一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其包括主電機和勵磁機，所述主電機和勵磁機在轉軸上沿軸線并列放置。本發明采用主電機與勵磁機共軸組合結構，省去了滑環電刷裝置，提高系統供電可靠性；主電機與勵磁機在機械和磁路結構上獨立，可以分開進行電磁方案設計；電機采用電勵磁形式，與永磁發電機相比，成本大大降低；徹底解決了低風速地區利用風能的難題。
【專利說明】一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機
【技術領域】
[0001]本發明屬于發電機領域，具體是一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機。
【背景技術】
[0002]隨著化石能源的枯竭，太陽能、風能、生物質能作為種新型綠色環保能源在新世紀具有廣闊的應用前景，隨著各項實用技術的逐步完善，此類新能源將不斷得到大力普及。
[0003]目前，新能源領域以風能利用最為普及，其代表機型是中、大型風力機為主的并網模式，然而此類風力機因為體積大、葉片長、風輪的直徑大，因此轉速都是很低的，額定轉速在每分鐘20-30轉范圍。但是為其配套的發電機的轉速(每分鐘1500轉)均采用體積小、重量輕的高速發電機這是因為這些部件都要安裝在空中的機艙內，不允許超重的原因。
[0004]因此，為了滿足發電機的高轉速，必須配套使用變速比極大的變速器，拿功率為1000千瓦，每分鐘20轉的風力機來說，所配套每分鐘1500轉的發電機時就需要變速器的變速比為1:75，即風力機主軸旋轉一圈，發電機軸就要轉75圈，如此大變比的變速器，不但自身因為摩擦的原因，其本身要消耗很多的功率，一般要消耗風力機主軸總功率的1/3-1/4，同時因為變速器變比太大因此導致體積大、重量大并且在低速段的齒輪受力太大，經常損壞，是現在運轉中的風力機的主要缺陷之一。
[0005]如果是1500千瓦的風力機組，風輪為每分鐘轉17圈的風力機配套1500轉的發電機，那么變比將達到1:89，即風力機主軸轉一圈，發電機主軸要轉89圈，上述這些問題就更嚴重了，就更容易損壞了。
[0006]四年前在大型風力發電機的結構創新方面出現了一種無變速器的永磁直驅式低速發電機，其轉速很低可以直接與低轉速的風力機直接連接，不再需要變速器，其轉子是由磁力很強的稀土永磁鐵制作的，雖然是不用變速器了，但是因為轉子的磁力太強，致使這種發電機的啟動阻力太大，目前僅適用于高風速地區使用，因為只在高風速地區才能使風力機獲得很大的轉動力矩，才能克服永磁鐵轉子對定子的吸引力，才能夠啟動。
[0007]但是高風速的地區，專業上稱為“風能資源豐富區”僅占我國國土面積的8%，其它如風能資源較豐富區占18% ;可利用區占50% ;貧乏區占24%。因此，目前的風力機都是安裝在8%的地區中，而其它國土面積的絕大部分都無法利用現在的這種模式的風力機。目前傳統的在中、大型風力機上配套的發電機的形式，無論是早期的恒速、恒頻式風力機，還是改進后的變速、變頻雙饋式風力機以及最新式的直驅永磁的風力機，都是不能解決低風速區的啟動問題，因此無法在絕大部分地區使用。
[0008]然而這兩類地區占我國國土總面積的68%，我國的風能利用模式如果不能夠在68%的國土面積上發展，而僅僅是在8%的國土面積上做文章，想要大力發展風能資源，其實是有嚴重缺陷的，如果在此類地區(我國沿海大部分地區，年平均風速為4-6秒/米，但是風能有效小時在5000-7000小時，即風速低、時間長，總量很大，但風速偏低所以現有模式的風力機無法利用)，能夠解決低風速風力機和配套的發電機的問題，毋庸置疑，是可以大大拓寬風能資源的利用地區范圍，從根本上改變我國風能利用大局。
[0009]本發明所提出的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，正是立足于占 國土面積68%的風能資源較豐富區和可利用區地區，研究開發低風速風力機組，充分利用 占68%的土地面積的風能，解決這些大范圍地區的風能利用難題，而提出的一種前任沒有 的、先進的、實用的技術及裝置，希望我國的風能資源利用步入一個嶄新的局面。
[0010]風力機獲得的能量是與風力機的迎風面積成正比，并且與風速的3次方成正比的 關系，因此，低風速的風力機也毫無例外的遵循這個定律，即，風力機的獲得能量與風速的3 次方成正比，因此在風速降低時，總輸出功率也以3次方的規律降低，一般是表現為低風速 時不能啟動，這是因為在低風速的情況下風力機獲得的能量很小，不能克服啟動阻力，而傳 統的風力機因為有變速比特大的變速器，所以阻力特別大，而永磁直驅式的風力機組雖然 沒有變速器，但是因為使用的轉子是擁有極強磁力的稀土磁鐵做成，因此轉子對定子的磁 吸力特別大，也是表現為啟動阻力巨大，無法在低風速時啟動。
[0011]風速低時能量太小，所以現在的大型風力機都是工作在高風速區(風速> 10s/m, 一般額定風速范圍是12-16s/m)，小于lOs/m的風速根本不能啟動，皆因為啟動阻力大大超 過了風力機在這個風速中所獲得的動力。
[0012]在風能資源較豐富區，一般的平均風速是5-lOs/m (4-6級風)，在風能資源可利用 區，平均風速是3-7s/m (2-5級風）
因此，要想利用低于lOs/m)的風能，必須要在風力機啟動時完全沒有任何阻力才行，本 發明就是以可調控電勵磁方式，在風力機啟動時斷開勵磁電流，使風力機在沒有任何阻力 的情況下順利啟動，而風力機啟動后即可充分的利用這些低風速地區的風能資源。

【發明內容】

[0013]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速 發電機。
[0014]一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于其包括主電機和勵 磁機，所述主電機和勵磁機在轉軸上沿軸線并列放置。
[0015]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述主電機 包括主機轉子支架，所述主機轉子支架的上部設置有主機轉子鐵心，所述主機轉子鐵心的 外部設置有主機勵磁繞組，主機轉子鐵心的上部設置有主機定子鐵心，主機定子鐵心的外 部設置有主機定子電樞繞組；所述勵磁機包括勵磁機轉子支架，所述勵磁機轉子支架的上 部設置有勵磁機轉子鐵心，所述勵磁機轉子鐵心的外部設置有勵磁機電樞繞組，勵磁機轉 子鐵心的上部設置有勵磁機定子鐵心，勵磁機定子鐵心的外部設置有勵磁機勵磁繞組。
[0016]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述勵磁機 勵磁繞組與直流電源連接，所述勵磁機電樞繞組與整流裝置的輸入端連接，所述主機勵磁 繞組與整流裝置的輸出端連接，所述主機定子電樞繞組與三相對稱負載或整流負載連接。
[0017]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于在轉軸上設 置有端蓋和機殼，所述主電機和勵磁機設置在所述端蓋和機殼中。
[0018]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述端蓋與 轉軸之間設置有軸承。[0019]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于在轉軸上端蓋的外側設置有整流裝置。
[0020]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述主電機的繞組輸出線圈是36極一48極，轉速范圍是100— 200轉/每分鐘，所述勵磁機電樞繞組為12 — 36對勵磁線圈組成，勵磁電壓為0-120V，電流為0-80A直流電。
[0021]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于主電機的勵磁電源由安裝在轉軸上的勵磁直流電源提供。
[0022]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于主電機的勵磁電源由安裝在轉軸上的交流低壓勵磁繞組提供，所述交流低壓勵磁繞組的交流電由安置在主電機上的定子副繞組提供，所述定子副繞組接入低壓直流電后，通過電磁感應的無接觸方式感應到交流低壓勵磁繞組，交流低壓勵磁繞組的交流電再經過安置在轉軸上的三相或者是單相整流器整流為直流電，所述交流低壓勵磁繞組是三相繞組或者單相繞組。
[0023]所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于主電機的主機繞組和勵磁機的勵磁繞組均為凸極式結構。
[0024]本發明采用大幅度的電勵磁方式，勵磁電流調整范圍在0-80A直流電，可以使風力機根據風況大幅度調節主發電機的輸出功率，如:在3.4-5.4的風速(3級風)時，此時根據風速傳感器的信號，將勵磁電流調整為零，即發電機沒有任何輸出功率，整個主機除兩盤軸承外，沒有任何阻力，在這樣小的風況時風力機即可順利啟動，風力機啟動后在空氣流的作用下，葉片與空氣流會自動形成一個“攻角”，從而產生連續增大的動力，而風力機不轉動時，這個現象是不產生的。
[0025]當風速增大到8-10S/m (5級風)，此時根據傳感器測到的風速，自動調節勵磁電流到60A，整個過程是連續自動調節，發電機輸出功率是平穩的自動增大，這就是大幅度調節勵磁電流而達到低風速啟動和自動輸出功率的方案，這種方式既沒有變速器的巨大阻力，又沒有永磁轉子的巨大磁吸引阻力成本還很低，從技術角度看，要優于這兩類方式。
[0026]多級數主電機，因為這是低轉速狀態的運行方式，普通的高速發電機在這樣的轉速下是不能發電，所以必須使發電機在低速狀態下也能夠高效率的發電，本發明之所以將主機的定子繞組設計成36-48極，就是在低速狀態下可以高效率的發電，給主機定子繞組勵磁的勵磁機也是36-48極的凸極式勵磁機，這個范圍設計是根據當地的風速、風況決定的，可以適合我國的各個地區不同的風況，制作出低成本的風力發電機組。
[0027]另外，本發明也是以直驅方式將風力機的能量傳遞到發電機的，也是取消了又耗能又昂貴又故障百出的變速器，為降低成本創新了一種新技術方式。
[0028]本發明的勵磁直流電是有專門設置的蓄電池提供的，此蓄電池在風力發電機組啟動前并不工作，是在風力發電機組啟動后才開始工作，是根據當時的風況逐步的變化直流勵磁電流，使風力機不但能夠在極低的風速下啟動，而且可以隨時調節到相應的風況的高效率輸出能量形式，這樣不但做的了高效率，更是解決了傳統的發電機離不開銅環、碳刷接觸的勵磁方式，不但可以將發電機做成全密封狀態，實現防水、防霧、防腐蝕、防雷電的特性，更是不再定期更換碳刷了，可以說永遠不存在碳刷接觸不良的問題，可以長時間安全工作。
[0029]本發明的有益效果是:采用主電機與勵磁機共軸組合結構，省去了滑環電刷裝置，提高系統供電可靠性；主電機與勵磁機在機械和磁路結構上獨立，可以分開進行電磁方案設計；電機采用電勵磁形式，與永磁發電機相比，成本大大降低；徹底解決了低風速地區利用風能的難題。
[0030]【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發明的軸向截面示意圖；
圖2是本發明的電機繞組連接圖；
圖中，I一主機轉子支架；2—主機勵磁繞組；3—主機轉子鐵心；4一端蓋；5—機殼；6—主機定子鐵心；7—主機定子電樞繞組；8—勵磁機定子鐵心；9一勵磁機勵磁繞組；10—勵磁機電樞繞組；11 一勵磁機轉子鐵心；12—勵磁機轉子支架；13—軸承；14一整流裝置；15—轉軸；16—主電機；17—勵磁機。
[0032]【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0034]如圖1所示，本發明的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，
包括主電機16和勵磁機17,主電機16和勵磁機17在轉軸15上沿軸線并列放置。主電機16包括主機轉子支架1，主機轉子支架I的上部設置有主機轉子鐵心3，主機轉子鐵心3的外部設置有主機勵磁繞組2，主機轉子鐵心3的上部設置有主機定子鐵心6，主機定子鐵心6的外部設置有主機定子電樞繞組7 ;勵磁機17包括勵磁機轉子支架12，勵磁機轉子支架12的上部設置有勵磁機轉子鐵心11，勵磁機轉子鐵心11的外部設置有勵磁機電樞繞組10，勵磁機轉子鐵心11的上部設置有勵磁機定子鐵心8，勵磁機定子鐵心8的外部設置有勵磁機勵磁繞組9。電機中包括4套繞組，其中，主機定子電樞繞組7和勵磁機勵磁繞組9固定不動，主機勵磁繞組2和勵磁機電樞繞組10固定在轉子上，隨轉軸15旋轉。勵磁機17的電樞繞組輸出交流電源經整流后獲得直流電源，該直流電源作為主機勵磁繞組2的勵磁電源。主電機16的主機繞組和勵磁機17的勵磁繞組均為凸極式結構。
[0035]主電機定子鐵心6、主電機定子電樞繞組7、勵磁機勵磁繞組9、勵磁機定子鐵心8、機殼5、端蓋4固定不動，主機轉子鐵心3、主機勵磁繞組2、勵磁機轉子鐵心11、勵磁機電樞繞組10，主機轉子支架1、勵磁機轉子支架12、整流裝置14隨轉軸15 —起旋轉。主電機16與勵磁機17在軸向方向上為并列結構,勵磁機17極對數盡量是主電機16極對數的3倍以上。電機就有一個電能輸入端口(勵磁機勵磁繞組)和一個電能輸出端口(主機電樞繞組)，勵磁機電樞繞組和主機勵磁繞組經整流裝置構成閉合回路。
[0036]勵磁機勵磁繞組9與直流電源連接，勵磁機電樞繞組10與整流裝置14的輸入端連接，主機勵磁繞組2與整流裝置14的輸出端連接，主機定子電樞繞組7與三相對稱負載或整流負載連接。主電機16的繞組輸出線圈是36極一48極，轉速范圍是100— 200轉/每分鐘，所述勵磁機電樞繞組10為12 — 36對勵磁線圈組成，勵磁電壓為0-120V，電流為
0-80A直流電。主電機16的勵磁電源由安裝在轉軸15上的勵磁直流電源提供，或者由安裝在轉軸15上的交流低壓勵磁繞組提供，交流低壓勵磁繞組的交流電由安置在主電機上的定子副繞組提供，定子副繞組接入低壓直流電后，通過電磁感應的無接觸方式感應到交流低壓勵磁繞組，交流低壓勵磁繞組的交流電再經過安置在轉軸上的三相或者是單相整流器整流為直流電，交流低壓勵磁繞組是三相繞組或者單相繞組。
[0037]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于其包括主電機(16)和勵磁機(17)，所述主電機(16)和勵磁機(17)在轉軸(15)上沿軸線并列放置。
2.如權利要求1所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述主電機(16)包括主機轉子支架(I )，所述主機轉子支架(I)的上部設置有主機轉子鐵心(3)，所述主機轉子鐵心(3)的外部設置有主機勵磁繞組(2)，主機轉子鐵心(3)的上部設置有主機定子鐵心(6)，主機定子鐵心(6)的外部設置有主機定子電樞繞組(7);所述勵磁機(17)包括勵磁機轉子支架(12)，所述勵磁機轉子支架(12)的上部設置有勵磁機轉子鐵心(11)，所述勵磁機轉子鐵心(11)的外部設置有勵磁機電樞繞組(10 )，勵磁機轉子鐵心(11)的上部設置有勵磁機定子鐵心(8)，勵磁機定子鐵心(8)的外部設置有勵磁機勵磁繞組(9)。
3.如權利要求2所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述勵磁機勵磁繞組(9)與直流電源連接，所述勵磁機電樞繞組(10)與整流裝置(14)的輸入端連接，所述主機勵磁繞組(2)與整流裝置(14)的輸出端連接，所述主機定子電樞繞組(7)與三相對稱負載或整流負載連接。
4.如權利要求1所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于在轉軸(15)上設置有端蓋(4)和機殼(5)，所述主電機(16)和勵磁機(17)設置在所述端蓋(4)和機殼(5)中。
5.如權利要求4所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述端蓋(4 )與轉軸(15 )之間設置有軸承(13 )。
6.如權利要求4所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于在轉軸(15 )上端蓋(4 )的外側設置有整流裝置(14 )。
7.如權利要求2所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于所述主電機(16)的繞組輸出線圈是36極一48極，轉速范圍是100— 200轉/每分鐘，所述勵磁機電樞繞組(10)為12 — 36對勵磁線圈組成，勵磁電壓為0-120V，電流為0-80A直流電。
8.如權利要求1所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于主電機(16)的勵磁電源由安裝在轉軸(15)上的勵磁直流電源提供。
9.如權利要求1所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于主電機(16)的勵磁電源由安裝在轉軸(15)上的交流低壓勵磁繞組提供，所述交流低壓勵磁繞組的交流電由安置在主電機(16)上的定子副繞組提供，所述定子副繞組接入低壓直流電后，通過電磁感應的無接觸方式感應到交流低壓勵磁繞組，交流低壓勵磁繞組的交流電再經過安置在轉軸(15)上的三相或者是單相整流器整流為直流電，所述交流低壓勵磁繞組是三相繞組或者單相繞組。
10.如權利要求1所述的一種適應低風速風力機的無刷電勵磁低速發電機，其特征在于主電機(16)的主機繞組和勵磁機(17)的勵磁繞組均為凸極式結構。
【文檔編號】H02K19/38GK103546007SQ201310543407
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】俞海鍵, 付興賀, 毛華 申請人:浙江日月昇科技有限公司