单轴承直驱风力发电机组
Single-Bearing Direct-Drive Wind Turbines

由于直驱式风力发电机没有齿轮箱,主轴结构与齿轮箱增速的风力发电机不同,分为双轴承结构单轴承结构。图1是外转子直驱风力发电机组的轴系图,左图是双轴承结构,右图是单轴承结构。

外转子直驱风力发电机组的主轴结构
图1  外转子直驱风力发电机组的主轴结构

图2是内转子直驱风力发电机组的轴系图,左图是双轴承结构,右图是单轴承结构。

内转子直驱风力发电机组的主轴结构
图2  内转子直驱风力发电机组的主轴结构

为清楚显示静止部件与转动部件,图中静止部件剖面与转动部件剖面采用不同方向的剖面线表示。
双轴承结构有前后两个轴承,可以很好的承受较大的轴向负荷径向负荷,对倾覆力矩有很好的承受能力,但轴伸进了轮毂,占据了轮毂内的空间,安装也比较麻烦。

若只有一个轴承,对倾覆力矩的承受能力较差,解决办法是采用大直径轴承,才能承受较大的倾覆力矩,目前单轴承结构使用的轴承直径已超过3m。由于单轴承结构的抗倾覆力矩能力终究不如双轴承结构,而且大直径轴承造价很高,安装也比较麻烦,限制了在特大型机组中的应用,在早期中型兆瓦级直驱风力发电机组应用较多。

在内转子直驱永磁风力发电机课件与外转子直驱永磁风力发电机课件中只介绍了双轴承结构,下面介绍单轴承直驱永磁风力发电机。

单轴承内转子直驱永磁风力发电机

下面通过一个单轴承内转子直驱永磁风力发电机模型介绍其基本结构与组成。电机为内转子径向磁通,是典型电机结构,定子铁心与绕组在外,方便散热。

为了清楚显示结构细节,图片中的模型与实际发电机相比,模型的转子磁极数比实际电机要少,磁轭较厚,定子槽数相应减少,定子铁心较厚,主要部件夸大,次要部件省略。

定子是静止的,定子铁心由导磁良好的硅钢片叠成,在定子铁心内圆周均匀分布着许多槽,用来嵌装线圈,多个线圈组成三相绕组。图3左图是定子铁心,右图是有绕组的定子。

内转子直驱式风力发电机的定子

3  内转子直驱式风力发电机的定子

定子铁心安装在定子机座内,机座与电机的定轴固定成一体,定轴一端有法兰,用来连接风力机的底座,定轴另一端是安装轴承的位置,见图4。

内转子直驱式风力发电机的定子与机座
图4  内转子直驱式风力发电机的定子与机座

转子主要由转子磁轭、永磁体磁极、转轴组成,在转子磁轭外圆周贴有多个永磁体磁极,相邻永磁体外表面极性相反,形成多凸极转子,见图5。

转子磁轭通过转子支架固定在电机的转轴上,转轴内圆周用来安装轴承。由于风轮直接安装在发电机转子上,电机轴承要承受轴向负荷、径向负荷、倾覆力矩等。由于只有一个轴承,采用大直径轴承才能增加承载能力。在转轴端面有安装轮毂的法兰,图5展示了转子两个方向的视图。

永磁体凸极的内转子
图5  永磁体凸极的内转子

主轴承采用大直径的双列圆锥滚子轴承,有很好的轴向负荷、径向负荷、倾覆力矩的承载能力。图6是两种双列圆锥滚子轴承,左图是双外圈双列圆锥滚子轴承(外圈是两个并合组成)。右图是双内圈双列圆锥滚子轴承(内圈是两个并合组成)。

双列圆锥滚子轴承采用轴面安装,端面必须用螺栓锁紧,优点是方便安装。

双列圆锥滚子轴承
图6  双列圆锥滚子轴承

我们的模型采用轴面安装,主轴承内圈安装紧固在定子的定轴上,主轴承外圈安装紧固在转子转轴内圆周。转子与定子之间有很小的气隙,可自由旋转,见图7。

内转子单轴承直驱发电机
图7  内转子单轴承直驱发电机

图8是该发电机模型的平面剖面图,静止部件为黄色,转动部件为绿色。

内转子单轴承直驱发电机平面图
图8  内转子单轴承直驱发电机平面图

下面简单介绍整个直驱风力发电机组的组装。

在塔架顶部安装有机舱,机舱里有底座与偏航装置,见图9左图;右图是把内转子永磁发电机通过螺栓安装在底座上的状态。

在机舱安装直驱发电机
图9  在机舱安装直驱发电机

把风轮的轮毂安装到发电机转子的法兰上,整个发电机模型组装完成,见图10。在风轮的轮毂安装有变桨装置,变桨装置与普通风力机相同。

内转子单轴承直驱永磁发电机组
图10  内转子单轴承直驱永磁发电机组
 
  2025年1月24日发布  
 
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