CN203352412U - 一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机，包括轮毂、转子、定子、固定轴、机架，所述机架与固定轴连接，轮毂与转子联动，转子与定子之间形成气隙，所述轮毂与固定轴之间采用一个主轴承的单轴承传动形式，所述主轴承的内环固定在固定轴上，所述主轴承的外环与轮毂及转子联动；所述定子包括定子铁芯、线圈支撑、超导定子线圈和低温容器，其中，超导定子线圈固定在线圈支撑上，超导定子线圈和线圈支撑安装在低温容器的封闭空间内，低温容器和线圈支撑通过绝热螺钉与定子铁芯固定连接。本实用新型的风力发电机，可简化直驱风机的整机结构，降低风机整机重量与成本，同时使定子铁芯临界温度下能够正常工作且线圈支撑能保护超导定子线圈。

Description

一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机

技术领域

本实用新型涉及风电技术领域，特别是涉及一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机。

背景技术

在直驱风力发电机技术领域，随着直驱发电机的容量越来越大，其体积与重量也随之增大，传统的直驱发电机如直驱永磁发电机、直驱电励磁发电机以及直驱开关磁阻风力发电机等体积大、重量大、造价高，已经不能满足大型直驱风力发电机组特别是超大型直驱风力发电机组的技术需求。

针对上述问题，国内外一些风机制造商都在探索大型直驱风力发电机特别是超大型直驱风力发电机的新技术路线。普遍地，超导发电机被认为是未来应用于大型直驱风电的一种趋势。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，超导开关磁阻电机在直驱风力发电领域的优势将会逐渐得以体现。

超导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，定子上设有超导集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体，与传统的电机相比，超导开关磁阻电机具有容错能力强、组合起动与发电容易、容量大、体积小、重量轻、效率高、可高功率密度运行等优点。

直驱超导开关磁阻风力发电机的定子的超导线圈是由脆性超导材料制成的，而且必须冷却到临界温度或以下以实现和维持超导性。由硅钢片叠成或铁加工成的定子铁芯由于在低温下变脆而不能用于定子磁路中。

超导开关磁阻发电机定子铁芯的气隙磁场大约为2特斯拉时饱和，若超导定子采用空气芯设计，在定子中，没有导磁的定子铁芯，可以达到3特斯拉或更高的气隙磁场。高气隙磁场提高了电机的能量密度，使电机的重量和尺寸大大减小。空气芯超导体定子需要大量的超导线材，从而增加了所需的线圈匝数、线圈支撑的复杂程度以及超导线圈和定子的生产成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机，可简化直驱风机的整机结构，降低风机整机重量与成本，同时使定子铁芯临界温度下能够正常工作且线圈支撑能保护超导定子线圈，从而克服现有的超导定子铁芯临界温度下易开裂疲劳的不足。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机，包括轮毂、转子、定子、固定轴、机架，所述机架与固定轴连接，轮毂与转子联动，转子与定子之间形成气隙，所述轮毂与固定轴之间采用一个主轴承的单轴承传动形式，所述主轴承的内环固定在固定轴上，所述主轴承的外环与轮毂及转子联动；所述定子包括定子铁芯、线圈支撑、超导定子线圈和低温容器，其中，超导定子线圈固定在线圈支撑上，超导定子线圈和线圈支撑安装在低温容器的封闭空间内，低温容器和线圈支撑通过绝热螺钉与定子铁芯固定连接。

进一步地，所述定子有两个，分别为内定子及外定子，所述转子位于内、外定子中间，形成双气隙结构。

进一步地，所述的低温容器在连接绝热螺钉的通孔处装有密封垫，并在所述的绝热螺钉上套有绝热套管。

进一步地，所述的低温容器由低温容器Ⅰ及低温容器Ⅱ两部分拼接组成，分别安装在线圈支撑的外侧和内侧。

进一步地，所述线圈支撑、低温容器均由耐低温的非磁性材料制成。

进一步地，所述固定轴为空心固定轴。

进一步地，所述主轴承为双列圆锥滚子轴承。

进一步地，所述主轴承的外环通过转子转盘与轮毂及转子联动，其中，所述转子转盘一端与轮毂固定连接，另一端与转子前端固定连接，且所述主轴承的外环与转子转盘固定连接。

进一步地，所述定子有两个，分别为内定子及外定子，所述转子位于内、外定子中间，所述风力发电机还包括发电机外壳，前法兰、后法兰和内定子支架，所述发电机外壳两端分别与前法兰、后法兰紧固连接；所述外定子安装于发电机外壳的内环上；所述内定子套装于内定子支架上；所述内定子支架与后法兰连接，所述后法兰与固定轴连接。

进一步地，所述转子采用扁平型结构，所述转子的后端无定心轴承机构。

由于采用上述技术方案，本实用新型至少具有以下优点：

（1）由于在整机的传动方式上采用单轴承固定轴支撑结构，简化了直驱风电机组整机的结构，降低了整机装配难度和工艺要求。同时，由于采用绝热套管及绝热螺钉将定子铁芯与超导定子线圈绝热隔离，避免了定子铁芯在低温下不能导磁的现象。

（2）由于采用特殊的内、外超导线圈定子结构，既可克服超导定子空气芯的缺点，又保证超导线圈支撑在超导定子中、工作在临界温度下，并保护超导线圈不会裂开、疲劳或断裂。

（3）由于采用双气隙结构的直驱超导开关磁阻发电机，进一步降低了直驱超导开关磁阻发电机的体积与重量。

（4）由于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。

（5）由于整机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。

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是本实用新型的大型直驱超导开关磁阻风力发电机的总体结构示意图。

图2是本实用新型的大型直驱超导开关磁阻风力发电机的超导线圈定子结构示意图。

图3是图2的A-A向剖视图。

图4是图2中Ⅰ处的局部放大示意图。

图5是图2中Ⅱ处的局部放大示意图。

具体实施方式

本实用新型的一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机可采用单定子、单转子的单气隙结构形式，也可采用内、外定子、中间转子的双气隙结构形式。下面仅以双气隙结构形式为例对本实用新型进行详细说明。

请参阅图1所示，图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和螺母。本实用新型的一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机，包括轮毂1、外定子7、转子8、内定子9、固定轴16、机架17，机架17与固定轴16连接，轮毂1与转子8联动，转子8位于内、外定子9、7之间，形成双气隙结构，轮毂1与固定轴16之间采用一个主轴承3的单轴承传动形式，主轴承3的内环固定在固定轴16上，主轴承3的外环与轮毂1及转子8联动。

其中，外定子7的具体结构可参阅2、3、4所示，包括外定子铁芯71、外定子线圈支撑72、外定子超导定子线圈73和外定子低温容器，外定子低温容器可由外定子低温容器Ⅰ74及外定子低温容器Ⅱ75两部分拼接组成，分别安装在外定子线圈支撑72的外侧和内侧。其中，外定子超导线圈73缠绕固定于外定子线圈支撑72上；外定子超导线圈73和外定子线圈支撑72安装在外定子低温容器的封闭空间内，外定子低温容器和外定子线圈支撑72通过外定子绝热螺钉76与外定子铁芯71固定连接。一定数量的外定子绝热螺钉76穿过外定子铁芯71与外定子线圈支撑72紧固连接。

优选地，外定子低温容器在连接外定子绝热螺钉76的通孔处装有外定子密封垫78，并在所述的外定子绝热螺钉76上套有外定子绝热套管77。外定子绝热套管77位于外定子铁芯71的定子槽内；外定子密封垫78穿过低温容器Ⅱ75，并套装于外定子绝热套管77的止口上。

内定子9的具体结构可参阅2、3、5所示，包括内定子铁芯91、内定子线圈支撑92、内定子超导定子线圈93和内定子低温容器，内定子低温容器可由内定子低温容器Ⅰ94及内定子低温容器Ⅱ95两部分拼接组成，分别安装在内定子线圈支撑的外侧和内侧。其中，内定子超导线圈93缠绕固定于内定子线圈支撑92上；内定子超导线圈93和内定子线圈支撑92安装在内定子低温容器的封闭空间内，内定子低温容器和内定子线圈支撑92通过内定子绝热螺钉96与内定子铁芯91固定连接。一定数量的内定子绝热螺钉96穿过内定子铁芯91与内定子线圈支撑92紧固连接。

优选地，内定子低温容器在连接内定子绝热螺钉96的通孔处装有内定子密封垫98，并在所述的内定子绝热螺钉96上套有内定子绝热套管99。内定子绝热套管97位于内定子铁芯91的定子槽内；内定子密封垫98穿过低温容器Ⅱ95，并套装于内定子绝热套管97的止口上。

外定子线圈支撑72与内定子线圈支撑92由非磁性材料如铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。

外定子绝热套管77、内定子绝热套管97、外定子绝热螺钉76、内定子绝热螺钉96是由绝热材料制成的。绝热材料制成的外定子绝热套管77与外定子绝热螺钉76使外定子铁芯71、外定子线圈支撑72绝热；绝热材料制成的内定子绝热套管97与内定子绝热螺钉96使内定子铁芯91与内定子线圈支撑92绝热。

外定子低温容器Ⅰ74、外定子低温容器Ⅱ75以及内定子低温容器Ⅰ94、内定子低温容器Ⅱ95用非磁性材料如铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。

外定子超导线圈73、内定子超导线圈93由高温超导导线或低温超导导线绕制而成。

请继续参阅图1所示，本实用新型的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，为进一步减轻重量，固定轴16设置为空心固定轴。

主轴承3为双列圆锥滚子轴承（鹦鹉螺轴承），其内环套装于空心固定轴16的安装止口上，经紧固螺栓与固定轴16紧固连接。

主轴承3的外环通过转子转盘2与轮毂1及转子8联动，其中，转子转盘2套装于主轴承3的外环上；主轴承后端盖4设置于主轴承3的后侧，用于压紧主轴承3。主轴承后端盖4、主轴承3的外环及转子转盘2经紧固螺栓紧固连接在一起。转子转盘2套装于轮毂1的安装止口上，经紧固螺栓与轮毂1紧固连接。

转子8设置于内定子9与外定子7之间，转子8的前端、转子转盘2经安装止口与紧固螺栓紧固连接，考虑到转子8的后端（悬浮端）与内、外定子的同心要求，转子8采用轴向长度较短的扁平型大直径结构，转子8的后端无定心轴承机构，结构简单可靠。

进一步地，本实用新型的大型直驱超导开关磁阻风力发电机还包括发电机外壳6、前法兰5、后法兰11和内定子支架10，发电机外壳6两端分别与前法兰5、后法兰11紧固连接；外定子7安装于发电机外壳6的内环上；内定子9套装于内定子支架10上；内定子支架10与后法兰11连接，后法兰11与固定轴16连接。

进一步地，本实用新型的大型直驱超导开关磁阻风力发电机还包括刹车盘13、制动装置12和转子锁15，刹车盘13与固定轴16紧固连接，制动装置12安装于刹车盘13的后侧，转子锁15通过转子锁固定支架14安装于刹车盘13的前侧。

此外，轮毂1的止口槽内设置有滑环支架19，滑环支架19上安装有滑环装配18；机架17的外侧还安装有轻质材料的机舱罩（图1中未示出），以进一步减轻重量，如采用玻璃钢材料的机舱罩。

本实用新型的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，采用单轴承固定轴支撑的传动方式，采用双气隙结构的直驱超导开关磁阻发电机，采用可靠的超导线圈定子结构，大大降低了直驱风机整机的重量与成本，同时大大降低了风机整机的结构难度、装配难度及工艺要求，提高了整机的运行效率和可靠性。

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)

1.一种大型直驱超导开关磁阻风力发电机，包括轮毂、转子、定子、固定轴、机架，所述机架与固定轴连接，轮毂与转子联动，转子与定子之间形成气隙，其特征在于，所述轮毂与固定轴之间采用一个主轴承的单轴承传动形式，所述主轴承的内环固定在固定轴上，所述主轴承的外环与轮毂及转子联动；

所述定子包括定子铁芯、线圈支撑、超导定子线圈和低温容器，其中，超导定子线圈固定在线圈支撑上，超导定子线圈和线圈支撑安装在低温容器的封闭空间内，低温容器和线圈支撑通过绝热螺钉与定子铁芯固定连接。

2.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述定子有两个，分别为内定子及外定子，所述转子位于内、外定子中间，形成双气隙结构。

3.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述的低温容器在连接绝热螺钉的通孔处装有密封垫，并在所述的绝热螺钉上套有绝热套管。

4.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述的低温容器由低温容器Ⅰ及低温容器Ⅱ两部分拼接组成，分别安装在线圈支撑的外侧和内侧。

5.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述线圈支撑、低温容器均由耐低温的非磁性材料制成。

6.根据权利要求1所述的大型直驱超导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。

7.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述主轴承为双列圆锥滚子轴承。

8.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述主轴承的外环通过转子转盘与轮毂及转子联动，其中，所述转子转盘一端与轮毂固定连接，另一端与转子前端固定连接，且所述主轴承的外环与转子转盘固定连接。

9.根据权利要求8所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述定子有两个，分别为内定子及外定子，所述转子位于内、外定子中间，所述风力发电机还包括发电机外壳，前法兰、后法兰和内定子支架，所述发电机外壳两端分别与前法兰、后法兰紧固连接；所述外定子安装于发电机外壳的内环上；所述内定子套装于内定子支架上；所述内定子支架与后法兰连接，所述后法兰与固定轴连接。

10.根据权利要求1所述的大型直驱超导开关磁阻风力发电机，其特征在于，所述转子采用扁平型结构，所述转子的后端无定心轴承机构。

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