CN103986278B - 异联电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异联电机，其解决了现有液力耦合器体积大、重量大、机械损耗和转差损耗大、效率较低、速度控制不稳定、功率因数低、调速精度差、维护成本高的技术问题，其包括一台在工频下工作的主电机和一台变频工作的辅助电机，主电机和辅助电机之间联接有行星齿轮机构，行星齿轮机构设有行星架，行星架固定连接有输出轴。本发明可用于电机驱动或风力发电。

Description

异联电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是涉及一种将工频电机与变频电机用行星齿轮机构联接为一体的异联电机。

背景技术

液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，其在输入转速不变的情况下，通过改变工作腔充满度（通常以导管调节）来改变输出转速及力矩。液力耦合器广泛用于大功率风机、运输机械中。

电动机的输出轴与液力耦合器的输入轴联接，液力耦合器的输出轴与被驱动的负载联接。使用时，电动机先空载启动，随后电流、转矩由小变大，液力耦合器的输出轴带动大功率风机逐步启动进入工况运行，保证了大功率风机的安全启动，还可降低电动机启动时的电能消耗。工作过程中还可以进行无极平稳调速，当载荷过大而停转时液力耦合器的输入轴仍可转动,不会造成电动机的损坏。

然而，液力耦合器存在体积大、重量大、机械损耗和转差损耗大、效率较低、速度控制不稳定、功率因数低、调速精度差、维护成本高等技术缺陷。所以，电动机联接液力耦合器的驱动机构就存在上述技术缺陷。

为了克服液力耦合器的上述缺陷，使用变频器直接驱动电动机，电动机的输出轴联接负载，这种方案能达到软启动和无极平滑调速的目的，但是在工作过程中，变频器必须始终处于上电工作状态，而且除了电动机运行在额定频率下（即工频下）效率最高外，电动机在低频下运行效率很低，不利于节能降耗。更值得关注的是，大功率的变频器价格昂贵，成本很高。

在风力发电系统中，风力发电机组包括两种运行方式，一种是恒速恒频运行方式，另一种是变速恒频运行方式。在恒速恒频的运行方式下，发电机的转速不变，从而保证和电网频率一致的恒定的频率，其存在风能利用率低、效率低、需要无功补偿装置、输出功率不可控等缺陷。所以变速恒频运行方式应用的越来越广，在变速恒频的运行方式下，发电机组的转速可随风速变化，发电机组通过转子励磁电流相位频率等的调节，使定子侧输出恒频恒压电能，风能转换率高，效率高。

目前实现变速恒频运行方式的发电机组主要有双馈异步发电机组，尤其是在兆瓦级的风电系统中应用很广，双馈异步发电机组设置有高增速比的齿轮箱作为传动部件、一台全功率的变频器，该齿轮箱体积大、重量大，增加了风力发电系统的复杂性和成本，维护费用高。风力发电系统的叶轮主轴与齿轮箱、联轴器、双馈异步发电机组的输入轴之间顺次联接要求对中精确，否则会造成震动，轴承受到很大的侧向力，轴承损坏的几率大大增加。例如更换一台1.5MW的齿轮箱的工程费用80万元，齿轮箱单价120万元，所以齿轮箱各项成本非常高。随着风机容量越来越大，齿轮箱和双馈异步发电机也越来越大，而且制造加工难度也越来越大，加工精度也很难保证，成本是越来越高。关于目前电机的价格，一台3MW的双馈异步发电机的价格高于两台1.5MW的电机的价格。

发明内容

本发明就是为了解决上述技术问题或者至少之一，提供一种体积小、重量轻、维护方便成本低、能够无极平稳调速、调速范围宽、精度高、效率高有利于节能降耗的异联电机。

本发明的技术方案是，包括一台在工频下工作的主电机和一台变频工作的辅助电机，主电机和辅助电机之间联接有行星齿轮机构，行星齿轮机构设有行星架，行星架固定连接有输出轴。

本发明进一步优选的技术方案是，设有离合器，主电机和辅助电机分别设有转子，离合器能够固定主电机或辅助电机的转子。

本发明的有益效果是，本发明的本质是将工频电机与变频电机用行星齿轮机构联接成一体，使用一台工频电机作为主电机，一台由变频器控制的变频电机作为辅助电机，两台电机按内外同心设计或上下并排平行设计，通过行星齿轮机构把电机的动力传递到输出转轴，输出转轴与行星齿轮机构的行星架固定连接。工频下运转的主电机可以空载启动，这时本发明的输出转轴不旋转，也就是让本发明空载启动，启动时与外负载无关，实现了长时间零转矩和零转速输出。当本发明的输出转轴联接大负载叶轮时，上电后本发明空载启动，负载叶轮是不旋转的，达到了电动机联接液力耦合器同样的空载启动效果。在大负载叶轮从起步到逐渐加速到工况要求的转速的过程中，大负载叶轮的阻力产生的机械能使辅助电机发电并通过变频器回馈给电网，实现了节约电网能源的作用节约电能，当本发明的输出转轴联接大负载叶轮正常工作时，发生叶轮被卡死，即发生堵转时，本发明的主电机正常转动，不会停机，不会损坏。根据实际工况要求，辅助电机需要工作时，在变频器的控制下对本发明进行无极平稳调速，只使用部分功率就可以实现调速，并且调速范围宽、精度高。

此外，本发明体积小，重量轻，维护方便成本低，有利于节能降耗。本发明可以完全取代液力耦合器，不需要液力耦合器与减速机作为电动机与工作机之间的缓冲剂增扭机构，代表了一种新的技术趋势。

针对风力发电的应用，相对于现有的双馈异步发电机组省去了齿轮箱和联轴器，仅需一级齿轮箱，中间环节少，维护量大大降低，从而降低了风力发电机组的重量，减少了制造、运输成本和吊装成本，大幅减少塔筒的载荷。

例如对于一台3MW的双馈异步发电机（价格30万左右）外加一台3MW的变频器（价格20万-30万）所构成的发电机组，其价格非常高，而本发明只需两台1.5MW的电机（10万左右）和一台1.5MW的变频器（价格10万左右），其价格相对来说很低。

传动损失小，发电效率高；低风速下效率高；切入风速值更小，利用变速运行使得使用风力范围更宽，保证风机更多的运行在最佳叶尖速比，最大限度的捕捉风能，风能利用率更高。

本发明进一步的特征，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1A是本发明第一实施例的结构示意图；

图1B是本发明第二实施例的结构示意图；

图2是本发明主电机空载启动下的损耗与一般电机空载启动的损耗大小曲线对比图。

图中符号说明：

1.外电机转子；2.外电机定子；3.内电机定子；4.内电机转子；5.内外定子架；6.后支撑轴承；7.外罩；8.外离合器；9.内齿圈；10.行星架；11.输出轴；12.太阳轮；13.支撑轴承；14.转轴；15.前支撑轴承；16.上电机；17.下电机；18.太阳轮；19.行星架；20.双联齿圈；21.输出轴；22.离合器；23.行星齿轮；24.内离合器；25.行星齿轮；26.转轴；27.转轴；28.上离合器；29.下离合器；30.齿轮；n.空载转速。

具体实施方式

第一实施例

如图1A所示的异联电机，其作为电动机使用，其包括内电机一台、外电机一台，内电机包括内电机转子4和内电机定子3，外电机包括外电机转子1和外电机定子2。内电机转子4安装在内外定子架5内，内电机转子4设有转轴14，转轴14伸出内外定子架5的两端并通过后支撑轴承6和前支撑轴承15支撑于内外定子架5上。内电机定子3安装在内外定子架5的内壁上。外电机为外转子电机，外电机定子2安装在内外定子架5的外壁上，外电机转子1通过支撑轴承13支撑于内外定子架5上，支撑轴承13套设在内外定子架5的前端轴承挡处。

内电机和外电机共用同一转轴，即转轴14，转轴14连接行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮12、行星架10、行星齿轮23、内齿圈9。转轴14与太阳轮12联接，输出轴11固定联接在行星架10上。内齿圈9与外电机转子1联接。

内齿圈9联接有外离合器8，外离合器8可以使内齿圈9固定。内离合器24固定内电机的转轴14。

内外定子架5上连接有外罩7，可以保护整个机构的内部部件。

内电机和外电机这两台电机可以这样设置，其中一台是工频下工作的电机，作为主电机，另一台是由变频器控制的变频电机，作为辅助电机。

下面对整个装置的工作过程进行描述：

第一种情况，内电机为工频电机，在工频下定速运行，外电机为变频电机，由外设的变频器控制其运行。输出轴11可以联接大负载叶轮或其他大负载。

⑴内电机在工频下运行，外电机在变频器的控制下反方向运行。转轴14在内电机的驱动下带动太阳轮12旋转，内齿圈9在外电机的驱动下旋转而且转动方向与太阳轮12的转动方向相反，这样，行星架10有可能旋转，也有可能不旋转。要想让行星架不旋转也就是输出轴11不旋转，就需要调整内齿圈9的转速，因为在这个过程中，行星齿轮机构的转速比和转轴14的转速都是定量，内齿圈9的转速是唯一的变量。

所以，用变频器控制外电机按照一定的转速旋转，也就是让内齿圈9按照一定的转速旋转，外电机的旋转方向与内电机的转向相反，就可以实现转轴11不旋转。转轴11不旋转的意义在于使得工频下运转的内电机空载启动，也就是让本发明空载启动。当本发明的输出轴11联接大负载叶轮时，上电后本发明空载启动，负载叶轮是不旋转的，达到了电动机联接液力耦合器同样的空载启动效果，本发明空载启动的过程是零转矩和零转速输出，并且可以长时间保持这种状态，自身启动与负载无关。

本发明空载启动完成后，当需要让大负载叶轮从起步到逐渐加速到工况要求的转速时，在这个过程中，用变频器控制外电机逐渐减速，太阳轮12逐渐传递力矩给行星齿轮23，行星架10逐渐通过输出轴11驱动大负载叶轮旋转到工况要求的转速。在这个过程中，外电机受到阻力发电，能够将此阻力产生的机械能通过变频器回馈给电网，实现了节约电网能源的作用。

当本发明的输出轴11联接大负载叶轮正常工作时，发生叶轮被卡死，即发生堵转时，本发明实现了长时间大转矩和零转速输出，几乎不消耗功率，本发明的内电机正常转动，不会堵转，不会损坏。

一般电机在空载工作状态下的损耗是其额定功率的三分之一左右，联接液力耦合器的电机在空载启动时的损耗也同样很大，这对于电网的电能是一种浪费。然而本发明在空载启动这个过程中，由于内电机的转轴14通过行星齿轮机构联接外电机的外电机转子1，所以内电机输出的一部分机械能就传送给外电机，驱使外电机发电，外电机发出的电可以回馈到电网，此过程的能量传递是电网电能转换成内电机的机械能，内电机的机械能又通过外电机发电转换成电能并且回馈到电网，这样就实现了电网电能的回收，节约了电网电能。实现了电机联接液力耦合器所没有的节约电能的效果。如图2所示，纵坐标表示电机损耗，横坐标表示电机转速，n表示电机空载转速，图中上面的较粗的曲线表示一般电机空载启动的损耗曲线，下面较细的曲线表示本发明内电机空载启动的损耗曲线，从图中可以明显得出，本发明的节约电能的效果。

⑵当内电机在工频下运行，外电机不动作时，转轴14带动太阳轮12旋转，内齿圈9固定，行星架10同方向旋转，从而带动输出轴11也同方向旋转。在内电机转速一定的情况下，输出轴11的转速取决于行星齿轮机构的转速比。

外离合器8固定外电机的外电机转子1或内齿圈9。

⑶内电机在工频下运行，外电机在变频器的控制下同方向运行。转轴14在内电机的驱动下带动太阳轮12旋转，内齿圈9在外电机的驱动下旋转而且转动方向与太阳轮12的转动方向相同，这样，行星架10也同方向旋转，从而带动输出轴11也同方向旋转。输出轴11的转速取决于行星齿轮机构的转速比和内齿圈9的转速，因为行星齿轮机构的转速比是定量，所以可以改变内齿圈9的转速来调整输出轴11的转速，最终实现了用变频器对输出轴11的调速。

第二种情况，外电机为工频电机，在工频下定速运行，内电机为变频电机，由外设的变频器控制运行。输出轴11可以联接风机叶轮。

⑴当外电机在工频下运行，内电机不动作时，太阳轮12固定，内齿圈9带动行星架10旋转，行星架10带动输出轴11也同方向旋转。在外电机转速一定的情况下，输出轴11的转速取决于行星齿轮机构的转速比。内离合器24固定内电机的转轴14，从而实现太阳轮12的固定。

⑵外电机在工频下运行，内电机在变频器的控制下同方向运行。内齿圈9在外电机的驱动下旋转，转轴14在内电机的驱动下带动太阳轮12旋转而且转动方向与内齿圈9的转动方向相同，这样，行星架10也同方向旋转，从而带动输出轴11也同方向旋转。输出轴11的转速取决于行星齿轮机构的转速比和太阳轮12的转速，因为行星齿轮机构的转速比是定量，所以可以改变太阳轮12的转速来调整输出轴11的转速，最终实现了用变频器对输出轴11的调速。

⑶外电机在工频下运行，内电机在变频器的控制下反方向运行。内齿圈9在外电机的驱动下旋转，转轴14在内电机的驱动下带动太阳轮12旋转而且转动方向与内齿圈9的转动方向相反，这样，行星架10有可能旋转，也有可能不旋转。要想让行星架10不旋转也就是输出轴11不旋转，就需要调整太阳轮12的转速，因为在这个过程中，行星齿轮机构的转速比和内齿圈9的转速都是定量，太阳轮12的转速是唯一的变量。

所以，用变频器控制内电机按照一定的转速旋转、方向与外电机的转向相反，就可以实现输出轴11不旋转。输出轴11不旋转的意义在于使得工频下运转的外电机空载启动，也就是让本发明空载启动。当本发明的输出轴11联接大负载叶轮时，上电后本发明空载启动，负载叶轮是不旋转的，达到了电动机联接液力耦合器同样的空载启动效果。当本发明的输出轴11联接大负载叶轮正常工作时，发生叶轮被卡死，即发生堵转时，本发明的外电机正常转动，不会堵转。

在调速和节约电网电能方面与前述第一种情况相同，只不过进行发电的是内电机。

第二实施例

下面参考图1B，该异联电机作为电动机使用，其包括上电机16、下电机17，还包括行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮18、行星架19、行星齿轮25、双联齿圈20构成，上电机16的转轴26联接太阳轮18，输出轴21与行星架19固定连接。下电机17的转轴27通过齿轮30与双联齿圈20联接。上离合器28、下离合器29分别用于固定上电机16、下电机17的转轴。

上电机16和下电机17以上下方式纵向排列，区别于实施例一的同心设计排列。它们可以这样设置，其中一台是工频下工作的电机，作为主电机，另一台是由变频器控制的变频电机，作为辅助电机。

下面对整个装置的工作过程进行描述：

本实施例的工作方式基本和第一实施例相同，其区别在于，上离合器28固定上电机16的转轴26，从而实现太阳轮18的固定。上离合器29固定下电机17的转轴27，以实现双联齿圈20的固定。要想实现太阳轮18和双联齿圈20同方向旋转，上电机16和下电机17就必须反方向旋转，要想实现太阳轮18和双联齿圈20反方向旋转，上电机16和下电机17就必须同方向旋转。

在空载启动、调速和节约电网电能方面与前述第一实施例的原理相同，即辅助电机用于发电。

上述具体第一实施例和第二实施例中描述的变频电机，是指能够被变频器带动的电机。该变频电机可以采用双馈电机原理，使变频器的功率进一步减少。

第三实施例

在描述本实施例之前需要说明如下，在风力发电系统中，由于风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，如果允许风车做变速运动，则能够达到更好利用风能的目的。对于大型风力发电系统，在7级风的额定风速工况下，发电机能满负荷运行，达到最高效率，5级风以下的工况就不能达到满负荷运行，达不到最高效率。

如图1A所示的异联电机，其作为发电机使用，应用在风力发电系统中，内电机和外电机都是发电机。本实施例的结构与第一实施例的区别是，变频器只能与外电机连接，内电机不可以连接变频器。本实施例中的变频器是四象限变频器，能够实现能量反馈回电网。该变频器也可以是能够将外电机发出的与电网电压、频率不同的电力，经过整流、逆变后变成与电网电压、频率相同的电力的变流器等逆变装置。

内电机为恒速恒频发电机，可以是三相异步发电机。

外电机优选使用外转子永磁同步发电机，外转子为铁氧体或钕铁硼等永磁材料外转子。

下面对整个装置的工作过程进行描述：

输出轴11联接风力发电系统的风轮，内电机定子3的定子绕组连接电网，外电机定子2的定子绕组通过四象限变频器连接到电网。

当风力在7级以上时，用外离合器8固定外电机的外电机转子1或内齿圈9。风轮带动行星架10旋转，从而带动行星齿轮23旋转，行星齿轮23为主动件，太阳轮12为从动件，太阳轮12旋转带动转轴14旋转，从而内电机转子4以额定转速旋转，内电机定子3发出与电网电压、频率相同的电能并输送给电网。这时，内电机满负荷运行，即本异联电机满负荷运行。

当风力在7级以上时，还有另一种情况，外离合器8不动作，即不固定外电机的外电机转子1或内齿圈9。风轮带动行星架10旋转，从而带动行星齿轮23旋转，行星齿轮23为主动件，太阳轮12和内齿圈9为为从动件，太阳轮12旋转带动转轴14旋转，从而内电机转子4以额定转速旋转，内电机定子3发出与电网电压、频率相同的电能并输送给电网。内齿圈9带动外电机转子1旋转，外电机定子2发出电能并输送给四象限变频器，四象限变频器对接收到的电能经过整流、逆变后输出与电网电压、频率相同的电能给电网。

当风力在5级以下，风轮以较低的速度旋转，用内离合器24固定转轴14，即固定内电机转子4不动。这时，风轮带动行星架10旋转，从而带动行星齿轮23旋转，行星齿轮23为主动件，内齿圈9为从动件，内齿圈9带动外电机转子1旋转，外电机定子2发出电能并输送给四象限变频器，四象限变频器对接收到的电能经过整流、逆变后输出与电网电压、频率相同的电能给电网。

第四实施例

在描述本实施例之前需要说明如下，在风力发电系统中，由于风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，如果允许风车做变速运动，则能够达到更好利用风能的目的。对于大型风力发电系统，在7级风的额定风速工况下，发电机能满负荷运行，达到最高效率，5级风以下的工况就不能达到满负荷运行，达不到最高效率。

如图1B所示的异联电机，其作为发电机使用，应用在风力发电系统中，上电机16和下电机17都是发电机。本实施例的结构与第二实施例的区别是，变频器只能与下电机17连接，上电机16不可以连接变频器。本实施例中的变频器是四象限变频器，能够实现能量反馈回电网。该变频器也可以是能够将外电机发出的与电网电压、频率不同的电力，经过整流、逆变后变成与电网电压、频率相同的电力的变流器等逆变装置。

上电机16为恒速恒频发电机，可以是三相异步发电机。

下电机17优选使用内转子永磁同步发电机，内转子为铁氧体或钕铁硼等永磁材料内转子。

下面对整个装置的工作过程进行描述：

输出轴21联接风力发电系统的风轮，上电机16的定子绕组连接电网，下电机17的定子绕组通过四象限变频器连接到电网。

当风力在7级以上时，用下离合器29固定下电机17的转轴27，从而固定双联齿圈20。风轮带动行星架19旋转，从而带动行星齿轮25旋转，行星齿轮25为主动件，太阳轮18为从动件，太阳轮18旋转带动转轴26旋转，从而上电机16以额定转速旋转，上电机16的定子发出与电网电压、频率相同的电能并输送给电网。这时上电机16满负荷运行，即本异联电机满负荷运行。

当风力在7级以上时，还有另一种情况，下离合器29不动作，即不固定下电机17的转轴27，风轮带动行星架19旋转，从而带动行星齿轮25旋转，行星齿轮25为主动件，太阳轮18和双联齿圈20为从动件，太阳轮18旋转带动转轴26旋转，从而上电机16以额定转速旋转，上电机16的定子发出与电网电压、频率相同的电能并输送给电网。联齿圈20通过齿轮30带动下电机17的转子旋转，下电机17的定子发出电能并输送给四象限变频器，四象限变频器对接收到的电能经过整流、逆变后输出与电网电压、频率相同的电能给电网。

当风力在5级以下，风轮以较低的速度旋转，用上离合器28固定转轴26，即固定太阳轮18不动。这时，风轮带动行星架19旋转，从而带动行星齿轮25旋转，行星齿轮25为主动件，双联齿圈20为从动件，双联齿圈20通过齿轮30带动下电机17的转子旋转，下电机17的定子发出电能并输送给四象限变频器，四象限变频器对接收到的电能经过整流、逆变后输出与电网电压、频率相同的电能给电网。

以上所述仅对发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种异联电机，其特征在于，包括一台在工频下工作的主电机和一台变频工作的辅助电机，所述主电机和所述辅助电机之间联接有行星齿轮机构，所述行星齿轮机构设有行星架，所述行星架固定连接有输出轴；

还设有离合器，所述主电机和所述辅助电机分别设有转子，所述离合器能够固定所述主电机或辅助电机的转子；

所述主电机为内转子电机，其包括内电机转子和内电机定子，所述内电机转子设有转轴；

所述辅助电机为外转子电机，其包括外电机转子和外电机定子；

还设有内外定子架，所述内电机转子设于所述内外定子架内，所述内电机转子的转轴伸出所述内外定子架的两端并通过后支撑轴承和前支撑轴承支撑于所述内外定子架上；所述内电机定子设于所述内外定子架的内壁上，所述外电机定子设于所述内外定子架的外壁上；所述外电机转子通过支撑轴承支撑于所述内外定子架上，所述支撑轴承套设在所述内外定子架的前端轴承挡处；

所述行星齿轮机构设有太阳轮、行星齿轮、内齿圈，所述内电机转子的转轴与所述太阳轮联接，所述内齿圈与所述外电机转子联接；

所述离合器包括外离合器和内离合器，所述内齿圈联接有外离合器，所述内电机转子的转轴联接有内离合器。

2.根据权利要求1所述的异联电机，其特征在于，所述内转子电机为恒速恒频发电机，所述外转子电机为外转子永磁同步发电机，所述外转子永磁同步发电机设有定子绕组，所述定子绕组与四象限变频器连接；

所述恒速恒频发电机为三相异步发电机。