CN106917723A - 大型感应子可带磁悬浮结构风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明披露的水平轴风力发电机组，由大小二段叶片通过连接圆环构成长大风叶整体，发电机为大直径分体定子的感应子结构，安装于塔筒外端，感应子转子在连接圆环上，发电机磁场可兼具磁悬浮结构功能，不增加成本且大大减轻了主轴负荷，有利于减摩降噪和提高机组发电量，机组可供利用范围为从中小型到超大型功率，特别适合10兆瓦级机组。

Description

大型感应子可带磁悬浮结构风力发电机组

发明领域

本发明属于机械电气技术领域，具体地说，是提出一种采用双节叶片结构涡轮机的水平轴感应子风力发电机组装置。

背景技术

风力涡轮机是将风的动能转变为适合发电机轴旋转的机械能，带动发电机旋转发电的新能源装置。产业实践证明，在目前广泛使用的水平轴涡轮发电机中，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本，因此，单机额定功率容量不断增大，水平轴涡轮机的单机功率已普遍从上世纪末的兆瓦级升高到目前的3～6兆瓦级水平，并正向10～20兆瓦级的目标迈进，这是风电技术发展的总趋势。为增加截风面积，叶片的长度也在材料技术和制造工艺技术进步的基础上不断增长，但由于叶片的悬臂梁结构强度低，受剪切力影响难以继续增加长度。有资料表明，在特大型涡轮机中，随着叶片长度的提高，额定功率成平方函数增加，而制造成本却成立方关系增长，所以单机功率的提高受到叶片经济性技术性的双重约束，现有传统技术都已很难满足单机功率大幅提升的技术经济需求，此外，大型化同样会受制于其他风电配套部件，例如发电机体积和重量也随之增大，包括塔筒、变桨和对风偏航等系统性问题也日益突出，都有待涡轮机技术方案的突破。中国发明专利申请201310041144.7，《10MW级座台式感应子风力发电机系统》提出了对上述传统机组缺陷的改进，但是其中的座台式承载体结构，使整个塔筒转动偏航的方案，整体重量大，结构复杂，转动不便，需作实质性的改进。

发明内容

本发明的目的是解决大型化所带来的超长叶片、超重直驱发动机，以及偏航装置、机械制动等多种技术挑战，有必要采用新的涡轮叶片结构和发电机结构，与先进传动结构相结合的方法来解决大型化所带来的的一系列问题，那就是采用带环的二段叶片，而环上安装的发电机转子又使发电机大直径化和轻量化，而所有这些改进，必须采用大型风电系统的新结构——座台才容易实现。中国发明专利申请201310041144.7，《10MW级座台式感应子风力发电机系统》提出的座台式构造为风电系统的大型化开创了新思路，本发明是对该系统中座台结构等改进所产生的新技术方案。

本发明的大型水平轴风力发电机组主要由涡轮机、轴系、制动器、发电机、塔筒组成，其特征为，涡轮机由长短二段叶片组成，短叶片(2)一端连接在涡轮机主轴(1)的轮毂上，另一端通过连接圆环(4)与长叶片(3)相连接；发电机为分体式感应子发电机，感应子转子(41)安装在连接圆环(4)上，感应绕组和磁场在定子上，发电机的定子(5)与涡轮机叶片同步水平旋转对风，执行偏航功能；塔筒固定在地基上。

本发明的技术效果是多方面的，首先叶片通过连接圆环分为二段，一是减少了长叶片的弯矩，增加叶片强度刚度，改善受力状况，也降低了制造和运输的成本；二是采用开放式的大直径感应子交流发电机增加磁力线切割速度，有利于降低发电机重量，更有利于通过自然风解决电机散热问题；采用固定的塔筒来代替原来必须整体转动的座台结构，改善了偏航对风的转动惯量，也省略了复杂的转动座台，降低了成本。

附图说明

图1、本发明的机组的上部结构简图。

图2、6个小叶片的局部涡轮机图。

图3、感应子发电机原理示意图。

图4、双边定子感应子发电机示意图。

图5、带上下端单边定子的感应子风电机组外形示意图。

图6、单边感应子发电机的磁悬浮结构原理图。

具体实施方式

图1为本发明机组的上部结构图。从图中可以看出，在主轴(1)的轮毂上，安装有短叶片(2)，短叶片(2)的原自由端与连接圆环(4)连接，所以短叶片(2)不再是单端悬臂梁，强度得到提高，此时再将长叶片(3)连接在连接圆环(4)上，相当于将叶片缩短，或相当于将传统涡轮机叶片分成二截，中间的连接得到加强，叶片的刚度和强度都得到提高。短叶片(2)可以采用三叶片，也可采用三个以上的多叶片，如图中即为五叶片，短叶片与长叶片可以交叉配置，以减少塔筒对风力的塔影效应，风轮机旋转更平稳。对于10MW级风力涡轮机来说，叶片总长度约在80～100米之间，其中一种方案是，可以分配短叶片(2)约在20～45米而长叶片(3)约在50～60米之间，当然具体分配应兼顾涡轮机和发电机的空气动力学特性，可通过计算机仿真、样机实验具体确定，达到性能优化和经济性的目标。

本发明与被改进的原有专利的第一个区别是，中国发明专利申请201310041144.7，《10MW级座台式感应子风力发电机系统》提出的塔筒安装在座台上，塔筒可水平旋转，而本发明的塔筒固定在地基上，不可转动，消除了座台结构。

当然，小风叶也可采用如图2的6片结构，其优点是，其一，小叶片增多有利于增强连接圆环的刚度，使发动机保持稳得的磁结构特性，其二，大小叶片在连接圆环的同一位置连接，也可使大叶片处于连接圆环的刚度最强的位置上。

图2为6个小叶片的局部涡轮机图。从图中可见到大小风叶连接于同一连接圆环位置。

本发明机组涡轮机的变桨装置只设置在短叶片(2)或长叶片(3)上，不必在两种叶片上都设置变桨装置。在短叶片上设置的优点是接近供电源或供气源，维修保养也比较方便；设置在长叶片上的优点是长叶片与现有风机叶片变浆结构比较接近，可利用现有叶片布置。

变桨装置的另一功能是协助涡轮机的制动，集中设置的制动器安装在主轴处，但涡轮机在工作转速下机组转动能量太大，很难利用制动器达到制动目标，必须靠变桨装置来降低转动力矩，甚至于产生一个反向力矩来实现空气动力学上的制动，只有在涡轮机转速很低的情况下，制动器才允许抱闸制动。

发电机定子固定的方式有两种，一种是发电机安装在塔筒(6)的旋转平台(61)上，旋转平台可与风叶同步转动对风，相对于塔筒水平旋转，同步方式有交流绕线电机同步和自整角同步控制驱动等方式。

另一方案是将塔筒分为两截，上截为上塔筒，可相对于下截的下塔筒转动，发电机定子体直接固定在塔筒(6)的外表面上，该方案与现有传统涡轮机机舱相对塔筒(6)水平旋转的效果相同。将机舱分成上下两截后，下截机舱与现有传统机舱相同，固定安装在地基上，而下截机舱的上端的小机舱，整体结构一起转动，比原有全部塔筒和座台整体旋转对风，轻松得多，同样达到发电机和风叶同步对风的目标。其特征为，发电机为感应子分体定子，定子体固定安装在上塔筒(6)的外表面上，通过上塔筒相对于下塔筒的水平旋转偏航对风。

制动器(7)配合对主轴(1)制动。

感应子发电机是利用感应子(相当于带齿槽的转子)的齿部和槽部磁阻的不同(齿上气隙磁阻小、磁通密度高，槽上磁通密度较低)，在转子转动时，感应子使定子电枢绕组的磁通周期性脉动，从而在绕组中产生感应电动势，感应子发电机是一种交流电机。其电枢绕组和磁体都嵌在定子铁心上，转子上没有绕组，只是一个表面均匀开槽的感应子。因此，感应子发电机结构简单，转子强度大，可以有较高转速。感应子发电机曾在铁路客车中广泛采用，是一项成熟技术。

通常的发电机都由一个圆形的转子体和一个圆形的定子体构成，转子通常处于定子体内，电磁作用面为转子的外圆柱面和定子的内圆柱面，旋转磁场就在定转子间如时针一样转动。由于风力涡轮机的低转速特点，使发电机电枢绕组的磁力线切割速度非常低，即使很大体积重量的发电机，其功率容量仍然很小。这就是为什么当今的主流风电机组采用齿轮箱的根本原因，因为齿轮箱将涡轮机的转速提高到适合发电机需要的相对较高的水平，发电机的体积重量就可大为减小。但是，齿轮箱的寿命短、维护保养成本高，又成为机组的累赘，无齿轮箱直驱成为风力发电机技术发展的重要趋势，这就是本发明发电机结构采用局部定子结构改革的主要目的。

本发明所采用感应子发电机直径在10米至几十米的量级，比直驱发电机的数米直径，增大了2～10倍，说明了其磁力线的切割速度也同样增大了2～10倍，而这样的倍数，通常恰恰相当于一台齿轮箱的增速比。同时，发电机的功率容量将以更大的倍数增大，涡轮机无法提供硕大功率发电机所需足够功率，也就是说，发电机不必含有整体的定子，部分定子就够了，这就是本发明的部分定子分体式感应子发电机所包含的特征。

从图1中可以看出，定子不是一个完整的圆柱体，只是这个圆柱体的一部分，所以，发电机定子就成为非整圆形体的、开放式定子的感应子发电机。发电机转子则是整体无缺的，安装在大小风叶的连接圆环上，成为连接圆环结构件的一部分。

由于转子直径远比普通风力发电机的转子直径大，所以发电机切割磁力线的线速度也很大，意味着定子绕组有较大的感应电压和功率输出能力，这就可以用部分定子的电机发出以往需要整台电机的功率水平，可以较大幅度地降低发电机重量和制造成本。此外，发电机采用开放式结构，利用自然风解决发电机的冷却问题，风力增大时，电机发热增加，风的冷却能力同样提高，刚好能带走更多的热量而形成发热和散热的平衡。发电机定子和转子间有定位滚轮，以控制电机气隙，定子绕组和磁体封装在定子体内，与转子气隙非接触面外表遍布散热筋。

如果需要，感应子发电机的定子体也可采用诸如热管、水冷或内部风冷等其他附加散热方式。

与普通感应子发电机结构不同的是，本发明发电机的感应绕组和转子呈开放式布置，处于空间开阔位置，适合于空气冷却散热，随着风速的提高，发电机输出功率增大，一方面绕组铜损发热增加，定子、转子铁损增加，但是另一方面随着风速的增加，散热能力也同时增强，二者恰好形成自适应的良好配合，有利于解决大型发电机的散热问题，所以，困扰工程设计的发电机热容量问题，在本发明的发电机中，应比现有传统电机容易解决。

图3所示为感应子发电机原理示意图。

感应子发电机由定子和转子组成，为方便作图，将曲面展开成平面表达。发电机的绕组和磁场都在定子上，转子结构也很简单，上面以凹凸相间的导磁体感应子组成，这是感应子发电机简易的转子结构，也是其的优点所在。

定子上有感应绕组(51)，感应绕组为集中绕组，套在定子磁路铁心上，定子磁路(52)通过转子上的感应子与定子磁极耦合，在感应绕组之间交错安置磁极(53)，相邻磁极的极性相反，磁极可以采用永磁体，例如普通的氧化铁磁体，也可以是钕铁硼等超强磁体；也可以采用励磁型电磁铁。

感应子(41)则安装在连接圆环(4)上。当风力涡轮机转动时，由于转子感应子的凹凸部分磁阻变化，引起感应绕组所耦合的定子磁轭中的磁力线不断变化，感应绕组中产生感应电压，即可向外部提供交流输出功率。

图中所列为发电机的其中一组定子，所发电能为单相电，按不同角度安装二组或多组即可使发电机成为二相或多相发电机，二相或多相发电机间的磁极分布可以错开一定距离，以减少发电机的“齿槽效应(coggingeffect)”，既能减少发电机的齿槽阻力，更能降低齿槽谐波损失。

转子感应子是磁流变化非常激烈的器件，所以必须采用高导磁率高电阻软磁材料，并具有很小的涡流损耗，当然更希望重量轻和机械强度高。可以采用高电磁性能的瓦状片覆盖在高机械强度的连接圆环上。

感应子发电机有多种结构，单极式或多极式，倍齿距式或等齿距式，图示中仅以单极等齿距式一例加以说明。

图1中的感应子发电机定子体称为单边定子结构，如果转子上的感应子做成两边对称的结构，则在转子的两边可以各放一组定子。

图4所示为双边定子感应子发电机示意图。与图1的区别是，单边定子感应子发电机只在转子的一侧布置定子体，而双边定子感应子发电机可在转子的两侧都布置定子体，二边的定子体结构基本相同，只是转子内边的定子电磁面为凸面而转子外边的定子电磁面为凹面，如果涡轮机能提供足够的驱动功率，则双边定子体感应子发电机可以使机组输出功率加倍。双边定子体还可以使两边的定子体磁力对连接圆环的作用力相互抵消，不易产生圆环变形。

定子的长度可视涡轮机结构和功率需要确定，如果采用双边定子仍达不到大功率的目标，也可在塔筒顶端增设一组双边定子。

图5为带上下端单边定子的感应子风电机组外形示意图。在塔筒上部，也可以增设定子体使发动机功率倍增，如果采用上下端双边定子，则可以得到比图1所示结构4倍的发电机输出功率。

采用上下端定子的感应子风电机组，涡轮机通过连接圆环传递到发动机的力矩分布在圆环的上下两边而不是下端定子中的单边，将优化涡轮机的受力状况，可减少结构形变，这是本发明的特征之一。

利用单边感应子发电机，可将本发明改进为转子磁悬浮结构，这又是本发明的一大技术特征。这样一来，就可以得到图1的下端定子体磁悬浮风力发电机组和图5的上下端单边定子体的磁悬浮风电机组。

图6所示为单边感应子发电机的磁悬浮结构原理图。机组中，借助于本发明特殊的电机结构，利用发电机磁场的磁力，特别是利用永磁体对于下边圆环转子的磁吸力，可以构筑一种准磁悬浮结构。

图6中，适当配制磁体的强度、定转子间隙和转子轴向长度，使定转子之间的磁拉力Fm与整个转子的重力Fg相平衡或接近平衡，即可达到准磁悬浮的效果。增加磁悬浮结构后，包括发电机转子在内涡轮机整个转子的重力，部分或全部转移到定子上，通过定子与塔筒的支承，转移到塔筒(或下塔筒)和地基，主轴轴承将不承载或少承载转子重量，达到减少摩损和噪声，提高效率、提高可靠性和寿命的目标。其特征为，发电机定子体为下端单边定子结构或上下端单边定子结构。由于定子体在连接圆环的上端，故其对圆环导磁体的向上提升力实际上相当于一个克服转子重力，将其提升的准磁悬浮力。

按当前的制造水平，风力发电机的主轴承如要应付20～25年长时间运行的要求，主轴承的制造难度、成本很高，价格昂贵，如采用本发明的磁悬浮结构，将极大改善轴承受力、降低摩擦、提升机组效率，并降低主轴承成本，有利于机组向大型化发展的需要。

本发明适用于数百至数兆瓦级的大型风力发电机组，更适合10MW级的超大型机组。当然，对于小型机组，许多结构特别是磁悬浮结构也有可用之处，所以本发明的保护范围应该包括采用本发明结构的各种功能结构、各种功率等级的风电系统。

Claims (10)

1.一种主要由涡轮机、轴系、制动器、发电机、塔筒组成的风力发电机组，其特征为，涡轮机由长短二段叶片组成，短叶片(2)一端连接在涡轮机主轴(1)的轮毂上，另一端通过连接圆环(4)与长叶片(3)相连接；发电机为分体定子感应子发电机，感应子转子(41)安装在连接圆环(4)上，感应绕组和磁场在定子上，发电机的定子(5)与涡轮机叶片同步水平旋转对风，执行偏航功能；塔筒固定在地基上。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，小风叶为6片结构。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，变桨装置设置在短叶片(2)或长叶片(3)的其中之一上。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，发电机为感应子分体定子，定子体安装在塔筒(6)的旋转平台(61)上，旋转平台可与风叶同步转动对风。

5.权利要求1所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，发电机为感应子分体定子，定子体固定安装在上塔筒(6)的外表面上，通过上塔筒相对于下塔筒的水平旋转偏航对风。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，感应子发电机为单极式或多极式，倍齿距式或等齿距式结构；磁极为永磁体或励磁型电磁铁。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，发电机定子体称为单边定子结构或双边定子结构。

8.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，发电机定子体为下端定子结构或上下端定子结构。

9.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征为，发电机定子体为下端单边定子结构或上下端单边定子结构。

10.根据权利要求1或权利要求9所述的风力发电机组，其特征为，机组中发电机定子和涡轮机转子结构具有附加磁悬浮功能的分体定子感应子发电机。