CN114458694A - 一种用于风力发电的主轴系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于风力发电的主轴系统，包括主轴，还包括轴向轴承单元和径向轴承单元。轴向轴承单元包括永磁轴承内转子和永磁轴承外定子。永磁轴承外定子和永磁轴承内转子之间设置有多个永磁推力轴承组，永磁推力轴承组包括外圈磁钢件和内圈磁钢件，且外圈磁钢件和内圈磁钢件径向NS交替排列充磁，外圈磁钢件和内圈磁钢件的充磁方向呈异极相对，外圈磁钢件和内圈磁钢件之间具有气隙，且气隙为2mm。通过在主轴的外部分别设置有轴向轴承单元和径向轴承单元，能够从主轴的轴向和径向上对主轴的位置进行限制，以防止主轴窜动，而且，能够避免大型风机因主轴轴承的载荷过大而需配套使用过大的主轴轴承，进而避免主轴的直径过大，降低成本。有助于减小主轴轴径，改善了轴承受力状态，降低大功率风电机组的轴承制造难度，利于风力发电机组大型化。

Description

一种用于风力发电的主轴系统
技术领域
本发明涉及风机主轴技术领域，尤其涉及一种用于风力发电的主轴系统。
背景技术
随着国家大力推广节能减排，为此风力发电为目前的发电主流趋势。风力发电系统主要包括叶片、主轴系统、齿轮系统和发电机系统。其中，主轴系统包括主轴和主轴轴承。其中，主轴的一端通过螺栓与叶片的轮毂刚性相连，主轴的另一端通过增速箱与齿轮系统的联轴器或法兰相连通，主轴轴承套设于主轴的外部，用于减小主轴在径向方向上产生的位移。因此，主轴轴承在主轴系统中起到尤为关键的作用。
主轴系统的受力形式主要有轴向力，径向力，弯矩，转矩和剪切力。大型风机因主轴轴承的载荷过大，需要适当增大风机的主轴轴承规格，由于主轴轴承和主轴是相匹配的，因此，相应地，主轴的直径亦随主轴轴承的增大而增大，那么对主轴轴承制造要求随之提高。由于国内轴承制造技术的限制，大直径主轴轴承主要依赖进口，而国外又限制超大主轴轴承的进口，进而影响了风机大型化的步伐。虽然风机的主轴轴承设计寿命为20年，但实际使用过程中需要进行更换1至2次。不仅每次拆卸需使用大型吊装设备，维修费用高，并且还影响风场发电效益。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种用于风力发电的主轴系统，其解决了大型风机因主轴轴承的载荷过大，需要适当增大风机的主轴轴承规格，由于国内轴承制造技术的限制，大直径主轴轴承主要依赖进口，而国外又限制超大主轴轴承的进口，进而影响了风机大型化的步伐的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，一种用于风力发电的主轴系统，包括主轴，还包括设置于所述主轴的外周的轴向轴承单元和设置于所述主轴外周的径向轴承单元；
所述轴向轴承单元包括与所述主轴的外周相连接的永磁轴承内转子和与机舱相连的永磁轴承外定子；所述永磁轴承外定子和所述永磁轴承内转子之间相互配合；
所述永磁轴承外定子和所述永磁轴承内转子之间设置有多个永磁推力轴承组，所述永磁推力轴承组包括相互配合的外圈磁钢件和内圈磁钢件，且所述外圈磁钢件和所述内圈磁钢件的径向充磁，所述外圈磁钢件和所述内圈磁钢件的充磁方向呈异极相对，所述外圈磁钢件和所述内圈磁钢件之间在所述径向轴承单元的作用下具有气隙，且所述气隙为2mm；
当所述主轴受到一定的轴向推力时，与所述主轴相连的所述永磁轴承内转子会沿轴随之产生位移，即所述内圈磁钢件相较于所述外圈磁钢件发生相对位移，在相对的内外圈磁钢件之间产生吸力，相邻的内外圈磁钢件之间产生斥力，进而所述吸力和所述斥力产生均在轴向上产生与位移方向相反的分力，以平衡所述轴向推力；
所述径向轴承单元包括径向磁钢组和两个设置于所述轴向轴承单元两端的滑动轴承组件；
所述径向磁钢组设置于所述永磁轴承外定子的内部上方，能够向上吸引所述主轴。
可选地，所述永磁轴承外定子包括与所述机舱固定连接的轴承外定子座、沿所述轴承外定子座的轴向朝内开设的环状槽体，且所述环状槽体与所述轴承外定子座同轴设置；
所述外圈磁钢件分别沿所述环状槽体的内环壁和外环壁设置；
所述外圈磁钢件由多个外磁钢环沿所述环状槽体的轴向方向上依次排布形成，且相邻两个所述外磁钢环的磁性呈N/S的极性交替排列，且相邻所述外磁钢环之间通过第一磁钢环间隔片相连。
可选地，所述永磁轴承内转子包括与所述主轴相连的轴承内转子座、沿所述轴承内转子座的轴向朝外开设有与多个所述环状槽体相配合的多个环状凹槽，所述环状凹槽与所述轴承内转子座同轴设置；
所述内圈磁钢件分别沿所述环状凹槽的内环壁和外环壁设置；所述内圈磁钢件由多个内磁钢环沿所述环状凹槽的轴向方向上依次排布形成，且相邻所述内磁钢环之间通过第二磁钢环间隔片相连。
可选地，所述轴向轴承单元有两个，且两个所述轴向轴承单元的端面相连形成轴向轴承件。
可选地，还包括两个轴承端盖，两个所述轴承端盖固定安装于所述轴向轴承件的两端。
可选地，所述滑动轴承组件包括滑动轴承座和滑动轴承主体；
所述滑动轴承主体设置于所述轴向轴承单元的两端，且其与所述主轴主体连接，所述滑动轴承主体相对于滑动轴承座转动，所述滑动轴承座的端面与所述轴承端盖抵触并连接。
可选地，所述滑动轴承主体包括滑动轴承上轴瓦、滑动轴承下轴瓦和轴承压盖；
所述滑动轴承上轴瓦和所述滑动轴承下轴瓦相互配合形成与所述主轴相连的圆形轴瓦；
所述轴承压盖用于固定所述圆形轴瓦的位置。
可选地，所述径向磁钢组件包括多个径向磁钢环沿所述环状槽体的轴向方向依次排布形成，且相邻的所述径向磁钢环之间通过第三磁钢环间隔片相连，所述径向磁钢环为径向充磁，相邻的所述径向磁钢环的磁极相反。
可选地，所述第一磁钢环间隔片、所述第二磁钢环间隔片和所述第三磁钢环间隔片均采用不锈钢材质。
可选地，还包括滚珠联轴器；
所述滚珠联轴器包括联轴器内圈、滚动体和联轴器外圈；
所述联轴器内圈设置于所述主轴的外周靠近增速器的一端，当叶轮轴向移动时，所述联轴器内圈和所述滚动体随着所述主轴的轴向移动而移动；所述联轴器外圈固定安装于所述增速器上，且当叶轮轴向移动时，所述联轴器内圈和所述滚动体相对于所述联轴器外圈发生轴向上的移动。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的一种用于风力发电的主轴系统，通过在主轴的外部分别设置有轴向轴承单元和径向轴承单元，能够从主轴的轴向和径向上对主轴的位置进行限制，以防止主轴窜动，而且，能够避免大型风机因主轴轴承的载荷过大而需配套使用过大的主轴轴承，进而避免主轴的直径过大，降低成本。有助于减小主轴轴径，改善了轴承受力状态，降低大功率风电机组的轴承制造难度，利于风力发电机组大型化，突破轴承技术的技术瓶颈。而且，径向轴承单元选用承载能力更强的滑动轴承组件，其承受径向载荷的能力远远大于同直径的滚子轴承，轴向轴承单元选用永磁轴承外定子和永磁轴承内转子。永磁推力轴承组使风机主轴所受轴向力由非接触的磁推力轴承承受，延长风机的主轴承的使用时间。而且，采用多个永磁推力轴承组并将其模块化，当需要增大轴向承载能力时，只需增加相应的永磁推力轴承组即可。能够适应更多主轴类型的风机以及更大型的风机主轴。
附图说明
图1为本发明的用于风力发电的主轴系统的实施例1的整体主视剖面示意图；
图2为本发明的用于风力发电的主轴系统的永磁轴承外定子和永磁轴承内转子以及永磁推力轴承组相互配合的结构示意图；
图3为图2中所圈出的“A”处的细节放大图
图4为图1的永磁轴承外定子和永磁推力轴承组之间的结构示意图；
图5为图1的永磁轴承内转子和永磁推力轴承组之间的结构示意图；
图6为图1的主轴系统的滑动轴承组件的结构示意图；
图7为图1的永磁轴承内转子和永磁推力轴承组之间永磁推力轴承非工作位置的结构示意图；
图8为图1的永磁轴承内转子和永磁推力轴承组之间永磁推力轴承工作位置的结构示意图；
图9为图1中径向磁钢组的结构示意图；
图10为图1中滚珠联轴器的立体剖面示意图；
图11为本发明的用于风力发电的主轴系统的实施例2的整体结构示意图；
图12为图11中所圈出的“B”处的细节放大图；
图13为本发明的用于风力发电的主轴系统的实施例3的整体立体结构示意图；
图14为图13的主视剖面结构示意图；
图15为图13的永磁轴承外定子和永磁推力轴承组之间的结构示意图；
图16为图13的永磁轴承内转子和永磁推力轴承组之间的结构示意图；
图17为本发明的用于风力发电的主轴系统的实施例4的整体主视剖面示意图；
图18为图17的直驱永磁轴承外定子和直驱永磁推力轴承组之间的结构示意图；
图19为图17的直驱永磁轴承内转子和直驱永磁推力轴承组之间的结构示意图。
【附图标记说明】
1：主轴；2：永磁轴承内转子；21：轴承内转子座；21′：锥形内转子座；22：环状凹槽；22′：锥形凹槽；3：永磁轴承外定子；31：轴承外定子座；31′：锥形外定子座；32：环状槽体；32′：锥形槽体；4：外圈磁钢件；401：第一外圈磁钢件；402：第二外圈磁钢件；403：第三外圈磁钢件；404：第四外圈磁钢件；4′：锥形外圈磁钢构件；401′：第一锥形外圈磁钢件；402′：第二锥形外圈磁钢件；403′：第三锥形外圈磁钢件；404′：第四锥形外圈磁钢件；41：外磁钢环；5：内圈磁钢件；501：第一内圈磁钢件；502：第二内圈磁钢件；503：第三内圈磁钢件；504：第四内圈磁钢件；5′：锥形内圈磁钢构件；501′：第一锥形内圈磁钢件；502′：第二锥形内圈磁钢件；503′：第三锥形内圈磁钢件；504′：第四锥形内圈磁钢件；51：内磁钢环；6：径向磁钢组；61：径向磁钢环；7：滑动轴承组件；71：滑动轴承座；72：滑动轴承主体；721：滑动轴承上轴瓦；722：滑动轴承下轴瓦；723：轴承压盖；81：第一磁钢环间隔片；82：第二磁钢环间隔片；83：第三磁钢环间隔片；9：轴承端盖；10：滚珠联轴器；11：联轴器内圈；12：联轴器外圈；13：滚动体；100：直驱主轴；20：第一圆柱滚子轴承组件；30：直驱永磁轴承外定子；302：直驱径向磁钢组；303：第一直驱外圈磁钢件；304：第二直驱外圈磁钢件；305：第三直驱外圈磁钢件；306：第四直驱外圈磁钢件；312：第一压盖；313：第二压盖；314：第三压盖；40：直驱永磁轴承内转子；4001：转子体；4002：第一直驱内圈磁钢件；4003：第二直驱内圈磁钢件；4004：第三直驱内圈磁钢件；4005：第四直驱内圈磁钢件；410：第一压盖；411：第二压盖；412：第二压盖；50：第二圆柱滚子轴承组件。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”和“外”等方位名词以图1的定向为参照。将靠近主轴1的轴线一侧定义为“内”，将远离主轴1的轴线一侧定义为“外”。
实施例1：
参见图1-3所示，本发明实施例提出一种用于双馈式风力发电的主轴系统，其中，主轴系统的外部安装在机舱内壳的腔室内，机舱与塔筒的顶部相连。
在本实施例中，主轴系统包括主轴1、主轴1的一端通过螺栓与叶片的轮毂刚性相连。主轴1的另一端通过增速箱与齿轮系统的联轴器或法兰相连通。主轴系统还包括设置于主轴1的外周的轴向轴承单元和设置于主轴1外周的径向轴承单元。
轴向轴承单元包括与主轴1的外周相连接的永磁轴承内转子2和与机舱相连的永磁轴承外定子3。永磁轴承外定子3和永磁轴承内转子2之间相互配合。
永磁轴承外定子3和永磁轴承内转子2之间设置有多个永磁推力轴承组，永磁推力轴承组包括相互配合的外圈磁钢件4和内圈磁钢件5，且外圈磁钢件4和内圈磁钢件5的径向充磁，外圈磁钢件4和内圈磁钢件5的充磁方向呈异极相对，外圈磁钢件4和内圈磁钢件5之间在径向轴承单元的作用下具有气隙。其中由于气隙越小，内外转子之间的磁力就会越大，进而轴向位移后产生的轴向力越大。因此，气隙越小对于内外转子之间的磁力所抵抗的轴向力越有利。故气隙是越小越好，但在本实施例中需要考虑工艺性，一般2mm及以上。在本实施例中气隙为2mm。
当主轴1受到一定的轴向推力时，与主轴1相连的永磁轴承内转子2会沿随之产生位移，即内圈磁钢件5相较于外圈磁钢件4发生相对位移，在相对的内外圈磁钢件4之间产生吸力，相邻的内外圈磁钢件4之间产生斥力，进而吸力和斥力产生均在轴向上产生与位移方向相反的分力，以平衡轴向力。
径向轴承单元包括径向磁钢组6和两个设置于轴向轴承单元两端的滑动轴承组件7。
径向磁钢组6设置于永磁轴承外定子3的内部上方，能够向上吸引主轴1。
本发明一种用于风力发电的主轴系统，通过在主轴1的外部分别设置有轴向轴承单元和径向轴承单元，能够从主轴1的轴向和径向上对主轴1的位置进行限制，以防止主轴1窜动，而且，能够避免大型风机因主轴轴承的载荷过大而需配套使用过大的主轴轴承，进而避免主轴的直径过大，降低成本。有助于减小主轴1轴径，改善了轴承受力状态，降低大功率风电机组的轴承制造难度，利于风力发电机组大型化，突破轴承技术的技术瓶颈。而且，径向轴承单元选用承载能力更强的滑动轴承组件7，其承受径向载荷的能力远远大于同直径的滚子轴承，轴向轴承单元选用永磁轴承外定子3、永磁轴承内转子5和永磁推力轴承组使风机主轴所受轴向力由非接触的磁推力轴承承受，延长风机的主轴承的使用时间。而且，采用多个永磁推力轴承组并将其模块化，当需要增大轴向承载能力时，只需增加相应的永磁推力轴承组即可。能够适应更多主轴类型的风机以及更大型的风机主轴。
进一步地，永磁轴承外定子3包括与机舱固定连接的轴承外定子座31，其材料为普通碳钢。在轴承外定子座31的两端面分别朝向第一径向轴C-C相对开设有环状槽体32，且环状槽体32与轴承外定子座31同轴设置。
具体而言，在轴承外定子座31的两端面分别朝向第一径向轴C-C方向相对开设有与轴承内转子2相配合的三个环状槽体32。参见说明书附图2可知，三个环状槽体32沿轴承外定子座31由外侧至内侧依次开设，且外侧的两个环状槽体32是沿轴承外定子座31的左右侧端面等间隔朝向第一方向相对开设，且两个环状槽体32的长度为200mm，外圈磁钢件4分别沿两个环状槽体32的内环壁和外环壁设置。在最外圈的环状槽体32的外环壁上设置径向磁钢组6。最外圈的环状槽体32的内环壁上设置外圈磁钢件4。中间的环状槽体的内环壁和外环壁均设置外圈磁钢件4。第三个环状槽体32是沿轴承外定子座31的左右侧端面朝向第一径向轴C-C方向以及轴承外定子内侧壁朝向外侧开设形成能够容置一排外圈磁钢件4的槽体，槽体的直径为50mm。
参见图4、图7和图8所示，外圈磁钢件4由多个外磁钢环41沿环状槽体32的轴向方向上依次排布形成，且相邻两个外磁钢环41的磁性呈N/S的极性交替排列，并且相邻外磁钢环41之间通过第一磁钢环间隔片81相连。第一磁钢环间隔片81材料为不锈钢，有助于增强外磁钢环41与磁轴承内转子2的内磁钢环51之间的气隙处的磁场强度，且便于多个外磁钢环41的安装。
具体而言，外圈磁钢件4包括第一外圈磁钢件401、第二外圈磁钢件402、第三外圈磁钢件403和第四外圈磁钢件404。且第一外圈磁钢件401、第二外圈磁钢件402、第三外圈磁钢件403和第四外圈磁钢件404的直径逐渐减小。且第一外圈磁钢件401、第二外圈磁钢件402、第三外圈磁钢件403和第四外圈磁钢件404均由多个外磁钢环41沿环状槽体32的轴向方向上依次排布形成。
进一步地，永磁轴承内转子2包括与主轴1相连的轴承内转子座21，其材料为普通碳钢。在轴承内转子座21的两端面朝远离第一径向轴C-C方向的相背开设有与环状槽体32相配合的两个等间隔设置的环状凹槽22，环状凹槽22与轴承内转子座21同轴设置。需要说明的是，环状凹槽22与环状槽体32相互插接，以使内圈磁钢件5和外圈磁钢件4相互配合，且两者在径向方向上形成气隙。虽然气隙是越小越好，但是考虑到工艺性，一般2mm及以上。本申请中采用气隙2mm，其使得内圈磁钢件5和外圈磁钢件4的磁推力效果最佳。
参见图5、图7和图8所示，内圈磁钢件5分别沿环状凹槽22的内环壁和外环壁设置；内圈磁钢件5由多个内磁钢环51沿环状凹槽22的轴向方向上依次排布形成，且相邻内磁钢环51之间通过第二磁钢环间隔片82相连。第二磁钢环间隔片82材料同样为不锈钢，有助于增强内磁钢环51与磁轴承外定子3的外磁钢环41之间的气隙处的磁场强度，且便于多个内磁钢环51的安装。
具体而言，内圈磁钢件5包括与第一外圈磁钢件401相互配合形成永磁推力轴承组的第一内圈磁钢件501；与第二外圈磁钢件402相互配合形成永磁推力轴承组的第二内圈磁钢件502；与第三外圈磁钢件403相互配合形成永磁推力轴承组的第三内圈磁钢件503；与第四外圈磁钢件404相互配合形成永磁推力轴承组的第四内圈磁钢件504。
进一步地，轴向轴承单元有两个，且两个轴向轴承单元的端面相连形成轴向轴承件。通过两个轴向轴承单元的设置使得主轴1在轴向方向上所承受的承载力更大，进而能够适用于大型风机的使用。
进一步地，还包括两个轴承端盖9，两个轴承端盖9固定安装于轴向轴承件的外定子轴承座31的两端。用于压紧外定子轴承座31，防止轴向轴承件在主轴1的轴向上的移动。
进一步地，参见图7所示，滑动轴承组件7包括滑动轴承座71和滑动轴承主体72。
滑动轴承主体72设置于轴向轴承单元的两端，且其与主轴1主体连接，滑动轴承主体72相对于滑动轴承座71转动，滑动轴承座71的端面与轴承端盖9抵触并连接。
需要说明的是，通过滑动轴承组件7定位永磁轴承外定子3和永磁轴承内转子2，当风机主轴1出现较大的弯矩载荷时，永磁轴承外定子3和永磁轴承内转子2与径向轴承单元共同承担扇叶的弯矩。
进一步地，滑动轴承主体72包括滑动轴承上轴瓦721、滑动轴承下轴瓦722和轴承压盖723。
滑动轴承上轴瓦721和滑动轴承下轴瓦722相互配合形成与主轴1相连的圆形轴瓦。且两者均用铜合金或高分子材料制作。进一步地，滑动轴承下轴瓦722与滑动轴承上轴瓦721共同组成圆形轴瓦，便于更换和安装。
轴承压盖723用于固定圆形轴瓦的位置。
进一步地，滑动轴承座71用于安装上轴瓦721和下轴瓦722，并通过螺栓固定连接于轴承端盖9上。
进一步地，参见图9所示，径向磁钢组件6包括多个径向磁钢环61沿环状槽体32的轴向方向依次排布形成，且相邻的径向磁钢环61之间通过第三磁钢环间隔片83相连，径向磁钢环61为径向充磁，相邻的径向磁钢环61的磁极相反。第三磁钢环间隔片83材料同样为不锈钢。
参见图7所示，径向磁钢组6的工作原理是利用径向磁钢组6对主轴1(主轴1的材料为合金钢多为顺磁性材料)的吸力作用。径向磁钢组6上装有径向充磁的交替排列的120°扇形磁钢环，其安装于轴承外定子座31的最外侧的环状槽体32上，气隙处磁场强度便得到定向增强，对轴产生较大吸力作用，从而平衡主轴1的径向载荷。
进一步地，第一磁钢环间隔片81、第二磁钢环间隔片82和第三磁钢环间隔片83均采用不锈钢材质。材料为不锈钢，有助于分别增强与永磁轴承外定子3和永磁轴承内转子2之间的气隙处的磁场强度，且便于磁钢安装。
进一步地，参见图6所示，还包括滚珠联轴器10。
滚珠联轴器10包括联轴器内圈11、滚动体13和联轴器外圈12。
联轴器内圈11设置于主轴1的外周靠近增速器的一端，当叶轮轴向移动时，联轴器内圈11和滚动体13随着主轴的轴向移动而移动。联轴器外圈12固定安装于增速器上，且当叶轮轴向移动时，联轴器内圈11和滚动体13相对于联轴器外圈12发生轴向上的移动。
需要说明的是，滚珠联轴器10的作用是提供永磁推力轴承组所需轴向移动距离，保证此轴向移动不对后续增速机产生破坏性影响。滚珠联轴器10采用的联轴器内圈11代替普通花键进行扭矩的传递，减小了主轴1在轴向移动时产生的摩擦力，从而减小了对增速器的轴向力的影响。
实施例2：
参见图10所示，本实施例提供一种自适应永磁轴承结构，在实施例1的基础上，将需要主轴1轴向移动产生轴向力改为通过控制系统调整移动轴承外圈来产生轴向力。进而可以取消滚珠联轴器10部件。
主要包括主轴1、设置在主轴1外周的一组(两个)圆柱滚子轴承13、设置在主轴1外周的轴向轴承件14。且轴向轴承件14设置于两个圆柱滚子轴承13之间。
两个圆柱滚子轴承13共同承担扇叶的弯矩，主要承受径向载荷。以确保轴向轴承件14工作。
参见图11所示，轴向轴承件14包括与机舱相连的轴向轴承座141，用于固定轴承位置，将轴承所受载荷传递给塔架。磁轴承组件，其能够承受风机的轴向载荷。具体地，磁轴承组件包括与主轴1相连的磁轴承内圈和通过轴承座141与机舱相连的磁轴承外圈，且磁轴承内圈设置有一层磁轴承内圈磁钢环142；磁轴承外圈设置有一层磁轴承外圈磁钢环143。当主轴1及磁轴承内圈沿轴向位移时，磁轴承外圈磁钢环143和磁轴承内圈磁钢环142之间便产生一个轴向反作用力，从而抵消掉风机主轴1上的大部分轴向载荷。
还包括间隔套15，固定安装于圆柱滚子轴承13与轴向轴承件14之间的位置上。
还包括推动机构，推动机构固定安装于磁轴承外圈上，并通过闭合控制回路在动力源的带动下，主动控制驱动推动机构运动，进而通过推动机构带动磁轴承外圈产生位移，使其产生轴向力来平衡风机主轴1的轴向力。
需要说明的是，推动机构为液压缸16，将永磁轴承结构改成闭合自动调节后，其适应性会更好。不需要从整体上对风力发电机系统进行设计修改。推广性强，适用范围大。
实施例3：
参见图13-图16所示，与实施例1不同的是，永磁推力轴承组包括相互配合的锥形外圈磁钢件4′和锥形内圈磁钢件5′。
锥形外圈磁钢件4′包括第一锥形外圈磁钢件401′、第二锥形外圈磁钢件402′、第三锥形外圈磁钢件403′和第四锥形外圈磁钢件404′。且第一锥形外圈磁钢件401′、第二锥形外圈磁钢件402′、第三锥形外圈磁钢件403′和第四锥形外圈磁钢件404′的直径逐渐减小。且第一锥形外圈磁钢件401′、第二锥形外圈磁钢件402′、第三锥形外圈磁钢件403′和第四锥形外圈磁钢件404′均由多个外磁钢锥环沿锥形槽体32′的轴向方向上依次排布形成。
锥形内圈磁钢件5′包括与第一锥形外圈磁钢件401′相互配合形成永磁推力轴承组的第一锥形内圈磁钢件501′；与第二锥形外圈磁钢件402′相互配合形成永磁推力轴承组的第二锥形内圈磁钢件502′；与第三锥形外圈磁钢件403′相互配合形成永磁推力轴承组的第三锥形内圈磁钢件503′；与第四锥形外圈磁钢件404′相互配合形成永磁推力轴承组的第四锥形内圈磁钢件504′。
进一步地，锥形外圈磁钢件4′和锥形内圈磁钢件5′的倾斜角度范围为±0～30°。最佳角度在±30°(参见图13)，在此角度下的永磁推力轴承组之间的磁推力作用最大化，能够更好地去消除轴向推力的产生。
实施例4：
参见图17所示，为一种用于直驱式风力发电的主轴系统。其基于目前大型直驱风机轴承由于轴承载荷大且复杂，需要适当增大风机轴承规格才可满足使用要求，因此直驱主轴100就会相应增大，进而体积重量较大。风机实际使用时由于直驱主轴承10的故障率高，基本在20年寿命期中均需更换一次或两次轴承，拆卸时需要大型吊装设备，更换维修费用高，周期长，势必影响风场发电效益。
目前制约风机大型化的一个主要因素是大直径的主支撑轴承国内无法制造只能依赖进口，或是即便制造出来寿命也不尽人意，超大规格轴承由于国外技术封锁更是无法获得。因此亟待一个突破风机轴承限制的技术推动国内风机大型化。
一种用于直驱式风力发电的主轴系统，包括直驱主轴100、直驱主轴100的一端通过螺栓与叶片的轮毂刚性相连。直驱主轴100的另一端通过增速箱与齿轮系统的联轴器或法兰相连通。直驱主轴系统还包括设置于直驱主轴100的外周的轴向轴承单元和设置于直驱主轴100外周的径向轴承单元。
轴向轴承单元包括与直驱主轴100的外周相连接的直驱永磁轴承内转子40和与机舱相连的直驱永磁轴承外定子30。直驱永磁轴承外定子30和直驱永磁轴承内转子40之间相互配合。
直驱永磁轴承外定子30和直驱永磁轴承内转子40之间设置有多个直驱永磁推力轴承组，直驱永磁推力轴承组包括相互配合的直驱外圈磁钢件和直驱内圈磁钢件，且直驱外圈磁钢件和直驱内圈磁钢件的径向充磁，直驱外圈磁钢件和直驱内圈磁钢件的充磁方向呈异极相对，直驱外圈磁钢件和直驱内圈磁钢件之间在径向轴承单元的作用下具有气隙。其中由于气隙越小，内外转子之间的磁力就会越大，进而轴向位移后产生的轴向力越大。因此，气隙越小对于内外转子之间的磁力所抵抗的轴向力越有利。故气隙是越小越好，但在本实施例中需要考虑工艺性，一般2mm及以上。在本实施例中气隙为2mm。
当直驱主轴100受到一定的轴向推力时，与直驱主轴100相连的直驱永磁轴承内转子40会沿随之产生位移，即直驱内圈磁钢件相较于直驱外圈磁钢件发生相对位移，在相对的内直驱外圈磁钢件之间产生吸力，相邻的内直驱外圈磁钢件之间产生斥力，进而吸力和斥力产生均在轴向上产生与位移方向相反的分力，以平衡轴向力。
直驱径向轴承单元包括直驱径向磁钢组302和两个分别设置于轴向轴承单元两端的第一圆柱滚子轴承组件20和第二圆柱滚子轴承组件50。
直驱径向磁钢组302设置于直驱永磁轴承外定子30的内部上方，能够向上吸引直驱主轴100。
本发明一种用于风力发电的直驱主轴系统，通过在直驱主轴100的外部分别设置有轴向轴承单元和直驱径向轴承单元，能够从直驱主轴100的轴向和径向上对直驱主轴100的位置进行限制，以防止直驱主轴100窜动，而且，能够避免大型风机因直驱主轴轴承的载荷过大而需配套使用过大的直驱主轴轴承，进而避免直驱主轴的直径过大，降低成本。有助于减小直驱主轴100轴径，改善了轴承受力状态，降低大功率风电机组的轴承制造难度，利于风力发电机组大型化，突破轴承技术的技术瓶颈。而且，直驱径向轴承单元选用承载能力更强的第一圆柱滚子轴承组件20和第二圆柱滚子轴承组件50，其承受径向载荷的能力远远大于同直径的滚子轴承，轴向轴承单元选用直驱永磁轴承外定子30、永磁轴承内转子5和直驱永磁推力轴承组使风机直驱主轴所受轴向力由非接触的磁推力轴承承受，延长风机的直驱主轴承的使用时间。而且，采用多个直驱永磁推力轴承组并将其模块化，当需要增大轴向承载能力时，只需增加相应的直驱永磁推力轴承组即可。能够适应更多直驱主轴类型的风机以及更大型的风机直驱主轴。
参见图17和图18所示，直驱外圈磁钢件由多个直驱外磁钢环沿直驱环状槽体的轴向方向上依次排布形成，且相邻两个直驱外磁钢环的磁性呈N/S的极性交替排列，并且相邻直驱外磁钢环之间通过直驱第一磁钢环间隔片相连。直驱第一磁钢环间隔片材料为不锈钢，有助于增强直驱外磁钢环与直驱磁轴承内转子40的直驱内磁钢环之间的气隙处的磁场强度，且便于多个直驱外磁钢环的安装。
具体而言，直驱外圈磁钢件包括第一直驱外圈磁钢件303、第二直驱外圈磁钢件304、第三直驱外圈磁钢件305和第四直驱外圈磁钢件306。且第一直驱外圈磁钢件303、第二直驱外圈磁钢件304、第三直驱外圈磁钢件305和第四直驱外圈磁钢件306的直径逐渐减小。且第一直驱外圈磁钢件303、第二直驱外圈磁钢件304、第三直驱外圈磁钢件305和第四直驱外圈磁钢件306均由多个直驱外磁钢环沿直驱环状槽体的轴向方向上依次排布形成。
进一步地，包括直驱轴承座301，其用于安装直驱外圈磁钢件。还包括第一压盖312、第二压盖313和第三压盖314，用于固定磁钢轴向位置，为普通钢件
进一步地，参见图19所示，直驱永磁轴承内转子40包括与主轴1相连的转子体4001，其材料为普通碳钢。在转子体4001的两端面朝远离径向轴方向的相背开设有与直驱环状槽体相配合的两个等间隔设置的凹槽体，凹槽体与转子体4001同轴设置。需要说明的是，凹槽体与直驱环状槽体相互插接，以使直驱内圈磁钢件和直驱外圈磁钢件相互配合，且两者在径向方向上形成气隙。虽然气隙是越小越好，但是考虑到工艺性，一般2mm及以上。本申请中采用气隙2mm，其使得直驱内圈磁钢件和直驱外圈磁钢件的磁推力效果最佳。
参见图19所示，直驱内圈磁钢件分别沿凹槽体的内环壁和外环壁设置；直驱内圈磁钢件由多个直驱内磁钢环沿凹槽体的轴向方向上依次排布形成，且相邻直驱内磁钢环之间通过第二磁钢环间隔片相连。第二磁钢环间隔片材料同样为不锈钢，有助于增强直驱内磁钢环与直驱磁轴承外定子30的直驱外磁钢环之间的气隙处的磁场强度，且便于多个直驱内磁钢环的安装。
具体而言，直驱内圈磁钢件包括与第一直驱外圈磁钢件303相互配合形成永磁推力轴承组的第一直驱内圈磁钢件4002；与第二直驱外圈磁钢件304相互配合形成永磁推力轴承组的第二直驱内圈磁钢件4003；与第三直驱外圈磁钢件305相互配合形成永磁推力轴承组的第三直驱内圈磁钢件4004；与第四直驱外圈磁钢件306相互配合形成永磁推力轴承组的第四直驱内圈磁钢件4005。
需要说明的是，还包括第一压盖410、第二压盖411、第二压盖412，用于固定磁钢轴向位置，为普通钢件。
本实施例提供的是一种运用多层永磁复合轴承的直驱主轴系统，永磁复合轴承的使用有助于减小主轴轴径，使其不再因为轴承的承载能力限制而被迫选用较粗主轴，改善了轴承受力状态，降低大功率风电机组的轴承制造难度，突破因轴承规格限制而无法制造超大风机的瓶颈，利于风力发电机组大型化。本案开创性的使用多层非接触的磁推力轴承承受主轴轴向力，利用径向轴承减小部分轴的径向载荷，减小了摩擦损耗，降低启动风速，延长风机的年平均发电时间，进而带来可观的经济效益。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于风力发电的主轴系统，包括主轴(1)，其特征在于，还包括设置于所述主轴(1)的外周的轴向轴承单元和设置于所述主轴(1)外周的径向轴承单元；
所述轴向轴承单元包括与所述主轴(1)的外周相连接的永磁轴承内转子(2)和与机舱相连的永磁轴承外定子(3)；所述永磁轴承外定子(3)和所述永磁轴承内转子(2)之间相互配合；
所述永磁轴承外定子(3)和所述永磁轴承内转子(2)之间设置有多个永磁推力轴承组，所述永磁推力轴承组包括相互配合的外圈磁钢件(4)和内圈磁钢件(5)，且所述外圈磁钢件(4)和所述内圈磁钢件(5)的径向充磁，所述外圈磁钢件(4)和所述内圈磁钢件(5)的充磁方向呈异极相对，所述外圈磁钢件(4)和所述内圈磁钢件(5)之间在所述径向轴承单元的作用下具有气隙，且所述气隙为2mm；
当所述主轴(1)受到一定的轴向推力时，与所述主轴(1)相连的所述永磁轴承内转子(2)会沿随之产生位移，即所述内圈磁钢件(5)相较于所述外圈磁钢件(4)发生相对位移，在相对的内外圈磁钢件(4)之间产生吸力，相邻的内外圈磁钢件(4)之间产生斥力，进而所述吸力和所述斥力产生均在轴向上产生与位移方向相反的分力，以平衡所述轴向推力；
所述径向轴承单元包括径向磁钢组(6)和两个设置于所述轴向轴承单元两端的滑动轴承组件(7)；
所述径向磁钢组(6)设置于所述永磁轴承外定子(3)的内部上方，能够向上吸引所述主轴(1)。
2.如权利要求1所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述永磁轴承外定子(3)包括与所述机舱固定连接的轴承外定子座(31)、沿所述轴承外定子座(31)的轴向朝内开设的环状槽体(32)，且所述环状槽体(32)与所述轴承外定子座(31)同轴设置；
所述外圈磁钢件(4)分别沿所述环状槽体(32)的内环壁和外环壁设置；
所述外圈磁钢件(4)由多个外磁钢环(41)沿所述环状槽体(32)的轴向方向上依次排布形成，且相邻两个所述外磁钢环(41)的磁性呈N/S的极性交替排列，且相邻所述外磁钢环(41)之间通过第一磁钢环间隔片(81)相连。
3.如权利要求2所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述永磁轴承内转子(2)包括与所述主轴(1)相连的轴承内转子座(21)、沿所述轴承内转子座(21)的轴向朝外开设有与多个所述环状槽体(32)相配合的多个环状凹槽(22)，所述环状凹槽(22)与所述轴承内转子座(21)同轴设置；
所述内圈磁钢件(5)分别沿所述环状凹槽(22)的内环壁和外环壁设置；所述内圈磁钢件(5)由多个内磁钢环(51)沿所述环状凹槽(22)的轴向方向上依次排布形成，且相邻所述内磁钢环(51)之间通过第二磁钢环间隔片(82)相连。
4.如权利要求3所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述轴向轴承单元有两个，且两个所述轴向轴承单元的端面相连形成轴向轴承件。
5.如权利要求4所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，还包括两个轴承端盖(9)，两个所述轴承端盖(9)固定安装于所述轴向轴承件的两端。
6.如权利要求5所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述滑动轴承组件(7)包括滑动轴承座(71)和滑动轴承主体(72)；
所述滑动轴承主体(72)设置于所述轴向轴承单元的两端，且其与所述主轴(1)主体连接，所述滑动轴承主体(72)相对于滑动轴承座(71)转动，所述滑动轴承座(71)的端面与所述轴承端盖(9)抵触并连接。
7.如权利要求6所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述滑动轴承主体(72)包括滑动轴承上轴瓦(721)、滑动轴承下轴瓦(722)和轴承压盖(723)；
所述滑动轴承上轴瓦(721)和所述滑动轴承下轴瓦(722)相互配合形成与所述主轴(1)相连的圆形轴瓦；
所述轴承压盖(723)用于固定所述圆形轴瓦的位置。
8.如权利要求1所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述径向磁钢组件(6)包括多个径向磁钢环(61)沿所述环状槽体(32)的轴向方向依次排布形成，且相邻的所述径向磁钢环(61)之间通过第三磁钢环间隔片(83)相连，所述径向磁钢环(61)为径向充磁，相邻的所述径向磁钢环(61)的磁极相反。
9.如权利要求2、3或7所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，所述第一磁钢环间隔片(81)、所述第二磁钢环间隔片(82)和所述第三磁钢环间隔片(83)均采用不锈钢材质。
10.如权利要求2所述的用于风力发电的主轴系统，其特征在于，还包括滚珠联轴器(10)；
所述滚珠联轴器(10)包括联轴器内圈(11)、滚动体(13)和联轴器外圈(12)；
所述联轴器内圈(11)设置于所述主轴(1)的外周靠近增速器的一端，当叶轮轴向移动时，所述联轴器内圈(11)和所述滚动体(13)随着所述主轴的轴向移动而移动；所述联轴器外圈(12)固定安装于所述增速器上，且当叶轮轴向移动时，所述联轴器内圈(11)和所述滚动体(13)相对于所述联轴器外圈(12)发生轴向上的移动。
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