CN203522438U - 直驱风力发电机冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种直驱风力发电机冷却系统。本实用新型的直驱风力发电机冷却系统，是在设置有直驱风力发电机的机舱上开设空气吸入口，机舱内部设有散热风扇收容腔，空气吸入口和散热风扇收容腔的入口通过吸入管道连通，以利用设置在散热风扇收容腔中的散热风扇从空气吸入口吸入外部空气，在空气吸入口设置空气过滤装置，散热风扇收容腔的出口朝向转子和定子中的至少一个，在相对于转子和定子位于散热风扇收容腔相反侧的机舱上开设出风口。根据本实用新型，通过将外部空气吸入到风力发电机内部，直接冷却风力发电机的关键发热部件，散热效果好。

Description

直驱风力发电机冷却系统

技术领域

本实用新型涉及风电技术领域，特别涉及一种应用于直驱风力发电机的冷却系统。 

背景技术

直驱风力发电机，是一种由风力直接驱动的发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。 

直驱风力发电机与设置有叶片的轮毂直接连接，由转轴、转子、定子等组成。转轴位于转子的中心，且与转子固定连接；转轴与轮毂固定连接，使叶片带动轮毂转动时，能够带动转轴转动，同时带动转子转动。定子相对于转子径向固定。在工作过程中，转子转动时，带动设在转子内的永久磁极转动，从而产生旋转磁场，通过旋转磁场在定子上的定子绕组中切割运动产生电动势，从而将机械能转化为电能。 

在此过程中，在转子和定子上会产生大量的热。目前直驱风力发电机散热系统一般采用空空两路循环冷却散热系统，存在部件冗杂、成本高昂、散热效率低的缺点。 

实用新型内容

鉴于上述缺点，本实用新型提出一种新型直驱风力发电机冷却系统，降低成本，提高散热效率。 

另一方面，本实用新型提供一种适合于外转子直驱风力发电机的直驱风力发电机冷却系统。直驱风力发电机分为外转子形式和内转子形式，如果是外转子形式，转子在外（称为外转子），定子在内（称为内转子）。本实用新型的直驱风力发电机冷却系统适用于这种外转子直驱风力发电机。 

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种直驱风力发电机冷却系统，在设置有直驱风力发电机的机舱上开设空气吸入口，机舱内部设有散热风扇收容腔，空气吸入口和散热风扇收容腔的入口通过吸入管道连通，以利用设置在散热风扇收容腔中的散热风扇从空气吸入口吸入外部空气，在空气吸入口设置空气过滤装置，散热风扇收容腔的出口朝向转子和定子中的至少一个，在相对于转子和定子位于散热风扇收容腔相反侧的机舱上开设出风口。 

可选地，空气过滤装置包括沿着空气流向依次设置的波形板分离器、中效过滤器和截面积逐渐变小的排出通道，排出通道与吸入管道相连。 

优选地，波形板分离器的波形板上形成倒钩。 

可选地，在出风口设置导流罩。 

优选地，导流罩沿着空气流向分为截面积不变的第一段和截面积逐渐变小的第二段，且第二段朝向外转子中心开口。 

一种直驱风力发电机冷却系统，用于冷却外转子直驱风力发电机，在设置有外转子直驱风力发电机的机舱上开设空气吸入口，机舱内部设有散热风扇收容腔，空气吸入口和散热风扇收容腔的入口通过吸入管道连通，以利用设置在散热风扇收容腔中的散热风扇从空气吸入口吸入外部空气，在空气吸入口设置空气过滤装置，在内定子端盖上形成进风口，散热风扇收容腔的出口和内定子端盖上的进风口通过送风管道连通，在外转子端盖上形成出风口。 

可选地，在外转子端盖的径向外侧区域形成与内定子和外转子之间的径向间隙相对应的通孔。 

可选地，空气过滤装置包括沿着空气流向依次设置的波形板分离器、中效过滤器和截面积逐渐变小的排出通道，排出通道与吸入管道相连。 

优选地，波形板分离器的波形板上形成倒钩。 

可选地，在外转子端盖上的出风口设置导流罩。 

优选地，导流罩沿着空气流向分为截面积不变的第一段和截面积逐渐变小的第二段，且第二段朝向外转子中心开口。 

根据本实用新型，通过将外部空气吸入到风力发电机内部，直接冷却风力发电机的关键发热部件，散热效果更好，同时省掉了传统空空双回路循环的散热器以及连接附件，使散热系统更加简单可靠，成本降低。而且，通过自然风冷与强制风冷的结合，使风力发电机的冷却效率更高。而且，利用空 气过滤装置有效处理外部空气，防止对机舱内部的部件造成损害。而且，对空气过滤装置进行模块化设计，从而能够适应外界各种环境。 

附图说明

图1a为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机中内定子和外转子的结合状态示意图（从内定子侧观察）； 

图1b为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机中内定子和外转子的结合状态立体示意图（从外转子侧观察）； 

图1c为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机中外转子的主视图； 

图2为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机组的示意图； 

图3为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统的示意图； 

图4a为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统的导流罩的立体图； 

图4b为图4a所示导流罩的剖面图； 

图5a为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统的空气过滤装置的主视图； 

图5b为图5a所示空气过滤装置的俯视图； 

图5c为图5b所示空气过滤装置中的波形板分离器的内部结构图。 

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本实用新型的实施例。 

直驱风力发电机分为外转子形式和内转子形式，如果是外转子形式（外转子直驱风力发电机），转子在外（称为外转子），定子在内（称为内定子），如果是内转子形式（内转子直驱风力发电机），转子在内（称为内转子），定子在外（称为外定子）。下面以外转子直驱风力发电机为例说明本实用新型。 

根据本实用新型，将外部空气吸入到风力发电机内部，直接对风力发电机的核心部件（转子、定子等）进行冷却，已取得更好的散热效果。为此，首先需要对定子和转子结构进行改动。 

图1a为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机中内定子和外转子的结合状态示意图（从内定子侧观察）。 

如图1a所示，外转子20如同一个“桶”套在内定子10外侧。外转子 20一般由导磁良好的铁质材料制成，在“桶”的内壁固定有永久磁铁做成的磁极（图中未示出），“桶”就是外转子的磁轭23。内定子10和外转子20之间具有预定的径向间隙。在内定子10的中央固定连接底座30，该底座30用于安装外转子20的转轴，以支撑外转子20进行旋转。具体地，根据本实用新型实施例的内定子10具有内定子端盖11，组成内定子10的铁芯、线圈等结合于该内定子端盖11，前述底座30也结合于该内定子端盖11。内定子端盖11上形成进风口12，以向直驱风力发电机内部引入外部空气，进行冷却。进风口12应避开底座30设置，其数量可以根据需要适当选取，图1a中示出的是两个，但显然不限于此。 

图1b为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机中内定子和外转子的结合状态立体示意图（从外转子侧观察），图1c为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机中外转子的主视图。 

如图1b和图1c所示，外转子20外观呈瓶盖状，圆筒状部分为上文描述的磁轭23，“瓶盖”的顶面部分为外转子端盖21。外转子端盖21用于结合轮毂（未图示）。在此，为了便于说明，在附图中没有示出外转子21的转轴，其位于外转子20的中心。在外转子端盖21上形成出风口22，以使得通过上述的进风口12被导入的空气在吸收热量变成热气之后重新返回风力发电机外部。出风口22应避开轮毂的安装位置而设置，其数量可以根据需要适当选取，图1b中示出的是八个，但显然不限于此。 

另外，优选地外转子端盖21具有外圈211和内圈212，外圈211和内圈212之间通过加强筋板24相连接。由此，在外圈211和内圈212之间形成通孔25。在最终装配状态下，通孔25与内定子10和外转子20之间的径向间隙相对应，以形成后述的自然风冷通风道。 

下面说明根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统的整体情况。图2为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机组的整体示意图，图3为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统的整体示意图。 

如图2和3所示，9为设置在机舱200下部的空气吸入口，1为空气过滤装置，2为空气过滤装置与散热风扇收容腔之间的连接管道（以下，称为吸入管道），3为散热风扇收容腔，4为自然风冷通风道，5为导流罩，6为导流罩出口，7为叶片，8为轮毂。散热风扇收容腔3设置在机舱200内部，安装有散热风扇31，散热风扇31可以为轴流风机或离心风机。散热风扇31使空 气从空气过滤装置1吸入系统，进而对电机冷却。图2中的符号100表示塔架。 

从散热风扇31吹出的空气气流通过送风管道30进入内定子端盖11上的进风口12，并在内定子10和外转子20之间流动之后从外转子20的出风口22排出。优选地，在出风口22设置导流罩5，设置导流罩5的目的是使热空气从电机中吹出时，不受迎风风压影响，顺畅的从电机中吹出。导流罩5的一种可选的形状如图4a和4b所示。该导流罩5沿着空气流向分为截面积不变的第一段51和截面积逐渐变小的第二段52，且第二段52形成朝向外转子20中心的导流罩出口6。 

上述的自然风冷通风道4由外转子端盖21上的通孔25和外转子20和内转子10之间的径向间隙所构成，作用于叶片7上的气流通过外转子端盖21上的通孔25进入到外转子20和内转子10之间的径向间隙，并从另一侧的径向间隙流出，由此可以对外转子20和内转子10进行冷却。 

根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统，当外界环境温度较低时，可以仅依靠自然风冷对电机进行冷却，即通过吹入自然风冷通风道4的风来进行冷却。仅依靠自然风冷无法进行有效冷却时，可以打开散热风扇31，进行强制风冷，与自然风冷联合作用。 

根据另一变形实施例，可以省略自然风冷通风道4，即不在外转子端盖21上形成通孔25，只依靠利用散热风扇3从外部吸入到直驱风力发电机内部的空气进行冷却。此时，可以尽可能避免风力发电机内部的部件暴露在外部。 

另一方面，随着风力发电机的发展，越来越多的风力发电机需要建立在高风沙和高湿度高盐雾地区。针对这种应用场景，本实用新型的空气过滤装置1可采用如下结构。当然，本实用新型的空气过滤装置1不限于以下说明的具体结构，可以根据需要适当选用。而且，当外部环境较佳时，也可以在空气吸入口9仅设置过滤网。 

图5a为根据本实用新型实施例的直驱风力发电机冷却系统的空气过滤装置的主视图，图5b为图5a所示空气过滤装置的俯视图，图5c为图5b所示空气过滤装置中的波形板分离器的内部结构图。 

如图5a至图5c所示，空气过滤装置1主要由波形板分离器101、中效过滤器102、排出通道103这三部分组成，排出通道103与吸入管道2相连。 

波形板分离器101顾名思义是由并排的波形板104构成，当含有湿气和 雾气的空气在波形板104构成的通道内作曲线运动时，在离心力、惯性力及附着力的作用下，空气中的水滴和液滴将附在波形板上并形成膜，然后由于重力向下流动，由此可将水分或其他液体成分从气流中分离出来。而在高风沙地区，基于相同的原理，空气中的灰尘和沙砾也能够被分离出来，使之不能进入风力发电机冷却系统。 

优选地，在波形板104上表面形成倒钩105，倒钩105增大空气中液滴被吸附的几率，以提高分离效率，具体结构如图5c所示。 

中效过滤器可采用F9中效过滤器。 

排出通道103采用截面逐渐变小的形状，优选采用图5a所示梯形，这是为了减小压力损失，而且也便于设计加工。另外，图5a中的符号109表示进风面，110表示用于排出经处理的空气的出风口。 

根据上述结构，波形板分离器101负责过滤细小液体颗粒和固体颗粒，中效过滤器102负责过滤更加细小液体颗粒和固体颗粒。即，波形板分离器101完成初级过滤，中效过滤器102进行深层过滤。 

据此，在高风沙地区，空气过滤装置1对空气中的灰尘和沙砾进行处理，使之不能进入风力发电机的冷却系统；在高湿度和高盐雾地区，空气过滤装置1对空气中的盐雾雾滴、水颗粒、以及一些固体颗粒进行处理，使其不能进入风力发电机的冷却系统。 

另外，在空气过滤装置1上可安装有压力传感器，压力传感器有两个测压管，分别安装在空气进口和空气出口，从而测量两者之差，得到压差值。当压差值超过设定值时，需要更换中效过滤器102，且波形板分离器101需要清洗，以保持充足的散热通风量。 

空气过滤装置1可以采用模块化设计，以针对不同环境安装不同的空气过滤装置。例如高风沙地区，安装风沙型空气过滤装置，高盐雾和高湿度区，安装除雾型空气过滤装置。 

而且，当机组处于高盐雾和高湿度地区时，可增加波形板的数量以调高过滤效率。当机组处于高风沙地区可以适当减小波形板的数量，以适合高风沙地区的气候特点。当机组处在高盐雾和高湿度地区时，波形板分离器需要分离空气中的液滴，由于液滴很小，需要增加波形板的数量，使之间隙变小，提高分离效率。当机组处于高风沙地区时，这时需要分离的是空气的沙砾和尘埃，这些颗粒的粒径比液滴要大一些，所以可以适当调高波形板的间隙， 减小波形板的数量。 

根据本实用新型的直驱风力发电机冷却系统，在进行强制风冷时，外部冷空气首先由散热风扇31吸入空气过滤装置1进行处理，处理后的冷空气经过管道直接送入电机发热的核心部件。冷空气进入后进行空气对流换热，换热后的空气经过出风口22排出到外部。 

根据本实用新型的直驱风力发电机冷却系统，可以具有自然风冷和强制风冷两种模式。当外界环境较低时，靠自然风冷能够满足散热条件，可以关闭强制风冷系统，以节约耗电量。当外界环境温度较高或者机组长期处于大功率运行状态时，强制风冷系统打开，使得强制风冷和自然风冷联合作用。 

作为本实用新型的另一实施例，从散热风扇吹出的空气也可以直接吹到风力发电机发热的核心部件。也就是说，可以省略上述的送风管道、内定子端盖、外转子端盖、自然风冷通风道等，只是在现有的直驱风力发电机的机舱增设空气吸入口、吸入管道、散热风扇收容腔，从散热风扇收容腔吹出来的空气直接被喷到定子或转子的发热区域。此时，可以在机舱的适当区域设置出风口，以排出吸收热量后的空气，例如可在相对于转子和定子位于散热风扇收容腔相反侧的机舱上开设出风口。而且，出风口可以设置上述的导流罩，空气吸入口可以设置上述的依次设置波形板分离器、中效过滤器和排出通道的空气过滤装置。 

根据该另一实施例的冷却系统，显然不只适用于外转子直驱风力发电机，也可适用于内转子直驱风力发电机，或其他各种形式的直驱风力发电机。 

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，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以权利要求的保护范围为准。 

Claims (11)

1.一种直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，在设置有直驱风力发电机的机舱上开设空气吸入口，机舱内部设有散热风扇收容腔，空气吸入口和散热风扇收容腔的入口通过吸入管道连通，以利用设置在散热风扇收容腔中的散热风扇从空气吸入口吸入外部空气，在空气吸入口设置空气过滤装置，散热风扇收容腔的出口朝向转子和定子中的至少一个，在相对于转子和定子位于散热风扇收容腔相反侧的机舱上开设出风口。

2.如权利要求1所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，空气过滤装置包括沿着空气流向依次设置的波形板分离器、中效过滤器和截面积逐渐变小的排出通道，排出通道与吸入管道相连。

3.如权利要求2所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，波形板分离器的波形板上形成倒钩。

4.如权利要求1所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，在出风口设置导流罩。

5.如权利要求4所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，导流罩沿着空气流向分为截面积不变的第一段和截面积逐渐变小的第二段，且第二段朝向外转子中心开口。

6.一种直驱风力发电机冷却系统，用于冷却外转子直驱风力发电机，其特征在于，在设置有外转子直驱风力发电机的机舱上开设空气吸入口，机舱内部设有散热风扇收容腔，空气吸入口和散热风扇收容腔的入口通过吸入管道连通，以利用设置在散热风扇收容腔中的散热风扇从空气吸入口吸入外部空气，在空气吸入口设置空气过滤装置，在内定子端盖上形成进风口，散热风扇收容腔的出口和内定子端盖上的进风口通过送风管道连通，在外转子端盖上形成出风口。

7.如权利要求6所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，在外转子端盖的径向外侧区域形成与内定子和外转子之间的径向间隙相对应的通孔。

8.如权利要求6所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，空气过滤装置包括沿着空气流向依次设置的波形板分离器、中效过滤器和截面积逐渐变小的排出通道，排出通道与吸入管道相连。

9.如权利要求8所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，波形板分离器的波形板上形成倒钩。

10.如权利要求6所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，在外转子端盖上的出风口设置导流罩。

11.如权利要求10所述的直驱风力发电机冷却系统，其特征在于，导流罩沿着空气流向分为截面积不变的第一段和截面积逐渐变小的第二段，且第二段朝向外转子中心开口。

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