CN109842226B - 风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风力发电机，其包括外转子和内定子，所述外转子包括至少一个永磁体，所述永磁体的外侧设置有相变热沉，所述相变热沉与所述永磁体之间实现热连通。该风力发电机通过安装相变热沉，利用相变材料状态变化时能够大量吸热的特点来有效地降低风力发电机运行时永磁体的高温，解决了传统永磁体散热严重依赖外界空气对流、深受外界环境的影响的缺陷，减小了永磁体的退磁风险，有利于发电机安全高效地运行，并且可以在设计发电机时安装此相变热沉，提高永磁体的散热能力，有利于设计发电量更大的发电机。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种风力发电机。
背景技术
随着风力发电机单机发电量的增大，风力发电机的发热问题也愈加严重。风力发电机的铁芯、绕组、永磁体等部件的温度过高，对发电机的安全稳定运行均会造成威胁。尤其是永磁体的温度过高，将可能导致永磁体发生不可逆退磁，使得发电机的转矩密度降低，使发电量永久下降。
现有的永磁直驱风力发电机，多采用外转子、内定子的结构，永磁体安装在外转子上，与外转子外壳热连通。外转子一方面吸收太阳辐射温度升高，一方面与外界空气对流换热散走热量温度降低。现有的永磁直驱风力发电机中永磁体的散热，严重依赖外转子与外界空气的对流换热，深受外界环境的影响。在发电机的设计过程中，需要满足永磁体的最高温度不超过永磁体的退磁极限温度，因此这种工况下永磁体的最高温度是发电机组设计过程中的一个重要限制条件，对发电机的发电量、发电效率等各项性能指标影响很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中永磁体的散热只能够依赖外转子与外界空气的对流换热的缺陷，提供一种风力发电机。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种风力发电机，其包括外转子和内定子，所述外转子还包括至少一个永磁体，其特点在于，所述永磁体的外侧设置有相变热沉，所述相变热沉与所述永磁体之间实现热连通。
较佳地，所述相变热沉包括壳体和封装在所述壳体内部的相变材料。
较佳地，所述相变材料为一种在常温下为固体状态，在所述风力发电机运行时能够发生固态液态两相变化的材料，所述相变材料的熔点低于所述永磁体的短路退磁临界温度，所述常温为不高于40度的温度。所述永磁体的短路退磁临界温度为本领域的通用技术术语，是指在所述风力发电机运行时，发电机的定子绕组短路时永磁体会产生退磁的临界温度。
较佳地，所述相变材料为石蜡，熔融盐或金属合金。
较佳地，当所述外转子的温度高于所述相变材料的温度，所述外转子的热量传递至所述相变材料，使所述相变材料的温度达到其熔点时，所述相变材料成为液态；当所述外转子的温度低于所述相变材料的温度，所述相变材料的热量传递至所述外转子，使所述相变材料的温度低于其熔点时，所述相变材料成为固态。所述相变材料可以在恶劣工况如白天外界温度较高太阳辐射较强或发电量较大时发生相变(熔化)，吸收所述外转子的热量和外界辐射热；在良好工况如夜晚外界温度较低太阳辐射很弱或发电量较小时，发生逆向相变(凝固)，为重新吸收热量提供条件。通过所述相变热沉内的所述相变材料循环往复地发生相变，强化了所述永磁体在极端工况下的散热能力，显著地降低了所述永磁体的最高运行温度。
较佳地，所述壳体为套筒，所述套筒的内表面固定连接于所述外转子的外表面，所述套筒为中空结构，所述套筒的内部填充有所述相变材料。
较佳地，所述套筒的外表面接触外界空气，所述套筒的外表面设置有散热翅片，所述散热翅片用于加强所述套筒的外表面与外界空气的热交换。
较佳地，所述相变热沉与所述外转子的接触面之间有一层热界面材料。所述热界面材料可以有利于所述外转子和所述相变热沉之间的热传递，并减小两者之间的热阻。
较佳地，所述壳体的内表面通过所述热界面材料固定粘接于所述外转子的外表面。
较佳地，所述热界面材料为导热硅脂或导热硅胶。
较佳地，所述壳体的材质为金属。
较佳地，所述壳体焊接于所述外转子的外表面。所述壳体可以完全覆盖所述外转子，有利于所述永磁体的散热。
较佳地，所述相变热沉的远离所述风力发电机的轴承的一端设置有接口，所述接口用于向所述壳体内灌装所述相变材料。
较佳地，所述外转子的外表面对应所述永磁体的位置设置有半封闭的腔体，所述腔体为所述外转子的外表面上的铣槽，所述腔体用于容纳相变材料。
较佳地，所述腔体的外表面有密封装置，所述密封装置用于将所述腔体内的所述相变材料进行密封，密封后的所述腔体为所述相变热沉。
较佳地，所述密封装置为金属片，所述金属片的边部焊接于所述外转子的外表面。
较佳地，所述密封装置的顶部有接口，所述接口用于向所述腔体内灌装所述相变材料。采用所述腔体作为所述相变热沉的方式可以使所述相变热沉与所述永磁体之间的热传递效率更高。
较佳地，所述相变热沉的外表面或靠近所述相变热沉的外表面的位置安装有主动式冷却装置，所述主动式冷却装置用于对所述相变热沉的外表面进行冷却。
较佳地，所述主动式冷却装置为风扇，热管或液冷装置。
较佳地，所述相变热沉的轴向长度不超过所述外转子的轴向长度。
本发明的积极进步效果在于：
该风力发电机通过安装相变热沉，利用相变材料状态变化时能够大量吸热的特点来有效地降低发电机运行时永磁体的高温，解决了传统永磁体散热严重依赖外转子表面与外界空气的对流、深受外界环境的影响的缺陷，减小了永磁体的退磁风险，有利于发电机安全高效地运行。并且可以在设计发电机时安装此相变热沉，提高永磁体的散热能力，有利于设计发电量更大的发电机。
附图说明
图1为本发明实施例1的风力发电机的结构示意图。
图2为本发明实施例1的相变热沉的结构示意图。
图3为本发明实施例1的相变热沉发生相变的示意图。
图4为本发明实施例2的风力发电机的结构示意图。
附图标记说明：
外转子 1
永磁体 11
内定子 2
相变热沉 3
套筒 31
相变材料 32
接口 33
腔体 4
金属片 5
具体实施方式
下面举两个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供一种风力发电机，其包括有外转子1和内定子2。外转子1位于内定子2的外圈，外转子1还包括若干个永磁体11，永磁体11位于外转子1的内表面，并在其内表面上呈均匀排布。
该风力发电机的永磁体11的外侧设置有相变热沉3，其与永磁体11之间实现热连通，即用于对永磁体11进行散热。该相变热沉3由一个壳体和封装在壳体内部的相变材料32构成。优选地，壳体的外形为一套筒31，其材质为金属，套于外转子1的外侧，可采用两端焊接的方式将套筒31焊接于外转子1的外表面，其轴向长度等于外转子1的轴向长度。套筒31的外表面暴露在空气中，以与空气进行对流换热，即套筒31将表面热量散发到空气中。作为一种替代的方案，也可使用其他的导热性能更高的材料作为壳体。套筒31为中空结构，其内部填充有相变材料32。该相变材料32为一种在常温，即40度温度以下为固体状态的材料，其熔点低于永磁体11的短路退磁临界温度。在风力发电机运行时，该相变材料32能够发生固态液态两相的变化，即当外转子1的温度高于相变材料32的温度时，外转子1的热量传递至相变材料32，使相变材料32的温度达到其熔点，相变材料32发生相变，成为液态；当外转子1的温度低于相变材料32的温度，相变材料32的热量传递至外转子1，使相变材料32的温度低于其熔点时其发生相变，成为固态。相变材料32的成分为石蜡。为了达到更好的热传递的效果，也可使用其它的潜热较大、易储存、成本较低的相变材料，如熔融盐或金属合金等。
优选地，为了加速套筒31表面的散热速度，提高散热效果，也可在该套筒31的外表面设置均匀排布的散热翅片，以加速套筒31表面与外界空气的热交换。也可在该相变热沉3的外表面安装主动式冷却装置，如风扇，热管或液冷装置等，以达到增强该相变热沉3表面与外界空气热传递的效果。具体如何通过使用主动式冷却装置来增强相变热沉3表面与外界空气的热传递属于现有的技术，因此在此不再赘述。
相变热沉3与外转子1的接触面上涂有一层热界面材料，以减小相变热沉3与外转子1之间的热阻。热界面材料的成分为导热硅脂或导热硅胶，也可选用其他导热性能好的材料。该热界面材料也可将相变热沉3与外转子1之间粘接到一起，起到固定相变热沉3与外转子1的相对位置的效果。
在套筒31的远离风力发电机的轴承的一端上设置有一个接口33，该接口33用于向套筒31内灌装相变材料32。在安装之前，先将相变材料32熔化为液体，然后通过接口33，将液态的相变材料32灌装到套筒31内，直至填满。相变材料32选用熔点低于发电机正常工作时永磁体11的最高温度1至10度的材料。为了达到更快的灌装速率和方便后期维修，也可使用超过一个的接口33。接口33处为一密封盖，在安装该套筒31之前，先将相变材料32熔化成液体，然后打开密封盖，灌入液态的相变材料32，直至填满，再将密封盖进行密封。作为一种替代的方案，也可直接将接口33焊接密封。
如图3所示，在发电机进行工作时，外转子1进行转动，相变热沉3由于和外转子1的位置保持固定，所以随外转子1一起进行转动。在恶劣工况如白天外界温度较高太阳辐射较强或发电量较大时，外转子1的热量升高，封装在相变热沉3内的相变材料32吸收外转子1的热量和外界辐射热，永磁体11上的热量通过导热传到相变热沉3，使相变热沉3中的相变材料32的温度不断升高。另一方面，相变材料32还受太阳热辐射的影响，温度上升。当相变材料32的温度升高至其熔点时，此时相变热沉3吸收了转子1的热量和外界辐射热，相变材料32产生相变发生熔化，大量吸收热量，使永磁体11的温度不再继续升高。
在发电机停止运作或工况良好如夜晚外界温度较低太阳辐射很弱或发电量较小时，由于外界温度较低，相变热沉3内的相变材料32发生逆向相变，继而凝固，同时也为发电机进行工作时其再次熔化、冷却发电机打下基础。通过相变热沉3内的相变材料32循环往复地发生相变，加强了永磁体11在极端工况下的散热能力，显著降低了永磁体11的最高运行温度。同时，相变热沉3对太阳辐射热传递到永磁体11起到了阻碍作用，进一步降低了永磁体11的运行最高温度。
实施例2
如图4所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：外转子1的外表面对应所有永磁体11的位置处都设置有铣槽，该铣槽形成了若干腔体4。在腔体4的外表面及两端覆盖有金属片5，金属片5的边部焊接于腔体4的外表面，使腔体4内形成一封闭空间。腔体4顶部的金属片5的部分上有一接口33，用于向腔体4内灌装相变材料32，该填充相变材料32的腔体4即为相变热沉3。采用这种方式作为热沉可以使相变热沉3与永磁体11之间的热传递更有效，散热更强。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (18)
1.一种风力发电机，其包括外转子和内定子，所述外转子包括至少一个永磁体，其特征在于，所述永磁体的外侧设置有相变热沉，所述相变热沉与所述永磁体之间实现热连通；
所述相变热沉包括壳体和封装在所述壳体的内部的相变材料，所述相变材料为一种在常温下为固体状态，在所述风力发电机运行时能够发生固态液态两相变化的材料，所述常温为不高于40度的温度；
所述壳体为套筒，所述套筒的内表面固定连接于所述外转子的外表面，所述套筒为中空结构，所述套筒的内部填充有所述相变材料。
2.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述相变材料的熔点低于所述永磁体的短路退磁临界温度。
3.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述相变材料为石蜡，熔融盐或金属合金。
4.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，当所述外转子的温度高于所述相变材料的温度，所述外转子的热量传递至所述相变材料，使所述相变材料的温度达到其熔点时，所述相变材料成为液态；当所述外转子的温度低于所述相变材料的温度，所述相变材料的热量传递至所述外转子，使所述相变材料的温度低于其熔点时，所述相变材料成为固态。
5.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述套筒的外表面接触外界空气，所述套筒的外表面设置有散热翅片，所述散热翅片用于加强所述套筒的外表面与外界空气的热交换。
6.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述相变热沉与所述外转子的接触面之间有一层热界面材料。
7.如权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述壳体的内表面通过所述热界面材料固定粘接于所述外转子的外表面。
8.如权利要求7所述的风力发电机，其特征在于，所述热界面材料为导热硅脂或导热硅胶。
9.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述壳体的材质为金属。
10.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述壳体焊接于所述外转子的外表面。
11.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述相变热沉的远离所述风力发电机的轴承的一端设置有接口，所述接口用于向所述壳体内灌装所述相变材料。
12.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述外转子的外表面对应所述永磁体的位置设置有半封闭的腔体，所述腔体为所述外转子的外表面上的铣槽，所述腔体用于容纳相变材料。
13.如权利要求12所述的风力发电机，其特征在于，所述腔体的外表面有密封装置，所述密封装置用于将所述腔体内的所述相变材料进行密封，密封后的所述腔体为所述相变热沉。
14.如权利要求13所述的风力发电机，其特征在于，所述密封装置为金属片，所述金属片的边部焊接于所述外转子的外表面。
15.如权利要求13所述的风力发电机，其特征在于，所述密封装置的顶部有接口，所述接口用于向所述腔体内灌装所述相变材料。
16.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述相变热沉的外表面或靠近所述相变热沉的外表面的位置安装有主动式冷却装置，所述主动式冷却装置用于对所述相变热沉的外表面进行冷却。
17.如权利要求16所述的风力发电机，其特征在于，所述主动式冷却装置为风扇，热管或液冷装置。
18.如权利要求1-17中任意一项所述的风力发电机，其特征在于，所述相变热沉的轴向长度不超过所述外转子的轴向长度。
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