CN105375688A - 一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，包括电机本体，电机本体采用空气冷却结构，该结构是用两个安装在转子支架两端上的离心风扇来提供动力，转子支架为采用铸造成型的一体化结构；所述电机本体采用悬臂梁定子结构，该结构是使用螺栓把电机定子一端锁定在电机机座上，而电机定子的另一端为自由端悬空，使得电机机座与电机定子的配合方式由原本的过盈配合变成一端支撑的悬臂梁配合，也使得电机机座上与电机定子配合的止口由原本的两个更改为一个。本发明主要减轻了发电机定子装配时的工作量，改善发电机冷却系统结构，提高其可靠性，并能解决焊接的转子支架结构变形量大、加工困难的问题以及减轻繁琐的校动平衡工作。

Description

一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构

技术领域

本发明涉及风力发电机组的技术领域，尤其是指一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构。

背景技术

目前，国内风力发电机组用的半直驱永磁发电机，大多数功率在2～4MW左右，采用水冷系统(IC3W5)，主要结构如下：

①机座(机壳)，发电机的保护与支撑结构，目前大多采用铸造与焊接两种方式进行生产。

②定子，发电机的发电部件，是发电机的核心部分，目前多采用过盈配合与机座进行装配，以保证发电机的可靠工作。

③转子，发电机的旋转磁场部件，为发电机提供旋转磁场，切割定子中的电磁线，从而使定子中产生电流。

④转子支架，是发电机转子的支撑部件，连接在发电机的传动轴上并用于安装发电机转子磁极，是发电机转子的主要组成部分。

⑤轴承单元，发电机转子相对于定子转动的支持部件，满足转子旋转性能要求。

⑥冷却系统，采用水冷却系统冷却发电机，带走发电机运行过程中产生的热量。

上述的这种常规的发电机结构在生产中还存在一些问题，首先是定子与机座是过盈或者过渡配合，装配时需要加热机座(加热时间在2小时以上)，加热消耗能量较大，工时也较长。其次是发电机的水冷却系统，因为水冷系统中的冷却管道是直接通过发电机内部的，长时间运行后极有可能会由于各种原因出现漏液的问题，这对发电机的使用是一个很大的安全隐患，因此在一定程度上会降低发电机的安全系数。最后是转子支架多为焊接结构，具体的结构为采用厚钢板卷制成圆筒、再用一块切割成圆环形状的钢板放置到圆筒内部中间位置进行焊接，然后加上几条沿圆周方向均布的筋板焊接而成，这种结构较为简单，但是焊接工作量大并且容易变形，其外形尺寸及重心都很难控制，这对于大型转动体来说是一个很大的缺陷，因为在发电机转动的过程中，如果转子偏心会导致发电机的振动加大，最终可能造成发电机轴承甚至发电机自身的损坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，主要减轻了发电机定子装配时的工作量，改善发电机冷却系统结构，提高其可靠性，并能够有效解决焊接的转子支架结构变形量大、加工困难的问题以及减轻繁琐的校动平衡工作，降低发电机转子加工及装配过程中的生产成本，增加发电机运行时的可靠性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，包括有电机本体，所述电机本体采用空气冷却结构，该结构是用两个安装在转子支架两端上的离心风扇来提供动力，使电机内腔的热空气循环流动至外部冷却器，通过外部冷却器冷却后再流回电机内部，且所述转子支架为采用铸造成型的一体化结构；所述电机本体采用悬臂梁定子结构，该结构是使用螺栓把电机定子一端锁定在电机机座上，而电机定子的另一端为自由端悬空，使得电机机座与电机定子的配合方式由原本的过盈配合变成一端支撑的悬臂梁配合，也使得电机机座上与电机定子配合的止口由原本的两个更改为一个。

所述转子支架由支架外圈、支撑结构和安装结构组成，所述支架外圈为圆筒状结构，外表面通过铣削加工成光滑的多面体，且圆筒两端加工有止口，用于半直驱永磁发电机的转子磁极安装时定位，从圆筒内表面沿径向钻有沿圆筒周向均布的沉孔，用于安装转子磁极，把转子磁极固定在转子支架外表面上，在圆筒两端钻有螺纹孔，用于安装两个离心风扇；所述支撑结构为环状结构，位于圆筒一端，用于连接支架外圈和安装结构成为一个整体，所述支撑结构上沿其周向开有多个通风孔，该通风孔是发电机冷却风路的重要组成部分，是发电机内部冷却空气循环流通的通道；所述安装结构为截头圆锥体结构，是转子支架的装配部分，其锥底与支撑结构连接，其锥顶加工有止口并钻有螺纹孔，用于与转子支架装配的连接法兰进行连接。

所述电机机座上增设有空气流通的通道。

所述通风孔为三角形孔。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、从发电机定子的装配结构来分析，目前的永磁发电机定子大多采用过盈配合与机座进行装配，而本设计技术使用的是国内尚无先例的悬臂梁定子结构，该结构的特点是使用螺栓把发电机定子一端锁定在发电机机座上，其安装方便，避免了过盈配合时需要加热机座很长时间的问题，在生产工艺上要比过盈装配的方式更简单、高效，有效的降低了生产成本。

2、从发电机转子的结构来分析，主要变化在于转子支架结构的变化，从原来的焊接结构更改为新型铸造结构，解决了焊接转子支架重心偏移、变形等缺陷，减轻加工及校动平衡时的工作量。其具体情况如下：

2.1)可以根据发电机结构需求设计转子支架重心的位置，而重心的位置对于旋转体来说是相当重要的，例如旋转体偏心会造成旋转体运动时产生较大的振动，因此重心位置是旋转体所关注的一个重要因素；

2.2)装配位置靠近一端的设计，可以使发电机两组轴承的间距适当加大，获得更好的稳定性；

2.3)截头圆锥体结构非常有利于型砂脱模，在很大程度上降低了铸造难度；

2.4)本设计采用铸件结构还有一系列显著的优势，主要表现在其结构紧凑、质量均匀、重心位置较为固定、批量生产时个体之间的差异性较小等。

3、从冷却系统的冷却型式来分析，水冷却系统(IC3W5)的效率要稍高于空气冷却系统(IC616)，但是空气冷却系统的可靠性及成本要优于水冷系统。

因此，从发电机整体结构来分析，新型的发电机结构在生产中具备工艺相对简单，结构紧凑，便于装配，成本也较旧结构更低，但可靠性更高，在大容量(5.5～7.5MW)的风力发电机组上得到验证。

附图说明

图1为本发明所述半直驱永磁发电机结构的侧视图。

图2为本发明所述半直驱永磁发电机结构的整体剖视图。

图3为本发明所述转子支架的主视图。

图4为本发明所述转子支架的侧视图。

图5为本发明所述转子支架的整体剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

相对于现有结构，本发明所述的风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，主要优化的结构有三个部分，第一为定子铁芯的装配方式，由原本与机座的过盈配合更改为一端支撑的悬臂梁结构；第二为发电机转子支架结构的优化，由原本的焊接结构更改为铸造结构，并进行特殊的结构设计；第三点是冷却系统的更改，由原本的水冷系统(IC3W5)更改为空气冷却系统(IC616)。

如图1和图2所示，本实施例所述的风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，包括有电机本体1，所述电机本体1采用空气冷却结构，空气冷却结构成本较低，安全系数远远高于水冷系统，更有利于保障发电机的可靠运行，该空气冷却结构是用两个安装在转子支架101两端上的离心风扇102来提供动力，使电机内腔的热空气循环流动至外部冷却器，通过外部冷却器冷却后再流回电机内部，且所述转子支架101为采用铸造成型的一体化结构，这种空气冷却结构解决了水冷系统长时间使用后漏液的问题，在电机的使用寿命期限内不容易损坏。所述电机本体采用悬臂梁定子结构，该结构是使用螺栓把电机定子103一端锁定在电机机座104上，而电机定子103的另一端为自由端悬空，该悬臂梁定子结构加强了定子铁芯的压圈、外围筋条的机械强度，安装非常方便，避免了过盈配合时需要加热电机机座很长时间的问题，降低了发电机装配时的工作量与电能消耗。

此外，为适应电机定子103的装配方式以及冷却系统的变化，本实施例的电机机座104的结构设计进行了很大的调整，首先是与电机定子103的配合方式由原本的过盈配合变成一端支撑的悬臂梁配合，因此电机机座104上与电机定子103配合的止口105由原来的两个更改为一个，并增加了空气流通的通道106。另外，在附图1中，107为电机出风口，108为电机吊装结构，109为电机后端盖，110为后端盖连接螺栓。

如图3至图5所示，本实施例所述的转子支架由支架外圈101-1、支撑结构101-2和安装结构101-3组成。所述支架外圈101-1为圆筒状结构，外表面通过铣削加工成光滑的多面体101-1-1，且圆筒两端加工有止口101-1-2，用于半直驱永磁发电机的转子磁极安装时定位，从圆筒内表面沿径向钻有沿圆筒周向大量均布的沉孔101-1-3，用于安装转子磁极，把转子磁极固定在转子支架外表面上，在圆筒两端钻有螺纹孔101-1-4，用于安装两个离心风扇102(每端一个)。所述支撑结构101-2为环状结构，位于圆筒一端，用于连接支架外圈101-1和安装结构101-3成为一个整体，所述支撑结构101-2上沿其周向开有大量的通风孔101-2-1，该通风孔101-2-1具体为三角形孔，是发电机冷却风路的重要组成部分，是发电机内部冷却空气循环流通的通道；通风孔设计成三角形的主要优点在于获取风路通道时不影响转子支架的机械性能(三角形具有良好的稳定性和结构强度)，保证支撑结构101-2的可靠性。所述安装结构101-3为截头圆锥体结构，是转子支架的装配部分，其锥底与支撑结构101-2连接，其锥顶加工有止口101-3-1并钻有螺纹孔101-3-2，用于与转子支架装配的连接法兰进行连接。

下面我们结合当前使用最广泛的转子支架结构(焊接转子支架结构)来进行分析，以证明本设计全新的铸造转子支架结构具备显著的进步，这种新型结构的转子支架，解决了焊接转子支架结构在焊接时变形、应力集中、圆周方向上质量分布不均匀造成的重心偏移等缺陷，减少发电机转子加工及装配时的工作量，提高发电机的安全系数。具体如下表1中所列举的特点。

表1-转子支架结构对比分析

因此，从上表的对比中可以看出，本发明设计的转子支架结构在生产加工中都具有较大的优势，并且在发电机的长期运行中，具有更高的可行性，并且上表中的这些特点于转动体来说是极其有利的，且在转子支架加工及装配时可以减少很大的工作量，例如发电机转子做动平衡时，如果重心偏差较大，所需的配重平衡块重量也随之增加，并且需要长时间的调校，而重心接近轴心时所需的平衡块重量会较小，不仅减少了工作量，还有利于增加发电机的可靠性。由于发电机转子与定子之间的间隙较小，因此要求转子高速旋转时要尽可能的减小振动及变形，避免因振动或变形导致发电机转子与定子擦碰而导致发电机损坏，而本设计的转子支架能更好的解决这一问题，为保障发电机正常运行提供了可靠的保障。

综上所述，本发明结构从加工、装配、吊装等各个环节对比，新技术带来了整机成本的降低，安全性、可靠性加强。首先，空气冷却系统设计了高效的循环风路，其可靠性高，运行维护成本低(几乎是免维护)；其次，电机定子的单支撑结构十分便于装配，大大的节约了装配时间及热套时加热电机机座的成本；再次，全新铸造转子支架的使用，对转动体来说是很有优势的，无论是在动平衡还是机械加工中都是要优于焊接转子支架。因此，从发电机整体结构来分析，新型的发电机结构在生产中具备工艺相对简单，结构紧凑，便于装配，成本也较旧结构更低，但可靠性更高，在大容量(5.5～7.5MW)的风力发电机组上已得到验证，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，包括有电机本体，其特征在于：所述电机本体采用空气冷却结构，该结构是用两个安装在转子支架两端上的离心风扇来提供动力，使电机内腔的热空气循环流动至外部冷却器，通过外部冷却器冷却后再流回电机内部，且所述转子支架为采用铸造成型的一体化结构；所述电机本体采用悬臂梁定子结构，该结构是使用螺栓把电机定子一端锁定在电机机座上，而电机定子的另一端为自由端悬空，使得电机机座与电机定子的配合方式由原本的过盈配合变成一端支撑的悬臂梁配合，也使得电机机座上与电机定子配合的止口由原本的两个更改为一个。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，其特征在于：所述转子支架由支架外圈、支撑结构和安装结构组成，所述支架外圈为圆筒状结构，外表面通过铣削加工成光滑的多面体，且圆筒两端加工有止口，用于半直驱永磁发电机的转子磁极安装时定位，从圆筒内表面沿径向钻有沿圆筒周向均布的沉孔，用于安装转子磁极，把转子磁极固定在转子支架外表面上，在圆筒两端钻有螺纹孔，用于安装两个离心风扇；所述支撑结构为环状结构，位于圆筒一端，用于连接支架外圈和安装结构成为一个整体，所述支撑结构上沿其周向开有多个通风孔，该通风孔是发电机冷却风路的重要组成部分，是发电机内部冷却空气循环流通的通道；所述安装结构为截头圆锥体结构，是转子支架的装配部分，其锥底与支撑结构连接，其锥顶加工有止口并钻有螺纹孔，用于与转子支架装配的连接法兰进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，其特征在于：所述电机机座上增设有空气流通的通道。

4.根据权利要求2所述的一种风力发电机组用的半直驱永磁发电机结构，其特征在于：所述通风孔为三角形孔。