CN117859002A - 用于从流体流中获取电力的方法和机器 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是用于将流体的动能转换成电能的两个方法以及用于其实施方式的机器，其中涡轮转子的能量不是直接地或通过齿轮箱经由轴传递至发电机的转子，而是通过以下方式传递：i)电动发电机，或ii)两个线圈/绕组系统之间的直接相互作用：a)第一个系统由电源供电以产生旋转磁场，其扭矩被加入带叶片的毂的扭矩，因为绕组固定在毂或其轴上；b)第二绕组，设计用于在其中感应电能，第二绕组静止不动或固定到具有反扭矩的另一个毂。

Description

用于从流体流中获取电力的方法和机器

技术领域

所描述的发明涉及用于将流体(液体或气体)的动能转换成电能的方法和装置。

特别地，所描述的发明提出了用于将流体流(水流、风流、蒸汽流、气体流等)的动能转换成电能的两种方法以及用于它们的实施方式的机器。

背景技术

流体的运动被认为是液体或气体从高压区域流向低压区域的流动。移动的流体质量具有指向流动过程的动能。

流体动能转换链中最著名的第一阶段通过一个装置将流体质量能转换为旋转机械能，该装置被称为“转子”(“风力转子”、“叶轮”、“转轮”、“涡轮转子”等)。每个转子由一组叶片组成，该组叶片直接固定到轴上或通过具有或不具有节距控制机构的毂固定到轴上。来自叶片上的流体流的力会产生旋转/转动转子轴的扭矩。

为了产生更大的旋转机械能，转子被放置在外壳中，该外壳输送和引导流体流。这些装置的组合被称为涡轮机(蒸汽、水力、燃气等)。“风力涡轮机”的概念对于输送和/或引导风流的风力装置来说是正确的。

用于将流体动能转换为电能的已知机器是涡轮机(风力转子)、发电机和辅助设备的集合。根据流体类型，机器可分为水力集合、蒸汽涡轮集合、燃气涡轮集合、风力机等。

已知方法和机器的本质是各个转子(风力涡轮、水力涡轮、蒸汽涡轮、燃气涡轮等)的轴直接或通过齿轮箱将旋转机械能传递到发电机的转子。后者将旋转机械能转换成旋转磁场的能量。然后旋转磁场的能量在发电机的定子中感应出电能。

本发明的主题是用于将流体的动能转换成电能的两种方法以及用于其实施方式的机器，由此涡轮机转子的能量不是通过轴直接地或通过齿轮箱传递到发电机的转子，而是通过以下方式传递：i)电动发电机(motor-generator)(电动发电机(dynamotor))，或ii)两个线圈/绕组系统之间的直接相互作用，所述两个线圈/绕组系统：a)第一个系统由电源供电以产生旋转磁场，其扭矩被添加到带叶片的毂(hub)的扭矩，因为绕组固定到其上或其轴上；b)第二绕组，设计用于在其中感应电能，其静止或固定到具有反扭矩的另一个毂。

正如进一步公开的，我们发明的目标是提高流体机械的操作性能和安全性。

发明内容

所公开的方法与可以应用它们的装置不可分离地结合。为了方便起见，而不是轻视其普遍性，我们通过风力机组来揭示它们，因为该组存在由于初级能源的非平稳性、风力叶片的高周边速度等而引起的重大技术问题。

所公开的第一方法蕴含了从流体流(例如风)的初级能源至电能的能量转换的以下顺序。

第一转换类似于已知的转换：通过撞击叶片表面，移动的空气团反射且其动能的一部分转换为产生扭矩的力，该扭矩试图转动/驱动/旋转风力转子。

第二转换有所不同。虽然利用已知的方法，扭矩将风的线性动能转换成风力转子的旋转机械能，该机械能通过轴传递到发电机的转子(直接地或通过齿轮箱)，然后利用所公开的方法，扭矩被传递到电动发电机的定子，定子被固定到叶片毂或风力转子/致动器的轴。

如果有电源为该电动机供电，电枢就会产生自己的扭矩，该扭矩能够转动电机的转子，无论风力转子/致动器是静止还是在风的作用下移动1。通常，当风扭矩的功率大于电动发电机的空转负载时，开始电机供电。然后，风力叶片的扭矩汇集了电源的扭矩。两个扭矩的总和被传递到电机的转子，因此其旋转以进行有用功。

不久，当叶片扭矩的功率变得大于电动机转子的空转负载/反作用力时，初级风能的一部分被转换为电动机的转子的旋转机械能。

第三转换是电动发电机所固有的。它将电动机转子的旋转机械能转换为发电机转子的旋转磁场的能量，发电机转子可以与电动机的转子相同或者是另外的转子，其固定在公共轴上。

第四转换是当发电机转子的旋转磁场穿过定子绕组时的传统的电能感应。

所公开方法的实施方式的功能由转换装置和过程的复杂控制来控制：毂相对于风向的位置(偏航控制)、叶片的攻角(节距控制装置)、电动机和发电机的速度以及磁场控制、以及释放电能的控制。用于此类控制的方法和装置是其他发明的主题。

联合控制的通常目标是稳定产生最大电能。这是通过调节每个转换阶段中传输的能量来实现的：从风动能到组合(动势)机械能，从机械能到电磁能，从电磁能到机械/质量旋转能，从质量旋转能到磁旋转能，以及从磁旋转能到电能。

换句话说，控制是一个平衡外部行为和有用结果的持续动态过程，其目标是通过控制在能量交换链中用于每个转换装置和过程的输入和输出能量之间的平衡、主要是通过预测风特性和受控参数的适当调节来实__________________¹严格来说，供电和磁场感应是单独的能量转换，但为了简单起见，我们认为它们在所描述的第二转换的范围内。现的。

在整个能量转换和传输链中理想的瞬时平衡的情况下，风力转子/致动器可以保持静止。实际上，风速、方向和空气密度的不稳定波动不可能在每个瞬间都达到平衡，而是在不同的时间间隔内达到平均平衡。结果，风力转子/致动器围绕平衡位置摆动。这种转子行为与用于风(并且通常用于流体流)能利用的已知方法和机器中的快速旋转完全不同。这给出了名称“发动机”、“推进器”、“推动器”、“致动器”、“驱动器”比“风力转子”对于所公开的机器更合适的理由。

在风速不足的情况下，风力转子/致动器保持受阻或自由摆动，并且不对电动机供电，以避免其转子的旋转，因为产生的能量小于电动发电机的反作用力，这会导致消耗的电力多于产生的电力。更重要的是，如果发电机切换至网络，它可以改变其模式并变成电动机，这可能导致电动机和风力致动器的反向旋转。

其他控制(利用)目标也是可行的，例如恒定的电输出，参与负载频率控制等。在这种情况下，设计了与众不同的方法，例如与存储装置、灵活负载等的聚合。

所公开的第二方法由相对于描述的第一方法的初级风能至电能的简化的转换链构成。这里缺少第三转换(从电动机的旋转扭矩到聚合转子的机械旋转)。因此该方法仅由三次转换构成。

第一转换与第一方法中的相同：移动的气团在叶片表面上反射，将其动能的一部分转换为扭矩。

第二转换与第一方法中的第二转换类似但不相同：叶片产生的初级扭矩直接传递到固定在毂上的第一绕组，第一绕组由电源供电并产生次级扭矩，以便两个扭矩的总和被传递到由绕组产生的旋转磁场。

这里的第三转换与第一公开方法中的第四转换类似但不相同，即：在上一次转换时产生的旋转磁场直接在第二绕组中感应出电流，第二绕组可以固定不动，或者如果它们固定至传递反扭矩的第二毂的话，则以相反的方向转动。

所公开的第二方法的实施方式的通常目的也是稳定生产最大电能，但是控制能力降低了。控制过程看似简化，但缺乏旋转惯性质量使功能不太稳定。稳定性的提高需要先进的控制。

用于将风能转换成电能的所公开的机器提供了用于实施所公开的方法的示例。它们在用于具体实施方式部分中进行了描述。

附图说明

所公开的方法适用于所有类型的流体流能量转换机器，但为了简单起见，我们仅示出其至两类风电机器的应用：具有水平轴和具有竖直轴。

附图示出了可以实施所公开的方法的机器的主要部分，但没有示出其细节。为了简单起见，未示出制动器和其他辅助部件。

图1描绘了穿过水平轴风力机类别中的第一方法的实施方式的塔轴线和风端电转子的公共水平轴线的竖直平面截面。

图2描绘了穿过竖直轴风力机类别中的第一方法的实施方式的机器轴线和停留在直径位置的两个叶片系统的直径的竖直平面截面。

图3描绘了穿过水平轴风力机类别中的第二方法的实施方式的塔轴线和风力转子和电绕组的公共水平轴线的竖直平面截面。

图4描绘了穿过在竖直轴风力机级类别中的第二方法的实施方式的机器轴线和停留在直径位置的两个叶片系统的直径的竖直平面截面。

具体实施方式

作为第一方法的第一实施方式，我们提出了图1中示出的水平轴风力机类别的示例。

类似于已知的机器，所公开的机器的机舱1通过偏航驱动3机构设置在塔2上，以对准一组叶片4，用于在垂直于风向的平面中旋转。发电机的定子5是固定至机舱主体的唯一部件。其余主要部件可通过轴承系统6旋转。

风力转子/致动器的毂7通过节距控制机构8紧固叶片4，并将它们连接至风力转子/致动器的轴9。

与已知机器不同，风力转子/致动器的轴9不直接或通过齿轮箱转动发电机的转子。该轴9支撑风力转子/致动器的轴承，但不传递扭矩。为了将扭矩转换成旋转以及为了传递动能，应用了下述装置。

风力转子/致动器的初级扭矩通过将定子10固定至毂7而被传递至电动机的定子10。电动机由电源供电而产生次级扭矩，使得两个扭矩(来自风力转子和来自电动机)的总和作用到电动机11的转子上。该转子被聚合到发电机的转子。根据电流的类型、磁通量的来源和几何形状等，各种构造可以表现为这样的常见转子。它们取决于其他发明。

为了简单起见，我们概括了这种多样性，并将电动机和发电机转子的集合示出为编号11的机器的一个部件。借助于此，实现了对于初级风力转子扭矩是如何传递到定子10且被加入到由电动发电机中的电源产生的次级扭矩的更清晰的理解。这样，它们的总和使转子11旋转，由此风力转子/致动器可以不旋转。通常，风力转子/致动器只是围绕平衡位置摆动。

电动机的电源、发电机的集电器、电源和控制电缆集体示出为数字12。

控制块13设置在进入塔2的地面上的一个面板中，其中也组合了用于连接到网络的电气设备和其余电气设备。它处理来自风传感器15的信号和其余控制参数，以便提供机器的稳定且高效的运行。

作为第一方法的第二实施方式，我们提出了图2示出的竖直轴风力机类别的示例。

与已知的机器类似，所公开的机器设置在基座2-14上，仅发电机的定子2-5固定到该基座2-14上。其余主要部件可通过轴承系统2-6旋转。

与已知的机器不同，所公开的机器的转子/致动器不旋转，而是围绕平衡位置摆动，支承在竖直支撑件上。换句话说，没有返回叶片(逆风移动的叶片)，并且不需要补偿它们的反扭矩。相反，叶片组设计用于从穿过垂直于风向的两个假想半平面(由竖直轴线分隔开)的风流的两个半部产生两个最大可能的反扭矩。

为了说明该原理，在图2中绘制了两个毂2-7a和2-7b，每个毂通过相关的节距控制机构2-8²紧固其堆叠在彼此顶部的一组叶片2-4a和2-4b。它们从竖直轴两侧获取风能并绕竖直轴摆动，由底部和上部轴承2-6支撑。叶片的数量和尺寸取决于机器所需的能力。

两个叶片组提供相反的扭矩，相反的扭矩可以被两个电动发电机有效地使用。为了简单起见，我们示出了一个实施方式，其中电动机的定子2-10固定到毂2-7a，并且当扭矩定向在正确方向时，另一个毂2-7b通过棘轮16将其扭矩传递到定子。这样，负摆动扭矩就不会制动电动机。

轴2-9不直接地或通过齿轮箱转动发电机的转子。

当电动机的定子2-10通电时，它会产生次级旋转扭矩，(来自两个毂的)初级扭矩和次级扭矩之和被传递至电动机的转子2-11。该转子2-11与发电机的转子聚集在一起，因此为了简单起见，我们将电动机和发电机转子的集合图示为相同编号2-11下的机器的一个部件。这里我们提出了具有平行盘和轴向磁场/通量的实施方式。同样可以使用具有鼓形转子和径向磁场的电动发电机。

转子的反作用力与推动定子的两个叶片组的力产生的扭矩总和相反地作用。在风力致动器的扭矩与转子的阻力之间实现平衡时，定子仅围绕平衡位置摆动。

电动机的电源、发电机的集电器、电源和控制电缆均在编号2-12下示出。___________________²为了使附图清晰，我们没有用箭头标记示出所有的浆距控制机构，因为它们的位置很明显。

控制块2-13设置在地面上的面板中，其中也组合了用于连接到网络的电气设备和其余电气设备。它处理来自风传感器2-15的信号和其余控制参数，以便提供机器的稳定和高效的运行。

已知的竖直轴机器不需要偏航机构，但是所公开的机器由设计用于升力和阻力的组合的两组叶片组成。各组的最佳位置是当通过叶片表面上力的中心所取的假想平面垂直于风向时。两组叶片朝向最佳位置的方向由与系统相互作用以进行平衡控制的设备17来控制。除了控制毂摆动幅度外，它还可以与失速控制相结合和/或与危险天气条件下的安全机构相结合。

机器的上部部件由交叉支撑件18支撑，该交叉支撑件由钢缆19支索稳定至地脚20。

为了增加惯性质量和平滑振荡，飞轮21固定至电动发电机的转子。

作为第二方法的第一实施方式，我们提出了图3示出的水平轴风力机类别的示例。

简而言之，这是图1所示和上面描述的相同机器，但有两个区别：缺少电动发电机的转子11，以及对两个定子5和10进行改进，以通过具有高磁导率的特殊介质实现两个绕组系统(由电源供应的用于产生旋转磁场的绕组22和感应出有用的电能的绕组23)之间的直接有效互感。

作为第二方法的第二实施方式，我们提出了图4示出的竖直轴风力机类别的示例。它与图2中的机器的不同之处在于缺少转子2-11。当然，缺少转子2-11使得图2中的飞轮21不适用。

代替定子2-5和2-10，安装了两个绕组4-22和4-23，分别用于通过电源产生旋转磁场和通过具有高磁导率的特殊介质感应有用的电能。

除了方法固有的差异之外，还提出了一些构造变化。这里示出了具有径向磁场的两个鼓式绕组，而不是盘式绕组。每个毂在竖直轴4-9周围和在基座4-14上具有独立的轴承。因此，初级扭矩的传递方式发生了变化。绕组4-22固定至毂4-7b并直接承受来自它的初级扭矩。绕组4-23固定至毂4-7a并直接承受来自它的初级扭矩。

最后，我们想强调已知的机器与用于实施第二方法的所公开的机器之间的本质区别。

在已知的机器中，当电转子由风力转子(或通常由涡轮机)旋转时，由于电转子的旋转磁场的作用，在发电机的定子中感应出电能。

在所公开的机器中，由于由电源供电的绕组22产生的旋转磁场的直接作用，在绕组23中感应出电能，而不需要电转子，于是当经由流体通量(风)获得的力大于负载时，总是将转子(或相应的叶片组)的初级扭矩传递到旋转磁场。

工业实用性

为了清楚地解释所公开的方法，说明书和附图描绘了一些简化的机器。由于固有优点盖过缺陷，因此简化的图示和描述不会降低本公开的相关性。

所公开的方法和机器利用通过电动发电机或通过两个绕组系统之间的直接相互电磁感应由流体流产生的扭矩，在两个绕组系统之间具有高磁导率介质。在这两种情况下，相应的转子/致动器围绕平衡位置摆动，但不像已知机器的情况那样快速转动。这提供了几个优点：减少离心载荷、减少对鸟类的危险、减少噪音等。因此，与已知机器能力相同的机器可以配备减轻的叶片，并且因此，为了设计具有更多的收集能量的更强大的机器，可以使用具有更多且更大叶片的组。

由于采用电动发电机而不是通过轴直接旋转电动转子，这导致机器中的损耗增加，这是第一方法的缺点。该损耗的规模小于已知机器的变速箱和其他转换器中的损耗，并且因为这些设备对于所公开的机器来说不是必需的，资产负债表支持所建议的这些。

实施第二方法的机器的内部损耗较低，这是另一个优点，但由于缺少电转子而缺乏机械惯性是一个弱点，会导致发电过程的稳定性降低。弥补这一缺点需要先进的控制系统。

在实现第一方法的所公开的机器中，电动发电机可以是DC或AC类型的，具有永磁体或具有传统磁极、线圈和直流电源的励磁磁系统。可实现交流同步或感应机器；单相和多相。也可以使用鼓式电动发电机(具有径向通量)和盘式电动发电机(具有轴向通量)。

用于控制所公开的机器的途径、方法和装置取决于所选择的用于DC或AC电流的组合；电动发电机的类型；磁通量的类型。它们的描述取决于其他发明，这就是为什么这里仅将它们作为辅助手段提及。

与其他工业新颖性一样，所公开的方法和机器将经历模型和实验研究、原型创建、试验和升级阶段。在产品设计阶段将根据技术和经济标准选择具体的构造元素，这超出了本描述的目的。

引用的参考文献

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Claims (5)

1.一种用于将流体流的动能转换为电能的方法，其特征在于：

通过固定到一个或多个转子/致动器处的一个或多个集合毂的一组叶片产生初级扭矩，

将初级扭矩传递至固定在毂或转子轴上的电动发电机的定子，

从电源向电动发电机供电并产生次级扭矩，

通过初级扭矩和次级扭矩的总和来转动电动发电机的转子，其中所述转子同时可以是发电机的转子或者可以结合到发电机的转子以将旋转传递给发电机的转子，

通过所述发电机转子的旋转，在发电机的定子中感应电力(电动势)，其中所述定子可静止不动或通过传递反扭矩的另一个毂沿相反方向转动，

动态调节受控参数，以平衡能量交换链中每个转换装置和过程处的输入和输出能量，旨在稳定地产生最大电能，并导致叶片组围绕平衡位置进行柔和摆动，而不是与已知方法的情况一样的叶片的快速转动。

2.一种根据权利要求1所述的方法将流体流的动能转换成电能的机器，其包括：

流体流转子/致动器，组合了一组或多组叶片，通过具有或不具有节距控制机构的一个或多个毂而连接，用于产生和传递来自流体流的初级扭矩，

电动发电机，其包括电动机的定子、发电机的定子、公共转子或耦合在公共轴上的两个转子(电动机转子和发电机转子)以及辅助部件，

自己的或外部的电源，用于向电动机供电并产生次级扭矩，所述次级扭矩被加入叶片的初级扭矩上，

基座，视具体情况可以是塔、杆、柱等，偏航驱动机构，轴承，用于实现机器和使得机器运行的支撑和辅助元件，

传感器、发射器和接收器、控制块和用于提供稳定和高效运行的其他设备，

并且所述机器的特征在于以下特点：

电动机的定子固定到毂或流体流转子/致动器的轴上，用于接受来自叶片的初级扭矩，并将其加入到电动机由电源供电时产生的次级扭矩，

电动机的转子接受两个扭矩且将两个扭矩传递至发电机的转子，

两个扭矩的总和使发电机的转子旋转，从而在发电机的定子中感应出电力，

发电机的定子可以静止不动，或者固定在接受来自其的反扭距的第二毂上。

3.根据权利要求2所述的用于将流体流的动能转换成电能的机器，还包括固定到所述电动发电机的转子的飞轮。

4.一种用于将流体流的动能转换为电能的方法，其特征在于：

通过一个或多个转子/致动器处的一组叶片产生初级扭矩，

将初级扭矩传递至集合毂和固定至该毂的第一绕组，

通过电源为第一绕组供电并产生旋转磁场，该旋转磁场承载初级扭矩和由所述电源产生的次级扭矩的总和，

在第二绕组中直接感应电力，第二绕组可以静止不动或通过另一个毂的扭矩沿相反方向转动，

动态调节受控参数，以平衡整个能量交换链中每个转换装置和过程处的输入和输出能量，旨在稳定产生最大电能，并导致叶片组围绕平衡位置的柔和摆动，而不是与已知方法的情况一样的快速转动叶片。

5.一种根据权利要求4所述的方法用于将流体流的动能转换为电能的机器，其包括以下部件：

流体流转子/致动器，组合了一组或多组叶片，通过具有或不具有节距控制机构的一个或多个毂而连接，用于产生和传递来自流体流的初级扭矩，

固定在毂的第一绕组，用于产生旋转磁场，该旋转磁场累积叶片扭矩和来自电源的扭矩，

用于为第一绕组供电的自有或外部电源，

静止不动或固定到另一个毂的第二绕组，其中由于第一绕组产生的旋转磁场而产生电力(电动势)，

两个绕组之间有高磁导率的特殊介质，

基座，视具体情况可以是塔、杆、柱等；偏航驱动机构；轴承；用于实现机器和使得机器运行的支撑和辅助元件，

传感器、发射器和接收器、控制块和用于提供稳定和高效运行的其他设备。