CN108494174B - 气隙测量装置及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气隙测量装置及风力发电机组，所述气隙测量装置用于测量电机的定子和转子之间的气隙，所述转子包括转子磁轭和安装在所述转子磁轭上的多条磁极，所述气隙测量装置包括：气隙传感器，安装在相邻两个磁极之间并延伸穿过所述转子磁轭，且所述气隙传感器的探头表面与所述磁极的面对所述定子的表面齐平；控制系统，与所述气隙传感器通信，处理从所述气隙传感器接收到的测量信号并控制气隙传感器的测量操作。通过上述气隙测量装置能够以非接触的方式直接有效地测量定子与转子之间的气隙。

Description

气隙测量装置及风力发电机组

技术领域

本发明涉及电机上定子与转子之间的气隙测量，具体地说，本发明涉及一种用于电机的气隙测量装置及风力发电机组。

背景技术

对于电机(包括发电机和电动机)而言，定子、转子之间的空气间隙(以下简称气隙)是一项重要的电磁参数，它对电机的其他参数、运行性能及技术经济指标有着直接的影响。在发电机处于运行状态时，气隙的均匀性将直接影响电气特性和机械性能的稳定。通常，发电机出厂时会对气隙进行测量，此时气隙为冷态、静态的气隙，只具有参考价值，无法对真实的运行气隙进行准确评估。然而，在发电机实际运行中，转子和定子形状和位置会受到电机运转的离心力、热力学和磁力的影响，并且由于加工制造误差等因素，气隙会出现不均匀的变化。转子和定子不同心或失去圆度，会减少发电机组运行效率，最严重的情况下，这些问题可能导致磁性感应发热或定子转子摩擦。

为了发电机的安全、可靠运行，防止不可预料事故的发生，通过专门的发电机气隙监测系统在风力发电机机组投入试运行时和正式投产之后对气隙进行反复测量，为运行、检修提供一系列的预防性数据，并为风力发电机机组的优化设计提供相应的验证。

目前使用的气隙监控系统大都安装在定子上，而且受限于传感器尺寸，无法直接测量气隙，只能通过间接测量的方法推算气隙，测量误差大。同时，定子上的气隙传感器安装空间狭小，维护和拆装较为困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气隙测量装置，以实现对定子和转子之间的气隙的非接触式直接测量，从而提高测量精度。

本发明的另一目的在于提供一种风力发电机组。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种气隙测量装置，用于测量电机的定子和转子之间的气隙，所述转子包括转子磁轭和安装在所述转子磁轭上的多条磁极，所述气隙测量装置包括：气隙传感器，安装在相邻两个磁极之间并延伸穿过所述转子磁轭，且所述气隙传感器的探头表面与所述磁极的面对所述定子的表面齐平；控制系统，与所述气隙传感器通信，处理从所述气隙传感器接收到的测量信号以及控制气隙传感器的测量操作。

可选地，所述气隙测量装置还包括为所述气隙传感器和所述控制系统供电的电源。

可选地，在所述电机为内定子外转子结构时，所述气隙测量装置还包括贴附在所述转子磁轭的外表面上的柔性的太阳能电池板以用于为所述电源充电；在所述电机为外定子内转子结构时，所述电源包括安装在所述转子磁轭上的电滑环。

可选地，在所述转子磁轭的处于相邻两个磁极之间的部分上开设有安装孔，用于安装所述气隙传感器。

可选地，所述安装孔呈台阶状，所述气隙测量装置还包括被适配地安装在所述安装孔内的安装座，所述气隙传感器在所述安装孔内延伸穿过所述安装座。

可选地，所述气隙传感器包括螺纹部和探头部，所述探头部面对所述定子，所述螺纹部与所述安装座螺纹连接，所述气隙测量装置还包括用于锁紧所述螺纹部与所述安装座的螺母。通过使螺纹部与安装座螺纹连接，能够利用螺纹副对气隙传感器相对于定子的表面的位置进行调整，最终确保气隙传感器的探头表面与磁极的面对定子的表面齐平，从而显著提高测量精度。

可选地，在所述安装座与所述安装孔之间安装有密封构件。

可选地，所述控制系统包括被封装在一起而形成前置器的信号处理模块、控制器和无线发射模块，所述控制系统还包括从所述无线发射模块接收数据的无线接收模块，所述前置器布置在所述转子磁轭上，所述无线接收模块布置在位置固定的部件上，所述气隙传感器通过抗电磁干扰线缆与所述前置器连接。

可选地，所述控制器用于在判断经由所述信号处理模块处理之后的测量信号为正常信号时，将测量信号传送到所述无线发射模块，在判断经由所述信号处理模块处理之后的测量信号为异常信号时，进行报警。

可选地，所述控制系统还监测所述电源的可用电量，并根据监测的可用电量来调节所述气隙传感器的信号采集周期。

可选地，在所述控制系统用于在检测到所述电源的可用电量低于预定值时，增大信号采集周期。

可选地，所述控制系统还在检测到所述气隙测量装置出现故障时，进行报警。

可选地，所述气隙传感器包括电涡流传感器或电容传感器。

根据本发明的另一方面，还提供了一种风力发电机组，包括发电机，在所述发电机上设置有上述气隙测量装置。

可选地，在所述发电机的转子上沿周向均匀地布置有多组气隙传感器，每组包括沿轴向均匀分布的多个气隙传感器，所述多个气隙传感器与所述气隙测量装置的控制系统通信。

可选地，所述风力发电机组包括直驱式风力发电机组。

通过本发明所提供的气隙测量装置，将气隙传感器直接布置在电机的转子上并使气隙传感器直接暴露于定子与转子之间的气隙，从而能够在不接触定子的情况下直接测量气隙。另外，在转子上还设置了能够为气隙测量装置进行供电的可充电式太阳能电池板，避免了供电电缆的使用，显著简化了电机上各部件装置的结构和布线。另外，还通过利用无线传输信号的方式，省去了不必要的长电缆连接，简化了结构，并且便于后期的维护和拆卸作业。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的气隙测量装置的结构示意图；

图2是图1所示的气隙测量装置在电机轴向上分布状态的示意图；

图3是气隙测量装置的信号传送和控制流程图。

附图标记说明：

1：转子磁轭，2：定子，21：径向外表面，3：磁极或永磁体，31：永磁体的面对定子的表面，4：压条，5：气隙传感器，6：安装孔，7：密封构件，8：螺钉，9：安装座，10：抗电磁干扰线缆，11：太阳能电池板，12：螺母，13：前置器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

参照图1至图3，图1是根据本发明的实施例的气隙测量装置的结构示意图，图2是图1所示的气隙测量装置在电机轴向上分布状态的示意图，图3是气隙测量装置的测量信号传送和控制流程图。

根据本发明的实施例，提供了一种气隙测量装置，该气隙测量装置可以用来测量电机的定子和转子之间的空气间隙(简称气隙)。在本文中，电机可以是输出机械动力的电动机和用来发电的发电机。通常来说，电机可包括外转子内定子结构以及内转子外定子结构，对于外转子内定子结构，转子设置在定子的径向外侧；相反，对于内转子外定子结构，转子设置在定子的径向内侧。在下面的实施例中，以外转子内定子结构为例进行说明。

如图1所示，电机的转子大体上包括转子磁轭1和安装在转子磁轭1的径向内表面上的多条磁极3，磁极3进行多极排列，相邻两个磁极3构成相反的磁极，并且在相邻两个磁极3之间具有一定的间隔。通常，磁极3采用永磁体形成，即，在周向上布置多个呈条状排列的永磁体而在磁轭1上形成N极和S极交替的磁极，因此在本发明中磁极也可称为永磁体。在相邻两个磁极3之间的间隔内设置有压条4，用来协助固定永磁体3在转子磁轭1上的相对位置。

气隙测量装置可包括气隙传感器5，用来直接测量定子与转子之间的气隙L，如图1所示。该气隙传感器5可安装在相邻两个磁极或者周向上相邻的两个永磁体3之间，具体地，可安装在压条4上，从而气隙传感器5可直接布置并暴露于气隙，从而可直接测量气隙的大小，提高测量精确度，而不必间接测量并进行后处理才能得到真实的气隙数据。气隙传感器5可在相邻两个永磁体3之间延伸穿过转子磁轭1，使得气隙传感器5的一端延伸到转子的径向外侧，以便于进行布线和电连接。由于相邻两个磁极3之间的磁场强度较小，将气隙传感器5布置在该位置可使气隙传感器5受到的电磁影响最小，并且也不会影响磁极的布置和电机的性能。

在安装时，气隙传感器5的探头表面可直接面向定子的表面(在本实施例中，为定子的径向外表面21)，并且与邻近的永磁体的面对定子的径向表面31(在本实施例中，为永磁体的径向内表面)齐平，从而确保气隙传感器5测量出来的数据为直接的、真实的气隙数据而不是经由计算才能得到气隙大小的间接数据，从而能够确保并显著提高测量的数据的精确度。

在一个实施例中，气隙传感器5可以具体是电涡流传感器或电容传感器，然而，本发明的实施例并于限于此，还可以采用任何合适的其他传感器类型，只要能够直接测量距离即可。

为了装配气隙传感器5，在转子磁轭1的处于相邻两个永磁体3之间的部分上开设有安装孔6，同样在压条4上也可开设有孔，以便气隙传感器5的探头表面可直接面对定子。

气隙传感器5可被布置在安装孔6内。例如，在将气隙传感器5放置到安装孔6内并且将气隙传感器5相对于定子的位置关系调整好之后，可将气隙传感器5直接固定到转子磁轭1上。或者，还可以以其他方式来安装气隙传感器5。

在一个实施例中，气隙测量装置还可包括安装座9，该安装座9可设置在安装孔6内。具体地，安装孔6可被设置成横截面为圆形的台阶孔，即，安装孔6可分段地形成，处于径向外侧的孔段的直径大于处于径向内侧的孔段的直径，因而形成有台阶面。安装座9可坐落于该台阶面上，并且横截面也可呈圆形，使得安装座9的竖直表面可大体上贴着安装孔6的表面。还可通过紧固螺钉8将安装座9固定在转子磁轭1的安装孔6内。

在安装座9上也开设有孔，气隙传感器5可穿过该孔而延伸到转子的径向外侧。具体地说，气隙传感器5可包括探头部51和螺纹部52，探头部51可面对定子2，且探头部51的探头表面可与邻近的永磁体3的径向内表面31齐平。螺纹部52可与探头部51固定，并且从探头部51沿径向延伸到转子磁轭1的外侧，以便于从转子磁轭1的外侧进行电连接。螺纹部52可与安装座9螺纹连接，即，在螺纹部52上形成有外螺纹，在安装座9上形成内螺纹，使得螺纹部52与安装座9形成螺纹副的同时穿过安装座9而到达转子磁轭1的外侧。

为了固定气隙传感器5与安装座9之间的相对位置关系，气隙测量装置还可包括螺母12，该螺母12从转子磁轭1的外侧锁紧螺纹部52和安装座9。通过设置锁紧螺母12，进一步能够调整气隙传感器5相对于定子的位置关系。例如在装配气隙测量装置时，在将气隙传感器5安装在安装座9上之后，可利用螺纹部52与安装座9之间的螺纹连接，将气隙传感器的探头部51调整到预期位置，即，使得探头部51的探头表面与邻近的永磁体3的径向内表面31齐平的位置。之后，便可利用螺母12将气隙传感器锁紧在该位置保持不动，从而确保气隙传感器5在电机运行期间不会出现窜动而影响测量精度。当一些情况下需要调节气隙传感器的径向位置时，可拧松螺母12，在利用上述螺纹连接将气隙传感器5相对于安装座9调整到合适的位置后再锁紧螺母12，从而可将气隙传感器5定位该位置。因此，通过气隙传感器5与安装座9之间的螺纹连接以及锁紧螺母12的配合操作，能够方便可靠地对气隙传感器5的位置进行调整，以便于安装、维护和拆卸，并且能够确保测量精度。

另外，还可以在将螺母12锁紧之后用涂覆固胶的方式将螺母12锁死，进一步保证气隙传感器5的位置不动。

因为气隙传感器5操作时需要对其进行防水防尘处理，因此，根据本发明的实施例的气隙测量装置还可以包括密封构件7，该密封构件7可安装在安装座9与转子磁轭1上的安装孔6之间。例如，如图1所示，可在安装座9上设置环形的沟槽，并在该沟槽内放置O型密封圈，在将安装座9利用紧固螺钉8紧固在安装孔6内时，该O型密封圈被挤压，从而在安装座9与转子磁轭1之间实现密封，避免外界的水、灰尘等异物侵入到转子磁轭1内部而损坏气隙传感器5或影响电机的正常运行。

除了以上的安装形式以外，还可以采用其他的安装方法来装配气隙传感器5。例如，可在转子磁轭1上开设内螺纹孔，将气隙传感器5直接与转子磁轭1螺纹连接在一起，并且通过其他合适的方式进行密封即可。

根据本发明的实施例，气隙测量装置还可包括可充电的电源，以便为气隙传感器5和控制系统等各种电子器件进行供电。在电机为内定子外转子结构的实施例中，转子可直接暴露于外部环境，经受光照，因此气隙测量装置还可包括太阳能电池板11，用来为可充电的电源充电，使其储存足够的电量来供电。太阳能电池板11可具有一定的柔性，可贴附在转子磁轭1的外侧。例如，太阳能电池板11可以是柔性的太阳能薄膜，具有随形性而方便贴附和固定，太阳能薄膜可贴附在转子磁轭1的大部分外壁面上，以具有足够大的光照面积从而为电源持续不断地充电。因此，在本实施例中，可以不再采用其他的电源来提供电力，且太阳能电池板易于拆卸、更换和调整布置，对电机本身结构影响小。在电机为内转子外定子结构的实施例中，由于转子被置于定子的径向内侧，太阳能电池板不再适用，在这种情况下可使用电滑环作为供电电源。

如前所述，气隙传感器5的螺纹部52延伸到转子磁轭1的径向外侧，从而暴露于外部。在进行布线和电连接时，可利用抗电磁干扰线缆10将气隙传感器5从螺纹部52处连接到控制系统，以进行测量信号和控制信号的双向传递。

在本发明的实施例中，控制系统用来与气隙传感器5通信，接收气隙传感器5测量或采集到的测量信号，并且对测量信号进行后处理，判断测量信号是否是正常的以及气隙传感器5或者气隙测量装置的其他部件是否出现故障，并将处理后的信号发送到计算机终端进行分析、存储、记录或显示。

具体地说，控制系统可包括信号处理模块131、控制器132、无线发射模块133和无线接收模块134。其中，信号处理模块131、控制器132和无线发射模块133可被封装在一起而形成前置器13，该前置器13可布置在转子磁轭1上，例如，可通过在转子磁轭1上开设螺纹孔，利用螺钉等紧固件将前置器13固定在转子磁轭1的外侧上，从而在电机运行时前置器13可与转子磁轭1一起旋转。通过将信号处理模块131、控制器132和无线发射模块133封装在一起，便于进行防水、防尘和电磁兼容性设计，能够显著提高控制系统在恶劣环境中的可靠性，避免过早损坏。

另外，上述可充电的电源也可被封装在前置器13内，从而可在前置器13内部进行电源与各个电子器件之间的电连接，并可避免长线缆的使用。前置器13还可以安装在与转子磁轭1同步旋转的其他旋转部件上。

无线接收模块134可与计算机终端等微处理器连接在一起，以便进行信号分析和存储，因而，无线接收模块134可安装在位置固定的部件上，例如，定子上或机舱内。

在进行电连接时，螺纹部52处的抗电磁干扰线缆10可直接连接到信号处理模块131。如图3所示，在气隙传感器5测量完定子与转子之间的气隙之后，产生相应的信号，并经由抗电磁干扰线缆10将信号发送到信号处理模块131。信号处理模块131对接收到的信号进行运算处理，并进行信号转换、温度补偿等处理。例如，在气隙传感器5为电涡流传感器的情况下，当气隙传感器5检测到探头部51与定子的径向外表面之间的距离发生变化时，该变化会引起振荡电压幅度变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、温度漂移补偿、放大等一系列运算后，将被转化为电压(电流)变化，最终实现将气隙的变化转换为电压(电流)的变化。之后信号处理模块131将处理后的信号发送到控制器132，在控制器132判断该信号是否处于合理范围内或者预定范围内。如果控制器132判断该信号处于合理范围内而属于正常信号时便将该信号继续发送到无线发射模块133。如果控制器132确定该信号处于合理范围之外而判断该信号属于异常信号时便中断信号的传输，并且产生报警命令，如框136处所示，从而操作人员可基于这样的报警进行后续的停机或维修作业。

除此以外，在控制器132接收到其他的指示气隙测量装置出现故障的信号之后，也会相应地命令报警。例如，在检测到气隙传感器5出现故障或者线缆短路等问题而接收不到信号时。

通过无线传输，无线发射模块133将处理后的信号发送到无线接收模块134。然后，无线接收模块134将接收到信号发送到计算机及软件终端135，以进行分析、存储和记录等。

在上述信号传输过程中，通过采用无线信号传输的方式将信号从与转子一起旋转着的前置器13最终传送到位置固定的计算机终端上，因此，在有效实现信号传输路径的基础上，简化了气隙测量装置的结构和维护作业，省略了电缆的布置，降低了成本。

除了以外，控制系统中的控制器132还可以监测电源的可用电量，例如，在阳光充足的天气、太阳能电池板11为电源提供足够的充电功率使得电源具有足够的可用电量的情况下，控制器132可命令气隙传感器5的采用周期短一些，以满足正常的信息采集需求。然而，在阴雨天气、太阳电池板没有足够的光照进行发电使得电源的可用电量不足或低于预定值的情况下，控制器132可基于此自动地调整气隙传感器5的信号采集周期，即，延长信号采集周期，以便在未来一定时间段内维持可持续的测量操作，保证整个装置能够持续地的运行，避免气隙传感器5因断电而中断测量操作。具体地，控制器132内可以存储有预先编程好的采集周期控制程序，基于这样的控制程序，控制器132可根据不同的可用电量来计算出或查找到不同的信号采集周期，然后相应地命令气隙传感器5，从而可根据电源的可用电量来相应地调整采集周期，实现可持续的操作。

通过将气隙传感器5直接布置在转子上并使气隙传感器5直接暴露于定子与转子之间的气隙，简化了气隙传感器5的安装、拆卸和维护，实现了非接触式直接测量。一方面可以实时地直接测量气隙的大小，简化了信号后处理逻辑，另一方面还显著提高了测量精度，改善对电机操作的控制。在气隙传感器5的安装时，还实现了防水防尘处理，为气隙传感器5营造了安全的周边环境，保证其可靠地进行数据采集。另外，在供电方面，采用了太阳能薄膜为电源进行充电，从而简化了气隙测量装置的供电系统，利用清洁的太阳能资源持续地为各个电子器件供电，在一些合适的场所下避免使用电滑环进行供电。另外，还采用了无线通信模式，省去了进行信号传送的长电缆的使用，简化了气隙测量装置的结构，降低了制造成本。另外，本发明所提供的气隙测量装置成本低，独立性强，方便维护，可靠性高，可批量用于电机系统测量气隙，为运行、检修提供一系列的预防性数据，并为诸如风力发电机的优化设计提供相应的验证。

根据本发明的另一实施例，还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组可包括具有定子和转子的发电机，通常对于直驱式风力发电机组而言，可采用外转子内定子的结构，因此，在发电机上可方便地装配上述气隙测量装置，以可靠、有效、高精度地测量定子与转子之间的气隙，实现实时监测。

在发电机上，可在不同位置布置多个气隙传感器，以全面可靠地测量各处的气隙大小。例如，在发电机的周向上，可均匀地布置多组气隙传感器，比如可每隔90度便布置一组气隙传感器，而对于每组气隙传感器而言，可包括多个气隙传感器。也就是说，沿着发电机的轴向，可布置多个气隙传感器，例如可布置三个、四个或更多个。布置在转子上的多个气隙传感器均可与同一个控制系统通信，以监测转子各个位置处的不同的气隙实时状态。

另外，除了以上布置方式以外，还可采用其他的布置方式，或者可以在发电机上尤其需要关注的位置尽量多布置一些气隙传感器，而在其他位置布置不同数量的气隙传感器，只要能够满足预期即可。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种气隙测量装置，用于测量电机的定子(2)和转子之间的气隙，所述转子包括转子磁轭(1)和安装在所述转子磁轭(1)上的多条磁极(3)，其特征在于，所述气隙测量装置包括：

气隙传感器(5)，安装在相邻两个磁极(3)之间并延伸穿过所述转子磁轭(1)，且所述气隙传感器(5)的探头表面与所述磁极(3)的面对所述定子(2)的表面(31)齐平；

控制系统，与所述气隙传感器(5)通信，处理从所述气隙传感器(5)接收到的测量信号以及控制气隙传感器(5)的测量操作。

2.根据权利要求1所述的气隙测量装置，其特征在于，所述气隙测量装置还包括为所述气隙传感器(5)和所述控制系统供电的电源。

3.根据权利要求2所述的气隙测量装置，其特征在于，在所述电机为内定子外转子结构时，所述气隙测量装置还包括贴附在所述转子磁轭(1)的外表面上的柔性的太阳能电池板(11)以为所述电源充电；在所述电机为外定子内转子结构时，所述电源包括安装在所述转子磁轭(1)上的电滑环。

4.根据权利要求1所述的气隙测量装置，其特征在于，在所述转子磁轭(1)的处于相邻两个磁极(3)之间的部分上开设有安装孔(6)，用于安装所述气隙传感器(5)。

5.根据权利要求4所述的气隙测量装置，其特征在于，所述安装孔(6)呈台阶状，所述气隙测量装置还包括被适配地安装在所述安装孔(6)内的安装座(9)，所述气隙传感器(5)在所述安装孔(6)内延伸穿过所述安装座(9)，在所述安装座(9)与所述安装孔(6)之间安装有密封构件(7)。

6.根据权利要求5所述的气隙测量装置，其特征在于，所述气隙传感器(5)包括螺纹部(52)和探头部(51)，所述探头部(51)面对所述定子(2)，所述螺纹部(52)与所述安装座(9)螺纹连接，所述气隙测量装置还包括用于锁紧所述螺纹部(52)与所述安装座(9)的螺母(12)。

7.根据权利要求5所述的气隙测量装置，其特征在于，所述控制系统包括被封装在一起而形成前置器(13)的信号处理模块(131)、控制器(132)和无线发射模块(133)，所述控制系统还包括从所述无线发射模块(133)接收数据的无线接收模块(134)，所述前置器(13)布置在所述转子磁轭(1)上，所述无线接收模块(134)布置在位置固定的部件上，所述气隙传感器(5)通过抗电磁干扰线缆(10)与所述前置器(13)连接。

8.根据权利要求7所述的气隙测量装置，其特征在于，所述控制器(132)用于在判断经由所述信号处理模块(131)处理之后的测量信号为正常信号时，将测量信号传送到所述无线发射模块(133)，在判断经由所述信号处理模块(131)处理之后的测量信号为异常信号时，进行报警，

所述控制器(132)还用于在检测到所述气隙测量装置出现故障时进行报警。

9.根据权利要求3所述的气隙测量装置，其特征在于，所述控制系统还监测所述电源的可用电量，并根据监测的可用电量来相应地调节所述气隙传感器(5)的信号采集周期，在所述控制系统监测到所述电源的可用电量低于预定值时，增大所述气隙传感器(5)的信号采集周期。

10.根据权利要求1所述的气隙测量装置，其特征在于，所述气隙传感器(5)包括电涡流传感器或电容传感器。

11.一种风力发电机组，包括发电机，其特征在于，在所述发电机上设置有如权利要求1至10中任一项所述的气隙测量装置。

12.根据权利要求11所述的风力发电机组，其特征在于，在所述发电机的转子上沿周向均匀地布置有多组气隙传感器，每组包括沿轴向均匀分布的多个气隙传感器，所述多个气隙传感器与所述气隙测量装置的控制系统通信。