CN100508364C - 串联式双转子发电机 - Google Patents

Abstract

一种串联式双转子发电机，涉及具有双转子串联构造的变速恒频励磁无刷双馈风力发电机。其中，在风电机上配置相对定子以Nzr速度旋转的主风轮；副风轮带动永磁外转子以Ne速度相对主风轮反向旋转；设置较大的风轮用于发电，较小的风轮调节励磁频率兼而发电，有效提高了风能利用率，较常规单风轮风电机组风能利用率提高10%-15%；本案采用无刷双馈电机转子和旋转永磁外转子双转子结构，实现机组变速恒频励磁运行，相当同容量单转子发电机极对数至少减少1/3，从而缩短发电机直径，便于设备运输、降低机组重量；本案双风轮结构设置及偏航机构的配置，使机组偏航控制变的更简单、可靠。

Description

串联式双转子发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机，特别是具有双转子串联构造的变速恒频励磁无刷双馈风力发电机。

背景技术

习知技术如中国专利CN200510022771.1公开了一种风力发电的变速恒频方法，其特点是，首先将风力机转子的转速通过增速齿轮箱增速，然后将变速产生的输入功率输入差动永磁电机的输入轴，由差动永磁电机的差速机构进行功率分流或合流产生功率流进入差动永磁电机的定子绕组经馈线对电网实现恒速恒频发电，以提高发电系统的发电效率。

又如中国专利CN200410003089.3公开了一种MW级直接驱动永磁外转子同步风力发电机，它采用多极外转子结构。该发电机包括固定轴、转动轴、线圈绕组、永磁磁钢、铁芯、定子和外转子，其中转动轴通过轴承安装于固定轴上，定子通过定子支架安装于固定轴上，外转子通过转子支架安装于转动轴上，在绕组线圈和定子支架之间可以设有轴向的冷却通风道；在外转子和定子之间的迎风面设有保护罩。由于极数多，其转速很低，因而不需要增速齿轮箱配套，可以直接驱动发电；发电机无自带冷却风扇或外装冷却系统。

习知风力发电机组通过齿轮箱将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速；通常风轮的转速很低，远达不到高速发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现；而风力发电机机组的工况环境一般很差，齿轮箱频发故障是常有的事。

习知的技术制造的产品可靠性差，维护成本高，机组效率低。业界希望利用无刷双馈电机技术的无刷结构和较宽的变速恒频运行范围，结合安装于双转子传动轴上相互反向旋转的双凤轮高效利用风能的技术优势，去掉齿轮箱和复杂的控制系统实现发电机组的变速恒频运行。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服袭用技术存在的上述缺陷，而提供一种串联式双转子发电机。

本发明解决技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种串联式双转子发电机，包括发电机主体中的发电机定子和通过主传动轴动、相对该定子呈旋转构造设置的发电机转子，其中，

励磁机通过装置主风轮的主传动轴与发电机主体同轴串装；所述的主风轮为在风力作用下相对具有Pg极对数的定子以Nzr速度旋转的主风轮，且主风轮转速满足下述关系式：

$\mathrm{Nzr}=\frac{60\×(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$

其中：Nzr表示主风轮转速；Pg表示定子绕组极对数；Pe表示永磁外转子的极对数；fg表示定子频率；fe表示永磁外转子折算频率；

永磁体设在永磁外转子的磁轭上构成励磁机的永磁外转子；该永磁外转子以与励磁机内转子呈相对旋转的构造、且该永磁外转子呈相对发电机定子旋转的构造设置；

副风轮呈可驱动永磁外转子的构造装置在副传动轴上；借由副风轮传动的副传动轴与借由主风轮传动的主传动轴成可相互转动的方式同轴联结；

风电机的副风轮带动永磁外转子以Ne速度相对主风轮反向旋转，且永磁外转子折算频率满足下述关系式：

$\mathrm{fe}=\frac{\mathrm{Ne}\×\mathrm{Pe}}{60}$

其中：Ne表示副风轮相对定子转速。

本案解决技术问题还可以采用以下技术措施来进一步实现：

前述的串联式双转子发电机，其中，所述的副风轮以相对主风轮反向旋转的传动构造配置；所述的副风轮呈上风向对风旋转结构设置；主风轮呈下风向对风旋转结构设置。

前述的串联式双转子发电机，其中，在副传动轴上配置以Nzre转速相对主风轮反向旋转的、具有Pe极对数的永磁外转子，永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速满足下述关系式：Nzre＝Nzr+Ne

其中：Nzre表示永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速。

前述的串联式双转子发电机，其中，所述的永磁体成组配置，其极对数与励磁机内转子极对数匹配。

前述的串联式双转子发电机，其中，所述装置永磁体的磁轭设置在永磁外转子壳体内。

前述的串联式双转子发电机，其中，所述副风轮与励磁机之间留有避免副风轮与塔架碰撞的预设间距。

前述的串联式双转子发电机，其中，所述的主、副传动轴均具有预设直径的中空通孔，该主、副传动轴借由配置在发电机上的轴承和励磁机上的轴承支撑。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，至少有如下的优点：

本发明无需配置功率复杂的变流装置，有效的简化了机组构造，提高了机组运行效率和可靠性，降低了控制系统成本，本发明双风轮的合理配置、虽然双风轮结构使设备造价略有增加，但设置较大的风轮用于发电，较小的风轮调节励磁频率兼而发电，有效提高了风能利用率，较常规单风轮风电机组风能利用率提高10％-15％；

本案采用无刷双馈电机转子和旋转永磁外转子双转子结构，实现机组变速恒频励磁运行，相当同容量单转子发电机极对数至少减少1/3，从而缩短发电机直径，便于设备运输、降低机组重量；本案双风轮结构设置及偏航机构的配置，使机组偏航控制变的更简单、可靠；

本案机组可实现变速恒频运行、变桨距调节，额定风速以下本案双风轮发电机组较单风轮变速恒频机组风能利用率有较大提高，无齿轮箱、可实现直驱，无滑环故障之担心，不需大容量变流装置，机组可靠性大大提高；本发明对比现有技术有显著的贡献和进步，确实是具有新颖性、创造性、实用型的好技术。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明中风电机结构示意图；

图2是本发明励磁绕组接线结构示意图；

图3是本发明变速恒频励磁控制系统结构示意图；

图4是本发明变速恒频励磁控制系统工作原理框图。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1-4所示，一种串联式双转子发电机，该风电机具有固装在底座10上的发电机主体1，发电机定子16固装于电机壳111内，发电机转子14通过主传动轴13呈相对定子16旋转的构造设置，其中，

励磁机4通过主传动轴与发电机主体同轴串装在机壳内；永磁体43安装在永磁外转子壳体410内的磁轭42上，构成励磁机的永磁外转子41，该永磁外转子通过连接件46以与励磁机内转子45呈相对旋转的构造设置；所述的永磁体43是按习知技术成组配置的，其极对数与励磁机内转子极对数匹配；永磁外转子呈相对励磁机内转子旋转、并相对发电机定子旋转的构造设置；副传动轴12与主传动轴13同轴联结；所述的主、副传动轴均具有预设直径的中空通孔130，以使大型发电机组传动轴在满足技术要求条件下更轻质，从而降低机体重量，该传动轴借由配置在发电机上的轴承115、116和励磁机上的轴承147、148支撑；

由此，发电机转子和与该转子同轴传动旋转的励磁机内转子形成发电机的串联式转子结构，并与永磁外转子呈双转子构造，从而可实现机组变速恒频运行，相当同容量单转子发电机极对数至少减少1/3，因而可缩短发电机直径，进一步降低电机重量；

通过习知技术，将借由副风轮传动的副传动轴12与借由主风轮传动的主传动轴13成可相互转动的联结方式同轴安装、由副传动轴将副风轮的动力传递给永磁外转子；

副风轮2相对主风轮反向旋转的传动构造装置在副传动轴12的轴身末端，该副风轮通过其轮毂21以习知技术按F2方向呈上风向对风安装，副风轮与励磁机之间留有避免副风轮与塔架碰撞的预设间距L，由主风轮仰角的度数可确定副风轮与塔架不相碰撞的预留间距；主风轮3装配在主传动轴13轴身端部，该主风轮通过其轮毂31以习知技术按F3方向呈下风向对风旋转结构设置。

前述风电机的主风轮3配置在主传动轴上，在风力作用下相对具有Pg极对数的定子16以Nzr速度旋转，且主风轮转速满足下述关系式：

$\mathrm{Nzr}=\frac{60\×(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$

其中：Nzr表示主风轮转速；Pg表示定子绕组极对数；Pe表示永磁外转子41的极对数；fg表示定子频率；fe表示永磁外转子折算频率；

所述励磁机内转子45绕组极对数设置为Pe对极；所述发电机转子14绕组极对数设置为Pg对极；所述的励磁机内转子绕组与发电机转子绕组通过转子间连接线123反相序连接；

所述定子绕组极对数Pg设置为大于永磁外转子极对数Pe，所述定子绕组极对数可以是3倍的永磁内转子极对数；风电机的的副风轮2配置在副传动轴上，该副风轮带动永磁外转子以Ne速度相对主风轮反向旋转，且永磁外转子折算频率满足下述关系式：

$\mathrm{fe}=\frac{\mathrm{Ne}\×\mathrm{Pe}}{60}$ 其中：Ne表示副风轮相对定子转速。

在副传动轴上配置以Nzre转速相对旋转的、具有Pe极对数的永磁外转子，永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速满足下述关系式：

Nzre＝Nzr+Ne其中：Nzre表示永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速；

前述的主、副风轮上设置可将转速的信号传送到机组集控装置5的主风轮转速测量装置G、副风轮转速测量装置G1，经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置测得的风轮转速，传输给机组集控装置5；机组集控装置与偏航控制器6联结，控制主风轮下风向对风对风旋转，偏航控制器6可安装于底座下的机舱内部101；

所述的主风轮与副风轮的轮毂部分别配置调节桨距角的主风轮变桨距调节机构38、副风轮变桨距调节机构28，该主风轮、副风轮变桨距调节机构与机组集控装置5电气联结，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；所述的主风轮与副风轮内分别配置副风轮桨距角测量装置G28、主风轮桨距角测量装置G38；

所述主、副风轮变桨距调节机构构造相同，它由以伺服电机M38、M28驱动的变桨伺服机构381、281与变桨控制装置382、282组成，所述机组集成控制5通过变桨控制装置382、282与以伺服电机M38、M28驱动的变桨伺服机构381、281联结；该变桨伺服机构在机组集控装置5的控制下根据检测到的桨距角变化进行主风轮和副风轮的转速调节，实现主风轮下风向对风对风旋转，而副风轮上风向对风反向对风旋转；制动器15设置在发电机端盖与副风轮轮毂之间；

在发电机的电压输出端依次连接并网控制装置7、和升压变压器8，再与外电网W联接；在并网控制装置、和升压变压器之间依次配置与机组集控装置5联结的输出电压测量装置G4、与机组集控装置联结的输出电流检测装置G3、及与机组集控装置联结的电网频率检测装置G2；在发电机M与并网控制装置之间配置与机组集控装置联结的空载检测装置G5；机组集控装置还具有与风速检测装置(未图示)联结的端口D1、与风向检测装置(未图示)联结得端口D2、与上位机传输数据的端口D3；所述主、副风轮叶片按已知技术方式装置在风轮轮毂上，所述主风轮叶片扫风面积大于副风轮的叶片扫风面积2-5倍，尤以主风轮叶片扫风面积是副风轮的叶片扫风面积的3倍左右较佳，所述的扫风面积是风轮旋转形成的面积；经由输出电流检测装置G3测得的发电机的输出电流和经由输出电压测量装置G4测得的发电机的输出电压传输给机组集控装置5，经由机组集控装置5运算出的发电机输出功率值与预设的额定功率数值比对；在设定条件下，机组集控装置5将由风速检测装置的联结端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的主风轮额定转速，采集计算得出该风速下主风轮额定转速的桨距角的调节数值，再与主风轮桨距角测量装置G38采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；由此可以实现主风轮在恒定功率下运行，防止发电机过载；

当串联永磁变速恒频励磁双转子风电机并网运行、主风轮转速在预设的额定转速和最低转速之间时，副风轮在机组集控装置5调节下按预设条件相对主风轮反向旋转、通过这种转速变化使发电机定子电压频率始终为50Hz；副风轮转速最低可到零，副风轮转速为0速时制动器15工作，

综上，双风轮机构的风电机，其中较大直径的主风轮为发电用，较小直径的副风轮为调节励磁频率兼发电用，二者在同一个轴线上、相互反方向对风旋转，偏航控制器负责控制主风轮下风向对风对风旋转，主力发电；副风轮上风向对风反向旋转，辅助发电，大大提高效能。

所述发电机的电压输出端并网控制装置等配置可对发电机输出电压加以限制、同期后软并网、停机时软解裂，可有效的减少并网无功电流的冲击，确保机组安全运行；当发电机达到额定输出功率时，机组功率因数控制在cosθ＝1左右运行；当发电机输出有功功率较小时，机组输出cosθ<1的感性无功功率；当发电机转速低于额定最低转速或发电机输出功率高于最大输出功率时，从电网上解列发电机，通过并网控制装置等配置完成软解列。

风力发电励磁控制方法：

1.在主传动轴13上配置在风力作用下相对具有Pg极对数的定子16以Nzr速度旋转的主风轮3，且主风轮转速满足下述关系式：

$\mathrm{Nzr}=\frac{60\&times;(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$

其中：Nzr表示主风轮转速；Pg表示定子绕组极对数；Pe表示永磁外转子41的极对数；fg表示定子频率；fe表示永磁外转子折算频率；

2.在副传动轴12端部配置的副风轮带动永磁外转子以Ne速度相对主风轮反向旋转，且永磁外转子折算频率满足下述关系式：

$\mathrm{fe}=\frac{\mathrm{Ne}\&times;\mathrm{Pe}}{60}$ 其中：Ne表示副风轮相对定子转速

3.在副传动轴上配置以Nzre转速相对旋转的、具有Pe极对数的永磁外转子，永磁外转子相对励磁内转子旋转的转速满足下述关系式：

Nzre＝Nzr+Ne

其中：Nzre表示永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速

4.所述励磁机内转子45绕组极对数设置为Pe对极；所述发电机转子14绕组极对数设置为Pg对极；所述的励磁机内转子绕组与发电机转子绕组通过转子间连接线123反相序连接；

5.经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的主风轮转速，传输给机组集控装置5，当主风轮低于额定转速时机组集控装置进行主风轮叶尖速比数值比对，经与机组集控装置预设的主风轮叶尖速比数值比对，计算出桨距角的调节数值，再与主风轮桨距角测量装置G38采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；由此可以实现主风轮在额定转速以下以其最佳叶尖速比运行，达到充分利用风能的目的；

当主风轮达到额定转速时，经由输出电流检测装置G3测得的发电机的输出电流和经由输出电压测量装置G4测得的发电机的输出电压传输给机组集控装置5，经由该机组集控装置运算出的发电机输出功率值与预设的额定功率数值比对；符合预设值时，机组集控装置5将采集到的由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的主风轮额定转速，计算出该风速下主风轮额定转速的桨距角的调节数值，再与主风轮桨距角测量装置G38采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；由此可以实现主风轮在恒定功率下运行，防止发电机过载；

6.经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速，和通过副风轮转速测量装置G1测得的副风轮转速，传输给机组集控装置5；当主风轮低于额定转速时，机组集控装置5采集电网频率检测装置G2的频率数值与副风轮该转速下计算得到的发电机输出电压频率数值比对，计算出副风轮该转速下桨距角的调节数值，再与副风轮桨距角测量装置G28采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对副风轮变桨距调节机构28发出变桨指令；由机组集控装置5按照 $\mathrm{Nzr}=\frac{60\&times;(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$ 关系式进行变速控制，使发电机在额定转速以下保持50Hz恒频运行；

当主风轮达到额定转速时，经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的副风轮额定转速，传输给机组集控装置5，当主风轮达到额定转速时机组集控装置5采集电网频率检测装置G2频率数值与副风轮额定转速下计算得到的发电机输出电压频率数值比对，计算出该风速下副风轮桨距角的调节数值，再与副风轮桨距角测量装置G28采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对副风轮变桨距调节机构28发出变桨指令；使主风轮在额定转速时保持发电机50Hz恒频运行；

以发电机输出电压频率为调节目标，通过调节副风轮桨距角控制副风轮的转速来限定定子频率fg为50Hz，永磁外转子静止fe视为0；

7.设置定子绕组极对数Pg大于永磁外转子极对数Pe，所述的定子绕组极对数可以是3倍的永磁内转子极对数。

从而，工作时串联的两转子绕组具有相同的电流频率、相互反方向的旋转磁场，发电机转子绕组励磁磁场相对串联转子的旋转速度Nzre与主风轮轴机械旋转的速度Nzr叠加、配合，始终形成同步励磁磁场，该同步磁场在具有Pg对极的定子绕组中产生50Hz电势，实现发电机组的变速恒频励磁运行。

8.装配在传动轴13上的主风轮与装配在副传动轴的副风轮2借由叶片桨距角的相对反方向调节呈相对反向旋转配置。

9.当主风轮转速在预设的额定转速和最低转速之间时，副风轮在机组集控装置5调节下按预设规律反向旋转、形成使发电机定子电压频率始终为50Hz的变化转速；当主风轮转速达到额定转速的1.2-1.5倍时，同时副风轮转速达到最低转速0速时，制动器15启动；既此，主风轮转速达到额定最低转速时，副风轮反向转速达到最高，机组可实现变速恒频运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种串联式双转子发电机，包括发电机主体中的发电机定子(16)和通过主传动轴(13)传动、相对该定子(16)呈旋转构造设置的发电机转子(14)，其特征在于，

励磁机(4)通过装置主风轮(3)的主传动轴与发电机主体同轴串装；所述的主风轮为在风力作用下相对具有Pg极对数的定子以Nzr速度旋转的主风轮；且主风轮转速满足下述关系式： $\mathrm{Nzr}=\frac{60\&times;(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$

其中：Nzr表示主风轮转速；Pg表示定子绕组极对数；Pe表示永磁外转子的极对数；fg表示定子频率；fe表示永磁外转子折算频率；

永磁体(43)设在永磁外转子的磁轭(42)上构成励磁机的永磁外转子(41)；该永磁外转子以与励磁机内转子(45)呈相对旋转的构造、且该永磁外转子呈相对发电机定子旋转的构造设置；

副风轮呈可驱动永磁外转子的构造装置在副传动轴上；借由副风轮传动的副传动轴(12)与借由主风轮传动的主传动轴(13)成可相互转动的方式同轴联结；

风电机的副风轮带动永磁外转子相对主风轮反向旋转，且永磁外转子折算频率满足下述关系式：

$\mathrm{fe}=\frac{\mathrm{Ne}\&times;\mathrm{Ne}}{60}$ 其中：Ne表示副风轮相对定子转速。

2.如权利要求1所述的串联式双转子发电机，其特征在于，所述的副风轮(2)以相对主风轮反向旋转的传动构造配置；所述的副风轮呈上风向对风旋转结构设置；主风轮呈下风向对风旋转结构设置。

3.如权利要求1或2所述串联式双转子发电机，其特征在于，在副传动轴上配置以Nzre转速相对主风轮反向旋转的、具有Pe极对数的永磁外转子，永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速满足下述关系式：Nzre＝Nzr+Ne

其中：Nzre表示永磁外转子相对励磁机内转子旋转的转速。

4.如权利要求3所述的串联式双转子发电机，其特征在于，所述的永磁体(43)成组配置，其极对数与励磁机内转子极对数匹配。

5.如权利要求4所述的串联式双转子发电机，其特征在于，所述装置永磁体(43)的磁轭(42)设置在永磁外转子壳体(410)内。

6.如权利要求5所述的串联式双转子发电机，其特征在于，所述副风轮与励磁机之间留有避免副风轮与塔架碰撞的预设间距(L)。

7.如权利要求6所述的串联式双转子发电机，其特征在于，所述的主、副传动轴均具有预设直径的中空通孔(130)，该主、副传动轴借由配置在发电机上的轴承(115、116)和励磁机上的轴承(147、148)支撑。

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