CN116357521B - 一种发电组合体及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电组合体及其制作工艺，该组合体包括齿轮箱和发电机，所述齿轮箱的后端盖设有第一法兰，所述发电机的定子支架设有第二法兰，所述第一法兰与第二法兰之间设有绝缘垫板，螺纹连接件与所述第一法兰之间设有绝缘垫圈，所述第一法兰的连接孔内设有绝缘套管；所述齿轮箱在其箱体或后端盖设有第一导电线缆，所述第一导电线缆用于经过导电通道电连接至机组变流器；所述发电机的定子在其外壳处设有第二导电线缆，所述第二导电线缆用于经过导电通道电连接至机组变流器。该组合体可有效避免杂散电流对齿轮箱内如轴承、齿轮、密封元件等造成的不可接受的损伤。

Description

一种发电组合体及其制作工艺

技术领域

本发明涉及风力发电机组技术领域，尤其涉及发电机组的组合体。本发明还涉及发电组合体的制作工艺。

背景技术

目前风电市场进入平价上网阶段，客户对更低全生命周期成本即LCoE的需求日益凸显，因此半直驱风力发电机机组已经渐渐成为行业主流。

中速级半直驱风力发电机组兼具直驱风力发电机机组和双馈风力发电机机组的优势。相比双馈风力发电机组，中速半直驱永磁风力发电机组无高速齿轮箱高速级故障、维护量较少以及具有良好电网故障穿越能力；相比直驱风力发电机组，所使用的铜、磁钢、硅钢等高成本材料较少，因而成本优势明显。

半直驱机组的齿轮箱和发电机通常在结构上高度耦合，可装配为一个整体（本文中把齿轮箱和发电机的装配体简称为“组合体”），可单独运输、吊装等。通常组合体在齿轮箱的外壳处机械连接在底座上。通常组合体的齿轮箱输入轴将来自叶轮的转矩经多级行星轮系增速后传递给发电机，并最终通过机电能量转换，实现风能到电能的转换。一般发电机定子固定在齿轮箱外壳或后端盖上，发电机转子连接在齿轮箱输出轴上，且与齿轮箱共用支撑轴承。另外，发电机定转子和齿轮箱的连接通常为硬连接，即导电良好。

风力发电机组在运行时，由于存在容性耦合和传导耦合，存在数量众多的由变流器经电缆、定子绕组、发电机定转子支架、齿轮箱并最终返回到变流器的各种以变频器开关频率倍频特征的杂散电流路径，简称“路径1”。

另外由于发电机本身存在转子偏心、气隙不均匀、磁路不平衡等原因，也存在数量众多的由发电机经定子绕组、定子铁芯、发电机定转子支架、齿轮箱并最终返回到发电机的各种以发电机基频倍频特征的杂散电流路径，简称“路径2”。

不同时间尺度和强度的杂散电流如果不加以抑制和控制，非常容易导致齿轮箱内如轴承、齿轮、密封元件等的损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电组合体。该组合体可有效避免杂散电流对齿轮箱内如轴承、齿轮、密封元件等造成的不可接受的损伤。

本发明的另一目的在于提供一种用于制作所述发电组合体的工艺。

为实现上述目的，本发明提供一种发电组合体，包括齿轮箱和发电机，所述齿轮箱的后端盖设有对应于所述发电机的第一法兰，所述发电机的定子支架设有对应于所述齿轮箱的第二法兰，所述第一法兰与第二法兰通过螺纹连接件相连接，所述第一法兰与第二法兰之间设有绝缘垫板，所述绝缘垫板上开设有与所述螺纹连接件相对应的通孔；所述螺纹连接件与所述第一法兰之间设有绝缘垫圈，所述第一法兰的连接孔内设有绝缘套管，所述螺纹连接件穿过所述绝缘套管旋入所述第二法兰的螺纹孔；所述绝缘套管的一端与所述绝缘垫圈紧密接触，所述绝缘套管的另一端与所述绝缘垫板紧密接触；所述齿轮箱在其箱体或后端盖设有第一导电线缆，所述第一导电线缆用于经过导电通道电连接至机组变流器；所述发电机的定子在其外壳处设有第二导电线缆，所述第二导电线缆用于经过导电通道电连接至机组变流器。

可选地，所述第一导电线缆用于经过导电通道电连接至机组变流器直流母排的中性点；所述第二导电线缆用于经过导电通道电连接至机组变流器直流母排的中性点。

可选地，所述导电通道包括机舱框架或底座或接地铜排或塔架及其组合。

可选地，所述绝缘套管的一端抵接或插入所述绝缘垫圈，所述绝缘套管的另一端抵接或插入所述绝缘垫板。

可选地，所述绝缘垫板整体上呈圆环形，其由若干块在周向上均匀分布的环扇形垫板组成。

可选地，所述第一导电线缆设有电流测量元件。

可选地，所述第一导电线缆和第二导电线缆为铜编织带。

可选地，所述绝缘垫板、绝缘垫圈、绝缘套管为橡胶材质或工程塑料材质。

为实现上述另一目的，本发明提供一种发电组合体制作工艺，用于制作上述任一项所述的发电组合体，包括：

预制所述定子支架的第二法兰时，在所述第二法兰上加工出固定所述绝缘垫板的安装孔和安装面；

在整体机加工所述定子支架之前，在其第二法兰的安装面上安装在圆周方向留有加工余量的环扇形垫板，由若干块所述环扇形垫板组成所述绝缘垫板；

将由所述定子支架和绝缘垫板组成的整体进行机械加工，得到与所述齿轮箱的后端盖的第一法兰相配合的安装结构。

进一步地，所述安装结构包括与所述齿轮箱的后端盖的第一法兰相配合的安装面以及螺纹连接件的孔组。

本发明所提供的发电组合体，不仅在第一法兰和第二法兰之间设有由绝缘垫板、绝缘垫圈、绝缘套筒组成的电隔离结构，并且还在齿轮箱和发电机的定子外壳分别设有第一导电线缆和第二导电线缆，以电连接至机组变流器。这样，可以使得在发电机定子处产生的杂散电流不经过或少经过齿轮箱，而通过第二导电线缆经导电通道电连接至机组变流器，而且，进一步切断了可能存在的低频和高频循环电流路径，避免因第一导电线缆和第二导电线缆在如安装接线质量较差等增加接地阻抗而导致的低频和高频循环电流危害。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种半直驱风力发电机组的组合体的结构示意图；

图2为图1所示半直驱风力发电机组的组合体的局部剖视图；

图3为图2中A部位的局部放大图；

图4为环扇形垫板安装于第二法兰安装面上的局部视图。

图中：

11-齿轮箱 12-发电机 13-螺栓 14-电流测量元件 1101-第一导电线缆 1102-第二导电线缆

111-齿轮箱输入轴 112-齿轮箱箱体 113-齿轮箱后端盖 1131-第一法兰 114-齿轮箱输出轴轴承 115-齿轮箱输出轴

121-发电机定子 122-发电机转子 1211-定子支架 12111-第二法兰

401-绝缘垫圈 402-绝缘套管 403-绝缘垫板 4031-环扇形垫板

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图1、图2，图1为本发明实施例所提供的一种半直驱风力发电机组的组合体的结构示意图；图2为图1所示半直驱风力发电机组的组合体的局部剖视图。

如图所示，在一种具体实施例中，本发明所提供的发电组合体为直驱风力发电机组的组合体，主要由齿轮箱11和发电机12两大部分组成，其中，齿轮箱11通常由多级行星轮系串联构成，输出转速大致在100rpm～900rpm，发电机12通常为内转子外定子的永磁发电机。

作为组合体的典型连接形式和特征结构，齿轮箱11的输入轴111通常为钢锻件经机加工而成，其转速为叶轮转速，一端接受来自叶轮的转矩，另一端通常连接第一级行星轮系的行星齿轮。齿轮箱11的箱体112通常是多级行星轮系的齿圈结构体或支撑件通过法兰连接而成，电连接的电阻抗非常小，箱体112一般通过法兰连接或支撑臂弹性支撑的方式固定在底座或主机架上。

齿轮箱11的后端盖113通常经铸造后机加工得到，一般通过法兰连接的方式与箱体112连接为一体，且为齿轮箱输出轴轴承114提供支撑。齿轮箱输出轴115通常通过花键、锁紧盘等方式与齿轮箱11最后一级行星轮系的太阳轮连接在一起，经多级行星轮系的增速后，其输出转速倍增。

发电机12的转子122一般通过法兰机械固定在输出轴115上，发电机12的定子121的支架一般通过法兰螺栓连接的方式固定在齿轮箱11的后端盖113上。

齿轮箱11在箱体112或后端盖113处通过第一导电线缆1101（优选铜编织带）经导电通道（如机舱框架或底座或接地铜排或塔架等等以及各种组合）电连接至机组变流器直流母排的中性点。

发电机定子121在其外壳处通过第二导电线缆1102（优选铜编织带）经导电通道（如机舱框架或底座或接地铜排或塔架等等以及各种组合）电连接至机组变流器直流母排的中性点。

另外，齿轮箱的箱体112和后端盖113之间也是电连接的（即电阻抗非常小）。

其中，参见图3所示，齿轮箱11的后端盖113设有第一法兰1131，发电机12的定子支架1211设有第二法兰12111，第一法兰1131与第二法兰12111通过螺栓13相连接，第一法兰1131与第二法兰12111之间设有绝缘垫板403，绝缘垫板403上开设有与螺栓13相对应的通孔；螺栓13的螺栓头与第一法兰1131之间设有绝缘垫圈401，第一法兰1131的螺栓孔内设有绝缘套管402，螺栓13穿过绝缘套管402旋入第二法兰12111的螺栓孔；绝缘套管402的一端以抵接的方式与绝缘垫圈401紧密接触，绝缘套管402的另一端插入绝缘垫板403的通孔中，与绝缘垫板403紧密接触.

绝缘垫圈401、绝缘套管402以及绝缘垫板403均是电绝缘材料（如橡胶类、工程塑料类等等）制作而成。

通过上述电隔离、连接结构，能够使得在发电机定子处产生的杂散电流不经过或少经过齿轮箱11，而通过第二导电线缆1102（优选铜编织带）经导电通道（如机舱框架或底座或接地铜排或塔架等等以及各种组合）电连接至机组变流器直流母排的中性点。另外，进一步切断了可能存在的低频和高频循环电流路径，避免因第一导电线缆1101和第二导电线缆1102在如安装接线质量较差等增加接地阻抗而导致的低频和高频循环电流危害。

如上所述，为实现齿轮箱11的后端盖113与发电机12的定子121连接法兰处的电隔离，需在两者之间增加电绝缘材料制成的环形绝缘垫板403。但因为通常兆瓦级中速永磁直驱发电机的定子121外径大于2m，造成绝缘垫板403整体加工困难，成本高。

为此，可以将绝缘垫板403制成一定圆周角度的环扇形垫板4031，通过在定子支架1211的第二法兰12111连接面处的均匀分布，构制成环形，也就是说，绝缘垫板403整体上呈圆环形，其由若干块在周向上均匀分布的环扇形垫板4031组成。

请继续参见图1、图2以及图3，半直驱传动链的轴电压轴电流问题本质上是电磁兼容问题。简单来讲，激励源为变频器和发电机本体，就通常的风电半直驱机组组合体，具体分别为变频器的共模电压和共模电流以及发电机本体磁不平衡。

由于在发电机定子121和齿轮箱11的非转动部件如（箱体112、后端盖113等）之间增加了电绝缘结构（主要由绝缘垫圈401、绝缘套管402以及绝缘垫板403），另外电绝缘结构在交流下呈容抗特征，在一定频域范围内（典型如100kHz以下），“路径2”的总的阻抗非常大，允许通过的电流很小，如可控制在mA级，不会对轴承、齿轮等敏感件造成电蚀类损伤。

“路径1”中的杂散电流主要由两种电流组成，分别简称为“电流I1”和“电流I2”；其中“电流I1”的激励源主要是变流器的共模电压以及IGBT（绝缘栅双极型晶体管）元件开关产生的du/dt，由变频器经主电缆、发电机绕组，经绕组与定子铁芯之间的容性耦合到达定子支架1211；“电流I2”的激励源主要是变流器的共模电压以及IGBT元件开关产生的du/dt，由变频器经主电缆、发电机绕组，经绕组与转子之间的容性耦合然后经齿轮箱11内部如齿轮箱输出轴轴承114、行星轮轴承、到达箱体112或齿轮箱后端盖113；由于绕组相对定子的等效杂散电容值远大于绕组相对定子的等效杂散电容值，通常“电流I1”远大于“电流I2”。

如果发电机定子121和齿轮箱11之间不加电绝缘结构，当安装接线质量较差，第一导电线缆1101和第二导电线缆1102相对“路径1”中某一点A（如机舱内专用接地母排）的电势差加大，则电流值非常大“电流I1”极有可能部分经齿轮箱11内部到达“路径1”钟的A点，这种情况是需要避免的。

如图2和图3所示，发电机定子121和齿轮箱11之间加电绝缘结构，则实现了“电流I1”和“电流I2”的分离。具体来说，“电流I1”主要到达定子121后，主要经由第二导电线缆1102，最终回流到变频器直流母排中性点；“电流I2”主要到达齿轮箱11的箱体112或后端盖113后，主要经由第一导电线缆1101，最终回流到变频器直流母排中性点。这样齿轮箱内敏感元件如轴承、齿轮、密封元件等仅承受非常小的“电流I2”，同时可在如图1所示位置，也就是第一导电线缆1101上设置电流测量元件14，采用电流测量元件14如（电流互感器、罗氏线圈、电流卡钳等）对该电流值进行测量和监测，只要该实际电流值小于一定的阈值（如某一单峰值或有效值或峰峰值），即可认为是安全的。这种布局，可实现对敏感电流的测量和监测，且易于实现。

除了上述半直驱风力发电机组的组合体，本发明还提供一种用于制作该组合体的工艺，包括以下步骤：

定子支架1211的第二法兰12111在预制时加工出固定绝缘垫板403的安装孔和安装面，绝缘垫板403预加工出安装孔；

将含有第二法兰12111的定子支架1211经主要工序如下料、焊接、热处理等后，即在整体机加工前，安装圆周方向留有一定加工余量的环扇形垫板4031（见图4），由环扇形垫板4031以拼接的方式组成绝缘垫板403；

将由定子支架1211和绝缘垫板403组成的整体进行机械加工（如车、铣等），加工得到与齿轮箱后端盖113的第一法兰1131相配合的安装面以及连接螺栓的孔组等。

本发明所提供的半直驱风电机组的组合体， 通过隔离、旁路、监控等措施控制和监测注入到齿轮箱11的杂散电流，实现了“电流I1”和“电流I2”的分离，最终避免造成的齿轮箱11内如轴承、齿轮、密封元件等的不可接受的电蚀类损伤。

而且，分体拼接式的绝缘垫板403和制作工艺，很好的解决了绝缘垫板403整体加工困难、成本高等问题。

以上对本发明所提供的发电组合体及其制作工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种发电组合体，包括齿轮箱（11）和发电机（12），所述齿轮箱（11）的后端盖（113）设有对应于所述发电机（12）的第一法兰（1131），所述发电机（12）的定子支架（1211）设有对应于所述齿轮箱（11）的第二法兰（12111），所述第一法兰（1131）与第二法兰（12111）通过螺纹连接件相连接，其特征在于，所述第一法兰（1131）与第二法兰（12111）之间设有绝缘垫板（403），所述绝缘垫板（403）上开设有与所述螺纹连接件相对应的通孔；所述螺纹连接件与所述第一法兰（1131）之间设有绝缘垫圈（401），所述第一法兰（1131）的连接孔内设有绝缘套管（402），所述螺纹连接件穿过所述绝缘套管（402）旋入所述第二法兰（12111）的螺纹孔；所述齿轮箱（11）在其箱体或后端盖（113）设有第一导电线缆（1101），所述第一导电线缆（1101）用于经过导电通道电连接至机组变流器；所述发电机（12）的定子（121）在其外壳处设有第二导电线缆（1102），所述第二导电线缆（1102）用于经过导电通道电连接至机组变流器。

2.根据权利要求1所述的发电组合体，其特征在于，所述第一导电线缆（1101）用于经过导电通道电连接至机组变流器直流母排的中性点；所述第二导电线缆（1102）用于经过导电通道电连接至机组变流器直流母排的中性点。

3.根据权利要求2所述的发电组合体，其特征在于，所述导电通道包括机舱框架或底座或接地铜排或塔架及其组合。

4.根据权利要求3所述的发电组合体，其特征在于，所述绝缘套管（402）的一端抵接或插入所述绝缘垫圈（401），所述绝缘套管（402）的另一端抵接或插入所述绝缘垫板（403）。

5.根据权利要求4所述的发电组合体，其特征在于，所述绝缘垫板（403）整体上呈圆环形，其由若干块在周向上均匀分布的环扇形垫板（4031）组成。

6.根据权利要求5所述的发电组合体，其特征在于，所述第一导电线缆（1101）设有电流测量元件（14）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的发电组合体，其特征在于，所述第一导电线缆（1101）和第二导电线缆（1102）为铜编织带。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的发电组合体，其特征在于，所述绝缘垫板（403）、绝缘垫圈（401）、绝缘套管（402）为橡胶材质或工程塑料材质。

9.一种发电组合体制作工艺，用于制作上述权利要求5至8中任一项所述的发电组合体，包括：

预制所述定子支架（1211）的第二法兰（12111）时，在所述第二法兰（12111）上加工出固定所述绝缘垫板（403）的安装孔和安装面；

在整体机加工所述定子支架（1211）之前，在其第二法兰（12111）的安装面上安装在圆周方向留有加工余量的环扇形垫板（4031），由若干块所述环扇形垫板（4031）组成所述绝缘垫板（403）；

将由所述定子支架（1211）和绝缘垫板（403）组成的整体进行机械加工，得到与所述齿轮箱（11）的后端盖的第一法兰（1131）相配合的安装结构。

10.根据权利要求9所述的发电组合体制作工艺，其特征在于，所述安装结构包括与所述齿轮箱（11）的后端盖（113）的第一法兰（1131）相配合的安装面以及螺纹连接件的孔组。