双风轮直驱风力发电机的制作方法
【专利说明】双风轮直驱风力发电机
[0001] (一）技术领域
[0002] 本实用新型涉及一种双风轮直驱风力发电机，属于新能源应用技术领域。
[0003] (二）【背景技术】
[0004] 直驱风力发电是近年兴起风力发电技术，是一种以风轮直接驱动发电机的设计， 也称无齿轮风力发电机，由于齿轮和轴承都是易损零件，在风力发电机塔杆顶上，机舱面积 狭小维修困难，为了避免齿轮维护和换件困难，从而催生直驱风力发电机，其在国内风场已 部分应用，齿轮箱已成功被取消了，机械制造工作量减少，机械故障和维护工作量显著减 少，机械传动被取消，机械效率高，全功率变流，交流直流交流变频，电效率也高了。但是直 驱风力发电机目前也存在突出问题；发电机的成本太高，由于风轮低速，发电机的旋转磁场 转速也低，要保证旋转磁场发电临界速度，采用多极永磁同步发电机，发电机的直径超出常 规，给制造、运输、安装和维护带来一系列困难，造成费用升高，致使整个机组成本增高，风 电本来就因其成本高而须政府补贴才得以实施，在此关键问题上竞争力下降了，若不改进 则前景甚忧。
[0005] (三）【实用新型内容】
[0006] 本实用新型为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种结构简单，可省去价格昂贵的 稀土永磁材料，和免除退磁现象，克服直驱风力发电机成本高，增大发电功率的双风轮直驱 风力发电机。
[0007] 本实用新型是通过如下技术方案实现的：
[0008] -种双风轮直驱风力发电机，包括塔架，塔架上端设有发电机，发电机上端设有机 舱，其特征在于：所述的发电机包括转子和定子，转子连接前风轮，定子连接后风轮，前风轮 的转动方向与后风轮转动方向相反。
[0009] 其中：
[0010] 所述的前风轮通过前风轮轴与转子连接，后风轮通过后风轮轴与定子连接，定子 安装在轴承上随后风轮一起转动。
[0011] 所述的发电机为励磁同步发电机，转子为绕线式转子，可省去价格昂贵的稀土永 磁材料，和免除退磁现象，发电机的用材、运输、安装和制造工艺都和普通电机相同，其成本 也大幅度下降，克服了直驱风力发电机成本高的缺点。
[0012] 本实用新型是通过如下工作原理实现的：本实用新型转子是磁极，定子是感应绕 组，风轮转速nl直接带动转子磁场旋转，切割定子绕组导线产生电压电流发出功率N，功率 N与转速nl成正比与力矩Μ也成正比，若保持功率N不变，则增加转速η可以减小力矩M， 力矩是电磁力F成正比与电磁半径也成正比，如果定子绕组不变，转子磁场强度不变，若要 电磁力矩改变，只有电磁半径可变，前风轮的转速nl，后风轮的转速η2,方向是相反的，故 定子绕组线的切割速度是相加了，发电功率也增加，要保持发电功率Ν不变，则电磁场半径 要减小，也就是说发电机的直径减小，其理论数值可减少百分之五十以上，从而其成本也大 幅度下降，克服了直驱风力发电机成本高的缺点。
[0013] 当本实用新型用于半直驱风力发电机，效果会更佳，前后风轮有了增速比的输入， 使得发电机尺寸大为缩小，可用普通交流发电机，力矩半径不用缩小，而风力发电机功率增 大。
[0014] 本实用新型同时可用普通多速交流电机，实现可变速直驱风力发电机，使得发电 机适应风轮的速度范围更大，可使风力发电在相同的迎风面积多发出电能，从而大幅度降 低风力发电机的成本和提高风场的效率。
[0015] 本实用新型的有益效果是：结构简单，使用方便；成本也大幅度下降，克服了直驱 风力发电机成本高的缺点；增大发电功率，提高风场的效率。
[0016] (四）【附图说明】
[0017] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0018] 附图1为本实用新型结构示意图；
[0019] 附图2为传动原理结构示意图；
[0020] 附图3为半直驱风力发电机原理示意图。
[0021] 图中：1、塔架；2、发电机；3、机舱；4、转子；5、定子；6、前风轮；7、后风轮；8、前风 轮轴；9、后风轮轴。
【具体实施方式】
[0022] 附图为本实用新型的具体实施例。
[0023] 如图1所示的本实用新型双风轮直驱风力发电机，包括塔架1，塔架1上端设有发 电机2,发电机2上端设有机舱3,所述的发电机1包括转子4和定子5,转子4连接前风轮 6,定子5连接后风轮7,前风轮6的转动方向与后风轮7转动方向相反，前风轮6通过前风 轮轴8与转子4连接，后风轮7通过后风轮轴9与定子5连接，定子5安装在轴承上随后风 轮7-起转动。
[0024] 如图2所示，前风轮6吸收来风动能作功传给发电机2的转子4,其转速为nl，产 生磁场力矩是M，后风轮7吸收尾流动能作功为N2,传给直驱发电机的定子5,其转速为n2， 磁场力矩也是M，以下是转速、力矩和功率的标准公式
[0025] nM=CN，公式中C是常数与公式参数采用单位制有关，现有技术直驱风力发电机的 磁场转速n=nl，本实用新型多了个n2，n=nl+n2,并设n2=i*nl，i是前后风轮转速比，则以下 公式：
公式中F是磁场力，R的磁场半径，由公式 可知磁场力F未变，要保持N不变，只有磁场半径R变小
也就说是直驱风力发电 机的直径减小了，减小多少与前后风轮转速比i有关，根据前后风轮的功率分配和风能利 用系数可求得i，设；来风动能E，前风轮作功N1，后风轮作功N2,来风速度为VI，尾流动能 为E2,风速为V2,根据流体力学动能公式则有
[0031] 取Cf =〇. 4,则i=l. 29代入公式则r=0. 44R，也就是说本实用新型的双风轮直驱风 力发电机直径可以比现有技术单风轮直驱发电机直径减小56%，小一半还多。为了补偿后风 轮的费用，可以在机舱尺寸允许情况下，适当增大r以求机组多发出电能，以补偿后风轮的 建造费用。
[0032] 如图3所示，半直驱与直驱区别在于风轮与发电机2之间设齿轮增速箱，其 增速比是双馈风力发电机齿轮增速比大小的一半以下，现有技术半直驱电力发电增速 箱增的速比常用在40以下，有了这级增速，发电机的尺寸已经不大了，成本已经降下 来，没必要把电机尺寸再缩小了，而双风轮所增加效益将是同等迎风面积的功率增大。
[0035] ^是前风轮的功率，也是现有技术半直驱风力发电机的功率，将稱与本实用新型 合成功率N相比可得本实用新型功率增加比例系数Q
[0036] 取￡|=0. 4,则Q=l. 6,就是说本实用新型比现有技术半直驱力发电机功率增加百 分之六十。
[0037] 半直驱风力发电机的前增速箱7的速比|，与后变速箱8的速比是不相同的，因为 前后风轮的风速不同，从前风轮到后风轮有速比I :
[0039] 本实施例取& =0. 4,得I =1. 29,取《=36,得^ =27. 9,速比是根据风能利用系数算 出，但是要达到i值，需用变距角穸调整前后风轮的实际转速，当彦=〇,转速n=o,当变距角 达到某一数值，达到最大功率，前风轮的功率瑪是前风轮变距角I的函数，綠，而后风 轮的功率與是后风轮变距惑的函数，同时后风轮的来风与前风轮的变距角慈也有关系，因此 爲'ΠΑ沿机组的功率n是前后风轮作功之和，则有：
[0041] 取偏导数，并令其等于零即得N的极大值；
[0043] 求解偏微分方程公式6用一般方法有困难，但是公式6有个边界条件，即前风轮 必须是最大功率，即：，先解出I代入解出慈，利用逢与爲控制前和后风轮的转 动，使得本实用新型达到最大功率N。
[0044] 当本实用新型用于半直驱风力发电机，效果会更佳，前后风轮有了增速比的输入， 使得发电机2尺寸大为缩小，可用普通交流发电机，力矩半径不用缩小，而风力发电机功率 增大；本实用新型同时可用普通多速交流电机，实现可变速直驱风力发电机，使得发电机适 应风轮的速度范围更大，可使风力发电在相同的迎风面积多发出电能，从而大幅度降低风 力发电机的成本和提高风场的效率。
【主权项】
1. 一种双风轮直驱风力发电机，包括塔架（1)，塔架（1)上端设有发电机（2)，发电机 (2)上端设有机舱（3)，其特征在于：所述的发电机（2)包括转子（4)和定子（5)，转子（4)连 接前风轮（6)，定子（5)连接后风轮（7)，前风轮（6)的转动方向与后风轮（7)转动方向相反。2. 根据权利要求1所述的双风轮直驱风力发电机，其特征在于所述的前风轮（6)通过 前风轮轴（8 )与转子（4 )连接，后风轮（7 )通过后风轮轴（9 )与定子（5 )连接。3. 根据权利要求1所述的双风轮直驱风力发电机，其特征在于所述的定子（5)安装在 轴承上随后风轮（7) -起转动。4. 根据权利要求1所述的双风轮直驱风力发电机，其特征在于所述的发电机（2)为励 磁同步发电机，转子（4 )为绕线式转子。
【专利摘要】本实用新型属于新能源应用技术领域，特别涉及一种双风轮直驱风力发电机。该双风轮直驱风力发电机包括塔架，塔架上端设有发电机，发电机上端设有机舱，其特征在于：所述的发电机包括转子和定子，转子连接前风轮，定子连接后风轮，前风轮的转动方向与后风轮转动方向相反，使得转子与定子相对转速增加,发电机直经大幅减小。结构简单，使用方便；成本也大幅度下降，克服了直驱风力发电机成本高的缺点；增大发电功率，提高风场的效率。
【IPC分类】F03D1/02, F03D9/25
【公开号】CN205036510
【申请号】CN201520798925
【发明人】岑益南
【申请人】岑益南
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年10月16日