CN210839213U - 双层直驱型风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电技术领域，公开了一种双层直驱型风力发电机。该发电机包括内层发电机结构、外层发电机结构、内层磁悬浮轴承、外层磁悬浮轴承和机械轴承，内层发电机结构包括内定子和外转子，外层发电机结构包括外定子和内转子，内层磁悬浮轴承包括内层电磁铁和内层衔铁，外层磁悬浮轴承包括外层电磁铁和外层衔铁，内层磁悬浮轴承和外层磁悬浮轴承均与机械轴承耦合以共同支撑发电机主轴，内层电磁铁和内层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力，外层电磁铁和外层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力。由此，可以提高发电机的发电能力，同时能够抵消不平衡磁拉力，解决双层发电机动轴和定轴在远离固定约束端的径向偏移较大的问题。

Description

双层直驱型风力发电机

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种双层直驱型风力发电机。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械功并带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机可以分为双馈型和直驱型两种类型。相比于双馈型风力发电机，直驱型风力发电机将电机与叶轮直接连接进行驱动，省去了齿轮箱等传统部件。直驱型风力发电机使用直接驱动能量的优势省略了双馈型风力发电机系统中的变速箱结构，减少了发电机传动部件的数量，降低了磨损速度。由于齿轮箱是兆瓦级风力发电机中易过载和过早损坏的部件，因此没有齿轮箱的直驱式风力发动机在低风速时具备高效率、低噪音、高寿命、机组体积小、运行维护成本低等诸多优点。

传统直驱型风力发电机为单层结构，分为动轴和定轴两部分。动轴呈“杯”形结构，发电机的永磁体固定安装在动轴内侧面，定子线圈固定在定轴上。

然而，发电机的动轴仅一侧通过机械轴承与定轴相连接，而另一侧为悬臂结构。这种结构设计存在发电机转子远离支撑端刚度较小的问题。由于发电机定转子加工和装配误差、转子主轴弯曲、轴承磨损或者转子不平衡时，可能会出现气隙偏心现象。当发电机运行时，由于发电机不平衡磁拉力的作用，发电机动轴的偏心故障会加剧，引起发电机的动轴发生形变，导致发电机组的噪声和振动，加快轴承磨损，并减少发电机的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型提供了一种双层直驱型风力发电机，能够解决现有技术中发电机定转子之间气隙偏心大、发电机使用寿命短的技术问题。

本实用新型提供了一种双层直驱型风力发电机，其中，该发电机包括内层发电机结构、外层发电机结构、内层磁悬浮轴承、外层磁悬浮轴承和机械轴承，所述内层发电机结构包括设置在定轴的内侧分支上的内定子和设置在动轴的外侧分支上与所述内定子对应的外转子，所述外层发电机结构包括设置在所述定轴的外侧分支上的外定子和设置在所述动轴的外侧分支上与所述外定子对应的内转子，所述内层磁悬浮轴承包括设置在所述定轴的内侧分支上的内层电磁铁和设置在所述动轴的外侧分支上与内层电磁铁对应的内层衔铁，所述外层磁悬浮轴承包括设置在所述定轴的外侧分支上的外层电磁铁和设置在所述动轴的外侧分支上与外层电磁铁对应的外层衔铁，所述内层磁悬浮轴承和所述外层磁悬浮轴承均与所述机械轴承耦合以共同支撑发电机主轴，所述内层电磁铁和所述内层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力，所述外层电磁铁和所述外层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力。

优选地，所述内层磁悬浮轴承设置在所述内层发电机结构的远离固定端位置处，所述外层磁悬浮轴承设置在所述外层发电机结构的远离固定端位置处。

优选地，所述内层电磁铁和所述外层电磁铁上分别设置有电磁线圈。

优选地，所述机械轴承的内圈固定在所述动轴的内侧分支上，所述机械轴承的外圈固定在所述定轴的内侧分支上，所述动轴与风机叶片连接，所述定轴与塔筒连接。

优选地，所述机械轴承为滚动轴承。

优选地，该双层直驱型风力发电机还包括检测装置、控制器和功率放大器，其中，所述检测装置检测发电机转子的位置并将位置信号输出至所述控制器，所述控制器根据所述位置信号计算对应电磁铁的电流值并输出至所述功率放大器，所述功率放大器根据所述电流值输出对应电流至对应电磁铁的电磁线圈，以调节对应电磁铁的电磁力大小。

优选地，所述检测装置为位移传感器。

优选地，内层电磁铁产生的最大电磁力大于所述内层发电机结构的最大不平衡磁拉力，外层电磁铁产生的最大电磁力大于所述外层发电机结构的最大不平衡磁拉力。

通过上述技术方案，可以设置内外两层发电机以及内外两层磁悬浮轴承，通过内外层发电机同时发电，可以提高发电机的发电能力，增加发电收益；通过内外层磁悬浮轴承能够为发电机动轴提供柔性支撑(辅助支撑发电机转子)，抵消不平衡磁拉力，解决双层发电机动轴和定轴在远离固定约束端的径向偏移较大的问题(即，降低发电机定转子之间的径向偏移，减小定转子之间的径向间隙)，降低磁悬浮轴承的振动，提高机械轴承的使用寿命，提高双层发电机整机的结构刚度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本实用新型实施例的一种双层直驱型风力发电机的结构示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的一种内层磁悬浮轴承结构示意图；

图3示出了根据本实用新型实施例的一种外层磁悬浮轴承结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本实用新型实施例的一种双层直驱型风力发电机的结构示意图。

图2示出了根据本实用新型实施例的一种内层磁悬浮轴承结构示意图。

图3示出了根据本实用新型实施例的一种外层磁悬浮轴承结构示意图。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种双层直驱型风力发电机，其中，该发电机可以包括内层发电机结构1、外层发电机结构2、内层磁悬浮轴承3、外层磁悬浮轴承4和机械轴承5，所述内层发电机结构1包括设置在定轴7的内侧分支上的内定子和设置在动轴6的外侧分支上与所述内定子对应的外转子，所述外层发电机结构2包括设置在所述定轴7的外侧分支上的外定子和设置在所述动轴6的外侧分支上与所述外定子对应的内转子，所述内层磁悬浮轴承3包括设置在所述定轴7的内侧分支上的内层电磁铁(内磁悬浮轴承定子)和设置在所述动轴6的外侧分支上与内层电磁铁对应的内层衔铁(外磁悬浮轴承转子)，所述外层磁悬浮轴承4包括设置在所述定轴7的外侧分支上的外层电磁铁(外磁悬浮轴承定子)和设置在所述动轴6的外侧分支上与外层电磁铁对应的外层衔铁(内磁悬浮轴承转子)，所述内层磁悬浮轴承3和所述外层磁悬浮轴承4均与所述机械轴承5耦合以共同支撑发电机主轴，所述内层电磁铁和所述内层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力，所述外层电磁铁和所述外层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力。

也就是，内层发电机结构1为内定子、外转子结构，外层发电机结构2为内转子、外定子结构，两层发电机结构的转子部分共同安装在一个动轴结构上。内层磁悬浮轴承3为内磁悬浮轴承定子、外磁悬浮轴承转子结构(如图2所示)，外层磁悬浮轴承4为内磁悬浮轴承转子、外磁悬浮轴承定子结构(如图3所示)，两层磁悬浮轴承的转子部分共同安装在一个动轴结构上。

其中，内层磁悬浮轴承3和外层磁悬浮轴承4均为主动磁悬浮轴承。

通过上述技术方案，可以设置内外两层发电机以及内外两层磁悬浮轴承，通过内外层发电机同时发电，可以提高发电机的发电能力，增加发电收益；通过内外层磁悬浮轴承能够为发电机动轴提供柔性支撑(辅助支撑发电机转子)，抵消不平衡磁拉力，解决双层发电机动轴和定轴在远离固定约束端的径向偏移较大的问题(即，降低发电机定转子之间的径向偏移，减小定转子之间的径向间隙)，降低磁悬浮轴承的振动，提高机械轴承的使用寿命，提高双层发电机整机的结构刚度。

此外，由于磁悬浮轴承不会与轴直接接触，所以避免了金属之间的磨损，能够解决发电机高速运转而给发电机轴承带来的磨损和噪音，由此可以延长发电机的使用寿命。

根据本实用新型一种实施例，所述内层磁悬浮轴承3可以设置在所述内层发电机结构1的远离固定端位置处，所述外层磁悬浮轴承4可以设置在所述外层发电机结构2的远离固定端位置处。

也就是，内层磁悬浮轴承设置在内层发电机的与固定端相距一定距离的位置，外层磁悬浮轴承设置在内层发电机的与固定端相距一定距离的位置，例如如图1中所示的内层发电机和外层发电机右侧。

本领域技术人员应当理解，图1所示内容仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型。

根据本实用新型一种实施例，所述内层电磁铁和所述外层电磁铁上分别可以设置有电磁线圈。

根据本实用新型一种实施例，所述机械轴承的内圈可以固定在所述动轴6的内侧分支上，所述机械轴承的外圈可以固定在所述定轴7的内侧分支上，所述动轴6可以与风机叶片连接，所述定轴7可以与塔筒连接。

根据本实用新型一种实施例，所述机械轴承5可以为滚动轴承。

本领域技术人员应当理解，上述的滚动轴承仅仅是一种示例，本实用新型不限于此。

根据本实用新型一种实施例，该双层直驱型风力发电机还可以包括检测装置8、控制器9和功率放大器10，其中，所述检测装置8可以检测发电机转子的位置并将位置信号输出至所述控制器9，所述控制器9可以根据所述位置信号计算对应电磁铁的电流值并输出至所述功率放大器10，所述功率放大器10可以根据所述电流值输出对应电流至对应电磁铁的电磁线圈(也就是，可以为电磁铁提供产生电磁力所需的电流)，以调节对应电磁铁的电磁力大小。

其中，检测装置检测发电机转子的位置可以包括检测内层发电机结构的外转子的位置和检测外层发电机结构的内转子的位置。相应地，可以根据外转子的位置调节与其对应的电磁铁；同样地，可以根据内转子的位置调节与其对应的电磁铁。

也就是，可以通过反馈控制方式实时调节电磁铁中的电流以实现电磁铁的电磁力大小的调整，从而能够实时保证电磁力的大小与发电机偏心磁拉力的大小相等，方向相反。

其中，控制器根据位置信号计算对应电磁铁产生电磁力所需的电流值的控制算法可以为现有技术中任何适当的算法，为了不混淆本实用新型，本实用新型在此不再赘述。

其中，举例来讲，控制器9可以为DSP、FPGA等，但本实用新型不限于此。

根据本实用新型一种实施例，所述检测装置可以8为位移传感器。

根据本实用新型一种实施例，所述内层电磁铁产生的最大电磁力大于所述内层发电机结构1的最大不平衡磁拉力，所述外层电磁铁产生的最大电磁力大于所述外层发电机结构2的最大不平衡磁拉力。

由此，可以确保磁悬浮轴承将发电机转子约束在动轴与定轴的气隙内，不会因为不平衡磁拉力的作用而导致动轴发生明显的径向偏移现象。即，可以更好地确保磁轴承可以将发电机的转子拉回至平衡位置。

从上述实施例可以看出，本实用新型上述实施例描述的双层直驱型风力发电机在动轴改变最小的情况下最大程度上提高发电机的发电能力，增加发电收益；通过内外磁悬浮轴承克服发电机系统的不平衡磁拉力，降低了发电机不平衡磁拉力对动轴与定轴之间径向偏移量的影响，从而可以提高风力发电机的效率，降低磁悬浮轴承的振动，延长发电机和机械轴承的使用寿命。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双层直驱型风力发电机，其特征在于，该发电机包括内层发电机结构(1)、外层发电机结构(2)、内层磁悬浮轴承(3)、外层磁悬浮轴承(4)和机械轴承(5)，所述内层发电机结构(1)包括设置在定轴(7)的内侧分支上的内定子和设置在动轴(6)的外侧分支上与所述内定子对应的外转子，所述外层发电机结构(2)包括设置在所述定轴(7)的外侧分支上的外定子和设置在所述动轴(6)的外侧分支上与所述外定子对应的内转子，所述内层磁悬浮轴承(3)包括设置在所述定轴(7)的内侧分支上的内层电磁铁和设置在所述动轴(6)的外侧分支上与内层电磁铁对应的内层衔铁，所述外层磁悬浮轴承(4)包括设置在所述定轴(7)的外侧分支上的外层电磁铁和设置在所述动轴(6)的外侧分支上与外层电磁铁对应的外层衔铁，所述内层磁悬浮轴承(3)和所述外层磁悬浮轴承(4)均与所述机械轴承(5)耦合以共同支撑发电机主轴，所述内层电磁铁和所述内层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力，所述外层电磁铁和所述外层衔铁配合形成轴承磁回路并产生电磁力。

2.根据权利要求1所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，所述内层磁悬浮轴承(3)设置在所述内层发电机结构(1)的远离固定端位置处，所述外层磁悬浮轴承(4)设置在所述外层发电机结构(2)的远离固定端位置处。

3.根据权利要求2所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，所述内层电磁铁和所述外层电磁铁上分别设置有电磁线圈。

4.根据权利要求1所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，所述机械轴承的内圈固定在所述动轴(6)的内侧分支上，所述机械轴承的外圈固定在所述定轴(7)的内侧分支上，所述动轴(6)与风机叶片连接，所述定轴(7)与塔筒连接。

5.根据权利要求4所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，所述机械轴承(5)为滚动轴承。

6.根据权利要求3所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，该双层直驱型风力发电机还包括检测装置(8)、控制器(9)和功率放大器(10)，其中，所述检测装置(8)检测发电机转子的位置并将位置信号输出至所述控制器(9)，所述控制器(9)根据所述位置信号计算对应电磁铁的电流值并输出至所述功率放大器(10)，所述功率放大器(10)根据所述电流值输出对应电流至对应电磁铁的电磁线圈，以调节对应电磁铁的电磁力大小。

7.根据权利要求6所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，所述检测装置(8)为位移传感器。

8.根据权利要求6所述的双层直驱型风力发电机，其特征在于，内层电磁铁产生的最大电磁力大于所述内层发电机结构(1)的最大不平衡磁拉力，外层电磁铁产生的最大电磁力大于所述外层发电机结构(2)的最大不平衡磁拉力。

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