CN203239502U - 一种双气隙超导直驱风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种双气隙超导直驱风力发电机组，包括机架、固定在机架上的发电机外壳、与机架固定连接的主轴、可转动的支撑在主轴上的轮毂、固定安装的外定子和内定子、以及位于内、外定子之间并与轮毂联动的超导转子。这样的结构大幅减小了主轴的重量和成本，提高了直驱风电机组的效率及可靠性。

Description

一种双气隙超导直驱风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电机领域，特别是涉及一种双气隙超导直驱风力发电机组。

背景技术

在直驱风力发电技术领域，直驱发电机的容量越来越大，体积与重量也就越来越大，尤其在兆瓦级大功率直驱风力发电领域。传统的直驱永磁发电机及直驱电励磁发电机，其重量与体积越来越成了风力发电机单机容量往大发展的制约因素。

采用直驱超导同步发电机后，转子绕组采用以液氦或液氮做冷却介质的超导导线构成，发电机的体积和重量大大降低；同时，由于超导发电机损耗小，效率高，大大提高了风机机组整机的效率。既简化了机组结构，降低了运输成本，又提高了整机效率及整机可靠性。

目前，超导发电机尚处于不断研发完善阶段，其中，如何进一步提高转矩密度就是当前超导直驱风力发电机组的重要改进目标之一。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种双气隙超导直驱风力发电机组，使其转矩密度更高、体积更小，从而克服现有的发电机体积过大、运输困难的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种双气隙超导直驱风力发电机组，包括机架、固定在机架上的发电机外壳、与机架固定连接的主轴、可转动的支撑在主轴上的轮毂、固定安装的外定子和内定子、以及位于内、外定子之间并与轮毂联动的超导转子。

作为本实用新型的一种改进，本实用新型还可通过下述方案实现：

所述的主轴为空心固定轴。

所述的主轴上安装有前、轴承，并在前、后轴承的外环上套装空心转动轴，所述的转子通过空心转动轴与轮毂联动。

所述的外定子安装在发电机外壳内壁上，内定子通过内定子支架和后法兰固定安装；所述的转子一端通过转子转盘与空心转动轴固定连接，另一端通过定心轴承可转动的支撑在内定子支架上。

所述的前轴承与后轴承为调心轴承。

所述的外定子、内定子的绕组均由圆铜线或扁铜线绕制而成。

所述的转子包括转子外超导励磁线圈、转子内超导励磁线圈和转子超导励磁线圈支撑，转子外超导励磁线圈和转子内超导励磁线圈分别固定安装于转子超导励磁线圈支撑的外侧和内侧。

所述的转子外超导励磁线圈和转子内超导励磁线圈由高温超导线材或低温超导线材绕制而成。

所述的转子超导励磁线圈支撑为凹槽式结构，同一凹槽内的转子外超导励磁线圈、转子内超导励磁线圈均由线圈压板、线圈压紧螺杆和线圈压紧螺母切向固定。

所述的转子超导励磁线圈支撑、线圈压板线圈压紧螺杆、压紧螺母由耐低温的材料制成。

所述内、外转子超导励磁线圈压板沿转子超导励磁线圈支撑轴向方向是整长的或分段的。

在外定子与转子形成的第一气隙以及转子与内定子形成的第二气隙内，分别设有隔热套筒、低温容器Ⅰ、低温容器Ⅱ、三层前端板及三层后端板；隔热套筒分别通过安装止口与对应的前端板及后端板固定，形成真空层Ⅰ；低温容器Ⅰ分别通过安装止口与对应的前端板、后端板固定，形成真空层Ⅱ；低温容器Ⅱ分别通过安装止口与对应的前端板、后端板固定，形成内冷却通道。

所述的外低温容器、内低温容器、内层前端板及内层后端板由耐低温的材料制成。

采用这样的设计后，本实用新型至少具有以下优点：

1、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。因此，本实用新型方案的轴承成本有较大幅度的节省。

2、本实用新型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。

3、本实用新型中的转子后端的转子定心轴承系统，可靠地保证了电机在运行过程中，定子与转子间的始终同心，保证了发电机在运行过程中的安全性。

4、本实用新型中的直驱发电机的转子励磁线圈支撑结构及转子励磁线圈压紧装置，可靠地保护了转子超导线圈不会因为应力与应变的作用或者瞬间短路故障的冲击，而产生的裂开、疲劳或断裂。

5、双气隙超导直驱同步发电机组，进一步提高了直驱超导发电机的转矩密度，减小了直驱超导发电机的重量与体积，降低了直驱风电机组整机的运输成本，提高了直驱风电机组的效率及可靠性。

6、本实用新型中的转子结构可靠地保证了转子超导励磁线圈有效冷却到临界温度或以下以实现和维持其超导性。

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的技术手段，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是本实用新型一种双气隙超导直驱风力发电机组的总体结构图。

图2是本实用新型一种双气隙超导直驱发电机组的转子结构图。

图3是本实用新型中的一种双气隙超导直驱发电机组的转子截面图。

图4是图2中Ⅰ处的局部放大图。

图5是图2中Ⅱ处的局部放大图。

具体实施方式

请参阅图1所示，图中只标识总体结构的主要零部件结构，一些紧固螺栓及螺母未做标识。本实用新型涉及一种双气隙超导直驱风力发电机组，其主要包括：轮毂1、前轴承部套2、固定轴3、空心转动轴4、前法兰5、转子转盘6、发电机外壳7、外定子绕组8、外定子铁芯9、转子10、内定子铁芯11、内定子支架12、内定子绕组13、转子后支撑14、后法兰15、机架16、转子定心轴承部套17、后轴承部套18、转子定心轴承支架19、滑环系统20、轴套21、转子刹车盘22、转子制动机构23和转子锁定装置24。

固定轴3与机架16经紧固螺栓紧固连接，前轴承部套2与后轴承部套18分别套装在固定轴3的两端，轴套21套装于固定轴3上且分别套于前轴承部套2和后轴承部套18的内环间；空心转动轴4套装于固定轴3的前轴承部套2和后轴承部套18上，前轴承部套2的端盖经紧固螺栓固定在空心转动轴4前端，后轴承部套18的端盖经紧固螺栓固定在空心转动轴4后端。

轮毂1经由止口法兰和螺栓与空心转动轴4连接，空心转动轴4和转子转盘6紧固连接，转子转盘6可传递轮毂1的扭矩。

外定子绕组8与外定子铁芯9构成外定子，内定子铁芯11与内定子绕组13构成内定子。外定子安装于发电机外壳7上，发电机外壳7前端与前法兰5紧固连接，后端与后法兰15、机架16紧固连接，内定子安装于内定子支架13上。

转子10位于外定子与内定子之间，转子10前端与转子转盘6紧固连接，后端经止口与转子后支撑14紧固连接。外定子与转子10形成第一气隙，转子10与内定子形成第二气隙。

转子后支撑14安装于转子定心轴承部套17上，转子定心轴承部套17设置于内定子支架12与后法兰15之间，套装于转子定心轴承支架19上，转子定心轴承支架19一端与内定子支架12相连，另一端通过后法兰15与机架16固定连接在一起。

滑环系统20安装于前轴承部套2的端盖上。

转子刹车盘22经螺栓与空心转动轴4紧固连接在一起。

转子制动机构23安装于转子刹车盘22与内定子支架12上。

在机架16外侧的还安装有玻璃钢结构的机舱罩。

较优的，本实用新型中固定轴3采用空心固定轴。

本实用新型所用前轴承、后轴承均为调心轴承，转子定心轴承部套17中的定心轴承为深沟球轴承，减小了主轴的重量和成本。

请参阅图2、图3所示，本实用新型还提供一种用于双气隙直驱超导风力发电机的超导转子，包括：转子超导励磁线圈支撑108、转子外超导励磁线圈109及转子内超导励磁线圈1010。

转子超导励磁线圈支撑108外侧设有若干外凸出结构，其相对应的内侧设有数量相同的内凸出结构，转子外超导励磁线圈109套装于转子超导励磁线圈支撑108的外凸出结构上，转子内超导励磁线圈1010套装于转子超导励磁线圈支撑108的内凸出结构上。

转子超导励磁线圈支撑108相邻外凸出结构间形成一个凹槽，同一凹槽内的转子外超导励磁线圈109之间用若干组由外转子超导励磁线圈压板1011、外转子超导励磁线圈压紧螺杆1012、外转子超导励磁线圈压紧螺母1013组成的压紧装置切向固定。外转子超导励磁线圈压板1011沿转子超导励磁线圈支撑108轴向方向可以是整长的，也可以是分段的。

转子超导励磁线圈支撑108同一凹槽内的转子内超导励磁线圈1010之间用若干组由内转子超导励磁线圈压板1014、内转子超导励磁线圈压紧螺杆1015、内转子超导励磁线圈压紧螺母1016组成的压紧装置切向固定。内转子超导励磁线圈压板1014沿转子超导励磁线圈支撑108轴向方向可以是整长的，也可以是分段的。

在外定子和转子10间的第一气隙内，设置有外隔热套筒105、外低温容器Ⅰ106和外低温容器Ⅱ107；在转子10与内定子间的第二气隙内，设置有内隔热套筒1025、内低温容器Ⅰ1026和内低温容器Ⅱ1027。在转子10的前端设置有前端板Ⅰ102、前端板Ⅱ103、前端板Ⅲ104;在转子10的后端设置有后端板Ⅲ1020，后端板Ⅱ1021、后端板Ⅰ1022。前端板Ⅰ102、前端板Ⅱ103、前端板Ⅲ104上分别设置有安装止口；后端板Ⅲ1020、后端板Ⅱ1021、后端板Ⅰ1022上也分别设置有安装止口。

外隔热套筒105分别通过安装止口与前端板Ⅰ102、后端板Ⅰ1022固定在一起形成外真空层Ⅰ1017，连接处分别设置有密封垫101；外低温容器Ⅰ106分别通过安装止口与前端板Ⅱ103、后端板Ⅱ1021固定在一起形成外真空层Ⅱ1018，连接处分别设置有密封垫101；外低温容器Ⅱ107分别通过安装止口与前端板Ⅲ104、后端板Ⅲ1020固定在一起形成外冷却通道1019，连接处分别设置有密封垫101。

内隔热套筒1025分别通过安装止口与前端板Ⅰ102、后端板Ⅰ1022固定在一起形成内真空层Ⅱ1028，连接处分别设置有密封垫101；内低温容器Ⅰ1026分别通过安装止口与前端板Ⅱ103、后端板Ⅱ1021固定在一起形成内真空层Ⅰ1029，连接处分别设置有密封垫101；内低温容器Ⅱ1027分别通过安装止口与前端板Ⅲ104、后端板Ⅲ1020固定在一起形成内冷却通道1030，连接处分别设置有密封垫101。

转子转盘6通过紧固螺栓与前端板Ⅰ102、转子超导励磁线圈支撑108的前端紧固连接在一起，转子后支撑14通过紧固螺栓与后端板Ⅰ1022、转子超导励磁线圈支撑108的后端紧固连接在一起。

在转子后端设置有真空管道系统1023及制冷装置1024。

外真空层Ⅰ1017、外真空层Ⅱ1018、内真空层Ⅰ1028、内真空层Ⅱ1029分别与真空管道系统1023连接在一起。

外冷却通道1019、内冷却通道1030分别与制冷装置1024连接在一起。

其中，外定子、内定子处于常温工作环境下。

转子超导励磁线圈支撑108、转子外超导励磁线圈109、转子内超导励磁线圈1010及转子内外超导励磁线圈之间的压装装置处于低温工作环境下。

外真空层Ⅰ1017、外真空层Ⅱ1018、外冷却通道1019具有一定的温度梯度。

内真空层Ⅰ1028、内真空层Ⅱ1029、内冷却通道1030具有一定的温度梯度。

转子超导励磁线圈支撑108由铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。

外转子超导励磁线圈压板1011、外转子超导励磁线圈压紧螺杆1012、外转子超导励磁线圈压紧螺母1013是由铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。

内转子超导励磁线圈压板1014、内转子超导励磁线圈压紧螺杆1015、内转子超导励磁线圈压紧螺母1016是由铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。

外低温容器Ⅱ107、内低温容器Ⅱ1027、前端板Ⅲ104、后端板Ⅲ1020是由铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成的。

外定子铁芯9、内定子铁芯11由常规硅钢片叠压而成。

外定子绕组8、内定子绕组13由圆铜线或扁铜线绕制而成。

转子外超导励磁线圈109、转子内超导励磁线圈1010由高温超导线材或低温超导线材绕制而成。

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 (13)

1.一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于包括机架、固定在机架上的发电机外壳、与机架固定连接的主轴、可转动的支撑在主轴上的轮毂、固定安装的外定子和内定子、以及位于内、外定子之间并与轮毂联动的超导转子。 

2.根据权利要求1所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的主轴为空心固定轴。 

3.根据权利要求1所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的主轴上安装有前、后轴承，并在前、后轴承的外环上套装空心转动轴，所述的转子通过空心转动轴与轮毂联动。 

4.根据权利要求3所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于： 

所述的外定子安装在发电机外壳内壁上，内定子通过内定子支架和后法兰固定安装； 

所述的转子一端通过转子转盘与空心转动轴固定连接，另一端通过定心轴承可转动的支撑在内定子支架上。 

5.根据权利要求3所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的前轴承与后轴承为调心轴承。 

6.根据权利要求1所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的外定子、内定子的绕组均由圆铜线或扁铜线绕制而成。 

7.一种用于权利要求1-6中任一项所述双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的转子包括转子外超导励磁线圈、转子内超导励磁线圈 和转子超导励磁线圈支撑，转子外超导励磁线圈和转子内超导励磁线圈分别固定安装于转子超导励磁线圈支撑的外侧和内侧。 

8.根据权利要求7所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的转子外超导励磁线圈和转子内超导励磁线圈由高温超导线材或低温超导线材绕制而成。 

9.根据权利要求7所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的转子超导励磁线圈支撑为凹槽式结构，同一凹槽内的转子外超导励磁线圈、转子内超导励磁线圈均由线圈压板、线圈压紧螺杆和线圈压紧螺母切向固定。 

10.根据权利要求9所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的转子超导励磁线圈支撑、线圈压板线圈压紧螺杆、压紧螺母由耐低温的材料制成。 

11.根据权利要求9所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述内、外转子超导励磁线圈压板沿转子超导励磁线圈支撑轴向方向是整长的或分段的。 

12.根据权利要求1-6中任一项所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于： 

在外定子与转子形成的第一气隙以及转子与内定子形成的第二气隙内，分别设有隔热套筒、低温容器Ⅰ、低温容器Ⅱ、三层前端板及三层后端板； 

隔热套筒分别通过安装止口与对应的前端板及后端板固定，形成真空层Ⅰ； 

低温容器Ⅰ分别通过安装止口与对应的前端板、后端板固定，形成真空层Ⅱ； 

低温容器Ⅱ分别通过安装止口与对应的前端板、后端板固定，形成内冷却通道。 

13.根据权利要求12所述的一种双气隙超导直驱风力发电机组，其特征在于：所述的低温容器Ⅰ、低温容器Ⅱ、内层前端板及内层后端板由耐低温的材料制成。 

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