一种应用磁悬浮轴承的风电机组的主轴系统

本发明专利涉及风力发电机组主轴系统，具体涉及一种应用磁悬浮轴承的风电机组主轴系统。

背景技术：

1、当今世界能源短缺问题与生态环境的恶化的形势日益严峻，风电能源作为一种常见的可再生能源在全世界范围内被广泛应用。大型风力发电机使用的轴承主要包括主轴承、齿轮轴承、发电机组轴承、叶片轴承和偏航轴承，这些轴承是风力发电机将动能转化为电能的关键部件。与一般用途的工业轴承不同，风力发电机轴承的负载和转速会因动态气流而发生显著变化，因此风力发电机轴承的高可靠性决定了风电机组的正常运行。

2、风机主轴旋转的动力一般是叶片的载荷、风机的主轴轴向负荷、电机传动轴承的轴向载荷，主轴轴承的支撑力矩和轴向载荷。风力作用在叶片上，进而作用在传动电机的另一端。所以，主轴系统的受力形式主要有轴向力、径向力、弯矩、转矩和剪切力。由于风电机组承受的载荷很大，因此需要更大尺寸的配套轴承，相应的机组主轴的尺寸也会随之增大，这对主轴的制造工艺提出了很大的挑战。

3、风电机组主轴的支撑形式分为两种：一种是主轴支撑，一种是非主轴支撑。主轴支撑形式的特点是：轴承内圈通过过盈配合安装在主轴上，外圈被固定在轴承座上。来自外界的作用力通过主轴传递到主轴轴承上，由于风向的不确定性，主轴轴承将受到复杂的变载荷。此外，由于风机系统体积庞大，自重高，要求主轴轴承有较高的承载能力。综合以上几方面原因，虽然风机的主轴轴承设计寿命为20年，但是其过程中的维护以及轴承失效会严重影响风场的经济效益。

4、根据中国发明专利cn 114458694 a，提出了一种用于风力发电机的主轴系统，其永磁体采用径向n/s交替排列充磁方式，外圈磁钢件和内圈磁钢件的充磁方向为异极相对，依靠永磁体间的吸引力使主轴保持在平衡位置，当主轴受到一定的轴向载荷时，与所述主轴相连的所述永磁轴承内转子会沿轴随之产生位移，在主轴的轴端采用滚珠联轴器提供主轴轴向移动的距离，减小轴向力的影响。但由于采用2mm气隙，可能会给安装带来不便且当主轴受到较大的倾覆力矩时，内圈磁钢件与外圈磁钢件有吸附在一起的风险，同时风力发电机组的径向力对主轴系统的影响也不能忽视。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的不足，本技术提出了一种应用磁悬浮轴承的风电机组主轴系统，通过永磁磁悬浮轴承和混合磁悬浮轴承的组合使用，可以承担较大的径向载荷及倾覆力矩，且采用永磁体之间的斥力获得气隙，因此内转子组与外定子组之间不会有吸附的风险。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种应用磁悬浮轴承的风电机组的主轴系统，包括：

4、风力发电机组主轴，

5、在风力发电机组主轴上自叶片端至发电机端依次装双列圆锥滚子轴承单元、永磁磁悬浮轴承单元、双列圆锥滚子轴承单元八对极混合磁悬浮轴承单元；

6、所述永磁磁悬浮轴承单元用于平衡轴向载荷；

7、所述八对极混合磁悬浮轴承单元用于平衡径向力，使风力发电机组主轴悬浮在平衡位置；

8、所述双列圆锥滚子轴承单元分别设于永磁磁悬浮轴承单元两侧，对风力发电机组主轴进行两点支撑。

9、进一步，所述永磁磁悬浮轴承单元包括2个轴承端盖，在2个轴承端盖之间至少设有一组永磁磁悬浮轴承组件，每组永磁磁悬浮轴承组件包括2个外定子、2个外定子之间的隔磁片、2个内转子、每个内转子上嵌装的永磁环、分别设置在端盖和内转子相对处的永磁环组；相邻外定子及内转子之间均开槽，并分别布置有相斥的永磁体，永磁体之间的斥力使内转子与外定子之间形成气隙。

10、进一步，通过增加永磁磁悬浮轴承组件的数量，增大轴向承载能力，且相邻永磁磁悬浮轴承组件之间设有隔磁片。

11、进一步，在永磁磁悬浮轴承单元的端盖内侧面，以及与端盖相对的内转子侧面上分别布置有相斥的永磁体，用于内转子的轴向定位。

12、进一步，所述八对极混合磁悬浮轴承单元包括2个轴承盖、定子铁芯、永磁体、控制线圈绕组、永磁体环；定子铁芯安装在由2个轴承盖对合后内部形成的空腔内；控制线圈绕组缠绕在定子铁芯上；在定子铁芯的周向设有永磁体；分别在定子铁芯的两个端面以及与端面相对的端盖上装有永磁体环。

13、进一步，所述八对极混合磁悬浮轴承单元中的永磁定子铁芯与转子铁芯均采用硅钢片叠压而成。

14、进一步，所述八对极混合磁悬浮轴承由定子铁芯和永磁体形成的永磁磁场，产生偏置磁通，由控制绕组线圈、风力发电机组主轴及定子铁芯形成的磁场，产生控制磁通；实现径向两自由度的悬浮控制。

15、进一步，所述双列圆锥滚子轴承单元包括第一内圈、中隔圈、第二内圈、外圈、滚子、滚子保持架；其中，第一内圈、中隔圈、第二内圈通过螺栓安装，滚子通过销安装的上保持架和下保持架之间；轴承端盖主要包括第一挡圈、左端盖、右端盖，其中第一外圈通过轴肩定位安装在风电机组主轴上，左端盖与右端盖通过螺栓连接。

16、进一步，双列圆锥滚子轴承的内圈与主轴过盈配合，双列圆锥滚子轴承的轴承端盖通过螺栓连接固定在风电机组机舱中的轴承座上，双列圆锥滚子轴承的外圈被轴承端盖压紧。

17、进一步，风力发电机组主轴的一端通过螺栓与叶片的轮毂刚性相连，风力发电机组主轴的另一端通过增速箱与齿轮系统的联轴器相连。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明所提出的一种应用磁悬浮轴承的风电机组主轴系统，该系统由永磁磁悬浮轴承单元、八对极混合磁悬浮轴承单元及双列圆锥滚子轴承单元支撑风电机组主轴；其中，永磁磁悬浮轴承单元通过永磁体同性相斥的作用形成间隙，可以承担部分轴向力和径向力，防止双列圆锥滚子轴承内圈外圈被压死的同时缓解双列圆锥滚子轴承的磨损；八对极混合磁悬浮轴承通过永磁定子铁芯产生偏置磁通，使风电机组主轴保持在平衡位置，控制绕组产生控制磁通，调节气隙磁密，平衡主轴受到的径向载荷及倾覆力矩。通过将永磁磁悬浮轴承与混合磁悬浮轴承组合使用，可以减小双列圆锥滚子轴承所承受的轴向及径向载荷，防止主轴窜动，从而控制双列圆锥滚子轴承的轴向及径向游隙，降低双列圆锥滚子轴承的失效的风险。本发明的目的在于解决大兆瓦风电机组由于承受的载荷过大，需要高可靠性、高承载能力、高疲劳寿命的大尺寸风电机组主轴轴承，以及过大的载荷影响主轴轴承的轴向及径向游隙进而造成主轴轴承失效的技术问题。

20、2、该系统还能够避免因风电机组承载的载荷过大而需要配套使用更大尺寸的主轴轴承，进而避免主轴的直径过大，降低风电机组主轴的制造及维护成本。改善主轴轴承的受力状态，提高主轴轴承的可靠性，进而提高主轴轴承的使用寿命，有利于风力发电机组的大型化，并减少维护次数降低维护成本，减少因轴承失效造成的风场经济效益损失。

21、3、本系统选用永磁磁悬浮轴承组，在降低主轴轴承载荷的同时，减小风电机组的摩擦力矩，降低风电机组的启动力矩，延长风电机组的工作时间。并且当风速过大时，风电机组可能会出现过载的现象，采用混合磁悬浮轴承，通过其中控制磁极的作用，能够起到降低主轴转速保护风电机组的作用。

22、4、本技术中的永磁磁悬浮轴承单元内部由多个永磁磁悬浮组件模块化构成，当需要增大轴向承载能力时，只需增加相应的永磁磁悬浮组件即可，故该设计方式能够适应更多主轴类型的风机以及更大型的风机主轴。