CN101839218B - 直驱式风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种直驱式风力发电机组，属于风力发电技术领域。包括设置于塔筒的风轮单元、电机单元和机舱单元，所述的电机单元的伸出前端外壳的转子轴端与风轮单元的轮毂连接，伸出后端外壳的主轴端固定在机舱单元的机舱上，电机单元的定子通过变流器与电网连接。本发明中的电机定子和变流器相连，使机组发出来的电能经过变流器转化为频率为50Hz的交流电并入电网，不受发电机转速的限制。发电机的永磁转子和定子均为多级，使电机在低转速下即可达到预定功率。不用齿轮箱来提速，直接与风轮轮毂相连，省略了齿轮箱，不仅可以减轻风机体积和重量、免去齿轮箱的成本和维护程序，还可以提高风机的寿命和转化效率，同时还可降低噪声、减少风机整体的故障率。

Description

直驱式风力发电机组

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种更易于将风能转化为电能的直驱式风力发电机组。

背景技术

在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源，我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，风力发电技术就是在这个历史背景下应运而生并快速发展起来的。

利用风力发电，其实早在本世纪初的三十年代就开始了，在国外就成功地研制了一些小型风力发电装置，这些风力发电所需要的装置，就是我们今天所说的风力发电机组。早期的机组包括风轮、传动装置、发电机和塔架结构及辅助部件等部分组成。其中，风轮是把风的动能转变为机械能的关键部分，它一般由两只(或三只)螺旋桨固定在叶轮上组成。当风吹向桨叶面时，桨叶工作面和背面的压差便会产生一个载荷，这个载荷的一个分量绕着轮毂轴线形成一个扭转力矩，便会驱动风机的风轮转动。传动装置，除了传递扭矩，还要把叶轮的低速旋转转化为发电机需要的高速旋转，因此传动装置除了轴承和联轴器外还有齿轮箱组成。而塔架作为整个风机的物理支撑，必须满足强度、刚度、和稳定性要求。同时有一定高度，这个高度是由该地区不同高度的风况决定的。辅助部件主要是为了实现在风向、风速发生变化时，对叶轮整体角度及叶轮桨叶角度的调节功能而存在的。其中齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中故障率和损坏率都较高的部件，研制一种科学的由风轮直接驱动发电机的风力发电机组，已成为风电技术发展的一个趋势。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种直驱式风力发电机组。它是由风轮直接驱动发电机，使发电机发电的设备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括设置于塔筒的风轮单元、电机单元和机舱单元，所述的电机单元的伸出前端外壳的转子轴端与风轮单元的轮毂连接，伸出后端外壳的主轴端固定在机舱单元的机舱上，电机单元的定子通过变流器与电网连接。

所述的电机单元包括主轴、永磁转子、定子、外壳和制动器，外壳包括前端外壳、后端外壳和与两者分别连接的旋转外壳，主轴置于外壳内，且两端伸出前端外壳和后端外壳，所述的永磁转子内设有转子轴，转子轴通过第一、第二轴承安装在外壳内的主轴上，且一端伸出前端外壳，定子置于外壳内固定在旋转外壳上，制动器的刹车片固定在后端外壳上，其刹车盘固定在转子轴上，工作时，伸出前端外壳的转子轴与风轮轮毂连接，制动器通过液压泵与机舱控制柜连接。所述的转子为多级永磁体转子。所述的第一轴承为推力圆柱滚子轴承，第二轴承为圆柱孔调心滚子轴承。在后端外壳上还设有至少一个冷却风扇。在电机主轴及第一、第二轴承上均设有温度传感器，各温度传感器分别与机舱控制柜连接。

所述的风轮单元由轮毂、叶片及控制驱动机构组成，其中每一枚叶片均具有独立的控制驱动机构，并通过其控制驱动机构安装在轮毂圆周上，所述的控制驱动机构由变桨轴承、变桨电机及变桨控制柜构成，每一枚叶片均通过变桨轴承与其对应的变桨电机连接，变桨轴承的外环沿圆周均匀固定在轮毂上，每一枚叶片的根部分别固定在变桨轴承的内环上，在轮毂内部与每一枚叶片位置相对应分别安装变桨控制柜，变桨电机的轴端齿轮与变桨轴承内环的齿轮相啮合，变桨电机通过扭转变桨轴承内环来改变安装在其上的叶片的升角，变桨电机通过变桨控制柜与外部电源相连，变桨控制柜的信号输入端与远端网络连接。

所述的机舱单元包括机舱、机舱控制柜、偏航电机、偏航轴承、偏航刹车器及设置在机舱上的风向标和风速仪，四个偏航电机均匀置于机舱四周，偏航电机输出轴端齿轮和偏航轴承的外环齿轮相啮合，偏航刹车盘固定在偏航轴承的内环上，机舱固定在偏航刹车盘上，机舱控制柜固定在机舱内，与外电网连接，机舱内的温度传感器、风向标和风速仪分别与机舱控制柜的信号输入端连接，其信号输出端分别与四个偏航电机连接，偏航轴承外环和塔筒固定连接。所述的偏航轴承外环相配合连接有扭缆角度传感器，扭缆角度传感器与机舱控制柜连接。

本发明的有益效果为：

1.传统的风力发电设备中发电机的永磁转子级数比较少，它只有在一定转速下才能接近、达到额定功率。而本发明中的发电机转子部分采用多级永磁转子，其永磁转子和定子的级数相同，本发明均选用78级，因此该电机在低转速下即可达到预定功率。所以不用齿轮箱来提速，直接与风轮轮毂相连，省略了齿轮箱，不仅可以减轻风机体积和重量、免去齿轮箱的成本和维护程序，还可以提高风机的寿命和转化效率，同时还可以降低噪声、减少风机整体的故障率。使结构简单。

2.为了解决电机工作过程中温度过高的问题，电机主轴及第一、第二轴承上均设有温度传感器，以实时检测电机运转中的状态，并在电机的在后端外壳上设有至少一个冷却风扇，以达到降温要求。

3.风轮单元的每一枚叶片均具有独立的控制驱动机构，在叶片控制系统出现问题时，只要不是三个同时出现故障，便可以至少有一个桨叶收桨，从而使风轮实现气动刹车。

4.在机舱上设置与机舱控制柜相连接的风速仪，以调整叶片升角。

5.传统机组通过转子与变流器连接，机组发出来的电能是通过变流器后直接并入电网的，风轮转速对传统双馈发电机并网影响较大，双馈发电机的转子和变流器相连，风轮转速较低时，双馈发电机的耗电较大且变流器也不允许，所以只有在发出的交流电的频率等参数和电网规定值相符时才可以并网发电，对发电机转速有一定要求。而本发明中直驱发电机的定子和变流器相连，使机组发出来的电能经过变流器转化为频率为50Hz的交流电并入电网，不受发电机转速的限制，并网时对风轮转速要求不高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的局部放大示意图。

图3为图1中电机单元的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1：如图1所示，本发明包括塔筒5、风轮单元4、电机单元3和机舱单元2，所述的电机单元3的伸出前端外壳409的转子轴410端与风轮单元4的轮毂402连接，伸出后端外壳405的主轴403端固定在机舱单元2的机舱204上，电机单元3的定子通过变流器与电网连接。

所述的风轮单元4包括轮毂402、叶片401及控制驱动机构，其中每一枚叶片401均具有独立的控制驱动机构，并通过其控制驱动机构安装在轮毂402圆周上，所述的控制驱动机构包括变桨轴承403、变桨电机405及变桨控制柜404，每一枚叶片401均通过变桨轴承403与其对应的变桨电机405连接，即：每一枚叶片401均通过变桨轴承403与其对应的变桨电机405连接，叶片401及变桨电机405均匀安装在轮毂402圆周上，变桨电机405通过变桨控制柜404与外部电源相连，变桨控制柜404的信号输入端与远端网络连接。

本例叶片401为三枚，与其对应的变桨轴承403及变桨电机405均为3个，三个变桨轴承403的外环沿圆周均匀固定在轮毂402上，三枚叶片401的根部分别固定在三个变桨轴承2的内环上，在轮毂402内部与三个叶片401位置相对应分别安装三个变桨控制柜404，变桨电机405的轴端齿轮与变桨轴承403内环的齿轮相啮合。变桨电机405通过扭转变桨轴承403内环来改变安装在其上的叶片401的升角，其中变桨控制柜404与风速仪205通讯，其电源由外电网提供，变桨控制柜404根据风速仪的信号调整叶片角度，实现发电机的最大功率输出。

如图3所示，所述的电机单元包括主轴303、转子轴310、永磁转子308、定子307、外壳和制动器304，外壳包括前端外壳309、后端外壳305和与两者分别连接的旋转外壳306，主轴303置于外壳内，且两端伸出前端外壳309和后端外壳305，其转子轴310通过第一、第二轴承安装在外壳内的主轴303上，且一端伸出前端外壳309，定子307置于外壳内固定在旋转外壳306上，永磁转子308安装于定子307内的转子轴310上，制动器304的刹车片固定在后端外壳305上，其刹车盘固定在转子轴310上，工作时，伸出前端外壳309的转子轴310与风轮轮毂连接，制动器304通过液压泵与机舱控制柜207连接。

其中永磁转子308为多级永磁体转子，永磁转子308和定子307级数相同，本例均采用78级。第一轴承302为推力圆柱滚子轴承，第二轴承311为圆柱孔调心滚子轴承，在后端外壳305上还设有冷却风扇301，根据工作环境及工作要求确定冷却风扇301的数量，至少为1个，本例沿后端外壳305圆周均匀设有3个冷却风扇301。电机主轴303为空心轴，在电机主轴303及第一、第二轴承上均设有与外部控制器连接的温度传感器，温度传感器将信号传送到外部传感器，以检测轴承温度。

如图3所示，轮毂402内变桨控制柜404所需的信号线缆和电源线缆均从电机主轴303内通过，电机主轴303一端固定在机舱203上，一端与轮毂402连接，风轮轮毂402带动转子轴310运转，从而带动永磁转子308旋转，定子307线圈中的每一根导线都在切割磁力线并直接产生正弦式交流电动势，再经定子307上的电缆将此电能传送到机舱控制柜207，输出至电网中。

所述的机舱单元2包括机舱204、机舱控制柜207、四个偏航电机203、1个偏航轴承201、偏航刹车器202及设置在机舱204上的风向标205和风速仪206。四个偏航电机203均匀置于机舱204的四周，偏航电机203输出轴端齿轮和偏航轴承201的外环齿轮相啮合，偏航刹车器202的刹车盘固定在偏航轴承201的内环上，机舱204固定在偏航刹车器202的刹车盘上，机舱控制柜207固定在机舱204内，与从塔筒5底端输入的外电网连接，机舱204内的温度传感器、风向标205和风速仪206分别与机舱控制柜207的信号输入端连接，其信号输出端分别与四个偏航电机203连接，偏航轴承201外环和塔筒5固定连接。

所述的偏航轴承201外环相配合连接有扭缆角度传感器，其与机舱控制柜207通讯，扭缆角度传感器测得的信号传输给机舱控制柜207，经机舱控制柜207分别输出电信号给偏航电机203，驱动其运转。

本发明的工作原理：

在叶片401启动前，当风速仪206在一段时间内测得风速平均值大于等于切入风速值且小于切出风速值时，变桨控制柜404发出信号，变桨电机405将桨距角调整到最大升角，当叶片401上的风压载荷在轮毂402轴心产生的转矩超出风轮静摩擦力产生的扭矩时，轮毂402便开始运转。

在额定风速范围之内，变桨控制柜404将保持叶片401升角最大值不变。机组在额定功率之下运行。

当风速仪206在一段时间内测得的平均风速大于等于额定风速且小于切出风速时，变桨控制柜404将调整叶片401升角减少并和风速保持一定对应关系，从而保持机组在额定功率（1.5MW）运行。

当风速仪206在一段时间内测得的平均风速大于等于切出风速时，变桨控制柜404将发出信号，将叶片401升角减少到最小值，机组停止运行，机组进入保护状态。

在机组启动前或正常运行中，当风向标205测得的风向角和机组的风轮单元4叶片401正方向的夹角在一定时间内保持超出设定值时，机舱控制柜404发出信号，松开偏航刹车器202，四个偏航电机203开始同步运转调整风轮正方向对准风向。

当机舱204连续在一个方向旋转达到720度时，机舱控制柜207发出信号，叶片401升角减少到最小值，松开偏航刹车器202，偏航电机203调整风机朝相反方向连续转动720度，机舱控制柜404将重新根据风向标205测得信号重新确定风轮方向，变桨控制柜404也将重新根据风速仪206调整叶片401升角到对应值，机组开始正常运行。

Claims (8)

1.一种直驱式风力发电机组，包括设置于塔筒的风轮单元、电机单元和机舱单元，所述的电机单元的伸出前端外壳的转子轴端与风轮单元的轮毂连接，伸出后端外壳的主轴端固定在机舱单元的机舱上，电机单元的定子通过变流器与电网连接；其特征在于：所述的风轮单元由轮毂、叶片及控制驱动机构组成，其中每一枚叶片均具有独立的控制驱动机构，并通过其控制驱动机构安装在轮毂圆周上，所述的控制驱动机构由变桨轴承、变桨电机及变桨控制柜构成，每一枚叶片均通过变桨轴承与其对应的变桨电机连接，变桨轴承的外环沿圆周均匀固定在轮毂上，每一枚叶片的根部分别固定在变桨轴承的内环上，在轮毂内部与每一枚叶片位置相对应分别安装变桨控制柜，变桨电机的轴端齿轮与变桨轴承内环的齿轮相啮合，变桨电机通过扭转变桨轴承内环来改变安装在其上的叶片的升角，变桨电机通过变桨控制柜与外部电源相连，变桨控制柜的信号输入端与远端网络连接。

2.根据权利要求1所述的直驱式风力发电机组，所述的电机单元包括主轴、永磁转子、定子、外壳和制动器，外壳包括前端外壳、后端外壳和与两者分别连接的旋转外壳，主轴置于外壳内，且两端伸出前端外壳和后端外壳，其特征在于：所述的永磁转子内设有转子轴，转子轴通过第一、第二轴承安装在外壳内的主轴上，且一端伸出前端外壳，定子置于外壳内固定在旋转外壳上，制动器的刹车片固定在后端外壳上，其刹车盘固定在转子轴上，工作时，伸出前端外壳的转子轴与风轮轮毂连接，制动器通过液压泵与机舱控制柜连接。

3.根据权利要求2所述的直驱式风力发电机组，其特征在于：所述的转子为多级永磁体转子。

4.根据权利要求2所述的直驱式风力发电机组，其特征在于：所述的第一轴承为推力圆柱滚子轴承，第二轴承为圆柱孔调心滚子轴承。

5.根据权利要求2所述的直驱式风力发电机组，其特征在于：所述的后端外壳上还设有至少一个冷却风扇。

6.根据权利要求2所述的直驱式风力发电机组，其特征在于：所述的电机主轴及第一、第二轴承上均设有温度传感器，各温度传感器分别与机舱控制柜连接。

7.根据权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于：所述的机舱单元包括机舱、机舱控制柜、偏航电机、偏航轴承、偏航刹车器及设置在机舱上的风向标和风速仪，四个偏航电机均匀置于机舱四周，偏航电机输出轴端齿轮和偏航轴承的外环齿轮相啮合，偏航刹车盘固定在偏航轴承的内环上，机舱固定在偏航刹车盘上，机舱控制柜固定在机舱内，与外电网连接，机舱内的温度传感器、风向标和风速仪分别与机舱控制柜的信号输入端连接，其信号输出端分别与四个偏航电机连接，偏航轴承外环和塔筒固定连接。

8.根据权利要求7所述的直驱式风力发电机组，其特征在于：所述的偏航轴承外环相配合连接有扭缆角度传感器，扭缆角度传感器与机舱控制柜连接。

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