背景技术

随着风电产业的不断发展， 风电技术也在不断地升级、 换代， 主要表 现为： 提高单机容量、 发展新技术改善风电机组性能、 提高风能利用率、 降低风电成本， 更加重视风电机组安全性和系统可靠性控制。 风电场运行 控制、 预测调度技术也在不断完善。 同时， 利用海上风能资源， 发展海上 风电场建设技术、 研制大型海上风电机组成为技术发展重点。

组和直驱全功率变换型风力发电机组为主。 双馈型风力发电机组有最好的 性价比， 但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱。 双馈型风力发电机组 的传动链必须要有大功率齿轮箱， 这对机组的可靠性和可维护性提出了更 苛刻的要求。 直驱全功率变换型风力发电机组通过变频器并 网， 对电网故 障的穿越能力较强， 有一定的支撑电网能力， 避免了大功率齿轮箱的维护 工作量， 可靠性有所提高。 但由于其转速很低， 随着功率的增大， 多极数 永磁同步发电机的制造工艺复杂， 技术难度大， 电机体积大， 造价高， 同 时随着机组容量的不断增大， 大功率变频器价格昂贵增加了其使用成本。 开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机 为机电能量转换核心。 开关磁阻发电机为双凸极电机。 定子、 转子均为凸极齿槽结构， 定子上设 有集中绕组， 转子上既无绕组也无永磁体。 开关磁阻发电机没有独立的励 磁绕组， 与集中嵌放的定子电枢合二为一。 定子接驱动器将电能输出到直 流侧， 然后通过网侧逆变器将能量馈入电网。 开关磁阻电机能量密度大， 结构筒单， 可靠性高， 没有去磁效应。 系统在并网时没有电流冲击， 对系 统几乎没有影响；可调节无功功率。 开关磁阻发电机结构简单， 转子上无刷、 无绕组、 无永久磁体。 其运 行时相当于一个电流源， 这样在一定转速范围内， 输出端电压不会随着转 速的变化而变化， 显然， 开关磁阻发电机这样的变速发电机可以提高风 能 的利用效率。 由于有上面的特性， 加以合理的设计， 开关磁阻发电机可以 在风力直接驱动下实现较高的发电效率， 从而省去了齿轮箱， 使整个发电 系统结构更加简洁、 可靠， 这也正是风力发电系统的发展趋势。 运行过程 中， 开关磁阻发电机可控参数多， 如开通角、 关断角等， 可方便的实现比 较复杂的控制策略， 灵活的控制输出直流电压和电流。 从风力发电的特点 考虑， 风力发电系统首先要将不断变化的风能转换为 频率、 电压恒定的交 流电或电压恒定的直流电， 而且要高效率的实现上述能量转换， 以降低成 本。 以此标准来看， 开关磁阻电机风力发电系统在风力发电方面是 非常有 应用前景的。 随着大功率电力电子器件性价比的提高以及控 制策略的发 展， 开关磁阻风力发电系统的优势将会逐渐得以体 现。

随着电机功率的增大，电机的体积将会越来越 大。特别对于低速电机， 例如开关磁阻风力发电机， 当功率大于兆瓦或数兆瓦以上时， 其体积将会 变得相当庞大， 且重量重， 给运输带来极大困难， 同时单位体积的输出功 率相对变小， 增大了发电机及其系统的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和 不足，提供一种能大幅 降低兆瓦级及以上的直驱开关磁阻风力发电机 成本且方便运输的直驱盘 式开关磁阻风力发电机。

实现上述目的的技术方案如下：

大型直驱盘式开关磁阻风力发电机， 包括轮毂、 主轴、 前法兰、 定子 铁芯、 机壳、 定子绕组、 转子铁芯、 后法兰、 机架、 前轴承外轴套、 前轴 承外端盖、 前轴承、 前轴承内轴套、 前轴承内端盖、 后轴承内轴套、 后轴 承内端盖、 后轴承、 后轴承外端盖、 后轴承外轴套及锁紧螺母； 所述轮毂 与主轴经螺栓紧固在一起； 所述前轴承安装在主轴上， 前轴承外轴套与前 轴承内轴套安装于主轴上并位于前轴承两端， 前轴承外端盖套在前轴承外 轴套上， 前轴承内端盖套在前轴承内轴套上， 前法兰位于前轴承外端盖与 前轴承内端盖之间， 并装配于前轴承上面， 经过螺栓与前轴承外端盖、 前 轴承内端盖紧固在一起； 前法兰与机壳经螺栓紧固在一起； 所述后轴承安 装在主轴上， 后轴承外轴套与后轴承内轴套安装于主轴上并 位于后轴承两 端， 后轴承外端盖套在后轴承外轴套上， 后轴承内端盖套在后轴承内轴套 上，后法兰位于后轴承外端盖与后轴承内端盖 之间，并装配于后轴承上面， 经过螺栓与后轴承外端盖、 后轴承内端盖紧固在一起； 后法兰经螺栓与机 壳、 机架紧固在一起； 锁紧螺母安装在主轴之上的后轴承外轴套外侧 ； 所 述前法兰、 机壳、 后法兰共同构成了盘式外壳； 所述定子铁芯固定在盘式 外壳内， 定子绕组固定于定子铁芯的槽内； 转子铁芯安装在前轴承内轴套 与后轴承内轴套之间的主轴上， 且转子铁芯与定子铁芯之间形成气隙。

进一步地， 所述发电机为单定子、 单转子直驱盘式开关磁阻风力发电 机， 所述定子铁芯固定于前法兰或后法兰上， 且所述转子铁芯与主轴之间 还安装有转子支架。

进一步地， 所述发电机为双转子、 中间定子直驱盘式开关磁阻风力发 电机， 所述定子铁芯固定在机壳上， 所述转子铁芯位于定子铁芯两侧， 并 固定于主轴上。

进一步地， 所述发电机为双定子、 中间转子直驱盘式开关磁阻风力发 电机， 所述定子铁芯位于转子铁芯两侧， 分别固定于前法兰、 后法兰上； 所述转子铁芯位于定子铁芯中间， 且所述转子铁芯与主轴之间还安装有转 子支架。 进一步地， 所述发电机为多定子、 多转子直驱开关磁阻风力发电机， 所述多个定子铁芯中的两个分别固定于前法兰 、 后法兰上， 其余定子铁芯 固定于机壳上，所述各个转子铁芯位于各定子 铁芯中间，并固定于主轴上。

本发明还提供了一种大型直驱盘式开关磁阻风 力发电机系统， 包括上 述的盘式开关磁阻风力发电机， 还包括功率变换器、 直流电池、 逆变器和 负载、 控制器及辅助电源； 所述盘式开关磁阻风力发电机与功率变换器连 接， 功率变换器同逆变器和负栽之间并联有所述直 流电池； 直流电池与控 制器连接， 控制器与功率变换器连接， 辅助电源与控制器连接。

与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果：

1、 本发明传动方式采用轮毂直接驱动方式， 大为简化了传动结构， 同时大幅减小了整机重量。

2、 本发明的电机采用盘式开关磁阻发电机结构， 属于轴向磁场电机， 具有重量轻、 体积小、 结构紧凑、 转子无损耗、 转矩 /重量比大、 低速运 行平稳的特点， 电机单位体积的输出功率变大， 既降低了成本， 又方便了 运输。

3、 本发明可以采用单气隙、 双气隙及多气隙等多种组合式结构， 进 一步提高电机单位体积的输出功率， 从而进一步减小电机体积和重量。

4、 本发明可以大幅减轻直驱风力发电机的重量和 成本， 可广泛应用 于直驱型风力发电系统中。

下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 附图说明 图 1是本发明的单定子、单转子直驱盘式开关磁� �风力发电机结构图； 图 2是本发明的双转子、 中间定子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构 图；

图 3是本发明的双定子、 中间转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构 图； 图 4是本发明的多定子、多转子直驱盘式开关磁� �风力发电机结构图； 图 5是本发明的直驱盘式开关磁阻风力发电机系� �的组成。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描 述。

实施例 1

如图 1所示，为单定子、单转子直驱盘式开关磁阻� �力发电机结构图。 图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和 螺母。 本结构的其它主要零 部件中包括： 轮毂 1、 主轴 2、 前法兰 3、 定子铁芯 4、 机壳 5、 定子绕组 6、 转子铁芯 7、 后法兰 8、 机架 9、 转子支架 10、 前轴承外轴套 11、 前轴 承外端盖 12、 前轴承 13、 前轴承内轴套 14、 前轴承内端盖 15、 后轴承内 轴套 16、 后轴承内端盖 17、 后轴承 18、 后轴承外端盖 19、 后轴承外轴套 20、 锁紧螺母 21。

其中， 轮毂 1与主轴 2经螺栓紧固在一起。

前轴承 13安装在主轴 1上， 前轴承外轴套 11与前轴承内轴套 14安 装于主轴 1上并位于前轴承 13两端， 前轴承外端盖 12套在前轴承外轴套 11上， 前轴承内端盖 15套在前轴承内轴套 14上， 前法兰 3位于前轴承外 端盖 12与前轴承内端盖 15之间， 并装配于前轴承 13上面， 经过螺栓与 前轴承外端盖 12、 前轴承内端盖 15紧固在一起。 前法兰 3再与机壳 5经 螺栓紧固在一起。

定子铁芯 4固定于前法兰 3上，定子绕组 6固定于定子铁芯 4的槽内。 后轴承 18安装在主轴 2上， 后轴承外轴套 20与后轴承内轴套 16安 装于主轴 1上并位于后轴承 18两端， 后轴承外端盖 19套在后轴承外轴套 20上， 后轴承内端盖 17套在后轴承内轴套 16上， 后法兰 8位于后轴承外 端盖 19与后轴承内端盖 17之间， 并装配于后轴承 18上面， 经过螺栓与 后轴承外端盖 19与后轴承内端盖 17紧固在一起。 后法兰 8经螺栓与机壳

5、 机架 9紧固在一起。

转子铁芯 7安装于转子支架 1 0上面， 转子支架 1 0安装在主轴 2上。 锁紧螺母 2 1位于主轴 2之上的后轴承外轴套 20外侧， 用于电机的轴 向定位。

主轴 2依次穿过前轴承外轴套 1 1、 前轴承 1 3、 前轴承内轴套 14、 转 子支架 1 0、后轴承内轴套 16、后轴承 18、后轴承外轴套 20、锁紧螺母 21， 并贯穿于前法兰 3与后法兰 8之外。

实施例 2

如图 2所示， 为双转子、 中间定子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构 图。 图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和 螺母。 本结构的其它主 要零部件中包括： 轮毂 1、 主轴 2、 前法兰 3、 定子铁芯 4、 机壳 5、 定子 绕组 6、 转子 7、 后法兰 8、 机架 9、 前轴承外轴套 1 1、 前轴承外端盖 12、 前轴承 1 3、 前轴承内轴套 14、 前轴承内端盖 1 5、 后轴承内轴套 16、 后轴 承内端盖 1 7、 后轴承 18、 后轴承外端盖 19、 后轴承外轴套 20、 锁紧螺母 21。

其中， 轮毂 1与主轴 2经螺栓紧固在一起。

前轴承 1 3安装在主轴 2上， 前轴承外轴套 1 1与前轴承内轴套 14安 装于主轴 1上并位于前轴承 1 3两端， 前轴承外端盖 12套在前轴承外轴套 11上， 前轴承内端盖 1 5套在前轴承内轴套 14上， 前法兰 3位于前轴承外 端盖 12与前轴承内端盖 15之间， 并装配于前轴承 1 3上面， 经过螺栓与 前轴承外端盖 12、 前轴承内端盖 15紧固在一起。 前法兰 3再与机壳 5经 螺栓紧固在一起。

定子铁芯 4位于转子铁芯 7之间， 固定于机壳 5上， 定子绕组 6固定 于定子铁芯 4的槽内。

后轴承 18安装在主轴 2上， 后轴承外轴套 20与后轴承内轴套 16安 装于主轴 1上并位于后轴承 18两端， 后轴承外端盖 19套在后轴承外轴套 20上， 后轴承内端盖 17套在后轴承内轴套 16上，后法兰 8位于后轴承外 端盖 19与后轴承内端盖 17之间， 并装配于后轴承 18上面， 经过螺栓与 后轴承外端盖 19与后轴承内端盖 17紧固在一起。 后法兰 8经螺栓与机壳 5、 机架 9紧固在一起。

转子铁芯 7位于定子铁芯 4两侧， 并固定于主轴 2上。 锁紧螺母 21 位于主轴 2之上的后轴承外轴套 20外侧， 用于电机的轴向定位。

主轴 2依次穿过前轴承外轴套 1 1、 前轴承 1 3、 前轴承内轴套 14、 转 子铁芯 4、 后轴承内轴套 16、 后轴承 1 8、 后轴承外轴套 20、 锁紧螺母 21 , 并贯穿于前法兰 3与后法兰 8之外。

实施例 3

如图 3所示， 为双定子、 中间转子直驱盘式开关磁阻风力发电机结构 图。 图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和 螺母。 本结构的其它主 要零部件中包括： 轮毂 1、 主轴 2、 前法兰 3、 定子铁芯 4、 机壳 5、 定子 绕组 6、 转子铁芯 7、 后法兰 8、 机架 9、 转子支架 1 0、 前轴承外轴套 1 1、 前轴承外端盖 12、 前轴承 1 3、 前轴承内轴套 14、 前轴承内端盖 15、 后轴 承内轴套 1 6、 后轴承内端盖 1 7、 后轴承 18、 后轴承外端盖 19、 后轴承外 轴套 20、 锁紧螺母 21。

其中， 轮毂 1与主轴 2经螺栓紧固在一起。

前轴承 1 3安装在主轴 2上， 前轴承外轴套 1 1与前轴承内轴套 14安 装于主轴 2上并位于前轴承 1 3两端， 前轴承外端盖 12套在前轴承外轴套 1 1上， 前轴承内端盖 1 5套在前轴承内轴套 14上， 前法兰 3位于前轴承外 端盖 12与前轴承内端盖 15之间， 并装配于前轴承 1 3上面， 经过螺栓与 前轴承外端盖 12与前轴承内端盖 15紧固在一起。 前法兰 3再与机壳 5经 螺栓紧固在一起。

定子铁芯 4位于转子铁芯 7两侧， 分别固定于前法兰 3、后法兰 8上， 定子绕组 6固定于定子铁芯 4的槽内。

后轴承 18安装在主轴 1上， 后轴承外轴套 20与后轴承内轴套 16安 装于主轴 1上并位于后轴承 18两端， 后轴承外端盖 19套在后轴承外轴套 20上， 后轴承内端盖 17套在后轴承内轴套 16上， 后法兰 8位于后轴承外 端盖 19与后轴承内端盖 Π之间， 并装配于后轴承 18上面， 经过螺栓与 后轴承外端盖 19与后轴承内端盖 17紧固在一起。 后法兰 8经螺栓与机壳

5、 机架 9紧固在一起。

转子铁芯 7位于定子铁芯 4中间， 并固定于转子支架 1 0上， 转子支 架 10位于前轴承内轴套 14与后轴承内轴套 1 6之间， 固定于主轴 2上。

锁紧螺母 21位于主轴 2之上的后轴承外轴套 20外侧， 用于电机的轴 向定位。

主轴 2依次穿过前轴承外轴套 1 1、 前轴承 1 3、 前轴承内轴套 14、 转 子支架 1 0、后轴承内轴套 16、后轴承 18、后轴承外轴套 20、锁紧螺母 21， 并贯穿于前法兰 3与后法兰 8之外。

实施例 4

如图 4所示，为多定子、多转子直驱盘式开关磁阻� �力发电机结构图。 图中一些短小的中心线表示各种规格的螺栓和 螺母。 本结构的其它主要零 部件中包括： 轮毂 1、 主轴 2、 前法兰 3、 定子铁芯 4、 机壳 5、 定子绕组

6、 转子铁芯 7、 后法兰 8、 机架 9、 前轴承外轴套 1 1、 前轴承外端盖 12、 前轴承 1 3、 前轴承内轴套 14、 前轴承内端盖 1 5、 后轴承内轴套 16、 后轴 承内端盖 1 7、 后轴承 18、 后轴承外端盖 19、 后轴承外轴套 20、 锁紧螺母 21。

其中， 轮毂 1与主轴 2经螺栓紧固在一起。

前轴承 1 3安装在主轴 1上， 前轴承外轴套 1 1与前轴承内轴套 14安 装于主轴 1上并位于前轴承 Π两端， 前轴承外端盖 12套在前轴承外轴套 1 1上， 前轴承内端盖 15套在前轴承内轴套 14上， 前法兰 3位于前轴承外 端盖 12与前轴承内端盖 15之间， 并装配于前轴承 13上面， 经过螺栓与 前轴承外端盖 12与前轴承内端盖 15紧固在一起。 前法兰 3再与机壳 5经 螺栓紧固在一起。

两个盘式定子铁芯 4分别固定于前法兰 3、 后法兰 8上， 其余盘式定 子铁芯 4固定于机壳 5上， 定子绕组 6固定于定子铁芯 4的槽内。

后轴承 18安装在主轴 2上， 后轴承外轴套 20与后轴承内轴套 16安 装于主轴 1上并位于后轴承 18两端， 后轴承外端盖 19套在后轴承外轴套 20上， 后轴承内端盖 17套在后轴承内轴套 16上， 后法兰 8位于后轴承外 端盖 19与后轴承内端盖 17之间， 并装配于后轴承 18上面， 经过螺栓与 后轴承外端盖 19与后轴承内端盖 17紧固在一起。 后法兰 8经螺栓与机壳 5、 机架 9紧固在一起。

各个盘式转子铁芯 7位于定子铁芯 4中间， 并固定于主轴 2上。

锁紧螺母 21位于主轴 1之上的后轴承外轴套 20外侧， 用于电机的轴 向定位。

主轴 2依次穿过前轴承外轴套 11、 前轴承 13、 前轴承内轴套 14、 转 子铁芯 7、 后轴承内轴套 16、 后轴承 18、 后轴承外轴套 20、 锁紧螺母 21 , 并贯穿于前法兰 3与后法兰 8之外。

实施例 5

如图 5所示， 本发明的直驱开关磁阻风力发电机系统包括上 述实施例 1-4中的任一个盘式开关磁阻发电机 23、 功率变换器 24、 直流电池 25、 逆变器和负载 26、 控制器 27、 辅助电源 28 , 其中盘式开关磁阻风力发电 机 23与功率变换器 24连接， 功率变换器 24同逆变器和负载 26之间并联 有直流电池 25 ; 直流电池 25与控制器 27连接； 控制器 27与功率变换器 24相连； 辅助电源 28与控制器 27连接。

盘式开关磁阻发电机 23的转子由轮毂拖动旋转， 是风能 /机械能转换 装置； 功率变换器 24接收控制器 27发出的控制指令， 将开关磁阻发电机 23发出的直流电输出给系统的储能装置-直流电 池 25 ; 控制器 27， 包括驱 动电路、 过压过流保护电路、 电压电流检测电路、 转子位置检测电路、 单 片机或 DSP最小系统电路等， 控制器 27综合处理转子位置检测器、 电压 电流检测器提供的电机转子位置、 速度和电流等反馈信息及外部输入的指 令， 实现对盘式开关磁阻发电机 23运行状态的控制， 控制开关磁阻发电 机各相绕组轮流工作， 实现机械能到电能的转化。 直流电池 25 , 是系统的 储能装置； 逆变器和负载 26， 将盘式开关磁阻发电机 23发出的直流电逆 变成交流电， 直接供给交流负载； 辅助电源 28， 用来给控制器 27提供士 15V, ± 5V等多路电源。

最后应说明的是： 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于 限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说 明， 对于本领 域的技术人员来说， 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案 进行修 改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之 内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围 之内。