CN114024388A - 一种中小型直驱式风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中小型直驱式风力发电机。其包含转子、定子、转子轴、定子外壳与端盖，采用内转子式结构。风力发电机有两个圆锥轴承，采用背靠背方式布置，转子位于两个圆锥轴承之间。端盖共有两个，均为外凸锥体。两个端盖都设置有轴承座，两个圆锥轴承安装在轴承座上。两个分别与定子外壳的前端和后端联接，定子外壳的后部与风力发电机组的机舱联接，定子外壳直接与外界空气接触。定子外壳外部以及端盖的外表面都设置有加强筋。双圆锥轴承配置非常适合风力发电机低速运行，且载荷大的特点。加强筋使得发电机壳体刚度强，并利于定子铁芯散热。整个直驱式风力发电机结构简单，易加工装配，便于维护。

Description

一种中小型直驱式风力发电机
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种中小型直驱式风力发电机。
背景技术
现代风能开发利用多采用集中式与远距离电力传输结合的方式，但远距离的电力传输线路建设成本高，同时随着距离增加，线路损耗带来的收益损失也在增高。
一种可行解决途径是分散式风力发电，就地消纳风能。主流大容量的风电机组叶轮直径巨大，轮毂中心高度通常超过百米，分散式或离网式的风电项目通常受场地和环境的限制不得不使用中小型的机组。传统的中小型机组部分采用了双馈型方案，这种方案虽然成本低，零部件配套成熟，但由于齿轮箱的存在降低了机组的可靠性，增加了维护工作量。直驱式风力发电机更加可靠，但成本较高。主流的水平轴直驱式风力发电机为了降低发电机的成本，一般轴向尺寸小，径向尺寸大，这种配置只能采用单轴承的方式，支撑刚度低，不利于承受来自叶轮的载荷。采用外转子结构的直驱式风力发电机，结构复杂,并且由于定子被转子包裹在其内部，散热效果差，如CN 110630445 A中公开的技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种中小型直驱式风力发电机，以解决背景技术中的至少一个技术问题。
为达上述目的，提供一种中小型直驱式风力发电机，其包含转子、定子、转子轴、定子外壳与端盖，风力发电机采用内转子式结构。所述转子轴在风力发电机前部与轮毂联接，所述转子直接安装在所述转子轴上。
风力发电机有两个圆锥轴承，前圆锥轴承与后圆锥轴承。所述前圆锥轴承与所述后圆锥轴承采用背靠背方式布置，所述转子位于所述前圆锥轴承与所述后圆锥轴承之间。
所述端盖共有两个，分别是前端盖与后端盖，两个所述端盖为外凸锥体。两个所述端盖都设置有轴承座，所述前圆锥轴承安装在所述前端盖的轴承座上, 所述后圆锥轴承安装在所述后端盖的轴承座上。
所述定子安装在所述定子外壳内部，所述前端盖与所述后端盖分别与所述定子外壳的前端和后端联接。所述定子外壳与风力发电机组的机舱联接，所述定子外壳直接与外界空气接触。
在进一步的技术方案中，所述前端盖与所述后端盖的锥角范围是130°～170°。
在进一步的技术方案中，所述前圆锥轴承的内径大于所述后圆锥轴承的内径。
在进一步的技术方案中，所述前端盖与所述定子外壳的联接为一体式联接，所述后端盖与所述定子外壳的联接为螺栓联接。
在进一步的技术方案中，所述定子外壳外部，以及所述前端盖的外表面都设置有加强筋。
在进一步的技术方案中，所述转子轴采用可通风中空式结构；气流通过所述轮毂进入所述转子轴。
在进一步的技术方案中，所述转子轴通过铸造的方式制作，所述定子外壳通过铸造的方式制作或型钢卷制。
在进一步的技术方案中，所述定子外壳的后端设置有法兰面，法兰面上有两圈螺栓孔，内圈螺栓孔用于所述后端盖的联接，外圈螺栓孔用于所述机舱的联接。
在进一步的技术方案中，所述转子轴尾部设置有轴向螺栓孔，用于与锁定盘的联接。
在进一步的技术方案中，所述后端盖上开设有至少两个孔，人孔，用于维护人员通过所述转子轴进入所述轮毂；线缆孔，用于所述轮毂动力线缆及信号线缆穿过进入所述机舱。
上述技术方案的有益效果包括：
本发明提供的一种中小型直驱式风力发电机采用内转子式机构，利用背靠背布置的双圆锥轴承将来自叶轮的载荷传递至定子外壳的轴承座上。定子外壳设置有加强筋，既增加了外壳的支撑刚度，同时也增加了外壳的换热面积，利于定子热量的散失。这种设计承载能力强，结构简单，易加工，便于维护。
附图说明
图1为本发明实施例的一种中小型直驱式风力发电机的示意图；
图2为本发明实施例的一种中小型直驱式风力发电机外部示意图；
图3为本发明实施例的一种中小型直驱式风力发电机后端盖示意图。
附图标号说明：1-转子，2-定子，3-转子轴，4-定子外壳，5-前端盖，6-后端盖，7-轴承座，8-前圆锥轴承，9-后圆锥轴承，10-加强筋，11-机舱，12-法兰面，13-人孔，14-线缆孔。
值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的中小型直驱式风力发电机可以包括更多的部件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种中小型直驱式风力发电机，其包含转子1、定子2、转子轴3、定子外壳4与端盖，风力发电机采用内转子式结构，即转子1在定子2的内部。转子轴3在风力发电机前部与轮毂联接，转子1直接安装在转子轴3上。
直驱式风力发电机转速较低，载荷大，因此圆锥轴承比较适合。圆锥轴承共有两个，前圆锥轴承8与后圆锥轴承9。所述前圆锥轴承8与所述后圆锥轴承9采用背靠背方式布置，由于圆锥轴承只能承受单向轴向载荷，因此前圆锥轴承8与后圆锥轴承9需配合使用。当风从风力发电机前方吹来时，前圆锥轴承8承受轴向载荷；当风从风力发电机后方吹来时，后圆锥轴承9承受轴向载荷。转子1的安装位置在前圆锥轴承8与后圆锥轴承9之间。
端盖共有两个，分别是前端盖5与后端盖6。因为要承受来自叶轮的轴向推力载荷，两个端盖均为外凸锥体。前端盖5与后端盖6都设置有轴承座7，前圆锥轴承安装在所述前端盖5的轴承座上, 后圆锥轴9承安装在后端盖6的轴承座上。
定子外壳4在直驱式风力发电机中承担了传统发电机中机座的功能，主要包含：为定子2的铁芯提供固定支撑；在风力发电机带载运行时承受来自定子的扭矩载荷；为定子2提供散热。
定子2安装在定子外壳4的内部，前端盖5与后端盖6分别与定子外壳4的前端和后端联接，将直驱式风力发电机的主体（定子2与转子1）包裹在内部，隔绝其与外界环境的接触。定子外壳4后端与机舱联接，定子外壳4直接与外界空气接触，通过空气流动时的热交换带走自身的热量，达到定子2冷却的目的。
已有圆锥轴承的接触角范围约为5°～25°，端盖的半锥角与每个圆锥轴承与端盖近似形成互为余角的关系，即半锥角的范围约为65°～85°,因此前端盖5与6后端盖的锥角范围约是130°～170°。
从风力发电机前方吹来时，叶轮转动，风力发电机大概率处于带载工作状态，前圆锥轴承8需要承担的载荷远大于后圆锥轴承9；从风力发电机后方吹来时，载荷较小。因此前圆锥轴承8的内径大于后圆锥轴承9的内径。
在一些实施例中，为了便于承载，增加前端盖5与所述定子外壳4的刚度，前端盖5与定子外壳4为一体式结构。为了便于直驱式发电机装配，后端盖6与定子外壳4的联接为螺栓联接。
如图2所示，定子外壳4的外部以及前端盖5的外表面都设置有加强筋。加强筋既增加了前端盖5与定子外壳4的刚度，同时也增加了定子外壳4与空气发生热交换的面积。
中间部分的材料对于转子轴3整体的刚度贡献较小，并且增加了转子轴3的重量。因此,转子轴3一般采用中空式结构。转子轴3前端与轮毂相连，在一些实施例中，可以将气流从轮毂前方的预留孔引入，进入所述转子轴。转子1与转子轴3联接，气流与转子轴3的热交换可以起到一定的冷却效果。气流的排出可以设置在机舱11的上部或后部。转子轴3尾部设置有轴向螺栓孔，用于与锁定盘的联接。
在一些实施例中，定子外壳4、前端盖5、后端盖6与转子轴3的形状较特殊（如加强筋10等特征），又因为上述部件都是主要承载件，需要一定的壁厚，因此采用铸造的方式制作。
定子外壳4的后端设置有法兰面12，法兰面12上有两圈螺栓孔，内圈螺栓孔用于后端盖6的联接，外圈螺栓孔用于机舱11的联接。
后端盖6上开设有至少两个孔。其中一个是人孔13，用于维护人员通过转子轴3进入轮毂进行操作。另一个孔是线缆孔14，用于轮毂动力线缆及信号线缆穿过进入机舱11，与电气控制元件联接。在一些实施例中，线缆孔14位于后端盖6的中心附近，人孔13设置高度约是1米，接近维护人员的身高的一半，方便进出。为了增加后端盖6的刚度，在一些实施例中可以添加少量加强筋10。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“前、后、内和外”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。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、联接”应做广义理解，例如：可以是固定联接、可拆卸联接或一体式联接；同样可以是机械联接、电联接或直接联接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：风力发电机包含转子、定子、转子轴、定子外壳与端盖，风力发电机采用内转子式结构；
所述转子轴在风力发电机前部与轮毂联接，所述转子直接安装在所述转子轴上；
风力发电机有两个圆锥轴承，前圆锥轴承与后圆锥轴承；所述前圆锥轴承与所述后圆锥轴承采用背靠背方式布置，所述转子位于所述前圆锥轴承与所述后圆锥轴承之间；
所述端盖共有两个，分别是前端盖与后端盖，两个所述端盖为外凸锥体；两个所述端盖都设置有轴承座，所述前圆锥轴承安装在所述前端盖的轴承座上, 所述后圆锥轴承安装在所述后端盖的轴承座上；
所述定子安装在所述定子外壳内部，所述前端盖与所述后端盖分别与所述定子外壳的前端和后端联接；所述定子外壳与风力发电机组的机舱联接，所述定子外壳直接与外界空气接触。
2.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述前端盖与所述后端盖的锥角范围是130°～170°。
3.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述前圆锥轴承的内径大于所述后圆锥轴承的内径。
4.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述前端盖与所述定子外壳的联接为一体式联接，所述后端盖与所述定子外壳的联接为螺栓联接。
5.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述定子外壳外部，以及所述前端盖的外表面都设置有加强筋。
6.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述转子轴采用可通风中空式结构；气流通过所述轮毂进入所述转子轴。
7.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述转子轴通过铸造的方式制作，所述定子外壳通过铸造的方式制作或型钢卷制。
8.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述定子外壳的后端设置有法兰面，法兰面上有两圈螺栓孔，内圈螺栓孔用于所述后端盖的联接，外圈螺栓孔用于所述机舱的联接。
9.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述转子轴尾部设置有轴向螺栓孔，用于与锁定盘的联接。
10.根据权利要求1所述的一种中小型直驱式风力发电机，其特征是：所述后端盖上开设有至少两个孔，人孔，用于维护人员通过所述转子轴进入所述轮毂；线缆孔，用于所述轮毂动力线缆及信号线缆穿过进入所述机舱。
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