一种大功率风力发电机用磁齿轮箱

1.本实用新型涉及一种风电齿轮箱，尤其是一种大功率风力发电机用磁齿轮箱，属于风力发电技术领域。


背景技术：

2.双馈型风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、双馈型发电机(dfig)、变流器系统等构成。dfig是一个高速、体积小的发电机，由于风轮低转速运行，因此通常采用高增速比的齿轮箱把较低的风轮转速提升到高速的发电机转子转速。
3.半直驱型风力发电系统采用低增速比的齿轮箱，以提高发电机的转速，从而使得半直驱型风力发电机的体积缩小。
4.鉴于目前风电齿轮箱存在上述缺陷，直驱型永磁风力发电系统不采用齿轮箱，但这导致直驱型永磁风力发电机体积大、笨重，且随着海上风电的发展，这种风力发电机的容量越来越大，其体积和重量必然越来越大，不能满足海上风电轻量化、小型化的要求。如果新型齿轮箱克服了上述缺陷，则风力发电系统即可选用新型齿轮箱+高速永磁风力发电机，从而实现海上风电机组轻量化、小型化的目标。
5.但现有齿轮箱采用机械齿轮啮合，需要复杂的注油润滑系统，体积大、笨重、成本高、噪声大、故障率高，需要定期维护；一旦发生故障，则维修费用高昂、停机时间长，带来巨大经济损失。此外，双馈型风力发电系统和半直驱型风力发电系统的主要损耗来源于齿轮箱和变流器系统，其中有65％左右的系统损耗来源于齿轮箱。因此，迫切需要研发新型齿轮箱，以期降低系统的成本、损耗以及运维费用，提高系统运行性能及其可靠性。
6.磁齿轮具有物理隔离的特性，无机械接触，因而具有无磨损、免维护、无噪声、无需润滑、能够过载保护等优势，近年来得到越来越多的重视和应用。但现有磁齿轮传输转矩较小，不能适用于兆瓦级(mw级)大功率风电机组，影响其在风力发电系统中推广应用。


技术实现要素：

7.本实用新型的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，提供一种大功率风力发电机用磁齿轮箱，无机械接触，无需润滑，体积小、重量轻、能耗低，传输转矩大，从而可大大降低大型风电机组，尤其是双馈型风电机组的运行维护成本，提高系统运行性能和可靠性。
8.为了达到以上目的，本实用新型一种大功率风力发电机用磁齿轮箱，包括：第一级同轴磁齿轮、第二级同轴磁齿轮、第三级同轴磁齿轮、第一联轴器、第二联轴器、机座等。
9.所述同轴磁齿轮包括：主动轴、主动轴轴承、从动轴、从动轴轴承、左端板、右端板、若干支架，以及外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环；所述外转子磁齿轮包括外转子铁芯及外转子永磁体，所述外转子永磁体粘贴在所述外转子铁芯的内侧，所述外转子永磁体采用每极由一块径向磁化的永磁体和一块切向磁化的永磁体组成的halbach永磁阵列；所述内转子磁齿轮包括内转子铁芯及内转子永磁体，所述内转子永磁体粘贴在所述内转子铁芯
外侧，所述内转子永磁体采用每极由一块径向磁化的永磁体和分布在此径向磁化永磁体两边的两块磁化角度分别为α和-α的永磁体组成的halbach永磁阵列；所述调磁环包括调磁铁块和非导磁材料。
10.所述外转子磁齿轮与所述主动轴固定，所述内转子磁齿轮与所述从动轴固定；所述调磁环位于所述外转子磁齿轮和所述内转子磁齿轮之间，且通过绝缘垫片(或绝缘板)用螺栓固定安装在所述右端板上；所述支架的两端分别与所述左端板与所述右端板连接，所述左端板、所述右端板均为非导磁材料。所述主动轴轴承套装在所述主动轴外侧，并与所述左端板固定；所述从动轴轴承套装在所述从动轴外侧，并与所述右端板固定；所述左端板、右端板均与所述机座固定。
11.所述外转子磁齿轮、内转子磁齿轮、调磁环和所述主动轴、主动轴轴承、从动轴、从动轴轴承以及所述第一联轴器、第二联轴器均保持同轴；
12.所述第一级同轴磁齿轮的主动轴与风轮主轴用收缩套连接；所述第一级同轴磁齿轮的从动轴通过第一联轴器与所述第二级同轴磁齿轮的主动轴相连；所述第二级同轴磁齿轮的从动轴通过第二联轴器与所述第三级同轴磁齿轮的主动轴相连，所述第三级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与风力发电机的转轴固定。
13.进一步地，去掉所述第三级同轴磁齿轮、第二联轴器，则本实用新型磁齿轮箱为两级增速箱，称为两级增速半直驱型磁齿轮箱，用于驱动半直驱型永磁同步风力发电机，它包括第一级同轴磁齿轮、第一联轴器、第二级同轴磁齿轮、机座等；所述第一级同轴磁齿轮的主动轴与风轮主轴用收缩套连接；所述第一级同轴磁齿轮的从动轴通过所述第一联轴器与所述第二级同轴磁齿轮的主动轴相连；所述第二级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与半直驱型永磁同步风力发电机的转轴固定。
14.进一步地，去掉所述第二级同轴磁齿轮、第三级同轴磁齿轮、第一联轴器、第二联轴器，则本实用新型磁齿轮箱为单级增速箱，称为单级增速半直驱型磁齿轮箱，用于驱动转速较低的半直驱型永磁同步风力发电机，它包括第一级同轴磁齿轮、机座等；所述第一级同轴磁齿轮的主动轴与风轮主轴用收缩套连接；所述第一级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与风力发电机的转轴固定。
15.本实用新型的有益效果是：
16.1)无机械接触，实现机械隔离，风轮的机械振动不会传输到风力发电机，可有效解决共振问题；
17.2)无需润滑，省却复杂笨重的注油润滑冷却系统，从而使齿轮箱体积大大缩小、重量轻、能耗低、传输转矩大，可大大降低mw级双馈型风力发电机组和半直驱型风力发电机的运维成本，提高系统运行性能和可靠性。
附图说明
18.图1为本实用新型采用的双馈型风力发电系统拓扑结构示意图。
19.图2为本实用新型磁齿轮箱结构示意图。
20.图3为本实用新型同轴磁齿轮示意图。
21.图4为本实用新型同轴磁齿轮中的外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环示意图。
22.图5为本实用新型采用的永磁同步风力发电系统拓扑结构示意图。
23.图6为本实用新型两级增速半直驱磁齿轮箱示意图。
24.图7为本实用新型采用的半直驱永磁风力发电系统拓扑结构示意图。
25.图8为本实用新型单级增速半直驱磁齿轮箱示意图。
26.图9为本实用新型采用的转速较低的半直驱永磁风力发电系统拓扑结构示意图。
27.其中，1-第一级同轴磁齿轮；2-第二级同轴磁齿轮；3-第三级同轴磁齿轮；4-第一联轴器；5-第二联轴器；6-机座；7-风轮，71-风轮主轴；8-发电机联轴器；9-双馈型风力发电机；10-永磁同步风力发电机；11-主动轴；12-主动轴轴承；13-从动轴；14-从动轴轴承；15-左端板；16-右端板；17-支架；21-外转子磁齿轮；22-内转子磁齿轮；23-调磁环；24-绝缘垫片；211-外转子铁芯，212-外转子永磁体；221-内转子铁芯，222-内转子永磁体；18-半直驱永磁风力发电机。
具体实施方式
28.下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。
29.如图1所示，本实用新型采用的双馈型风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本实用新型磁齿轮箱、发电机联轴器8和双馈型风力发电机9；
30.如图1、图2所示，本实用新型磁齿轮箱是一种三级增速箱，包括：第一级同轴磁齿轮1、第一联轴器4、第二级同轴磁齿轮2、第二联轴器5、第三级同轴磁齿轮3、机座6等。
31.本实用新型第一级同轴磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2、第三级同轴磁齿轮3的结构相同，均如图3所示，包括：主动轴11、主动轴轴承12、从动轴13、从动轴轴承14、左端板15、右端板16、若干支架17，以及外转子磁齿轮21、内转子磁齿轮22和调磁环23。
32.如图3所示，外转子磁齿轮21由外转子铁芯211和外转子永磁体212组成，外转子永磁体212粘贴在外转子铁芯211内侧；内转子磁齿轮22由内转子铁芯221和内转子永磁体222组成，内转子永磁体222粘贴在内转子铁芯221外侧；调磁环23包括调磁铁块和非导磁材料。
33.外转子磁齿轮21与主动轴11固定，内转子磁齿轮22与从动轴13固定；调磁环23位于外转子磁齿轮21和内转子磁齿轮22之间，且通过绝缘垫片24(或绝缘板)用螺栓固定安装在右端板16上；支架17的两端分别与左端板15与右端板16连接，左端板15、右端板16均为非导磁材料。主动轴轴承12套装在主动轴11外侧，并与左端板15固定；从动轴轴承14套装在从动轴13外侧，并与右端板16固定；左端板15、右端板16均与机座6固定。
34.如图4所示，本实用新型同轴磁齿轮的外转子永磁体212和内转子永磁体222均采用halbach永磁阵列；其中，外转子永磁体212的每极由一块径向磁化的永磁体和一块切向磁化的永磁体组成；内转子永磁体222的每极由一块径向磁化的永磁体和分布在此径向磁化永磁体两边的两块磁化角度分别为α和-α(0
°
＜α＜90
°
)的永磁体组成。
35.所有外转子磁齿轮21、内转子磁齿轮22和调磁环23、主动轴11、主动轴轴承12、从动轴13、从动轴轴承14、第一联轴器4、第二联轴器5以及风轮7、风轮主轴71均保持同轴；
36.如图1、图2所示，第一级同轴磁齿轮1的主动轴与风轮7的主轴71用收缩套连接；第一级同轴磁齿轮1的从动轴通过第一联轴器4与第二级同轴磁齿轮2的主动轴相连；第二级同轴磁齿轮2的从动轴通过第二联轴器5与第三级同轴磁齿轮3的主动轴相连，第三级同轴磁齿轮3的从动轴通过发电机联轴器8与双馈型风力发电机9的转轴固定。
37.本实用新型磁齿轮箱的工作过程是：当风速达到切入风速后，风力驱动风轮7旋
转，与风轮7固定的转轴71也随之旋转，从而带动第一级同轴磁齿轮1的主动轴旋转，则第一级同轴磁齿轮1的外转子磁齿轮也随之旋转，其磁场通过第一级同轴磁齿轮1的调磁环的调制，产生丰富的磁场谐波，通过磁场耦合，进行第一级增速，驱动第一级同轴磁齿轮1的内转子磁齿轮进而带动其从动轴以高于外转子磁齿轮的速度旋转，然后第一级同轴磁齿轮1的从动轴通过第一联轴器4驱动第二级同轴磁齿轮2主动轴旋转，同理，进行第二级增速，驱动第二级同轴磁齿轮2从动轴以更高速度旋转，它通过第二联轴器5驱动第三级同轴磁齿轮3主动轴旋转，同理，进行第三级增速，驱动第三级同轴磁齿轮3从动轴以最高速度旋转，它通过发电机联轴器8驱动双馈型风力发电机9的转轴旋转，使双馈型风力发电机9发电。
38.本实用新型磁齿轮箱的增速比、输入输出转矩之间的关系分析如下：
39.设本实用新型同轴磁齿轮的外转子磁齿轮21的极对数为po，内转子磁齿轮22的极对数为pi，调磁环23的调磁铁块的数量为ns，则三者之间的关系为：
40.ns＝po+piꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
41.本实用新型同轴磁齿轮的增速比g为：
[0042][0043]
因本实用新型磁齿轮箱由三级同轴磁齿轮组成，所以，本实用新型磁齿轮箱的总增速比i为：
[0044][0045]
式中，g1、g2、g3分别为第一级同轴磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2和第三级同轴磁齿轮3的增速比；p
o1
为第一级同轴磁齿轮1的外转子极对数，p
i1
为第一级同轴磁齿轮1的内转子极对数，p
o2
为第二级同轴磁齿轮2的外转子极对数，p
i2
为第二级同轴磁齿轮2的内转子极对数，p
o3
为第三级同轴磁齿轮3的外转子极对数，p
i3
为第三级同轴磁齿轮3的内转子极对数。
[0046]
不考虑实际功率损耗，外转子的输入转矩(机械转矩)与内转子的输出转矩(磁力转矩)应满足：
[0047]
ωiti＝ωotoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0048]
式中，ωi、ωo分别为同轴磁齿轮内、外转子的机械角速度；ti、to分别为同轴磁齿轮内转子输出转矩和外转子输入转矩。
[0049]
其中，因磁场耦合作用，内转子上的磁力转矩(输出转矩)为：
[0050][0051]
式中，l
ef
为同轴磁齿轮的轴向长度，r
iδ
为内层气隙半径，μ0为真空磁导率，b
ri
、b
θi
分别为内层气隙的径向与切向磁密。
[0052]
本实用新型磁齿轮箱传动系统的输入转矩与输出转矩之比可写为：
[0053][0054]
式中，t
o1
为第一级同轴磁齿轮1的外转子输入转矩，即本实用新型磁齿轮箱的输入
转矩，也是风轮主轴71的输出转矩；t
i1
、t
i2
、t
i3
分别为第一级同轴磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2、第三级同轴磁齿轮3的内转子输出转矩，其中，t
i3
就是本实用新型磁齿轮箱的输出转矩。
[0055]
忽略损耗，第一级同轴磁齿轮1的内转子输出转矩t
i1
等于第二级同轴磁齿轮2的外转子输入转矩t
o2
，第二级同轴磁齿轮2的内转子输出转矩t
i2
等于第三级同轴磁齿轮3的外转子输入转矩t
o3
，即有：
[0056]
t
i1
＝t
o2
，t
i2
＝t
o3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0057]
将式(7)代入式(6)，可得：
[0058][0059]
式中，t
o2
、t
o3
分别为第二级同轴磁齿轮2和第三级同轴磁齿轮3的外转子输入转矩。
[0060]
根据式(4)，式(8)可改写为：
[0061][0062]
式中，ω
i1
、ω
i2
、ω
i3
分别为第一级同轴磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2、第三级同轴磁齿轮3的内转子转速，ω
o1
、ω
o2
、ω
o3
分别为第一级同轴磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2、第三级同轴磁齿轮3的外转子转速。
[0063]
根据式(1)、式(2)、式(3)、式(5)、式(9)及所需达到的技术参数，通过合理分配各级同轴磁齿轮的增速比和传输转矩，即可确定本实用新型磁齿轮箱的结构参数。
[0064]
下面用一个优选实施例对本实用新型做进一步说明。
[0065]
以一台1.5mw的双馈型风力发电机(dfig)为例，配以1台本实用新型磁齿轮箱，两者技术参数如表1所示。
[0066]
表1 1.5mw双馈型风力发电机及与之配套的磁齿轮箱技术参数
[0067][0068]
根据表1的要求，遵循各级传动比分配一般的原则，即：使各级的承载能力大致相等，使齿轮箱的装配体积小、重量轻，减少传动误差与转矩脉动等，设计磁齿轮箱传动系统的结构参数如表2所示，其技术参数如表3所示。
[0069]
表2与1.5mw dfig配套的磁齿轮箱传动系统结构参数
[0070][0071]
表3与1.5mw dfig配套的磁齿轮箱技术参数
[0072][0073]
作为一个实施例，本实用新型磁齿轮箱也可用于高速永磁同步风力发电机机型，如图5所示，本实用新型采用的永磁同步风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本实用新型磁齿轮箱、联轴器8和永磁同步风力发电机10；其中，永磁同步风力发电机10可采用高速永磁同步风力发电机，从而使风力发电机体积大幅变小、重量大大减轻、成本显著降低。
[0074]
作为特选例之一，如图6所示，本实用新型磁齿轮箱也可去掉第三级同轴磁齿轮3和第二联轴器5，作为两级传动半直驱型磁齿轮箱，即该两级传动半直驱型磁齿轮箱包括第一级同轴磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2、第一联轴器4、机座6等。
[0075]
如图7所示，本实用新型采用的半直驱永磁风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本实用新型两级传动半直驱型磁齿轮箱、发电机联轴器8和半直驱永磁同步风力发电机18；在此情况下，由于使用了本实用新型半直驱型磁齿轮箱，可提高半直驱永磁同步发电机的转速，从而使发电机直径减小、重量减轻、成本降低。
[0076]
作为特选例之二，如图8所示，本实用新型磁齿轮箱也可去掉第二级同轴磁齿轮2、第三级同轴磁齿轮3、第一联轴器4和第二联轴器5，作为单级传动半直驱型磁齿轮箱，即该
单级传动半直驱型磁齿轮箱包括第一级同轴磁齿轮1、机座6等，用于转速较低的半直驱永磁同步风力发电机机型。
[0077]
如图9所示，本实用新型采用的转速较低的半直驱永磁风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本实用新型单级传动半直驱型磁齿轮箱、发电机联轴器8和半直驱永磁同步风力发电机18；在此情况下，与直驱型永磁同步风力发电机相比，也可使发电机体积、重量、成本等得以减小、降低。
[0078]
总之，由于本实用新型磁齿轮箱无机械啮合，为非接触式传动，因而除无需复杂笨重润滑冷却系统，从而使齿轮箱体积大大缩小、重量减轻、成本降低、运维简便、可靠性高。