本發明涉及一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風力發電機，可應用于風力發電。

背景技術：

當今，能源危機、環境污染等一系列問題日益突出，發展持續的可再生能源以轉變傳統的能源結構勢在必行。風能取之不盡、用之不竭，是最有潛力的新能源之一，因此受到了世界范圍的關注。隨著海上風電的發展，為降低發電成本，風力發電機的單機容量越來越大，導致其體積和重量變得巨大，給制造、安裝和維護均帶來了困難，而且復雜的海上環境對風力發電系統提出了更高的要求?，F在最流行的風力發電機有兩種：雙饋異步發電機和永磁同步發電機。雙饋異步發電機的優勢在于僅需使用占發電機總容量30％左右的變頻器，便可實現變速恒壓恒頻運行，直接向電網供電；但是它需要電刷和滑環向轉子繞組供電，這不但降低了可靠性、增大了維護成本，而且對其在大容量的海上風電中的應用極其不利。近年來，永磁直驅發電機受到了廣泛關注，發展迅速；永磁直驅發電機省去了機械傳動裝置，可直接與風力渦輪機相連，簡化了機械結構，提高了系統可靠性，而且使用永磁體勵磁，無勵磁損耗，效率高。但是直驅永磁發電機的體積和重量巨大，這既增加了海上風電的建設成本，又不便于海上的安裝、維護作業。為實現變速恒壓恒頻運行，永磁同步發電機需要使用全功率變頻器，而且需要額外的無功功率調節裝備調節無功，所以直驅式永磁同步風力發電機系統成本很高。

為克服雙饋感應發電機和永磁同步發電機的缺點，無刷雙饋發電機得到了廣泛的研究。無刷雙饋電機源于兩臺感應電機的級聯，根據電刷消去方式的不同，可以分為級聯式和磁場調制式兩類。磁場調制類無刷雙饋電機是依靠特殊的轉子結構，將位于同一定子上的兩套不同極數的繞組間接耦合，實現能量的傳遞。這種特殊的轉子結構有兩種形式，一種是類鼠籠式的感應轉子，另一種是磁阻轉子。常見的磁阻轉子結構有簡單凸極結構、軸向疊片各向異性結構和多層磁障結構。

磁場調制分為“和調制”和“差調制”，大部分無刷雙饋電機采用“和調制”。另外，在結構上多采用單定轉子結構，兩套繞組位于一個定子上，導致轉子體積較大，造成了內部空間的浪費。目前的研究成果表明，現有的無刷雙饋電機比傳統的雙饋感應電機和鼠籠式感應電機功率密度低。

技術實現要素：

發明目的：為了提高無刷雙饋電機的功率密度，本發明提出了一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷發電機，采用了雙定子和杯型磁阻轉子的結構以充分利用內部空間，并且能夠同時實現“和調制”和“差調制”；因該發電機具有三個電氣端口，與當前的具有兩個電氣端口的磁場調制類無刷雙饋發電機相比，具有功率密度高、可靠性高的優勢。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風力發電機，包括由外向內同心設置的外定子、杯型磁阻轉子和內定子，外定子和杯型磁阻轉子之間形成外氣隙，杯型磁阻轉子和內定子之間形成內氣隙；

所述外定子包括外定子軛、外定子齒和外功率繞組，外定子齒間的空隙形成外定子槽，外功率繞組嵌入在外定子槽內，外定子齒設置在外定子軛內側；

所述內定子包括內定子軛、內定子齒和內功率繞組，內定子齒間的空隙形成內定子槽，內功率繞組嵌入在內定子槽內，內定子軛設置在內定子齒內側；

所述杯型磁阻轉子包括沿圓周均勻交錯布置的導磁塊和非導磁塊；

在外定子槽內或內定子槽內還嵌入有控制繞組；所述外功率繞組(8)的極對數為p_opw，內功率繞組(12)的極對數為p_ipw，控制繞組(9)的極對數為p_cw，導磁塊(13)的個數為p_r；當控制繞組嵌入外定子槽內時，四個參數滿足|p_opw-p_cw|＝p_r，p_ipw+p_cw＝p_r；當控制繞組嵌入內定子槽內時，四個參數滿足p_opw+p_cw＝p_r，|p_ipw-p_cw|＝p_r。

具體的，所述外功率繞組和控制繞組之間通過杯型磁阻轉子的調制作用實現耦合，內功率繞組和控制繞組之間通過杯型磁阻轉子的調制作用實現耦合。

具體的，所述外功率繞組、控制繞組和內功率繞組均采用分布式繞組結構或均采用集中式繞組結構。

具體的，一套功率繞組輸出恒壓恒頻的電能，直接與電網連接；另一套功率繞組輸出變壓變頻的電能，通過變頻器與電網連接；控制繞組通過變頻器與電網連接，同時對兩套功率繞組進行控制。

具體的，兩套變頻器的容量均為該雙定子磁阻無刷風力發電機總容量的一部分，其容量與各自連接的繞組容量相當。

具體的，該雙定子磁阻無刷風力發電機的總功率為三套繞組的功率之和。

優選的，所述導磁塊由硅鋼片軸向或縱向疊壓而成。

優選的，所述外定子、杯型磁阻轉子和內定子均為分塊組裝結構。

優選的，所述外定子和內定子均為凸極結構或隱極結構。

本發明的目的是提出一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風力發電機，該電機具有一個杯型磁阻轉子、兩個定子和三套繞組，由內向外同心依次布置內定子、杯型磁阻轉子和外定子，本案優選將兩套繞組布置在外定子上，分別稱為外功率繞組和控制繞組，第三套繞組布置在內定子上，稱為內功率繞組?？刂评@組通過一套背靠背的頻率變換器與電網連接，控制電機的運行狀態；外功率繞組通過另一套背靠背的頻率變換器與電網連接，向電網饋電；內功率繞組直接與電網連接，向電網饋電。電機的總功率為三套繞組的功率之和，變頻器的功率與各自相連的繞組的功率相當。控制繞組的功率與電機的調速范圍有關，調速范圍越大，其功率越大。

所述控制繞組通過一套背靠背的頻率變換器與電網相連，同時控制兩套功率繞組，其功率與電機的調速范圍有關，其功能和雙饋電機的控制繞組相同；所述內功率繞組是變速恒壓恒頻發電運行，類似于雙饋電機的功率繞組，可直接與電網連接；所述外功率繞組是變速變壓變頻發電運行，類似于同步發電機的電樞繞組，通過一套背靠背的頻率變換器與電網相連；變頻器的容量與各自相連的繞組的容量相當；當控制繞組中通入直流電時，相應的轉子速度定義為自然同步速。自然同步速以上，稱為超同步速，此時控制繞組向電網輸出電能。自然同步速以下，稱為亞同步速，此時控制繞組從電網吸收能量。本發明的發電機調速范圍大約為自然同步速上下30％，控制繞組傳遞的是轉差功率，所以與控制繞組連接的變頻器的容量大約為電機容量的30％，實現了由小容量變頻器控制大容量電機的功能，這點和雙饋發電機非常相似。

所述控制繞組可以為單層整距分布繞組，也可以為雙層短距分布繞組；所述外功率繞組和內功率繞組同時采用雙層短距分布繞組，或同時采用整距分數槽繞組。

有益效果：本發明提供的三電氣端口的雙定子磁阻無刷風力發電機，相對于現有技術，具有如下優勢：

1、本發明提出的發電機具有兩個功率電氣端口和一個控制電氣端口，三個電氣端口均能向電網饋電，所以該發電機機功率密度高、容錯能力強、可靠性高；

2、本發明提出的發電機采用雙定子和杯型磁阻轉子結構，與單定轉子結構的無刷雙饋電機相比，該電機充分利用內部空間，提高了空間利用率；另外，杯型磁阻轉子使用簡單凸極結構，由硅鋼片疊壓而成，結構簡單可靠，機械強度高；

3、本發明提出的發電機具有兩個功率電氣端口，一個變速恒壓恒頻運行，可直接向電網供電，另一個變速變壓變頻運行，通過一套背靠背的頻率變換向電網供電；當其中一個功率電氣端口發生故障時，另一個功率電氣端口可繼續向電網供電，提高了發電機的容錯能力和可靠性；

4、本發明提出的發電機的最大功率為三個電氣端口同時向電網供電時的功率總和；因為其中一個功率電氣端口可輸出恒壓恒頻的電能，不需變頻器即可直接向電網供電，所以該發電機使用的變頻器的容量小于發電機的總容量；

5、本發明提出的發電機沒有永磁體和電刷，可調節無功功率；與永磁同步發電機相比，該發電機成本低，且不需要全功率變頻器和無功功率補償裝置；與雙饋感應發電機相比，該發電機沒有電刷，可靠性高、維護成本低；與單定轉子結構的無刷雙饋電機相比，該發電機具有三個電氣端口，功率密度更高。

附圖說明

圖1為本發明電機的結構截面示意圖；

圖2為本發明電機與電網的連接關系圖；

圖3為本發明電機在350r/min空載時，外功率繞組和內功率繞組相電動勢波形圖；

圖4為本發明電機在500r/min空載時，外功率繞組和內功率繞組相電動勢波形圖；

圖5為本發明電機在650r/min空載時，外功率繞組和內功率繞組相電動勢波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種三電氣端口的雙定子磁阻無刷風力發電機，包括由外向內同心設置的外定子1、杯型磁阻轉子3和內定子5，外定子1和杯型磁阻轉子3之間形成外氣隙2，杯型磁阻轉子3和內定子5之間形成內氣隙4；所述外定子1包括外定子軛6、外定子齒7、外功率繞組8和控制繞組9，外定子齒7間的空隙形成外定子槽，外功率繞組8和控制繞組9嵌入在外定子槽內，控制繞組9設置在外功率繞組8內側，外定子齒7設置在外定子軛6內側；所述內定子5包括內定子軛10、內定子齒11和內功率繞組12，內定子齒11間的空隙形成內定子槽，內功率繞組12嵌入在內定子槽內，內定子軛10設置在內定子齒11內側；所述杯型磁阻轉子3包括沿圓周均勻交錯布置的導磁塊13和非導磁塊14；所述外功率繞組8的極對數為p_opw，內功率繞組12的極對數為p_ipw，控制繞組9的極對數為p_cw，導磁塊13的個數為p_r，滿足p_opw-p_cw＝p_r，p_ipw+p_cw＝p_r。

如圖2所示，控制繞組9通過一套背靠背的頻率變換器15與電網相連，可同時控制外功率繞組8和內功率繞組12，所述變頻器15的容量與控制繞組9的容量相當；外功率繞組8輸出變壓變頻的電能，通過另一套背靠背的頻率變換器16與電網相連，所述變頻器16的容量與外功率繞組8的容量相當；內功率繞組12可直接恒壓恒頻的向電網供電，不需要變頻器。發電機的總功率為外功率繞組8、內功率繞組12和控制繞組9的功率之和。

與當前的雙饋風力發電機相似，本發明的發電機的速度調節范圍大約為自然同步速度上下30％?？刂评@組9通過變頻器與電網間傳遞的功率是轉差功率，所以與控制繞組9相連的變頻器15的功率大約為電機功率的30％。所述的外功率繞組8和所述的內功率繞組12是兩套相互獨立的功率繞組，它們之間的耦合作用很小。當電機轉速發生變化時，通過調節所述控制繞組9中的電流的頻率和幅值可以保證所述內功率繞組12輸出恒頻率恒幅值的電壓，但所述外功率繞組8卻不能輸出恒定的電壓，它的電壓頻率和幅值會隨著轉速的升高而升高，轉速越高，外功率繞組8的輸出功率越大。關于外功率繞組8和內功率繞組12的功率分配，通常這樣設計：當電機運行于自然同步速度時，外功率繞組8的功率是內功率繞組12的功率的50％左右；當電機運行在最高速度時，外功率繞組8的功率大約為內功率繞組12的功率的80％。

將轉子的上極弧系數定義為所述導磁塊13的上表面寬度比上所述非導磁塊14的上表面寬度與導磁塊13的上表面寬度之和的值，類似的規則，可定義轉子的下極弧系數。轉子的上極弧系數與下極弧系數對電機性能有較大影響，一般將這兩個系數設計在0.5到0.7。

所述的兩個定子均可采用有齒槽結構或無齒槽結構；所述的兩組功率繞組和控制繞組9均可采用分布繞組或集中繞組；所述的兩組功率繞組和控制繞組9均可采用雙層繞組或單層繞組。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。