CN117536782A - 永磁半直驱风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁半直驱风力发电装置，所述永磁半直驱风力发电装置包括塔架、风力组件和连接组件，塔架上设有发电机，发电机包括套装在塔架上的电机壳、定子和转子，风力组件包括舱体、第一驱动轴、变速箱、第二驱动轴和风叶，舱体可转动地套装在塔架的顶端，第一驱动轴、变速箱和第二驱动轴均与舱体相连，第一驱动轴经变速箱与第二驱动轴相连，风叶套装在第一驱动轴的第一端，连接组件包括中速齿轮和传动齿轮，中速齿轮套装在第二驱动轴上，传动齿轮设在转子上且与中速齿轮相啮合。本发明的发电装置，发电机移出舱体且竖向布置，降低整机的重心高度，提高结构的稳定性。并且，风叶对风时，无需考虑发电机出线扭缆问题，保证了安全性。

Description

永磁半直驱风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种永磁半直驱风力发电装置。

背景技术

随着风力发电行业的迅速发展，为了实现降低风电成本以及提高风能利用效率，风电机组的设计方式正在朝着大单机容量和高塔架的方向进行改进。但是，由于机组越大，其机头的重量和塔架的高度对应增大，从而导致支撑体系需要承受更大的载荷，对材料成本的控制与安全性的平衡带来挑战。

目前，风电机组的发电机和传动结构均布置在塔架顶端的舱体内，发电机采用横向布置的方式，发电机的转轴与风叶的转轴相互平行，该设计使得机头重心完全位于塔架顶部以上，导致支撑体系的承载力以及强度要求很高，需要较高的材料成本。

发电机布置在舱体内，由于舱体随着风叶对风过程需要进行旋转，发电机与塔架之间具有相对运动，发电机出线还需要解决扭缆问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种重心低、稳定性强的永磁半直驱风力发电装置。

本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置包括：

塔架，所述塔架沿竖直方向延伸，所述塔架的顶端设有发电机，所述发电机包括套装在所述塔架上的电机壳、定子和转子，所述定子和所述转子均设在所述电机壳内，所述转子可转动地设在所述定子的外侧；

风力组件，所述风力组件包括舱体、第一驱动轴、变速箱、第二驱动轴和风叶，所述舱体可转动地套装在所述塔架的顶端，所述第一驱动轴、所述变速箱和所述第二驱动轴均与所述舱体相连，所述第一驱动轴和所述第二驱动轴均绕自身中心轴线可转动，所述第一驱动轴经所述变速箱与所述第二驱动轴相连，所述风叶套装在所述第一驱动轴的第一端；

连接组件，所述连接组件包括中速齿轮和传动齿轮，所述中速齿轮套装在所述第二驱动轴上，所述传动齿轮设在所述转子上且与所述中速齿轮相啮合，以使所述风叶旋转并通过所述第一驱动轴、所述变速箱、所述第二驱动轴、所述中速齿轮和所述传动齿轮传动以带动所述转子旋转。

在一些实施例中，所述第一驱动轴的延伸方向与所述塔架的延伸方向之间具有夹角，所述第二驱动轴的延伸方向与所述塔架的延伸方向之间相互垂直，所述第一驱动轴的延伸方向与所述第二驱动轴的延伸方向之间具有夹角。

在一些实施例中，所述风力组件还包括偏航轴承和支架，所述偏航轴承可转动地设在所述塔架上，所述舱体通过所述支架与所述偏航轴承相连，以使所述舱体与所述塔架可相对转动。

在一些实施例中，所述支架上设有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承套装在所述第一驱动轴上，所述第二轴承套装在所述第二驱动轴上。

在一些实施例中，所述风力组件还包括密封壳，所述密封壳与所述舱体相连，所述密封壳的内腔包括相连通的第一保护腔和第二保护腔，所述中速齿轮位于所述第一保护腔内，所述传动齿轮位于所述第二保护腔内。

在一些实施例中，所述密封壳可转动地套装在所述电机壳上，且所述密封壳与所述电机壳的外周壁之间设有密封件。

在一些实施例中，所述发电机还包括多个径向轴承，所述转子通过所述径向轴承与所述塔架相连，以使所述转子与所述塔架可相对转动，多个所述径向轴承沿所述塔架的延伸方向间隔分布。

在一些实施例中，所述发电组件还包括轴向轴承，所述转子通过所述轴向轴承与所述塔架相连，以使所述转子与所述塔架可相对转动。

在一些实施例中，所述永磁半直驱风力发电装置还包括散热组件，所述散热组件设在所述塔架上，所述定子与所述塔架在内外方向上间隔开，所述塔架上设有散热孔，所述散热组件通过所述散热孔对所述发电机散热。

在一些实施例中，所述永磁半直驱风力发电装置还包括滑环，所述滑环设在所述塔架上且邻近所述偏航轴承。

本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置，发电机竖向布置，使发电机移出塔架上方的舱体，将其设在塔架顶端，通过在顶段塔筒上设置轴向和径向的轴承支撑发电机的转子，使发电机的转子以顶段塔筒为轴进行旋转，发电机的定子设在转子的内部，且套在顶段塔筒的外侧，与顶段塔筒固定连接，由顶段塔筒直接支撑。倾斜的第一驱动轴经过变速箱传动后，以水平的第二驱动轴输出动力，通过设置在第二驱动轴上的中速齿轮和设置在转子上的传动齿轮实现垂直传动，使风叶拖动发电机的转子转动。

由此，发电机竖向布置，串在塔架的顶端，降低了风电机组整机的重心高度，有利于结构稳定。发电机下置后，舱体重量得以大大减轻，进而可以减轻舱体的支架的结构重量，并进一步减轻了偏航轴承的载荷，有利于提升设备的可靠性。发电机下置后，发电机不再需要随着风叶的偏航而进行旋转，因而不存在发电机出线扭缆的问题，不需要设计解缆程序和动作，提高了安全性，并且避免了相关技术的风电机组解缆过程的发电量损失。

此外，发电机的转子绕着塔架的中心轴线转动，自旋的惯性提升了运行工况的支撑结构稳定性，减轻了塔架的晃动幅值，提升了整体结构的安全性能。并且，发电机的定子内部中空，并且空间巨大，具有充足的空间布置热管理系统，保障了发电机良好散热。发电机采用永磁外转子结构，电能从内定子输出，因而发电机无需设计电刷和电机滑环结构，可靠性更高。

附图说明

图1是本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置的示意图。

附图标记：

塔架1、

电机壳11、定子12、转子13、径向轴承14、轴向轴承15、

舱体21、第一驱动轴22、第一轴承221、变速箱23、第二驱动轴24、第二轴承241、风叶25、偏航轴承26、支架27、密封壳28、密封件281、

中速齿轮31、传动齿轮32、

散热组件41、散热孔411、

滑环51。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图描述本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置。

如图1所示，本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置包括：塔架1、风力组件和连接组件。

其中，塔架1呈柱状，塔架1沿竖直方向延伸，塔架1由从上到下依次连接的多段塔筒构成。塔架1的顶端设有发电机，发电机包括套装在塔架1上的电机壳11、定子12和转子13，定子12和转子13均设在电机壳11内，转子13可转动地设在定子12的外侧。

发电机为永磁发电机，发电机竖向布置，采用外转子13和内定子12，内定子12为空心定子12，套在塔架1的最顶上一节塔筒的外侧，发电机的外转子13套在内定子12的外面，电能从内定子12输出，因而发电机无电刷和滑环51结构，可靠性更高。发电机的外转子13绕着顶段塔筒的中心轴线转动，自旋的惯性提升了运行工况的支撑结构稳定性，减轻了塔架1晃动幅值，提升了整体结构安全性能。

风力组件包括舱体21、第一驱动轴22、变速箱23、第二驱动轴24和风叶25。舱体21可转动地套装在塔架1的顶端，第一驱动轴22、变速箱23和第二驱动轴24均与舱体21相连，第一驱动轴22和第二驱动轴24均绕自身中心轴线可转动，第一驱动轴22经变速箱23与第二驱动轴24相连，风叶25套装在第一驱动轴22的第一端(如图1中第一驱动轴22的前端)。

连接组件包括中速齿轮31和传动齿轮32，中速齿轮31套装在第二驱动轴24上，传动齿轮32设在转子13上且与中速齿轮31相啮合，以使风叶25旋转并通过第一驱动轴22、变速箱23、第二驱动轴24、中速齿轮31和传动齿轮32传动以带动转子13旋转。

具体地，如图1所示，第一驱动轴22的后端与变速箱23相连，第二驱动轴24的前端与变速箱23相连。中速齿轮31设在第二驱动轴24的后端，传动齿轮32水平布置，传动齿轮32设在转子13的顶端。

可以理解的是，正常发电时，风力推动风叶25转动，风叶25带动第一驱动轴22转动，第一驱动轴22通过变速箱23带动第二驱动轴24转动，第二驱动轴24带动中速齿轮31转动，中速齿轮31带动传动齿轮32转动，传动齿轮32带动转子13转动，从而进行发电。

由此，本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置，将发电机移出舱体21，发电机竖向布置，串在塔架1的顶端，从而减轻舱体21的重量，降低整机的重心高度，提高结构的稳定性。并且，风叶25对风时，发电机无需跟随风叶25偏航而进行旋转，进而避免发电机的出线扭缆问题，保证了安全性，无需设计解缆系统，还避免了相关技术的风电机组解缆过程造成的发电量损失的问题。

在一些实施例中，如图1所示，第一驱动轴22的延伸方向与塔架1的延伸方向之间具有夹角，第二驱动轴24的延伸方向与塔架1的延伸方向之间相互垂直，第一驱动轴22的延伸方向与第二驱动轴24的延伸方向之间具有夹角。

具体地，如图1所示，第一驱动轴22倾斜设置，第一驱动轴22的前端高于第一驱动轴22的后端，以便于风叶25对风。第二驱动轴24水平设置，以便于通过变速箱23与第一驱动轴22相连。

可以理解的是，中速齿轮31沿竖向布置，也即是中速齿轮31的中心轴线沿水平方向延伸，传动齿轮32的中心轴线沿竖直方向延伸，为保证中速齿轮31与传动齿轮32良好啮合，中速齿轮31和传动齿轮32均采用45°圆锥齿，实现两个垂直轴之间的传动。

在一些实施例中，如图1所示，风力组件还包括偏航轴承26和支架27，偏航轴承26可转动地设在塔架1上，舱体21通过支架27与偏航轴承26相连，以使舱体21与塔架1可相对转动。

可选地，如图1所示，塔架1内设有用于支撑偏航轴承26的支撑板，偏航轴承26绕塔架1的顶段塔筒的中心轴线转动。支架27的下端与偏航轴承26固定相连，舱体21的下端具有供支架27穿过的开口，以便舱体21与支架27相连。支架27的上部位于舱体21内，用于支撑舱体21内的各类部件(例如，第一驱动轴22、变速箱23、第二驱动轴24、检测设备和供电设备等)。

可以理解的是，风叶25对风时，舱体21通过偏航轴承26且绕塔架1的中心轴线进行转动，以确保本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置始终处于迎风状态，从而提高风电机组的发电效率。

在一些实施例中，如图1所示，支架27上设有第一轴承221和第二轴承241，第一轴承221套装在第一驱动轴22上，第二轴承241套装在第二驱动轴24上，以使第一驱动轴22和第二驱动轴24与舱体21之间可相对转动。

具体地，如图1所示，第一轴承221位于风叶25与变速箱23之间，且邻近第一驱动轴22的前端。第二轴承241位于中速齿轮31和变速箱23之间，且邻近第二驱动轴24的后端。

在一些实施例中，如图1所示，风力组件还包括密封壳28，密封壳28与舱体21相连，密封壳28的内腔包括相连通的第一保护腔和第二保护腔，中速齿轮31位于第一保护腔内，传动齿轮32位于第二保护腔内。

具体地，如图1所示，密封壳28大体呈L型，密封壳28包括依次相连的竖直段和水平段，竖直段的下端与水平段的后端相连。竖直段的内腔为第一保护腔，水平段的内腔为第二保护腔。竖直段的前端与舱体21相连且连通，水平段的上端与舱体21相连且连通，以使密封壳28与舱体21构成整体结构。

进一步地，如图1所示，密封壳28的下端可转动地套装在电机壳11上，且密封壳28与电机壳11的外周壁之间设有密封件281。由此，舱体21、密封壳28、电机壳11、密封件281以及塔架1的外周壁共同构成封闭的环境，从而防止外界风沙、雨水、昆虫等异物侵入。

例如，密封壳28与电机壳11的外周壁之间的密封件281可采用迷宫式动密封结构，以使风叶25对风时，舱体21带动密封壳28同步转动，密封壳28与电机壳11的外周壁之间可相对转动。

在一些实施例中，如图1所示，发电机还包括多个径向轴承14，转子13通过径向轴承14与塔架1相连，以使转子13与塔架1可相对转动，多个径向轴承14沿塔架1的延伸方向间隔分布。

具体地，如图1所示，径向轴承14具有两个，两个径向轴承14分别位于转子13的上部和下部。径向轴承14套装在塔架1的外侧，转子13的上端和下端均设有用于与径向轴承14相连的连接板。

在一些实施例中，如图1所示，发电组件还包括轴向轴承15，转子13通过轴向轴承15与塔架1相连，以使转子13与塔架1可相对转动。

具体地，如图1所示，轴向轴承15位于转子13的下方，塔架1的外周壁上设有用于支撑轴向轴承15的支撑板，转子13的下端设有用于与轴向轴承15相连的连接板。

可以理解的是，转子13的下端与塔架1的顶段塔筒通过轴向轴承15和位于下方的径向轴承14连接，转子13的上端与塔架1的顶段塔筒通过位于上方的径向轴承14连接，以使转子13可以绕着塔架1的顶段塔筒进行旋转。并且，本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置的塔架1的顶段塔筒与发电机做成一体，吊装时一体吊装，便于施工，使用螺栓与塔架1的下部塔筒连接。

进一步地，如图1所示，本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置还包括散热组件41，散热组件41设在塔架1上，定子12与塔架1在内外方向上间隔开，塔架1上设有散热孔411，散热组件41通过散热孔411对发电机散热，以保证发电机散热良好。例如，散热组件41可采用水冷或风冷技术。

在一些实施例中，如图1所示，本发明的永磁半直驱风力发电装置还包括滑环51，滑环51设在塔架1上且邻近偏航轴承26。

可以理解的是，舱体21内具有辅助设备，例如，检测第一驱动轴22和第二驱动轴24转动的监测仪器、温湿度传感器等以及用于给辅助设备供电的设备，此类设备在风叶25对风时仍需跟随舱体21转动。由此，在偏航轴承26处安装滑环51，以便于辅助设备的供电以及控制和监测信号。

综上，本发明实施例的永磁半直驱风力发电装置，发电机竖向布置，使发电机移出塔架1上方的舱体21，将其设在塔架1顶端，通过在顶段塔筒上设置轴向和径向的轴承支撑发电机的转子13，使发电机的转子13以顶段塔筒为轴进行旋转，发电机的定子12设在转子13的内部，且套在顶段塔筒的外侧，与顶段塔筒固定连接，由顶段塔筒直接支撑。倾斜的第一驱动轴22经过变速箱23传动后，以水平的第二驱动轴24输出动力，通过设置在第二驱动轴24上的中速齿轮31和设置在转子13上的传动齿轮32实现垂直传动，使风叶25拖动发电机的转子13转动。

由此，发电机竖向布置，串在塔架1的顶端，降低了风电机组整机的重心高度，有利于结构稳定。发电机下置后，舱体21重量得以大大减轻，进而可以减轻舱体21的支架27的结构重量，并进一步减轻了偏航轴承26的载荷，有利于提升设备的可靠性。发电机下置后，发电机不再需要随着风叶25的偏航而进行旋转，因而不存在发电机出线扭缆的问题，不需要设计解缆程序和动作，提高了安全性，并且避免了相关技术的风电机组解缆过程的发电量损失。

此外，发电机的转子13绕着塔架1的中心轴线转动，自旋的惯性提升了运行工况的支撑结构稳定性，减轻了塔架1的晃动幅值，提升了整体结构的安全性能。并且，发电机的定子12内部中空，并且空间巨大，具有充足的空间布置热管理系统，保障了发电机良好散热。发电机采用永磁外转子13结构，电能从内定子12输出，因而发电机无需设计电刷和电机滑环结构，可靠性更高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，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，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，包括：

塔架，所述塔架沿竖直方向延伸，所述塔架的顶端设有发电机，所述发电机包括套装在所述塔架上的电机壳、定子和转子，所述定子和所述转子均设在所述电机壳内，所述转子可转动地设在所述定子的外侧；

风力组件，所述风力组件包括舱体、第一驱动轴、变速箱、第二驱动轴和风叶，所述舱体可转动地套装在所述塔架的顶端，所述第一驱动轴、所述变速箱和所述第二驱动轴均与所述舱体相连，所述第一驱动轴和所述第二驱动轴均绕自身中心轴线可转动，所述第一驱动轴经所述变速箱与所述第二驱动轴相连，所述风叶套装在所述第一驱动轴的第一端；

连接组件，所述连接组件包括中速齿轮和传动齿轮，所述中速齿轮套装在所述第二驱动轴上，所述传动齿轮设在所述转子上且与所述中速齿轮相啮合，以使所述风叶旋转并通过所述第一驱动轴、所述变速箱、所述第二驱动轴、所述中速齿轮和所述传动齿轮传动以带动所述转子旋转。

2.根据权利要求1所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述第一驱动轴的延伸方向与所述塔架的延伸方向之间具有夹角，所述第二驱动轴的延伸方向与所述塔架的延伸方向之间相互垂直，所述第一驱动轴的延伸方向与所述第二驱动轴的延伸方向之间具有夹角。

3.根据权利要求1所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述风力组件还包括偏航轴承和支架，所述偏航轴承可转动地设在所述塔架上，所述舱体通过所述支架与所述偏航轴承相连，以使所述舱体与所述塔架可相对转动。

4.根据权利要求3所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述支架上设有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承套装在所述第一驱动轴上，所述第二轴承套装在所述第二驱动轴上。

5.根据权利要求1所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述风力组件还包括密封壳，所述密封壳与所述舱体相连，所述密封壳的内腔包括相连通的第一保护腔和第二保护腔，所述中速齿轮位于所述第一保护腔内，所述传动齿轮位于所述第二保护腔内。

6.根据权利要求5所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述密封壳可转动地套装在所述电机壳上，且所述密封壳与所述电机壳的外周壁之间设有密封件。

7.根据权利要求1所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述发电机还包括多个径向轴承，所述转子通过所述径向轴承与所述塔架相连，以使所述转子与所述塔架可相对转动，多个所述径向轴承沿所述塔架的延伸方向间隔分布。

8.根据权利要求7所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，所述发电组件还包括轴向轴承，所述转子通过所述轴向轴承与所述塔架相连，以使所述转子与所述塔架可相对转动。

9.根据权利要求1所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，还包括散热组件，所述散热组件设在所述塔架上，所述定子与所述塔架在内外方向上间隔开，所述塔架上设有散热孔，所述散热组件通过所述散热孔对所述发电机散热。

10.根据权利要求3所述的永磁半直驱风力发电装置，其特征在于，还包括滑环，所述滑环设在所述塔架上且邻近所述偏航轴承。