CN202997877U - 一种内置式双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种内置式双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统，该开关磁阻风力发电机包括轮毂、外定子、内定子、前轴承、后轴承、空心固定轴和外定子定心轴承，其中：轮毂通过前、后轴承可转动的安装在空心固定轴上，并与转子以及外定子定心轴承的转动体固定连接；外定子的外壳与外定子定心轴承的静止体固定连接，并固定安装在空心固定轴上。该系统包括开关磁阻风力发电机、功率变换器、控制系统、逆变器和负载。本实用新型开关磁阻风力发电机，与传统结构开关磁阻发电机相比，使电机单位体积的输出功率增大，极大地提高了电机功率密度及有效材料利用率，提高了电机的功率因数，降低了电机的重量与成本，降低了电机的振动与噪声。

Description

一种内置式双定子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技术领域，特别是涉及一种内置式双定子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，风电技术的升级、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、提高风电机组安全性和系统可靠性等，风电场运行控制、预测调度技术不断完善。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。

开关磁阻发电机应用于风电系统，是开关磁阻电机在新能源领域应用的一重大突破。开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体。其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随转速的变化而变化，开关磁阻发电机可以提高风能的利用效率。因此，开关磁阻发电机可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，正是风力发电系统的发展趋势。电机运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流。从风力发电的特点考虑，风力发电系统要将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电，而且要高效率的实现上述能量转换，以降低成本，开关磁阻电机风力发电系统在风力发电方面非常有应用前景。

随着电机功率的增大，开关磁阻电机与永磁电机相比，还存在着系统的效率和材料的有效利用率低、振动与噪声大，功率因数较低等问题，在一定程度上影响了其在直驱风力发电领域的使用推广。

由此可见，传统的发电机在结构和使用过程中，存在明显的不足和缺陷，亟待进一步改进，如何创设一种提高电机功率密度及有效材料利用率，提高电机的功率因数，降低电机的重量与成本，降低电机振动与噪声的内置式双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统，实属当前重要的研发课题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种内置式双定子开关磁阻风力发电机及其机组系统，使其提高电机功率密度及有效材料利用率，提高电机的功率因数，降低电机的重量与成本，降低电机振动与噪声，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型一种内置式双定子开关磁阻风力发电机，包括轮毂、外定子、内定子、前轴承、后轴承、空心固定轴和外定子定心轴承，其中：轮毂通过前、后轴承可转动的安装在空心固定轴上，并与转子以及外定子定心轴承的转动体固定连接；外定子的外壳与外定子定心轴承的静止体固定连接，并固定安装在空心固定轴上。

作为本实用新型的进一步改进，所述的轮毂包括轮毂前半和轮毂后半，所述的转子以及外定子定心轴承的转动体均与轮毂前半固定连接。

所述轮毂前半和轮毂后半为垂直中分面对分而成，轮毂前半和轮毂后半之间通过止口和螺栓固定连接。

所述的外定子定心轴承的静止体和转动体之间设有滚柱。

所述开关磁阻风力发电机还包括转子定心轴承。

所述的空心固定轴上设置有凸起刹车盘，所述凸起刹车盘上安装有制动装置或锁紧装置。

所述内定子包括内定子铁芯和内定子绕组；所述外定子包括外定子铁芯和外定子绕组；所述内、外定子铁芯为凸极结构；所述内、外定子绕组为整距绕组；所述内、外定子设置在同一槽内，仅有一相绕组。

所述转子包括铸铝结构，以及设置在铸铝结构两侧的外转子磁极与内转子磁极。

此外，本实用新型还提供一种风力发电机组系统，包括上述的内置式双定子开关磁阻风力发电机、功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：所述的风力发电机与功率变换器连接，功率变换器分别与控制系统、逆变器和负载连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的控制系统包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路和单片机。

采用以上设计后，本实用新型与现有技术比较有以下有益效果：

1、本实用新型开关磁阻风力发电机，与传统结构开关磁阻发电机相比，使电机单位体积的输出功率增大，极大地提高了电机功率密度及有效材料利用率，提高了电机的功率因数，降低了电机的重量与成本，降低了电机的振动与噪声，很大程度上克服了开关磁阻电机在直驱风力发电领域应用的瓶颈；

2、本实用新型开关磁阻发电机的直径和体积比同容量单定子发电机要小，故可将其置于轮毂内部，这样把电机和轮毂合二为一，进一步减小开关磁阻风力发电机的重量和成本；

3、本实用新型风力发电机机组采用了固定轴来承受和传递叶轮的载荷，不必使用承受轮毂载荷的尺寸大、重量重的机舱壳体，可采用轻型玻璃钢结构机舱罩，从而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。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型内置式双定子开关磁阻风力发电机的结构组成示意图。

图2是本实用新型外定子定心轴承安装结构示意图。

图3是本实用新型转子定心轴承安装结构示意图。

图4是本实用新型定子、转子剖面结构示意图。

图5是本实用新型风电机组系统组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型开关磁阻风力发电机，包括轮毂、前轴承6、外定子定心轴承7、外定子、转子14、内定子、后轴承23和空心固定轴27。其中，轮毂通过前、后轴承6、23可转动的安装在空心固定轴27上，并与转子14以及外定子定心轴承7的转动体固定连接。外定子通过其外壳与外定子定心轴承7的静止体固定连接，并固定在空心固定轴27上。

较佳的，本实用新型的轮毂包括轮毂前半9和轮毂后半18，所述的转子14以及外定子定心轴承7的转动体均与轮毂前半9固定连接。并可设置转子定心轴承17。

进一步来说，外定子包括外定子铁芯12和外定子绕组13，内定子包括内定子铁芯15和内定子绕组16。本实用新型发电机还包括前机舱罩1、滑环2、碳刷装配3、前轴承锁紧螺母4、前轴承端盖5、定子支架8、变浆轴承10、叶片11、后轴承锁紧螺母19、制动装置21、锁定装置26、后机舱罩29、后轴承前端盖20、后轴承后端盖24、轴套25、机架28以及后轴承绝缘22。

开关磁阻风力发电机置于风电机轮毂的内部，轮毂采用垂直中分面对分结构，两半间用止口和螺栓固定连接，方便发电机的安装。轮毂通过前轴承6、后轴承23支撑在空心固定轴27上。发电机转子一端固定连接轮毂前半，叶片11与轮毂连接。

进一步的,请参阅图2所示，本实用新型外定子定心轴承安装结构，外定子定心轴承7包括静止体安装螺钉73，静止体74，转动体安装螺钉75，转动体76，滚柱77。

静止体74通过滚柱与转动体76连接，静止体74与外定子外壳71固定连接，转动体76与轮毂前半9固定连接。静止体74和转动体76分别与外定子外壳71和轮毂前半9间加工有止口，用以保证该电机定子端部与主轴前轴承的同心。

进一步的，请参阅图3所示，转子定心轴承安装放大结构，转子定心轴承17包括转动体173、转动体安装螺钉174、滚柱176、静止体177和静止体安装螺钉178。转动体173由安装螺钉174经止口与转子端部紧固，静止体177由安装螺钉178经止口紧固在定子支架8上，这样就可保证转子端部始终与发电机定子同心。

转子和定子在运行期间由于应力状态的改变而变形，这种变形会影响发电机气隙的均匀和稳定。为此，在设计中加入了外定子定心轴承7和转子定心轴承17，用以保证机组在整个使用寿命期间发电机的气隙稳定不变。

前机舱罩1设置在风力发电机组的前端，滑环2安装在空心固定轴27的前端面，碳刷装配3安装于前轴承端盖5与空心固定轴27上。

前轴承端盖5安装于前轴承6两侧，前轴承6安装于空心固定轴27外圈与轮毂前半9之间，前轴承端盖5安装于轴套25的外圈。

后轴承前端盖20与后轴承后端盖24安装于后轴承23两侧，后轴承23安装于空心固定轴27与轮毂后半18之间；后轴承前端盖20与后轴承后端盖24安装于轴套25的外圈。前轴承锁紧螺母4安装在前轴承端盖5的前端，后轴承锁紧螺母18设置于后轴承前端盖20的前端。

此外，制动装置21安装于空心固定轴27的凸起刹车盘上；锁紧装置26安装于空心固定轴27的凸起刹车盘上及机架28上；后机舱罩29安装于整个风力电机组的后端。

请参阅图4所示，本实用新型开关磁阻风力发电机的定子、转子剖面结构，包括外定子铁芯12、外定子绕组13、转子14及内定子铁芯15、内定子绕组16。

发电机内、外定子铁芯15、12与定子支架8固定连接，定子支架8通过法兰和止口与空心固定轴27连接，外定子绕组13设置于外定子铁芯12的槽内，内定子绕组设置于内定子铁芯15的槽内。转子14位于内定子铁芯15、外定子铁芯12之间。

其中，内、外定子铁芯为凸极结构，内、外定子绕组为整距绕组。内、外定子铁芯设置在同一槽内，仅有一相绕组。图中“X”、“o”表示电流流进方向：“X”表示流进纸面，“o”表示流出纸面。

进一步的，转子14包括外转子磁极141、铸铝结构142、内转子磁极143。外转子磁极141与内转子磁极143为导磁性材料，铸铝结构142为非导磁性材料。外定子与转子形成第一气隙，转子与内定子形成第二气隙。

请参阅图5所示，本实用新型开关磁阻风力发电机组系统，包括上述的开关磁阻发电机、功率变换器、直流电池、逆变器和负载、控制系统、辅助电源，其中，控制系统，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。

其中，开关磁阻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直流电池；直流电池与控制系统连接；控制系统与功率变换器连接；辅助电源与控制系统连接。

开关磁阻风力发电机的铸铝转子由轮毂拖动旋转，是风能/机械能转换装置；功率变换器接收控制系统发出的控制指令，将双定子开关磁阻发电机发出的直流电输出给系统的储能装置-直流电池；控制系统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，实现对开关磁阻发电机运行状态的控制，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，是系统的储能装置；逆变器和负载，将双定子开关磁阻发电机发出的直流电逆变成交流电，直接供给交流负载；辅助电源，用来给控制系统提供±15V、±5V等多路电源。

本实用新型在开关磁阻风力发电机及其机组系统采用了双定子、铸铝转子结构，同时在传动链中采用了内置式固定轴支撑的技术方案。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于包括轮毂、外定子、内定子、前轴承、后轴承、空心固定轴和外定子定心轴承，其中：

轮毂通过前、后轴承可转动的安装在空心固定轴上，并与转子以及外定子定心轴承的转动体固定连接；

外定子的外壳与外定子定心轴承的静止体固定连接，并固定安装在空心固定轴上。

2.根据权利要求1所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的轮毂包括轮毂前半和轮毂后半，所述的转子以及外定子定心轴承的转动体均与轮毂前半固定连接。

3.根据权利要求2所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述轮毂前半和轮毂后半为垂直中分面对分而成，轮毂前半和轮毂后半之间通过止口和螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的外定子定心轴承的静止体和转动体之间设有滚柱。

5.根据权利要求1所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述开关磁阻风力发电机还包括转子定心轴承。

6.根据权利要求1所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述的空心固定轴上设置有凸起刹车盘，所述凸起刹车盘上安装有制动装置或锁紧装置。

7.根据权利要求1所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述内定子包括内定子铁芯和内定子绕组；

所述外定子包括外定子铁芯和外定子绕组；

所述内、外定子铁芯为凸极结构；

所述内、外定子绕组为整距绕组；

所述内、外定子设置在同一槽内，仅有一相绕组。

8.根据权利要求1所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机，其特征在于：

所述转子包括铸铝结构，以及设置在铸铝结构两侧的外转子磁极与内转子磁极。

9.一种风力发电机组系统，其特征在于包括权利要求1-8中任一项所述的内置式双定子开关磁阻风力发电机、功率变换器、控制系统、逆变器和负载，其中：

所述的风力发电机与功率变换器连接，功率变换器分别与控制系统、逆变器和负载连接。

10.根据权利要求9所述的风力发电机组系统，其特征在于：

所述的控制系统包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路和单片机。

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