一种半直驱串列双风轮风电机组

摘要

本发明公开了一种半直驱串列双风轮风电机组，包括双转子发电机，所述双转子发电机由外到里依次设置外转子、外定子、隔磁层、内定子和内转子，所述外转子套设在外定子上构成前风轮发电机，所述内定子套设在内转子上构成后风轮发电机，所述前风轮发电机套设在所述后风轮发电机上；在结构、电磁、控制上实现完全解耦，从而实现两风轮转速协同控制，以机组整体出力最优为目标，提高风能利用率，减小风轮直径，降低风力发电机组度电成本，使机组整体效率达到最高。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电机组技术领域，具体属于一种半直驱串列双风轮风电机组。

背景技术

随着风电装机容量的快速发展，目前主流风电机组采用单风轮水平轴形式，且朝着大型化发展，但随着风电机组大型化发展，其核心关键技术受到诸多限制，迫切需要发展新形式高效风能转换装置。

串列式双风轮结构形式以其高效率、关键核心设备成熟受到重视。但是目前现有报道的双风轮机组采用两风轮共轴或通过锥形齿轮连接至主轴，前述结构形式两风轮只能同转速，不能实现两风轮转速独立控制，即两风轮不能实现解耦，进而导致两风轮不能在各自的高效区运行，导致所述机组整机效率偏低。

发明内容

为了解决现有技术中串列式双风轮机组在运行上未能解耦，运行效率偏低的问题，本发明提供一种具有传动解耦的半直驱串列双风轮风电机组，在结构、电磁、控制上实现完全解耦，从而实现两风轮转速协同控制，以机组整体出力最优为目标，提高风能利用率，减小风轮直径，降低风力发电机组度电成本，使机组整体效率达到最高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种半直驱串列双风轮风电机组，包括双转子发电机，所述双转子发电机由外到里依次设置外转子、外定子、隔磁层、内定子和内转子，所述外转子套设在外定子上构成前风轮发电机，所述内定子套设在内转子上构成后风轮发电机，所述前风轮发电机套设在所述后风轮发电机上；

所述前风轮发电机的输出轴与所述后风轮发电机的输出轴同轴并且方向相反，所述前风轮发电机和后风轮发电机之间设置有隔磁层；

所述前风轮发电机的输出轴连接前齿轮箱，所述前齿轮箱通过主轴连接双风轮中的前风轮；所述后风轮发电机的输出轴连接后齿轮箱，所述后齿轮箱通过主轴连接双风轮中的后风轮。

进一步的，所述前风轮布置在上风向，所述后风轮布置在下风向，所述前风轮和后风轮旋转方向相反。

进一步的，所述主轴包括前主轴和后主轴，所述前轮齿轮箱中的低速齿通过前主轴与前风轮连接，所述前齿轮箱高速齿与双转子发电机的前风轮发电机连接；后齿轮箱的低速齿通过后主轴与后风轮连接，后齿轮箱的高速轴与后风轮发电机连接；所述主轴上还设置有滑环。

进一步的，所述外转子和外定子之间设置有气隙，所述内定子和内转子之间设置有气隙，所述外转子和所述内转子为永磁转子，所述外定子和所述内定子为绕组定子。

进一步的，所述双转子发电机中内定子与外定子通过隔磁层进行隔离，所述隔磁层为隔磁材料，所述隔磁层用于将内转子与外转子的电磁进行隔离。

进一步的，所述前主轴通过联轴器与所述前齿轮箱低速齿连接，所述后主轴通过联轴器与所述后齿轮箱低速齿连接。

进一步的，所述外转子通过法兰或螺栓与前齿轮箱高速轴连接；内转子的输出轴通过联轴器与后齿轮箱高速轴连接。

进一步的，所述外转子前段设置有外转子前轴承，所述外转子后段设置有外转子后轴承，所述外转子前轴承和外转子后轴承分别固定在所述外定子的前段和后段，所述外转子前轴承和外转子后轴承用于支撑所述外转子。

进一步的，所述内转子前段设置有内转子前轴承，所述内转子后段设置有内转子后轴承，所述内转子前轴承和所述内转子后轴承分别固定在所述内定子的前段和后段，所述用于内转子前轴承和所述内转子后轴承支撑所述内转子。

进一步的，还包括机舱、塔筒、测风系统、偏航系统和电气系统及控制系统，其中：所述双转子发电机和齿轮箱均设置在所述机舱内，所述前风轮和后风轮分别设置在机舱外部两侧，所述前风轮和后风轮上设置有变桨系统，所述机舱通过偏航系统连接到塔筒上，机舱外表面上部设置测风系统，电气系统及控制系统设置在机舱内部，所述电气系统及控制系统的电信号线穿过主轴内部接入到偏航系统、测风系统及变桨系统中。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明的双风轮风电机组，设有前后两个风轮，由前后风轮同时捕获风能，分别通过前后齿轮箱进行增速，前后齿轮箱高速轴连接至双转子发电机外转子和内转子，两个齿轮箱和双转子发电机在传动和结构上实现完全解耦，两风轮协同控制，使机组出力更优、载荷更低，极大地提高了风能利用率，缩短了风轮半径，减轻了单个风轮载荷，能够有效地提高双风轮机组效率、大幅度地降低风力发电机组度电成本，使机组整体效率达到最高。

本发明提供的风电机组设有前后两个风轮，与同等容量的单风轮机组相比缩短了风轮半径，减轻了单个风轮载荷，并且本发明双风轮旋转方向相反即对转，可以增加风轮输出功率，进一步提高风能的利用率。

进一步的，本发明中采用前后两齿轮箱增速的结构，两齿轮箱分别独立连接前后风轮，在传动结构上进行解耦，本质上实现了前后风轮的独立运行、协同控制。

进一步的，本发明的双转子发电机在内定子与外定子之间采用隔磁材料进行隔磁，使内转子与外转子之间电磁和结构完全解耦，双转子电机的转速独立控制，实现两风轮的独立控制，整机效率更高，有效提高了发电机功率密度，结构紧凑，减少了双转子发电机永磁材料、磁钢等的用量，发电机体积减小，对风电机组机舱等材料都会减小，进一步提高材料利用率。

附图说明

图1为本发明所述的风电机组结构示意图；

图2为本发明风电机组双风轮对转结构示意图；

附图中：1为前风轮、2为后风轮、3为前主轴、4为后主轴、5为前主轴承、6为后主轴承、7为前主轴承座、8为后主轴承座、9为机舱、10为外转子前轴承、11为外转子后轴承、12为内转子前轴承、13为内转子后轴承、14为外转子、15为外定子、16为隔磁层、17为内定子、18为内转子、19为塔筒、20为风速仪、21为前齿轮箱、22为后齿轮箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为一种具有传动解耦的半直驱串列双风轮风电机组，包括：前风轮1、后风轮2、前主轴3、后主轴4、前主轴承5、后主轴承6、前主轴承座7、后主轴承座8、前齿轮箱21、后齿轮箱22，机舱9、塔筒19、风速仪20、双转子发电机、电气系统及控制系统、变桨系统。

其中，双转子发电机单元主要包括：外转子14、外定子15、隔磁层16、内定子17、内转子18、外转子前轴承10、外转子后轴承11、内转子前轴承12、内转子后轴承13；

如图1和图2所示，前风轮1和后风轮2串列布置形成双风轮，前风轮1和后风轮2分别设置在机舱9的两端，为捕获更多风能，前风轮1设置在上风向，后风轮2设置在下风向，且前风轮1和后风轮2旋转方向相反，即对转。

优选的，前风轮1后风轮2内还设置有变桨系统。

优选的，前主轴3一端伸出机舱9与前风轮1固定连接，前齿轮箱21设置在机舱9中，前主轴3的另一端伸入机舱9中与前齿轮箱21低速齿连接，前齿轮箱21高速轴与双转子发电机外转子14连接，当有风时，前风轮1旋转通过前齿轮箱21增速后带动双转子发电机外传子14转动发电；

优选的，后主轴4的一端伸出机舱9与后风轮2固定连接，后齿轮箱22设置在机舱9中，后主轴4的另一端伸入机舱9中与后齿轮箱22低速齿连接，后齿轮箱22高速轴与双转子发电机内转子18连接，当有风时，后风轮2旋转通过后齿轮箱22增速后带动内转子18转动发电；

优选的，所述前主轴3和后主轴4上还设置有滑环。

优选的，如图1所示，本发明的双转子发电机设置在机舱9中，外转子14和外定子15构成前风轮发电机，内定子17和内转子18构成后风轮发电机，前风轮发电机连接前齿轮箱21，前齿轮箱21通过主轴连接双风轮的前风轮1，后风轮发电机连接后齿轮箱22，后齿轮箱22通过主轴连接所述双风轮的后风轮2。

优选的，前风轮发电机与后风轮发电机之间设置有隔磁层16，即双转子发电机中内定子17与外定子15之间设置有隔磁层16，隔磁层16为隔磁材料，所述隔磁层可将内转子18与外转子14之间的电磁和结构完全解耦。

优选的，外转子14和外定子15对应设置且中间留有气隙，内定子17和内转子18对应设置且中间留有气隙，所述外转子14和所述内转子18为永磁转子，所述外定子15和所述内定子17为绕组定子。

本发明的一优选实施例中，前主轴3通过联轴器与前齿轮箱21低速齿连接，前齿轮箱21高速轴通过螺栓连接双转子发电机外转子14，后主轴4通过联轴器与后齿轮箱22低速齿连接，后齿轮箱22高速轴通过联轴器连接双转子发电机内转子18的输出轴。

优选的，外转子14还可通过法兰与前齿轮箱21高速轴连接。

优选的，外转子14前段和后段分别设置有外转子前轴承10和外转子后轴承11，并在外定子15上对应设置有外转子前轴承10和外转子后轴承11的轴承座，外转子前轴承10和外转子后轴承11分别固定对应的轴承座上，外转子前轴承10和外转子后轴承11用于支撑所述外转子15。

优选的，内转子18前段和后段分别设置有内转子前轴承12和内转子后轴承13，并在内定子17对应设置有内转子前轴承12和内转子后轴承13的轴承座，内转子前轴承12和内转子后轴承13分别固定在对应的轴承座上，内转子前轴承12和内转子后轴承13支撑所述内转子17。

优选的，前主轴承座7和后主轴承座8固定在机舱9上，前主轴承5固定在前轴承底座7内用于支撑前主轴3，后主轴承6固定在后轴承座8内用于支撑后主轴4。

优选的，前主轴3和后主轴5可以采用单轴承支撑，也可做成双轴承支撑。

优选的，本发明的风电机组的机舱9通过偏航系统连接到塔筒19上，机舱9外表面设置有风速仪20，机舱9内部设置有电气系统及控制系统，电气系统及控制系统电信号线可以穿过主轴内部，并从滑环接入到偏航系统、测风系统及变桨系统中。

在本发明的一优选实施例中，前齿轮箱21包括两级行星齿、一级平行齿、低速行星齿轴承和高速平行齿轴承，所述后齿轮箱22包括两级行星齿、高速齿轴承和低速齿轴承。

以上所述，为本发明的基础方案，本领域的技术人员在基础方案的基础上，可以选择或者组合以下技术手段：

前风轮1与后风轮2的旋转方向相同；前风轮1与后风轮2的半径比可变；双转子发电机中外转子14和内转子18的永磁体设置为励磁方式。

在内定子17与外定子15之间还可设置冷却层，冷却层采用水冷，冷却层设有冷却水管，冷却层可对内定子17与外定子15进行冷却，进一步提供发电机输出效率。

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。