CN102322404B - 双电机直驱式风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双电机直驱式风力发电机，包括机舱（1）、机座（2）、叶轮（11）、主轴（12）、双定子和双转子，所述的机座（2）与机舱（1）连接，双定子和双转子从外到内的排列顺序依次为外定子（3）、内转子（4）、外转子（6）和内定子（7）；主轴（12）的一端与靠近机舱（1）一侧的机座（2）固定连接，叶轮（11）与主轴（12）的另一端转动连接；该发电机还包括转子支撑架（5），转子支撑架（5）与叶轮（11）固定连接；外定子（3）与机座（2）紧配，内定子（7）与主轴紧配。采用这种结构后，由于在径向方向上设置了双电机结构，充分利用了电机的内部空间，不仅简化了发电机的结构，还缩短了发电机的轴向尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及发电机领域，具体讲是一种适用于大功率的双电机直驱式风力发电机。
背景技术
现有技术的兆瓦级电力发电机中的80％左右是采用双馈发电机，即风轮通过一个多级增速机驱动风力发电机发电。在风力发电机运行的过程中，增速机的故障相对较高，一般在70％左右。近年来，为解决这一问题，推出了不需增速机的永磁直驱式风力发电机。但永磁直驱式风力发电机，由于其运行速度低(通常低于20r/min)，因此其发电机的体积庞大，如2MW的直驱式风力发电机有的直径已经做到了5m。而我国沿海风力资源丰富，为了充分利用海上风力资源和降低单位KW的风电设备投资，希望风力发电机做得更大，如5MW或更大。对于这样的风力发电机，若做成直驱式，其直径和轴向长度将有很大的增加，重量也会有显著的增加，这样，会使运输及现场安装成为不可能。因此，目前对于3MW的风力发电机往往采用有增速机的非直驱方案。而如上述，增速机是一个高故障率的装置，而风力发电机设备又需要一个能长期高可靠性运行的增速机。
在中国专利网站上公开了申请号为200710020545.9的专利申请，它采用了一种复合磁场，双轴承支撑的双电机结构，即它由内外定子、内定子支架、杯形转子、电励磁绕组和励磁绕组支架；其中，外定子固定于电机外壳内，内定子固定于内定子支架上，内定子支架固定在电机端盖上，极性相异的外永磁体交错排列分布在杯形转子的外壁，极性相异的内永磁体交错排列分布在杯形转子的内壁，并位于内定子和外定子之间，外永磁体和内永磁体互相串联，杯形转子固定于转轴上，电励磁绕组套在电励磁绕组支架中，电励磁绕组支架固定于端盖上。但是，这种结构的双电机直驱式发电机存在以下的缺点：
1)由于该结构是采用双轴承支撑，即转轴的两端由电机的外壳支撑，结构相对复杂，其轴向尺寸较大；
2)复合磁场中的电励磁，转轴需采用非导磁钢，例如不锈钢，而不锈钢的强度较低，价格昂贵，如要满足所需强度，势必增加转轴的截面尺寸，因此，将大幅度增加其制造成本；
3)另外，为提高风能的利用率，采用电励磁的方法，但是电励磁要耗电，因此，会降低发电机的风能利用率；而且，电励磁只对外定子电机起作用，因此，调节的也只是外定子的输出，而不能调节内定子的输出，因此难以获得最佳风能利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能充分地利用有限的空间，在不增加体积的情况下能使发电机功率更大、制造成本更低，同时也能提高风能利用率的双电机直驱式风力发电机。
为解决上述技术问题，本发明提供的双电机直驱式风力发电机，包括机舱、机座、叶轮、主轴、双定子和双转子，所述的机座的一端与机舱连接，所述的双定子和双转子均位于机座内，所述的双定子和双转子从外到内的排列顺序依次为外定子、内转子、外转子和内定子；所述的主轴的一端与靠近机舱一侧的机座固定连接，叶轮与主轴的另一端转动连接；该发电机还包括转子支撑架，所述的转子支撑架与叶轮固定连接，所述的内转子和外转子的磁极均安装在转子支撑架上；所述的外定子与机座紧配，所述的内定子与主轴紧配。所述的主轴包括一端连为一体的外圈和内圈，所述的外圈为大圆柱形的筒状，所述的内圈由连为一体的锥形筒和小圆柱筒组成，所述的锥形筒与外圈之间呈辐射状连接有多个加强筋。所述的叶轮与主轴的另一端转动连接是指，该连接处包括轴承、轴承压圈和轴承座，所述的轴承的内圈紧配在主轴内圈的小圆柱筒上，并由轴承压圈限位，所述的轴承压圈通过螺栓与主轴内圈的小圆柱筒连接；所述的轴承的外圈紧配在轴承座内，并通过螺栓从左至右依次连接转子支撑架、轴承的外圈、轴承座和叶轮。
所述的轴承为双列圆锥滚子轴承。
所述的外定子紧配在机座的内圆周面上，相应的内转子磁极沿圆周方向均匀嵌入在转子支撑架的外圆周面上，相邻两个内转子磁极的极性相反；所述的内定子紧配在主轴的外圈的外圆周面上，相应的外转子磁极沿圆周方向均匀嵌入在转子支撑架的内圆周面上，相邻两个外转子磁极的极性相反。
所述的在圆周方向上相邻的两块内转子磁极之间嵌有内转子菱形压块，所述的在圆周方向上相邻的两块外转子磁极之间嵌有与内转子菱形压块一一对应的外转子菱形压块，每对内转子菱形压块和外转子菱形压块同时通过同一个螺钉固定在转子支撑架上。
所述的沿圆周方向的内转子磁极和外转子磁极在轴向上呈多圈平行排列，相邻两圈内转子磁极相吸，相邻两圈外转子磁极相吸。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
1)由于本发明的结构是采用单侧轴承支撑，中间的主轴是不作旋转运动的，主轴的一端与机座预固定，而后又同时与机舱相联接，另一端仅由一个双列圆锥滚子轴承来支撑，就能可靠地运行，这不仅简化了发电机的结构，还缩短了发电机的轴向尺寸。
2)由于在径向方向上设置了双电机结构，充分利用了电机的内部空间，换句话说，它采用了套叠式结构，即在一个电机内，在径向方向上由外到里安排有外定子、内转子、外转子和内定子的双电机结构，使电机的径向空间得到充分利用，它具有最大的空间利用率和最小的重量，不仅可以降低机舱和塔架的负载，而且还可以大大提高运输的便利性。
3)本发明取消了现有技术中电励磁部分结构，完全由永磁体(内转子磁块和外转子磁块)承担，不需外加电励磁，使发电机具有更高的风能利用率；同时，可以将内外定子的铁心长度做成接近等长，充分有效地提高了电机的轴向空间利用率，也可以使内外定子的输出电压大体一致，从而使输出的电能互相独立，各自通过互相独立的变流器并网。
4)本发明中的主轴采用了内圈为圆锥体、外圈为圆柱体、中间由加强筋连接的结构，通常可以由铸造而成，使得起支撑作用的主轴可以由较小的截面尺寸而获得较高的刚性和强度。
5)本发明中内外转子磁极采用叠片构成磁极座，再内嵌磁块，形成磁极，可以消除表面脉振磁场对磁铁的去磁和削弱表面涡流对磁块的发热现象，能防止现有技术中表贴式磁块产生的脱落现象，提高了磁块的使用寿命，也提高了运行的可靠性。
6)本发明中的内转子磁极和外转子磁极均采用长度较短的块状，而不是现有技术中采用粘接技术的条形磁块，这是由于采用粘接技术，一旦一块磁块破损或极性有误，将难以更换，甚至造成整个转子报废，而块状磁极菱形压块和螺钉固定，容易更换。
附图说明
图1是本发明双电机直驱式风力发电机的剖视结构示意图。
图2是本发明中定子和转子的局部放大结构示意图。
其中：1、机舱；2、机座；3、外定子；4、内转子；5、转子支撑架；6、外转子；7、内定子；8、轴承座；9、轴承；10、轴承压圈；11、叶轮；12、主轴；121、内圈；122、外圈；123、加强筋；13、内转子磁极；14、外转子磁极；15、内转子菱形压块；16、外转子菱形压块；17、螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
由图1和图2所示的本发明双电机直驱式风力发电机的结构示意图可知，它包括机舱1、机座2、叶轮11、主轴12、双定子和双转子，所述的机座2的一端与机舱1连接，所述的双定子和双转子均位于机座2内。所述的双定子和双转子从外到内的排列顺序依次为外定子3、内转子4、外转子6和内定子7。所述的主轴12的一端与靠近机舱1一侧的机座2固定连接，叶轮11与主轴12的另一端转动连接。该发电机还包括转子支撑架5，所述的转子支撑架5与叶轮11固定连接，所述的内转子4和外转子6的磁块均安装在转子支撑架5上。所述的外定子3与机座2紧配，所述的内定子7与主轴紧配。
所述的主轴12包括一端连为一体的外圈122和内圈121，所述的外圈122为大圆柱形的筒状，所述的内圈121由连为一体的锥形筒和小圆柱筒组成，所述的锥形筒与外圈122之间呈辐射状连接有多个加强筋123。
所述的叶轮11与主轴12的另一端转动连接是指，该连接处包括轴承9、轴承压圈10和轴承座8，所述的轴承9的内圈紧配在主轴内圈121的小圆柱筒上，并由轴承压圈10限位，所述的轴承压圈10通过螺栓与主轴内圈121的小圆柱筒连接；所述的轴承9的外圈紧配在轴承座8内，并通过螺栓从左至右依次连接转子支撑架5、轴承9的外圈、轴承座8和叶轮11。所述的轴承9为背靠背布置的大锥角双列圆锥滚子轴承，所述的背靠背布置是指，在轴承的轴线方向上，每列圆锥滚子所形成的两端直径尺寸分别为大直径尺寸的和小直径尺寸，两列圆锥滚子的小直径尺寸靠近，大直径尺寸远离。
所述的外定子3紧配在机座2的内圆周面上，相应的内转子磁极13沿圆周方向均匀嵌入在转子支撑架5的外圆周面上，相邻两个内转子磁极13的极性相反。所述的内定子7紧配在主轴12的外圈122的外圆周面上，相应的外转子磁极14沿圆周方向均匀嵌入在转子支撑架5的内圆周面上，相邻两个外转子磁极14的极性相反。
所述的在圆周方向上相邻的两块内转子磁极13之间嵌有内转子菱形压块15，所述的在圆周方向上相邻的两块外转子磁极14之间嵌有与内转子菱形压块15一一对应的外转子菱形压块16，每对内转子菱形压块15和外转子菱形压块16同时通过同一个螺钉17固定在转子支撑架5上。
所述的沿圆周方向的内转子磁极13和外转子磁极14在轴向上呈多圈平行排列，相邻两圈内转子磁极13相吸，相邻两圈外转子磁极14相吸。
本发明的工作原理是：当风力驱动叶轮11旋转时，叶轮11将驱动转子支撑架5作旋转运动，从而带动内转子磁极13和外转子磁极14一起转动，此时，发电机就处于发电状态，并向电网输出电能。
Claims (5)
1.一种双电机直驱式风力发电机，包括机舱(1)、机座(2)、叶轮(11)、主轴(12)、双定子和双转子，所述的机座(2)与机舱(1)连接，所述的双定子和双转子均位于机座(2)内；所述的双定子和双转子从外到内的排列顺序依次为外定子(3)、内转子(4)、外转子(6)和内定子(7)；所述的主轴(12)的一端与靠近机舱(1)一侧的机座(2)固定连接，叶轮(11)与主轴(12)的另一端转动连接；该发电机还包括转子支撑架(5)，所述的转子支撑架(5)与叶轮(11)固定连接，所述的内转子(4)和外转子(6)的磁极均安装在转子支撑架(5)上；其特征在于：所述的外定子(3)与机座(2)紧配，所述的内定子(7)与主轴紧配；所述的主轴(12)包括一端连为一体的外圈(122)和内圈(121)，所述的外圈(122)为大圆柱形的筒状，所述的内圈(121)由连为一体的锥形筒和小圆柱筒组成，所述的锥形筒与外圈(122)之间呈辐射状连接有多个加强筋(123)；所述的叶轮(11)与主轴(12)的另一端转动连接是指，转动连接的连接处包括轴承(9)、轴承压圈(10)和轴承座(8)，所述的轴承(9)的内圈紧配在主轴内圈(121)的小圆柱筒上，并由轴承压圈(10)限位，所述的轴承压圈(10)通过螺栓与主轴内圈(121)的小圆柱筒连接；所述的轴承(9)的外圈紧配在轴承座(8)内，并通过螺栓从左至右依次连接转子支撑架(5)、轴承(9)的外圈、轴承座(8)和叶轮(11)。
2.根据权利要求1所述的双电机直驱式风力发电机，其特征在于：所述的轴承(9)为双列圆锥滚子轴承。
3.根据权利要求1所述的双电机直驱式风力发电机，其特征在于：所述的外定子(3)紧配在机座(2)的内圆周面上，相应的内转子磁极(13)沿圆周方向均匀嵌入在转子支撑架(5)的外圆周面上，相邻两个内转子磁极(13)的极性相反；所述的内定子(7)紧配在主轴(12)的外圈(122)的外圆周面上，相应的外转子磁极(14)沿圆周方向均匀嵌入在转子支撑架(5)的内圆周面上，相邻两个外转子磁极(14)的极性相反。
4.根据权利要求3所述的双电机直驱式风力发电机，其特征在于：所述的在圆周方向上相邻的两个内转子磁极(13)之间嵌有内转子菱形压块(15)，所述的在圆周方向上相邻的两个外转子磁极(14)之间嵌有与内转子菱形压块(15)一一对应的外转子菱形压块(16)，每对内转子菱形压块(15)和外转子菱形压块(16)同时通过同一个螺钉(17)固定在转子支撑架(5)上。
5.根据权利要求4所述的双电机直驱式风力发电机，其特征在于：所述的沿圆周方向的内转子磁极(13)和外转子磁极(14)在轴向上呈多圈平行排列，相邻两圈内转子磁极(13)相吸，相邻两圈外转子磁极(14)相吸。
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