CN102394540A - 一种单轴耦合的双风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种单轴耦合的双风力发电机，包括塔筒、主机架、主轴、轮毂、变流器以及两台风力发电机，其中：主机架中部与塔筒固定连接；主轴与轮毂连接，并通过主轴承安装在主机架上；两台风力发电机，均主要由内部定子和外部转子组成，并通过定子固定在主机架的两端，两台风力发电机的转子均与主轴连接；每台风力发电机的定子侧都连接有一个或多个独立的全功率变流器，变流器之间并联并接入电网。本发明一种单轴耦合的双风力发电机，采用紧凑的外转子、内定子结构设计，同时可平衡发电机支撑架的受力，利于延长发电机塔筒的寿命，且适于应用在大型发电机系统，从而克服了现有的外转子风力发电机的不足。

Description

一种单轴耦合的双风力发电机
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别是涉及一种单轴耦合的双风力发电机。
背景技术
近年来，外转子、内定子的风力发电机，因其具有结构紧凑、节省空间、设计精巧、易于冷却等优点，而逐渐得到推广和使用。但是，由于转子外壳的转动半径较大，因此，对发电机支撑架的偏向作用力较大，且现有的外转子结构不适宜应用在大型发电机上。
由此可见，上述现有的外转子风力发电机在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种采用紧凑的外转子、内定子结构设计，同时可平衡发电机支撑架的受力，利于延长发电机塔筒的寿命，且适于应用在大型发电机系统的新型结构的单轴耦合的双风力发电机，实属当前本领域的重要研究方向之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种单轴耦合的双风力发电机，使其采用紧凑的外转子、内定子结构设计，同时可平衡发电机支撑架的受力，利于延长发电机塔筒的寿命，且适于应用在大型发电机系统，从而克服现有的外转子风力发电机的不足。
为解决上述技术问题，本发明一种单轴耦合的双风力发电机，包括塔筒、主机架、主轴、轮毂、变流器以及两台风力发电机，其中：主机架中部与塔筒固定连接；主轴与轮毂连接，并通过主轴承安装在主机架上；两台风力发电机，均主要由内部定子和外部转子组成，并通过定子固定在主机架的两端，两台风力发电机的转子均与主轴连接；每台风力发电机的定子侧都连接有一个或多个独立的全功率变流器，变流器之间并联并接入电网。
作为本发明的一种改进，所述的定子为由矩形铜导体制成的铜线绕组三相系统。
所述的转子为双极永磁系统，每一个极都由多个磁钢块通过夹具、干涉环连接而成，磁钢块外表面设有电镀或环氧防腐蚀涂层，相邻磁钢块的防腐蚀涂层之间设有铜层，转子整体由环氧树脂完全封闭。
所述的塔筒为金属管状塔架结构，并在塔筒内壁紧贴设置有冷却风道。
所述的冷却风道形成上下循环回路，并在进风口处安装风扇。
所述的冷却风道内设置有空气过滤器和换热器。
所述的塔架为钢质，表面涂有油漆层。
所述的塔筒外部设有散热器，风力发电机和变流器附近设有与散热器连接的封闭式冷却回路，冷却回路内部充有冷却液，并设置有驱动冷却液流动的循环泵。
还包括控制系统，并在发电机和变流器上设置温度传感器，在冷却回路上设置温度传感器和流量传感器，上述温度传感器、流量传感器均与控制系统通信连接。
所述的冷却回路为两条或两条以上，分别盘绕于发电机和各变流器的附近，并在每条冷却回路均连接有一个或一个以上散热器。
采用这样的结构后，本发明至少具有以下优点：
1、采用外转子、内定子设计，结构紧凑，并可降低对冷却、散热系统的要求；
2、采用双发电机设计，可平衡发电机支撑架的受力，利于延长发电机塔筒的寿命，并可通过覆盖转子，从正面针对外界环境全面保护主机架；
3、在双发电机的基础上，使用全功率电子变流器或多种技术实现变流器的并联，从而使其可应用在大型发电机系统中，进一步构建兆瓦级变速风力发电机系统；
4、采用的外转子永磁风机直径达，超过5m，内部宽敞，可以集成风机部件；
5、为每一个铜线绕组连接自己的变流器电路，即使某个变电器电路出现故障，也可以产生电能；
6、铜线绕组由矩形铜导体制成，与常用的圆形导线材料相比，固定架槽可以填入更多铜材料，圆形导线铜线绕组的槽隙最多可填入40％铜，但本发电机可达到75％以上；
7、采用双极永磁转子系统，可在磁极环周围95％的空间内填充磁钢材料，因此可达到最大磁通量和最大功率输出；
8、转子没有使用庞大、笨重的磁钢块，而是采用数千个小磁钢块，因此使用更方便、性能更优越；
9、利用风机塔筒侧壁作为散热媒介，换热表面非常大，因此散热效率很高，可有效降低风机热损耗，而封闭式冷却风道，可避免高盐分或高湿空气与敏感的部件如发电机、变流器、变压器等接触，阻止霉菌的出现，可大大降低塔筒与内部设备的腐蚀风险；
10、而利用外置散热器的冷却系统时，冷却回路可将热量从塔筒内部释放到外部环境中，无需风扇，并可有效降低风力发电机的热损耗，并提高风机的整体效率。
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是本发明一种单轴耦合的双风力发电机的结构示意图。
图2是本发明一种单轴耦合的双风力发电机的塔筒侧壁冷却系统结构示意图。
图3是本发明一种单轴耦合的双风力发电机的外置散热器式冷却系统结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明单轴耦合的双风力发电机，主要包括塔筒6、主机架1、主轴2、轮毂3、变流器以及两台风力发电机4。
其中，两台风力发电机4，采用中压(MV)兆瓦级变速永磁风力发电机，均主要由内部定子41和外部转子42组成。
定子41优选为由矩形铜导体制成的线圈绕组，形成多个并联回路，采用三相系统。
转子42为永磁体，优选双极永磁系统，每一个极都由多个磁钢块通过夹具、干涉环连接而成，磁钢块外表面设有电镀或环氧防腐蚀涂层，相邻磁钢块的防腐蚀涂层之间设有铜层，转子整体由环氧树脂完全封闭。磁钢块的材料采用烧结钕铁硼，同时添加镝等元素，其中镝可保证合理温度与耐老化性。
每台风力发电机4的定子侧都连接有一个或多个独立的全功率变流器5，变流器5之间并联并接入电网，以向电网供电，从而完成风能向电能的转换。
两台风力发电机4通过定子41固定在主机架1的两端，主机架1中部与塔筒固定连接。两个转子42均与主轴2连接，通过主轴2实现与轮毂3的同步运转。主轴2通过主轴承21安装在主机架1上，此外，还可在主轴2和主轴承21的接触处安装适配套管22，以更利于运转。
请配合参阅图2所示，本发明可采用通过塔筒侧壁散热的风机冷却系统，其主要由塔筒6和冷却风道组成。其中，塔筒6采用金属管状塔架结构，优选为钢质，并在表面涂有0.3mm的油漆层。冷却风道为封闭或至少半封闭的通道，如图中箭头所示，冷却风道紧贴塔筒6内壁形成一上下循环回路。封闭的冷却风道可避免高盐分、高湿度空气对发电机、整流器、变压器等敏感部件的接触和损坏，可大大降低机壳与塔筒内部的腐蚀风险。
此外，可在冷却风道的进风口出设置风扇61，该风扇61通常安装在变压器7的上方，且出风方向向上。还可在冷却风道内设置空气过滤器和换热器等附加冷却装置，这样就能通过塔筒6释放原本通过冷却回路释放的热量。工作时，变压器7附近的热空气被风扇61吹入冷却风道，沿冷却风道上升，在上升过程中通过塔筒6的侧壁逐渐散热、冷却，之后沿另一侧通道下降返回。
以直径6m、厚度40mm、高度30m的塔筒为例来说，如果室外温度设置为40℃且塔内温度设置为47℃，钢质塔架的导热系数为60W/mK，油漆层的导热系数为1W/mK，塔筒内部的传热系数为25W/m2K，塔筒外部的传热系数为50W/m2K。因此，总传热系数为16.3W/m2K，散热表面积为565.2m2，温差7K，计算显示30米高度的塔壁可通过对流释放大约65kW的热量。而变压器3在满载下会产生61kW的热量，所以只要根据变压器和损失曲线，选择安装一台能够提供充足气流的风扇，就能通过第一节塔筒上的对流消除热量影响。
计算中的不确定性在于空气与壁面之间的导热速度，因为它会受到风速的影响，但所用参数对应的总传热系数大约为16W/m2K，符合总传热系数：强制对流(流动)气体-强制对流气体：D＝10-30W/m2K。
图2中箭头62所示为塔内气流流动方向，箭头63所示为通过塔壁的热量流向。通过塔筒侧壁散热的冷却系统，利用风扇61使来自变压器7的热空气在冷却通道内强制循环，并利用风机塔筒侧壁向塔筒6外表面换热，塔筒6周围的风可连续冷却塔筒6表面，以风机塔壁作为冷却媒介起到换热器的作用，可有效降低风机的热损耗，并充分利用了风机必备的部件来提高其工作性能和散热效率。
请配合参阅图3所示，本发明还可以采用散热器外置式冷却系统，其主要包括设置在塔筒6外部的散热器8、设置在风力发电机4和变流器5附近并与散热器8连接的封闭式冷却回路、充满冷却回路的冷却液、以及驱动冷却液流动的循环泵9。其中，散热器8可采用液冷或空冷散热器，可安装在塔筒6的顶部、侧面或挡盖处，用于冷却冷却液，还可以采用多个散热器8串联散热，以进一步增强散热效果。冷却回路可采用两条或两条以上，分别盘绕于发电机4和各变流器5的附近，并在每条冷却回路均连接有散热器8，以单独冷却发电机4和变流器5。
此外，还可为该冷却系统外接一控制系统，并在风力发电机4和变流器5上设置温度传感器，在冷却回路上设置温度传感器和流量传感器，上述传感器均将采集到的信号发送到控制系统，以便统一监测和调控。工作时，风力发电机4和变流器5产生的热量，由冷却液(由泵强制输送)传递到塔筒外部的散热器8。图中箭头所示为气流方向，在散热器8中，冷却液被自然气流冷却，温度降低，再流经风力发电机4和变流器5进行新的冷却循环。
散热器外置式冷却系统，是采用被动冷却方法，并集成了冷却液、循环泵和散热器的闭环系统，无需使用耗能的部件，利用周围空气的自然流动和风速，以自然方式冷却部件，一般而言，冷却能力随风速的升高而非线性增加。
以1.1m2的散热器为例来说，其机芯高度1000mm、宽度1100mm、深度82mm，频率为50Hz，电压400Δ/690YV，极数为6，电机输出功率为3kW，液体采用50％的水混合50％的乙二醇，液体流量150L/min，制冷量3.33kW/℃，实际制冷量为63kW，降压基质220Pa，进水口温度为59.5℃，出水口温度为52.6℃，空速为4.6m/s，进气口温度为40℃，出气口温度为51.4℃。电机系统的进水口温度为57℃，出水口温度为50℃，进气口温度为40℃，出气口温度为48℃。变流器系统的进水口温度为70℃，出水口温度为50℃，进气口温度为40℃，出气口温度为48℃。根据散热器热量转换公式
Figure BDA0000077868230000081
得到
Figure BDA0000077868230000082
其中对数指温差ΔT_ln＝ΔT1-ΔT2/in(ΔT1/ΔT2)，从而可以根据上表输入
Figure BDA0000077868230000083
_计算出结果：
ΔT_1＝12.6℃，
ΔT_2＝8.1℃，
ΔT_ln＝10.2℃，
Figure BDA0000077868230000084
利用上述结果，并输入电机、变流器的温度数据，就可以计算出本专利的散热器的制冷量
Figure BDA0000077868230000085
发电机散热器的计算：
ΔT_1＝10.0℃，
ΔT_2＝9.0℃，
ΔT_ln＝9.5℃，
因此除去该电机必要的热损耗449kW，我们需要449/58，7-8台1.1m2的散热器，总共是8.8m2的散热器。变流器散热器的计算：
ΔT_1＝10.0℃，
ΔT_2＝22.0℃，
ΔT_ln＝15.2℃，
因此除去该变流器必要的热损耗187kW，我们需要187/94，1-2台1.1m2的散热器，总共是2.2m2的散热器。综上，本实施例所使用的散热器总面积为11m2，即可达到需要的冷却效果。
本发明一种单轴耦合的双风力发电机，是由一根主轴和多级全功率变流器系统耦合的外转子永磁双风力发电机，其替代了现有的单独发电机，而且每一个独立的发电机定子侧都吸收对应的独立电能，从而更加适于推广应用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于包括塔筒、主机架、主轴、轮毂、变流器以及两台风力发电机，其中：
主机架中部与塔筒固定连接；
主轴与轮毂连接，并通过主轴承安装在主机架上；
两台风力发电机，均主要由内部定子和外部转子组成，并通过定子固定在主机架的两端，两台风力发电机的转子均与主轴连接；
每台风力发电机的定子侧都连接有一个或多个独立的全功率变流器，变流器之间并联并接入电网。
2.根据权利要求1所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的定子为由矩形铜导体制成的铜线绕组三相系统。
3.根据权利要求1所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的转子为双极永磁系统，每一个极都由多个磁钢块通过夹具、干涉环连接而成，磁钢块外表面设有电镀或环氧防腐蚀涂层，相邻磁钢块的防腐蚀涂层之间设有铜层，转子整体由环氧树脂完全封闭。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的塔筒为金属管状塔架结构，并在塔筒内壁紧贴设置有冷却风道。
5.根据权利要求4所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的冷却风道形成上下循环回路，并在进风口处安装风扇。
6.根据权利要求4所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的冷却风道内设置有空气过滤器和换热器。
7.根据权利要求4所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的塔架为钢质，表面涂有油漆层。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的塔筒外部设有散热器，风力发电机和变流器附近设有与散热器连接的封闭式冷却回路，冷却回路内部充有冷却液，并设置有驱动冷却液流动的循环泵。
9.根据权利要求8所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于还包括控制系统，并在发电机和变流器上设置温度传感器，在冷却回路上设置温度传感器和流量传感器，上述温度传感器、流量传感器均与控制系统通信连接。
10.根据权利要求8所述的一种单轴耦合的双风力发电机，其特征在于所述的冷却回路为两条或两条以上，分别盘绕于发电机和各变流器的附近，并在每条冷却回路均连接有一个或一个以上散热器。
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