CN102695875A - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机，其包括一体的和分段的永久磁体发电机，而没有具有轴承和轴的传统端盖，使得能够制造和运输由易于组装且已经彼此定位成能够容易地运输到组装地点的元件的发电机定子和转子节段构成的发电机节段，在该组装地点，它们与发电机转子和风力涡轮机的轴承***结合，以形成完整的风力涡轮机传动***，其具有叶片、毂、轴承单元和一体的永久磁体发电机，发电机定子和转子之间具有同中心的空气间隙。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的具有一体分段式永久磁体发电机的风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机进行风力发电的用途是利用可再生能源的若干方法之一。涡轮机转子和发电机之间具有齿轮传动装置的风力涡轮机迄今为止已经成为风力涡轮机的主要传动***设计，但是具有机械故障的高风险和不必要的传动***复杂性。此外，即使不存在传动***故障，基于齿轮的传动***也需要额外的控制和维护。

为了克服这些问题，直接驱动的风力涡轮机是优选的，原因是其较简单的设计，具有少数几个移动部件和高可靠性，没有齿轮箱故障的风险，与齿轮风力涡轮机相比具有较低的维护成本。在发电机的转子中使用永久磁体代替传统的电磁体进一步简化了设计。

迄今为止，主要的挑战已经是将直接驱动的风力涡轮机构造成与齿轮风力涡轮机具有相同的成本水平，具有相当的功率输出，并且具有用于公路允许和现场安装的相同的灵活性。尤其是，与齿轮风力涡轮机相比，大型直接驱动发电机的制造成本以及运输和现场安装的额外成本由于物理尺寸和重量而已经威胁到直接驱动的风力涡轮机的整体安装成本，尽管它们在使用寿命方面具有非常有吸引力的特性。

已经存在有直接驱动的风力涡轮机的若干构造：

Pettersen等人的US2004041407A公开了一种方案，其中直接驱动的永久磁体发电机固定到风力涡轮机轴，仅仅小的来自风力涡轮机轴的外力作用在发电机上，除了改变轴的扭矩之外，在发电机的空气间隙周围没有产生变形力。但是该发电机是具有端盖、轴承和轴的传统永久磁体发电机，不能够分开进行运输和安装，即使定子是分段的。

Kurronen等人的公开US2007284959A描述了定子节段，但是它们被构建为定位在发电机端盖之间。

Wobben的公开WO02/057624涉及双锥形轴承如何能够固定到中空静止轴上，该中空静止轴利用支架承载叶片、毂以及发电机转子和定子，以便在传统电磁发电机中保持定子和转子之间的恒定的空气间隙。没有描述关于涡轮机分段的细节。没有提高其如何能够利用永久磁体转子技术来实现，其中转子和定子节段已经相对于彼此定位成可公路运输和提升的元件，将单独地组装到轴承***的定子支架，以形成完整的发电机。

Lagerwey的公开WO01/21956公开了另一种单轴承直接驱动的风力涡轮机，但是定子和永久磁体转子不是分段的，而是作为具有轴承***的一体式完整发电机公路运输到现场，从而限制了该设计的功率大小。

Bevington等人的公开US2009/0026771A1描述了制造风力涡轮机的直接驱动发电机的一种方式，但是没有提到发电机如何能够由节段构建而成，以降低制造、运输和搬运困难，以及如何以比例决定发电机的电尺寸和直径。

发明内容

本发明的主要目的在于提供克服上述缺陷的风力涡轮机。本发明的另一个目的在于提供一种风力涡轮机，其实现了齿轮风力涡轮机的安装成本与相比于齿轮风力涡轮机更加有利的风险预测和维护成本相结合。

本发明的目的在于提供为部分/节段形式的风力涡轮机，使得能够独立于风力涡轮机自身而利用轴承将发电机节段结合到风力涡轮机转子。

本发明的另一个目的在于提供一种风力涡轮机，其中发电机可以在安装之前组装，并且不需要重新定位空气间隙。

本发明的最后目的在于，由发电机节段形成的布置到轴承单元上的完整发电机可以作为完整单元布置到风力涡轮机支撑结构上，并且定子可以直接连接到风力涡轮机支撑结构，风力涡轮机转子、毂和叶片可以直接连接到轴承单元的旋转部分，而不需要任何轴。

权利要求1中描述了根据本发明的风力涡轮机。权利要求2-15中描述了风力涡轮机的有利特征。

本发明公开了如何由分开制造的发电机节段来结合具有水平旋转轴线的永久磁体发电机，以及如何将节段连接到轴承单元以形成完整的发电机，其中轴承布置到风力涡轮机的支撑结构，而没有在最终组装之后对发电机的空气间隙重新定位的任何需要。发电机由发电机定子和转子节段形成。发电机定子节段优选地包括悬置的定子壳体，该定子壳体适于布置到轴承单元的周边的一侧上。在悬置的定子壳体内侧，可以布置分为节段的用于定子绕组的不同的方案。转子节段优选地包括用于固定磁体的磁体支撑件。磁体固定就位的转子节段利用特定工具定位成相对于每个发电机定子节段内侧的定子绕组具有正确的空气间隙，并且发电机定子节段和发电机转子节段通过预备的锁定***相对比彼此锁定。这些单独的部件围绕轴承单元的周边组装在一起，以形成完整的环状发电机，其中发电机转子在悬置的发电机定子内以正确的空气间隙进行旋转。这使得能够在发电机固定到风力涡轮机支撑结构和风力涡轮机转子之前组装整个发电机。

本发明还包括组合的微调、制动和锁定装置，其能够布置到轴承单元的旋转部分上。组合装置使得能够在处于极不平衡的条件时，例如在单独安装叶片的情况下将风力涡轮机转子正确地定位在任何位置，并且使得能够将发电机转子正确地定位在任何位置以用于检查和维护。

从以下实例描述中，本发明的进一步的优点和优选特征将变得明显。

附图说明

现在将参考附图，详细描述本发明，其中：

图1示出了固定到风力涡轮机支撑结构上的完整的发电机，其中毂固定到轴承单元的旋转部分，

图2示出了典型的发电机节段，其中发电机定子和转子在组装成完整的发电机之前相对于彼此定位，

图3示出了风力涡轮机轴承单元的透视图，

图4示出了在包括风力涡轮机轴承单元的完整发电机被向上提升以用于在塔架的顶部上固定到风力涡轮机支撑结构之前发电机定子和转子节段如何组装到轴承单元上，

图5示出了用于微调、制动和锁定转子的装置，以及

图6示出了用于将定子节段加到转子节段中的液压夹具的实例。

具体实施方式

现在参考图1，图1示出了根据本发明的风力涡轮机10的上部部分，其中，由发电机节段12（见图2和4）构建而成的发电机11布置到风力涡轮机支撑结构13，毂14经由风力涡轮机转子15布置到轴承单元30（见图3）的旋转部分。没有示出风力涡轮机叶片布置到毂14，以便提供本发明的较佳视图。也没有示出塔架，原因是这可以以不同的方式实现，例如钢管塔架、混凝土塔架、栅格塔架或者它们的组合。

现在参考图2，图2示出了发电机11的发电机节段12的透视图，该发电机节段12包括发电机11的发电机定子16′（下文中称为定子）和转子17′（下文中称为转子）的节段。定子16′的节段组装以形成完整的发电机定子16，转子17′节段组装以形成完整的发电机转子17。定子节段16′优选地包括在外周边处的悬置的定子壳体18。定子节段16′还在内周边处设置有凸缘19，定子节段16′经由该凸缘布置到风力涡轮机支撑结构13。转子节段17′设置有凸缘20，毂14和风力涡轮机转子15经由该凸缘布置到发电机转子17。发电机11可以基于本发明的主要原理，也可以通过转子17设置在定子16外侧以形成外周边旋转的发电机而实现。

如所述，定子节段16′包括定子壳体18，该定子壳体18设计成使得可能选择不同的绕组方案21，并且该不同的绕组方案21可以固定到定子节段16′。

这同样适用于转子节段17′的外周边，其中可以借助磁体支撑件23进行永久磁体22的不同的固定。根据发电机尺寸以及用于制造、运输和组装以形成一个完整发电机的实际方式，定子壳体18、定子绕组21以及磁体22和磁体支撑件23可以以合适的数量进行分段。

定子壳体18的外部可以设置有用于定子绕组的不同的冷却方案，即，用于直接空冷的冷却肋，用于与水对空气热交换器组合的水套，用于借助风扇或类似物增大冷却肋周围的空气循环的特定护罩。

除了在凸缘19和20处固定到风力涡轮机的静止和旋转部分，定子16′和转子17′的节段还例如通过螺栓连接而在端部24处彼此独立地固定。该连接应当实施为使得能够适应构造的公差。

空气间隙25的径向位置以及同一空气间隙25的宽度可以根据发电机11的电尺寸和rpm额定值而变化。这同样适用于凸缘19和20的直径，其可以根据发电机11的尺寸和风力涡轮机10的支承方案而变化。

安装有永久磁体22的转子节段17′在制造之后定位到定子节段16′中，并且利用定位装置26彼此保持就位，直到定子16′和转子17′的节段借助组装工具在轴承单元30和支撑结构13上结合成完整的发电机11。

转子节段17′可以被制造和组装为使得从制造过程自身获得用于定位转子和定子凸缘的足够的公差。这可以利用例如液压工具来实施，其中转子径向地、轴向地或旋转地置于定子中，或者采用相反的方式。另一个选择是利用临时支架将转子和定子放置在一起，该临时支架允许在组装之后对该节段进行调节。图6示出了示出了液压夹具46的实例，该液压夹具制成为用于沿轴向将定子节段（内）17加到转子节段（外）16中，并且该液压夹具定位成具有高的公差。

现在参考图3，图3示出了风力涡轮机轴承单元30的透视图，该风力涡轮机轴承单元30内可以包括若干类型的轴承。轴承单元30可以是双排锥形轴承、不同类型的圆锥轴承或滑动轴承。轴承单元在受控环境中组装，静止部分和旋转部分之间进行正确定位，其中仅仅发电机的定子部分和转子部分的固定留到现场组装，以形成带轴承的完整的发电机。轴承单元包括旋转部分31和静止部分32。旋转部分31在外圆周处设置有凸缘33，静止部分32在外圆周处设置有凸缘34。

为了将发电机节段15组装成完整的发电机11，节段15在用于定子节段16′的凸缘33处和用于转子节段17′的凸缘34处附接到轴承单元30。根据凸缘的直径，节段15可以沿径向或者沿轴向定位在轴承单元30上。

现在参考图4，图4示出了一个定子16′和转子17′的节段仍然还未装在轴承单元30上时的发电机11。根据制造和电工考虑，定子16′和转子17′的节段的数量可以从两个或更多个开始变化。

在完整的发电机11结合到轴承单元30上之后，可以移除定子16对转子17的定位装置26，发电机转子17在发电机定子16内自由旋转，并且能够一体地自由提升以固定到风力涡轮机支撑结构13，而不需要定位到风力涡轮机支撑结构以保持正确的空气间隙25所需的任何特定公差。

现在参考图5，图5示出了用于微调、制动和锁定风力涡轮机转子的装置40以用于不同的目的，该装置40适于布置在轴承单元30和风力涡轮机转子15之间。该装置40包括支撑托架41，支撑托架41上布置有锁定销42和制动卡钳43。该装置40还包括一个或多个微调气缸44，在所示的实例中包括两个微调气缸，该微调气缸在一个端部处由支撑托架41支撑。微调气缸44的自由移动端上布置有连接件45。风力涡轮机转子15为此设置有凸缘35，除了为用于制动卡钳43的制动盘之外，该凸缘35还设置有用于装置40的锁定销41的孔36以用于正常停车。

微调气缸44的连接件45设置有孔和单独的一组锁定销（未示出）。气缸44的自由移动端通过连接件45的孔和该组锁定销连接到风力涡轮机转子15的锁定孔36。当这些部件对准时，风力涡轮机转子15停止并且制动装置接合。连接件45的锁定销的接合可以是手动或者自动的。

气缸44具有两个功能。一个功能是除了锁定销42之外在恶劣气候条件下或风力涡轮机转子检查时将一个或两个气缸44锁定到风力涡轮机转子15。另一个功能是，在例如单独地安装每个风力涡轮机叶片的情况下或者在所有旋转部分的维护方面，微调风力涡轮机转子15。在正常的锁定销42未接合的情况下，一个气缸44可以将风力涡轮机转子15保持就位，而另一个气缸44定位成当第一气缸44已经到达其最外侧位置时接纳风力涡轮机转子15的圆周运动。

完整的风力涡轮机可以以多种方式安装。一个方法是以五个步骤安装完整的风力涡轮机；-首先安装塔架，接着将支撑结构安装在塔架的顶部上，接着将包括轴承单元的发电机安装到支撑结构，接着安装转子，接着单独安装叶片。叶片可以通过起重机进行安装（其中叶片是水平安装的），或者通过卷扬***进行安装（其中叶片是竖直安装的）。

修改形式

不同电尺寸和rpm的发电机可以以相同的发电机节段方法结合，仅仅改变空气间隙直径和长度以及凸缘直径，以用于组装到不同尺寸的轴承单元。

本发明还可以用于未装备永久磁体而是通过其他方式发电的发电机。

在所示实例的轴承单元中，还可以使用各种类型的轴承，例如双排锥形轴承、流体静力学或流体动力学轴承、双圆锥轴承或者两个滚子轴承（其中的一个能够接纳来自风力涡轮机转子的全部推力）。

转子节段的磁体支撑可以适于提供使用不同的永久磁体安装方法的可能性。

定子壳体可以支撑具有不同形成和电气特性以及不同冗余策略的定子叠片和定子绕组。

在微调***中，可以通过线性电动马达或者通过发电机自身的电气微调来实施微调。

微调***设置成较大直径，因此可以使用较少的制动器。

在微调***中，制动器、微调气缸和锁定部分为三个不同的***。

在发电机的冷却方案中，在圆周护罩内使用风扇的强制空冷来代替自由空气流过涡轮机冷却翅片。

冷却方案使用定子结构外侧的水套或者通过空气/液体热交换器，其中通过发电机内侧的循环空气来冷却发电机。

在发电机节段的组装中，可以利用常规起重机或其它提升方法或通过使用通常制造的操作用家具来组装该节段。

轴承单元、发电机节段和毂自身可以采用不同的材料方案制成，例如焊接钢、锻造钢，或者通过例如玻璃纤维或纤维树脂的其它材料制成。

在涡轮机的安装中，涡轮机在地面上由主要部件组装，并且通过起重机作为整体单元而被提升。

在塔架上例如在混凝土塔架上的滑动提升机上进行涡轮机的安装。

可以利用额外的支撑轴承来双重支撑定子，该支撑轴承将发电机上的端盖与旋转部分15连接。由此，转子和定子均不是悬置的。

发电机的转子可以在定子外侧或内侧，这也改变了悬置的部件。

发电机定子可以直接连接到支撑结构，而轴承单元的静止部分可以连接到发电机定子，反之亦然。

发电机装备有保持装置，该保持装置例如由青铜或其它低摩擦材料制成，从而发电机空气间隙中过度的变形不会损坏发电机自身。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，其包括：直接驱动的永久磁体发电机（11），该永久磁体发电机包括发电机定子（16）和发电机转子（17）；风力涡轮机转子（15），该风力涡轮机转子连接到具有涡轮机转子叶片的毂（14）；以及风力涡轮机支撑结构（13），该风力涡轮机支撑结构布置在塔架的顶部处，其特征在于，所述风力涡轮机支撑结构（13）布置成保持一体的永久磁体发电机（11）和轴承单元（30），该轴承单元能够承载风力涡轮机转子（15）、毂（14）和涡轮机转子叶片。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，一体的永久磁体发电机（11）由若干发电机定子（16′）和转子（17′）的节段组装而成，该发电机定子和转子的节段在组装到轴承单元（30）之前相对于彼此定位为发电机节段（12）。

3.根据权利要求1-2所述的风力涡轮机，其特征在于，发电机定子节段（16′）在内周边处设置有凸缘（19），发电机定子节段（16′）经由该凸缘布置到风力涡轮机支撑结构（13）上，并且发电机转子节段（17′）设置有凸缘（20），风力涡轮机转子（15）和毂（14）经由该凸缘布置到发电机转子（17）上。

4.根据权利要求1-3所述的风力涡轮机，其特征在于，发电机定子节段（16′）和转子节段（17′）分别在端部处设置有紧固构件（24），以用于分别连接到相邻的发电机定子（16′）和转子（17′）的节段。

5.根据权利要求1-4所述的风力涡轮机，其特征在于，发电机节段（12），即发电机定子（16′）和转子（17′）的节段，在它们能够形成永久磁体发电机（11）的完整的发电机定子（16）和转子（17）之前分开地附接到轴承单元（30）。

6.根据权利要求1-5所述的风力涡轮机，其特征在于，发电机定子（16）/定子节段（16′）在外周边处包括悬置的定子壳体（18），该定子壳体设计成使得不同的定子绕组方案（21）能够附接到或结合在发电机定子（16）/定子节段（16′）中。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，悬置的定子壳体（18）设置有用于在外侧冷却定子绕组（21）的构件，例如用于直接空冷的冷却肋、用于与水对空气热交换器组合的水套或者用于借助风扇增大冷却肋周围的空气循环的特定护罩。

8.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，发电机转子（17′）的节段在外周边处设置有用于布置永久磁体（22）的磁体支撑件（23）。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，根据发电机尺寸以及用于制造、运输和组装以形成一个完整发电机的实际方式，定子壳体（18）、定子绕组（21）以及磁体（22）和磁体支撑件（23）以合适的数量进行分段。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，风力涡轮机包括用于微调、制动和锁定风力涡轮机转子（15）的装置（40），该装置（40）适于布置在轴承单元（30）和风力涡轮机转子（15）之间，该装置（40）布置成：

当处于极不平衡的条件时，例如在单独安装叶片的情况下，将风力涡轮机转子（15）正确地定位在任何位置，以及

将发电机转子（16）正确地定位在任何位置，以用于检查和维护。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，该装置（40）包括支撑托架（41），在该支撑托架（41）上布置有锁定销（42）和制动卡钳（43），该装置（40）还包括一个或多个微调气缸（44），该微调气缸在一端处由支撑托架（41）支撑，并且在微调气缸（44）的自由移动端布置有连接件（45），该连接件（45）设置有孔和单独的一组锁定销。

12.根据权利要求1和11所述的风力涡轮机，其特征在于，风力涡轮机转子（15）设置有凸缘（35），除了为用于制动卡钳（43）的制动盘之外，该凸缘还设置有用于装置（40）的锁定销（41）的孔（36）以用于正常停车。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，轴承单元（16）、永久磁体发电机（11）以及可能的用于微调、制动和锁定风力涡轮机转子（15）的装置（40）作为一个单元布置到风力涡轮机支撑件（13）上，而没有控制或调节发电机（11）的空气间隙（25）的任何进一步的需要。

14.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，轴承单元（30）与发电机（11）独立地制造，并且通过将发电机节段（12）组装到轴承单元（30），空气间隙（25）的位置已经得到保持。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，主要的涡轮机部件能够彼此独立地制造，并且能够通过简单的连接以各种方式组装成完整的风力涡轮机。

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