CN104405588A - 轮式直驱风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了轮式直驱风力发电机，其包括：主轴；叶片支架，其安装到所述主轴并沿所述主轴的轴线方向具有两个与所述主轴连接的端部；多个叶片，它们安装到所述叶片支架上并带动所述叶片支架绕所述主轴旋转；轮式转子，其安装到所述主轴并位于所述叶片支架的所述两个端部之间，其中，当所述叶片支架绕所述主轴旋转时，所述轮式转子被所述叶片支架带动以绕所述主轴旋转；以及轮式定子，其安装到所述主轴并相对于所述主轴固定，所述轮式定子位于所述叶片支架的所述两个端部之间，位于所述轮式转子内侧并与所述轮式转子之间存在气隙。该轮式直驱风力发电机结构简单、重量轻。

Description

轮式直驱风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机，尤其涉及轮式直驱风力发电机。

背景技术

风能是清洁的能源，地球上的风力资源非常丰富，风力发电是风能的主要利用形式。当前，风力发电机作为重要的清洁能源设备之一，在新型能源行业中倍受关注，并得到快速发展。

直驱型风力发电机由于没有齿轮箱，其传动链结构更加简单，出现故障环节减少等优点，受到风力发电场客户越来越多的亲睐，装机容量在逐年增加。这种类型风机的缺点是发电机极数多、直径大。随着单机功率的增加，发电机径向尺寸和重量越来越大，其吊装和运输难的问题，已成为阻碍直驱风机向大功率方向发展的重要因素。为此，直驱型风机的发电机轻量化已成为一个重要的研究热点。

发明内容

根据本发明的第一方面，本发明实施方式提供一种轮式直驱风力发电机，其特征在于包括：主轴；

叶片支架，其安装到所述主轴并沿所述主轴的轴线方向具有两个与所述主轴连接的端部；

多个叶片，它们安装到所述叶片支架上并带动所述叶片支架绕所述主轴旋转；

轮式转子，其安装到所述主轴，并位于所述叶片支架的所述两个端部之间，其中，当所述叶片支架绕所述主轴旋转时，所述轮式转子被所述叶片支架带动以绕所述主轴旋转；以及

轮式定子，其安装到所述主轴并相对于所述主轴固定，所述轮式定子位于所述叶片支架的所述两个端部之间，位于所述轮式转子内侧并与所述轮式转子之间存在气隙。

根据本发明的第二方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于还包括：

传动轴承装置，其位于所述叶片支架和所述轮式转子之间，所述传动轴承装置将所述叶片支架的转矩传递给所述轮式转子，并且允许所述叶片支架相对于所述轮式转子沿所述主轴的轴向摆动。

根据本发明的第三方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述轮式转子具有转子壳体、多根第一辐条和转子法兰，所述转子壳体通过所述多根第一辐条与所述转子法兰固定连接，所述转子法兰安装在所述主轴上，并且

所述叶片支架具有支架法兰，所述叶片支架通过所述支架法兰安装到所述主轴上并绕所述主轴转动，并且所述支架法兰与所述转子法兰固定连接。

根据本发明的第四方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述轮式定子具有定子壳体、多根第二辐条和定子法兰，所述定子壳体通过所述多根第二辐条与所述定子法兰固定连接，所述定子法兰固定到所述主轴。

根据本发明的第五方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于还包括：

双列圆锥滚子轴承，其位于固定连接到一起的所述支架法兰和所述转子法兰与所述主轴之间，与所述支架法兰、所述转子法兰和所述主轴组成旋转副。

根据本发明的第六方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述传动轴承装置位于所述叶片支架和所述转子壳体之间，以将所述叶片支架的转矩直接传递给所述转子壳体。

根据本发明的第七方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于还包括：

多组定位轴承，它们位于所述轮式转子和所述轮式定子之间，以保证所述轮式转子与所述轮式定子之间的气隙稳定。

根据本发明的第八方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于，所述轮式转子为外转子结构，其中，所述轮式定子是位于所述外转子结构中的内部固定部分。

根据本发明的第九方面的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述轮式转子和所述轮式定子是整体式结构或分瓣组合式结构。

本发明的有益效果在于：根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机的发电机部分直接与风机叶轮组成一个整体，结构简单紧凑，有效的降低了风力发电机舱等整套设备的重量，减小了对风机塔架及基础的作用载荷，降低发电成本。

本发明的优点还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，在转子壳体和定子壳体与主轴之间采用辐条连接，风机叶片支架与转子间通过传动轴承装置直接传递动力，并避免风机叶片支架沿轴向的摆动对发电机的影响。相对于其他直驱发电机结构，能够有效的降低风机叶轮的摆动等有害冲击对发电机运行造成的影响。

本发明的有益效果还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，在转子壳体和定子壳体与主轴之间采用辐条连接，很大程度上减少了风机叶轮中心部位的挡风面积及风机叶轮的重量，减小风机的倾覆力矩，降低风塔的承载和造价。

本发明的有益效果还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，在轮式定子与轮式转子之间采用多组定位轴承支撑，避免了轮式定子和轮式转子在风载荷及叶轮振动作用下发生碰撞及气隙大范围变动，影响发电性能和发电机寿命。

本发明的有益效果还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，发电机部分与风机叶轮合并成一个整体。因此，对发电机部分的体积将没有过多的限制，可设计为多极电机，使得发电机在较低的转速下即可达到额定功率。风力发电机的极数根据发电机的额定功率以及风机叶轮转速确定。

本发明的有益效果还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，发电机结构可采用分瓣式结构，方便现场调试；可很好的解决大直径的直驱发电机公路运输和吊装的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机的一个示例的示意图。

图2是图1所示的轮式直驱风力发电机的发电机部分的放大的示意图。

图3是图2所示的轮式直驱风力发电机的发电机部分沿主轴轴线所在平面的截面图。

图4是图2所示的轮式直驱风力发电机的轴系结构的一个示例的结构图。

图5是图3所示的轮式直驱风力发电机的定子和转子结构的放大图。

图6是是图1所示的轮式直驱风力发电机的一个示例中的叶片支架与转子间的传动装置的效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明的直驱风力发电机采用辐条轮式结构，结合直驱风机发电机的工作原理和运行环境，发明了一种轮辐条式直驱型风力发电机。本发明充分利用了二力杆受力的特点，大大简化了发电机中心部分的支撑结构，有效地减轻了发电机的重量。同时由于轮辐中心部分为镂空结构，风可以自由穿过，不仅减少了风机在迎风方向的推力，而且提高了发电机的通风散热能力。另一方面，由于该结构易于实现电机的分瓣结构，方便现场调试等特点，可以很好解决大直径的直驱发电机的公路运输和吊装问题。因此，本发明很好地解决了直驱风力发电机大型化发展中存在的两个主要问题。

图1是根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机的一个示例的示意图。

如图1所示，轮式直驱风力发电机10设计为外转子结构的发电机。轮式直驱风力发电机10包括3个叶片100和一个发电机部分200。由于发电机部分200的形状类似于自行车车轮，因此本发明的直驱风力发电机被称为轮式直驱风力发电机。另外，本领域技术人员可以理解，根据实际需要，轮式直驱风力发电机可以包括2个、4个或更多个叶片100。优选地，轮式直驱风力发电机10还可包括位于发电机部分200的主轴迎风面的整流罩201，3个叶片100在风力的作用下绕主轴转动。

图2是图1所示的轮式直驱风力发电机的发电机部分的放大的示意图。

如图2所示，轮式直驱风力发电机10包括3个叶片100、叶片支架150、发电机部分200和整流罩201。叶片支架150安装于整流罩201所遮挡的主轴210(见图3)。

图3是图2所示的轮式直驱风力发电机的发电机部分沿主轴轴线所在平面的截面图。

图4是图2所示的轮式直驱风力发电机的轴系结构的一个示例的结构图。

图5是图3所示的轮式直驱风力发电机的定子和转子结构的放大图。

如图1至图5所示，在本发明的优选实施方式中，轮式直驱风力发电机10包括：主轴210；叶片支架150，其安装到主轴150并沿主轴的轴线215方向具有两个与主轴连接的端部；多个叶片100，它们安装到叶片支架150上并带动叶片支架150绕主轴210旋转；轮式转子230，其安装到主轴210并位于叶片支架150的两个端部之间，其中，当叶片支架150绕主轴210旋转时，轮式转子230被叶片支架150带动以绕主轴210旋转；以及轮式定子260，其安装到主轴210并相对于主轴210固定，轮式定子260位于叶片支架150的两个端部之间，位于轮式转子230内侧并与轮式转子230之间存在气隙。

具体而言，图3是图2所示的轮式直驱风力发电机10的发电机部分200沿主轴210的轴线215所在的贯穿叶片支架150的一部分的平面的截面图。如图3所示，发电机部分200包括轮式转子230和轮式定子260。轮式转子230包括转子壳体231(见图5)、多根转子辐条232和转子法兰233。转子壳体231通过多根转子辐条232与转子法兰233固定连接。转子法兰233安装在主轴210上。转子法兰233与支架法兰153固定连接。叶片支架150在绕主轴210转动时带动轮式转子230绕主轴210转动。轮式定子260具有定子壳体261(见图5)、多根定子辐条262和定子法兰263。定子壳体261通过多根定子辐条262与定子法兰263固定连接。定子法兰263固定到主轴210。轮式定子260与轮式转子230之间存在气隙。在本发明中，转子辐条和定子辐条的数量根据发电机部分200的直径、重量、输出转矩等确定。

如图2和图3所示，叶片支架150沿主轴210的轴线215方向具有两个与支架法兰153固定连接的端部，轮式转子230和轮式定子260位于叶片支架150的两个端部之间。即，在图2和图3所示的轮式直驱风力发电机10中，发电机部分200位于叶片支架150内。如图3所示，在发电机部分200中，轮式定子260位于轮式转子230内。

如图3所示，支架法兰153安装到主轴210上并绕主轴210转动。叶片支架150与支架法兰153固定连接，因此多个叶片100通过叶片支架150和支架法兰153与转子法兰153固定连接。

优选地，图3所示的轮式直驱风力发电机还包括传动轴承装置280。传动轴承装置280位于叶片支架150和轮式转子230之间。传动轴承装置280将叶片支架150的转矩传递给轮式转子230，并且允许叶片支架150相对于轮式转子沿主轴210的轴向摆动。即，叶片支架150与轮式转子230之间设计有传动轴承装置280，该装置将叶片的运动及转矩直接传递给轮式转子，即转子辐条232只起支撑作用，不传递转矩。另外，传动轴承装置280允许叶片支架150相对轮式转子260沿轴向摆动，从而降低了对叶片支架150和转子辐条232的结构强度和刚度要求，并提高了发电机部分200的稳定性。图3中所示的轮式直驱风力发电机结构，尤其是轮式转子230和轮式转子260的结构，仅仅是一种示例。根据本说明书的教导，本领域技术人员可以得到其它轮式直驱风力发电机结构。

图6是是图1所示的轮式直驱风力发电机的一个示例中的叶片支架与转子间的传动装置的效果图。

如图6所示，传动轴承装置280经传动结构件287将叶片支架150的运动及转矩直接传递给轮式转子230的转子壳体231，避免将叶片100挥舞方向的振动传递到电机部分200上。叶片支架150与轮式转子230间通过传动轴承装置280和传动结构件287来传递动力和运动。

在图3所示的轮式直驱风力发电机10的发电机部分200中，转子法兰233与支架法兰153固定连接(例如，螺栓固定连接)，并且支架法兰153用于安装叶片支架150。在风载荷作用下，叶片100(见图1和图2)带动叶片支架150、轮式转子230、支架法兰153和转子法兰233旋转。

另外，轮式转子230和轮式定子260可以是整体式结构，也可以是分瓣组合式结构。在轮式直驱风力发电机直径过大的情况下，轮式转子230和轮式定子260采用分瓣组合式结构，可以避免发电机部分直径过大对制造和运输造成困难。

图3所示的轮式定子260还可以包括定子线路264，用于导出发电机部分200所产生的电能。叶片支架150具有支架法兰153，叶片支架150通过支架法兰150安装到主轴210上并绕主轴210转动，并且支架法兰150与转子法兰233固定连接。

如图4所示，轮式直驱风力发电机10的轴系包括主轴210、两个支架法兰153、两个轴承211、两个转子法兰233、两个轴承定位轴套212和一个定子法兰263。图4所示的发电机轴系结构采用双轴承布局，两个轴承211分别布置在主轴210的两端。主轴210与定子法兰263固定连接，例如，采用花键固定连接。转子法兰233与支架法兰153固定连接(例如，螺栓固定连接)并和轴承211及主轴210组成旋转副。其中，轴承211可以是双列圆锥滚子轴承。即，双列圆锥滚子轴承211位于固定连接到一起的支架法兰153和转子法兰233与主轴210之间，与支架法兰153、转子法兰233和主轴210组成旋转副。

应该理解，图4所示的轮式直驱风力发电机10的轴系仅仅是一个示例，根据以上参照图3所述的轮式直驱风力发电机10的各种变型，本领域技术人员可以改变轮式直驱风力发电机10的轴系。

图5是图3所示的轮式直驱风力发电机的定子和转子结构的放大图。

如图5所示，叶片支架150通过传动轴承装置280将叶片的运动及转矩直接传递给轮式转子230的转子壳体231。轴承传动装置具体包括圆柱滚子轴承281和传动轴承室282。转子壳体231与定子壳体261彼此相邻。转子壳体231内安装有转子导磁块236。转子导磁块236可以直接安装在转子壳体231内。定子壳体261内安装有定子铁心271、励磁绕组272和电枢绕组272。定子铁心271可以直接安装在定子壳体261内。定子壳体261上还可以设置多个通风道275来引用风场的风为轮式定子260散热。另外，为了散热，定子壳体261内还可以安装有散热片。根据本发明实施方式的轮式风力发电机的转子内部结构由转子壳体和导磁块组成，结构简单，重量轻，进而使得发电机的启动转矩小，能够提高风能利用率。

另外，轮式定子260与轮式转子230之间存在气隙。因此，可以在轮式转子230和轮式定子260之间设置多组定位轴承242，以保证轮式转子230和轮式定子260之间的气隙稳定。

根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机10的转子壳体231和定子壳体261直径比较大，在风载荷作用下会由一定量的振动变形。为确保轮式定子260与轮式转子230之间的气隙的稳定，轮式定子260与轮式转子230之间采用多组定位轴承242进行支撑，有效地保证了气隙的稳定性，避免风载荷以及风机叶轮振动等对发电机性能的影响。在图5中，轮式直驱风力发电机定、转子间采用多组定位轴承242支撑，避免了发电机的定子和转子在风载荷及叶轮振动作用下发生碰撞及气隙大范围变动，影响发电效率。

优选地，可以在轮式定子260或轮式转子230内设置多处定位导轨243，以便多组定位轴承242在定位导轨243上移动。

图5所示的是一种电励磁同步风力发电机结构，该种电机转子结构简单、重量轻、启动转矩小，能够提高风资源的利用率。图5中所示的轮式直驱风力发电机的定子和转子结构仅仅是一种示例。根据本说明书的教导，本领域技术人员可以得到轮式直驱风力发电机的其它的定子和转子结构。

需要注意的是，在本发明中，对发电机部分的定子和转子的内部结构的描述仅仅是示例。即，在采用了本发明的轮式转子和轮式定子构成的轮式发电机的情况下，定子壳体和转子壳体内的具体结构不限于本发明实施方式中的描述，而是可以采用根据现有技术来进行设计。

在本发明说明书中，“固定连接”的方式包括但不限于螺栓连接、焊接和铆接。

根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机10的轮式定子260可以与变流器相连，使发出的电能经过变流器转化为频率为50Hz的交流电并入电网，使发电机发电不受转速限制。

本发明的优点在于：根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机的发电机部分直接与风机叶轮组成一个整体，结构简单紧凑，有效的降低了风力发电机舱等整套设备的重量，减小了对风机塔架及基础的作用载荷，降低发电成本。

本发明的优点还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，在转子壳体和定子壳体与主轴之间采用辐条连接，风机叶片支架与转子间通过传动轴承装置直接传递动力，并避免风机叶片支架沿轴向的摆动对发电机的影响。相对于其他直驱发电机结构，能够有效的降低风机叶轮的摆动等有害冲击对发电机运行造成的影响。

本发明的优点还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，在转子壳体和定子壳体与主轴之间采用辐条连接，很大程度上减少了风机叶轮中心部位的挡风面积及风机叶轮的重量。

本发明的优点还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，该轮式直驱风力发电机的轮圈直径比较大，在风载荷作用下会有一定量的振动变形，为确保定、转子间气隙的稳定，定、转子间采用多组定位轴承5进行支撑，有效的保证了气隙的稳定性，避免风载荷以及风机叶轮振动等对发电机性能的影响。

本发明的有益效果还在于：根据本发明实施方式的轮式风力发电机的转子内部结构由转子壳体和导磁块组成，结构简单，重量轻，进而使得发电机的启动转矩小，能够提高风能利用率。

本发明的优点还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，发电机部分与风机叶轮合并成一个整体。因此，对发电机部分的体积将没有过多的限制，可设计为多极电机，使得发电机在较低的转速下即可达到额定功率。风力发电机的极数根据发电机的额定功率以及风机叶轮转速确定。

本发明的优点还在于：在根据本发明实施方式的轮式直驱风力发电机中，发电机结构可采用分瓣式结构，方便现场调试；可很好的解决大直径的直驱发电机公路运输和吊装的问题。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轮式直驱风力发电机，其特征在于包括：

主轴；

叶片支架，其安装到所述主轴并沿所述主轴的轴线方向具有两个与所述主轴连接的端部；

多个叶片，它们安装到所述叶片支架上并带动所述叶片支架绕所述主轴旋转；

轮式转子，其安装到所述主轴并位于所述叶片支架的所述两个端部之间，其中，当所述叶片支架绕所述主轴旋转时，所述轮式转子被所述叶片支架带动以绕所述主轴旋转；以及

轮式定子，其安装到所述主轴并相对于所述主轴固定，所述轮式定子位于所述叶片支架的所述两个端部之间，位于所述轮式转子内侧并与所述轮式转子之间存在气隙。

2.根据权利要求1所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于还包括：

传动轴承装置，其位于所述叶片支架和所述轮式转子之间，所述传动轴承装置将所述叶片支架的转矩传递给所述轮式转子，并且允许所述叶片支架相对于所述轮式转子沿所述主轴的轴向摆动。

3.根据权利要求2所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述轮式转子具有转子壳体、多根第一辐条和转子法兰，所述转子壳体通过所述多根第一辐条与所述转子法兰固定连接，所述转子法兰安装在所述主轴上，并且

所述叶片支架具有支架法兰，所述叶片支架通过所述支架法兰安装到所述主轴上并绕所述主轴转动，并且所述支架法兰与所述转子法兰固定连接。

4.根据权利要求3所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述轮式定子具有定子壳体、多根第二辐条和定子法兰，所述定子壳体通过所述多根第二辐条与所述定子法兰固定连接，所述定子法兰固定到所述主轴。

5.根据权利要求3所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于还包括：

双列圆锥滚子轴承，其位于固定连接到一起的所述支架法兰和所述转子法兰与所述主轴之间，与所述支架法兰、所述转子法兰和所述主轴组成旋转副。

6.根据权利要求3所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述传动轴承装置位于所述叶片支架和所述转子壳体之间，以将所述叶片支架的转矩直接传递给所述转子壳体。

7.根据权利要求1所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于还包括：

多组定位轴承，它们位于所述轮式转子和所述轮式定子之间，以保证所述轮式转子与所述轮式定子之间的气隙稳定。

8.根据权利要求1所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于，所述轮式转子为外转子结构，其中，所述轮式定子是位于所述外转子结构中的内部固定部分。

9.根据权利要求1所述的轮式直驱风力发电机，其特征在于，

所述轮式转子和所述轮式定子是整体式结构或分瓣组合式结构。