CN107979225B - 具有小轴承结构的电机和风力发电机组 - Google Patents

具有小轴承结构的电机和风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有小轴承结构的电机和风力发电机组。电机包括定子、转子、定轴、转轴及轴承组件，轴承组件包括前轴承和后轴承，转轴套装在定轴外侧，转轴的外周设置有转轴法兰，定轴的外周设置有定轴法兰，转轴法兰和定轴法兰具有使电机的固有频率大于电机的激励频率的结构。风力发电机组包括上述具有小轴承结构的电机。本发明的具有小轴承结构的电机和风力发电机组具有成本低、刚度高、可靠性好、易于维护等优点。

Description

具有小轴承结构的电机和风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及具有小轴承结构的电机、具有该电机的风力发电机组。
背景技术
风力发电机是将风能转换为电能并输出的电力设备。现有的直驱风力发电机有两种轴承结构：大轴承结构和小轴承结构。如图1所示，具有小轴承结构的风力发电机包括定子、转子、定轴1、转轴2和轴承组件。转轴2通过轴承组件套设在定轴1外且能够相对定轴1转动，轴承组件包括前轴承3和后轴承4，其中，前轴承3设置在转轴的前端与定轴1的前端之间；后轴承4设置在转轴2的后端与定轴1之间。定轴1的后端与外部的底座(未示出)连接。定子通过定子支架5安装在定轴1上，定子支架5的一端与定轴1连接，另一端支撑铁芯绕组6。转子由转子支架7支撑并通过转子支架安装在转轴2上，转子支架7一端与转轴2连接，另一端与转子磁轭19连接。
轴承成本对直径非常敏感，同一功率风力发电机，大直径单轴承成本可以达到小直径双轴承的数倍甚至十余倍。因而，相对于具有大轴承结构的发电机，具有小轴承结构的发电机具有成本低的优点，但是，发电机整体上属于圆盘状结构，在小轴承结构中，轴向刚度低，发电机存在结构共振风险。现有技术中通常通过增大轴承直径来提高电机整体刚度，虽然能提高刚度，但是成本高。
另外，发电机需要具备过人、刹车、锁定等功能，参照图2，在定子支架5的中隔板上开设有通风孔14，为了避免空气中的水分或杂质进入电机的内部，对铁芯绕组6等部件造成腐蚀，还需要具备空气过滤功能。而如图1所示，小轴承结构中，由于轴承直径较小，尺寸的限制使得刹车和过人功能不能布置在轴承内圈直径以里，因此，刹车12、人孔8和9与锁定机构13、空气过滤机构10(例如空气过滤棉)一同布置在轴承外圈直径到定子内圈直径的径向空间内。由于刹车盘12a设置在转轴法兰上，使得后轴承4的维护空间局促，后轴承4维护通路L1(参照图3中的虚线箭头)狭窄。空气过滤机构10的安装、维护空间局促，可达性差，且维护空气过滤机构10需要锁定发电机，不方便维护且影响机组运行。
因而，亟需解决具有小轴承结构的发电机轴向刚度低、刹车机构、锁定机构、空气过滤装置、后轴承等部件维护空间局促、维护不方便的问题。
发明内容
本发明的目的在于在保持具有小轴承结构的电机的低成本的优点的同时，提高具有小轴承结构的电机的轴向刚度，提高电机固有频率至激励频率以上，避免共振现象发生。
此外，本发明的另一目的在于，在增大具有小轴承结构的电机的轴向刚度的情况下，提高电机内部各部件的维护便利性。
本发明的一方面提供了一种具有小轴承结构的电机，包括定子、转子、定轴1、转轴2及轴承组件，轴承组件包含前轴承3和后轴承4，转轴2套装在定轴1外侧，转轴2的外周设置有转轴法兰16，定轴1的外周设置有定轴法兰17，转轴法兰16和定轴法兰17具有使电机的固有频率大于电机的激励频率的结构。
本发明的另一方面提供了一种风力发电机组，风力发电机组包括上述具有小轴承结构的电机。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果包括：将定轴、转轴(铸件)与定子、转子连接的法兰直径增大，并在电机内部现有空间基础上，对电机内的附加构件(刹车、锁定、滤棉、人孔)进行合理布局，得到高刚度、高可靠性、成本低、性能好、经济价值高的新型风力发电机。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其它方面将变得清楚和更容易理解，在附图中：
图1是现有技术中的具有小轴承结构的风力发电机的剖面结构示意图；
图2是图1所示风力发电机的左视图；
图3是图1所示风力发电机轴线以下部分的局部放大结构示意图；
图4是根据本发明示例性实施例的具有小轴承结构的电机的剖面结构示意图；
图5是图4所示具有小轴承结构的电机的左视图；
图6是图4的具有小轴承结构的电机轴线以下部分的局部放大结构示意图。
附图标号说明：
1-定轴，2-转轴，3-前轴承，4-后轴承，5-定子支架，6-铁芯绕组，7-转子支架，8-定子人孔，9-转子人孔，10、11-空气过滤机构，12、15-刹车机构，12a-刹车盘，12b、15b-刹车制动器，13-锁定机构，14-通风孔，15a-刹车环，16-转轴法兰，17-定轴法兰，18-加强筋，19-转子磁轭。
具体实施方式
以下结合附图及示例性实施例，进一步详细描述本发明的原理，以使本发明的技术解决方案更加清晰。需要说明的是，本申请所提及的小轴承是与大轴承相对而言的轴承，通常而言，大轴承是指可在轴内设置过人通道(人孔)的轴承，小轴承是指由于尺寸限制而不能在轴内设置过人通道的轴承。过人通道的要求可以参照标准en50308的4.2款的规定，即en 547-1和en547-3的规定。本发明针对于小轴承结构的电机，对小轴承结构的电机的定轴和转轴进行结构改进，以此提高电机的轴向刚度。
具体地，为了解决具有小轴承结构的电机的轴向刚度低的问题，本发明的示例性实施例将作为铸件的定轴1和转轴2的外法兰直径增大，从而增大转子和定子的固有频率，使电机的固有频率避开电机的电磁激励频率，以避免共振现象发生。为了进一步确保电机的轴向刚度，还可以在定轴外法兰(简称为定轴法兰)和转轴外法兰(简称为转轴法兰)上设置加强筋18。为了更清楚描述本发明的电机相对于现有技术的电机的结构改进，下面先参照图1至图3描述现有技术中的具有小轴承结构的电机。
图1是现有技术中的具有小轴承结构的风力发电机的剖面结构示意图。图2是图1所示风力发电机的左视图。图3是图1所示风力发电机轴线以下部分的局部放大结构示意图。
如图1至图3所示，转轴法兰16从转轴2的本体上延伸出的长度相对较小，通常情况下，其延伸长度满足转轴2与转子支架7以及刹车盘12a的连接固定功能即可。同样地，定轴法兰17从定轴1的本体上延伸出的长度也相对较小，通常情况下，其延伸长度满足定轴1与定子支架5的连接固定功能即可。在这种情况下，定子支架5和定轴法兰17的连接点P与铁芯绕组6之间的径向距离D1较大，转子支架7和转轴法兰16的连接点Q与转子磁轭19之间的径向距离D2也较大。然而，铁芯绕组6以及转子磁轭19是发电机质量的集中之处，在电机转子相对于定子转动时，电机转子会对定子产生激励，当激励频率与固有频率相接近时，电机定子以及转子的振幅会显著增大，出现共振现象。定子与固定点P之间的距离D1以及转子与其固定点Q之间的距离D2直接影响着其固有频率和振动的幅度。距离D1和D2越大，电机越容易失稳，从而越容易对风力发电机组造成破坏。
然而，在根据本发明的示例性实施例的具有小轴承结构的电机中，转轴法兰16的直径以及定轴法兰17的直径显著增大，以提高电机的轴向刚度。图4至图6示出了根据本发明示例性实施例的电机的结构。下面，参照附图详细描述根据本发明示例性实施例的具有小轴承结构的电机。如图4至6所示，电机包括定轴1、套装在定轴1外侧的转轴2、定子支架5、转子支架7及轴承组件，轴承组件包括前轴承3和后轴承4。
转轴法兰16设置在转轴2的后端的外壁上，转轴法兰16与转子支架7连接。与现有技术中的小轴承结构相比，转轴法兰16的直径增大，转轴法兰16的外圈直径与转轴法兰16的内圈直径之比大于1.2，可为1.2～4.0，从而增大了转子的固有频率。优选地，转轴法兰16的外圈直径与转轴法兰16的内圈直径之比也可为1.5～2.5。进一步优选地，转轴法兰16的外圈直径与转轴法兰16的内圈直径之比可为2.0。但本发明不限于此，还可以将转轴法兰16的外圈直径加大至直接与转子的连接处，转轴法兰16可以直接与转子磁轭19连接。
定轴法兰17设置在定轴1的外壁上，定轴法兰17与定子支架5连接。与现有技术中的小轴承结构相比，定轴法兰17的直径增大，定轴法兰17的外圈直径与定轴法兰17的内圈直径之比大于1.2，可为1.2～4.0，从而增大了定子的固有频率。优选地，定轴法兰17的外圈直径与定轴法兰17的内圈直径之比为1.5～2.5。进一步优选地，定轴法兰17的外圈直径与定轴法兰17的内圈直径之比为2.0。但本发明不限于此，还可以将定轴法兰17的外圈直径加大至于直接与定子的连接处，定轴法兰17可以直接与铁芯绕组6连接。
这里，转轴法兰16的内圈直径即为转轴2和转轴法兰16连接处的转轴外径，定轴法兰17的内圈直径即为定轴1与定轴法兰17连接处的定轴外径。
如图6所示，在增大转轴法兰16和定轴法兰17的外圈直径后，定子支架5和定轴法兰17的连接点P'与大质量的铁芯绕组6之间的径向距离D4减小，并且转子支架7和转轴法兰16的连接点Q'与转子磁轭19之间的径向距离D3也变小。当电机存在轴向激励时，激励频率无法达到电机固有频率，电机不会出现失稳，从而增加了轴向稳定性。
通过将作为铸件的定轴法兰17直径增大，提高了定子的轴向固有频率，将作为铸件的转轴法兰16直径增大，提高了转子的轴向固有频率，从而提高了电机的轴向固有频率，避开了电机电磁激励频率提高了电机轴向刚度。虽然在本发明的实施例中，提供了通过增大转轴法兰16和定轴法兰17的外圈直径来提高轴向刚度的示例，但本发明不限于此，只要转轴法兰16和定轴法兰17具有使电机的固有频率大于电机的激励频率的结构即可。
优选地，在增大的定轴法兰17和转轴法兰16上布置多根加强筋18，每根加强筋18沿径向布置，多根加强筋18沿定轴法兰17和转轴法兰16的周向间隔布置(例如周向均匀间隔布置)，加强筋18的数量可以根据轴向刚度需要选择。
优选地，还可以将转轴法兰16和定轴法兰17之间轴向间距增大，以增加后轴承4的维护空间。
通常情况下，人孔要实现过人功能，最小直径不可低于400mm。在根据本发明实施例的具有小轴承结构的电机中，由于尺寸限制，人孔无法设置在轴承的径向内侧。然而，根据本发明的实施例，转轴法兰16和定轴法兰17直径加大，在定轴1和转轴2外侧提供了足够的空间，定子人孔8可设置在定轴法兰17上，转子人孔9可设置在转轴法兰16上。人孔的数量可以根据需要设置，例如，定子人孔8可以为2个，转子人孔9分别可以为3个。
在根据本发明实施例的电机中，刹车机构15也与现有技术中的刹车机构12的构造不同。如图4所示，刹车机构15包括刹车环15a以及能够对刹车环15a施加制动力的刹车制动器15b。刹车环15a为从转轴法兰16或转子支架7上沿轴向延伸的环状筒体。刹车时，刹车制动器15b夹住刹车环15a，达到刹车制动的效果。与图1中所示的现有技术中沿径向设置的刹车盘12a不同，本发明实施例的刹车环15a是沿轴向设置的环，为后轴承的维护增加了空间。
在本实施例中，刹车环15a布置在转子支架7上，刹车制动器15b布置在定子支架5上。但本发明不限于此，还可以将刹车环15a布置在转轴法兰16上，将刹车制动器15b布置在定轴法兰17上等。另外，刹车环15a和刹车制动器15b的布置位置可以互换。刹车机构15的数量可以根据需要选择，在本实施例中，刹车机构15的数量为2个。
参照图4和图5，锁定机构13可以包括锁定销和与其配合的锁定槽，在本实施例中，锁定销和锁定槽可以分别布置在定轴法兰17和转轴法兰16上。可通过局部补强满足锁定载荷下对结构的刚度和强度要求。但本发明不限于此，锁定销和锁定槽还可以分别设置在定子支架5、转子支架7、转轴法兰16和定轴法兰17上。锁定机构13的数量可以根据锁定的强度需求设置，例如，在本实施例中可以设置为2个。
定子支架5可以包括沿径向设置的中隔板和沿周向设置的用于支撑铁芯绕组的支撑件。在本发明的实施例中，用于对冷却空气进行过滤的过滤机构可设置在定子支架5上，具体地，可以设置在定子支架5的中隔板上。在定子支架5的中隔板上开设有多个通风孔。为了避免空气中的水分或杂质进入电机的内部，对铁芯绕组6等部件造成腐蚀，在通风孔中设置空气过滤机构11(例如，过滤棉)，优选地，多个通风孔和多个空气过滤机构11可沿定子支架5的周向布置。将空气过滤机构11布置在定子支架5的中隔板上，当需要对过滤构件11进行更换或维修时，不需要锁定电机。与图1中空气过滤装置10横向布置(沿轴向布置)的方式不同，在本发明的实施例中，空气过滤机构11竖直布置(沿径向布置)，使灰尘不易在空气过滤机构11上堆积，提高了通风效果。
在本实施例中，定轴1、转轴2、转轴法兰16、定轴法兰17均可为铸件，定子支架5和转子支架7可为钢板焊接件。与焊接件相比，铸件易于造型，易于实现结构对刚度和强度的需求。
如图4至6所示，在本实施例中，需要维护的锁定机构13、空气过滤机构11均在机舱内，刹车机构15设置在定子和转子之间，但维护人员在机舱中即可实现对刹车机构15的维护，后轴承4的维护空间也有了显著改善。但本发明不限于此，滤棉、锁定机构、人孔、刹车机构的设置位置不局限于图中给出的布局，在电机的径向、周向和轴向方向上，上述部件的位置可以任意调换布置，例如滤棉和锁定机构的位置可以调换。
本发明的电机采用价格低廉的小轴承，通过增大法兰的外圈直径，另外辅助设置加强筋18，为发电机提供足够的轴向刚度；通过刹车机构、锁定机构、人孔和空气过滤机构的合理布局，使得各附加构件获得了充足的安装维护空间。
根据本发明的示例性实施例，上述具有小轴承结构的电机具体为风力发电机，其定轴的内径尺寸小于在定轴径向内侧设置过人通道所对应的尺寸。
根据本发明的另一方面提供了一种风力发电机组，其包括上述具有小轴承结构的电机。
综上所述，本发明通过对具有小轴承结构的电机的轴承至定子铁芯之间结构的布局，可解决具有小轴承结构的电机的轴向刚度低、刹车、锁定、滤棉维护空间局促的问题。用低廉的小轴承得到昂贵大轴承才能带来的可靠性与维护空间，提高了电机轴向刚度和降低发电机成本，应用价值高。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如权利要求和它们的等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。应当仅仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的来考虑实施例。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式来限定，而是由权利要求书来限定，该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims (11)

1.一种具有小轴承结构的电机，包括定子、转子、定轴(1)、转轴(2)及轴承组件，所述轴承组件包括前轴承(3)和后轴承(4)，所述转轴(2)套装在定轴(1)外侧，所述转轴(2)的外周设置有转轴法兰(16)，所述定轴(1)的外周设置有定轴法兰(17)，其特征在于，所述转轴法兰(16)的外圈直径与所述转轴法兰(16)内圈直径之比为1.2～4.0，所述定轴法兰(17)的外圈直径与所述定轴法兰(17)的内圈直径之比为1.2～4.0，以具有使所述电机的固有频率大于所述电机的激励频率的结构。
2.根据权利要求1所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述转轴法兰(16)的外圈直径与所述转轴法兰(16)内圈直径之比为1.5～2.5，所述定轴法兰(17)的外圈直径与所述定轴法兰(17)的内圈直径之比为1.5～2.5。
3.根据权利要求2所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述转轴法兰(16)的外圈直径与所述转轴法兰(16)内圈直径之比为1.5～4.0；所述定轴法兰(17)的外圈直径与所述定轴法兰(17)的内圈直径之比为1.5～4.0。
4.根据权利要求1所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机还包括用于连接所述转轴法兰(16)与所述转子的转子支架(7)，以及用于连接所述定轴法兰(17)与所述定子的定子支架(5)，所述电机还包括刹车机构(15)，所述刹车机构(15)包括刹车环(15a)和刹车制动器(15b)，所述刹车环(15a)设置在所述转轴法兰(16)或所述转子支架(7)上，所述刹车制动器(15b)设置在所述定轴法兰(17)或所述定子支架(5)上，所述刹车环(15a)为从所述转轴法兰(16)或所述转子支架(7)上沿轴向延伸的环状筒体。
5.根据权利要求4所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机还包括锁定机构(13)，所述锁定机构(13)包括设置在所述定轴法兰(17)或所述定子支架(5)上的锁定销，以及设置在所述转轴法兰(16)或所述转子支架(7)上的锁定槽。
6.根据权利要求4所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机还包括过滤机构(11)，所述定子支架(5)包括沿径向设置的中隔板，所述过滤机构(11)设置在所述中隔板上。
7.根据权利要求1所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机还包括设置在所述转轴法兰(16)上和/或所述定轴法兰(17)上的人孔(8，9)。
8.根据权利要求1所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机还包括设置在所述转轴法兰(16)和/或所述定轴法兰(17)上的一根或多根加强筋(18)，所述加强筋(18)沿径向布置，所述多根加强筋(18)沿所述转轴法兰(16)和/或所述定轴法兰(17)的周向间隔布置。
9.根据权利要求1所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机的固有频率包括所述定子的固有频率和所述转子的固有频率。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的具有小轴承结构的电机，其特征在于，所述具有小轴承结构的电机是风力发电机，所述定轴的内径尺寸小于在所述定轴径向内侧设置过人通道所对应的尺寸。
11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-10中任一项所述的具有小轴承结构的电机。
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