[发明专利]直驱式电励磁双凸极容错风力发电机

说明书

一、技术领域

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机属风力发电机。

二、技术背景

风电是干净的能源，可以减小传统化石能源的消耗和环境污染，积极地开发利用风电对改善能源结构，保护生态环境具有重要意义。目前，风力发电技术正在向高效率，高可靠，低成本的方向发展。直驱风力发电机省去齿轮箱，具有投资少，传动链损失少，维护费用低和可靠性高等优点，受到国内外广泛关注。

已报道的直驱风力发电机主要有永磁交流发电机，无刷双馈交流发电机和开关磁阻发电机三种。电励磁双凸机电机(Doubly Salient Electro magneticGenerator，简称DSEM)是在开关磁阻发电机的基础上发展起来的新型电机，其定、转子均为双凸极叠片结构，保留了开关磁阻发电机结构简单可靠，价格便宜的优点。定子或转子比开关磁阻电机多一套励磁绕组，调节励磁绕组电流即可调节输出电压，且发电工作时无需位置传感器和有源功率变换器，在直驱风电场合具有应用潜力。

大容量直驱风力发电机的转速较低，具有直径大和极数多的特点。国外报道的11.1KW永磁直驱电机，极对数为94，10MW永磁直驱电机，其极对数达160。三相电励磁双凸机电机的基本结构型式为6/4结构，即定子极数为6，转子极数为4，其中基本结构型式也称为单元电机。与常规电机不同，多极电励磁双凸极电机的定子极数p_s和转子极数p_r为单元电机定、转子极数的整数倍，即p_s/p_r＝6·k/4·k，k＝1、2、3……正整数，当k＝1时，电机即为单元电机(6/4结构)，当k＝2时，电机的定子极数为12，转子极数为8，即为12/8结构。已有文献仅对6/4结构(k＝1)和12/8结构(k＝2)双凸极电机进行了研究。三相6k/(4(N+1)k)结构双凸极电机(专利申请号：200710191018.4)的单元电机为6/(4(N+1))结构。其定子槽宽度大于定子极弧宽，转子铁心极数大于定子铁心极数，允许加大每极电枢绕组尺寸，扩大励磁绕组放置空间，减小定子极间漏磁，提高电机工作效率，改善电机性能以适用于不同应用场合需要。

电励磁双凸极发电机的相绕组电势谐波丰富，且接近120度方波，若作为交流发电机使用，电压失真度高。已有技术采用同相电枢绕组串联并经二极管整流向负载提供直流电，此时电励磁双凸极发电机为直流发电机。为能够向交流负载供电或与交流配电中心并网，电励磁直驱双凸极风力发电机必须输出交流电。因此，针对直驱风力发电场合，并结合多极双凸极电机的结构特点，寻求高可靠且输出交流电压的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的合理结构，成为本发明的初衷。

三、发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出高可靠且输出交流电压的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，包括多极电励磁双凸极电机和功率器件两部分组成，电励磁双凸极电机的定子极数与转子极数的配合为6·k/4·N·k，其中6/4·N为单元电机，N为除3和3的倍数以外的自然数。k为单元电机的重复次数，也称为电励磁双凸极电机的极数，当k＝1时，电励磁双凸极为6/4·N结构，即定子极数为6，转子极数为4·N，即为单元电机；当k＝2时，电励磁双凸极为12/8·N结构，电机由两个单元电机构成，即定子极数为12，转子极数为8·N；当k＝3时，电励磁双凸极为18/12·N结构，电机由三个单元电机构成，即定子极数为18，转子极数为12·N；当k＝4时，电励磁双凸极为24/16·N结构，电机由四个单元电机构成，即定子极数为24，16·N；当k≥3时电励磁双凸极电机为多极结构。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，电机的定转子结构型式可以是外转子内定子结构，也可以是外定子内转子结构，也可以是双定子结构和双转子结构。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，由k个单元电机构成(k≥3)，其k个单元电机分成C组(C≥3)，每组单元电机数相同。同组单元电机的励磁绕组串联，由励磁变换器励磁，同组单元电机的同相绕组串联，构成三相电枢绕组，同组单元电机的三相绕组经整流电路整流后经全桥逆变器逆变成120°阶梯波交流电，整流电路可以是全桥整流和半波整流。不同组单元电机的逆变器输出阶梯波交流电之间依次相移θ_C度电角度，其中θ_C等于90/C度电角度。不同组单元电机的逆变器输出串联后负载提供交流电，电机极数越多，向负载提高交流电的谐波失真度越低。