CN102280968A - 大型直驱盘式开关磁阻风力发电机及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大型直驱盘式开关磁阻风力发电机，在轮毂带动的主轴上安装转子铁芯、在盘式外壳内安装带定子绕组的定子铁芯，转子铁芯和定子铁芯之间形成气隙，主要包括四种结构形式：单定子、单转子式，双转子、中间定子式，双定子、中间转子式，多定子、多转子式；本发明还公开了包含上述结构的直驱盘式开关磁阻风力发电机系统；本发明由于采用了结构简单可靠的盘式开关磁阻发电机，大幅降低了兆瓦级及以上直驱开关磁阻风力发电机的重量与成本，提高了开关磁阻风力发电机在风电行业的竞争优势。

Description

大型直驱盘式开关磁阻风力发电机及其系统

技术领域

本发明涉及大型直驱开关磁阻风力发电机，特别是涉及一种大型直驱盘式开关磁阻风力发电机及其系统。

背景技术

随着风电产业的不断发展，风电技术也在不断地升级、换代，主要表现为：提高单机容量、发展新技术改善风电机组性能、提高风能利用率、降低风电成本，更加重视风电机组安全性和系统可靠性控制。风电场运行控制、预测调度技术也在不断完善。同时，利用海上风能资源，发展海上风电场建设技术、研制大型海上风电机组成为技术发展重点。

目前功率在兆瓦级及以上的大型风电机组主要以双馈型风力发电机组和直驱全功率变换型风力发电机组为主。双馈型风力发电机组有最好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱。双馈型风力发电机组的传动链必须要有大功率齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求。直驱全功率变换型风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了大功率齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高。但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数永磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，同时随着机组容量的不断增大，大功率变频器价格昂贵增加了其使用成本。

开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心。开关磁阻发电机为双凸极电机。定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，与集中嵌放的定子电枢合二为一。定子接驱动器将电能输出到直流侧，然后通过网侧逆变器将能量馈入电网。开关磁阻电机能量密度大，结构简单，可靠性高，没有去磁效应。系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；可调节无功功率。

开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体。其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，显然，开关磁阻发电机这样的变速发电机可以提高风能的利用效率。由于有上面的特性，加以合理的设计，开关磁阻发电机可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势。运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流。从风力发电的特点考虑，风力发电系统首先要将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电，而且要高效率的实现上述能量转换，以降低成本。以此标准来看，开关磁阻电机风力发电系统在风力发电方面是非常有应用前景的。随着大功率电力电子器件性价比的提高以及控制策略的发展，开关磁阻风力发电系统的优势将会逐渐得以体现。

随着电机功率的增大，电机的体积将会越来越大。特别对于低速电机，例如开关磁阻风力发电机，当功率大于兆瓦或数兆瓦以上时，其体积将会变得相当庞大，且重量重，给运输带来极大困难，同时单位体积的输出功率相对变小，增大了发电机及其系统的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种能大幅降低兆瓦级及以上的直驱开关磁阻风力发电机成本且方便运输的直驱盘式开关磁阻风力发电机。

实现上述目的的技术方案如下：

大型直驱盘式开关磁阻风力发电机，包括轮毂、主轴、前法兰、定子铁芯、机壳、定子绕组、转子铁芯、后法兰、机架、前轴承外轴套、前轴承外端盖、前轴承、前轴承内轴套、前轴承内端盖、后轴承内轴套、后轴承内端盖、后轴承、后轴承外端盖、后轴承外轴套及锁紧螺母；所述轮毂与主轴经螺栓紧固在一起；所述前轴承安装在主轴上，前轴承外轴套与前轴承内轴套安装于主轴上并位于前轴承两端，前轴承外端盖套在前轴承外轴套上，前轴承内端盖套在前轴承内轴套上，前法兰位于前轴承外端盖与前轴承内端盖之间，并装配于前轴承上面，经过螺栓与前轴承外端盖、前轴承内端盖紧固在一起；前法兰与机壳经螺栓紧固在一起；所述后轴承安装在主轴上，后轴承外轴套与后轴承内轴套安装于主轴上并位于后轴承两端，后轴承外端盖套在后轴承外轴套上，后轴承内端盖套在后轴承内轴套上，后法兰位于后轴承外端盖与后轴承内端盖之间，并装配于后轴承上面，经过螺栓与后轴承外端盖、后轴承内端盖紧固在一起；后法兰经螺栓与机壳、机架紧固在一起；锁紧螺母安装在主轴之上的后轴承外轴套外侧；所述前法兰、机壳、后法兰共同构成了盘式外壳；所述定子铁芯固定在盘式外壳内，定子绕组固定于定子铁芯的槽内；转子铁芯安装在前轴承内轴套与后轴承内轴套之间的主轴上，且转子铁芯与定子铁芯之间形成气隙。

进一步地，所述发电机为单定子、单转子直驱盘式开关磁阻风力发电机，所述定子铁芯固定于前法兰或后法兰上，且所述转子铁芯与主轴之间还安装有转子支架。

进一步地，所述发电机为双转子、中间定子直驱盘式开关磁阻风力发电机，所述定子铁芯固定在机壳上，所述转子铁芯位于定子铁芯两侧，并固定于主轴上。

进一步地，所述发电机为双定子、中间转子直驱盘式开关磁阻风力发电机，所述定子铁芯位于转子铁芯两侧，分别固定于前法兰、后法兰上；所述转子铁芯位于定子铁芯中间，且所述转子铁芯与主轴之间还安装有转子支架。

进一步地，所述发电机为多定子、多转子直驱开关磁阻风力发电机，所述多个定子铁芯中的两个分别固定于前法兰、后法兰上，其余定子铁芯固定于机壳上，所述各个转子铁芯位于各定子铁芯中间，并固定于主轴上。

本发明还提供了一种大型直驱盘式开关磁阻风力发电机系统，包括上述的盘式开关磁阻风力发电机，还包括功率变换器、直流电池、逆变器和负载、控制器及辅助电源；所述盘式开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器同逆变器和负载之间并联有所述直流电池；直流电池与控制器连接，控制器与功率变换器连接，辅助电源与控制器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明传动方式采用轮毂直接驱动方式，大为简化了传动结构，同时大幅减小了整机重量。

2、本发明的电机采用盘式开关磁阻发电机结构，属于轴向磁场电机，具有重量轻、体积小、结构紧凑、转子无损耗、转矩/重量比大、低速运行平稳的特点，电机单位体积的输出功率变大，既降低了成本，又方便了运输。

3、本发明可以采用单气隙、双气隙及多气隙等多种组合式结构，进一步提高电机单位体积的输出功率，从而进一步减小电机体积和重量。

4、本发明可以大幅减轻直驱风力发电机的重量和成本，可广泛应用于直驱型风力发电系统中。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的单定子、单转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图；

图2是本发明的双转子、中间定子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图；

图3是本发明的双定子、中间转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图；

图4是本发明的多定子、多转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图；

图5是本发明的直驱盘式开关磁阻风力发电机系统的组成。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1

如图1所示，为单定子、单转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图。图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和螺母。本结构的其它主要零部件中包括：轮毂1、主轴2、前法兰3、定子铁芯4、机壳5、定子绕组6、转子铁芯7、后法兰8、机架9、转子支架10、前轴承外轴套11、前轴承外端盖12、前轴承13、前轴承内轴套14、前轴承内端盖15、后轴承内轴套16、后轴承内端盖17、后轴承18、后轴承外端盖19、后轴承外轴套20、锁紧螺母21。

其中，轮毂1与主轴2经螺栓紧固在一起。

前轴承13安装在主轴2上，前轴承外轴套11与前轴承内轴套14安装于主轴2上并位于前轴承13两端，前轴承外端盖12套在前轴承外轴套11上，前轴承内端盖15套在前轴承内轴套14上，前法兰3位于前轴承外端盖12与前轴承内端盖15之间，并装配于前轴承13上面，经过螺栓与前轴承外端盖12、前轴承内端盖15紧固在一起。前法兰3再与机壳5经螺栓紧固在一起。

定子铁芯4固定于前法兰3上，定子绕组6固定于定子铁芯4的槽内。

后轴承18安装在主轴2上，后轴承外轴套20与后轴承内轴套16安装于主轴2上并位于后轴承18两端，后轴承外端盖19套在后轴承外轴套20上，后轴承内端盖17套在后轴承内轴套16上，后法兰8位于后轴承外端盖19与后轴承内端盖17之间，并装配于后轴承18上面，经过螺栓与后轴承外端盖19与后轴承内端盖17紧固在一起。后法兰8经螺栓与机壳5、机架9紧固在一起。

转子铁芯7安装于转子支架10上面，转子支架10安装在主轴2上。

锁紧螺母21位于主轴2之上的后轴承外轴套20外侧，用于电机的轴向定位。

主轴2依次穿过前轴承外轴套11、前轴承13、前轴承内轴套14、转子支架10、后轴承内轴套16、后轴承18、后轴承外轴套20、锁紧螺母21，并贯穿于前法兰3与后法兰8之外。

实施例2

如图2所示，为双转子、中间定子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图。图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和螺母。本结构的其它主要零部件中包括：轮毂1、主轴2、前法兰3、定子铁芯4、机壳5、定子绕组6、转子7、后法兰8、机架9、前轴承外轴套11、前轴承外端盖12、前轴承13、前轴承内轴套14、前轴承内端盖15、后轴承内轴套16、后轴承内端盖17、后轴承18、后轴承外端盖19、后轴承外轴套20、锁紧螺母21。

其中，轮毂1与主轴2经螺栓紧固在一起。

前轴承13安装在主轴2上，前轴承外轴套11与前轴承内轴套14安装于主轴2上并位于前轴承13两端，前轴承外端盖12套在前轴承外轴套11上，前轴承内端盖15套在前轴承内轴套14上，前法兰3位于前轴承外端盖12与前轴承内端盖15之间，并装配于前轴承13上面，经过螺栓与前轴承外端盖12、前轴承内端盖15紧固在一起。前法兰3再与机壳5经螺栓紧固在一起。

定子铁芯4位于转子铁芯7之间，固定于机壳5上，定子绕组6固定于定子铁芯4的槽内。

后轴承18安装在主轴2上，后轴承外轴套20与后轴承内轴套16安装于主轴2上并位于后轴承18两端，后轴承外端盖19套在后轴承外轴套20上，后轴承内端盖17套在后轴承内轴套16上，后法兰8位于后轴承外端盖19与后轴承内端盖17之间，并装配于后轴承18上面，经过螺栓与后轴承外端盖19与后轴承内端盖17紧固在一起。后法兰8经螺栓与机壳5、机架9紧固在一起。

转子铁芯7位于定子铁芯4两侧，并固定于主轴2上。锁紧螺母21位于主轴2之上的后轴承外轴套20外侧，用于电机的轴向定位。

主轴2依次穿过前轴承外轴套11、前轴承13、前轴承内轴套14、转子铁芯4、后轴承内轴套16、后轴承18、后轴承外轴套20、锁紧螺母21，并贯穿于前法兰3与后法兰8之外。

实施例3

如图3所示，为双定子、中间转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图。图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和螺母。本结构的其它主要零部件中包括：轮毂1、主轴2、前法兰3、定子铁芯4、机壳5、定子绕组6、转子铁芯7、后法兰8、机架9、转子支架10、前轴承外轴套11、前轴承外端盖12、前轴承13、前轴承内轴套14、前轴承内端盖15、后轴承内轴套16、后轴承内端盖17、后轴承18、后轴承外端盖19、后轴承外轴套20、锁紧螺母21。

其中，轮毂1与主轴2经螺栓紧固在一起。

前轴承13安装在主轴2上，前轴承外轴套11与前轴承内轴套14安装于主轴2上并位于前轴承13两端，前轴承外端盖12套在前轴承外轴套11上，前轴承内端盖15套在前轴承内轴套14上，前法兰3位于前轴承外端盖12与前轴承内端盖15之间，并装配于前轴承13上面，经过螺栓与前轴承外端盖12与前轴承内端盖15紧固在一起。前法兰3再与机壳5经螺栓紧固在一起。

定子铁芯4位于转子铁芯7两侧，分别固定于前法兰3、后法兰8上，定子绕组6固定于定子铁芯4的槽内。

后轴承18安装在主轴2上，后轴承外轴套20与后轴承内轴套16安装于主轴2上并位于后轴承18两端，后轴承外端盖19套在后轴承外轴套20上，后轴承内端盖17套在后轴承内轴套16上，后法兰8位于后轴承外端盖19与后轴承内端盖17之间，并装配于后轴承18上面，经过螺栓与后轴承外端盖19与后轴承内端盖17紧固在一起。后法兰8经螺栓与机壳5、机架9紧固在一起。

转子铁芯7位于定子铁芯4中间，并固定于转子支架10上，转子支架10位于前轴承内轴套14与后轴承内轴套16之间，固定于主轴2上。

锁紧螺母21位于主轴2之上的后轴承外轴套20外侧，用于电机的轴向定位。

主轴2依次穿过前轴承外轴套11、前轴承13、前轴承内轴套14、转子支架10、后轴承内轴套16、后轴承18、后轴承外轴套20、锁紧螺母21，并贯穿于前法兰3与后法兰8之外。

实施例4

如图4所示，为多定子、多转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构图。图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和螺母。本结构的其它主要零部件中包括：轮毂1、主轴2、前法兰3、定子铁芯4、机壳5、定子绕组6、转子铁芯7、后法兰8、机架9、前轴承外轴套11、前轴承外端盖12、前轴承13、前轴承内轴套14、前轴承内端盖15、后轴承内轴套16、后轴承内端盖17、后轴承18、后轴承外端盖19、后轴承外轴套20、锁紧螺母21。

其中，轮毂1与主轴2经螺栓紧固在一起。

前轴承13安装在主轴2上，前轴承外轴套11与前轴承内轴套14安装于主轴2上并位于前轴承13两端，前轴承外端盖12套在前轴承外轴套11上，前轴承内端盖15套在前轴承内轴套14上，前法兰3位于前轴承外端盖12与前轴承内端盖15之间，并装配于前轴承13上面，经过螺栓与前轴承外端盖12与前轴承内端盖15紧固在一起。前法兰3再与机壳5经螺栓紧固在一起。

两个盘式定子铁芯4分别固定于前法兰3、后法兰8上，其余盘式定子铁芯4固定于机壳5上，定子绕组6固定于定子铁芯4的槽内。

后轴承18安装在主轴2上，后轴承外轴套20与后轴承内轴套16安装于主轴2上并位于后轴承18两端，后轴承外端盖19套在后轴承外轴套20上，后轴承内端盖17套在后轴承内轴套16上，后法兰8位于后轴承外端盖19与后轴承内端盖17之间，并装配于后轴承18上面，经过螺栓与后轴承外端盖19与后轴承内端盖17紧固在一起。后法兰8经螺栓与机壳5、机架9紧固在一起。

各个盘式转子铁芯7位于定子铁芯4中间，并固定于主轴2上。

锁紧螺母21位于主轴2之上的后轴承外轴套20外侧，用于电机的轴向定位。

主轴2依次穿过前轴承外轴套11、前轴承13、前轴承内轴套14、转子铁芯7、后轴承内轴套16、后轴承18、后轴承外轴套20、锁紧螺母21，并贯穿于前法兰3与后法兰8之外。

实施例5

如图5所示，本发明的直驱开关磁阻风力发电机系统包括上述实施例1-4中的任一个盘式开关磁阻发电机23、功率变换器24、直流电池25、逆变器和负载26、控制器27、辅助电源28，其中盘式开关磁阻风力发电机23与功率变换器24连接，功率变换器24同逆变器和负载26之间并联有直流电池25；直流电池25与控制器27连接；控制器27与功率变换器24相连；辅助电源28与控制器27连接。

盘式开关磁阻发电机23的转子由轮毂拖动旋转，是风能/机械能转换装置；功率变换器24接收控制器27发出的控制指令，将开关磁阻发电机23发出的直流电输出给系统的储能装置-直流电池25；控制器27，包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路、单片机或DSP最小系统电路等，控制器27综合处理转子位置检测器、电压电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对盘式开关磁阻发电机23运行状态的控制，控制开关磁阻发电机各相绕组轮流工作，实现机械能到电能的转化。直流电池25，是系统的储能装置；逆变器和负载26，将盘式开关磁阻发电机23发出的直流电逆变成交流电，直接供给交流负载；辅助电源28，用来给控制器27提供±15V、±5V等多路电源。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.大型直驱盘式开关磁阻风力发电机，其特征在于，包括轮毂、主轴、前法兰、定子铁芯、机壳、定子绕组、转子铁芯、后法兰、机架、前轴承外轴套、前轴承外端盖、前轴承、前轴承内轴套、前轴承内端盖、后轴承内轴套、后轴承内端盖、后轴承、后轴承外端盖、后轴承外轴套及锁紧螺母；

所述轮毂与主轴经螺栓紧固在一起；

所述前轴承安装在主轴上，前轴承外轴套与前轴承内轴套安装于主轴上并位于前轴承两端，前轴承外端盖套在前轴承外轴套上，前轴承内端盖套在前轴承内轴套上，前法兰位于前轴承外端盖与前轴承内端盖之间，并装配于前轴承上面，经过螺栓与前轴承外端盖、前轴承内端盖紧固在一起；前法兰与机壳经螺栓紧固在一起；

所述后轴承安装在主轴上，后轴承外轴套与后轴承内轴套安装于主轴上并位于后轴承两端，后轴承外端盖套在后轴承外轴套上，后轴承内端盖套在后轴承内轴套上，后法兰位于后轴承外端盖与后轴承内端盖之间，并装配于后轴承上面，经过螺栓与后轴承外端盖、后轴承内端盖紧固在一起；后法兰经螺栓与机壳、机架紧固在一起；

锁紧螺母安装在主轴之上的后轴承外轴套外侧；

所述前法兰、机壳、后法兰共同构成了盘式外壳；所述定子铁芯固定在盘式外壳内，定子绕组固定于定子铁芯的槽内；转子铁芯安装在前轴承内轴套与后轴承内轴套之间的主轴上，且转子铁芯与定子铁芯之间形成气隙。

2.根据权利要求1所述的盘式开关磁阻风力发电机，其特征在于，为单定子、单转子直驱盘式开关磁阻风力发电机，所述定子铁芯固定于前法兰或后法兰上，且所述转子铁芯与主轴之间还安装有转子支架。

3.根据权利要求1所述的盘式开关磁阻风力发电机，其特征在于，为双转子、中间定子直驱盘式开关磁阻风力发电机，所述定子铁芯固定在机壳上，所述转子铁芯位于定子铁芯两侧，并固定于主轴上。

4.根据权利要求1所述的盘式开关磁阻风力发电机，其特征在于，为双定子、中间转子直驱盘式开关磁阻风力发电机，所述定子铁芯位于转子铁芯两侧，分别固定于前法兰、后法兰上；所述转子铁芯位于定子铁芯中间，且所述转子铁芯与主轴之间还安装有转子支架。

5.根据权利要求1所述的盘式开关磁阻风力发电机，其特征在于，为多定子、多转子直驱开关磁阻风力发电机，所述多个定子铁芯中的两个分别固定于前法兰、后法兰上，其余定子铁芯固定于机壳上，所述各个转子铁芯位于各定子铁芯中间，并固定于主轴上。

6.大型直驱盘式开关磁阻风力发电机系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的盘式开关磁阻风力发电机，还包括功率变换器、直流电池、逆变器和负载、控制器及辅助电源；

所述盘式开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器同逆变器和负载之间并联有所述直流电池；直流电池与控制器连接，控制器与功率变换器连接，辅助电源与控制器连接。

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