CN105484948A - 风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法。该风力发电机组主轴承冷却系统包括：半导体冷却部，其具有吸热的冷端和放热的热端，冷端与被冷却的主轴承连接；供电控制部，其与半导体冷却部连接，向半导体冷却部供电并控制半导体冷却部。采用该风力发电机组主轴承冷却系统对主轴承进行冷却，可靠性高、可控性好，且无噪音无振动。

Description

风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组冷却设备领域，尤其涉及一种风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法。

背景技术

风力发电机组的大型化已逐步成为趋势，在风力发电机组的大型化中必然带来其主轴承的大型化，使得主轴承的载荷急剧增大，给主轴承的安全可靠运行带来许多挑战。其中主轴承的运行温度是其可靠运行的重要因素。为了确保风力发电机组主轴承的合理寿命，除了在设计、制造加工和装配上充分考虑相关要求外，应该将该主轴承的现场运行温度控制在合理范围，才能避免主轴承的过早失效而给发电公司带来巨大的经济损失。

论文《电机轴承风冷散热》提出了将发电机后风扇的叶片适当加长加宽来把轴承的热量带走的技术方案。但是一般风力发电机组采用双轴承结构，设置于其后端的风扇可能将后轴承的热量带走，但是对前轴承的散热效果有限。

另外一种方式是采用蒸发冷却的方式来冷却轴承，也即通过在轴承上设置液体冷却管路，利用冷却介质的蒸发来冷却轴承。这种方式虽然能降低轴承的温度，但是结构复杂，冷却介质还存在泄漏的风险。

再一种方式是采用加装散热片的方式对轴承散热。但是这种轴承冷却方式浪费材料，对散热材料的利用率低，当轴承发热量较大时，散热效果较差。

还有一种方式是使用新型的轴承的内圈结构，通过内圈上的孔将热量通过自然对流的方式将热量散发，这种方式没有进行强制散热冷却，散热效果有限。

综上所述，现有的轴承冷却方式冷却效果差，对保证轴承可靠性的效果不佳。

发明内容

本发明的实施例提供一种风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法，以解决风力发电机组的主轴承冷却效果不佳的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种风力发电机组主轴承冷却系统，包括：半导体冷却部，其具有吸热的冷端和放热的热端，冷端与被冷却的主轴承连接；供电控制部，其与半导体冷却部连接，向半导体冷却部供电并控制半导体冷却部。

进一步地，供电控制部包括电源和与电源连接的控制器，半导体冷却部与控制器连接。

进一步地，风力发电机组主轴承冷却系统还包括导电滑环，导电滑环具有转动端和固定端，转动端与半导体冷却部连接，固定端与电源连接。

进一步地，风力发电机组主轴承冷却系统还包括检测主轴承温度的检测部，检测部与控制器连接并将检测的温度信息传递给控制器。

进一步地，检测部包括温度传感器，温度传感器检测主轴承的外圈温度。

进一步地，半导体冷却部包括多个半导体热电偶，多个半导体热电偶串联或并联形成多级热电堆。

进一步地，多级热电堆为三级热电堆，第一级热电堆包括一个半导体热电偶，第二级热电堆包括两个半导体热电偶，且第一级热电堆的半导体热电偶与第二级热电堆的半导体热电偶之间并联；第三级热电堆包括三个半导体热电偶，且第三级热电堆的半导体热电偶与第二级热电堆的半导体热电偶之间串联，第三级热电堆的半导体热电偶与第二级热电堆的半导体热电偶之间设置有电绝缘导热层。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，包括机舱、连接在机舱上的定轴、设置在定轴内的主轴承、穿设在主轴承内的动轴，该风力发电机组还设置有上述的主轴承冷却系统。

进一步地，主轴承冷却系统的半导体冷却部的冷端固定设置在动轴的内壁面上。

根据本发明的另一方面，提供一种冷却控制方法，该冷却控制方法用于控制上述的风力发电机组主轴承冷却系统，其包括如下步骤：采集主轴承外圈的温度信息；比较温度信息和第一预设温度值T1，若温度信息大于第一预设温度值T1且持续时间大于第一预设时间t1，则向半导体冷却部供电。

进一步地，在向半导体冷却部供电时，使半导体冷却部1持续运行第二预设时间t2，之后还包括如下步骤：采集主轴承外圈的温度信息；比较温度信息和第二预设温度值T2，若温度信息小于第二预设温度值T2且持续时间大于第三预设时间t3，则终止向半导体冷却部供电。

本发明的实施例的风力发电机组主轴承冷却系统利用半导体冷却部对风力发电机组的主轴承进行冷却，利用供电控制部对半导体冷却部进行控制，可以实现自动智能地对风力发电机组的主轴承进行冷却，且此种冷却方式可靠性高，冷却效果好，无噪音，无振动。

附图说明

图1为本发明的实施例的风力发电机组的结构示意图；

图2为本发明的实施例的多级电热堆的原理示意图；

图3为本发明的实施例的冷却控制方法的流程图。

附图标记说明：

1、半导体冷却部；11、冷端；12、热端；13、电绝缘导热层；2、主轴承；3、供电控制部；31、电源；32、控制器；4、导电滑环；5、温度传感器；6、机舱；8、动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法进行详细描述。

如图1所示，风力发电机组包括机舱6、连接在机舱6上的定轴、设置在定轴内的主轴承2和穿设在主轴承2内的动轴8等。其中，主轴承2的外圈安装在定轴孔内，与定轴一起保持静止，主轴承2的内圈安装在动轴8上，随动轴8一起转动。动轴8与转子支架和叶轮系统相连，随着叶轮系统旋转。在风力发电机组的工作过程中，主轴承2会产生发热现象，使得主轴承的运行温度超过其适合的工作温度范围，造成主轴承2寿命降低、可靠性降低。为了确保主轴承2可以在合适的温度范围内工作，需要对主轴承2进行冷却。在本实施例中，采用风力发电机组主轴承冷却系统对主轴承2进行冷却。

根据本发明的实施例，风力发电机组主轴承冷却系统包括半导体冷却部1和供电控制部3。其中，半导体冷却部1具有吸热的冷端11和放热的热端12，冷端11与被冷却的主轴承2连接，根据热传导原理，利用半导体冷却部1的冷端吸收主轴承2的热量，使其温度降低实现对主轴承2的有效冷却，进而保证主轴承2的工作温度在一个合适的范围内，以确保其使用寿命。供电控制部3与半导体冷却部1连接，向半导体冷却部1供电，以使其工作，并控制半导体冷却部1。

在本实施例中，利用半导体冷却部1有针对性地对风力发电机组的主轴承进行冷却，确保主轴承2可以被有效冷却，进而确保主轴承2的工作温度。

具体地，半导体冷却部1的冷端11固定设置在动轴8的内壁面上。由于动轴8与主轴承2的内圈过盈配合，主轴承2的外圈与内圈之间通过转动体连接，因此通过热传导原理，半导体冷却部1的冷端11能够吸收主轴承2的外圈的热量，并对主轴承2进行冷却。

半导体冷却部1的冷却原理是：将一个P型半导体元件和一个N型半导体元件连接形成一个热电偶。当其通电时，热电偶一端的电流方向是从N极到P极(N-P)，此端温度降低，且吸收热量，形成半导体冷却部1的冷端11。热电偶的另一端的电流方向是从P极到N极(P-N)，此端温度升高，且放出热量，形成半导体冷却部1的热端12。通过供电控制部3向半导体冷却部1供电，并控制半导体冷却部1在需要时制冷，以在其冷端11形成低温区，使主轴承2的热量向半导体冷却部1的冷端11传递，进而使主轴承2的温度降低，实现对主轴承2的有效冷却。

如图2所示，半导体冷却部1包括多个半导体热电偶，多个半导体热电偶串联或并联形成多级热电堆。多级热电堆具有更大的制冷量，可以更加有效地冷却主轴承2。

在本实施例中，多级热电堆为三级热电堆，其第一级包括一个半导体热电偶，第二级包括两个半导体热电偶，且第一级的半导体热电偶与第二级的半导体热电偶之间并联，两级之间工作电压相同，由于级间既要导热又要导电，所以不需要级间电绝缘。第三级包括三个半导体热电偶，且第三级的半导体热电偶与第二级的半导体热电偶之间串联，两级之间的工作电流相同。为保证多级热电堆能够正常工作，第三级的半导体热电偶与第二级的半导体热电偶之间设置有电绝缘导热层13，以在确保能够进行热传导的情况下隔绝电流。电绝缘导热层13的导热系数大，能够减少级间传热温差所引起的损失。

优选地，在本实施例中，多级热电堆为多个，且沿动轴8的周向均匀布置，以实现最好的冷却效果。

如图2所示，第三级的三个半导体热电偶中，处于中间的一个半导体热电偶的N极上连接正极，P极上连接负极。

在本实施例中，供电控制部3包括电源31和与电源31连接的控制器32，半导体冷却部1与控制器32连接。电源31用于对半导体冷却部1进行供电。其可以是蓄电池、太阳能电池板或其他能够提供电能的部件。由于该冷却系统应用于风力发电机组中，因此，电源31可以是风力发电机组的供电系统。

控制器32用于对半导体冷却部1进行控制。控制器32可以是单独设置的单片机、微型计算机(PC)等。在本实施例中，控制器32为风力发电机组的主控制器，其为PLC控制器(可编程控制器)。该控制器32用于控制是否向半导体冷却部1供电和供电的电流大小。在本实施例中，控制器32为风力发电机组的主控系统的PLC控制器，其放在机舱6的主控柜内是整个系统的大脑，根据事先固化在PLC控制器内的程序来判断来自温度传感器5的温度数值，并根据阈值和时间来决定是否给电源31发指令或发送不同的指令来给多级热电堆供电或断电，从而自动地启动或停止多级热电堆。

由于该半导体冷却部1设置在风力发电机组的动轴8上，而电源31设置在风力发电机组的机舱6内，为了实现转动部分与固定部分的能量传递，风力发电机组主轴承冷却系统还包括导电滑环4，导电滑环4安装在风力发电机组的转子制动横梁上。导电滑环4具有转动端和固定端，转动端与半导体冷却部1连接，固定端与电源31连接，以便将电源31的电能传递到半导体冷却部1上。

优选地，为了提高控制准确度，风力发电机组主轴承冷却系统还包括检测主轴承2温度的检测部，检测部与控制器32连接并将检测的温度信息传递给控制器32。这样控制器32可以根据检测部检测的主轴承2的温度值实时控制半导体冷却部1工作，以实时调节主轴承2的温度。

检测部可以是红外温度检测器等能够检测温度的器件。在本实施例中，检测部包括温度传感器5，温度传感器5安装在定轴的孔内，用于实时在线监测主轴承2外圈的温度，并将监测到的数据发送给控制器32。

该冷却系统的冷却过程如下：

将多级热电堆安装在风力发电机组的与主轴承2相配合的动轴8内表面，利用多级热电堆进行制冷。利用安装在主轴承2外圈的温度传感器5在线实时检测主轴承2的外圈温度，并将所检测到的温度情况发送给风力发电机组机舱主控柜内主控系统的PLC控制器，实现温度在线监测。一旦PLC控制器接收到的温度数据超过预先设定的阈值，PLC控制器将给电源31(其为风力发电机组的供电系统)发送指令，电源31将按照要求给多级热电堆供电，使其按照要求开始制冷。多级热电堆的冷端11源源不断地将主轴承2内的动轴8的内表面的热量导到其热端12，从而冷却动轴8，进而间接冷却主轴承2的内圈、滚子和外圈。当温度传感器5检测到外圈的温度降到合理的温度以下，PLC控制器收到来自温度传感器5发送来的温度数值并持续一段时间后，PLC控制器给电源31发送断电的指令，随后多级热电堆停止工作。这样始终保持主轴承2的温度在合理的运行温度以下，确保了主轴承不因温度过高而降低其使用寿命或过早的损坏而失效。

根据本发明的另一方面，提供一种冷却控制方法，该冷却控制方法用于控制上述的风力发电机组主轴承冷却系统，其包括如下步骤：

采集主轴承2外圈的温度信息；

比较温度信息和第一预设温度值T1，若温度信息大于第一预设温度值T1且持续时间大于第一预设时间t1，则说明主轴承2需要冷却，则向半导体冷却部1供电，使半导体冷却部1的冷端11吸热，使主轴承2上的热量经过动轴8传递到冷端11上，再通过半导体冷却部1的热端12散发到动轴8内的空间中，通过风力发电机组的散热系统将热量散出。

优选地，为了减少能源浪费，在向半导体冷却部1供电时，使半导体冷却部1持续运行第二预设时间t2，之后还包括如下步骤：

采集主轴承2外圈的温度信息；

比较温度信息和第二预设温度值T2，若温度信息小于第二预设温度值T2且持续时间大于第三预设时间t3，则说明主轴承2处于合适的工作温度下，无需再制冷，则终止向半导体冷却部1供电。

如图3所示，具体地，该风力发电机组主轴承冷却系统的工作过程为：

当风力发电机组在风电场无故障长期运行时，主轴承2的外圈上的温度传感器5将在线实时的采集外圈的温度数据，并将数据传送到机舱主控柜的PLC控制器。控制器32将该检测温度与第一预设温度值T1比较。

若检测温度大于第一预设温度值T1，则开始计时。若检测温度超过第一预设温度值T1的时间未超过第一预设时间t1，则保持现状，控制器32不发送指令。若检测温度超过第一预设温度值T1的时间超过第一预设时间t1，则说明主轴承2需要冷却，控制器32给电源31信号，使其向多级热电堆供电。多级热电堆开始工作，吸收动轴8的热量，通过热传导、对流和辐射间接带走主轴承2的内圈、滚子和外圈的热量，从而达到降低主轴承2的内圈、滚子和外圈的温度的目的。

在多级热电堆启动第二预定时间t2后，如果控制器32接收到的主轴承2的外圈的温度数据低于第二预设温度值T2，则开始计时，若检测温度低于第二预设温度值T2的持续时间未达到第三预设时间t3，则说明主轴承2仍需冷却，控制器32继续给电源31发送指令，要求其继续给多级热电堆供电。若检测温度低于第二预设温度值T2的持续时间达到第三预设时间t3，则控制器32向电源31发送指令，命令其断开多级热电堆的电流，使多级热电堆停止工作。其中，第一预设温度值T1大于第二预设温度值T2。

通过多级热电堆制冷技术和温度在线监测技术，达到了在线监测风力发电机组的主轴承2的外圈的温度，并根据主轴承2的外圈的温度情况，自动启动或停止多级热电堆，以直接冷却与风力发电机组的主轴承2的内圈相配合的动轴8内表面，进而间接冷却主轴承2的内圈、滚子和外圈的目的，实现实时的控制主轴承2温度的效果，解决了风力发电机组的主轴承温度难以控制的问题。

本发明的风力发电机组及其主轴承冷却系统、冷却控制方法具有如下效果：

多级热电堆是由多个半导体制冷的热电偶串并联混合组成的。能够获得最大的制冷量和最大温差，其冷端安装在动轴的内表面，多个多级热电堆均匀地分布在动轴的内表面，工作时其冷端吸收主轴承的热量使主轴承降温，吸收的热量将通过其热端释放掉。

多级热电堆采用的半导体制冷技术来间接冷却风力发电机组的主轴承，解决了主轴承运行温度高而无法有效的降温的问题，达到了有效地降低主轴承温度的效果，同时解决了普通半导体制冷器温差小和冷量小的问题，采用的多级热电堆具有更大的温差和冷量，能够获得更低的冷端温度；

还解决了主轴承的空气冷却方式噪音大、有振动、体积大，而液体冷却方式需要冷却液、管路系统复杂、有泄漏风险、重量重的问题，达到了无噪声、无振动、不需要冷却液、体积小、重量轻，且工作可靠、免维护、安装和运行简单的效果；

采用了PLC控制器进行控制，解决了不能在线实时监测轴承温度和自动控制轴承温度同步和一体化的问题，达到了全自动智能化的控制主轴承温度的效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，包括：

半导体冷却部(1)，其具有吸热的冷端(11)和放热的热端(12)，所述冷端(11)与被冷却的主轴承(2)连接；

供电控制部(3)，其与所述半导体冷却部(1)连接，向所述半导体冷却部(1)供电并控制所述半导体冷却部(1)。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，所述供电控制部(3)包括电源(31)和与所述电源(31)连接的控制器(32)，所述半导体冷却部(1)与所述控制器(32)连接。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，所述风力发电机组主轴承冷却系统还包括导电滑环(4)，所述导电滑环(4)具有转动端和固定端，所述转动端与所述半导体冷却部(1)连接，所述固定端与所述电源(31)连接。

4.根据权利要求2所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，所述风力发电机组主轴承冷却系统还包括检测所述主轴承(2)温度的检测部，所述检测部与所述控制器(32)连接并将检测的温度信息传递给所述控制器(32)。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，所述检测部包括温度传感器(5)，所述温度传感器(5)检测所述主轴承(2)的外圈温度。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，所述半导体冷却部(1)包括多个半导体热电偶，所述多个半导体热电偶串联或并联形成多级热电堆。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其特征在于，所述多级热电堆为三级热电堆，第一级热电堆包括一个半导体热电偶，第二级热电堆包括两个半导体热电偶，且所述第一级热电堆的半导体热电偶与所述第二级热电堆的半导体热电偶之间并联；

第三级热电堆包括三个半导体热电偶，且所述第三级热电堆的半导体热电偶与所述第二级热电堆的半导体热电偶之间串联，所述第三级热电堆的半导体热电偶与所述第二级热电堆的半导体热电偶之间设置有电绝缘导热层(13)。

8.一种风力发电机组，包括机舱(6)、连接在所述机舱(6)上的定轴、设置在所述定轴内的主轴承(2)、穿设在所述主轴承(2)内的动轴(8)，其特征在于，还设置有权利要求1至7中任一项所述的主轴承冷却系统。

9.根据权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于，所述主轴承冷却系统的半导体冷却部(1)的冷端(11)固定设置在所述动轴(8)的内壁面上。

10.一种冷却控制方法，其特征在于，该冷却控制方法用于控制权利要求1至7中任一项所述的风力发电机组主轴承冷却系统，其包括如下步骤：

采集主轴承(2)外圈的温度信息；

比较所述温度信息和第一预设温度值T1，若所述温度信息大于所述第一预设温度值T1且持续时间大于第一预设时间t1，则向所述半导体冷却部(1)供电。

11.根据权利要求10所述的冷却控制方法，其特征在于，在向所述半导体冷却部(1)供电时，使半导体冷却部(1)持续运行第二预设时间t2，之后还包括如下步骤：

采集所述主轴承(2)外圈的温度信息；

比较所述温度信息和第二预设温度值T2，若所述温度信息小于所述第二预设温度值T2且持续时间大于第三预设时间t3，则终止向所述半导体冷却部(1)供电。