開心式大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是提出一種立式結(jié)構(gòu)的大功率低速同步發(fā)電機(jī)裝置及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是通過風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后由渦輪機(jī)動力驅(qū)動的可再生能源發(fā)電裝置。在現(xiàn)有廣泛使用的水平軸渦輪機(jī)中，產(chǎn)業(yè)實(shí)踐證明，單機(jī)功率的增大，有利于降低單位功率裝機(jī)容量的成本和風(fēng)力發(fā)電的度電成本。因此，單機(jī)額定功率容量不斷增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率已普遍從上世紀(jì)末的MW級(兆瓦)升高到當(dāng)前的3?6MW水平，目前正在向1MW級的目標(biāo)發(fā)展，這是近期來風(fēng)電技術(shù)演進(jìn)的總趨勢。
[0003]目前特大型風(fēng)電系統(tǒng)中的主流發(fā)電機(jī)有兩種機(jī)型，即高速運(yùn)行的雙饋異步發(fā)電機(jī)和低速直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)。前者經(jīng)濟(jì)性高，但需要用齒輪箱增速，故障率也高，且維護(hù)保養(yǎng)量大。而后者為無齒輪箱的直接驅(qū)動，因此可靠性高，但是大型低速直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)直徑長重量大，制造成本高，麗級以上的發(fā)電機(jī)一般都為超高超寬的尺度，陸上運(yùn)輸非常困難，因此運(yùn)輸成本非常高。
[0004]垂直軸渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)可以放在地面，比水平軸機(jī)的高空工作位置優(yōu)越，但同功率的垂直軸機(jī)的轉(zhuǎn)速比水平軸機(jī)低，所以發(fā)電機(jī)更大，在制造和運(yùn)輸方面的困難更多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的任務(wù)是，針對大型直驅(qū)發(fā)電機(jī)在生產(chǎn)、運(yùn)輸方面的所產(chǎn)生的問題，提出一種使用在大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的專用發(fā)電機(jī)新結(jié)構(gòu)和新制造方法。該專用發(fā)電機(jī)的名稱為開心式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，專用發(fā)電機(jī)的制造方法為大型立軸低速多極發(fā)電機(jī)的制造方法。
[0006]本發(fā)明的大型垂直軸風(fēng)電系統(tǒng)中的開心式風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置，發(fā)電機(jī)主要由電機(jī)室、定子及電樞繞組、轉(zhuǎn)子及磁場、主軸及軸承組成，其特征是，發(fā)電機(jī)主軸(I)套在軸心
(10)外，二者間有兩個軸承(11)，分別為徑向軸承和軸向軸承，發(fā)電機(jī)主軸與渦輪機(jī)主軸成為一體，軸心處為開放式寬敞結(jié)構(gòu)；定子體(2)和轉(zhuǎn)子體(3)構(gòu)造成為大直徑、多極結(jié)構(gòu)的高效電機(jī)；主軸上有三個交流輸電滑環(huán)，滑環(huán)對應(yīng)位置的軸心處配置三個供電電刷；發(fā)電機(jī)所有部件和附屬設(shè)備都處于電機(jī)室(13)內(nèi)，電機(jī)室有門(14)可供人員進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。
[0007]本發(fā)明的開心式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造方法，其特征為，采取工廠部件加工制造，然后分散運(yùn)往現(xiàn)場組裝施工；利用建設(shè)中的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行發(fā)電機(jī)加工吊裝操作。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的專用發(fā)電機(jī)新結(jié)構(gòu)和新制造方法，可以有效克服大型和超大型垂直軸渦輪發(fā)電機(jī)裝置所遇到的制造和運(yùn)輸方面的困難。首先，由于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)重量體積龐大，建造大型工廠整機(jī)生產(chǎn)的工廠成本很高，而產(chǎn)量和市場需求并不如通用電機(jī)那么大，致使產(chǎn)品成本居高不下。而改為在工廠零部件制造的集約生產(chǎn)方式，就可以大大降低工廠投資和部件制造成本，有利于降低發(fā)電機(jī)總體成本。其次，部件運(yùn)輸?shù)捏w積重量遠(yuǎn)小于整機(jī)，不易為陸上運(yùn)輸條件所限制，運(yùn)輸成本可以大幅降低。此外，由于發(fā)電機(jī)主軸與渦輪機(jī)主軸為一體結(jié)構(gòu)，在垂直軸大型風(fēng)電場中，渦輪機(jī)本身必須豎立大型立軸，在軸心上安裝加工設(shè)備為發(fā)電機(jī)加工，在主軸上安裝臨時(shí)吊機(jī)本身也是渦輪機(jī)設(shè)備吊裝所必須的，其吊裝能力遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)部件吊裝的需要，而且發(fā)電機(jī)組裝在先，所以沒有多浪費(fèi)人力、物力，沒有額外的加工、組裝成本需要為發(fā)電機(jī)裝配服務(wù)，經(jīng)濟(jì)上可以節(jié)約多筆費(fèi)用。
[0009]本發(fā)明的裝置性能優(yōu)越，適合工業(yè)制造，方法合理經(jīng)濟(jì)，能為發(fā)揮大型和超大型風(fēng)機(jī)的巨大技術(shù)優(yōu)勢服務(wù)，為節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)。
【附圖說明】
[0010]圖1、內(nèi)轉(zhuǎn)子型開心式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)半剖圖。
[0011]圖2、外轉(zhuǎn)子型開心式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)半剖圖。
[0012]圖3、勵磁型開心式風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電和控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]當(dāng)前的大型商業(yè)化風(fēng)機(jī)，主流型是2?3MW的水平軸渦輪機(jī)型。發(fā)電機(jī)有高速運(yùn)行的雙饋異步發(fā)電機(jī)型和低速直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)型。
[0014]因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速成正比，所以前者需要用齒輪箱增速，故高速發(fā)電機(jī)的體積重量均不大，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于野外惡劣自然環(huán)境，懸殊的高低溫度差和重負(fù)荷的功率傳輸，齒輪箱的工作環(huán)境負(fù)荷產(chǎn)生的高應(yīng)力磨損，需要對齒輪箱作頻繁的保養(yǎng)維護(hù)，而這些工作都必須進(jìn)入高塔筒作業(yè)，所以維護(hù)保養(yǎng)成本也很高。另一種方案為低速直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)，低速直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)為無齒輪箱的直接驅(qū)動，因此可靠性高發(fā)電效率也略高，但是大型低速直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)直徑長重量大，制造成本高，MW級以上的發(fā)電機(jī)直徑通常超過5米，都為超高超寬的尺度，陸上運(yùn)輸困難，運(yùn)輸成本相當(dāng)高。
[0015]水平軸風(fēng)機(jī)發(fā)展到麗級和數(shù)麗級，正在為10麗機(jī)的研發(fā)努力。為此，各國也在探索同樣大功率級別的大型和超大型垂直軸風(fēng)機(jī)，經(jīng)過不斷的探索研發(fā)，英國Arup推出的AerogeneratorX型1MW設(shè)計(jì),額定轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)/分,是里程碑式的技術(shù)進(jìn)步。
[0016]眾所周知的規(guī)律是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率越大，轉(zhuǎn)速越低，而垂直軸風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速又往往低于同功率的水平軸風(fēng)機(jī)，該英國設(shè)計(jì)的10麗垂直軸渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速僅為2?3麗的水平軸渦輪機(jī)的I / 3。所以發(fā)電機(jī)體積重量更大，其配套的發(fā)電機(jī)制造難度不亞于渦輪機(jī)。
[0017]發(fā)電機(jī)處于將渦輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能流鏈的重要環(huán)節(jié)，所以發(fā)電機(jī)也是整個風(fēng)電系統(tǒng)中的重要部件。對于無齒輪箱直驅(qū)的同步發(fā)電機(jī)，由于1MW垂直軸復(fù)合型渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速大約在1.5?3轉(zhuǎn)/分之間，這樣低的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的體積、重量會相當(dāng)大，成本也會非常高，大體積的發(fā)電機(jī)運(yùn)輸也非常不便，為此，本發(fā)明推出一種新型發(fā)電機(jī)——開心式發(fā)電機(jī)的新機(jī)種。
[0018]所謂開心式發(fā)電機(jī)，就是一種大直徑的、軸心部為開放式布置的同步發(fā)電機(jī)。由于發(fā)電機(jī)的重量、體積、成本與其轉(zhuǎn)速關(guān)系密切，原因是轉(zhuǎn)速低使發(fā)電機(jī)對磁場的切割速度降低，因此發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓太小，電壓與電流的乘積即發(fā)電機(jī)功率無法提高。如果發(fā)電機(jī)直徑增大，切割速度相應(yīng)提高，功率即能隨著上升。而開心式結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)增大直徑后的成本，包括運(yùn)輸成本增加的幅度并不大。此外，開心式結(jié)構(gòu)還有一些其他優(yōu)點(diǎn)適合大型或超大型垂直軸風(fēng)電系統(tǒng)。開心式發(fā)電機(jī)磁場可以是永磁型或勵磁型，結(jié)構(gòu)可以是內(nèi)轉(zhuǎn)子型或外轉(zhuǎn)子型。
[0019]圖1為本發(fā)明的內(nèi)轉(zhuǎn)子型開心式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)半剖圖。發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)為:主軸(I)、軸承(11)、定子體(2)、轉(zhuǎn)子體(3)和電機(jī)室(13)。主軸⑴套在軸心(10)上，軸心的下部插入地基或底座中，主軸和軸心間的下軸承(11)在電機(jī)室內(nèi)，由于發(fā)電機(jī)和渦輪機(jī)是同軸的，所以上軸承可能在渦輪機(jī)的上端，在圖中未能標(biāo)出。上下軸承中，一個為軸向軸承，另一個為徑向軸承，徑向軸承可以在下面，也可以在上面，具體布置可視渦輪機(jī)的需要而定。如果結(jié)構(gòu)上需要，也可增加軸承的個數(shù)。主軸上還有轉(zhuǎn)子滑環(huán)(12)，用以輸送電力。
[0020]定子體(2)包括定子磁軛及電樞繞組，定子磁軛采用優(yōu)質(zhì)電工硅鋼片沖剪成一段段弧形帶內(nèi)圓線槽的薄片，然后在施工現(xiàn)場的定子架(21)上疊制成所需厚度的定子本體，同一平面硅鋼片的接縫相互錯開，以減少接縫處的磁阻。經(jīng)過壓實(shí)上絕緣漆固化后，切割加工出精確尺寸的內(nèi)圓柱面。整個柱面的內(nèi)圓處帶槽，供鑲嵌電樞繞組，定子外圓部分為磁軛的連續(xù)磁路，供磁力線流通。經(jīng)過絕緣材料鋪墊處理后，即可將導(dǎo)電線或?qū)щ婓w鑲嵌在線槽中，電器連接結(jié)束并固緊后再次上絕緣漆固化。
[0021]轉(zhuǎn)子體(3)包括轉(zhuǎn)子磁軛及磁場，轉(zhuǎn)子磁軛采用環(huán)形電工鐵或普通電工硅鋼片沖剪成一段段弧形帶外圓線槽的薄片(如果是勵磁型發(fā)電機(jī))，需要在外圓處的線槽中鑲嵌勵磁繞組。如果是永磁型發(fā)電機(jī)，則用電工鐵或不開線槽的硅鋼片，將一塊塊磁體，按均勻間隔，S和N極交替相鄰地均布粘貼安裝在轉(zhuǎn)子外圓柱面上，然后固緊。由于永磁體的磁力非常大，所以常采用未經(jīng)充磁的磁體在轉(zhuǎn)子上安裝結(jié)束后再利用平行充磁法或徑向充磁法成為永磁體的工藝方法。其他工藝，如疊片、壓實(shí)、加工、絕緣處理的方法與定子基本相同。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，所以離心力不大，固緊要求遠(yuǎn)不如普通發(fā)電機(jī)高，工藝上比較容易處理。轉(zhuǎn)子體則由轉(zhuǎn)子架固定在主軸上。
[0022]定子、轉(zhuǎn)子體的加工和安裝，可以利用基礎(chǔ)建設(shè)中樹立起來的部分軸心和主軸，在其上配置機(jī)動車削設(shè)備進(jìn)行精密加工，配置機(jī)動吊運(yùn)設(shè)備進(jìn)行吊運(yùn)安裝。
[0023]目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為了從不同風(fēng)速的風(fēng)中獲得最多能量，通常按一定尖速比的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，屬于變速驅(qū)動發(fā)電，所產(chǎn)生的電能頻率和電壓是變化的，不能直接并網(wǎng)，所以必須有一個直流中間環(huán)節(jié)進(jìn)行解耦。為減少直流整流電流對發(fā)電機(jī)電壓的諧波影響，部分大型發(fā)電機(jī)不采用三相交流電制，改而采用雙三相的電樞繞組。本發(fā)明中的發(fā)電機(jī)電樞繞組既可以采用三相電制或雙三相電制，但采用更先進(jìn)高效的多相結(jié)構(gòu)，例如五相或七相電制式的電樞繞組，原則上相數(shù)越多諧波頻率越高，諧波的影響越小。但相數(shù)太多，電機(jī)的設(shè)計(jì)制造難度會增加，成本也會相應(yīng)提高，而五相或七相的難度接近雙三相，電氣技術(shù)效果卻比雙三相更好。
[0024]本發(fā)明中，轉(zhuǎn)子滑環(huán)采用的是三相交流電滑環(huán)，這一改進(jìn)與普通勵磁型發(fā)電機(jī)采用直流電的二滑環(huán)輸送勵磁電流，具有明顯區(qū)別。眾所周知，轉(zhuǎn)子勵磁須采用直流電，只須二片滑環(huán)，不可能由三片滑環(huán)的交流電供電。本發(fā)明采用三相交流供電，目的不僅是利用滑環(huán)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁供電，同時(shí)還需要為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子中的變槳電機(jī)、空氣動力制動的變位電機(jī)和其他傳感測試等設(shè)備供電，通過3片滑環(huán)將交流電能統(tǒng)一送到轉(zhuǎn)子上，既可減少滑環(huán)數(shù)量，減少故障和維修保養(yǎng)量，在結(jié)構(gòu)上也顯得更合理。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，所以本發(fā)明中的滑環(huán)電刷的磨損量也很小。與3片滑環(huán)所接觸的三組電刷安裝在軸心柱上(圖中未標(biāo)明)。與滑環(huán)連接的電纜可固定在主軸表面，也可以從主軸的槽或主軸的孔中鋪設(shè)，直至所需供電點(diǎn)?？梢?，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子滑環(huán)采用三相交流電