风力发电用模块化电励磁磁通切换发电的制造方法
【专利摘要】一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其内部由壳体、定子组件、转子组件组成，定子组件上嵌放电枢绕组和励磁绕组两套绕组，励磁绕组位于电枢绕组外侧，励磁绕组连接控制器，通过控制器及变压器与电网连接用作交流励磁，电励磁磁通切换风力发电机一方面连接至控制器，另一方面通过不可控整流桥及三相逆变器连接至升压变压器接入工频电网用作电能输出，三相逆变器输出逆变控制信号到控制器中；控制器再通过励磁电流控制电励磁磁通切换风力发电机，子定子模块由励磁绕组和电枢绕组组成，镶嵌于软铁内的励磁绕组设置于电枢绕组上方，该励磁绕组位置可移动，通过对励磁绕组内电流大小的控制使得励磁磁场产生变化。
【专利说明】风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风力发电设备，具体涉及一种发电机内部结构改进。
【背景技术】
[0002] 随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速 发展的趋势。风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生能源之一，凭借 其可开发量大、分布区域广、安全环保等优点，在社会经济可持续发展中发挥着重要的作 用。中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会发布数据显示，2011年中国已投入运营 的装机总容量高达41800MW，超过美国成为全球风力发电装机容量最大的国家。而同年的日 本福岛核泄漏事件，再一次引发了全球性的对新能源安全问题的深刻反省与思考，使得风 能的开发利用在国家新能源战略中的地位日趋凸显。
[0003] 风力发电系统是将机械能转化为电能的装置，同时也是将原动力与输出电能相连 接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能 和结构。因此，国内外学者对风力发电系统及其部件进行了广泛深入的研究，先后提出了 失速型异步发电系统、双馈型变速恒频发电系统、高速永磁发电系统、低速直驱永磁发电系 统、中速半直驱永磁发电系统等多种类型风力发电系统及其相应控制策略，使风力发电系 统的容量和性能都得到了显著提升，并获得了日益广泛的应用。综观目前国内外己投运和 正在研发的风力发电系统，基本可归为两大类，第一类是以机械式增速齿轮箱为中间环节 的高速发电系统，由于风能是能量密度较低的一种能源，由风能驱动的风力机工作在较低 的转速(几十转/分)，传统的同步或异步发电机由于极数限制，转速通常都较高，因此该类 型系统必须采用多级齿轮箱对风力机转速进行增速，使之接近异步电机的额定转速。但增 速齿轮箱不仅体积大、笨重，而且故障率高，需要经常维护，是风力发电系统中最薄弱的环 节；第二类是近年出现的直驱风力发电系统，取消了增速齿轮，因此具有效率高、动态响应 快、维护费用低等优点。然而，由于直驱发电机在每分钟几十转的低速下工作，为保证其输 出电压和频率在正常的范围内，发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数，体积 大，质量重，给发电机的设计、制造、运输和安装等增加了很大难度。
【发明内容】
[0004] 本发明之基本目的在于提供一种风力发电机，其具有励磁调节结构，当风速变化 时，实时调节励磁电流，可使电枢绕组输出电压保持不变，构成直驱式风电系统。并进一步 提供了其控制原理。
[0005] 进一步的提供了具有励磁功能的模块化定子。
[0006] 进一步的，在提供通过励磁调节结构的同时，提供了一种在励磁调节电流一定的 情况下，改变励磁磁场强度的机械装置。
[0007] 进一步的，提供了与风电发电机工作环境相适应的高温抗退磁转子磁极材料及其 制备方法。
[0008] 进一步的，提供了增强励磁调节结构的软磁体，使得励磁磁场得以加强，并进一步 提供了与风电发电机工作环境相适应的软磁体材料，并进一步提供了其制备方法。
[0009] 为了解决本发明最基本的问题，本发明提供了一种电励磁磁通切换风力发电机， 其内部由壳体、定子、转子组成，定子上嵌放电枢绕组和励磁绕组两套绕组，励磁绕组位于 电枢绕组外侧，电枢绕组接入工频电网用作电能输出，励磁绕组连接控制器，通过控制器及 变压器与电网连接用作交流励磁，电励磁磁通切换风力发电机一方面连接至控制器，另一 方面通过不可控整流桥及三相逆变器连接至升压变压器，三相逆变器输出逆变控制信号到 控制器中；控制器再通过励磁电流控制电励磁磁通切换风力发电机。
[0010] 进一步的，风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其定子内部设有含励磁绕 组与电枢绕组的子定子模块，该励磁绕组位置可移动，同时含有控制励磁绕组移动的运动 控制机构。
[0011] 风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机含有定子组件和转子组件，定子组件和 转子组件同心设置，所述定子组件是固定的，转子组件被配置在定子组件中心，驱动轴延伸 连接转子组件到风机的中央轮毂，驱动轴机械地通过一个齿轮箱与发电机的转子组件通过 机械稱合连接。
[0012] 该定子组件包括有一环形外壳，多个子定子模块从环形外壳向转子组件的径向内 侧突出，定子组件保持在发电机的操作期间保持静止，为发电机结构的非旋转部件。多个子 定子模块镶嵌于环形外壳内，子定子模块和环形外壳由铁磁材料构成。
[0013] 转子组件包括框架和转子磁极，具有多个转子磁极沿周向分布在框架上，驱动轴 被支承在轴承中，从而使得转子组件在圆筒形的定子组件中稳定的运行，使得定子组件中 的子定子模块与转子磁极之间形成径向空气间隙。
[0014] 风力发电机本体由镶嵌于壳体内的定子组件和与定子组件同轴设置的转子组件 组成，定子组件由硅钢导磁框架与镶嵌于硅钢导磁框架内的子定子模块组成，子定子模块 由励磁绕组和电枢绕组组成，镶嵌于软铁内的励磁绕组设置于电枢绕组上方，通过对励磁 绕组内电流大小的控制使得励磁磁场产生变化。
[0015] 励磁绕组镶嵌于软铁内，软铁设置在绕组空腔内，且可以在绕组空腔内自由滑动， 励磁绕组通过滑轨电枢与励磁控制线滑动电连接，从而在软铁滑动的过程中保证励磁绕组 持续通电，保证了励磁调节效果。
[0016] 励磁控制线、电力输出线均通过内嵌于发电机壳体中连出发电机，分别连接控制 系统与电力输出系统。
[0017] 软铁上设置有软铁上耳、软铁下耳作为滑动控制的连接部件，软铁上耳、软铁下耳 设置于电机的轴线方向，软铁上耳末端设置有上导块软铁下耳设置有下导块，上导块与下 导块均与导轨滑动连接，从而保证了软铁沿发电机的径向移动方向，上导块或下导块之一 连接有万向铰链，万向铰链通过调节连杆连接到设置在齿环侧面的万向铰链上，通过齿环 的转动带动调节连杆运动进而带动软铁沿着导轨的方向运动，从而通过调节软铁进入电枢 绕组的程度来改变励磁磁场对电枢绕组的影响，来加强或者减弱转子产生的磁场。
[0018] 齿环内面设有内齿环，外面设有外齿环，内齿环与设置于电机壳体侧面上的的齿 环座上的齿环配合，外齿环与步进电机带动的动力齿轮配合，步进电机的正反方向转动，通 过动力齿轮带动设置在齿环座上的齿环做周向运动，进而通过万向铰链带动调节连杆，再 通过与调节连杆连接的万向铰链带动软铁沿导轨做往复运动，来改变励磁磁场对电枢绕组 的影响。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果为： 1) 由于励磁电流可以连续调节，当风速变化时，实时调节励磁电流，可使电枢绕组输出 电压保持不变，因此可省去增速齿轮箱，构成直驱式风电系统； 2) 当励磁绕组断掉不能提供励磁磁场时，切除励磁绕组，此时电机为开关磁阻电机结 构，系统可运行于开关磁阻电机发电模式，具备一定的容错控制性能； 3) 发电机运行时，电枢输出电压幅值可保持恒定，因而降低了由电力电子器件构成的 功率变换器的控制难度； 4) 电机定子部分的模块化结构，可以为电机提供足够的冷却空间，并且便于励磁绕组 的模块化设计，因此易于运输以及现场安装。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的基本实施例结构示意图； 图2为本发明的基本实施例控制方式示意图； 图3为本发明的模块化实施例结构示意图； 图4为本发明的模块机械升降控制结构示意图； 图5为本发明的电机轴向内部剖视图； 图6为本发明的子定子模块结构示意图； 图7为本发明的模块化实施例控制方式示意图。
[0021] 附图标记： 1-1壳体1-2励磁绕组1-3电枢绕组1-4转子1-6定子 1壳体2定子组件3子定子模块4转子组件5转子磁极 11导轨 31励磁绕组32电枢绕组33软铁34励磁控制线35电力输出线36软铁上耳361上导 块37软铁下耳371下导块38万向铰链39滑轨电枢 61步进电机62动力齿轮63万向铰链64齿环65齿环座66调节连杆。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提供一种电励磁磁通切换风力发电机，该系统主要包括风力机、电励磁磁 通切换风力发电机、控制器；风力机连接至电励磁磁通切换发电机，电励磁磁通切换风力发 电机一方面连接至控制器，另一方面通过不可控整流桥及三相逆变器连接至升压变压器， 三相逆变器输出逆变控制信号到控制器中；控制器再通过励磁电流控制电励磁磁通切换风 力发电机。
[0023] 发电机励磁绕组开绕组两端分别由两个多电平逆变器直接供电，所述定子上嵌放 两套绕组，即电枢绕组和励磁绕组，励磁绕组端设计为开绕组结构，其端子全部打开引出； 电枢绕组接入工频电网用作电能输出，励磁绕组连接控制器，通过控制器及变压器与电网 连接用作交流励磁。风力机与风力发电机连接，带动发电机旋转。风力发电机的电枢绕组 与电网连接，用作电能输出；风力发电机的励磁绕组通过控制器和变压器也与电网连接，用 作交流励磁。控制器驱动电路提供信号。定子的铁心上嵌放了两套独立对称绕组，即电枢 绕组和励磁绕组，且均为双层短距绕组，即一个槽内嵌放四层绕组，励磁绕组在顶部，电枢 绕组在底部。
[0024] 进一步的本发明的励磁绕组和电枢绕组可以通过模块化设计设置于同一子定子 模块中，从而方便发电机装配与维护，且可以通过机械结构的设置来实现励磁绕组和电枢 绕组之间距离的调节，从而改变励磁磁场的强弱。
[0025] 励磁电流通过发电机内励磁控制线34连接到励磁绕组31，通过控制电流的变化 来改变励磁绕组31产生的磁场方向与大小，达到加强或者削弱定子磁场的目的。
[0026] 控制器同时通过控制信号对步进电机的控制，实现对带有励磁绕组的软铁与电枢 绕组之间距离的控制，进而达到调节励磁磁场强度的目的。
[0027] 本发明通过对励磁磁场强度的电流、机械双重调节来实现对风力发电机磁场的影 响，进而控制。
[0028] 模块化的发电机包括定子组件2和一个转子组件4,定子组件2和转子组件4同心 设置，所述定子组件2是固定的，转子组件4被配置在定子组件2中心。驱动轴延伸连接转 子组件4到风机的中央轮毂，驱动轴机械地通过一个齿轮箱与发电机的转子组件4通过机 械耦合连接。
[0029] 该定子组件2包括有一环形外壳，多个子定子模块3从环形外壳向转子组件4的 径向内侧突出，定子组件2保持在发电机的操作期间保持静止，为发电机结构的非旋转部 件。多个子定子模块3镶嵌于环形外壳内，子定子模块和环形外壳由铁磁材料构成。
[0030] 转子组件4包括框架和转子磁极5,具有多个转子磁极5沿周向分布在框架上，驱 动轴被支承在轴承中，从而使得转子组件4在圆筒形的定子组件2中稳定的运行，使得定子 组件2中的子定子模块3与转子磁极5之间形成径向空气间隙。
[0031] 定子组件2和发电机的转子组件4协作，从转子所接收的机械能转换成电能，从而 使风的动能被转化成电能加以利用。
[0032] 转子组件4的磁极通过定子组件2上的固定线圈的相对运动，遵照法拉第定律使 线圈产生电流。发电机的转速为5至25转每分钟。
[0033] 每个转子磁极5包括一个或多个永磁体，其永磁材料能够产生强大的电磁场，同 时可以抵御外界磁场的影响，具有将强的抗退磁性能。
[0034] 风力发电机本体由镶嵌于壳体1内的定子组件2和与定子组件2同轴设置的转子 组件4组成，定子组件2由硅钢导磁框架与镶嵌于硅钢导磁框架内的子定子模块3组成，子 定子模块3由励磁绕组31和电枢绕组32组成，镶嵌于软铁33内的励磁绕组31设置于电 枢绕组32上方，通过对励磁绕组31内电流大小的控制使得励磁磁场产生变化。
[0035] 励磁绕组31镶嵌于软铁33内，软铁33设置在绕组空腔30内，且可以在绕组空腔 30内自由滑动，励磁绕组31通过滑轨电枢39与励磁控制线34滑动电连接，从而在软铁33 滑动的过程中保证励磁绕组31持续通电，保证了励磁调节效果。
[0036] 励磁控制线34、电力输出线35均通过内嵌于发电机壳体1中连出发电机，分别连 接控制系统与电力输出系统。
[0037] 软铁33上设置有软铁上耳36、软铁下耳37作为滑动控制的连接部件，软铁上耳 36、软铁下耳37设置于电机的轴线方向，软铁上耳36末端设置有上导块361软铁下耳37 设置有下导块371，上导块361与下导块371均与导轨11滑动连接，从而保证了软铁33沿 发电机的径向移动方向，上导块361或下导块371之一连接有万向铰链38,万向铰链38通 过调节连杆66连接到设置在齿环64侧面的万向铰链63上，通过齿环64的转动带动调节 连杆66运动进而带动软铁33沿着导轨11的方向运动，从而通过调节软铁33进入电枢绕 组32的程度来改变励磁磁场对电枢绕组32的影响，来加强或者减弱转子产生的磁场。
[0038] 齿环64内面设有内齿环，外面设有外齿环，内齿环与设置于电机壳体侧面上的的 齿环座65上的齿环配合，外齿环与步进电机61带动的动力齿轮62配合，步进电机61的正 反方向转动，通过动力齿轮62带动设置在齿环座65上的齿环64做周向运动，进而通过万 向铰链63带动调节连杆66,再通过与调节连杆66连接的万向铰链38带动软铁33沿导轨 11做往复运动，来改变励磁磁场对电枢绕组32的影响。
[0039] 风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，需要在转子外单独产生磁场，故要求 转子磁极具有良好的抗退磁性能，针对上述要求，本发明提供了一种转子永磁体材料。
[0040] 转子永磁体是含有一种或多种稀土 (镧系元素）的元素，如钕或钐，是铁磁性金属 的合金组成的永磁材料的稀土类磁铁。含有稀土元素和过渡金属，如铁，镍，或钴。适合于 永久磁铁的永磁材料的代表性的合金。镀层或涂层可以被施加到保护永磁体的防腐蚀、破 损和崩刃。稀土合金是具有大的磁晶各向异性，通过强磁场的磁化促进在一个特定的方向， 但是，一旦被磁化，可耐被磁化。永久磁化可通过有意地施加磁场，是为了消磁的永磁材料 来改变。每个磁极包括多个单独的永久磁铁是粘接剂粘接到转子架的外表面或与其相连使 用机械夹，框架，或其它常规的机械紧固技术，以形成各磁极。每个磁极可以由一个单片结 构的单一的，整体的永磁体构成。在备选实施例中，在永磁体的永磁材料可以是陶瓷或铁氧 体材料，或铝镍钴合金。然而，稀土合金是优选的，因为相对较高的剩磁（Br)，它与磁场的强 度，相对较高的矫顽力（Hci )，其测量抗退磁，以及相对较高的能量积（BHmax)，是关系到能 量密度。
[0041] 本发明同时具体提供一种永磁体材料，其具体包含有 Sm26%Co53%Fel2. 8%Cu5. 3%Zr2. 9%。通过高能球磨法制备，其具体步骤为：选取高纯度的 金属粉末，并均匀混合；将混合好的原料放入高能球磨机中，在高纯度的Ar气保护下球磨 36?64h。将球磨后的粉末取出放入真空热处理炉中，在IX 10-3?IX 10-6Pa真空度下 进行热处理。晶化温度控制在500°C?800°C，热处理时间为5?30min。为了防止晶粒的 过度长大，热处理过程中采用快速升温方法。在晶化处理后，将合金粉末放入真空炉内，抽 真空至1X10-3?lX10-6Pa，然后充入1X105?lX106Pa的高纯氮气，加热至300°C? 500°C左右，保温1. 5?45h，出炉快冷。将粉末与粘接剂、偶联剂充分搅拌、混合，压制成 型。将制备出的磁粉和磁体放入振动样品磁强计中测量其磁性能：测量磁粉的磁性能结果 如下：Br = 1.06T，iHc = 727kA/m, (BH)max = 176kJ/m3 ;测量粘结磁体的磁性能结果如 下：Br = (λ 85T，iHc = 678kA/m，（BH)max = 127kJ/m3 ;在 25 ?180°C范围内，温度系数分 别为：afo· = -0.046% /°C，β Hci = -0·319/?。
[0042] 风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，子定子模块需要单独产生磁场，且该 磁场需要根据风力大小实时变化，故要求子定子中磁性材料具有良好的退磁性能，针对上 述要求，本发明提供了一种软磁体材料。
[0043] 本发明同时具体提供一种软磁体材料作为励磁调节用的软铁合金，包括重量百分 比为：11 ?14%A1、0 ?5%C〇、0. 82%ν、0· 2 ?3· 0%M〇、1 ?2%Ni, 0· 01 ?0· 1%C及 / 或0· 001 ? 0. 02%B，其余为Fe。其制备方法为采用真空或保护气体熔炼，通过锻造和/或热轧成所需规 格的合金棒材料，成品通过热处理在700°C以下控制50°?400°C /小时的冷却速度。利用 本发明合金随着A1含量的增加，其电阻率P值相似增加，饱和磁感应强度Bs，剩磁Br和密 度d相应减小的规律，选择合适的A1含量，利用A1和Co、V、Mo元素含量的变化及合金中有 序-无序转变对磁晶各向异性K1、磁致伸缩及饱和磁化强度Ms等的影响规律，同时采取降 低杂质含量和内应力，均匀化学成分等措施，降低矫顽力Hc，提高磁导率μ，这类材料适合 于更强调快速度和大吸力的电磁铁，合金呈现高饱和磁化（Ms)，2?2. 35特斯拉。合金呈 现高电阻率，40?100微欧姆/厘米。可将合金铸成条，可在900?1KKTC锻造以将铸制 结构破碎，锻造可热轧以形成片，热轧片可由905°C级数之高温在低于0°C之冰盐水溶液中 骤冷以形成具有无序结晶结构片，将片冷轧成所需大小，将冷轧片退火，合金可在空气中在 400至700°C老化硬化至多50小时。而且在热处理后片可具有0. 5?2重量％之氧化物含 量及/或1至30微米平均粒度。
[〇〇44] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其内部由壳体、定子组件、转子组件 组成，其特征在于：定子组件上嵌放电枢绕组和励磁绕组两套绕组，励磁绕组位于电枢绕组 外侧，励磁绕组连接控制器，通过控制器及变压器与电网连接用作交流励磁，电励磁磁通切 换风力发电机一方面连接至控制器，另一方面通过不可控整流桥及三相逆变器连接至升压 变压器接入工频电网用作电能输出，三相逆变器输出逆变控制信号到控制器中；控制器再 通过励磁电流控制电励磁磁通切换风力发电机。
2. 如权利要求1所述的一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其特征在于： 定子组件镶嵌于壳体内，转子组件与定子组件同轴设置，定子组件由硅钢导磁框架与镶嵌 于硅钢导磁框架内的子定子模块组成，子定子模块由励磁绕组和电枢绕组组成，镶嵌于软 铁内的励磁绕组设置于电枢绕组上方，该励磁绕组位置可移动，通过对励磁绕组内电流大 小的控制使得励磁磁场产生变化，同时含有控制励磁绕组移动的运动控制机构。
3. 如权利要求2所述的一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其特征在于： 该定子组件包括有一环形外壳，多个子定子模块从环形外壳向转子组件的径向内侧突出， 定子组件保持在发电机的操作期间保持静止，为发电机结构的非旋转部件，多个子定子模 块镶嵌于环形外壳内，子定子模块和环形外壳由铁磁材料构成；转子组件包括框架和转子 磁极，具有多个转子磁极沿周向分布在框架上，驱动轴被支承在轴承中，从而使得转子组件 在圆筒形的定子组件中稳定的运行，使得定子组件中的子定子模块与转子磁极之间形成径 向空气间隙；励磁绕组镶嵌于软铁内，软铁设置在绕组空腔内，且可以在绕组空腔内自由滑 动，励磁绕组通过滑轨电枢与励磁控制线滑动电连接，从而在软铁滑动的过程中保证励磁 绕组持续通电；励磁控制线、电力输出线均通过内嵌于发电机壳体中连出发电机，分别连接 控制系统与电力输出系统。
4. 如权利要求3所述的一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其特征在于： 软铁上设置有软铁上耳、软铁下耳作为滑动控制的连接部件，软铁上耳、软铁下耳设置于电 机的轴线方向，软铁上耳末端设置有上导块软铁下耳设置有下导块，上导块与下导块均与 导轨滑动连接，从而保证了软铁沿发电机的径向移动方向，上导块或下导块之一连接有万 向铰链，万向铰链通过调节连杆连接到设置在齿环侧面的万向铰链上，通过齿环的转动带 动调节连杆运动进而带动软铁沿着导轨的方向运动，从而通过调节软铁进入电枢绕组的程 度来改变励磁磁场对电枢绕组的影响，来加强或者减弱转子产生的磁场；齿环内面设有内 齿环，外面设有外齿环，内齿环与设置于电机壳体侧面上的的齿环座上的齿环配合，外齿环 与步进电机带动的动力齿轮配合，步进电机的正反方向转动，通过动力齿轮带动设置在齿 环座上的齿环做周向运动，进而通过万向铰链带动调节连杆，再通过与调节连杆连接的万 向铰链带动软铁沿导轨做往复运动，来改变励磁磁场对电枢绕组的影响。
5. 如权利要求4所述的一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其特征在于： 其软铁材料为软铁合金，包括重量百分比为：11?14%A1、0?5%C〇、0. 82%V、0. 2?3. 0%M〇、 1 ?2%Ni, 0· 01 ?0· 1%C 及 / 或 0· 001 ?0· 02%B，其余为 Fe。
6. 如权利要求4所述的一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其特征在于： 其转子磁极为永磁体材料，具体包含有Sm26%、Co53%、Fel2. 8%、Cu5. 3%、Zr2. 9%。
7. 如权利要求4所述的一种风力发电用模块化电励磁磁通切换发电机，其特征在于： 控制器与发电机内部具有励磁电流控制线与步进电机控制线两路控制线的连接，可以 通过对三相逆变器的反馈信号的分析的来调节励磁线圈电流强度和方向的同时调节步进 电机来改变励磁线圈位置，进而励磁磁场相对功率线圈的相对强度。
【文档编号】H02K3/16GK104113251SQ201410271525
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】孔祥新, 邢丽娟, 王婷, 谭力强 申请人:曲阜师范大学