CN200980029Y - 套叠式双转子变速变频励磁发电机 - Google Patents

Abstract

一种套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，在发电机的副传动轴上配置相对定子旋转的永磁内转子；在发电机的主传动轴上配置相对定子旋转的环形转子；偏航控制器与机组集控装置以控制主风轮下风向旋转的方式联结；主风轮与副风轮分别配置调节桨距角的主风轮变桨距调节机构、副风轮变桨距调节机构，主、副风轮变桨距调节机构与机组集控装置以控制风轮变桨距调节机构变桨的方式联结。主、副风轮上设置可将转速的信号传送到机组集控装置的主风轮转速测量装置、副风轮转速测量装置；偏航控制器与机组集控装置以控制主风轮下风向旋转的方式联结。本案不仅可实现机组变速变频励磁运行，还有效缩短了发电机直径。

Description

套叠式双转子变速变频励磁发电机

                          技术领域

本实用新型涉及风力发电机，特别是具有套叠式双转子励磁构造的变速变频发电机。

                          背景技术

习知技术如中国专利CN200510022771.1公开了本实用新型公开了一种风力发电的变速恒频方法，其特点是，首先将风力机转子的转速通过增速齿轮箱增速，然后将变速产生的输入功率Pw输入差动永磁电机的输入轴，由差动永磁电机的差速机构进行功率分流或合流产生功率流Pg进入差动永磁电机的定子绕组经馈线对电网实现恒速恒频发电。与传统的变速恒频方法相比，本实用新型在降低发电设备成本的同时，还可显著提高发电系统的发电效率。

又如中国专利CN200410009701.8公开了一种采用双馈感应电机作为发电机的变速恒频风力发电系统及其并网控制方法。包括双馈感应电机，励磁变换器，DSP单元，电量采集单元、速度、位置测量单元以及驱动单元。它对励磁变换器进行控制，利用励磁变换器制双馈发电机定子产生电压，对电机定子电压相位、幅值和频率同时控制，无需单独进行电网电压与电机定子电压同步；在电机速度范围在0～0.5s时，驱动单元开始驱动励磁变换器，这样，电机并网的转速速度范围很宽，并网控制对速度要求不严格，同时，控制过程采用电流开环控制，简化了系统，减轻了系统处理器的负担，使得电流控制变得简单，易行，使得双馈电机易于并网。

中国专利申请99127259.5公开了本实用新型涉及一种高效率利用风能方法及全转子双风轮风力发电机和教具玩具全转子双风轮风力发电机。方法：当风吹动第一个风轮旋转时，透过风轮后面的风和风轮转动产生的空气流推动第二个风轮旋转，风轮带动轴杆向右旋转，风轮带动轴管向左旋转做机械功的方法。全转子双风轮风力发电机的风轮带动轴杆上的磁极转子在轴承的支承下向右旋转，风轮带动轴管上的发电转子在轴承的支承下向左旋转，线圈切割磁力线发出电流。

习知风力发电机组通过齿轮箱将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速；通常风轮的转速很低，远达不到高速发电机所要求的发电转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现；而风力发电机机组的工况环境一般很差，齿轮箱频发故障是常有的事。

习知技术制造的产品可靠性差，维护成本高，机组效率低。业界希望利用无刷双馈电机技术的无刷结构和较宽的变速变频运行范围，结合安装于双转子传动轴上相互反向旋转的双凤轮高效利用风能的技术优势，去掉齿轮箱和复杂的控制系统实现发电机组的变速变频运行。

                           发明内容

本实用新型所要解决的问题在于，克服袭用技术存在的上述缺陷，而提供一种套叠式双转子变速变频励磁发电机。

本实用新型解决技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本实用新型提供的一种套叠式双转子变速变频励磁发电机，包括发电机主体，其中，所述发电机的永磁内转子通过副传动轴传动、呈相对定子旋转的构造装置在发电机主体机壳内；借由副风轮传动的副传动轴与借由主风轮传动的主传动轴成可相互转动的联结方式同轴安装，所述的副风轮相对主风轮呈反向对风旋转的传动构造装置在副传动轴的轴身端部；发电机的主传动轴上配置由该主传动轴传动的相对定子旋转的环形转子；该环形转子又呈环抱永磁内转子并可绕永磁内转子旋转的构造配置；所述环形转子的环形转子内侧绕组的极对数与永磁内转子极对数一致设置为Pe对极；环形转子外侧绕组的极对数与定子绕组极对数一致设置为Pg对极，所述环形转子外侧绕组与内侧绕组通过环形转子绕组间连接线反相序连接。

本实用新型解决技术问题还可以采取以下技术方案进一步实现：

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述的副风轮按F2方向呈上风向对风旋转安装；该主风轮呈下风向旋转的传动构造装配在主传动轴上；用于副风轮刹车的制动器设置在发电机端盖与副风轮轮毂之间。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述的环形转子由环抱永磁内转子的环形转子铁心和与环形转子铁心匹配结合的环形转子内侧绕组、环形转子外侧绕组组成；所述主、副传动轴均具有预设直径的中空通孔。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述主传动轴的一端借由配置在发电机第二端盖部的第二轴承支撑伸出机壳与主风轮装配，该主传动轴的另一端伸入机壳通过环形转子支撑单元与环形转子呈动力传动构造配置；副传动轴借由配置在发电机第一端盖部的第一轴承支撑，伸出机壳装置副风轮。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述的环形转子支撑单元与传动轴结合的部位设置使环形转子随主传动轴旋转的轴承件；所述的环形转子借由其两端分别设置的环形转子支撑单元环抱前述永磁内转子装置在主传动轴上。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述环形转子外侧绕组极对数Pg设置为大于环形转子内侧绕组极对数Pe。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述主风轮叶片扫风面积约是副风轮的叶片扫风面积的3倍。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述的主风轮呈下风向对风旋转构造设置，所述副风轮呈上风向反向对风旋转构造设置。

前述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其中，所述环形转子外侧绕组极对数可以是3倍的环形转子内侧绕组极对数。

本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本实用新型在优异的结构配置下，至少有如下的优点：

本案采用双风轮机构的发电机，其中较大直径的主风轮为发电用，较小直径的副风轮为调节励磁频率兼发电用，二者在同一个轴线上、相互反方向旋转，偏航控制器负责控制主风轮下风向对风旋转，主力发电；副风轮上风向对风反向旋转，辅助发电，大大提高效能；本案双风轮结构设置及偏航机构的配置，使机组偏航控制变的更简单、可靠；

本案采用无刷双馈电机转子和旋转永磁内转子双转子套叠结构，实现机组变速变频励磁运行，相当同容量单转子发电机极对数至少减少1/3，从而缩短发电机直径，方便运输、降低机组重量；

本案机组可实现变速变频运行、变桨距调节，额定风速以下本案双风轮发电机组较单风轮变速变频机组风能利用率有较大提高，无齿轮箱、可实现直驱，无滑环故障之担心，机组可靠性大大提高；本实用新型对比现有技术有显著的贡献和进步，确实是具有新颖性、创造性、实用性的好技术。

本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

                            附图说明

图1是本实用新型套叠式双转子变速变频励磁发电机结构示意图；

图2是本实用新型励磁绕组接线结构示意图；

图3是本实用新型变速变频励磁控制系统结构示意图；

图4是本实用新型变速变频励磁控制系统工作原理框图。

                          具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1-4所示，一种套叠式双转子变速变频励磁发电机，包括固装在底座10上的发电机主体1，发电机定子16固装于发电机主体机壳11内，其中，

永磁内转子17通过副传动12轴传动、呈相对定子16旋转的构造装置在发电机主体机壳内；

环形转子14通过主传动轴13传动，该环形转子呈环抱并可绕永磁内转子旋转的构造装置，且该环形转子14呈相对定子16旋转的构造配置；该环形转子14借由环形转子支撑单元140环抱前述永磁内转子17装置在主传动轴13上；发电机定子16与环形转子14匹配设置，向外输出电能的定子绕组161装在固装于电机壳内的定子铁芯162上；

所述的环形转子14由环抱永磁内转子的环形转子铁心141和与环形转子铁心匹配结合的环形转子内侧绕组142、环形转子外侧绕组143组成，所述的环形转子的两端分别设置环形转子支撑单元140，该环形转子支撑单元与传动轴结合的部位设置轴承件1401，以使环形转子随主传动轴旋转；

由此环形转子作为无刷双馈电机转子与由副传动轴传动旋转的永磁内转子形成发电机的套叠式双重转子构造；从而可实现机组变速变频运行，相当同容量单转子发电机极对数至少减少1/3，因而可大大缩短发电机直径，方便设备运输、降低电机重量；

副风轮2通过其轮毂21按习知技术呈上风向相对主风轮反向旋转的传动构造装配在副传动轴的伸出端121；用于副风轮刹车的制动器15设置在发电机端盖与副风轮轮毂之间；

所述的副传动轴借由配置在发电机第一端盖111部的第一轴承115支撑，伸出机壳11装置副风轮，副风轮2相对主风轮呈反向对风旋转的传动构造装置在副传动轴12的轴身端部，该副风轮通过其轮毂21以习知技术按F2方向呈上风向对风旋转安装；

通过习知技术，将借由副风轮传动的副传动轴12与借由主风轮传动的主传动轴13成可相互转动的联结方式同轴安装、由副传动轴将副风轮的动力传递给永磁内转子；所述的主、副传动轴均具有预设直径的中空通孔120、130，以使大型发电机组传动轴在满足技术要求条件下更轻质，从而降低机体重量；

所述的主传动轴的一端借由配置在发电机第二端盖112部的第二轴承116支撑伸出机壳与主风轮装配，该主风轮3通过其轮毂31呈下风向旋转的传动构造装配在主传动轴13上，该主传动轴的另一端伸入机壳通过环形转子支撑单元140按习知技术与环形转子呈动力传动构造配置；该主风轮通过其轮毂31以习知技术按F3方向呈下风向对风旋转安装；

一种变速变频励磁系统，包括前述发电机M，其中，发电机的主风轮3配置在主传动轴上，在风力作用下相对具有Pg极对数的定子16以Nzr速度旋转，且主风轮转速满足下述关系式： $\mathrm{Nzr}=\frac{60\×(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$

其中：Nzr表示主风轮转速；Pg表示定子绕组极对数；Pe表示永磁内转子的极对数；fg表示定子频率；fe表示永磁内转子折算频率；

所述环形转子内侧绕组极对数与永磁内转子极对数一致设置为Pe对极；所述环形转子外侧绕组极对数与定子绕组极对数一致设置为Pg对极；所述的环形转子外侧绕组与内侧绕组通过环形转子绕组间连接线123反相序连接；所述环形转子外侧绕组极对数Pg设置为大于环形转子内侧绕组极对数Pe，所述环形转子外侧绕组极对数可以是3倍的环形转子内侧绕组极对数；

发电机的的副风轮2配置在副传动轴上，该副风轮带动永磁内转子以Ne速度相对主风轮反向旋转，且永磁内转子折算频率满足下述关系式：

$\mathrm{fe}=\frac{\mathrm{Ne}\×\mathrm{Pe}}{60}$ 其中：Ne表示副风轮相对定子转速；

在副传动轴上配置以Nzre转速相对旋转的、具有Pe极对数的永磁内转子，永磁内转子相对环形转子旋转的转速满足下述关系式：Nzre＝Nzr+Ne

其中：Nzre表示永磁内转子相对环形转子旋转的转速；

前述的主、副风轮上设置可将转速的信号传送到机组集控装置5的主风轮转速测量装置G、副风轮转速测量装置G1，经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置测得的风轮转速，传输给机组集控装置5；机组集控装置与偏航控制器6联结，控制主风轮下风向对风旋转，偏航控制器6可安装于底座下的机舱内部101；

所述的主风轮与副风轮的轮毂部分别配置调节桨距角的主风轮变桨距调节机构38、副风轮变桨距调节机构28，该主风轮、副风轮变桨距调节机构与机组集控装置5电气联结，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；所述的主风轮与副风轮内分别配置副风轮桨距角测量装置G28、主风轮桨距角测量装置G38；

所述主、副风轮变桨距调节机构构造相同，它由以伺服电机M38、M28驱动的变桨伺服机构381、281与变桨控制装置382、282组成，所述机组集成

控制5通过变桨控制装置382、282与以伺服电机M38、M28驱动的变桨伺服机构381、281联结；该变桨伺服机构在机组集控装置5的控制下根据检测到的桨距角变化进行主风轮和副风轮的转速调节，实现主风轮下风向对风旋转，而副风轮上风向反向对风旋转；制动器15设置在发电机端盖与副风轮轮毂之间；

在发电机的电压输出端依次连接并网变频器7、和升压变压器8，再与外电网W联接；在并网变频器、和升压变压器之间依次配置与机组集控装置5联结的电压测量装置G4、与机组集控装置联结的输出电流检测装置G3；在发电机M与并网变频器之间配置与机组集控装置联结的空载检测装置G5；机组集控装置还具有与风速检测装置(未图示)联结的端口D1、与风向检测装置(未图示)联结得端口D2、与上位机传输数据的端口D3；所述主、副风轮叶片按已知技术方式装置在风轮轮毂上，所述主风轮叶片扫风面积大于副风轮的叶片扫风面积2-5倍，尤以主风轮叶片扫风面积是副风轮的叶片扫风面积的3倍左右较佳，所述的扫风面积是风轮旋转形成的面积；

综上，双风轮机构的风电机，其中较大直径的主风轮为发电用，较小直径的副风轮为调节励磁频率兼发电用，二者在同一个轴线上、相互反方向旋转，偏航控制器负责控制主风轮下风向对风旋转，主力发电；副风轮上风向反向对风旋转，辅助发电，大大提高效能。

所述发电机的电压输出端并网变频器等配置可对发电机输出电压加以调节、同期后软并网、停机时软解裂，可有效的减少并网无功电流的冲击，确保机组安全运行；当发电机达到额定输出功率时，机组功率因数控制在cosθ＝1左右运行；当发电机输出有功功率较小时，机组输出cosθ＜1的感性无功功率；当发电机转速低于额定最低转速或发电机输出功率高于最大输出功率时，从电网上解列发电机，通过并网变频器等配置完成软解列。

变速变频励磁控制方法：

1).在主传动轴上配置在风力作用下相对具有Pg极对数的定子以Nzr速度旋转的主风轮，且主风轮转速满足下述关系式： $\mathrm{Nzr}=\frac{60\×(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$

其中：Nzr表示主风轮转速；Pg表示环形转子外侧绕组极对数；Pe表示永磁内转子的极对数；fg表示定子频率；fe表示永磁内转子折算频率；

2).在副传动轴12端部配置的副风轮带动永磁内转子以Ne速度相对主风轮反向旋转，且永磁内转子折算频率满足下述关系式： $\mathrm{fe}=\frac{\mathrm{Ne}\×\mathrm{Pe}}{60}$

其中：Ne表示副风轮相对定子转速

3).在副传动轴上配置以Nzre转速相对旋转的、具有Pe极对数的永磁内转子，永磁内转子相对励磁内转子旋转的转速满足下述关系式：

Nzre＝Nzr+Ne  其中：Nzre表示永磁内转子相对环形转子旋转的转速；

4).所述环形转子内侧绕组极对数与永磁内转子极对数一致设置为Pe对极；所述环形转子外侧绕组极对数与定子绕组极对数一致设置为Pg对极；所述环形转子外侧绕组与内侧绕组通过环形转子绕组间连接线123反相序连接；

5).当主风轮低于额定转速时，机组集控装置进行主风轮叶尖速比控制，经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的主风轮转速，传输给机组集控装置5，经与机组集控装置预设的主风轮叶尖速比数值比对，计算出桨距角的调节数值，再与主风轮桨距角测量装置G38采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；

由机组集控装置5按照 $\mathrm{Nzr}=\frac{60\×(\mathrm{fg}-\mathrm{fe})}{\mathrm{Pg}+\mathrm{Pe}}$ 关系式对主、副风轮进行变速控制；由此可以实现主风轮在额定转速以下以其最佳叶尖速比运行，达到充分利用风能的目的；

当主风轮达到额定转速时，机组集控装置对发电机进行功率控制；经由输出电流检测装置G3测得的发电机的输出电流和经由输出电压测量装置G4测得的发电机的输出电压传输给机组集控装置5，经由该机组集控装置运算出的发电机输出功率值与预设的额定功率数值比对；符合预设值时，机组集控装置将采集到的由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的主风轮额定转速，计算出该风速下主风轮额定转速的桨距角的调节数值，再与主风轮桨距角测量装置G38采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对主风轮变桨距调节机构38发出变桨指令；由此可以实现主风轮在恒定功率下运行，防止发电机过载；

6).当副风轮低于额定转速时，机组集控装置进行副风轮叶尖速比控制，经由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过副风轮转速测量装置G1测得的副风轮转速，传输给机组集控装置5；经与机组集控装置预设的副风轮叶尖速比数值比对，计算出桨距角的调节数值，再与副风轮桨距角测量装置G28采集的桨距角值比对，由机组集控装置对副风轮变桨距调节机构28发出变桨指令；由此可以实现副风轮在额定转速以下以其最佳叶尖速比运行，达到充分利用风能的目的；

当副风轮达到额定转速时，机组集控装置对发电机进行功率控制；经由输出电流检测装置G3测得的发电机的输出电流和经由输出电压测量装置G4测得的发电机的输出电压传输给机组集控装置5，经由机组集控装置5运算出的发电机输出功率值与预设的额定功率数值比对；符合预设值时，机组集控装置5将采集到的由风速检测装置联结的端口D1测得的风速和通过转速测量装置G测得的副风轮额定转速，计算出该风速下副风轮额定转速的桨距角的调节数值，再与副风轮桨距角测量装置G28采集的桨距角值比对，由机组集控装置5对副风轮变桨距调节机构28发出变桨指令；由此可以实现主风轮在恒定功率下运行，防止发电机过载；使发电机在小于等于额定转速时保持发电机的输出电压频率在5Hz-50Hz范围内变速变频运行，尤以发电机的输出电压频率在10Hz-20H最佳，通过并网变频器7整流和逆变，使发电机始终以50Hz的输出电压频率并网运行，间接实现了风电机组的变速变频运行；

7.所述环形转子外侧绕组极对数Pg设置为大于环形转子内侧绕组极对数Pe，所述环形转子外侧绕组极对数可以是3倍的环形转子内侧绕组极对数；

从而，工作时套叠的两转子绕组具有相同的电流频率、相互反方向的旋转磁场，发电机转子绕组励磁磁场相对套叠转子的旋转速度Nzre与主风轮轴机械旋转的速度Nzr叠加、配合，始终形成同步励磁磁场，该同步磁场在具有Pg对极的定子绕组中产生50Hz电势，实现发电机组的变速恒频励磁运行。

8).装配在传动轴13上的主风轮与装配在副传动轴的副风轮2借由叶片桨距角的相对反方向调节呈相对反向对风旋转配置。充分利用副风轮后面的反向旋转尾流能量，风能利用率比同容量单风轮机组提高15％-25％。

9).当串联永磁变速变频励磁双转子风电机并网运行、主风轮转速在预设的额定转速和最低转速之间时，副风轮在机组集控装置5调节下按预设条件反向对风旋转。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种套叠式双转子变速变频励磁发电机，包括发电机主体(1)，其特征在于，所述发电机的永磁内转子(17)通过副传动(12)轴传动、呈相对定子(16)旋转的构造装置在发电机主体机壳内；借由副风轮传动的副传动轴(12)与借由主风轮传动的主传动轴(13)成可相互转动的联结方式同轴安装，所述的副风轮相对主风轮呈反向对风旋转的传动构造装置在副传动轴的轴身端部；发电机的主传动轴(13)上配置由该主传动轴传动的相对定子旋转的环形转子(14)；该环形转子又呈环抱永磁内转子并可绕永磁内转子旋转的构造配置；所述环形转子的环形转子内侧绕组(142)的极对数与永磁内转子极对数一致设置为(Pe)对极；环形转子外侧绕组(143)的极对数与定子绕组极对数一致设置为(Pg)对极，所述环形转子外侧绕组与内侧绕组通过环形转子绕组间连接线(123)反相序连接。

2.如权利要求3所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述的副风轮按F2方向呈上风向对风旋转安装；该主风轮(3)呈下风向旋转的传动构造装配在主传动轴(13)上；用于副风轮刹车的制动器(15)设置在发电机端盖与副风轮轮毂之间。

3.如权利要求1或2述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述的环形转子(14)由环抱永磁内转子的环形转子铁心(141)和与环形转子铁心匹配结合的环形转子内侧绕组(142)、环形转子外侧绕组(143)组成；所述的主、副传动轴均具有预设直径的中空通孔(120、130)。

4.如权利要求3所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述主传动轴的一端借由配置在发电机第二端盖(112)部的第二轴承(116)支撑伸出机壳与主风轮装配，该主传动轴的另一端伸入机壳通过环形转子支撑单元(140)与环形转子呈动力传动构造配置；副传动轴借由配置在发电机第一端盖(111)部的第一轴承(115)支撑，伸出机壳(11)装置副风轮。

5.如权利要求4所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述的环形转子支撑单元与传动轴结合的部位设置使环形转子随主传动轴旋转的轴承件(1401)；所述的环形转子借由其两端分别设置的环形转子支撑单元(140)环抱前述永磁内转子(17)装置在主传动轴(13)上。

6.如权利要求5所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述环形转子外侧绕组极对数Pg设置为大于环形转子内侧绕组极对数Pe。

7.如权利要求6所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述主风轮叶片扫风面积约是副风轮的叶片扫风面积的3倍。

8.如权利要求7所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述的主风轮呈下风向对风旋转构造设置，所述副风轮呈上风向反向对风旋转构造设置。

9.如权利要求8所述的套叠式双转子变速变频励磁发电机，其特征在于，所述环形转子外侧绕组极对数可以是3倍的环形转子内侧绕组极对数。

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