[发明专利]双气隙混合励磁直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电领域，特别是涉及一种大型双气隙混合励磁直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统。

背景技术

随着风电产业的不断发展，风电技术也在不断地升级、换代，主要表现为：提高单机容量、发展新技术改善风电机组性能、提高风能利用率、降低风电成本，更加重视风电机组安全性和系统可靠性控制。风电场运行控制、预测调度技术也在不断完善，同时，利用海上风能资源，发展海上风电场建设技术、研制大型海上风电机组成为技术发展重点。

目前功率在兆瓦级及以上的大型风电机组主要以双馈型风力发电机组和直驱全功率变换型风力发电机组为主。双馈型风力发电机组有最好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱。双馈型风力发电机组的传动链必须要有大功率齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求。直驱全功率变换型风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了大功率齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高，但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数直驱永磁同步发电机、直驱电励磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，同时随着机组容量的不断增大，大功率变频器价格昂贵增加了其使用成本。

开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心的，开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变频器及控制、驱动的简洁性。风力机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上，开关磁阻发电机本身具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点。与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温(＞250℃)环境运行和大容量、高效率及高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组内无电藕合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。

随着大功率电力电子器件性价比的提高以及控制策略的发展，开关磁阻风力发电系统的优势将会逐渐得以体现。

随着电机功率的增大，电机的体积将会越来越大。特别对于低速电机，例如开关磁阻风力发电机，当功率大于兆瓦或数兆瓦以上时，其体积将会变得相当庞大，以至于会对运输带来极大困难。同时，传统开关磁阻电机定子电枢绕组电流同时承担励磁和产生电磁转矩的双重作用，绕组和逆变器容量要求较大，系统的效率和材料的有效利用率较低。

由此可见，上述现有的开关磁阻风力发电机在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可大幅减小电机体积和重量，降低成本、方便运输并提高机组效率的新的大型双气隙混合励磁直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统，是当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双气隙混合励磁直驱开关磁阻风力发电机，使其可大幅减小体积和重量，既降低成本又方便运输，从而克服现有开关磁阻风力发电机的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种双气隙混合励磁直驱开关磁阻风力发电机，包括主轴、外壳、定子和转子，所述的定子包括外定子和内定子，外定子和内定子均包括定子铁芯、定子绕组和永磁体；所述的转子采用双凸极结构，位于内、外定子之间，并与主轴联动；外定子与转子形成第一工作气隙，转子与内定子形成第二工作气隙，外定子与内定子的定子绕组对应同向绕组反向串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

作为本发明的一种改进，所述的外定子和内定子的定子铁芯与定子绕组之间还设有槽绝缘层，并在定子绕组内设有线圈间绝缘层，在定子绕组与永磁体间设置磁性槽楔。

还包括转子转盘、空心短轴、轴承和定心机构，其中：转子前端与转子转盘固定连接，后端通过定心机构与外壳可转动连接；空心短轴与主轴连接，轴承的内环套装在空心短轴上，并由转子转盘将其压紧。

所述的轴承采用双列滚子轴承。

所述的定心机构包括定心轴承以及固定定心轴承位置的轴承端盖、前轴套和后轴套，其中：轴承端盖通过转子后端支撑件与转子后端固定连接，前轴套和后轴套通过发电机后法兰与外壳固定连接。