NO743006L - - Google Patents

Description

Elektrogsnerator-anordning

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrogenerator-anordning med minst to hjul som er anordnet dreibare ved siden av hverandre på en felles faststående aksel og hvorav det ene bærer den del sovn frembringer feltet, og'det annet bærer ankeret for en generator og begge ved hjelp av ytre krefter kan drives i motsatt retning av hverandre, særlig ved vind- eller vannkraft. En slik elektrogenerator kan være utformet som vind- eller vannturbin med vinger eller skovler anbragt på hjulene.

På grunn av dreiningen i motsatte retninger av de to gene<1>ratordeler er det mulig å fordoble den relative hastighet mellom felt og anker sammenlignet med en vanlig generator med ubevegelig stator, og dermed å oke virkningsgraden tilsvarende. Dette er særlig fordelaktig for vinclmoller og vannturbiner som vanligvis bare oppnår for-

holdsvis lave turtall.

Når begge hjul loper fritt i motsatte retninger kan imidlertid det hjul som ligger forrest sett i vind- eller vannretningen oppnå et hoyere turtall enn det bakenforliggende hjul, særlig ved hoyere vind- og vannhastigheter, fordi det forste hjul i dette tilfelle .opptar mer vind- eller vannkraft enn det annet hjul. Det er ugunstig for det maksimale turtall særlig av mekaniske og konstruk-tive grunner er begrenset. De samme ugunstige betingelser for begge hjul kan opptre ved forandring av belastningen når generatorens lop, det vil si den relative hastighet mellom felt og anker og dermed mellom begge rotorer, avbremses eller akselererer ved oking eller minsking exv den elektriske belastning.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å unngå

disse ulemper og å sorge for at ikke noen av rotorhjulene overskrider på forhånd fastlagte maksimale turtall. Videre ligger det til grunn for oppfinnelsen den oppgave optimalt å utnytte omsetningsvirknings-graden for rotorhjulenes aerodynamiske eller akvadynamiske vind- eller vannprofiler.

Som kjent er en bestemt vindhastighet optimal for et bestemt på forhånd fastlagt profil på rotorhjulene ved fast innstillings- og innfallsvinkel. Ved forskjellige vindhastigheter er derfor en aksele-rasjon eller retardasjon av rotorturtallene påkrevet for å opprett-holde denne optimale tilstand. For dette formål er det nodvendig med en reguleringsanordning som ikke bare reagerer hurtig på forskjellige vindhastigheter, men også muliggjor en individuell regulering av den forreste og bakre rotor i samsvar med de forskjellige vindbetingelser.

Denne oppgave loses på mekanisk og elektromagnetisk måte.

Som mekanisk medium er det mellom de to hjul anordnet en venderdrift, ved hjelp av hvilken hjulene tvangsmessig er koplet i

et på forhånd fastlagt turtallsforhold, for eksempel 1:1. Det kan i dette tilfelle også dreie seg om en trinnlos eller trinnvis regulerbar koplingsdrift, hvis turtallsforhold er innstillbart i avhengighet av det maksimalt tillatelige turtall og/eller av det optimale turtall for rotorprofilene.

Den elektromagnetiske losning på oppgaven består i at i

det minste det ene av de to rotorhjul som har de to deler av en forste generator, dessuten bærer den ene del, feltdelen eller ankeret for en

annen generator, hvis annen del er dreiefast forbundet med den felles aksel. Da kan ved regulering eller styring av strømbelastningen for den forste generator den relative hastighet for begge rotorhjul reguleres, mens ved regulering eller styring av strømbelastningen eller magnetiseringen av den annen generator innstilles turtallet for det rotorhjul som horer til denne, på et på forhånd fastlagt absolutt turtall.

Begge mulige losninger har den ytterligere fordel at den for reguleringen nodvendige vindkraft utnyttes som elektrisk.,energi. Vindkraften går folgelig ikke tapt, slik tilfellet er når ved konven-sjonelle anordninger en innstillingspropeller dreies for å redusere den effektive vindkraft for oppnåelse av et regulert turtall. Ved den mekaniske losning blir den vindkraft som virker forskjellig på de to rotorer, fordelt jevnt, mens ved den elektromagnetiske losning er vindkraften disponibel som utnyttbar elektrisk energi ved utgangen av hver av de to generatorer. Bare i tilfelle av regulering av den annen

generator ved okning eller minsking av magnetiseringsspenningen for-brukes en liten del av vindkraften for denne strdmtilforsel. •

En ytterligere fordel ved oppfinnelsen ligger i at de på den ubevegelige aksel roterende masser av generatordeler virker som svinghjul og stabiliserer turtallet ved varierende vindhastigheter og reduserer vibrasjoner på grunn av den storre masse.

Elektrogenerator-anordningen ifolge oppfinnelsen kan også ha fler enn to, f.eks. tre rotorhjul. I dette tilfelle foreligger der mellom det annet og hvert ytterligere rotorhjul de samme mekaniske eller elektromagnetiske organer for regulering av hastigheten av de forskjellige rotorhjul i samsvar med de ovenfor beskrevne prinsipper, idet iivhvert tilfelle tilstdtende hjul roterer i motsatt retning av hverandre.

Oppfinnelsen vil bedre forstås ut fra folgende beskrivelse av utforelseseksempler under henvisning til tegningene, hvor fig. 1 viser et skjematisk fremstilt utforelseseksempel på en venderdrift mellom de to hjul i et dobbelt vindhiul, fig. 2 og 3 viser to skjematisk fremstilte eksempler med en på akselen ubevegelig festet generatordel for en ytterligere generator og fig. 4 viser et skjematisk koplings-skjema for regulering av strømbelastningen for en generatoranordning.

I den perspektiviske fremstilling på fig. 1 er det på den ubevegelige sentrale aksel 1 mellom de to på denne aksel dreibare vindhjul 2 og 3, hvis vinger ikke er vist, for eksempel ved hjelp av skruer festet en muffe 37, på hvilken er ubevegelig festet radialt utstrakte holdere 38 og 39- Holderne 38 og 39 danner lager for i

hvert tilfelle en parallelt med akselen 1 orientert dreibar aksel LO

hhv. 4l • Begge aksler 4-0 og 4-1 har ved hver ende et tannhjul 42, 43

hhv. 44, 45, hvorav tannhjulet 42 hhv. 4-5 står i inngrep med et på innersiden av vindhjulet 2 hhv. 3 festet tannhjul 46 hhv. 47, mens de dvrige to tannhjul 43 og 44 ligger i et plan og står i inngrep med hverandre. På denne måte oppnås en tvangsmessig kopling av de to hjul 2 og 3, slik at et hjul alltid dreier seg i motsatt retning av det

annet hjul. Når begge hjul 2 og 3 skal ha samme omdreiningstali, anvendes fire like store tannhjul 42 til 45- Når det er onskelig med et annet fast turtallsforhold mellom de to hjul 1 og 2, erstattes tannhjulene 43 og 44 med tannhjul med tilsvarende andre diametere.

Venderoverforingen kan også forandres slik at begge tannhjul 42 og 45 ved avkall på tannhjulene 43 og 44 sitter på en felles

stasjonært lagret aksel' og det ene av de to tannhjul 42 hhv. 45 ligger i det indre av en på angjeldende vindhjul festet tannkrans og står i inngrep med den innvendige fortanniiig av denne tannkrans .

En annen mekanisk utfdrelse består i at det mellom de to vindhjul er dreibart lagret minst et konisk tannhjul på en radialt i forhold til den felles aksel 1 orientert stasjonær aksel og på innersiden av de to vindhjul er respektive festet et kronhjul som begge med sine fortanninger griper inn i diametralt overfor hverandre liggende fortanninger på de koniske tannhjul.

De beskrevne eksempler gjelder for en venderoverforing med fast turtallsforhold. Det kan imidlertid også være anordnet trinnlose eller trinnvist regulerbare koplingsoverforinger, hvis turtallsforhold er plast- hhv. vindavhengig variabelt..

på fig. 2 er vist en anordning hvor det på den ubevegelige felles aksel 51 er dreibart lagret to i motsatt retning ved hjelp av ytre krefter drevne hjul 52 og 53. Hjulet 52 har en sylindrisk flens 52a som er konsentrisk i forhold til akselen 51 og strekker seg i retning mot det annnet hjul 53, og på den ytre omkrets av denne flens 52a er festet den ene generatordel 55 for en forste generator. Det annet hjul 53 har en sylindrisk flens 53a som med radial avstand griper utenom flensen 52a og på hvis innvendige omkrets er festet den annen generatordel 57 for den forste generator. Begge generatordeler danner en

luftspalte 59 som ligger på en i forhold til akselen 51 konsentrisk sylinderflate. Mellom de to hjul 52 og 53 er det på akselen 51 dreiefast montert en bærer 54 med en sylindrisk flens 54a. på hvis ytre omkrets er festet statoren 58 for en annen generator. Rotoren 56 for

denne andre generator er anbragt på den indre omkrets av flensen 52a på hjulet 52 og danner sammen med statoren 58 en sylindrisk luftspalte 60.

På grunn av den ubevegelige stator 58 for den annen generator kan turtallet for dennes rotor 56 og dermed for hjulet 52 styres hhv. reguleres ved hjelp av tilsvarende forandring av strømbelastningen, mens turtallet for hjulet 53 reguleres ved tilsvarende forandring av strømbelastningen for den forste generator. De to generatorer kan på kjent måte koples i serie eller parallell', eller reguleres uavhengig av hverandre.

I eksempelet på fig. 3 er igjen to hjul 62 og 63 dreibart lagret på den ubevegelige aksel 6l og har flenser 62a hhv. 63a som griper utenom hverandre, på hvilke de to generatordeler 65 og 67 for

den forste generator er festet. Den på akselen 6l festede bærer 64 har i dette tilfelle på den ytre omkrets av sin sylindriske flens 64a to med avstand ved siden av hverandre liggende sylindriske statorer 68 og 70 for en annen hhv. tredje generator, his rotorer 66 hhv. 69

er anbragt på ytterligere sylindriske flenser 62b hhv. 63b på det forste hjul 62 hhv. det annet hjul 63.

I dette tilfelle ligger altså en andre og en tredje generator ved siden av hverandre konsentrisk innenfor den forste generator.. Den relative hastighet for de to hjul 62 og 63 reguleres også her ved tilsvarende strømbelastning av den forste generator, mens det absolutte turtall for hjulene 62 hhv. 63 dessuten kan innstilles ved regulering av strømbelastningen eller feltreguleringen for den andre hhv. tredje generator, hvilke begge har ubevegelige statorer.

Den faste bærer 54 hhv. 64 som bærer statoren for en annen generator, kan også være festet på yttersiden av de to hjul på den felles aksel, idet i dette tilfelle rotoren for denne andre generatorer anbragt på den side av det tilstotende hjul som vender mot statoren. I dette tilfelle ligger altså de to generatorer ved siden av hverandre på den felles aksel og har fortrinnsvis den samme midlere diameter. Det kan også på begge sider utvendig ved siden av hjulene i hvert tilfelle være festet en fast bærer med statoren for en andre hhv. en tredje generator, hvis rotorer da er anbragt på de motstående sider av de i hvert tilfelle tilstotende hjul.

Alle de eksempler som er beskrevet i forbindelse med fig.

2 og 3, har det prinsipp til felles at en ubevegelig generatordel

danner et fast referansepunkt med hensyn til den elektriske regulering av hjulenes turtall, slik at ikke bare den relative hastighet mellom felt og anker for hver generator, men også turtallet for de bevegelige deler i alle generatorer kan beherskes ved hjelp av elektrisk regulering.

I tilfelle av vind- eller vannturbiner er fortrinnsvis vindskovlene eller vingene festet umiddelbart på hjulene i en radial avstand fra den felles aksel, som i det minste tilnærmet er lik den midlere radius for den på angjeldende hjul festede generatordel. På denne måte ligger angrepspunktene for den vind- eller vannkraft som virker på hjulene, i samme avstand som angrepspunktene for den elektriske bremsekraft mellom delene for den angjeldende generator, hvilket er fordelaktig av grunner med hensyn til mekanisk stabilitet og sik-kerhet ,

Når det anvendes andre ytre drivkrefter, kan disse også

på kjent måte overfores, for eksempel over transmisjonsremmer som an-griper på omkretsen av hjulene, eller over tannhjul, til generatoran-ordningens rotorer.

I eksemplene på fig. 2 og 3 kan respektive den generator som har den dreiefaste generatordel, altså statoren.; være utformet som hjelpe- eller reguleringsgenerator, hvis rotor sitter på det hjul som ligger i vindretningen bak det forste hjul og som bare ved behov innstilles slik ved hjelp av elektrisk belastning eller ved feltregu-lering at dens rotor, dvs. det bakre hjul, oppnår den til å begynne med beskrevne, av den virksomme vindkraft avhengige optimale dreie-hastighet, ved hvilken den angjeldende vindrotorydelse har sitt maksi-mum. Det optimale turtall for det forreste hjul innstilles likeledes ved regulering av belastningen for den forste generator.

Fig. 4 viser skjematisk en kopling for regulering av strdm-. belastningen, slik den er anvendelig på tilsvarende måte for enhver generator G i generatoranordningen. I det betraktede eksempel leverer generatoren G en trefasespenning og har derfor de tre utgangsledninger RST som er tilkoplet inngangen for en reguleringsenhet 27, som har en forste trefaserutgang R'S'T' og en annen utgang R"S"T". Over den annen utgang.ligger f.eks. i trekantkopling, tre motstander 29 som til stadighet gjennomstrømmes av strom, mens utgangene R'S'T' tjener til matning av vilkårlige forbrukere. Reguleringsenheten 27 er slik utformet at den strom som gar gjennom motstandene 29, G IT V cx r i ab el i avhengighet av den virksomme vindhastighet hhv. den av rotorturtallet avhengige generator-utgangsspenning, hvilket for eksempel kan foregå ved regulering av den indre motstand i reguleringsenheten 27. Således er det mulig ved regulering av strømbelastningen for motstandene 29 ved varierende vindbetingelser å innstille i hvert tilfelle det nevnte optimale turtall for den angjeldende generator, det- vil si rotorturtallet for den annen generator med fast stator og dermed for det ene hjul samt den relative hastighet for de på begge hjul festede deler av den forste generator og dermed det annet hjul.

Det samme reguleringsprinsipp kan også benyttes til å oppnå optimal utnyttelse av den på grunn av svingende vindkraft tilsvarende varierende elektriske utgangsydelse for .en generator uten

installering av noe pufferbatteri og for eksempel til matning av et nett med konstant spenning over utgangen R'S'T' for reguleringsenheten 27. I dette tilfelle blir strømbelastningen over motstandene 29 ved stigende hhv. synkende utgangsspenning på generatoren G, altså ved stigende hhv. avtagende turtall for de angjeldende rotorer, slik okt hhv. minsket at ved tilsvarende mer eller mindre sterk elektrisk bremsing av de roterende generatordeler holdes dreiehastigheten for vind-hjulene og dermed utgangsspenningen for generatoren i det minste tilnærmet på en konstant verdi. På utgangene R'S'1' for reguleringsenheten 27 står da stadig en i det minste tilnærmet konstant spenning med i det minste tilnærmet konstant frekvens til disposisjon, mens over motstandene 29 kan tas ut en ydelse som svinger med vindhastig-heten og evt. er nettlast avhengig, hvilken ydelse for eksempel kan utnyttes til elektrisk oppvarming av rom eller for formål med elektro-lyse, særlig av vann. De feltfrembringende deler og generatorenes ankere samt den elektriske anordning for styring eller regulering av strømbelastningen hhv. feltmagnetiseringen, er av kjent konstruksjon. Reguleringsenheten 27 kan være utstyrt med kjente styrbare dioder eller trioder, særlig styrbare halvledere såsom SCR - eller TRIAC-elementer og ha innstillingsknapper 28 for regulering av fasespenningene.

o

Claims (10)

1. Elektrogenerator-anordning med minst to hjul som er anordnet dreibare ved siden av hverandre på en felles faststående aksel og hvorav det ene bærer den del som frembringer feltet, og det annet bærer ankeret for en generator og begge ved hjelp av ytre krefter kan drives i motsatt retning av hverandre, særlig ved vind- eller vannkraft, karakterisert ved at det er anordnet organer ved hjelp av hvilke dreiehastighetene for begge hjul (2, 3; 52, 53; 62, 63) er slik regulerbar at de under alle mulige driftsbetingelser roterer i motsatt retning og med i det minste tilnærmet på forhånd fast-leggbare turtallsforhold.
2. 2. Anordning ifdlge krav 1, karakterisert ved at i det minste det ene av de to hjul (52, 62) som har de to deler av en forste generator, dessuten bærer rotoren (56, 66) for en annen generator, hvis stator (58, 68) er forbundet dreiefast med akselen (51, 6l), og at ved elektrisk regulering eller styring av strømbe-lastningen eller feltmagnetiseringen for den annen generator kan turtallet for det til dette horende hjul (52, 62) på grunn av mer eller mindre sterk bremsing av dette hjul og ved regulering eller styring av strømbelastningen for den forste generator den relative hastighet mellom de to hjul og dermed også turtallet for det annet hjul (53, 63) kontrolleres.
3. 3. Anordning ifolge krav 2, karakterisert ved at de to deler (55 j 57) av den forste generator er anbragt på de inn-
4. byrdes motstående omkretsflater av sylindriske flenser (52a, 53a) som er festet på respektive et av hjulene (52, 53) og overlapper hverandre under dannelsen av en luftspalte (59) og at det mellom de to hjul i det indre rom av den forste generator er festet en holder (54) på akselen (51), som bærer den sylindriske stator (58) for den andre generator, hvis rotor (56) sitter på den innvendige omkrets av den radialt tilstøtende hjulflens (52a) og omgir statoren (58) under dannelsen av en sylindrisk luftspalte (60).
5. 4- Anordning ifdlge krav 3, karakterisert ved at holderne (64, 64a) foruten den andre generators stator (68) har statoren (70) for en tredje generator i aksial avstand ved siden av den forstnevnte stator (68), idet rotoren (69) for den tredje generator er anordnet ved siden av den på et hjul (62) anbragte rotor (66) for den andre generator og er festet til det annet hjul (63)• 5. Anordning ifolge krav 2, karakterisert ved at statoren for den andre generatoren er anordnet på yttersiden ved siden av begge hjul som bærer delene for den forste generator, og rotoren for den annen generator er anordnet på den side av det til-støtende hjul som vender mot dens stator, og at det eventuelt på den annen ytterside ved siden av de to hjul sitter statorene for en tredje generator, hvis rotor er montert på den side av det tilstøtende hjul som vender mot statoren.
6. 6. Anordning ifolge krav 1, karakterisert ved at de nevnte organer består av en mellom tilstotende hjul (2, 3) anordnet reverseringsdrift som har et på forhånd fastleggbart turtallsforhold eller er trinnldst eller trinnvist variabel i avhengighet av driftsbetingelsene.
7. 7. Anordning ifolge krav 6, karakterisert ved at det på de tilstotende rotorhjul (2, 3) er festet tannhjul (46, 47) henholdsvis tannkranser som respektive står i inngrep med et i et stasjonært lager dreibart lagret tannhjul (42, 45) og disse siste to tannhjul (42, 45) enten er koplet sammen over to ytterligere tannhjul (4-3, 44) eller er festet på en felles aksel.
8. 8. Anordning ifdlge krav 6, karakterisert ved at det på begge rotorhjul er respektive festet et kronhjul, hvis diametralt overfor hverandre liggende fortanninger griper inn i minst et konsik tannhjul som er dreibart lagret mellom begge rotorhjul på en stasjonær, radialt i forhold til den felles aksel for rotorhjulene orientert aksel.
9. 9. Anordning ifdlge et av kravene 1-8, karakterisert ved at det til hver generatorutgang er koplet en innstillbar reguleringsenhet (27) med en forste elektrisk utgang (R'S'1?1 ) som tjener til matning av vilkårlige forbrukere, og en annen elektrisk utgang (R"S"T"), til hvilken det stadig er koplet en elektrisk forbruker, for eksempel en kopling av varmemotstander (29),og at regu-leringsinnretningen er slik bygget opp, at ved regulering eller styring av strømbelastningen for denne forbruker (29) og dermed ved mer eller mindre sterk bremsing av den angjeldende generator i avhengighet av den virksomme vind- eller vannkraft henholdsvis den turtalls-avivsngige generatorutgangsspenning er det angjeldende rotorturtall respektive innstillbart på sin optimale verdi henholdsvis blir gene rator-utgangsspenningen for den fd rstnevnte forbruker holdt på en i det minste tilnærmet konstant verdi.
10. 10. Anordning ifolge krav 1, i form av en vind- eller vannturbin, idet vingene eller skovlene er festet på hjulene, karakterisert ved at festepunktene for vingene eller skovlene har en radial avstand fra hjulenes aksel som er i det minste tilnærmet lik den midlere radiale avstand for de på disse hjul monterte ring-formede generatordeler.