发生变化。转子零速或低速转动时，线圈与磁场处于低磁耦合状态，所受的磁阻矩小，有利于发电机转子的低速启动；当转子高速转动时，线圈处于高磁耦合状态，磁感应量大，发电量大。如此即可实现发电机系统定子磁场与转子线圈耦合面积大小的自动调节。本风力发电电机有利于实现超低速启动，提高了风机发电的时效性，还可以在一定程度上保障风机发电电量的稳定。
文档编号H02K1/26GK101931358SQ20101021886
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者康龙云, 张永博, 杨会州, 郭红霞, 魏业文 申请人:华南理工大学