CN103023245A - 一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统，该风力发电机的转子包括非导磁材料层，以及设置在非导磁材料层两侧的外转子磁极和内转子磁极，转子的浮动端通过转子定心轴承支撑在发电机外壳内，另一端通过转子转盘、转子体与主轴固定连接。该系统包括上述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，以及功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器分别与控制系统、逆变器和负载连接。本发明相对于单定子开关磁阻发电机而言，电机单位体积的输出功率增大，从而减小了电机体积和重量，既降低了成本。

Description

一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统。

背景技术

随着风电产业的不断发展，风电技术不断地升级、换代，主要表现为：单机容量提高、风电机组性能改善、风能利用率提高、风电成本降低、风电机组安全性和系统可靠性提高等，同时，电场运行控制、预测调度技术也在不断完善。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的重点。

开关磁阻发电机应用于风电系统，是开关磁阻电机在新能源领域应用的一项重大突破。开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体，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。由于开关磁阻发电机具有以上特性，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。开关磁阻发电机运行过程中，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。

然而，随着电机功率的增大，开关磁阻电机与永磁电机相比，还存在着系统的效率低和材料的有效利用率低、振动与噪声大、功率因数较低等问题，在一定程度上影响了其在直驱风力发电领域的使用推广。

由此可见，传统开关磁阻发电机在结构、使用上还存在明显的不足与缺陷，亟待进一步改进，因此如何创设一种提高电机功率密度及有效材料利用率，提高电机的功率因数，降低电机的重量与成本，降低振动与噪声的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统，实属当前研发的重要课题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统，使其能够提高电机功率密度，提高电机的功率因数，降低电机的重量与成本，降低振动与噪音，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，包括轮毂、主轴、发电机外壳、外定子、转子、转子转盘、转子体、内定子和转子定心轴承，其中：转子包括非导磁材料层，以及设置在非导磁材料层两侧的外转子磁极和内转子磁极，转子的浮动端通过转子定心轴承支撑在发电机外壳内，另一端通过转子转盘、转子体与主轴固定连接。

作为本发明的进一步改进，还包括前法兰、前轴承、内定子支架、后法兰和后轴承，其中：前轴承和后轴承的内环套在主轴上，并与转子体固定连接；主轴的前端与轮毂固定连接；前法兰的外侧与发电机外壳前端固定连接，内侧与前轴承的外环固定连接；后法兰的外侧与发电机外壳的后端固定连接，内侧与后轴承的外环固定连接；外定子与发电机外壳内侧固定连接，内定子通过内定子支架与后法兰固定连接；转子设置在外定子和内定子径向间，转子定心轴承安装在后法兰上，并通过转子后支撑支撑转子的浮动端。

所述的前轴承和后轴承均采用调心轴承。

所述的转子定心轴承采用深沟球轴承。

所述的内定子和外定子均包括定子铁芯和定子绕组；所述的内、外定子的定子铁芯为凸极结构；所述的内、外定子的定子绕组均为整矩绕组。

所述的内、外定子的定子铁芯设置在同一槽内，为一相绕组。

所述的非导磁材料层为铸铝结构。

此外，本发明还提供一种风力发电机组系统，包括上述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，以及功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器分别与控制系统、逆变器和负载连接。

作为本发明的进一步改进，所述的控制系统包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路和单片机。

所述的功率变换器与逆变器和负载之间还并联有直流电池，所述的控制系统还连接有辅助电源和直流电池。

采用以上设计后，本发明与现有技术比较有以下有益效果：

1、本发明双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机相对于单定子开关磁阻发电机而言，电机单位体积的输出功率增大，从而减小了电机体积和重量，既降低了成本，又方便了运输;

2、本发明双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机采用铸铝转子结构，提高了双定子开关磁阻电机的功率输出密度及有效材料利用率，提高了双定子开关磁阻电机的功率因数，由于采用了与异步鼠笼电机类似的铸铝转子，极大地降低了电机的重量与成本，并降低了开关磁阻发电机的振动与噪声；

3、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；

4、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。

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

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，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双定子开关磁阻风力发电机结构示意图。

图2是本发明双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机的定子、转子的截面结构示意图。

图3是本发明双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机机组系统的组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，主要包括轮毂1、主轴2、外定子7、转子8、内定子9、发电机外壳10、转子转盘15、和转子定心轴承24。

进一步的，上述部件通过前法兰5、前轴承4、内定子支架16、锁紧套18、转子压板22、后法兰11、后轴承25、前轴承外端盖3、前轴承内端盖6、机架12、前轴承外轴套13、前轴承内轴套14、后轴承内轴套19、后轴承内轴承端盖20、后轴承外轴套21、转子后支撑23、后轴承外轴承端盖26、锁紧螺母27、滑环28等组装在一起。

现以本发明双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机轮毂设置位置为发电机的前端，发电机的另一端为后端，对本发明进行说明。

轮毂1与主轴2的前端通过螺栓固定连接。外定子7通过键套安装于发电机外壳10的内圈；内定子9套装于内定子支架16的外圈；转子8设置在外定子7与内定子9的径向间，转子8两端通过螺栓固定连接转子压板22后，整体通过螺栓固定连接方式安装于转子转盘15与转子后支撑23的止口槽内。转子转盘15通过螺栓固定套装于转子体17上，转子体17与主轴2固定连接。转子8通过转子转盘15、转子体17与主轴2、轮毂1同步转动。

转子后支撑23套装于转子定心轴承24上，转子定心轴承24套装于后法兰11的伸出段上，转子后支撑23与转子定心轴承24套装后，设置在内定子支架16与后法兰11中间。转子定心轴承24用于保证转子8后端与内、外定子同心，其优选采用常规的深沟球轴承。内定子支架16与后法兰11的伸出段通过螺栓固定连接。

进一步地，转子体17上还固定套装锁紧套18，其设置在后轴承内轴套19的内侧，用于轴向调节。

前法兰5套装于前轴承4上，前轴承外端盖13与前轴承内端盖14与前法兰5通过螺栓固定连接。前法兰5同时与发电机外壳10通过螺栓固定连接。后法兰11与发电机外壳10及机架12通过螺栓固定连接。

前轴承外轴套13与前轴承内轴套14位于前轴承4的两侧，前轴承4的内环通过前轴承外轴套13、前轴承内轴套14安装在主轴2上，并与转子体17固定连接。前轴承外端盖3套装于前轴承外轴套13上，前轴承内端盖6套装于前轴承内轴套14上，前轴承4的外环通过前轴承外端盖3和前轴承内端盖6与前法兰的内侧固定连接。

后轴承内轴套19与后轴承外轴套21位于后轴承25的两侧，后轴承25的内环通过后轴承内轴套19、内轴承外轴套21安装在主轴2上，并与转子体17固定连接。后轴承内端盖20套装于后轴承内轴套19上，后轴承外端盖26套装于后轴承外轴套21上，后法兰11套装于后轴承25上，后轴承25的外环通过后轴承内端盖20与后轴承外端盖26与后法兰11通过螺栓固定连接。优选地，前轴承4、后轴承25采用调心轴承。

进一步地，主轴2的后端还设置有转子滑环28，锁紧螺母27套装于主轴2上，其设置在后轴承外轴套21的外侧。

主轴2依次穿过前轴承外轴套13、前轴承4、前轴承内轴套14、转子体17、后轴承内轴套19、后轴承25、后轴承外轴套21、锁紧螺母27，并贯穿前法兰5与后法兰11。

请参阅图2所示，本发明的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机的定、转子截面结构，包括外定子7、转子8及内定子9。

其中，外定子7包括外定子铁芯71与外定子绕组72;内定子铁芯包括内定子铁芯91及内定子绕组92;转子包括外转子磁极81与内转子磁极83及非导磁材料层82。

外定子铁芯71与内定子铁芯91为凸极结构，内、外定子绕组为整距绕组。内、外定子铁芯设置在同一槽内，仅有一相绕组。图中所示“X”、“o”表示电流流向：“X”表示流进纸面，“o”表示流出纸面。

转子8的非导磁材料层82优选为铸铝结构，外转子磁极81与内转子磁极83为导磁性材料。

转子8设置在内定子9和外定子7径向间，外定子7与转子8之间形成第一工作气隙，内定子9与转子8之间形成第二工作气隙。

请参阅图3所示，本发明的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机的机组系统包括上述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机、功率变换器、逆变器和负载以及控制系统，还包括直流电池和辅助电源。其中，控制系统包括驱动电路、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。

双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器分别与控制系统、逆变器和负载连接。

功率变换器与逆变器和负载之间并联有直流电池；直流电池与控制系统连接；控制系统系统与功率变换器连接；辅助电源与控制系统连接。

本发明的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机的双凸极转子由轮毂带动旋转，是风能/机械能的转换装置，功率变换器接收控制系统发出的控制指令，将双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机发出的直流电输出给系统的储能装置-直流电池。

控制系统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，实现对双轴承支撑双定子开关磁阻风力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，将双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机发出的直流电逆变成交流电，直接供给交流负载；辅助电源为控制系统提供±15V、±5V等多路电源。

由上述可知，本发明在风力发电机组系统中采用了结构简单可靠的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其采用结构简单的铸铝转子，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开关磁阻发电机组的重量与成本，提高了开关磁阻发电机的性能及可靠性，大大提高了开关磁阻发电机组在风电行业的竞争优势。

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)

1.一种双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于包括轮毂、主轴、发电机外壳、外定子、转子、转子转盘、转子体、内定子和转子定心轴承，其中：

转子包括非导磁材料层，以及设置在非导磁材料层两侧的外转子磁极和内转子磁极，转子的浮动端通过转子定心轴承支撑在发电机外壳内，另一端通过转子转盘、转子体与主轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于还包括前法兰、前轴承、内定子支架、后法兰和后轴承，其中：

前轴承和后轴承的内环套在主轴上，并与转子体固定连接；

主轴的前端与轮毂固定连接；

前法兰的外侧与发电机外壳前端固定连接，内侧与前轴承的外环固定连接；

后法兰的外侧与发电机外壳的后端固定连接，内侧与后轴承的外环固定连接；

外定子与发电机外壳内侧固定连接，内定子通过内定子支架与后法兰固定连接；

转子设置在外定子和内定子径向间，转子定心轴承安装在后法兰上，并通过转子后支撑支撑转子的浮动端。

3.根据权利要求2所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的前轴承和后轴承均采用调心轴承。

4.根据权利要求1所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的转子定心轴承采用深沟球轴承。

5.根据权利要求1所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的内定子和外定子均包括定子铁芯和定子绕组；

所述的内、外定子的定子铁芯为凸极结构；

所述的内、外定子的定子绕组均为整矩绕组。

6.根据权利要求5所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的内、外定子的定子铁芯设置在同一槽内，为一相绕组。

7.根据权利要求1所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的非导磁材料层为铸铝结构。

8.一种风力发电机组系统，其特征在于包括权利要求1-7中任一项所述的双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机，以及功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：

双轴承支撑双定子开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器分别与控制系统、逆变器和负载连接。

9.根据权利要求8所述的风力发电机组系统，其特征在于：

所述的控制系统包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路和单片机。

10.根据权利要求8所述的风力发电机组系统，其特征在于：

所述的功率变换器与逆变器和负载之间还并联有直流电池，所述的控制系统还连接有辅助电源和直流电池。

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