CN101326700A - 用于水力涡轮机和风力涡轮机的发电机 - Google Patents

用于水力涡轮机和风力涡轮机的发电机 Download PDF

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Abstract

一种安装在风力涡轮机舱内的发电机，该发电机的转子(6)安装在变速箱的输出小齿轮(21)上，因此不再需要联轴器。发电机机架(3)直接定位在变速箱(27)上，并被定位成可控制气隙(31)。为了便于移除发电机，采用具有大于所用材料摩擦系数的大锥角的锥面(33、34)。为了在轴长度上提供足够的支撑，轴(22)采用双锥面(33、34)，每个短且精确定位的锥形表面提供了在轴(22)的远侧和近侧的精确定位。安装和拆卸的过程中，介于双定位锥面(33、34)之间的那段直轴(22)用于支撑发电机。安装时，锥面(33、34)使转子(6)对中，弹头状销(35)使机架(3)(定子(4))对中。当该系统对中转子(6)和定子(4)后，保持零件(2，16)作为迷宫式密封，以保护发电机内部不受污染。

Description

用于水力涡轮机和风力涡轮机的发电机
相关申请的交叉参考
本申请涉及：2004年2月4日提交的美国专利申请10/773851“变速风力涡轮机技术”；美国专利6304002；于2002年8月7日提交的Amir S.Mikhail和Edwin C.Hahlbeck的美国专利申请10/213764“增加发电机密度的改进的分布式动力传动系”；于2001年7月31日提交的Peter Stricker的美国专利申请09/920247“用于风力和洋流涡轮发电机的分布式发电传动系(DGD)控制器”；于2003年4月30日提交的Kevin L.Cousineau的美国专利申请10/426287“用于风力和水力涡轮机的分布式静态VAR补偿(DSVC)系统”；以及于2003年5月31日提交的Amir S.Mikhail和Edwin C.Hahlbeck的美国专利申请10/449342“带有多动力通道的改进的分布式动力传动系(DGD)”，上述都转让给了Clipper Windpower Technology公司，这里将它们引为参考。
背景技术
本发明涉及到发电设备，例如风力涡轮机和洋流涡轮机，本发明尤其针对特别适于安装在具有水平轴线、轴向流的风力或水力涡轮机的涡轮机舱中的发电机。
现有技术
在典型的水平轴风力涡轮机里，涡轮机舱安装在竖直的高塔上，并且涡轮机舱里装有动力传输机构、电气设备，涡轮机舱的一端还支撑着转子系统。用于水平轴风力涡轮机的转子系统通常包括一个或多个安装在位于轴上的转子毂上的叶片，风流转动转子，转子又转动位于机舱内的主轴，该轴又转动变速箱齿轮，变速箱齿轮把扭矩传递给发电机。为了充分利用任何方向的风，涡轮机舱通常围绕竖直的高塔旋转。响应于风向改变而围绕该竖直轴的转动被称为偏航或偏航反应，该竖直轴就被称为偏航轴。当风以足够的速度吹过叶片时，转子系统就旋转，同时风力涡轮机通过发电机将风能转换为电能，发电机的电输出被连入电网。
用于风力涡轮机的发电机通常是通过挠性联轴器与变速箱的输出轴相连的，发电机被安装在支撑结构上，并通过螺钉或垫片调整，以使之与变速箱对齐。
因为很大平台的挠性，连接扩大到联轴器和中间轴，以适应变形。发电机转子由位于发电机机架中的轴承支撑，并且需要定期润滑。
因此，最好提供一种不需要联轴器的发电机安装系统。
此外，最好提供一种易于在位于高塔顶部的涡轮机舱中安装和拆卸的风力涡轮发电机。
最好还能提供一种使气隙完全或近似完全对准的风力涡轮发电机。
另外，最好还提供一种风力涡轮发电机，它通过采用兼作磁铁保护的迷宫式密封而节约成本。
发明内容
根据本发明的原则，一种用于水平轴流体流涡轮机的发电机包括发电机转子，该发电机转子独特地安装在变速箱的输出小齿轮上，因此不再需要联轴器。发电机机架直接位于变速箱上，并被定位以控制气隙。
对于适当的发电机性能来说，气隙的控制很关键。根据本发明的一个方面，发电机转子的定位由双定位锥面控制，锥面允许无间隙对齐。为便于移除发电机，锥面具有大于所用材料摩擦系数的大锥角。因为直径迅速减小，所以大锥角锥面的长度有限。为了在其长度上提供足够的支撑，轴采用双锥面，每个短且精确定位的锥形表面提供了在轴的远侧和近侧的精确定位。找到精确位置就确保了转子的正确平衡。
安装和拆卸时，位于双定位锥面之间的那部分直轴的作用是支撑发电机，这非常重要，因为它提高了发电机安装的便利性和安全性。轴和与之匹配的转子孔的配合具有足够的间隙，以允许在所有条件下的组装。
尽管具有方便组装的足够间隙，但双定位锥面之间的那部分直轴充分准确地定位发电机机架，以允许机架定位销开始接合。将发电机安装到涡轮机舱的过程中，当发电机在变速箱轴上移动进给时，这些弹头状定位销使机架自动找正。
通过拧紧装配螺栓而把发电机组合件拉到轴上时，锥面使转子对中，并且弹头状销使机架(定子)对中。
转子和定子分别由各自的螺栓连接系统固定，其中转子螺栓连接系统在锥面上提供了足够的接触载荷，以传递必要的驱动扭矩。
为了将转子和机架的子组件大致对齐，通过松配合保持零件使该子组件对齐，这些零件具有比气隙稍小的间隙，这样使定子和转子的对中足够好，以防止对转子磁铁的损坏。当该系统使转子和定子对中以后，这些保持零件就作为保护发电机内部不受污染的迷宫式密封。
本发明具有如下优点：
不需联轴器的独特的安装系统；
发电机易于在位于高塔顶部的风力涡轮机舱中安装和拆卸；
发电机的设计提供了完全或近似完全对齐的气隙，完全对齐可以补偿制造公差；
发电机的迷宫式密封可兼用于保护磁铁，因此节约了成本；
利用锥面可以使转子到变速箱任意定向。现场变速箱具有制动器。如果使用键，那么当发电机不带轴承时很难对准。
附图说明
图1是一种现有技术传统的风力涡轮发电机的剖视透视图；
图2A是体现本发明特点的涡轮机舱的前视图；
图2B是体现本发明特点的涡轮机舱的左视图；
图2C是图2A和2B中涡轮机舱的剖视透视图；
图2D是由四个发电机构成的子组件的透视图，其中的每个发电机体现了本发明的特点；
图3是图2D所示其中一个发电机的侧向剖视图；
图4是图3所示其中一个发电机的局部侧向剖视图；
图5是图4中水冷管的说明图；
图6A是半个定子的横截面图；
图6B是绕线槽的横截面图；
图7是图3中定子铁心的视图。
具体实施方式
参见图1，该图是现有技术的传统风力涡轮发电机的剖开透视图。风力涡轮机由发电机100和通过联轴器102与发电机输入轴连接起来的变速箱104组成。变速箱的输入轴与涡轮的主轴106相连，主轴106由被风力转动的涡轮转子驱动。
下面将概括本发明区别于现有技术的主要特征，接下来还会对其中的关键构件做更详细的说明。
●紧凑的传动系，其特征是包括完整的主轴、两级螺旋变速箱以及由四个输出轴驱动的多个发电机，参见图2C；
●紧凑的机舱结构，该机舱比一些相当等级的风力涡轮机明显较短，从图2A和2B可以看出已组装好的机舱的主要结构尺寸；
●具有全功率转换特性的四个独立的液冷或气冷永磁同步发电机；
●与典型的额定功率在1.5MW到2MW的涡轮机相比，本发明降低了所需起吊设备的起吊能力。
参见图2C和2D，图中所示是包括4个发电机的风力涡轮发电机子组件的透视图，其中的每个发电机体现了本发明的特点。该风力发电设备包括安装在涡轮机舱200内的发电机，其中涡轮机舱200安装在锚固于地面的高塔建筑顶部的偏航座202。涡轮的偏航座202在水平面自由旋转，这样它趋于保持在盛行风流的路径中。涡轮具有安装有主叶片(图中未画出)的毂206，叶片响应于风流旋转，每个叶片都可有一个长度可变的叶片伸缩部分，从而提供了可变直径的转子，并且可以被调节以改变斜角。
机舱200容纳了动力传动机构、电气设备和支撑转子的轴。图2C和2D所示的转子系统中的毂206的外沿上安装有叶片(图中未画出)，轮盘206使机舱内的轴转动，该轴使齿轮转动，齿轮将扭矩传递给四个发电机。机舱利用任何方向的风围绕竖直轴线转动，这种随风向改变而绕竖直轴线的转动被称为偏航或偏航反应，而该竖直轴线则被称为偏航轴。当风以足够的速度吹过叶片，转子系统就旋转，并且风力涡轮通过发电机将风能转换成电能，发电机输出的电被连接到电网。
转子的直径可按照下述方式控制：流速低的时候转子叶片完全伸展，随流速升高转子叶片缩回，这样转子传递出去或施加在转子上的负载就不会超过设定极限。涡轮被塔架式结构保持在风流路径中，以使涡轮被保持与风流平行对准，发电机由涡轮驱动产生电，且发电机被连接到与其它单元或电网互连的电力载运电缆。
参见图3，该图是图2C和2D所示其中一个发电机的侧向剖视图，下列附图标记表示发电机/变速箱装置的相应零件：
1-水冷发电机的散热器
2-逆风端壳体
3-外套
4-定子铁心
5-端部风扇
6-转子铁心
7-散热器螺栓
8-止动螺栓
9-润滑脂软管
10-接地刷
11-顺风端壳体
12-刷毂
13-轴向风扇
14-径向风扇
15-轴承承托
16-迷宫式密封
17-可选的外置轴承
18-心轴毂
19-转子毂
21-变速箱高速小齿轮
22-变速箱心轴
23-中央支撑壳体
24-进水口
25-进水口止动螺栓
26-变速箱心轴轴承
27-变速箱箱体
28-中央支撑螺栓
29-逆风端壳体螺栓
30-顺风端壳体螺栓
31-气隙
32-进水口护圈
33-锥面
34-锥面
35-弹头销
36-装配螺栓
37-转子螺栓
38-转子磁铁
39-整流器
40-发电机导线
41-二极管组件
42-输出总线
该发电机包括发电机转子6，它独特地安装在变速箱的输出小齿轮21上，而无需联轴器。发电机的机架3直接地定位于变速箱27上，并定位成可控制气隙31。
气隙的控制对于发电机的适当功能非常关键。发电机转子的安装位置由双锥面33和34调准，锥面允许无间隙对齐。为了方便拆除，锥面具有大于所使用材料摩擦系数的大锥角。由于锥面的直径迅速减小，所以大锥角锥面的长度有限。轴采用双锥面的目的是为了在其长度上给予足够的支撑，这样锥面的每个短且精确定位的锥形表面可以保证在远侧和近侧的精确定位。
安装和拆卸发电机时，位于定位锥面33和34之间的那部分直心轴22的作用是支撑发电机，这非常重要，因为它提高了安装的便利性和安全性。该轴和与之匹配的转子孔的配合具有足够的间隙，以允许在所有条件下的组装。
尽管具有便于组装的足够间隙，但直心轴部分22仍充分准确地定位发电机机架3，以允许机架定位销35开始接合。当发电机在变速箱轴22上移动进给时，这些弹头形销35使机架自动找正。
当通过拧紧装配螺栓36而把发电机装配体拉到轴上时，锥面使转子6对中，并且弹头形销35使发电机机架/定子3对中。
转子和定子分别由各自的螺栓连接系统固定，其中转子螺栓连接系统36在锥面33、34上提供了足够的接触载荷，从而传递必要的驱动扭矩。
为了将转子和机架的子组件大致对齐，通过松配合保持零件2～16来使它们对齐，这些零件2～16具有比气隙31稍小的间隙，这样使定子和转子足够好地对中，以防止对转子磁铁38的损坏。当该系统使转子和定子对齐以后，这些保持零件就成为保护发电机内部不受污染的迷宫式密封16。
一体式整流器
典型的变频系统由同步或异步发电机组成，发电机的输出被整流为直流电，然后再转换成线频。传统的方法是将变频输出传输到转换系统进行转换，本发明的整流就在位于发电机处的整流器39中进行，它的优点如下：
发电机的导线40直接连接到二极管组件41上，消除了不必要的连接和绝缘。
输出总线42具有较高的电压，因此减少了发电机输出导线40的尺寸。不管发电机有多少相，输出总线42只有两根电线，即正电和负电输出线。减少电线数量很重要，因为对于长线程来说减少了成本。
发电机的定位有助于提供紧凑的封装，这是通过减少额外的连接，以及使发电机机架扩展作为一部分吸热装置而实现的。
在带有多个发电机的分布式构造中，整流器直接连接到发电机上，这样当整流器出现故障时允许断开各单独的发电机系统，其它的单元还能继续工作。
水冷定子
现在参见图4，图中所示是图3中一个发电机的局部侧向横截面图，该图显示了用于冷却永磁(PM)发电机定子的水冷系统。冷却管道或者直接位于绕线槽中，或安装在绕线槽上方或与之相邻处的孔中。图5中的管道歧管50和52提供有给水管线54和56，它们使水流方向每隔定子铁心4的一个槽交替(图3)，以使在定子铁心每端从定子铁心带走的热量平衡。水冷发电机上还带有散热器1(其位置如图3所示)以及进水口24、进水口止动螺栓25和进水口护圈32。
图6A是半个定子的横截面图，图中显示了冷却管50和52，它们处于与绕线64或绕线槽68相邻的孔中。
图6B是绕线槽68的横截面图，图中的绕线槽内有冷却管50(该布置是图6A中的替代方式)。
图7是图3所示的定子铁心4的视图。
总结
上面描述的是一种非常紧凑的风力发电机，该发电机重量轻，可以实用地通过位于容纳发电机的风力涡轮机舱中的舱载起重机降低和提升。由于本发明的发电机是无轴的，并且因为端盖不用支撑转子所以重量轻，便于自己操作，因此，遵循本发明原则构造的发电机的重量可以达到最小。本领域技术人员可以意识到，可以完全取消其中一个端盖，而利用变速箱的面板来封闭发电机的这端。
在传统发电机中，变速箱轴上有键，发电机轴上也有键，如果发电机无轴承，直到安装好后才能很好地转动转子。同时，当把涡轮放入风力涡轮机中时，为了安全，必须将轴固定好。这样，在没有专门操作装置时不能使那两个键定向。采用锥面配合就解决了这个问题，因为没有键要被对齐。本发明降低了成本，减少了零件数量，并且把轴承放在变速箱内更利于润滑，所有上述加在一起构成了新颖的风力涡轮机。
以上是参照安装在陆基塔顶部的风力涡轮机进行说明的，但本领域技术人员会认识到，本发明也可以用于水底涡轮机，在这种情况下，涡轮固定于水下，并且叶片靠水流的力来转动。
虽然本发明是参照优选实施例特别进行说明介绍的，但是本领域技术人员会明白，在不偏离本发明范围的情况下可以在形式和细节上进行前述和其它的改变。

Claims (8)

1、一种安装在风力涡轮机舱中的发电机，其包括：
直接定位在变速箱(27)上的发电机机架(3)，以及
用于引导所述发电机机架(3)定位的装置(35)，以控制所述发电机的定子铁心(4)和转子铁心(6)之间的气隙(31)。
2、根据权利要求1所述的发电机，其中轴(22)采用了双锥面(33、34)，该双锥面的每个短且精确定位的锥形表面提供了在轴(22)的远侧和近侧的精确定位，从而在轴长度上提供足够的支撑，这样介于双定位锥面(33、34)之间的那段直轴(22)在安装和拆卸的过程中起着支撑发电机的作用。
3、根据权利要求2所述的发电机，其中在安装过程中，所述定位锥面(33、34)用于对中转子(6)，弹头形销(35、36)用于对中定子(4)。
4、根据权利要求3所述的发电机，其中在对中转子(6)和定子(4)后，保持零件(16)作为迷宫式密封，以保护发电机内部不受污染。
5、一种安装在风力涡轮机舱中的发电机，其包括：
定位在变速箱(27)上并包括所述发电机的定子(4)的发电机机架(3)；
在所述变速箱(27)的输出轴(22)上对中的发电机转子(6)；以及
用于引导所述发电机机架(3)定位的装置，以控制所述定子(4)和所述转子(6)之间的气隙(31)。
6、根据权利要求5所述的发电机，其中轴(22)采用了双锥面(33、34)，所述双锥面的每个短且精确定位的锥形表面提供了在轴(22)的远侧和近侧的精确定位，从而在轴长度上提供足够的支撑，这样介于双定位锥面(33、34)之间的那段直轴(22)在安装和拆卸的过程中用于支撑发电机。
7、根据权利要求6所述的发电机，其中在安装过程中，所述定位锥面(33、34)用于对中转子(6)，弹头形销(35、36)用于对中定子(4)。
8、根据权利要求5到7任一项所述的发电机，其中在对中转子(6)和定子(4)后，保持零件(16)作为迷宫式密封，以保护发电机内部不受污染。
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