CN101711309B - 涡轮转子和发电设备 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮转子，其用于风力或水力发电设备或用于船的推进装置，其中该涡轮转子包括一个大体多纳圈形状的毂。该多纳圈形状的毂在横截面B中被构型为封闭中空的剖面，其中该多纳圈形状的毂被成形为任一以下情况：以圆环体的形状成形，该圆环体在横截面B是圆形形状，该圆环体在横截面A是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为圆形；或者以准圆环体的形状成形，该准圆环体在横截面B中是多边形或圆形形状，该圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为多边形或圆形；在所述圆环体或准圆环体上设有至少一个转子叶片。本发明还提供包括该涡轮转子的风力、水力或潮汐发电设备。

Description

涡轮转子和发电设备
技术领域
本发明涉及一种用于风力、水力或潮汐发电设备的涡轮转子，以及包括这种涡轮转子的风力或水力发电设备。本发明还涉及该涡轮转子用于风力或水力发电设备、或者作为船上推进装置的用途。简要地说，在前视图中，该涡轮转子包括一个大直径、基本“多纳圈形状(doughnut-shaped)”或圈状的转子毂(rotor hub)，该转子毂由封闭且中空的抗扭矩剖面(profile)组成，转子叶片布置在所述抗扭矩剖面上。
背景技术
用于产生动力——优选以电力的形式——的风车或风力涡轮不断地朝更大型轮机(mill)的方向发展。现在已设计并建造了具有约5MW的输出以及转子直径大于115-125m的风车。等于及大于5MW的风车主要以离岸(offshore)安装的目的被设计，因为这么大的风车在陆地上运输困难。这些水平轴式风车的原理实质上与其较小的同类物的原理相同。它们基于由典型地三个叶片组成的转子，所述叶片装配在具有轴的中心毂上，所述轴被重载球轴承支承。所述毂必须被定尺寸为承受相当的弯曲力矩，所述弯曲力矩由以下两个原因产生，一是在每个单独叶片上沿风力方向的风力，二是每个叶片在与不断改变方向的风基本成直角的平面内的静重(dead weight)，该静重取决于所述叶片在其旋转路径内上升还是下降。如果每个叶片在给定瞬间具有来自风的不同负载，将产生一个力矩，该力矩将试图使毂绕与所述轴的纵向轴线成直角的轴线转动。该力矩在极端情况下格外大，所述轴也必须被定尺寸为能承受这样的力矩。所述中心毂和轴还直接或经由齿轮将转子的转矩传递至发电机。
对离岸风车的维修成本起初大于基于陆地的风车的维修成本。在很多情况下由于故障导致的能量生产中断，在离岸情况下也具有更严重的后果，因为天气条件常常不允许登上风车进行必要的修理。在远处海面上，风况也通常比陆地上显著更强。如果期望通过增加标定风速——在该标定风速下叶片因风而转动——来获得尽可能多的这种能量，该风力发电设备相比于在更平静风况的地点遭受增加的疲劳负载。
大的风车或风力涡轮具有的优势在于，每kWh生产能量单位的维修成本和诸如控制系统等的“一次性成本”可预期减少。缺点为在这种大型风车情况下，每kWh生产动力的重量和材料消耗增加。基于陆地的风车的优化经济规模在目前技术情况下被许多人估计为大约1-3MW。
每生产能量单位的重量和材料消耗随着风车尺寸的增加而增加的原因在于，所述重量大约增加纵向尺寸的三次方(体积增加)，而转子的扫掠面积(sweep area)(定义为当转子转动时包围该转子叶片的圆的面积)以及由此的能量生产仅增加纵向尺寸的平方。这意味着在两种情况下风的强度相同的给定地点的比较。也就是，如果在使用和之前相同的技术的同时期望增加风车尺寸，那么每生产能量单位的重量，以及在很大程度上由此的成本，将关于风车的尺寸近似线性地增加。
此外，随着风车转子直径增大，转速(角速度)将减小。这是因为最佳的叶片尖端速度被给定为风速的函数。叶片尖端速度和风速之间的最佳比率——在下文中称作叶尖速度比——对三叶的风车而言，依赖于所述叶片的长/宽比，通常为大约6。在风速相同时，对于具有较大转子直径的风车而言，转子的角速度因此减小。如果忽略损耗，那么所产生的输出是转子角速度和转子转矩的乘积：
P＝MT*ω
其中P为输出，MT为转矩，ω为角速度。
当通过增加转子直径而增加动力时，必须经由传动齿轮从空气动力学转子传递至发电机的转矩的增加然后可以通过以下考虑因素估算：
P＝Cp*ρ*v3*A＝Cp*ρ*v3*D2*π/4
其中Cp是常数，ρ是液体或空气的密度，v是风速，A是扫掠的转子面积，D是转子直径，并且
ω＝v*6/(D*π)*2*π＝12*v/D
其中6是叶尖速度比。
将P和ω代入公式P＝MT*ω，得出：
MT＝Cp*ρ*v3*D2*π*D/(4*12*v)＝Cp*ρ*v2*D3*π/48
M T ＝k*D 3 ，
其中k是关于给定风速和空气密度的常数。
因此，类似于转子的重量，经由传动齿轮从转子传递至发电机的转矩以转子直径的三次方增加，而所述输出仅以转子直径的平方增加。这还意味着，在大型风车的情况下，传动装置(变速箱)遭受不成比例大的负载，这将对获得用于发电机的直接驱动型方案有利。一个问题是在上述大转子直径的情况下，转速低，替代地对于用于具有大转子直径的直接驱动型风车的实际发电机部件中，必要主动材料(activematerial)存在不成比例的大增加。另外，在当今技术的情况下，对直接驱动型风车很难控制定子和电转子部件之间的气隙，由于主轴的挠曲，该气隙通常必须保持在+/-几个mm内。
上述情况说明了增加风车的转子直径以增加输出的问题。重量，以及很大程度上由此的用于兆瓦特级风车的生产的每kWh的成本，关于转子直径近似线性地增加，这不利于使用现在已知的技术建造更大的风车。另外，对更大的直接驱动型发电机而言，定子和电转子之间的气隙公差也是问题。由变化的风速导致的叶片和塔式结构中的疲劳也是问题，特别对于浮动安装设备(floating installation)而言。
上述情况体现了建造基本大于3-5MW的离岸风车的最大局限。
关于本领域的现有技术，会提到的是WO 02/099950 A1，其公开了一种具有直接驱动型发电机的涡轮，其中定子轮和转子轮根据与具有辐条的自行车轮相同的原理制成，所述辐条在一端紧固至外部环或轮辋，在另一端偏心地紧固至毂。以这样的方式，它承受径向力和一定程度的轴向力。然而，在该说明书中有力地强调了，该转子轮不包括有叶片或任何自风或水的获取动力的其它装置，特别地其强调所述叶片不被安装在受拉构件上。在该说明书中没有提到具有封闭且中空的抗扭矩剖面的大直径毂。
DE 197 11 869 A1公开了一种具有中空、环形毂的风力涡轮。该环形毂分为两个基本L形的部件，其中所述L形部件之一布置在塔上，其中所述涡轮叶片布置在另一L形部件上。第二L形部件通过轴承支撑在第一L形部件上。同样地，在该说明书中，没有提到具有中空且封闭的抗扭矩剖面的大直径毂。从附图判断，所述L形部件由实心金属板形成，而非中空、封闭的剖面，这意味着该风力发电设备将不能吸收由叶片上风力负载产生的扭转力矩。
DE 102 55 745 A1公开了一种风力发电设备，其中每个叶片安装至具有两个轴承的毂。根据该说明书，两个轴承间的距离必须尽可能大，以获得明显的重量减轻，并且叶片安装在毂的圆锥形的腔内。在两个轴承间获得尽可能大距离的方法，其中一个轴承必须被定位。因此，就毂和叶片至该毂的附接而言，该风力发电设备的设计类似于传统的风力发电设备。没有提到使用具有封闭且中空的抗扭矩剖面的大直径毂，其中涡轮转子的叶片布置在所述大直径毂上。
WO 99/37912 A1公开了一种环形发电机(electrical machine)，其包括在环形定子圈内转动的环形转子圈。该发明主要涉及船用推进器或相对小的具有约20米直径的风力或水力发电设备。就上述这些现有技术文件而言，没有提到具有封闭且中空的抗扭矩剖面的大直径毂，其中涡轮转子的叶片布置在所述大直径毂上。转子圈和定子圈的环形形状不适于本发明所涉及尺寸的大型发电设备。
发明内容
本申请中，术语“涡轮转子”用作风力或水力发电设备上的旋转单元(rotating unit)的集合术语，该风力或水力发电设备将水中或风中的能量转化为机械能，所述机械能又在发电机中被转化为电能。其中安装有磁体的发电机转子也称作电转子。涡轮转子还用于表示船的推进机械的推进装置。
发电设备中对能量转化作出贡献的部件用发电机的“主动部件(active parts)”来表示。
在本发明中，不使用铁磁体材料来传导磁场的发电机的结构原理用“无铁原理(ironless principles)”来表示。
在本发明的开发中，一个目的是构造成本经济的用于发电设备(特别是用于5-15MW等级的风力发电设备)的集成的涡轮转子和发电机，随着转子直径方面显著增大以及由此能量生产的显著增大，没有之前所关联的关于叶片和毂重量的显著增长，相对于每kWh所生产能量，转矩也没有在该结构中导致更大的力。
还有一个目的在于，本发明的部件应该适合用于水力发电生产、潮汐水发电(tidal water power)和/或艇和船舶的推进系统，其中该涡轮转子用作船的推进装置。
这些目的利用如如下技术方案1、19、22所公开的本发明来实现。替代性实施方案在如下优选技术方案2-18、20-21以及23-34公开，所述优选技术方案与各技术方案1、19、22相关联。
1.一种涡轮转子，其用于风力或水力发电设备，或用于船的推进装置，其特征在于，该涡轮转子包括一个多纳圈形状的毂，该多纳圈形状的毂具有横截面A和横截面B，其中横截面A是垂直于涡轮转子的旋转轴线的穿过该多纳圈形状的毂的截面，并且横截面B是在平行于涡轮转子的旋转轴线并且该旋转轴线位于其中的平面中所取的截面，该多纳圈形状的毂在横截面B中被构型为封闭中空的剖面，其中该多纳圈形状的毂还被成形为任一以下情况：
-以圆环体的形状成形，该圆环体在横截面B是圆形形状，该圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为圆形，或者
-以准圆环体的形状成形，该准圆环体在横截面B中是多边形或圆形形状，该圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为多边形或圆形，
在所述圆环体或准圆环体上设有至少一个转子叶片。
2.根据技术方案1所述的涡轮转子，其特征在于，该准圆环体的横截面A和/或横截面B的多边形形状为正多边形。
3.根据技术方案1或2所述的涡轮转子，其特征在于，从涡轮转子的旋转轴线到在多纳圈形状的毂的横截面A中形成的圈的外周线的距离，或如果该圈的形状为多边形，那么从涡轮转子的旋转轴线到在多纳圈形状的毂的横截面A中形成的圈的外多边形的外接圆的距离，至少为该涡轮转子的半径的1/12，所述涡轮转子的半径即为从旋转轴线到叶片尖端的距离。
4.根据技术方案1所述的涡轮转子，其特征在于，在横截面B中，多纳圈形状的毂的直径具有与所述至少一个转子叶片在叶片根部的直径相同的尺寸。
5.根据技术方案1所述的涡轮转子，其特征在于，至少一个安装件安装在多纳圈形状的毂上，该安装件形成有形状和尺寸相应于多纳圈形状的毂的形状和尺寸的贯穿孔，使得当该安装件被安装到多纳圈形状的毂上时，该安装件围绕该多纳圈形状的毂。
6.根据技术方案5所述的涡轮转子，其特征在于，转子叶片附接至安装件，该转子叶片远离该涡轮转子的旋转轴线延伸。
7.根据技术方案6所述的涡轮转子，其特征在于，该转子叶片用变桨轴承附接至安装件。
8.根据技术方案1或2所述的涡轮转子，其特征在于，该涡轮转子包括至少两个拉杆，所述拉杆在其第一端部附接至多纳圈形状的毂，在其第二端部附接至被安装在中心毂上的中心轴承，所述中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴。
9.根据技术方案8所述的涡轮转子，其特征在于，所述拉杆位于相同的平面内。
10.根据技术方案1或2所述的涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子包括至少两个压杆，所述压杆在其第一端部附接至多纳圈形状的毂，在其第二端部附接至被安装在中心毂上的中心轴承，所述中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴。
11.根据技术方案10所述的涡轮转子，其特征在于，所述压杆位于相同的平面内。
12.根据技术方案1或2所述的涡轮转子，其特征在于，发电机转子被安装至多纳圈形状的毂。
13.根据技术方案1或2所述的涡轮转子，其特征在于，该涡轮转子包括至少两组支撑件，所述支撑件分别在多纳圈形状的毂的附接区域和至少两个间隔开的中心轴承之间延伸。
14.根据技术方案13所述的涡轮转子，其特征在于，该附接区域位于多纳圈形状的毂的朝向涡轮转子旋转轴线的部分上。
15.根据技术方案13所述的涡轮转子，其特征在于，在横截面B中，在所述两组支撑件之间形成角度α，该角度α小于90°。
16.根据技术方案15所述的涡轮转子，其特征在于，该角度α小于50°。
17.根据技术方案15所述的涡轮转子，其特征在于，该角度α小于20°。
18.根据技术方案13所述的涡轮转子，其特征在于，磁体附接至所述至少两组支撑件中的一组或两组，所述磁体形成发电机的一部分。
19.一种发电设备，其包括用于将风或流水中的能量转化为电能的直接驱动型发电机，该发电设备包括一个塔，一个壳体安装至该塔，所述壳体包括固定的中心毂，该发电设备还包括涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子根据技术方案1-7或13-18中任一项形成，该涡轮转子支撑在至少两个间隔开的中心轴承上，所述中心轴承设在中心毂上，该直接驱动型发电机的定子安装在所述中心毂上。
20.根据技术方案19所述的发电设备，其特征在于，所述直接驱动型发电机的定子在所述至少两个间隔开的中心轴承之间安装至中心毂，且在该定子的各侧具有相同数量的中心轴承。
21.根据技术方案19或20所述的发电设备，其特征在于，在多纳圈形状的毂和中心毂之间的区域完全地或部分地被至少两组支撑板覆盖。
22.一种发电设备，其包括用于将风或流水中的能量转化为电能的直接驱动型发电机，该发电设备包括塔式结构和涡轮转子，该直接驱动型发电机包括安装在涡轮转子上的发电机转子、安装在塔式结构上的定子以及在定子上支撑涡轮转子的轴承，其特征在于，所述涡轮转子根据技术方案1-17中任一项形成，该涡轮转子具有与直接驱动型发电机定子的中心轴线相重合的旋转轴线。
23.根据技术方案22所述的发电设备，其特征在于，所述涡轮转子通过磁性轴承支撑在定子上，所述磁性轴承由永磁体、电磁体或两者的结合中的任一种组成。
24.根据技术方案23所述的发电设备，其特征在于，所述磁性轴承是被动的磁性轴承。
25.根据技术方案23所述的发电设备，其特征在于，所述磁性轴承是具有以海尔贝克阵列布置的磁体的被动的磁性轴承。
26.根据技术方案23或25所述的发电设备，其特征在于，在定子中的磁体被短路电导体替代。
27.根据技术方案23所述的发电设备，其特征在于，所述磁性轴承是电磁轴承。
28.根据技术方案23所述的发电设备，其特征在于，电流产生绕组在没有磁传导铁芯的情况下被安装。
29.根据技术方案28所述的发电设备，其特征在于，所述发电机磁体由以海尔贝克阵列布置的永磁体组成。
30.根据技术方案22所述的发电设备，其特征在于，所述涡轮转子通过常规轴承支撑在定子上。
31.根据技术方案22所述的发电设备，其特征在于，所述涡轮转子通过磁性轴承轴向支撑于定子，所述涡轮转子通过常规轴承径向支撑。
32.根据技术方案23-25中任一项所述的发电设备，其特征在于，从多纳圈形状的毂的旋转轴线到磁性轴承的力传递面的区域中心的最短距离，小于从多纳圈形状的毂的旋转轴线到多纳圈形状的毂的横截面中性轴的距离。
33.根据技术方案23-25中任一项所述的发电设备，其特征在于，多纳圈形状的毂的关于离开一穿过该多纳圈形状的毂并垂直于该多纳圈形状的毂的旋转轴线的平面弯曲的抗弯刚度大于定子的关于离开相同平面弯曲的抗弯刚度。
34.根据技术方案23-25中任一项所述的发电设备，其特征在于，多纳圈形状的毂的关于离开一穿过该多纳圈形状的毂并垂直于该多纳圈形状的毂的旋转轴线的平面弯曲的抗弯刚度至少为定子的关于离开相同平面弯曲的抗弯刚度的两倍。
构成本发明的基本构思在于使用基本“多纳圈”形状的毂，所述多纳圈形状的毂形成为中空且封闭的剖面。涡轮转子的叶片附接至该多纳圈形状的毂。重要的是，该剖面是中空且封闭的，从而能使该多纳圈形状的毂保持轻的重量，同时提供必要强度和提供承受弯曲力矩的能力，所述弯曲力矩由在该涡轮转子的叶片上的风力负载产生，其作为扭转力矩传递至该多纳圈形状的毂。在本发明中还实现来自涡轮转子的径向力和轴向力的分离，而只有径向力作用在中心轴承上，由此消除了传递至中心轴承的弯曲力矩。如上文说明的，在上文现有技术文件中公开的风力涡轮不能实现这些目的，即它们不能承受扭转力矩，同时不能使重量保持足够轻，以用于大型风力发电设备。
该多纳圈形状的毂大体具有圆环体的形状，对本发明而言，该圆环体具有两个重要的横截面。在本说明书中表示为横截面A的横截面是垂直于涡轮转子的旋转轴线的穿过该毂的截面。如果该毂具有圆环体的形状，那么这个截面构成具有两个同心圆的圈。在横截面A中获得的该圈的外圆直径、或者该多边形圈的外接圆直径也被称为该圆环体或准圆环体的大直径。另一横截面在本说明书中表示为横截面B，其为在平行于涡轮转子的旋转轴线并且该旋转轴线位于其中的平面中所取的截面。如果该多纳圈形状的毂是理想的圆环体，那么横截面B由两个圆形形状组成，所述两个圆形对称地置于涡轮转子旋转轴线的两侧。然而，如之后将详细说明的，该涡轮转子的多纳圈形状的毂并不必须为理想的圆环体，但可以形成为准圆环体，其中该毂的横截面A和/或横截面B可以被给定不同形状，例如多边形形状，特别地为正多边形形状，但并不局限于该形状。该横截面的其它形状也有效。然而，该毂剖面的形状——即如横截面B可见——优选地形成这样的形状，该形状使得该剖面所描述曲线的曲率具有相同的符号、或者基本绕该剖面的整个周线等于零(在该剖面的平坦部分上)。在横截面B所获得的毂的剖面中，小“凹陷”也是可接受的，但是该“凹陷”越大、“凹陷”的形状越尖锐，那么该多纳圈形状的毂在承受扭转力矩时的效果越差。例如，在该毂中一个深的V形“凹陷”将显著减小该毂承受扭转力矩的能力。因此，在横截面B所获得的该毂的形状优选地为圆形或多边形，例如通过使用一箱形梁。
在风力发电设备的一个实际的实施方案中，该多纳圈形状的毂具有大体为转子直径的大约10-20％、至少1/12(＝8.33％)的直径。所述圈的横截面B具有大约为叶片在其附接至该毂处的直径的直径，尽管其可以制得更大和更小。一个或多个转子叶片被布置在该多纳圈形状的毂上。因为转子叶片远离涡轮转子的旋转轴线而终止，所以和具有相应转子面积的传统毂的风车相比，该转子叶片长度更短，并且因此在叶片根部的弯曲力矩也显著较小。如所说明的，该毂由多纳圈形状的毂组成，该多纳圈形状的毂被设计用于同时承受大的扭转力矩和弯曲力矩。这意味着叶片的静重作为多纳圈形状的毂中的弯曲力矩被传递，同时由于风力在叶片根部产生的弯曲力矩作为多纳圈形状毂中的扭转力矩被传递。在发电机中引起能量生产的涡轮转子的转矩MT直接在定子中被吸收，而不经由中心轴传递。
在本发明的一个实施方案中，所述轴因此等同于发电机定子，并由具有大周边直径的短环形圈组成，所述短环形圈适合于毂的周边直径，直接布置在风力发电设备的电动机壳体或支撑结构。这意味着由转子的转矩引起的所述轴中的传统上大的扭转应力MT显著减小并且在实践中作为一个问题被消除。
该实施方案的风力发电设备的主轴承——其等同于发电机的轴承——在本发明中优选地由毂周边处的稳定的磁性轴承组成。
该轴承进一步由结合径向的机械中心轴承的、在毂周边处的磁性轴向轴承组成。在该情况下，磁性轴承将安装在多纳圈形状的毂和定子圈之间，在那里承受轴向力，同时通过在多纳圈形状的毂和机械轴承之间布置辐条系统或板系统(plated system)来承受径向力，所述机械轴承在旋转轴线的中心被布置在风车的固定结构上。
任选地，一个纯磁性轴承可以被使用，其通过使用海尔贝克阵列(Halbach array)来承受轴向力和径向力。根据厄钉定理(Earnshaw’stheorem)，仅通过使用永磁体不可能获得磁稳轴承(如果不利用在极限低温下的超导性)。这在编号为6,111,332和5,495,221的美国专利中更详细地描述。为了规避关于磁性失稳的厄钉定理，或者如上述两个专利所描述的具有所谓海尔贝克阵列的被动磁性轴承可以用于该毂的支撑，或者任选地可使用具有主动伺服控制的主动电磁轴承以获得磁稳定性以及磁阻尼。同时即具有永磁体也具有带有主动伺服控制的主动电磁轴承的混合方案也可用于该毂的支撑。
可替代地，该毂装备有稳定的、被动磁性轴承，所述轴承具有以海尔贝克阵列安排的永磁体，或者任选地装备有类似配置，该配置具有用于毂的轴承的作用，同时还包含发电机的主动部件，即在直接驱动型发电机中的磁体和电导体。
在上述两种情况中，定子中的电绕组优选为无铁的(无铁磁体芯)，从而防止在发电机中大量的磁吸引力。发电机定子包含用于电力生产的电绕组以及可选地(当借助于海尔贝克阵列使用单独磁性支撑件时)包含作为磁性轴承一部分的电绕组。
同一绕组可以可选地具有电力生产的作用，同时完全地或部分地形成在磁稳轴承中所需要的电绕组。
如上所述，在定子中的电绕组优选为无铁的，但在期望有这样额外磁吸引力的沿定子的区域中可以含有铁。对于上述的一个替代性方案，被动稳定轴承由强力永磁体组成，所述永磁体以特殊的系统(海尔贝克阵列或类似系统)布置在毂上或直接布置在置于定子上的电转子和电导体上。当磁体处于运转时，电流在电导体中产生，所述电导体排斥电转子中的磁体。所述磁体这样定位于电转子中的2或3排，使得该系统相对于轴向和径向的外力保持稳定。进一步提供机械支撑件，所述机械支撑件支撑该转子，直到转子到达使磁性轴承变得主动的足够的速度。在使用电磁轴承的情况下，如果发生电源的中断或伺服控制系统的故障，那么上述机械支撑件也是必要的。在将磁体附接至所述结构的连接中，可以使用橡胶或其它具有良好阻尼特性的阻尼材料，从而增加上述磁性轴承的阻尼特性。
磁体离电导体越近，排斥力将越大。通过将磁体以海尔贝克阵列布置在电转子中，能够规避关于磁性失稳的厄钉定理，并且仍能获得径向和轴向上的磁稳轴承。对基于无铁的海尔贝克阵列的原理的发电机而言，在定子绕组中使用铁芯处的气隙从几个mm增加到多于20mm。因此，根据本发明，能同时放松风力发电设备中用于发电机的支撑结构部件的造型公差(building tolerance)和弯曲公差(bendingtolerance)，这点就现有技术而言是问题区域，尤其是对于大直径的风力发电机。
强力永磁体目前是市场上有售的，例如钕磁铁，每m2有效面具有最高至50吨的磁力。这些磁体将足够用于承受所述用于风力发电设备转子的轴承中的所有相关尺度的力。优势在于，根据本专利，该毂具有大直径，使得力矩臂大，从而能经受住转子上的不同负载，诸如风力在不同叶片上的不同分布。
具有电转子和磁性轴承的毂以及定子还可装备有冷却肋片，用于来自气流的直接空气冷却，沿风的方向看，所述气流通过开放的毂(open hub)的中心部分。定子绕组优选地嵌入没有铁芯的复合定子部件。有利地，该复合定子部件被穿孔，使得水、油、空气或其它合适的冷却剂能绕定子绕组循环。可选地，空气通过这些冷却孔的自然循环可以充分冷却定子，和/或如果冷却孔布置在电转子上，也可以充分冷却转子中的磁体。
能够以与上述布置相反的方式将磁性轴承布置于发电机。另外，磁体将在定子中，而电绕组在转子中。在该情况下，电力必须通过电滑环(electrical slip ring)带回到该风力发电设备的其余部分。
与圆形毂的中心同轴，设有(未示出)滑环轴承，其将所需的电力传递至转子，用于变桨控制电机、灯等。此外，在转子和机舱/塔之间设有电接触用于释放雷击相关的电流。该接触可以或者是滑动接触，或者是同样与具有小孔的该圆形毂的中心同轴的开放接触(opencontact)，其中雷击能以光弧(light arch)(未示出)形式跃过所述小孔。
在本发明的第二个实施方案中，轴向力从涡轮转子被引入机械中心轴承，而不将弯曲力矩从转子叶片传递至中心轴承。该第二个实施方案示于如在平行于转子旋转轴线的垂直截面中所观察的图8。以如第一个实施方案的类似的方式，叶片(107)经由变桨轴承系统(108)和安装件(106)连接至多纳圈毂(105)。然而，将多纳圈毂连接至中心轴承(104)的结构件(101)在这里被制成沿轴向方向也是刚性的，由此弯曲力矩可以被传递至中心轴承。但是，这些弯曲力矩将显著小于现有技术的常规风力涡轮，因为在中心轴承的弯曲力矩将仅为在多纳圈毂和结构件(101)之间传递的轴向力与从多纳圈毂的点(112)到中心轴承的径向距离的结果。不从叶片向中心轴承传递弯曲力矩。这通过在多纳圈和结构件(101)之间在点(112)处应用柔性连接来确保，允许多纳圈在扭矩下扭转(在多纳圈中扭转的量典型地小于1度)，这样实际上来自叶片的所有弯曲力矩都被多纳圈毂吸收，同时转子仍经由中心轴承(104)和固定的(不转动)主轴(109)将轴向推力从涡轮转子传递至机舱(110)。
以这样的方式，定子结构件(100)仅负载生产电力的转矩，所述定子结构件由任意合适的结构件组成，诸如圆板或辐条和轮辋系统(spoke and rim system)或类似物。这确保了更轻且成本更低的定子结构。生产电力的电绕组(112)和电转子磁体(102)可被保持在涡轮转子内部。为了防止对电定子和电转子构件(磁体)之间相对挠曲的敏感性，一个轴向取向的磁性轴承(在该图中未示出)可以在生产电力的电绕组附近被安装在定子和转子之间，类似于本发明的第一个实施方案，从而确保总是保持足够的空气间隙。这里还有利地使用无铁的电绕组，从而完全防止电定子和电转子之间的任何吸引力。该实施方案的磁性轴承的必要尺寸远小于第一个实施方案，因为来自涡轮转子的大部分轴向力现在直接提供给中心轴承，定子结构件(100)关于轴向位移可以制成非常柔性的(即，如果制成单个圆板)，由此磁性轴承将容易地使定子按需要轴向挠曲，从而确保适于发电机中气隙的所期望中心位置。
图9示出了多纳圈(105)和定子结构件(101)之间的柔性连接的一个实施例。这可以是沿多纳圈的整个内圆成整体，或者其可以分为若干较短的单元。柔性垫板(201)——可以由橡胶材料或类似物制成——被用来利用螺栓(202)柔性地将结构件(203)连接至多纳圈毂(105)。金属垫板(205)用于将负载散布至柔性材料。在结构件(203)中制成一穿孔(204)，从而能插入螺栓。结构件(101)(见图9)被连接至结构件(203)。加强板(206)用于确保柔性转动仅在柔性轴承处发生。
通过本发明，获得以下优势：
1)显著增加转子的扫掠面积(以及由此增加能量生产)，而不增加转子叶片的长度和重量；
2)显著增加毂的直径，同时减少其重量；
3)由于大的毂直径，在毂和轴中的扭转应力小(绕旋转轴线)；
4)直接驱动允许省略传动装置(齿轮)，同时增加定子和电转子(磁体)之间的圆周速度，由此对发电机中活性材料的需求更少；
5)在定子和电转子之间更大的气隙公差，使得这不再是关键参数；
6)直接空气冷却，而不需要用于冷却剂循环的任何泵系统；
7)运行过程中，主轴承或发电机中活动部件之间没有接触，使得显著减少磨损和维护；
8)与现有技术关于5MW到10MW风力涡轮的按比例增大相比，转子和发电机的总重减少50％以上。
在本发明的第一个实施方案中，提供一种涡轮转子，其用于风力或水力发电设备、或者用于船的推进装置。所述涡轮转子包括多纳圈形状的毂，从横截面B上看，该毂构型为封闭且中空的抗扭矩剖面。该多纳圈形状的毂还被成形为任一以下情况：
-以圆环体的形状成形，该圆环体在横截面B是圆形形状，该圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为圆形，或者
-以准圆环体的形状成形，该准圆环体在横截面B中是多边形或圆形形状，该准圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为多边形或圆形，
在所述圆环体或准圆环体上设有至少一个转子叶片。
上述准圆环体的横截面A和/或B的多边形形状优选地是正多边形，但是这些横截面也可以具有不规则多边形形状。
与已知发电设备相比，该圆环体或准圆环体形状的(基本多纳圈形状的)毂相对于涡轮转子的总直径被制成大尺寸。优选地，从涡轮转子的旋转轴线到多纳圈形状的毂在横截面A形成的圈的外周线的距离，或如果该圈的形状为多边形，从涡轮转子的旋转轴线到多纳圈形状的毂在横截面A形成的圈的外多边形的外接圆的距离，为该涡轮转子半径的至少1/12，所述涡轮转子半径即为从旋转轴线到叶片尖端的距离。
如在横截面B可见，多纳圈形状的毂的小直径优选地具有与所述至少一个叶片在叶片根部的直径基本相同的尺寸。然而，该毂的小直径可制成略小于涡轮转子叶片的直径。显然地，该较小的直径也可以制成大于叶片的直径，但是应该保持尽可能小，因为期望将涡轮的重量保持尽可能轻。尽管如此，最重要的是，该多纳圈形状的毂必须制成足够坚固以承受叶片上的风负载引起的扭转力矩和弯曲力矩。
涡轮转子的叶片可以用变桨轴承直接附接至多纳圈形状的毂。另一选择是利用被安装在多纳圈形状的毂上的安装件。该安装件优选地形成有贯穿孔，该贯穿孔具有的形状和尺寸相应于多纳圈形状的毂的形状和尺寸，使得当该安装件被安装到多纳圈形状的毂上时，该安装件围绕多纳圈形状的毂。优选地，用于制成贯穿孔的切下部分(cut-outpiece)重新安装(在斜切一些材料以考虑到多纳圈的壁厚之后)在多纳圈中空剖面的内侧，以作为加强构件。这样，在安装件中制成贯穿孔后，多纳圈和安装件的结构能力仍保持完好。
由于风力在各叶片根部的弯曲力矩以这样的方式传递至多纳圈毂，即作为绕所述贯穿孔的切去部的孔口的纯剪切力。这是用于防止安装件和多纳圈毂之间的“管状接头(tubular joint)”处的高应力集中的有利方式。由于叶片的重力引起的在各叶片根部的弯曲力矩被传递为与有效力臂配合的力，所述有效力臂为安装件的宽度(直径)。该力借助于复原的作为内部加强件的切去部分被传递，由此确保具有低的应力集中和高的抗弯阻力的刚性的极好接合。
转子叶片附接至各安装件，使得转子叶片基本径向远离涡轮转子的旋转轴线延伸。优选地，该转子叶片附接至具有变桨轴承的安装件，但也可以附接至不使用变桨轴承的安装件。
在本发明的另一实施方案中，涡轮转子包括至少两个拉杆，所述拉杆在其第一端部附接至多纳圈形状的毂，在其第二端部附接至被安装在中心毂上的中心轴承，其中该中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴。所述拉杆优选地这样布置，使得它们位于基本相同的平面内，由此传递径向力，并且传递非常少或不传递由在涡轮转子上的风负载产生的轴向指向的力。
代替使用拉杆，该涡轮转子可代替地设有至少两个压杆，所述压杆在其第一端部附接至多纳圈形状的毂，在其第二端部附接至被安装在中心毂上的中心轴承，其中中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴。所述压杆优选地这样布置，使得它们位于基本相同的平面内，由此传递径向力，并且传递非常少或不传递由在涡轮转子上的风负载产生的轴向指向的力。
在本发明的一个实施方案中，发电机转子被安装至多纳圈形状的毂。
在本发明的另一实施方案中，涡轮转子包括至少两组支撑件，所述至少两组支撑件分别在多纳圈形状的毂的附接区域和至少两个间隔开的中心轴承之间延伸。涡轮转子优选地包括两组支撑件，但也可以具有多于两组例如四或六组的支撑件。所述支撑件可以包括杆或板或其它合适构件和不同类型构件的组合，只要它们能将风负载引起的轴向力传递至涡轮转子支撑在其上的毂。由于风负载的扭转力矩和由于叶片重量的弯曲力矩将在基本多纳圈形状的圆环体中被吸收。
所述附接区域优选地位于多纳圈形状毂的内侧，在多纳圈形状毂基本面向涡轮转子的旋转轴线的部分。所述支撑件优选地在附接区域安装至多纳圈形状的毂，使得它们彼此接触，并由此在它们之间形成一角度α。该角度可以从许多值中选择，但要小于90°。优选地，该角度α小于50°，最优选地小于25°。如果存在多于两组支撑件，每组将明显地在其之间形成一角度，该角度不同于在其它组支撑件之间形成的角度。
优选地，磁体附接至所述至少两组支撑板中的一个或两个，其中所述磁体形成发电机的一部分。
在本发明的第二个方面，提供一种包括直接驱动型发电机的发电设备，用于将风或流水中的能量转化为电能，该发电设备包括一个塔，一个壳体安装至所述塔。所述壳体包括固定的中心毂，所述发电设备包括根据技术方案1-7或13-18任一项形成的涡轮转子。所述涡轮转子支撑在至少两个间隔开的轴承上，该直接驱动型发电机的定子安装至所述中心毂。
该直接驱动型发电机的定子可在所述至少两个间隔开的轴承之间安装至中心毂，同时在该定子的各侧具有相同数量的轴承，或者可安装至所述轴承的任一侧。如果支撑件由板组成，那么多纳圈形状的毂和中心毂之间的区域可以完全或部分地被所述至少两组板覆盖。也可能提供具有孔的板。
在本发明的第三个方面，提供一种包括直接驱动型发电机的发电设备，用于将风或流水中的能量转化为电能。该发电设备包括塔式结构和涡轮转子，所述直接驱动型发电机包括安装在涡轮转子上的发电机转子。该发电设备还包括安装在塔式结构上的定子和在定子上支撑涡轮转子的轴承。该发电设备的涡轮转子根据技术方案1-17任一项形成，所述涡轮转子具有与直接驱动型发电机定子的中心轴线相重合的旋转轴线。
在本发明的一个实施方案中，该涡轮转子的多纳圈形状的毂通过磁性轴承支撑在定子上，该多纳圈形状的毂的形状为圆环体或准圆环体。该磁性轴承可以是被动的磁性轴承、或电磁轴承或两者的结合。在本发明的一个实施方案中所述轴承也可以是常规的轴承。
在本发明的另一实施方案中，该多纳圈形状的毂通过磁性轴承轴向地支撑于定子，从而承受轴向力和由在各转子叶片上的不同风压引起的整体弯曲力矩(global bending moment)，同时所述多纳圈形状的毂依靠承受径向力的常规轴承被径向地支撑。
为了承受径向力，如已经描述的，该风力涡轮转子可以包括至少两个拉杆或至少两个压杆，其中所述至少两个拉杆或至少两个压杆在一端附接至设在中心毂上的中心轴承——所述中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴，在另一端附接至多纳圈形状的毂。所述拉杆或压杆优选地位于基本相同的平面内，从而基本仅传送径向力，因为大部分轴向力将被磁性轴承吸收。另一选择是使用没有任何预张力(压力或拉力)的杆。
在本发明的另一实施方案中，磁性轴承是具有以海尔贝克阵列布置的磁体的被动的磁性轴承。
在本发明的另一实施方案中，定子中的磁体被短路电导体(short-circuited electrical conductor)代替。
在本发明的另一实施方案中，电流产生绕组在没有磁传导铁芯的情况下被安装。
在本发明的另一实施方案中，发电机磁体优选地由以海尔贝克阵列布置的永磁体组成。
在本发明的另一实施方案中，从多纳圈形状的毂的旋转轴线到磁性轴承的力传递面的区域中心的最短距离，小于从多纳圈形状的毂的旋转轴线到多纳圈形状的毂的横截面扭转中性轴的距离。该磁性轴承的这种定位意味着，由于在转子上的风力引起的多纳圈形状毂中的弯曲和扭转，磁性轴承的转子部件沿轴向方向的位移彼此抵消。毂围绕各叶片的局部弯曲沿风的方向局部地拉轴承，同时毂横截面的扭转扭曲使得轴承逆着风的方向位移。当理想定位(图8中角度α)时，连接至毂的磁性轴承的轴向位移可以完全或部分地彼此中和。这是一个优势，使得磁性轴承表面保持尽可能平坦的(level)(平的(plane))，从而确保它们不会由于毂的挠曲而局部地彼此接触。
在本发明的另一实施方案中，为了减小发电机转子接触发电机定子的风险，所述多纳圈形状的毂的关于离开一垂直于多纳圈形状毂旋转轴线的平面弯曲的抗弯刚度，大于定子的关于离开相同平面弯曲的抗弯刚度。当定子具有的抗弯刚度小于多纳圈形状的毂的抗弯刚度时，定子趋向于跟随由在风力涡轮上的风负载引起的多纳圈形状毂中的局部挠曲，由此减小转子和定子相接触的风险。换言之，这意味着该磁性轴承具有局部柔性，并且如果在磁性轴承区域中的磁体接近于彼此接触，那么定子可以局部挠曲。在本发明的一个优选实施方案中，多纳圈形状的毂的关于离开一垂直于该多纳圈形状毂旋转轴线的平面弯曲的抗弯刚度至少为定子的关于离开所述平面的抗弯刚度的两倍。
本发明的第五个方面包括根据技术方案1-18任一项所述的涡轮转子在风力发电设备或水力发电设备中的用途。
本发明的第六个方面包括根据技术方案1-18任一项所述的涡轮转子作为船上推进装置的用途。
附图说明
示于附图中的本发明的优选实施方案的非限制性实施例的描述在下文中给出，附图中：
图1示出了具有风力涡轮转子的风力发电设备，该风力涡轮转子由转子叶片和毂组成。该风力发电设备安装在塔7上。该塔可以或者具有固定基座或者离岸漂浮安装。
图2示出了具有安装在变桨轴承(pitch bearing)中的叶片的风力涡轮转子。
图3是从定子拆卸的转子的立体图，
图4示出了交替地分为不同区域的定子，
图5a-d示出了组合式的磁稳轴承(magnetically stablebearing)和发电机的四个替换性横截面(横截面A-A如图6中所示)，
图6示出了组合式的轴向磁性轴承和径向机械轴承，
图7是一个风力发电设备一部分的侧视图，
图8示出了本发明的第二种实施方案，
图9示出了在多纳圈形状的毂和定子结构件之间的柔性连接的一个实施例，
图10-13以横截面A和横截面B示出了多纳圈形状的可能的不同组合。
图14示出了一种其中风力发电设备用作船在空中或水中的推进系统的布置，
图15示出了一种其中毂包围船外壳的一部分或者全部的推进系统。
具体实施方式
在下文中，本发明的第一种实施方案涉及其中多纳圈形状的毂至少部分地借助于一个磁性轴承支撑在定子上的实施方案，例如示于图6和7，本发明的第二种实施方案涉及其中多纳圈形状的毂支撑在中心毂上的实施方案，如图8所示。
图1示出了具有10-12MW输出的风力发电设备1，其装备有大的大体多纳圈形状的毂6、105，其中多纳圈形状的毂可以具有大约20米的直径。该多纳圈形状的毂6、105在横截面B上可以具有大约3米的直径。转子叶片3、4、5可以各具有60m的长度，并且被安置在变桨轴承8、9、10上，如图2所示，该变桨轴承被布置为使得能够根据来自变桨控制系统(未示出)的推动，将叶片绕其纵向轴线旋转。例如图8所示，可使用安装件106将叶片附接至多纳圈形状的毂。变桨轴承布置在多纳圈形状的毂6上的安装件106中，同时各叶片3、4、5之间成120度角。该多纳圈形状的毂6、105是一个封闭且中空的剖面，其可由如图10a和10b所示的中空圆管组成，其中外圆(横截面A)具有涡轮转子直径的大约15％的直径，管在叶片附接至变桨轴承处具有叶片3、4、5横截面的大约100％的横截面。在第一种实施方案的多纳圈形状的毂6的内侧上，布置有电转子11，所述电转子支撑在定子部件12上。定子12由难以弯曲的梁13支撑，所述梁通过圆柱管14将力传导到支撑结构的其余部分。转子和定子装备有自然通风冷却肋片16。
该多纳圈形状的毂6、105的承重横截面由直径约3米的封闭圆形、中空剖面组成，该剖面适应于同时承受大的扭转力矩和弯曲力矩，所述扭转力矩和弯曲力矩由转子叶片上的重力和风力负载产生。在本发明的第一个实施方案中，定子12由难以弯曲的梁13支撑，所述梁通过圆柱管14把力传导至该支撑结构的其余部分。每个变桨轴承经由拉杆或压杆连接至多纳圈形状的毂6的相对侧，所述拉杆或压杆都在中心锚环或锚板60中连接至彼此，所述锚环或锚板60机械地径向支撑在圆柱管14上。拉杆或压杆15位于基本相同的平面，使得所述拉杆或压杆不传递轴向力(不同于自行车车轮，在自行车车轮中辐条在两个轴向不同的位置安装到中心毂上，从而能承受轴向力)。由作用在叶片3、4和5上的风压产生的轴向力从转子经由轴向对齐的磁性轴承39直接传递至定子12，所述磁性轴承39在多纳圈形状的毂6和定子12之间。该磁性轴承由相对指向的永磁体组成，使得在支承面产生排斥力。有利地，该轴承被制成双向作用，即该轴承承受在两个轴向方向的力。另外，四排磁体可以用于轴承，以获得上述作用。可替代地，电磁体可用于该轴承。导致能量产生的涡轮转予的转矩MT直接在定子12中被接收，而不经由中心轴传递。因此，固定轴12等同于发电机定子，并由具有大周边直径的短环形圈组成，其适应于多纳圈形状的毂6的周边直径，直接布置在风力发电设备的电机壳14或经由梁13布置在风力发电设备的支撑结构7。转子2和毂6在转子平面(在这里定义为与三个叶片的外部叶尖相交的平面)内的阻尼通过电力变压器(整流器/逆变器，未示出)的控制系统由发电机功率输出的主动调制(active modulation)实现，任选地，连同一个在转子平面内提供空气动力学阻尼的空气动力制动装置。本领域技术人员公知的现有发电机技术的元件可与本发明一起使用，这里就不更详细地描述。这些元件可以是例如倾斜的定子绕组或磁体，或者为防止齿槽效应(cogging)等而在磁体之间或定子绕组之间的不规则距离，但并不局限于此。
主轴承39是稳定的磁性轴承，其由永磁体61组成，如图6所示，该永磁体彼此朝向，以使得在永磁体61之间产生排斥力。
虽然定子中的电绕组优选地是通常无铁的，然而所述电绕组替代性地可在区域21、22中含有铁芯。
如果在径向和轴向方向存在一个纯磁性轴承(借助海尔贝克阵列)，那么也可以在电转子11和定子12之间提供一个机械轴承(未示出)，该机械轴承在轴向和径向上支撑该电转子，直至该电转子达到足够的速度使被动的磁性轴承成为主动的。
永磁体23和61被紧固在胶座，从而在磁稳轴承中提供径向和轴向的阻尼。
图6示出了组合式磁稳轴承和发电机的优选横截面(横截面A-A如图4中所示)，所述组合式磁稳轴承和发电机包括发电机62，其包括定子圈(装配在边缘上)12，其中电绕组24没有铁芯以及转子上有永磁体23。具有永磁体23的电转子11是多纳圈形状的毂6的一部分，并直接紧固至该多纳圈形状的毂6。
图5a、5b、5c和5d示出了组合式磁稳轴承和发电机的替代性横截面(横截面A-A如图6中所示)。
图6和7是具有多纳圈形状的毂6的风力发电设备的侧视图，其中发电机11布置在该多纳圈形状的毂6上。电转子11附接至多纳圈形状的毂6。电转子配置有环形槽，所述定子12位于该环形槽中。该槽具有U的形状，该U形指向上(图6)或指向下(图7)。为了增加有效磁面积，也可以将发电机和磁性轴承制成多个轴向连续的圆盘的形式，所述圆盘沿轴向方向包括多个槽，并具有多个相关联的定子圈。电转子11和定子12设有磁体，所述磁体共同形成磁性轴承，所述磁性轴承承受由风力负载产生的轴向力和弯曲力矩。发电机11和定子12还包括电流产生元件，即磁体和定子绕组。还可以想到，绕组布置在电转子上，磁体布置在定子上。在电转子11和定子12中的环形槽可以具有不同的设计，例如如图5a-d和图6所示。
为了承受径向力，具体而言为承受涡轮转子的重量，设有拉杆或压杆15，其在一端紧固至多纳圈形状的毂6，在另一端紧固至中心锚环或锚板55，其中所述锚环或锚板55机械地被径向支撑在圆柱管14。
在多纳圈形状的毂上，涡轮转子叶片3、4、5也安装在其各自的变桨轴承上。
图10-13示出了大体多纳圈形状的毂6、105的不同构造，其给出了正圆环形状或准圆环形状。如前所述，存在两个重要的横截面——横截面A和横截面B。如可以从图中看到，这两个横截面A和B可被给定为圆形或多边形的形状。多边形的形状优选地为正多边形，例如五边形、六边形等。不同的圆形和多边形形状可能的组合在图10-13中给出。图10a-10b示出了多纳圈形状的毂6、105，其中横截面A和横截面B的形状都是圆形。在该情况下，多纳圈形状的毂具有正常圆环体的形式。图10a-10b示出了该多纳圈形状的毂6、105，其中横截面A或B中的一个成圆形，另一个成多边形(图11-12)，最后一种选择方案中，横截面A和横截面B都是多边形的(图13)。示于图11-13中的多纳圈形状的毂具有准圆环形的形式。
图8中示出了本发明的第二个实施方案，其中轴向力从涡轮转子被提供给机械中心轴承，而不将弯曲力矩从转子叶片传递至中心轴承。这第二个实施方案示于如在平行于转子旋转轴线的垂直截面中观察的图8。叶片107经由变桨轴承系统108和安装件106以类似于第一个实施方案的方式连接至多纳圈毂105。然而，将多纳圈毂连接至中心轴承104的结构件101在这里同样沿轴向方向制成刚性，由此弯曲力矩可以被传递至中心轴承。但是，和现有技术中传统的风力涡轮相比，这些弯曲力矩将显著更小，因为在中心轴承的弯曲力矩将仅为在多纳圈毂和结构件101之间传递的轴向力与从多纳圈毂的点112到中心轴承的径向距离的结果。没有弯曲力矩从叶片向中心轴承传递。这通过在多纳圈和结构件之间在点112处施加柔性连接来确保，允许多纳圈在扭矩下扭转(在多纳圈中扭转的量典型地小于1度)，这样实际上来自叶片的所有弯曲力矩都被多纳圈毂吸收，同时转子仍经由中心轴承104和固定的(不转动)主轴109将轴向推力从涡轮转子传递至机舱110。
以这样的方式，定子结构件100仅负载生产电力的转矩，所述定子结构件由任意合适的结构件组成，例如圆板或辐条和轮辋系统或类似物。这确保了更轻且成本更低的定子结构。生产电力的电绕组112和电转子磁体102可被保持在涡轮转子内部。为了防止对电定子和电转子构件(磁体)之间相对挠曲的敏感性，一个轴向取向的磁性轴承(在该图中未示出)可以在生产电力的电绕组附近被安装在定子和转子之间，类似于本发明的第一个实施方案，从而确保总是保持足够的空气间隙。这里还有利地使用无铁的电绕组，从而完全防止电定子和电转子之间的任何吸引力。该实施方案的磁性轴承的必要尺寸远小于第一个实施方案，因为来自涡轮转子的大部分轴向力现在直接提供给中心轴承，定子结构件100为了轴向位移可以被制得非常柔性(即，如果制成单个圆板)，由此磁性轴承将容易地使定子按需要轴向挠曲，从而为了发电机中的气隙确保所期望的中心位置。
图9示出了多纳圈105和定子结构件101之间的柔性连接的一个实施例。这可以是沿多纳圈的整个内圆成整体，或者其可为分为若干较短的单元。柔性垫板201——可以由橡胶材料或类似物制成——被用来利用螺栓202柔性地将结构件203连接至多纳圈毂105。金属垫板205用于将负载散布至柔性材料。在结构件203中制成一穿孔204，从而能插入螺栓。结构件101(见图9)被连接至结构件203。加强板206用于确保柔性转动仅在柔性轴承处发生。
本发明还可以用作航空器和在水中的所有类型的船舶和艇的推进系统。在本发明的实例中，具有多纳圈形状的毂6，变桨轴承8、9、10，以及电磁轴承39的涡轮转子2将被布置为推进器。该推进器的尺寸、强度以及扭矩/梯度等根据现有技术改变以适于该用途。另外，发电机作为电动机运行。该推进系统布置在依靠该推进系统移动的船37上，其中两个实施例示于图14和15。在船37或外壳上，在本发明的一个变体中，流线型连接可以被安装至该待移动对象/外壳的可能的其它部件。在本发明的另一变体中，该推进系统40布置有舵(未示出)。在本发明的另一变体中，该推进系统40被布置为使得该推进系统本身可以绕垂直轴线转动，和方位角推进器一样可转动地附接至所述船。根据现有技术的许多其它用于安装推进器的构型都是可能的。该推进器可以具有比这里所示优选实施方案更少或更多的叶片。船37也可以设有若干推进器。

Claims (34)

1.一种涡轮转子，其用于风力或水力发电设备，或用于船的推进装置，其特征在于，该涡轮转子包括一个多纳圈形状的毂(6；105)，该多纳圈形状的毂具有横截面A和横截面B，其中横截面A是垂直于涡轮转子的旋转轴线的穿过该多纳圈形状的毂的截面，并且横截面B是在平行于涡轮转子的旋转轴线并且该旋转轴线位于其中的平面中所取的截面，该多纳圈形状的毂在横截面B中被构型为封闭中空的剖面，其中该多纳圈形状的毂还被成形为任一以下情况：
-以圆环体的形状成形，该圆环体在横截面B是圆形形状，该圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为圆形，或者
-以准圆环体的形状成形，该准圆环体在横截面B中是多边形或圆形形状，该圆环体在横截面A中是圈状的，其中该圈的外周线和内周线为多边形或圆形，
在所述圆环体或准圆环体上设有至少一个转子叶片。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，该准圆环体的横截面A和/或横截面B的多边形形状为正多边形。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮转子，其特征在于，从涡轮转子的旋转轴线到在多纳圈形状的毂的横截面A中形成的圈的外周线的距离，或如果该圈的形状为多边形，那么从涡轮转子的旋转轴线到在多纳圈形状的毂的横截面A中形成的圈的外多边形的外接圆的距离，至少为该涡轮转子的半径的1/12，所述涡轮转子的半径即为从旋转轴线到叶片尖端的距离。
4.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，在横截面B中，多纳圈形状的毂的直径具有与所述至少一个转子叶片在叶片根部的直径相同的尺寸。
5.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，至少一个安装件(106)安装在多纳圈形状的毂上，该安装件(106)形成有形状和尺寸相应于多纳圈形状的毂(105)的形状和尺寸的贯穿孔，使得当该安装件被安装到多纳圈形状的毂(105)上时，该安装件(106)围绕该多纳圈形状的毂(105)。
6.根据权利要求5所述的涡轮转子，其特征在于，转子叶片(107)附接至安装件(106)，该转子叶片(107)远离该涡轮转子的旋转轴线延伸。
7.根据权利要求6所述的涡轮转子，其特征在于，该转子叶片(107)用变桨轴承(108)附接至安装件(106)。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮转子，其特征在于，该涡轮转子包括至少两个拉杆，所述拉杆在其第一端部附接至多纳圈形状的毂，在其第二端部附接至被安装在中心毂上的中心轴承，所述中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴。
9.根据权利要求8所述的涡轮转子，其特征在于，所述拉杆位于相同的平面内。
10.根据权利要求1或2所述的涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子包括至少两个压杆，所述压杆在其第一端部附接至多纳圈形状的毂，在其第二端部附接至被安装在中心毂上的中心轴承，所述中心轴承和中心毂与定子的中心轴线同轴。
11.根据权利要求10所述的涡轮转子，其特征在于，所述压杆位于相同的平面内。
12.根据权利要求1或2所述的涡轮转子，其特征在于，发电机转子被安装至多纳圈形状的毂。
13.根据权利要求1或2所述的涡轮转子，其特征在于，该涡轮转子包括至少两组支撑件(101)，所述支撑件分别在多纳圈形状的毂(105)的附接区域(112)和至少两个间隔开的中心轴承(104)之间延伸。
14.根据权利要求13所述的涡轮转子，其特征在于，该附接区域(112)位于多纳圈形状的毂(105)的朝向涡轮转子旋转轴线的部分上。
15.根据权利要求13所述的涡轮转子，其特征在于，在横截面B中，在所述两组支撑件(101)之间形成角度α，该角度α小于90°。
16.根据权利要求15所述的涡轮转子，其特征在于，该角度α小于50°。
17.根据权利要求15所述的涡轮转子，其特征在于，该角度α小于20°。
18.根据权利要求13所述的涡轮转子，其特征在于，磁体(102)附接至所述至少两组支撑件(101)中的一组或两组，所述磁体(102)形成发电机的一部分。
19.一种发电设备，其包括用于将风或流水中的能量转化为电能的直接驱动型发电机，该发电设备包括一个塔(111)，一个壳体(110)安装至该塔，所述壳体(110)包括固定的中心毂(109)，该发电设备还包括涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子根据权利要求1-7或13-18中任一项形成，该涡轮转子支撑在至少两个间隔开的中心轴承(104)上，所述中心轴承(104)设在中心毂(109)上，该直接驱动型发电机的定子(100)安装在所述中心毂(109)上。
20.根据权利要求19所述的发电设备，其特征在于，所述直接驱动型发电机的定子(100)在所述至少两个间隔开的中心轴承(104)之间安装至中心毂(109)，且在该定子(100)的各侧具有相同数量的中心轴承(104)。
21.根据权利要求19或20所述的发电设备，其特征在于，在多纳圈形状的毂(105)和中心毂(109)之间的区域完全地或部分地被至少两组支撑板(101)覆盖。
22.一种发电设备，其包括用于将风或流水中的能量转化为电能的直接驱动型发电机，该发电设备包括塔式结构和涡轮转子，该直接驱动型发电机包括安装在涡轮转子上的发电机转子、安装在塔式结构上的定子以及在定子上支撑涡轮转子的轴承，其特征在于，所述涡轮转子根据权利要求1-17中任一项形成，该涡轮转子具有与直接驱动型发电机定子的中心轴线相重合的旋转轴线。
23.根据权利要求22所述的发电设备，其特征在于，所述涡轮转子通过磁性轴承支撑在定子上，所述磁性轴承由永磁体、电磁体或两者的结合中的任一种组成。
24.根据权利要求23所述的发电设备，其特征在于，所述磁性轴承是被动的磁性轴承。
25.根据权利要求23所述的发电设备，其特征在于，所述磁性轴承是具有以海尔贝克阵列布置的磁体的被动的磁性轴承。
26.根据权利要求23或25所述的发电设备，其特征在于，在定子中的磁体被短路电导体替代。
27.根据权利要求23所述的发电设备，其特征在于，所述磁性轴承是电磁轴承。
28.根据权利要求23所述的发电设备，其特征在于，电流产生绕组(24)在没有磁传导铁芯的情况下被安装。
29.根据权利要求28所述的发电设备，其特征在于，所述发电机磁体由以海尔贝克阵列布置的永磁体组成。
30.根据权利要求22所述的发电设备，其特征在于，所述涡轮转子通过常规轴承支撑在定子上。
31.根据权利要求22所述的发电设备，其特征在于，所述涡轮转子通过磁性轴承轴向支撑于定子，所述涡轮转子通过常规轴承径向支撑。
32.根据权利要求23-25中任一项所述的发电设备，其特征在于，从多纳圈形状的毂的旋转轴线到磁性轴承的力传递面的区域中心的最短距离，小于从多纳圈形状的毂的旋转轴线到多纳圈形状的毂的横截面中性轴的距离。
33.根据权利要求23-25中任一项所述的发电设备，其特征在于，多纳圈形状的毂(6)的关于离开一穿过该多纳圈形状的毂并垂直于该多纳圈形状的毂的旋转轴线的平面弯曲的抗弯刚度大于定子的关于离开相同平面弯曲的抗弯刚度。
34.根据权利要求23-25中任一项所述的发电设备，其特征在于，多纳圈形状的毂(6)的关于离开一穿过该多纳圈形状的毂并垂直于该多纳圈形状的毂的旋转轴线的平面弯曲的抗弯刚度至少为定子的关于离开相同平面弯曲的抗弯刚度的两倍。
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