CN112688525B - 一种双级稳压电力采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双级稳压电力采集系统，属于风力发电技术领域。采用液压驱动技术方案，设计双级稳压可变速发电系统，安装有桨叶的外转子通过轴承安装在定子外部，外转子内圆面与定子偏心轴部分构成偏心可变腔体，同时外转子内圆面上安装弹性柱销，弹性柱销将偏心可变腔体分割成密闭的压缩腔和膨胀腔，外转子旋转时将压缩腔内液压油加压后压入到配油腔中，配油腔中的液压油通过电磁单向阀和输油管进入第一进油腔和第二进油腔，此后高压油给滚珠连杆提供切向力，由于滚柱连杆组伸出的长度不同，伸出面积不同，这个压力差使得滚柱连杆组带动内转子顺时针旋转，做功后的低压油再通过第一出油腔和第二出油腔回流入外转子的膨胀腔内。

Description

一种双级稳压电力采集系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地说是一种双级稳压电力采集系统。

背景技术

超导发电机应用于海上风力发电机组,常态下的风速波动会导致转速发生变化,进而由电枢反应在超导励磁绕组中产生交流损耗。风速波动和海浪还会导致杆塔发生晃动,进而引起超导励磁绕组与电枢绕组发生相对运动,增大励磁绕组中的交流损耗。交流损耗会导致超导励磁绕组发热，需要研究风速变化过程中交流损耗的增加程度,并提出改进措施。除此之外,超导发电机的故障状态如短路故障会对励磁绕组带来冲击，影响励磁绕组的稳定运行,甚至可能导致失超,因此有必要研究故障状态下超导励磁绕组的动态稳定性。

常规发电机在运行过程中会出现非稳定状态，也就是动态行为，动态行为的持续时间虽然短暂，对发电机的危害却非常大，当发电机出线端发生突然短路时，电枢电流急剧变化，常规发电机的三相短路电流峰值可能会达到额定电流的20倍左右。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种双级稳压电力采集系统。

本发明的核心思想是：采用液压驱动的技术方案，设计了双级稳压可变速发电系统，安装有桨叶的外转子通过轴承安装在定子的外部，外转子内圆面与定子的偏心轴部分构成偏心可变腔体，同时外转子内圆面上安装弹性柱销，弹性柱销将偏心可变腔体分割成密闭的压缩腔和膨胀腔，外转子在旋转过程中将压缩腔内的液压油加压后送入到配油腔中，配油腔中的液压油再通过单向阀和输油管进入第一进油腔和第二进油腔，此后高压油给滚珠连杆提供切向力，由于滚柱连杆组伸出的长度不同，伸出面积不同，这个压力差使得滚柱连杆组带动内转子顺时针旋转，做功后的低压液压油再通过第一出油腔和第二出油腔回流入外转子的膨胀腔内。

同时，为了赋予发电机变速发电的能力，在内转子的内部设置了阻尼腔和加速腔，进入阻尼腔的高压油能够削弱滚柱连杆在内转子处受到的高压切向力，进而起到减速的效果，进入加速腔的高压油能够增强削弱滚柱连杆在内转子处受到的高压切向力，进而起到加速的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双级稳压电力采集系统，包括外转子、定子和内转子，外转子偏心安装在定子上，外转子的内壁上加工凹槽，凹槽内安装柱销和柱销弹簧，柱销和外转子的内壁以及定子的外壁共同构成压缩腔和第一膨胀腔，压缩腔通过外转子泄油管与配油腔连通，外转子通过外转子轴承安装在定子，定子包括主轴、偏心轴和轴承座三部分，主轴和轴承座的中轴线重合，外转子轴承安装在主轴和轴承座上，偏心轴的内表面有第一进油腔、第一出油腔、第二进油腔和第二出油腔，第一进油腔和第二进油腔的进油孔通过电磁单向阀与配油腔连通，第一出油腔和第二出油腔的出油孔通过外转子进油管与第一膨胀腔连通；配油腔上安装密封端盖；外转子上安装桨叶，外转子上尾部安装后端盖，外转子的头部安装前端盖。

定子内安装内转子轴承，内转子轴承内安装内转子，内转子为套筒结构，套筒的中轴线与主轴的中轴线重合，内转子的圆周壁上开有导向槽，导向槽内安装滚柱连杆，滚柱连杆的两侧端头处安装滚珠，内转子的内部安装定心轴承，定心轴承内安装轴套，轴套通过端面法兰固定在定向轴上，轴套的外圆表面与内转子的内圆表面共同构成第一阻尼腔、第一加速腔、第二阻尼腔和第二加速腔，第一阻尼腔、第一加速腔、第二阻尼腔和第二加速腔通过相互独立的液压管路和电磁阀与配油腔连通，配油腔位于轴套的中心，定向轴通过端部法兰固定在机舱内，机舱安装制冷器。

内转子的端部与超导发电机的电机转子连接，电机转子上安装力矩传导筒，力矩传导筒穿过低温杜瓦，低温杜瓦为双层真空瓶，力矩传导筒上安装绕组支架，绕组支架为圆筒型结构，圆筒的圆周面上等间距的分布线圈卡槽，线圈卡槽内安装励磁绕组，线圈卡槽的底部有液氮通道，电机转子通过轴承固定在电机定子的壳体内，电机定子的内部安装定子铁芯，定子铁芯为硅钢片叠压而成，铁芯凹槽内安装定子绕组。

电机转子内有液氮进管，液氮进管上安装液氮阀，液氮阀插入到液氮滑环内，液氮滑环与电机转子之间有耐磨铜套。

液氮滑环通过液氮管路与真空罩连接，真空罩有冷端换热器、回热器和水冷器，冷端换热器与推移活塞之间构成第二膨胀腔，水冷器与外部水泵和水箱连接，真空罩充满液氮。

本发明的一种双级稳压电力采集系统，现有技术相比所产生的有益效果是：

1)设计的配油腔起到稳压和稳流的作用，由于电磁单向阀的作用从配油腔流入进油腔的液压油的压力和流速始终保持不变，内转子的转速能够维持稳定，为后续发电机的平稳发电避免电压脉冲尖峰提供了保障。

2)本发明设计的结构中由一个转子对应于两个定子，形成内、外两个相互独立马达，但共用一个输出轴，确保通过切换马达之间的连接，在不改变液压马达输入流量和压力的情况下，可以实现多作用液压马达转速和转矩多级调节输出。

3)相比于传统的风力发电机，本发明设计的超导电机和液氮冷却系统，能够在有限的安装空间内产生更高的电磁密度，同等风力条件下，使用超导发电机发出的电量是常规发电机的2-3倍。

附图说明

图1是本发明结构左视剖面图；

图2是本发明结构主视剖面图；

图3是本发明结构超导电机剖视图；

图4是本发明结构制冷器剖视图；

图5是本发明结构绕组支架剖视图；

图6是本发明结构绕组支架三维图；

图7是本发明结构滚珠连杆主视图；

图中各标号表示：

1、外转子，2、柱销，201、柱销弹簧，3、定子，301、主轴，302、偏心轴，303、轴承座，304、外转子轴承，305、内转子轴承，4、压缩腔，5、第一膨胀腔，601、第一进油腔，602、第一出油腔，603、第二进油腔，604、第二出油腔，7、内转子，8、滚柱连杆，801、滚珠，9、轴套，901、第一阻尼腔，902、第一加速腔，903、第二阻尼腔，904、第二加速腔，10、液压油，11、前端盖，12、配油腔，13、轴套，14、超导发电机，15、定向轴，16、电磁单向阀，171、外转子泄油管，172、外转子进油管，18、密封端盖，19、定心轴承，20、机舱，21、电机定子，22、定子铁芯，23、定子绕组，24、低温杜瓦，25、励磁绕组，26、液氮通道，27、绕组支架，271、线圈卡槽，272、液氮通道，28、液氮滑环，29、液氮阀，30、液氮进管，31、力矩传导筒，32、真空罩，33、第二膨胀腔，34、冷端换热器，35、回热器，36、水冷器，37、直线电机，38、压缩活塞，39、推移活塞，40、制冷器，41、桨叶，42、后端盖，43、电机转子

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例进行说明。

一种双级稳压电力采集系统，包括外转子1、定子3和内转子7，外转子1偏心安装在定子3上，外转子1的内壁上加工凹槽，凹槽内安装柱销2和柱销弹簧201，柱销2和外转子1的内壁以及定子3的外壁共同构成压缩腔4和第一膨胀腔5，压缩腔4通过外转子泄油管171与配油腔12连通，外转子1通过外转子轴承304安装在定子3，定子3包括主轴301、偏心轴302和轴承座303三部分，主轴301和轴承座303的中轴线重合，外转子轴承304安装在主轴301和轴承座303上，偏心轴302的内表面有第一进油腔601、第一出油腔602、第二进油腔603和第二出油腔604，第一进油腔601和第二进油腔603的进油孔通过电磁单向阀16与配油腔12连通，第一出油腔602和第二出油腔604的出油孔通过外转子进油管172与第一膨胀腔5连通；配油腔12上安装密封端盖18；外转子1上安装桨叶41，外转子1上尾部安装后端盖42，外转子1的头部安装前端盖11。

作为本发明的第一实施例，由定子、内转子、滚柱连杆及两边侧板组成的密闭容积，当向进油口通入高压油液时，通过壳体内的通道和配流窗口进入到封闭容积内，位于压油腔与吸油腔分界处的滚柱连杆组的一侧作用于高压油，另一侧作用有低压油，由于滚柱连杆组伸出的长度不同，伸出面积不同，这个压力差使得滚柱连杆组带动内转子顺时针旋转，形成外马达。同理，由内转子、定心轴、滚珠连杆及两边侧板组成的密闭容积，向进油口通入高压油液时，通过配流轴上的通道进入密闭容积内，由于压力差使得转子顺时针旋转，形成内马达。

作为本发明的第一实施例，外马达单独工作时，高压油液对滚柱连杆组的作用力。油液对于滚柱连杆组的作用力的方向为垂直于直径，作用于转子上就形成一对大小相等，方向相反且不作用于同一条直线上，即形成力矩。通过这些力矩的作用，转子产生顺时针转动，产生转矩和转速。同理，内马达单独工作，内、外马达同时工作和差动工作时，也是由于力矩的作用使之旋转。

定子3内安装内转子轴承305，内转子轴承305内安装内转子7，内转子7为套筒结构，套筒的中轴线与主轴301的中轴线重合，内转子7的圆周壁上开有导向槽，导向槽内安装滚柱连杆8，滚柱连杆8的两侧端头处安装滚珠801，内转子7的内部安装定心轴承19，定心轴承19内安装轴套9，轴套9通过端面法兰固定在定向轴15上，轴套9的外圆表面与内转子7的内圆表面共同构成第一阻尼腔901、第一加速腔902、第二阻尼腔903和第二加速腔904，第一阻尼腔901、第一加速腔902、第二阻尼腔903和第二加速腔904通过相互独立的液压管路和电磁阀与配油腔12连通，配油腔12位于轴套9的中心，定向轴15通过端部法兰固定在机舱20内，机舱20安装制冷器40。

作为本发明的第一实施例，由于本发明采用的双作用式传动系统为轴心对称布置，从转子、定子所受径向力的对称平衡考虑，滚柱连杆8的个数应取为偶数，内转子7和滚柱连杆8看成一个整体，滚柱连杆为轴心对称，在同一径向上的滚柱连杆，受到大小相同，方向相反，但都是垂直与滚柱连杆的力的作用。

内转子7的端部与超导发电机14的电机转子43连接，电机转子43上安装力矩传导筒31，力矩传导筒31穿过低温杜瓦24，低温杜瓦24为双层真空瓶，力矩传导筒31上安装绕组支架27，绕组支架27为圆筒型结构，圆筒的圆周面上等间距的分布线圈卡槽271，线圈卡槽271内安装励磁绕组25，线圈卡槽271的底部有液氮通道272，电机转子43通过轴承固定在电机定子21的壳体内，电机定子21的内部安装定子铁芯22，定子铁芯22为硅钢片叠压而成，铁芯凹槽内安装定子绕组23。

作为本发明的第一实施例，力矩传导筒的主要功能是支撑超导励磁绕组并将其固定在所要求的空间位置上，超导发电机运行过程中力矩传导筒需要承受超导电机定子与转子之间的电磁转矩和超导励磁绕组的自身重力。与此同时，力矩传导筒两端的温度跨度达到330K左右，如果结构设计不合理将会导致巨大的传导漏热。

进一步，低温工程材料中，非金属材料玻璃纤维G10非常符合这一要求。G10具有很低的热导率和很高的机械强度。金属材料当中，钛合金强度高，导热率也相对较小。虽然金属材料的热导率随着温度的升高而升高，但是金属的韧性更好，加工精度也比较容易保证，特别是支撑结构工作温度很低时，金属的热变形能力要比G10更好。

因此本发明设计的力矩传导筒采用金属材料和非金属材料相结合进行结构设计，从而实现高强度和低导热的双重目的。

作为本发明的第一实施例，经过低温制冷机冷却的绕管换热器中的液氮通过主流道均匀分配到各个跑道线圈流道中。液氮流道内充满过冷液氮，带走高温超导线圈中的热量，线圈温度降低，达到要求的工作温度。

电机转子43内有液氮进管30，液氮进管30上安装液氮阀29，液氮阀29插入到液氮滑环28内，液氮滑环28与电机转子43之间有耐磨铜套。

液氮滑环28通过液氮管路与真空罩32连接，真空罩32有冷端换热器34、回热器35和水冷器36，冷端换热器34与推移活塞39之间构成膨胀腔33，水冷器36与外部水泵和水箱连接，真空罩32充满液氮。

作为本发明的第一实施例，压缩活塞和推移活塞置于同一个气内，推移活塞将气叙分为上下两个空间，上部为膨胀腔；推移活塞与压缩活塞之间为压缩腔。两者之间通过换热器和回热器相连。推移活塞本身不做功，其作用是改变上下两个空间的相对大小，按一定规律把气体从压缩腔推向膨胀腔。气体在封闭系统中通过换热器和回热器在压缩腔和膨胀腔之间来回流动，没有阀门限制，两个腔体内的压力几乎相同。压缩活塞和推移活塞由一套曲柄连杆机构带动，它们的运动保持着合适的相位差，使膨胀腔的相位超前于压缩腔，以获得一定的制冷效应。

作为本发明的第一实施例，其中水冷器采用管壳式结构，通过216根直径2mm的德银管将压缩热释放给冷却水。

作为本发明的第一实施例，回热器是圆环形的，采用玻璃钢作为内外壳材料。采用0.016mm的铜绒作为回热填料，填充的孔隙率为0.78。

作为本发明的第一实施例，冷端换热器和膨胀腔是一体的，用传热系数高的紫铜作为材料。换热器釆用狭缝式结构，共有160根狭缝，宽度为0.5mm。

应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种双级稳压电力采集系统，其特征在于，包括外转子(1)、定子(3)和内转子(7)，所述外转子(1)偏心安装在所述定子(3)上，所述外转子(1)的内壁上加工凹槽，凹槽内安装柱销(2)和柱销弹簧(201)，所述柱销(2)和所述外转子(1)的内壁以及定子(3)的外壁共同构成压缩腔(4)和第一膨胀腔(5)，所述压缩腔(4)通过外转子泄油管(171)与配油腔(12)连通，所述外转子(1)通过外转子轴承(304)安装在定子(3)上 ，所述定子(3)包括主轴(301)、偏心轴(302)和轴承座(303)三部分，所述主轴(301)和轴承座(303)的中轴线重合，所述外转子轴承(304)安装在所述主轴(301)和轴承座(303)上，所述偏心轴(302)的内表面有第一进油腔(601)、第一出油腔(602)、第二进油腔(603)和第二出油腔(604)，所述第一进油腔(601)和第二进油腔(603)的进油孔通过电磁单向阀(16)与所述配油腔(12)连通，所述第一出油腔(602)和第二出油腔(604)的出油孔通过外转子进油管(172)与所述第一膨胀腔(5)连通；所述配油腔(12)上安装密封端盖(18)；所述外转子(1)上安装桨叶(41)，所述外转子(1)上尾部安装后端盖(42)，所述外转子(1)的头部安装前端盖(11)。

2.根据权利要求1所述的一种双级稳压电力采集系统，其特征在于，所述定子(3)内安装内转子轴承(305)，所述内转子轴承(305)内安装内转子(7)，所述内转子(7)为套筒结构，套筒的中轴线与所述主轴(301)的中轴线重合，所述内转子(7)的圆周壁上开有导向槽，所述导向槽内安装滚柱连杆(8)，所述滚柱连杆(8)的两侧端头处安装滚珠(801)，所述内转子(7)的内部安装定心轴承(19)，所述定心轴承(19)内安装轴套(9)，所述轴套(9)通过端面法兰固定在定向轴(15)上，所述轴套(9)的外圆表面与所述内转子(7)的内圆表面共同构成第一阻尼腔(901)、第一加速腔(902)、第二阻尼腔(903)和第二加速腔(904)，所述第一阻尼腔(901)、第一加速腔(902)、第二阻尼腔(903)和第二加速腔(904)通过相互独立的液压管路和电磁阀与所述配油腔(12)连通，所述配油腔(12)位于所述轴套(9)的中心，所述定向轴(15)通过端部法兰固定在机舱(20)内，所述机舱(20)安装制冷器(40)。

3.根据权利要求2所述的一种双级稳压电力采集系统，其特征在于，所述内转子(7)的端部与超导发电机(14)的电机转子(43)连接，所述电机转子(43)上安装力矩传导筒(31)，所述力矩传导筒(31)穿过低温杜瓦(24)，所述低温杜瓦(24)为双层真空瓶，所述力矩传导筒(31)上安装绕组支架(27)，所述绕组支架(27)为圆筒型结构，圆筒的圆周面上等间距的分布线圈卡槽(271)，所述线圈卡槽(271)内安装励磁绕组(25)，所述线圈卡槽(271)的底部有液氮通道(272)，所述电机转子(43)通过轴承固定在电机定子(21)的壳体内，所述电机定子(21)的内部安装定子铁芯(22)，所述定子铁芯(22)为硅钢片叠压而成，铁芯凹槽内安装定子绕组(23)。

4.根据权利要求3所述的一种双级稳压电力采集系统，其特征在于，所述电机转子(43)内有液氮进管(30)，所述液氮进管(30)上安装液氮阀(29)，所述液氮阀(29)插入到液氮滑环(28)内，所述液氮滑环(28)与所述电机转子(43)之间有耐磨铜套。

5.根据权利要求4所述的一种双级稳压电力采集系统，其特征在于，所述液氮滑环(28)通过液氮管路与真空罩(32)连接，所述真空罩(32)有冷端换热器(34)、回热器(35)和水冷器(36)，所述冷端换热器(34)与推移活塞(39)之间构成第二膨胀腔(33)，所述推移活塞(39)与压缩活塞(38)同轴安装，所述水冷器(36)与外部水泵和水箱连接，所述真空罩(32)充满液氮。

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