CN102308086A - 风轮机和用于监测风力涡轮发电机的转子和定子之间的间隙的长度的方法 - Google Patents

风轮机和用于监测风力涡轮发电机的转子和定子之间的间隙的长度的方法 Download PDF

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Abstract

风轮机(1)包括具有发电机转子(9)和发电机定子(25)的发电机部分(6)。第一气隙(26)被限定在发电机转子的第一表面(23)和定子(25)之间，磁体和导电绕组被设置在第一气隙(26)的相对的侧部处，以便在工作期间形成在第一气隙之上的磁场。风轮机(1)包括设置成测量被限定在发电机转子的第二表面(36)和发电机部分(6)的固定部分(35)之间的第二气隙(33)的径向长度的距离测量装置(34)。第二气隙(33)位于离第一气隙(26)一定径向距离处，处于不受由第一气隙(26)之上的磁体所产生的磁场干扰的位置，并且第二气隙(33)的长度直接对应于第一气隙(26)的长度。这样能够实现对气隙的长度进行精确的测量和监测。还公开了监测风力涡轮发电机的转子和定子之间的间隙的长度的方法。

Description

风轮机和用于监测风力涡轮发电机的转子和定子之间的间隙的长度的方法
技术领域
本发明涉及包括发电机的风轮机，该发电机具有发电机转子和定子，在定子和发电机转子之间有间隙，并且在间隙的相对的侧部处有磁体和导电绕组。本发明还涉及监测间隙的长度的方法，特别是在风轮机运转的过程中。
背景技术
通常，风力涡轮发电机包括具有两个或三个叶片的转动件，虽然风轮机也可具有一个叶片、四个叶片或更多叶片。转动件通常被安装至塔的顶部上的机舱内的轴。连接至可转动的毂的叶片将机械风能转变为驱动发电机的发电机转子的机械转动扭矩。发电机转子可以通过变速箱连接至转动件，或者连接可以是无传动装置的，如在所谓的直接驱动风轮机中。发电机将转动机械能转换为电能，该电能被输入公共电网。
通常发电机包括发电机转子和定子，两者被圆筒形的气隙隔开。在运转过程中，由多个磁体产生的磁场经过气隙部分。磁体可以例如是永磁体，安装在转子上的缠绕磁体，和/或者是在转子铁(rotor iron)内感应产生的电流。经过气隙的磁场的有效传导至少部分地取决于气隙的长度。在本文中，气隙的长度是转子表面和定子表面之间的径向距离。
在运转过程中，转动件上的负载由风力通过叶片传入。这些负载能够以改变气隙的长度或者使气隙变得不均匀的方式使发电机转子偏转。如果径向的气隙的长度变得太小，转子和定子元件就可以碰撞，导致对发电机严重损坏。
EP1870566 A1公开了带有包含定子和转子的发电机的风轮机。在定子和转子之间的气隙通过多个传感器而被测量，并通过叶片倾角控制器而被调节。在风轮机运转的过程中，在气隙中产生强磁通量。这妨碍了对气隙的长度进行准确且可靠的测量。而且，由于传感器被设置在气隙附近，所以传感器不能容易地更换。
发明内容
本发明的目的是提供具有气隙测量系统的风轮机，尽管有强磁通量，但该气隙测量系统依然能够在运转的过程中准确地测量发电机气隙的长度。
本发明的目的用包括发电机的风轮机实现，该发电机具有转子和定子，在转子的第一表面和定子之间有间隙，并且在间隙相对的侧部处有磁体和导电绕组，其中风轮机包括一个或多个距离测量装置，以便在离间隙一定径向距离处、不具有磁体和绕组的位置测量转子第二表面和发电机固定部分之间的距离(L′)。这样，间隙长度就能够在有效地降低由磁体磁场产生的干扰的位置处被准确地测量。
优选地，将距离测量装置设置在由磁体产生的磁场的范围外，以便测量转子的第二旋转表面和发电机的固定部分之间的距离，而不受到由在间隙之上的磁体所产生的磁场的有效干扰。在距离测量装置的位置处，磁场的强度太小以至于不能将测量的准确性降低到不能接受水平。
在一个实施例中，发电机转子包括面对定子的第一表面的外表面和面对定子的第二表面的内表面，从而形成了在运转过程中产生的磁场的范围外的第二间隙。这样，定子包围转子。在这种情况下，转子的内表面可以包括沿第二定子表面方向延伸的凸缘。这样，能够在离第一气隙中产生的磁场的安全距离处形成第二间隙。
在一个替代的实施例中，定子包括面对发电机转子的第一表面的外表面，和面对发电机转子的第二表面的内表面，从而在运转期间所产生的磁场的范围外形成第二间隙。在这个实施例中，定子被发电机转子包围。
为了获得更加可靠的在气隙的整个外周之上的间隙的长度测量值，可以例如在两个、三个或者更多的位置(可以是在圆周上等距的)测量气隙的长度。如果使用两个距离测量装置，它们可设置成沿两个互相垂直的维度测量距离。
第二气隙可以具有与在定子和发电机转子之间的第一气隙相同量级的长度，或者如果需要的话，它可以更小或更宽。
距离测量装置可以例如是非接触传感器，如感应接近传感器、电容接近传感器、或光学距离传感器。也可以将三种类型的传感器结合来使用。
风轮机可以还包括气隙调整组件，气隙调整组件设置成响应来自距离测量装置的信号来调节气隙的长度。气隙调整组件可以例如包括用于调节一个或多个叶片的螺旋角的倾角驱动装置。这样，在叶片上的负载可以被减少或增大，而且能够获得更均衡的负载分布状态，从而产生更均匀的气隙的长度。叶片例如可以是单独倾斜或是同步倾斜。
这种气隙控制系统有助于实现高效率的和有效的机械负载转移方案。该空气控制系统还提高了发电机的效率和可靠性，而且能够有效地降低风轮机的维护、维修和停机成本。
附图说明
现仅通过实例，参考附图，描述本发明的实施例，其中：
图1：示出根据本发明的风轮机的剖面图；
图2：以剖面图的方式示出在图1中的风轮机的发电机的上半部分。
具体实施方式
图1是根据本发明的示例性的风轮机1的剖面图。风轮机1包括具有可转动的毂3的转子2。三个转子叶片4附接至毂3。风轮机1包括机舱5和发电机部分6。发电机部分6包括连接至机舱5的定子8和通过轴承环16连接至毂4的发电机转子9。机舱5安装在塔10的顶部上，塔10受底面(例如平台或海底)支撑。
机舱5能借助于偏摆驱动器是可转动的。在运转过程中，机舱5转动以便使转子2朝向风向(在图1中用箭头W指示)。
发电机部分6在图2中更详细地示出。发电机部分6包括用螺栓固定至机舱5的机舱侧部7和用螺栓固定至毂3的毂侧部12。中空的圆锥形托架11中心地贯穿发电机部分6。圆锥形托架11具有在机舱侧部7处的大直径底座13和在距离毂侧部12较短距离的小直径部分14。圆筒形延长环15安装在小直径部分14上，形成被圆筒形环16围绕的轴承固定滚道，圆筒形环16形成轴承的旋转的轴承滚道。圆筒形凸缘17被安装在圆筒形环16的一个侧部上，从而将环16连接至毂3。在环16的另一侧部上，环16用螺栓固定至圆筒形发电机转子9的向内延伸的径向凸缘18。圆筒形转子9还包括在离第一径向凸缘18一定距离位置处的第二向内延伸的径向凸缘20。第二径向凸缘20具有面对着圆锥形托架11的外壁上的肋状件22的自由外端部21。圆筒形发电机转子9的外表面23设置有在其全部外周上的一组平行的永磁体。圆筒形定子25设置有带有绕组的内表面24，内表面面对转子9的外表面23。在转子外表面23和定子内表面24之间是径向长度为L的气隙26。圆筒形定子25附接至圆筒形外壁27，圆筒形外壁27在一个端部处被第一径向延伸的环形端壁28罩住，端壁28使其内周边缘29连接至圆锥形托架11的底座13。圆筒形外壁27在另一端部处被径向延伸的端壁30封闭，端壁30具有内周边缘31，内周边缘31带有气封件32，以便相对于周围的空气密封发电机部分6的内部。
在风的作用下，转子叶片4转动毂3和发电机转子9，以便将来自风的动能转换成机械能。转子9上永磁体的旋转在定子25的绕组内感应产生电压。所获得的电能随后被输入公共电网。
肋状件22包括形成固定的发电机表面35的上表面，该表面面对在凸缘20的外端部21处的内转子表面36。在内转子表面36和所面对的第二固定的发电机表面35之间是第二气隙33。第二气隙33的长度L′直接对应圆筒形转子9的外表面和定子25的内表面之间的第一气隙26的长度L。当第一气隙26的长度L变得更小时，在第二气隙33的最近点处的长度L′变得更大，并且在第二气隙33的最远点处的长度L′变得更小。为了监测第一气隙26的长度L而不受转子9的永磁体引起的磁场产生的大量干扰，在三个等距离设置的位置上用三个传感器34测量凸缘20的外端部21与托架11的肋状件22之间的距离。
在示例性实施例中，风轮机1是无齿轮直接驱动的风轮机。替代地，风轮机可以是变速箱驱动的风力涡轮发电机。
叶片4的螺旋角是确定相对于风向的叶片取向的角度。螺旋角受响应测量参数(例如转子转速，风速和风向)的倾角驱动装置控制。可选地，每个叶片4的斜度能够单独地控制。对于每个叶片4，倾角驱动系统包括倾角驱动电动机40和传动装置(未示出)，传动装置能够使电动机40沿纵向轴线通过轴承(未示出)来转动叶片4。
当风力使电动机与叶片4一起转动时，叶片4受到离心力和各种弯矩以及应力。风施加给叶片4的力的量以及风力涡轮发电机2的转速能够通过调整叶片4的螺旋角来调节。
多个距离测量传感器34被设置在第二气隙33中，以便测量间隙33的长度。传感器34可以例如是电容性接近探测器。传感器34能够可操作地连接至将电源和信号传输电缆。
当第二间隙33保持基本不变时，传感器34的电容值也基本不变，并且传感器34传送基本不变的测量信号。如果气隙33的长度改变，传感器34的电容值就会改变，并且从传感器34传送的测量信号也会改变。
传感器34设置成测量肋状件22与凸缘20的外端部22之间的气隙33的径向长度。传感器34能够通过电缆连接和/或无线方式与数据处理装置通信，例如，通过在无线电频率(RF)波段内工作的发射机和接收机的网络，该网络可用来限定输入通道。可选地，能够使用蓝牙技术。分线盒能够被设置成接收多个传感器电缆。
数据处理装置可以包括一个或多个处理器以及存储器、输入通道、输出通道，还可以包括计算机，或类似种类的可编程电路。输出通道可以例如是电缆或在无线电频率(RF)波段的预定部分内工作的发射机和接收机的无线电网络。
数据处理装置处理来自传感器34的距离测量信号。数据处理装置的存储器存储并传递信息和处理器所执行的指令。
控制系统还包括到通向数据处理装置的反馈通道。反馈通道将涉及螺旋角的信息传送到数据处理装置。
在运转过程中，由风力在叶片4内部产生弯曲负载和应力。这些负载从叶片4通过毂3和轴承环16传递到发电机转子9。在一些情况下，传递到发电机转子9内部的负载使发电机转子9偏转，以便气隙26的尺寸改变并且接近预定的公差。第二气隙33的长度相应地改变。传感器监测气隙33的长度并传送测量信号给数据处理装置。测量信号通常是通过在数据处理装置内部的至少一个固有的换算法而转换成尺寸测量值的电压或电流信号。
数据处理装置使用固有的比较算法将该尺寸测量值与预定的值比较。如果检测到任何偏差，处理器产生调节信号，该调节信号被转换成输出信号。输出信号被传送到叶片倾角驱动装置40。倾角驱动装置使叶片4重新定位以便调整螺旋角，螺旋角反过来调整由风施加给叶片4的力的量。
倾角驱动装置向数据处理装置传送反馈信号。相应地，数据处理装置调整传送给倾角驱动装置的输出信号的大小和持续时间。由于叶片螺旋角被改变，叶片的负载也改变了，这随后改变了传递到发电机转子9的负载。对于气隙33的长度的测量贯穿叶片斜度调整的过程，而且传送到数据处理装置的测量信号有助于调节传送到倾角驱动装置的输出信号的大小和持续时间。当气隙33的长度设定成预定值时，倾角驱动装置保持叶片4的螺旋角。

Claims (13)

1.一种风轮机(1)，其包括具有发电机转子(9)和定子(8)的发电机(6)，在定子和发电机转子的第一表面之间有间隙(26)，并且在间隙(26)的相对的侧部上有磁体和导电绕组；其中，风轮机(1)包括一个或多个距离测量装置(34)，以便在离间隙(26)一径向距离处、没有磁体和绕组的位置来测量转子的第二表面和发电机(6)的固定部分之间的距离(L′)。
2.根据权利要求1所述的风轮机，其中，距离测量装置被设置在由磁体产生的磁场范围外，以便不受在间隙(26)之上的磁体产生的磁场的干扰，测量转子的第二转动表面和发电机(6)的固定部分之间的长度(L′)。
3.根据权利要求1或2所述的风轮机，其中，第二转子表面(35)面对固定的发电机表面从而形成第二间隙(33)；其中，第二间隙具有直接对应于第一间隙(26)的长度；其中，距离测量装置(34)设置成测量第二间隙的径向长度。
4.根据权利要求3所述的风轮机，其中，第二间隙(33)形成在转子(9)的内表面处的向内延伸的凸缘(20)和固定的发电机表面(24)之间。
5.根据权利要求1或2所述的风轮机，其中，定子包括面对发电机转子的第一表面的外表面，以及面对发电机转子的第二表面的内表面，从而形成第二间隙；其中，第二间隙具有的长度直接对应于第一间隙的长度；其中，距离测量装置(34)设置成测量第二间隙的径向长度。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的风轮机，其中，转子和发电机(6)的固定部分之间的长度(L′)在两个或多个位置处被测量。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的风轮机，其中，一个或多个距离测量装置包含非接触式传感器。
8.根据权利要求7所述的风轮机，其中，非接触式传感器是感应接近传感器、电容接近传感器或光学距离传感器。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的风轮机，其中，风轮机包括气隙调整组件，设置气隙调整组件被配置成响应来自距离测量装置的信号调节气隙长度。
10.根据权利要求9所述的风轮机，其中，气隙调整组件包括倾角驱动控制器。
11.一种监测在发电机转子和定子的相对的表面上的磁体和导电绕组之间的第一间隙(26)的长度的方法，其中，通过在离第一间隙(26)一距离处测量在转子的第二表面和发电机的固定表面之间的免受磁体和绕组影响的至少一个辅助的第二间隙的长度来间接地测量间隙长度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一间隙和第二间隙之间的距离被设置成有效地使距离测量装置免受由磁体产生的磁场的干扰。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，在至少三个位置上测量第二间隙的长度。
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