CN102780340A - 同步风力涡轮发电机 - Google Patents

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Abstract

一种同步风力涡轮发电机，是使用例如风力发电机等的类型，包括：至少一个定子；至少两个彼此相对设置，并且旋转轴线平行的绕组；以及至少一个冷却系统，冷却系统对绕组进行冷却，显著简化机械部件及尺寸，发电机通过永磁体产生磁感应。发电机的设计允许更好地利用靠近发电机外径的空间，以允许增加电力并最小化重量，而不增大发电机外径，并保持长度、通流密度和转速，这在从工厂向建筑输送电力时有利。另外的优点是，根据风力情况，可使一个绕组工作或使两个绕组同时工作，即优化效率和适应性，也增加可靠性，因为其转换器将每个绕组的能量单独或以并行方式转换到电网。另一个优点在于共享冷却系统，能够减少整机空间和结构复杂度。

Description

同步风力涡轮发电机
技术领域
本发明涉及一种利用风力产生能量的同步风力涡轮发电机，更具体地，本发明涉及的同步风力涡轮发电机只包括一个具有双绕组的中心定子。
背景技术
众所周知，目前，风能主要用于通过风力发电机(aerogenerator)来产生电能。风力发电机是一种由通过风力运行的涡轮机(风力涡轮机)驱动的发电机。传统的永磁铁同步风力涡轮发电机包括定子，该定子包括钢结构，在该钢结构上，开槽的定片(stator plate)堆叠以形成环状件。在定片的槽的内部设置有定子绕组，该定子绕组包括与之相关的绝缘铜线绕组，其中绕组形成为星型三相绕组。风力涡轮发电机的第二个部件是转子，其包括具有轴线和环状物的钢结构，在环状物上设置有形成北极和南极的磁铁。当转子相对于定子旋转时，使得磁场的磁力线被定子绕组切割，并在这些绕组内感应产生电压和电流，以向发电机提供确定的电力。
在现有技术中，存在大量基于上述原理的或大或小的改进。例如，美国专利6974045描述了一种风力发电系统，其中，一对轴向间隔的涡轮分别连接到发电机的外转子和内转子，并且该一对涡轮设置有规格相同但节距角(pitch angle)相反的叶片，从而使得内转子和外转子沿相反方向以相同的转速旋转。因为内转子和外转子之间的相对转速是内转子或外转子的转速的两倍，所以即使风速很低，该发电系统也能够产生相当大的电力。如果需要，可以取消(do away with)涡轮叶片的变节距机构(pitch varying mechanism)，以降低生产和维护成本。
另外，韩国专利20090123903(A)公开了一种风车发电装置，与容易受到风车的捕风(captured wind)影响的大容量发电机不同，该装置因为不受捕风影响而在应激诱发电位(generated potential)方面具有改进。永磁铁发电机具有：旋转轴；至少三级转子(three stage rotor)，该转子为多盘结构(multiple disc construction)，该至少三级转子沿旋转轴的长度方向串联地连接到旋转轴，并具有安装在转子上的永磁铁；以及多个定子，该定子为具有铜线定子绕组的盘状结构，多个定子与旋转轴绝缘并设置为具有至少两个间隙，每个间隙位于任意两个相邻的转子之间。转子和定子沿旋转轴的长度方向彼此交替设置，并穿过五级(five stage)或更多级。另外，在所提供的风车发电机中，螺浆(propeller)连接于上述结构的永磁体发电机的转子轴。
另外，美国专利7579702B2公开了一种电力转换装置和用于控制双馈(doubly-fed)感应发电机的电力转换方法，其设置有：同步发电机，该同步发电机用于产生独立于双馈感应发电机的辅助电力，从而甚至能够在具有无电环境(power-free)的系统中发电；电网侧变换器(grid-side converter)，该电网侧变换器包括三相四线转换器，从而即使在不平衡负载情况下也能够产生平衡电压(balanced voltage)，并自动使双馈感应发电机的定子电压和系统电压彼此同步。
另外，日本专利2010207052(A)提供了一种使用水力或风力的发电机，该发电机也能够产生具有预定的电压和预定的电流的电力。在发电过程中，即使外部能量非常弱或非常强，该发电机也能够产生具有预定的电压和预定的电流的电力。其方案为：发电机包括：磁转子24，该磁转子24在驱动源的旋转力作用下旋转；以及定子线圈25，该定子线圈25与磁转子的磁极相对设置。磁转子24包括：旋转轴13，该旋转轴13可旋转地枢接在壳体21上；和多个永磁铁，该多个永磁铁在围绕旋转轴的同心圆上形成多个磁极。定子线圈25包括多个无芯绕组和三相输出端，该三相输出端设置为与形成在转子24上的磁极相对。无芯绕组包括三个或多于三个有效输出绕组，并通过开关部件连接于输出端，从而能够使总匝数(number of turns)变大或变小。当来自驱动源的旋转力较大时使总匝数变小，当旋转力较小时使总匝数变大。
需要指出的是，美国专利2010/0270808描述了一种风能设备，该风能设备由多个模块化的风能装置或单元构成。每个单元具有壳体和安装在壳体上的至少两个涡轮。每个涡轮具有从壳体向上延伸的叶片组。每个叶片组具有相对于壳体向上延伸的垂直轴线。每个涡轮具有与其连接的发电机，每个发电机设置在壳体中并具有转子和定子。每个涡轮可相对于壳体旋转地安装，并且安装于转子，以使涡轮和转子能够一起旋转。每个壳体具有位于各单元的两侧上的正连接件和负连接件。当各单元设置在一起时，各单元的相应极连接，正极连接负极，并一起形成回路。因此，可以将多个单元连接在一起。
另外，美国专利7154191公开了用于风力涡轮机和舰船推进目的的机器，该机器包括具有两个同心的空气间隙的双侧发电机(double-sided generator)或电机。在一种实施方式中，该机器包括：双侧转子，该双侧转子具有内转子侧和外转子侧；以及定子，该定子具有内定子芯和外定子芯，其中，双侧转子同心地设置在内定子芯和外定子芯之间。
另外，美国专利No.7709972公开了一种风力涡轮机系统，该系统具有风力涡轮转子、节距控制机构和应急供电机构。风力涡轮转子包括具有节距角可变的叶片。节距控制机构驱动叶片以控制节距角。为了响应电网发生系统电压的意外下降，应急供电机构利用风力涡轮转子的旋转发电，并将电力供给到节距控制机构。
此外，美国专利2008/0012347限定了一种风力发电系统，该系统包括固定框、轴、机械轴承(mechanical bearing)、定子、转子以及磁性部件，其中，磁性部件用于通过系统或通过风力降低，或基本上消除施加在机械轴承上的各种载荷。具体地，在轴承(最靠近连接于轴的叶片(vane)的)上的磁性部件，用于在轴上施加与重力相反的力。轴承上的磁性部件沿轴远离叶片，以在轴上施加力，该力与由轴施加在轴承上该点的弯曲力相反。额外的磁性部件用于克服相邻的定子和转子的重力。此外，还有其他磁性部件用于在轴上施加与风力相反的力。
此外，专利WO 2010/099713公开了一种磁悬浮无摩擦双转子发电机，该发电机包括发电平台(generating platform)的中心轴线2、风力涡轮机1和水轮涡轮机(water wheel turbine)10，其中，风力涡轮机与发电机的内转子7连接，水轮涡轮机与发电机的外转子8连接。在风力和水力作用下，两个涡轮机沿相反的方向一起绕发电平台的中心轴线旋转，并驱动发电机的内转子和外转子沿相反的方向旋转，从而发电。该发电机具有合理的结构和较高的发电效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种同步风力涡轮发电机，该发电机是使用例如风力发电机等装置的类型，其中，同步发电机包括：至少一个定子；至少两个彼此相对设置，并且与旋转轴线平行的绕组，所述发电机通过永磁体产生磁感应；以及至少一个冷却系统，所述冷却系统对两个绕组进行冷却，从而显著简化了机械部件并减小了尺寸。
冷却系统包括封闭回路(closed circuit)，该封闭回路使用介电(dielectric)冷却液，该介电冷却液的热稳定性较大且比矿物油抗氧化、燃点高、环保性好并具有耐火性，所述冷却液穿过定子内部的通道循环并吸收从两个绕组散发的热量，并且在冷却液循环流动到其他区域时带走热量，在该其他区域中，空间内的空气(room-air)通过散热器进行散热。冷却液的循环通过泵送系统受迫进行。冷却通过受迫的空气循环完成，当转子旋转时，该空气循环用于去除绕组端部(winding head)内的热量，并通过余隙(residual gap)保持循环，从而避免在所述区域内的空气由于摩擦而过热。
附图说明
为了更好地理解本发明的目的，在多个附图中对本发明进行说明，作为举例，本发明的一种优选实施方式展示在这些附图中，其中：
图1是本发明的风力涡轮发电机的横截面视图；以及
图2是图1所示的风力涡轮发电机的横截面的局部视图。
具体实施方式
本发明的风力涡轮发电机包括至少一个中心定子，该中心定子具有平行于旋转轴线的双绕组。在本具体实施方式中，所述发电机只具有一个定子，该定子通过至少一个冷却系统冷却(在本实施方式中，冷却系统使用为两个绕组所共有的冷却液)。并且所述发电机通过所述定子两侧的永磁体产生电磁感应。需要指出的是，所使用的冷却系统不能作为对本发明范围的限制。
由附图可知，定子包括钢结构，在该钢结构上堆叠有定片，定片开槽形成为环形。在定片的槽的内部，定子的绕组设置为形成两个环，一个用于所述结构的外部，另一个用于所述结构的内部。定子绕组设置在定片的槽的内部，形成两个星型三相绕组。
参照图1可见，包括同步风力涡轮发电机的部件以附图标记1表示。实际上，发电机包括转子的壳体2，外三相绕组集电环(ring header)3，径向-轴向轴承4，转子的前盖5，径向轴承6，定子的内绕组7，定子主体和定片8，用于两个绕组的冷却系统，静态轴10，转子的后盖11和定子的外绕组12。
参照图2，其中可以看到以附图标记13表示的双绕组定子的剖视图，其具有定子(环状)14的结构，在定子14上设置有分别用于内绕组15和外绕组16的定片。需要重要地指出的是，所述结构14中，入口/出口17可以视作冷却液。
正如本领域任何技术人员可以从本说明书上述提到的内容得知的，本发明的目的是能够形成多种发电机，每个发电机具有其特殊的特性，即：
-一种双定子的同步风力涡轮发电机，该发电机具有：冷却液，或冷却液和空气，或仅冷却空气；具有永磁体的转子，该转子具有水平轴线，该永磁体具有径向磁通。
-一种多个同心定子的同步风力涡轮发电机，该发电机具有：冷却液，或冷却液和空气，或仅冷却空气；永磁体，所述永磁体具有径向磁通。
-一种多个同心定子的同步风力涡轮发电机，该发电机具有：冷却液，或冷却液和空气，或仅冷却空气；转子，所述转子具有突出磁极，所述突出的磁极具有径向磁通。
-一种多个同心定子的同步风力涡轮发电机，所述发电机具有：具有超导材料的绕组，具有突出磁极的转子，具有径向磁通的超导材料的绕组。
-一种多个同心定子的同步风力涡轮发电机，所述发电机具有：绕组，所述绕组具有超导材料；转子，所述转子的永磁体具有径向磁通。
本发电机的设计允许更好地利用靠近发电机的外径的空间，以允许增加电力并最小化重量，而不会增大发电机的外径，并且保持长度、通流密度(flow density)和转速，这在从风力电厂的工厂向建筑输送电力时有利。另外，额外的优点在于，根据风力情况，可以使一个绕组工作或使两个绕组同时工作，这样优化了效率和适应性，也增加了可靠性，因为其转换器将每个绕组的能量单独或以并行方式转换到电网(network)。
另一个重要的优点在于共享至少一个冷却系统，这能够减少整个机械的空间和结构复杂度。

Claims (13)

1.一种同步发电机，该同步发电机包括至少一个定子和至少两个绕组，该至少两个绕组彼此相对设置并且旋转轴线平行，所述同步发电机通过永磁体产生电磁感应。
2.根据权利要求1所述的发电机，该发电机为风力涡轮发电机。
3.一种同步风力涡轮发电机，该同步风力涡轮发电机包括：双定子；至少一个冷却系统，所述冷却系统包括冷却液、空气、或结合使用的冷却液和空气；具有永磁体的转子，所述转子具有水平轴线，所述永磁体具有径向磁通。
4.一种同步风力涡轮发电机，该同步风力涡轮发电机包括：多个同心的定子；至少一个冷却系统，所述冷却系统包括冷却液、空气、或结合使用的冷却液和空气；永磁体，所述永磁体具有径向磁通。
5.一种同步风力涡轮发电机，该同步风力涡轮发电机包括：多个同心的定子；至少一个冷却系统，所述冷却系统包括冷却液、空气、或结合使用的冷却液和空气；转子，所述转子具有突出的磁极，所述磁极具有径向磁通。
6.一种同步风力涡轮发电机，该同步风力涡轮发电机包括：多个同心的定子，所述定子具有超导材料的绕组；转子，所述转子具有突出的磁极；超导材料的绕组，所述超导材料的绕组具有径向磁通。
7.一种同步风力涡轮发电机，该同步风力涡轮发电机包括：多个同心的定子，所述定子具有超导材料的绕组；转子，所述转子的永磁体具有径向磁通。
8.根据上述任意一项权利要求所述的发电机，其中，所述发电机包括多个同心的定子以及具有突出磁极的转子。
9.根据上述任意一项权利要求所述的发电机，其中，所述定子包括钢结构，在所述钢结构上设置有开槽的定片，所述定片限定位于所述结构的内部和外部的环形。
10.根据上述任意一项权利要求所述的发电机，其中，在所述定片的槽内设置有定子绕组。
11.根据上述任意一项权利要求所述的发电机，其中，所述定子的绕组限定为至少两个星型三相绕组。
12.根据上述任意一项权利要求所述的发电机，其中，所述发电机包括：多个同心的定子，所述定子具有超导材料的绕组；转子，所述转子具有永磁体，所述永磁体具有径向磁通。
13.根据上述任意一项权利要求所述的发电机，其中，所述发电机包括：至少一个定子；至少一个冷却系统，所述冷却系统包括冷却液、空气、或结合使用的冷却液和空气。
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