CN111322207A - 用于直驱式风力发电机组的轮毂以及直驱式风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于直驱式风力发电机组的轮毂以及直驱式风力发电机组。所述轮毂包括：盘形的轮辐部；外凸缘，从所述轮辐部的外圆周沿轴向延伸预定长度，形成发电机转子安装壳体；至少两个叶片安装法兰，形成在所述轮辐部的外圆周上，用于安装所述风力发电机组的叶片。根据本发明的方案，由于能够将发电机内置在轮毂内部，从而减少了发电机与轮毂连接的部件数量，缩短了传动链，提高了传动效率并且提高了产品可靠性和经济性。

Description

用于直驱式风力发电机组的轮毂以及直驱式风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电机组技术领域，更具体地讲，涉及一种用于直驱式风力发电机组的轮毂以及采用该轮毂的直驱式风力发电机组。

背景技术

随着风电行业的飞速发展，水平轴直驱式风力发电机组在风电领域得到了广泛应用。这种风力发电机组的常规结构是安装叶片的轮毂和直驱发电机组分开设计，轮毂多为星型或球型结构。轮毂和发电机为两个相互独立的分体结构，轮毂通过主轴连接发电机转子，实现机械能从叶轮到发电机转子的传递，从而进行发电。

然而，这种结构的风力发电机组存在如下几方面的不足：(1)发电机与轮毂分体设计，转子通过主轴与轮毂链接，主轴长度较长，动能传动链太长，传递效率低；(2)轮毂与作为支撑点的机舱底座之间的距离较远，稳定性较差；(3)需要多个部件多次连接才能实现转子与轮毂的连接，结构复杂结构，免维护性不足，可靠性差；(4)轮毂与发电、发电机与主机架组对工艺复杂，安装工艺繁琐，工艺可实施性差；(5)分体式轮毂和发电机转子支撑结构形体较大，结构不紧凑，钢材用量多，造价高；发电机与轮毂分体组装和运输成本叠加，经济性较差。

发明内容

本发明的实施例提供了一种发电机转子安装壳体与轮毂一体化的技术方案，以解决现有技术中的风力发电机组中的不足。

根据本发明的一方面，提供了一种用于直驱式风力发电机组的轮毂，所述轮毂包括：盘形的轮辐部，中部具有使发电机主轴穿过的圆形通孔；外凸缘，从所述轮辐部的外圆周沿轴向延伸预定长度，从而形成发电机外壳体；至少两个叶片安装法兰，形成在所述轮辐部的外圆周上，用于安装所述风力发电机组的叶片。

根据本发明的一方面，所述外凸缘相对于所述轮辐部向着所述轮毂的前方或后方延伸预定长度，形成圆柱形的发电机容纳腔。

根据本发明的一方面，所述外凸缘相对于所述轮辐部向着所述轮毂的后方延伸预定长度，形成圆柱形的第一发电机容纳腔，并且所述外凸缘相对于所述轮辐部朝向所述轮毂的前方延伸预定长度，形成圆柱形的第二发电机容纳腔。

根据本发明的一方面，在所述轮辐部的径向方向上，所述叶片安装法兰相对于所述外凸缘向外突出预定长度，所述叶片安装法兰的内侧或外侧形成有至少一个叶片变桨装置安装部。

根据本发明的一方面，所述叶片安装法兰的法兰端面向着所述轮毂的前方倾斜预定角度。

根据本发明的一方面，所述轮辐部上开设有至少一个减重孔。

根据本发明的一方面，所述轮毂还包括形成在所述轮辐部的内圆周上的主轴轴承安装部，用于通过轴承与风力发电机组的主轴相配合。

根据本发明的一方面，所述主轴轴承安装部的轴向厚度大于所述轮辐部的轴向厚度。

根据本发明的技术方案，将轮毂设计为具有内凹圆柱形空间，用于安装发电机转子，从而能够大大简化发电机与轮毂连接的部件数量，提高了产品可靠性和经济性。

附图说明

通过下面附图对本发明的实施例进行的详细描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明实施例的轮毂的立体示意图；

图2是根据本发明实施例的轮毂的主视图；

图3是沿图2中的A-A线截取的截面图；

图4示出了发电机内置在轮毂中的示意截面图；

图5示出了在轮毂中设置两个发电机的截面图；

图6示出了发电机底座与主轴形成为一体结构的示意性截面图；

图7示出了根据本发明示例性实施例的内置发电机的轮毂与发电机底座安装在一起的立体图；

图8示出了采用了根据本发明实施例的轮毂的风力发电机组的机舱部分的截面图；

图9示出了根据本发明实施例的风力发电机组的机舱部分的立体图。

具体实施方式

本发明的实施例提出了一种将轮毂和发电机壳体一体化设计的技术方案。通过在轮毂上形成发电机容纳腔，利用轮毂形成发电机外壳体，将发电机的转子安装在由轮毂形成的发电机外壳体上。通过将发电机内置的轮毂中，大大减少了连接件的数量和发电机组的体积、重量和成本。下面，将参考附图详细描述根据本发明实施例。

如图1-3所示，根据本发明实施例的轮毂100大体为圆盘形，包括盘形的轮辐部10，在轮辐部10的外圆周上形成有外凸缘20，外凸缘20沿轮毂100的轴向延伸预定长度，形成发电机外壳体。具体地，外凸缘20从轮辐部10的外缘沿轴向延伸预定长度，从而形成圆柱形的容纳腔，发电机可以内置在该容纳腔中。外凸缘20的内圆周表面可以用作发电机转子安装面，从而能够将发电机的转子直接安装在轮毂100上，或者通过转子支架将转子安装在轮毂100上。可选地，转子可安装在定子外侧，因此，在本发明的实施例中，利用轮毂100形成发电机外转子安装壳体，并将发电机的外转子安装在轮毂100上。

外凸缘20可以相对于轮辐部10沿着轴向向着轮毂100的后方(即，面向发电机底座的一侧)延伸预定长度，从而在轮毂100的后侧形成容纳腔。外凸缘20也可以相对于轮辐部10沿着轴向向着轮毂100的前方延伸预定长度，从而在轮毂100的前侧形成容纳腔。因此，在安装一个发电机的情况下，发电机可以安装在轮辐部10的前侧，或者安装在轮辐部10的后侧。

如图3所示，根据本发明的实施例，可以在轮毂100中安装至少两个发电机。相应地，在轮毂100中可以形成用于容纳至少两个发电机的容纳腔。在安装两个发电机的情况下，可以分别在轮辐部10的后侧形成第一容纳腔21，并在轮辐部10的前侧形成第二容纳腔22。第一发电机可以安装在第一容纳腔21中，第二发电机可以安装在第二容纳腔22中，两个发电机的电路可以并联连接或串联连接。

如图3-5所示，轮辐部10的中部形成有主轴轴承安装部11，用于与发电机的主轴40通过主轴轴承41配合，而使得轮毂100能够围绕发电机的主轴40旋转。具体地，轮辐部10的中部形成有圆形通孔，圆形通孔的圆周表面用作轴承安装面，与主轴轴承41的轴承外圈进行过盈配合，而轴承内圈与主轴40的外圆周表面过盈配合从而固定安装。

此外，为了减轻轮毂100的重量，轮辐部10的厚度可以做的相对于主轴轴承安装部11的厚度小，在这种情况下，主轴轴承安装部11形成为从轮辐部10的内圆周上沿轴向突出的内凸缘。为了保证定子的安装空间，内凸缘的轴向延伸长度不宜太长，以免与定子之间造成干涉。另外，如图1-2所示，为了进一步减轻轮毂100的重量，还可以在轮辐部10上形成多个减重孔12。减重孔12也可以用作人孔、维修通道或散热通道等。

在轮辐部10的外圆周上还形成有至少两个叶片安装法兰30，用于与叶片进行连接。叶片安装法兰30的数量与需要安装的叶片数量相对应，多个叶片安装法兰30沿着轮毂100的圆周均匀布置。在附图所示的示例中，在轮辐部10的外圆周上形成有三个叶片安装法兰30。在叶轮安装法兰30的内侧还可形成有变桨驱动装置安装部31，用于安装变桨驱动装置。但是，本发明不限于此，根据叶片相对于叶片安装法兰30的设置位置，变桨驱动装置安装部也可安装在叶轮安装法兰30的外侧。在叶片变桨驱动驱动装置设置为至少两个的情况下，变桨驱动安装部31的数量也可以为至少两个。

叶片安装法兰30的轴向大体上与轮辐部10的径向方向一致，但是与轮辐部10的径向方向之间具有预定的夹角(例如，大约3～7度)，以确保叶片安装后朝向机舱的前方有一定的倾斜度，避免叶片与塔架碰撞。因此，叶片安装法兰30的法兰端面相对于轮毂100的轴向有一定的倾斜度。

图4示出了发电机内置在轮毂100中的示意性截面图。

如图4所示，主轴40通过主轴轴承41安装在主轴轴承安装部11上，实现轮毂100围绕主轴40旋转。主轴轴承41可以是双列圆锥滚子轴承，轴承外圈与主轴轴承安装部11的内圆周表面紧密配合从而相互固定，轴承外圈与主轴40的外圆周表面紧密配合从而相互固定。发电机50可以安装在轮毂100的后侧。发电机50的转子51固定在由轮毂100形成的外转子安装壳体上，相对于轮毂100固定，从而能够随轮毂100一起旋转。定子52由主轴40支撑。例如，在主轴40上形成有定子安装法兰42，定子支架安装在定子安装法兰42上，定子52安装在定子支架上，位于转子51的径向内侧，并沿径向方向在转子51和定子52之间形成气隙。转子51随着轮毂100而旋转从而围绕定子52转动，实现风能向电能的转换。

与现有技术的直驱风力发电机组的结构相比，采用根据本发明实施例的轮毂的风力发电机组，由于发电机内置在轮毂100中，主轴的长度大大缩短，从而极大地缩短了从轮毂到发电机主轴的传动距离，提高了动能传递效率，减少了钢材用量，节约了成本，并且减小了发电机的体积。

此外，由于主轴长度缩短，采用单个主轴轴承即可稳定支撑发电机和轮毂。并且发电机与主轴轴承之间的距离较短，发电机和轮毂的质心更加靠近主轴轴承，从而对减小主轴轴承所承受的弯矩，延长了主轴轴承的使用寿命。

在根据本发明的实施例中，主轴可以与发电机底座是分体结构，也可以形成为一体结构。在主轴与发电机底座分开制造的情况下，可以通过连接法兰实现主轴与发电机底座的固定连接。

虽然图4示出了在轮毂中安装一个发电机的示意图，然而本发明不限于此，也可以将多个发电机并列地安装在由轮毂100形成的发电机外壳体内。图5示出了在轮毂中设置两个发电机的截面图。

如图5所示，外凸缘20从轮辐部10的外圆周沿轴向向前延伸和向后延伸，从而在轮辐部10的后侧和前侧分别形成一个发电机容纳腔，从而通过轮毂100形成位于后侧的第一转子安装壳体和位于前侧的第二转子安装壳体。第一发电机70安装在轮辐部10的后侧，第一发电机70的转子71安装在第一转子安装壳体上。第二发电机80安装在轮辐部10的前侧，第二发电机80的转子81安装在第二转子安装壳体上。轮毂100通过主轴轴承安装部11与主轴轴承41的轴承外圈相互配合，主轴40穿过主轴轴承41与主轴轴承41的轴承内圈相互配合。第一发电机70的定子通过定子支架安装在主轴40上，并位于轮辐部10的后侧。第二发电机80的定子82通过定子支架安装在主轴40上，并位于轮辐部10的前侧。在轮毂100围绕主轴40旋转时，第一发电机70的转子71和第二发电机80的转子81分别围绕其定子72和82旋转，从而实现风能向电能的转换。在附图所示的示例中，第一发电机70和第二发电机80并列设置在主轴40上，但是，第一发电机70和第二发电机80的内部电路可以相互并联或相互串联。

虽然在图5中示出了安装两个发电机的示例，但是，发电机的数量不限于两个，还可以是三个或三个以上。此外，多个发电机的安装位置也不限于分别安装于轮辐部10的前侧和后侧，而是可以均安装在轮辐部10的同一侧。

在将多个发电机内置在轮毂中的情况下，使得发电机的结构更加紧凑。同时，也使得发电机以及轮毂的质心相对于主轴轴承的距离大大缩短，减少了对主轴轴承施加的弯矩。

图6示出了发电机底座与主轴形成为一体结构的示意性截面图。图7示出了根据本发明示例性实施例的内置发电机的轮毂100与主机架200安装在一起的立体图。图8示出了采用了根据本发明实施例的轮毂的风力发电机组的机舱部分的截面图。图9示出了根据本发明实施例的风力发电机组的机舱部分的立体图。

如图6-9所示，主机架200的下端通过塔架连接法兰与塔架固定连接，从而形成用于支撑发电机的支撑结构。主机架200还包括形成在主机架200前端的主轴部240。主轴部240从主机架200本体部上向着轮毂100一体延伸预定长度，形成用于支撑发电机的主轴。主轴部240通过主轴轴承40安装到轮毂100的主轴轴承安装部11上，从而将主轴部240与轮毂100相互配合，使得轮毂100能够围绕主轴部240旋转。

根据本发明实施例的轮毂100的前侧可设置有导流罩连接部，从而将导流罩300安装在轮毂100的前侧。轮毂100的后侧还可设置有机舱罩连接部，从而与机舱罩400进行连接。作为示例，导流罩300的外径小于外凸缘20的外径，导流罩300安装并覆盖在轮毂100的前表面上，而不覆盖轮毂100的外圆周表面。机舱罩400安装并覆盖在轮毂100的后表面上。作为示例，机舱罩400的与轮毂100的相连接部分的外径小于外凸缘20的外径，因此，机舱罩400也并不覆盖轮毂100的外周表面。根据本发明的实施例，轮毂100外露，导流罩300和机舱罩400之间间隔轮毂100的设计机构，有效地减小了导流罩300或轮毂100的大小和设计加工难度。

根据本发明的实施例，由于轮毂100中设置有发电机容纳腔，由轮毂100形成用于安装发电机外转子的外转子壳体，使得发电机能够内置在轮毂100内，与现有技术相比，简化了结构和安装工艺，结构更加紧凑。此外，还节省了钢材用量，降低了运输成本等。因此，根据本发明的实施例，轮毂与发电机一体化设计结构，发电机内置在轮毂中，能够提高产品的可靠性和经济性。

根据本发明的实施例，机舱底座与主轴形成为一体结构。即，主机架的前端承担了主轴的作用，减少了现有技术中主轴与机舱底座的连接结构和工艺，缩短了传动连，提高了传动效率。由于减小了轮毂与作为支撑点的机舱底座之间的距离，进一步提高了风力发电机组的稳定性。

此外，由于将发电机内置在轮毂内部，与常规的风力发电机组相比，轮毂的外圆周直径加大，叶片安装法兰在轮毂上的安装位置向外延伸，因此在安装同样长度的叶片的情况下，可以有效增大叶轮的扫风面积，提高发电量。此外，叶片安装法兰30相对于轮毂的外凸缘20向外突出。为了进一步增大扫风面积，在轮辐部10的径向方向上，叶片安装法兰30可相对于外凸缘20向外突出预定长度，从而使得叶片安装法兰在轮毂上的安装位置进一步向外延伸。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是以上实施例的描述只是用于帮助理解本发明的原理和精神。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，可以对本发明进行各种改进，这些改进将落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述轮毂(100)包括：

盘形的轮辐部(10)，中部具有使发电机主轴穿过的圆形通孔；

外凸缘(20)，从所述轮辐部(10)的外圆周沿轴向延伸预定长度，从而形成发电机外壳体；

至少两个叶片安装法兰(30)，形成在所述轮辐部(10)的外圆周上，用于安装所述风力发电机组的叶片。

2.如权利要求1所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述外凸缘(20)相对于所述轮辐部(10)向着所述轮毂(100)的前方和/或后方延伸预定长度，从而在轮辐部(10)的前侧和/或后侧形成圆柱形的发电机容纳腔。

3.如权利要求1所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述外凸缘(20)相对于所述轮辐部(10)向着所述轮毂(100)的后方延伸预定长度，形成第一发电机容纳腔(21)，并且所述外凸缘(20)相对于所述轮辐部(10)朝向所述轮毂(100)的前方延伸预定长度，形成第二发电机容纳腔(22)。

4.如权利要求1-3中任一项所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，在所述轮辐部(10)的径向方向上，所述叶片安装法兰(30)相对于所述外凸缘(20)向外突出预定长度，所述叶片安装法兰(30)的内侧或外侧形成有至少一个叶片变桨装置安装部(31)。

5.如权利要求1-3中任一项所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述叶片安装法兰(30)的法兰端面向着所述轮毂(100)的前侧倾斜预定角度。

6.如权利要求1-3中任一项所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述轮辐部(10)上开设有至少一个减重孔。

7.如权利要求1-3中任一项所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述轮毂(100)还包括形成在所述轮辐部(10)的内圆周上的主轴轴承安装部(11)，用于通过主轴轴承(41)与所述直驱式风力发电机组的主轴(40)相配合。

8.如权利要求7所述的用于直驱式风力发电机组的轮毂(100)，其特征在于，所述主轴轴承安装部(11)的轴向厚度大于所述轮辐部(10)的轴向厚度。

9.一种直驱式风力发电机组，其特征在于，所述直驱式风力发电机组包括如权利要求1-8中任一项所述的轮毂(100)。

10.如权利要求9所述的直驱式风力发电机组，其特征在于，所述直驱式风力发电机组还包括发电机(50)和主轴(40)，所述发电机(50)包括转子(51)和定子(52)，所述转子(51)安装在所述轮毂(100)上，所述定子(52)安装在所述主轴(40)上。

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