CN108418351A - 风力发电机气隙实时检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机气隙实时检测系统及方法，该系统包括风力发电机、激光传感器、电容传感器，风力发电机的定子硅钢片与转子磁钢之间的距离为风力发电机的气隙，至少一个激光传感器通过安装支架固定连接在转子外壳上；至少一个电容传感器粘贴在定子硅钢片表面，激光传感器发出的激光束可照射在电容传感器表面，形成一组传感器测量装置，用于测量风力发电机的气隙。该系统及方法能实时评估风机载荷，通过风机控制预先降载，从而防止发生定、转子擦碰。

Description

风力发电机气隙实时检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机气隙检测系统，尤其是一种实时检测系统及方法。

背景技术

目前市场上的风力发电机对于气隙实时危险程度以及结构承受载荷的实时评估没有完善的解决方案。有些方案即使也是测量气隙，但是没有考虑到同时测量轴向多个位置，如驱动端、非驱动端和中端。导致测量的结果也不是气隙的最小值。

发明内容

本发明为了实现对定、转子之间的绝对气隙进行实时监测，而提供一种风力发电机气隙实时检测系统及方法，该系统及方法能实时评估风机载荷，通过风机控制预先降载，从而防止发生定、转子擦碰。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种风力发电机气隙实时检测系统，包括风力发电机、激光传感器、电容传感器，风力发电机的定子硅钢片与转子磁钢之间的距离为风力发电机的气隙，至少一个激光传感器通过安装支架固定连接在转子外壳上；至少一个电容传感器粘贴在定子硅钢片表面，激光传感器发出的激光束可照射在电容传感器表面，形成一组传感器测量装置，用于测量风力发电机的气隙。

风力发电机中沿轴向布置三组传感器测量装置，用于实时同步测量风力发电机的驱动端、非驱动端和中端的气隙。

所述激光传感器的外侧罩有密封保护盒，用来防止异物侵入以及隔离光污染；密封保护盒上设有格兰头，激光传感器的线缆通过格兰头连接到轮毂里的控制单元；密封保护盒通过过渡板与转子壳外侧相连，通过螺栓将转子壳、过渡板和保护罩连接，过渡板与密封保护盒和转子壳外侧之间分别设有密封圈。

一种采用风力发电机气隙实时检测系统的检测方法，其步骤为：

1)标定激光传感器

初始测量风力发电机的气隙时，激光传感器的激光发射点与硅钢片的表面之间的距离是B0，电容传感器上表面与磁钢间的距离是A0，电容传感器的厚度为d，则激光传感器的激光发射点与磁钢最低点的距离ΔD为：

ΔD＝B0–(A0+d)

2)计算真实的风力发电机的气隙

真实的风力发电机的气隙GAP(i)通过激光传感器的实时测量结果B(i)和ΔD共同表示出：

GAP(i)＝B(i)-ΔD＝B(i)–B0+(A0+d)。

本发明的有益效果是：

1)本发明可以实时直接测量定、转子之间的气隙。

2)电容传感器主要作用是标定激光传感器。标定之后，主要依靠激光传感器测量。由于电机产生强磁场，电容传感器如果长时间测量的话，传感器受到强磁场的影响，数据质量低。相对于只依靠电容传感器测量气隙的方法，本发明更稳健可靠。在风机的全生命周期内(≥20年)，激光测量的可靠性更高。

3)专门设计了保护罩来保护激光传感器。激光传感器对环境要求较高。风机的工作环境往往非常恶劣。保护罩的设计可以阻止外界的异物侵入，同时隔离光污染。外界光源会影响激光传感器的测量效果。

4)保护罩过渡板的设计。由于转子外表面是弧形，保护罩底面与转子外表面无法直接配合。引入过渡板，可以解决该问题。

5)本发明考虑到了气隙在轴向分布的不均匀，可以从三个测量结果中选出最小值作为最恶劣工况。

6)转子圆周方向可以安装多个激光传感器，圆周方向的多个传感器可用同一个电容传感器标定。圆周方向多个激光传感器同时测量，如此可实现同时测量气隙轴向变化和周向变化。

附图说明

图1为风力发电机气隙实时检测系统结构剖视图；

图2为三组传感器测量装置沿风力发电机的轴向布置示意图；

图3为风力发电机结构示意图；

图4为风力发电机气隙实时检测系统的测量原理图；

图5为气隙在电机轴向的分布示意图；

其中：(a)中间，(b)偏右，(c)偏左

图6为实施例一中激光传感器和电容传感器沿周向布置示意图；

图7为实施例一中激光传感器和电容传感器沿轴向布置示意图；

图8为实施例二中激光传感器和电容传感器沿周向布置示意图；

图9为实施例二中激光传感器和电容传感器沿轴向布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，2所示，一种风力发电机气隙实时检测系统，包括风力发电机、激光传感器1、电容传感器2，风力发电机的定子硅钢片8与转子磁钢7之间的距离为风力发电机的气隙，至少一个激光传感器1通过安装支架11固定连接在转子的外壳6上；至少一个电容传感器2粘贴在定子硅钢片8表面，激光传感器1发出的激光束可照射在电容传感器2表面，形成一组传感器测量装置，用于测量风力发电机的气隙。

如图2所示，风力发电机中沿轴向布置三组传感器测量装置，用于实时同步测量风力发电机的驱动端、非驱动端和中端的气隙。

如图3所示，风力发电机气隙实时检测系统中各部件的连接关系：

1)风机整机装配关系：风力发电机竖立在地基26上，塔筒25底端与地基26相连，塔筒25顶端与发电机定子23非驱动端相连。定子23与转子22之间通过轴承24连接来实现旋转运动。其中，轴承24的内圈与定子23的驱动端相连。轴承24的外圈一侧与转子22相连，另一侧与轮毂21相连。轮毂21与叶片20相连。

2)发电机装配关系：转子磁钢7通过螺栓安装在转子壳内侧。定子硅钢片8通过叠压在一起。定子绕线12嵌在定子齿槽里。定子硅钢片8与转子磁钢7之间的距离即为发电机的气隙。

3)激光传感器装配关系：激光传感器1的安装支架11通过螺栓或其他手段安装在转子22的外壳6上。激光传感器1通过螺栓或其他手段安装在安装支架11上。激光传感器1的外侧罩有密封保护盒3，用来防止异物侵入以及隔离光污染。密封保护盒3上有格兰头4，激光传感器的线缆5通过格兰头4连接到轮毂里的控制单元。密封保护盒3放在过渡板9上，过渡板9底面与转子22的外壳6外侧相连。通过螺栓将转子的外壳6、过渡板9和密封保护盒3连接。过渡板9的上下都有密封圈10。

4)电容传感器2粘贴在定子硅钢片8表面。激光传感1的激光束能够照射在电容传感器2表面。一个激光传感器1和一个电容传感器2组成一组传感器测量装置。

5)电机轴向布置任意组传感器测量装置，其中以三组传感器测量装置为最优。轴向三组传感器测量装置可实时同步测量驱动端、非驱动端和中端的气隙。

如图4，5(a)，5(b)，5(c)所示，本发明的风力发电机气隙实时检测系统的工作原理及方法：

1)运行时，风驱动叶片旋转，通过轮毂和轴承的传递，使发电机转子围绕定子旋转。转子里的磁钢随着转子旋转，形成旋转磁场。定子里的绕线切割磁钢形成的旋转磁场产生电流。

2)风力驱动叶片时，在叶片上产生额外载荷，例如力和弯矩。外载荷导致转子倾斜。另外，定转子之间磁钢的电磁力也使定、转子弯曲，相互吸引。外载荷和定转子间的电磁力共同改变定转子之间气隙的均匀分布状态，导致气隙分布不均匀。严重时，可发生定、转子擦碰事故。

3)初始测量气隙时激光传感器激光发射点与硅钢片的表面之间的距离是B0。由于风机的制造装配误差，以及激光传感器的安装误差，无法准确预知激光发射点与磁钢最低点的距离ΔD。需要通过电容传感器来标定激光传感器。

4)电容传感器上表面与磁钢间的距离是A0，电容传感器的厚度为d。

ΔD＝B0–(A0+d)

5)通过上述的初始标定，真实的气隙GAP(i)通过激光传感器的实时测量结果B(i)和ΔD共同表示出：

GAP(i)＝B(i)-ΔD＝B(i)–B0+(A0+d)

实施一：如图6，7所示，风力发电机圆周方向布置四个激光传感器，一个电容传感器；轴向布置三个激光传感器，三个电容传感器，在旋转过程中，激光传感器的光束射到电容传感器的正中。

实施二：如图8，9所示，力发电机圆周方向布置三个激光传感器一1个电容传感器，轴向布置三个激光传感器，三个电容传感器在旋转过程中，激光传感器的光束射到电容传感器的正中。

Claims (4)

1.一种风力发电机气隙实时检测系统，包括风力发电机、激光传感器、电容传感器，风力发电机的定子硅钢片与转子磁钢之间的距离为风力发电机的气隙，其特征在于：至少一个激光传感器通过安装支架固定连接在转子外壳上；至少一个电容传感器粘贴在定子硅钢片表面，激光传感器发出的激光束可照射在电容传感器表面，形成一组传感器测量装置，用于测量风力发电机的气隙。

2.根据权利要求1所述的风力发电机气隙实时检测系统，其特征在于：风力发电机中沿轴向布置三组传感器测量装置，用于实时同步测量风力发电机的驱动端、非驱动端和中端的气隙。

3.根据权利要求1所述的风力发电机气隙实时检测系统，其特征在于：所述激光传感器的外侧罩有密封保护盒，用来防止异物侵入以及隔离光污染；密封保护盒上设有格兰头，激光传感器的线缆通过格兰头连接到轮毂里的控制单元；密封保护盒通过过渡板与转子壳外侧相连，通过螺栓将转子壳、过渡板和保护罩连接，过渡板与密封保护盒和转子壳外侧之间分别设有密封圈。

4.一种采用权利要求1-3任一所述的风力发电机气隙实时检测系统的检测方法，其特征在于，其步骤为：

1)标定激光传感器

初始测量风力发电机的气隙时，激光传感器的激光发射点与硅钢片的表面之间的距离是B0，电容传感器上表面与磁钢间的距离是A0，电容传感器的厚度为d，则激光传感器的激光发射点与磁钢最低点的距离ΔD为：

ΔD＝B0–(A0+d)

2)计算真实的风力发电机的气隙

真实的风力发电机的气隙GAP(i)通过激光传感器的实时测量结果B(i)和ΔD共同表示出：

GAP(i)＝B(i)-ΔD＝B(i)–B0+(A0+d)。