CN113394919B - 风力发电机气隙监测***及风力发电机组 - Google Patents

风力发电机气隙监测***及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种风力发电机气隙监测***及风力发电机组。风力发电机包括转子和定子，转子包括转子磁轭及安装在转子磁轭上的多个磁钢模组。该风力发电机气隙监测***包括位置传感器及控制单元。位置传感器安装于转子磁轭中，其中，在转子磁轭对应于相邻两个磁钢模组之间的间隙处开设有第一安装通孔，位置传感器安装于第一安装通孔中，位置传感器用于测量探头发射点与定子的外表面之间的距离。控制单元与位置传感器通讯连接，控制单元基于位置传感器测量到的距离及磁钢模组的厚度来确定风力发电机的定子和转子之间的气隙。本发明实施例能够准确地监测风力发电机的定子和转子之间的气隙，并且，后期维护和拆装都十分便利。

Description

风力发电机气隙监测***及风力发电机组
技术领域
本发明实施例涉及风电技术领域，尤其涉及一种风力发电机气隙监测***及风力发电机组。
背景技术
随着煤炭、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。风力发电是指利用风力发电机组把风的动能转换为电能。
风力发电机是风力发电机组中的一个重要组成部分，而风力发电机的定子和转子之间的气隙是风力发电机中的一项尤为重要的参数指标。气隙的均匀性将直接影响到风力发电机的稳定性。因此，需要通过传感器来监控风力发电机的定子和转子之间的气隙，通过气隙来反馈风力发电机的性能，以保证风力发电机组的发电效益以及安全性和使用寿命。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种风力发电机气隙监测***及风力发电机组，能够准确地监测风力发电机的定子和转子之间的气隙。
本发明实施例的一个方面提供一种风力发电机气隙监测***。所述风力发电机包括转子和定子，所述转子包括转子磁轭及安装在所述转子磁轭上的多个磁钢模组。所述风力发电机气隙监测***包括位置传感器及控制单元。所述位置传感器安装于所述转子磁轭中，其中，在所述转子磁轭对应于相邻两个所述磁钢模组之间的间隙处开设有第一安装通孔，所述位置传感器安装于所述第一安装通孔中，所述位置传感器用于测量探头发射点与所述定子的外表面之间的距离。所述控制单元与所述位置传感器通讯连接，所述控制单元基于所述位置传感器测量到的所述距离及所述磁钢模组的厚度来确定所述风力发电机的定子和转子之间的气隙。
进一步地，所述位置传感器包括超声波传感器，所述第一安装通孔包括螺纹孔，所述超声波传感器通过所述螺纹孔固定安装在所述转子磁轭中。
进一步地，所述风力发电机气隙监测***还包括温度传感器。所述温度传感器安装于所述转子磁轭中，用于测量所述定子和所述转子之间的气隙空气温度。其中，所述温度传感器与所述控制单元通讯连接，所述控制单元还基于所述温度传感器测量到的所述气隙空气温度来修正所述超声波传感器测量到的所述距离。
进一步地，所述控制单元被配置为：在所述温度传感器测量到的气隙空气温度高于所述超声波传感器的自动温度修正上限时，基于所述温度传感器测量到的所述气隙空气温度及所述超声波传感器的所述自动温度修正上限来修正所述超声波传感器测量到的所述距离；及在所述温度传感器测量到的气隙空气温度低于所述超声波传感器的自动温度修正下限时，基于所述温度传感器测量到的所述气隙空气温度及所述超声波传感器的所述自动温度修正下限来修正所述超声波传感器测量到的所述距离。
进一步地，在所述转子磁轭对应于相邻两个所述磁钢模组之间的间隙处还开设有第二安装通孔，所述温度传感器安装于所述第二安装通孔中。
进一步地，所述风力发电机气隙监测***还包括传感器防护罩。所述传感器防护罩罩盖于传感器的外侧并安装在所述转子磁轭上，以对所述传感器进行密封保护。
进一步地，在所述传感器防护罩与所述转子磁轭之间设置有密封垫。
进一步地，所述传感器的引出线延伸穿过所述传感器防护罩并连接至所述控制单元，并且，在所述传感器的引出线与所述传感器防护罩之间设置第一密封接头。
进一步地，所述温度传感器安装于所述转子磁轭的位于所述多个磁钢模组的最外端并且邻近所述磁钢模组的表面上。
进一步地，所述风力发电机还包括用于支撑所述转子的转子支撑体，所述温度传感器的引出线延伸穿过所述转子支撑体并连接至所述控制单元，并且，在所述温度传感器的引出线与所述转子支撑体之间设置第二密封接头。
进一步地，在所述风力发电机的转子磁轭上沿所述风力发电机的轴向方向布置多组所述位置传感器。
进一步地，多组所述位置传感器分别位于所述风力发电机的驱动端、非驱动端以及位于驱动端和所述非驱动端之间的中段。
本发明实施例的另一个方面还提供一种风力发电机组。所述风力发电机组包括风力发电机及如上所述的风力发电机气隙监测***。
本发明一个或多个实施例的风力发电机气隙监测***及具有该风力发电机气隙监测***的风力发电机组能够准确地监测风力发电机轴向各个位置的定子和转子之间的气隙，并且，设置的超声波传感器在后期维护和拆装都十分便利。
附图说明
图1为本发明一个实施例的风力发电机气隙监测***在风力发电机的周向方向上的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的风力发电机气隙监测***在风力发电机的轴向方向上的结构示意图；
图3为沿图2中的A-A线的剖视图；
图4为图3中圆圈部分的放大图；
图5为本发明另一个实施例的风力发电机气隙监测***在风力发电机的轴向方向上的结构示意图；
图6为本发明又一个实施例的风力发电机气隙监测***在风力发电机的轴向方向上的结构示意图；
图7为图6中圆圈部分的放大图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本发明相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
在本发明实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另作定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本发明实施例提供了一种风力发电机气隙监测***。图1揭示了本发明一个实施例的风力发电机气隙监测***在风力发电机的周向方向上的结构示意图。如图1所示，风力发电机包括转子10和定子20。转子10包括转子磁轭11及安装在转子磁轭11上的多个磁钢模组12。定子20包括定子铁芯21及固定于定子铁芯21上的线圈22。本发明一个实施例的风力发电机气隙监测***包括位置传感器及控制单元(未图示)。位置传感器安装于转子磁轭11中。其中，在转子磁轭11对应于相邻两个磁钢模组12之间的间隙122处开设有第一安装通孔111，位置传感器可以安装于转子磁轭11的第一安装通孔111中。位置传感器可以用来测量探头发射点与定子20的外表面之间的距离A。
控制单元与位置传感器通讯连接。风力发电机的定子20和转子10之间的气隙D即转子10的磁钢模组12的外表面121与定子20的定子铁芯21的外表面211之间的距离。控制单元可以基于位置传感器测量到的距离A及磁钢模组12的厚度B来确定风力发电机的定子20和转子10之间的气隙D。例如，风力发电机的定子20和转子10之间的气隙D可以表达如下：
D＝A-B
本发明实施例的风力发电机气隙监测***可以实现对风力发电机的定子20和转子10之间的气隙D的实时精确监测，进而控制单元可以基于实时监测到的气隙D来实时评估风力发电机的载荷，并对风力发电机的载荷进行相应的控制调节，从而可以保证风力发电机的运行安全。
并且，本发明实施例的风力发电机气隙监测***通过将位置传感器设置在转子磁轭11对应于相邻两个磁钢模组12之间的间隙122处开设的第一安装通孔111中，因此，传感器在后期维护和拆装十分便利。
考虑到相邻两个磁钢模组12之间的间隙122通常比较小，因此，在一些实施例中，位置传感器可以选用体积相对较小的超声波传感器30，从而可以在有限的空间内便利于传感器的安装。在本发明图示的实施例中，超声波传感器30的探头表面与所述磁钢模组12的底表面相平齐。然而，本发明实施例并不局限于图示所示，在其他实施例中，超声波传感器30的探头也可以位于转子磁轭11的第一安装通孔111内。只要超声波传感器30的探头发射的超声波不受其他物质的阻挡而能够直接射到定子20的外表面211即可。
由于超声波传感器30通常具有螺纹，因此，在一个实施例中，转子磁轭11上开设的第一安装通孔111包括螺纹孔。超声波传感器30可以通过螺纹孔固定安装在转子磁轭11中。
当然，本发明实施例的风力发电机气隙监测***中所使用的位置传感器也并不局限于超声波传感器30，在条件允许的情况下，也可以使用其他能够用来测量位置距离的传感器，例如激光传感器等。以下将以位置传感器为超声波传感器30作为示例来进行示意性说明。
图2揭示了本发明一个实施例的风力发电机气隙监测***在风力发电机的轴向方向上的结构示意图。如图2所示，在风力发电机的转子磁轭11上沿风力发电机的轴向方向可以布置多组超声波传感器30。多组超声波传感器30可以分别对风力发电机轴向各个位置的探头发射点与定子20的外表面211之间的距离A进行测量，从而，本发明实施例的风力发电机气隙监测***可以用来对风力发电机轴向各个位置的气隙D进行监测。
在一些实施例中，多组超声波传感器30例如可以包括三组，该三组超声波传感器30可以分别位于风力发电机的驱动端、非驱动端以及位于驱动端和非驱动端之间的中段。三组超声波传感器30可以分别对风力发电机的驱动端、非驱动端以及中段位置的探头发射点与定子20的外表面211之间的距离A进行测量，从而，本发明实施例的风力发电机气隙监测***可以用来对风力发电机的驱动端、非驱动端以及中段位置处的气隙D进行监测。
如图3和图4所示，在一些实施例中，本发明实施例的风力发电机气隙监测***还可以包括传感器防护罩51。传感器防护罩51可以罩盖于超声波传感器30的外侧并安装在转子磁轭11上，从而可以对超声波传感器30进行密封保护。传感器防护罩51例如可以通过螺钉511固定在转子磁轭11上。可选地，在传感器防护罩51与转子磁轭11之间还可以设置有密封垫61，从而可以对传感器防护罩51与转子磁轭11之间的缝隙进行有效的密封。
在一些实施例中，在传感器防护罩51上开设有孔，超声波传感器30的引出线31延伸穿过传感器防护罩51上开设的孔并连接至控制单元，并且，在超声波传感器30的引出线31与传感器防护罩51之间设置有第一密封接头71，从而将超声波传感器30的引出线31与传感器防护罩51之间的缝隙进行有效的密封。
图5揭示了本发明另一个实施例的风力发电机气隙监测***在轴向方向上的结构示意图。如图5所示，在另一些可选的实施例中，本发明实施例的风力发电机气隙监测***还可以包括温度传感器40。温度传感器40安装于转子磁轭11中，可以用来测量定子20和转子10之间的气隙空气温度。
在一个实施例中，在转子磁轭11对应于相邻两个磁钢模组12之间的间隙122处还开设有第二安装通孔112，温度传感器40可以安装于转子磁轭11的第二安装通孔112中。
温度传感器40与控制单元通讯连接，控制单元还可以基于温度传感器40测量到的气隙空气温度来修正超声波传感器30测量到的距离A。
因此，当风力发电机的气隙空气温度变化过大，超出超声波传感器30的自动修正范围时，可以根据温度传感器40实时监测到的气隙空气温度，来对超声波传感器30测量到的距离A进行修正，进而对气隙值进行修正，从而可以获得更加精确的气隙值。
在一个实施例中，在温度传感器40测量到的气隙空气温度高于超声波传感器30的自动温度修正上限时，控制单元可以基于温度传感器40测量到的气隙空气温度及超声波传感器30的自动温度修正上限来修正超声波传感器30测量到的距离A；在温度传感器40测量到的气隙空气温度低于超声波传感器30的自动温度修正下限时，控制单元可以基于温度传感器40测量到的气隙空气温度及超声波传感器30的自动温度修正下限来修正超声波传感器30测量到的距离A。
例如，控制单元可以根据如下公式来修正超声波传感器30测量到的距离A：
Figure BDA0003148259360000081
Figure BDA0003148259360000082
其中，Air Gap代表修正后的风力发电机的定子20和转子10之间的气隙D，T代表温度传感器40测量到的气隙空气温度，Th代表超声波传感器30的自动温度修正上限，Tl代表超声波传感器30的自动温度修正下限。
在一些实施例中，本发明实施例的风力发电机气隙监测***还可以包括传感器防护罩52。传感器防护罩52可以罩盖于温度传感器40的外侧并安装在转子磁轭11上，从而可以对温度传感器40进行密封保护。传感器防护罩52例如可以通过螺钉(未标号)固定在转子磁轭11上。可选地，在传感器防护罩52与转子磁轭11之间也可以设置有密封垫(未标号)，从而可以对传感器防护罩52与转子磁轭11之间的缝隙进行有效的密封。
在一些实施例中，温度传感器40的引出线41延伸穿过传感器防护罩52并连接至控制单元，并且，在温度传感器40的引出线41与传感器防护罩52之间也可以设置第一密封接头(未标号)，从而将温度传感器40的引出线41与传感器防护罩52之间的缝隙进行有效的密封。
图6揭示了本发明又一个实施例的风力发电机气隙监测***在轴向方向上的结构示意图，图7揭示了图6中圆圈部分的放大图。如图6和图7所示，在另一些实施例中，温度传感器40可以安装于转子磁轭11的位于多个磁钢模组12的最外端并且邻近磁钢模组12的表面上。
在这种情况下，可以在风力发电机的用于支撑转子10的转子支撑体80上开设孔，温度传感器40的引出线41可以延伸穿过转子支撑体80上开设的孔并连接至控制单元，并且，在温度传感器40的引出线41与转子支撑体80之间可以设置第二密封接头72，从而将温度传感器40的引出线41与转子支撑体80之间的缝隙进行有效的密封。
本发明实施例的风力发电机气隙监测***能够准确地监测风力发电机轴向各个位置的定子20和转子10之间的气隙D，并且，设置的超声波传感器30在后期维护和拆装都十分便利。
本发明实施例还提供了一种风力发电机组。该风力发电机组包括风力发电机及如上各个实施例所述的风力发电机气隙监测***。其中，风力发电机气隙监测***的控制单元例如可以安装在风力发电机组的轮毂中。
本发明实施例的风力发电机组具有与上各个实施例所述的风力发电机气隙监测***的大致相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。
以上对本发明实施例所提供的风力发电机气隙监测***及风力发电机组进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明实施例的风力发电机组的控制方法、风力发电机组的控制装置及风力发电***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核心思想，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (11)

1.一种风力发电机气隙监测***，所述风力发电机包括转子和定子，所述转子包括转子磁轭及安装在所述转子磁轭上的多个磁钢模组，其特征在于：所述风力发电机气隙监测***包括：
位置传感器，安装于所述转子磁轭中，其中，在所述转子磁轭对应于相邻两个所述磁钢模组之间的间隙处开设有第一安装通孔，所述位置传感器安装于所述第一安装通孔中，所述位置传感器用于测量探头发射点与所述定子的外表面之间的距离；
控制单元，与所述位置传感器通讯连接，所述控制单元基于所述位置传感器测量到的所述距离及所述磁钢模组的厚度来确定所述风力发电机的定子和转子之间的气隙；以及
温度传感器，安装于所述转子磁轭中，用于测量所述定子和所述转子之间的气隙空气温度，所述温度传感器与所述控制单元通讯连接，
所述位置传感器包括超声波传感器，其中，所述控制单元还基于所述温度传感器测量到的所述气隙空气温度来修正所述超声波传感器测量到的所述距离，在所述温度传感器测量到的气隙空气温度高于所述超声波传感器的自动温度修正上限时，所述控制单元基于所述温度传感器测量到的所述气隙空气温度及所述超声波传感器的所述自动温度修正上限来修正所述超声波传感器测量到的所述距离；在所述温度传感器测量到的气隙空气温度低于所述超声波传感器的自动温度修正下限时，所述控制单元基于所述温度传感器测量到的所述气隙空气温度及所述超声波传感器的所述自动温度修正下限来修正所述超声波传感器测量到的所述距离。
2.如权利要求1所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：所述第一安装通孔包括螺纹孔，所述超声波传感器通过所述螺纹孔固定安装在所述转子磁轭中。
3.如权利要求1所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：在所述转子磁轭对应于相邻两个所述磁钢模组之间的间隙处还开设有第二安装通孔，所述温度传感器安装于所述第二安装通孔中。
4.如权利要求1或3所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：还包括：
传感器防护罩，罩盖于传感器的外侧并安装在所述转子磁轭上，以对所述传感器进行密封保护。
5.如权利要求4所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：在所述传感器防护罩与所述转子磁轭之间设置有密封垫。
6.如权利要求4所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：所述传感器的引出线延伸穿过所述传感器防护罩并连接至所述控制单元，并且，在所述传感器的引出线与所述传感器防护罩之间设置第一密封接头。
7.如权利要求1所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：所述温度传感器安装于所述转子磁轭的位于所述多个磁钢模组的最外端并且邻近所述磁钢模组的表面上。
8.如权利要求7所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：所述风力发电机还包括用于支撑所述转子的转子支撑体，所述温度传感器的引出线延伸穿过所述转子支撑体并连接至所述控制单元，并且，在所述温度传感器的引出线与所述转子支撑体之间设置第二密封接头。
9.如权利要求1所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：在所述风力发电机的转子磁轭上沿所述风力发电机的轴向方向布置多组所述位置传感器。
10.如权利要求9所述的风力发电机气隙监测***，其特征在于：多组所述位置传感器分别位于所述风力发电机的驱动端、非驱动端以及位于驱动端和所述非驱动端之间的中段。
11.一种风力发电机组，其特征在于：其包括风力发电机及如权利要求1至10中任一项所述的风力发电机气隙监测***。
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