发电机组件、发电机、风力发电机组和发电方法与流程

本发明涉及发电技术，尤其是一种发电机组件、发电机、风力发电机组和发电方法。

背景技术：

现有外转子型永磁同步发电机基本组成结构包括定子线圈、定子铁芯、转子永磁体、转子磁轭单元、发电机轴承等，其中一种外转子发电机的轴向剖面结构如图1所示，主要包括转子磁极1、定子线圈2、定子支架3、转子前支架4、定子铁芯5、发电机转子连接法兰6、发电机轴承7、轴承与转子连接螺栓8、定子与轴承连接法兰9、定子连接法兰10、转子前支架11、转子前端盖12等。永磁同步发电机为直驱风力发电机机组主要部件之一，叶轮通过发电机转子连接法兰6与发电机连接，发电机通过定子连接法兰10与机舱定轴连接。当叶轮在风的作用下旋转时，带动发电机转子旋转，发电机定子线圈2切割转子上面的转子磁极1产生的磁场，发电机产生电能，再通过电缆及变流器传输与转换，输送至电网，实现风力发电机组的发电功能。

发电机作为机组传动链的核心组成部件，其稳定性与可靠性至关重要，发电机的失效将直接影响机组的发电性能与指标；而且，发电机本身的制造成本高昂，更换发电机需要将叶轮拆除，更换维修成本亦较高；尤其对于海上机组而言，由于受客观环境因素制约，在机组发电机失效的情况下，往往不能及时更换，以至于机组发电机只能处于故障停机状态，从而对用户造成巨大的损失。

在图1所示的发电机结构中，磁钢安装在转子内表面，极对数一般在40对以上；定子线圈2一般两套并列，且由一定相位角差的绕组组成。当发电机磁钢出现部分失效时，将导致发电机完全失效。对于单轴承的发电机而言，由于承载载荷大、设计要求高等条件影响，轴承在使用寿命及可靠性指标方面存在较高的失效风险。故，在现有发电机中，所述磁钢失效、定子线圈失效、轴承失效等任何一种情况，都可能导致发电机机组的永久性故障停机，从而造成巨大的损失。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决发电机因部分部件失效带来的永久性故障停机的问题。

本发明提出一种发电机组件，包括两组不共轭的发电单元；

每组所述发电单元包括中心轴重合的转子磁轭单元和定子绕组单元，所述转子磁轭单元在靠近所述中心轴的内侧面上设置有磁体，所述定子绕组单元在远离所述中心轴的外侧面上设置有线圈，所述磁体和所述线圈之间形成预设间隙，且彼此相对设置。

进一步地，每组所述发电单元的定子绕组单元上设置有用于输出感应电流的出线端，每个所述出线端上引出的电缆线的走线方向相同，且与所述中心轴平行。

进一步地，两组所述发电单元的转子磁轭单元之间连接有转子磁轭单元连接体，所述转子磁轭单元连接体与所述中心轴之间设有转子磁轭单元支撑架。

进一步地，所述转子磁轭单元支撑架为镂空的网状结构。

本发明还提出一种发电机，包括前述任一项所述的发电机组件。

进一步地，所述发电机还包括套于主轴上的轴承；所述轴承的外圈或内圈中的一个上固定有所述转子磁轭单元，所述轴承的外圈或内圈中的另一个上固定有所述定子绕组单元。

进一步地，所述轴承包括套于所述主轴前端部的前轴承，和套于所述主轴中部的后轴承；所述前轴承和后轴承的外圈固定有所述转子磁轭单元，所述前轴承和后轴承的内圈固定有所述定子绕组单元。

进一步地，所述发电机还包括两个定子绕组支架；一个所述定子绕组单元)通过一个所述定子绕组支架与所述前轴承的内圈固定连接，另一个所述定子绕组单元通过另一个所述定子绕组支架与所述后轴承的内圈固定连接。

进一步地，每个所述转子磁轭单元分别包括至少两个转子磁轭单元子单元，每个所述定子绕组单元分别包括至少两个定子绕组子单元，每个所述定子绕组子单元分别对应一个所述转子磁轭单元子单元。

本发明还提出一种风力发电机组，其包括前述任一项所述的发电机。

进一步地，所述风力发电机组还包括用于带动所述转子磁轭单元转动的叶轮集成和用于支撑所述转子磁轭单元的前支撑架；所述前轴承的外圈一侧通过第一法兰与所述叶轮集成连接，另一侧通过第二法兰与所述前支撑架连接。

进一步地，所述前轴承为双列圆锥型。

进一步地，一个所述转子磁轭单元通过所述前支撑架与所述前轴承的外圈固定连接。

进一步地，所述风力发电机组还包括机舱集成，所述机舱集成通过机舱底座与所述主轴后端部的第三法兰连接。

本发明还提出一种发电方法，其采用前述任一项所述的发电机进行发电。

本发明的有益效果如下：

1、本发明发电机组件具有两组不共轭的发电单元，当其中一组发电单元故障时，另一组发电单元不受影响，可继续产生感应电流，从而降低了发电机组件因发电单元失效而停机的概率，提高了发电单元的部件失效的容错运行能力，进而降低了因停机而导致的发电量的损失；而且，两组发电单元相互独立，维修和更换也更加便捷。

2、本发明中的两组发电单元的出线端分别设置于所述定子绕组单元上，且引出的电缆线可沿所述中心轴的方向走线，有利于从发电机的内部直穿塔架下方，可有效缩短感应电流的传输电缆长度；而且还有利于优化发电机和机舱集成的内部空间布局。

3、本实施例通过前轴承与后轴承共同承担两组发电单元的载荷，有利于分散轴承载荷的配比，降低轴承疲劳度，提高轴承的使用寿命；而且，将靠近叶轮集成的轴承设置为双列圆锥型，可同时承受轴向载荷与径向载荷。

4、本发明通过双轴承结构以及转子磁轭单元支撑架，在同等发电功率下，增大了发电机的内部空间，从而使每组发电单元可通过增大线圈横截面面积的方式达到减小线阻和降低定子绕组铜耗的目的；而且，还可增加定子冲片的外径，以实现更好地散热目的，提高了发电机环境适应性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有外转子发电机一个实施例的结构示意图；

图2为本发明发电机组件一个实施例的组装剖视结构示意图；

图3为本发明转子磁轭单元连接体与所述转子磁轭单元连接的一个实施例的组装剖视结构示意图；

图4为本发明风力发电机组一个实施例的连接结构示意图。

标号说明：

转子磁极1、定子线圈2、定子支架3、转子前支架4、定子铁芯5、发电机转子连接法兰6、发电机轴承7、轴承与转子连接螺栓8、定子与轴承连接法兰9、定子连接法兰10、转子前支架11、转子前端盖12；

主轴110，前轴承120，后轴承130，转子磁轭单元210，前支撑架211，转子磁轭单元220，后支撑架221，后端盖222，转子磁轭单元连接体230，转子磁轭单元支撑架240，外转子轴套250，磁体251，定子绕组单元310，定子绕组支架311，出线端31，定子绕组单元320，定子绕组支架321，出线端31，出线端32，第一法兰401，第二法兰402，第三法兰403，固定螺栓404，发电机50，叶轮集成501，机舱集成60，机舱底座61，转接器71，变流系统72。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

结合图2所示的实施例，本发明提出一种发电机组件，包括两组不共轭的发电单元；每组所述发电单元包括中心轴重合的转子磁轭单元210和定子绕组单元310(或包括中心轴重合的转子磁轭单元220和定子绕组单元320)，所述转子磁轭单元210和转子磁轭单元220在靠近所述中心轴的内侧面上设置有磁体，所述定子绕组单元310和定子绕组单元320在远离所述中心轴的外侧面上设置有线圈，每组所述发电单元中的所述磁体和所述线圈之间形成预设间隙，且彼此相对设置，以在相对转动过程中产生感应电流。

所述不共轭具体指两个发电单元各自独立，每个发电单元中的转子磁轭单元分别产生各自的磁场，且该磁场旋转时切割各自对应的定子绕组单元中的线圈，以分别产生感应电流。在本实施例中，当外力使转子磁轭单元210和转子磁轭单元220绕所述中心轴转动时，转子磁轭单元210形成一个旋转的磁场，该旋转的磁场切割定子绕组单元310中的线圈，产生一路感应电流输出；转子磁轭单元220形成另一个旋转的磁场，该旋转的磁场切割另一个定子绕组单元320中的线圈，产生另一路感应电流输出。由于本实施例中的发电机组件包括至少两组可独立产生感应电流的发电单元，故，当其中一组发电单元的转子磁轭单元失效或定子绕组单元失效时，不会影响另一组发电单元的正常工作，整个发电机组件仍将继续产生感应电流，从而减少了整个发电机组件因部分部件失效而停机的概率，提高了发电机组件在不同部件失效情况下的容错运行能力，提升了发电机可靠性；进一步地，也极大地降低了发电机因部件失效导致停机引起的发电量损失。

在本发明的又一实施例中，每组所述发电单元的定子绕组单元上分别设置有用于输出感应电流的出线端，如图2所示，定子绕组单元310上设置有出线端31，定子绕组单元320上设置有出线端32，出线端31和出线端32上引出的电缆线的走线方向相同，且与所述中心轴平行。

本实施例中用于引出感应电流的出线端31和出线端32分别设置于定子绕组单元310和定子绕组单元320上，且从出线端31和出线端32上引出的电缆线可沿相同的方向走线，所述方向与所述中心轴平行，可简化后续感应电流的处理电路；例如，从不同出线端引出的多路感应电流可引入同一个断路器器件中，减少了组件数量，降低了电路设计的复杂程度；而且，当所述电缆线与所述中心轴平行时，可使所述电缆线沿所述中心轴的方向集中出线，有利于缩短走线长度；多路所述电缆线在相同或相近的位置拐弯时，还可采用同一个转接头，避免了多路电缆线走线混乱的情况。

故，在本发明的另一实施例中，所述出线端31和出线端32上引出的电缆线可沿所述中心轴走线，以使产生的感应电流可从电动机内部穿出，简化所述发电机组件走线的复杂度。

在本发明的另一实施例中，一个发电单元中的转子磁轭单元210和另一个发电单元中的转子磁轭单元220之间还连接有转子磁轭单元连接体230，所述转子磁轭单元连接体230与所述中心轴之间设有转子磁轭单元支撑架240。

所述转子磁轭单元连接体230可为用于连接转子磁轭单元210和转子磁轭单元220的绝缘材料连接件。本发明的一个实施例中，如图3所示，若所述发电机组件为外转子内定子结构，可采用同一个外转子轴套250，以用于固定两组发电单元中的磁体251；在两组发电单元的磁体251之间的外转子轴套250内侧可设置卡槽，以用于卡接转子磁轭单元连接体230，从而有利于在所述中心轴与所述外转子轴套250之间设置转子磁轭单元支撑架240。转子磁轭单元支撑架240有利于使转子磁轭单元210、转子磁轭单元220、定子绕组单元310和定子绕组单元320之间形成更稳定的空间结构，并使转子磁轭单元210和转子磁轭单元220的转动更稳定；而且，转子磁轭单元连接体230还可起到隔离两组发电单元的作用，减少两组发电单元之间的干扰。

进一步地，所述转子磁轭单元支撑架240可为镂空的网状结构，以使两组发电单元之间保持良好的空气流通性，实现发电单元之间的互通，提高散热效果。

基于所述发电机组件，本发明还提出一种发电机，所述发电机包括前述任一项所述的发电机组件。

以发电机组件包括两组不共轭的发电单元为例，当所述发电机采用所述发电机组件时，可通过两个不共轭的双发电单元，将所述定子绕组单元的失效引起的故障停机概率，或将所述转子磁轭单元失效引起的故障概率减小数倍。与额定功率相同的现有发电机相比，本发明的双发电单元设计，在发电时可将所述发电单元内的电流有效值降低1/2，以减小发电机的内部损耗；若通过增加用于传输电流的电缆线直径来减少所述内部损耗，则在所述内部损耗相同的情况下，本发明相当于节约了发电机内部的电缆线的用料。

在本发明的另一个发电机实施例中，结合图2所示，所述发电机还包括套于主轴110上的轴承；所述轴承的外圈或内圈中的一个上固定有转子磁轭单元210和转子磁轭单元220，所述轴承的外圈或内圈中的另一个上固定有定子绕组单元310和定子绕组单元320。结合所述发电机组件的结构，转子磁轭单元210上的磁体与定子绕组单元310中的线圈相对设置，且隔开所述预设间隙，以使转子磁轭单元210旋转时，可在对应的定子绕组单元310的线圈中产生感应电流；转子磁轭单元220上的磁体与定子绕组单元320中的线圈相对设置，且隔开所述预设间隙，以使转子磁轭单元220旋转时，可在对应的定子绕组单元320的线圈中产生感应电流。

所述轴承包括内圈和外圈，当轴承转动时，可为所述内圈转动而所述外圈不动，或是所述外圈转动而所述内圈不动。故，当所述轴承的内圈或外圈在外力的带动下转动时，可使固定于所述轴承内圈或外圈上的转子磁轭单元转动；而定子绕组单元则固定于所述轴承的内圈或外圈中的另一个上，保持不动，故，所述定子绕组单元与所述转子磁轭单元之间可发生相对转动，产生感应电流。当所述轴承带动所述转子磁轭单元转动时，所述轴承的中心线可与所述中心轴重合，以使所述转子磁轭单元的转动力矩保持平衡。

在本实施例中，出线端31和出线端32可设置于所述轴承的内部，以方便从出线端31和出线端32引出的电缆线沿所述轴承的中心线走线；进一步地，所述电缆线可沿主轴110的内部走线，以使所述电缆线的走线更为集中，便于后续的电路信号处理和走线设计。

本发明还提出另一实施例：所述轴承包括套于主轴110前端部的前轴承120，和套于所述主轴110中部的后轴承130；所述前轴承120的外圈固定有所述转子磁轭单元210，所述后轴承130的外圈固定有所述转子磁轭单元220，所述前轴承120的内圈固定有所述定子绕组单元310，所述后轴承130的内圈固定有所述定子绕组单元320。

在本实施例中，定子绕组单元310和定子绕组单元320分别固定于前轴承120和后轴承130的内圈，故，本实施例中的出线端31和出线端32亦可固定于前轴承120和后轴承130的内圈上，有利于使从出线端31和出线端32上引出的电缆线沿主轴110的方向走线，以简化两组发电单元的感应电流出线路径。

基于上一实施例，本发明还提出另一实施例：所述转子磁轭单元支撑架240可连接于后轴承130的外圈与所述转子磁轭单元连接体230之间，以使所述转子磁轭单元支撑架240与所述后轴承130的外圈同步转动，起到支撑两组发电单元的作用；若两组发电单元公用一个外转子轴套250，所述转子磁轭单元支撑架240可防止外转子轴套250在长期使用中的变形，从而减少因外转子轴套250的变形对发电效率的影响。

前述实施例通过前轴承120与后轴承130共同承担两个发电单元的载荷，有利于分散轴承的载荷配比，降低轴承的疲劳度，提高轴承的使用寿命，从而减少轴承的故障概率。

本发明还提出另一实施例：所述发电机还包括定子绕组支架311和定子绕组支架321；定子绕组单元310通过所述定子绕组支架311与所述前轴承120的内圈固定连接，另一个定子绕组单元320通过另一个所述定子绕组支架321与所述后轴承130的内圈固定连接。本实施例将原有发电机的发电结构设计成多个独立的模块或单元，即将原有的发电结构模块化或单元化，在发电机的发电功率相同的情况下，本实施例将包括两个发电单元的发电机组件通过定子绕组支架311和定子绕组支架321分别连接于两个轴承上，以平衡载荷，有利于在发电机内形成较大的绕组空间，以便于增加定子冲片的外径，达到使发电机的定子绕组实现更好地散热目的，改善感应电流损耗而造成的温升效应，进而提高发电机的环境适应性。在同样温升许可的情况下，本实施例所述的结构可使发电机的散热效率更高。

进一步地，每一组所述发电单元又可分为至少两个子发电单元，以使每个发电单元可产生至少两组感应电流回路；故本发明提出又一实施例：所述转子磁轭单元210和所述转子磁轭单元220分别包括至少两个转子磁轭单元子单元，所述定子绕组单元310和所述定子绕组单元320分别包括至少两个定子绕组子单元，每个所述定子绕组子单元分别对应一个转子磁轭单元子单元，以使转子磁轭单元210中的一个转子磁轭单元子单元对应定子绕组单元310中的一个定子绕组子单元，另一个转子磁轭单元子单元对应另一个定子绕组子单元，从而在一组发电单元中可形成至少两路感应电流，故本实施例中的两组发电单元可形成至少四路感应电流回路。

每一个所述定子绕组单元中，或每一个所述定子绕组子单元内，还可通过改变定子绕组上的线圈绕线方式产生多路感应电流；即：在一个所述发电单元内，既可通过设置多对转子磁轭单元子单元和定子绕组子单元以产生多路感应电流，又可通过改变定子绕组上的线圈绕线方式以产生多路感应电流，从而使本发明实现形成多个独立感应电流回路的目的。

相比于一组发电单元中输出一路感应电流，在同等发电功率下，本发明可形成多路感应电流的各实施例，可降低每一路感应电流大小，从而减少感应电流在输出过程中的电流损耗。虽然增加用于输送所述感应电流的电缆线的横截面面积，可减少所述电流损耗，但又增加了所述电缆线的用料；故，本发明可在减少所述电流损耗的同时，节约所述发电单元内用于传输所述感应电流的电缆线的用料。

本发明可将两组不共轭的所述发电单元与多种可形成多路感应电流的各实施例相结合，以将发电机线圈失效引起的故障停机概率或磁体失效引起的故障停机概率减小数倍；与额定功率相同的现有发电机相比，本发明的多回路感应电流设计实施例，可将所述发电单元内的感应电流有效值降低至数分之一，进一步减小了发电机的内部损耗；如前所述，亦节约了发电机内部电能传输的电缆线用料。

基于所述发电机，本发明还提出一种风力发电机组，所述风力发电机组包括前述任一项所述的发电机，所述风力发电机组具有与所述发电机相应的有益效果。

在部分实施例中，当所述风力发电机组的所述出线端上引出的电缆线的走线方向相同，且与所述中心轴平行时，有利于使风力发电机组的感应电流出线路径从所述主轴110的内部直穿风力发电机组的塔架下方，可有效缩短感应电流的传输长度，并可优化风力发电机组机舱内的空间布局。

结合图2-图4所示，在本发明风力发电机组的一个实施例中，所述风力发电机组还包括用于带动转子磁轭单元210和转子磁轭单元220转动的叶轮集成501，和用于支撑转子磁轭单元210和转子磁轭单元220的前支撑架211；所述前轴承120的外圈一侧通过第一法兰401与所述叶轮集成501连接，另一侧通过第二法兰402与所述前支撑架211连接。本实施例采用第一法兰401与第二法兰402将所述转子磁轭单元210、转子磁轭单元220与叶轮集成501固定连接，以使转子磁轭单元210和转子磁轭单元220在叶轮集成501的带动下转动发电，该固定结构牢固，使用寿命长。

进一步地，当前轴承120外圈一侧连接有叶轮集成501时，前轴承120既要承受所述外转装置的载荷，又要承受叶轮集成的载荷；故，前轴承120优选为双列圆锥型，双列圆锥型可同时承受径向与轴向载荷，以保持发电机的结构稳定。后轴承130可采用双列圆锥型，亦可采用性价比更高的单列圆柱形轴承，或根据具体情况选择其它轴承，在此不再赘述。

在本发明发电机的另一实施例中，一个转子磁轭单元210可通过所述前支撑架211与所述前轴承120的外圈固定连接，以使转子磁轭单元210与前轴承120的外圈同步转动；另一个转子磁轭单元220的一侧可支撑于转子磁轭单元支撑架240上，另一侧可支撑于发电机的后端盖222上，以保持转子磁轭单元220稳定的转动。后端盖222连接于发电机的后支撑架221上，后支撑架221与后轴承130的内圈连接。发电机的后端盖222上可设置对应的容置槽，以使转子磁轭单元220绕所述容置槽转动。

在本发明风力发电机组的另一实施例中，所述发电机组件的出线端31和出线端32，可分别通过图4中的转接器71与变流系统72电连接，以将所述感应电流转换为将符合电网传输要求的电能。

在本发明所述风力发电机组的一个实施例中，如图4所示，所述风力发电机组包括发电机50和机舱集成60，所述机舱集成60通过机舱底座61与发电机50的主轴110后端部的第三法兰403连接，且包括定子绕组单元310和定子绕组单元320的定子装置通过固定螺栓404与后轴承130连接。机舱集成60内包括用于控制风力发电机组工作的电气控制系统、液压系统等，以及用于转接所述感应电流的转接器71；转接器71亦可位于所述机舱底座61内。叶轮集成501通过第一法兰401连接于发电机50前侧。

在没有特别说明的情况下，本发明各个实施例中的“前”与“后”仅表示图示中两个相对的方向，而并不对图中各组件的朝向或放置方向进行任何限制。

本发明还提出一种发电方法，所述发电方法采用本发明所述的任一项发电机进行发电。

结合如图4所示的结构，所述发电方法可包括如下步骤：

获取从出线端31和/或出线端32输出的感应电流；

将所述感应电流通过转接模块转接至变流模块；

通过所述变流模块将所述感应电流转化为预设参数的电能。

当本发明应用于风力发电机组时，所述转接模块可为设置于机舱底座61内的转接器71，所述变流模块可以为设置于机舱或塔筒底部的变流系统72。出线端31、出线端32，以及其它各感应电流回路的电缆线排线均可采用铜排线的形式从发电机50的内部引出，经转接器71引至变流系统72，以将发电机产生的感应电流转化为符合输送要求的电能。与前述发电机实施例的结构对应，本实施例中的转接器71和变流系统72可采用多模块结构，以便于独立控制每一路感应电流回路。当所述发电机中任何一组发电单元出现故障时，剩余的发电单元仍可通过所述多模块结构继续工作。当发电机两套磁钢中任意一套磁钢出现故障时，或发电机两套线圈中的任意一套线圈发生故障时，本发明的风力发电机组也可以通过剩余的一套磁钢或线圈继续工作。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。