CN111677631B - 风力发电机及包括其的风力发电机组 - Google Patents

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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明公开了一种风力发电机及包括其的风力发电机组,风力发电机包括机座和水冷芯,水冷芯设置在机座的上方并与机座连接,水冷芯具有迎风面和背风面,水冷芯的迎风面的上端和/或水冷芯的背风面的上端向水冷芯的外侧倾斜。本发明通过采用上端向水冷芯外侧倾斜的斜面作为迎风面和/或背风面的水冷芯,能够缩短冷却气体流动的路径,降低冷却气体受到的气流阻力,提高风力发电机内部的冷却效率。相比于传统采用竖直平面作为迎风面和背风面的水冷芯,在水冷芯换热面积相同的情况下,本发明的水冷芯的高度更低,能够降低空水冷却器占用的空间,加强风力发电机整体的安全性;在水冷芯高度相同的情况下,本发明的水冷芯的换热面积更大,冷却效率更高。

Description

风力发电机及包括其的风力发电机组
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及包括其的风力发电机组。
背景技术
对于带有高速齿轮箱的大容量风力发电机而言,其一般采用箱式结构,而近年来,随着对电力需求的增大,风力发电机组的容量和叶轮的直径也在日益增大,风力发电机的功率、损耗和发热也随之增大,因此对风力发电机的散热能力、冷却设计的准确性等要求也需要进一步提高。
风力发电机组常用的一种冷却方式是空水冷,风力发电机组内部的热空气通过水冷芯进行热交换,水冷芯通常为矩形结构,水冷芯的迎风面和背风面为竖直平面,水冷芯的高度受限于强度、疲劳等设计因素,需要限制在一定限值以下,以保证其能够承受台风等恶劣工况下的载荷。
由于叶片具有柔性,叶轮的直径越大,越靠近叶尖部位的叶片振荡位移越大,甚至可能会撞到塔筒。为了防止上述情况的发生,在进行风力发电机组传动链设计时会考虑增大仰角来避免叶片和塔筒之间的碰撞,其中仰角是指叶轮的旋转轴线和水平面之间的夹角,叶轮的旋转中心、风力发电机组传动链的轴线、风力发电机的轴线都在同一条直线上。
而传统进行风力发电机的冷却设计时,是将风力发电机放置在水平面上考虑,未考虑风力发电机组传动链具有仰角的情况。因此水冷芯是直接垂直放置在风力发电机机座的上端面,水冷芯的下端面与风力发电机机座的上端面完全重合。又由于水冷芯和风力发电机通常是不同厂商进行生产,因此一直未考虑在风力发电机组传动链具有仰角的情况下如何进行风力发电机的冷却设计。
风力发电机内部冷却气体一般受到设置在风力发电机主轴上的风扇的驱动力和冷却气体自身的重力,若直接将传统的水冷芯设置位置用在具有仰角的风力发电机组传动链上,冷却气体受到的风扇的驱动力的方向产生变化,导致冷却气体整体受力情况发生变化,进而增大风力发电机流体场和温度场计算结果的偏差,增大风力发电机的冷却设计的不准确性,降低风力发电机的整体冷却效果,甚至会进一步增大风力发电机各部件的温差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何提高风力发电机内部的冷却效果,提供一种风力发电机及包括其的风力发电机组。
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,包括机座和水冷芯,所述水冷芯设置在所述机座的上方并与所述机座连接,所述水冷芯具有迎风面和背风面,其特点在于,所述水冷芯的迎风面的上端和/或所述水冷芯的背风面的上端向所述水冷芯的外侧倾斜。
在本方案中,将水冷芯的迎风面设计成上端向水冷芯外侧倾斜的斜面,能够有效缩短冷却气体从风力发电机的机座中流出后流向水冷芯的迎风面的路径,将水冷芯的背风面设计成上端向水冷芯外侧倾斜的斜面,能够有效缩短冷却气体从水冷芯的背风面流入风力发电机的机座内部的路径。通过采用斜面作为迎风面和/或背风面的水冷芯,能够降低冷却气体受到的气流阻力,使热空气能够更快与水冷芯进行热交换和/或降低冷空气的损耗,提高风力发电机内部的冷却效率,提高冷却效果。相比于传统采用竖直平面作为迎风面和背风面的水冷芯而言,在水冷芯换热面积相同的情况下,采用斜面作为迎风面和背风面的水冷芯的高度更低,能够降低空水冷却器占用的空间,加强风力发电机整体的安全性;在水冷芯高度相同的情况下,采用斜面作为迎风面和背风面的水冷芯的换热面积更大,冷却效率更高。
较佳地,所述风力发电机还包括水冷芯罩壳,位于所述水冷芯的迎风面一侧的所述水冷芯罩壳为第一罩壳,位于所述水冷芯的背风面一侧的所述水冷芯罩壳为第二罩壳,所述第一罩壳和所述第二罩壳均朝向所述水冷芯倾斜。
在本方案中,水冷芯罩壳可以加强对冷却气体的引导,既能够缩短温度较高的冷却气体流至水冷芯的路径,也能够缩短温度较低的冷却气体流至机座内部的路径,有效加强风力发电机内部的冷却效率,提高风力发电机的冷却效果。
较佳地,所述风力发电机还包括离心风扇,所述机座的主轴的轴线和水平面形成有夹角,所述风力发电机的驱动端高于所述风力发电机的非驱动端,所述离心风扇设置在所述机座的内部并靠近所述风力发电机的驱动端,所述水冷芯以其中心线与所述主轴的轴线形成第一夹角的方式设置在所述机座上,所述第一夹角为锐角,所述水冷芯朝向所述风力发电机的驱动端的一侧倾斜。
在本方案中,离心风扇用于控制冷却气体的流向,使温度较低的冷却气体能够先对风力发电机的非驱动端进行冷却,温度较高的冷却气体从风力发电机的驱动端排出机座的内部,以此加强风力发电机的非驱动端的冷却效果,降低风力发电机的驱动端和非驱动端之间的温差。水冷芯朝向风力发电机的驱动端一侧倾斜,进一步减少了温度较高的冷却气体流至水冷芯的路径。
较佳地,所述机座内设有外定子,所述外定子设有径向通风槽,所述外定子的径向通风槽的两端分别贯通至所述机座的上端面和气隙,冷却气体能够通过所述外定子的径向通风槽从所述外定子的径向通风槽的一侧流向另一侧。
在本方案中,温度较低的冷却气体可以直接通过外定子的径向通风槽对外定子进行冷却,缩短冷却气体流至外定子的路径,加强外定子的冷却效果。
较佳地,所述机座内还设有内转子,所述内转子也设有径向通风槽,所述冷却气体能够通过所述气隙流入所述内转子的径向通风槽内。
在本方案中,冷却气体可以通过内转子的径向通风槽对内转子的径向内侧进行冷却,加强内转子的冷却效果。
较佳地,所述第一罩壳与所述主轴的轴线形成有第二夹角,所述第二夹角为锐角。
在本方案中,第一罩壳用于引导经过冷却风力发电机发热部件温度升高的冷却气体。
较佳地,所述第二夹角小于所述第一夹角。
较佳地,所述第二罩壳与所述主轴的轴线形成有第三夹角,所述第三夹角为锐角。
在本方案中,第二罩壳用于引导经过水冷芯热交换之后温度降低的冷却气体。
较佳地,所述离心风扇靠近所述水冷芯设置。
较佳地,所述水冷芯的迎风面能够在所述主轴上形成投影区域,所述离心风扇的迎风面位于所述投影区域之内。
较佳地,所述离心风扇的中心线位于所述投影区域之内。
较佳地,所述离心风扇与所述主轴同轴连接。
在本方案中,主轴可以带动离心风扇同步转动。
较佳地,所述风力发电机还包括轴流风扇,所述轴流风扇靠近所述风力发电机的非驱动端设置。
在本方案中,轴流风扇用于增大风力发电机的非驱动端的风压,加快冷却气体由风力发电机的非驱动端流向风力发电机的驱动端的流速,提高冷却效率,加强冷却效果。
较佳地,所述轴流风扇与所述主轴同轴连接。
在本方案中,主轴可以带动轴流风扇同步转动。
较佳地,所述风力发电机还包括垫板,所述垫板连接在所述水冷芯的下端面和所述机座的上端面之间。
在本方案中,垫板用于加强水冷芯和机座之间固定的稳定性。
较佳地,所述垫板为三角形结构,所述垫板的斜面用于贴合所述水冷芯的下端面。
较佳地,所述水冷芯罩壳的外表面设有散热筋组件。
在本方案中,散热筋用于进一步降低冷却气体的温度,加强风力发电机内部的冷却效果。
较佳地,所述水冷芯罩壳的内表面为曲面。
在本方案中,曲面对冷却气体的引导作用更好,冷却气体产生的损失也越小。
较佳地,所述第一罩壳和所述第二罩壳分别设置在所述水冷芯的两侧,所述水冷芯连接在所述第一罩壳和所述第二罩壳之间。
较佳地,所述第一罩壳的上端和所述第二罩壳的上端直接连接,所述第一罩壳、所述第二罩壳和所述机座围成有容纳所述水冷芯的容纳区域。
一种风力发电机组,包括机架,其特点在于,所述风力发电机组还包括如上所述的风力发电机,所述风力发电机安装在所述机架的上端面,所述机架的上表面与所述机架的下表面形成的夹角等于所述水冷芯的中心线和所述机座的主轴的轴线的垂线形成的夹角。
在本方案中,机架用于使风力发电机形成仰角。
本发明的积极进步效果在于:本发明将水冷芯的迎风面设计成上端向水冷芯外侧倾斜的斜面,能够有效缩短冷却气体从风力发电机的机座中流出后流向水冷芯的迎风面的路径,将水冷芯的背风面设计成上端向水冷芯外侧倾斜的斜面,能够有效缩短冷却气体从水冷芯的背风面流入风力发电机的机座内部的路径。通过采用斜面作为迎风面和/或背风面的水冷芯,能够降低冷却气体受到的气流阻力,使热空气能够更快与水冷芯进行热交换和/或降低冷空气的损耗,提高风力发电机内部的冷却效率,提高冷却效果。相比于传统采用竖直平面作为迎风面和背风面的水冷芯而言,在水冷芯换热面积相同的情况下,采用斜面作为迎风面和背风面的水冷芯的高度更低,能够降低空水冷却器占用的空间,加强风力发电机整体的安全性;在水冷芯高度相同的情况下,采用斜面作为迎风面和背风面的水冷芯的换热面积更大,冷却效率更高。
附图说明
图1为本发明实施例1的风力发电机组的剖视结构示意图。
图2为本发明实施例1的带冷却气体流动路径的风力发电机组的剖视结构示意图。
图3为本发明实施例2的风力发电机组的剖视结构示意图。
图4为本发明实施例2的带冷却气体流动路径的风力发电机组的剖视结构示意图。
附图标记说明:
冷却气体1
水冷芯2
水冷芯的迎风面21
水冷芯的背风面22
第一罩壳31
第二罩壳32
机座4
驱动端轴承41
非驱动端轴承42
主轴43
风力发电机的驱动端51
风力发电机的非驱动端52
离心风扇6
外定子7
外定子的径向通风槽71
内转子8
内转子的径向通风槽81
气隙9
机架10
第一夹角α
第二夹角γ
第三夹角δ
第一热区S1
第二热区S2
投影区域S3
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供了一种采用空水冷却的风力发电机,通过冷却气体对风力发电机的内部进行冷却,其中,经过空水冷却器热交换后温度降低的冷却气体为冷空气,经过冷却风力发电机内部的发热部件而温度升高的冷却气体为热空气,本实施例中所涉及的迎风面和背风面都是根据风力发电机内部的气流回路来定义的。本实施例中采用的冷却气体是空气,用于冷却风力发电机内部的各发热部件。在其他可替代的实施方式中,冷却气体还可以为氢气、氦气、氖气等具有冷却作用的气体。
如图1-2所示,风力发电机包括机座4和水冷芯2,水冷芯2设置在机座4的上方,且水冷芯2的下端与机座的上端面连接,水冷芯2具有迎风面和背风面,其中水冷芯的迎风面21是指水冷芯2用于接收热空气的一面,水冷芯的背风面22是指水冷芯2用于排出冷空气的一面。
本实施例中水冷芯的迎风面21的上端和水冷芯的背风面22的上端都朝向水冷芯2的外侧倾斜,水冷芯2的截面类似倒梯形的形状。将水冷芯的迎风面21设计成上端向水冷芯2外侧倾斜的斜面,能够有效缩短冷却气体1从风力发电机的机座4中流出后流向水冷芯的迎风面21的路径,降低冷却气体1受到的气流阻力,使热空气能够更快与水冷芯2进行热交换,提高风力发电机内部的冷却效率。将水冷芯的背风面22设计成上端向水冷芯2外侧倾斜的斜面,能够有效缩短冷却气体1从水冷芯的背风面22流入风力发电机的机座4内部的路径,降低冷却气体1受到的气流阻力,减少冷空气的消耗,提高风力发电机内部的冷却效率。
相比于传统采用竖直平面作为迎风面和背风面的水冷芯2而言,在水冷芯2换热面积相同的情况下,采用斜面作为迎风面和背风面的水冷芯2的高度明显小于采用竖直平面的作为迎风面的背风面的水冷芯2的高度。在达到相同换热效果的同时,可以有效降低水冷芯2的高度,不仅能够降低空水冷却器占用的空间,还能加强风力发电机整体的安全性。在水冷芯2高度相同的情况下,采用斜面作为迎风面和背风面的水冷芯2的换热面积明显更大,可以提高冷却气体1的换热效率,提高风力发电机内部的冷却效果。
在其他可替代的实施方式中,水冷芯的迎风面21和水冷芯的背风面22可以不同时都设置成斜面,但为了缩短冷却气体1的流动路径,应该将其中至少一个设置成上端向水冷芯2外侧倾斜的斜面。
风力发电机还包括水冷芯罩壳,水冷芯2和水冷芯罩壳组成了上述中的空水冷却器,空水冷却器用于引导冷却气体1的流向,并对热空气进行热交换,以使冷却气体1的温度降低,降温后的冷却气体1为温度较低的冷空气,冷空气再次冷却机座4内的发热部件,以此形成发电机内部的冷却循环。空水冷却器固定在机座4的上端面上,机座4的上端面形成有用于冷却气体1流动的第一开口和第二开口。
机座4的左右两端分别为风力发电机的驱动端51和风力发电机的非驱动端52,风力发电机的驱动端51设有驱动端轴承41,风力发电机的非驱动端52设有非驱动端轴承42,驱动端轴承41和非驱动端轴承42分别固定在机座4的左右两端并与机座4的主轴43连接,以实现主轴43能够相对机座4的箱体产生转动。机座4的上端面形成的第一开口设置在风力发电机的驱动端51和水冷芯的迎风面21之间且位于空水冷却器在机座4的上端面上的投影范围之内,使得机座4内的冷却气体1经第一开口流向水冷芯2。第二开口设置在风力发电机的非驱动端52和水冷芯的背风面22之间且位于空水冷却器在机座4的上端面上的投影范围之内,使得水冷芯2排出的冷却气体1经第二开口流回机座4。
位于水冷芯的迎风面21一侧的水冷芯罩壳为第一罩壳31,位于水冷芯的背风面22一侧的水冷芯罩壳为第二罩壳32,第一罩壳31和第二罩壳32均朝向水冷芯2倾斜,第一罩壳31和第二罩壳32都采用流线形结构。水冷芯罩壳可以加强对冷却气体1的引导,既能够缩短温度较高的冷却气体1流至水冷芯2的路径,也能够缩短温度较低的冷却气体1流至机座4内部的路径,有效加强风力发电机内部的冷却效率,提高风力发电机的冷却效果。
为了进一步降低冷却气体1的温度,加强风力发电机内部的冷却效果,本实施中第一罩壳31和第二罩壳32的外表面还设置有散热筋,用于进一步降低冷却气体1的温度。第一罩壳31上的散热筋用于降低第一罩壳31的内表面和水冷芯的迎风面21之间区域的热空气的温度,在热空气与水冷芯2进行热交换之前预先降低这一部分区域的温度,以加强风力发电机内部的冷却效率,加强冷却效果。第二罩壳32上的散热筋用于降低第二罩壳32的内表面和水冷芯的背风面22之间区域的冷空气的温度,冷空气的温度能够得到进一步降低,从而加强风力发电机内部的冷却效率,加强冷却效果。
在其他可替代的实施方式中,第一罩壳31和第二罩壳32的外表面可以不同时都设置有散热筋,在风力发电机内部冷却需求较低的情况下,第一罩壳31和第二罩壳32可以都不设置散热筋。散热筋也可以采用其他具有散热功能的结构。
本实施例中第一罩壳31和第二罩壳32的内表面都是曲面,曲面对冷却气体1的引导效果更好,冷却气体1受到的阻力减少,流速提高,流动过程中的损失也有效减少,提高风力发电机内部的冷却效率,加强冷却效果。本实施例中的曲面既可以是一个完整的曲面,也可以是由多个较小的曲面拼接而成的大的曲面。在其他可替代的实施方式中,第一罩壳31和第二罩壳32的内表面还可以为单独的平面或由多个单独平面拼接形成的折面,但第一罩壳31和第二罩壳32都应该是流线形结构,才能更好地引导冷却气体1的流向,缩短冷却气体1的流动路径。
在其他可替代的实施方式中,第一罩壳31和第二罩壳32的整体可能并不是完全的流线形结构,第一罩壳31和第二罩壳32均可能由两块或多块倾斜方向相反的板拼接形成,但只要是第一罩壳31和第二罩壳32主要的倾斜方向满足上述要求,都应该纳入本实施例保护的范围之内。
本实施例中的第一罩壳31和第二罩壳32分别设置在水冷芯2的两侧,水冷芯2连接在第一罩壳31和第二罩壳32之间,第一罩壳31的上端与水冷芯的迎风面21一侧的上端固定,第一罩壳31的下端用于和风力发电机的机座4固定,第二罩壳32的上端与水冷芯的背风面22一侧的上端固定,第二罩壳32的下端用于和风力发电机的机座4固定。水冷芯2的前、后两侧分别还设置有第三罩壳和第四罩壳,第三罩壳和第四罩壳的两侧分别与第一罩壳31和第二罩壳32连接,第三罩壳和第四罩壳的上端和水冷芯2的上端连接,第三罩壳和第四罩壳的下端用于和风力发电机的机座4固定。第一罩壳31、第二罩壳32、第三罩壳、第四罩壳、水冷芯2和机座4能够形成用于冷却气体1流动的密封区域,防止风力发电机外部的气体流入风力发电机内部,也防止风力发电机内部的气体流出风力发电机外部。
在其他可替代的实施方式中,第一罩壳31的上端可以和第二罩壳32的上端直接连接,第一罩壳31和第二罩壳32形成有用于容纳水冷芯2的容纳区域,此时,第一罩壳31和第二罩壳32既可以一体成型,也可以通过连接件连接。
主轴43的轴线和水平面形成有夹角,风力发电机的驱动端51高于风力发电机的非驱动端52,即风力发电机相对于水平面具有仰角。风力发电机还包括离心风扇6,离心风扇6设置在机座4的内部并靠近风力发电机的驱动端51一侧,离心风扇6用于引导并改变冷却气体1的流向。在离心风扇6的作用下,风力发电机的驱动端51一侧的风压小于风力发电机的非驱动端52一侧的风压,在压力作用下,机座4内的冷却气体1由风力发电机的非驱动端52流向驱动端。
本实施例中的风力发电机不是相对于水平面水平放置,而是相对于水平面倾斜放置,且不仅仅是机座4的箱体相对于水平面倾斜,而是机座4的整体,包括设置在机座4内部的定子、转子,以及与转子连接并用于带动转子转动的主轴43,都是相对于水平面倾斜。由于通常情况下是将机座4组装完成之后,一起安装固定在风力发电机组的其他部分上,因此机座4中各部件的倾斜角度相同。
由于风力发电机的驱动端51是高于风力发电机的非驱动端52,因此风力发电机的非驱动端52的受力较大,风力发电机的非驱动端52的温升也高于风力发电机的驱动端51的温升,非驱动端轴承42所在区域形成了第一热区S1,第一热区S1的热量很高,容易增大驱动端轴承41和非驱动端轴承42之间的温差,因此需要加强风力发电机的非驱动端52的冷却。离心风扇6用于引导冷却气体1的流动方向,使冷空气先流过风力发电机的非驱动端52,热空气流过风力发电机的驱动端51,以此降低风力发电机的非驱动端52的温度,虽然热空气会一定程度上增大风力发电机的驱动端51一侧的温度,但该温升仍然小于风力发电机的非驱动端52的温升,从而能够减少风力发电机的驱动端51和风力发电机的非驱动端52之间的温差,增加风力发电机的使用寿命。
水冷芯2相对于机座4的上端面倾斜放置,水冷芯2以其中心线与主轴43的轴线形成第一夹角α的方式设置在机座上2,第一夹角α为锐角,水冷芯2朝向风力发电机的驱动端51的一侧倾斜,从而进一步缩短热空气流至水冷芯的迎风面21的路径,提高风力发电机内部的冷却效率。
水冷芯2的中心线和主轴43的轴线的垂线形成夹角β,夹角β等于主轴43的轴线和水平面形成的夹角,即等于风力发电机的仰角的角度,夹角β为锐角。
本实施例中的风力发电机采用外定子7内转子8的结构,外定子7和内转子8之间形成有气隙9。外定子7上设有径向通风槽,外定子的径向通风槽71是由定子铁芯沿其轴向不连续堆叠形成的,外定子的径向通风槽71的两端分别贯通至机座4的上端面和气隙9,位于机座4上端面的冷却气体1可以直接从外定子的径向通风槽71流入外定子7中,对外定子7进行冷却,再从外定子的径向通风槽71的另一个开口流出,流入气隙9,该部分冷却气体1能够进一步对内转子8进行冷却。外定子的径向通风槽71有效缩短了由水冷芯的背风面22流出的冷空气流至外定子7和内转子8的路径,减少冷却气体1的温升,提高外定子7和内转子8的冷却效果。
内转子8也设有径向通风槽,内转子的径向通风槽81是由转子铁芯沿其轴向不连续堆叠形成的,气隙9中的冷却气体1能够进入内转子的径向通风槽81内对内转子8进行冷却,内转子的径向通风槽81结构能够使冷却气体1流入内转子8的径向内侧,加强内转子8的冷却效果。
经技术人员检测,位于机座4上部的外定子7上存在第二热区S2,第二热区S2中的外定子7热量最高,第二热区S2的温度直接影响整个外定子7各部分之间的温差,第二热区S2温度越高,外定子7产生的温差越大,越容易影响外定子7的性能,因此需要加强第二热区S2中外定子7的冷却。其中,第二热区S2不一定是最靠近风力发电机的驱动端51一侧的外定子7,而是对整个外定子7而言是偏向于风力发电机的驱动端51一侧,但相比最靠近风力发电机的驱动端51一侧的外定子7而言,是相对偏向于风力发电机的非驱动端52的一侧。如何检测定子哪部分的热量最高属于本领域的现有技术,在此不做赘述。
本实施例通过缩短冷却气体1流至第二热区S2的路径来实现加强第二热区S2的冷却,本实施例将位于机座4上部的外定子7全部设置在水冷芯的背风面22的右侧,由此外定子的径向通风槽71也全部设置在水冷芯的背风面22的右侧,由于位于机座4上端面的冷却气体1直接通过外定子的径向通风槽71直接流向机座4内部,因此冷空气能够直接流入第二热区S2部分的外定子的径向通风槽71或靠近第二热区S2部分的外定子的径向通风槽71来对第二热区S2中外定子7进行冷却。
由于流入第二热区S2的冷空气没有对机座4的其他部分进行冷却,且从水冷芯的背风面22流至第二热区S2的路径较短,因此该部分冷却气体1的温度上升较小,能够对第二热区S2起到很好的降温效果,从而使外定子7整体的温度分布更加合理,减少外定子7各部分之间的温差。其中,水冷芯的背风面22的右侧是指水冷芯的背风面22朝向风力发电机的非驱动端52的一侧。
在其他可替代的实施方式中,位于机座4上部的外定子7可以不完全位于水冷芯的背风面22的右侧,但优选的还是保证第二热区S2中的外定子7全部位于水冷芯的背风面22的右侧,以使冷空气能够直接流经第二热区S2,降低第二热区S2中外定子7的温度。在第二热区S2温度不是很高的情况下,第二热区S2中的外定子7也可以部分位于水冷芯的背风面22的左侧,甚至全部位于水冷芯的背风面22的左侧,具体可以根据实际情况进行调整。
第一罩壳31和主轴43的轴线形成有第二夹角γ,第二夹角γ为锐角,第二夹角γ的角度应该符合上述中第一罩壳31的内表面的主体方向和主轴43的轴线形成的夹角的角度要求。第一罩壳31是用于引导热空气的流向,减少第一罩壳31的内表面和水冷芯的迎风面21之间区域的热空气的分散性,缩短热空气流至水冷芯2迎风面的路径,提高风力发电机内部的冷却效率。进一步优选的,第二夹角γ小于第一夹角α,从而进一步减少第一罩壳31的内表面和水冷芯的迎风面21之间区域的热空气的分散性。
第二罩壳32和主轴43的轴线形成有第三夹角δ,第三夹角δ为锐角,第三夹角δ的角度应该符合上述中第二罩壳32的内表面的主体方向和主轴43的轴线形成的夹角的角度的要求。第二罩壳32是用于引导冷空气的流向,减少第二罩壳32的内表面和水冷芯的背风面22之间区域的冷空气的分散性,减少冷空气的流动阻力,缩短冷空气流至机座4内部各发热部件的路径,提高风力发电机内部的冷却效率。
离心风扇6用于改变冷却气体1的流向,引导冷却风力发电机的非驱动端52、外定子7、内转子8之后温度升高的冷却气体1流向水冷芯2进行热交换,以降低冷却气体1的温度。由于热空气的温度一般高于风力发电机驱动端一侧的温度,因此热空气可能会升高风力发电机的驱动端51一侧的部件的温度,并不能起到冷却的效果,因此需要及时将热空气排出机座4的内部,并对热空气进行降温。
本实施例中的离心风扇6与主轴43同轴连接,主轴43的转动能够带动离心风扇6同步转动,从而无需再设计安装用于驱动离心风扇6转动的驱动结构,能够简化机座4内部的结构,降低用于驱动离心风扇6转动的驱动结构与机座4内部的其他元件产生干涉的可能性。在其他可替代的实施方式中,离心风扇6也可以不安装在主轴43上,此时需要在机座4内安装用于驱动离心风扇6转动的驱动结构,该驱动结构可以是机座4内已有的,离心风扇6和其他元件共用一个驱动结构;也可以是另外设计一个只用于驱动离心风扇6转动的驱动结构。
为了进一步缩短热空气流至水冷芯2的路径,离心风扇6靠近水冷芯2设置,由于水冷芯2相对于主轴43是倾斜的,因此水冷芯的迎风面21能够在主轴43上形成一片投影区域S3,优选的是离心风扇6的迎风面位于该投影区域S3之内,进一步优选的是离心风扇6的中心线和离心风扇6的迎风面都位于该投影区域S3之内。通过限定离心风扇6的迎风面和水冷芯2之间的相对位置关系,能够确定离心风扇6在主轴43上的位置,方便离心风扇6的定位,也限定了离心风扇6和水冷芯2的位置配合关系。通过进一步限定离心风扇6的中心线和离心风扇6的迎风面与水冷芯2之间的相对位置关系,能够限定离心风扇6的宽度,方便选择合适的规格的离心风扇6。冷却气体1在离心风扇6的作用下向上流动,从机座4的上端面的第一开口处直接流向水冷芯的迎风面21,缩短冷空气流至水冷芯的迎风面21的路径,提高风力发电机内部的冷却效率,加强冷却效果。
在其他可替代的实施方式中,离心风扇6的迎风面或离心风扇6的中心线也可以在该投影区域S3的左侧或右侧,但两者之间的距离都不宜过远,特别是离心风扇6的迎风面与投影区域S3之间的距离不宜过远。若离心风扇6的迎风面位于投影区域S3的左侧且两者距离过远,不仅加长冷却气体1流至离心风扇6的迎风面的距离,还会加长冷却气体1从离心风扇6的迎风面流至水冷芯的迎风面21的距离,从而使热空气在机座4内的停留时间过长,造成风力发电机的驱动端51一侧的温度升高。由于冷却气体1在离心风扇6的引导下,从离心风扇6的迎风面就开始向上运动,若离心风扇6的迎风面位于投影区域S3的右侧且两者距离较远,冷却气体1还需要再向离心风扇6的迎风面的右侧流动一段路径,容易降低离心风扇6对冷却气体1的引导作用,降低冷却气体1的流速,进而造成风力发电机的驱动端51一侧的温度升高。本实施例中离心风扇6的迎风面是指离心风扇6朝向风力发电机的非驱动端52的一侧面。
由于水冷芯2相对于机座4的上端面倾斜设置,因此水冷芯2的下端面并不能完全贴合机座4的上端面,若直接将水冷芯2固定在机座4的上端面上,两者直接贴合的区域很少,水冷芯2很难直接平稳地安装在机座4的上端面上。本实施例中的风力发电机还包括垫板,垫板连接在水冷芯2的下端面和机座4的上端面之间,水冷芯2的下端面与垫板的上端面完全贴合,垫板的下端面与机座4的上端面完全贴合,从而增大水冷芯2的下端面和机座4的上端面之间的固定区域,保证水冷芯2能够更加稳固地固定在机座4上。
本实施中的垫板为三角形结构,其中,由垫板的斜面能够与水冷芯2的下端面完全贴合,垫板的另一面能够与机座4的上端面完全贴合。在其他可替代的实施方式中,垫板还可以采用其他结构,例如直角梯形。
风力发电机工作时,由主轴43的转动带动离心风扇6同步转动,离心风扇6的叶片将离心风扇6所包络区域的冷却气体1驱动至机座4的上方,使得离心风扇6所包络区域的风压相对较小,冷却气体1在离心风扇6的驱动下从机座4的上端面的第一开口处流入第一罩壳31和水冷芯2之间的区域,在第一罩壳31的引导下与水冷芯2产生热交换后,从水冷芯的背风面22排出,冷空气在自身重力和第二罩壳32的引导下从机座4上端面的第二开口流入机座4内部,因此第二罩壳32所包络区域的风压相对较大。
一部分冷空气流向风力发电机的非驱动端52,对非驱动端轴承42等发热部件进行冷却;一部分冷空气直接流入外定子的径向通风槽71内,对外定子7进行冷却;一部分冷空气从气隙9流入内转子的径向通风槽81,对内转子8进行冷却;一部分冷空气进入绕组端部的间隙,对绕组端部进行冷却。
由于第二罩壳32所包络区域的风压相对较大且离心风扇6所包络区域的风压相对较小,因此热空气会流向离心风扇6一侧,再在离心风扇6的作用下,和水冷芯2发生热交换,从而形成完整的风力发电机内部的冷却回路。
本实施例还提供了一种风力发电机组,该风力发电机组包括机架10和上述的风力发电机,机架10的上端面和机架10的下端面形成有夹角,该夹角等于由水冷芯2的中心线和主轴43的轴线的垂线形成的夹角β。机架10的下端面平行于水平面,靠近风力发电机的驱动端51的一侧的机架10的上端面高于靠近风力发电机的非驱动端52的一侧的机架10的上端面,风力发电机安装在机架10的上端面上,机座4的下端面与机架10的上端面贴合,机架10用于使风力发电机形成仰角,使风力发电机的驱动端51高于风力发电机非驱动端,以避免因为叶轮直径过大而导致叶片与风力发电机组的塔筒产生碰撞。风力发电机如何固定在机架10上属于本领域的现有技术,在此不做赘述。
实施例2
本实施例中风力发电机的结构与实施例1基本相同,其不同之处在于,本实施例中的内转子8不设置径向通风槽。
如图3-4所示,由于内转子8没有设置径向通风槽,因此冷却气体1只能通过流经气隙9来对内转子8的表面进行冷却。
实施例3
本实施例中风力发电机的结构与实施例1基本相同,其不同之处在于,本实施例中的风力发电机还包括轴流风扇。
轴流风扇安装在机座4内,并靠近风力发电机的非驱动端52设置,以增大风力发电机的非驱动端52的风压,加快冷却气体1由风力发电机的非驱动端52流向风力发电机的驱动端51的流速,提高冷却效率,加强冷却效果。
本实施例中的轴流风扇与主轴43同轴连接,主轴43的转动能够带动轴流风扇同步转动,从而无需再设计安装用于驱动轴流风扇转动的驱动结构,能够简化机座4内部的结构,降低用于驱动轴流风扇转动的驱动结构与机座4内部的其他元件产生干涉的可能性。在其他可替代的实施方式中,轴流风扇也可以不安装在主轴43上,此时需要在机座4内安装用于驱动轴流风扇转动的驱动结构,该驱动结构可以是机座4内已有的,轴流风扇和其他元件共用一个驱动结构;也可以是另外设计一个只用于驱动轴流风扇转动的驱动结构。
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元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,除非文中另有说明。
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 (21)

1.一种风力发电机,包括机座和水冷芯,所述水冷芯设置在所述机座的上方并与所述机座连接,所述水冷芯具有迎风面和背风面,其特征在于,所述水冷芯的迎风面的上端和/或所述水冷芯的背风面的上端向所述水冷芯的外侧倾斜;
所述风力发电机还包括水冷芯罩壳和离心风扇,位于所述水冷芯的迎风面一侧的所述水冷芯罩壳为第一罩壳,位于所述水冷芯的背风面一侧的所述水冷芯罩壳为第二罩壳,所述机座的上端面形成有用于气体流动的第一开口和第二开口,所述第一开口设于所述风力发电机的驱动端和所述水冷芯的迎风面之间且位于所述第一罩壳在所述机座的上端面上的投影范围内,所述第二开口设于所述风力发电机的非驱动端和所述水冷芯的背风面之间且位于所述第二罩壳在所述机座的上端面上的投影范围内,所述离心风扇设置在所述机座的内部并靠近所述风力发电机的驱动端,所述离心风扇用于将所述机座的内部的气体自所述第一开口引入所述水冷芯的迎风面,经所述水冷芯换热后的气体自所述水冷芯的背风面从所述第二开口流入所述机座的内部。
2.如权利要求1所述的风力发电机,其特征在于,所述第一罩壳和所述第二罩壳均朝向所述水冷芯倾斜。
3.如权利要求2所述的风力发电机,其特征在于,所述机座的主轴的轴线和水平面形成有夹角,所述风力发电机的驱动端高于所述风力发电机的非驱动端,所述水冷芯以其中心线与所述主轴的轴线形成第一夹角的方式设置在所述机座上,所述第一夹角为锐角,所述水冷芯朝向所述风力发电机的驱动端的一侧倾斜。
4.如权利要求3所述的风力发电机,其特征在于,所述机座内设有外定子,所述外定子设有径向通风槽,所述外定子的径向通风槽的两端分别贯通至所述机座的上端面和气隙,冷却气体能够通过所述外定子的径向通风槽从所述外定子的径向通风槽的一侧流向另一侧。
5.如权利要求4所述的风力发电机,其特征在于,所述机座内还设有内转子,所述内转子也设有径向通风槽,所述冷却气体能够通过所述气隙流入所述内转子的径向通风槽内。
6.如权利要求3所述的风力发电机,其特征在于,所述第一罩壳与所述主轴的轴线形成有第二夹角,所述第二夹角为锐角。
7.如权利要求6所述的风力发电机,其特征在于,所述第二夹角小于所述第一夹角。
8.如权利要求3所述的风力发电机,其特征在于,所述第二罩壳与所述主轴的轴线形成有第三夹角,所述第三夹角为锐角。
9.如权利要求3所述的风力发电机,其特征在于,所述离心风扇靠近所述水冷芯设置。
10.如权利要求9所述的风力发电机,其特征在于,所述水冷芯的迎风面能够在所述主轴上形成投影区域,所述离心风扇的迎风面位于所述投影区域之内。
11.如权利要求10所述的风力发电机,其特征在于,所述离心风扇的中心线位于所述投影区域之内。
12.如权利要求9所述的风力发电机,其特征在于,所述离心风扇与所述主轴同轴连接。
13.如权利要求3所述的风力发电机,其特征在于,所述风力发电机还包括轴流风扇,所述轴流风扇靠近所述风力发电机的非驱动端设置。
14.如权利要求13所述的风力发电机,其特征在于,所述轴流风扇与所述主轴同轴连接。
15.如权利要求3所述的风力发电机,其特征在于,所述风力发电机还包括垫板,所述垫板连接在所述水冷芯的下端面和所述机座的上端面之间。
16.如权利要求15所述的风力发电机,其特征在于,所述垫板为三角形结构,所述垫板的斜面用于贴合所述水冷芯的下端面。
17.如权利要求2所述的风力发电机,其特征在于,所述水冷芯罩壳的外表面设有散热筋组件。
18.如权利要求2所述的风力发电机,其特征在于,所述水冷芯罩壳的内表面为曲面。
19.如权利要求2所述的风力发电机,其特征在于,所述第一罩壳和所述第二罩壳分别设置在所述水冷芯的两侧,所述水冷芯连接在所述第一罩壳和所述第二罩壳之间。
20.如权利要求2所述的风力发电机,其特征在于,所述第一罩壳的上端和所述第二罩壳的上端直接连接,所述第一罩壳、所述第二罩壳和所述机座围成有容纳所述水冷芯的容纳区域。
21.一种风力发电机组,包括机架,其特征在于,所述风力发电机组还包括如权利要求1-20中任意一项所述的风力发电机,所述风力发电机安装在所述机架的上端面,所述机架的上表面与所述机架的下表面形成的夹角等于所述水冷芯的中心线和所述机座的主轴的轴线的垂线形成的夹角。
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