CN110601479A - 一种双转子感应风力发电机及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种双转子感应风力发电机，包括机壳，机壳可转动连接有转轴，机壳内设置有定子和转子，转子包括内鼠笼式转子和外永磁式转子，定子设置在内鼠笼式转子和外永磁式转子之间，定子与机壳固定连接，内鼠笼式转子与转轴固定连接，外永磁式转子与定子之间设置有外气隙，定子与内鼠笼式转子之间设置有内气隙；外永磁式转子包括永磁体和导磁套筒，永磁体固定设置在导磁套筒的内壁上，导磁套筒与转轴、机壳均为可转动连接；转轴的一端固定安装有主风轮，主风轮设置在机壳的外侧。永磁式转子励磁，在风力发电机起动过程中不需要电励磁，正常运行过程中可以有效减小风力发电机从电网吸收的无功励磁电流，适用于环境恶劣直驱场合的感应风力发电场所。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电的技术领域，具体的是一种双转子感应风力发电机及其工作方法。
背景技术
海上风力发电等环境比较恶劣的场合可再生能源被广泛应用。在这些风力发电场所，普通感应发电机被大量使用，因为感应发电机优点是：结构坚固、无刷的鼠笼式结构、无励磁用独立直流电源、维护方便、过载和短路自保护，不需要任何频率控制设备，初始投资和维护成本低。然而，普通感应发电机启动时和正常运行时需要来自电网的励磁电流产生感应电势，这就会导致感应发电机在功率因数和效率方面性能变差。这是现有技术的不足之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种双转子感应风力发电机及其工作方法，所述双转子感应风力发电机采用永磁式转子励磁、适用于直驱场合的感应风力发电场所，与普通感应风力发电机相比，相同容量下体积重量更小、成本更低，效率高，且更能利用低风速下的风能。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种双转子感应风力发电机，包括机壳，所述机壳可转动连接有转轴，所述机壳内设置有定子和转子，所述转子包括内鼠笼式转子和外永磁式转子，所述定子设置在内鼠笼式转子和外永磁式转子之间，所述定子与机壳固定连接，所述内鼠笼式转子与转轴固定连接，所述外永磁式转子与定子之间设置有外气隙，所述定子与内鼠笼式转子之间设置有内气隙；所述外永磁式转子包括永磁体和导磁套筒，所述永磁体固定设置在导磁套筒的内壁上，所述导磁套筒与转轴、机壳均为可转动连接；所述转轴的一端固定安装有主风轮，所述主风轮设置在机壳的外侧。
优选的，所述导磁套筒的一端固定连接有副风轮，所述副风轮设置在机壳的外侧。
优选的，所述内鼠笼式转子包括内鼠笼式转子铁芯和鼠笼条，所述鼠笼条均匀分布在内鼠笼式转子外圆周的铁芯槽中。
优选的，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组安装在定子铁芯的槽中，所述定子绕组为三相背靠背环形双层对称交流绕组。
优选的，所述定子铁芯内外开槽，所述定子绕组呈环状分布，所述定子绕组缠绕在定子内外槽中，即定子绕组线圈的一个边在定子铁芯的外槽中，另一个边在定子铁芯的内槽中。
优选的，所述外永磁式转子的极对数与定子绕组产生的极对数相同。
优选的，所述定子的中心线、导磁套筒的中心线以及内鼠笼式转子的中心线在同一条直线上。
所述转轴的一端通过机壳轴承与机壳连接，所述转轴的另一端通过轴承与导磁套筒连接，所述导磁套筒通过机壳轴承与机壳连接。
优选的，所述永磁体的充磁方向为径向充磁。
一种双转子感应风力发电机的工作方法，根据外永磁式转子的运行方向的不同，包括以下两种工作方法：
（一）所述内鼠笼式转子超同步速运行，所述外永磁式转子不安装副风轮且与内鼠笼式转子转动方向相同；具体的，当内鼠笼式转子被主风轮拖动开始旋转时，设此时内鼠笼式转子的角速度为ω1，由于此时外永磁式转子静止，内鼠笼式转子以角速度ω1切割永磁磁场，鼠笼条内部就会感生出电动势，因为鼠笼条端部的短路环使内鼠笼式转子形成闭合回路，因此在鼠笼条内部就会感生出电流；随着内鼠笼式转子转速的不断增加，外永磁式转子也会被带动与内鼠笼式转子转向相同地旋转起来，在外永磁式转子和内鼠笼式转子转动过程中，定子绕组中也会感应出电动势；当内鼠笼式转子速度ω1超过同步速ωs运行时，此时外永磁式转子会以合成磁场速度旋转，在内鼠笼式转子、外永磁式转子和定子绕组三者共同合成的磁场作用下，定子绕组就会发出电能，将定子绕组接入电网，就会向电网输送电能；
（二）所述内鼠笼式转子超同步速运行，所述外永磁式转子安装副风轮且与内鼠笼式转子转动方向相反，具体的：当内鼠笼式转子被主风轮拖动开始旋转时，设此时内鼠笼式转子的角速度为ω1，由于此时外永磁式转子会被副风轮拖动与内鼠笼式转子反向运行，设此时外永磁式转子的角速度为ω2，此时内鼠笼式转子以相对角速度ω1+ω2切割永磁磁场，所以在鼠笼条内部很快感生出较高的电动势，因为鼠笼条端部的短路环使内鼠笼式转子形成闭合回路，因此在鼠笼条内部就会感生出电流；随着内鼠笼式转子转速的不断增加，外永磁式转子也会被副风轮带动与内鼠笼式转子转向相反且旋转速度增大，在外永磁式转子和内鼠笼式转子相向转动过程中，定子绕组中也会感应出电动势；当内鼠笼式转子速度超过同步速ωs运行时，在内鼠笼式转子、外永磁式转子和定子绕组三者共同合成的磁场作用下，定子绕组就会发出电能，将定子绕组接入电网，就会向电网输送电能。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）所述双转子感应风力发电机特别适合环境恶劣地区风力发电使用，在风速变化过程中内鼠笼式转子异步运行可以实现柔性并网，因此无需变流设备，由于外永磁式转子的存在，不需要增加启动过程的额外励磁装置，只要将所述发电机直径设计的足够大，完全可以省去风力发电***的齿轮传动***，可以减小故障率进而提高***的可靠性。
（2）发电机的转矩密度与发电机气隙表面积、气隙磁密值成正比，本发明的双转子感应风力发电机，增大了气隙表面积，设置永磁体使得气隙磁场增强，提高了发电机的转矩密度，使内鼠笼式转子以及外永磁式转子气隙磁密呈正弦分布，能够保证定子绕组感应电势呈正弦分布。
（3）由于设置永磁体使得气隙磁场增强，从而减小风力发电机启动过程和正常运行时从电网吸收的励磁电流，减小了来自电网无功功率的供给。
综上所述，双转子感应风力发电机是一种结合了永磁同步发电机和普通感应发电机的优点，其和普通感应发电机一样工作，可以和电网实现柔性并网运行，因此无需电能变换装置。此外，设置可自由旋转的外永磁式转子，使得对电网的无功功率需求降低，因此所述双转子感应风力发电机可像同步发电机一样在低速下运行。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的双转子感应风力发电机轴向截面结构示意图；
图2为本发明的双转子感应风力发电机径向截面结构示意图；
图3为本发明的双转子感应风力发电机定子A相绕组连接示意图（图中给出的是每极每相槽数为1且为整距的绕组结构）；
图4为本发明的双转子感应风力发电机及其并网***图。
图中：1-第一侧面端盖，2-机壳，3-外永磁式转子，4-永磁体，5-外气隙，6-定子，7-内气隙，8-定子绕组，9-内鼠笼式转子，10-机壳轴承，11-转轴，12-副风轮，13-导磁套筒，14-轴承，16-主风轮，17-第二侧面端盖，18-连接板。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
实施例1
一种双转子感应风力发电机，包括机壳2，所述机壳2的左侧设置有第一侧面端盖1，所述机壳2的右侧设置有第二侧面端盖17，所述机壳2可转动连接有转轴11，所述机壳2内设置有定子6和转子，所述转子包括内鼠笼式转子9和外永磁式转子3，所述定子6设置在内鼠笼式转子9和外永磁式转子3之间，所述定子6通过连接板18与第二侧面端盖17固定连接，所述内鼠笼式转子9与转轴11固定连接，所述外永磁式转子3与定子6之间设置有外气隙5，所述定子6与内鼠笼式转子9之间设置有内气隙7；所述外永磁式转子3包括永磁体4和导磁套筒13，所述永磁体4固定设置在导磁套筒13的内壁上，所述导磁套筒13与转轴11以及机壳2均为可转动连接；所述转轴11的一端固定安装有主风轮16，所述导磁套筒13的一端固定连接有副风轮12，所述主风轮16和副风轮12分别设置在第二侧面端盖17和第一侧面端盖1的外侧；所述转轴的一端通过机壳轴承10与第二侧面端盖17连接，所述转轴的另一端通过轴承14与导磁套筒13连接，所述导磁套筒13与第一侧面端盖1之间通过机壳轴承10连接；所述定子6的中心线、导磁套筒13的中心线以及内鼠笼式转子9的中心线在同一条直线上。
所述内鼠笼式转子9包括内鼠笼式转子铁芯和鼠笼条，所述鼠笼条均匀固定在内鼠笼式转子外圆周的铁芯槽中。
所述定子6包括定子铁芯和定子绕组8，所述定子绕组8安装在定子铁芯的槽中，所述定子绕组8为三相背靠背环形双层对称交流绕组。
所述永磁体4产生的磁链和内鼠笼转子感应电流的磁链匝链，同时与定子绕组8感应产生的磁链匝链。所述外永磁式转子3的极对数与定子绕组8产生的极对数相同；所述永磁体4的充磁方向为径向充磁。
所述双转子感应风力发电机特别适合环境恶劣地区风力发电使用，在风速变化过程中内鼠笼式转子9和发电机的同步旋转磁场异步运行，外永磁式转子3与发电机的同步旋转磁场同步运行，可以实现柔性并网，因此无需变流设备，由于外永磁式转子3的存在，不需要增加启动过程的额外励磁装置，只要将所述发电机直径设计的足够大，完全可以省去风力发电***的齿轮传动***，可以减小故障率进而提高***的可靠性。发电机的转矩密度与发电机气隙表面积、气隙磁密值成正比，本发明的双转子感应风力发电机，增大了气隙表面积，设置永磁体4使得气隙磁场增强，提高了发电机的转矩密度，使内鼠笼式转子9以及外永磁式转子3气隙磁密呈正弦分布，能够保证定子绕组8感应电势呈正弦分布。由于设置永磁体4使得气隙磁场增强，从而减小风力发电机启动过程和正常运行时从电网吸收的励磁电流，降低了电网无功功率的供给。
综上所述，双转子感应风力发电机是一种结合了永磁同步发电机和普通感应发电机的优点，其和普通感应发电机一样工作，可以和电网实现柔性并网运行，因此无需电能变换装置。此外，设置可自由旋转的外永磁式转子，使得对电网的无功功率需求降低。因此，所述双转子感应风力发电机可像同步发电机一样在低速下运行。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：所述定子铁芯内外开槽，所述定子绕组8呈环状分布，缠绕在定子内外槽中，即线圈的一个边在定子铁芯6的外槽中，另一个边在定子铁芯6的内槽中。
实施例3
一种双转子感应风力发电机的工作方法，根据外永磁式转子3的运行方向的不同，包括以下两种工作方法：
（一）所述内鼠笼式转子9超同步速运行，所述外永磁式转子3不安装副风轮12且与内鼠笼式转子9转动方向相同；具体的：当内鼠笼式转子9被主风轮16拖动开始旋转时，设此时内鼠笼式转子9的角速度为ω1，由于此时外永磁式转子3静止，内鼠笼式转子9以角速度ω1切割永磁磁场，鼠笼条内部就会感生出电动势，因为鼠笼条端部的短路环使内鼠笼式转子9形成闭合回路，因此在鼠笼条内部就会感生出电流；随着内鼠笼式转子9转速的不断增加，外永磁式转子3也会被带动与内鼠笼式转子9转向相同地旋转起来，在外永磁式转子3和内鼠笼式转子9转动过程中，定子绕组8中也会感应出电动势；当内鼠笼式转子9速度ω1超过同步速ωs运行时，此时外永磁式转子3会以同步速ωs旋转，在内鼠笼式转子9、外永磁式转子3和定子绕组8三者共同合成的磁场作用下，定子绕组8就会发出电能，将定子绕组8接入电网，就会向电网输送电能；
（二）所述内鼠笼式转子9超同步速运行，所述外永磁式转子3安装副风轮12且与内鼠笼式转子9转动方向相反，具体的：当内鼠笼式转子9被主风轮12拖动开始旋转时，设此时内鼠笼式转子9的角速度为ω1，由于此时外永磁式转子3会被副风轮12拖动与内鼠笼式转子9反向运行，设此时外永磁式转子3的角速度为ω2，此时内鼠笼式转子9以相对角速度ω1+ω2切割永磁磁场，所以在鼠笼条内部很快感生出较高的电动势，因为鼠笼条端部的短路环使内鼠笼式转子9形成闭合回路，因此在鼠笼条内部就会感生出电流；随着内鼠笼式转子9转速的不断增加，外永磁式转子3也会被副风轮12带动与内鼠笼式转子9转向相反地旋转速度增大，在外永磁式转子3和内鼠笼式转子9相向转动过程中，定子绕组8中也会感应出电动势；当内鼠笼式转子9速度超过同步速ωs运行时，在内鼠笼式转子9、外永磁式转子3和定子绕组8三者共同合成的磁场作用下，定子绕组8就会发出电能，将定子绕组8接入电网，就会向电网输送电能。
本发明中未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双转子感应风力发电机，包括机壳（2），所述机壳（2）可转动连接有转轴（11），所述机壳（2）内设置有定子（6）和转子，其特征是：所述转子包括内鼠笼式转子（9）和外永磁式转子（3），所述定子（6）设置在内鼠笼式转子（9）和外永磁式转子（3）之间，所述定子（6）与机壳（2）固定连接，所述内鼠笼式转子（9）与转轴（11）固定连接，所述外永磁式转子（3）与定子（6）之间设置有外气隙（5），所述定子（6）与内鼠笼式转子（9）之间设置有内气隙（7）；所述外永磁式转子（3）包括永磁体（4）和导磁套筒（13），所述永磁体（4）固定设置在导磁套筒（13）的内壁上，所述导磁套筒（13）与转轴（11）、机壳（2）均为可转动连接；所述转轴（11）的一端固定安装有主风轮（16），所述主风轮（16）设置在机壳（2）的外侧。
2.根据权利要求1所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述导磁套筒（13）的一端固定连接有副风轮（12），所述副风轮（12）设置在机壳（1）的外侧。
3.根据权利要求1或2所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述内鼠笼式转子（9）包括内鼠笼式转子铁芯和鼠笼条，所述鼠笼条均匀分布在内鼠笼式转子外圆周的铁芯槽中。
4.根据权利要求1或2所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述定子（6）包括定子铁芯和定子绕组（8），所述定子绕组（8）安装在定子铁芯的槽中，所述定子绕组（8）为三相背靠背环形双层对称交流绕组。
5.根据权利要求4所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述定子铁芯内外开槽，所述定子绕组（8）呈环状分布，缠绕在定子铁芯的内外槽中，即定子绕组（8）线圈的一个边在定子铁芯（6）的外槽中，另一个边在定子铁芯（6）的内槽中。
6.根据权利要求4所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述外永磁式转子（3）的极对数与定子绕组（8）产生的极对数相同；
优选的，所述定子（6）的中心线、导磁套筒（13）的中心线以及内鼠笼式转子（9）的中心线在同一条直线上。
7.根据权利要求1或2所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述转轴（11）的一端通过机壳轴承（10）与机壳（2）连接，所述转轴（11）的另一端通过轴承（14）与导磁套筒（13）连接，所述导磁套筒（13）通过机壳轴承（10）与机壳（2）连接。
8.根据权利要求1或2所述的双转子感应风力发电机，其特征是：所述永磁体（4）的充磁方向为径向充磁。
9.一种使用上述权利要求1-8任一权利要求中的双转子感应风力发电机的工作方法，其特征是：根据外永磁式转子（3）的运行方向的不同，包括以下两种工作方法：
（一）内鼠笼式转子（9）超同步速运行，外永磁式转子（3）不安装副风轮（12）且与内鼠笼式转子（9）转动方向相同；
（二）内鼠笼式转子（9）超同步速运行，外永磁式转子（3）安装副风轮（12）且与内鼠笼式转子（9）转动方向相反。
10.根据权利要求9所述的双转子感应风力发电机的工作方法，其特征是：
（一）所述内鼠笼式转子（9）超同步速运行，所述外永磁式转子（3）不安装副风轮（12）且与内鼠笼式转子（9）转动方向相同，具体的：当内鼠笼式转子（9）被主风轮（16）拖动开始旋转时，设此时内鼠笼式转子（9）的角速度为ω1，由于此时外永磁式转子（3）静止，内鼠笼式转子（9）以角速度ω1切割永磁磁场，鼠笼条内部就会感生出电动势，因为鼠笼条端部的短路环使内鼠笼式转子（9）形成闭合回路，因此在鼠笼条内部就会感生出电流；随着内鼠笼式转子（9）转速的不断增加，外永磁式转子（3）也会被带动与内鼠笼式转子（9）转向相同地旋转起来，在外永磁式转子（3）和内鼠笼式转子（9）转动过程中，定子绕组（8）中也会感应出电动势；当内鼠笼式转子（9）速度ω1超过同步速ωs运行时，此时外永磁式转子（3）会以同步速ωs旋转，在内鼠笼式转子（9）、外永磁式转子（3）和定子绕组（8）三者共同合成的磁场作用下，定子绕组（8）就会发出电能，将定子绕组（8）接入电网，就会向电网输送电能；
（二）所述内鼠笼式转子（9）超同步速运行，所述外永磁式转子（3）安装副风轮（12）且与内鼠笼式转子（9）转动方向相反，具体的：当内鼠笼式转子（9）被主风轮（12）拖动开始旋转时，设此时内鼠笼式转子（9）的角速度为ω1，由于此时外永磁式转子（3）会被副风轮（12）拖动与内鼠笼式转子（9）反向运行，设此时外永磁式转子（3）的角速度为ω2，此时内鼠笼式转子（9）以相对角速度ω1+ω2切割永磁磁场，所以在鼠笼条内部很快感生出较高的电动势，因为鼠笼条端部的短路环使内鼠笼式转子（9）形成闭合回路，因此在鼠笼条内部就会感生出电流；随着内鼠笼式转子（9）转速的不断增加，外永磁式转子（3）也会被副风轮（12）带动与内鼠笼式转子（9）转向相反地旋转速度增大，在外永磁式转子（3）和内鼠笼式转子（9）相向转动过程中，定子绕组（8）中也会感应出电动势；当内鼠笼式转子（9）速度超过同步速ωs运行时，在内鼠笼式转子（9）、外永磁式转子（3）和定子绕组（8）三者共同合成的磁场作用下，定子绕组（8）就会发出电能，将定子绕组（8）接入电网，就会向电网输送电能。
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Application publication date: 20191220 Assignee: Shandong Rongtang Electric Power Technology Co.,Ltd. Assignor: Qilu University of Technology Contract record no.: X2023980048595 Denomination of invention: A dual rotor induction wind turbine and its working method Granted publication date: 20211029 License type: Common License Record date: 20231205 |
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