[发明专利]一种永磁无刷恒压发电机及其稳压方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机，尤其涉及一种永磁无刷恒压发电机。另外，本发明还涉及该发电机的稳压方法。

背景技术

并网型风力发电机是将风轮捕获的机械能转化为电能并输送到恒压、恒频电网中去。在大功率电力电子技术不够成熟时，改变发电机发出风电的频率、电压是非常困难的。为了能把风电直接输送到电网中，只有选用与电网同频率的交流异步发电机或交流同步发电机。异步发电机只能运行在同步转速以上1％～4％左右转速差范围内，同步发电机只能运行在同步转速。为了使发电机频率适合电网，必须用大变速比的齿轮箱与恒速风轮连接，使风轮与发电机的转速、风电与电网的频率都相匹配。这两种电机的优点是不经逆变而直接并网，但存在诸多不足：1、电机的功率-转速特性较硬，不易与风轮的输出特性曲线很好地匹配，也很难提高捕获风能效率以最大限度地吸收风能；2、在并网时易对机组及电网造成冲击；3、由于风速的不稳定性，易对齿轮箱产生冲击而使齿轮箱损坏，维护成本高；4、发电机要经常处于停机、低速发电、高速发电的频繁投入、切出状态，控制复杂，易出故障；5、发电机在低负载时空载损耗较大，难以提高轻载时效率，高效率区不大，而且只能由平均捕捉风能效率较低的恒速风轮驱动。对于同步发电机而言，还需有一套励磁电源及其控制系统。因此这种发电方案既效率不够高，极不经济；又结构复杂，增加了生产成本。

为了提高风轮捕捉风能的效率，从空气动力学角度考虑，通过优化，可以设计出几乎在所有的风况下都具有较高能量转换效率的变速风轮。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风轮要比恒速风轮多捕捉15％的风能。随着电力电子技术的发展，大功率交流变频技术已得到推广应用，大功率风电的稳压和变频并网已可以实现，因此风轮转速及转速变化与电网的频率没有必然的直接关系。为此，世界上各生产厂家又开发出新型的由变速风轮驱动的风力发电机，但该类发电机仍存在稳压输出的问题。为实现永磁发电机的稳压输出，现有技术中也已提出一些解决办法，如国家知识产权局1996年10月30日公开的95111026.8号发明专利申请，公开了一种稳压永磁发电机及其稳压方法。所述发电机包括定子、转子、蜗轮蜗杆机构、执行电机和取样控制电路，转子与发动机的输出轴相连接，取样控制电路与发电机电压输出端相连接，执行电机与取样控制电路相连接，执行电机通过蜗轮蜗杆机构驱动一根丝杠作轴向运动，该丝杠的一端与定子相固定。其稳压方法是通过控制电路和调压执行机构根据负载变化来调整发电机转子、定子的相对位置，从而改变定、转子间的磁场耦合状态，实现稳压输出。这种方法的缺点是：1、由于需增设取样控制电路和调压执行机构、执行电机等诸多设备，控制系统和机械结构都较为复杂，大大提高了生产成本；2、由于其具有复杂的调压执行机构，很难在大型发电机(例如MW级风力发电机)上应用(因为如果大型发电机采用这种方法调压，调压执行机构将非常庞大、结构异常笨重，难于实现)。此外，1999年9月11日授权公告95239710.2实用新型专利也公开了一种稳压永磁发电机，所述发电机具有与前述专利类似的结构，采用同样的方法实现稳压；2000年8月9日公开的CN1262547号发明专利申请，公开了一种永磁发电机输出电压稳定方法及稳压永磁发电机，其通过设置在同一轴线上的复位弹簧、平衡弹簧及弹簧调节螺母的共同作用，来调节定子与转子之间的相对位移量从而实现稳压，其稳压方法的本质与前述专利相同。因此这些专利所公开的稳压方法皆存在上述诸多不足。

上述该类发电机中，电枢铁芯中的磁轭还沿用传统技术即：采用多层硅钢片叠加而成。该传统技术方案存在诸多的缺点，如生产成本高、制作工艺复杂、整体磁轭的重量大，重量过大会进一步导致整个风力发电系统的大型化，给安装使用带来不便且无法实现设备的小型化发展。另外还存在一个因其自身结构而无法实现的技术方案，即在磁轭上无法轴向排列磁极，也就无法进一步实现轴向排列的磁极之间周向偏移、错开。

另外，在现有永磁直流发电机中，磁极产生的方波会产生大量的谐波，致使电机铁损较大，发电效率较低。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种简单、经济、有效、可靠的永磁无刷恒压发电机的稳压方法。

本发明要解决的另一技术问题是，根据给定条件，提供一种只需对发电机进行优化电磁设计，确定特定的电枢绕组漏电感值，无需增加任何附加设备或控制电路即能由电机自然特性实现恒压输出的永磁直流无刷变速恒压发电机。