专利名称：一种永磁无刷恒压发电机及其稳压方法
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l、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(例如丽级风力发电机)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
4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。 按照本发明提供的一种永磁无刷恒压发电机的稳压方法采用的主要技术方案为， 该发电机由变速原动机驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向恒压负载，该发电机 在最大工作转速时绕组漏感电抗的标幺值等于发电机最大、最小工作转速差与最小工作转 速之比，其值范围为l至1.8，该方法是根据发电机输出电压的计算公式U二f(n) =E_X*I， 设计发电机的电枢铁芯时使其用于容置电枢绕组的容置槽的深度与宽度之比在3:l至
6 : i之间，从而选取调整发电机工作时的电枢绕组的漏感电抗，使得当该发电机的转速在
其工作转速范围内变化时，发电机的电势E与电枢绕组的漏电抗压降X I等量、同步变化， 从而实现恒压输出。 按照本发明提供的一种永磁无刷恒压发电机的稳压方法还采用如下附属技术方 案设计该发电机的所述电枢铁芯时使所述容置槽的深度与宽度之比为4 : l或5 : 1;
选用导磁体作为封闭所述电枢绕组的槽楔，以进一步增加所述电枢绕组的漏电感 值，从而获得所需的漏感电抗； 按照本发明提供的永磁无刷恒压发电机采用的主要技术方案为该发电机由变速 原动机驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向恒压负载，所述发电机包括一定子， 包括电枢铁芯、安装于所述电枢铁芯内的绕组及用于安装所述电枢铁芯的铁芯安装架一 转子，可转动地安装于所述定子上，由所述变速原动机驱动旋转，其包括永磁磁极和用于安
装所述永磁磁极的磁极固定架；一多相全波整流器，接所述绕组的输出端，其将电流整流后 再输出至所述逆变器；所述电枢铁芯上成形有多道容置槽，所述绕组安装于所述容置槽内，
所述容置槽的深度与宽度的之比在3:l至6:i之间。 按照本发明提供的永磁无刷恒压发电机还采用如下附属技术方案所述容置槽内 安装有槽楔，所述槽楔为导磁体，其将所述绕组封闭于所述容置槽内；
所述容置槽的深度与宽度之比为4 : l或5 : i; 所述电枢铁芯包括磁轭，所述磁轭为中空的圆筒结构； 所述永磁磁极粘接于所述圆筒结构的磁轭的内表面或外表面上；所述圆筒的磁轭的截面壁厚的最大厚度小于永磁磁极宽度的六分之一； 所述永磁磁极的侧壁与顶壁之间具有一楔形面，所述楔形面与侧壁的夹角以及与顶壁的夹角在90度至180度之间；所述楔形面的长度为永磁磁极厚度的二分之一 ；
在所述磁轭的内表面或外表面上粘接有多组磁极组，每组磁极组由多块永磁磁极依次沿轴向拼接而成、且依次沿周向偏移、错开，每组磁极组中的首块永磁磁极与尾块永磁磁极之间的最大周向偏移量为永磁磁极自身宽度的1/6至1/8 ; 所述磁轭的内表面或外表面上固定有采用非导磁材料或导磁材料制成的多个周向偏移定位件，所述周向偏移定位件之间形成有多个彼此周向偏移、错开的定位槽，所述每组磁极组中的永磁磁极位于所述定位槽中。 采用本发明提供的一种永磁无刷恒压发电机的稳压方法带来的有益效果为(l)由于仅通过增大电枢铁心上绕组容置槽的深、宽比来增加绕组的漏感电抗，并合理利用了电枢反应的去磁特性，从而实现稳压，且保证了其稳压效果。与现有技术相比，一方面，这种完全靠优化电磁设计确定的电机参数来实现稳压的发电机，不需要增加任何检测、控制环节及执行机构等，不仅结构大为简化，成本大大降低，效率和可靠性大大提高，而且非常适用于类似于风力发电机的这种大型发电机上；另一方面，克服了现有技术中的技术偏见。现有技术中，设计发电机时，为了提高发电机的效率和功率因数，提高发电机在负载变化时输出电压的稳定性，一般都要努力减小绕组的漏感电抗。而本发明的发明思路刚好与其相反——通过增大漏感电抗来实现永磁变速恒压发电机的恒压输出。因此不仅在大功率永磁直流无刷发电机变速恒压输出方面实现了飞跃性的技术突破，用电机自然输出特性达到了永磁变速恒压输出的目的；而且这种新颖独特的设计思想也给本领域的普通技术人员对永磁发电机的稳压研发提供了更广阔的思路。(2)该方法在设计发电机的电枢铁芯时使其用于容置电枢绕组的容置槽的深度与宽度之比在3 : l至6 : l之间，在实现稳压输出的同时，使整个电枢铁芯的工艺性更好、且在制造的过程中更节省原材料、降低生产成本。整个电枢铁芯体积更小，更易实现设备的小型化。 采用本发明提供的一种永磁无刷恒压发电机带来的有益效果为(1)发电机可与变速风轮的输出特性实现直接耦合匹配，运行转速变化范围宽，最大、最小工作转速的变化范围可达到最大工作转速的70%。既保持了永磁发电机的高效率、轻便、结构简单等优点，又能在变速变负载情况下自动实现稳压，其发出的恒压直流电只需经逆变即可并网。系统中减少了大量的机电检测及调控设备，不仅结构简单，降低造价，也提高了运行可靠性。(2)
本实用新型设计容置槽的深度与宽度之比在3 : l至6 : i之间，在实现稳压输出的基础
上，制作的工艺性更好、也更节省材料、减小体积。(3)电枢铁芯中的磁轭为中空的圆筒结
构，取代了现有磁轭采用多层硅钢片叠加而成的技术方案，生产制作工艺简单、安装方便，并且重量大大减轻，有利于实现整个发电系统的小型化发展，而且圆筒结构只需具有一定的壁厚即可，其内均为中空结构，大大节省原材料，降低生产成本。另外，圆筒结构可以实现
多个磁极的轴向拼接，并且可以进一步实现磁极之间可以周向偏移、错开。(4)本发明在磁轭上设置多个轴向拼接的磁极，并且磁极之间在周向上偏移、错开。能够有效改善磁场波
6形、减小阻力矩，且实现结构简单、成本低。(5)本发明的磁极在侧壁与顶壁之间具有一楔形面，该楔形面为与侧壁和顶壁之间具有一定夹角的倾斜面。具有该倾斜面的磁极，形成的气隙磁场更接近于正弦波，而不具有楔形面的磁极，其形成的气隙磁场近似于梯形波，磁场的谐波分量大。与之相比，本发明提供的磁极最大限度的避免、减小谐波分量，使铁损大大减
小，提高发电效率，延长发电机的使用寿命。(6)本发明的发电机每极每项槽数设计为l ± e
或鲁±￡ (￡《))。当q二(士 ￡或|± ￡ (￡ <<|)时，每极接近一个槽或两个
槽，该设计可以使电枢端部尺寸减小，减少用铜量；电枢下线操作简单；Q=|± ￡三相绕组
互不相叠，不需要相间绝缘，不会发生相间击穿现象；(4)9二^±￡ ( e <<|)只是每两相绕组间相互交叠，相间绝缘用量少，与q > 1相比发生相间击穿现象概率低。可靠性提高。
图1为本发明提供的永磁无刷恒压发电机的应用原理示意图； 图2为按照本发明提供的内转式永磁无刷恒压发电机的侧面剖示图； 图3为本发明提供的永磁无刷恒压发电机电枢绕组的平面结构示意图； 图4为电枢铁芯磁轭、磁极的轴向剖视图；示出磁极位于圆筒结构的磁轭的内表
面； 图5为电枢铁芯磁轭、磁极的轴向剖视图；示出磁极位于圆筒结构的磁轭的外表面； 图6为磁极的侧面剖视图，示出磁极上的楔形面的结构； 图7为现有发电机采用的不具有楔形面磁极所形成的方波波形； 图8为采用具有楔形面的磁极所产生的近似于正弦波的波形； 图9为磁极在磁轭上沿周向错开的结构示意图； 图10为周向偏移定位件的结构示意图； 图11为图10的A-A剖视图； 图12为从圆周方向看的转子展开图，示出磁极周向偏移、错开的结构；
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步的详述 本发明提供了一种永磁无刷恒压发电机的稳压方法，该发电机由变速原动机驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向恒压负载，该发电机在最大工作转速时绕组漏感电抗的标幺值等于发电机最大、最小工作转速差与最小工作转速之比，其值范围为1至1. 8，该方法是根据发电机输出电压的计算公式U = f (n) = E-X *1，设计发电机的电枢铁芯时使其用于容置电枢绕组的容置槽的深度与宽度之比在3 : l至6 : l之间，该比例范围
包括3 : l和6 : i的两个端点。从而选取调整发电机工作时的电枢绕组的漏感电抗，使
得当该发电机的转速在其工作转速范围内变化时，发电机的电势E与电枢绕组的漏电抗压降X I等量、同步变化，从而实现恒压输出。
根据电机学理论，永磁无刷恒压风力发电机在工作转速范围内，在忽略电枢内阻的情况下，可以等效成一个正比于转速n变化的电势E与一个等效电抗压降X"组成的电源，其表达式为U = f(n) "E-X* I，其中U为发电机输出电压，X为电枢等效漏电抗，I为等效电流，等效漏电抗X二2JifL，L为等效漏电感。本发明的方法是根据上述表达式，通过对发电机进行电磁设计，确定合适的电抗X，靠电抗压降XI与发电机电势E的同步变化来实现变速下输出电压U的恒定，具体措施为通过增大电枢铁芯内用于容置绕组的容置槽的深度、宽度比或采用适当厚度的磁性槽楔来获得电枢绕组合适的漏电感L值，使电枢绕组漏电抗XX = 2 fL能够满足漏抗压降X I与电势E等量、同步变化，从而实现稳压。
作为上述方法的一种具体实施方案，设计该发电机的电枢铁芯时使容置槽111的深度与宽度之比为4 : 1。除该方案中的比例外，容置槽的深度与宽度之比也可为5 : 1。
作为上述方法的更进一步措施，同时选用导磁体作为封闭电枢绕组的槽楔，以进一步增加电枢绕组的漏电感值，从而获得所需的漏感电抗。
用于实施上述稳压方法的发电机的具体实施方案，详见下述。 如图1、图2所示， 一种永磁无刷恒压发电机，该发电机10由变速原动机驱动，发出的恒压直流电经逆变器20变频后输向恒压负载30，发电机10包括一定子l，包括电枢铁芯11、安装于电枢铁芯11内的绕组12及用于安装电枢铁芯11的铁芯安装架13。 一转子2，可转动地安装于定子1上，由变速原动机驱动旋转，其包括永磁磁极21和用于安装永磁磁极21的磁极固定架22。 一多相全波整流器3，接绕组12的输出端，其将电流整流后再输出至逆变器20。如图3所示，电枢铁芯11上成形有多道容置槽lll，绕组12安装于容置槽111内，容置槽lll的深度H与宽度B的之比在3 : l至6 : l之间。 容置槽111内安装有槽楔14，槽楔14为导磁体，其将绕组12封闭于容置槽111内。以进一步增加电枢绕组的漏电感值，从而获得所需的漏感电抗。 本实施例中，容置槽lll的深度H与宽度B之比为4 : 1。除此之外，也可采用容置槽lll的深度H与宽度B之比为5 : l的方案。 如图3、图4、图5中所示，电枢铁芯11包括磁轭112，磁轭112为中空的圆筒结构。永磁磁极21粘接于圆筒结构的磁轭112的内表面或外表面上，以形成外转式发电机或内转式发电机。如图4所示，圆筒结构的磁轭112的截面壁厚L的最大厚度小于永磁磁极21宽度K的六分之一。 电枢铁芯11中的磁轭112设计为中空的圆筒结构，取代了现有磁轭采用多层硅钢片叠加而成的技术方案，生产制作工艺简单、安装方便，并且重量大大减轻，有利于实现整个发电系统的小型化发展，而且圆筒结构只需具有一定的壁厚即可，其内均为中空结构，大大节省原材料，降低生产成本。另外，圆筒结构可以实现多个磁极21的轴向拼接，并且磁极21之间可以周向偏移、错开。 另外，在电枢机壳的外表面设有用于散热的散热片15。 如图6所示，永磁磁极21的侧壁211与顶壁212之间具有一楔形面213，该楔形面213为与侧壁211和顶壁212之间具有一定夹角的倾斜面。楔形面213与侧壁211的夹角c以及与顶壁212的夹角a在90度至180度之间。楔形面213的长度S为永磁磁极21厚度J的二分之一。 如图8所示，本发明采用的具有该楔形面212的磁极21，形成的气隙磁场更接近于正弦波，而不具有楔形面的磁极，其形成的气隙磁场近似于梯形波，磁场的谐波分量大，如图7中所示。与之相比，本发明提供的磁极21的结构，所产生的磁场最大限度的避免、减小谐波分量，使铁损大大减小，提高发电效率，延长发电机的使用寿命。 如图9至图12所示，在磁轭112的内表面或外表面上粘接有多组磁极组，每组磁极组由多块永磁磁极21依次沿轴向拼接而成、且依次沿周向偏移、错开，每组磁极组中的首块永磁磁极21与尾块永磁磁极21之间的最大周向偏移量为永磁磁极21自身宽度K的六分之一至八分之一。 如图9所示，磁轭112的内表面或外表面上固定有采用非导磁材料或导磁材料制成的多个周向偏移定位件113，周向偏移定位件113之间成形有多个彼此周向偏移、错开的定位槽115，每组磁极组中的永磁磁极21位于定位槽115中。 如图5所示，永磁磁极21外表面利用浸有树脂的无碱玻璃丝布带114或无讳带114绑扎固定。 本发明提供的发电机的每极每相槽数q可以为l士 ￡或|± e (e 〈"^^)。当
q=|± ￡或|± e ( ￡<<|)时，每极接近一个槽或两个槽。该结构的电枢铁芯ll端
部尺寸小，减少用铜量；电枢铁芯下线操作简单；q=| ± e三相绕组互不相叠，不需要相间
绝缘，不会发生相间击穿现象；9=|± e ( ￡ <<|)只是每两相绕组间相互交叠，相间绝缘用量少，与q > 1相比发生相间击穿现象概率低，可靠性提高。
权利要求
一种永磁无刷恒压发电机的稳压方法，该发电机由变速原动机驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向恒压负载，该发电机在最大工作转速时绕组漏感电抗的标幺值等于发电机最大、最小工作转速差与最小工作转速之比，其值范围为1至1.8，其特征在于该方法是根据发电机输出电压的计算公式U＝f(n)＝E-X·I，设计发电机的电枢铁芯时使其用于容置电枢绕组的容置槽的深度与宽度之比在3∶1至6∶1之间，从而选取调整发电机工作时的电枢绕组的漏感电抗，使得当该发电机的转速在其工作转速范围内变化时，发电机的电势E与电枢绕组的漏电抗压降X·I等量、同步变化，从而实现恒压输出。
2. 根据权利要求1所述的永磁无刷恒压发电机的稳压方法，其特征在于设计该发电机的所述电枢铁芯时使所述容置槽的深度与宽度之比为4 : l或5 : i。
3. 根据权利要求1所述的永磁无刷恒压发电机的稳压方法，其特征在于选用导磁体作为封闭所述电枢绕组的槽楔，以进一步增加所述电枢绕组的漏电感值，从而获得所需的漏感电抗。
4. 一种永磁无刷恒压发电机，该发电机(10)由变速原动机驱动，发出的恒压直流电经 逆变器(20)变频后输向恒压负载(30)，所述发电机(10)包括一定子(l)，包括电枢铁芯(11)、安装于所述电枢铁芯(11)内的绕组(12)及用于安装 所述电枢铁芯(11)的铁芯安装架(13):一转子(2)，可转动地安装于所述定子(1)上，由所述变速原动机驱动旋转，其包括永 磁磁极(21)和用于安装所述永磁磁极(21)的磁极固定架(22);一多相全波整流器(3)，接所述绕组(12)的输出端，其将电流整流后再输出至所述逆 变器(20);其特征在于所述电枢铁芯(11)上成形有多道容置槽(lll)，所述绕组(12)安装于所述容置槽(lll)内，所述容置槽(lll)的深度与宽度的之比在3 : l至6 : l之间。
5. 根据权利要求4所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述容置槽(111) 内安装有槽楔(14)，所述槽楔(14)为导磁体，其将所述绕组(12)封闭于所述容置槽(111) 内。
6. 根据权利要求4或5所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述容置槽 (111)的深度与宽度之比为4 : l或5 : 1。
7. 根据权利要求4所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述电枢铁芯(11) 包括磁轭(112)，所述磁轭(112)为中空的圆筒结构。
8. 根据权利要求7所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述永磁磁极(21) 粘接于所述圆筒结构的磁轭(112)的内表面或外表面上；所述圆筒结构的磁轭(112)的截 面壁厚的最小厚度大于永磁磁极(21)宽度的六分之一。
9. 根据权利要求4所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述永磁磁极(21) 的侧壁(211)与顶壁(212)之间具有一楔形面(213)，所述楔形面(213)与侧壁(211)的夹 角以及与顶壁的夹角在90度至180度之间，所述楔形面(213)的长度为永磁磁极(21)厚 度的二分之一。
10. 根据权利要求8所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于在所述磁轭(112) 的内表面或外表面上粘接有多组磁极组，每组磁极组由多块永磁磁极(21)依次沿轴向拼 接而成、且依次沿周向偏移、错开，每组磁极组中的首块永磁磁极(21)与尾块永磁磁极(21)之间的最大周向偏移量为永磁磁极(21)自身宽度的六分之一至八分之一。
11. 根据权利要求8所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述磁轭(112)的 内表面或外表面上固定有采用非导磁材料或导磁材料制成的多个周向偏移定位件(113)， 所述周向偏移定位件(113)之间形成有多个彼此周向偏移、错开的定位槽(115)，所述每组 磁极组中的永磁磁极(21)位于所述定位槽(115)中。
12. 根据权利要求4所述的一种永磁无刷恒压发电机，其特征在于所述发电机的每极每相槽数q为)土 ￡或^± e ，其中，所述￡小于4。
全文摘要
本发明涉及一种永磁无刷恒压发电机及其稳压方法，该发电机由变速风轮驱动，发出的恒压直流电经逆变器变频后输向电网，该发电机在最大工作转速时电枢绕组漏电抗标幺值X*等于发电机最大、最小工作转速之差与最小工作转速之比，其值范围为1至1.8，该方法是通过对发电机本身进行优化电磁设计，来增大该发电机的电枢绕组的漏电感值，从而增大发电机工作时的电枢绕组的漏感电抗，使得当该发电机的转速在其工作转速范围内变化时，发电机的电势E与电枢绕组的漏电抗压降X·I等量、同步变化，从而实现恒压输出。该发电机不需要增加任何检测、控制环节及执行机构等即能实现稳压，结构大为简化，成本大大降低，简单、经济、有效、可靠。
文档编号H02P9/44GK101783643SQ20091000556
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者刘慧博, 刘长安, 张继鹏, 徐英振 申请人:包头长安永磁电机研发有限公司