[发明专利]一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，具体是一种能够适应在低风速风能区域工作，具有极低启动风速的新型磁悬浮轴承风力发电机，属于风力发电技术领域。

背景技术

风能作为清洁可再生能源,具有储量巨大、分布广泛的特点。目前，风能利用的最主要形式就是风力发电。但是，我国的风资源有限，如何充分挖掘可利用的风资源，在低风能区域实现风力发电，开展高效的先进风力发电理论和技术研究已成为风电领域关键科学问题。由于传统风力发电机启动转矩大，启动风速通常在3-5m/s左右，因此传统风力发电机必须安装在中、高风速的偏远地区。要想实现利用低风速风能的策略，即将风力发电机安装在像城市、岛区或山区等低风速风能地区，则必须解决其低风速启动和运行问题。

为了实现风力发电机低风速启动，国内外已有众多学者进行了大量的研究，其重点和难点主要集中在两个方面：一是从发电机的本体入手，研究新型的发电机在风力发电中的应用及其控制策略。二是从发电机转子的支承系统入手，研究如何减少或消除支承系统的各种机械摩擦阻力。

关于发电机部分的研究，目前主要集中在三种发电机上：无刷双馈发电机、永磁同步发电机和双凸极发电机。

无刷双馈发电机可根据风机的转速变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出，通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。但是一般需要配用高速齿轮箱，且适用于3-5m/s的启动风速。又由于无刷双馈发电机的气隙大，则需要的控制绕组励磁变换器的励磁无功功率也大，因此不适合用作低速直驱发电机。

直驱式永磁风力发电机取消了增速齿轮箱，因此具有一系列优点，如重量轻、效率高、动态响应快等。直驱发电机在每分钟几十至几百转的低速下工作，为保证其输出在正常频率的范围内（30～80Hz），发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数。在电机设计过程中，当选定定子直径之后，会面临由于转子永磁磁极数量多而造成磁极极距小、励磁磁势不足的问题。直驱式永磁风力发电机的启动风速也在3-5m/s。

双凸极发电机是20世纪50年代提出来的一种新型电机，进入90年代后才得到人们的广泛关注和深入研究，具有结构简单坚固、制造方便、工作可靠、易于维护的优点，在风力发电场合具有很好的应用前景。根据目前的研究现状，双凸极发电机可分为普通双凸极发电机、磁通反向发电机和磁通切换发电机。

在发电机转子的支承系统研究方面，为了解决传统机械轴承中存在的例如摩擦阻力大，噪声大以及能耗高等问题，很显然，磁悬浮轴承是较理想的选择。此外，采用磁悬浮轴承来支承转子还能够省去很多机械部件，减小风力发电机的大小和重量，为其设计提供了更大的优化空间。

根据悬浮力是否可以主动控制，磁悬浮轴承可划分为两种类型：

（1）被动型磁悬浮轴承。可分为普通永磁型磁悬浮轴承与超导永磁型磁悬浮轴承两种，普通永磁型磁悬浮轴承主要是利用磁性材料之间固有的斥力或吸力来实现转轴的悬浮。超导永磁型磁悬浮轴承利用超导体的完全抗磁性来提供静态悬浮力。

（2）主动型磁悬浮轴承。主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，具体工作原理是：控制器根据位移传感器测得的转子位移信号通过功率放大器来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，使转子稳定悬浮于给定位置。根据偏置磁场建立方式的不同，主动型磁悬浮轴承可分为电磁偏置型与永磁偏置型。

由于普通永磁型磁悬浮轴承具有结构简单、功耗小的优点，在磁悬浮风力发电机中被广泛的研究和采用。然而，单纯采用普通永磁型磁悬浮轴承无法实现转子的全悬浮，也就无法完全消除风机转动部分与非转动部分之间的机械摩擦。为此至少要在一个自由度采用主动型磁悬浮轴承。永磁偏置型磁悬浮轴承具有功耗小同时又能实现主动控制的特点，在风力发电机中具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有磁悬浮风力发电机系统存在的结构过于复杂、自身能耗大、不适用于中小风机等问题。

本发明采取的技术方案是：

一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，包括转子、两个发电机定子、两个永磁环、三个磁悬浮轴承定子、风叶和转子轴；所述磁悬浮轴承定子上绕有磁悬浮轴承控制绕组；