CN108757351B - 直驱式风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直驱式风力发电机组。根据本发明，在直驱式风力发电机组中，转轴通过第一轴承连接到定轴，发电机的转子通过第二轴承可转动地安装到定轴，转轴与转子之间设置有挠性联轴器，通过挠性联轴器将扭矩从转轴传递到转子。据此，可减少风载对发电机的影响，提高发电机的寿命，并确保发电机的气隙。

Description

直驱式风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及对直驱式风力发电机组的传动系的改进。

背景技术

风力发电机组是利用风能发电的新能源设备。主流的风力发电机组主要分为两大类，即没有增速传动系统的直驱式风力发电机组和带有增速传动系统的双馈式风力发电机组。

现有的直驱式风力发电机组包括塔筒、设置在塔筒顶部的机舱、位于机舱前端的轮毂以及安装到轮毂上的叶片。轮毂的后端与转轴结合为一体，转轴通过主轴承结合到定轴上，该定轴固定到机舱底座上。发电机的转子与转轴结合为一体，定子固定到机舱底座上。由此，当风带动叶片发生转动时，轮毂、转轴和转子一起发生转动，从而通过转子与定子之间的相互电磁作用产生电能。

主轴承承受了风载荷和风轮(叶片和轮毂)重量，是整个传动系中的支撑件和核心传动件。目前风力发电机组主轴承多为滚动轴承，容易发生损坏。然而，风力发电机组所处位置多为交通不便的地方或者是海上，且塔筒高度动辄在70米以上，这些都造成了高额的维修成本。

现有技术中的风力发电机组也有采用滑动轴承的方案，如发明专利申请CN107191474A的图5中所示，采用了第一滑动轴承4和第二滑动轴承5双点支撑的形式。这种结构轴系长、轴颈小，造成轴系刚都差，变形量大，所以需要轴承有较大的调心能力，因此第一滑动轴承4、第二滑动轴承5为调心滑动轴承。但这一特性对发电机气隙造成很大的负面影响，为了确保最小气隙防止转子与定子碰撞，转子需要做得更大，这样会增加发电机的重量、抬高制造成本。而且，如CN107191474A的图6中所示，转轴与转子是刚性连接，在转轴转动的过程中使得发电机的受载较大，降低发电机的寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的直驱式风力发电机组的传动系结构形式，减少风载对发电机的影响，提高发电机的寿命，并确保发电机的气隙。

根据本发明的一方面，提供一种直驱式风力发电机组，其中，转轴通过第一轴承连接到定轴，发电机的转子通过第二轴承可转动地安装到定轴，转轴与转子之间设置有挠性联轴器，通过挠性联轴器将扭矩从转轴传递到转子。

可选地，第二轴承可采用滚动轴承或滑动轴承。

可选地，第二轴承可设置在转子的朝向转轴的一侧。

可选地，挠性联轴器可为弹性联轴器。

可选地，转轴可包括沿轴向延伸的主体部和相对于主体部垂直延伸的凸缘部，凸缘部与转子之间设置有挠性联轴器。

可选地，转子的朝向转轴的一侧可形成有凹入部，挠性联轴器被容纳在凹入部和凸缘部之间的收容空间内，第二轴承设置在凹入部和定轴的外表面之间。

可选地，挠性联轴器可为挠性环状构件，该挠性环状构件的一端连接到凸缘部，另一端连接到转子，挠性环状构件能够在轴向和径向上产生弹性变形。

可选地，挠性环状构件可利用螺栓与凸缘部和转子结合为一体。

可选地，凸缘部可形成有环形的凹槽，定轴的前端嵌入到凹槽中。

可选地，主体部的一个端面可位于定轴内部，端面上可拆卸地安装有轴承压盖，第一轴承沿轴向被限制在凸缘部和轴承压盖之间，沿径向被限制在定轴的内表面和主体部的外表面之间。

可选地，第一轴承可为滑动轴承。

可选地，第一轴承可包括叶轮侧推力轴瓦、机舱侧推力轴瓦和径向轴瓦。

可选地，叶轮侧推力轴瓦与凸缘部之间形成工作面，机舱侧推力轴瓦与轴承压盖之间形成工作面，径向轴瓦与主体部之间形成工作面。

可选地，可在定轴的内表面可拆卸地安装有轴承支撑环，叶轮侧推力轴瓦、机舱侧推力轴瓦和径向轴瓦可拆卸地安装到轴承支撑环。

可选地，叶轮侧推力轴瓦、机舱侧推力轴瓦和径向轴瓦可分别采用分体结构且沿定轴的周向分隔设置，叶轮侧推力轴瓦、机舱侧推力轴瓦和径向轴瓦可采用可倾瓦。

可选地，转轴与轮毂一体形成，或者与轮毂刚性连接。

根据本发明，采用挠性联轴器设计，将风载与发电机隔离开，使发电机结构件受载大大减小，一方面有利于提高发电机的寿命，另一方面对结构件要求降低，可达到减重和降成本的目标。而且，发电机结构件受载大大减小，定转子相对变形减小，可以更好地控制发电机气隙。

而且，采用滚动轴承支撑发电机转子，轴承游隙可以控制到微米级，可有效满足发电机气隙控制的要求。

而且，通过采用滑动轴承和挠性联轴器的组合设计，可很好地补偿滑动轴承系统游隙对发电机气隙的影响。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的直驱式风力发电机组的结构的截面图；

图2是示出根据本发明的实施例的直驱式风力发电机组的卸下转轴之后的结构的立体图；

图3至图5是根据本发明的实施例的直驱式风力发电机组的轴承受力示意图；

图6是挠性环状构件的示意图；

图7是挠性盘状构件的示意图。

符号说明：

1：转子，11：凹入部，2：定子，3：转轴，30：主体部，31：凸缘部，301：端面，310：凹槽，4：定轴，41：轴承支撑环，5：挠性联轴器，51：挠性环状构件，52：挠性盘状构件，521：花键键槽，6：第二轴承，7：叶轮侧推力轴瓦，8：机舱侧推力轴瓦，9：径向轴瓦，10：轴承压盖。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述根据本发明的实施例的直驱式风力发电机组。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的直驱式风力发电机组中，转轴3通过第一轴承连接到定轴4，发电机的转子1通过第二轴承6可转动地安装到定轴4，转轴3与转子1之间设置有挠性联轴器5，通过挠性联轴器5将扭矩从转轴3传递到转子1。

转轴3用于向转子1输入扭矩。转轴3可与安装有叶片的轮毂一体形成，或者与安装有叶片的轮毂刚性连接，从而当风带动叶片发生转动时，轮毂和转轴3一起发生转动。但是，转轴3的结构形式不限于此，只要在外部风的作用下能够向转子1输入扭矩即可，例如可省略轮毂，使叶片直接连接到转轴，或者使风直接作用在转轴上而产生扭矩。

定轴4固定到机舱底座，以将载荷传递到塔筒。发电机包括转子1和定子2，定子2固定到定轴4，保持不动，转子1则在转轴3的带动下发生转动，从而通过转子1与定子2之间的相互电磁作用产生电能。

第一轴承优选滑动轴承，但也可以使用滚动轴承。第二轴承6优选滚动轴承，但也可以使用滑动轴承。

本实施例中，转轴3与转子1非刚性连接，两者通过挠性联轴器5进行连接，扭矩从转轴3通过挠性联轴器5传递到转子1。

联轴器是指联接两轴或轴与回转件，使其在传递运动和动力过程中一同回转，在正常情况下不脱离的一种装置。联轴器分为刚性联轴器和挠性联轴器，刚性联轴器不具有位移补偿作用，挠性联轴器具有位移补偿作用。挠性联轴器中的弹性联轴器在补偿位移的基础上，还具有缓冲作用。用非金属弹性元件构成的弹性联轴器以及用金属弹性元件构成的、弹性元件间有摩擦作用的弹性联轴器，除有缓冲作用外，还有减振作用。

现有的直驱式风力发电机组中没有采用联轴器，双馈式风力发电机组中在齿轮箱和发电机输入轴之间设有联轴器。现有技术中尚没有转轴与发电机转子之间通过挠性联轴器传递扭矩的方案。

通过采用挠性联轴器，可以减小发电机结构件受载，减小定转子相对变形。即使采用仅具有位移补偿作用的挠性联轴器，例如具有轴向(转轴的转动轴线方向)位移补偿作用的挠性联轴器，也能减小风载引起的轴向力。因此，一方面，能减少风载对发电机的影响，提高发电机的寿命；另一方面，能够确保定转子之间的气隙，因此可将转子做得小一些，从而能够降低发电机的重量，减少制造成本。当采用弹性联轴器时，上述效果更为显著。

本发明的挠性联轴器可使用已知的挠性联轴器的结构形式，例如但不限于挠性环状构件(见图2和图6)、挠性盘状构件(见图7)、牙嵌联轴器、梅花形弹性联轴器、轮胎联轴器等。具体实施时，挠性联轴器可根据载荷、尺寸等需求外购或定制生产。

第二轴承6需承受发电机转子3重量和电磁力。由于通过挠性联轴器5隔断了风载对发电机结构件的影响，因此第二轴承6需承受的风载大为减少。在此情况下，第二轴承6可采用滚动轴承，第二轴承6的外圈安装到转子1，内圈安装到定轴4上。滚动轴承的轴承游隙可以控制到微米级，能有效保证发电机刚度，最终可满足发电机气隙控制的要求。

优选地，第二轴承6设置在转子1的朝向转轴3的一侧。转子1的远离转轴3的一侧可不加约束。

优选地，转轴3可包括沿轴向延伸的主体部30和相对于主体部30垂直延伸的凸缘部31，此时挠性联轴器5设置在凸缘部31与转子1之间。

为了使结构更加紧凑，可在转子1的朝向转轴3的一侧形成凹入部11，将挠性联轴器5容纳在凹入部11和凸缘部31之间的收容空间内。此时，第二轴承6可设置在凹入部11和定轴4的外表面之间。

另外，凸缘部31可形成有环形的凹槽310，定轴4的前端嵌入到凹槽310中。由此，可起到定位和引导的作用。

下面介绍第一轴承的结构。如前所述，第一轴承可采用滑动轴承或滚动轴承。优选地，主体部30的一个端面301位于定轴4内部，在端面301上可拆卸地安装轴承压盖10，使得第一轴承沿轴向被限制在凸缘部31和轴承压盖10之间，沿径向(垂直于轴向的方向)被限制在定轴4的内表面和主体部30的外表面之间。

由此，当需要对第一轴承进行维维修时，可以从定轴4侧卸下轴承压盖10，从内部对第一轴承进行更换，从而实现轴承的塔上更换，极大节省维修成本。

当第一轴承采用滑动轴承时，可采用分体结构设计。如图1和图2所示，第一轴承可包括分别沿周向分隔设置的叶轮侧推力轴瓦7、机舱侧推力轴瓦8和径向轴瓦9。叶轮侧推力轴瓦7与凸缘部31之间可形成工作面，机舱侧推力轴瓦8与轴承压盖10之间可形成工作面，径向轴瓦9与主体部30之间可形成工作面，即可以由共三个工作面组成第一轴承。优选地，可在定轴4的内表面可拆卸地安装有轴承支撑环41，叶轮侧推力轴瓦7、机舱侧推力轴瓦8和径向轴瓦9可拆卸地安装到轴承支撑环41。

叶轮侧推力轴瓦7、机舱侧推力轴瓦8和径向轴瓦9可用螺栓安装在轴承支撑环41上，轴承支撑环41可用螺栓安装在定轴上。轴承压盖10可用螺栓安装在转轴3上，并压紧机舱侧推力轴瓦8。进一步地，叶轮侧和机舱侧可分别安装密封件。

上述叶轮侧推力轴瓦7、机舱侧推力轴瓦8和径向轴瓦9可采用可倾瓦。可倾瓦有一定的角度摆动能力，使所有参与工作的可倾瓦受力均匀。图2中示出了叶轮侧推力轴瓦7和径向轴瓦9分别为24块的情形，但是其数量不限于此，可根据需要适当设计。

本发明可只采用一个第一轴承来支撑转轴3，即只在定轴4的前端设置第一轴承，该种结构相对于背景技术中的方案具有轴距短，力的传导路径短，结构紧凑，机组重量更轻，总体成本更低等优点。

下面结合图3至图5说明第一轴承的受力情况。

图3中A1表示风载产生的上风向轴向力，B1表示叶轮侧推力轴瓦7产生的反作用力，由图3可知，上风向轴向力由叶轮侧推力轴瓦7承受。

图4中A2表示风载产生的下风向轴向力，B2表示机舱侧推力轴瓦8产生的反作用力，由图4可知，下风向轴向力由机舱侧推力轴瓦8承受。

图5中A3表示风载产生的径向力，B3表示径向轴瓦9产生的反作用力，由图5可知，径向力由径向轴瓦9承受。

如图5所示，风载产生的弯矩W由叶轮侧推力轴瓦7、机舱侧推力轴瓦8和径向轴瓦9共同承受。

由于滑动轴承的游隙较大，直接用于直驱式风力发电机会削弱发电机刚度，但本发明中挠性联轴器很好补偿了轴承游隙对发电机的影响。即，由于将转轴和转子之间的刚性连接改为挠性连接，风载载荷不会传递到转子上，因此使用滑动轴承也不会影响发电机刚度。

如图2和图6所示，挠性联轴器5可采用挠性环状构件51，该挠性环状构件51的一端连接到凸缘部31，另一端连接到转子1。挠性环状构件51可采用包含金属芯材的弹性复合材料制成，能够在轴向和径向上产生弹性变形，并且具有足够大的扭转刚度来传递扭矩。挠性环状构件51可形成有一圈或更多圈的螺栓孔，利用螺栓与凸缘部31和转子1安装为一体。即，每个螺栓会依次穿过凸缘部31、挠性环状构件51和转子1。

如图7所示，挠性联轴器5可采用挠性盘状构件52，挠性盘状构件52可采用包含金属芯材522的弹性复合材料制成，能够在轴向和径向上产生弹性变形，并且具有足够大的扭转刚度来传递扭矩。挠性盘状构件52的外缘与转子1可利用螺栓连接，内缘与转轴3连接。挠性盘状构件52的内缘与转轴3的连接方式可以有多种形式。例如，内缘与转轴3的凸缘部31利用螺栓连接，或者在内缘形成有花键键槽521，与转轴3利用花键连接(此时可省略凸缘部)。优选地，外缘和内缘可设置有钢圈，以提高刚度。

如上所述，根据本发明的实施例，采用挠性联轴器设计，将风载与发电机隔离开，使发电机结构件受载大大减小，对结构件要求降低，可达到减重和降成本的目标。而且，发电机结构件受载大大减小，定转子相对变形减小，可以更好地控制发电机气隙，减少永磁体材料的用量，降低成本。

而且，采用滚动轴承支撑发电机转子，轴承游隙可以控制到微米级，可有效满足发电机气隙控制的要求。

进而，通过采用滑动轴承、滚动轴承、挠性联轴器的组合设计，将承受风载和传扭矩发电的功能独立开。即，滑动轴承承受风载，挠性联轴器隔断风载对发电机的影响并传递扭矩，滚动轴承承受发电机转子重量和电磁力。而且，采用挠性联轴器设计，可很好地补偿滑动轴承系统游隙对发电机气隙的影响。

虽然已表示和描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种直驱式风力发电机组，转轴(3)通过第一轴承连接到定轴(4)，发电机的转子(1)通过第二轴承(6)可转动地安装到所述定轴(4)，其特征在于，

所述转轴(3)与所述转子(1)之间设置有挠性联轴器(5)，通过所述挠性联轴器(5)将扭矩从所述转轴(3)传递到所述转子(1)，

所述转轴(3)包括沿轴向延伸的主体部(30)和相对于所述主体部(30)垂直延伸的凸缘部(31)，

所述凸缘部(31)与所述转子(1)之间设置有所述挠性联轴器(5)，所述转子(1)的在所述轴向上靠近所述凸缘部(31)的一侧形成有凹入部(11)，所述挠性联轴器(5)被容纳在所述凹入部(11)和所述凸缘部(31)之间的收容空间内，

所述主体部(30)的一个端面(301)位于所述定轴(4)内部，所述端面(301)上可拆卸地安装有轴承压盖(10)，所述第一轴承沿所述轴向被限制在所述凸缘部(31)和所述轴承压盖(10)之间，沿径向被限制在所述定轴(4)的内表面和所述主体部(30)的外表面之间。

2.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述第二轴承(6)为滚动轴承或滑动轴承。

3.如权利要求1或2所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述第二轴承(6)设置在所述转子(1)的在所述轴向上靠近所述凸缘部(31)的一侧。

4.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述挠性联轴器(5)为弹性联轴器。

5.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述第二轴承(6)设置在所述凹入部(11)和所述定轴(4)的外表面之间。

6.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述挠性联轴器(5)为挠性环状构件(51)，所述挠性环状构件(51)的一端连接到所述凸缘部(31)，另一端连接到所述转子(1)，所述挠性环状构件(51)能够在轴向和径向上产生弹性变形。

7.如权利要求6所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述挠性环状构件(51)利用螺栓与所述凸缘部(31)和所述转子(1)结合为一体。

8.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述凸缘部(31)形成有环形的凹槽(310)，所述定轴(4)的前端嵌入到所述凹槽(310)中。

9.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述第一轴承为滑动轴承。

10.如权利要求9所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述第一轴承包括叶轮侧推力轴瓦(7)、机舱侧推力轴瓦(8)和径向轴瓦(9)。

11.如权利要求10所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述叶轮侧推力轴瓦(7)与所述凸缘部(31)之间形成工作面，所述机舱侧推力轴瓦(8)与所述轴承压盖(10)之间形成工作面，所述径向轴瓦(9)与所述主体部(30)之间形成工作面。

12.如权利要求11所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，在所述定轴(4)的内表面可拆卸地安装有轴承支撑环(41)，所述叶轮侧推力轴瓦(7)、所述机舱侧推力轴瓦(8)和所述径向轴瓦(9)可拆卸地安装到所述轴承支撑环(41)。

13.如权利要求10所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述叶轮侧推力轴瓦(7)、所述机舱侧推力轴瓦(8)和所述径向轴瓦(9)分别采用分体结构且沿所述定轴(4)的周向分隔设置，所述叶轮侧推力轴瓦(7)、所述机舱侧推力轴瓦(8)和所述径向轴瓦(9)采用可倾瓦。

14.如权利要求1所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述转轴(3)与轮毂一体形成，或者与轮毂刚性连接。

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