一种双转子发电机及其控制方法与流程

本发明涉及发电机的技术领域，具体的是一种双转子发电机及其控制方法。

背景技术：

三相异步发电机由于具有结构简单、坚固耐用和维护量小等优点，使得其被广泛应用于工农业生产领域。但是，三相异步发电机功率因数滞后，这样就需要从电网获取更多的无功功率，另外当发电机处于轻载时的功率因数低使得其耗费的电能相当大。随着节能减排和环保节能意识的逐渐增强，提高三相异步发电机的效率变得越来越迫切。这是现有技术的不足之处。

技术实现要素：

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，而提供一种双转子发电机及其工作方法，在传统鼠笼式感应发电机定子和鼠笼式转子之间增加一个外永磁式转子，所述外永磁式转子提供可调节的励磁，不仅可以提高发电机运行的功率因数和功率密度，而且能够满足在较宽范围内调节发电机转速。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种双转子发电机，包括机壳，所述机壳转动连接有转轴，所述机壳内固定连接有定子，所述转轴固定连接有内鼠笼式转子，所述定子与内鼠笼式转子之间设置有外永磁式转子，所述外永磁式转子与转轴转动连接，所述外永磁式转子与定子之间设置有外气隙，所述内鼠笼式转子与外永磁式转子之间设置有内气隙。采用本技术方案，在传统鼠笼式感应发电机内部增加一个外永磁式转子，所述外永磁式转子提供可调节的励磁，从而提高了发电机运行的功率因数和功率密度，还可以满足在较宽范围内调节发电机转速，所述外永磁式转子可自由旋转，其旋转速度和定子绕组产生的同步旋转磁场互相叠加，减小了发电机定子绕组的电流，所述外永磁式转子与定子之间有外气隙，所述内鼠笼式转子与外永磁式转子之间有内气隙，所述外气隙和内气隙的形成增大了发电机的有效气隙面积，所述发电机的转矩密度和气隙表面积成正比，从而提高了发电机的转矩密度，有利于发电机的节能运行。

优选的，所述外永磁式转子采用永磁体和直流电共同励磁。采用本技术方案，发电机的转矩密度和气隙磁密值成正比，所述外永磁式转子采用永磁体和直流电混合励磁，在相同定子电压供电情况下，与同容量的常规发电机相比，增大了气隙磁密值，从而提高了发电机的转矩密度。

优选的，所述外永磁式转子通过外永磁式转子支架与转轴可转动连接，所述外永磁式转子包括外永磁式转子铁芯、导磁材料、永磁体和外永磁式转子励磁绕组，所述导磁材料固定安装在外永磁式转子铁芯的表面，所述永磁体固定安装在导磁材料上，所述外永磁式转子励磁绕组安装在外永磁式转子铁芯槽中，所述外永磁式转子励磁绕组为直流励磁绕组，所述外永磁式转子励磁绕组通过整流装置与励磁机连接。采用本技术方案，所述外永磁式转子内外两侧存在两个气隙，永磁体产生的磁链同时与定子绕组和内鼠笼转子产生的磁场匝链，共同提供旋转磁场，所述励磁机是电枢旋转式的发电机，经过整流装置为外永磁式转子励磁绕组励磁。

优选的，所述励磁机包括励磁机定子和励磁机转子，所述励磁机定子固定设置在励磁机定子支架上，所述励磁机转子设置在励磁机转子支架上，所述励磁机转子支架以及整流装置均固定设置在外永磁式转子支架上，所述外永磁式转子支架与外永磁式转子固定连接，所述励磁机转子通过导线与整流装置连接，所述整流装置通过导线与外永磁式转子励磁绕组连接。采用本技术方案，所述励磁机转子以及整流装置均固定安装在外永磁式转子支架上与外永磁式转子一起旋转。

优选的，所述内永磁式转子不接负载，所述内鼠笼式转子通过转轴驱动负载运行，所述外永磁式转子的极数和定子的极数一致，所述永磁体的充磁方向为径向。

优选的，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯固定在机壳上，所述定子绕组安装于定子铁芯槽中，所述定子绕组为三相对称交流绕组。

优选的，当定子绕组通入对称三相交流电时，在三相旋转磁场的作用下，内鼠笼式转子和外永磁式转子转动方向与旋转磁场旋转方向相同。

优选的，所述内鼠笼式转子和外永磁式转子同轴心，所述内鼠笼式转子包括内鼠笼式转子铁芯和转子鼠笼条。

一种双转子发电机的控制方法，根据所述双转子发电机的特性及运行特征，将其运行区域分为低速区和高速区，在低速区通常采用增磁控制，在高速区通常采用弱磁控制。

优选的，通过外永磁式转子励磁绕组增磁来提供大的转矩，提高发电机的短时过载能力，采用转矩检测装置采集转矩实时信息，当负载转矩小于等于发电机的额定转矩时，不需要增磁控制，此时外永磁式转子励磁绕组中的励磁电流if=0；当负载转矩tl大于发电机的额定转矩tn时，就需要增磁控制，也就是说此时外永磁式转子励磁绕组中的励磁电流if产生的磁场方向与定子绕组和永磁体磁场方向一致，达到增磁的目的；

通过外永磁式转子励磁绕组弱磁来拓宽调速范围。采用速度检测装置采集转速实时信息，当发电机运行在高速区时，即发电机转速大于弱磁基速，所述发电机的定子会达到极限电压值，如果生产工艺要求负载继续增大转速，此时可以通过调节外永磁式转子励磁绕组中的励磁电流if的方向，使其磁场方向与定子绕组和永磁体磁场方向相反，从而减小合成磁链的大小，即弱磁控制来达到输出较高转速的目的。

本发明的双转子发电机采用内鼠笼式转子和外永磁式转子双转子结构，不仅使内鼠笼式转子以及外永磁式转子的气隙磁密提高，使内鼠笼式转子和外永磁式转子轭部磁密降低，从而提高发电机的运行效率和转矩密度，而且使内鼠笼式转子和外永磁式转子气隙磁密呈正弦分布，能够保证定子绕组电势呈正弦分布。如果负载增大，可以调节励磁电流来增强气隙磁密，从而提高发电机的输出转矩来增大带负载能力；当额定负载或轻载时，励磁电流为零；需要紧急制动或者转矩突然减小时，改变外永磁式转子励磁绕组中电流的方向，来减小气隙磁密，可以使发电机平稳运行，减小振动和噪声；当发电机带负载启动时，可以通过调节励磁电流的大小和方向来增强气隙磁场，提高发电机的启动转矩，同时减小启动过程需要的时间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）外永磁式转子可自由旋转，其旋转速度和定子绕组产生的同步旋转磁场互相叠加，一方面减小了发电机定子绕组的电流，另一方面根据负载的变化，调整励磁电流的大小和方向从而改变发电机的气隙磁密，来达到增磁和弱磁的目的，有利于发电机的高效和节能运行。

（2）对于风机和泵类等变负载设备，驱动系统通过检测负载转矩或转速的大小来灵活调节气隙磁密，从而改变发电机输出的转速和转矩，可以达到节能降耗的目的。

（3）所述外永磁式转子采用永磁和直流电共同励磁，通过驱动系统控制算法的设计，可以更加灵活地调节气隙磁场，使得发电机的功率因数可以根据发电机的实际运行状态，使其运行在滞后、超前和单位功率因数三种状态，进而提高了发电机的整体运行效率。

综上所述，针对现有发电机运行时从电网吸收大量的无功功率，不利于电网的稳定，本发明提供的双转子发电机与常规异步发电机结构相比，可根据负载的变动情况灵活调整转矩、转速和功率因数，减小了对电网的扰动，既有利于电网稳定运行，也有利于节能。

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为本发明双转子发电机轴向截面结构示意图；

图2为本发明双转子发电机径向截面结构示意图；

图3为本发明双转子发电机运行特征示意图；

图4为本发明双转子发电机控制系统结构框图。

图中：1-机壳，2-定子铁芯，3-外气隙，4-内鼠笼式转子，5-定子绕组，6-外永磁式转子支架，7-内气隙，8-永磁体，9-外永磁式转子励磁绕组，10-外永磁式转子，11-外永磁式转子轴承，12-机壳轴承，13-励磁机，14-励磁机定子支架，15-励磁机定子，16-励磁机转子，17-励磁机转子支架，18-整流装置，19-转轴，20-环形通道。

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

如图1和图2所示，一种双转子发电机，包括机壳1，所述机壳1转动连接有转轴19，所述机壳1内固定连接有定子，所述定子包括定子铁芯2和定子绕组5，所述定子铁芯2固定在机壳1上，所述定子绕组5安装于定子铁芯2槽中，所述定子绕组5为三相对称交流绕组，所述转轴19固定连接有内鼠笼式转子4，所述内鼠笼式转子4包括内鼠笼式转子铁芯和转子鼠笼条，所述内鼠笼式转子4与转轴19固定连接，所述定子与内鼠笼式转子4之间设置有外永磁式转子10，所述定子设置在外永磁式转子10的外侧，所述外永磁式转子10与转轴19转动连接，所述内鼠笼式转子4和外永磁式转子10同轴心，所述外永磁式转子10与定子之间设置有外气隙3，所述内鼠笼式转子4与外永磁式转子10之间设置有内气隙7。

所述外永磁式转子10采用永磁体8和直流电共同励磁。所述发电机的转矩密度和气隙磁密值成正比，所述外永磁式转子10采用永磁体和直流电混合励磁，在相同定子电压供电情况下，与同容量的常规发电机相比，增大了气隙磁密值，从而提高了发电机的转矩密度。

所述外永磁式转子10通过外永磁式转子支架6与转轴19可转动连接，所述外永磁式转子10包括外永磁式转子铁芯、导磁材料、永磁体8和外永磁式转子励磁绕组9，所述导磁材料固定安装在外永磁式转子铁芯的表面，所述永磁体8固定安装在导磁材料上，所述外永磁式转子励磁绕组9安装在外永磁式转子铁芯槽中，所述外永磁式转子励磁绕组9为直流励磁绕组，所述外永磁式转子励磁绕组9通过整流装置18与励磁机13连接。所述外永磁式转子10两侧存在内气隙7和外气隙3两个气隙，永磁体8产生的磁链同时与定子绕组5和内鼠笼转子4产生的磁场匝链，共同提供旋转磁场，所述励磁机13是电枢旋转式的发电机，经过整流装置18为外永磁式转子励磁绕组9励磁。

所述外永磁式转子支架6的右端设置在机壳1内，所述外永磁式转子支架的左端设置在机壳1外部，所述机壳1左端的端盖上设置有用于外永磁式转子支架6转动的环形通道20，连接外永磁式转子励磁绕组9和整流装置18的导线可通过环形通道20贯穿机壳1左端的端盖。

所述励磁机13包括励磁机定子15和励磁机转子16，所述励磁机定子15固定设置在励磁机定子支架14上，所述励磁机转子16设置在励磁机转子支架17上，所述励磁机转子支架17以及整流装置18均固定设置在外永磁式转子支架6上，所述外永磁式转子支架6与外永磁式转子10固定连接，所述外永磁式转子支架6通过外永磁式转子轴承11与转轴19连接，所述励磁机转子16通过导线与整流装置18连接，所述整流装置18通过导线与外永磁式转子励磁绕组9连接，所述励磁机转子16以及整流装置18均固定安装在外永磁式转子支架6上与外永磁式转子10一起旋转。

在本技术方案中，所述外永磁式转子10不接负载，所述内鼠笼式转子4通过转轴19驱动负载运行，所述外永磁式转子10的极数和定子的极数一致，所述永磁体8的充磁方向为径向；当定子绕组5通入对称三相交流电时，在三相旋转磁场的作用下，内鼠笼式转子4和外永磁式转子10转动方向与旋转磁场旋转方向相同。

本发明的本质是在传统鼠笼式感应发电机定子和内鼠笼式转子之间增加一个与内鼠笼式转子4同轴心布置的外永磁式转子10，所述外永磁式转子10提供可调节的励磁，不仅可以提高发电机运行的功率因数和功率密度，而且能够满足在较宽范围内调节发电机转速，所述外永磁式转子10可自由旋转，其旋转速度和定子绕组5产生的同步旋转磁场互相叠加，减小了发电机的定子绕组5的电流，所述外永磁式转子10与定子之间有外气隙3，所述内鼠笼式转子4与外永磁式转子10之间有内气隙7，所述外气隙3和内气隙7的形成增大了发电机的有效气隙面积，所述发电机的转矩密度和气隙表面积成正比，从而提高了发电机的转矩密度，有利于发电机的节能运行。

从图4可以看出，本发明所述双转子发电机及其控制方法，控制的关键在于通过电枢电流与励磁电流适当地协调控制，满足不同变速驱动系统特定的性能指标，例如提高短时过载能力或者较宽范围转速调节等，由于可控电励磁电流变量的引入，控制系统增加了励磁电流控制器和励磁功率变换器对励磁电流进行调节与控制，使得驱动系统控制更加灵活，从而满足不同变速驱动系统的控制要求。

实施例2

依据所述双转子发电机的特性及运行特征，将其运行区域分为低速区和高速区两部分，如图3所示。

在低速区通常采用增磁控制，在高速区通常采用弱磁控制。所述驱动系统运行控制可以采用下述增磁控制或弱磁控制：

增磁控制：通过外永磁式转子励磁绕组9增磁来提供大的转矩，提高发电机的短时过载能力.采用转矩检测装置采集转矩实时信息，当负载转矩小于等于发电机的额定转矩时，不需要增磁控制，也就是说此时外永磁式转子励磁绕组9中的励磁电流if=0；当负载转矩tl大于发电机的额定转矩tn时，就需要增磁控制，此时外永磁式转子励磁绕组9中的励磁电流if产生的磁场方向与定子绕组5和永磁体8磁场方向一致，达到增磁的目的。

弱磁控制：通过外永磁式转子励磁绕组9弱磁来拓宽调速范围，采用速度检测装置采集转速实时信息，当发电机运行在高速区时，即发电机转速大于弱磁基速，所述发电机的定子会达到极限电压值，如果生产工艺要求负载继续增大转速，此时可以通过调节外永磁式转子励磁绕组9中的励磁电流if的方向，使其磁场方向与定子绕组5和永磁体8磁场方向相反，从而减小合成磁链的大小，即弱磁控制来达到输出较高转速的目的。

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。