CN102237751A - 机电装置 - Google Patents

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Abstract

一种机电装置，包括用于连接到外部旋转元件的机械接口结构(101)、电力机器(102-104，117)以及在机械接口结构和电力机器的转子之间的机械动力传动路径上的一个或者多个齿轮级(105-112)，其中该机电装置进一步包括用于将电力机器的转子(103)以可旋转方式连接到机电装置的结构的轴承装置(118，119)，该轴承装置承受转子的轴向力和径向力以及至少部分地承受被直接连接到转子的齿轮级的驱动轴(112)的轴向力和径向力。

Description

机电装置
技术领域
本发明涉及一种机电装置，该机电装置是一个或者多个齿轮级和旋转电力机器的组合。更加精确地，本发明涉及这种机电装置的轴承构造和结构。
背景技术
在很多发电系统中，根据各种设计和构造方面的观点，可能有利的是经由齿轮箱将发电机连接到原动机例如风轮机，该齿轮箱被布置成将原动机的转速转换成适用于发电机的速度范围。相应地，在很多马达应用中，可能有利的是经由齿轮箱将电动机连接到致动器，该齿轮箱被布置成将电动机的转速转换成适用于致动器的速度范围。齿轮箱可以包括一个或者多个系列的、被连接的齿轮级，借助于所述齿轮级来实现所期齿轮比。每一个单一齿轮级均能够是例如行星齿轮级或者圆柱齿轮级。
除了别的以外，与齿轮箱和能够是发电机和/或马达的电力机器的组合有关的挑战性设计方面是所述组合的尺寸和重量。进而，与例如无齿轮系统的相比，用于润滑、冷却和监视齿轮箱和电力机器的组合的设备可能是复杂的。例如润滑系统的可靠性可能要求特殊的关注，因为，如不言而喻地，齿轮箱的润滑系统和电力机器的润滑系统必须同时地适当地工作从而润滑系统的组合适当地工作。因此，为了获得足够有效的或者组合的可靠性，齿轮箱的和电力机器的润滑系统的可靠性分别地必须显著地高于无齿轮系统的单一润滑系统将要求的可靠性。然而齿轮箱，特别地在很多风力应用中，使得使用尺寸和重量比相应的无齿轮系统的电力机器显著地更小的电力机器成为可能。因此，关于使用齿轮箱还是具有无齿轮系统的选择依赖于很多不同的方面，其中的很多方面或多或少地相互折衷。齿轮箱提供很多优点，并且因此需要提供用于减轻或者甚至消除与齿轮箱的使用有关的缺陷的技术方案。
在很多特殊应用中，例如、举例来说在风轮机中，电力机器例如发电机或者电动机与齿轮箱的组合的尺寸和重量是至关重要的，因为这些特征影响直接地与这个组合有关的很多其它设计方面。除了别的以外，这些设计方面包括用于所述组合的支撑结构以及所述组合需要的空间。
因此，对于齿轮箱和电力机器的、更小的和更轻的组合而言存在高要求。
还应该指出，在本申请上下文中的电力机器可以是发电机或者电动机。
发明内容
在本发明中，有利地利用机电装置的集成构造减小了由具有一个或者多个齿轮级的齿轮箱和电力机器构成的机电装置的重量和尺寸。
根据本发明的机电装置包括：
-用于将机电装置连接到外部旋转元件的机械接口结构，
-电力机器例如发电机或者电动机，
-在机械接口结构和电力机器的转子之间的机械动力传动路径上的一个或者多个齿轮级，和
-电力机器的转子轴的轴承装置，该轴承装置还至少部分地承受被直接连接到转子轴的齿轮级的驱动轴的轴向力和径向力。
上述机电装置是被集成到单一单元中并且利用至少一个公共轴承元件的电力机器和一个或者多个齿轮级的组合。因此，该轴承装置能够比其中存在用于齿轮箱的和用于电力机器的、独立的轴承的传统轴承系统更加简单和更加可靠。进而，根据本发明的机电装置的尺寸和重量能够小于传统的电力机器和齿轮箱组合的尺寸和重量。
在根据本发明的一种方案中，转子的轴承有利地位于转子轴和机械结构之间，该机械结构被固定地连接到被直接连接到转子的齿轮级的框架。所述机械结构还可以作为框架的一部分被集成在齿轮级的框架中。
本发明还使得将机械动力传动路径的一个或者多个齿轮级的润滑系统与电力机器的润滑组合成为可能。这有利地通过将齿轮级或者多个齿轮级的润滑空间与电力机器的润滑空间组合而得以实现，电力机器的润滑空间带有被设置在机械结构中的润滑剂流道，该机械结构被固定地连接到被连接到转子的齿轮级的外部框架，并且转子被以可旋转方式连接到该机械结构。
本发明非常适用于通常由两个行星齿轮级和发电机构成的风轮机。
在权利要求1的特征部分中更加精确地公开了表征根据本发明的方案的特征。在从属权利要求中公开了其它有利的实施例。
附图说明
在实例的意义上并且参考附图在下面更加详细地说明了本发明的示例性实施例和它们的优点，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的机电装置的概略截面视图；并且
图2示出根据本发明的一个实施例的机电装置的概略截面视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个有利的示例性实施例的机电装置的概略截面视图。该机电装置包括用于连接到外部旋转元件的机械接口结构101，该外部旋转元件能够例如但并不是必要地是风轮机。该机电装置包括用于将机械动力转换成电力或者反过来的电力机器。该电力机器包括设有定子绕组的叠片定子铁心102。该电力机器包括转子，该转子包括中央部或者转子的轴117、框架103和被安装在框架的外表面上的永磁体104。当然，转子轴117和框架103是单一、整体件也是可能的。该机电装置包括在机械接口结构和电力机器的转子之间的动力传动路径上的一个或者多个齿轮级。齿轮级被布置成将外部旋转元件例如风轮机的转速转换到适用于电力机器的速度范围。该机电装置包括被布置成支撑齿轮级的元件和电力机器的元件的机械结构113、114和115。
机械结构113、114和115构成用于齿轮级和电力机器这两者的公共润滑油室。在该机电装置中，存在油道116a，油道116a用于引导在机电装置中循环的润滑油的至少一部分经由齿轮级流动和引导润滑油的至少一部分经由电力机器的轴承118和119流动。油道116b被布置成从机电装置移除润滑油从而使得润滑油的循环是可能的。图1所示轴承是滚动轴承。然而，应该指出任何轴承均能够同样是滑动轴承，或者任何其它类型的适当的轴承。如何将润滑油划分成经由齿轮级流动的部分和划分成经由电力机器的轴承流动的部分的方式依赖于油道的布置。油道可以例如被以如此方式布置，使得润滑油首先经由齿轮级并且然后经由电力机器的轴承流动，或者被以如此方式布置，使得存在用于齿轮级和用于电力机器的平行流动路线，或者能够存在这些布置的一种混合布置。上述的并且在图1中示意的机电装置实际上是被集成到单一单元中并且利用公共润滑系统的一个或者多个齿轮级和电力机器的组合。因此，该润滑系统能够是比其中存在被相互连接的、独立的齿轮箱单元和独立的电力机器单元的传统布置的该润滑系统更加简单和更加可靠的。进而，上述机电装置的尺寸和重量能够小于上述传统布置的尺寸和重量。
在图1中示意的、根据本发明的示例性实施例的机电装置中，齿轮级由第一行星齿轮级和第二行星齿轮级构成。第一行星齿轮级包括行星轮架105、齿圈106、行星轮107和太阳齿轮轴108。第二行星齿轮级包括行星轮架109、齿圈110、行星轮111和太阳齿轮轴112，该太阳齿轮轴112作为第二齿轮级的驱动轴操作。第一行星齿轮级的行星轮架105构成被布置成从原动机接收机械动力的机械接口结构101的一部分。因此，第一行星齿轮级的行星轮架105被原动机旋转。齿圈106是静止的。第一行星齿轮级的太阳齿轮轴108被连接到第二行星齿轮级的行星轮架109。因此，第二行星齿轮级的行星轮架109被第一行星齿轮级的太阳齿轮轴108旋转。齿圈110是静止的。第二行星齿轮级的太阳齿轮轴112利用联接件130而被连接到电力机器的转子的转子轴117。联接件130有利地是弧形的从而允许在太阳齿轮轴112的旋转轴线和电力机器的转子的中央部117的旋转轴线之间的某些不对准。因此，联接件130能够被布置成移除否则将由可能的不对准而对于轴承118和119引起的、另外的负荷。进而，联接件130允许在操作期间改变对准。转子的中央部117包括用于将润滑油输送到联接件130的油道116d。因此，电力机器的转子被第二行星齿轮级的太阳齿轮轴112旋转。行星齿轮级具有优选地但是并不是必要地浮动太阳齿轮轴108和112以及在太阳齿轮轴108和行星轮架109之间以及太阳齿轮轴112和转子轴117之间的弧形的联接件，从而针对在太阳齿轮轴108和112的旋转轴线的方向和电力机器的转子的旋转轴线的方向之间的可能的相互偏离提供容差，即针对可能的对准非理想性提供容差。在图1所示机电装置中，第二行星齿轮级的太阳齿轮轴112在第二行星齿轮级的行星轮111的支撑下和在电力机器的转子的转子轴117的支撑下浮动。第一行星齿轮级的太阳齿轮轴108在第一行星齿轮级的行星轮107的支撑下和在第二行星齿轮级的行星轮架109的支撑下浮动。然而，利用轴承安装太阳齿轮轴之一或这两者也是可能的。除了轴承和齿轮级，润滑系统润滑在齿轮级和电力机器之间的联接件，即在太阳齿轮轴112和转子轴117之间的联接件。
如能够从图1看到地，包括轴承118和119的电力机器的轴承系统不仅支撑电力机器的转子而且还支撑第二行星齿轮级的太阳齿轮轴112。联接件130有利地被布置成将轴向力从齿轮级传递齿轮级和电力机器所共用的轴承118和119。因此，轴承118和119的轴承系统被用于不仅支撑电力机器的转子而且还至少部分地支撑第二齿轮级。因此，轴承的数目能够小于在其中存在被相互连接的、独立的电力机器单元和独立的齿轮箱单元的传统布置中的数目。进而，与上述传统的布置相比，用于旋转轴、被密封的引入部的数目减少。唇形密封件135被布置成密封构成用于齿轮级和电力机器这两者的公共润滑油室的润滑油室。
应该指出，利用轴承118和119支撑电力机器的转子103和至少部分地支撑第二齿轮级在本发明上下文中意味着轴承118和119承受由电力机器的机电力引起的转子的轴向力和径向力以及至少部分地承受由齿轮级的齿轮引起的太阳齿轮轴112的轴向力和径向力。
根据本发明的一个实施例的机电装置包括用于附接到外部机械结构的、在机电装置的外表面上的连接元件120。该外部机械结构能够例如是在风力发电站的塔顶处的机器室中的安装平台。机电装置的机械结构包括相对于连接元件支撑电力机器的定子102的第一机械结构113、相对于连接元件支撑第二行星齿轮级的齿圈110的第二机械结构114和相对于第二行星齿轮级的齿圈支撑电力机器的转子的第三机械结构115。如能够从图1看到的，第一机械结构113被布置成将由作用于电力机器的定子102上的电磁力引起的张力传递到连接元件120，从而张力被布置成避开支撑第二齿轮级和转子的机械结构。因此，由于例如电气瞬态而作用于定子上的力引起的张力被直接地从定子102传递到连接元件120并且由此传递到外部机械结构。
在图1的实施例中，静止齿圈106形成第一齿轮级的框架的一部分，并且静止齿圈110形成第二齿轮级的框架的一部分。应该指出，在本发明上下文内，静止齿圈106和110能够被封装在齿轮级的框架内，或者这些齿圈能够是可旋转齿圈，由此它们必须被框架封装。因此，除了齿圈106和110之外，在图1的实施例中包括机械结构114和机械结构115的一部分的齿轮级的框架可以被制造成单一实体。此外，第一和第二齿轮级的框架能够有利地例如在单次铸造中被制造成单一件。用于两个齿轮级的这种单一框架件增强了框架的结构强度，并且允许更好地将力从机电装置内传送到装置的框架并且从那里通过例如连接元件120传送到外部机械结构。包括支撑电力机器的转子103的部分的、整体机械结构115有利地是齿轮级的单一框架件的一部分。
而且，机械结构113能够集成为齿轮级的单一框架实体的一体部分，由此机电装置的整个框架构件能够被制造成单一件。然而，考虑到机电装置的制造、组装和维护，这种框架可能不是最佳的。
电力机器的转子能够利用安全联接件而被连接到第二行星齿轮级的太阳齿轮轴112，该安全联接件被布置成作为对于其中作用在安全联接件上的扭矩超过预定极限值的情况的响应而失去它的接合。利用这种布置，针对由可以例如在短路情况期间发生的电气瞬态引起的扭矩峰值而保护齿轮级的元件是可能的。该安全联接件可以包括例如被布置成作为对于其中作用在安全联接件上的扭矩超过预定极限值的情况的响应而折断的折断销。图1描绘了其中存在螺栓121的一种系统，螺栓121可以是如此细的或者在其它情形中如此弱的，以至当扭矩超过预定极限值时，这些螺栓被折断。因此，螺栓121代表上述折断销。可替代地，该安全联接件可以包括摩擦表面，该摩擦表面例如利用弹簧而被朝向彼此挤压，并且被布置成作为对于其中作用在安全联接件上的扭矩超过预定极限值的情况的响应而相对于彼此滑移。
如能够从图1看到地，转子的框架103具有朝向齿轮级开口的杯形形状。支撑电力机器的转子的机械结构115被布置成延伸到由该杯形形状限定的半封闭空间，并且电力机器的轴承118和119位于由该杯形形状限定的半封闭空间中。这允许轴承118和119靠近转子的质心定位并且还缩短了机电装置的轴向长度。因此，图1所示机电装置的轴向长度能够小于其中存在被相互连接的、独立的电力机器单元和独立的齿轮箱单元的传统布置的总轴向长度。
在很多应用中，根据本发明的一个实施例的机电装置被布置成在倾斜位置中操作，如在图2中所示意的。作为在电力机器的轴向方向和水平线之间的角度的倾斜角度α能够例如但是并不是必要地在4…6度的范围上。第二行星齿轮级的太阳齿轮轴112利用联接件130而被连接到电力机器的转子的中央部117。联接件130有利地是弧形的，从而允许在太阳齿轮轴112的旋转轴线和电力机器的转子的中央部117的旋转轴线之间的某些不对准。因此，联接件130能够被布置成移除否则将由可能的不对准而对于轴承118和119引起的、另外的负荷。进而，联接件130允许在操作期间对准的改变。转子的中央部117包括用于将润滑油输送到联接件130的油道116d。联接件130有利地被布置成将轴向力从齿轮级传递到齿轮级和电力机器所共用的轴承118和119。机械结构115包括返回油道116c，返回油道116c被布置成确保当机电装置处于倾斜位置中时在机械结构115内的润滑油的水平面并不达到旋转引入部的唇形密封件135。
根据本发明的一个实施例的机电装置包括油泵122，油泵122被布置成经由齿轮级和经由电力机器的轴承使润滑油循环。该机电装置可以进一步包括油槽127、用于冷却润滑油的油冷却器元件123、用于预热润滑油的预加热器元件124、用于从润滑油移除杂质的过滤器元件125和用于监视润滑油的状态的传感器元件126。
图1和图2示意其中存在两个齿轮级的机电装置。应该指出，在根据本发明的不同实施例的机电装置中，齿轮级的数目并不是必要地是两个。可能的是，在根据本发明的特定实施例的机电装置中，存在仅仅一个齿轮级，例如行星齿轮级或者圆柱齿轮级，或者存在多于两个齿轮级，每一个齿轮级均能够是行星齿轮级或者圆柱齿轮级。进而，关于行星齿轮级，如在于图1中示意的示例性构造中那样行星轮架旋转并且齿圈是静止的是不必要的。齿圈旋转并且行星轮架是静止的也是可能的。还应该指出，本发明不限于永磁电力机器的使用。被与齿轮系统集成的电力机器同样能够是电磁电力机器。
在以上给出的说明中提供的特殊实例不应该被理解成是限制性的。因此，本发明不仅仅被限制于上述的实施例。

Claims (11)

1.一种机电装置，包括：
-用于连接到外部旋转元件的机械接口结构(101)，
-电力机器(102-104，117)，和
-一个或者多个齿轮级(105-112)，所述一个或者多个齿轮级(105-112)位于所述机械接口结构和所述电力机器的转子之间的机械动力传动路径上，
其特征在于，所述机电装置进一步包括轴承装置(118，119)，所述轴承装置(118，119)用于将所述电力机器的转子(103)以可旋转方式连接到所述机电装置的结构，所述轴承装置承受所述转子的轴向力和径向力以及至少部分地承受被直接连接到所述转子的齿轮级的驱动轴(112)的轴向力，并且，所述驱动轴(112)利用联接件(130)而被连接到所述电力机器的转子(103)。
2.根据权利要求1所述的机电装置，其中所述轴承装置(118，119)位于转子轴(117)和机械结构(115)之间，所述机械结构(115)被固定地连接到被直接连接到所述转子(103)的齿轮级的框架。
3.根据权利要求2所述的机电装置，其中所述机械结构(115)是被直接连接到所述转子(103)的齿轮级的框架的一部分。
4.根据权利要求1所述的机电装置，其中所述轴承装置(118，119)位于转子部(117，103)和齿轮级框架部(115，114)之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的机电装置，其中所述轴承装置(118，119)包括滚动轴承和/或滑动轴承。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的机电装置，其中所述机电装置进一步包括用于所述一个或者多个齿轮级和所述电力机器这两者的公共润滑油室。
7.根据权利要求6所述的机电装置，其中所述机电装置进一步包括用于使润滑油的至少一部分经由所述一个或者多个齿轮级循环和使润滑油的至少一部分经由所述电力机器的轴承(118，119)循环的装置(116a，116b，122)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的机电装置，其中所述联接件(130)是弧形的，以便允许所述太阳齿轮轴(112)和所述转子(103)的旋转轴线之间的不对准。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的机电装置，其中所述一个或者多个齿轮级由第一行星齿轮级(105-108)和第二行星齿轮级(109-112)构成，所述第一行星齿轮级的行星轮架(105)构成所述机械接口结构的一部分，所述第一行星齿轮级的太阳齿轮轴(108)被连接到所述第二行星齿轮级的行星轮架(109)，并且，所述第二行星齿轮级的太阳齿轮轴(112)被连接到所述电力机器(103，104，117)的转子。
10.根据权利要求9所述的机电装置，其中所述电力机器的转子(103)利用联接件而被连接到所述第二行星齿轮级的太阳齿轮轴(112)，该联接件被布置成作为对于作用在所述联接件上的扭矩超过预定极限值的情况的响应而失去其夹持。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的机电装置，其中所述机电装置是风轮机。
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