[发明专利]内冷式自循环蒸发冷却风力发电机定子结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级及以上级大型直驱式、半直驱式风力发电机定子结构，尤其是内冷式自循环蒸发冷却直驱式、半直驱式风力发电机。

背景技术

风力发电是可再生能源利用中最成熟的技术，在当今世界能源危机日益严重的情况下，风力发电得到很大的重视，风力发电技术发展非常迅速。风力发电是通过风轮在风力的作用下旋转，把风能转变为风轮的机械能，带动发电机发电。大型直驱式风力发电机结构示意图如图1所示，其主要由被风力推动旋转产生动力的叶轮10，转子跟随叶轮转动进行发电的发电机本体20和将叶轮和发电机本体安置于高空起支撑作用的塔架30构成。

目前，普遍采用的风力发电机功率已超过MW级，最大以达到5MW以上。风力发电机运行时，不可避免地要产生损耗，主要有铁心损耗、绕组损耗、机械损耗等，这些损耗最终绝大部分变成热量，使电机的各部分温度升高。因此，为了保证风力发电机的长期安全运行必须对电机进行有效的冷却。目前运行的风力发电机普遍采用强制风冷与液体冷却的冷却方式。

强制风冷是指通过在风力发电机内部设置风扇，对电机内各部件进行强制鼓风从而达到冷却的效果。风冷系统结构简单、初投资和运行费用都较低、利于管理和维护。然而其制冷效果受气温影响较大，制冷量小，同时，由于机舱要保持通风，导致风沙和潮气侵蚀电机部件，对电机工作可靠性和电机工作寿命带来不利影响。另外，由于冷却能力较低，一般只应用于750kW以下功率的风力发电机。

对于功率较大的风力发电机，为了使电机正常工作，必须及时将电机产生的大量热量带走，保证电机的正常工作温度，目前多采用液体冷却方式进行冷却。液体冷却系统的基本结构为，在电机的主要发热部件(定子、控制变频器等)部位，设置密闭的冷却通路，用冷却泵使液体冷却介质不断流过冷却通路，液体冷却介质在电机发热部位吸收热量，然后，流到外部散热器中将热量散出。液体冷却介质主要为水，水的导热系数大约是空气的20倍，利用水作为冷却介质，冷却效果会大大提高。其冷却效果大大优于风冷。

但风力发电机现有的冷却方法有其自身无法克服的缺点：

i强制风冷：增加了电机的通风系统，风摩损耗大，电机效率低；冷却不均匀，由于冷却通路的关系，定子铁心、绕组等结构部件不能得到均匀冷却；冷却效率低，使得电机的功率密度降低、体积重量增大；噪音大，电机密闭性能差，容易受外部灰尘和潮气的侵蚀，降低电机使用寿命。

ii液体冷却：风力发电机工作于离地面几十米甚至上百米高的塔架上，冬天要经受最低零下40℃的严寒。液体冷却的介质主要为水，为防止水结冰必须加入防冻剂。这种防冻介质对钢铁具有较强的腐蚀性，因此，电机的冷却通道必须采用防腐的不锈钢或其他材料，或进行繁琐的防腐处理。这些都大大增加了大型风力发电机的加工难度，增加了造价，另外，长期运行，由于水的不断渗透，极易造成电机定子的短路，风力发电机的安全性和可靠性受到了严重的挑战。

蒸发冷却技术是利用蒸发冷却介质液体汽化吸热的原理来冷却电机的，是一种高效的冷却方式，与传统冷却方式相比汽化潜热大、所需流量小、温差小、冷却均匀全面。蒸发冷却介质具有高绝缘性、不燃不爆、并且对电机材料无任何腐蚀作用，可以对电机发热部位，如电机导线、铁心进行直接冷却，迅速可靠，保证了电机的安全运行。中国专利200510086794.9“一种风力发电机定子”是采用浸泡式蒸发冷却风力发电机的定子结构，即电机定子部件全部浸泡在蒸发冷却介质中进行冷却，这种冷却方式较为适合直径较小的电机。对于直径较大的电机，采用浸泡式蒸发冷却结构，其密封的可靠性将变差，同时，需用大量的冷却介质，大大增加电机成本。直驱式、半直驱式风力发电机的定子直径一般都超过2米，不适合采用浸泡式蒸发冷却结构。

发明内容

本发明的目的是克服传统风冷方式冷却效率低，水冷方式需要防冻的缺点，针对大型直驱式、半直驱式风力发电，提出一种采用蒸发冷却技术的内冷式自循环蒸发冷却风力发电机定子结构。本发明充分利用了大型风力发电机的自身特有的结构特点，实现自循环蒸发冷却。

本发明采用以下技术方案：