CN102290937A - 一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，主要包括轮毂、主轴、机壳、机架、定子、转子，所述的定子包括内定子和外定子，内定子和外定子均由定子铁心和定子绕组组成；转子位于内定子和外定子之间，外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；外定子绕组与内定子绕组对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。本发明能大幅降低兆瓦级及以上的直驱开关磁阻风力发电机的成本，且体积小、重量轻、便于运输，从而克服现有的开关磁阻式风力发电机的不足。

Description

一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机

技术领域

本发明涉及一种大型直驱双定子开关磁阻风力发电机组，特别是涉及一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机。

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等方面，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的，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，由此带来变频器及控制、驱动的简洁性。开关磁阻发电机本身具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点，与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温环境运行和大容量、高效率及高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组间无电藕合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。

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。但是，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，以至于会对运输带来极大困难。如何能创设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的成本，且体积小、重量轻、便于运输的新的双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，实属当前本领域的重要研究课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，使其能大幅降低兆瓦级及以上的直驱开关磁阻风力发电机的成本，且体积小、重量轻、便于运输，从而克服现有的开关磁阻式风力发电机的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，主要包括轮毂、主轴、机壳、机架、定子、转子，所述的定子包括内定子和外定子，内定子和外定子均由定子铁心和定子绕组组成；转子位于内定子和外定子之间，外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；外定子绕组与内定子绕组对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

作为本发明的一种改进，所述的转子采用双凸极结构。

所述的转子通过固定在转子前端的转子转盘、转子支架与主轴、轮毂同步连接，外定子安装在机壳内壁，内定子通过内定子支架固定在机壳内部。

所述的转子后端连接有转子后支架，转子后支架连接有转子定心轴承，转子定心轴承还与内定子支架连接。

所述的转子支架上套有锁紧套。

所述的机壳与主轴之间固定有前、后轴承。

所述的前、后轴承采用调心轴承，转子定心轴承采用深沟球轴承。

所述的前、后轴承的内外侧均设置有轴套，轴套上均设有端盖，机壳上设置有前、后法兰，前、后法兰分别位于前、后轴承的内、外侧端盖之间，并分别与前、后轴承的端盖紧固连接。

所述的后法兰还与机架固定连接，且转子后支架与转子定心轴承通过后法兰固定安装于后法兰内侧。

所述的主轴上还设有转子轴向调节螺母。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1、本发明的传动链设计采用双轴承支撑的传动方式，大为简化了传动结构，同时大幅减小了整机重量；

2、本发明的电机采用双定子开关磁阻发电机结构，使电机单位体积的输出功率增大，从而减小电机体积和重量，既降低了成本，又方便了运输；

3、本发明在发电机转子后端加设了一个常规深沟球轴承，该轴承可以保证发电机在任何运行状态下转子与定子的同心；

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。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机的主要部件装配示意图。

图2是本发明双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机的定转子截面结构示意图。

图3是本发明双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机的系统组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，主要包括轮毂1、主轴2、机壳3、机架4、定子和转子7。

其中，请配合参阅图2所示，所述的定子为包括内定子5和外定子6的双定子结构，内定子5和外定子6均由定子铁心和定子绕组组成。外定子6由外定子铁芯61与外定子绕组62组成，安装在电机机壳3的内壁。内定子5由内定子铁芯51与内定子绕组52组成，安装在内定子支架53上。外定子绕组62与内定子绕组52对应同相绕组反相串联。

转子7采用双凸极结构，位于内定子5和外定子6之间，外定子6与转子7之间形成第一工作气隙，内定子5与转子7之间形成第二工作气隙，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

转子7通过转子转盘71、转子支架72与主轴2、轮毂1同步连接。转子转盘71紧固连接在转子7的前端，并经螺栓与转子支架72紧固一起，锁紧套73套在转子支架72上面。转子7的后端经螺栓、转子压板76紧固连接有转子后支架74，转子后支架74安装于转子定心轴承75上，转子定心轴承75还与内定子支架53连接，用于保证转子7后端与定子同心。

轮毂1与主轴2经螺栓紧固在一起，机壳3与主轴2之间固定有前轴承8、后轴承9，机壳3上设置有前法兰31、后法兰32。

前轴承8安装在主轴2上，前轴承外轴套81与前轴承内轴套82安装于主轴2上并位于主轴2与前轴承8之间，前轴承内轴套8位于前轴承8与转子支架72之间。电机前轴承外端盖83套在前轴承外轴套81上，电机前轴承内端盖84套在前轴承内轴套82上。前法兰31位于电机前轴承外端盖83与电机前轴承内端盖84之间，并经过螺栓与电机前轴承外端盖83与电机前轴承内端盖84紧固在一起。前法兰31同时与机壳3经螺栓紧固在一起。

后轴承9安装在主轴2上，后轴承外轴套91与后轴承内轴套92安装于主轴2上并位于主轴2与后轴承9之间，后轴承内轴套92位于转子支架72与后轴承9之间。电机后轴承外端盖93套在后轴承外轴套91上，电机后轴承内端盖94套在后轴承内轴套92上，后法兰32位于电机后轴承外端盖93与电机后轴承内端盖94之间，并装配于后轴承9上面，经过螺栓与电机后轴承外端盖93与电机后轴承内端盖94紧固在一起。后法兰32还与机壳3、机架4固定在一起，转子后支架74与转子定心轴承75装配后一起固定与后法兰32的内侧。

上述前轴承8、后轴承9可采用调心轴承，转子定心轴承75可选用常规的深沟球轴承，主轴2上还可以固定有转子轴向调节螺母21以及滑环22。其中，转子轴向调节螺母21位于后轴承外轴套91右侧，用于转子7的轴向定位；滑环22固定于主轴2的后端。

主轴2依次穿过前轴承外轴套81、前轴承8、前轴承内轴套82、转子支架82、后轴承内轴套92、后轴承外轴套91、转子轴向调节螺母21，并贯穿于前法兰31与后法兰32之外。

请参阅图3所示，本发明构成的直驱开关磁阻风力发电机组系统包括上述的双定子开关磁阻发电机、功率变换器、直流电池、逆变器和负载、控制器以及辅助电源，其中双定子开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器与逆变器和负载之间并联有直流电池；直流电池与控制器连接；控制器与功率变换器相连；辅助电源与控制器连接。

双定子开关磁阻发电机的双凸极转子由轮毂拖动旋转，是风能/机械能转换装置；功率变换器接收控制器发出的控制指令，将双定子开关磁阻发电机发出的直流电输出给系统的储能装置-直流电池；控制器包括驱动电路、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，实现对双定子开关磁阻发电机运行状态的控制，控制内、外定子各相绕组轮流工作，实现机械能到电能的转化。直流电池是系统的储能装置；逆变器和负载，将双定子开关磁阻发电机发出的直流电逆变成交流电，直接供给交流负载；辅助电源用来给控制器提供±15V、±5V等多路电源。

本发明在风力发电机组系统中采用了结构简单可靠的双定子开关磁阻发电机，在传动链中采用了双轴承支撑的结构，在转子浮动端采用了转子定心轴承，大幅降低了兆瓦级及以上直驱开关磁阻风力发电机组的重量与成本，提高了开关磁阻风力发电机组在风电行业的竞争优势。

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，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，主要包括轮毂、主轴、机壳、机架、定子、转子，其特征在于：

所述的定子包括内定子和外定子，内定子和外定子均由定子铁心和定子绕组组成；

转子位于内定子和外定子之间，外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；

外定子绕组与内定子绕组对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

2.根据权利要求1所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的转子采用双凸极结构。

3.根据权利要求1所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的转子通过固定在转子前端的转子转盘、转子支架与主轴、轮毂同步连接，外定子安装在机壳内壁，内定子通过内定子支架固定在机壳内部。

4.根据权利要求3所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的转子后端连接有转子后支架，转子后支架连接有转子定心轴承，转子定心轴承还与内定子支架连接。

5.根据权利要求3所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的转子支架上套有锁紧套。

6.根据权利要求3所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的机壳与主轴之间固定有前、后轴承。

7.根据权利要求6所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的前、后轴承采用调心轴承，转子定心轴承采用深沟球轴承。

8.根据权利要求6所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的前、后轴承的内外侧均设置有轴套，轴套上均设有端盖，机壳上设置有前、后法兰，前、后法兰分别位于前、后轴承的内、外侧端盖之间，并分别与前、后轴承的端盖紧固连接。

9.根据权利要求8所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的后法兰还与机架固定连接，且转子后支架与转子定心轴承通过后法兰固定安装于后法兰内侧。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种双轴承支撑的大型直驱双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于所述的主轴上还设有转子轴向调节螺母。

Images