CN105484949A - 风力发电机的轴承保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机的轴承保护方法，所述风力发电机的定子主轴与发电机转子的转子轴之间设置有轴承，定子主轴、轴承及转子轴形成风力发电机的轴系；在所述轴系的径向与所述轴承对应的位置设置热源；所述轴承保护方法包括：当风力发电机连续停机预定时间，且环境温度在预设温度范围内时，启动热源以沿轴系的径向建立温度场，温度场的温度自所述转子轴、所述轴承至所述定子主轴依序升高，并通过对温度场的控制，使轴承的润滑脂达到设定流态化温度；再启动风力发电机。该方法能够减缓风力发电机在低温环境下来风时立刻启动风力机造成的轴承磨损，降低轴承失效率。此外，本发明还提供了一种风力发电机的轴承保护装置。

Description

风力发电机的轴承保护方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机的轴承保护方法及装置。

背景技术

风力发电机的叶轮驱动与之联接的发电机转子的转子轴转动，发电机的定子主轴与塔筒底座连接。在发电机转子的转子轴与定子主轴之间设置有滚动轴承，以满足传递载荷的要求，及支撑定子与转子之间的相对运动，以实现电能量转换的目的。

轴承是整个风力发电机中能量传递***中非常重要的部件，由于常年受到变载荷及强阵风的冲击，轴承又是风力发电机中最薄弱的环节之一。

实际应用中发现，在冬季或高寒低温地区，风力发电机的轴承很容易因磨损而失效。

轴承的寿命关系到整台发电机的寿命，轴承一旦失效，无法在空中更换，因此，一旦轴承失效，更换成本巨大。

有鉴于此，在低温环境下，如何减缓风力发电机的轴承磨损，降低轴承失效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机的轴承保护方法及装置，该方法及装置能够在低温环境下，减缓风力发电机的轴承磨损，降低轴承失效率，从而节省成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机的轴承保护方法，所述风力发电机的定子主轴与发电机转子的转子轴之间设置有轴承，所述定子主轴、所述轴承及所述转子轴形成所述风力发电机的轴系；在所述轴系的径向与所述轴承对应的位置设置热源；所述轴承保护方法包括：

当所述风力发电机连续停机预定时间，且环境温度在预设温度范围内时，启动所述热源以沿所述轴系的径向建立温度场，所述温度场的温度自所述转子轴、所述轴承至所述定子主轴依序升高，并通过对所述温度场的控制，使所述轴承的润滑脂达到设定流态化温度；

再启动所述风力发电机。

可选的，在所述定子主轴的内腔壁面对应于所述轴承的位置设置电热源。

可选的，所述温度场的控制方法如下：

通过对所述电热源输出热流密度的控制，先使所述定子主轴的内腔壁面升温至预设壁温区间，再使所述定子主轴的内腔壁面温度维持在该预设壁温区间。

可选的，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w1为定子主轴内腔壁面恒壁温控制的设定值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₁为第一时间变量。

可选的，所述温度场的控制方法如下：

通过对所述电热源输出热流密度的控制，对所述定子主轴的内腔壁面进行变温控制，所述定子主轴的内腔壁面温度的上限值为其能够承受的最大值。

可选的，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w2为定子主轴内腔壁面温度的上限值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₂为第二时间变量。

可选的，所述电热源的额定功率设为式中：

A为电热源与定子主轴内腔壁面的接触面积；

τ为加热时长；

ρ为定子主轴材质的密度；

c为定子主轴材质的比热容；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w为定子主轴内腔壁面的上限温度；

t₀为定子主轴内腔壁面的初始温度。

可选的，所述电热源的额定功率具体为式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

a为定子主轴材质的热扩散率。

可选的，所述轴承的润滑脂温度达到设定流态化温度后，还判断所述风力发电机的其余启动条件是否满足：

若所述风力发电机的其余启动条件满足，启动所述风力发电机，并在所述风力发电机连续工作时间超过预设时间后，关闭所述温度场；

若所述风力发电机的其余启动条件不满足，通过对所述温度场的控制，使所述轴承的润滑脂保持在设定流态化温度。

本发明还提供一种风力发电机的轴承保护装置，所述风力发电机的定子主轴与发电机转子的转子轴之间设置有轴承，所述定子主轴、所述轴承及所述转子轴形成所述风力发电机的轴系；所述轴承保护装置包括：

热源，其设置于所述轴系的径向与所述轴承对应的位置；

检测模块，用于获取所述风力发电机的连续停机时间和环境温度；

控制模块，与所述检测模块通信连接，用于在所述风力发电机的连续停机时间达到预定时间，且环境温度在预设温度范围内时，输出启动所述热源以建立温度场的控制信号，所述温度场的温度自所述转子轴、所述轴承至所述定子主轴依序升高，并通过对所述温度场的控制，使所述轴承的润滑脂达到设定流态化温度；所述轴承的润滑脂达到设定流态化温度后，还输出轴承启动条件满足的控制信号至所述风力发电机。

可选的，所述热源为电热源，所述电热源设置于所述定子主轴的内腔壁面对应于所述轴承的位置；

所述控制模块能够启动或关闭所述电热源，并能够对所述电热源输出热流密度进行控制，以实现对所述温度场的控制。

可选的，所述控制模块还用于在接收所述风力发电机反馈的所述风力发电机启动信号后，在所述风力发电机连续工作时间超过预设时间时，输出关闭所述电热源的控制信号；或在接收所述风力发电机反馈的所述风力发电机无法启动的信号后，通过对所述电热源输出热流密度的控制，使所述轴承的润滑脂保持在设定流态化温度。

可选的，所述电热源为电热元件，其通过交流调压电路供电产热。

可选的，所述电热元件预埋有检测所述定子主轴内腔壁面温度的温度传感器，所述控制模块根据所述温度传感器的反馈值控制所述交流调压电路。

可选的，所述电热元件的轴向长度为所述轴承内圈的宽度的3～4倍。

可选的，所述电热源的空腔侧设置有热绝缘和电绝缘材料层。

可选的，所述控制模块还通过对所述电热源输出热流密度的控制，使所述定子主轴的内腔壁面温度先升温至预设壁温区间，再维持在该预设壁温区间。

可选的，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w1为定子主轴内腔壁面恒壁温控制的设定值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₁为第一时间变量。

可选的，所述控制模块还通过控制所述电热源的输出热流密度，以对所述定子主轴的内腔壁面进行变温控制，所述定子主轴的内腔壁面温度的上限值为其能够承受的最大值。

可选的，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w2为定子主轴内腔壁面温度的上限值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₂为第二时间变量。

可选的，所述电热源的额定功率为式中：

A为电热源与定子主轴内腔壁面的接触面积；

τ为加热时长；

ρ为定子主轴材质的密度；

c为定子主轴材质的比热容；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w为定子主轴内腔壁面的上限温度；

t₀为定子主轴内腔壁面的初始温度。

可选的，所述电热源的额定功率具体为式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

a为定子主轴材质的热扩散率。

本发明提供的风力发电机的轴承保护方法和装置，在风力发电机的轴系的径向与轴承对应的位置设置了热源，风力发电机在启动前，若已连续停机预定时间，且环境温度在预设温度范围内，则启动热源以建立自转子轴、轴承至定子主轴依序升高的温度场，并通过对温度场的控制，使轴承的润滑脂达到设定流态化温度，这样，在风力发电机启动前确保轴承的润滑脂处于流态化，如此，风力发电机启动后，可确保润滑脂的走合时间短，并能够借助尖劈作用形成薄薄一层润滑脂膜，即满足轴承的滚动体正常滚动需要的摩擦系数条件，规避现有技术中因润滑脂结冻导致的滚动体滑动现象，避免因滚动体滑动变形使轴承失效造成的巨大损失；同时自定子主轴至轴承温度渐降的温度场的启动控制，可确保定子主轴与轴承内圈之间的过盈量，避免两者装配面间过盈量减少，从而规避低温环境启动时因启动力矩瞬间过大导致的轴承损坏。

附图说明

图1为本发明所提供风力发电机的轴系结构示意图；

图2为图1中I部位的局部放大图；

图3为图1中II部位的局部放大图；

图4为图3中轴承与定子主轴配合部位的热量传递示意图；

图5为第一类边界条件下轴系径向非稳态导热时的温度响应曲线；

图6为第一类边界条件下轴系径向非稳态导热时的瞬时热量及瞬时热流密度梯度随时间的变化曲线；

图7为本发明所提供风力发电机的轴承保护方法一种具体实施方式的流程图；

图8为本发明所提供风力发电机的轴承保护装置一种具体实施方式的结构框图。

附图标记说明：

叶轮101，发电机102，转子轴121，定子主轴122，塔筒103，轴承104，内圈141，外圈142，滚动体143；

电热源200，固定工装201；

箭头a1表示轴承外圈与滚动体摩擦生热热流；箭头a2表示轴承内圈与滚动体摩擦生热热流；

箭头b1表示电热源径向传导热流，箭头b2表示电热源轴向扩散热流。

具体实施方式

经研究分析，在低温环境，导致风力发电机的轴承磨损失效的原因主要有两个，一个为轴承润滑脂的影响，另一个为定子主轴与轴承配合的过盈量因热变形而“丢失”造成的影响。下面分别详细说明。

针对轴承润滑脂，通常情况下，轴承里的润滑脂填充量超过实际需要量，在轴承运转的初期阶段，大部分润滑脂很快(不到一分钟)就被挤出滚道，堆积在保持架上和轴承护盖的空腔中，并在滚动体***成一个轮廓，此过程中，由于多余润滑脂的阻力，轴承温度很快上升；虽然大部分多余的润滑脂在运转初期被挤出，但挤在滚道附近的润滑脂也仍有可能被转动着的滚动体带进滚道之间，这些润滑脂在随轴承运转的同时，仍会陆续少量排出，轴承温度仍然继续上升，此过程称为润滑脂的走合阶段。当多余的润滑脂被完全排出，剩下的少量润滑脂在滚动体、滚道、保持架的相互接触面上，借助尖劈作用形成薄薄一层润滑脂膜，从而进入轴承的正常运转阶段，此时，轴承温度逐渐下降并达到平衡状态，也就是说，长期的润滑作用主要依靠这层润滑脂膜来承担。

不同的润滑脂在轴承中形成轮廓的能力不同，其中，理想的润滑脂形成轮廓较挺拔，“走合时间”短，在长期运转中轴承温度低，且平稳。

在冬季或高寒低温等地区，由于环境温度低下，润滑脂的流动性非常差，轴承中被挤出的润滑脂很难再回到滚道中参与润滑，当风力发电机停机后，经常会出现润滑脂结冻、凝固等现象，致使润滑脂失去“流态化”，无法确保其成渠性，从而失去应有的润滑作用。此时，若启动风力发电机，滚动体和保持架之间的润滑脂处于结冻或凝固状态，导致阻力增加很多，因而造成轴承滚动体在滚道面上打滑，滚动体持续打滑，滚动体与滚道之间由滚动摩擦变成滑动摩擦，持续不断的滑动摩擦作用会造成滚动体变形。滚动体与保持架冻结成一体，整体滑动，损坏保持架，多次持续作用就会导致轴承失效。

针对过盈量“丢失”，据不完全统计，在轴类传动零件失效中，有30％是轴与轴承内圈发生相对转动，产生联接失效。在轴与轴承内圈产生相对转动的情况下，轴颈与轴承内圈处于摩擦状态，最终使轴颈尺寸小于内圈尺寸，过盈量“丢失”，轴颈安装面报废，内圈报废。

在风力发电机中，具体体现为：在传动过程中，轴承内圈与滚动体依靠摩擦力矩产热，沿径向传递至定子主轴，定子主轴获得传递过来的热量后，沿着定子主轴径向、轴向两个维度同时传递，由于定子主轴在轴承安装处的轴向尺度远大于定子主轴的径向壁厚尺度，径向热传递在定子主轴内腔受阻，并定子主轴内腔表面为自然对流换热，自然对流换热表面传热的热阻远大于热量沿着轴向传递的热阻，从而，径向传递的热流量极小，定子主轴径向壁厚的温度差极小。可参考图3，图3中箭头a1表示轴承外圈与滚动体摩擦生热热流，箭头a2表示轴承内圈与滚动体摩擦生热热流。

也就是说，在轴承内圈与定子主轴的接触面，热传导面积突增，轴承内部产热的径向传递热流密度被分散，定子主轴径向温度梯度降低为轴承内圈的几十分之一，温差也只有轴承内圈的几十分之一，径向膨胀量也只有轴承内圈的几十分之一，从而导致轴承内圈与定子主轴的过盈量减少。

长期运行后，在低温环境下，风力发电机强行快速启动，会造成轴承内圈与定子主轴之间转矩增大，轴系原始设计的“过盈量”短时间内出现安全裕量不足的情形，即：这时过盈配合面间的压力克服不了此时滚动体对轴承内圈产生的摩擦转矩，叶轮带动转子轴启动，以期迫使与转子轴配合的轴承外圈驱动滚动体沿着滚道滚动，但是因低温润滑脂结冻，这种情形下会出现滚动体沿着轴承外圈滚道和内圈滚道之间滑动的现象，滚动摩擦转成滑动摩擦后，滚动体对轴承内圈产生的转矩会大幅度增加，原始设计形成的过盈配合产生的压力(即：内圈与定子主轴之间、外圈与转子轴之间)不足以克服定子主轴弯曲变形后轴承内圈受到的轴向力和转动力矩的双重作用。

为此，本发明提出了解决上述技术问题的方案，下面详细介绍。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为便于理解和描述简洁，下文结合风力发电机的轴承保护方法及装置一并说明，有益效果部分不再重复。

请参考图1-4，图1为本发明所提供风力发电机的轴系结构示意图；图2为图1中I部位的局部放大图；图3为图1中II部位的局部放大图；图4为图3中轴承与定子主轴配合部位的热量传递示意图。

风力发电机组的叶轮101驱动与之联接的发电机102的转子轴121转动，发电机101的定子主轴122与塔筒103底座连接，在发电机102的转子轴121与定子主轴122之间设置有轴承104，定子主轴122、轴承104及转子轴121形成风力发电机的轴系。

在上述风力发电机的轴系的径向与轴承104对应的位置设置有热源。

同时参考图7，本发明所提供的风力发电机的轴承保护方法包括：

A、当风力发电机连续停机预定时间，且环境温度在预设温度范围内时，启动热源以沿轴系的径向建立温度场，该温度场的温度自转子轴、轴承至定子主轴依序升高，并通过对该温度场的控制，使轴承的润滑脂达到设定流态化温度；

B、再启动风力发电机。

同时参考图8，本发明所提供的风力发电机的轴承保护装置包括热源，其设置于定子主轴122的内腔壁面对应于轴承104的位置；即，通过热源产热，沿轴系径向传递热量，形成温度自转子轴121、轴承104至定子主轴122依序升高的温度场。

这里只是介绍了一种热源的具体设定方式，可以理解，实际设置中，还可以调整热源的数目及具体在轴系的径向位置来实现前述温度场的建立，并不局限于上述所述。

为了确保定子主轴122的内腔壁面以热传导的方式加热定子主轴122，热源可通过固定工装201与定子主轴122内腔壁面紧密接触。

为了获取风力发电机的连续停机时间和环境温度，风力发电机的轴承保护装置还设有检测模块，具体地，检测模块包括获取风力发电机连续停机时间的时间检测部件和获取当前环境温度的温度检测部件。

风力发电机的轴承保护装置还包括与检测模块通信连接的控制模块，检测模块将获取的检测值传送至控制模块；控制模块在风力发电机的连续停机时间达到预定时间，且环境温度在预设温度范围时，输出启动热源以建立前述温度场的控制信号，并通过对温度场的控制，具体可以以对热源输出热流密度的控制来控制温度场，使轴承104的润滑脂达到设定流态化温度；轴承104的润滑脂达到设定流态化温度后，还输出轴承启动条件满足的控制信号至风力发电机，具体可以将控制信号发送至风力发电机的控制器。

可以理解，上述对时间、温度的预设值可根据实际需求预先设定并预存在控制模块内。

如上，本发明提供的轴承保护方法和装置，在风力发电机的轴系径向建立温度场，并通过温度场的启动控制，使轴承104的润滑脂在风力发电机启动前达到设定流态化温度，也就是说，在风力发电机启动前，确保轴承104的润滑脂处于流态化，如此，风力发电机启动后，润滑脂的流态化可确保其成渠性，即能够确保润滑脂形成的轮廓较挺拔，走合时间短，并能够借助尖劈作用形成薄薄一层润滑脂膜，这样，满足了轴承104的滚动体143正常滚动需要的摩擦系数条件，规避了现有技术中因润滑脂结冻导致的滚动体滑动现象，避免了因滚动体滑动变形使轴承失效造成的巨大损失；同时自定子主轴122至轴承104温度渐降的温度场的启动控制，可确保定子主轴122与轴承104的内圈141之间的过盈量，避免两者装配面间过盈量减少，从而规避低温环境启动时因启动力矩瞬间过大导致的轴承损坏。

一种具体实施例中，为方便控制，热源可以设为电热源200，下文以电热源200为例，具体说明其形成的温度场的控制方法；

通过对电热源200输出热流密度的控制，先使定子主轴122的内腔壁面升温至预设壁温区间，再使定子主轴122的内腔壁面温度维持在该预设壁温区间。换句话说，对定子主轴122的内腔壁面温度进行恒壁温控制。

其中，电热源200输出的热流密度可通过对温度场建立导热微分方程确定。下面将就如何建立温度场的导热微分方程进行详细介绍。

参考图1，定子主轴122与转子轴121之间通常具有前后两个轴承104，其中，前轴承承载径向力的同时承载轴向力，后轴承仅仅承载径向力。

对于前、后轴承而言，温度场的传热路径，即电热源200产热的热量传递路径如下：

定子主轴内腔壁面→定子主轴外壁面→轴承的内圈→轴承的滚动体及其保持架→轴承的外圈→转子轴轴承装配面。

图3中，箭头b1表示电热源200径向传导热流，箭头b2表示电热源200轴向扩散热流。

沿传热路径看，虽然实际传热路径有限长，并非无限大、无限厚，但在一定时间限度以内，电热源200产热对轴系径向的温度扰动只来得及传播到有限远处，在这个有限远处以外，风力发电机的其他部件(如叶片的轮毂)仍保持原有状态，因此，在时间限度内可以把有限厚度物体视为“半无限大”，半无限大物体中的瞬态导热过程将不会出现“正规状况阶段”，而是始终处于“非正规状况阶段”。

为确定定子主轴122内腔壁面对热量的吸收能力和热扩散能力，可将定子主轴122作为“半无限大”模型来近似处理。

先建立坐标系，将坐标系原点建立在定子主轴122内腔壁面，在直角坐标系上沿着定子主轴122径向尺度作为一维变量，这里，定子主轴122的径向厚度以字母x表示。

可以理解，定子主轴122内腔壁面对热量的吸收能力和热扩散能力与坐标系类型无关。

首先，设定定子主轴122内腔壁面温度在电热源200作用下升温的温度值为t_w，定子主轴122内腔壁面的初始温度为t₀，从而导热微分方程如下：

控制方程： $\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=a\frac{{\∂}^{2}t}{{\∂}^{2}x},$ 0＜x＜∞；

初始条件：τ＝0，t(x,τ)＝t₀；

边界条件：x＝0，t(0,τ)＝t_w；

由此，温度场分析解为 $\frac{t(x,\mathrm{\τ})-t_w}{t_0-t_w}=erf\left(\frac{x}{2\sqrt{a\mathrm{\τ}}}\right)---\left(1\right);$

为了更接近“半无限大”模型，在电热源200的空腔侧设置热绝缘和电绝缘材料层，以确保电热源200空腔侧的绝缘；这里，电热源200的空腔侧指靠近定子主轴122内腔的一侧。上述边界条件为第一类边界条件。

可一并参考图5，其示出了第一类边界条件下轴系径向非稳态导热时的温度响应曲线。

结合公式(1)和图5可知，通过该分析解可以获知轴承的润滑脂的当前温度，具体地，当前定子主轴内腔壁面的温度t_w可以通过预先埋设在电热源的温度传感器获取，电热源启动的持续时间可以监测，轴承的润滑脂在设定坐标系下的径向位置明确，从而，由上式可以得到当前轴承的润滑脂的温度，以此来判断润滑脂是否达到了设定流态化温度。

该具体方案中，对定子主轴内腔壁面实施恒壁温控制，即设置一个预设壁温区间，在启动电热源后，通过对电热源热流密度的控制，先使定子主轴的内腔壁面升温至该预设壁温区间，之后在通过对电热源热流密度的控制，使定子主轴的内腔壁面温度维持在该预设壁温区间。

需要指出的是，在恒壁温控制阶段，电热源的温度即为定子主轴内腔壁面的温度。

具体地，电热源的热流密度如何确定，可在上述模型基础上计算获得。

通过定子主轴内腔壁面处进入定子主轴(沿径向)的热流密度q_x如下：

$q_x(x>0,0^{+})=-\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=-\mathrm{\λ}(t_0-t_w)\frac{\∂erf\mathrm{\η}}{\∂x}=\mathrm{\λ}\frac{t_w-t_0}{\sqrt{\mathrm{\π}a\mathrm{\τ}}}\exp (-\frac{x^2}{4a\mathrm{\τ}})---\left(2\right);$

可一并参考图6，图6为第一类边界条件下轴系径向非稳态导热时的瞬时热量及瞬时热流密度梯度随时间的变化曲线。

从中可以看出，在定子主轴内腔壁面，即x＝0⁺，瞬时热量与时间的平方根呈反比。另外，在x＝0⁺界面上，恒壁温边界条件以热传导方式输入给定子主轴内腔壁面的瞬时热量是衰减的。

因此，从定子主轴内腔壁面导入定子主轴的热量极限值为：

$Q=A{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{q}_{w}d\mathrm{\τ}=A{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\mathrm{\λ}\frac{t_w-t_0}{\sqrt{\mathrm{\π}a\mathrm{\τ}}}d\mathrm{\τ}=2A\sqrt{\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\π}}}\sqrt{\mathrm{\ρ}c\mathrm{\λ}}(t_w-t_0)---\left(3\right);$

也就是说，当电热源的输出热量超出上述值后，对于温度场的热传导不会产生影响。

因此，在设置时，电热源的额定功率可以选取为电热源产热热流密度与电热源与定子主轴内腔壁面的接触面积的乘积，即q·A；

其中 $q\·A=A\mathrm{\λ}\frac{t_w-t_0}{\sqrt{\mathrm{\π}a\mathrm{\τ}}}=A\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}}\sqrt{\mathrm{\ρ}c\mathrm{\λ}}\frac{(t_w-t_0)}{\sqrt{\mathrm{\τ}}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}c\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}}\frac{(t_w-t_0)}{\sqrt{\mathrm{\τ}}}A;$

也就是说，可将电热源的额定功率设为以免将电热源的额定功率设置过大，浪费能量。

此外，公式(3)中的可称为吸热系数，其大小代表物体向其接触的高温物体吸热的能力。对于不同材质的定子主轴，在设置电热源的额定功率时需要以该吸热系数为参照。

可以理解，由于实际制造工序或其他因素的影响，定子主轴的实际吸热系数和以定子主轴材质的相应参数计算出来的理论吸热系数有一定的差距，故，在实际应用中，为了更精确，可以对该吸热系数进行修正。应当理解，不仅限于吸热系数，对于其他参照材质的常数均可类似修正，不再一一说明。

上述各方程或公式中的符号对应含义如下：

τ为加热时长；

ρ为定子主轴材质的密度；

λ为定子主轴材质的导热系数；

c为定子主轴材质的比热容；

a为定子主轴材质的热扩散率，其中

进一步分析理解，将上述公式(2)对时间求导得到：

$\frac{{\mathrm{dq}}_x}{d\mathrm{\τ}}{|}_{x=0^{+}}=\mathrm{\λ}\frac{t_w-t_0}{\sqrt{\mathrm{\π}a}}(-\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^{-\frac{3}{2}})---\left(4\right);$

一并结合图6，可以看出，在x＝0⁺界面上，热流经定子主轴内腔壁面向筒壁内部径向热扩散的瞬时热流密度随时间的变化率随着时间延续、在恒壁温边界条件下渐渐趋向于零。

根据能量守恒原理，恒壁温边界条件下，上述趋向于零即意味着热流密度趋于不变，若检测到热流密度再次变化，则意味着上述微分方程的边界条件发生了变化，即热扩散的径向通道传递的截面积突然缩小，也就是说，电热源产生的热流扰动已经传递至定子主轴的外壁面，也就是其与轴承内圈的装配面处。

电热源产生的热流穿越定子主轴与轴承装配面的时间长度可以借助电热源输入电流量的变化反映，也就是说，该电流量的变化规律与热流密度一致，具有先由大变小，变小的趋势逐渐停止，再进入缓慢变大的趋势。

需要指出的是，在实际应用中，只需监测轴承的润滑脂是否达到设定流态化温度即可，但是对于热流扰动的上述监测可以很好地为电热源的相关设置提供参考，避免对能源的浪费。

具体地，为了更加节能，可以对上述电热源的额定功率 $q\·A=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}c\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}}\frac{(t_w-t_0)}{\sqrt{\mathrm{\τ}}}A,$ 做进一步的处理：

将代入上式后，电热源的额定功率为；同时参考图6，结合图6中方程式q·A＝τ，可将的取值控制在0.25～0.4。

其中，针对图6中的方程式q·A＝τ，润滑脂解冻所需的总热量一定时，若电热源与定子主轴内腔表面的接触面积A越小，则需要加热的时间越长，若电热源与定子主轴内腔表面的接触面积A越大，则需要加热的时间越短，电热源与定子主轴内腔表面的接触面积A的选取可以根据实际需要确定；比如，可根据需要将A选取为0.25m²。

其中，(t_w-t₀)可在40～80℃范围内取值。

从而，在具体设置时，将电热源的额定功率设为式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

a为定子主轴材质的热扩散率，如前所述，

在某一确定的方案中，λ＝39.2w/m·K，ρ＝7570kg/m³，c＝470J/kg·K，进而可以确定该方案中电热源的额定功率的大小。

具体的方案中，电热源200为电热元件，通过交流调压电路供电产热，其中，如前所述，为了获取定子主轴122内腔壁面的温度，电热元件可埋设温度传感器，如铂电阻传感器，该温度传感器将测量的定子主轴122内腔壁面温度反馈至控制模块，控制模块根据接收的反馈值去控制交流调压电路，从而控制电热源200的热流密度。

为了满足定子主轴122内腔壁面至轴承内圈实现径向热传递的目的，具体地，电热元件的轴向长度(以定子主轴为参照)可以为轴承内圈141宽度的3～4倍。可以理解，电热元件的轴向长度也可根据实际需要设置在其他范围，并不局限于上述值。

这里还需强调的是，在建立上述模型时考虑了两种影响因素：

第一，实际的定子主轴122的径向尺寸并非无限大，但是考虑到与定子主轴122接触的轴承内圈141的两侧属于自然对流换热的环境条件，自然对流换热速率非常低，等效热阻较大，故使得该模型更接近真实的轴系；

第二，实际的定子主轴122的径向尺度特征为圆筒壁，圆筒壁的壁厚远小于圆筒直径，在热流沿着径向扩散过程中，由于沿着径向流通面积在增大，沿着径向热流密度会有所降低；但是，在径向热流传递到轴承内圈141的装配面时，热传导路径突然缩小，轴承内圈141两侧与内部环境进行自然对流，可参考图3理解，由于自然对流表面传热系数对应的等效热阻远远大于定子主轴122与轴承内圈141金属热量传递的热阻，使得沿着径向传递到轴承内圈141装配面的热流绝大部分进入轴承内圈141，也就是说，传递到轴承104的这部分热流仍然是径向传递为主。

除此之外，还需特别指出的是，定子主轴122上，正对轴承104位置处的径向传递热流速率明显高于轴承104装配面两侧的径向热流传递速率，可参照图4理解，定子主轴122的外表面，轴承104装配面两侧，属于封闭空间内的自然对流换热，当热量传递至定子主轴122的外表面时，轴承104装配面两侧的传热系数为h，热传递的阻力远远大于定子主轴122与轴承104的配合面，所以，大部分热量可通过定子主轴122传递至轴承104；因电热元件的轴向长度通常设为轴承内圈141宽度的3～4倍，所以，沿定子主轴122轴向，电热元件的三个区域，即正对轴承104的中间区域和轴承104装配面两侧的两侧区域，的热流输入也具有明显特征：当两侧区域低于中间区域时，说明热流已经由定子主轴122外壁越过装配面进入轴承内圈141，此时中间区域仍然处于“非正规状况阶段”，两侧区域已经处于“正规状况阶段”。

在该具体实施例中，对定子主轴122内腔壁面进行恒壁温控制时，电热源200输出热流密度的上限值为显然，该式也由上述模型建立计算后获得，式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w1为定子主轴内腔壁面恒壁温控制的设定值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₁为第一时间变量。

其中，其中第一时间变量τ₁可以根据实际需要来设置，比如4分钟、5分钟等。

温度场的控制方法除了上述对定子主轴122内腔壁面采用恒壁温控制的方法外，还可以采用变壁温的控制方法。

对于变壁温控制而言，同样也可如前述恒壁温控制时一样，建立传热模型，可以理解，传热模型的建立可以一致，只是对温度场分析解的应用不同。

具体地，通过对电热源200输出热流密度的控制，对定子主轴122的内腔壁面进行变温控制，其中，定子主轴122内腔壁面温度的上限值为其能够承受的最大值。

相应地，该方法中，电热源200输出热流密度的上限值同样为式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w2为定子主轴内腔壁面温度的上限值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₂为第二时间变量。

由于控制方法的不同，式中的第二时间变量τ₂必然与前述第一时间变量τ₁在设置时的考量不同。

以上对温度场的建立及控制温度场的相关参数如何选取做了详细说明，应当理解，在实际应用时，还可以根据具体情形对所选传热模型进行适当的变化，并不局限于上述所述。

进一步地，还可对上述方法做进一步的限定。

具体地，在温度场的控制下，当轴承的润滑脂温度达到设定流态化温度后，还判断风力发电机的其余启动条件是否满足：

是，启动风力发电机，并在风力发电机连续工作时间超过预设时间后，关闭温度场；

由于风力发电机已启动，轴承能够运转，自产热，故无需再对温度场进行控制，为确保轴承工作效果，在风力发电机连续工作一段时间后，再关闭温度场；预设时间可以根据实际需求来设定。

否，通过对温度场的控制，使轴承的润滑脂保持在设定流态化温度。

若风力发电机的其余启动条件不满足，风力发电机无法启动，此时仍需对温度场进行控制，以使轴承的润滑脂保持在流态化，为后续风力发电机启动工作做准备，避免重复启动加热导致的能量浪费。

风力发电机的启动条件除了本发明提出的轴承条件外，还存在其余启动条件，如风速等，此处其余启动条件可参照现有风力发电机的正常启动条件。

相应地，轴承保护装置中，控制模块还用于在接收风力发电机的控制器反馈的风力发电机启动信号后，在风力发电机连续工作时间超过预设时间时，输出关闭电热源200的控制信号；或在接收风力发电机的控制器反馈的风力发电机无法启动的信号后，通过对电热源200输出热流密度的控制，使轴承104的润滑脂保持在设定流态化温度。

还需指出的是，实际设置时，热源除了电热源200的形式外，还可以为其他形式，如以加热后的液压油作为热源，具体地，可以在与电热源200同样的位置设置具有流进流出换热媒质的空腔，借助液体泵作为循环动力，液体泵的出口与入口设置温度传感器，液体泵的出口设置有用于加热媒质的加热器。

以上对本发明所提供的风力发电机的轴承保护方法及装置均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (22)

1.风力发电机的轴承保护方法，所述风力发电机的定子主轴与发电机转子的转子轴之间设置有轴承，所述定子主轴、所述轴承及所述转子轴形成所述风力发电机的轴系；其特征在于，在所述轴系的径向与所述轴承对应的位置设置热源；所述轴承保护方法包括：

当所述风力发电机连续停机预定时间，且环境温度在预设温度范围内时，启动所述热源以沿所述轴系的径向建立温度场，所述温度场的温度自所述转子轴、所述轴承至所述定子主轴依序升高，并通过对所述温度场的控制，使所述轴承的润滑脂达到设定流态化温度；

再启动所述风力发电机。

2.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，在所述定子主轴的内腔壁面对应于所述轴承的位置设置电热源。

3.根据权利要求2所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述温度场的控制方法如下：

通过对所述电热源输出热流密度的控制，先使所述定子主轴的内腔壁面升温至预设壁温区间，再使所述定子主轴的内腔壁面温度维持在该预设壁温区间。

4.根据权利要求3所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w1为定子主轴内腔壁面恒壁温控制的设定值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₁为第一时间变量。

5.根据权利要求2所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述温度场的控制方法如下：

通过对所述电热源输出热流密度的控制，对所述定子主轴的内腔壁面进行变温控制，所述定子主轴的内腔壁面温度的上限值为其能够承受的最大值。

6.根据权利要求5所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w2为定子主轴内腔壁面温度的上限值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₂为第二时间变量。

7.根据权利要求2所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述电热源的额定功率为式中：

A为电热源与定子主轴内腔壁面的接触面积；

τ为加热时长；

ρ为定子主轴材质的密度；

c为定子主轴材质的比热容；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w为定子主轴内腔壁面的上限温度；

t₀为定子主轴内腔壁面的初始温度。

8.根据权利要求7所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述电热源的额定功率具体为式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

a为定子主轴材质的热扩散率。

9.根据权利要求1-8任一项所述的风力发电机的轴承保护方法，其特征在于，所述轴承的润滑脂温度达到设定流态化温度后，还判断所述风力发电机的其余启动条件是否满足：

若所述风力发电机的其余启动条件满足，启动所述风力发电机，并在所述风力发电机连续工作时间超过预设时间后，关闭所述温度场；

若所述风力发电机的其余启动条件不满足，通过对所述温度场的控制，使所述轴承的润滑脂保持在设定流态化温度。

10.风力发电机的轴承保护装置，所述风力发电机的定子主轴与发电机转子的转子轴之间设置有轴承，所述定子主轴、所述轴承及所述转子轴形成所述风力发电机的轴系；其特征在于，所述轴承保护装置包括：

热源，其设置于所述轴系的径向与所述轴承对应的位置；

检测模块，用于获取所述风力发电机的连续停机时间和环境温度；

控制模块，与所述检测模块通信连接，用于在所述风力发电机的连续停机时间达到预定时间，且环境温度在预设温度范围内时，输出启动所述热源以建立温度场的控制信号，所述温度场的温度自所述转子轴、所述轴承至所述定子主轴依序升高，并通过对所述温度场的控制，使所述轴承的润滑脂达到设定流态化温度；所述轴承的润滑脂达到设定流态化温度后，还输出轴承启动条件满足的控制信号至所述风力发电机。

11.根据权利要求10所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述热源为电热源，所述电热源设置于所述定子主轴的内腔壁面对应于所述轴承的位置；

所述控制模块能够启动或关闭所述电热源，并能够对所述电热源输出热流密度进行控制，以实现对所述温度场的控制。

12.根据权利要求11所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述控制模块还用于在接收所述风力发电机反馈的所述风力发电机启动信号后，在所述风力发电机连续工作时间超过预设时间时，输出关闭所述电热源的控制信号；或在接收所述风力发电机反馈的所述风力发电机无法启动的信号后，通过对所述电热源输出热流密度的控制，使所述轴承的润滑脂保持在设定流态化温度。

13.根据权利要求11所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热源为电热元件，其通过交流调压电路供电产热。

14.根据权利要求13所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热元件预埋有检测所述定子主轴内腔壁面温度的温度传感器，所述控制模块根据所述温度传感器的反馈值控制所述交流调压电路。

15.根据权利要求13所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热元件的轴向长度为所述轴承内圈的宽度的3～4倍。

16.根据权利要求11-15任一项所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热源的空腔侧设置有热绝缘和电绝缘材料层。

17.根据权利要求11所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述控制模块还通过对所述电热源输出热流密度的控制，使所述定子主轴的内腔壁面温度先升温至预设壁温区间，再维持在该预设壁温区间。

18.根据权利要求17所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w1为定子主轴内腔壁面恒壁温控制的设定值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₁为第一时间变量。

19.根据权利要求11所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述控制模块还通过控制所述电热源的输出热流密度，以对所述定子主轴的内腔壁面进行变温控制，所述定子主轴的内腔壁面温度的上限值为其能够承受的最大值。

20.根据权利要求19所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热源输出热流密度的上限值为式中：

q为电热源输出热流密度的上限值；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w2为定子主轴内腔壁面温度的上限值；

t₀为定子主轴内表面的初始温度；

a为定子主轴材质的热扩散率；

τ₂为第二时间变量。

21.根据权利要求11所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热源的额定功率为式中：

A为电热源与定子主轴内腔壁面的接触面积；

τ为加热时长；

ρ为定子主轴材质的密度；

c为定子主轴材质的比热容；

λ为定子主轴材质的导热系数；

t_w为定子主轴内腔壁面的上限温度；

t₀为定子主轴内腔壁面的初始温度。

22.根据权利要求21所述的风力发电机的轴承保护装置，其特征在于，所述电热源的额定功率具体为式中：

λ为定子主轴材质的导热系数；

a为定子主轴材质的热扩散率。