CN101117945A

CN101117945A - 风力发电机组偏航装置

Info

Publication number: CN101117945A
Application number: CNA2007100595676A
Authority: CN
Inventors: 夏长亮; 陈炜; 宋战锋; 史婷娜
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2008-02-06

Abstract

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种风力发电机组偏航装置，包括控制器、偏航制动器、偏航控制继电器、偏航接触器、偏航电机、偏航减速器、偏航外齿轮、偏航计数器、扭缆传感器、风向仪和风速仪，电机与偏航减速器相连，偏航减速器与偏航大齿轮相啮合，控制器根据风向仪或风速仪输入的信号，控制偏航制动器，并通过偏航控制继电器和偏航接触器控制偏航电机运转，由偏航电机通过偏航减速器驱动偏航大齿轮，所述电机为Halbach磁体结构永磁电机。本发明能够改善偏航装置的起动性能，使得偏航装置在频繁起停的工作条件下更易带动机组主舱旋转；同时，提高偏航电机的过载能力，降低偏航装置故障率及维护工作量、延长其运行寿命。

Description

风力发电机组偏航装置

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种偏航装置，适合在兆瓦级及其以上大功率变速恒频风力发电机组中使用。

背景技术

在风力发电机组的运行过程中，机组机械部件损坏几率远大于电气部件。而在机械部件中，偏航系统部件又是机械中经常出现故障的重点问题。由于风速及风向具有随机性，风力发电机组偏航装置在工作过程中间断运行、运行时间短且起停较为频繁，偏航轴承极易出现磨损。现有偏航电机起动转矩较低、过载能力弱，在风力发电机组的运行过程中轴承的轻微磨损即会使电机无法正常起动，导致电机烧坏，进而引起偏航故障、造成机组停机，影响机组的正常运行及发电量。同时，由于各部件自身重量较大且风力发电机组机舱与塔筒联接处即偏航电机安装处的空间狭小，偏航装置出现故障后的维修工作难于实施，更换故障部件难度很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中偏航装置起动转矩低、过载能力差等缺点，提出一种风力发电机组偏航装置。

本发明的技术解决方案是：

一种风力发电机组偏航装置，包括控制器、偏航制动器、偏航控制继电器、偏航接触器、偏航电机、偏航减速器、偏航外齿轮、偏航计数器、扭缆传感器、风向仪和风速仪，电机与偏航减速器相连，偏航减速器与偏航大齿轮相啮合，控制器根据风向仪或风速仪输入的信号，控制偏航制动器，并通过偏航控制继电器和偏航接触器控制偏航电机运转，由偏航电机通过偏航减速器驱动偏航大齿轮，所述电机为Halbach磁体结构永磁电机，所述Halbach磁体结构永磁电机的定子由电枢绕组和铁轭构成，转子由转轴以及固定在转轴周围的Halbach永磁体阵列构成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明通过采用Halbach磁体结构永磁电机做偏航电机，在偏航装置体积及输出功率相同的情况下大幅增加装置的出力，改善偏航装置的起动性能，使得偏航装置在频繁起停的工作条件下更易带动机组主舱旋转；同时，提高偏航电机的过载能力，拓宽其工作范围，使偏航装置在偏航轴承出现轻度磨损时维持正常工作，从而降低偏航装置故障率及维护工作量、延长其运行寿命，避免由于偏航装置故障造成的机组停机及发电量损失。

附图说明

图1为本发明的风力发电机组偏航装置结构示意图(俯视图)。

图2为本发明的风力发电机组偏航装置结构示意图(侧视图)。

图3为风力发电机组偏航装置结构框图。

图4为风力发电机组偏航装置中的偏航电机-Halbach磁体结构永磁电机的结构示意图。

图5为2对极每极2块磁体的Halbach磁体结构永磁电机转子示意图，其中(a)为转子永磁体阵列结构图，(b)为气隙磁场分布图。

图6为2对极每极3块磁体的Halbach磁体结构永磁电机转子示意图，其中(a)为转子永磁体阵列结构图，(b)为气隙磁场分布图。

图7为2对极每极4块磁体的Halbach磁体结构永磁电机转子示意图，其中(a)为转子永磁体阵列结构图，(b)为气隙磁场分布图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明做进一步描述。

本发明的风力发电机组偏航装置，能够根据控制器发出的指令调整机舱角度，实现风力发电机组的迎风及侧风控制。所述装置由偏航大齿轮1、偏航减速器3、Halbach磁体结构永磁电机4、偏航制动器5及其他附属装置如偏航计数器、扭缆传感器、风向仪等部分组成，如图1、图2所示。其联接及位置放置为：Halbach磁体结构永磁电机安装于机舱底座2，经偏航减速器3与固定在塔筒法兰盘上的偏航大齿轮1联接；偏航制动器5固定于机舱基座；风向仪安装于机舱外表面顶部；偏航计数器安装于机舱底端。各个构成部件的结构和连接关系如图3所示。

如图4所示，本发明采用的偏航电机为具有Halbach磁体结构的2对极永磁电机，永磁材料采用具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼。定子由铁轭6和电枢绕组8构成，Halbach磁体阵列7固定于转轴9周围，其中的每块磁体按照一定方式进行充磁并固定在一起。气隙磁场强度随电机每极所分成Halbach磁体块数的增加而不断增大，但造价会升高。在应用过程中，可根据实际风力发电机组偏航装置的需要以及机组的工作环境合理选择电机每极所分磁体的块数。当机组的工作环境恶劣或风向变化频繁导致偏航轴承磨损率高时，可适当增加每极的磁体块数。

若每极所分成的磁体块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式

θ_{i} = \frac{360 \cdot (1 - i)}{2 pn}

进行，然后将各磁体固定在一起。图5为2对极每极2块磁体的Halbach磁体结构永磁电机转子示意图，其中(a)为转子永磁体阵列结构图，(b)为气隙磁场分布图。图6为2对极每极3块磁体的Halbach磁体结构永磁电机转子示意图，其中(a)为转子永磁体阵列结构图，(b)为气隙磁场分布图。图7为2对极每极4块磁体的Halbach磁体结构永磁电机转子示意图，其中(a)为转子永磁体阵列结构图，(b)为气隙磁场分布图。

风力发电机组偏航装置的功能主要包括偏航转向控制、偏航制动及解缆三个方面：

(1)偏航转向控制

为保证叶轮面对风，风力发电机组利用安装在机舱顶端的风向仪检测风向，风向仪发出的信号输入至控制器进行判断，当风向与机舱间出现角度偏差并超出预定范围时，控制器发出指令，释放偏航制动器，偏航控制继电器放大电流信号使偏航接触器工作，驱动Halbach磁体结构永磁电机带动偏航减速器旋转，偏航减速器与安装在塔筒顶端法兰盘上的偏航大齿轮产生啮合传动，机舱在旋转力的作用下开始转动。控制器根据风向仪的信号确定风向与机舱间的偏差处于合理范围内时，发出指令使偏航制动器工作，机舱处于正确的迎风位置。

风力发电机组的风速仪将风速大小信号传递至控制器。当风速信号超出风力发电机组的承受范围且已持续一定时间或外部发出停机指令时，控制器发出信号释放偏航制动器，偏航控制继电器使偏航接触器工作，驱动Halbach磁体结构永磁电机、偏航减速器工作，使机舱进行侧风转动。控制器根据风向仪的信号确定风向与机舱间的偏差处于合理范围内时，发出指令使偏航制动器工作，机舱处于正确的侧风位置。此时，控制器仍继续接收来自风速仪的风速大小信号，当风速大小属于风力发电机组的正常运行范围且持续一定时间时，控制器发出指令，释放偏航制动器，偏航控制继电器使偏航接触器工作，驱动Halbach磁体结构永磁电机、偏航减速器工作，使机舱进行迎风转动，同时控制器向机组发出重新起动指令。

(2)偏航制动

为保证风向指向的校正，机舱必须具有在塔架顶端旋转的能力。在风向不变的情况下，机舱应处于正确位置准确定位。当需要进行偏航定位时，控制器发出指令使偏航制动器工作，在机舱静止时保持定位，使附加载荷通过偏航制动器从机舱传至塔筒。

(3)解缆

当扭缆传感器向控制器发出扭缆信号时，控制器向机组发出停机信号并根据偏航计数器及风向仪的信号进行判断，确定偏航解缆的方向，释放偏航制动器，偏航控制继电器接通偏航接触器，驱动Halbach磁体结构永磁电机、偏航减速器工作，使机舱偏航，实现解缆的目的。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或具体实施方式，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在装置构成和使用的某些细节上会有所变化，这些变化和应用都应属于本发明的范围内。此外，本发明所提及的各种部件的实现均可采用常规的器件和设计方法，本领域的技术人员能够不经过创造性劳动实现本发明。

Claims

1.一种风力发电机组偏航装置，包括控制器、偏航制动器、偏航控制继电器、偏航接触器、偏航电机、偏航减速器、偏航外齿轮、偏航计数器、扭缆传感器、风向仪和风速仪，电机与偏航减速器相连，偏航减速器与偏航大齿轮相啮合，控制器根据风向仪或风速仪输入的信号，控制偏航制动器，并通过偏航控制继电器和偏航接触器控制偏航电机运转，由偏航电机通过偏航减速器驱动偏航大齿轮，其特征在于，所述电机为Halbach磁体结构永磁电机，所述Halbach磁体结构永磁电机的定子由电枢绕组和铁轭构成，转子由转轴以及固定在转轴周围的Halbach永磁体阵列构成。