CN102005858B - 一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，实心轴安装两组浆叶、输出轴、机壳左端盖，输出轴安装机壳右端盖；实心轴从机壳左端盖起依次安装外转子左端盖、外转子左轴承、定子左端盖和内转轴左轴承；输出轴从机壳右端盖起依次安装外转轴右轴承、外转子右端盖、外转子右轴承、定子右端盖和内转轴右轴承；定子左端盖和定子右端盖间有定子；外转子左端盖与外转子右端盖间有外永磁转子；内永磁转子固定于实心轴；内永磁转子与外永磁转子间有反向传动辅助装置。本发明可实现在风速较低的情况下建立电压，正常工作时定子受力比同功率的常规电机小很多，且克服电刷结构所导致的运行效率下降、可靠性降低及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。

Description

一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体指一种风力发电设备。
背景技术
传统的风力发电机是由一个定子对应一个转子，其转子和定子相对外壳来说，定子是不旋转的，只靠转子转动，产生旋转磁场，相应地定子切割磁力线产生反感电动势，将风叶捕获的风能转变为电能。
这种发电方式的缺点是，根据力学中作用力与反作用力原理可知，当转子在定子内受定子磁场力作用逆时针旋转时，定子上受到同样大小的反作用力。为了固定定子，需要通过其它方式来平衡这部分力，势必消耗一部分能量。另外由于传统风力发电机都是经过齿轮调速之后才将转矩传送到发电机，中间过程会有很多阻力和损耗，这就要求有较高的起动风速。发电机必须在额定风速附近才能正常发电，工作风速的范围比较窄，且风能利用系数较低，使得超过半数的风能没有得到充分的捕捉和转化，这样导致发电效率低，耗能大。
然而，为了降低起动风速，提高风能利用率，出现了双转子永磁风力发电机。例如 专利申请号：ZL 02235745.9公布了一种同轴逆向双转子风力发电机，当内转子顺时针旋转时，内转子产生的反作用力作用在外转子上使外转子逆时针旋转，这样充分利用内转子产生的反作用力，降低起动风速，提高机械能转变电能的效率，但是这种电机内、外转子绕组都通过滑环和电刷引出电流，造成电机运行效率下降、可靠性降低及经常需要对电刷等部件进行维护等弊端。
发明内容
本发明提供了一种可实现在风速较低的情况下建立电压，正常工作时定子受力比同功率的常规电机小很多，且克服电刷结构所导致的运行效率下降、可靠性降低及经常需要对电刷等部件进行维护等问题的无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机。
本发明的技术方案为：
一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：所述电机的实心轴一端安装有第一组浆叶，另一端套有输出轴，实心轴与输出轴同心，在输出轴上安装有第二组浆叶；实心轴靠近第一组浆叶一端安装有机壳左端盖，输出轴靠近第二组浆叶一端通过机壳轴承右端盖与机壳右端盖连接，机壳左端盖与机壳右端盖之间通过机壳连接；在实心轴上从机壳左端盖起，沿实心轴轴向向内依次安装有外转子左端盖、外转子左轴承、定子左端盖和内转轴左轴承；在输出轴上从机壳右端盖起，沿输出轴轴向向内依次安装有外转轴右轴承、外转子右端盖、外转子右轴承、定子右端盖和内转轴右轴承；定子左端盖和定子右端盖之间安装定子；外转子左端盖与外转子右端盖之间连接有外永磁转子，外永磁转子位于定子外侧，并能灵活转动；内永磁转子固定于实心轴上，位于定子内侧，并能灵活转动；绕组引出线通过外转子右端盖和机壳右端盖上的孔引出；在内永磁转子与外永磁转子之间设置有一反向传动辅助装置，采用齿轮传动结构，即在外永磁转子上设置有内齿圈，第三个齿轮固定在实心轴上，第一个齿轮和第二个齿轮固定在转动轴上，转动轴安装在定子紧固连接件上，并能灵活转动，内齿圈与第二个齿轮啮合，第一个齿轮和第二个齿轮啮合。
所述第一组浆叶与第二组浆叶的偏转角相反。
所述定子中间穿有用以紧固定子硅钢片的定子紧固连接件，定子紧固连接件一端固定在定子左端盖上，另一端固定在定子右端盖上，定子紧固连接件在定子上沿实心轴的轴向均匀分布，两套定轴齿轮分别安装在定子紧固连接件的对称位置。
外转子右端盖开设有引出线环，机壳右端盖开有引出线孔，且引出线孔的直径比引出线环的宽度小，绕组引出线外侧套有引出线导管，并借助引出线导管引出。
定子内圆壁和外圆壁均匀开槽，嵌放交叉环型绕组，选取定子内侧槽和外侧槽嵌放的绕组中的任意两相绕组，在定子端部交叉互换位置形成环型交叉定子绕组。
第一个齿轮的齿数与第三个齿轮的齿数乘积等于第二个齿轮的齿数与内齿圈的齿数乘积。
内永磁转子的永磁体为***式或内置式结构。
外永磁转子的永磁体采用面贴式或***式结构。
输出轴是实心轴或者是空心轴。
本发明的有益效果是: 1）内永磁转子、外永磁转子以同样的速度相反转动，共同在环型交叉定子绕组中感应出频率相同，相位相同的反感电动势，使得在同样风速条件下发电能力提高一倍，且即使在风速很低的情况下也能建压工作，降低了起动风速；2）极数相同时，其最低工作转速可降为常规永磁风力发电机的一半，最高工作风速与常规永磁风力发电机相同，使得其工作风速范围得到很大的扩展，风能利用率得到显著提高；3）由于定子内、外两侧分别受到相反方向的反作用力，使得定子上的受到的合成力及力矩大大减少；4）由于采用两端伸出，分别安装叶片，有利于塔架的平衡；5）在无刷条件下实现能量转化，免去了对电刷等部件经常维护更换的麻烦，减少了机械损耗，提高了***效率以及可靠性。
附图说明：
图 1 为本发明电机整体结构示意图；
图 2 为图1的A-A向剖面示意图；
图 3 为图1的B-B向剖面示意图；
图 4 为本发明电机定子环型交叉绕组端部连线示意图；
附图标记说明：
1 实心轴，2 传动轴，3 第一个齿轮，4 内齿圈， 5 第二个齿轮，6 第三个齿轮，7 定子左端盖，8 外转子左端盖，9 机壳左端盖，10 内永磁转子，11 定子紧固连接件，12 定子，13外永磁转子，14 机壳，15 定子右端盖，16 外转子右端盖，17 绕组引出线，18 机壳右端盖，19 输出轴，20 外转子左轴承，21 内转轴左轴承，22 内转轴右轴承，23 外转子右轴承，24 外转轴右轴承，25 机壳轴承右端盖，26 引出线套管，27 第一组桨叶，28 第二组桨叶。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行具体说明：
图 1 为本发明电机整体结构示意图，如图所示，电机的实心轴1一端安装有第一组浆叶27，另一端套有输出轴19，实心轴1与输出轴19同心，输出轴19可以是实心轴也可以是空心轴。在输出轴19上安装有第二组浆叶28；第一组浆叶27与第二组浆叶28的偏转角相反，因此，当风吹动两组桨叶的时候可使它们异向旋转，异向旋转的两组桨叶比单桨叶***能够获取更多的风能，因此采用两组具有相反偏转角的桨叶的方案可以提高风能利用系数，使得风电转换效率提高。
实心轴1靠近第一组浆叶27一端安装有机壳左端盖9，输出轴19靠近第二组浆叶28一端通过机壳轴承右端盖25与机壳右端盖18连接，机壳左端盖9与机壳右端盖18之间通过机壳14连接；在实心轴1上从机壳左端盖9起，沿实心轴1轴向向内依次安装有外转子左端盖8、外转子左轴承20、定子左端盖7和内转轴左轴承21；在输出轴19上从机壳右端盖18起，沿输出轴19轴向向内依次安装有外转轴右轴承24、外转子右端盖16、外转子右轴承23、定子右端盖15和内转轴右轴承22；定子左端盖7和定子右端盖15之间安装定子12。
外转子左轴承20和外转子右轴承23将内转子旋转***、静止的定子***和外转子旋转***巧妙地分离开来，保证了各自独立稳定运行，另外，位于外转子旋转***和机壳右端盖之间的外转轴右轴承24起到了支撑和定位外转子旋转***的作用。
定子12中间穿有用以紧固定子硅钢片的定子紧固连接件11，起到固定所述传动轴的作用，保证了该电机运行时内外气隙的均匀度，提高了电机运行时结构的稳定性，改善了电机的整体性能。定子紧固连接件11一端固定在定子左端盖7上，另一端固定在定子右端盖15上，定子紧固连接件11在定子12上沿实心轴1的轴向均匀分布，两套定轴齿轮分别安装在定子紧固连接件11的对称位置，这样使得内永磁转子10、定子12、外永磁转子13三者的同心度得到保证，稳定性更好。定子12内圆壁和外圆壁均匀开槽，嵌放交叉环型绕组，选取定子12内侧槽和外侧槽嵌放的绕组中的任意两相绕组，在定子12端部交叉互换位置形成环型交叉定子绕组。外转子左端盖8与外转子右端盖16之间连接有外永磁转子13，外永磁转子13位于定子12外侧，并能灵活转动；内永磁转子10固定于实心轴1上，位于定子12内侧，并能灵活转动；内永磁转子10的永磁体为***式或内置式结构，外永磁转子13的永磁体采用面贴式或***式结构。
外永磁转子13和定子12由于采用了两端固定的方式，可以增强电机运行时的机械稳定性。
外转子右端盖16开设有引出线环，机壳右端盖18开有引出线孔，且引出线孔的直径比引出线环的宽度小，绕组引出线17外侧套有引出线导管26，并借助引出线导管26引出，因此，可以直接将定子绕组产生的电能通过导线直接输出，具有结构简单、便于维护和可靠性高的优点。
在内永磁转子10与外永磁转子13之间设置有一反向传动辅助装置，保证内永磁转子10和外永磁转子13同速异向旋转。图 2 为图1的A-A向剖面示意图，图 3 为图1的B-B向剖面示意图，如图所示。反向传动辅助装置采用齿轮传动结构，即在外永磁转子13上设置有内齿圈4，第三个齿轮6固定在实心轴1上，第一个齿轮3和第二个齿轮5固定在转动轴2上，转动轴2安装在定子紧固连接件11上，并能灵活转动，内齿圈4与第二个齿轮5啮合，第一个齿轮3和第二个齿轮5啮合。由于第一组浆叶27与第二组浆叶28的偏转角相反，使得叶片捕捉的风能驱动内永磁转子10、外永磁转子13异向转动，为了使所述的内永磁转子10、外永磁转子13同速异向旋转，所述的第一个齿轮3的齿数与第三个齿轮6的齿数乘积等于第二个齿轮5的齿数与内齿圈4的齿数乘积。又由于该电机定子12两侧绕组极数相同，则定子12内侧气隙和外侧气隙磁场旋转速度相同方向相反，正好感应出的反感电动势频率相同，通过反向传动辅助装置不但使定子绕组内、外两侧绕组感应电动势频率一样，也使得内、外两侧绕组感应电动势的相位相同，这样所发出电能的感应电动势最大，其数值为内、外两侧绕组感应电动势代数和，此时电机输出功率最大，效率最高。
图 4 为本发明电机定子环型交叉绕组端部连线示意图，如图所示，以6极36槽电机为例，画出了该电机环型交叉绕组端部接线，图中U1-U2、V1-V2、W1-W2分别为三相绕组的接头，从图中可以看出，上层槽和下层槽中的V和W相绕组在定子端部处交叉互换位置，这使得上层槽和下层槽中绕组相序相反，也就是定子内圆壁和外圆壁槽内的绕组相序相反。这样当叶片捕捉的风能分别驱动内永磁转子、外永磁转子转动，通过上述所述的辅助装置使内永磁转子、外永磁转子同速异向旋转，在定子绕组中各自感应出同频率、同相位的反感电动势，共同向电网输电。

Claims (9)

1.一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：所述电机的实心轴（1）一端安装有第一组浆叶（27），另一端套有输出轴（19），实心轴（1）与输出轴（19）同心，在输出轴（19）上安装有第二组浆叶（28）；实心轴（1）靠近第一组浆叶（27）一端安装有机壳左端盖（9），输出轴（19）靠近第二组浆叶（28）一端通过机壳轴承右端盖（25）与机壳右端盖（18）连接，机壳左端盖（9）与机壳右端盖（18）之间通过机壳（14）连接；在实心轴（1）上从机壳左端盖（9）起，沿实心轴（1）轴向向内依次安装有外转子左端盖（8）、外转子左轴承（20）、定子左端盖（7）和内转轴左轴承（21）；在输出轴（19）上从机壳右端盖（18）起，沿输出轴（19）轴向向内依次安装有外转轴右轴承（24）、外转子右端盖（16）、外转子右轴承（23）、定子右端盖（15）和内转轴右轴承（22）；定子左端盖（7）和定子右端盖（15）之间安装定子（12）；外转子左端盖（8）与外转子右端盖（16）之间连接有外永磁转子（13），外永磁转子（13）位于定子（12）外侧，并能灵活转动；内永磁转子（10）固定于实心轴（1）上，位于定子（12）内侧，并能灵活转动；绕组引出线（17）通过外转子右端盖（16）和机壳右端盖（18）上的孔引出；在内永磁转子（10）与外永磁转子（13）之间设置有一反向传动辅助装置，采用齿轮传动结构，即在外永磁转子（13）上设置有内齿圈（4），第三个齿轮（6）固定在实心轴（1）上，第一个齿轮（3）和第二个齿轮（5）固定在转动轴（2）上，转动轴（2）安装在定子紧固连接件（11）上，并能灵活转动，内齿圈（4）与第二个齿轮（5）啮合，第一个齿轮（3）和第二个齿轮（5）啮合。
2.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：所述第一组浆叶（27）与第二组浆叶（28）的偏转角相反。
3.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：所述定子（12）中间穿有用以紧固定子硅钢片的定子紧固连接件（11），定子紧固连接件（11）一端固定在定子左端盖（7）上，另一端固定在定子右端盖（15）上，定子紧固连接件（11）在定子（12）上沿实心轴（1）的轴向均匀分布，两套定轴齿轮分别安装在定子紧固连接件（11）的对称位置。
4.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：外转子右端盖（16）开设有引出线环，机壳右端盖（18）开有引出线孔，且引出线孔的直径比引出线环的宽度小，绕组引出线（17）外侧套有引出线导管（26），并借助引出线导管（26）引出。
5.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：定子（12）内圆壁和外圆壁均匀开槽，嵌放交叉环型绕组，选取定子（12）内侧槽和外侧槽嵌放的绕组中的任意两相绕组，在定子（12）端部交叉互换位置形成环型交叉定子绕组。
6.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：第一个齿轮（3）的齿数与第三个齿轮（6）的齿数乘积等于第二个齿轮（5）的齿数与内齿圈（4）的齿数乘积。
7.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：内永磁转子（10）的永磁体为***式或内置式结构。
8.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：外永磁转子（13）的永磁体采用面贴式或***式结构。
9.根据权利要求1所述一种无刷双桨叶异向驱动永磁风力发电机，其特征在于：输出轴（19）是实心轴或者是空心轴。
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