CN108443071B - 模块化发电机及具有其的风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供模块化发电机及具有其的风力发电机组。本发明的模块化发电机包括：箱体；发电机单元，设置在箱体内，包括转子和定子；发电机转轴，其一端连接在转子，且发电机转轴上设置有带轮。本发明的模块化发电机可以根据需求灵活布置在机舱上部和机舱内部等，且可以作为独立的子***实现单独更换和维修，降低了维护成本。

Description

模块化发电机及具有其的风力发电机组
技术领域
本发明涉及一种模块化发电机以及包括该模块化发电机的风力发电机组。该模块化发电机除了风力发电领域，还可以应用于其他领域。
背景技术
风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械。目前，主流的发电机组主要分为两大类，即没有增速传动***的直驱式风力发电机组和带有增速传动***的双馈式风力发电机组。
然而，这两种不同的发电机组形式都有其弊端。对于直驱式风力发电机组，如图1所示，(1)由于叶片1、轮毂2和发电机5a等主要重量部件均位于塔架6的前部，所以导致直驱式机头的重心在塔架6的前部，在重力作用下在塔架6上形成较大的弯矩，导致需要增加塔架的强度来保证整体的受力平衡，这无疑会增加产品的成本；(2)由于没有增速***，所以直驱式风力发电机组的发电机较大，且叶片1、轮毂2、动轴4和发电机转子连接为一体、一起转动，所以机头的重力作用会影响发电机的定子和转子的间隙。图1中未说明的符号3表示主轴，7a表示机舱底座，8表示机舱。
对于双馈风力发电机组，如图2所示，伸入到机舱内的主轴3由设置在机舱底座7b的轴承支撑，作用在叶片1上的风带动轮毂2和主轴3转动，转动扭矩经由齿轮箱9、联轴器10输入到发电机5b中。由于其传动链相比直驱风力发电机组长，且风力发电机设计寿命20年，因此在长期高速运转过程中，不可避免的，双馈风力发电机组容易发生更多的故障。比如，双馈风力发电机组的齿轮箱在运转一定时间后，由于密封垫的磨损，容易导致齿轮箱漏油，污染机组内部和环境。同时，由于含有较多的高速传动部件，且含有较多的润滑剂，所以需要进行更多的定期加脂、加油，增加了维护成本费用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种模块化的发电机，使得发电机可以根据需求灵活布置，且具有更好的维护特性。
本发明的目的还在于，提供一种新型风力发电机传动和结构方案，解决现有直驱机组重心在前和双馈机组维修繁琐等缺陷。
根据本发明的一方面，提供一种模块化发电机，模块化发电机包括：箱体；发电机单元，设置在箱体内，发电机单元包括转子和定子；发电机转轴，其一端连接在转子，发电机转轴上设置有带轮。
优选地，箱体的上方或下方设有开口，以使套设在带轮上的传动带穿过，或者发电机转轴延伸到箱体外部，带轮设置在发电机转轴的延伸到外部的部分。
优选地，发电机转轴上设置有沿轴向彼此分开的多个带轮。
根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组，包括：塔架；机舱，设置在塔架的顶部；轮毂，轮毂上安装有叶片；主轴，主轴可转动地安装在机舱内，主轴的一端连接在轮毂，另一端延伸至机舱内部。风力发电机组包括前述的模块化发电机，模块化发电机安装在机舱的外部或内部，主轴上设置有驱动带轮，驱动带轮通过传动带直接连接到带轮，以驱动发电机转轴转动。
优选地，机舱的外部或内部安装有多个模块化发电机，与之对应地主轴上设置有多个驱动带轮。
优选地，模块化发电机安装在机舱的顶部，机舱的顶部设有开口，以使传动带穿过并连接到带轮上。
优选地，主轴和发电机转轴上下平行设置。
优选地，模块化发电机安装在机舱的顶部，机舱的上表面上设有安装块，用于安装模块化发电机。
优选地，发电机转轴上设置有沿轴向彼此分开的多个带轮。
优选地，多个带轮与一个传动带接触，或者每个带轮分别与一个传动带接触。
优选地，主轴上设置有多个驱动带轮，多个驱动带轮与一个传动带接触，或者每个驱动带轮分别与一个传动带接触。
优选地，传动带为齿形带。
优选地，驱动带轮的直径大于带轮的直径。
优选地，风力发电机组还包括传动带张紧机构。
优选地，传动带张紧机构为机械式张紧机构，机械式张紧机构包括：滚轮，与传动带接触；两个轴承支撑座，分别在滚轮的两侧支撑滚轮的转轴；支架，连接两个轴承支撑座；驱动构件，对支架施加作用力，使轴承支撑座朝靠近或远离传动带的方向移动；弹性部件，对轴承支撑座施加与轴承支撑座的移动方向相反的弹性力。
优选地，传动带张紧机构为液压式张紧机构，液压式张紧机构包括能够沿机舱高度方向移动模块化发电机的液压缸。
本发明提出了模块化发电机的技术方案，使得发电机可以根据需求布置在机舱上部和机舱内部等，具有灵活的布置方式。由此，容易达到最优的配比，具有较高的经济性。模块化发电机可以作为独立的子***实现单独更换和维修，降低了维护成本，因此相比传统的直驱和双馈发电机，具有更好的维护特性，且吊装方便。
本发明提出的风力发电机组由主轴通过传动带直接驱动模块化发电机，模块化发电机可灵活布局及单独安装、更换、维修，因此可降低风力发电机组的安装和维护成本。相比直驱机组，通过模块化发电机的灵活布局，可以调整重心位置，通过传动带可以在一定程度上增加传动比，可以降低发电机的大小和重量，减轻成本。相比双馈机组，采用带式传动，具有更容易维护的特性，且不需要填油，不会产生漏油，不会对环境产生污染。而且，采用带轮式传动，可以实现发电机只承受扭矩，具有良好的力学特性，保证发电机的定子和转子间隙稳定，有利于提高发电机的寿命和发电效率。
附图说明
图1是现有的直驱风力发电机组结构示意图。
图2是现有的双馈风力发电机组结构示意图。
图3是根据本发明的实施例的风力发电机组结构示意图。
图4是根据本发明的实施例的模块化发电机的布置位置示意图。
图5是根据本发明的实施例的风力发电机组的多齿形带传动结构示意图。
图6是根据本发明的实施例的模块化发电机内部示意图。
图7是根据本发明的实施例的模块化发电机装配俯视图。
图8是液压式张紧机构示意图。
图9是机械式张紧机构示意图。
图10是图9的机械式张紧机构的工作状态示意图。
符号说明：
1为叶片，2为轮毂，3为主轴，33为驱动带轮，4为动轴，5a、5b为发电机，6为塔架，7a、7b、7c为机舱底座，8为机舱，81为机舱罩顶部安装平台，82为安装块，9为齿轮箱，10为联轴器，11为模块化发电机，110为箱体，111为发电机单元，112为发电机转轴，113为带轮，13为传动带，14为传动带张紧机构，141为滚轮，142为轴承支撑座，143为支架，144为调节螺栓，145为弹性部件，151为液压缸，152为液压表。
具体实施方式
以下，将结合附图来描述根据本发明的示例性实施例的风力发电机组。
如图3所示，根据本发明的示例性实施例的风力发电机组包括塔架6、设置在塔架6顶部的机舱8、叶片1、轮毂2和主轴3。轮毂2上安装有叶片1。主轴3可转动地安装在机舱8内，一端连接在轮毂2，另一端延伸至机舱8内部。当风力作用在叶片1上时，轮毂2带动主轴3转动。前述叶片1可通过变桨轴承与轮毂2相连，用以实现变桨。主轴3通过主轴承与机舱底座7c结合，机舱底座7c通过偏航轴承与塔架6相连，用以实现偏航。
根据本发明的示例性实施例的风力发电机组包括模块化发电机11，模块化发电机11安装在机舱8的外部或内部(图3中示出了安装在外部的情形)。模块化发电机11包括箱体110和设置在箱体110内的发电机单元111。发电机单元111包括转子和定子，发电机转轴112的一端连接在转子，且发电机转轴112上设置有带轮113。
前述主轴3上设置有驱动带轮33，驱动带轮33通过传动带13直接连接到带轮113，以驱动发电机转轴112转动。由此，主轴3上的转动扭矩通过传动带13传递到发电机转轴112上，带动发电机转轴112转动，进而可以实现发电。
前述模块化发电机11为一体化设计，可单独进行吊装安装以及更换、维修，因此可降低风力发电机组的安装和维护成本。
发电机单元111可以为外转子内定子形式，也可以为内转子外定子形式，优选外定子内转子形式的永磁直驱电机。
优选地，安装在主轴3上的驱动带轮33的直径大于发电机转轴112上的带轮113的直径，以实现一定程度上的增速，进而可以减小发电机的尺寸，减小发电机的重量。
图3中示出了模块化发电机11安装在机舱8顶部的情形，但是不限于此，模块化发电机11可安装在机舱8外部或内部。而且，在前后方向、上下方向上也可灵活设置。例如，可设置在图4中示出的位置①、②、③、④。通过模块化发电机11的灵活布局，可以平衡轮毂和叶片的前置重心，使得机头整体重心在塔架中心线附近。
优选地，如图3和图4所示，箱体110的上方或下方设有开口，以使传动带13穿过。或者，也可以不设置此开口，使发电机转轴112延伸到箱体110外部，将带轮113设置在发电机转轴112的延伸在外的部分。对应地，当模块化发电机11安装在机舱8的顶部时，机舱8的顶部可设有开口，以使传动带13穿过。
传动带13优选为齿形带。如果带轮过宽，可能会导致传动带与带轮受力不均匀，进而会影响传动带效能的发挥。所以，为了保证传动带受力的均匀性，保证传动带效能的最大发挥，本发明中传动带可以采用多带轮驱动。如图5和图6所示，为了更好的保证力传递的均匀性，发电机转轴112上可设置有多个带轮113，多个带轮可以更好的实现力的传递的均匀性。对于齿形带，可以根据安全系数，增加或者减小齿形带的根数，进行最优的结构配比。在此，多个带轮113可同时与一个传动带13接触。或者，为了保证维修的方便，可采用一个带轮113匹配一个传动带13的结构，此时各传动带可具有相同尺寸。当然，也可以设计成多个带轮113具有不同的尺寸且多个传动带也具有不同的尺寸。对应地，主轴3上也可以设置多个驱动带轮33，且多个驱动带轮33可同时与一个传动带13接触，或者可采用一个驱动带轮33匹配一个传动带13的结构。
前面介绍了在机舱外部或内部安装一个模块式发电机的实施例，但是不限于此，可以安装多个模块式发电机。此时，在主轴3上设置多个驱动带轮33，与之对应地在机舱8的外部或内部安装多个模块化发电机11。例如，如图4所示，可同时设置①、②、③、④处的模块化发电机11。而且，如图5所示，其中的至少一部分模块化发电机11可采用多带轮结构。
如图7所示，机舱8顶部可设有安装块82，安装块82能够增大同模块化发电机11的接触面积，提高整体的稳定性。模块化发电机11可通过螺栓与安装块82相连。优选地，可以在机舱8顶部设置机舱顶部安装平台81，在该机舱顶部安装平台81设置安装块82，以提高安装便利性。
如图3所示，为了增加带轮113的包角，进而增加传动扭矩的传递，设置有可调节的传动带张紧机构14，用以给传动带13施加一定的张紧力。
所述传动带张紧机构可以为液压式或机械式。机械式采用弹性预紧具有更高的可靠性，液压式具有较高的灵敏性和灵活性。
当采用液压式张紧机构时，如图8所示，可在机舱8顶部和箱体110之间设有液压缸151。在进行传动带13预装时，通过液压控制，液压缸151处于低位，从而可以将传动带13套在带轮113上。然后通过液压控制，给液压缸151进行供油，液压缸151将模块化发电机11提升，进而实现将传动带13张紧。传动带13的张紧力可以通过液压表152进行读取换算，进而可以实现传动带13张紧力的实时控制，保证发电机运行的平稳性。
当采用机械式张紧机构时，如图9和图10所示，机械式张紧机构可包括滚轮141、轴承支撑座142、支架143、驱动构件、弹性部件145。滚轮141与传动带13接触，在滚轮141的转轴的两端分别设置有轴承支撑座142，轴承支撑座142中设置有轴承，以可转动地支撑滚轮141的转轴。弹性部件145的一端与轴承支撑座142连接，另一端固定在第一固定架146。支架143连接两个轴承支撑座142，驱动构件接触支架143，用于驱动支架143往复移动，使得轴承支撑座142靠近或远离传动带13。驱动构件可以采用调节螺栓144，调节螺栓144可穿过第二固定架147的螺纹孔。通过旋转调节螺栓144，可压紧支架143和轴承支撑座142，进而使滚轮141下压，从而实现将传动带张紧。所述弹性部件145例如为弹簧，但不限于此。
图10示出传动带13的张紧状态。优选地，可从轴承支撑座142的一端延伸出第一引导杆148，第一引导杆148穿过第一固定架146，弹性部件145套在第一引导杆148上且位于第一固定架146和轴承支撑座142之间。优选地，可从支架143延伸出第二引导杆149，第二引导杆149穿过第二固定架147。第一引导杆148和第二引导杆149起到支撑和引导滚轮141的作用，但是支撑引导机构的形式不限于此，只要能够支撑滚轮141并使其顺利移动即可。
第一固定架146和第二固定架147的具体形式没有限制，只要相对机舱8固定不动即可。第一固定架146和第二固定架147可以固定在机舱8或者箱体110。而且，第一固定架146和第二固定架147可以一体形成。
另外，驱动构件不限定于采用调节螺栓，可以替换为与支架143一体形成或安装在支架143上的杆状构件，此时可在第二固定架147设置通过齿轮-齿条、液压缸等方式使该杆状构件往复移动的机构。
上面以应用于风力发电机组的情形为例，说明了本发明的模块化发电机，但是该模块化发电机除了风力发电领域，还可以应用于其他领域。
上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种用于风力发电机组的模块化发电机，其特征在于，所述模块化发电机(11)包括：
箱体(110)；
发电机单元(111)，设置在所述箱体(110)内，所述发电机单元(111)包括转子和定子；
发电机转轴(112)，其一端连接在所述转子，所述发电机转轴(112)上设置有带轮(113)，所述带轮(113)用于通过传动带(13)与所述风力发电机组的主轴(3)相连接。
2.如权利要求1所述的模块化发电机，其特征在于，所述箱体(110)的上方或下方设有开口，以使套设在所述带轮(113)上的所述传动带(13)穿过，
或者，所述发电机转轴(112)延伸到所述箱体(110)外部，所述带轮(113)设置在所述发电机转轴(112)的延伸到外部的部分。
3.如权利要求1所述的模块化发电机，其特征在于，所述发电机转轴(112)上设置有沿轴向彼此分开的多个所述带轮(113)。
4.一种风力发电机组，包括：
塔架(6)；
机舱(8)，设置在所述塔架(6)的顶部；
轮毂(2)，所述轮毂(2)上安装有叶片(1)；
主轴(3)，所述主轴(3)可转动地安装在所述机舱(8)内，所述主轴(3)的一端连接在所述轮毂(2)，另一端延伸至所述机舱(8)内部；
其特征在于：
所述风力发电机组包括如权利要求1所述的模块化发电机(11)，所述模块化发电机(11)安装在所述机舱(8)的外部或内部，所述主轴(3)上设置有驱动带轮(33)，所述驱动带轮(33)通过传动带(13)直接连接到所述带轮(113)，以驱动所述发电机转轴(112)转动。
5.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述机舱(8)的外部或内部安装有多个所述模块化发电机(11)，与之对应地所述主轴(3)上设置有多个所述驱动带轮(33)。
6.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述模块化发电机(11)安装在所述机舱(8)的顶部，所述机舱(8)的顶部设有开口，以使所述传动带(13)穿过并连接到所述带轮(113)上。
7.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述主轴(3)和所述发电机转轴(112)上下平行设置。
8.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述模块化发电机(11)安装在所述机舱(8)的顶部，所述机舱(8)的上表面上设有安装块(82)，用于安装所述模块化发电机(11)。
9.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述发电机转轴(112)上设置有沿轴向彼此分开的多个所述带轮(113)。
10.如权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于，多个所述带轮(113)与一个所述传动带(13)接触，或者每个所述带轮(113)分别与一个所述传动带(13)接触。
11.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述主轴(3)上设置有多个所述驱动带轮(33)，多个所述驱动带轮(33)与一个所述传动带(13)接触，或者每个所述驱动带轮(33)分别与一个所述传动带(13)接触。
12.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述传动带(13)为齿形带。
13.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述驱动带轮(33)的直径大于所述带轮(113)的直径。
14.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括传动带张紧机构(14)。
15.如权利要求14所述的风力发电机组，其特征在于，所述传动带张紧机构(14)为机械式张紧机构，所述机械式张紧机构包括：
滚轮(141)，与所述传动带(13)接触；
两个轴承支撑座(142)，分别在所述滚轮(141)的两侧支撑所述滚轮(141)的转轴；
支架(143)，连接所述两个轴承支撑座(142)；
驱动构件，对所述支架(143)施加作用力，使所述两个轴承支撑座(142)朝压紧所述传动带(13)或相反的方向移动；
弹性部件(145)，对所述两个轴承支撑座(142)施加与所述两个轴承支撑座(142)的移动方向相反的弹性力。
16.如权利要求14所述的风力发电机组，其特征在于，所述传动带张紧机构(14)为液压式张紧机构，所述液压式张紧机构包括能够沿机舱高度方向移动所述模块化发电机(11)的液压缸(151)。
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