專利名稱：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種輪轂裝置，特別是一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪轂裝置。
背景技術(shù)：
對于現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于風(fēng)速不穩(wěn)定，風(fēng)速過低不易利用，風(fēng)速過高機(jī)組本身容易受到損傷。在很多情況下，無論風(fēng)速如何變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都要求風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定或不超過某一限定范圍，為此采用了調(diào)速或限速裝置。當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，這些裝置還用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。目前，調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類型，但從原理上來看大致有三類:一類是使風(fēng)輪機(jī)偏離主風(fēng)向，另一類是利用氣動阻力，第三類是改變?nèi)~片的槳距角。傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片與風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)軸之間調(diào)速主要靠機(jī)械式調(diào)速，通過減小迎風(fēng)面積或通過阻力來限制風(fēng)輪機(jī)葉片速度，這樣只起到限制功率作用，浪費(fèi)了能量，并且加重調(diào)速裝置負(fù)擔(dān)，影響其使用壽命和可靠性。申請?zhí)枮?01020690123.6，名稱為“風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁剎車裝置”的專利文件中提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁剎車裝置，包括控制系統(tǒng)、電磁塊及磁性剎車件。但是該技術(shù)方案僅僅考慮限制風(fēng)速過高情況，對于風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求風(fēng)速范圍時(shí)采用電磁剎車機(jī)構(gòu)，通過吸合式電磁剎車機(jī)構(gòu)的吸合面間的摩擦力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸減速停止。將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為摩擦后的熱能，使能量大大浪費(fèi)，而且產(chǎn)生的大量的熱，對機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料性能都有一定要求和影響，既浪費(fèi)能源，又降低了設(shè)備的可靠性和使用壽命。申請?zhí)枮?01120306693.9，名稱為“一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁剎車裝置”的專利文件中提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁剎車裝置，通過風(fēng)速儀對環(huán)境監(jiān)測，提供了一套控制器方案，風(fēng)速過大時(shí)電磁剎車裝置中線圈通電，產(chǎn)生與發(fā)電機(jī)定子磁場反向的磁場，阻礙轉(zhuǎn)子運(yùn)動，達(dá)到剎車目的。不但無法利用過剩風(fēng)能，而且需要在風(fēng)能過剩情況下向電磁剎車裝置通電，產(chǎn)生反向磁場來達(dá)到剎車目的。此外，該剎車裝置由于電磁耦合作用，多余能量只能轉(zhuǎn)化成熱能，繞組線圈將產(chǎn)生大量的熱，線圈由于溫度過高容易燒損，可靠性和穩(wěn)定性都不易保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)所要求的轉(zhuǎn)速范圍，又能將過剩的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置。本發(fā)明的目的可以這樣實(shí)現(xiàn):本發(fā)明的第一種方案是在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分加裝永磁體，勵(lì)磁線圈通過輪轂外殼引出電刷與輪轂外的滑環(huán)相連接。本發(fā)明的第二種方案是在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝永磁體，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，從轉(zhuǎn)軸的勵(lì)磁線圈側(cè)引出電刷與滑環(huán)相連。本發(fā)明的第三種方案是在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分也加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，輪轂與轉(zhuǎn)軸分別引出電刷連接各自的滑環(huán)。
上述三種方案中的滑環(huán)通過電纜與控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，通過速度傳感器信號決定向滑環(huán)通入交流電或直流電，或通過滑環(huán)向電網(wǎng)送電。本發(fā)明提供了種使風(fēng)輪機(jī)維持在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輪轂調(diào)速裝置，當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)通過電磁感應(yīng)將過剩的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)有效抑制風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，通過控制本輪轂裝置勵(lì)磁繞組通電狀態(tài)，使本輪轂裝置工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能儲備起來或經(jīng)過變電送入電網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)輪機(jī)未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，為了使風(fēng)輪機(jī)維持在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過控制本輪轂裝置勵(lì)磁繞組通電狀態(tài)，使本調(diào)速裝置工作于電動機(jī)狀態(tài)，通過對輪轂對轉(zhuǎn)軸之間的力矩進(jìn)行補(bǔ)償，從而使風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)軸始終保持在我們所希望的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，既能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)所要求的轉(zhuǎn)速范圍，又能將過剩的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電倉泛。風(fēng)輪機(jī)的輪轂及轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分加裝有心和勵(lì)磁線圈及裝永磁體。這樣，轉(zhuǎn)軸與輪轂之間即可以通過電磁耦合進(jìn)行能量傳遞。輪轂與轉(zhuǎn)軸之間通過永磁體和勵(lì)磁繞組之間的電磁場相互作用，輪轂與轉(zhuǎn)軸之間作用類似于電動機(jī)或發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子。風(fēng)速過高時(shí)勵(lì)磁線圈不通電，裝置作用類似于發(fā)電機(jī)，降低轉(zhuǎn)速同時(shí)將多余風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?dāng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁線圈通入直流電，輪轂與轉(zhuǎn)軸靠電磁吸力同步轉(zhuǎn)動。風(fēng)速較低時(shí)，勵(lì)磁線圈通入交流電，作用類似電動機(jī)，由于通入線圈的三相交流電可以通過控制電路調(diào)控，合成轉(zhuǎn)矩可控，所以在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，這樣在較低風(fēng)速下可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在額定狀態(tài)。本發(fā)明有益效果在于:傳統(tǒng)的電磁剎車裝置剎車時(shí)產(chǎn)生的能量只能以熱能形式釋放，而本發(fā)明在風(fēng)速過高時(shí)風(fēng)能主要轉(zhuǎn)化為電能，因此避免產(chǎn)生過高熱量，這樣既可以降低風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)又回收利用了多余的風(fēng)能。同時(shí)，本發(fā)明可使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在較低風(fēng)速時(shí)仍可以在額定狀態(tài)下運(yùn)行發(fā)電。采用本發(fā)明的輪轂裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以直接并入電網(wǎng)，省去了大功率的變流器。


圖1為本發(fā)明的應(yīng)用原理框圖。圖2a_圖2c為可調(diào)速輪轂裝置原理分析圖。以轉(zhuǎn)軸側(cè)采用四極永磁體為例，圖2a為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速；圖2b為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速；圖2c為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速。圖3為本發(fā)明在風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的整體結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述:結(jié)合圖2a_圖2c及圖3，本發(fā)明的第一種方案是:通過機(jī)械固定，焊接等硬性連接方式在輪轂I內(nèi)側(cè)加裝鐵心和勵(lì)磁繞組2，在輪轂I兩側(cè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸5上裝有兩個(gè)軸承7，在輪轂I對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸5部分加裝娃鋼片和永磁體3,永磁體3可米用插入式。轉(zhuǎn)軸5為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，針對個(gè)別發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，也可在發(fā)電機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間增加一個(gè)簡單的增速齒輪箱。勵(lì)磁繞組2通過輪轂I外殼引出電刷6與輪轂I外的滑環(huán)8相連接，機(jī)艙9包含輪轂I與滑環(huán)8之間部分，機(jī)艙9與輪轂I之間留有一定氣隙，氣隙盡量小，防止灰塵雜物進(jìn)入?；h(huán)8通過電纜與控制系統(tǒng)11相連，控制系統(tǒng)11與電網(wǎng)連接，通過速度傳感器信號決定向滑環(huán)8通入交流電、直流電，或通過滑環(huán)8向電網(wǎng)送電。在圖2a中，T為轉(zhuǎn)軸總轉(zhuǎn)矩，Tl為風(fēng)作用于輪轂轉(zhuǎn)矩，T3為通過永磁體與輪轂上勵(lì)磁繞組之間作用在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸總轉(zhuǎn)矩T=T1-T3。在圖2b中，T為轉(zhuǎn)軸總轉(zhuǎn)矩，Tl風(fēng)作用于輪轂轉(zhuǎn)矩，f為轉(zhuǎn)軸上永磁體與輪轂勵(lì)磁繞組之間電磁吸合力，轉(zhuǎn)軸總轉(zhuǎn)矩T=T1。在圖2c中，T為轉(zhuǎn)軸總轉(zhuǎn)矩，Tl風(fēng)作用于輪轂轉(zhuǎn)矩，T2為永磁體與輪轂上勵(lì)磁繞組之間作用在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸總轉(zhuǎn)矩T=T1+T2。具體工作過程及原理:當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，勵(lì)磁線圈不通電，此時(shí)由于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于發(fā)電機(jī)同步速，輪轂裝置運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，勵(lì)磁繞組將切割永磁體產(chǎn)生的磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過電刷滑環(huán)引出，經(jīng)過控制轉(zhuǎn)換電路后送入電網(wǎng)或儲能裝置中。這樣多余的風(fēng)能即轉(zhuǎn)化為電能，并且使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。其作用原理為:如圖2a所示，轉(zhuǎn)軸5與輪轂I有相對運(yùn)動，所以勵(lì)磁繞組2切割永磁體4的磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)阻礙輪轂I與轉(zhuǎn)軸5相對運(yùn)動的力矩，力矩方向與風(fēng)作用于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動方向的力矩相反。此時(shí)勵(lì)磁繞組2將產(chǎn)生感應(yīng)磁場，并且通過磁場力對永磁體4作用。轉(zhuǎn)軸5上的總力矩為風(fēng)作用在輪轂I產(chǎn)生的力矩減去勵(lì)磁繞組2電磁感應(yīng)產(chǎn)生的反向力矩之差，從而限制轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，并迫使輪轂I速度降低，一直降到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輪轂裝置運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)，勵(lì)磁線圈通入三相交流電，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場作用于永磁體，使風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速提高，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。其作用原理如圖2c示，由于勵(lì)磁線圈2通入電流可以控制，即輪轂裝置的電磁轉(zhuǎn)矩可以控制，使得與永磁體4 一體的轉(zhuǎn)軸5受到一個(gè)可控的轉(zhuǎn)矩作用，此時(shí)輪轂I還受到一個(gè)風(fēng)力作用于葉片和輪轂產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸5受到的轉(zhuǎn)矩為風(fēng)力作用在輪轂I上旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩加上勵(lì)磁繞組2通電后的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之和，從而使速度提升至額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制電路向輪轂側(cè)勵(lì)磁裝置提供直流電，轉(zhuǎn)軸與輪轂之間靠磁場產(chǎn)生的吸力耦合，將風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械力傳遞到轉(zhuǎn)軸并帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)軸以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。作用原理如圖2b示，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁繞組2通入直流電，這相當(dāng)于勵(lì)磁繞組與永磁體4之間只有垂直于轉(zhuǎn)軸5切線方向的力，無旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)風(fēng)作用于輪轂I的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通過電磁耦合傳遞到轉(zhuǎn)軸5，與摩擦阻力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩基本相當(dāng)，因此風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)軸5基本維持在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。本發(fā)明的第二種方案與第一種方案區(qū)別在于硅鋼片和永磁體加裝在輪轂I上，而鐵心和勵(lì)磁繞組裝于轉(zhuǎn)軸5上，并且從轉(zhuǎn)軸5的勵(lì)磁繞組側(cè)引出電刷與滑環(huán)相連，滑環(huán)通過電纜與控制系統(tǒng)11相連。該結(jié)構(gòu)上的電刷與滑環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，其他結(jié)構(gòu)、工作原理、控制系統(tǒng)均與第一種方案相同。本發(fā)明的第三種方案與上述兩種方案的區(qū)別是:輪轂I和轉(zhuǎn)軸5均采用加裝鐵心和勵(lì)磁繞組，輪轂I與轉(zhuǎn)軸5分別引出兩套電刷連接兩套滑環(huán)供電，控制系統(tǒng)11需要分別對轉(zhuǎn)軸及輪轂上的勵(lì)磁繞組進(jìn)行供電控制。實(shí)施方式三在轉(zhuǎn)軸速度高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輪轂和轉(zhuǎn)軸上的勵(lì)磁裝置產(chǎn)生的電能經(jīng)由電刷及滑環(huán)送入電網(wǎng)；在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的勵(lì)磁裝置需要從電網(wǎng)獲取電能，以保證輪轂上的勵(lì)磁繞組發(fā)出額定頻率的電能；風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速，兩套勵(lì)磁繞組都應(yīng)通有直流電。該結(jié)構(gòu)上的兩套電刷與滑環(huán)分別安裝在轉(zhuǎn)軸和輪轂上，其他結(jié)構(gòu)、工作原理與第一、二種方案相同。如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)及實(shí)施思路:鐵心、勵(lì)磁繞組和輪轂采用一體式剛性連接，可考慮機(jī)械固定、嵌套或焊接等方式，與輪轂相對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸上裝有硅鋼片，在硅鋼片上嵌入永磁體。本發(fā)明的可調(diào)速輪轂裝置可以與發(fā)電機(jī)直接同軸連接，可調(diào)速輪轂裝置靠調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以改變轉(zhuǎn)軸側(cè)合成的力矩，調(diào)速范圍較大且易實(shí)現(xiàn)控制，因此低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以省去齒輪箱。對于額定轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，只需在調(diào)速裝置與發(fā)電機(jī)之間增加一個(gè)小型增速齒輪箱即可。這樣就可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生電能直接輸送至電網(wǎng)。
權(quán)利要求
1.一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置，其特征是:在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分加裝永磁體，勵(lì)磁線圈通過輪轂外殼引出電刷與輪轂外的滑環(huán)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置，其特征是:滑環(huán)通過電纜與控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，通過速度傳感器信號決定向滑環(huán)通入交流電或直流電，或通過滑環(huán)向電網(wǎng)送電。
3.一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置，其特征是:在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝永磁體，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，從轉(zhuǎn)軸的勵(lì)磁線圈側(cè)引出電刷與滑環(huán)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置，其特征是:滑環(huán)通過電纜與控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，通過速度傳感器信號決定向滑環(huán)通入交流電或直流電，或通過滑環(huán)向電網(wǎng)送電。
5.一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置，其特征是:在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分也加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，輪轂與轉(zhuǎn)軸分別引出電刷連接各自的滑環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置，其特征是:滑環(huán)通過電纜與控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，通過速度傳感器信號決定向滑環(huán)通入交流電或直流電，或通過滑環(huán)向電網(wǎng)送電。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可調(diào)速輪轂裝置。在風(fēng)輪機(jī)的輪轂上加裝鐵心和勵(lì)磁線圈，在轉(zhuǎn)軸與輪轂作用部分加裝永磁體，勵(lì)磁線圈通過輪轂外殼引出電刷與輪轂外的滑環(huán)相連接。本發(fā)明在風(fēng)速過高時(shí)風(fēng)能主要轉(zhuǎn)化為電能，因此避免產(chǎn)生過高熱量，這樣既可以降低風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)又回收利用了多余的風(fēng)能。同時(shí)，本發(fā)明可使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在較低風(fēng)速時(shí)仍可以在額定狀態(tài)下運(yùn)行發(fā)電。采用本發(fā)明的輪轂裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以直接并入電網(wǎng)，省去了大功率的變流器。本發(fā)明特別適合用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
文檔編號H02K7/18GK103104417SQ20131002032
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月19日
發(fā)明者程鵬, 王庚, 蘭海, 張敬南, 黃曼磊, 劉宏達(dá), 張強(qiáng), 秦鵬, 李峰巖, 李紀(jì)輝 申請人:哈爾濱工程大學(xué)