CN102005841B - 半直驱兆瓦级永磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半直驱兆瓦级永磁风力发电机，涉及风力发电机技术领域，包括永磁体固定结构，冷却通风结构轴承绝缘结构和定子铁心压紧结构，所述永磁体固定结构包括用于安装永磁体的磁钢固定架，和不锈钢螺栓，磁钢固定架底部与永磁体紧密贴合，在所述磁钢固定架底部两端的连接耳上开有用于与不锈钢螺栓匹配的通孔，磁钢固定架经所述不锈钢螺栓与转子圆筒相连接。本发明一方面克服了现有的较大功率表面式永磁转子永磁体在转子上固定不牢的缺陷，保证了发电机的可靠性和效率，另一方面，克服了现有通风结构的不足，增加了风路长度，提高了散热效率，从而有效地降低了电机的运行温升。

Description

半直驱兆瓦级永磁风力发电机

技术领域

    本发明涉及风力发电机技术领域，确切地说涉及一种半直驱兆瓦级永磁风力发电机。

背景技术

永磁风力发电机通常包括发电机定子、转子、出线盒等部件。除此之外，还需要永磁体的固定部件，磁钢的装配工具，冷却通风部件、绝缘轴承和定子铁心压紧结构等等。现有永磁发电机存在如下缺点：

1、对于永磁风力发电机表面磁钢的固定结构，现有技术中出现了一种新型的表面式永磁体固定方式，如公开号为CN2840480，公开日为2006年11月22日的中国专利文献公开了一种表面式永磁体固定方式，其技术方案是在永磁体中心开孔，所开的孔与转子上开的孔用不锈钢螺栓固定并用胶粘合，这种固定方式虽然能使永磁体牢固固定在转子上，能方便永磁体分段安装，但是由于永磁体的中心开孔会影响气隙磁场，从而降低了发电机的效率。

2、对于永磁风力发电机的通风结构部分，现有的通风结构一般是：由冷却器进风，从电机一端和电机径向通风道经过气隙通到电机另一端，再返回冷却器；或者由冷却器进风，从电机两端经过气隙后由电机径向通风道返回冷却器，如公开号为CN2482762，公开日为2002年3月20日的中国专利文件公开了一种永磁发电机通风结构，电机端盖与转子连结,随之转动， 端面上设通风孔，至少一个端盖上设相对端盖端面扭转一角度的风叶，使转子转动时产生轴向的气流流过电机内。本通风结构，以简单方式提供小型发电机自通风，对接近地附装于原动机构成发电机组时，此轴向气流对向原动机方，有利于阻止原动机的发热传向发电机。但是，对于轴径比较小的永磁同步风力发电机，上述的通风结构显然不能有效的散热，不能有效保证电机的温升符合要求。

3、对于轴承绝缘结构，现有技术常采用绝缘材料隔断轴承与端盖之间的连接，如公开号为CN101728894A，公开日为2010年6月9日的中国专利公开了一种绝缘端盖，该绝缘端盖结构是在轴承外圈设有径向与轴向的绝缘套，这种绝缘结构的绝缘套结构简单，制造容易，且能较好的保护轴承与电机，但是其绝缘套轴向有台肩，因此对加工、工艺安装要求较高。

4、针对定子铁心需要压紧，常见的有通过数根拉紧螺杆穿过铁心，然后靠拧紧螺母压紧铁心的方式；另外一种方式是通过键或鸽尾筋等导向进行铁心装压，最后把弧键、铁心压板和机座等焊牢以固定铁心；对于定子铁心采用外装压的情况则可采用铁心背部装焊拉筋的方式固定。以上几种方式，均可有效固定压紧定子铁心，但是由于焊缝存在，使得铁心装压后铁心松紧程度不易调节，太松易引起铁心振动，太紧会使冲片间的毛刺贴合形成回路，加大铁心损耗。另外采用拉紧螺杆虽然可以调节铁心松紧程度，但是由于螺杆螺纹承受整个铁心压紧拉力，可能造成螺杆剪断失效。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种半直驱兆瓦级永磁风力发电机，本发明一方面克服了现有的较大功率表面式永磁转子永磁体在转子上固定不牢的缺陷，保证了发电机的效率，另一方面，克服了现有通风结构的不足，增加了风路长度，提高了散热效率，从而降低了电机的运行温升，再一方面，提高了轴承绝缘性能，降低了维修制造成本，提高了发电机的使用寿命，最后，能使定子铁心的压紧程度易于调节，铁心压紧后固定的受力部分为整个螺栓，较仅仅依靠螺纹受力的方式可靠性得到大大提高。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种半直驱兆瓦级永磁风力发电机，包括永磁体固定结构，冷却通风结构，轴承绝缘结构和定子铁心压紧结构，其特征在于：所述永磁体固定结构包括用于安装永磁体的磁钢固定架，和不锈钢螺栓，磁钢固定架底部与永磁体紧密贴合，在所述磁钢固定架底部两端的连接耳上开有用于与不锈钢螺栓匹配的通孔，磁钢固定架经所述不锈钢螺栓与转子圆筒相连接，所述磁钢固定架的材质为不锈钢。

所述冷却通风结构包括冷却器、盖板、隔板、机座弧板、肋板和定子铁心；其中，冷却器置于电机顶部，圆筒状的机座弧板置于定子铁心外，盖板安装在所述机座弧板外，隔板位于机座弧板和盖板之间，且隔板将机座弧板和盖板区域隔离成轴向互不通风的两个风区，冷却器的进风端和出风端分别连通所述两个不同风区，在所述机座弧板上沿圆周方向均布有多组径向通风孔，在机座弧板与定子铁心之间装有多个轴向肋板。

所述轴承绝缘结构包括安装于发电机主轴轴承套上的轴承，安装在轴承轴向两端面的两个绝缘环，设置在轴承外圈的绝缘钢圈，和用于固定轴承内盖和外盖的螺栓，螺栓经绝缘垫圈穿入绝缘套筒中，绝缘套筒贯穿入所述两绝缘环。

所述的定子铁心压紧结构，包括一侧与定子铁心紧密接触的定子铁心压板，在定子铁心压板的另一侧设置有与定子铁心压板紧密接触的锁紧环，在机座上开有螺孔，锥形锁紧螺栓与所述螺孔配合，所述锥形锁紧螺栓是指锁紧螺栓的前端为圆锥台形，且锁紧环的外侧也为圆锥台形，锥形锁紧螺栓中圆锥台形外侧面，与锁紧环中圆锥台形外侧面紧密接触。

所述磁钢固定架由一特定形状的不锈钢钢板弯折而成，形成了包括弯曲弧度与永磁体相匹配的底部，和侧面挡板，以及两端的连接耳，永磁体装配在由底部和侧面挡板围成的半封闭腔体中。

所述两连接耳以磁钢固定架底部的中心呈中心对称布置。

多个肋板沿定子铁心外表面周向均布，多个肋板将风道分为若干个沿定子铁心圆周方向独立的轴向风道。

位于所述两部分的各组径向通风孔错落分布。

所述绝缘钢圈由钢圈和绝缘层组成，绝缘层固定在钢圈外壁。

所述钢圈外壁开有两圈凹槽，绝缘层烫包在凹槽上。

所述绝缘层的材质为环氧酚醛玻璃坯布。

所述锥形锁紧螺栓的个数为多个，锥形锁紧螺栓沿着锁紧环的圆周上均匀分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、本发明中，采用的永磁体固定结构，用磁钢固定架的固定结构，能牢牢将永磁体固定在磁钢固定架中，而磁钢固定架经过不锈钢螺栓能牢固地固定在转子圆筒上，磁钢固定架为不锈钢材质，从而既克服了现有的较大功率表面式永磁转子永磁体在转子上固定不牢的缺陷，使永磁体牢牢固定在转子表面上，且也不用在永磁体中心开孔，从而保证了发电机的可靠性和效率。

2、本发明中，采用的冷却通风结构，在机座弧板上交替开有通风孔，机座弧板与盖板间区域由隔板分为互不通风的轴向两个风区，肋板把机座弧板与定子铁心沿圆周分为若干独立风道，如此就增加了电机的风路长度，从而提高散热效率，本通风结构最大特点是通过改变结构增加风路长度，从而使电机的运行温升降得更低。

3、本发明中，采用的轴承绝缘结构，采用设置在轴承外圈的绝缘钢圈，这样就构成了轴承的径向绝缘，而采用安装在轴承轴向两端面的两个绝缘环，螺栓经绝缘垫圈穿入绝缘套筒中，绝缘套筒贯穿入所述两绝缘环，这样就形成了轴承的轴向绝缘，电机在运行时，就可以阻断主轴—轴承—端盖—机座的电流通路，能保护轴承、延长电机定期维护周期；提高了轴承绝缘性能，降低维修制造成本，且工艺安装、拆卸方便，使轴承选型不受限制，适用范围广，轴承使用寿命延长，尤其适合使用在大中型电机上。

4、本发明中，所采用的铁心压紧结构，通过锥形锁紧螺栓与锁紧环紧密接触的方式，在拧紧螺栓过程中锁紧环就会逐渐将压力传向定子铁心，这样就可以方便的通过调整锥形锁紧螺栓拧紧长度来调节定子铁心的压紧程度。并且铁心压紧后固定的受力部分为整个螺栓，可靠性提高。

5、本发明中，永磁体安装在磁钢固定架中，磁钢固定架底部与永磁体密贴合，在装配时，由于磁钢固定架的特殊形状，可以保证永磁体紧紧贴合在磁钢固定架的底部及侧面挡板上，使永磁体在前后左右均不会发生窜动；

磁钢固定架由特殊形状的不锈钢钢板弯折而成，这样的结构形式比较简单，节约了成本，操作容易，具有广阔的市场应用价值；

连接耳以磁钢固定架底部的中心呈中心对称布置，这样当在转子圆筒上装配多个固定结构时，能使相邻的两个固定结构上的连接耳位置刚好错开，从而减少了相邻两磁钢固定架之间的固定距离，提高了发电机的效率；

永磁体安装在非导磁的磁钢固定架里，磁钢固定架既能起到保护永磁体的作用，又能保证永磁体不会窜动；磁钢固定架通过不锈钢螺栓与转子圆筒连接固定，比利用粘胶固定或无纬带绑扎固定方式更为牢固，相比于已有专利中的磁钢中心开孔通过不锈钢螺栓固定的气隙磁场更好。

6、本发明中，多个肋板沿定子铁心外表面周向均布，位于所述两个风区的各组径向通风孔错落分布，所述轴向风道的个数与机座弧板上开设的径向通风孔个数匹配，每组径向通风孔的个数为4个，冷却器采用空-水冷却器，能进一步增加风路长度，提高散热效率，进一步降低了电机的运行温升。

7、本发明中，绝缘钢圈上开有凹槽，绝缘层通过烫包的方式固定在钢圈外壁，效果更好，绝缘层的材质采用环氧酚醛玻璃坯布，绝缘效果得到进一步提高。

8、本发明中，锥形锁紧螺栓的数量可以自由调节，便于进一步将定子铁心压紧。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为永磁电机表面式永磁体在转子表面上的固定结构示意图

图2为磁钢固定架的结构示意图

图3为磁钢装配结构示意图

图1-3中标记：

1、转子圆筒，2、永磁体，3、磁钢固定架，4、不锈钢螺栓，5、连接耳，6、侧面挡板，7、底部。

图4为本发明的通风结构主视图

图5为盖板、隔板与机座弧板的装配示意图

图6为机座弧板结构图

图7为图4中的A-A剖视图

图8为图4中B-B剖视图

图9为本发明的风路流程图

图4-9中标记：

1、冷却器，2、盖板，3、隔板，4、机座弧板，5、肋板，6、定子铁心。

图10为轴承绝缘结构示意图

图11为安装于轴承外圈上的绝缘钢圈示意图

图10-11中标记：

1、轴承，2、第一绝缘环，3、钢圈，4、绝缘层，5、绝缘垫圈，6、绝缘套筒，7、第二绝缘环，8、螺栓。

图12为铁心压紧结构的整体结构示意图

图12中标记：

1、定子铁心压板，2、锁紧环，3、锥形锁紧螺栓。

具体实施方式

实施例1

本发明公开了一种半直驱兆瓦级永磁风力发电机，包括永磁体固定结构，冷却通风结构，轴承绝缘结构和定子铁心压紧结构，如图1~3所示，所述永磁体固定结构包括用于安装永磁体2的磁钢固定架3和不锈钢螺栓4，磁钢固定架3底部7与永磁体2紧密贴合，在所述磁钢固定架3底部7两端的连接耳5上开有用于与不锈钢螺栓4匹配的通孔，磁钢固定架3经所述不锈钢螺栓4与转子圆筒1相连接，所述磁钢固定架3的材质为不锈钢。

永磁体2安装在磁钢固定架3中，磁钢固定架3底部7与永磁体2紧密贴合，在装配时，由于磁钢固定架3的特殊形状能保证永磁体2紧紧贴合在磁钢固定架3底部7及侧面挡板6上，使永磁体2在前后左右均不会发生窜动。

结合说明书附图说明本实施方式，基于设计形状的瓦形永磁体2应设计合适的磁钢固定架3（如图2），此固定架由非导磁的不锈钢钢板弯形而成，弯形后与永磁体2装配时能保证两者紧紧贴合，使之在前后及左右均不会窜动，形成磁钢装配（如图3）。磁钢固定架3上开有通孔与转子圆筒1上螺孔正对，通过不锈钢螺栓4连接。如此永磁体2就通过磁钢固定架3包裹，使用不锈钢螺栓4固定在转子圆筒1上。

对已设计好的永磁体2设计专用的非导磁磁钢固定架3，此磁钢固定架3三面环抱永磁体2，一面贴合转子，使之不能窜动，能牢牢固定于转子表面上。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明另一较佳实施方式如下：如图4~9所示，冷却通风结构包括冷却器1、盖板2、隔板3、机座弧板4、肋板5和定子铁心6；其中，冷却器1置于电机顶部，圆筒状的机座弧板4置于定子铁心6外，盖板2置于所述机座弧板4外，隔板3位于机座弧板4和盖板2之间，且隔板3将机座弧板4和盖板2之间区域隔离成轴向互不通风的两个风区，冷却器1的进风端和出风端分别与盖板2连通，进风端和出风端分别连通所述两个风区，在所述机座弧板4上沿圆周方向均布有多组径向通风孔，在机座弧板4与定子铁心6之间装有轴向的多个肋板5。多个肋板5沿定子铁心6外表面周向均布，多个肋板5将风道分为若干个沿定子铁心6圆周方向独立的轴向风道。位于所述两个风区的各组径向通风孔错落分布。所述轴向风道的个数与机座弧板4上开设的径向通风孔个数匹配。每组径向通风孔的个数为4个。所述冷却器1为空-水冷却器。

如图4所示，冷却器1放置于电机顶部；机座弧板4和盖板2之间装有隔板3，机座弧板4与盖板2被隔板3隔离成轴向互不通风的两个风区，盖板2、隔板3与机座弧板4的装配示意图如图5所示；机座弧板4上沿圆周交替开有径向通风孔，如图6所示；机座弧板4与定子铁心6之间装有轴向肋板5（肋板5沿定子铁心6外表面周向均布），肋板5把风道分为若干沿圆周方向独立的轴向风道，其形成的独立风道数与机座弧板4上交替开的通风孔相关。总体风路如图4所示，由冷却器1离心式风扇往电机端部和电机定子铁心6背部鼓冷风，经由定子铁心6径向通风道、气隙、转子通风道， 通向电机另一端和定子铁心6背部，再回到冷却器1；图7为图4的A-A视图，如图所示在机座弧板4和盖板2间是沿圆周周向鼓风，同时由机座弧板4通风孔往电机定子铁心6背部吹风；图8为图4的B-B视图，如图所示在机座弧板4和盖板2间是沿圆周周向抽风，同时由机座弧板4通风孔往电机定子铁心6背部抽风。结合图4、图7和图8，图9以流程图说明了此发明的风路结构。其余同实施例1。

实施例3

在实施例1和2的基础上，本发明的一较佳实施方式为：如图10~11所示，轴承绝缘结构包括安装于发电机主轴轴承套上的轴承1，安装在轴承1轴向两端面的两个绝缘环，设置在轴承1外圈的绝缘钢圈，和用于固定轴承1内盖和外盖的螺栓8，螺栓8经绝缘垫圈5穿入绝缘套筒6中，绝缘套筒6贯穿所述两绝缘环。

本发明由安装于发电机主轴轴承套上的轴承1，在轴承1轴向两端面的绝缘环，轴承1外圈的钢圈3和钢圈3外面绝缘层4，内、外盖固定螺栓8之间的绝缘垫圈5和绝缘套筒6组成，如此就形成了轴承1和端盖间的整体绝缘。

轴承1外圈安装有绝缘钢圈，其绝缘钢圈由钢圈3和绝缘层4组成；在紧贴轴承1两端面分别设置一个第一绝缘环2和第二绝缘环7；通过带有绝缘垫圈5和绝缘套筒6的螺栓8固定轴承1的内、外盖。

如图11所示绝缘钢圈由钢圈3和绝缘层4组成，其中钢圈3采用碳素结构钢制造，钢圈3外面开有两圈凹槽，再在外圈烫包一定厚度的环氧酚醛玻璃坯布作为绝缘层4，如此就构成了轴承1的径向绝缘；轴承1两侧设置有层压玻璃布板压制成第一绝缘环2和第二绝缘环7，绝缘环上开孔，通过带有绝缘垫圈5和绝缘套筒6的螺栓8固定住轴承1的内、外盖，如此形成了轴承1的轴向绝缘。这样在电机运行时，就可以阻断主轴—轴承1—端盖—机座的电流通路，能保护轴承1、延长电机定期维护周期。

实施例4

作为本发明的一最佳实施方式如下：在实施例3的基础上，参照图12，定子铁心压紧结构包括一侧与定子铁心紧密接触的定子铁心压板1，在定子铁心压板1的另一侧设置有与定子铁心压板1紧密接触的锁紧环，在机座上开有螺孔，锥形锁紧螺栓3与所述螺孔配合，所述锥形锁紧螺栓3是指锁紧螺栓的前端为圆锥台形，且锁紧环2的一端也为圆锥台形，锥形锁紧螺栓3中圆锥台形的侧面，与锁紧环2中圆锥台形的侧面紧密接触。锥形锁紧螺栓3的个数为多个，锥形锁紧螺栓3沿着锁紧环2的圆周上均匀分布。

工作原理如下：在定子铁心叠片完成后，装上定子铁心压板1，再用一个带锥度锁紧环2和若干个锥形锁紧螺栓3共同作用压紧铁心压板，达到将定子铁心压紧的作用。在机座上开有锁紧螺栓螺孔，在拧紧螺栓过程中锁紧环2就会逐渐将压力传向定子铁心，这样就可以方便的通过调整锁紧螺栓拧紧长度来调节定子铁心的压紧程度。并且铁心压紧后固定的受力部分为整个螺栓，可靠性提高，螺栓的数量可以自由调节，对其他部件安装不会产生影响。

Claims (8)

1.一种半直驱兆瓦级永磁风力发电机，包括永磁体固定结构，冷却通风结构，轴承绝缘结构和定子铁心压紧结构，其特征在于：所述永磁体固定结构包括用于安装永磁体的磁钢固定架，和不锈钢螺栓，磁钢固定架底部与永磁体紧密贴合，在所述磁钢固定架底部两端的连接耳上开有用于与不锈钢螺栓匹配的通孔，磁钢固定架经所述不锈钢螺栓与转子圆筒相连接，所述磁钢固定架的材质为不锈钢，所述冷却通风结构包括冷却器、盖板、隔板、机座弧板、肋板和定子铁心；其中，冷却器置于电机顶部，圆筒状的机座弧板置于定子铁心外，盖板置于所述机座弧板外，隔板位于机座弧板和盖板之间，且隔板将机座弧板和盖板之间区域隔离成轴向互不通风的两个风区，冷却器的进风端和出风端分别与盖板连通，进风端和出风端分别连通所述两个风区，在所述机座弧板上沿圆周方向均布有多组径向通风孔，在机座弧板与定子铁心之间装有轴向的多个肋板。

2.根据权利要求1所述的半直驱兆瓦级永磁风力发电机，其特征在于：所述轴承绝缘结构包括安装于发电机主轴轴承套上的轴承，安装在轴承轴向两端面的两个绝缘环，设置在轴承外圈的绝缘钢圈，和用于固定轴承内盖和外盖的螺栓，螺栓经绝缘垫圈穿入绝缘套筒中，绝缘套筒贯穿所述两绝缘环。

3.根据权利要求2所述的兆瓦级永磁发电机，其特征在于：所述的定子铁心压紧结构，包括一侧与定子铁心紧密接触的定子铁心压板，在定子铁心压板的另一侧设置有与定子铁心压板紧密接触的锁紧环，在机座上开有螺孔，锥形锁紧螺栓与所述螺孔配合，所述锥形锁紧螺栓是指锁紧螺栓的前端为圆锥台形，且锁紧环的一端也为圆锥台形，锥形锁紧螺栓中圆锥台形的侧面，与锁紧环中圆锥台形的侧面紧密接触。

4.根据权利要求1所述的半直驱兆瓦级永磁风力发电机，其特征在于：所述磁钢固定架包括弯曲弧度与转子圆筒和永磁体相匹配的底部，和固定在靠近底部两端螺栓孔处的两个侧面挡板，所述两侧面挡板对称设置，侧面挡板由两端分别向同一方向弯折的不锈钢直钢板形成，永磁体装配在由底部和两侧面挡板围成的半封闭腔体中。

5.根据权利要求1所述的半直驱兆瓦级永磁风力发电机，其特征在于：所述两连接耳以磁钢固定架底部的中心呈中心对称布置。

6.根据权利要求1所述的半直驱兆瓦级永磁风力发电机，其特征在于：多个肋板沿定子铁心外表面周向均布，多个肋板将风道分为若干个沿定子铁心圆周方向独立的轴向风道。

7.根据权利要求2所述的半直驱兆瓦级永磁风力发电机，其特征在于：所述绝缘钢圈由钢圈和绝缘层组成，绝缘层固定在钢圈外壁。

8.根据权利要求7所述的半直驱兆瓦级永磁风力发电机，其特征在于：所述钢圈外壁开有两圈凹槽，绝缘层烫包在凹槽上。

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