开心式大型垂直轴风力发电机装置和制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机技术领域，具体地说，是提出一种立式结构的大功率低速同步发电机装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]风力发电机，是通过风力涡轮机将风的动能转变为机械能，然后由涡轮机动力驱动的可再生能源发电装置。在现有广泛使用的水平轴涡轮机中，产业实践证明，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本。因此，单机额定功率容量不断增大，风力发电机的单机功率已普遍从上世纪末的MW级(兆瓦)升高到当前的3?6MW水平，目前正在向1MW级的目标发展，这是近期来风电技术演进的总趋势。
[0003]目前特大型风电系统中的主流发电机有两种机型，即高速运行的双馈异步发电机和低速直驱同步发电机。前者经济性高，但需要用齿轮箱增速，故障率也高，且维护保养量大。而后者为无齿轮箱的直接驱动，因此可靠性高，但是大型低速直驱同步发电机直径长重量大，制造成本高，丽级以上的发电机一般都为超高超宽的尺度，陆上运输非常困难，因此运输成本非常高。
[0004]垂直轴涡轮机的发电机可以放在地面，比水平轴机的高空工作位置优越，但同功率的垂直轴机的转速比水平轴机低，所以发电机更大，在制造和运输方面的困难更多。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的任务是，针对大型直驱发电机在生产、运输方面的所产生的问题，提出一种使用在大型垂直轴风力发电场内的专用发电机新结构和新制造方法。该专用发电机的名称为开心式垂直轴风力发电机，专用发电机的制造方法为大型立轴低速多极发电机的制造方法。
[0006]本发明的大型垂直轴风电系统中的开心式风力发电机装置，发电机主要由电机室、定子及电枢绕组、转子及磁场、主轴及轴承组成，其特征是，发电机主轴(I)套在轴心
(10)外，二者间有两个轴承(11)，分别为径向轴承和轴向轴承，发电机主轴与涡轮机主轴成为一体，轴心处为开放式宽敞结构；定子体(2)和转子体(3)构造成为大直径、多极结构的高效电机；主轴上有三个交流输电滑环，滑环对应位置的轴心处配置三个供电电刷；发电机所有部件和附属设备都处于电机室(13)内，电机室有门(14)可供人员进入电机内部。
[0007]本发明的开心式风力发电机的制造方法，其特征为，采取工厂部件加工制造，然后分散运往现场组装施工；利用建设中的垂直轴风力涡轮机现场设备进行发电机加工吊装操作。
[0008]根据本发明的专用发电机新结构和新制造方法，可以有效克服大型和超大型垂直轴涡轮发电机装置所遇到的制造和运输方面的困难。首先，由于大型风力发电机重量体积庞大，建造大型工厂整机生产的工厂成本很高，而产量和市场需求并不如通用电机那么大，致使产品成本居高不下。而改为在工厂零部件制造的集约生产方式，就可以大大降低工厂投资和部件制造成本，有利于降低发电机总体成本。其次，部件运输的体积重量远小于整机，不易为陆上运输条件所限制，运输成本可以大幅降低。此外，由于发电机主轴与涡轮机主轴为一体结构，在垂直轴大型风电场中，涡轮机本身必须竖立大型立轴，在轴心上安装加工设备为发电机加工，在主轴上安装临时吊机本身也是涡轮机设备吊装所必须的，其吊装能力远大于发电机部件吊装的需要，而且发电机组装在先，所以没有多浪费人力、物力，没有额外的加工、组装成本需要为发电机装配服务，经济上可以节约多笔费用。
[0009]本发明的装置性能优越，适合工业制造，方法合理经济，能为发挥大型和超大型风机的巨大技术优势服务，为节能减排作出贡献。
【附图说明】
[0010]图1、内转子型开心式风力发电机结构半剖图。
[0011]图2、外转子型开心式风力发电机结构半剖图。
[0012]图3、励磁型开心式风力发电机供电和控制框图。
【具体实施方式】
[0013]当前的大型商业化风机，主流型是2?3MW的水平轴涡轮机型。发电机有高速运行的双馈异步发电机型和低速直驱同步发电机型。
[0014]因为发电机的功率与转速成正比，所以前者需要用齿轮箱增速，故高速发电机的体积重量均不大，但风力发电机处于野外恶劣自然环境，悬殊的高低温度差和重负荷的功率传输，齿轮箱的工作环境负荷产生的高应力磨损，需要对齿轮箱作频繁的保养维护，而这些工作都必须进入高塔筒作业，所以维护保养成本也很高。另一种方案为低速直驱同步发电机，低速直驱同步发电机为无齿轮箱的直接驱动，因此可靠性高发电效率也略高，但是大型低速直驱同步发电机直径长重量大，制造成本高，MW级以上的发电机直径通常超过5米，都为超高超宽的尺度，陆上运输困难，运输成本相当高。
[0015]水平轴风机发展到丽级和数丽级，正在为10丽机的研发努力。为此，各国也在探索同样大功率级别的大型和超大型垂直轴风机，经过不断的探索研发，英国Arup推出的AerogeneratorX型1MW设计,额定转速为3转/分,是里程碑式的技术进步。
[0016]众所周知的规律是，风力发电机的功率越大，转速越低，而垂直轴风机的转速又往往低于同功率的水平轴风机，该英国设计的10丽垂直轴涡轮机的转速仅为2?3丽的水平轴涡轮机的I / 3。所以发电机体积重量更大，其配套的发电机制造难度不亚于涡轮机。
[0017]发电机处于将涡轮机的机械能转化为电能的能流链的重要环节，所以发电机也是整个风电系统中的重要部件。对于无齿轮箱直驱的同步发电机，由于1MW垂直轴复合型涡轮机的设计转速大约在1.5?3转/分之间，这样低的转速，发电机的体积、重量会相当大，成本也会非常高，大体积的发电机运输也非常不便，为此，本发明推出一种新型发电机——开心式发电机的新机种。
[0018]所谓开心式发电机，就是一种大直径的、轴心部为开放式布置的同步发电机。由于发电机的重量、体积、成本与其转速关系密切，原因是转速低使发电机对磁场的切割速度降低，因此发电机的感应电压太小，电压与电流的乘积即发电机功率无法提高。如果发电机直径增大，切割速度相应提高，功率即能随着上升。而开心式结构的发电机增大直径后的成本，包括运输成本增加的幅度并不大。此外，开心式结构还有一些其他优点适合大型或超大型垂直轴风电系统。开心式发电机磁场可以是永磁型或励磁型，结构可以是内转子型或外转子型。
[0019]图1为本发明的内转子型开心式风力发电机结构半剖图。发电机的主要结构为:主轴(I)、轴承(11)、定子体(2)、转子体(3)和电机室(13)。主轴⑴套在轴心(10)上，轴心的下部插入地基或底座中，主轴和轴心间的下轴承(11)在电机室内，由于发电机和涡轮机是同轴的，所以上轴承可能在涡轮机的上端，在图中未能标出。上下轴承中，一个为轴向轴承，另一个为径向轴承，径向轴承可以在下面，也可以在上面，具体布置可视涡轮机的需要而定。如果结构上需要，也可增加轴承的个数。主轴上还有转子滑环(12)，用以输送电力。
[0020]定子体(2)包括定子磁轭及电枢绕组，定子磁轭采用优质电工硅钢片冲剪成一段段弧形带内圆线槽的薄片，然后在施工现场的定子架(21)上叠制成所需厚度的定子本体，同一平面硅钢片的接缝相互错开，以减少接缝处的磁阻。经过压实上绝缘漆固化后，切割加工出精确尺寸的内圆柱面。整个柱面的内圆处带槽，供镶嵌电枢绕组，定子外圆部分为磁轭的连续磁路，供磁力线流通。经过绝缘材料铺垫处理后，即可将导电线或导电体镶嵌在线槽中，电器连接结束并固紧后再次上绝缘漆固化。
[0021]转子体(3)包括转子磁轭及磁场，转子磁轭采用环形电工铁或普通电工硅钢片冲剪成一段段弧形带外圆线槽的薄片(如果是励磁型发电机)，需要在外圆处的线槽中镶嵌励磁绕组。如果是永磁型发电机，则用电工铁或不开线槽的硅钢片，将一块块磁体，按均匀间隔，S和N极交替相邻地均布粘贴安装在转子外圆柱面上，然后固紧。由于永磁体的磁力非常大，所以常采用未经充磁的磁体在转子上安装结束后再利用平行充磁法或径向充磁法成为永磁体的工艺方法。其他工艺，如叠片、压实、加工、绝缘处理的方法与定子基本相同。由于电机转速很低，所以离心力不大，固紧要求远不如普通发电机高，工艺上比较容易处理。转子体则由转子架固定在主轴上。
[0022]定子、转子体的加工和安装，可以利用基础建设中树立起来的部分轴心和主轴，在其上配置机动车削设备进行精密加工，配置机动吊运设备进行吊运安装。
[0023]目前的风力发电机，为了从不同风速的风中获得最多能量，通常按一定尖速比的转速运行，属于变速驱动发电，所产生的电能频率和电压是变化的，不能直接并网，所以必须有一个直流中间环节进行解耦。为减少直流整流电流对发电机电压的谐波影响，部分大型发电机不采用三相交流电制，改而采用双三相的电枢绕组。本发明中的发电机电枢绕组既可以采用三相电制或双三相电制，但采用更先进高效的多相结构，例如五相或七相电制式的电枢绕组，原则上相数越多谐波频率越高，谐波的影响越小。但相数太多，电机的设计制造难度会增加，成本也会相应提高，而五相或七相的难度接近双三相，电气技术效果却比双三相更好。
[0024]本发明中，转子滑环采用的是三相交流电滑环，这一改进与普通励磁型发电机采用直流电的二滑环输送励磁电流，具有明显区别。众所周知，转子励磁须采用直流电，只须二片滑环，不可能由三片滑环的交流电供电。本发明采用三相交流供电，目的不仅是利用滑环为发电机转子的励磁供电，同时还需要为涡轮机转子中的变桨电机、空气动力制动的变位电机和其他传感测试等设备供电，通过3片滑环将交流电能统一送到转子上，既可减少滑环数量，减少故障和维修保养量，在结构上也显得更合理。由于发电机转速很低，所以本发明中的滑环电刷的磨损量也很小。与3片滑环所接触的三组电刷安装在轴心柱上(图中未标明)。与滑环连接的电缆可固定在主轴表面，也可以从主轴的槽或主轴的孔中铺设，直至所需供电点。可见，本发明的转子滑环采用三相交流电