RU2673334C2

RU2673334C2 - Generator with direct drive of wind power plant for harsh climate regions

Info

Publication number: RU2673334C2
Application number: RU2017111839A
Authority: RU
Inventors: Евгений Валерьевич Николаев; Александр Абрамович Виноградов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Русский Ветер" (Ооо "Русский Ветер")
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2018-11-26
Also published as: RU2017111839A; RU2017111839A3

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, in particular to generators with direct drive of wind power plants, which transforms the kinetic energy of wind into electrical energy. Generator has internal 2 and outer 3 stators concentrically fixed in housing 1 with their ring magnetic circuits 4 and 5, made in the form of packages from a sheet of magnetically soft electrical steel with tie rods 6 and with teeth 7, 8 and windings 9 and 10 on them, and rotor 11 with internal 12 and external 13 magnetic circuits on coaxial shaft 14 located in the annular gap between inner and outer stators 2, 3. Windings 9 and 10 of the inner and outer stator are connected to local network 15. Magnetic cores 12, 13 are separated from each other by non-magnetic shaped shell 18 fixed to shaft 14. Teeth 19 of inner and 22 outer magnetic cores of rotor 11 face towards opposing teeth 7 and 8 of adjacent magnetic cores 4, 5 of the inner and outer stators to form internal 24 and external 25 working air gaps. Teeth are made with fillets of radius r not less than 1/4–1/8 of their width b. Windings 9 are mounted on coils 29, and frontal parts 30 of these windings are reinforced with support strips 31 with coolant channels 28 made of glass fiber glass based on polyetheretherketone or polyimidesulfone.EFFECT: ensuring reliability in areas with a harsh climate.10 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится в целом к сфере электрических машин, более конкретно к мльтимегаваттным генераторам с прямым приводом ветроэнергетических установок, преобразующим кинетическую энергию ветра в энергию электрическую.The invention relates generally to the field of electrical machines, and more particularly to multi-megawatt generators with direct drive of wind power plants that convert kinetic wind energy into electrical energy.

Ветер в природе в подавляющем большинстве случаев является формой энергии излучения Солнца, достигающей поверхности Земли и переносимой атмосферой на большие расстояния. Он обусловлен неравномерным нагревом воздуха, неровностями земной поверхности, наличием водоемов или ледяных полей и растительности, морскими течениями, а также вращением Земли.The wind in nature in the vast majority of cases is a form of solar radiation energy reaching the Earth’s surface and transported by the atmosphere over long distances. It is caused by uneven heating of the air, unevenness of the earth's surface, the presence of ponds or ice fields and vegetation, sea currents, as well as the rotation of the Earth.

Во многих субарктических и арктических районах России существует дефицит электрической энергии, привозное топливо дорого, а из возобновляемых источников энергии, солнечная энергия реально доступна меньшую часть года, в разгар полярного лета. В то же время, ветровые режимы на этих территориях благоприятны для строительства ветроэнергетических установок, которые могут покрывать потребность в энергии полностью или частично большую часть года. Из-за дороговизны топлива, они будут окупаться быстрее, чем в других районах России. Земная атмосфера может стать основным поставщиком важной для развития северных регионов энергии.In many subarctic and arctic regions of Russia there is a shortage of electric energy, imported fuel is expensive, and from renewable energy sources, solar energy is actually available for less than a year, at the height of the polar summer. At the same time, wind regimes in these territories are favorable for the construction of wind power plants, which can cover the energy demand in whole or in part most of the year. Due to the high cost of fuel, they will pay off faster than in other regions of Russia. Earth's atmosphere can become a major supplier of energy important for the development of the northern regions.

С удалением от поверхности земли средняя скорость ветра увеличивается, турбулентность становится меньше, что стимулирует рост единичных мощностей ветроэнергетических установок (до 3-5 и более МВт) и обуславливает увеличение высоты башни (до 80-150 метров) и диаметра турбины (до 100 и более метров). Это приводит и к неуклонному повышению эффективности ветроэнергетических установок с ростом параметров, т.е. к снижению себестоимости киловатт-часа вырабатываемой энергии. Это делает создание ветроэнергетических установок все большей единичной мощности важной народно-хозяйственной проблемой.With increasing distance from the surface of the earth, the average wind speed increases, turbulence becomes less, which stimulates the growth of unit capacities of wind power plants (up to 3-5 and more MW) and causes an increase in the height of the tower (up to 80-150 meters) and the diameter of the turbine (up to 100 or more meters). This also leads to a steady increase in the efficiency of wind power plants with increasing parameters, i.e. to reduce the cost of kilowatt hours of generated energy. This makes the creation of wind power plants of ever-increasing unit capacity an important national economic problem.

Для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, в современных ветроэнергетических установках используются двух- или трехлопастные ветряные турбины с горизонтальной осью вращения, причем для поддержания наивысшего коэффициента полезного действия, их скорость должна возрастать при усилении ветра. Тогда выходная мощность генератора будет приблизительно пропорциональна кубу скорости ветра, т.е. при удвоении скорости ветра, мощность генератора увеличится почти в восемь раз.To convert kinetic wind energy into mechanical energy, modern wind turbines use two- or three-bladed wind turbines with a horizontal axis of rotation, and to maintain the highest efficiency, their speed should increase with increasing wind. Then the generator output will be approximately proportional to the cube of wind speed, i.e. when doubling the wind speed, the generator power will increase by almost eight times.

Большинство коммерчески доступных ветроэнергетических установок до последнего времени использовали различные редукторы для привода генератора. Редукторный привод позволяет увеличить скорость генератора, это уменьшает габариты последнего, но коэффициент полезного действия и надежность такой механической системы оказывались пониженными. Также недостатком шестеренчатого привода было то, что он увеличивал уровень шума и стоимость эксплуатации ветроустановки. Стандартные номинальные мощности для наземных турбин, как ожидается, достигнут более 6 МВт в ближайшие несколько лет, а для приморских турбин, вероятно, будут 8-10 МВт или выше. Применение редукторов на таких ветроэнергетических установках становится все более проблематичным.Most commercially available wind power plants, until recently, used various gears to drive the generator. The gear drive allows you to increase the speed of the generator, this reduces the dimensions of the latter, but the efficiency and reliability of such a mechanical system turned out to be reduced. Another drawback of the gear drive was that it increased the noise level and the cost of operating the wind turbine. Standard rated capacities for onshore turbines are expected to reach more than 6 MW in the next few years, and for offshore turbines it is likely to be 8-10 MW or higher. The use of gearboxes in such wind power plants is becoming increasingly problematic.

Наиболее мощные ветряные турбины, предназначенные для мльтимегаваттных генераторов, все чаще выполняются по схеме прямого привода. Это повышает надежность и долговечность ветроустановки, но для обеспечения требуемой величины электродвижущей силы в обмотках при работе генератора, приходится увеличивать его диаметр, чтобы обеспечить необходимую линейную относительную скорость движения полюсов статора и ротора при оптимальной скорости вращения ветряной турбины (8…15 об/мин). Большие диаметры генераторов прямого привода (3…4 м) представляют существенные транспортные и монтажные проблемы, как на заводах-изготовителях, так и в районах установки ветряных турбин. По мере того, как производство ветряных турбин совершенствуется, и их технология улучшается, все более широко предпринимаются попытки разделить как статор, так и ротор на отдельные сегменты для улучшения производства и транспортировки.The most powerful wind turbines designed for multi-megawatt generators are increasingly carried out according to the direct drive scheme. This increases the reliability and durability of the wind turbine, but to ensure the required magnitude of the electromotive force in the windings when the generator is operating, it is necessary to increase its diameter to provide the necessary linear relative speed of the poles of the stator and rotor at the optimal speed of rotation of the wind turbine (8 ... 15 rpm) . Large diameters of direct-drive generators (3 ... 4 m) present significant transport and installation problems, both at manufacturing plants and in the areas where wind turbines are installed. As wind turbine production improves and its technology improves, attempts are increasingly being made to divide both the stator and rotor into separate segments to improve production and transportation.

Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является мльтимегаваттный генератор с прямым приводом ветроэнергетической установки для районов сурового климата с радиальным магнитным полем, возбуждаемым постоянными магнитами, и с двойным воздушным зазором, имеющий концентрично закрепленные в корпусе внутренний и внешний статоры с выполненными наборными в виде пакетов из листовой магнитомягкой стали со стяжными шпильками кольцевыми магнитопроводами с зубцами и обмотками на них, а также расположенный в кольцевом промежутке между внутренним и внешним статорами ротор на соосном им валу с внутренним и внешним магнитопроводами, выполненными на базе постоянных магнитов, с обмотками внутреннего и внешнего статоров, выдающими энергию в местную электрическую сеть [11].The closest technical solution to the proposed one is a multi-megawatt generator with direct drive of a wind power installation for harsh climatic regions with a radial magnetic field excited by permanent magnets and with a double air gap, having internal and external stators concentrically fixed in the housing with made-in-type stators in the form of packets made of soft magnetic steel sheet with tie rods, ring magnetic cores with teeth and windings on them, and also located in the ring between the internal and external stators, the rotor on the shaft coaxial with the internal and external magnetic circuits made on the basis of permanent magnets, with windings of the internal and external stators, which supply energy to the local electric network [11].

Однако использование таких генераторов в арктических районах сопряжено с большими трудностями, из-за высокой чувствительности постоянных неодимовых магнитов к условиям их работы. Эти магниты применяются наиболее широко в генераторах благодаря создаваемой ими высокой напряженности магнитного поля. Неодимовые магниты (состав Nd₂Fe₁₄B, изготавливаются из неодимовой керамики методами порошковой металлургии) очень хрупкие, также они чувствительны к механическим напряжениям и к перепадам температур. Кроме того, при высокой влажности до 90% и при температурах 80-90°C керамика таких магнитов начинает необратимо разрушаться. Поэтому, если генератор не будет постоянно, в том числе при длительном отсутствии ветра, обогреваться, при запуске вполне возможно выпадение росы на магнитах с их последующим переувлажнением и деградацией материала. Текущее обслуживание генератора с постоянными магнитами затруднено, оно требует специальных навыков в обращении с магнитопроводами, из-за постоянного, в течение всего срока эксплуатации, присутствия в рабочих зазорах магнитного поля высокой напряженности. Приближение деталей, элементов, инструмента из обычной стали к магнитопроводам, попадание стальной стружки и продуктов износа в рабочие воздушные зазоры должны быть исключены на весь период эксплуатации генератора. Эти недостатки делают применение постоянных магнитов в мльтимегаваттном генераторе проблематичным в суровых условиях арктического климата. Также и высокая цена (до сотни тыс.долл./тонна) неодимовых магнитов будет препятствовать их широкому применению, поскольку на каждый мегаватт номинальной мощности генератора рассматриваемого типа потребуется около 600 кг неодимовых магнитов.However, the use of such generators in the Arctic regions is fraught with great difficulties, due to the high sensitivity of permanent neodymium magnets to their working conditions. These magnets are used most widely in generators due to the high magnetic field they create. Neodymium magnets (composition of Nd ₂ Fe ₁₄ B, made of neodymium ceramics using powder metallurgy methods) are very fragile, they are also sensitive to mechanical stresses and temperature extremes. In addition, at high humidity up to 90% and at temperatures of 80-90 ° C, the ceramics of such magnets begins to irreversibly collapse. Therefore, if the generator is not constantly heated, including with a prolonged absence of wind, it is heated, when it starts, it is possible for the dew to fall on the magnets with their subsequent wetting and material degradation. Routine maintenance of the permanent magnet generator is difficult, it requires special skills in handling the magnetic cores, due to the constant presence of high-tension magnetic field in the working gaps during the entire period of operation. The approach of parts, elements, tools from ordinary steel to the magnetic circuits, the ingress of steel chips and wear products into the working air gaps should be excluded for the entire period of operation of the generator. These shortcomings make the use of permanent magnets in a multi-megawatt generator problematic in the harsh conditions of the Arctic climate. Also, the high price (up to hundreds of thousands of dollars / ton) of neodymium magnets will impede their widespread use, since for each megawatt of rated power of the generator of this type, about 600 kg of neodymium magnets will be required.

Заявитель ставил перед собой задачу разработать мльтимегаваттный генератор с прямым приводом от ветряной турбины ветроэнергетической установки, простой в конструктивном и технологическом исполнении, способный эффективно работать в субарктических и арктических районах России, где существует дефицит электрической энергии, привозное топливо дорого, а из возобновляемых источников энергии солнечная энергия реально доступна меньшую часть года только в разгар полярного лета. Вышеуказанный практический положительный технический результат был достигнут за счет совокупности существенных конструктивных признаков мльтимегаваттного генератора с прямым приводом ветроэнергетической установки для районов сурового климата, выполненного согласно настоящему изобретению, приведенной в нижеследующей формуле изобретения: «мльтимегаваттный генератор с прямым приводом ветроэнергетической установки для районов сурового климата с радиальным магнитным полем, возбуждаемым постоянными магнитами, и с двойным воздушным зазором, имеющий концентрично закрепленные в корпусе внутренний и внешний статоры с выполненными наборными в виде пакетов из листовой магнитомягкой стали со стяжными шпильками кольцевыми магнитопроводами с зубцами и обмотками на них, а также расположенный в кольцевом промежутке между внутренним и внешним статорами ротор на соосном им валу с внутренним и внешним магнитопроводами, выполненными на базе постоянных магнитов, с обмотками внутреннего и внешнего статоров, выдающими энергию в местную электрическую сеть; внутренний и внешний магнитопроводы ротора разделены, расположенные на зубцах внутреннего магнитопровода ротора обмотки присоединены к обмоткам внешнего магнитопровода ротора через расположенный на роторе дистанционно управляемый выпрямитель/преобразователь, при этом каждый из магнитопроводов ротора имеет зубцы, обращенные в сторону противолежащих им зубцов смежного с ним магнитопровода статора, а в зонах перехода каждого из зубцов к кольцевым частям указанных магнитопроводов, зубцы выполнены со скруглениями радиусом не менее 1/4-1/6 от их ширины; магнитопроводы статора и ротора содержат равномерно распределенные по толщине набора дополнительные листовые прокладки из термостойкого анизотропного материала, при этом стяжные шпильки магнитопроводов выполнены из нержавеющей аустенитной стали 304 или 316; дополнительные листовые прокладки изготовлены из стеклонаполненных полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона; для превращения кинетической энергии ветра в электрическую энергию использованы системы обмоток статора, находящихся на упомянутых выше внешнем и внутреннем магнитопроводах статора, причем соотношение величин полезной электрической мощности, снимаемой с них, составляет от 4/1 до 10/1; обмотки внутреннего кольцевого магнитопровода статора при включении генератора выполняют функцию пусковых обмоток, работающих от местной сети или другого постороннего источника питания; обмотки смонтированы на каркасах, а лобовые части обмоток выполнены с опорными прокладками из стеклотекстолита на основе полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона; внутренняя и внешняя обмотки ротора выполнены многосекционными, при этом каждая секция изолирована от других и представляет собой самостоятельный блок, состоящий из одной или нескольких катушек внутренней обмотки ротора, присоединенной через управляемый преобразователь к, по меньшей мере, одной катушке внешней обмотки ротора для возбуждения магнитного поля в, по меньшей мере, одном полюсе; для упрощения транспортировки статор и ротор выполнены в виде, по меньшей мере, одного собираемого на месте монтажа блока; опорные подшипники генератора включают шариковые и конические роликовые подшипники; устройство крепления статора содержит активную систему контроля воздушных зазоров между статором и ротором, выполненную с возможностью корректировки их взаимного положения в двух перпендикулярных оси вращения и друг другу направлениях посредством управляемых гидравлических опор».The applicant set himself the task of developing a multi-megawatt generator with direct drive from a wind turbine of a wind power plant, simple in design and technology, able to work effectively in the subarctic and arctic regions of Russia, where there is a shortage of electric energy, imported fuel is expensive, and from renewable energy sources solar energy is actually available for the lesser part of the year only at the height of the polar summer. The above practical positive technical result was achieved due to the combination of essential design features of a multi-megawatt generator with direct drive of a wind power installation for harsh climate regions, made according to the present invention, given in the following claims: “multi-megawatt generator with direct drive of a wind power installation for harsh climate regions with radial climate with a magnetic field excited by permanent magnets, and with double air a gap having inner and outer stators concentrically fixed in the housing with made type-setting in the form of packages of soft magnetic steel sheet with tie rods annular magnetic cores with teeth and windings on them, as well as a rotor located in the annular gap between the internal and external stators on a shaft coaxial with internal and external magnetic cores made on the basis of permanent magnets, with windings of internal and external stators, which supply energy to the local electric network; the internal and external rotor magnetic circuits are separated, the windings of the rotor rotor located on the teeth of the internal magnetic circuit are connected to the windings of the external rotor magnetic circuit through a remotely controlled rectifier / converter located on the rotor, with each of the rotor magnetic circuits having teeth facing the opposite teeth of the adjacent stator magnetic circuit and in the zones of transition of each of the teeth to the annular parts of the indicated magnetic cores, the teeth are made with fillets with a radius of at least 1 / 4-1 / 6 of their width; the stator and rotor magnetic cores contain additional sheet gaskets of heat-resistant anisotropic material evenly distributed over the thickness of the set, while the tie rods of the magnetic cores are made of austenitic stainless steel 304 or 316; additional sheet gaskets made of glass-filled polyetheretherketone or polyimidesulfone; for the conversion of kinetic wind energy into electrical energy, stator winding systems located on the aforementioned external and internal stator magnetic circuits were used, and the ratio of the useful electric power taken from them is from 4/1 to 10/1; the windings of the inner annular magnetic circuit of the stator when the generator is turned on, perform the function of starting windings operating from a local network or other external power source; the windings are mounted on frames, and the frontal parts of the windings are made with support linings made of fiberglass based on polyetheretherketone or polyimidesulfone; the inner and outer rotor windings are multi-sectional, each section being isolated from the others and is an independent unit consisting of one or more coils of the inner rotor winding connected via at least one coil of the outer rotor winding to excite the magnetic field at least one pole; to simplify transportation, the stator and rotor are made in the form of at least one unit assembled at the installation site; generator thrust bearings include ball and tapered roller bearings; the stator mounting device contains an active air gap control system between the stator and the rotor, made with the possibility of adjusting their relative position in two perpendicular to the axis of rotation and to each other by means of controlled hydraulic bearings. "

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схематически конструкция мльтимегаваттного генератора с прямым приводом от ветряной турбины ветроэнергетической установки для районов сурового климата, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, изометрическое изображение генератора без гондолы; на фиг. 3 - то же, что на фиг 1, пример компоновки элементов магнитопроводов и обмоток генератора; на фиг. 4 - то же, что на фиг. 1, показаны в разрезе два зубца магнитопроводов статоров и ротора с обмотками и каркасами (вид вдоль оси генератора); на фиг. 5 - сечение А-А зубца (повернуто) по фиг. 4; на фиг. 6 - сечение Б-Б магнитопровода (повернуто) по фиг. 4; на фиг. 7 представлена блочная диаграмма потоков электрической энергии в заявляемом генераторе при пуске (показана на эскизе генератора до границы М-М) и при рабочей нагрузке генератора (показана на эскизе ниже границы М-М).The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically illustrates the construction of a multi-megawatt generator with direct drive from a wind turbine of a wind turbine for harsh climate regions according to the present invention; in FIG. 2 is the same as in FIG. 1, isometric view of a generator without a nacelle; in FIG. 3 is the same as in FIG. 1, an example of the arrangement of the elements of the magnetic circuits and the windings of the generator; in FIG. 4 is the same as in FIG. 1, a sectional view shows two teeth of the magnetic cores of stators and a rotor with windings and frames (view along the axis of the generator); in FIG. 5 is a section AA of the tooth (rotated) of FIG. four; in FIG. 6 - section BB of the magnetic circuit (rotated) of FIG. four; in FIG. 7 is a block diagram of the flow of electrical energy in the inventive generator during start-up (shown in the sketch of the generator to the MM-M boundary) and at the generator working load (shown in the sketch below the MM-boundary).

Заявляемый мльтимегаваттный генератор с прямым приводом от ветряной турбины ветроэнергетической установки для районов сурового климата с радиальным магнитным полем, электромагнитным возбуждением и с двойным воздушным зазором имеет концентрично закрепленные в корпусе 1 внутренний 2 и внешний 3 статоры (выделены пунктиром), с их кольцевыми магнитопроводами 4 и 5, выполненными наборными в виде пакетов из листовой магнитомягкой электротехнической стали со стяжными шпильками бис зубцами 7, 8 и обмотками 9 и 10 на них, а также расположенный в кольцевом промежутке между внутренним и внешним статорами 2, 3 ротор 11 (выделен пунктиром) с внутренним 12 и внешним 13 кольцевыми магнитопроводами (выделены пунктиром) на соосном им валу 14. Обмотки 9 внутреннего статора и обмотки 10 внешнего статора присоединены к местной сети 15 соответственно через управляемые преобразователи 16, 17. Внутренний и внешний магнитопроводы 12, 13 ротора 11 отделены друг от друга закрепленной на валу 14 несущей немагнитной фигурной обечайкой 18 (на фиг. 2 частично удалена для наглядности), а расположенные на зубцах 19 внутреннего магнитопровода ротора обмотки 20 присоединены к обмоткам 21 зубцов 22 внешнего магнитопровода ротора через расположенный на роторе дистанционно управляемый выпрямитель / преобразователь 23. Зубцы 19 внутреннего и 22 внешнего магнитопроводов ротора 11 обращены в сторону противолежащих им зубцов 7 и 8 смежных с ними магнитопроводов 4, 5 внутреннего и внешнего статоров с образованием внутреннего 24 и внешнего 25 рабочих воздушных зазоров; при этом в зонах перехода каждого из всех зубцов 7, 8 и 19, 22 к цилиндрическим частям магнитопроводов 4, 5 и 12, 13, зубцы выполнены со скруглениями радиусом "r" (фиг. 4) не менее 1/4-1/8 от их ширины "b".The inventive multi-megawatt generator with direct drive from a wind turbine of a wind power plant for harsh regions with a radial magnetic field, electromagnetic excitation and a double air gap has concentrators fixed in the housing 1 internal 2 and external 3 stators (dotted line), with their ring magnetic circuits 4 and 5 made in the form of packets in the form of sheets of soft magnetic electrical steel with tie rods bis teeth 7, 8 and windings 9 and 10 on them, and also located in The end gap between the inner and outer stators 2, 3 is rotor 11 (dotted) with inner 12 and outer 13 ring magnetic circuits (dotted) on shaft 14 coaxial to it. The windings 9 of the inner stator and windings 10 of the outer stator are connected to the local network 15, respectively, through controlled transducers 16, 17. The inner and outer magnetic circuits 12, 13 of the rotor 11 are separated from each other by a non-magnetic curly shell 18 mounted on the shaft 14 (in FIG. 2 partially removed for clarity), and the windings 20 located on the teeth 19 of the inner magnetic circuit of the rotor are connected to the windings 21 of the teeth 22 of the outer rotor magnetic circuit via a remotely controlled rectifier / converter 23. The teeth 19 of the inner and 22 outer magnetic circuits of the rotor 11 are facing opposite them teeth 7 and 8 of the adjacent magnetic circuits 4, 5 of the internal and external stators with the formation of internal 24 and external 25 working air gaps; while in the transition zones of each of all the teeth 7, 8 and 19, 22 to the cylindrical parts of the magnetic circuits 4, 5 and 12, 13, the teeth are made with roundings with a radius of "r" (Fig. 4) not less than 1 / 4-1 / 8 from their width "b".

В магнитопроводы 4, 5 статоров 2, 3 и в магнитопроводы 12, 13 ротора И введены равномерно распределенные по толщине набора 26 из листов электротехнической стали, компенсаторные прокладки 27 с каналами 28 для охлаждающей жидкости (только для обмоток внутреннего и внешнего статоров), выполненные из термостойкого композитного анизотропного материала, а стяжные шпильки 6 магнитопроводов 4, 5, 12, 13 выполнены из немагнитной аустенитной стали 304 или 316. Прокладки 27 изготовлены из стеклонаполненных полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона.In the magnetic circuits 4, 5 of the stators 2, 3 and in the magnetic circuits 12, 13 of the rotor I, compensating gaskets 27 with channels 28 for coolant (even for the windings of the internal and external stators), uniformly distributed over the thickness of a set 26 of sheets of electrical steel, are introduced heat-resistant composite anisotropic material, and the tie rods 6 of the magnetic cores 4, 5, 12, 13 are made of non-magnetic austenitic steel 304 or 316. Gaskets 27 are made of glass-filled polyetheretherketone or polyimide sulfone.

Обмотки 9, расположенные на зубцах 7 кольцевого магнитопровода 4 внутреннего статора, при включении генератора выполняют функцию пусковых обмоток, работающих от местной сети или другого постороннего источника питания 15. Так же как и все другие обмотки заявляемого генератора, обмотки внутреннего статора конструктивно выполнены следующим образом. Обмотки 9 смонтированы на каркасах (катушках) 29, а лобовые части 30 этих обмоток усилены выполненными из стеклотекстолита на основе полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона опорными прокладками 31 с каналами 28 для охлаждающей жидкости (только для обмоток статоров). Распределение силы сжатия от стяжных шпилек 6 по всему объему набора листов электротехнической стали 26 с компенсаторными прокладками осуществлено посредством нажимных пластин 32.The windings 9 located on the teeth 7 of the annular magnetic circuit 4 of the internal stator, when the generator is turned on, perform the function of starting windings operating from a local network or other extraneous power source 15. Like all other windings of the inventive generator, the windings of the internal stator are constructed as follows. The windings 9 are mounted on frames (coils) 29, and the frontal parts 30 of these windings are reinforced with support pads 31 with coolant channels 28 made of fiberglass based on polyetheretherketone or polyimidesulfone (only for stator windings). The distribution of the compression force from the tie rods 6 over the entire volume of the set of sheets of electrical steel 26 with expansion joints is carried out by means of pressure plates 32.

После выхода генератора на рабочий режим, для превращения кинетической энергии ветра (на фиг. 7 стрелка 33) в электрическую энергию используются системы обмоток 9, 10, находящихся на магнитопроводах 4, 5 внешнего и внутреннего статоров 2, 3, причем соотношение величин полезной электрической мощности, снимаемой с обмоток 9 и 10, составляет от 1/4 до 1/10.After the generator enters the operating mode, to convert the kinetic energy of the wind (Fig. 7 arrow 33) into electrical energy, winding systems 9, 10 located on the magnetic circuits 4, 5 of the external and internal stators 2, 3 are used, and the ratio of the useful electric power removed from windings 9 and 10, is from 1/4 to 1/10.

Размещенные по всему периметру ротора 11, его внутренняя и внешняя обмотки 20, 21 могут быть выполнены многосекционными, при этом каждая секция изолирована от других секций и представляет собой самостоятельный модуль, состоящий из одной или нескольких катушек внутренней обмотки 20 ротора 11, присоединяемых через свой отдельный модуль управляемого выпрямителя / преобразователя 23 к одной или нескольким катушкам внешней обмотки 21 ротора 11 для возбуждения магнитного поля в одном или нескольких полюсах. Модульное исполнение обмоток позволяет снизить токи короткого замыкания (КЗ), создает перспективу поточного изготовления катушек с обмотками, что способствует уменьшению процента ручного труда при производстве генераторов.Located around the perimeter of the rotor 11, its inner and outer windings 20, 21 can be multi-sectional, with each section isolated from the other sections and is an independent module consisting of one or more coils of the inner winding 20 of the rotor 11, connected through its own a module of a controlled rectifier / converter 23 to one or more coils of the external winding 21 of the rotor 11 to excite a magnetic field in one or more poles. The modular design of the windings allows to reduce short-circuit currents (short circuit), creates the prospect of in-line production of coils with windings, which helps to reduce the percentage of manual labor in the production of generators.

Для упрощения транспортировки, статоры 2, 3 и ротор 11 могут быть выполнены в виде одного или нескольких отдельных собираемых на месте монтажа генератора блоков.To simplify transportation, the stators 2, 3 and rotor 11 can be made in the form of one or more separate blocks assembled at the installation site of the generator.

Крепление статоров 2, 3 выполнено с активной системой контроля внутреннего и внешнего воздушных зазоров 24, 25 между статорами 2, 3 и ротором 11, в которой заложена возможность корректировки их взаимного положения в перпендикулярных оси вращения мльтимегаваттного генератора и друг другу направлениях посредством управляемых гидравлических опор 34 (на чертеже активная система контроля 34 показана только для внешнего статора. Для мощностей генератора в 1…1,5…2 МВт, возможно выполнение упрощенного крепления внутреннего статора 2 к корпусу генератора посредством опорной цилиндрической обечайки 35, как показано на чертеже). Закрепление вала генератора 14 в корпусе 1 осуществлено с помощью опорных подшипников 36.The stators 2, 3 are mounted with an active control system of the internal and external air gaps 24, 25 between the stators 2, 3 and the rotor 11, in which the possibility of adjusting their relative position in the perpendicular axis of rotation of the multimawatt generator and each other by means of controlled hydraulic bearings 34 (in the drawing, the active monitoring system 34 is shown only for the external stator. For generator capacities of 1 ... 1.5 ... 2 MW, it is possible to simplify the fastening of the internal stator 2 to the generator housing pa through the supporting cylindrical shell 35, as shown in the drawing). The shaft of the generator 14 is fixed in the housing 1 by means of thrust bearings 36.

В состав ветроэнергетической установки, помимо генератора с его корпусом 1, входят также ветряная турбина 37, гондола 38 и опорная башня 39 всей ВЭУ.The structure of the wind power installation, in addition to the generator with its body 1, also includes a wind turbine 37, a nacelle 38 and a support tower 39 of the entire wind turbine.

Изобретение работает следующим образом:The invention works as follows:

При возникновении ветра более 2,5…3,0 м/с, ветряная турбина 37 и ротор 11 генератора ветроэнергетической установки начинают вращаться, при этом турбина и гондола 38 разворачиваются системой управления относительно башни 39 ВЭУ для наиболее эффективного использования энергии (стрелка 33) ветрового потока. Запуск генератора производится подключением его к внешней сети 15. Энергия, необходимая для запуска генератора, поступает из внешней сети (стрелка 40) в преобразователь 16, откуда, после приведения частоты и напряжения к параметрам генератора, подается (стрелка 41) на обмотки 9 внутреннего статора 2. Индуцируемое в обмотках 20 внутреннего магнитопровода 12 ротора 11 переменное напряжение передается (стрелка 42) на находящийся на роторе дистанционно управляемый выпрямитель/преобразователь 23, выпрямляется и подается (стрелка 43) на обмотки 21 внешнего магнитопровода 13 ротора, при этом в зубцах 22 создается постоянное по величине магнитное поле. Это магнитное поле, проходя через зазор 25, благодаря вращению ротора 11, индуцирует переменное напряжение в обмотках 10 внешнего статора 3. Появление этого напряжения на входе преобразователя 17 соответствует моменту запуска генератора (пунктирная стрелка 44). Механическая энергия вращения ветряной турбины 37 превращается в электрическую энергию, которая после преобразования частоты и напряжения в преобразователе 17 начинает выдаваться (штриховая стрелка 45) в местную электрическую сеть 15.When the wind occurs more than 2.5 ... 3.0 m / s, the wind turbine 37 and the rotor 11 of the generator of the wind power installation begin to rotate, while the turbine and nacelle 38 are deployed by the control system relative to the wind turbine tower 39 for the most efficient use of energy (arrow 33) of the wind flow. The generator is started by connecting it to the external network 15. The energy required to start the generator is supplied from the external network (arrow 40) to the converter 16, from where, after bringing the frequency and voltage to the generator parameters, it is supplied (arrow 41) to the windings 9 of the internal stator 2. The alternating voltage induced in the windings 20 of the internal magnetic circuit 12 of the rotor 11 is transmitted (arrow 42) to a remotely controlled rectifier / converter 23 located on the rotor, is rectified and fed (arrow 43) to the windings 21 of the external the magnetic circuit 13 of the rotor, while in the teeth 22 creates a constant largest magnetic field. This magnetic field, passing through the gap 25, due to the rotation of the rotor 11, induces an alternating voltage in the windings 10 of the external stator 3. The appearance of this voltage at the input of the converter 17 corresponds to the moment the generator is started (dashed arrow 44). The mechanical energy of rotation of the wind turbine 37 is converted into electrical energy, which after converting the frequency and voltage in the converter 17 begins to be issued (dashed arrow 45) to the local electric network 15.

После выхода генератора на рабочий режим и набора штатной мощности, отдаваемой обмоткой 10 (стрелки 46, 45), в предлагаемой конструкции генератора предусмотрена возможность передавать через внутренний воздушный зазор 24 дополнительную мощность от вращения ветряной турбины 37 (1/4…1/10 мощности внешнего статора, стрелка 47) путем регулирования напряжения и фазы на выводах обмоток 9 и 12. После приведения частоты и напряжения к параметрам сети в преобразователе 16, электрическая энергия подается (стрелка 48) также в местную сеть 15.After the generator reaches the operating mode and a set of nominal power is given by the winding 10 (arrows 46, 45), the proposed generator design provides for the ability to transmit additional power through the internal air gap 24 from the rotation of the wind turbine 37 (1/4 ... 1/10 of the external power stator, arrow 47) by adjusting the voltage and phase at the terminals of the windings 9 and 12. After bringing the frequency and voltage to the parameters of the network in the converter 16, electric energy is supplied (arrow 48) also to the local network 15.

Непосредственно перед запуском в разгар зимнего сезона, температура магнитопроводов и обмоток генератора может составлять в пределе до -45…-600С, в зависимости от климатических условий в месте расположения ВЭУ. При дальнейшей работе, температура может повышаться вплоть до максимальной рабочей +130…1400С. Перепады температуры внутри элементов генератора на 180…2000С предъявляют жесткие требования к используемым материалам не только по их теплостойкости, но и по сочетаемости величин их температурных деформаций. В противном случае, при многократных нагревах-охлаждениях активных материалов генератора, будет происходить неизбежное ослабление креплений обмоток, стяжных шпилек магнитопроводов и т.д. Это в дальнейшем может способствовать возникновению зазоров, усилению вибраций обмоток, находящихся под значительными знакопеременными механическими воздействиями от протекающих рабочих токов, достигающих нескольких кА. Для выравнивания в конструкции генератора температурных деформаций разнородных материалов, авторы использовали следующие меры:Immediately before starting in the midst of the winter season, the temperature of the magnetic cores and windings of the generator can be up to -45 ... -600С, depending on climatic conditions at the location of the wind turbine. With further work, the temperature can increase up to a maximum working temperature of + 130 ... 1400С. Temperature differences inside the generator elements by 180 ... 2000С impose stringent requirements on the materials used not only in their heat resistance, but also in the compatibility of their temperature deformations. Otherwise, during repeated heating-cooling of the generator’s active materials, there will be an inevitable weakening of the fastenings of the windings, the tie rods of the magnetic cores, etc. This can further contribute to the occurrence of gaps, increased vibration of the windings under significant alternating mechanical influences from the flowing working currents reaching several kA. To align the temperature deformations of dissimilar materials in the design of the generator, the authors used the following measures:

- изготовление каркасов (катушек) обмоток генератора из стеклонаполненных материалов с матрицей на основе полиимидсульфона или ПЭЭК или типа эпоксидной смолы ЕР42НТ-2LTE;- manufacture of frames (coils) of the generator windings from glass-filled materials with a matrix based on polyimidesulfone or PEEK or EP42NT-2LTE type epoxy resin;

- выполнение стяжных шпилек магнитопроводов из нержавеющих аустенитных маломагнитных сталей 304 или 316;- the execution of the tie rods of the magnetic cores of stainless austenitic low-magnetic steels 304 or 316;

- введение в пакеты магнитопроводов компенсаторных 27 и опорных 31 прокладок из анизотропных стеклонаполненных материалов с матрицей из ПЭЭК или аналогичных материалов.- introduction of compensating 27 and supporting 31 gaskets from anisotropic glass-filled materials with a matrix of PEEK or similar materials into packages of magnetic cores.

Применяя вышеперечисленные меры, можно в процессе длительной эксплуатации обеспечить при многократных нагревах и охлаждениях сохранение монолитности элементов активной зоны генератора, которая в основе своей является неоднородной (сталь, медь, изоляционные материалы), и тем самым добиться большей надежности конструкции.Applying the above measures, it is possible during long-term operation to ensure during multiple heating and cooling that the solidity of the elements of the active zone of the generator is preserved, which is basically heterogeneous (steel, copper, insulating materials), and thereby achieve greater design reliability.

Применение жидкостного охлаждения магнитопроводов и обмоток генератора посредством выполненных заодно с компенсаторными 27 и опорными 31 прокладками патрубков 28 позволяет эффективно отводить избыточное тепло из активных зон внутреннего и внешнего статоров генератора.The use of liquid cooling of the magnetic circuits and the windings of the generator by means of pipe fittings 28 which are integral with the compensating 27 and supporting 31 gaskets makes it possible to efficiently remove excess heat from the active zones of the internal and external generator stators.

При работе генератора с полной нагрузкой (несколько МВт), усилия на зубцы магнитопроводов, передающиеся от обмоток, очень велики, достигая многих сотен килограмм на каждый зубец. Эти усилия по своей сути являются знакопеременными тангенциальными нагрузками (сила "Р" на фиг. 4), их воздействие вызывает изгибные напряжения в зубцах, которые наиболее опасны в корневом сечении каждого зубца. При традиционном исполнении магнитопроводов, принятом в энергетическом машиностроении (а также и при проектировании генераторов ВЭУ), зубцы переходят в кольцевую часть магнитопровода под прямым углом.When the generator is operating at full load (several MW), the efforts on the teeth of the magnetic circuits transmitted from the windings are very large, reaching many hundreds of kilograms for each tooth. These efforts are inherently alternating tangential loads (force "P" in Fig. 4), their effect causes bending stresses in the teeth, which are most dangerous in the root section of each tooth. In the traditional design of magnetic cores, adopted in power engineering (as well as in the design of wind turbine generators), the teeth go into the annular part of the magnetic circuit at a right angle.

Такой резкий переход может привести, при воздействии многократных изгибающих нагрузок и на фоне значительных температурных перепадов, к развитию усталостных трещин в стали (электротехническая сталь, применяемая для магнитопроводов, разработана исходя из малых потерь на перемагничивание. Ее механические характеристики не столь высоки, как для конструкционных сталей).Such a sharp transition can lead, under the influence of repeated bending loads and against the background of significant temperature differences, to the development of fatigue cracks in steel (the electrical steel used for magnetic cores is designed on the basis of low magnetization reversal losses. Its mechanical characteristics are not as high as for structural steel).

Особенно большим нагрузкам зубцы магнитопроводов подвергаются при возникновении режимов короткого замыкания на выводах или где-либо в генераторе. Так как токи КЗ обычно превышают ток рабочего режима примерно в 8-12 раз, то наибольшие механические нагрузки на обмотки и на зубцы магнитопроводов возникают именно в момент короткого замыкания, когда максимальное усилие «Р» может достигнуть 30-100-кратной величины по сравнению с рабочим режимом.The teeth of the magnetic cores are exposed to particularly high loads when short-circuit conditions occur at the terminals or somewhere in the generator. Since short-circuit currents usually exceed the operating mode current by about 8-12 times, the greatest mechanical loads on the windings and on the teeth of the magnetic cores occur precisely at the moment of short circuit, when the maximum force "P" can reach 30-100-fold compared to operating mode.

Чтобы обезопасить зубцы магнитопроводов генератора от растрескивания, предложено изменить геометрию сопряжения зубцов с телом магнитопровода, введя в это сопряжение радиус перехода "r" (фиг. 4). Такая геометрия зубцов потребует и введения соответствующего радиуса скругления в форму упрочняющих катушек 29 всех обмоток (фиг. 4). Другой мерой снижения механических нагрузок на генератор при аварийных режимах является секционирование, то есть выполнение их в виде ряда секций или нескольких частей внутренней обмотки ротора, с соединением их через дистанционно управляемый выпрямитель/преобразователь с одной или несколькими частями внешней обмотки ротора для возбуждения магнитного поля в одном или нескольких полюсах.In order to protect the teeth of the generator magnetic cores from cracking, it is proposed to change the geometry of the conjugation of the teeth with the body of the magnetic circuit by introducing the transition radius "r" into this conjugation (Fig. 4). Such a geometry of the teeth will require the introduction of the corresponding radius of rounding in the form of reinforcing coils 29 of all windings (Fig. 4). Another measure to reduce mechanical stresses on the generator during emergency conditions is sectioning, that is, their execution in the form of a series of sections or several parts of the internal rotor winding, with their connection through a remotely controlled rectifier / converter with one or more parts of the external rotor winding to excite the magnetic field in one or more poles.

Применение опорных прокладок 31 из термостойкого стеклотекстолита на основе полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона также позволяет предохранить лобовые части обмоток от деформации при протекании по ним рабочего тока и, в особенности, при возникновении короткого замыкания. Изменение технологии изготовления магнитопроводов и каркасов (катушек) обмоток обеспечит более высокую надежность генератора, как при рабочем режиме, так и в аварийных условиях его работы.The use of support strips 31 made of heat-resistant fiberglass based on polyetheretherketone or polyimidesulfone also allows you to protect the frontal parts of the windings from deformation when the working current flows through them, and especially when a short circuit occurs. Changing the manufacturing technology of magnetic circuits and frames (coils) of windings will provide higher reliability of the generator, both in operating mode and in emergency conditions of its operation.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №7944076 B2 «Direct drive generator and wind turbine», 290/55 (F03D 1/025), опубликован 17.05.2011.1. US patent No. 7944076 B2 "Direct drive generator and wind turbine", 290/55 (F03D 1/025), published 05/17/2011.

2. Патент США №7109600 B1l «Direct drive wind turbine», 290/55 (F03D 1/025), опубликован 19.05.2006.2. US patent No. 7109600 B1l "Direct drive wind turbine", 290/55 (F03D 1/025), published 05/19/2006.

3. Патент США №9124153 B2 «Direct drive generator», 290/55 (F03D 1/025), опубликован 05.01.2011.3. US patent No. 9124153 B2 "Direct drive generator", 290/55 (F03D 1/025), published 01/05/2011.

4. Патент США №8089175 B2 «Direct drive generator and wind turbine », 290/55 (F03D 1/025), опубликован 21.1 1.2008.4. US patent No. 8089175 B2 "Direct drive generator and wind turbine", 290/55 (F03D 1/025), published 21.1 1.2008.

5. Патент США №9371820 B2 «Direct drive wind turbine with slip ring», 290/55, опубликован 21.06.2016.5. US patent No. 9371820 B2 "Direct drive wind turbine with slip ring", 290/55, published 06/21/2016.

6. Патент США №9407126 «Direct drive superconducting synchronous generator for a wind turbine», H02K 9/10, опубликован 02.08.2016.6. US patent No. 9407126 "Direct drive superconducting synchronous generator for a wind turbine", H02K 9/10, published 02.08.2016.

7. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2182674 «Гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.04.2000, опубликовано 20.05.2002.7. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2182674 "Solar power plant", F03D 3/00, claimed 18.04.2000, published 05/20/2002.

8. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2174188 «Карусельная гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.04.2000, опубликовано 27.09.2001.8. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2174188 "Carousel solar power plant", F03D 3/00, claimed 18.04.2000, published 09.27.2001.

9. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2536648 «Способ и устройство системы Волкова для производства энергии методом «парусного захвата» воздушных потоков и солнечных лучей», F03D1/00, заявлено 29.07.2009, опубликовано 10.02.2011.9. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2536648 "Method and device of the Volkov system for energy production by the method of" sailing capture "of air flows and sunlight", F03D1 / 00, filed July 29, 2009, published 02/10/2011.

10. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2186245 «Гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.12.2000, опубликовано 27.07.2002.10. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2186245 "Solar power plant", F03D 3/00, claimed 18.12.2000, published July 27, 2002.

11. Патент США №4517484 «Мльтимегаватный генератор ветроэнергетических установок на базе постоянных магнитов с прямым приводом от ветряных турбин» H02K 19/12 (290/55), опубликован 02.08.2003.11. US patent No. 4517484 "Multimegate generator of wind power plants based on permanent magnets with direct drive from wind turbines" H02K 19/12 (290/55), published 02.08.2003.

12. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №1835116 «Торцевой генератор переменного тока», F03D 3/00, заявлено 09.01.1992, опубликовано 15.08.1993.12. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 1835116 "Front alternating current generator", F03D 3/00, claimed 09.01.1992, published 08.15.1993.

Claims

1. A generator with a direct drive of a wind power plant with a radial magnetic field and with a double air gap, having internal and external stators concentrically fixed in the casing, made in the form of packages made of magnetically soft steel sheets with tie rods with ring magnetic circuits with teeth and windings on them, and also located in the annular gap between the internal and external stators, the rotor on the shaft coaxial with the internal and external magnetic circuits with the windings of the internal and external stators, supplying energy to the local electric network, characterized in that the internal and external rotor magnetic circuits are separated, located on the teeth of the internal rotor magnetic circuit of the winding, connected to the windings of the external rotor magnetic circuit through a remotely controlled rectifier / converter located on the rotor, each of the rotor magnetic circuits having teeth, facing the opposite teeth of the adjacent stator magnetic circuit, and in the zones of transition of each of the teeth to the annular parts of the indicated the chimney ducts the teeth are made with fillets with a radius of at least 1 / 4-1 / 6 of their width.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the stator and rotor magnetic cores contain additional sheet spacers uniformly distributed over the thickness of the set of heat-resistant anisotropic material, while the tie rods of the magnetic cores are made of austenitic stainless steel 304 or 316.

3. The generator according to claim 2, characterized in that the additional sheet gaskets are made of glass-filled polyetheretherketone or polyimidesulfone.

4. The generator according to claim 1, characterized in that for converting the kinetic energy of the wind into electrical energy, stator winding systems located on the external and internal stator magnetic circuits mentioned above are used, and the ratio of the useful electric power taken from them is from 4 / 1 to 10/1.

5. The generator according to claim 1, characterized in that the windings of the inner annular magnetic circuit of the stator when the generator is turned on, perform the function of starting windings operating from a local network or other external power source.

6. The generator according to claim 1, characterized in that the windings are mounted on frames, and the frontal parts of the windings are made with support linings made of fiberglass based on polyetheretherketone or polyimide sulfone.

7. The generator according to claim 1, characterized in that the inner and outer rotor windings are multi-sectional, each section being isolated from the others and is an independent unit consisting of one or more coils of the inner rotor winding connected via a controlled rectifier / converter to at least one coil of the outer winding of the rotor to excite a magnetic field in at least one pole.

8. The generator according to claim 1, characterized in that to simplify transportation, the stator and rotor are made in the form of at least one unit assembled at the installation site.

9. The generator according to claim 1, characterized in that the thrust bearings of the generator include ball and tapered roller bearings.

10. The generator according to claim 1, characterized in that the stator mounting device comprises an active air gap control system between the stator and the rotor, configured to adjust their relative position in two perpendicular axis of rotation and to each other by means of controlled hydraulic bearings.