PL234155B1

PL234155B1 - Slow-speed synchronous generator with permanent magnets, preferably for application in a wind power station with vertical rotation axis

Info

Publication number: PL234155B1
Application number: PL428178A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Kostro; Filip Kutt; Michał Michna
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-01-31
Also published as: PL428178A1

Abstract

Wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, zwłaszcza do zastosowania w elektrowni wiatrowej o pionowej osi obrotu składający się ze stojana zamocowanego w obudowie i wirnika osadzonego na wale wewnątrz stojana, na którym symetrycznie rozłożone są magnesy neodymowe. Integralną częścią obudowy stojana (1) są tarcze łożyskowe górna (4) i dolna (5), przy czym do tarczy łożyskowej górnej (4) generatora zamocowana jest na stałe tuleja prowadząca (9). Na wale (6) wirnika (3) osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne (7), natomiast w tarczy łożyskowej dolnej (5) tuleja gniazda łożyskowego (10) jest przedłużona.A low-speed synchronous generator with permanent magnets, especially for use in a wind power plant with a vertical axis of rotation, consisting of a stator mounted in a housing and a rotor mounted on a shaft inside the stator, on which neodymium magnets are symmetrically distributed. The upper (4) and lower (5) bearing shields are an integral part of the stator housing (1), with a guide sleeve (9) permanently attached to the upper bearing shield (4) of the generator. Double-row angular contact ball bearings (7) are mounted on the shaft (6) of the rotor (3), while the bearing seat sleeve (10) is extended in the lower bearing disk (5).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, zwłaszcza do zastosowania w elektrowni wiatrowej o pionowej osi obrotu.The subject of the invention is a slow-speed synchronous generator with permanent magnets, especially for use in a wind power plant with a vertical axis of rotation.

Dostępne na rynku maszyn generatory wolnoobrotowe o konstrukcji cylindrycznej charakteryzują się tym, że ich znamionowe prędkości obrotowe przy mocach rzędu kilku kilowoltamperów są rzędu kilkuset rpm, co powoduje, że zastosowanie ich w siłowniach wiatrowych o pionowej osi obrotu jest możliwe tylko w połączeniu z przekładniami mechanicznymi.Low-speed cylindrical generators available on the market are characterized by the fact that their rated rotational speeds at power of a few kilovoltamps are in the order of several hundred rpm, which means that their use in wind turbines with a vertical axis of rotation is possible only in combination with mechanical gears.

Wiele firm projektuje i wytwarza generatory wolnoobrotowe na bazie elementów seryjnie produkowanych silników asynchronicznych klatkowych dużych mocy. Przy małej prędkości obrotowej projektowanego generatora wymaga to zastosowania uzwojenia stojana o liczbie żłobków na biegun i fazę wynoszącej q<0,5. Zastosowanie takiego uzwojenia powoduje niesinusoidalny rozkład indukcji w szczelinie roboczej maszyny, co skutkuje generacją wyższych harmonicznych momentu elektromagnetycznego i w efekcie drganiami wirnika. Ponadto zastosowanie uzwojenia o q<0,5 przy zachowaniu wysokiej sprawności znacznie podwyższa koszty jego wykonania, gdyż istnieje potrzeba zużycia znacznie większej ilości miedzi do wytworzenia uzwojenia, natomiast redukcja kosztów w tym zakresie powoduje zmniejszenie sprawności maszyny.Many companies design and manufacture low-speed generators based on components of high-power, series-produced asynchronous squirrel-cage motors. At a low rotational speed of the designed generator, this requires the use of a stator winding with the number of slots per pole and phase q <0.5. The use of such a winding causes a non-sinusoidal distribution of induction in the working gap of the machine, which results in the generation of higher harmonics of the electromagnetic moment and, as a result, vibrations of the rotor. In addition, the use of a winding with q <0.5 while maintaining high efficiency significantly increases the costs of its production, because there is a need to use a much larger amount of copper to produce the winding, while the reduction of costs in this area reduces the efficiency of the machine.

Wolnoobrotowy generator do elektrowni wiatrowej jest zbudowany ze stojana zamocowanego w obudowie i wirnika osadzonego na wale wewnątrz stojana. Na wirniku rozłożone są symetrycznie magnesy neodymowe.A low-speed wind turbine generator consists of a stator mounted in a housing and a rotor mounted on the shaft inside the stator. Neodymium magnets are arranged symmetrically on the rotor.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że integralną częścią obudowy stojana są tarcze łożyskowe górna i dolna, przy czym do górnej tarczy łożyskowej generatora zamocowana jest na stałe tuleja prowadząca. Na wale wirnika osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne. Natomiast tuleja gniazda łożyskowego w dolnej tarczy łożyskowej jest przedłużona.The essence of the solution according to the invention consists in the fact that an integral part of the stator housing are upper and lower bearing disks, and a guide bushing is permanently attached to the upper generator bearing disk. Double-row angular contact ball bearings are mounted on the rotor shaft. In contrast, the bearing seat bushing in the lower end shield is extended.

Korzystnie rdzeń magnetyczny stojana wykonany jest z blach elektrotechnicznych, złożonych w taki sposób, aby skos żłobków na całej długości rdzenia był równy podziałce żłobkowej 2n/Q_s, przy mniejszym przekroju poprzecznym żłobka.Preferably, the stator magnetic core is made of electrical sheets, folded in such a way that the slope of the slots along the entire length of the core is equal to the 2n / Q _s slot pitch, with a smaller slot cross-section.

Korzystnie rozpiętość cewek uzwojenia stojana jest skrócona w stosunku do rozpiętości średnicowej y = Qs/2p.Preferably, the span of the stator winding coils is shortened in relation to the diameter span y = Qs / 2p.

Korzystnie liczba żłobków stojana równa jest dwukrotnemu iloczynowi liczby par biegunów, liczby faz i liczby żłobków na biegun i fazę.Preferably, the number of stator slots is equal to twice the product of the number of pole pairs, the number of phases and the number of slots per pole and phase.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zastosowanie skosu żłobków stojana, co umożliwia redukcję momentu zaczepowego, charakterystycznego dla generatorów wolnoobrotowych. Natomiast zastosowanie skrótu uzwojenia pozwala na redukcję wyższych harmonicznych w rozkładzie indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej generatora, a co jest z tym związane, redukcję wyższych harmonicznych napięcia indukowanego rotacji i w konsekwencji harmonicznych prądów i momentu elektromagnetycznego. Takie rozwiązanie zapewnia wysoką sprawność energetyczną i cichą pracę generatora. Ponadto zastosowanie małej wartości prędkości obrotowej umożliwia bezpośrednie połączenie generatora z wałem turbiny elektrowni wiatrowej, bez konieczności stosowania przekładni, co dodatkowo podwyższa sprawność energetyczną układu turbina-generator. Dzięki zastosowaniu tulei prowadzącej przymocowanej do górnej tarczy łożyskowej i przedłużonej tulei gniazda łożyskowego w dolnej tarczy łożyskowej możliwy jest montaż i demontaż wirnika bez dodatkowego, specjalnego oprzyrządowania.The advantage of the solution according to the invention is the use of the slant of the stator slots, which enables the reduction of the cogging torque characteristic of low-speed generators. On the other hand, the use of the winding abbreviation allows for the reduction of higher harmonics in the magnetic induction distribution in the generator air gap, and thus, the reduction of higher harmonics of the voltage induced rotation and, consequently, the harmonic currents and electromagnetic moment. This solution ensures high energy efficiency and quiet operation of the generator. Moreover, the use of a low value of rotational speed enables direct connection of the generator with the shaft of the wind turbine, without the need for a gearbox, which further increases the energy efficiency of the turbine-generator system. Due to the use of a guide sleeve attached to the upper bearing plate and an extended bearing seat sleeve in the lower bearing plate, it is possible to assemble and disassemble the rotor without any additional special equipment.

Rozwiązanie według wynalazku zostało zilustrowane przykładem wykonania na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia przekrój poprzecznego generatora, Fig. 2 - przekrój podłużny generatora, a Fig. 3 - najistotniejsze wymiary niezbędne do uzyskania możliwości montażu i demontażu wirnika bez dodatkowego oprzyrządowania.The solution according to the invention has been illustrated by an exemplary embodiment in the drawing, where Fig. 1 shows a generator cross-section, Fig. 2 - a generator longitudinal section, and Fig. 3 - the most important dimensions necessary to obtain the possibility of assembling and disassembling the rotor without additional equipment.

Jak pokazano na rysunku Fig. 1, wolnoobrotowy generator do elektrowni wiatrowej jest zbudowany ze stojana 1 zamocowanego w obudowie 2, wirnika 3 osadzonego wewnątrz stojana 1 i tarcz łożyskowych górnej 4 i dolnej 5 stanowiących integralne części obudowy 2. Na wale 6 wirnika 3 osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne 7, które umożliwiają pracę generatora przy poziomym i pionowym ustawieniu wału wirnika. Na wirniku 3 naklejone są magnesy trwałe 8 o naprzemiennej biegunowości. Rdzeń magnetyczny stojana 1 wykonany jest z blach elektrotechnicznych. Blachy rdzenia stojana 1 zostały złożone w taki sposób, aby skos żłobków na całej jego długości był równy podziałce żłobkowej 2n/Q_s, przy mniejszym przekroju poprzecznym żłobka. W stojanie 1 liczba żłobków równa jest dwukrotnemu iloczynowi liczby par biegunów, liczby faz i liczby żłobków na biegunAs shown in Fig. 1, a low-speed generator for a wind turbine consists of a stator 1 mounted in a housing 2, a rotor 3 embedded inside the stator 1, and upper 4 and lower 5 bearing plates constituting integral parts of the housing 2. The rotor 3 shaft 6 is mounted double row angular contact ball bearings 7, which allow the generator to operate with the horizontal and vertical alignment of the rotor shaft. Permanent magnets 8 with alternating polarity are glued to the rotor 3. The magnetic core of the stator 1 is made of electrical sheets. The stator core 1 sheets were folded in such a way that the slope of the slots along its entire length was equal to the 2n / Q _s slot pitch, with a smaller slot cross-section. In stator 1, the number of slots is twice the product of the number of pole pairs, the number of phases and the number of slots per pole

PL 234 155 B1 i fazę. W żłobkach stojana rozmieszczone jest dwuwarstwowe trójfazowe uzwojenie o liczbie q=1 i rozpiętości cewek skróconej o 1 w stosunku do rozpiętości średnicowej y = Qs/2p, gdzie Qs oznacza liczbę żłobków stojana, a p - liczbę par biegunów. Stojan 1 generatora posiada 192 żłobki, rozmieszczone równomiernie na jego obwodzie. Na wirniku 2 rozłożone są symetrycznie 64 magnesy neodymowe.PL 234 155 B1 and phase. In the stator slots there is a two-layer three-phase winding with the number q = 1 and the coil span shortened by 1 in relation to the diameter span y = Qs / 2p, where Qs is the number of stator slots, and p - the number of pole pairs. The generator stator 1 has 192 slots evenly spaced around its circumference. The rotor 2 has 64 neodymium magnets symmetrically distributed.

W celu ułatwienia montażu i demontażu wirnika z magnesami trwałymi zastosowano dodatkowo tuleję prowadzącą 9 zamocowaną na stałe do górnej tarczy łożyskowej generatora 4. Ponadto przedłużona jest tuleja gniazda łożyskowego 10 w drugiej, dolnej tarczy łożyskowej 5. Długość tulei gniazda łożyskowego 10 zamocowanego w dolnej tarczy łożyskowej powinna być tak dobrana aby wymiar L1 był mniejszy od wymiaru L4, natomiast długość tulei prowadzącej 9 powinna być tak dobrana aby wymiar L5 był równy wymiarowi L2. Natomiast wymiar L6 powinien być mniejszy lub co najwyżej równy wymiarowi L3.In order to facilitate the assembly and disassembly of the rotor with permanent magnets, a guide sleeve 9 is additionally fixed to the upper bearing plate of the generator 4. Moreover, the sleeve for the bearing seat 10 in the second, lower bearing plate is extended 5. The length of the sleeve for the bearing seat 10 mounted in the lower bearing plate should be selected so that the dimension L1 is smaller than the dimension L4, while the length of the guide sleeve 9 should be selected so that the dimension L5 is equal to the dimension L2. On the other hand, the L6 dimension should be less than or at most equal to the L3 dimension.

Montaż wirnika w stojanie wymaga w pierwszej kolejności osadzenia na jego wale łożysk 7, następnie na tak przygotowanym wirniku osadza się górną tarczę łożyskową 4 i równocześnie przeprowadza się montaż dolnej tarczy łożyskowej 5 i kadłuba generatora z osadzonym z nim uzwojonym rdzeniem magnetycznym stojana. W kolejnym etapie montuje się wirnik w stojanie. W tym celu należy ustawić kadłub stojana 1 z dolną tarczą łożyskową do dołu z otwartą stroną ku górze tak jak to p okazano na Fig. 3 i rozpocząć montaż wirnika wsuwając go od góry do ustawionego uprzednio stojana 1. Zastosowanie tulei prowadzącej 9 przymocowanej do górnej tarczy łożyskowej 4 i przedłużonej tulei gniazda łożyskowego w dolnej tarczy łożyskowej 5 zapewnia odpowiednie prowadzenie wirnika podczas jego montażu uniemożliwiając sklejenie wirnika z magnesami trwałymi ze stojanem generatora. Przy demontażu wirnika dzięki zastosowaniu tulei prowadzącej 9 zamocowanej do górnej tarczy łożyskowej i przedłużonej tulei gniazda łożyskowego 10 dolnej tarczy łożyskowej również nie dochodzi do sklejania wirnika z magnesami trwałymi ze stojanem.The assembly of the rotor in the stator requires, first of all, the mounting of bearings 7 on its shaft, then the upper bearing plate 4 is mounted on the rotor prepared in this way, and at the same time, the lower bearing plate 5 and the generator body with the wound magnetic core of the stator are mounted. In the next step, the rotor is mounted in the stator. To do this, position the stator frame 1 with the lower bearing plate downwards with the open side facing upwards as shown in Fig. 3 and start assembly of the rotor by inserting it from above into the previously set stator 1. Use of a guide bushing 9 attached to the upper disc the bearing 4 and the extended bushing of the bearing seat in the lower bearing plate 5 ensure proper guidance of the rotor during its assembly, preventing the rotor from sticking together with permanent magnets with the generator stator. When disassembling the rotor, the rotor and the permanent magnets do not stick to the stator when the rotor is disassembled by means of the guide bushing 9 attached to the upper bearing plate and the extended bushing of the bearing seat 10 of the lower bearing plate.

Claims

Patent claims

1. Low-speed synchronous generator with permanent magnets, especially for use in a wind turbine with a vertical axis of rotation, consisting of a stator mounted in a housing and a rotor mounted on the shaft inside the stator, on which neodymium magnets are arranged symmetrically, characterized in that an integral part of the stator housing (1) there are upper (4) and lower (5) bearing shields, with a guide sleeve (9) permanently fixed to the upper (4) generator bearing shield, and ball bearings (3) mounted on the rotor shaft (6) two-row angular contact (7), while in the lower bearing plate (5) the bushing of the bearing seat (10) is extended.

2. The generator according to claim A method according to claim 1, characterized in that the span of the coils of the stator winding (1) is shortened in relation to the diameter span which is the quotient of the number of stator slots (1) and twice the number of pole pairs.

3. The generator according to p. 3. A method according to claim 1, characterized in that the magnetic core of the stator (1) is made of electrical sheets, folded in such a way that the slope of the slots along the entire length of the core is equal to the 2n / Q _s slot pitch, where Qs is the number of stator slots, with a reduced cross-section nursery.

4. The generator according to p. The method of claims 1 and 3, characterized in that the number of stator slots is equal to twice the product of the number of pole pairs, the number of phases and the number of slots per pole and phase.

PL 234 155 Β1

FIG. 2

PL 234 155 Β1