CN103078460A - 固定轴支撑双气隙直驱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固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统，该风力发电机包括电机外壳、轮毂、固定轴、空心转动轴、转子转盘、转子、外定子、内定子和内定子定心轴承，转子通过转子转盘与空心转动轴固定连接，空心转动轴与轮毂联动；内定子定心轴承的内环与转子转盘连接，外环与内定子连接。该系统包括所述的开关磁阻风力发电机、功率变换器、控制系统、逆变器和负载。本发明相对于单定子开关磁阻发电机，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。

Description

固定轴支撑双气隙直驱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，特别是涉及一种固定轴支撑双气隙直驱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。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。

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和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，降低振动与噪声的固定轴支撑双气隙直驱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固定轴支撑双气隙直驱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，降低电机振动与噪音，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，包括电机外壳、轮毂、固定轴、空心转动轴、转子转盘、转子、外定子、内定子和内定子定心轴承，其中：转子通过转子转盘与空心转动轴固定连接，空心转动轴与轮毂联动；内定子定心轴承的内环与转子转盘连接，外环与内定子连接。

作为本发明的进一步改进，还包括前轴承、内定子支架、后轴承；空心转动轴通过前轴承、后轴承套装在固定轴上；外定子与电机外壳内侧固定连接，内定子支架与电机外壳固定连接，内定子通过内定子支架与内定子定心轴承的内环固定连接；转子设置在内定子和外定子之间，转子的前端与转子转盘固定连接，后端通过转子后支架与内定子支架可转动连接。

所述转子后支架通过转子定心轴承与内定子支架可转动连接。

所述前轴承和后轴承均为调心轴承。

所述固定轴为空心固定轴。

所述的后轴承外侧还设有后轴承定位件；所述后轴承定位件为轴螺母或后轴承端盖。

所述内定子和外定子均包括定子铁心和定子绕组；所述内、外定子的定子铁芯均为凸极结构；所述内、外定子的定子绕组均为整矩绕组。

所述转子包括铸铝结构，以及安装在铸铝结构两侧的内、外转子磁极。

此外，本发明还提供一种风力发电机组系统，包括上述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机、功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：所述的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。

采用以上设计后，本发明与现有技术比较有以下有益技术效果：

1、本发明相对于单定子开关磁阻发电机，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、本发明在传动中采用了固定轴支撑的结构方式，使其不必使用价格昂贵的双列圆锥滚子轴承（鹦鹉螺轴承），而采用风电机组中常用的调心轴承。这两种传动链设计的轴承总成本的比较结果是：鹦鹉螺轴承方案约为调心轴承方案的两倍，因此，较大幅度降低了轴承成本；

3、本发明采用了固定轴来承受和传递叶轮的载荷而不必使用需承受轮毂载荷的尺寸大、重量重的机舱壳体，机舱罩采用轻型玻璃钢结构，大幅减小了整机重量；

4、本发明用了空心固定轴来承受和传递轮毂的载荷，这样的结构大幅减小了主轴的重量和成本；

5、本发明在发电机转子后端加设了一个常规深沟球轴承,在内定子前端加设了一个常规深沟球轴承，保证了发电机在任何运行状态下转子与定子的同心；

6、本发明采用铸铝转子结构，进一步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，降低了开关磁阻发电机的振动与噪声。

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是本发明固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机的结构组成示意图。

图2是本发明固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机的定子、转子截面结构示意图。

图3是本发明开关磁阻风力发电机组系统的组成结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，包括电机外壳6、轮毂1、固定轴17、空心转动轴3、转子转盘5、转子8、外定子7、内定子9和内定子定心轴承21。其中，转子8通过转子转盘5与空心转动轴3固定连接，空心转动轴3与轮毂1联动。内定子定心轴承21的内环与转子转盘5连接，外环与内定子9连接。

进一步的，上述部件通过前轴承15、内定子支架11、后轴承18、机架14、前轴承端盖2、电机前端盖4、后法兰12、转子后支架10、转子后轴承支架13、轴套16、后轴承定位件19、转子定心轴承20等组装连接。

其中，固定轴17与机架14固定连接，前轴承15和后轴承18安装在固定轴17两端，轴套16套装在位于前、后两轴承15、18的内环间的固定轴17上。空心转动轴3套装在固定轴17的前轴承15、后轴承18的外环上，前轴承端盖2经螺栓固定连接空心转动轴3。轮毂1由止口法兰、螺栓与转子转盘5、空心转动轴3固定连接，转子转盘5用于传递轮毂的扭矩。

外定子7安装在电机外壳6内侧，内定子9安装在内定子支架11上，转子8设置在内定子9和外定子7之间，转子8的前端与转子转盘5固定连接。转子8的后端与转子后支架10固定连接，较佳的，转子后支架10通过转子定心轴承20与内定子支架11可转动连接，用于保证转子8后端与定子同心。

后法兰12与电机外壳6的后端、机架14固定连接。电机外壳6的前端与电机前端盖4与机架14连接。

内定子定心轴承21的内环套装在转子转盘5伸出端的外圈上，外环安装在内定子支架11的轴承座内。

优选的，前轴承15、后轴承18均采用调心轴承；固定轴17采用空心固定轴；转子定心轴承20、内定子定心轴承21采用常规深沟球轴承。

后轴承定位件19设置在后轴承18外侧，后轴承定位件19采用轴螺母或后轴承端盖；在机架14外侧还安装有玻璃钢结构的机舱罩。

请参阅图2所示，本发明的开关磁阻风力发电机的定、转子剖面结构示意图，包括外定子7、转子8及内定子9。

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及铸铝结构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“X”、“o”表示电流流进方向：“X”表示流进纸面，“o”表示流出纸面。

转子8为铸铝结构，外转子磁极81与内转子磁极83为导磁性材料，铸铝结构82为非导磁性材料。

转子8位于内定子9和外定子7之间，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，第一工作气隙与第二工作气隙磁路的为串联或并联。

请参阅图3所示，本发明开关磁阻风力发电机组系统包括上述的开关磁阻风力发电机、功率变换器、逆变器和负载、控制系统，还包括直流电池、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。

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；直流电池与控制系统连接；控制系统与功率变换器连接；辅助电源与控制系统连接。

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/机械能转换装置；功率变换器接收控制系统发出的控制指令，将开关磁阻风力发电机产生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以及外部输入的指令，实现对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，将开关磁阻发电机产生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系统提供±15V、±5V等多路电源。

由以上可知，本发明大幅降低了兆瓦级及以上的开关磁阻风力发电机的成本，提高了开关磁阻风力发电机的性能，且体积小、重量轻、便于运输，提高了开关磁阻风力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)

1.一种固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于包括电机外壳、轮毂、固定轴、空心转动轴、转子转盘、转子、外定子、内定子和内定子定心轴承，其中：

转子通过转子转盘与空心转动轴固定连接，空心转动轴与轮毂联动；

内定子定心轴承的内环与转子转盘连接，外环与内定子连接。

2.根据权利要求1所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

还包括前轴承、内定子支架、后轴承；

空心转动轴通过前轴承、后轴承套装在固定轴上；

外定子与电机外壳内侧固定连接，内定子支架与电机外壳固定连接，内定子通过内定子支架与内定子定心轴承的内环固定连接；

转子设置在内定子和外定子之间，转子的前端与转子转盘固定连接，后端通过转子后支架与内定子支架可转动连接。

3.根据权利要求2所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述转子后支架通过转子定心轴承与内定子支架可转动连接。

4.根据权利要求2所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述前轴承和后轴承均为调心轴承。

5.根据权利要求2所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述固定轴为空心固定轴。

6.根据权利要求2所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的后轴承外侧还设有后轴承定位件；

所述后轴承定位件为轴螺母或后轴承端盖。

7.根据权利要求1所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述内定子和外定子均包括定子铁心和定子绕组；

所述内、外定子的定子铁芯均为凸极结构；

所述内、外定子的定子绕组均为整矩绕组。

8.根据权利要求1所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述转子包括铸铝结构，以及安装在铸铝结构两侧的内、外转子磁极。

9.一种风力发电机组系统，其特征在于包括权利要求1-8中任一项所述的固定轴支撑双气隙直驱开关磁阻风力发电机、功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：

所述的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。

10.根据权利要求9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。

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