CN105406668A - 变功率盘式发电机 - Google Patents

Abstract

一种变功率盘式发电机，包括发电机轴，发电机轴的一端连接有动力输入装置，还包括盘式电机、控制信号采集与反馈单元、控制单元，所述盘式电机至少为两个，所述盘式电机包括定子、转子，所述定子、转子交替套接在发电机轴上，所述盘式电机套设在发电机轴上，盘式电机定子设有电力输出端，电力输出端连接有输出电缆并通过输出电缆外接电网，所述盘式电机和输出电缆间设有控制开关，所述控制信号采集与反馈单元的输入端与盘式电机的电力输出端连接，控制信号采集与反馈单元的输出端与控制单元的输入端连接，所述控制单元的输出端与控制开关连接。本发明结构简单，有稳定输出电压并可根据外部条件变化适时自动改变输出功率。

Description

变功率盘式发电机

技术领域

本发明涉及发电机领域，尤指一种变功率盘式发电机。

背景技术

能源是人类生存发展的物质基础，是支持世界经济发展的重要因素和战略资源。人类社会发展的历史与能源开发和利用水平密切相关。每次新型能源的开发都使人类经济的发展产生质的飞跃。在21世纪，能源结构也正孕育着重大的转变。20世纪的两次世界范围内的石油危机，使人们意识到寻求和发展可以替代化石燃料的其他能源的重要性和紧迫性，世界经济的发展也对能源供应提出了稳定持续增长的要求。

随着现代工业的飞速发展，地球上可利用的常规能源日趋匮乏。为了实现能源的可持续发展，世界各国都在大力开发新能源和可再生能源。江河湖海的水流能、无处不在的风能，作为一种可以再生、无污染、取之不尽用之不竭的能源，被人们称为“绿色能源”，日益受到世界许多国家的重视。相比其他常规能源,水流能以及风能具有能量密度低、但总蕴藏量大、本地化、可再生、储存量不会随着能量的转化和使用而减少、能量随地域时间变化，一次性投资大，但不污染环境，不占用良田，环境友好，全球可行，可综合利用的特点。大规模的利用流能和风能发电成为减少空气污染，缓解能源短缺问题的有效措施。新能源的使用，尤其是对流能（水流能和风能）的使用，即将成为发展潜力最大的新能源技术，因其不同于化石能源，是一种永久性大量存在的本地资源，可以为我们提供长期稳定的能源供应；同时没有燃料风险、更没有燃料价格风险、不产生碳排放。

以流能发电机的潮流发电机为例，在潮流能发电***当中，潮流的流速是在不断变化的。如图1所示，在每个流速下都存在一个最大功率输出点，在该点获能系数取得最大值，不同流速下功率最大值的连线我们称为最大功率曲线。这样我们通过调节水轮机转速，就可以使水下机组运行在输出最大功率曲线上。

如何调节水轮机转速使其与海流流速匹配，以使水下机组输出最大功率，目前主要有两种方法：机械调节与负载调节。

机械调节主要是从流体动力学角度出发，当流速过高时，水轮机的转速也会随之增高，我们可以通过机械调节来改变桨距角，从而改变海流对叶片的攻角,从而使水轮机转速与海流流速匹配，使水轮机输出最大功率。

负载调节主要是从电力电子技术角度出发，当海流流速过高时，水轮机的转速会随之增高，如果想使***运行在最大功率曲线上，可以进行负载调节。在电力电子负载调节中，我们可以通过调节负载的投入，从而使水轮机转速与海流流速达到匹配，使水下发电机运行在最大功率曲线上，这样我们就可以最大限度的获取潮流能。

正如风力发电机输出电压受到风速的制约一样：当风速小时，桨叶转速变慢，发电机输出电压也随之下降（甚至低于额定值）；当风速大时，桨叶转速变快，发电机输出电压与功率也随其上升，当风速超过额定值时，如不采取降压与限功率措施，将会对发电机、桨叶、控制器等造成破坏。目前大致采取如下措施：1.变桨距方式，当风速增大时桨叶沿自身轴方向转动，改变桨叶的迎风攻角，达到减少吸收风能的效果；2.变尾翼方式，当风速增大时改变尾翼与浆叶间的夹角，以减小浆叶的迎风面积，达到减少吸收风能的效果；3.限功率方式，通过控制器或其它电子装置，使发电机间断工作，达到稳定输出电压与限制输出功率的目的。凡此种种，其目的就是用有限的办法去迎合发电机有限的“额定功率”值，其结果是平空增加很多控制单元，极大地提高了开发成本，也增多了***的不可靠因素，使得发电机可运行的工况有所提升。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种结构简单，有稳定输出电压并可根据外部条件变化适时自动改变输出功率的变功率盘式发电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种变功率盘式发电机，包括发电机轴，所述发电机轴的一端连接有动力输入装置，还包括盘式电机、用于收集盘式电机输出电流的控制信号采集与反馈单元、用于控制盘式电机接入电网的控制单元，所述盘式电机至少为两个，所述盘式电机包括定子、转子，所述定子、转子交替套接在发电机轴上，所述盘式电机套设在发电机轴上，盘式电机定子设有电力输出端，电力输出端连接有输出电缆并通过输出电缆外接电网，所述盘式电机和输出电缆间设有控制开关，所述控制信号采集与反馈单元的输入端与盘式电机的电力输出端连接，控制信号采集与反馈单元的输出端与控制单元的输入端连接，所述控制单元的输出端与控制开关连接。

具体地，所述定子包括定子转盘，定子转盘的两侧的表面均匀设置有线圈，定子转盘的中心处设置有定子轴孔，定子轴孔内设有轴承，所述定子通过轴承设置在发电机轴上，所述转子包括转子转盘，转子转盘表面均匀设置有永磁体，所述永磁体贯穿于转子转盘上，永磁体的两磁级分别露出于转子转盘的两端，且位于转子转盘同一侧的永磁体的磁极交替设置，转子转盘表面设有轴孔，转子通过轴孔固定设置在电机轴上。

具体地，各定子中各线圈的输出串联并连接至电力输出端，或者各定子中各线圈的输出并联并连接至电力输出端。

具体地，所述永磁体的数量与线圈的数量对应相同。

具体地，所述动力输入装置为水轮或风轮。

具体地，所述定子中，线圈之间的形状相同或不相同。

具体地，所述盘式电机的功率相同或不相同。

本发明的有益效果在于：本发明通过在发电机轴上设置至少两个盘式电机，根据外界水流流速或风速，通过控制信号采集与反馈单元收集各个盘式电机的输出电流量，并反馈至控制单元，控制单元根据计算电流输出量控制相应的控制开关的开闭，从而增加或减少盘式电机并入的个数，通过增加或减少并入一个或多个相同功率或不同功率的盘式发电机，从而获得不同输出功率的办法，使得发电机成为可变功率发电机，让发电机去根据实际情况去满足***对输出功率的要求，从而省去了***复杂的监视和控制单元，使得发电机***更安全可靠，时刻处于最佳工作状态，具有启动力矩小，自动跟踪适应***所需要的发电机功率，额定功率运行范围大，真正意义上实现了全工况运行，极大提高了风能利用率，是大力发展分布式能源的硬件技术基础，必将为未来能源开发拓宽思路，打开新的局面。

附图说明

图1是不同转速下发电机机组功率输出特性图；

图2是本发明的结构示意图；

图3定子转盘结构示意图；

图4是转子转盘结构示意图。

附图标号说明：1-发电机轴；2-动力输入装置；3-控制信号采集与反馈单元；4-控制单元；5-控制开关；6-定子；61-定子转盘；62-线圈；63-定子轴孔；64-轴承；7-转子；71-转子转盘；72-永磁体；73-转子轴孔；8-输出电缆；9-电网；A,B,N-盘式电机。

具体实施方式

请参阅图2-4所示，本发明关于一种变功率盘式发电机，包括发电机轴1，所述发电机轴1的一端连接有动力输入装置2，还包括盘式电机、用于收集盘式电机输出电流的控制信号采集与反馈单元3、用于控制盘式电机接入电网的控制单元4，所述盘式电机至少为两个，所述盘式电机包括定子6、转子7，所述定子6、转子7交替套接在发电机轴1上，盘式电机定子6设有电力输出端，电力输出端连接有输出电缆8并通过输出电缆8外接电网9，所述盘式电机和输出电缆8间设有控制开关5，所述控制信号采集与反馈单元3的输入端与盘式电机的电力输出端连接，控制信号采集与反馈单元3的输出端与控制单元5的输入端连接，所述控制单元5的输出端与控制开关5连接。

相较于现有的技术，本发明通过在发电机轴1上设置至少两个盘式电机，根据外界水流流速或风速，通过控制信号采集与反馈单元3收集各个盘式电机的输出电流量，并反馈至控制单元4，控制单元4根据计算电流输出量控制相应的控制开关5的开闭，从而增加或减少盘式电机并入的个数，通过增加或减少并入一个或多个相同功率或不同功率的盘式电机，从而获得不同输出功率的办法，使得发电机成为可变功率发电机，让发电机去根据实际情况去满足***对输出功率的要求，从而省去了***复杂的监视和控制单元，使得发电机***更安全可靠，时刻处于最佳工作状态，具有启动力矩小，自动跟踪适应***所需要的发电机功率，额定功率运行范围大，真正意义上实现了全工况运行，极大提高了风能利用率，是大力发展分布式能源的硬件技术基础，必将为未来能源开发拓宽思路，打开新的局面。

具体地，所述定子6包括定子转盘61，定子转盘61的两侧的表面均匀设置有线圈62，定子转盘61的中心处设置有定子轴孔63，定子轴孔63内设有轴承64，所述定子6通过轴承64设置在发电机轴1上，所述转子7包括转子转盘71，转子转盘71表面均匀设置有永磁体72，所述永磁体72贯穿于转子转盘71上，永磁体72的两磁级分别露出于转子转盘71的两端，且位于转子转盘71同一侧的永磁体72的磁极交替设置，转子转盘71表面设有转子轴孔73，转子7通过转子轴孔73固定设置在电机轴上。

采用上述方案，由于定子6中线圈62分别设置在定子转盘61两侧的表面，转子7中永磁体72贯穿于转子转盘71上，则相邻设置的盘式电机中可共用一转子转盘71，不需要磁轭并充分利用了转子7磁性，从而使本发明的结构简单紧凑，体积小且重量轻，效率高。

具体地，各定子6中各线圈62的输出串联并连接至电力输出端，或者各定子6中各线圈62的输出并联并连接至电力输出端。

具体地，所述永磁体72的数量与线圈62的数量对应相同。

具体地，所述动力输入装置2为水轮或风轮。

具体地，所述定子6中，线圈62之间的形状相同或不相同。

具体地，所述盘式电机的功率相同或不相同。

下面通过风力发电作为具体实施例对本发明作进一步说明。

当风速在某一额定值Va时，***需实现最大风能跟踪控制，此时，最大功率Pa和通过动力输入装置2风轮传递给发电机轴1的转速ω0刚好符合盘式电机A的额定值，如果Va持续不变，即风速不变，则ω0持续不变，盘式电机A对外输出功率将一直为Pa，即P=Pa，盘式电机A额定转速ω=ω0；当风速在额定值以上Vb时，Pa和ω0将在风速的作用下逐渐增大为实际值Pb和ω1，此时，Pb>Pa，ω1>ω0。如果控制信号采集与反馈单元3测得的盘式电机A的输出电流比盘式电机A的额定输出电流大40％以上，此时控制单元4动作，控制盘式电机B的控制开关5闭合使得盘式电机B并入，由于盘式电机B的并入，在强磁阻尼作用下ω1原回归到ω0的数值，外界风速为VB时，总输出功率P=Pa+Pb，通过增大额定功率的办法，起到了吸收增加的风能，从而将本电机组中的单个盘式电机A单元输出功率维持在额定值；当风速在额定值在Vn时，同样的条件和机理，并入盘式电机N，总输出为P=Pa+Pb+····+Pn，如此依此类推……反之，如果外界风速减小，风轮传入发电机轴的实际工作转速将小于盘式电机A的额定转速，即ω1<ω0。如果控制信号采集与反馈单元3测得实际工作电流比额定电流低70％左右，则控制单元4动作，将对应的盘式电机的控制开关5打开，直到ω=ω0的工况。依此类推，发电机***实现了通过改变额定功率的办法，吸收了全部的风能，也使得发电机组始终工作在额定工况下。

以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种变功率盘式发电机，包括发电机轴，所述发电机轴的一端连接有动力输入装置，其特征在于，还包括盘式电机、用于收集盘式电机输出电流的控制信号采集与反馈单元、用于控制盘式电机接入电网的控制单元，所述盘式电机至少为两个，所述盘式电机包括定子、转子，所述定子、转子交替套接在发电机轴上，所述盘式电机套设在发电机轴上，盘式电机定子设有电力输出端，电力输出端连接有输出电缆并通过输出电缆外接电网，所述盘式电机和输出电缆间设有控制开关，所述控制信号采集与反馈单元的输入端与盘式电机的电力输出端连接，控制信号采集与反馈单元的输出端与控制单元的输入端连接，所述控制单元的输出端与控制开关连接。

2.根据权利要求1所述的变功率盘式发电机，其特征在于，所述定子包括定子转盘，定子转盘的两侧的表面均匀设置有线圈，定子转盘的中心处设置有定子轴孔，定子轴孔内设有轴承，所述定子通过轴承设置在发电机轴上，所述转子包括转子转盘，转子转盘表面均匀设置有永磁体，所述永磁体贯穿于转子转盘上，永磁体的两磁级分别露出于转子转盘的两端，且位于转子转盘同一侧的永磁体的磁极交替设置，转子转盘表面设有轴孔，转子通过轴孔固定设置在电机轴上。

3.根据权利要求2所述的变功率盘式发电机，其特征在于，各定子中各线圈的输出串联并连接至电力输出端，或者各定子中各线圈的输出并联并连接至电力输出端。

4.根据权利要求2所述的变功率盘式发电机，其特征在于，所述永磁体的数量与线圈的数量对应相同。

5.根据权利要求1所述的变功率盘式发电机，其特征在于，所述动力输入装置为水轮或风轮。

6.根据权利要求1所述的变功率盘式发电机，其特征在于，所述定子中，线圈之间的形状相同或不相同。

7.根据权利要求1所述的变功率盘式发电机，其特征在于，所述盘式电机的功率相同或不相同。