轴向磁场滑差同步式双直风力发电机.pdf

本发明公开了一种轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，该电机主要由它包括转子轴、扇叶、同步发电机定子、主动感应转子及从动差速转子组成。所述主动感应转子包括主动转子铁轭和面贴于主动转子铁轭上的导电盘；从动差速转子铁轭以及面贴于铁轭上的永磁体；通过环氧树脂将同步发电机电枢绕组与电机外壳固定在一起。本发明的突出特点是“双直”，即直接驱动（发电机和风轮机直接相连，不需经齿轮箱）和直接联网（发电机输出电能不需转换，直接供给电网）。采用“双直”模式简化了系统结构，提高了系统运行可靠性，减少了维护工作，系统整体效率较高。

权利要求书
1.  一种轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，其特征在于：它包括转子轴（1）、扇叶（26）、同步发电机定子（41）、主动感应转子（44）及从动差速转子（42）；
所述同步发电机定子（41）主要由盘形的左端盖（2）、盘形的右端盖（12）、环形柱状的定子外壳（8）及与定子外壳（8）内柱面正交的定子电枢（7）组成；
所述定子电枢（7）为盘式环形状，其通过螺栓（13）同轴固定在外壳(8)的内部，由关于轴心成环状均匀排列的梯形的电枢绕组线圈（9）经过绝缘树脂封装硬化而成，所述的电枢绕组线圈（9）的线圈平面与所述定子电枢（7）的盘面方向一致，均与转子轴（1）垂直；
所述定子电枢（7）、主动感应转子（44）及从动差速转子（42）均为同轴、盘面相互平行的盘形结构，磁场均沿轴向方向；
所述主动感应转子（44）通过第一轴承（16）与同步发电机定子（41）保持相对自由转动；
所述从动差速转子（42）通过第二轴承（15）、第三轴承（17）与同步发电机定子（41）保持相对自由转动；
所述主动感应转子（44）与扇叶（26）同轴连接在转子轴（1）的两端，所述主动感应转子（44）主要由主动转子铁轭（6）和铺设在主动转子铁轭（6）的双边盘面上同轴的环形导电盘（5）组成，所述的环形导电盘（5）由铜材、银材或者其他良性导电材料制成；
所述从动差速转子（42）为同轴平行双盘结构，主要由轴向平行的两个形状完全相同的第一盘式轭铁（3）和第二盘式轭铁（11）经过支撑柱（14）固结成一体而组成，轴向平行的所述第一盘式轭铁（3）和所述第二盘式轭铁（11）的两个相对盘面上沿径向盘面外侧对称平行放置环形外圈磁体阵列（10），沿径向盘面内侧对称平行放置两组环形内圈磁体阵列（4）；
所述内圈磁体阵列（4）由等间隔环形同心排列的偶数个第一磁体构成，所述第一磁体（101）均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述外圈磁体阵列（10）由等间隔环形同心排列的偶数个第二磁体构成，所述第二磁体（401）均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述内圈磁体阵列（4）与外圈磁体阵列（10）的磁体数量相等，且同一机械角度范围内的磁体极性一致；
所述同步发电机定子（41）的定子电枢（7）及所述主动感应转子（44）为由外向内径向布置；
所述主动感应转子（44）位于所述从动差速转子（42）上的第一盘式轭铁（3）和第二盘式轭铁（11）形成的双盘内腔之中，从动差速转子（42）的内圈磁体阵列（4）与主动感应转子（44）的盘式环形导电盘（5）正对，二者之间设置有第一气隙（31）；
所述同步发电机定子（41）的定子电枢（7）位于从动差速转子（42）上的第一盘式轭铁（3）和第二盘式轭铁（11）形成的双盘内腔之中，与从动差速转子（42）的外圈磁体阵列（10）正对，二者之间设置有第二气隙（33）。

2.  根据权利要求1所述的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机, 其特征在于：所述第一磁体（101）和第二磁体（401）为永磁体、超导磁体或者直流励磁磁体。

3.  根据权利要求1所述的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机, 其特征在于：所述内圈磁体阵列（4）的内外半径与环形导电盘（5）的内外半径一致；所述外圈磁体阵列（10）的内外半径与定子电枢（9）的内外半径一致。

4.  一种轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，其特征在于：它包括转子轴（1）、由左到右排列的同轴的扇叶（26）、同步发电机定子（41）、从动差速转子（42）及主动感应转子（44）；
所述同步发电机定子（41）主要由盘形的左端盖（2）、盘形的右端盖（12）、环形柱状的定子外壳（8）及设置在左端盖（2）内侧盘面上的盘式环形电枢（7）组成，所述盘式环形电枢（7）主要由关于轴心成环状均匀排列的梯形铁芯极（71）及套在梯形铁芯极（71）上的梯形的电枢绕组线圈（9）组成，所述电枢绕组线圈（9）的线圈平面与盘式环形电枢（7）的盘面方向一致，均与轴（1）垂直；
所述定子电枢（7）、主动感应转子（44）及从动差速转子（42）均为同轴、盘面相互平行的盘形结构，磁场均沿轴向方向；
所述主动感应转子（44）通过第一轴承（16）与同步发电机定子（41）保持相对自由转动；
所述从动差速转子（42）通过轴承第二（15）与同步发电机定子（41）保持相对自由转动；
所述同步发电机定子（41）的定子电枢（7）和主动感应转子（44）为轴向平行布置；
所述主动感应转子（44）与扇叶（26）同轴连接在转子轴（1）的两端，主动感应转子（44）主要由主动转子铁轭（6）和铺设在主动转子铁轭（6）盘面上同轴的闭合环形导电盘（5）组成，所述的环形导电盘（5）由铜材、银材或者其他良性导电材料制成；
所述从动差速转子（42）设置在所述主动感应转子（44）和所述同步发电机定子（41）之间，所述从动差速转子（42）主要由与转子轴（1）垂直的第一盘式轭铁（3）、同轴环形排列的涡流磁体阵列（411）和环形排列的发电磁体阵列（110）组成，发电磁体阵列（110）和涡流磁体阵列（411）分别同心铺设在第一盘式轭铁（3）的左右两个盘面上；
所述涡流磁体阵列（411）主要由等间隔环形同心排列的偶数个第一磁体组成，所述第一磁体（101）均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述发电磁体阵列（110）由等间隔环形同心排列的偶数个第二磁体构成，所述第二磁体（401）均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述同步发电机定子（41）的定子电枢（7）与从动差速转子（42）的发电磁体阵列（110）之间设置有第二气隙（33）；所述从动差速转子（42）的涡流磁体阵列（411）与主动感应转子（44）的盘式环形导电盘（5）之间设置有第一气隙（31）；
根据权利要求4所述的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机, 其特征在于：所述第一磁体（101）和第二磁体（401）为永磁体、超导磁体或者直流励磁磁体。

5.  根据权利要求4所述的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机, 其特征在于：所述涡流磁体阵列（411）的内外半径与环形导电盘（5）的内外半径一致；所述发电磁体阵列（110）的内外半径与定子电枢（9）的内外半径一致。

说明书轴向磁场滑差同步式双直风力发电机
技术领域
本发明涉及电工、电机领域，特别涉及一种直驱直接联网发电机，具体涉及一种轴向磁场滑差同步式双直风力发电机。
背景技术
目前，在风力发电领域，风力发电机为了适应风速变化，保证输出恒定频率的上网电能，人们采用了多种技术来实现这一目标。双馈式异步发电机和永磁同步发电机是两种主要的联网发电机。双馈异步发电机的定子绕组与电网相连，绕线式转子的绕组通过滑环和固定侧的电刷滑动接触，与电能变换器相连，当风速变化时，电能变换器能自动补偿转子频率变化，输出频率稳定的电能，该电能变换器容量为发电机容量的30%左右，大大降低了变换器的体积和重量，但双馈异步发电机通过多级齿轮箱驱动，存在滑环和电刷, 不可避免地带来摩擦损耗, 增大了维护量及噪声等。传统的鼠笼式异步电机作为发电机，可简化系统结构，但电机的效率和功率因数较低。永磁同步发电机用于风力发电，可采用直驱方式，即转子与扇叶直接相连，定子三相绕组通过上网电能变换器与电网相连，当风速变化时，电能变换器能自动输出频率稳定的电能，但所采用的上网电能变换器为全额容量，对电能变换器要求较高，成本高，技术复杂。另外，还有一些风力发电机利用液压机构根据风速变化自动调节扇叶张角，即通过机械稳速装置来保证扇叶恒速，进而不需要电能变换器直接联网输出恒定频率的电能。以上这些风力发电系统均需要通过电能变换器或机械稳速装置来输出稳定的电压和频率，系统成本高、技术复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足提供一种直接驱动和直接联网的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机。
本发明的技术方案是这样实现的：一种轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，它包括转子轴、扇叶、同步发电机定子、主动感应转子及从动差速转子；
所述同步发电机定子主要由盘形的左端盖、盘形的右端盖、环形柱状的定子外壳及与定子外壳内柱面正交的定子电枢组成；
所述定子电枢为盘式环形状，其通过螺栓同轴固定在外壳的内部，由多组关于轴心成环状均匀排列的梯形的电枢绕组线圈经过绝缘树脂封装硬化而成，所述的电枢绕组线圈的线圈平面与所述定子电枢的盘面方向一致，均与轴垂直；
所述定子电枢、主动感应转子及从动差速转子均为同轴、盘面相互平行的盘形结构，磁场均沿轴向方向；
所述主动感应转子通过第一轴承与同步发电机定子保持相对自由转动；
所述从动差速转子通过第二轴承、第三轴承与同步发电机定子保持相对自由转动；
所述主动感应转子与扇叶同轴连接在转子轴的两端，所述主动感应转子主要由主动转子铁轭和铺设在主动转子铁轭的双边盘面上同轴的环形导电盘组成，所述的环形导电盘由铜材、银材或者其他良性导电材料制成；
所述从动差速转子为同轴平行双盘结构，主要由轴向平行的两个形状完全相同的第一盘式轭铁和第二盘式轭铁经过支撑柱固结成一体而组成，轴向平行的所述第一盘式轭铁和所述第二盘式轭铁的两个相对盘面上沿径向盘面外侧对称平行放置环形外圈磁体阵列，沿径向盘面内侧对称平行放置两组环形内圈磁体阵列；
所述内圈磁体阵列由等间隔环形同心排列的偶数个第一磁体构成，所述第一磁体均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述外圈磁体阵列由等间隔环形同心排列的偶数个第二磁体构成，所述第二磁体均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述内圈磁体阵列与外圈磁体阵列的磁体数量相等，且同一机械角度范围内的磁体极性一致；
所述同步发电机定子的定子电枢及所述主动感应转子为由外向内径向布置；
所述主动感应转子位于所述从动差速转子上的第一盘式轭铁和第二盘式轭铁形成的双盘内腔之中，从动差速转子的内圈磁体阵列与主动感应转子的盘式环形导电盘正对，二者之间设置有第一气隙；
所述同步发电机定子的定子电枢位于从动差速转子上的第一盘式轭铁和第二盘式轭铁形成的双盘内腔之中，与从动差速转子的外圈磁体阵列正对，二者之间设置有第二气隙。
所述第一磁体和第二磁体为永磁体、超导磁体或者直流励磁磁体。
所述内圈磁体阵列的内外半径与环形导电盘的内外半径一致；所述外圈磁体阵列的内外半径与定子电枢的内外半径一致。
一种轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，它包括转子轴、由左到右排列的同轴的扇叶、同步发电机定子、从动差速转子及主动感应转子；
所述同步发电机定子主要由盘形的左端盖、盘形的右端盖、环形柱状的定子外壳及设置在左端盖内侧盘面上的盘式环形电枢组成，所述盘式环形电枢主要由一系列关于轴心成环状均匀排列的梯形铁芯极及套在梯形铁芯极上的梯形的电枢绕组线圈组成，所述电枢绕组线圈的线圈平面与盘式环形电枢的盘面方向一致，均与轴垂直；
所述定子电枢、主动感应转子及从动差速转子均为同轴、盘面相互平行的盘形结构，磁场均沿轴向方向；
所述主动感应转子通过第一轴承与同步发电机定子保持相对自由转动；
所述从动差速转子通过第二轴承与同步发电机定子保持相对自由转动；
所述同步发电机定子的定子电枢和主动感应转子为轴向平行布置；
所述主动感应转子与扇叶同轴连接在转子轴的两端，主动感应转子主要由主动转子铁轭和铺设在主动转子铁轭盘面上同轴的闭合环形导电盘组成，所述的环形导电盘由铜材、银材或者其他良性导电材料制成；
所述从动差速转子设置在所述主动感应转子和所述同步发电机定子之间，所述从动差速转子主要由与轴垂直的第一盘式轭铁、同轴环形排列的涡流磁体阵列和环形排列的发电磁体阵列组成，发电磁体阵列和涡流磁体阵列分别同心铺设在第一盘式轭铁的左右两个盘面上；
所述涡流磁体阵列主要由等间隔环形同心排列的偶数个第一磁体组成，所述第一磁体均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述发电磁体阵列由等间隔环形同心排列的偶数个第二磁体构成，所述第二磁体均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
所述同步发电机定子的定子电枢与从动差速转子的发电磁体阵列之间设置有第二气隙；所述从动差速转子的涡流磁体阵列与主动感应转子的盘式环形导电盘之间设置有第一气隙。
所述第一磁体和第二磁体可以为永磁体、超导磁体或者直流励磁磁体。
所述涡流磁体阵列的内外半径与环形导电盘的内外半径一致；所述发电磁体阵列的内外半径与定子电枢的内外半径一致。
本发明的积极效果如下：本发明提供了一种“双直”的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，一是直接驱动，即发电机和风轮机直接相连，无需齿轮箱和机械稳速器，简化了系统结构；二是直接联网，即发电机定子绕组直接与电网相连，输出电能不需转换，直接供给电网，去除了转子滑环和上网电能变换器，提高了系统运行可靠性，减少了维护工作，提高了系统整体效率，降低系统成本。
同时，本发明的发电机采用横向磁场结构，结构紧凑、功率密度高，提高了系统性价比。
附图说明
图1为本发明实施例一中轴向磁场滑差同步式双直风力发电机的剖视示意图。
图2为图1的A-A轴向视图。
图3为图1的B-B轴向视图。
图4 为本发明实施例一中主动感应转子立体结构示意图。
图5 为本发明实施例一的从动差速转子立体结构示意图。
图6 为本发明实施例一的永磁涡流耦合示意图。
图7 为本发明实施例一的定子部分立体示意图。
图8 为本发明实施例一的永磁同步发电机部分立体示意图。
图9 为本发明的从动差速转子的单侧立体示意图。
图10 为本发明实施例一的立体剖面视图。
图11 为本发明实施例一的立体分解视图。
图12为本发明实施例二的轴向磁场滑差同步式双直风力发电机剖面示意图。
图13为图12的C-C剖面示意图。
图14为图12的D-D剖面示意图。
图15为本发明实施例三的剖面示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种直接联网、无需电能变换装置的轴向磁场滑差同步双直风力发电机，主要由盘式主动转子配置有导电盘，盘式从动转子配置有内圈永磁体和外圈永磁体和盘式同步发电机定子配置有固定电枢等部分组成。原理如下：由扇叶捕获风能，带动主动转子同轴连接的导电盘旋转，切割从动转子上磁极交替排列的内圈永磁体，在导电圆盘上感应出涡流，该涡流与从动转子上的磁场作用产生电磁力，进而驱动从动转子跟随主动转子旋转相当于涡流耦合器。从动转子在旋转过程中，从动转子上设置的外圈永磁体的磁场切割定子侧的电枢绕组产生电能，经直连线路输送给电网。同时，由于发电机电枢与电网直接连接，发电机吸收电网的无功电流，提供给发电机的电枢绕组产生励磁磁场，该磁场的转速受电网频率的钳制，基本恒定不变。当风速发生变化时，涡流耦合器自动将风速变化缓冲，仅将电磁转矩变化传递到从动转子上，励磁磁场速度恒定，发电机功角改变，在一定范围内平衡了涡流耦合器的电磁转矩变化，输出有用功改变，而发电频率可以保持不变。本发明将永磁涡流耦合器和永磁同步发电机巧妙地结合在一起，涡流耦合器磁体和同步发电机磁体均集成在同一个从动转子上，利用涡流耦合器的柔性转矩传递原理，保证发电机输出电能频率恒定。
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例一
轴向磁场滑差同步式双直风力发电机，如图1所示，包括转子轴1、扇叶26、同步发电机定子41、主动感应转子44及从动差速转子42；同步发电机定子41包括盘形的左端盖2、盘形的右端盖12、环形柱状的定子外壳8及与定子外壳8内柱面正交的定子电枢7。
如图3、7、8所示，为本发明的同步发电机部分，转动的从动差速转子的外圈磁体阵列10所建立的励磁磁场与电枢部分的绕组线圈9交链，在绕组线圈9中产生交流电动势。具体如下：定子电枢7为盘式环形状，通过螺栓13同轴固定在外壳8的内部；定子电枢7主要由一系列关于轴心成环状均匀排列的梯形的电枢绕组线圈9经过绝缘树脂封装硬化而成；电枢绕组线圈9的线圈平面与定子电枢7的盘面方向一致，和从动差速转子42的外圈磁体阵列10正对平行，并保持固定的第二气隙33，电枢绕组线圈9的绕组磁势沿轴向方向，当从动差速转子42旋转时，外圈磁体阵列10产生了机械旋转磁场，切割定子侧的电枢绕组线圈9产生交流电能。
如图4、6所示，主动感应转子44由主动转子铁轭6和铺设在主动转子铁轭6的双边盘面上同轴的环形导电盘5组成，环形导电盘5由铜材，或者银材，或者其他良性导电材料制成；主动感应转子44位于从动差速转子42上的第一盘式轭铁3和第二盘式轭铁11形成的双盘内腔之中，盘式环形导电盘5与从动差速转子42的内圈磁体阵列4正对平行，二者之间设置有第一气隙31。主动感应转子44通过第一轴承16和转子轴1与同步发电机定子41保持相对自由转动。主动感应转子44与扇叶26同轴固定连接在转子轴1的两端，当风力吹动扇叶26转动时，带动主动感应转子44同轴转动，其上布置的环形导电盘5与从动差速转子42的内圈磁体阵列4之间有相对切割，内圈磁体阵列4产生的交替磁场在环形导电盘5中产生涡流，内圈磁体阵列4受到电磁涡流力的作用跟随旋转，内圈磁体阵列4的旋转速度与环形导电盘5的速度之间保持一个转速差转差率，确保产生连续的电磁涡流力，其工作原理类似异步电动机，也称为涡流耦合器。
如图5、9所示，从动差速转子42为同轴平行双盘结构，主要由轴向平行的两个形状完全相同的第一盘式轭铁3和第二盘式轭铁11经过支撑柱14固结成一体而组成，所述轴向平行的第一盘式轭铁3和第二盘式轭铁11的两个相对盘面上沿径向盘面外侧对称平行放置环形外圈磁体阵列10，沿径向盘面内侧对称平行放置两组环形内圈磁体阵列4。
如图2所示，内圈磁体阵列4由等间隔环形同心排列的偶数个磁体构成，所述第一磁体101均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；外圈磁体阵列10由等间隔环形同心排列的偶数个磁体构成，所述第二磁体401均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反。所示内圈磁体阵列4与外圈磁体阵列10的磁体数量相等，且同一机械角度范围内的磁体极性一致。
如图10所示，为本发明的剖面视图，展现了本发明的内部构造。同步发电机定子41的定子电枢7和主动感应转子44为由外向内径向布置的空间位置关系；从动差速转子42通过第二轴承15、第三轴承17与同步发电机定子41保持相对自由转动。
实施例二
如图1、12、13、14所示，同步发电机定子41的定子电枢7，从动差速转子42和主动感应转子44均为同轴、盘面相互平行的盘形结构；定子电枢7、从动差速转子42和主动感应转子44为由左到右平行布置的空间位置关系；磁场均沿轴向方向。
同步发电机定子41由盘形的左端盖2、盘形的右端盖12、环形柱状的定子外壳8和设置在左端盖2内侧盘面上的盘式环形电枢7组成。
主动感应转子44通过第一轴承16与同步发电机定子41保持相对自由转动；从动差速转子42通过第二轴承15与同步发电机定子41保持相对自由转动。
同步发电机定子41的定子电枢7与从动差速转子42的发电磁体阵列110之间设置有第二气隙33；从动差速转子42的涡流磁体阵列411与主动感应转子44的盘式环形导电盘5之间设置有第一气隙31。
同步发电机定子41的盘式环形电枢7和主动感应转子44为轴向平行布置；
主动感应转子44与扇叶26同轴连接在转子轴1的两端，主动感应转子44主要由主动转子铁轭6和铺设在主动转子铁轭6盘面上同轴的闭合环形导电盘5组成，所述的环形导电盘5由铜材、银材或者其他良性导电材料制成。
如图13所示，盘式环形电枢7由一系列关于轴心成环状均匀排列的梯形铁芯极71和套在梯形铁芯极71上的梯形的电枢绕组线圈9构成；电枢绕组线圈9的线圈平面与盘式环形电枢7的盘面方向一致，均与转子轴1垂直；
如图1、14所示，从动差速转子42设置在主动感应转子44和同步发电机定子41之间，从动差速转子42主要由与轴1垂直的第一盘式轭铁3、同轴环形排列的涡流磁体阵列411和环形排列的发电磁体阵列110组成。发电磁体阵列110和涡流磁体阵列411分别同心铺设在第一盘式轭铁3的左右两个盘面上；
涡流磁体阵列411主要由等间隔环形同心排列的偶数个磁体组成，所述第一磁体101均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反；
发电磁体阵列110主要由等间隔环形同心排列的偶数个磁体组成，所述第二磁体401均沿轴向充磁，相邻磁体的充磁方向相反。
实施例三
如图15所示，将实施例二中的图12沿轴向关于主动转子铁轭6的竖直轴线镜像复制，得到双边对称的风力发电机结构。两组从动差速转子42通过从动转子连接件111固结成一体，从动差速转子42的一端与转子轴1通过第二轴承15与定子左端盖2连接，另一端与第二轴82通过第三轴承17与定子右端盖12相连,所述第二轴82为对称盘面的支撑轴。
主动转子铁轭6的两个盘面对称设置相同的环形导电盘5，正好位于从动差速转子42上设置的两列涡流磁体阵列411之间的位置，涡流感应产生驱动转矩的同时，也产生轴向的磁拉力，采用该双边对称结构，可有效平衡从动差速转子42上受到的磁拉力，更有利于发电机结构设计和优化。
其余部件结构及作用与实施例二相同，在此不再一一赘述。