专利名称：滑差永磁体机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及永磁体激励的机构和系统。本发明具体，但不限于，涉及通常在风力发电机中使用的永磁体感应发电机。
背景技术：
如本领域所公知的，感应发电机(IG)是一种在机械和电学上与多相感应电动机(IM)类似的发电机。当IG的轴旋转地比等效的頂的同步频率更快时，IG就产生电功率。IG通常用于能量转换系统或风力涡轮机以及微型水设施，这是因为IG可以通过最低限度地改变转子速度来产生有效功率。IG通常还在机械和电学上比其他类型发电机更简单。IG还可以更加坚固并且不需要电刷或换向器。但是，IG不是自激励的，这意味着它们需要外部电源来产生旋转磁通。一旦IG开始产生功率，可以由电网或发电机自身来提供外部电源。来自定子的旋转磁通可以在转子中感应出电流，接着产生磁场。如果转子转动地比旋转磁通率更慢，机构就像感应电动机一样工作。如果转子转动地更快，装置就用作发电机，以同步频率产生功率。在大多数IG中，在独立系统的情况下，通过连接到机构的电容器组来产生磁通。在连接电网的系统中，IG从电网中获得磁化电流。IG适用于风能转换系统，这是因为在这些应用中，速度总是可变因素。内激励的永磁体感应发电机(PMIG)的原理是已知的。这种发电机按照附加的自由旋转永磁体(PM)转子与常规感应转子相结合的原理运行，其中常规感应转子设置在感应转子和定子之间。PM转子在机构内部提供磁通，因此不需要磁化电流，进而在总体上改进机构的功率因数。当前市场上最常见的风能转换系统利用复杂的变速箱和高速的IM的组合。这些系统通常直接连接到电网，这可以通过能够滑动的頂来实现，因此实现了软联网。低速永磁体同步机构(PMSM)可替代地用于风能转换系统布局和设计中。
图1中示出了通常的传动链的布局。传动链可以表示为感应机构或者同步机构。例如如果省略齿轮箱，传动链可以表示为PMSM，如果省略转换器，传动链可以表示为感应机构。PMSM还可以基于全频电子功率转换器来改变所产生功率的电压电平和频率，因此使其直接连接到电网中。在下文中，术语功率转换器指的是全频电子功率转换器。不使用齿轮箱的系统(例如所示的系统)被称为直接驱动系统。更多变型，例如经常在风力涡轮机产业中使用的双馈感应发电机(DFIG)、PMSM和齿轮箱的组合、或頂和转换器的组合，经常在某些市场中以有限的规模(即，主要是公用规模)使用。就申请人所知，当前使用的风力涡轮机系统通常包括与齿轮箱和/或功率转换器协同操作的发电机。因为最常用的风力涡轮机通常以低转速操作，所以齿轮箱是必需的以便与高速IM一起使用。在没有各种转换器的情况下，頂只能作为高速设备，这是因为低速且直接联网的感应机构的磁化电流的大量增加。另一方面，虽然PMSM可以在低转速下有效地操作，但是不能直接连接到风能转换系统中的电网中。在传统风能转换系统中使用的齿轮箱和功率转换器在机械上是复杂的、昂贵的、经常维修的设备，这增加了整体系统的总成本。齿轮箱还使整个系统的规模和损耗增加，例如由于热量和噪音。另一方面，功率转换器是复杂的且昂贵的电敏感系统。图2中示出了通常的PMIG的布局。PMIG包括普通定子、感应式鼠笼转子、和附加的自由旋转PM转子，该PM转子位于感应机构的定子和鼠笼转子之间或在鼠笼转子的内部(或鼠笼转子的外部)，如图3所示。当用于风力涡轮机中时，由风力涡轮机转子提供给发电机的机械轴功率被传送到鼠笼式感应转子，同时PM转子在其自身轴上自由地且独立地旋转。PM转子在发电机内部提供磁通，并且在如图4的等效电路布局中所示的定子绕组中感应电压。原则上，这减少了磁化电流并且改进了机构的功率因数。这种发电机通常使用标准定子和鼠笼式转子绕组。但是，已经发现，在PM转子和定子或转子之间存在齿槽(转矩)效应。齿槽效应使PM转子相对于定子铁芯或鼠笼式转子铁芯锁止，这在低滑差(slip)速度下产生不稳定性。在风力或其他发电机应用中使用PMIG是非常诱人的，因为可以避免使用齿轮箱或用于并网的功率转换器。因此，该设备是直接驱动、直接联网的风能转换器，这是非常吸引人的设计。尽管存在这些明显的优点，但是据本申请人所知，目前还没有PMIG风力发电机被使用或测试。主要原因在于机构的构造非常困难。发明目的本发明的目的在于提供一种至少部分克服上述缺陷的永磁体感应发电机。
发明内容
根据本发明，提供了一种电能转换系统，包括:通过容纳永磁体的自由转动的转子联接的两个永磁体机构，两个永磁体机构的第一永磁体机构具有与电力系统连接的固定的定子，两个永磁体机构的第二永磁体机构具有与机械系统连接的转子，所述系统的特征在于:两个永磁体机构被彼此磁分离。根据本发明的进一步特征，永磁体机构是发电机，优选地，第一永磁体机构是同步发电机，第二永磁体机构是感应发电机，感应发电机的转子是鼠笼式转子。根据本发明的又一特征，自由转动的转子包括至少两个转子部分，每个转子部分都具有绕其外周间隔开的一组永磁体，自由转动的转子具有模块化结构，并且转子部分彼此可拆卸地固定，因此，当转子部分彼此固定时，两个永磁体机构结合操作，当转子部分彼此脱离时，两个永磁体机构单独操作。根据本发明的又一特征，当两个永磁体机构结合操作时，两个永磁体机构绕轴以同轴对齐的方式端对端地安装。自由转动的转子与感应发电机的转子同步地旋转，感应电动机相对于同步转动的永磁体转子(19)以滑差速度运行。根据本发明的又一特征，两组永磁体被机械地联接，以便一起旋转，在第一转子部分上的一组永磁体被配置成激励同步发电机的固定的定子上的线圈，在第二转子部分上的一组永磁体被配置成激励感应发电机的转子的线圈。第一转子部分以同轴对齐的方式可拆卸地固定到第二转子部分。根据本发明的又一特征，感应发电机的转子是具有非重叠转子条绕组的感应型鼠笼式转子；感应型鼠笼式转子具有集中绕组和双层绕组。电能转换系统被集成入具有转子叶片的风力涡轮机中，风力涡轮机固定到感应发电机的所述转子上。电能转换系统是直接驱动的直接联网的系统。本发明还提供了一种电能转换系统，包括两个转子和定子，两个转子的第一转子是感应型的鼠笼式转子，两个转子的第二转子是自由旋转的永磁体转子，自由旋转的永磁体转子包括两个同轴对齐的、磁分离的转子部分，每个转子部分都具有绕其外周间隔开的一组永磁体，转子部分被设置成使得第一转子部分上的一组永磁体激励定子上的线圈，第二转子部分上的一组永磁体激励感应型鼠笼式转子上的线圈。本发明还提供了一种包括本发明的电能转换系统的风力涡轮机。附图简要说明图1是通常的风力涡轮机传动链的电学布局；图2是通常的永磁体感应发电机(PMIG)的电学布局；图3是通常耦合的永磁体感应发电机的截面图；图4是图3的永磁体感应发电机的等效电路布局；图5是根据本发明的分离式永磁体感应发电机；图6是根据本发明的分离式永磁体感应发电机的截面图；图7示出了(a) IG和(b) SG的稳态dq等效电路和矢量图；图8是(a)双层IG、(b)单层IG和(C)单层SG的截面图和FE槽；图9是图5和6的分离式永磁体感应发电机的等效电路；图10是示出根据本发明在感应发电机中相对于磁体节距和槽开度的齿槽转矩灵敏度的三维图表；图11是示出图10的图表中的齿槽转矩和磁体节距的二维图表；图12是示出根据本发明的平均转矩相对于磁体节距变化的图表；图13是示出通过设计优化和齿槽转矩最小化实现的机构尺寸的表格；图14是示出根据本发明的IG的dq电感相对于dq电流的图表；图15是示出根据本发明的齿槽转矩和全负载转矩壁动相对于转子位置的图表；图16是示出根据本发明的机构中转矩相对于滑差百分比的图表；图17是示出对于负载转矩的范围根据本发明的机构的效率百分比的图表；图18是示出根据本发明的机构中相对于负载的无功功率变化的图表；以及图19是实验室测得的根据本发明的机构中在低电网电压条件下SG的朝前电流的图表。
具体实施例方式本实施例中的电能转换系统(11)还称作分离式永磁体感应发电机(“ S PMIG”)，如图5和图6所示，其通常包括具有一组转子叶片(15)的风力涡轮机(13)、感应型鼠笼式转子(17)、常用永磁体(PM)转子(19)、和联网定子(21)。S-PMIG (11)被电-磁地分成两个PM发电机(25和27)，该两个PM发电机(25和27 )通过自由旋转的模块化PM转子(19 )联接。第一发电机(25 )是同步发电机(SG)，其固定的定子(21)电连接到电网。第二发电机(27)操作为感应发电机(IG)，并且其短路转子(17)连接到涡轮机(13)上，涡轮机(13)相对于同步旋转的PM转子(19)以滑差速度运行。IG转子(17)通过安装板(29)连接到涡轮机(13)上。PM转子(19)包括两个同轴固定的转子壳(31和33)，每个转子壳都具有一组永磁体(39)，这些永磁体在转子壳的内表面上绕转子壳的外周间隔开。第一转子壳(31)与SG(25) —起操作，第二转子壳(33)与IG (27)—起操作。IG (27)的PM转子(33)安装在SG
(25)的PM转子(31)上，而IG (27)的非重叠的转子条绕组和轴(35)安装在安装板(29)上；在单层非重叠转子条绕组的情况下，短路单匝转子条线圈可以被单独地制造，并且然后插入转子槽中。应当理解，安装板(29)还可以用作转子(17)的短路导体。因此，电磁分离的PMIG可以被模制成两个分离的解耦机构(如从图9所示的每相等效电路中可以清楚地看出)。在两个机构上的每相感应电压是由旋转的PM转子(19)所引起的。在SG (25)的情况下，在定子(21)中以电网频率感应电压，并且在IG (27)的情况下，在感应转子(17)中以滑差频率感应电压。在操作期间，涡轮机(13)的旋转功率被机械地传送到感应转子(17)和被磁性地传送到PM转子(19)，从PM转子(19)处，旋转功率再次被磁性地传送到SG定子(21)，然后传送到电网。在SG (25)和IG (27)中使用非重叠绕组。应当理解，这样在减小嵌齿效应和负载转矩波动方面具有极大的优势。此外，可以减少线圈数量。低齿槽转矩是至关重要的，因为除了别的之外，它影响自由旋转的PM转子(19)的稳定性(尤其在低滑差速度的情况下)。显然，IG (27)可以被完全移除，风力涡轮机(13)直接安装在SG的安装板(37)上。然后，发电机(11)将仅是常规的的直接驱动的PM风力发电机。应当注意，IG转子(17)的轴向长度比SG定子(21)的更短，二者都处于相同的额定功率；下面将讨论这种设计优化的结果。下文中的S-PMIG的设计优化和性能评价都是在稳定状态下且在固定于转子的dq参考坐标系中实现。IG (27)和SG (25)的稳态dq公式分别由公式(I)和公式(2)给出(流出正向电流):
权利要求
1.种电能转换系统(11 )，包括: 两个永磁体机构(25、27 )，通过用于容纳永磁体(39 )并自由转动的转子(19 )联接； 所述两个永磁体机构的第一永磁体机构(25)具有与电力系统连接的固定的定子(27)； 所述两个永磁体机构的第二永磁体机构(27)具有与机械系统连接的转子(17)； 其特征在于:所述两个永磁体机构(25、27)被彼此磁分离。
2.权利要求1所述的电能转换系统(11)，其中，所述两个永磁体机构(25、27)是发电机。
3.权利要求1或2所述的电能转换系统(11)，其中，所述自由转动的转子(19)包括至少两个转子部分(31、33)，每个转子部分都具有绕其外周间隔开的一组永磁体(39)。
4.上述权利要求中任一项所述的电能转换系统(11)，其中，所述自由转动的转子(19)具有模块化结构，并且所述转子部分(31、33)彼此可拆卸地固定，从而当所述转子部分(31,33)彼此固定时，所述两个永磁体机构(25、27)结合操作，当所述转子部分(31、33)彼此脱离时，所述两个永磁体机构(25、27)单独操作。
5.上述权利要求中任一项所述的电能转换系统(11)，其中，当所述两个永磁体机构(25、27)结合操作时，所述两个永磁体机构(25、27)绕轴(35)以同轴对齐的方式端对端地安装。
6.上述权利要求中任一项 所述的电能转换系统(11)，其中，所述第一永磁体机构(25)是同步发电机，所述第二永磁体机构(27)是感应发电机，所述感应发电机(27)的转子是鼠笼式转子。
7.权利要求6所述的电能转换系统(11)，其中，所述自由转动的转子(19)与所述感应发电机的所述转子同步地旋转，所述感应电动机(27)相对于同步转动的永磁体转子(19)以滑差速度运行。
8.权利要求3-7中任一项所述的电能转换系统(11)，其中，两组永磁体被机械地联接，以便一起旋转，在第一转子部分(31)上的一组永磁体(39)被配置成激励所述同步发电机(25)的所述固定的定子(21)上的线圈，在第二转子部分(33)上的一组永磁体(39)被配置成激励所述感应发电机(27)的转子(17)的线圈。
9.权利要求4-8中任一项所述的电能转换系统(11)，其中，第一转子部分(31)以同轴对齐方式可拆卸地固定到第二转子部分(33)。
10.权利要求6-9中任一项所述的电能转换系统(11),其中,所述感应发电机(27)的所述转子(17)是具有非重叠转子条绕组的感应型鼠笼式转子。
11.权利要求10所述的电能转换系统(11)，其中，所述感应型鼠笼式转子(17)具有集中绕组和双层绕组。
12.上述权利要求中任一项所述的电能转换系统(11)，其中，所述电能转换系统(11)被集成具有转子叶片(15)的风力涡轮机(13)中，所述转子叶片(15)固定到所述感应发电机(27 )的所述转子(17 )上。
13.上述权利要求中任一项所述的电能转换系统(11)，其中，所述电能转换系统(11)是直接驱动的直接联网的系统。
14.种电能转换系统(11 )，包括:两个转子(17、19)和定子(21)，所述两个转子的第一转子(17)是感应型的鼠笼式转子，所述两个转子的第二转子(19)是自由旋转的永磁体转子； 所述自由旋转的永磁体转子(19)包括: 两个同轴对齐的、磁分离的转子部分(31、33)，每个转子部分(31、33)都具有绕其外周间隔开的一组永磁体(39)，所述转子部分(31、33)被设置成使得第一转子部分(31)上的一组永磁体(39)激励所述定子(21)上的线圈，第二转子部分(33)上的一组永磁体(39)激励所述感应型鼠笼式转子(17)上的线圈。
15.种风力涡轮机 ，包括如上述权利要求中任一项所述的电能转换系统(11)。
全文摘要
本发明涉及一种电能转换系统(11)，尤其适用于风能转换系统。该系统包括两个磁分离的永磁体机构(25、27)，两个永磁体机构(25、27)由容纳永磁体(39)的自由旋转转子(19)联接。第一机构通常是同步发电机，第二机构通常是感应发电机。同步发电机(25)具有连接到诸如电网的电力系统的固定定子(21)，感应发电机(27)具有连接到诸如风力涡轮机的机械驱动系统的转子(17)。
文档编号H02K16/02GK103098356SQ201180038295
公开日2013年5月8日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者马尔腾·简·坎珀, 约翰尼斯·亨德里克·雅各布·珀特吉尔特, 约翰·尼可·斯坦德 申请人:斯泰伦博斯大学