CN117175854A - 一种发电机及风力发电装置、独立电网系统 - Google Patents

一种发电机及风力发电装置、独立电网系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发电机，包括发电机定子和发电机转子，发电机还包括：助转电机，助转电机的助转电机转子与发电机转子传动连接；储电装置，包括充电连接端和供电连接端，助转电机的电连接端能够与充电连接端或者供电连接端进行连接；控制装置，根据一预设条件使助转电机的电连接端与充电连接端进行连接，或者根据另一预设条件使助转电机的电连接端与供电连接端进行连接。本发明还公开了采用上述发电机的风力发电装置。本发明提高了发电装置的自然能源利用率。

Description

一种发电机及风力发电装置、独立电网系统
技术领域
本发明涉及风速发电技术领域，尤其涉及一种发电机及风力发电装置。
背景技术
风能是无污染的可再生资源，由于风是无处不在的，因此与太阳光发电和水力发电相比，风速发电不具有严格的时间限制和地理限制，因此利用风能来发电的话理论上可以获得无尽的电能。但是事实上风的风速是不稳定的，由于发电机内部本身具有一定的磁阻力，当风速较弱时不足以克服发电机的磁阻力驱动发电机转子。
例如：某一风力发电装置的风轮在3级风的环境下，可以直接克服发电机的内部磁阻力，使发电机转子从完全停止状态达到驱动状态。当3级风变为2级风时，由于发电机转子克服了内部磁阻力，从而在2级风的环境下也能维持旋转。当2级风变为1级风时，由于风轮本身的重量原因，风轮的旋转速度逐渐下降，发电机转子得不到风轮的驱动力最终完全停止。当1级风变为2级风时，虽然2级风可以维持驱动状态的风轮的持续旋转，但是不足以直接克服发电机的内部磁阻力，因此无法使风轮从完全停止状态达到驱动状态，从而无法利用2级风的风能。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，在本发明的一方面提供了发电机，包括发电机定子和发电机转子，所述发电机还包括：
助转电机，所述助转电机的助转电机转子与所述发电机转子传动连接；
储电装置，包括充电连接端和供电连接端，所述助转电机的电连接端能够与所述充电连接端或者所述供电连接端进行连接；
控制装置，根据一预设条件使所述助转电机的电连接端与所述充电连接端进行连接，或者根据另一预设条件使所述助转电机的电连接端与所述供电连接端进行连接。
优选地，所述发电机转子和所述助转电机转子之间具有共同轴。
优选地，所述发电机转子和所述助转电机转子为一体结构。
优选地，所述控制装置包括风速传感器和电路控制器，所述风速传感器用于监测所述发电机的所在环境的风速值，所述电路控制器能够实时获得所述风速传感器所监测的所述风速值；
其中，所述电路控制器获得的所述风速值小于预设值时，在所述电路控制器的作用下，所述助转电机的电连接端与所述供电连接端之间进行连接；
所述电路控制器获得的所述风速值大于或等于所述预设值时，在所述电路控制器的作用下，所述助转电机的电连接端与所述充电连接端之间进行连接。
优选地，所述发电机定子包括围绕着所述共同轴的发电机线包，所述助转电机的助转电机定子包括围绕着所述共同轴的助转电机线包，所述助转电机线包相对于所述发电机线包靠近所述共同轴，所述发电机转子和所述助转电机转子包括共同的转子支架，所述转子支架套设在所述共同轴上且能够与所述共同轴进行相对旋转，所述转子支架上分别设置有沿着所述转子支架的周向排列的发电机磁极和助转电机磁极。
优选地，所述发电机还包括用于支撑所述共同轴的支撑柱，所述支撑柱包括内腔结构，所述储电装置设置在所述内腔结构中。
在本发明的另一方面提供了一种风力发电装置，包括发电机和向所述发电机的转子提供旋转驱动力的风轮，所述发电机为如上所述的发电机。
在本发明的又一方面提供了一种独立电网系统，包括风速发电机组，所述风速发电机组包括如上所述的风力发电装置。
与现有技术相比，本发明的发电机额外包括了对发电机转子提供启动扭矩的助转电机。当自然能源(如风或水流等)无法驱动处于完全停止状态的发电机转子时，在控制装置的作用下，发电机转子从助转电机中获得额外的驱动力，以此能够较容易地克服发电机的内部磁阻力，从而进行旋转。当自然能源(如风或水流等)足以维持本发明的发电机转子的旋转时，在控制装置的作用下，助转电机将停止向发电机转子提供额外的扭矩，随后由于本发明的助转电机的助转电机转子和发电机转子之间为传动连接，所以助转电机转子会随着发电机转子的旋转而旋转，从而与助转电机定子发生相对的活动，因此在助转电机定子和助转电机转子之间发生磁通量的变化，也就是助转电机本身转化为发电机，从而产生了感应电流。在本发明中，助转电机所产生的电能在储电装置中进行存储，可作为下一次向发电机转子提供启动扭矩时的能源。
本发明的发电机可以适用在风力发电装置或者水力发电装置中。当发电装置所在环境的风或者水流足以维持驱动状态的风轮或水轮的持续旋转，但不足以直接克服发电机的内部磁阻力，使风轮或水轮从完全停止状态达到驱动状态时，本发明的发电机从助转电机中获得启动扭矩，从而较容易地克服发电机的内部磁阻力达到驱动状态，并在上述的风或者水流的推动下进行持续旋转，以此提高了发电装置的自然能源利用率。
附图说明
图1为本发明实施例的发电机的结构示意图；
图2a和图2b为本发明另一实施例的发电机的结构示意图；
图3为本发明实施例的独立电网系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种发电机，包括发电机转子1a和发电机定子1b。所述发电机转子1a和所述发电机定子1b之间发生相对活动时，所述发电机转子1a和所述发电机定子1b之间发生磁通量变化，从而使发电机产生感应电流。本实施例的发电机还包括助转电机2、储电装置3和控制装置4。
其中，所述助转电机2的助转电机转子2a与所述发电机转子1a传动连接。所谓传动连接是指相互连接的两者之间可以进行扭矩的传递。所述助转电机转子2a与所述发电机转子1a之间的传动连接方式可以是齿轮传动、带传动、蜗杆传动、同轴传动之一，但不限于此。本实施例的所述发电机转子1a和所述助转电机转子2a之间采用了同轴传动的方式，也就是所述发电机转子1a和所述助转电机转子2a之间具有共同轴5。本实施例中，所述发电机转子1a和所述助转电机转子2a为一体结构，所述储电装置3和所述控制装置4设置在所述共同轴5的内腔结构内。
所述储电装置3，包括充电连接端和供电连接端。所述助转电机2的电连接端能够与所述充电连接端或者所述供电连接端进行连接，具体是，通过所述控制装置4来对所述储电装置3和所述助转电机2之间的连接状态进行控制。所述控制装置4根据一预设条件使所述助转电机2的电连接端与所述充电连接端进行连接，或者根据另一预设条件使所述助转电机2的电连接端与所述供电连接端进行连接。
在这里，所述一预设条件和所述另一预设条件可根据实际需要来进行设置，例如：所述一预设条件和所述另一预设条件可以是分别不同的风速，或者分别不同的流速，但不限于此。
下面具体说明本实施例的发电机的技术效果。
发电装置采用了本实施例的发电机后，当所在环境的自然界流体能源(如风或水流等)不足以驱动处于完全停止状态的发电机转子1a时(即为一预设条件)，所述控制装置4将所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的供电连接端之间进行连接，使所述储电装置3向所述助转电机2提供电能，从而驱动所述助转电机2。此时，由于所述助转电机转子2a与所述发电机转子1a之间为传动连接，因此所述助转电机转子2a所产生的扭矩会传递到所述发电机转子1a，从而使所述发电机转子1a进行旋转。
当所述发电机转子1a在所述助转电机2的辅助作用下，克服了发电机的内部磁阻力进行旋转，并在上述的自然界流体能源(如风或水流等)的作用下，足以维持所述发电机转子1a的旋转时(即为另一预设条件)，所述控制装置4将断开所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的供电连接端之间的连接，使所述助转电机2停止向所述发电机转子1a提供扭矩。与此同时，所述控制装置4将所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的充电连接端之间进行连接。由于本实施例的所述助转电机转子2a与所述发电机转子1a之间为传动连接，所述发电机转子1a的扭矩会传递到所述助转电机转子2a，使所述助转电机转子2a随着所述发电机转子1a进行旋转，使所述助转电机转子2a与所述助转电机2的助转电机定子2b之间发生相对的活动，从而在所述助转电机定子2b和所述助转电机转子2a之间发生磁通量的变化，以此使所述助转电机2转化为另一个发电机，从而产生感应电流。当所述助转电机2转化为另一个发电机时，所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的充电连接端连接，因此所述助转电机2所产生的电能在所述储电装置3中进行存储，可作为下一次向所述发电机转子1a提供启动扭矩时的能源。
综上，本实施例提供上述的发电机的主要目的在于，能够利用如背景技术中所述的，足以维持已处于驱动状态的发电机转子1a的旋转，但是不足以直接驱动处于完全停止状态的发电机转子1a的自然界流体能源(如风或水流等)。为了实现这样的目的，本实施例的发电机被构成为，当自然界流体能源不足以直接驱动处于完全停止状态的发电机转子1a，或者不足以维持发电机转子1a的旋转时，发电机转子1a在助转电机2的辅助作用下处于旋转的状态；当自然界流体能源足以持续发电机转子1a的旋转时，断开发电机转子1a和助转电机2之间的连接，从而可以防止部分自然界流体能源的流失。而且，驱动助转电机2的能源是，助转电机2自身所产生的电能，因此无需额外的供能，以此提高了发电机的自然界流体能源利用率。
实施例2
本实施例的发电机是，基于实施例1的发电机的进一步改进，尤其适用在风力发电装置中。
如图2a和图2b所示，本实施例的发电机包括发电机转子1a和发电机定子1b，以及助转电机2、储电装置3和控制装置4。在本实施例中，所述控制装置4具体包括风速传感器和电路控制器(图中未示出)。所述风速传感器用于监测所述发电机的所在环境的风速值。所述电路控制器与所述风速传感器通讯连接，从而能够实时获得所述风速传感器所监测的所述风速值。
其中，当所述电路控制器获得的所述风速值小于预设值时，例如：所述电路控制器获得的风速值小于4m/s时，风的能量不足以维持所述发电机转子1a的旋转，此时，在所述电路控制器的作用下，所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的供电连接端之间进行连接，从而使所述助转电机2能够向所述发电机转子1a提供驱动力，使所述发电机转子1a处于持续旋转的状态，以此防止所述发电机转子1a完全停止。
当所述电路控制器获得的所述风速值大于或等于所述预设值时，例如：所述电路控制器获得的风速值大于或等于4m/s时，风的能量足以维持所述发电机转子1a的旋转，此时，在所述电路控制器的作用下，所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的充电连接端之间进行连接。由于所述助转电机转子2a与所述发电机转子1a之间为传动连接，所述发电机转子1a的扭矩会传递到所述助转电机转子2a，使所述助转电机转子2a随着所述发电机转子1a进行旋转，使所述助转电机转子2a与所述助转电机2的助转电机定子2b之间发生相对的活动，从而在所述助转电机定子2b和所述助转电机转子2a之间发生磁通量的变化，以此使所述助转电机2转化为另一个发电机，从而产生感应电流。所述助转电机2的电连接端与所述储电装置3的充电连接端连接，因此所述助转电机2所产生的电能在所述储电装置3中进行存储，可作为下一次向所述发电机转子1a提供启动扭矩时的能源。
具体地，本实施例的发电机是盘式结构，其中，如图2a和图2b所示，本实施例的所述发电机转子1a和所述助转电机转子2a之间具有共同轴5。所述发电机转子1a和所述助转电机转子2a之间通过所述共同轴5相互传递扭矩。
所述发电机定子1b包括围绕着所述共同轴5的发电机线包1b1，所述助转电机2的助转电机定子2b包括围绕着所述共同轴5的助转电机线包2b1，所述助转电机线包2b1相对于所述发电机线包1b1靠近所述共同轴5。所述发电机转子1a和所述助转电机转子2a包括共同的转子支架Z，所述转子支架Z套设在所述共同轴5上且能够与所述共同轴5进行相对旋转。所述转子支架Z上分别设置有沿着所述转子支架Z的周向排列的发电机磁极1a1和助转电机磁极2a1。此外，本实施例的发电机还包括用于支撑所述共同轴5的支撑柱6，所述支撑柱6包括内腔结构，所述控制装置4和所述储电装置3设置在所述主轴内腔结构中。
本实施例的发电机的特点在于，发电机部分是由双定子单转子盘式恒磁通结构构成。所谓双定子包括上述的发电机的2个定子，所谓单转子为通过共同的转子支架被构成为一体结构的发电机转子和助转电机转子。具体是，发电机转子的磁轭，同时也是助转电机转子的磁轭。助转电机的定子、转子和发电机转子、定子为同轴心，发电机转子和助转电机转子由同一个轴承承担旋转。由于发电机转子和助转电机转子为一体结构，从而无需设置额外的助转电机转子盘，降低了整个转子结构的转动惯量。
实施例3
本实施例提供了一种风力发电装置，包括发电机和向所述发电机的转子提供旋转驱动力的风轮。本实施例的发电机具体采用了实施例2的发电机。在本实施例中，针对控制装置的电路控制器增加了额外的判断因素。
在本实施例中，所述电路控制器除了发电机的所在环境的风速值之外，还根据所述风轮和所述发电机转子之间的连接状态来判断，将要连接助转电机的电连接端和储电装置的供电连接端，还是将要连接助转电机的电连接端和储电装置的充电连接端。
为了实现上述目的，本实施例的所述风轮和所述发电机转子之间通过离合装置来进行连接，所述风轮通过所述离合装置来带动所述发电机转子。所述离合装置与风速传感器通讯连接，从而能够实时获得发电机的所在环境的风速值。
当所述离合装置所获得的所述风速值过小或者过大时，所述离合装置将断开所述风轮和所述发电机转子之间的连接。例如：当风速为0m/s(无风)，或者大于40m/s时，所述离合装置将断开所述风轮和所述发电机转子之间的连接。
所述离合装置还与所述电路控制器通讯连接，所述电路控制器还能够实时获得所述离合装置的开闭状态。当所述离合装置断开所述风轮和所述发电机转子之间时，所述电路控制器将连接所述助转电机的电连接端和所述储电装置的供电连接端。当所述离合装置连接所述风轮和所述发电机转子之间时，所述电路控制器将连接所述助转电机的电连接端和所述储电装置的充电连接端。要说明的是，尽管所述离合装置连接了所述风轮和所述发电机转子，但是当发电机所在环境的风速不足以维持发电机转子的旋转时，为了使发电机转子处于旋转状态，所述电路控制器还是会连接所述助转电机的电连接端和所述储电装置的供电连接端。
本实施例采用了上述设计的目的在于，一方面是在台风等极端天气时，断开风轮和发电机之间的连接，从而防止发电机的过载运行。另一方面是，使发电机始终处于稳定的运行状态，从而保障风力发电装置的输出稳定性。
实施例4
如图3所示，本实施例提供了一种独立电网系统，包括风力发电模块A、变流存储供电模块B和能源路由模块C。其中，所述风力发电模块A包括风速发电机组，本实施例的风速发电机组由实施例3的风力发电装置来组成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种发电机，包括发电机定子和发电机转子，其特征在于，所述发电机还包括：
助转电机，所述助转电机的助转电机转子与所述发电机转子传动连接；
储电装置，包括充电连接端和供电连接端，所述助转电机的电连接端能够与所述充电连接端或者所述供电连接端进行连接；
控制装置，根据一预设条件使所述助转电机的电连接端与所述充电连接端进行连接，或者根据另一预设条件使所述助转电机的电连接端与所述供电连接端进行连接。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机转子和所述助转电机转子之间具有共同轴。
3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述发电机转子和所述助转电机转子为一体结构。
4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述控制装置包括风速传感器和电路控制器，所述风速传感器用于监测所述发电机的所在环境的风速值，所述电路控制器能够实时获得所述风速传感器所监测的所述风速值；
其中，所述电路控制器获得的所述风速值小于预设值时，在所述电路控制器的作用下，所述助转电机的电连接端与所述供电连接端之间进行连接；
所述电路控制器获得的所述风速值大于或等于所述预设值时，在所述电路控制器的作用下，所述助转电机的电连接端与所述充电连接端之间进行连接。
5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述发电机定子包括围绕着所述共同轴的发电机线包，所述助转电机的助转电机定子包括围绕着所述共同轴的助转电机线包，所述助转电机线包相对于所述发电机线包靠近所述共同轴，所述发电机转子和所述助转电机转子包括共同的转子支架，所述转子支架套设在所述共同轴上且能够与所述共同轴进行相对旋转，所述转子支架上分别设置有沿着所述转子支架的周向排列的发电机磁极和助转电机磁极。
6.根据权利要求5所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括用于支撑所述共同轴的支撑柱，所述支撑柱包括内腔结构，所述储电装置设置在所述内腔结构中。
7.一种风力发电装置，包括发电机和向所述发电机的转子提供旋转驱动力的风轮，其特征在于，所述发电机为权利要求1至6任一所述的发电机。
8.一种独立电网系统，包括风速发电机组，其特征在于，所述风速发电机组包括权利要求7所述的风力发电装置。
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