CN104904103B - 具有两个同轴的转子的机器 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有两个同轴的且能够相对旋转的转子和同轴的定子或壳体的机器，两个转子均能够相对于所述同轴的定子或壳体旋转，其中两个轴承装置对所述两个转子进行相对于彼此并相对于所述定子或壳体的相互支撑。所述轴承装置中的一个包括多个支承轴承，该多个支承轴承关于所述转子相对于所述定子的旋转轴线成角度地间隔开，所述支承轴承均具有相对于所述转子之一或所述定子固定的轴或轴杆。每个支承轴承与提供在同心的相邻转子或定子上的滚道协同。所述机器可以是诸如风力涡轮机的机电式机器，其中所述转子中的一个转子相对于另一个转子并相对于所述定子的旋转运动产生电能。

Description

具有两个同轴的转子的机器
技术领域
本发明涉及一种具有两个同轴的转子的机器，该两个同轴的转子能相对于彼此旋转，并且也能相对于定子或外壳、相对于通常支撑该机器的机构，并且特别是相对于该机器中转子的机械支撑旋转。
更具体地但不排他地，本发明涉及双转子电磁机械式机器，其中两个转子是同轴的并且电磁耦合。可通过径向或轴向的磁通耦合来耦合。
再具体地但不非排他地，本发明涉及包含根据本发明的双转子电磁机械式机器的风力涡轮机，特别地但非必需地，一种风力涡轮机，其中转子之一为永磁转子。
背景技术
存在许多形式的包括两个能够相对旋转的转子的机器。一个示例是费里斯转轮(经常被称为摩天轮或观缆车)，其中转子呈现支撑多个成角度间隔开的乘客隔间的大垂直轮的形式，乘客隔间可以仅仅是适当的座椅或可以是舱室。在褚(Chu)的专利申请US20100004067中描述了一种这样的费里斯转轮，其具有单独由中间支撑结构支撑的第二或内轮(转子)，该中间支撑结构可被认为是定子。在该实例中，两个转子相对于在径向方向上介于它们之间的定子独立旋转。
轴承设计也产生了一些轴承类型，其具有可被认为是两个转子的部分，该部分实际上是轴承本身的部分，并且与任何具体化应用或设备无关。这样的示例将在梅尔(Maier)的专利申请US20110084563和弗利(Foley)的专利申请US1687756中找到。
奎尔曼(Quermann)的专利申请US3365959描述了一种陀螺仪支撑装置，其可被认为具有两个同轴转子。
上述现有技术中任一项均与电能产生无关，并且两个转子没有以任何方式电磁耦合。也没有任何指示它们中的任一个可被用在发电领域中。
通用电气公司的专利申请EP2106013描述了一种风力涡轮发电机，其具有围绕一轴线布置的定子和相对于定子可操作地安装的单个转子，以进行发电。转子与大致围绕转子的轴线旋转的风力涡轮机叶片能旋转地相连。
三菱重工业公司的专利申请US20110233939描述了一种用于风力涡轮发电机的偏摆回旋装置，滚动元件或滚动从动件被提供为与发电无关并且为电磁不活跃的。
马格诺麦克斯有限公司(Magnomatics)的专利申请WO2011061491描述了两转子发电风力涡轮机，其中两个转子被示出为安装在传统轴承上，并且该设计由于以下将变得明显的理由而显然旨在最小化轴承的直径。
麦斯莱斯公司(Rolls-Royce plc)的专利申请EP1353436也描述了电机，典型地由风力涡轮机驱动，包括定子和两个同轴的转子，以形成组合的磁性齿轮箱和发电机。两个转子也被示出为配置为安装在传统轴承上，并且该设计由于以下将变得明显的理由而显然旨在最小化轴承的直径。
在双转子机的机械支撑件的设计中的主要的考虑是尺寸和因此相对于彼此并相对于支撑定子或壳体支撑两个转子的轴承的成本。问题集中于轴承的尺寸和所需的支撑结构，该支撑结构有必要包含在两个转子之间或者在一个转子与定子之间(在用于支撑另一个转子的内轴承径向外部的轴承的直径更大的情况下)。非常大的外轴承极其昂贵。不论可能是例如电动机、发电机或磁性齿轮箱之类的机器的确切性质如何，都具有相同的难度。
在任何特定的电机中，轴承钢通常是最昂贵的结构钢。传统的轴承装置包括支撑两个转子的两组大孔轴承。轴承孔直径限于约1200毫米，并且在大型机器中，除了非常昂贵之外，该轴承孔限制转化为达到并支撑所需的转子直径所需的大而重的结构。
内激励的永磁感应发电机是已知的，并且基于使附加的自由旋转的永磁转子结合常见的感应转子的原理工作。永磁感应发电机通常位于感应转子和定子之间。永磁转子在机器内提供磁通，其减少对磁化电流的需要，并且进而导致机器整体的功率因数改善。
大多数市售风能转换***目前使用复杂的齿轮箱和高速感应电机的结合。这些***通常被直接连接到电网，这通过能够滑动的感应电机称为可能，由此允许软并网。在传统风能转换***中使用的齿轮箱和功率转换器分别是设备的在机械上和电气上昂贵的且维修密集型的部件，其增加安装和操作该***的整体成本。齿轮箱还对整体***质量和由于例如热和噪声带来的损耗贡献很大。另一方面，功率转换器是复杂且昂贵的电敏感***。
申请人意识到对于可被用在许多不同应用中的具有两个同的轴转子和定子的机器的需要。
发明内容
根据本发明，提供一种具有两个同轴的且能够相对旋转的转子和同轴的定子或壳体的机电式机器，两个转子均能够围绕旋转轴线相对于所述同轴的定子或壳体旋转，其中所述转子中的一个转子相对于另一个转子或相对于所述定子或者相对于另一个转子和所述定子二者的旋转运动产生电能，并且其中两个轴承装置对所述两个转子进行相对于彼此的相互支撑并且还相对于所述定子或壳体支撑所述两个转子，所述机电式机器的特征在于：所述两个轴承装置中的一个包括多个支承轴承，该多个支承轴承关于所述转子相对于彼此且相对于所述定子的旋转轴线成角度地间隔开，其中所述多个支承轴承中的每个均具有相对于所述转子之一或所述定子固定的轴或轴杆，所述多个支承轴承中的每个与提供在同心的相邻转子或定子上的滚道协作，其中由所述滚道和成角度布置的所述多个支承轴承构成的直径大于所述两个轴承装置中的另一个的直径。
本发明的进一步的特征规定所述多个支承轴承中的每个均包括由轴承体承载的外辊套，而所述轴承体由其内侧的轴承承载；与每个所述支承轴承关联的轴承是滚柱轴承或轴颈轴承；所述多个支承轴承中的每个均具有被支撑在相对于所述转子或定子固定的轴上或被支撑在能够相对于所述转子或定子旋转的轴杆上的主体；所述两个轴承装置中的另一个是与所述转子的旋转轴线同轴的传统轴承；所述两个转子中的一个转子是通常例如由风力涡轮机驱动的感应转子，所述两个转子中的另一个转子是自由旋转转子，通常具有与其关联的永磁体以形成所谓的拼合式永磁发电机(split permanent magnet generator)；所述两个转子和定子被布置为一个在另一个内，以在使用中产生径向磁通耦合，或者替代地，所述两个转子和所述定子在轴向方向上彼此紧邻，以产生轴向磁通耦合；所述多个支承轴承被布置为与所述滚道协作在所述两个转子之间或在一转子和所述定子之间限定空气隙；并且根据设计需求，所述定子在所述两个转子内侧或在所述两个转子的外侧。
本发明还提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机包含如上限定的发电机形式的机电式机器。
为使本发明能够更充分地被理解，现将参考附图描述其不同的实施例。
附图说明
在附图中：
图1是本发明的实施例的示意性立视图，其中定子在两个转子的外侧；
图2是沿图1中的线II–II剖切的侧剖视图；
图3是更详细地示出支撑辊的布置的放大剖面；
图4是本发明的实施例的示意性立视图，其中定子在两个转子的内侧；
图5是沿图4中的线V–V截取的侧剖视图；
图6是更详细地示出图5中所例示的支撑辊的布置的放大剖面；
图7是图1至图3中所例示的通用布置应用于风力涡轮机时的示意性侧剖视图；
图8是其示意性前视图；
图9是示出其中的支撑辊的构造的更详细的剖面；
图10是本发明实施例的示意性侧视图，其中两个转子和定子被布置用于在它们之间进行轴向磁通耦合；和
图11是图10中例示的本发明实施例的示意性侧剖视图。
具体实施方式
首先参见附图的图1至图3中例示的本发明的实施例，根据本发明的机电式机器是拼合式永磁发电机的形式，具有感应转子形式的内部转子(1)和环绕该内部转子(1)的可自由旋转的转子(2)，在这两个转子之间具有空气隙(3)。可自由旋转的转子具有分段构造，带有与其关联的永磁体(4)，以与环绕的定子(5)及感应转子(1)形成拼合式永磁发电机。两个转子和定子因此被布置为一个在另一个内以产生径向磁通耦合，并且，如将在后面变得更加明显的，转子相对于彼此且相对于定子能旋转。
如可以理解的，根据具体情况，转子和定子中的每个可以以通常的方式由一系列叠片连同适合的绕组组成，其详细构造在此不再讨论，因为这与本发明没有任何关联。
在本发明的该实施例中，感应转子(1)由相对于定子固定的中心管形支撑件(7)通过传统类型的轴承(6)承载。
然而，如本发明提供的，可自由旋转的永磁转子(2)由两组轴向间隔开的多个支撑辊(8)承载，该多个支撑辊(8)围绕感应转子的周界相对于转子的共同的旋转轴线成角度地间隔开。每个支撑辊被承载在轴上或被固定到轴杆(9)，轴杆(9)相对于永磁转子(2)固定。
本发明该实施例中的支撑辊的角间距被选择为30°，但是在设计细节需要时，尤其是根据支撑辊的圆形阵列的直径、支撑辊本身的尺寸和规格以及可调节性、以及可相对旋转的转子及转子和定子之间所需的空气隙，可采用其它任何适合的角间距。该空气隙通常大约为5mm。
径向和轴向载荷条件将大致确定轴承和辊的选择。辊的尺寸可取决于空气隙的需求，该空气隙是两个旋转转子之间的空隙。辊可以是层叠以实现特定应力需求的不同材料的组合。辊与滚道的界面可以以各种拓扑结构实现，例如带有V形槽的辊设计。
在本发明的该实施例中，感应转子的两侧边缘(11)被形成为分段的滚道，支撑辊的外周界骑在该分段的滚道上。
因此，轴承装置由与大直径轴承相比相对简单且廉价的轴承组成。另一方面，由滚道和成角度布置的支撑辊构成的直径远大于传统轴承(6)的直径。
应当提到，如图9所示，每个支撑辊可包括由辊体(16)承载的外辊套(15)，而辊体(16)由其内侧的滚柱轴承(17)承载。
当然，定子位于转子内侧也在本发明的范围内，并且在附图的图4-图6中例示出这样的布置。在该实例中，感应转子(21)可通过传统轴承(23)被承载在中心管形支撑件(22)上，并且永磁转子(24)通过多个辊(26)被承载在与感应转子一体形成的滚道(25)上。在本发明的该实施例中，定子(27)在转子的内侧。
现在参见附图的图7至图9，如在图1到图3中例示的本发明的实施例的一个应用将是用于风力涡轮机。在该实例中，风力涡轮机具有轮毂(31)，叶片(32)从该轮毂径向延伸，并且轮毂被连接以驱动内部感应转子(33)，并且如参考图1至图3所描述的，永磁转子(34)位于感应转子和定子(35)之间。风力涡轮机可以是在我们的同时待审的已公开专利申请第WO 2012/017302号中描述的通用型风力涡轮机。
现在参见图10至图11，本发明的原理也可被应用于具有轴向磁通耦合的机器。在该布置中，大致水平的第一转子(41)可被安装为能相对于轴向相邻的定子(42)旋转，并且轴向相邻的第二转子(43)由第一转子通过辊(44)的阵列支撑。辊被例示为倾斜的，以便与第二转子上的倾斜的滚道(45)协作，这可具有使第二转子相对于第一转子居中的效果。在该布置中，可在所描述的布置中采用单组支撑辊。
本发明的应用导致利用较小部件，伴随有可维护性的改善。本发明的使用可被用于利用负载点，以使结构刚度的需求最小化，从而使结构材料需要最小化。轴承支撑辊可以较小的空气隙偏差改善空气隙空隙管理。当应用于分段转子设计时，本发明可使部件尺寸减小，并因此也减小运输和维护的时间和成本。较小的部件或组件也可导致较廉价的机器制造以及标准部件的使用。
将理解，可对上述本发明的实施例进行许多变化，而不偏离本发明的范围。

Claims (11)

1.一种具有两个同轴的且能够相对旋转的转子和同轴的定子或壳体的机电式机器，两个转子均能够围绕旋转轴线相对于所述同轴的定子或壳体旋转，其中所述转子中的一个转子相对于另一个转子或相对于所述定子或者相对于另一个转子和所述定子二者的旋转运动产生电能，并且其中两个轴承装置对所述两个转子进行相对于彼此的相互支撑并且还相对于所述定子或壳体支撑所述两个转子，所述机电式机器的特征在于：所述两个轴承装置中的一个包括多个支承轴承，该多个支承轴承关于所述转子相对于彼此且相对于所述定子的旋转轴线成角度地间隔开，其中所述多个支承轴承中的每个均具有相对于所述转子之一或所述定子固定的轴或轴杆，所述多个支承轴承中的每个与提供在同心的相邻转子或定子上的滚道协作，其中由所述滚道和成角度布置的所述多个支承轴承构成的直径大于所述两个轴承装置中的另一个的直径。
2.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述多个支承轴承中的每个均包括由轴承体承载的外辊套，而所述轴承体由其内侧的轴承承载。
3.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述多个支承轴承中的每个包括滚柱轴承或轴颈轴承。
4.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述多个支承轴承中的每个均具有被支撑在相对于所述转子或定子固定的轴上或被支撑在能够相对于所述转子或定子旋转的轴杆上的主体。
5.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述轴承装置中的另一个是与所述转子的旋转轴线同轴的传统轴承。
6.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述一个转子是由风力涡轮机驱动的感应转子，并且所述另一个转子是自由旋转转子并具有与其关联的永磁体以形成所谓的拼合式永磁发电机。
7.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述两个转子和定子被布置为一个在另一个内，以在使用中产生径向磁通耦合。
8.如权利要求7所述的机电式机器，其中所述定子在所述两个转子内侧或在所述两个转子外侧。
9.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述两个转子和所述定子在轴向方向上彼此紧邻，以产生轴向磁通耦合。
10.如权利要求1所述的机电式机器，其中所述多个支承轴承被布置为与所述滚道协作在所述两个转子之间或在一转子和所述定子之间限定空气隙。
11.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包含如权利要求1所述的机电式机器，其中所述机电式机器是发电机的形式。
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