CN211715259U - 多模块恒频变量发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电装置领域，具体涉及一种在微风条件下也能正常发电的多模块恒频变量发电机，该发电机由多个可独立运行的发电模块组成的发电机，各发电模块串接在同一主动力轴上的，通过采集主动力轴的转速信息、或风力信息或发电机的功率信息来控制各发电模块的运行。同时在电机内部增加了叶片，发电模块的线圈盘设置成蜂窝状布置的横向孔洞和纵向孔洞，使得发电机运行过程中的散热效果更好，从热避免了电机内部高温导致磁体退磁、发电效能降低的现象，保障了电机的稳定可靠性和发电效能。该电机极大的延长了风力发电机的寿命，并极大降低了模块更换和维修次数，大大降低了运行成本。

Description

多模块恒频变量发电机

技术领域

本实用新型涉及利用外部动能进行发电的发电装置领域，具体涉及多模块恒频变量发电机，可以实现在微风至强风条件下均能有效发电。

背景技术

随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，现在利用可再生能源尤其是风能进行发电的技术受到越来越多的关注。现在常用的风力发电机为定值发电机，通常是对其输入额定工作力矩和额定工作转速，发电机输出额定工作电压、额定频率和额定功率，通常其只能在大风条件下才能正常发电，而在小风、微风条件下处于停机状态，不能适应外部风力大小的变化，因此在利用可再生能源进行发电方面存在明显的问题，为此，中国发明专利申请CN 109450 A公开了一种具有多个发电单元的发电机，该发电机具有多个可自动叠加的发电模块，并可以根据外部动力大小实时调整发电机的额定功率以适配外部动力大小，但是，实践中发现，该发电机在运行过程中很容易产生内部高温，高温导致永磁磁体的磁性在短时间内迅速降低，退磁现象非常严重，因而通常在发电机运行两个小时后发电机的运行效能大大降低，电压、电流直线下降；在更换为耐高温的磁体后，虽然磁体盘的退磁现象得到一定解决，但高温依然对线圈盘的损害较大，线圈容易老化，使用寿命大大减小。而常规的采用空调降温的方式不仅消耗自身大量能量，而且成本高，维修频繁。因此，如何调控电机内部温度以使得模块化风力发电机能够正常运行，使之真正运用于风力发电，是本行业亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述现有技术问题，本实用新型提供一种内部可自动风冷的、降温效果极佳的多模块恒频变量发电机，其包括电机外壳、主动力轴；依次串接在主动力轴上的多个发电模块；每个所述发电模块均包括两个相对设置的磁体盘和位于所述两个磁体盘之间的一个线圈盘；所述磁体盘分别与所述主动力轴固定连接并可随主动力轴转动构成发电机的转子，所述线圈盘与电机外壳固定构成发电机的定子；还包括用于控制多个发电模块加载或卸载的控制系统，其特征在于：所述线圈盘的中心镂空形成空腔，主动力轴穿过所述空腔；所述主动力轴上固定有一个或间隔固定有多个排气扇，所述排气扇位于所述线圈盘的空腔内；所述线圈盘内设有多个轴向通风孔及多个径向通风孔。

排气扇固定在主动力轴上随其同步运转从而将电机壳体内部的空气向外排出并同时将电机内部的热量排出。为使得磁体盘与线圈盘紧密的排布，且不影响主动力轴的转动和排气扇的工作，特别有益的是，将线圈盘的中心设计为镂空的空腔结构，而将排气扇设置于线圈盘的空腔内，这样一来，排气扇的设置基本不占用在轴向上的空间，不影响磁体盘与线圈盘的布置、安装和配合，且充分利用了线圈盘作为定子固定不动的特点，排气扇的设置使得电机内部的空气流通速度大大加快，从而提高了散热效果；因为电机的热量主要来自于线圈盘的导电，因此，本实用新型在线圈盘内设置了多个轴向通风孔和径向通风孔，使得空气与线圈盘内部的接触面增大，散热效果进一步得到极大的改善。这种电机内部的排气扇和线圈盘内轴向通风孔、径向通风孔相结合的结构，彻底改变了现有风力发电机内部散热不良带来的诸多问题，极大改善了风力发电机，尤其是使得这种多模块发电机能够保证其运行发电恒频、稳定，可根据外部风力大小实现功率变量。当然，为避免排气扇的阻力消耗部分能量，排气扇的叶片不易过大，以刚好容置于线圈盘中心的空腔为宜。

进一步，所述排气扇的数量与发电模块的数量相等，每个所述线圈盘的空腔内均设有一个排气扇。譬如如果有四个发电模块，则共有四个排气扇，这样排气散热效果好。

作为优选，所述轴向通风孔与径向通风孔相互交叉导通，这样，排气扇在电机内部形成的风可以自由的横向和纵向穿梭在线圈盘内部，以将线圈盘产生的热量充分散发出去。

为精准有效的控制各模块的叠加和卸载，适配外部风力大小，所述控制系统包括控制器譬如PLC、信号采集传输模块，信号采集传输模块与控制器信号连接，控制器根据接收到的来自信号采集传输模块的信号分别控制各线圈盘输出电路的导通，控制器通过控制输出电路导通的线圈盘的数量以控制参与发电的发电模块的数量。通过信号的采集、分析并通过控制器自动调控发电模块的叠加和卸载，在大风条件下叠加较多的模块发电，而在小风条件下卸载相应的发电模块，使得发电机的额定功率始终与获得的外部风能大小相适配，以至于在任何风力段发电机均能发电，不会因为风力小而停机，也不会因为风力大而浪费风能。

为增强磁场强度和磁通量，每个磁体盘按照N极、S极交错布置有永磁磁体，两个相对设置的磁体盘上的磁体磁极相反。

为使得电机的结构更加紧凑，相邻的两个所述发电模块共用一个磁体盘，该磁体盘同时兼做一个发电模块的左磁体盘和相邻的另一个发电模块的右磁体盘。

作为多种选择，所述信号采集传输模块为测速编码器、或功率传感器、或电压传感器、或电流传感器或扭矩传感器。如果选用测速编码器，则测速编码器与主动力轴相联以检测其转速并输出信号。

为使得发电机输出电压、电流稳定，且符合供电要求，该发电机还包括与每个所述线圈盘一一对应的整流器和逆变器，线圈盘与整流器的输入端电连接，整流器的输出端与逆变器的输入端电连接。

本实用新型的有益技术效果是：在风力发电机的主动力轴上、在线圈盘中心的空腔巧妙设置了排气扇，并在线圈盘内设置有近似蜂窝一样的纵横交错的通风孔，使得发电机的主要发热部件线圈盘可以快速实现自然风冷降温，这样在不需要外部降温措施的情况下，很好的实现了发电机内部的降温，确保了电机内部磁体盘不会退磁、消磁，不会降低发电功效；另外这种多模块串接在同一个主动力轴上的模块式风力发电机，通过控制系统接收来自信号采集模块的信号而自动调控参与发电的发电模块数量，可以实现发电机的功率可变，是一种变量发电机，使得发电机的额定功率可以始终匹配外部输入的动力大小，从而可以实现自微风至强风所有风力段均可正常发电，极大提高了发电时长和发电量。

附图说明

图1为本实用新型发电机实施例的立体分解图；

图2为本实用新型发电机一个线圈盘的中心空腔容置一个排气扇的结构示意图；

图3为本实用新型发电机线圈盘内部设置的轴向通风孔、径向通风孔示意图；

图4为本实用新型发电机实施例的立体分解图；

图5为本实用新型实施例运行控制的逻辑关系图(信号采集传输模块采用测速编码器)；

图6为本实用新型实施例运行控制的逻辑关系图(信号采集传输模块采用电流、电压或功率传感器)；

图7为本实用新型实施例运行控制方法的逻辑关系图(信号采集传输模块采用扭矩传感器)；

图8为本实用新型实施例运行控制方法的逻辑关系图(信号采集传输模块采用功率传感器)；

图9为本实用新型发电机内排风扇部分的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：电机外壳1、主动力轴2、发电模块3、磁体盘31、线圈盘32、螺钉33、散热的鳍片11、控制器4、信号采集传输模块5、排气扇6、轴向通风孔7、径向通风孔8。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如附图1～3所示，为具有多个发电模块的恒频变量发电机的一个较佳的实施例一种包括：电机外壳1、主动力轴2、依次串接在主动力轴2上的四个发电模块3以及控制系统，电机外壳1包括通过螺栓相固定的上壳体、下壳体及前端盖、后端盖，主动力轴2、发电模块3均安装在电机外壳1内，电机外壳1上还设置有便于散热的散热鳍片11。每个所述发电模块3均包括一个线圈盘32和一组相对设置的左磁体盘、右磁体盘，若干左磁体按照N极、S极交错布置在左磁体盘上，若干右磁体按照S极、N极交错布置右磁体盘上，且相对设置的左磁体与右磁体磁极相反，左磁体与右磁体之间留有间隙，左磁体盘与右磁体盘之间相应也留有间隙，各左磁体盘、右磁体盘分别与所述主动力轴2通过键槽固定连接并可随主动力轴2转动构成发电机的转子。线圈盘32通过螺钉33固定在电机外壳1上，线圈盘32构成发电机的定子，线圈盘32内部由多个小线圈包按顺序排列组成，整体构成与所述左磁体盘、右磁体盘形状匹配的线圈盘，小线圈包由漆包铜线绕制而成，小线圈包的数量可以根据需求和发电机的功率决定。

所述左磁体盘、右磁体盘的端面与所述线圈盘32的端面实质平行且与主动力轴2的轴线实质垂直；左磁体盘、右磁体盘的外周壁与所述电机外壳1的内壁之间具有一定的空隙，以使得磁体盘在转动时不会摩擦电机外壳1。在单元磁体部31随主动力轴2转动时线圈盘32可以切割左磁体和右磁体之间的磁力线。

在本实施例中，相邻的两个所述发电模块共用一个磁体盘，该磁体盘同时兼做一个发电模块的左磁体盘和相邻的另一个发电模块的右磁体盘，若干左磁体、右磁体分别布置在该磁体盘的两个面上。这种优化可以使得发电机的结构更加紧凑，并可以在相邻的两个单元磁体部31之间节约一个磁体盘，从而可以节约成本。

如附图9所示，线圈盘32的中心镂空形成空腔，主动力轴2穿过空腔，主动力轴2上固定有四个排气扇6，四个排风扇分别位于每个线圈盘32的空腔内，线圈盘32内设有多个轴向通风孔7及多个径向通风孔8，轴向通风孔7与径向通风孔8相互交叉导通。四个排气扇6的设置使得电机内部的空气流通速度大大加快，从而提高了散热效果；因为电机的热量主要来自于线圈盘32的导电，因此，而在线圈盘32内设置了多个轴向通风孔7和径向通风孔8，使得空气与线圈盘32内部的接触面增大，散热效果进一步得到极大的改善。

每个发电模块3分别具有各自的额定功率，本实施例中各发电模块3的额定功率是相同的，发电机的额定总功率是各发电模块3的额定功率相加之和。多个发电模块3依次串接在主动力轴2上使得各发电模块3可以同时接受主动力轴2传递的外部动力。

所述控制系统包括控制器、信号采集传输模块，信号采集传输模块与控制器信号连接，控制器根据接收到的来自信号采集传输模块的信号分别控制各线圈盘32输出电路的导通，控制器通过控制输出电路导通的线圈盘32的数量以控制参与发电的发电模块3的数量。具体的，控制器4可以选用的器件非常多，可以单片机或者PLC控制器，本实施例中选用的是西门子的PLC。信号采集传输模块5在本实施例中包括一个测速编码器，例如可以选用霍尔传感器检测主动力轴2的转速，测速编码器与主动力轴2相联以检测其转速并输出信号，该信号为转速信号。输入的外部动力的大小变化首先反应在发电机主动力轴2的转速上，外部动力大则转速高，外部动力小则转速低，通过检测主动力轴2的转速实现控制，是比较优选的方式。主动力轴2的转速达到预设的转速上限值时控制器4控制导通一线圈盘32的输出电路从而加载一个发电模块3参与发电，此时主动力轴2上加载了一个与外部动力相反的反向扭矩，则其转速下降到原有转速范围内；当主动力轴2的转速达到预设的转速下限值时控制器4控制断开一个线圈盘32的输出电路从而卸载一个已参与发电的发电模块3，此时主动力轴2上卸载了一个与外部动力相反的反向扭矩，则其转速上升到原有转速范围内。这样，当外部动力增大时，控制器4就会控制导通较多数量的线圈盘32的输出电路从而较多的发电模块3参与发电，当外部动力较小时，控制器4会控制导通较少数量线圈盘32的输出电路从而较少的发电模块3参与发电，这种方案使得参与发电的发电模块3的数量及发电机的额定功率能随外部动力大小的变化而实时调整，且因为主动力轴2的转速始终维持在一个恒定的范围内，参与发电的发电模块3输出的电流是相对稳定的、并符合一定的频率和电压标准。

本实用新型控制器的作用就在于根据接收到的外部动力输入大小的信号控制导通不同数量的线圈盘32的输出电路从而控制不同数量的发电模块3产生电流运行发电，以使得发电机的额定功率实时调整以适配输入的外部动力和功率的大小和变化，相比通过电磁离合器控制单元磁体部31的转动来控制发电模块3的运行，本实施例具有极大的技术优势，有益效果明显。

为了更好的控制线圈盘32的输出电路，控制系统还包括多个通断开关模块，通断开关模块设于整流器与逆变器之间，通断开关模块为电磁开关；控制器4分别与通断开关模块相连，每个所述线圈盘32的输出电路均串联有一个所述通断开关模块；控制器4可根据接收到的来自信号采集传输模块5的信号控制通断开关模块的导通从而控制线圈盘32输出电路的导通。

本实用新型的具有多个发电模块的发电机的运行控制方法实施例，如图5所示逻辑关系图给出了如何控制四个发电模块(分别编号为A、B、C、D)参与发电，本实施例中是采用测速编码器作为信号采集传输模块以感知和传输主动力轴的转速信息，本实施例的运行控制方法包括如下步骤：

A、在控制器4内预先设置一个转速上限值、一个转速下限值；

B、外动力驱动发电机主动力轴2转动并带动各发电模块3的单元磁体部31转动，测速编码器检测采集主动力轴2的转速信息并将转速信号传输给控制器4；

C、当主动力轴2的转速达到所述转速上限值时，控制器4控制导通一个线圈盘32的输出电路，该线圈盘32与外界负载导通构成一个回路，该线圈盘32产生的电势在回路内形成电流，从而加载一个发电模块3参与发电，则主动力轴2转速下降到所述转速上限值和转速下限值之间；

D、外动力增大从而驱动主动力轴2的转速增加，当转速再次达到所述转速上限值时控制器4再控制导通一个线圈盘32的输出电路，该线圈盘32与外界负载导通构成一个回路，该线圈盘32产生的电势在回路内形成电流，从而再加载一个发电模块3参与发电，此时主动力轴2的转速又下降到所述转速上限值和转速下限值之间。

依次类推在外部动力持续增大的情况下可以逐步加载N个发电模块3同时参与发电以匹配外部输入的动力和功率的增加，使得发电机始终可以在一个恒定转速范围内正常发电输出符合标准的电流。当外部动力减小时，发电机同样可以卸载已参与发电的发电模块3，并包括如下步骤：

E、当外动力逐步减小，主动力轴2的转速达到所述转速下限值时，控制器4控制断开一个线圈盘32的输出电路，该线圈盘32与外界负载的回路断开，该线圈盘32仅产生电势而不能形成电流，从而卸载一个已参与发电的发电模块3，则主动力轴2转速上升到所述转速上限值和转速下限值之间；

F、当外动力继续逐步减小，主动力轴2的转速再次达到所述转速下限值时，控制器4再控制断开一个线圈盘32的输出电路，该线圈盘32与外界负载的回路断开，该线圈盘32仅产生电势而不能形成电流，从而再卸载一个已参与发电的发电模块3。

具体的，测速编码器选用的是型号为Bourns EMS22D51-B28-LS5的编码器，其安装在主动力轴2上，检测主动力轴2转动的转速。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.多模块恒频变量发电机，包括电机外壳、主动力轴；依次串接在主动力轴上的多个发电模块；每个所述发电模块均包括两个相对设置的磁体盘和位于所述两个磁体盘之间的一个线圈盘；所述磁体盘分别与所述主动力轴固定连接并可随主动力轴转动构成发电机的转子，所述线圈盘与电机外壳固定构成发电机的定子；还包括用于控制多个发电模块加载或卸载的控制系统，其特征在于：

所述线圈盘的中心镂空形成空腔，主动力轴穿过所述空腔；所述主动力轴上固定有一个或间隔固定有多个排气扇，所述排气扇位于所述线圈盘的空腔内；所述线圈盘内设有多个轴向通风孔及多个径向通风孔。

2.根据权利要求1所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：所述排气扇的数量与发电模块的数量相等，每个所述线圈盘的空腔内均设有一个排气扇。

3.根据权利要求1所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：所述轴向通风孔与径向通风孔相互交叉导通。

4.根据权利要求1所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：所述控制系统包括控制器、信号采集传输模块，信号采集传输模块与控制器信号连接，控制器根据接收到的来自信号采集传输模块的信号分别控制各线圈盘输出电路的导通，控制器通过控制输出电路导通的线圈盘的数量以控制参与发电的发电模块的数量。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：每个磁体盘按照N极、S极交错布置有永磁磁体，两个相对设置的磁体盘上的磁体磁极相反。

6.根据权利要求1所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：相邻的两个所述发电模块共用一个磁体盘，该磁体盘同时兼做一个发电模块的左磁体盘和相邻的另一个发电模块的右磁体盘。

7.根据权利要求4所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：所述信号采集传输模块为测速编码器、或功率传感器、或电压传感器、或电流传感器、或扭矩传感器。

8.根据权利要求1所述的多模块恒频变量发电机，其特征在于：还包括与每个所述线圈盘一一对应的整流器和逆变器，线圈盘与整流器的输入端电连接，整流器的输出端与逆变器的输入端电连接。

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