CN116155002A - 双馈风力发电机转子连接线结构、绕线式转子及其发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机技术领域，涉及一种双馈风力发电机转子连接线结构、绕线式转子及其发电机。该绕线式转子，通过对转子连接线固定架、转子零环、补强支撑架、转子连接线圆弧折弯结构改进，形成具有一体化转子连接线结构的绕线式转子，在装机后进行严苛工况下的寿命测试，该绕线式转子具有更高地可靠性和更好地机械性能；同时，通过改进后转子风扇的紧凑型结构，使转子风扇到转子铁心和转子绕组的轴向距离被缩短，从而提高了发电机内部的空间利用率，同时对发电机转子的温升表现也有一定的改善作用。

Description

双馈风力发电机转子连接线结构、绕线式转子及其发电机

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，涉及绕线式发电机转子，具体涉及一种双馈风力发电机转子连接线结构、绕线式转子及其发电机。

背景技术

随着风力发电机功率等级和风电行业成本压力的不断增大，风力发电机舱内的空间可谓是“寸土寸金”，提升发电机整机可靠性、提高发电机内部空间利用率、降低风力发电成本是必须要解决的技术难题。因此，如何在有限的机舱及发电机空间内尽可能充分地利用空间，同时提高发电机及部件的可靠性，就成为了风力发电机设计的关键。

目前，国内外主流绕线式转子的连接线和零环的固定结构如图3所示。转子铁心10、转子绕组支架2和转子连接线固定架3通过各自内圆与转轴11采用过盈配合的连接方式固定；转子绕组1通过转子连接线5(其结构参见图1)与转子引出线9或转子零环13相连，转子连接线5通过绝缘绑扎带6与转子连接线固定架3(其截面带有凹槽，用于绑扎定位，但非封闭式结构)进行绑扎固定；转子零环13通过外圈的绝缘绑扎带6固定在转轴11表面；转子连接线5和转子引出线9是变流器与转子绕组4之间双向能量流动的重要部件，它们的可靠性设计直接关系到风力发电机组的运行稳定性。

而现有绕线式转子仍存在如下不足：第一、转子连接线固定架功能单一且此固定结构在严苛工况下的可靠性存在风险；第二、转子连接线90°折弯处的R角通常按照国标执行，在严苛工况下存在应力集中风险；第三、转子零环的固定结构在严苛工况下的可靠性存在风险；第四、转子连接线、转子零环、转子绕组支架的结构一体性不佳；第五、转子连接线和风扇之间(无风扇则为与端盖之间)的轴向空间利用不够充分。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种双馈风力发电机转子连接线结构、绕线式转子及其发电机。该绕线式转子，提供了可靠性更高的转子连接线和转子零环的固定结构，同时降低了转子整体的轴向空间占用率(含风扇)，提升了双馈风力发电机转子结构在严苛工况下的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种双馈风力发电机转子连接线结构，包括一体成型的转子连接线本体，所述转子连接线本体包括与转子绕组相接的第一连接部，所述第一连接部的下方依次分布扭转连接部、与转子绕组支架端面相接的第二连接部以及用于减弱转子连接线本体折弯处应力的圆弧状连接部，所述圆弧状连接部与水平状的第三连接部相接；所述第二连接部与圆弧状连接部的连接处形成第一过渡圆弧，所述圆弧状连接部与水平状的第三连接部的连接处形成第二过渡圆弧，所述第一过渡圆弧和第二过渡圆弧之间为第三过渡圆弧。

进一步，所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧各自对应的圆心角的度数均介于135°和180°之间。

进一步，所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧各自对应的弧半径均介于X和2X之间，所述X为转子连接线本体的厚度。

进一步，所述第三过渡圆弧的圆心角为90°。

第二方面，本发明提供了一种绕线式转子，包括转轴、转子铁心、转子绕组、转子绕组支架、转子连接线、转子零环、转子引出线和转子连接线固定架；其中，所述转子连接线采用如上部分或全部所述的转子连接线结构；

所述转子绕组嵌放在转子铁心内，并沿转轴的轴向伸出转子铁心端面，且伸出部分由转子绕组支架支撑，伸出部分通过转子连接线与转子零环、转子引出线连接；

所述转子连接线固定架的截面呈“D”型，其竖直侧与转子绕组支架连接，弧形侧通过绝缘绑扎带与转子连接线绑扎固定；

所述转轴上套设有转子零环限位环，所述转子零环沿轴向嵌入转子零环限位环和转轴之间的间隙内，所述间隙内填充有绝缘块；

所述转轴上还安装有转子风扇，所述转子风扇位于转子引出线的右侧；所述转子风扇的内圆开设有用以避让转子连接线和转轴表面固定结构的缺口。

进一步，所述转子连接线中的三支与转子零环连接，另外三支与转子引出线连接，且两者的轴向引出方向相反。

进一步，所述转子零环限位环采用整圆环或整圆槽，或者采用由分段圆弧形成的圆环或圆槽。具体地，所述转子零环限位环可以是额外安装在转子绕组支架上的圆环，也可以是由转子绕组支架加工而成的槽。

进一步，所述转子连接线固定架焊接固定在转子绕组支架的端面，且转子连接线固定架采用圆钢或扁钢制成。

进一步，所述转子连接线固定架内还设置有异型补强支撑架，用以增强转子连接线固定架的刚性，使发电机在运转过程中，在转子连接线受到大小相同的离心力时产生更小的变形或位移。

更进一步，为了实现转子绕组支架整体的轻量化设计，使用有限元仿真软件对传统的“类直角三角形”补强支撑架进行分析、减重，将其受力较小的部分移除，最终形成一个类似斜向的“工”字型结构的异型补强支撑结构，且该异型补强支撑结构的重量相比于轻量化之前，减重50％，但支撑强度完全能够满足支撑强度的需求。

第三方面，本发明还提供了一种风力发电机，包括如上部分或全部所述的绕线式转子。该风力发电机由于转子风扇到转子铁心和转子绕组的轴向距离被缩短，在提高发电机内部空间利用率的同时对发电机转子的温升表现也有一定的改善作用。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过对转子连接线固定架、转子零环、补强支撑架、转子连接线圆弧折弯结构改进，形成具有一体化转子连接线结构的绕线式转子，在装机后进行严苛工况下的寿命测试，该绕线式转子具有更高地可靠性和更好地机械性能。

就该风力发电机而言，由于改进后转子风扇的紧凑型结构，使转子风扇到转子铁心和转子绕组的轴向距离被缩短，从而提高发电机内部的空间利用率，同时对发电机转子的温升表现也有一定的改善作用。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有转子连接线结构的示意图；

图2为本发明提供的转子连接线结构的示意图；

图3为现有绕线式转子的结构图；

图4为本发明提供的绕线式转子的结构图；

图5为本发明提供的转子绕组支架的结构图；

图6为本发明提供的异型补强支撑架轻量化前后的结构示意图；

图7为本发明提供的转子风扇的结构图。

其中：1、转子绕组；2、转子绕组支架；3、转子连接线固定架；4、异型补强支撑架；5、转子连接线；6、绝缘绑扎带；7、转子连接线折弯处；8、转子风扇；9、转子引出线；10、转子铁心；11、转轴；12、转子零环限位环；13、转子零环；14、第一连接部；15、扭转连接部；16、第二连接部；17、圆弧状连接部；18、第三连接部；19、缺口。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的结构的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参见图2所示，本实施例提供了一种双馈风力发电机转子连接线结构，包括一体成型的转子连接线本体，所述转子连接线本体包括与转子绕组1相接的第一连接部14，所述第一连接部14的下方依次分布扭转连接部15、与转子绕组支架2端面相接的第二连接部16以及用于减弱转子连接线本体折弯处应力的圆弧状连接部17，所述圆弧状连接部17与水平状的第三连接部18相接；所述第二连接部16与圆弧状连接17的连接处形成第一过渡圆弧，所述圆弧状连接部17与水平状的第三连接部18的连接处形成第二过渡圆弧，所述第一过渡圆弧和第二过渡圆弧之间为第三过渡圆弧。

进一步，所述扭转连接部15之所以进行扭转，是为了更好地配合转子连接线本体与转子绕组1和转子引出线9的连接。具体地讲，如果不进行“麻花状”扭转，转子连接线本体按照和转子绕组1的端部连接的方向直接下来折弯的话，折弯处的厚度必然远大于其宽度；一方面，会在径向方向和轴向方向占用更多的空间，另一方面，如果以上述截面(不扭转时的截面)折弯过去的话，转子连接线本体和转子引出线9的焊接面积也会减小，绝缘也更难做。而如果为了保证焊接面积和绝缘工艺，把转子引出线9截面也竖起来的话，他就会在轴孔内部占用更多空间，同时还会降低绝缘可靠性。

进一步，所述第一过渡圆弧对应的圆心角α、第二过渡圆弧对应的圆心角β的度数均介于135°和180°之间。其中，圆心角α的度数取决于转子连接线本体左侧边距离铁心侧转子支架的距离，圆心角β的度数取决于转子连接线本体下方距离转轴11的距离。

进一步，所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧各自对应的弧半径均介于X和2X之间，所述X为转子连接线本体的厚度。

优选地，所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧各自对应的弧半径均为1.5X，X为转子连接线本体的厚度。

进一步，所述第三过渡圆弧的圆心角为90°。

具体地，转子连接线本体优化了折弯处的大圆弧结构，由原本的一次折弯更改为“反向折弯-大圆弧折弯-正向折弯”的三次折弯结构，在不额外占用空间的前提下最大限度地避免了转子连接线5折弯处的应力集中，提升了它在发电机转子中的受力表现，提高了它和转子的整体可靠性。

该转子连接线结构，通过“反向折弯-大圆弧折弯-正向折弯”的三次折弯设计，可以在折弯半径相同的情况下，使转子连接线折弯处7的长度变长，转子连接线折弯处7的长度越长，受到相同应力的情况下会产生相对更小的应变。将现有结构(图1)中折弯的圆弧长度和本发明结构(图2)中折弯的圆弧长度进行比对，两者圆弧长度的比值为23.5/38，可知相对于现有结构折弯处的应变，本发明中转子连接线折弯处7的折弯处的应变减小。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种绕线式转子，参见图4，包括转轴11、转子铁心10、转子绕组1、转子绕组支架2、转子连接线5、转子零环13、转子引出线9和转子连接线固定架3；所述转子连接线5采用如前所述的转子连接线结构；

所述转子绕组1嵌放在转子铁心10内，并沿转轴11的轴向伸出转子铁心10的端面，且伸出部分由转子绕组支架2支撑，伸出部分通过转子连接线5与转子零环13、转子引出线9连接；所述转子绕组支架2通过其内圆与转轴11过盈配合连接，所述转子连接线固定架3及其异型补偿支撑架4均为转子绕组支架2的一部分；

所述转子连接线固定架3的截面呈“D”型，其竖直侧与转子绕组支架2连接，弧形侧(靠近转子连接线侧)通过绝缘绑扎带6与转子连接线5的竖直部分绑扎固定；其中，圆弧部分有利于绝缘绑扎带6的绑扎固定，由于“D”型结构的封闭截面，避免了绝缘绑扎带6在转子连接线5受到强离心力作用时脱离转子连接线固定架3的风险；

所述转轴11上套设有转子零环限位环12，所述转子零环13沿轴向嵌入转子零环限位环12和转轴11之间的间隙内，所述间隙内填充有绝缘块；

所述转轴11上还安装有转子风扇8，所述转子风扇8位于转子引出线9的右侧；所述转子风扇8的内圆开设有用以避让转子连接线5和转轴11表面固定结构的缺口19(参见图7)。

进一步，所述转子连接线5中的三支与转子零环13连接，另外三支与转子引出线9连接，且两者的轴向引出方向相反。

进一步，所述转子零环限位环12采用整圆环或整圆槽，或者采用由分段圆弧形成的圆环或圆槽。

具体地，在现有的转子结构中，转子零环13和转子引出线9相对于转子连接线5的引出方向是相同的，具体的讲：三支转子连接线5与转子零环13连接，转子零环13在轴向上靠近转子连接线5，另外三支转子连接线5与转子引出线9连接，其连接位置在轴向上位于转子零环13外侧。但在发明提供的转子结构中，转子零环13和转子引出线9相对于转子连接线5的引出方向是相反的；具体地讲：转子零环13沿轴向嵌入转子零环限位环12(或转子零环限位槽)和转轴11之间的空隙，转子零环13与转子零环限位环12(或转子零环限位槽)与转子连接线5产生的空隙由绝缘块填充，经过真空压力浸漆并烘干后的转子零环13固定结构，能获得相较于现有绕线式转子零环固定结构更高的可靠性和运行稳定性。即使转子零环13在极限工况下受到离心力作用发生形变，在转子零环限位环12(或转子零环限位槽)的限制下，转子零环13的形变也会非常有限，不至于产生裂纹甚至导致断裂等故障。

进一步，所述转子连接线固定架3内还设置有异型补强支撑架4。

具体地讲，为提高转子连接线固定架3在与转子连接线5绑扎紧固并浸漆固化后，转子绕组1(线圈)和转子连接线5在转子高速旋转和转速急速变化时受到强离心力作用下的机械性能表现(包括其刚性)，使其不至于被转子连接线5反复拉扯变形，能够更好地固定转子连接线5，确保转子连接线5不会因为离心力的变化而变形或断裂。为此，通过在转子连接线固定架3的外侧或内侧设有异型补强支撑架4，避免在受到强离心力及周向力时产生形变甚至断裂故障。

可选地，结合图5-6所示，异型补强支撑架4截面的基础形状近似于直角三角形，其可以被设置在转子连接线固定架3的封闭截面(有一定深度)的内侧或外侧。其结构特征为两直角边分别与转子绕组支架2、转子连接线固定架3连接，其厚度与转子连接线固定架3近似，由于三角形具有稳定性，该结构设计可有效地对转子连接线固定架3进行补强，更好地应对离心力及周向力。

优选地，为实现转子绕组支架2轻量化的设计要求，本发明的相关研发人员使用有限元仿真软件对异型补强支撑架4的受力情况进行分析、减重，将其受力较小的部分移除，最终得到的结构一个类似斜向的“工”字型的异型补强支撑架4，且该异型补强支撑架4的重量相比于轻量化之前，减重50％，但支撑强度完全能够满足支撑强度的需求。

进一步，转子连接线固定架3的材质包括但不限于金属材料，其制造方式包括但不限于焊接、切削加工、铸造及3D打印。优选地，转子连接线固定架3的材质选用圆钢或者扁钢，折弯后焊接固定在转子绕组支架2的端面，具有制造简单、成本低、工艺性好等优点。

进一步，结合图7所示，为实现转子风扇8的内圆靠近转子连接线5和转子引出线9部分的直角部分对转子引出线9所在的轴孔延伸出的空间进行避让，转子风扇8的内圆开设有用以避让转子连接线5和转轴11表面固定结构的缺口19。上述设计在不降低转子风扇8可靠性的前提下充分利用了发电机内部空间，关于转子风扇8的避让部分可以是整圆进行避让，也可以是仅在三处转子引出线9影响的部分进行避让。

此外，本实施例还提供了风力发电机，尤其是双馈风力发电机，包括如上部分或全部所述的绕线式转子。

在装机后对某双馈风力发电机(装有上述绕线式转子结构)严苛工况下的寿命测试，该绕线式转子具有更高地可靠性和更好地机械性能；同时，通过改进后转子风扇8的紧凑型结构，使转子风扇8到转子铁心10和转子绕组1的轴向距离被缩短，从而提高了发电机内部的空间利用率，同时对发电机转子的温升表现也有一定的改善作用。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种双馈风力发电机转子连接线结构，其特征在于，包括一体成型的转子连接线本体，所述转子连接线本体包括与转子绕组(1)相接的第一连接部(14)，所述第一连接部(14)的下方依次分布扭转连接部(15)、与转子绕组支架(2)端面相接的第二连接部(16)以及用于减弱转子连接线本体折弯处应力的圆弧状连接部(17)，所述圆弧状连接部(17)与水平状的第三连接部(18)相接；所述第二连接部(16)与圆弧状连接部(17)的连接处形成第一过渡圆弧，所述圆弧状连接部(17)与水平状的第三连接部(18)的连接处形成第二过渡圆弧，所述第一过渡圆弧和第二过渡圆弧之间为第三过渡圆弧。

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机转子连接线结构，其特征在于，所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧各自对应的圆心角的度数均介于135°和180°之间。

3.根据权利要求1所述的双馈风力发电机的转子连接线结构，其特征在于，所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧各自对应的弧半径均介于X和2X之间，所述X为转子连接线本体的厚度。

4.根据权利要求1所述的双馈风力发电机转子连接线结构，其特征在于，所述第三过渡圆弧的圆心角为90°。

5.一种绕线式转子，包括转轴(11)、转子铁心(10)、转子绕组(1)、转子绕组支架(2)、转子连接线(5)、转子零环(13)、转子引出线(9)和转子连接线固定架(3)；其特征在于，所述转子连接线(5)采用如权利要求1-4任一项所述的转子连接线结构；

所述转子绕组(1)嵌放在转子铁心(10)内，并沿转轴(11)的轴向伸出转子铁心(10)端面，且伸出部分由转子绕组支架(2)支撑，伸出部分通过转子连接线(5)与转子零环(13)、转子引出线(9)连接；

所述转子连接线固定架(3)的截面呈“D”型，其竖直侧与转子绕组支架(2)连接，弧形侧通过绝缘绑扎带(6)与转子连接线(5)绑扎固定；

所述转轴(11)上套设有转子零环限位环(12)，所述转子零环(13)沿轴向嵌入转子零环限位环(12)和转轴(11)之间的间隙内，所述间隙内填充有绝缘块；

所述转轴(11)上还安装有转子风扇(8)，所述转子风扇(8)位于转子引出线(9)的右侧；所述转子风扇(8)的内圆开设有用以避让转子连接线(5)和转轴(11)表面固定结构的缺口(19)。

6.根据权利要求5所述的绕线式转子，其特征在于，所述转子连接线(5)中的三支与转子零环(13)连接，另外三支与转子引出线(9)连接，且两者的轴向引出方向相反。

7.根据权利要求5所述的绕线式转子，其特征在于，所述转子零环限位环(12)采用整圆环或整圆槽，或者采用由分段圆弧形成的圆环或圆槽。

8.根据权利要求5所述的绕线式转子，其特征在于，所述转子连接线固定架(3)焊接固定在转子绕组支架(2)的端面。

9.根据权利要求5所述的绕线式转子，其特征在于，所述转子连接线固定架(3)内还设置有异型补强支撑架(4)。

10.一种风力发电机，其特征在于，包括如上权利要求5-9任一项所述的绕线式转子。

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