CN202103553U - 大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了大型直驱开关磁阻风力发电机，包括定子和转子，所述定子为包括外定子和内定子的双定子结构，所述转子位于外定子与内定子之间采用双凸极结构；所述外定子由外定子铁芯与外定子绕组组成；所述内定子由内定子铁芯与内定子绕组组成；外定子与转子形成第一工作气隙，转子与内定子形成第二工作气隙，外定子绕组与内定子绕组对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联；本实用新型还公开了包含上述开关磁阻风力发电机的机组系统；由于在风力发电机组系统中采用了结构简单可靠的双定子开关磁阻发电机，大幅降低了兆瓦级及以上直驱开关磁阻风力发电机组的重量与成本，提高了开关磁阻风力发电机组在风电行业的竞争优势。

Description

大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统

技术领域

本实用新型涉及风电领域，具体地，涉及大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统。

背景技术

随着风电产业的不断发展，风电技术也在不断地升级、换代，主要表现为：提高单机容量、发展新技术改善风电机组性能、提高风能利用率、降低风电成本，更加重视风电机组安全性和系统可靠性控制。风电场运行控制、预测调度技术也在不断完善。同时，利用海上风能资源，发展海上风电场建设技术、研制大型海上风电机组成为技术发展重点。

目前功率在兆瓦级及以上的大型风电机组主要以双馈型风力发电机组和直驱全功率变换型风力发电机组为主。双馈型风力发电机组有最好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱。双馈型风力发电机组的传动链必须要有大功率齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求。直驱全功率变换型风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了大功率齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高。但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数永磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，同时随着机组容量的不断增大，大功率变频器价格昂贵增加了其使用成本。

开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心的，开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变频器及控制、驱动的简洁性。风力机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上，开关磁阻发电机本身具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点。与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温(＞250℃)环境运行和大容量、高效率及高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组间无电藕合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。

随着大功率电力电子器件性价比的提高以及控制策略的发展，开关磁阻风力发电系统的优势将会逐渐得以体现。

随着电机功率的增大，电机的体积将会越来越大。特别对于低速电机，例如开关磁阻风力发电机，当功率大于兆瓦或数兆瓦以上时，其体积将会变得相当庞大，以至于会对运输带来极大困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种可大幅减小电机体积和重量，即降低成本又方便运输的大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统。

实现上述目的的技术方案如下：

大型直驱开关磁阻风力发电机，包括定子和转子，所述定子为包括外定子和内定子的双定子结构，所述转子位于外定子与内定子之间采用双凸极结构；所述外定子由外定子铁芯与外定子绕组组成；所述内定子由内定子铁芯与内定子绕组组成；外定子与转子形成第一工作气隙，转子与内定子形成第二工作气隙，外定子绕组与内定子绕组对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

进一步地，还包括轮毂、固定轴、前轴承、轴套、后轴承、前轴承端盖、后轴承定位件、空心转动轴、转子转盘、内定子支架、电机前端盖、电机外壳及机架；所述固定轴与机架连接，前轴承和后轴承安装在固定轴上，轴套套装在固定轴上且位于前、后两轴承的内环间，后轴承定位件设置在后轴承外侧，空心转动轴套装在固定轴的前、后轴承上，前轴承端盖与空心转动轴连接；所述轮毂与空心转动轴、转子转盘连接，转子转盘连接转子的前端，内定子安装在内定子支架上，内定子支架与机架连接，外定子安装在电机外壳内，电机外壳两端分别与电机前端盖及机架相连。

进一步地，在内定子支架与机架之间还设置有转子后支架、转子后轴承、转子后轴承支架及后法兰；所述转子的后端连接转子后支架，转子后支架安装在转子后轴承上，转子后轴承安装在转子后轴承支架上，转子后轴承支架一端与内定子支架相连，另一端与后法兰、机架连接且所述电机外壳与机架之间也经过所述的后法兰连接。

进一步地，所述前轴承和后轴承均为调心轴承。

进一步地，所述固定轴为空心固定轴。

进一步地，在机架外侧还安装有玻璃钢结构的机舱罩。

进一步地，所述后轴承定位件为轴螺母或后轴承端盖。

进一步地，所述转子后轴承为深沟球轴承。

本实用新型还提供了大型直驱开关磁阻风力发电机组系统，包括上述的开关磁阻风力发电机以及功率变换器、直流电池、逆变器和负载、控制器、辅助电源；所述开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器与逆变器和负载之间并联有所述的直流电池；所述直流电池与控制器连接；所述控制器与功率变换器相连；所述辅助电源与控制器连接。

本实用新型在直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统中采用了双定子结构，同时在传动链中采用了固定轴支撑的技术方案。因此，本实用新型具有以下优点：

1、直驱双定子开关磁阻发电机相对于单定子开关磁阻发电机，使电机单位体积的输出功率增大，从而减小电机体积和重量，既降低了成本，又方便了运输。

2、本实用新型在传动中采用了固定轴支撑的结构方式，这样可以不必使用价格昂贵的双列圆锥滚子轴承(鹦鹉螺轴承)，而可采用风电机组中常用的调心轴承。这两种传动链设计的轴承总成本的比较结果是：鹦鹉螺轴承方案约为调心轴承方案的两倍。因此，本实用新型方案的轴承成本有较大幅度的节省。

3、采用了固定轴来承受和传递叶轮的载荷就可不必使用需承受轮毂载荷的尺寸大、重量重的机舱壳体，取而代之的机舱罩可采用轻型玻璃钢结构，从而又大幅减小了整机重量。

4、本实用新型的结构方案未采用重型锻造主轴，而是采用了空心固定轴来承受和传递轮毂的载荷，这样的结构大幅减小了主轴的重量和成本。

5、本实用新型在发电机转子后端加设了一个常规深沟球轴承。该轴承可以保证发电机在任何运行状态下转子与定子的同心。本实用新型可以大幅减轻直驱风力发电机的重量和成本，可广泛应用于直驱型风力发电系统中。

附图说明

图1是本实用新型的大型直驱开关磁阻风力发电机的定转子截面图；

图2是本实用新型大型直驱开关磁阻风力发电机的整体结构主要部件装配示意图；

图3是本实用新型中的大型直驱开关磁阻风力发电机组系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型的大型直驱开关磁阻风力发电机，包括定子和转子8，定子为包括外定子7和内定子9的双定子结构，转子8位于外定子7与内定子9之间采用双凸极结构；

外定子7由外定子铁芯7a与外定子绕组7b组成；内定子9由内定子铁芯9a与内定子绕组9b组成；外定子7与转子8形成第一工作气隙，转子8与内定子9形成第二工作气隙，外定子绕组7b与内定子绕组9b对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

如图2所示，图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和螺母。本实用新型的大型直驱开关磁阻风力发电机整体结构中的主要零部件中包括：轮毂1、前轴承端盖2、空心转动轴3、电机前端盖4、转子转盘5、电机外壳6、外定子7、转子8、内定子9、转子后支架10、内定子支架11、后法兰12、转子后轴承支架13、机架14、前轴承15、轴套16、固定轴17、后轴承18、后轴承定位件(轴螺母)19、转子后轴承20。

其中，固定轴17与机架14紧固连接在一起，前轴承15和后轴承18安装在固定轴17上，轴套16套装在固定轴17上且位于前、后两轴承15、18的内环间，后轴承定位件(轴螺母)19设置在后轴承18外侧，空心转动轴3套装在固定轴17的前、后轴承15、18上，前轴承端盖2经螺栓紧固在空心转动轴3上。

轮毂1经由止口法兰和螺栓与转子转盘5和空心转动轴3紧固在一起，转子转盘5紧固连接在转子8的前端，转子转盘5用于传递轮毂的扭矩，转子8设置在内定子9和外定子7之间，内定子9安装在内定子支架11上，外定子7安装在电机外壳6内，电机外壳6的前端与电机前端盖4相连。转子8的后端紧固连接转子后支架10，转子后支架10用于保证转子8后端与定子同心，转子后支架10安装在转子后轴承20上，转子后轴承20安装在转子后轴承支架13上，后轴承支架13一端与内定子支架11相连，另一端与后法兰12、机架14固定连接在一起。后法兰12与电机外壳6的后端、机架14固定在一起。

上述实施例中的前轴承15、后轴承18均可以采用调心轴承；固定轴17可采用空心固定轴；转子后轴承20可选用常规深沟球轴承；其中后轴承定位件19也可用后轴承端盖替换；在机架14外侧还可以安装有玻璃钢结构的机舱罩(图中未示出)。

如图3所示，本实用新型的直驱开关磁阻风力发电机组系统包括上述的双定子开关磁阻发电机21、功率变换器22、直流电池23、逆变器和负载24、控制器25、辅助电源26，其中双定子开关磁阻风力发电机21与功率变换器22连接，功率变换器22与逆变器和负载24之间并联有直流电池23；直流电池23与控制器25连接；控制器25与功率变换器22相连；辅助电源26与控制器25连接。

双定子开关磁阻发电机21的双凸极转子由轮毂拖动旋转，是风能/机械能转换装置；功率变换器22接收控制器25发出的控制指令，将双定子开关磁阻发电机21发出的直流电输出给系统的储能装置-直流电池23；控制器25，包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路、单片机或DSP最小系统电路等，控制器25综合处理转子位置检测器、电压电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对双定子开关磁阻发电机21运行状态的控制，控制内、外定子各相绕组轮流工作，实现机械能到电能的转化。直流电池23，是系统的储能装置；逆变器和负载24，将双定子开关磁阻发电机21发出的直流电逆变成交流电，直接供给交流负载；辅助电源26，用来给控制器25提供±15V、±5V等多路电源。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.大型直驱开关磁阻风力发电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子为包括外定子和内定子的双定子结构，所述转子位于外定子与内定子之间采用双凸极结构；

所述外定子由外定子铁芯与外定子绕组组成；所述内定子由内定子铁芯与内定子绕组组成；外定子与转子形成第一工作气隙，转子与内定子形成第二工作气隙，外定子绕组与内定子绕组对应同相绕组反相串联，第一工作气隙与第二工作气隙磁路串联。

2.根据权利要求1所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，还包括轮毂、固定轴、前轴承、轴套、后轴承、前轴承端盖、后轴承定位件、空心转动轴、转子转盘、内定子支架、电机前端盖、电机外壳及机架；

所述固定轴与机架连接，前轴承和后轴承安装在固定轴上，轴套套装在固定轴上且位于前、后两轴承的内环间，后轴承定位件设置在后轴承外侧，空心转动轴套装在固定轴的前、后轴承上，前轴承端盖与空心转动轴连接；

所述轮毂与空心转动轴、转子转盘连接，转子转盘连接转子的前端，内定子安装在内定子支架上，内定子支架与机架连接，外定子安装在电机外壳内，电机外壳两端分别与电机前端盖及机架相连。

3.根据权利要求2所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，在内定子支架与机架之间还设置有转子后支架、转子后轴承、转子后轴承支架及后法兰；

所述转子的后端连接转子后支架，转子后支架安装在转子后轴承上，转子后轴承安装在转子后轴承支架上，转子后轴承支架一端与内定子支架相连，另一端与后法兰、机架连接且所述电机外壳与机架之间也经过所述的后法兰连接。

4.根据权利要求2或3所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述前轴承和后轴承均为调心轴承。

5.根据权利要求2或3所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述固定轴为空心固定轴。

6.根据权利要求2或3所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，在机架外侧还安装有玻璃钢结构的机舱罩。

7.根据权利要求2或3所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述后轴承定位件为轴螺母或后轴承端盖。

8.根据权利要求3所述的大型直驱开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述转子后轴承为深沟球轴承。

9.大型直驱开关磁阻风力发电机组系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的开关磁阻风力发电机、功率变换器、直流电池、逆变器和负载、控制器、辅助电源；

所述开关磁阻风力发电机与功率变换器连接，功率变换器与逆变器和负载之间并联有所述的直流电池；所述直流电池与控制器连接；所述控制器与功率变换器相连；所述辅助电源与控制器连接。

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