CN102124212A - 风力发电装置及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电装置及其组装方法。风力发电装置包括：支承风车转子的主轴；以能够旋转的方式支承主轴的主轴承；具备发电机转子和定子的发电机；与发电机转子结合并且嵌套于主轴的套筒；和设置在套筒的外侧，将套筒紧固结合于主轴的油压收缩套。油压收缩套构成为通过工作流体的供给而使内径变小从而将套筒紧固于主轴。

Description

风力发电装置及其组装方法
技术领域
本发明涉及风力发电装置及其组装方法，特别是涉及风力发电装置的主轴与发电机转子的结合构造。
背景技术
在风力发电装置的设计中，主轴与发电机转子的结合构造的优化是重要的设计项目之一。主轴与发电机转子需要以必要的强度结合。而另一方面，优选以例如在发电机短路时主轴与发电机转子之间作用有过剩的扭矩的情况下还能够相对运动的方式连接。
作为主轴与发电机转子的结合构造而公知的构造之一为，将发电机转子的转子板与筒状的套筒连接，将该套筒利用收缩套(收缩盘)紧固连接的方法。该构造容易进行主轴与发电机转子的结合构造的调节，而且，由于能够利用一般能够得到的收缩套将发电机转子与主轴连接，所以成本也能够降低，在这一点上优选。
使用套筒与收缩套使主轴与发电机转子结合的构造例如在国际公开小册子WO2007/111425A1(专利文献1)中有记载。专利文献1公开的是利用收缩盘(相当于本申请的收缩套)将接合有发电机转子的转子轴承(相当于本申请的套筒)紧固于主轴的结合构造。在该结合构造中，收缩盘位于发电机与轴承之间，在该位置将转子轴承紧固于主轴。该收缩盘由固定盘和可动盘构成，该固定盘和可动盘通过螺栓连接。螺栓与主轴的中心轴平行地***。但螺栓拧紧时，可动盘被按压于固定盘而使收缩盘的内径变狭小，转子轴承被紧固于主轴。
这种结合构造的一个问题是，支承主轴的轴承与发电机之间的间隔增大这一点。如上所述，在专利文献1的结合构造中，收缩盘位于发电机与轴承之间，并且螺栓沿与主轴平行的方向***，所以需要在发电机与轴承之间确保用于将螺栓拧紧的工作空间。这会导致发电机与轴承之间的间隔增大。当发电机与轴承的间隔增大时，主轴的挠曲变大导致振动增大。由于这会导致机械性在和的增大而不优选。发动机与轴承之间的间隔增大在导致主轴的长度增大这一点上也是问题。当主轴的长度增大时导致主轴的成本增大。
发动机与轴承的间隔增大的问题特别是在直接驱动型风力发电装置中极为重大。在没有使用增速机的直接驱动型风力发电装置中，需要增大定子极数和转子极数，因此存在发动机的重量增大的倾向。在这种情况下，轴承与发动机的距离变大时，主轴的挠曲进一步增大，会成为振动增大的原因。
专利文献1：国际公开小册子WO2007/111425A1
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够缩短支承主轴的轴承与发电机的间隔的主轴与发电机转子的结合构造。
在本发明的一个方面中，风力发电装置包括：支承风车转子的主轴；以能够旋转的方式支承主轴的主轴承；具备发电机转子和定子的发电机；与发电机转子结合并且嵌套于主轴的套筒；和设置在套筒的外侧，将套筒紧固(紧缩)结合于主轴的油压收缩套。油压收缩套构成为通过工作流体的供给而使内径变小从而将套筒紧固于主轴。
油压收缩套能够设置在各种位置。优选油压收缩套设置在发电机内部的空间。
例如：也可以是定子包括：沿主轴的周方向并排配置的定子磁极；和支承该定子磁极的沿主轴的轴方向并排的第一定子板和第二定子板，第一定子板与主轴能够通过第一发电机轴承相对旋转，第二定子板与主轴能够通过第二发电机轴承相对旋转，发电机转子包括：沿主轴的周方向并排配置的转子磁极；和设置在第一定子板与第二定子板之间的用于支承转子磁极的转子支承部件，油压收缩套设置在转子支承部件与第一定子板之间。
此时，优选在第一定子板上，在与油压收缩套对应的位置设置有用于将工作流体供给油压收缩套的开口。在这种情况下，优选将油压收缩套紧固的步骤包括：在设置于第一定子板的开口***临时设置保护筒以使得油压收缩套的端口位于临时设置保护筒的内部的工序；在临时设置保护筒的内部将油压配管连接于端口的步骤；和通过油压配管将工作流体供给油压收缩套以通过油压收缩套将套筒紧固于主轴的步骤。
此外，优选在套筒的与油压收缩套抵接的部分设置有狭缝。
另一方面，也优选套筒在与油压收缩套抵接的位置被分割。具体而言，优选套筒包括沿主轴的轴方向并排配置的第一套筒部件和第二套筒部件，在第一套筒部件的端部设置有沿主轴的轴方向并排设置并且向主轴的轴方向突出的多个第一突出部，在第二套筒部件的端部设置有沿主轴的轴方向并排设置并且向主轴的轴方向突出的多个第二突出部，多个第一突出部分别***到多个第二突出部中的两个之间。在这种情况下，油压收缩套设置为与第一突出部和第二突出部抵接。
在本发明的其他方面中，风力发电装置包括：支承风车转子的主轴；以能够旋转的方式支承主轴的主轴承；具备发电机转子和定子的发电机；与发电机转子结合并且嵌套于主轴的套筒；和设置在套筒与主轴之间的油压收缩套。油压收缩套构成为通过工作流体的供给而使外径增大从而将套筒与主轴结合。
在该风力发电装置中，定子包括：相对于主轴沿周方向并排配置的定子磁极；和支承定子磁极的沿主轴的轴方向并排的第一定子板和第二定子板，第一定子板与主轴能够通过第一发电机轴承相对旋转，第二定子板与主轴能够通过第二发电机轴承相对旋转。在这种情况下，优选油压收缩套设置在主轴的半径方向上不与第一发电机轴承和第二发电机轴承相对的位置。
此外，优选构成为，在套筒的设置有第一发电机轴承和第二发电机轴承的位置和套筒与油压收缩套抵接的位置之间的部分，吸收由于油压收缩套的紧固而产生的应变。
根据本发明，能够提供能够缩短发电机与轴承的间隔的主轴与发电机转子的结合构造。
附图说明
图1是概略性地表示本发明的一个实施方式的风力发电装置的结构的概念图。
图2A是表示第一实施方式的风力发电装置的结构的截面图。
图2B是表示油压收缩套的构造的例子的截面图。
图3A是表示支承励磁磁铁和支承板的结构的例子的截面图。
图3B是表示支承励磁磁铁和支承板的结构的又一例子的截面图。
图3C是表示支承励磁磁铁和支承板的结构的再一例子的截面图。
图4是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的例子的截面图。
图5是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的又一例子的截面图。
图6是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的再一例子的截面图。
图7是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的再一例子的截面图。
图8A是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的再一例子的截面图。
图8B是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的再一例子的截面图。
图9是表示用于防止异物侵入发电机内部的油压收缩套的紧固方法的概念图。
图10A是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的再一例子的截面图。
图10B是表示第一实施方式的套筒的构造的例子的俯视图。
图11A是表示第一实施方式的发电机与套筒的结合构造的再一例子的截面图。
图11B是表示第一实施方式的套筒的构造的例子的俯视图。
图11C是表示第一实施方式的套筒的构造的又一例子的侧面图。
图12是表示本发明的第二实施方式的发电机与套筒的结合构造的例子的截面图。
图13是表示第二实施方式的发电机与套筒的结合构造的又一例子的截面图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是概略性地表示本发明的第一实施方式的风力发电装置1的结构的概念图。本实施方式的风力发电装置1包括：塔架2；机舱台板3；主轴4；轴承5、6；轴承台7、8；和发电机9。机舱台板3以能够偏航回旋的方式载置在塔架2的上端。主轴4通过两个轴承5、6以能够旋转的方式支承，轴承5、6通过轴承台7、8固定于机舱台板3。在主轴4的一端接合有风车转子(未图示)，在另一端连接有发电机9的转子。在本实施方式的风力发电机1中风车转子与发电机转子共用主轴4，本实施方式的风力发电机1作为所谓的直接驱动型风力发电装置构成。
图2A是详细地表示发电机9附近的风力发电装置1的构造特别是发电机9的构造和发电机9与主轴4的结合构造的截面图。
发电机9包括发电机转子11和定子12。发电机转子11包括：励磁磁铁13(转子磁极)；支承励磁磁铁13的支承板14；和对支承板14进行支承的转子板15、16。定子12包括定子线圈(定子磁极)17和支承定子线圈17的定子板18、19。定子12通过未图示的支承机构与机舱台板3连接而被固定。
轴承6向主轴4的固定使用轴承固定部件20a、20b。详细来说，主轴4上套有轴承固定环20a、20b，轴承6被轴承固定环20a、20b夹持而固定于主轴4。
另一方面，发电机转子11向主轴4的固定使用套筒21和油压收缩套25。详细来说，发电机转子11的转子板15、16通过螺栓固定于设置在套筒21上的凸缘21a、21b。进而，套筒21通过油压收缩套25紧固固定于主轴4。图2B是表示油压收缩套25的构造的例子的截面图。油压收缩套25如图2B所示，包括：固定环26；可动环27；支撑环28；和环形螺母29。可动环27设置有紧固端口30a和解除端口30b。当向紧固端口30a供给工作流体(典型的是工作油)时，可动环27沿箭头A的方向移动而被按压至固定环26。由此，固定环的内径26(即，油压收缩套25的内径)变小，套筒21被紧固在主轴4上。与发电机转子11结合的套筒21被紧固在主轴4上，由此发电机转子11被固定于主轴4。如后面所述，为了将套筒21紧固在主轴4上而使用油压收缩套25这一点在本实施方式中很重要。另一方面，当向解除端口30b供给工作流体时可动环27沿箭头B的方向移动以解除紧固。
再次参考图2A，进一步，为了防止套筒21向轴方向(与主轴4的中心线平行的方向。以下相同)的位移而使用端面板22。详细来说，端面板22跨套筒21的端部与主轴4的端部而安装，套筒21由轴承固定环20b与端面板22夹持。由此，抑制套筒21的轴方向的移动。
此外，定子12的定子板18、19上设置有发电机轴承23、24，主轴4和套筒21通过发电机轴承23、24支承定子板18、19。利用发电机轴承23、24，主轴4和套筒21能够相对于定子板18、19旋转。该构造有效用于分散因发电机9的重量引起的机械性载荷。
其中，在图2A中，使用转子板15、16作为支承励磁磁铁13和支承板14的支承部件，但是支承励磁磁铁13和支承板14的构造能够进行各种变更。例如，也可以如图3A所示，使用一块转子板15A和与支承板14和转子板15A结合的增强肋31、32，作为支承励磁磁铁13和支承板14的支承部件。此外，也可以如图3B所示，使用锥形的转子板15B。进而，也可以如图3C所示，使用转子板15C和一端与支承板14接合且另一端与转子板15C两者接合的增强臂15D。
本实施方式的风力发电装置1的构造的优点在于，利用油压收缩套25固定套筒21，由此能够缩短轴承6与发电机9之间的距离。在使用由工作流体工作的油压收缩套25的情况下，(与使用螺栓的收缩套不同)没有必要在轴承6与油压收缩套25之间设置用于进行将油压收缩套25紧固的工作的工作空间。这能够缩短轴承6与发电机9之间的距离。如上所述，轴承6与发电机9之间的距离的缩短是对机械性载荷的降低和主轴的长度的缩短有效的。此时，作为油压收缩套25，使用以接受到工作流体的端口使工作流体向主轴4的半径方向供给的方式构成的油压收缩套，对于轴承6与发电机9之间的距离的缩短更为有用。
在此，在图2A的构造中，油压收缩套25位于轴承6与发电机9之间，但是油压收缩套25也可以设置在发动机9内部。油压收缩套25设置在发动机9内部能够进一步缩短轴承6与发动机9之间的距离，在这一点上优选。
例如，如图4所示，油压收缩套25设置在轴承6一侧的定子板18与转子板15之间也可以。此外，如图5所示，油压收缩套25设置在转子板15、16之间也可以。进而，如图6所示，设置在转子板16与定子板19之间也可以。
从缩短轴承6与发电机9之间的距离的观点出发，也可以如图7所示，油压收缩套25设置在发电机9与主轴4的端部之间的位置。
此外，如图8A、图8B所图示，也可以使用多个油压收缩套以将套筒21紧固于主轴4。在图8A中，油压收缩套25A设置在发电机9与主轴4的端部之间的位置，油压收缩套25B设置在发电机9与轴承6之间的位置。另一方面，在图8B中，两个油压收缩套25A、25B均设置在发电机9的内部。具体而言，油压收缩套25A设置在定子板19与转子板16之间，油压收缩套25B设置在定子板19与转子板16之间。
油压收缩套25设置在发电机9内部的情况下，需要进行向油压收缩套25供给工作流体等用于将油压收缩套25紧固的工作。在进行这样的工作时若发电机9内部侵入异物，则有可能因该异物导致发电机9发生损伤。
为了避免因异物的侵入而引起的发电机9的损伤，优选如图9所图示，使用临时设置保护筒40。在定子板18的油压收缩套25的端口附近位置设置有开口18a，在该开口18a***临时设置保护筒40。临时设置保护筒40以油压收缩套25的端口位于其内部的方式设置。通过在临时设置保护筒40的内部进行将油压收缩套25紧固的操作，能够防止异物的侵入。
更具体而言，在本实施方式中，使用保护管41和挠性管42作为临时设置保护筒40。作为一个例子，按照下述步骤进行将油压收缩套25紧固的工作。首先，在挠性管42的一端与保护管41的端部连接的状态下，将保护管41***定子板18的开口18a进行固定。此时，将挠性管42的另一端以包围油压收缩套25的端口的方式连接在该端口的附近。进一步，在保护管41、挠性管42中通入油压配管43，将该油压配管43与端口连接。接着，通过油压配管43向端口供给工作流体(典型的是工作油)使油压收缩套25紧固。其后，在端口被封住后撤去保护管41、挠性管42、油压配管43。最后，在开口18a加盖而完成操作。
另外，在图9中，使用图3A构造的发电机转子11，但是作为发电机转子11也能够使用各种构造，这一点对于本领域的技术人员而言是容易理解的。
在本实施方式的构造中，发电机转子11向主轴4的结合是通过将发电机转子11的转子板15、16与套筒21结合以后将套筒21嵌套于主轴4而进行的。此时，因为发电机转子11与套筒21具有相当的重量，所以在进行将套筒21嵌套于主轴4的操作的情况下，优选主轴4与套筒21之间的间隙宽。例如，如果主轴4与套筒21之间的间隙为0.5mm以上，则容易将套筒21嵌套于主轴4。
为了增大主轴4与套筒21的间隙，优选以套筒21的与油压收缩套25抵接的部分的刚性比其他部分低的方式构成套筒21。因此，优选在套筒21的与油压收缩套25抵接的部分形成有狭缝。
例如，如图10A所示，在套筒21的端部紧固有油压收缩套25的情况下，如图10B所示，优选在套筒21的端部设置有多个狭缝21c。在此在图10A、图10B中，符号21d表示油压收缩套25抵接的部分。在图10A的结构中，狭缝21c形成为沿主轴4的轴方向较长的形状，而且，沿主轴4的周方向并排配置。
此外，如图11A所示，在套筒21的中间紧固有油压收缩套25的情况下，优选如图11B所示，在套筒21的中间设置有多个狭缝21c。在图11B的结构中，狭缝21c形成为沿主轴4的轴方向较长的形状，而且，沿主轴4的周方向并排配置。
取代形成狭缝，也可以通过在与油压收缩套25抵接的位置将套筒21分割，来降低与油压收缩套25抵接的部分的刚性。图11C是表示分割构造的套筒21的构造的例子的侧面图。图11C所图示的套筒21包括沿主轴4的轴方向并排的两个套筒部件51、52而构成，在套筒部件51的端部，设置有沿主轴4的周方向并排设置并向主轴4的轴方向突出的多个突出部53，在套筒部件52的端部，设置有沿周方向并排设置并向轴方向突出的多个突出部54。套筒部件51、52通过突出部53、54啮合。即，套筒部件51的突出部53分别***套筒部件52的突出部54中的两个之间。油压收缩套25紧固于突出部53、54啮合的部分。在这种构造中，能够降低套筒21的与油压收缩套25抵接的部分的刚性。
(第二实施方式)
图12是表示本发明的第二实施方式的风力发电装置1的构造的截面图，特别是表示发电机转子11与主轴4的结合构造的截面图。在第二实施方式中，筒状的油压收缩套25C设置在主轴4与套筒21之间。油压收缩套25C构成为接受工作流体(典型的是工作油)的供给而使其外径增大。当油压收缩套25C的外径增大时，主轴4与油压收缩套25C之间作用的摩擦力以及油压收缩套25C与套筒21之间作用的摩擦力增大，由此，能够使主轴4与套筒21结合。在如图12所示的油压收缩套25C设置在主轴4与套筒21之间的构造中，由于不需要在发电机9与轴承6之间留出工作空间，所以也能够缩短发电机9与轴承6之间的距离。
油压收缩套25C设置在主轴4与套筒21之间的构造的一个问题是，当油压收缩套25C的外径增大时，过剩的机械性载荷有可能作用于发电机轴承23、24。为了回避该问题，优选油压收缩套25C设置在主轴4的半径方向上不与发电机轴承23、24相对的位置。由此，当油压收缩套25C的外径增大时能够减少直接作用于发电机轴承23、24的应力。
另外，还优选构成为在套筒21的设置有发电机轴承23、24的位置与其与油压收缩套25C抵接的位置之间的部分，吸收由于油压收缩套25C的紧固产生的应变。例如，在一个实施方式中，如图12所图示，套筒21构成为套筒21的设置有发电机轴承23、24的部分的截面B、C上的套筒21的厚度比套筒21的与油压收缩套25C抵接的部分的截面A上的套筒21的厚度薄。在这种构造中，在截面A抑制对于油压收缩套25C的外径的增大引起的套筒21的变形而使摩擦力增大，并且在截面B、C容许套筒21的变形，由此能够抑制作用于发电机轴承23、24的机械性载荷。
此外，也可以如图13所示，在套筒21的与油压收缩套25C抵接的部分与发电机轴承23、24之间的位置设置凹口55、56。在凹口55、56容许套筒21的变形，由此能够抑制作用于发电机轴承23、24的机械性载荷。

Claims (10)

1.一种风力发电装置，其包括：
支承风车转子的主轴；
以能够旋转的方式支承所述主轴的主轴承；
具备发电机转子和定子的发电机；
与所述发电机转子结合并且嵌套于所述主轴的套筒；和
设置在所述套筒的外侧，将所述套筒紧固结合于所述主轴的油压收缩套，其中，
所述油压收缩套构成为通过工作流体的供给而使内径变小从而将所述套筒紧固于所述主轴。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，
所述油压收缩套设置在所述发电机内部的空间中。
3.根据权利要求2所述的风力发电装置，其还包括：
第一发电机轴承和第二发电机轴承，并且
所述定子包括：
沿所述主轴的周方向并排配置的定子磁极；和
支承所述定子磁极的沿所述主轴的轴方向并排的第一定子板和第二定子板，
所述第一定子板与所述主轴能够通过所述第一发电机轴承相对旋转，
所述第二定子板与所述主轴能够通过所述第二发电机轴承相对旋转，
所述发电机转子包括：
沿所述主轴的周方向并排配置的转子磁极；和
设置在所述第一定子板与所述第二定子板之间的用于支承所述转子磁极的转子支承部件，
所述油压收缩套设置在所述转子支承部件与所述第一定子板之间。
4.根据权利要求3所述的风力发电装置，其中，
在所述第一定子板上，在与所述油压收缩套对应的位置设置有用于将所述工作流体供给所述油压收缩套的开口。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的风力发电装置，其中，
在所述套筒的与所述油压收缩套抵接的部分设置有狭缝。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的风力发电装置，其中，
所述套筒包括沿所述主轴的轴方向并排配置的第一套筒部件和第二套筒部件，
在所述第一套筒部件的端部设置有沿所述主轴的轴方向并排设置并且向所述主轴的轴方向突出的多个第一突出部，
在所述第二套筒部件的端部设置有沿所述主轴的轴方向并排设置并且向所述主轴的轴方向突出的多个第二突出部，
所述多个第一突出部分别***到所述多个第二突出部中的两个之间，
所述油压收缩套与所述第一突出部和所述第二突出部抵接。
7.一种风力发电装置，其包括：
支承风车转子的主轴；
以能够旋转的方式支承所述主轴的主轴承；
具备发电机转子和定子的发电机；
与所述发电机转子结合并且嵌套于所述主轴的套筒；和
设置在所述套筒与所述主轴之间的油压收缩套，其中，
所述油压收缩套构成为通过工作流体的供给而使外径增大从而将所述套筒与所述主轴结合。
8.根据权利要求7所述的风力发电装置，其还包括：
第一发电机轴承和第二发电机轴承，并且
所述定子包括：
相对于所述主轴沿周方向并排配置的定子磁极；和
支承所述定子磁极的沿所述主轴的轴方向并排的第一定子板和第二定子板，
所述第一定子板与所述主轴能够通过所述第一发电机轴承相对旋转，
所述第二定子板与所述主轴能够通过所述第二发电机轴承相对旋转，
所述油压收缩套设置在所述主轴的半径方向上不与所述第一发电机轴承和所述第二发电机轴承相对的位置。
9.根据权利要求8所述的风力发电装置，其构成为，
在所述套筒的设置有所述第一发电机轴承和所述第二发电机轴承的位置和所述套筒与所述油压收缩套抵接的位置之间的部分，吸收由于所述油压收缩套的紧固而产生的应变。
10.一种根据权利要求4所述的风力发电装置的组装方法，其包括：
在设置于所述第一定子板的所述开口***临时设置保护筒以使得所述油压收缩套的端口位于所述临时设置保护筒的内部的工序；
在所述临时设置保护筒的内部将油压配管连接于所述端口的步骤；和
通过所述油压配管将所述工作流体供给所述油压收缩套以利用所述油压收缩套将所述套筒紧固于所述主轴的步骤。
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