一种适用于风电半直驱机组的发电机

技术领域

本发明涉及一种发电机装置，尤其涉及一种适用于风电半直驱机组的发电机。

背景技术

目前风电主流技术路线为高速双馈方案和中速半直驱方案，受市场平价竞争压力驱动，各大厂家为进一步降低发电机部件成本，越来越多的风电整机厂家趋向选择发电机直冷方案。典型的半直驱发电机方案如说明书附图中图1～图5所示。其中典型的风冷回路如图4所示，呈典型的径向强制通风方案，风路具体路径为：外界（机舱内）冷空气介质在散热风扇以及环形腔室处产生的负压动力作用下，经铁心轴向两侧通风口（一般出于环境防护目的，通风口处一般配置具有空气过滤功能的滤盒）、绕组端部、气隙、铁心径向通风道、环形腔室以及散热风扇，排出到机舱外部大气，同时带走绕组端部、磁极以及铁心在工作状态产生的热量，从而使电机各个部件（主要是绕组、铁心、磁极）在设定的温升限值和电机寿命期范围内可靠运行。

但是现有半直驱发电机产品普遍存在工作温升高（例如额定工况下定子铁心设计温升达到120K、转子磁钢设计工作温度达到80摄氏度等）、工作状态电机环向和轴向不同位置温差过大等空冷问题，以上问题都会造成电机性能和质量的降低，亟待解决。经分析和验证，造成上述问题的主要原因有：1、工作状态时转子支架翼板和磁极（目前已公开的中国专利，申请号为：CN202111640601.5，申请日为：2021.12.29，发明名称为：一种永磁风力发电机自粘性非均匀直径模块化转子结构，其公开了一种磁极方案）之间的空隙处高速转动时会产生扰流；2、受定子支架结构限制，环形空腔中也存在较大的流阻；3、转子磁极未设置径向通风道，冷却不足。

而如果采用空水冷的系统方案，有利于模块化和海陆机型一体化，但由于采用水冷系统，对于陆上应用，其成本是较高的。目前已公开的中国专利，申请号为：CN201920515138.3，申请日为：2019.04.16，发明名称为：用于大型风力发电机转子的轴向尺寸调节板及磁极结构和申请号为：CN202210906668.7，申请日为：2022.07.29，发明名称为：转子、发电机以及风力发电机组，均尝试在转子磁极处增加径向通风和增加对磁极的冷却效果；但CN201920515138.3未考虑转子支架处翼板的扰流问题以及磁极径向通风回路的问题；而CN202210906668.7虽然考虑到转子支架处翼板的扰流问题以及磁极径向通风回路的问题，但其方案中单个磁极模块中N极和S极同时存在，现有充磁设备无法对其进行饱和充磁。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于风电半直驱机组的发电机，包括机座和发电机本体，发电机本体固定装设在机座的内腔中，机座包括分别前后设置在发电机本体两端的前端盖和后端盖，发电机本体包括绕装设有绕组总成的定子构件和与发电机转轴相配合的转子构件；

定子构件包括若干数量的定子铁芯分段、两块齿压板和若干数量的铁芯插装条构成，若干数量的定子铁芯分段由前至后阵列设置并通过齿压板和铁芯插装条固定，即若干数量的定子铁芯分段与齿压板和铁芯插装条构成整体，且前后相邻两个定子铁芯分段之间具有间隙，即通风回路A，两块齿压板分别贴合设置在定子构件前后两端的定子铁芯分段具有的端面上，绕组总成绕装设置在定子铁芯分段上；

转子构件包括转子支架和若干磁极模块，若干磁极模块前后阵列设置构成磁极阵列块，前后相邻两个磁极模块之间具有间隙，即通风回路B，若干磁极阵列块沿圆周方向环形设置在转子支架的外周，转子支架由连接法兰、筒体、端板和磁轭构成，端板的板身侧端面沿周向均匀开有若干个端板通风孔，磁轭与磁极模块安装配合的端面沿周向均匀开有若干个磁轭通风孔；

定子构件还包括两块端环，机座还包括环形密封盖板，两块端环分别设置在发电机本体前后两端的齿压板处，环形密封盖板设置在两块端环之间，且环形密封盖板环形包裹发电机本体，前端盖和后端盖分别通过与之对应的端环固定设置在发电机本体两端，环形密封盖板的板身沿圆周方向至少开有一组相对设置的密封盖板通风孔，环形密封盖板位于每个密封盖板通风孔处装设有散热风扇；

前端盖的侧端面沿周向均匀开有若干个前端盖通风孔，后端盖的侧端沿周向均匀开有若干个后端盖通风孔；

前端盖通风孔和后端盖通风孔分别与端板通风孔、磁轭通风孔、通风回路B、通风回路A、密封盖板通风孔、散热风扇构成循环散热风路。

优选的，端环的端面设有环形法兰台阶，前端盖具有与环形法兰台阶相配合的法兰止口一，后端盖具有与环形法兰台阶相配合的法兰止口二。

优选的，每个定子铁芯分段的上端表面沿周向均匀开有若干个嵌装槽，当若干个定子铁芯分段前后阵列设置构成整体时，前后相邻的两个定子铁芯分段具有的嵌装槽能够在周向方向前后重合，通过铁芯插装条与嵌装槽的过盈配合，前后相邻的两个定子铁芯分段之间能够实现距离固定，并构成通风回路A。

优选的，两块端板分别固定设置在磁轭的两端，每块端板中心处具有装配孔一，筒体通过装配孔固定设置在两块端板之间，筒体的内腔壁固定设置有连接法兰。

优选的，磁轭位于每个磁轭通风孔的两侧开有固定键装配槽，若干个固定键通过螺栓固定设置在与之对应的固定键装配槽中，磁轭位于每个磁轭通风孔处的外表面均设有磁极阵列块，每个磁极阵列块的两侧通过与固定键过盈配合实现自身的安装定位。

优选的，每个磁极模块包括若干磁钢和磁钢定位块，磁钢定位块至少开有一个容纳磁钢的磁钢装配腔，磁钢定位块的下端面具有与磁轭外轮廓相匹配的贴合弧面一，磁钢定位块的左右两端分别具有与固定键外轮廓相匹配的贴合弧面二。

优选的，前后相邻两个磁极模块之间固定设置有通风槽板，即前后相邻两个磁极模块之间通过通风槽板构成通风回路B。

优选的，环形密封盖板与定子铁芯分段的外轮廓之间构成环形腔室，环形密封盖板的板身沿圆周方向开有两组相对设置的密封盖板通风孔，每个散热风扇通过环形风管与其相对应的密封盖板通风孔相连通，环形风管的一端与密封盖板通风孔相通，另一端具有排风口。

优选的，每个固定键的截面呈上大下小的楔形，磁轭位于每个固定键装配槽的槽面由前至后开有若干个螺纹孔，每个固定键的键身开有若干个与螺纹孔相配合的装配孔二。

优选的，前端盖的端面沿圆周方向开有若干个发电机本体装配孔。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

相较于传统结构的齿轮箱后端盖，本申请技术方案具有的后端盖自身具有一定的厚度（增加了延伸段），并在延伸段处沿周向增加了后端盖通风孔，同理，前端盖也具有前端盖通风孔，并且前端盖与后端盖均能够通过法兰止口结构直接与发电机本体实现装配，由此机座就能够直接与发电机本体构成一个环形腔室，通过散热风扇可以进行降温散热；

本申请技术方案相较于现有技术，取消了传统的定子支架结构，仅仅通过端环、环形密封盖板、前端盖和后端盖实现环形腔室，避免了传统定子支架结构对风路的阻挡效应，同时还能够降低发电机总体重量和制造成本，更加能够使得发电机的温升分布更加均匀，而本申请技术方案采用了四组散热风扇沿周向均匀设置，随着风扇数量的增加，势必可以选用更小规格的散热风扇，即通过4个2.2kw的风扇就可以取代现有技术采用的2个5.5kw的风扇，在总成本增加不多的情况下，可以有效增加电机温升在环向的均匀性。

进一步的，本申请技术方案的转子支架由连接法兰、筒体、端板和磁轭构成，相较于现有技术中隔板+两侧翼板+磁轭的结构，翼板改为端板不仅增加了整体刚度和改善电机受载，同时不会电机内部产生异常扰流，而端板和磁轭自身均开有通风孔，能够与定子构件和转子构件相配合，实现循环散热风路，可以有效增加电机温升在轴向的均匀性。

进一步的，本申请技术方案还取消了现有技术磁极模块具有的定位筋和固定磁极模块的固定键结构，改为通过螺栓固定安装固定键的同时，间接地通过固定键将磁极模块固定设置在磁轭的外表面，同时在磁极模块之间增加径向通风回路，实现了转子自身的降温冷却，而固定键截面形状整体成楔形，其材料优选不导磁类材料（如奥氏体不锈钢、铝、FRP等等），固定键与磁极模块和磁轭之间可以实现上下微调节，而在电机工作时，楔形固定键还能够将来自磁极模块的沿转子圆周方向的载荷通过固定键装配槽传递给转子支架，楔形固定键的连接螺栓仅承受轴向力，相比现有技术（磁极模块的切向载荷最终是通过磁极模块和转子磁轭安装面间的摩擦力传递给转子支架）本申请技术方案的结构形式承载更合理。另外楔形固定键将现有技术中的磁极模块之间的空隙填充了，避免了该结构在电机工作时产生扰流。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是风力发电机组示意图，图中41为传动链、42为塔架、43为机舱罩、44为叶轮（45轮毂、46叶片）；

图2是传动链示意图，图中47为发电机，48为齿轮箱；

图3是典型半直驱机组直冷发电机，图中49为发电机定子，50为现有技术散热风扇，51为现有技术后端盖，52为发电机定子端部通风口；

图4是典型半直驱机组直冷发电机示意图及其风冷回路，图中53为齿轮箱后端盖，54为通风口，55为定子支架，56为定子铁心，57为绕组，58为转子；

图5是典型半直驱机组直冷发电机具有的转子结构示意图，图中59为翼板，60为磁极，61为现有技术转子支架，62为磁极之间间隙；

图6是本申请一种适用于风电半直驱机组的发电机的立体结构示意图；

图7是本申请一种适用于风电半直驱机组的发电机的立体结构的另一视角的示意图；

图8是本申请具有的端环、环形密封盖板、密封盖板通风孔与转子构件和定子构件之间的结构关系示意图；

图9是本申请具有的端环的结构示意图；

图10是本申请一种适用于风电半直驱机组的发电机的剖视结构示意图；

图11是本申请具有的环形腔室的结构示意图；

图12是本申请具有的通风回路A的结构示意图；

图13是本申请具有的定子铁芯分段的结构示意图；

图14是本申请具有的转子支架与磁极阵列块之间的结构关系示意图；

图15是本申请具有的连接法兰与筒体之间的结构关系示意图；

图16是本申请具有的磁轭的结构示意图；

图17是本申请具有的磁钢定位块的结构示意图；

图18是本申请具有的通风回路B的结构示意图。

图中：1机座、2后端盖、3前端盖、4定子铁芯分段、5齿压板、6铁芯插装条、7转子支架、8磁极模块、9连接法兰、10筒体、11端板、12磁轭、13磁极阵列块、14端板通风孔、15磁轭通风孔、16端环、17环形密封盖板、18密封盖板通风孔、19散热风扇、20前端盖通风孔、21后端盖通风孔、22环形法兰台阶、23法兰止口一、24法兰止口二、25嵌装槽、26装配孔一、27固定键装配槽、28固定键、29磁钢、30磁钢定位块、31磁钢装配腔、32贴合弧面一、33贴合弧面二、34通风槽板、35环形腔室、36环形风管、37排风口、38螺纹孔、39装配孔二、40发电机本体装配孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图6～图18，本发明一较佳实施例所述的一种适用于风电半直驱机组的发电机，包括机座1和发电机本体，发电机本体固定装设在机座1的内腔中，机座1包括分别前后设置在发电机本体两端的前端盖3和后端盖2，发电机本体包括绕装设有绕组总成的定子构件和与发电机转轴相配合的转子构件；

通过机座1能够可靠安装设置发电机本体，保证发电机本体的正常工作。

定子构件包括若干数量的定子铁芯分段4、两块齿压板5和若干数量的铁芯插装条6构成，若干数量的定子铁芯分段4由前至后阵列设置并通过齿压板5和铁芯插装条6固定，即若干数量的定子铁芯分段4与齿压板5和铁芯插装条6构成整体，且前后相邻两个定子铁芯分段4之间具有间隙，即通风回路A，两块齿压板5分别贴合设置在定子构件前后两端的定子铁芯分段4具有的端面上，绕组总成绕装设置在定子铁芯分段4上；

若干数量的定子铁芯分段4轴向前后并排设置，通过沿圆周方向的多个铁芯插装条6紧配合实现前后多个定子铁芯分段4之间位置固定的同时，还能构成通风回路A，而通风回路A为在圆周方向的径向风路，能够在环向对定子构件整体进行冷却降温。

转子构件包括转子支架7和若干磁极模块8，若干磁极模块8前后阵列设置构成磁极阵列块13，前后相邻两个磁极模块8之间具有间隙，即通风回路B，若干磁极阵列块13沿圆周方向环形设置在转子支架7的外周，转子支架7由连接法兰9、筒体10、端板11和磁轭12构成，端板11的板身侧端面沿周向均匀开有若干个端板通风孔14，磁轭12与磁极模块8安装配合的端面沿周向均匀开有若干个磁轭通风孔15；

通风回路B为在圆周方向的径向风路，能够在环向对转子构件整体进行冷却降温，进一步的，端板通风孔14、磁轭通风孔15、通风回路B和通风回路A能够形成轴向和环向的风路连通，最终使得转子构件和定子构件都能够实现可靠降温的同时，实现轴向、环向的温升均匀化，进一步保证电机的整体可靠运行。

定子构件还包括两块端环16，机座1还包括环形密封盖板17，两块端环16分别设置在发电机本体前后两端的齿压板5处，环形密封盖板17设置在两块端环16之间，且环形密封盖板17环形包裹发电机本体，前端盖3和后端盖2分别通过与之对应的端环16固定设置在发电机本体两端，环形密封盖板17的板身沿圆周方向至少开有一组相对设置的密封盖板通风孔18，环形密封盖板17位于每个密封盖板通风孔18处装设有散热风扇19；

两块端环16能够实现后端盖2和前端盖3的可靠安装，端环16能够同齿压板5共同焊接在定子铁芯分段4上实现固定，而环形密封盖板17能够通过密封盖板通风孔18和散热风扇19在环向对定子构件和转子构件进行冷却降温。

前端盖3的侧端面沿周向均匀开有若干个前端盖通风孔20，后端盖2的侧端沿周向均匀开有若干个后端盖通风孔21；

前端盖通风孔20和后端盖通风孔21分别与端板通风孔14、磁轭通风孔15、通风回路B、通风回路A、密封盖板通风孔18、散热风扇19构成循环散热风路。

优选的，端环16的端面设有环形法兰台阶22，前端盖3具有与环形法兰台阶22相配合的法兰止口一23，后端盖2具有与环形法兰台阶22相配合的法兰止口二24。

上述结构能够从根本上解决传统结构的转子支架带来的缺陷，通过法兰结构既保证了后端盖2和前端盖3的安装固定，同时还能够保证不会在电机内部产生异常扰流。

优选的，每个定子铁芯分段4的上端表面沿周向均匀开有若干个嵌装槽25，当若干个定子铁芯分段4前后阵列设置构成整体时，前后相邻的两个定子铁芯分段4具有的嵌装槽25能够在周向方向前后重合，通过铁芯插装条6与嵌装槽25的过盈配合，前后相邻的两个定子铁芯分段4之间能够实现距离固定，并构成通风回路A。

优选的，两块端板11分别固定设置在磁轭12的两端，每块端板11中心处具有装配孔一26，筒体10通过装配孔一26固定设置在两块端板11之间，筒体10的内腔壁固定设置有连接法兰9。

优选的，磁轭12位于每个磁轭通风孔15的两侧开有固定键装配槽27，若干个固定键28通过螺栓固定设置在与之对应的固定键装配槽27中，磁轭12位于每个磁轭通风孔15处的外表面均设有磁极阵列块13，每个磁极阵列块13的两侧通过与固定键28过盈配合实现自身的安装定位。

优选的，每个磁极模块8包括若干磁钢29和磁钢定位块30，磁钢定位块30至少开有一个容纳磁钢29的磁钢装配腔31，磁钢定位块30的下端面具有与磁轭12外轮廓相匹配的贴合弧面一32，磁钢定位块30的左右两端分别具有与固定键28外轮廓相匹配的贴合弧面二33。

优选的，前后相邻两个磁极模块8之间固定设置有通风槽板34，即前后相邻两个磁极模块8之间通过通风槽板34构成通风回路B。

优选的，环形密封盖板17与定子铁芯分段4的外轮廓之间构成环形腔室35，环形密封盖板17的板身沿圆周方向开有两组相对设置的密封盖板通风孔18，每个散热风扇19通过环形风管36与其相对应的密封盖板通风孔18相连通，环形风管36的一端与密封盖板通风孔18相通，另一端具有排风口37。

优选的，每个固定键28的截面呈上大下小的楔形，磁轭12位于每个固定键装配槽27的槽面由前至后开有若干个螺纹孔38，每个固定键28的键身开有若干个与螺纹孔38相配合的装配孔二39。

优选的，前端盖3的端面沿圆周方向开有若干个发电机本体装配孔40。

通过前端盖3能够更好的实现发电机与齿轮箱的集成化，前端盖3既能够作为机座1的“前端盖”，同时还能够作为齿轮箱的“后端盖”，通过发电机本体装配孔40，即可实现机座1和齿轮箱的直接装接，避免使用到过渡构件，实现了整体的高度集成化。

本发明的工作原理如下：

通过前端盖3具有的前端盖通风孔20和后端盖2具有的后端盖通风孔21，可以实现与转子支架7的连通，即前端盖通风孔20和后端盖通风孔21能够从前后两端与端板通风孔14和磁轭通风孔15连通，磁轭通风孔15的上方即为径向通风回路B和径向通风回路A，通过环形腔室35能够最终与环形风管36连通，由此整个电机在环形方向实现了循环散热风路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。