CN102072092A - 用于产生电能的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

用于产生电能的风力涡轮机，具有：支撑结构(2)；发动机舱(3)；相对于发动机舱(3)旋转的叶片组件(5)；第一和第二电机(9、13)，分别具有第一和第二定子(10、14)以及基本上彼此同轴并固定至第一和第二定子(10、14)以围绕第一和第二轴线(A1、A2)旋转的第一和第二转子(11、15)；以及用于连接第一和第二转子(11、15)的传动组件(17、48、71)，传动组件(17、48、71)是可变形的。

Description

用于产生电能的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于产生电能的风力涡轮机。
更具体地，本发明涉及这样一种风力涡轮机，其包括支撑结构；发动机舱(nacelle，短舱)；相对于发动机舱旋转的叶片组件；第一和第二电机，分别包括基本上彼此同轴的第一和第二定子以及固定至第一和第二定子以围绕第一和第二轴线旋转的第一和第二转子；以及将第一转子连接至第二转子的传动组件。
背景技术
以上类型的风力涡轮机可从以下文献中得知：WO 2008/078342A1；EP1,363,019A2；DE 196 52 673 A1；DE 38 44 505 A1；ES 2,140,301 A2；EP 1,589,222A2；DE 297 06 980 I1；以及FR 2,810,374A1。
大功率风力涡轮机的一个特别感兴趣的解决方案是在WO2008/078342的图1、图4、图5、图6、图9、图11、图12、图13、图16、图17的实施方式中描述的风力涡轮机，其中，风力涡轮机包括位于支撑结构的相对侧上的至少两个电机。
这些技术解决方案提供相对于支撑结构的平衡质量分配，并提供非常简单的装配，但是，第一和第二电机之间的传动组件引起其它问题。例如，在第二电机中放大了第一转子的任何振动。更具体地，第一转子与叶片组件直接连接，作用在叶片组件上的风作用可能导致第一转子的位移，该位移基本上是第一转子和第一定子的同心的微小变化的形式和/或第一轴线的斜率的微小变化的形式，这在给定范围内被认为是可接受的。第一轴线的斜率变化使得第二转子位移且该位移与第一和第二转子之间的距离成正比，并且，可能导致第二转子的位移不再是可接受的。一般而言，当将气隙减小至一定程度以削弱第一和/或第二电机的操作时，或者，当缩短分别支撑第一和/或第二转子的第一和/或第二电机的零件的使用寿命时，认为所述位移是不可接受的。通过用超静定系统支撑第一和第二转子，可限制位移。然而，此解决方案将增加重量，并使风力涡轮机的设计复杂，这将限制了对于第一和第二电机的有源器件的接近，并将增加应力和磨损。
另一技术问题是在制造并装配第一和第二电机的零件中所涉及的高精确度，以确保风力涡轮机的最佳性能，即，确保第一和第二电机与磨损有关的最大效率的性能，换句话说：
-必须将第一和第二转子的有源器件分别定位为完全面向第一和第二定子的有源器件；
-第一和第二定子必须具有重合的对称轴线，并且，第一和第二轴线必须重合。
甚至第一和第二电机的制造或装配中仅有微小的尺寸差异，也会导致不对称或不对准，并由此导致第一和第二电机的削弱的操作。
第一和第二电机中的和传动组件中的热膨胀差异造成另一技术问题。即，第一和第二电机包括由不同材料制成的金属结构，并且，由于位置和功能的原因而受到不同程度的过热的影响。并且，在实际使用中，热膨胀差异可导致第一和第二电机以及传动组件中的零件的不对称或不对准。
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种以上类型的被设计为消除现有技术的缺点的用于产生电能的风力涡轮机。
本发明的另一目的是，提供一种以上类型的被设计为减小第二转子的位移的用于产生电能的风力涡轮机。
本发明的另一目的是，提供一种以上类型的用于产生电能的风力涡轮机，第一和第二电机的零件的制造或装配中的尺寸差异对其影响较小。
本发明的另一目的是，提供一种以上类型的对热膨胀差异不太敏感的用于产生电能的风力涡轮机。
根据本发明，提供一种用于产生电能的风力涡轮机，风力涡轮机包括支撑结构；发动机舱；相对于发动机舱旋转的叶片组件；以及第一和第二电机，分别包括基本上彼此同轴的第一和第二定子以及固定至第一和第二定子以围绕第一和第二轴线旋转的第一和第二转子，风力涡轮机包括将第一转子连接至第二转子的传动组件，并且，传动组件是可变形的，以允许第一和第二电机之间的相对运动。
根据本发明，传动组件变形以吸收应力，并减小传递至第二转子的应力。
在一个优选实施方式中，传动组件包括至少一个弹性接头和传动轴。
根据本发明，传动轴可操作地将第一转子功能性地耦接至第二转子，并且，弹性接头弹性地变形，以减小由第一转子传递至第二转子的应力。
在另一优选实施方式中，第一和第二电机是环形发电机；第一和第二转子分别包括第一和第二中空转子鼓；传动轴包括中空汽缸；并且，弹性接头是环形的，以将第一转子的内部与第二转子的内部连接。
根据本发明，将第一转子、传动轴、弹性接头和第二转子设计为允许空气在其内部流动，因此，优选地，可利用从风力涡轮机外部供应的空气来冷却第一和第二电机。
在本发明的另一优选实施方式中，中空汽缸和弹性接头具有分别小于第一和第二转子鼓的外径的外径；并且，将第一和第二转子划分成转子段，将第一和第二定子划分成定子段。
根据本发明，定子段和转子段是可接近的，并且可将其轴向地取出。
在本发明的另一优选实施方式中，中空汽缸和弹性接头所具有的相应内径允许操作员通过以进行检查或维修。
根据本发明，允许操作员接近第一转子、叶片组件和第二转子，以进行检查或维修。
附图说明
将参考附图通过实例描述本发明的多个非限制性实施方式，其中：
图1示出了根据本发明第一实施方式的风力涡轮机的放大的局部截面侧视图，为了清楚起见，去除了一些部分；
图2示出了根据本发明的第二实施方式的风力涡轮机的放大的局部截面侧视图，为了清楚起见，去除了一些部分；
图3示出了根据本发明的第三实施方式的风力涡轮机的放大的局部截面侧视图，为了清楚起见，去除了一些部分。
具体实施方式
在本发明的所有实施方式的附图中，标号1表示用于产生电能的风力涡轮机——在所示实例中，是直接传动且角速度可变的风力涡轮机。
风力涡轮机1包括：支撑结构2；发动机舱3，其包括以旋转方式固定至支撑结构2的环形中心件4；以及叶片组件5，其包括固定至发动机舱3以围绕轴线A1旋转的轮毂6；和多个叶片7，每个叶片7以旋转方式可调节地装配至轮毂6。
在图中所示的实例中，轴线A1基本上是水平的。
风力涡轮机1包括电机9，其依次包括环形定子10和环形转子11，该环形转子11与定子10磁性地耦接，并且，通过轴承组件12使环形转子11相对于定子10围绕轴线A1可旋转地耦接。实际上，电机9是环形发电机。
风力涡轮机1还包括电机13，其依次包括环形定子14和环形转子15，该环形转子15与定子14磁性地耦接，并且，通过轴承组件16使转子15相对于定子14围绕轴线A2可旋转地耦接。实际上，电机13是环形发电机。
定子10和14基本上是同轴的(即，分别具有基本上重合的对称轴线)并且是隔开的，并通过中心件4连接，在所示实例中，中心件4介于定子10和14之间。转子11和15由传动组件17连接，传动组件17将旋转从转子11传递至转子15，如图1所示。
将轮毂6直接装配至转子11，以将由风产生的旋转传递至转子11。
轮毂6是中空的，并且，在风力涡轮机1的外部具有开口(未示出)，以允许气流进入，从而冷却轮毂6、电机9、13以及传动组件7(图1)。
将中心件4固定至支撑结构2，以围绕轴线A3旋转，并将叶片组件5定位为面向风。
定子10、14是圆柱形的，并包括相应的中空定子鼓19、20；和固定至定子鼓19、20的外壁以冷却电机9、13的外部的散热片(冷却翼片，未示出)。
发动机舱3包括两个被安装成接触相应定子鼓19、20的环形轴环21、22，并且，其限定发动机舱3的相对端，即，位于轴线A3的相对两侧上。
定子鼓19、20具有相应凸缘23，以将定子鼓19、20与中心件4和环形轴环21、22连接。
定子鼓19、20、中心件4和环形轴环21、22限定发动机舱3的承载结构。
参考图1，叶片组件5、转子11、传动组件17和转子15限定部分地容纳于发动机舱3内的旋转组件。在所示实例中，转子11、传动组件17和转子15容纳于发动机舱3内，并仅由位于发动机舱3的相对两端处的支承组件12、16支撑。支承组件12位于转子11连接至轮毂6的点处，同时，支承组件16位于发动机舱3的自由端，紧邻环形轴环22。
每个定子10、14包括相应多个轴向定子段24、25，其围绕相应的定子鼓19、20均匀分布，并固定至相应定子鼓19、20的内面。每个定子段24、25包括铁磁板板叠(pack)；和至少一个仅固定至所述板叠的绕组，因此，可从相应定子10、14取出每个定子段24、25，更具体地，可径向取出。
转子11、15是中空的，并包括相应的转子鼓33、34，其具有足够大的内径以允许工人进入，从而进行检查或维修。
转子鼓33、34是中空的和圆柱形的，并且，每个转子11、15包括相应多个转子段35、36，其平行于相应轴线A1、A2并围绕所述轴线均匀地分配。每个转子段35、36包括固定至转子鼓33、34外壁的夹具(未示出)和相应的多个通过相关夹具固定至相应转子鼓33、34的永久磁体38、39，并且，可平行于相应轴线A1、A2取出每个转子段35、36。
在所示实例中，电机9、13是同步的，但是本发明也适用于任何类型的旋转电机，例如，具有鼠笼式转子的异步发电机，或具有带有与永久磁体相反的旋转绕组的转子的同步发电机。
参考图1，传动组件17是可变形的，以允许电机9和13之间的相对运动。
更具体地，传动组件17是可变形的，以允许转子11和15之间的相对运动和/或轴线A1和A2的对准发生变化。
参考图1，传动组件17包括环形弹性接头44；以及传动轴45，其包括通过弹性接头44连接至转子11的中空汽缸46和连接至转子15并连接至中空汽缸46的中空汽缸47。
转子鼓33与叶片组件5直接连接，当用风施加应力时，叶片组件5可相对于定子鼓19移动转子鼓33。
以各种方式引起叶片组件5上的应力。例如，当叶片组件5旋转时，支撑结构2和临近支撑结构的叶片7产生湍流，导致叶片组件5的不对称应力。能够在电机9、13或其零件之间产生相对运动的其它形式的应力由叶片7或发动机舱3上的阵风(wind gust)导致，或由叶片组件5本身的旋转导致。
弹性接头44是可弹性变形的，从而当由叶片组件5传递的应力移动转子11时，弹性接头44变形，以减小传递至转子15的应力。
通过中空汽缸46、47和环形弹性接头44，可接近轮毂6和转子11、15。因此，中空汽缸46、47和弹性接头44的内径足够大，以允许工人进入，从而进行检查或维修；并且，传动轴45具有两个开口52(每个中空汽缸45、47具有一个开口)，其直径足够大，以使工人能够进入传动轴45，并沿着传动轴5的内部移动进入轮毂6中，其通过弹性接头45和转子11，或进入转子15。
按照规定的，轮毂6在与转子11相对的侧部上具有开口(未示出)；并且，发动机舱3在与轮毂6的开口相对的一侧上具有位于转子15处的另一开口53，并且，其直径使得，通过轮毂6中的开口的气流经由另一开口53流出。
换句话说，将转子11、传动轴45、弹性接头44和转子15设计为允许空气从中流过。空气通过轮毂6中的开口流入；一直流至转子鼓33，由此冷却轮毂6和转子11；通过弹性接头44和传动轴45从转子鼓33流至转子鼓34，由此冷却传动轴45和转子鼓34；并最终通过另一开口53从转子鼓34流出。
由此限定了风力涡轮机1的内部冷却系统，另外，由用于冷却相应定子鼓19、20的散热片(未示出)限定了外部冷却系统以外。
传动轴45是伸缩的，并包括：中空汽缸46；安装至中空汽缸46的外端法兰54；焊接至外法兰54的外端法兰55；与中空汽缸46同轴的中空汽缸47；以及外法兰57，其刚性地安装至中空汽缸47并以滑动方式安装至中空汽缸46，且通过螺钉58或由图1和图2中的虚线指示的类似紧固件固定至外法兰55。
中空汽缸47的外法兰57位于中空汽缸46内，从而当去除螺钉58时，中空汽缸47可在中空汽缸46内滑动，或者，中空汽缸46可在中空汽缸47的外部上滑动，进入操作位置之一中。外法兰55限定了用于中空汽缸47或46的挡块，即，当未将中空汽缸47插入中空汽缸46时，其靠在外法兰57上。
当中空汽缸46与转子11连接且中空汽缸47连接至转子15时，限定了第一操作位置。
在第一操作位置中，中空汽缸46和47仅在相应端部重叠，以便由螺钉58连接，如图1和图2所示。
在第一操作位置中，传动轴45经由中空汽缸46和47将旋转从转子11传递至转子15。
当中空汽缸46固定至转子11且中空汽缸47不固定至转子15而是在中空汽缸46内滑动时，限定了第二操作位置(未示出)。在此情况中，传动轴45不将旋转从转子11传递至转子15，并且，仅有电机9运行。
当中空汽缸47固定至转子15且中空汽缸46不连接至转子11而是在中空汽缸47的外部上滑动时，限定了第三操作位置(未示出)。在此情况中，传动轴45不将旋转从转子11传递至转子15，并且，仅有电机9运行。
在图1中的第一实施方式中，弹性接头44包括多个弹性块60，其包括弹性材料，例如橡胶或减震橡胶(adiprene)。在本发明的一个变型中，弹性块60包括嵌在弹性材料中的加固结构，例如金属丝网或布。
弹性块60介于中空汽缸46和转子11之间，因此，中空汽缸46和转子11在功能上连接，而不是直接接触。由于具有弹性特性，所以，当受到弯曲的和/或压缩的和/或张力的和/或扭转的应力时，弹性块60变形，并由此将旋转从转子11传递至中空汽缸46，但是减小应力，还使从转子11传递至中空汽缸46的振动衰减。
传动组件17包括安装至中空汽缸46并面向转子鼓33的端部法兰61。用紧固件62将端部法兰61固定至弹性块60，并用紧固件62将转子鼓33固定至弹性块60。
传动组件17包括刚性地固定至中空汽缸47并面向转子鼓34的端部法兰51；以及用于将端部法兰51与转子鼓34可逆地(可掉换地，reversibly)连接的紧固件56。
中空汽缸46，47、环形弹性接头44、外法兰54，55，57以及端部法兰61，51的外径比转子鼓33、34的直径小，因此，转子段35、36和定子段24、25是可平行于相应轴线A1、A2从中心件4取出的。
在第一实施方式的变型(未示出)中，在中空汽缸47和转子鼓34之间设置弹性块60，并且，应力达到未变化的传动轴45，并由弹性块60减小。
在第一实施方式的变型(未示出)中，在中空汽缸46和转子鼓33之间以及还在中空汽缸47和转子鼓34之间，设置弹性块60。
在本发明的第二实施方式中，如图2所示，用传动组件48代替传动组件17，传动组件48包括如图1的传动轴45；和两个环形弹性接头49、50，每个弹性接头包括多个金属板63。
传动组件48包括刚性地安装至中空汽缸46并面向转子鼓33的端部法兰64；和刚性地安装至中空汽缸47并面向转子鼓34的端部法兰68。
在转子鼓33和中空汽缸46的端部法兰64之间设置弹性接头49；传动组件48包括用于将端部法兰64与弹性接头49的金属板63连接的紧固件65；并且，转子11包括用于将转子鼓33与弹性接头49的金属板63连接的紧固件66。
在转子鼓34和中空汽缸47的端部法兰68之间设置弹性接头50；传动组件48包括用于将端部法兰68与弹性接头50的金属板63连接的紧固件69；并且，转子15包括用于将转子鼓34与弹性接头50的金属板63连接的紧固件70。
因此，传动轴4(更具体地，中空汽缸46和47)在功能上与转子鼓33和34连接，以将旋转从一个传递至另一个。
由于可弹性变形，所以当受到弯曲的和/或压缩的和/或张力的应力时，弹性接头49、50的金属板63变形，由此分别将旋转从转子11传递至中空汽缸46，并从中空汽缸47传递至转子15，并减小所传递的应力。
弹性接头49、50和端部法兰64、68的外径比转子鼓33、34小。
在本发明的以上实施方式的变型中，传动组件仅包括弹性接头49、50中的一个，并用刚性接头代替另一个弹性接头。
在本发明的第三实施方式中，如图3所示，用传动组件71代替图1的传动组件17，传动组件71包括传动轴72；以及包括两个环形板74、75的环形弹性接头73和包括弹性体材料(例如，橡胶或减震橡胶(adiprene))的环76。在本发明的变型中，环76包括嵌在弹性体材料中的加固结构，例如金属丝网或布。
用环76连接环形板74、75。
传动轴72包括中空汽缸77，其具有两个开口78，开口直径足够大以允许工人进入中空汽缸77的内部。
传动组件71包括刚性地安装至中空汽缸77并面向弹性接头73的外端法兰79，以及刚性地安装至中空汽缸77并面向转子鼓34的外端法兰80。
环形板74，75、环76和中空汽缸77具有足够大的内径，以允许工人进入，从而进行检查或维修，并允许气流从转子鼓33流至转子鼓34。
中空汽缸77、端部法兰79，80、环形板74，75和环76的外径小于转子鼓33、34的内径，因此，可将转子段35、36和定子段24、25平行于相应轴线A1、A2地从中心件4取出。
传动组件71包括用于将端部法兰79可逆地固定至环形板74的紧固件81；和用于将端部法兰80可逆地固定至转子鼓34的紧固件82。传动组件71还包括用于将环形板75可逆地固定至转子鼓33的紧固件83。
在实际使用中，将由风产生的旋转传递至转子鼓33，并且，弹性接头73将旋转从转子鼓33传递至传动轴72，并减小应力。更具体地，当受到弯曲的和/或压缩的和/或张力的和/或扭转的应力时，弹性接头73的环76变形，并由此减小从转子鼓33传递至传动轴72的应力。
在本发明的以上实施方式的变型(未示出)中，在传动轴72和转子鼓34之间设置弹性接头73，并且，转子鼓33与传动轴72刚性地连接。
在本发明的第三实施方式的另一变型(未示出)中，弹性接头的环具有面向传动组件的内部的凸出部分，和面向传动组件的外部的凹入部分。
在本发明的第三实施方式的另一变型中，传动组件71包括介于传动轴72和转子鼓34之间的另一弹性接头73。
轴线A1和A2在附图中重合，但是，在实际情况和使用中，可采用不重合的位置。
除了那些提到的以外，本发明还具有如下优点：彼此独立地制造并测试每个电机9、13，然后将其安装至中心件4。
然而，显而易见地，在不背离所附权利要求的范围的前提下，可对如这里描述的风力涡轮机进行改变。

Claims (15)

1.一种用于产生电能的风力涡轮机，所述风力涡轮机(1)包括：支撑结构(2)；发动机舱(3)，相对于所述发动机舱(3)旋转的叶片组件(5)；以及第一电机和第二电机(9、13)，所述第一电机和第二电机分别包括基本上彼此同轴的第一定子和第二定子(10、14)以及安装至所述第一定子和第二定子(10、14)以围绕第一轴线和第二轴线(A1、A2)旋转的第一转子和第二转子(11、15)，所述风力涡轮机(1)包括将所述第一转子(11)连接至所述第二转子(15)的传动组件(17；48；71)，并且所述传动组件(17；48；71)是能够变形的，以允许所述第一电机和第二电机(9、13)之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述传动组件(17；48；71)包括至少一个弹性接头(44；49、50；73)和传动轴(45；72)。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述弹性接头(44；49、50；73)设置在所述传动轴(45；72)与所述第一转子和第二转子(11、15)中的至少一个之间。
4.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述弹性接头(44)包括多个弹性块(60)，所述多个弹性块包括弹性材料并介于所述传动轴(45)与所述第一转子和第二电机(11、15)中的至少一个之间，并且每个弹性块(60)优选地包括包含在所述弹性材料中的加固结构。
5.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述弹性接头(73)包括环(76)，所述环包括弹性材料，并且所述环(76)优选地包括包含在所述弹性材料中的加固结构。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述环(76)具有与所述传动轴(72)基本相同的直径。
7.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述弹性接头(49、50)包括金属板(63)。
8.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述第一电机和第二电机(9、13)是环形发电机；所述第一转子和第二转子(11、15)分别包括第一中空转子鼓和第二中空转子鼓(33、34)；所述传动轴(45；72)包括中空汽缸(46、47；77)；并且所述弹性接头(44；49、50；73)是环形的，以将所述第一转子(11)的内部与所述第二转子(50)的内部连接。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述中空汽缸(46、47；77)与所述弹性接头(44；49、50；73)所具有的相应的外径小于所述第一转子鼓和第二转子鼓(33、34)的外径；并且所述第一转子和第二转子(11、15)划分成多个转子段(35、36)，并且所述第一定子和第二定子(10、14)划分成多个定子段(24、25)。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述中空汽缸(46、47；77)和所述弹性接头(44；49、50；73)具有相应的内径，允许操作员通过以进行检查或维修。
11.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述中空汽缸(46、47；77)具有至少一个侧向开口(52；78)，允许操作员进入所述中空汽缸(46、47；77)的内部，以进行检查或维修。
12.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述传动轴(45)包括与所述中空汽缸(46)同轴且可逆地连接的另一中空汽缸(47)，所述中空汽缸(46)和所述另一中空汽缸(47)优选地相对于彼此轴向地滑动。
13.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述第一定子和第二定子(10、14)分别包括彼此连接且至少部分地限定了所述发动机舱(3)的承载结构的第一中空定子鼓和第二中空定子鼓(19、20)。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述发动机舱(3)包括中心件(4)，所述中心件安装至所述支撑结构(2)以围绕第三轴线(A3)旋转并介于所述第一定子鼓和第二定子鼓(19、20)之间，从而所述第一电机和第二电机(9、13)位于所述第三轴线(A3)的相对两侧上。
15.根据权利要求1所述的风力涡轮机，包括第一支承组件和第二支承组件(12、16)，所述第一支承组件和第二支承组件分别位于所述发动机舱(3)的相对两端且位于所述第一电机和第二电机(9、13)处；优选地仅由所述第一支承组件和第二支承组件(12、16)支撑所述第一转子和第二转子(11、15)和所述传动组件(17；48；71)，以进行旋转。
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