CN102089517A - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机（1），其包括：具有内部定子装置（8）和外部转子装置（19）的直接驱动发电机（2）；固定外轴（6）；和具有中心轴线（A）的可旋转内轴（14），其中至少两个主轴承（15，16）支撑固定外轴（6）内的可旋转内轴（14），定子装置（8）设置在固定外轴（6）的外侧，且转子装置（19）实质上围绕定子装置（8）设置，并且在前侧至少间接地附连到可旋转内轴（14）和/或风力涡轮机（1）的毂（17）。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明涉及包括直接驱动发电机的风力涡轮机。

背景技术

按照风力涡轮机的驱动结构来看，大体具有两大类型的风力涡轮机。第一类风力涡轮机是更为典型的风力涡轮机，其包括设置在主轴和风力涡轮机的发电机之间的齿轮箱。第二类风力涡轮机是无齿轮型，其包括直接驱动发电机或者被直接驱动的发电机。这样的直接驱动发电机可被做成带有缠绕转子或带有附连到转子的永磁体的同步发电机，或者其可以被设计成替代类型的发电机。无论直接驱动发电机是什么类型，都期望在风力涡轮机和直接驱动发电机分别运行期间，尤其当风力涡轮机转子、主轴和直接驱动发电机的设置承受负载的时候，发电机的转子和定子之间的气隙宽度被优选地保持恒定或至少位于某公差范围内。

因此，可为包括直接驱动发电机的风力涡轮机驱动结构设计不同的轴承设置。到目前为止，直接驱动发电机的典型轴承设置为双轴承设置。因此，与风力涡轮机转子相连的发电机转子受到两个轴承朝向静止内轴或固定内轴的支撑。定子在一侧与固定内轴相附接。因此，转子可相对于定子围绕固定内轴旋转。具有此种设计的风力涡轮机在例如EP1641102A1和US6483199B2中被描述。这种设计的缺点在于定子的单侧支撑使得在定子不受支撑一侧很难保持气隙宽度至少实质上为常数，当整个发电机结构不仅受到重力和质量惯性而且受到不平衡磁引力时尤为如此。为了减少该缺陷，带有这种双轴承设置的直接驱动发电机需要大且重的定子支撑结构，其能够吸收相对较大的定子挠矩。这样的定子支撑结构在例如WO02/05408A1中被描述，其中定子支撑结构包括具有多个支撑臂的支撑构造。

在替换性设计中，将双轴承设置替换为单轴承，其中固定内轴承部分被附连至固定内轴且旋转外轴承部分支撑直接驱动发电机的转子。包括具有单轴承的直接驱动发电机的风力涡轮机在US2006/0152014A1和WO02/057624A1中被公开。然而，将双轴承替换为单轴承并不能根本上改变单侧支撑定子结构的缺陷。

在其它的一些解决方案中，固定内轴设计被替换成旋转轴设计。因为根据旋转轴设计，发电机定子被支撑在两侧，这就更易于将发电机的定子和转子之间的气隙宽度保持为至少实质上恒定。存在两种已知的旋转轴设计的变型，一种具有双轴承设置，一种具有四轴承设置。

根据双轴承设置，发电机的轴承用作风力涡轮机的主轴的轴承，该主轴连接至风力涡轮机转子。定子结构朝向主轴被支撑，并附接于风力涡轮机的底板。具有此种设计的风力涡轮机在US7119453B2和WO03/023943A2中公开。这种设计的缺点在于，定子结构需要定尺寸以吸收并传递所有的风力涡轮机转子负载（即风力涡轮机转子的重量）以及所有的不对称空气动力负载，以将气隙宽度保持在必要的公差内。这将导致大型风力涡轮机非常笨重及昂贵的定子结构。

在四轴承设置中，连接到风力涡轮机转子的风力涡轮机的主轴在其一端受到其自身两个轴承的支撑，并在其另一端承载直接驱动发电机。直接驱动发电机针对转子在定子内部的中心对准而具有双轴承设置。此种风力涡轮机的示例在US6781276B1中被描述。在该安装主轴的设置中，发电机定子由发电机转子承载，且转矩通过转矩臂装置从发电机传递到风力涡轮机底板。转矩臂装置需要具有一定柔性，例如通过橡胶元件来实现，以允许主轴-发电机结构和涡轮机底板之间存在较小的不对准。定子在转子上的双边支撑允许了相对较轻重量的定子结构。这种设计的主要缺陷在于一共需要四个轴承，且全部转矩至少部分地穿过这些轴承。对于大型风力涡轮机而言，这就意味着相当大且昂贵的轴承。另外，对于大型风力涡轮机而言，转矩臂装置变成了相当重要且笨重的结构。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种如最初所述的风力涡轮机，使得该风力涡轮机的设计优选地被简化且不太昂贵。

此目的通过一风力涡轮机被创造性地实现，该风力涡轮机包括：具有内部定子装置和外部转子装置的直接驱动发电机；固定外轴；和具有中心轴线的可旋转内轴，其中至少两个主轴承在固定外轴内部支撑可旋转内轴，定子装置设置在固定外轴外部，转子装置实质上围绕定子装置布置且在前侧至少间接地附连到可旋转内轴和/或风力涡轮机的毂。本发明提出带有直接驱动发电机的风力涡轮机的新构思，其中定子装置相应地设置在固定外轴的外部并围绕风力涡轮机的固定外轴。这通过相对简单的方式允许定子装置的双侧支撑，具有总体上考虑了气隙宽度的保持和定子装置轻重量设计的优点。转子装置实质上围绕定子装置设置并在前侧至少间接地附连到可旋转内轴、毂或所述两者，其中可旋转内轴通常由两个主轴承支撑在固定外轴内。这样就实现了紧凑、重量相对轻以及简化且不太昂贵的设计。

根据本发明的实施例，转子装置在后侧被支撑轴承（也就是第三轴承）至少间接地连接至固定外轴。这样，转子装置也具有两侧支撑。据此，至少简化了所需的在定子装置和转子装置之间，尤其是为了发电而彼此相对设置的定子装置和转子装置的元件之间的实质上恒定气隙宽度的保持。通过这样的方式，转子装置和定子装置的双侧支撑得以实现，其相对于前述的旋转轴设计尤其是相对于四轴承设置而言省去了一个轴承。因此，该风力涡轮机的设计被简化且不太昂贵。

这种三轴承结构有时可能是静态不确定的。在这种情况下，由安装公差引起的任何不对准或由可旋转内轴、固定外轴和/或直接驱动发电机作为整体受到的重力或外部负载所产生的任何变形，将可能潜在地引起风力涡轮机的三个轴承之间不均匀的负载分布，继而可能导致过早的轴承故障。

因此，根据本发明的实施例，转子装置包括前端板，其至少间接地连接至可旋转内轴、风力涡轮机的毂或者所述两者。该前端板优选相对于可旋转内轴的中心轴线大致垂直地设置，和/或沿可旋转内轴的中心轴线方向在一定适当程度上是至少部分柔性的。因此，在本发明的该实施例的情况下，通过在可旋转内轴的中心轴线方向上建立转子装置前端板的足够的柔性，消除了三轴承设置的静态不确定性的潜在问题。由此，前端板的作用类似于膜，其沿径向方向实质上稳固地支撑转子装置以保持气隙，并易于挠曲以使得例如可旋转内轴和固定外轴能够在没有较大阻力的情况下弯曲。

在本发明的变型中，前端板为环形端板，尤其是基本为平的。优选地，前端板由钢或玻璃纤维制成。根据本发明的另一变型，前端板具有大约15-50mm的厚度，优选20-30mm。因此，前端板的尺寸取决于例如前端板的材料和/或结构，以使得前端板具有相当小的抗弯刚度。例如当可旋转内轴由于偏转而产生些许移动的时候，其易于被动地挠曲，同时保持了气隙的宽度。

根据本发明的另一实施例，转子装置包括环形的尤其是平的后端板，其由支撑轴承或第三轴承至少间接地连接至固定外轴。根据本发明的变型，后端板由钢或玻璃纤维制成。

根据本发明的又一变型，转子装置包括中空圆柱体元件。通常，该中空圆柱体元件将前端板和后端板互相连接。

在本发明的实施例种，转子装置包括至少一个永磁体。通常，多个永磁体布置在中空圆柱体元件的圆柱状内侧。

在本发明的又一实施例中，定子装置包括：定子支撑结构，其至少间接地附接于固定外轴；以及至少一个设置在定子支撑结构上的带有至少一个绕组的叠片堆。带有绕组的叠片堆相对于转子装置的永磁体设置，两者之间具有气隙。通常，气隙具有大约5mm的实质上恒定的宽度。

在本发明的变型中，固定外轴至少间接地设置在风力涡轮机的底板上。优选地，该固定外轴附连于设置在底板上的保持装置。

在本发明的又一变型中，支撑轴承为四点轴承。这种四点轴承能够在两个轴向方向上传递高轴向负荷，并因此具有现有三轴承设置的能力。

附图说明

通过参考示出了本发明风力涡轮机的一部分的示意性附图，将在下文中对本发明进行更详细地描述。

附图示例性地示出了本发明风力涡轮机1的实施例，其包括设置在风力涡轮机1的塔3的迎风侧的直接驱动发电机2。

具体实施方式

塔法兰4设置在塔3的顶部。底板5附接于塔法兰4。风力涡轮机1以非明示的方式包括偏航系统，其用于使风力涡轮机1的底板5连同直接地或间接地附接到底板5的风力涡轮机1的其它部件一起围绕塔3的轴线Y转动。

风力涡轮机1包括固定外轴6。固定外轴6的后侧与附接于底板5的保持装置7附连。在固定外轴6的前侧，设置有直接驱动发电机2的定子装置8。定子装置8包括定子支撑结构9和带有绕组11的叠片堆10。定子支撑结构9包括两个支持件12，用于叠片堆10的两侧支撑。在本发明当前实施例的情形中，支撑件12为例如通过螺栓连接而附接于固定外轴6的外侧的环形支撑件12。环形支撑件12可以是紧凑的或者可以包括轮辐或轮辐结构。一种中空圆柱支撑件13附接到环形支撑件12的外端。中空圆柱支撑件13承载带有绕组11的环形叠片堆10。叠片堆10可包括环节段形状的叠片堆节段，每个节段具有至少一个绕组11，所述节段整体构成叠片堆10。

具有中心轴线A的可旋转内轴14设置在固定外轴6的内部并且被抵靠固定外轴6的两个主轴承15、16可旋转地支撑。在本发明的当前实施例的情形中，中心轴线A是可旋转内轴14和固定外轴6的共同中心轴线A。毂17连接到可旋转内轴14的前端，例如通过螺栓来连接。毂17包括三个安装器件18，用于三个未示出但公知的风力转子叶片。因此，可旋转内轴14可连同毂17一起旋转。

转子装置19实质上围绕定子装置8设置。在本发明当前实施例的情形中，转子装置19包括环形前端板20、环形后端板21以及将环形前端板20和环形后端板21互相连接的中空圆柱元件22。在中空圆柱元件22的内侧包括实质上相对于叠片堆10设置的多个永磁体23。具有约5mm宽的气隙24位于永磁体23和叠片堆10之间。

在本发明当前实施例的情形中，环形前端板20通过例如螺栓连接而连接至毂17以及可旋转内轴14。环形后端板21通过第三轴承即所谓的支撑轴承25连接至固定外轴6。因此，转子装置19也具有两侧支撑。另外，转子装置19可连同毂17以及可旋转内轴14一起旋转，其中具体地，永磁体23相对于叠片堆10旋转以产生电力。

为了避免包括两个主轴承15、16和支撑轴承25的三轴承设置出现静态不确定的情况，转子装置19的前端板20在中心轴线A的方向上具有足够的柔性。因此，前端板20像膜一样在径向方向上充分稳固地支撑转子装置19以保持气隙24的宽度，并易于挠曲以允许例如可旋转内轴14和固定外轴6在不具有较大阻力的情况下弯曲。前端板20具有的尺寸使得其具有相当小的抗弯刚度。其易于被动地挠曲，例如当可旋转内轴14由于偏斜而产生些许移动时。因此当彼此通过主轴承15、16连接的可旋转内轴14和固定外轴6产生弯曲时，前端板20沿中心轴线A的方向弯曲，其中气隙24的宽度被保持为实质上恒定或位于所需的公差内。

前端板20通常由钢或玻璃纤维制成，并具有约15-55mm的厚度，优选20-30mm。转子装置19的后端板21也可由钢或玻璃纤维制成。通常后端板21具有比前端板20更大的厚度。

在本发明的实施例中，支撑轴承为四点轴承，其可在中心轴线A的两个方向上传输高的轴向负载。

除了重量轻、相对简易和低成本设计的优点，三轴承设置优于现有风力涡轮机设计的附加优点在于其可为界定明确的密封装置提供预处理，当直接驱动发电机2位于塔的迎风侧时尤为如此。因此，将更易于为发电机2构建充分的整体封闭，这对海上应用以及其它困难环境尤为重要。

另外，所述的风力涡轮机1包括通常称为机舱的壳体H。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，包括：

-包括内部定子装置（8）和外部转子装置（19）的直接驱动发电机（2），

-固定外轴（6），和

-具有中心轴线（A）的可旋转内轴（14），

其中

-至少两个主轴承（15，16）在固定外轴（6）的内部支撑可旋转内轴（14），

-定子装置（8）设置在固定外轴（6）的外部，以及

-转子装置（19）实质上围绕定子装置（8）布置且在前侧至少间接地附连到可旋转内轴（14）和/或风力涡轮机（1）的毂（17）。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中转子装置（19）在后侧被支撑轴承（25）至少间接地连接至固定外轴（6）。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中转子装置（19）包括至少间接地附连至可旋转内轴（14）和/或风力涡轮机（1）的毂（17）的前端板（20），其中该前端板（20）沿可旋转内轴（14）的中心轴线（A）的方向在一定程度上是至少部分柔性的。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中前端板（20）为环形端板（20）。

5.根据权利要求3或4所述的风力涡轮机，其中前端板（20）由钢或玻璃纤维制成。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的风力涡轮机，其中前端板（20）具有大约15-50mm的厚度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的风力涡轮机，其中转子装置（19）包括环形后端板（21），其被支撑轴承（25）至少间接地连接至固定外轴（6）。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中后端板（21）由钢或玻璃纤维制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的风力涡轮机，其中转子装置（19）包括中空圆柱体元件（22）。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中中空圆柱体元件（22）将前端板（20）和后端板（21）互相连接。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的风力涡轮机，其中转子装置（19）包括至少一个永磁体（23）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的风力涡轮机，其中定子装置（8）包括定子支撑结构（9，12，13）以及至少一个设置在定子支撑结构（9，12，13）上的带有至少一个绕组（11）的叠片堆（10）。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的风力涡轮机，其中固定外轴（6）至少间接地设置在风力涡轮机（1）的底板（5）上。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中固定外轴（6）被附连至设置在底板（5）上的保持装置（7）。

15.根据权利要求2至14中任一项所述的风力涡轮机，其中支撑轴承（25）为四点轴承（25）。

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