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风 力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统

阅读：8发布：2020-05-13

专利汇可以提供风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统，其中，加热装置应用于外部套设有轴承的风力发电机的主轴，加热装置设置于主轴的内部，位置上与轴承所在位置相对应，加热装置包括多个圆弧段、柔性热源以及支撑装置，柔性热源设置在圆弧段与主轴内壁之间，支撑装置对圆弧段的内表面进行支撑，使柔性热源紧贴于主轴的内壁上。本发明的风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统，通过支撑装置和多个圆弧段的组合将柔性热源紧密固定在风力发电机的主轴的内壁上，为轴承提供热源，使得轴承润滑脂不会冻结并且能够维持润滑脂流态化，延长了轴承的使用寿命，实现了柔性热源与风力发电机的主轴内壁的紧密接触。，下面是风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述加热装置(1)应用于外部套设有轴承(21)的风力发电机的主轴上，所述加热装置(1)设置于所述主轴的内部，位置上与轴承所在位置相对应，
所述加热装置(1)包括多个圆弧段(11)、柔性热源(12)以及支撑装置(13)，所述柔性热源(12)设置在所述圆弧段(11)与主轴内壁之间，所述支撑装置(13)对所述圆弧段(11)的内表面进行支撑，使所述柔性热源(12)紧贴于所述主轴的内壁上。
2.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述圆弧段(11)大小相同且数量为偶数个，每两个在径向上相对的圆弧段(11)构成一组，所述支撑装置(13)包括：与所述圆弧段(11)的组数相同的多组左旋支撑杆件(131)、右旋支撑杆件(132)以及双旋套筒(133)，所述双旋套筒(133)的两端分别连接所述左旋支撑杆件(131)和所述右旋支撑杆件(132)的一端，所述左旋支撑杆件(131)和所述右旋支撑杆件(132)的另一端分别支撑在同一组的两个圆弧段(11)的内表面的中部。
3.根据权利要求2所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，在所述双旋套筒(133)的中部设置有用于旋转所述双旋套筒(133)的加力杆(134)。
4.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，还包括对接弧段(111)，设置在相邻的圆弧段(11)的周圆方向的结合处，并与两侧的圆弧段(11)固定连接。
5.根据权利要求4所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，对接弧段(111)呈“T”字形，所述“T”字形的竖条抵接在所述主轴的内壁上，相邻的圆弧段(11)的侧壁与所述“T”字形的竖条的侧壁相抵接，所述“T”字形横条与所述相邻的圆弧段(11)的内表面固定连接。
6.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述柔性热源(12)包括阻燃柔性电热源层(121)和电绝缘弹性层(122)，所述阻燃柔性电热源层(121)贴合在所述主轴的内壁上，所述电绝缘弹性层(122)设置在所述阻燃柔性电热源层(121)和所述圆弧段(11)的外表面之间。
7.根据权利要求2所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述对接弧段(111)中设置有压力传感器，用于测量所述柔性热源(12)的压力。
8.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述圆弧段(11)由刚性材料制成。
9.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述圆弧段(11)数量为两个，所述圆弧段(11)为半圆形圆弧段。
10.根据权利要求6所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述阻燃柔性电热源层(121)为硅橡胶加热垫。
11.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述风力发电机为外转子内定子的结构，所述主轴为所述风力发电机的定轴。
12.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述风力发电机为外定子内转子的结构，所述主轴为所述风力发电机的动轴。
13.根据权利要求1所述的风力发电机的轴承保护用加热装置，其特征在于，所述加热装置的设置位置与塔侧轴承和/或桨侧轴承相对应。
14.一种风力发电机的轴承系统，其特征在于，包括：风力发电机的主轴以及套设在所述主轴上的桨侧轴承(21a)和塔侧轴承(21b)，在所述主轴的内部并且与所述桨侧轴承(21a)和/或所述塔侧轴承(21b)对应的位置上，设置有如权利要求1至10任一项所述的风力发电机的轴承保护用加热装置(1)。
15.根据权利要求14所述的风力发电机的轴承系统，其特征在于，所述风力发电机为外转子内定子的结构，所述主轴为所述风力发电机的定轴，风力发电机的动轴通过所述桨侧轴承(21a)和所述塔侧轴承(21b)套设在所述定轴的外侧。
16.根据权利要求14所述的风力发电机的轴承系统，其特征在于，所述风力发电机为外定子内转子的结构，所述主轴为所述风力发电机的动轴，风力发电机的定轴通过所述桨侧轴承(21a)和所述塔侧轴承(21b)套设在所述动轴的外侧。

说明书全文

风 力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种风力发电机的轴承保护用加热装置及其轴承系统，属于风力发电技术领域。

背景技术

[0002] 在永磁直驱外转子风力发电机的轴系中，定子主轴与转子的动轴之间通常设置有轴承，轴承处设置有轴承润滑脂。

[0003] 1、轴承润滑的作用

[0004] 滚动轴承由于制造精度的偏差和承载时轴承的各个零件的变形引起的偏差，造成滚动体与滚道之间、滚动体与保持架之间、保持架与内外圈之间的直接接触和滑动摩擦。这种滑动摩擦的大小，与轴承的转速、轴承的载荷有关。当转速增加、载荷加大时，摩擦力相应增大。反之，减少。滑动摩擦力愈大轴承的各个零件磨损愈快，其使用寿命和工件精度也就显著降低。为了延长轴承的使用寿命，现有技术中通常对轴承施以润滑，这样可以较好地解决上述问题。其中，润滑不仅有降低摩擦阻力、减轻磨损的作用，还有冷却、散热、清洗、密封、减震、防锈的功能。

[0005] 润滑脂的耐温性能取决于基础油和稠化剂的热稳定性和两者所决定的润滑脂的相状态。在基础油合适的情况下，润滑脂的耐温性能基本上是决定于稠化剂的种类。一般来说，钙基润滑脂的最高使用温度约60℃，钠基润滑脂约100℃，锂基润滑脂约120℃。稠度对润滑脂耐温性能的影响不大。在低温条件下，应尽可能使用低稠度润滑脂。重要的是基础油的低温粘度要小，凝点要低。

[0006] 2、润滑脂在轴承中的运动情况

[0007] 随着轴承的旋转，填充在滚动轴承里的润滑脂的运动大体上可分为两个阶段。在一般情况下，轴承里的润滑脂的填充量总是超过直接参与轴承旋转的实际需要量。在轴承运转的初期阶段，大部分润滑脂很快(不到1min)就被挤出滚道，被挤出的润滑脂堆积在保持架上和轴承护盖的空腔之中，并在滚动体外围形成一个轮廓。在此过程中，由于多余润滑脂的阻力，轴承温度很快上升。大部分多余的润滑脂在运转初期即被挤出，挤在滚道附近的润滑脂也仍有可能被转动着的滚动体带进滚道之间，这些润滑脂在随着轴承转动体循环转动的同时，陆续少量排出。这时轴承温度仍然继续上升，称为润滑脂的走合阶段，根据轴承结构中润滑脂质量、填充量等因素，这段时间可能持续十几分钟，甚至几小时。当多余的润滑脂完全被排出之后，剩下的少量润滑脂在滚动体、滚道、保持架的相互接触面上，通过尖劈作用形成薄薄的一层润滑脂膜，从而进入轴承的正常运转阶段。这时温度逐渐下降并达到平衡状态。也就是说，长期的润滑作用主要是依靠这层润滑膜来承担。此外，在轴承的长期运转过程中，滚动体和滚道近旁的轮廓上以及保持架上的润滑脂要萎缩而分出一部分基础油，基础油溜进滚道之间后，对润滑也有一定的补充作用。各种不同的润滑脂在轴承中形成轮廓的能力是不一样的，较为理想的润滑脂要形成轮廓比较挺拔，走合时间短，在长期的运转中轴承温度低，而且平稳。润滑脂的成渠性非常重要，只有“流态化”才能保证成渠性。当润滑脂冻结、或接近冻结状态时，润滑脂便会堆积、结块，失去应有的润滑作用。直驱外转子风力发电机主轴轴承的寿命关系到整台发电机的寿命。更换润滑脂、清洗轴承比较困难。
轴承附近局部周围有限空间工作环境空气温度变化范围(-45℃—+65℃)，低温状态下润滑脂的流动性非常差，轴承中被挤出的润滑脂将很难再回到滚道中参与润滑。

[0008] 3、滚动轴承滚子打滑机理研究

[0009] 研究结果显示：滚动轴承内圈转速和径向载荷对滚子打滑率影响显著。在相同内圈转速和径向载荷下，增加内圈与轴的过盈配合产生的压力可降低滚子的打滑率。目前对滚动轴承打滑的研究主要集中在轴向载荷下轴承的打滑特性、高速轻载情况下滚动轴承打滑特性以及防止打滑的措施等方面，也有研究径向载荷下滚动体进入承载区的“咬入”打滑特性。滚动体进入承载区打滑是一种常见的打滑现象，容易造成轴承内、外圈在承载区初始段及滚动体的擦伤和磨损，即：滚动体咬入打滑问题。滚动体刚进入承载区时，滚动体突然受到载荷作用，会出现打滑现象。这种打滑在滚动轴承工作过程中经常出现，它所造成的擦伤是滚动轴承常见的损伤形式之一。现有文献并没有反映风电领域，直驱永磁外转子发电机(问题在于处发电机在机舱外)当润滑脂冻结或失去“流态化”后，突然来风时强行启机会造成承载区滚动体打滑的研究，轴承内圈与主轴之间的过盈量减少的研究。

[0010] 4、滚动轴承打滑原因分析

[0011] 滚动轴承运转时，要保证滚动体在内、外圈滚道上纯滚动运动，需要使滚动体与内圈之间有足够大的摩擦力以克服阻力，否则，滚动体就会在滚道上打滑。滚动轴承内部的运动关系比较复杂，滚动体既要绕自身轴线旋转，又要绕轴承轴线公转。在滚动的同时，沿滚道还伴随着一定的滑动。

[0012] 轴承靠过盈配合与轴进行联接。据不完全统计，在轴类传动零件失效中，有30％是轴与轴承内圈发生相对转动，产生联接失效。在轴与轴承圈产生相对转动的情况下，轴颈与轴承内圈处于摩擦状态，最终使轴颈尺寸小于内圈尺寸，造成过盈量“丢失”，轴颈安装面报废，内圈报废。

[0013] 在滚动轴承润滑脂已经冻结或失去“流态化”的情况下，由于滚动体和保持架之间的润滑脂状态导致阻力增加很多，滚动体与内圈间的摩擦力无法支撑启动时的阻力而容易产生滚动体及其保持架整体打滑。润滑脂冻结或失去“流态化”后，承载区滚动体打滑的原因主要有：①滚动体刚进入承载区结冰导致摩擦系数变小；②润滑脂冻结导致滚动体依托保持架，形成一体，导致阻力增加很多；③低温时段突然来风或阵风，机组快速启动轴承转速变化过快导致打滑。

[0014] 5、润滑脂冻结打滑产生的危害

[0015] 打滑造成两接触表面产生相对滑动，在摩擦力的作用下对滚动轴承产生严重影响。

[0016] ①当滚动轴承产生打滑后，两接触表面之间产生相对运动，在载荷的作用下，将导致接触表面产生较大的剪切应力，剪切应力的作用将造成接触表面下一定深度处(最大剪应力处)可能形成细微裂纹，扩展到接触表面可能造成轴承表面的剥落。滚动轴承表面疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，试验规程规定，在滚道或滚动体2
上出现面积为0.5mm的疲劳剥落坑就认为：轴承寿命终结。

[0017] ②滚动轴承接触零件间的“滑动摩擦”会产生巨大热量，导致滚动轴承及润滑油温度升高，从而使滚动轴承发生热变形，工作时热应力过大会引起轴承零件断裂或塑性变形，塑性变形会在滚道表面上形成压痕，使轴承在运转过程中产生剧烈的振动噪声，引起附近表面的剥落。滚动体与套圈间的滑动摩擦可使轴承零件在极短时间内达到很高的温度，导致润滑油膜的破坏，出现局部钢对钢的干摩擦，严重时表面层金属将会局部熔化，接触点产生粘着，轻微的粘着会被撕裂，严重的粘着使接触点产生胶合。

[0018] ③当两表面在载荷的作用下相对滑动时，材料将发生转移，使轴承表面产生擦伤。打滑造成的轴承表面擦伤一般有以下几种情况：滚子末端与轴承挡边之间、滚动体进入承载区时，持续擦伤会引起表面磨损，磨损后导致轴承的游隙增大，表面粗糙度增加，从而降低了轴承运转精度，也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。

[0019] ④轴承打滑会造成滚动体的自转转速、公转转速和保持架转速发生改变，导致滚动体与保持架产生撞击，撞击力可能引起保持架的损坏，保持架损坏结果表明，滚动体打滑主要出现在进入承载区的前期，且滚动体与外圈的打滑更严重，而这些结论与试验分析所阐述的现象相当吻合。由此证明了：滚动体咬入打滑发生在刚进入承载区的初始阶段，滚动体自转转速在非承载区逐渐降低，而在承载区出现急剧加速(而加速是需要摩擦力的，即较大的摩擦系数)，而滚动体的公转转速在进入承载区过程中快速降低而后逐渐升高；滚动体与外圈间的滑移速度大于滚动体与内圈间的滑移速度，滚动体与外圈之间的打滑相对内圈严重；滚动体进入承载区的打滑现象很难避免(尤其是润滑脂已经失去“流态化”状态时)，可以增加滚动轴承载荷来减轻滚动体打滑的程度，并缩小滚动体打滑区域。轴承载荷越大，滚动体打滑程度越轻，打滑区域越小。轴承转速越高，滚动体打滑程度越严重，打滑区域越大。

[0020] 综上所述，在冬季寒冷的地区使用上述发电机时，定子主轴与转子的转动轴之间的轴承润滑脂在停机后易出现冻结现象。在润滑脂冻结或失去流态化后，风场来风时强行启机会造成轴承滚动体在滚道面上发生打滑现象，使得滚动体与滚道之间的滚动摩擦变为滑动摩擦，滚动体持续打滑，造成滚动体变形。滚动体与保持架冻结成一体，风场来风时强行启机，滚动体与保持架整体滑动，损坏保持架。多次持续作用会导致轴承失效。

发明内容

[0021] 本发明的实施例提供一种风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统，用以为轴承润滑脂解冻维持流态化提供热源，延长轴承的使用寿命。

[0022] 为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种风力发电机的轴承保护用加热装置，所述加热装置应用于外部套设有轴承的风力发电机的主轴上，所述加热装置设置于所述主轴的内部，位置上与轴承所在位置相对应，所述加热装置包括多个圆弧段、柔性热源以及支撑装置，所述柔性热源设置在所述圆弧段与主轴内壁之间，所述支撑装置对所述圆弧段的内表面进行支撑，使所述柔性热源紧贴于所述主轴的内壁上。

[0023] 进一步地，所述圆弧段大小相同且数量为偶数个，每两个在径向上相对的圆弧段构成一组，所述支撑装置包括：与所述圆弧段的组数相同的多组左旋支撑杆件、右旋支撑杆件以及双旋套筒，所述双旋套筒的两端分别连接所述左旋支撑杆件和所述右旋支撑杆件的一端，所述左旋支撑杆件和所述右旋支撑杆件的另一端分别支撑在同一组的两个圆弧段的内表面的中部。

[0024] 进一步地，在所述双旋套筒的中部设置有用于旋转所述双旋套筒的加力杆。

[0025] 进一步地，还包括对接弧段，设置在相邻的圆弧段的周圆方向的结合处，并与两侧的圆弧段固定连接。

[0026] 进一步地，对接弧段呈“T”字形，所述“T”字形的竖条抵接在所述主轴的内壁上，相邻的圆弧段的侧壁与所述“T”字形的竖条的侧壁相抵接，所述“T”字形横条与所述相邻的圆弧段的内表面固定连接。

[0027] 进一步地，所述柔性热源包括阻燃柔性电热源层和电绝缘弹性层，所述阻燃柔性电热源层贴合在所述主轴的内壁上，所述电绝缘弹性层设置在所述阻燃柔性电热源层和所述圆弧段的外表面之间。

[0028] 进一步地，所述对接弧段中设置有压力传感器，用于测量所述柔性热源的压力。

[0029] 进一步地，所述圆弧段由刚性材料制成。

[0030] 进一步地，所述圆弧段数量为两个，所述圆弧段为半圆形圆弧段。

[0031] 进一步地，所述阻燃柔性电热源层为硅橡胶加热垫。

[0032] 进一步地，所述风力发电机为外转子内定子的结构，所述主轴为所述风力发电机的定轴。

[0033] 进一步地，所述风力发电机为外定子内转子的结构，所述主轴为所述风力发电机的动轴。

[0034] 进一步地，所述加热装置的设置位置与塔侧轴承和/或桨侧轴承相对应。

[0035] 本发明的实施例提供了一种风力发电机的轴承系统，包括：风力发电机的主轴以及套设在所述主轴上的桨侧轴承和塔侧轴承，在所述主轴的内部并且与所述桨侧轴承和/或所述塔侧轴承对应的位置上，设置有上述任一项所述的风力发电机的轴承保护用加热装置。

[0036] 进一步地，所述风力发电机为外转子内定子的结构，所述主轴为所述风力发电机的定轴，风力发电机的动轴通过所述桨侧轴承和所述塔侧轴承套设在所述定轴的外侧。

[0037] 进一步地，所述风力发电机为外定子内转子的结构，所述主轴为所述风力发电机的动轴，风力发电机的定轴通过所述桨侧轴承和所述塔侧轴承套设在所述动轴的外侧。

[0038] 本发明实施例提供的一种风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统，通过支撑装置和多个圆弧段的组合将柔性热源与定轴内壁紧密接触以实现热传导方式的必要条件，同时将热源固定在风力发电机的主轴的内壁上，为轴承提供热源，使得轴承润滑脂不会冻结并且能够维持润滑脂流态化，延长了轴承的使用寿命，实现了柔性热源与风力发电机的主轴内壁的紧密接触。附图说明

[0039] 图1为本发明实施例的加热装置在风力发电机中的安装结构示意图；

[0040] 图2为图1所示结构中Ⅰ处的局部放大图；

[0041] 图3为图2所示结构在A处的正视图；

[0042] 图4为图3所示结构中Ⅱ处的局部放大图；

[0043] 图5为本发明实施例的热量传递示意图。

[0044] 1-加热装置；11-圆弧段；111-对接弧段；12-柔性热源；121-阻燃柔性电热源层；122-电绝缘弹性层；13-支撑装置；131-左旋支撑杆件；132-右旋支撑杆件；133-双旋套筒；134-加力杆；2-风力发电机；21-轴承；21a-浆侧轴承；21b-塔侧轴承；211-轴承外圈；212-轴承内圈；213-滚动体；22-定轴；221-定轴内腔；23-动轴；24-机舱；25-叶轮；26-导流罩；27-塔筒。

具体实施方式

[0045] 下面结合附图对本发明实施例提供的风力发电机的轴承保护用加热装置进行详细描述。

[0046] 永磁直驱外转子风力发电机轴系的定子主轴与转子的转动轴之间设置有轴承。在冬季寒冷地区，轴承中的轴承润滑脂在停机后会出现冻结现象。当轴承润滑脂冻结时，强行起机一方面会造成轴承滚动体在轴承滚道面上瞬间出现打滑，轴承滚动体与轴承滚道面之间的滚动摩擦变为滑动摩擦，轴承滚动体持续打滑，造成轴承滚动体变形。另一方面会造成轴承滚动体与轴承保持架冻结成一体，强行启机使得轴承滚动体与轴承保持架整体发生滑动，进而损坏保持架，多次持续作用会导致轴承失效。

[0047] 为了延长轴承的使用寿命，在风力发电机组启动前需要给轴承润滑脂预热解冻(或维持轴承润滑脂维持流态化状态)。在已经投入运行的永磁直驱外转子风力发电机(处在机舱外自然环境)轴上后续再加装柔性热源，以解决轴承润滑脂在“冬至”节气后的“三九”、“四九”时段冻结的问题。柔性热源的设计、柔性热源的固定位置以及柔性热源的支撑装置是待解决的课题。

[0048] 在介绍本发明实施例的原理之前，首先对柔性热源的使用背景和安装等进行简单介绍。

[0049] 1、柔性热源及其使用现状

[0050] 目前，柔性热源使用较多的是硅橡胶加热垫，根据不同习惯我们把硅橡胶加热垫又称硅橡胶加热片、硅橡胶加热板、硅橡胶电热片、硅橡胶电热板、硅橡胶电热膜、聚酰亚胺电热膜、透明PET电热膜、防水电热器、硅橡胶加热器(silicon rubber heaters)，硅橡胶加热单元(silicon rubber heating element)等。还有带温控与不带温控的硅橡胶加热垫。

[0051] 硅橡胶加热垫是一种通电即发热的薄片，硅橡胶加热垫的芯子采用镍铬丝或蚀刻成一定形状的镍铬箔，具有很高的可靠性。硅橡胶加热垫的制作方式为：厚度0.02mm～0.1mm的镍铬箔蚀刻成一定的形状，两面包以导热绝缘材料，经高温模压成形及老化热处理而成。硅橡胶加热垫为红色或其他颜色的柔软且能紧密贴附在各种曲面的软片，可依各种
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形状和功率制作，硅橡胶加热垫的特点:发热迅速，导电即热，面功率密度8w/cm。硅橡胶加热垫的热容量小，其热源开启、关断迅速，热效率高。在煮液体的情况下，发热膜本身的温度仅高出液体几十度，比普通电炉节能2－3倍。耐水、耐酸、耐碱，电绝缘强度高。机械强
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度高：机械压力200kg/cm。体积小：在使用中加热片几乎不占空间。使用方便：由于其本身绝缘，无明火，对于保温在工艺上大为简化。耐温范围宽：从-60℃～250℃，。寿命长：在正常使用条件下，几乎可以永久的连续使用。镍铬箔可耐任何腐蚀，硅橡胶加热垫表面抵抗
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力高达200kg/cm。硅橡胶加热垫亦可选择大小尺寸，软硬度和厚薄度。

[0052] 结构上：硅橡胶加热垫由两张玻璃纤维布及双片压硅胶合制而成的硅胶玻璃纤维布构成。硅橡胶加热垫为薄片状产品(标准厚度为1.5mm)，具有很好的柔软性，可以做到与被加热物体完全紧密接触。因为它具有柔性，容易贴近被加热物体，形状可以根据实际需要设计。这样，就能够将热传递到任何所需的地方。硅橡胶加热垫是经过排列后的镍合金电阻线组成，安全可靠。该产品广泛应用于医疗保健、仪器仪表机械设备等管状，面状防冻、保温加热等领域。硅橡胶是一种新型的高分子弹性材料，有极好的耐高温性能和耐低温性能，具有极佳的回弹性和永久变形小的特性。在电性能方面：即使短路生成的二氧化硅仍为绝缘体。表面性能：与许多材料不会发生粘接。

[0053] 2、柔性热源在风电场现场安装固定遇到的困难

[0054] 在东北、西北、西藏地区风电场已经投运和将要投运的相当数量的直驱外转子风力发电机，地处寒冷的自然环境，风力发电机轴系在先前设计时缺乏轴承润滑脂的防冻措施。需要后续补充电热设备，确定电热设备的类型，电热设备的固定方式。定子主轴内腔表面已做过防腐措施。借助风力发电机定子主轴内腔通道，也是机舱内动力电源线、数据通信线进入风机轮毂内的唯一通道。这一通道需要保持畅通，防火安全要求万无一失。

[0055] 在风力发电机定子主轴内腔架设热风机加热设备不节能。采用粘接的方式将柔性热源与定子主轴腔体的内壁固定，柔性热源在长期受迫振动的状态下，存在脱落带来的温度失控、失火等隐患。风力发电机定子主轴内腔出现-45℃—+60℃的温度交变，长期振动与温度交变作用将会导致粘接剂失效。同时，柔性热源即使粘接在内腔壁面，其另一面也会向内腔辐射散热，需要加装绝热隔热层，增加了柔性热源的重量，使得柔性热源更容易脱落。需要固定柔性热源的同时，还需要维持风力发电机定子主轴内腔腔体畅通，加热考虑节能的要求需要柔性热源与风力发电机定子主轴内腔表面实现“紧密接触”。如果“紧密接触”做不到，柔性热源自身将烧毁、失效，甚至引起火灾。但是，目前电热设备行业在使用柔性热源加热时尚需要探索在极端自然环境下使用时固定工装开发的案例。原因：仅仅靠粘接技术(粘接工艺)无法保证牢固要求，即使在风力发电机出厂前在室内对热源实施粘接工艺，在数百公里的长途运输颠簸振动过程容易导致热源及绝热材料脱落。脱落后，在现场冬季是难以实施粘接工艺的，低温导致粘接剂失效或粘接性能降低。即使在夏季，实现了现场粘接，也需要对热源、绝热材料实施固定防止脱落的措施。另一方面，首选并不采用粘接方式，原因在于：对热源与风力发电机定轴内壁实施粘接后，并不利于热源材料热胀冷缩，相反，还是一种限制，会对粘接面产生剪切应力，容易造成风力发电机定轴内腔避免原防腐层脱落受损，对热源硅橡胶材料表面也是如此。风力发电机处于无人值守的野外自然环境，一旦风机失火难以救助，甚至导致下风向草场、风机失火损失惨重。

[0056] 基于以上情况提出了本发明实施例的技术原理：通过支撑装置和多个圆弧段的组合将柔性热源紧密接触风力发电机定轴内腔壁面，并借助支撑装置连同绝热材料固定在风力发电机的主轴的内壁上，为轴承提供热源，解决了轴承润滑脂冻结和维持流态化的问题，延长了轴承的使用寿命，实现了柔性热源与风力发电机的主轴内壁的紧密接触的要求。

[0057] 实施例一

[0058] 如图1至图3所示，图1为本发明实施例的加热装置在风力发电机中的安装结构示意图，图2为图1所示结构中Ⅰ处的局部放大图，图3为图2所示结构在A处的正视图。

[0059] 本发明的实施例提供了一种风力发电机的轴承保护用加热装置1，其可以应用于外部套设有轴承的风力发电机的主轴上，加热装置1置于主轴的内部，通过主轴的内壁对套设于外部的轴承进行加热。在风力发电机中，定子和转子均有各自的主轴，定子的主轴简称为定轴，转子的主轴简称为动轴，根据风力发电机的结构的不同，动轴与定轴的位置关系也有所不同。对于外转子内定子结构的风力发电机，动轴通过轴承套设于定轴上，这种情况下，上述的主轴为风力发电机的定轴，即加热装置设置在定轴的内部。对于外定子内转子结构的风力发电机，定轴通过轴承套设于动轴上，这种情况下，上述的主轴为风力发电机的动轴，即加热装置设置在动轴的内部。一般而言，动轴与定轴的配合需要两个轴承来完成，其中一个轴承靠近塔筒一侧，在本发明中称为塔侧轴承，另一个靠近叶片一侧，在本发明中称为桨侧轴承。

[0060] 作为本发明的一个示例，图1所示的风力发电机为外转子内定子的结构，加热装置1应用于定轴22上，动轴23套设于定轴22之外。其中，加热装置1设置于定轴22的内部，位置上与轴承21所在位置相对应，这里所说的位置上的对应是指能够使得加热装置1从定轴22内部透过定轴22的轴壁对轴承21进行加热，即位置上应当是位于轴承21套设位置的附近。另外，在图1所示的结构中，轴承21包括了桨侧轴承21a和塔侧轴承21b，在实际应用中，一般是在桨侧轴承21a和塔侧轴承21b的对应位置均设置加热装置1，即在定轴22内部设置了两个加热装置1，不过也可以根据实际需要，只在其中一处设置加热装置1，以下以在桨侧轴承21a和塔侧轴承21b对应位置处均设置了加热装置1为例来进行说明。

[0061] 图1中还示出了机舱24、叶轮25、导流罩26、塔筒27、定轴22、定轴内腔221和动轴23等部件，以准确的表达加热装置1的具体安装位置。

[0062] 作为准备工作，在风力发电机2的定轴内腔221表面(或者动轴内腔表面)对应轴承21位置处涂抹一层1-2mm厚耐低温(-45℃—80℃)的导热硅脂(阻燃性硅脂)。温度上限不需要考虑耐高温要求。冬季在现场施工时还需要配备热风枪等吹风设备，将定轴22的内腔表面清理擦拭干净，用热风枪等吹风设备热风吹干，之后对定轴22的内腔表面持续加热半小时直到常温20-30摄氏度，以在风力发电机定轴22内蓄热，从而满足操作过程中导热硅脂保持“流态化”，再涂抹导热硅脂。

[0063] 加热装置1可以包括多个圆弧段11、柔性热源12以及支撑装置13，柔性热源12可以设置在圆弧段11与定轴22的内壁之间，支撑装置13可以对圆弧段11的内表面进行支撑，使柔性热源12紧贴于定轴22的内壁上。其中，加热装置1的位置与风力发电机2的浆侧轴承21a和塔侧轴承21b(图1中，左侧为风力发电机2的塔侧，右侧为风力发电机2的浆侧)所在位置相对应。通过支撑装置13与多个圆弧段11的组合，将柔性热源12挤压在多个圆弧段11与定轴22的内壁之间，使得柔性热源12与定轴22的内壁“紧密接触”，解决了柔性热源12与定轴22的内壁紧密接触的技术问题，“紧密接触”是柔性热源12向受热固体表面以热传导方式去加热固体的先决条件。柔性热源12为轴承21提供热源，解决了轴承润滑脂冻结的问题，延长了轴承21的使用寿命。

[0064] 如图3所示，其为图2所示结构在A处的正视图。上述加热装置中，圆弧段11大小相同且数量为偶数个，每两个在定轴22的径向上相对的圆弧段11构成一组。圆弧段11可以为一组或者多组，这些圆弧段11优选为能够拼接呈一个圆环(圆弧段之间的拼接处允许有一定的空隙)，这样能够对定轴22的一圈的内壁进行均匀加热。支撑装置13包括：与圆弧段11的组数相同的多组左旋支撑杆件131、右旋支撑杆件132以及双旋套筒133，双旋套筒133的两端可以分别连接左旋支撑杆件131和右旋支撑杆件132的一端，左旋支撑杆件131和右旋支撑杆件132的另一端可以分别支撑在同一组的两个圆弧段11的内表面的中部。其中，圆弧段11由刚性材料制成，圆弧段11优选为半圆形圆弧段，这样，只需要一组圆弧段就可以构成一个圆环，从而对整个一圈的定轴22的内壁进行均匀加热，圆弧段11的厚度可以在5-6mm之间。在定轴22的内腔中，柔性热源12设置在上述圆环的外侧。通过设置支撑装置13和圆弧段11的组合，使柔性热源12紧贴于定轴的内壁上，这样的结构也能简化安装、拆卸过程，使得柔性热源12与定轴22的内壁接触的松紧程度可调节。此外，支撑装置13位于一组圆弧段11的中央，支撑装置13与一组圆弧段11之间存在空隙，使得定轴22的腔体畅通，使得支撑装置13和多个圆弧段11的组合不占据原动力电缆、通信的通道。便于日常维护、检查等工作。

[0065] 进一步地，两个圆弧段11(一组圆弧段11)与两支撑杆(与同一个双旋套筒133连接的左旋支撑杆件131和右旋支撑杆件132)通过焊接的方式连接为一体，双旋套筒133与两支支撑杆之间可以采用梯形螺纹(或锯齿形螺纹)连接。在双旋套筒133的中部设置有用于旋转双螺旋套筒133的加力杆134。加力杆134可以直接焊接在旋转双螺旋套筒133的筒壁上，也可以在旋转双螺旋套筒133的筒壁上开设一对通孔，加力杆134穿过上述通孔。通过旋转加力杆134带动双旋套筒133旋转，依靠双旋套筒133与两支支撑杆(左旋支撑杆件131和右旋支撑杆件132)之间采取“传力螺旋”结构，使得支撑装置13以较小的转矩产生较大的径向推力，径向推力推动两个圆弧段11向相反的径向方向运动，使得调节支撑装置13可以改变上述圆环的直径，从而迫使圆弧段11与柔性热源12“紧密接触”。
当定轴22的内径与上述圆环直径的差值小于或者等于两个柔性热源12的厚度数值时，表明柔性热源12已经被挤压在上述圆环与定轴22的内壁之间，实现了柔性热源12与风力发电机2的定轴22内壁的紧密接触。此外，本发明实施例的加热装置充分考虑到了定轴内腔空间狭小(一般只能容纳一个工作人员进入)的问题，通过设置双螺旋套筒机构，并配合加力杆，能够非常方便地进行拆装维护，加力杆完全能够通过单手操作，便于工作人员进行维护。

[0066] 如图4所示，其为图3所示结构中Ⅱ处的局部放大图。为了给柔性热源12提供稳定的挤压力，本发明的实施例还可以包括对接弧段111，对接弧段111可以设置在相邻的圆弧段11(上述同一组圆弧段11)的圆周方向的结合处，并可以与两侧的圆弧段11固定连接。使得圆弧段11对柔性热源12各个位置的挤压力均匀一致。

[0067] 上述结构中，对接弧段111可以呈“T”字形，“T”字形的竖条可以(竖条的端部)直接抵接在定轴22的内壁上(即对接弧段111处可以不设置柔性热源)，相邻的圆弧段11的侧壁可以与“T”字形的竖条的侧壁相抵接，“T”字形的横条可以与相邻的圆弧段11的内表面固定连接。

[0068] 上述加热装置中，水平旋转加力杆134带动双旋套筒133旋转，使得两支支撑杆伸出或缩回，借助“传力螺旋”结构增大两个圆弧段11形成的圆的内径，当两支撑杆伸出时，随着上述圆的内径的增大，两个圆弧段11的结合处开始有间隙，直至间隙增加到可以在两个圆弧段11的结合处嵌入两个对接弧段111(对接弧段111长15mm)时，将两个对接弧段111嵌入，然后停止旋转加力杆134。通过这样的操作使得间隙逐渐增加到位(如15mm)，并且使得两个圆弧段11对两个对接弧段111的压紧程度到位，实现了两个对接弧段111与相邻的两个圆弧段11“紧密接触”，进一步调整柔性热源12与两个圆弧段11的压缩程度，使得柔性热源12与两个圆弧段11“紧密接触”，之后将对接弧段111再分别与两个圆弧段连接(图4中采用螺栓连接的方式连接)，形成一个“完整的圆环”，对接弧段111与两个圆弧段11分别连接后，对支撑装置13产生一个反向的径向作用力，这样做同时也解决了双旋套筒133与两个支撑杆连接出现的防松要求。一个“完整的圆环”形成后，可以保证一组圆弧段11在径向上对柔性热源12的压力一致(即“紧密接触”程度一致)，从而使得柔性热源
12与风力发电机2的定轴22内壁“紧密接触”程度一致。其中，必须要保证柔性热源12与风力发电机2的定轴22的“紧密接触”。否则，柔性热源12本身的热容量很小，会在几分钟之内温度上升到几十度。柔性热源12自身是没有“自平衡能力”的，如果没有吸热系数较大的蓄热体吸热，柔性热源12自身将烧毁、失效，甚至引起火灾。

[0069] 如图5所示，其为本发明实施例的热量传递示意图(针对后轴承示意)。其中，ΦD1至ΦD5分别代表如下含义：ΦD1：定轴22的外径，ΦD2：轴承内圈的内径，ΦD3：轴承内圈的外径，ΦD4：轴承外圈的内径，ΦD5：轴承外圈的外径，ΦD6：动轴23的内径。柔性热源12通过支撑装置13和圆弧段11的组合支撑后，柔性热源12与风力发电机2的定轴22的内壁“紧密接触”，图5中定轴22内部向上的箭头表示柔性热源12散发热量的路径，滚动体
213中向下和向上的箭头为轴承21转动产生的热量流通路径，轴承外圈211中向下的箭头表示动轴23转动产生的热量的流通路径，柔性热源12散发的热量经过定轴22的筒壁，一部分热量沿着定轴22的轴向扩散至自然界，一部分热量沿着定轴22的径向传递到轴承内圈212。轴承21转动产生的热量与柔性热源12的热量在轴承内圈212的内部相遇，轴承
21转动产生的热量与动轴23转动产生的热量在轴承外圈211内部相遇，柔性热源12为轴承21提供热源，使得轴承润滑脂不会冻结并且能够维持润滑脂流态化，延长了轴承21的使用寿命，保证了润滑脂起到润滑作用的要求。

[0070] 此外，上述柔性热源12可以包括阻燃柔性电热源层121和电绝缘弹性层122，阻燃柔性电热源层121可以贴合在定轴22的内壁上，电绝缘弹性层122可以设置在阻燃柔性电热源层121和圆弧段11的外表面之间。其中，阻燃柔性电热源层121的厚度可以为1.5-2mm，阻燃柔性电热源层121的内部可以设置有Pt100传感器感温件，传感器的引出线接入机舱控制柜，对阻燃柔性电热源层121实施过程监测控制。阻燃柔性电热源层121可以为硅橡胶加热垫(内含阻燃成分)。电绝缘弹性层122可以为不小于8-10mm厚的甲基-乙烯基硅橡胶垫，甲基-乙烯基硅橡胶垫是变形量大的耐热弹性材料，具备极佳的回弹性和永久变形小的特性，甲基-乙烯基硅橡胶垫压缩后会产生较大的变形量(基材厚度的
20-25％即可满足要求)，以弥补定轴22内腔表面的圆周度和光滑度不足(定轴22是铸件材质，铸造过程中，模具围成的表面圆周度和光滑度不足0.5-1mm)。此外，可用聚酰亚胺双面胶带将柔性热源12和电绝缘弹性层122粘接固定。电绝缘弹性层122可以作为隔热层，可以防止柔性热源12的热量从圆弧段11一端扩散，节约柔性热源12的用电量，支撑装置
13对柔性热源12腔体侧的隔热层的压力可调节，以适应材料永久变形的问题。另外，也可以在甲基-乙烯基硅橡胶垫等弹性材料与圆弧段11之间再垫一层绝热耐火材料，例如用防火布封装的玻璃棉毡等。

[0071] 此外，为了防止支撑装置13失效所带来的安全隐患，对接弧段111中可以设置有压力传感器，用于测量柔性热源12的压力。当对接弧段111失压后，压力传感器将信号传递给相应的控制系统，控制系统发出报警信号，控制系统经过相应的控制切断柔性热源12的供电系统，实时防止失火、漏电等情况的发生。具体地，对接弧段111的表面及内部可以设置有敏感压力测量元件(压力传感器)，防止柔性热源12与对接弧段111“接触失效”(接触面分离)的情况发生。上述装置由两个圆弧段11借助内含压力传感器的对接弧段11实现对接，当压力传感器测得一组圆弧段11的压力小于正常值时，发出报警信号并切断电源，实现了柔性热源12与定轴22内壁的抵接紧密程度的测量，解决了支撑装置13、圆弧段11、对接弧段111以及柔性热源12的防松问题。

[0072] 实施例二

[0073] 参照图1，本实施例涉及一种风力发电机的轴承系统，主要包括风力发电机的主轴和套设在主轴上的桨侧轴承21a和塔侧轴承21b，在主轴的内部并且与桨侧轴承21a和/或塔侧轴承21b对应的位置上，设置有上述实施例一所描述的加热装置1。

[0074] 进一步地，上述风力发电机可以为外转子内定子的结构，则主轴为风力发电机的定轴，风力发电机的动轴通过所述塔侧轴承和所述桨侧轴承套设在所述定轴的外侧。

[0075] 作为另外一种变形，风力发电机也可以采用外定子内转子的结构，则上述的主轴为风力发电机的动轴，风力发电机的定轴通过塔侧轴承和桨侧轴承套设在动轴的外侧。

[0076] 在本实施例中，通过在包含了主轴和轴承的风力发电机的轴承系统中设置实施例一的加热装置1，能够从主轴内部对套设于外部的桨侧轴承21a和/或塔侧轴承21b进行加热，使得轴承润滑脂不会冻结并且能够维持润滑脂流态化，延长了轴承的使用寿命，实现了柔性热源与风力发电机的主轴内壁的紧密接触。

[0077] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统

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