CN202334029U - 一种直驱发电机及其组成的直驱发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直驱发电机及其组成的直驱发电机组，直驱发电机包括定子和转子，其中所述定子进一步包括定子铁芯和定子绕组；所述转子进一步包括转子铁芯和放置于转子铁芯不少于一道空气槽内的永磁体；所述直驱发电机的电磁转矩包括永磁转矩和磁阻转矩。该直驱发电机综合了同步磁阻和同步永磁发电机的特点，体现了一种全新的电机设计和运行概念，具有功率密度高、运行转速范围宽、效率高、体积小和重量轻等显著优点，应用于大型直驱风电机组中，极大地提高了直驱风电机组在风电市场上的竞争优势。

Description

一种直驱发电机及其组成的直驱发电机组

技术领域

本实用新型涉及发电机技术领域，尤其涉及一种发电机及其组成的直驱发电机组。

背景技术

随着全球对风电能源日益增长的需求，对风力发电机组的技术先进性和生产成本提出了越来越大的挑战。目前，风力发电专用发电机正向高可靠性、低维护量、减少组件、降低成本、效率高、集成度高的方向发展，大体趋势是单机容量不断增长。变速恒频直驱风力发电机组由于其维护工作量小、可靠性高而在市场竞争中脱颖而出，成为大型风电机组特别是大型海上风电机组的一种发展方向。在变速恒频的直驱风力发电系统中，多采用直驱电励磁同步发电机和直驱永磁同步发电机，少量采用直驱开关磁阻发电机。

直驱永磁发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了无刷化，但直驱永磁发电机转速低、极数多，技术难度大、永磁体用量多，价格昂贵，造价高，这些因素限制了大功率直驱永磁发电机的大规模应用。

电励磁直驱同步发电机，其结构及励磁系统复杂，效率低，尺寸大，重量重，由此带来一个不容忽视的机组可靠性问题及运输问题。

直驱开关磁阻发电机(SRG)发电原理新颖、控制灵活、结构简单，效率高且高效区宽、转矩密度高。SRG的这些特点，使其非常适用于直接驱动、变速运行风力发电系统。因而值得对其进一步研究和探讨，包括低速SRG设计及配套功率变换器，甚至并网逆变器的研究，但这些研究在国内刚刚起步，而且，直驱开关磁阻发电机存在噪声大及低速运行时转矩波动明显等缺点。

针对上述问题，如何使直驱发电机单位体积的输出功率增大，既减小发电机体积和重量，又降低发电机生产成本，具有效率高、可靠性高等优点，是直驱风电机组发电机技术中一直亟待解决的重要问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种直驱发电机，以及由其组成的一种直驱发电机组。直驱发电机是同步磁阻发电机和同步永磁发电机的有机结合体，该直驱发电机综合了同步磁阻和同步永磁发电机的特点，体现了一种全新的电机设计和运行概念，具有功率密度高、运行转速范围宽、效率高、体积小和重量轻等显著优点，应用于大型直驱风电机组中，极大地提高了直驱风电机组在风电市场上的竞争优势。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种直驱发电机，包括定子和转子，其中

所述定子进一步包括定子铁芯和定子绕组；

所述转子进一步包括转子铁芯和放置于转子铁芯不少于一道空气槽内的永磁体；

所述直驱发电机的电磁转矩包括永磁转矩和磁阻转矩。

一种直驱发电机组，包括轮毂、轮毂连接螺栓、空心短轴、发电机前端盖、轴承紧固螺栓、双列滚子轴承、转子转盘紧固螺栓、发电机前法兰、发电机前法兰紧固螺栓、发电机外壳、转子转盘、转子前隔磁压板、定子、转子、转子拉紧长螺栓、发电机外壳与发电机后法兰及机架紧固螺栓、发电机后法兰、机架和转子开放端定心机构，其中

所述双列滚子轴承套装在所述空心短轴上，所述转子转盘通过所述转子转盘紧固螺栓压紧；

所述空心短轴前端由轮毂连接螺栓连接轮毂；

所述转子中含有转子拉紧长螺栓将所述转子把紧在转子转盘止口槽；

所述转子的另一端经所述转子开放端定心机构连接所述发电机后法兰；

所述双列滚子轴承的外环置于所述发电机前法兰的轴承座内，所述发电机前法兰的外圆由所述发电机前法兰紧固螺栓紧固在所述发电机外壳的前端，所述发电机外壳后端由所述发电机外壳与所述发电机后法兰及所述机架紧固螺栓紧固在所述机架的前端；

所述定子安装在所述发电机外壳内。

优选地所述转子开放端定心机构包括第二定心机构的静止体、静止体紧固螺钉、转动体、转动体紧固螺钉和滚柱；

所述静止体经止口由所述静止体紧固螺钉紧固在所述发电机后法兰上，所述转动体经止口由所述转动体紧固螺钉紧固在所述转子后隔磁压板上，所述转动体的内、外两侧与静止体槽的两侧之间均有所述滚柱。

采用了本实用新型的技术方案，具有以下优点：

1、简化了风力发电机组的传动系统，省去了大功率机械变速齿箱，由于其组成的风电机组省去了大功率变速箱，就省去了复杂的油处理系统。

2、本实用新型的发电机采用同步永磁磁阻发电机，该电机结合了同步磁阻和同步永磁发电机的优点，具有结构简单、牢固、功率密度高、运行转速范围宽、效率高、体积小和重量轻等显著优点，既降低了成本，又方便了运输。

3、本实用新型的电机采用同步永磁磁阻发电机，其电机转矩由永磁转矩和磁阻转矩组成，不同于凸极永磁同步发电机，其磁阻转矩占转矩的主要成分，永磁体含有量较小，永磁的主要作用是励磁、提高发电机功率因数、效率。这样，极大地减少了永磁体的用量，降低了发电机的生产成本，从而大大降低了其组成的直驱风电机组的成本，提高了直驱风电机组的市场竞争优势。

4、本实用新型中的直驱风电机组的传动方式采用单轴承支撑方式，使空心主轴较短，大为简化了传动结构，同时大幅减小了整机长度和重量。

5、本实用新型直驱风电机组采用单轴承支撑结构在减小整机长度的同时，减小了风轮中心至塔筒中心的距离，从而减小了偏航轴承的倾翻力矩和偏航驱动的功率。本实用新型可以广泛代替直驱型永磁风力发电系统、直驱型电励磁风力发电系统、直驱型开关磁阻风力发电系统。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中的直驱发电机的定转子截面图。

图2是本实用新型具体实施方式中的直驱发电机定转子截面1/16模型放大图。

图3是本实用新型具体实施方式中直驱发电机组成的直驱发电机组结构图。

图4是本实用新型具体实施方式中转子开放端定心机构的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，为本实用新型具体实施方式中的直驱发电机定转子截面图，包括定子和转子。定子包括定子铁芯131和定子绕组132，转子包括转子铁芯141和布置于转子铁芯多道空气槽内的转子永磁体142。定子绕组132可采用分布式绕组形式、分数槽绕组形式、分数槽单节距绕组形式等。

如图2所示，为本实用新型具体实施方式中的直驱发电机定转子截面1/16模型放大图。

同步永磁磁阻发电机的工作原理如下：

同步电机的电磁转矩公式为：

$T_e=\frac{P_{\mathrm{em}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{\mathrm{mUE}}{{\mathrm{\ΩX}}_d}\sin \mathrm{\θ}+\frac{{\mathrm{mU}}^2(X_d-X_q)}{2\mathrm{\Ω}{X}_d{X}_q}\sin 2\mathrm{\θ}$

其中，Pem为电机电磁功率，Ω为电机机械角速度，m为电机相数，U为电机端电压、E为电机反电势，θ为功率角，Xd为电机直轴电抗，Xq为电机交轴电抗。

可见，电机的电磁转矩包含了两个分量。一个分量与电机反电势E有关，即对应于转子磁场。这是在转子有外加磁场(或转子有永磁体)的情况下产生的，在同步永磁磁阻发电机中，发电机转子上装有少量永磁体，相应地产生占电磁转矩小部分的永磁转矩。另一个分量是因发电机交、直轴电抗不对称所引起的，在普通同步发电机中，Xd、Xq的差值不大，所以交、直轴不对称电抗产生的磁阻转矩占电磁转矩的一小部分，成为附加分量。而在同步永磁磁阻发电机中，其特殊的转子结构设计导致同步永磁磁阻发电机的Xd、Xq差值很大，电机交、直轴磁阻严重不等，在定子磁场的作用下，产生较大的磁阻转矩，占电磁转矩的较大比例。电机的交、直轴磁阻不同而产生转矩，其物理本质是磁力线有沿着磁阻最小路径闭合的特性。同步永磁磁阻电机一通电，即在电机中建立磁场。磁力线沿磁阻最小的路径走，并将转子磁化。假设在开始的瞬间，转子磁阻最小的轴线正好与磁场轴线重和。若磁场与转子由相对运动，则磁力线被扭曲，被磁化后的转子磁场与定子磁场轴线不重合，就要产生电磁力，企图使定、转子磁场轴线对齐，这种力矩是因转子不同轴线上的磁阻不等引起的，称之为磁阻转矩。

图3是本实用新型具体实施方式中直驱发电机组成的直驱发电机组结构图。如图3所示，本实用新型的一个具体实施方式中直驱发电机组包括轮毂1、轮毂连接螺栓2、空心短轴3、发电机前端盖4、轴承紧固螺栓5、双列滚子轴承6、转子转盘紧固螺栓7、发电机前法兰8、发电机前法兰紧固螺栓9、发电机外壳10、转子转盘11、转子前隔磁压板12、定子13、转子14、转子拉紧长螺栓15、发电机外壳与发电机后法兰及机架紧固螺栓16、发电机后法兰17、机架18和转子开放端定心机构19。

双列滚子轴承6的内环套装在空心短轴3上，由转子转盘11通过转子转盘紧固螺栓7将其压紧。空心短轴3前端经止口法兰由轮毂连接螺栓2与轮毂1相连。

转子14内含有转子拉紧长螺栓15将转子14、转子前隔磁压板12紧固在转子转盘11的止口槽中。转子14的另一端经转子开放端定心机构19与发电机后法兰17相连，以确保即使转子14产生某些变形后仍能与定子13同心，如图4所示。

双列滚子轴承6的外环安装在发电机前法兰8的轴承座内，并由轴承紧固螺栓5紧固。

发电机前法兰8的外圆经止口法兰由发电机前法兰紧固螺栓9紧固在发电机外壳10的前端。发电机外壳10后端经止口法兰由发电机外壳与发电机后法兰、机架紧固螺栓16紧固在机架18的前端。

定子13安装在发电机外壳10内。上述实施例中，如图4所示，转子开放端定心机构19包括：定心轴承的静止体191、静止体紧固螺钉193、转动体194、转动体紧固螺钉195、滚柱192和转子后隔磁压板196。

静止体191由静止体紧固螺钉193紧固在发电机后法兰17上。转动体194经止口由转动体紧固螺钉195紧固在转子后隔磁压板196上。转动体194的内、外两侧与静止体191槽的两侧之间均有滚柱192。这种结构可以保证任何时候转子与定子的同心。

本实用新型通过简化了风力发电机组的传动系统，省去了大功率机械变速齿箱及复杂的油处理系统。发电机采用同步永磁磁阻发电机，结合同步磁阻和同步永磁发电机的优点，具有结构简单、牢固、功率密度高、运行转速范围宽、效率高、体积小和重量轻等显著优点，既降低了成本，又方便了运输。同步永磁磁阻发电机的电机转矩由永磁转矩和磁阻转矩组成，不同于凸极永磁同步发电机，其磁阻转矩占转矩的主要成分，永磁体含有量较小，永磁的主要作用是励磁、提高发电机功率因数、效率。这样，极大地减少了永磁体的用量，降低了发电机的生产成本，从而大大降低了其组成的直驱风电机组的成本，提高了直驱风电机组的市场竞争优势。直驱风电机组的传动方式采用单轴承支撑方式，使空心主轴较短，大为简化了传动结构，同时大幅减小了整机长度和重量。直驱风电机组采用单轴承支撑结构在减小整机长度的同时，减小了风轮中心至塔筒中心的距离，从而减小了偏航轴承的倾翻力矩和偏航驱动的功率。本实用新型可以广泛代替直驱型永磁风力发电系统、直驱型电励磁风力发电系统、直驱型开关磁阻风力发电系统。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种直驱发电机，其特征在于：包括定子和转子，其中

所述定子进一步包括定子铁芯和定子绕组；

所述转子进一步包括转子铁芯和放置于转子铁芯不少于一道空气槽内的永磁体；

所述直驱发电机的电磁转矩包括永磁转矩和磁阻转矩。

2.一种直驱发电机组，其特征在于：包括轮毂、轮毂连接螺栓、空心短轴、发电机前端盖、轴承紧固螺栓、双列滚子轴承、转子转盘紧固螺栓、发电机前法兰、发电机前法兰紧固螺栓、发电机外壳、转子转盘、转子前隔磁压板、定子、转子、转子拉紧长螺栓、发电机外壳与发电机后法兰及机架紧固螺栓、发电机后法兰、机架和转子开放端定心机构，其中

所述双列滚子轴承套装在所述空心短轴上，所述转子转盘通过所述转子转盘紧固螺栓压紧；

所述空心短轴前端由轮毂连接螺栓连接轮毂；

所述转子中含有转子拉紧长螺栓将所述转子把紧在转子转盘止口槽；

所述转子的另一端经所述转子开放端定心机构连接所述发电机后法兰；

所述双列滚子轴承的外环置于所述发电机前法兰的轴承座内，所述发电机前法兰的外圆由所述发电机前法兰紧固螺栓紧固在所述发电机外壳的前端，所述发电机外壳后端由所述发电机外壳与所述发电机后法兰及所述机架紧固螺栓紧固在所述机架的前端；

所述定子安装在所述发电机外壳内。

3.根据权利要求2所述的直驱发电机组，其特征在于：

所述转子开放端定心机构进一步包括第二定心机构的静止体、静止体紧固螺钉、转动体、转动体紧固螺钉和滚柱；

所述静止体经止口由所述静止体紧固螺钉紧固在所述发电机后法兰上，所述转动体经止口由所述转动体紧固螺钉紧固在所述转子后隔磁压板上，所述转动体的内、外两侧与静止体槽的两侧之间均有所述滚柱。

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