CN102395781B - 风能设备和用于调节转子叶片的驱动装置 - Google Patents

风能设备和用于调节转子叶片的驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风能设备，其具有转子，所述转子包括安装在吊舱上的转子轮毂和多个转子叶片。发电机与所述转子连接。此外，分别设有用于调节转子叶片的设计成直接驱动机构的电动驱动装置，所述电动驱动装置与转子叶片轴承同心地设置在所述转子轮毂上，并且包括永磁同步电动机。所述同步电动机的定子包括安装在所述转子轮毂上的线圈体。所述同步电动机的转子设置成与定子具有轴向距离，以用于形成轴向延伸的空气隙。此外，所述转子在与转子叶柄连接的支撑板上具有永磁结构。

Description

风能设备和用于调节转子叶片的驱动装置
背景技术
风能设备借助于转子将风的动能转换为电能，以便将所述电能例如馈入电能传输网络中。风流的运动能量作用在转子叶片上，所述转子叶片安装在转子轮毂上，并且在风流中处于转动运动中。所述转动运动直接或借助于传动装置传递到发电机上，所述发电机将运动能量转换为电能。在传统的风能设备中，包括发电机的传动系设置在安装在塔上的吊舱内。
风能设备的转子叶片具有导致压力差的流体动力的轮廓，所述压力差由于在转子叶片的吸入侧和压力侧之间的流动速度差而导致。从所述压力差中产生作用在转子上的扭矩，所述扭矩影响所述转子的速度。
风能设备主要具有水平的旋转轴线。在这种类型的风能设备中，通常情况下借助于伺服电动机进行吊舱的风向跟踪。在此，通过方位轴承与塔连接的吊舱围绕所述塔的轴线转动。
具有三个转子叶片的转子相对于单叶式、双叶式或四叶式转子被普遍接受，因为三叶式转子能够在振动技术上简单地控制。在具有偶数个转子叶片的转子中，通过偏移180°的相对置的转子叶片增强了由于滑流效应作用在转子叶片上的倾覆力，由此获得在机械和材料上的提高的要求。因为在转子叶片上的气流相互影响，所以具有五个或七个转子叶片的转子导致能够以数学的方式相对复杂地说明的空气动力状态。此外，这种类型的转子不能实现性能增加，所述性能增加相对于具有三个转子叶片的转子在经济关系上导致额外耗费。
风能设备常常具有用于调节转子叶片的变桨驱动系统，通过转子叶片的冲角调节改变在转子叶片的吸入侧和压力侧之间的流动速度差。所述流动速度差又影响作用在转子上的扭矩和转子速度。
在传统的风能设备中，转子叶片调节通过液压操作的汽缸或者通过电动机或传动电动机进行。在电动机驱动的调节装置中，从动小齿轮与齿环啮合，所述齿环围绕转子叶片，并且与所述转子叶片在轴承环的区域中连接。从WO 2005/019642中已知一种变桨驱动系统，所述变桨驱动系统具有无传动装置的直接驱动机构，所述直接驱动机构的转子和定子同心地相互插入地设置在一个平面中。但是，所述变桨驱动系统具有的缺点是，转子和定子在它们的尺寸方面必须适配于相应的转子叶片。这很大地限定了从WO 2005/019642中已知的变桨驱动系统的用于不同的转子叶片尺寸的可使用性。
发明内容
本发明基于的目的是，提供一种风能设备，所述风能设备的变桨驱动系统可用于不同的转子叶片尺寸，并且可实现快速的、精确的转子叶片调节，以及提供对此合适的系统部件。
根据本发明，所述目的通过具有在权利要求1中说明的特征的风能设备和通过具有在权利要求11中说明的特征的驱动装置得以实现。在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进形式。
根据本发明的风能设备具有转子，所述转子包括安装在吊舱上的转子轮毂和多个转子叶片。发电机与所述转子连接。此外，分别设有用于调节转子叶片的设计为直接驱动机构的电动驱动装置，所述电动驱动装置与转子叶片轴承同心地设置在转子轮毂上，并且包括永磁励磁的同步电动机。同步电动机的定子包括安装在转子轮毂上的线圈体。同步电动机的转子设置成与定子具有轴向距离，以用于形成轴向延伸的空气隙。此外，所述转子在与转子叶柄连接的支撑板上具有永磁结构。
与传统的变桨驱动系统相比，通过使用具有永磁励磁的同步电动机的直接驱动系统和通过节省维护所需的机械部件，根据本发明达到无磨损的、更精确的和更动态的单独叶片调节。同步电动机的单层式结构类型的一个实施形式可实现所述同步电动机用于多个转子叶片尺寸以及简单地安装，因为能够分开操作转子和定子。当转子和定子分别被分成共同形成转子或定子的扇形组件时，能够实现安装的进一步简化。
根据本发明的一个优选的改进形式，同步电动机的转子和定子设置在分开的平面中，并且包围转子叶片轴承。这可实现变桨驱动系统的特别节省空间的结构。此外，同步电动机例如能够构成为扇形电动机，并且永磁结构能够包括分段地设置在支撑板上的永磁铁，所述永磁铁与线圈体的分段地设置的线圈配合。这可通过使用多个同类的构件实现变桨驱动系统的低成本的制造。
为了保持所述转子叶片的调节，根据本发明的另一有利的实施形式，转子叶片能够借助于楔形机构锁定，所述楔形机构包括可借助于第一和第二楔形体操作的摩擦体。在此，第一和第二楔形体分别具有相互作用的支承面。此外，设有与转子叶片连接的并且能够与所述转子叶片一起围绕所述转子叶片的轴线转动的锁定元件。在第一和第二楔形体之间相对运动的情况下，摩擦体在锁定元件上施加压紧力。借助于楔形机构，转子叶片能够在其调节时简单和安全地锁定。代替楔形机构，可借助于圆锥形的、可电磁解锁的定位螺栓固定在安全的90°位置上。
附图说明
下面借助于附图且借助实施例详细阐述本发明。附图中示出：
图1示出具有根据本发明的变桨驱动系统的风能设备的示意图；
图2示出根据图1的风能设备的变桨驱动系统的细节视图；
图3示出根据图2的变桨驱动系统的转子的细节视图；
图4示出根据图2的变桨驱动系统的定子的细节视图；
图5示出根据图3和4的定子的部段和转子的部段的立体视图；
图6示出用于根据图2的变桨驱动系统的锁定装置的细节视图。
具体实施方式
在图1中示出的风能设备具有转子1，所述转子包括安装在吊舱2上的转子轮毂11和多个转子叶片12，所述转子叶片能够分别借助于一个单独的变桨系统13调节。发电机3的电枢32能够与转子轮毂11一起转动，并且集成在所述转子轮毂中。转子轴承14连接在发电机3的定子31上。
此外，在图1中示出的风能设备具有能量传输装置4，所述能量传输装置包括与转子轴承14同心地设置的用于为设置在转子轮毂11中的变桨系统13供电的旋转变压器。旋转变压器的环形的主要部件41通过转子轴承14与吊舱2连接。主要部件41和转子轴承14能够组合为一个集成的系统部件。此外，旋转变压器包括与转子轮毂11连接的并且能够与所述转子轮毂一起转动的环形的次要部件42。所述次要部件42与发电机3的电枢绕组相邻地且与所述电枢绕组同心地设置。
为了从低频的供电电压产生高频的励磁电压，设有第一变频器43，所述第一变频器连接在主要部件43和在图1中未详细示出的供电电压源之间。此外，能量传输装置4包括用于从高频的变换的励磁电压产生低频的负载电压的第二变频器44。第二变频器44连接在次要部件42和变桨系统13之间。
代替第二变频器可设有用于从高频的变换的励磁电压产生直流电压的整流器，所述整流器连接在次要部件和在转子轮毂中的耗电负载之间。此外，旋转变压器是连接转子与发电机的传动装置的组成部分，并且在转子侧的传动轴端上通过导电的插塞连接提供高频的交流电压。
在图1中示出的风能设备的旋转变压器的主要部件41和次要部件42轴向间隔地设置在分开的平面中，并且具有基本上相同的直径。旋转变压器的空气隙在主要部件41和次要部件42之间轴向延伸，在所述空气隙中通过励磁电压产生高频的电磁场。原则上，主要部件和次要部件也能够相互同心地设置在共同的平面中，并且旋转变压器的空气隙能够在主要部件和次要部件之间径向延伸。
来自变桨系统13的和发向变桨系统13的控制信号和状态信号也能够通过旋转变压器传输。对此替代的是，控制信号和状态信号还能够通过无线局域网(WLAN)连接或另一合适的无线连接传输。
根据设计为电动的直接驱动机构的变桨系统13在图2中的细节视图，设有永磁励磁的同步电动机131，所述同步电动机与转子叶片轴承121同心地设置在转子轮毂11上。同步电动机131的定子132包括可安装在转子轮毂11的环111上的线圈体。同步电动机131的转子133设置成与定子132具有轴向距离，以用于形成轴向延伸的空气隙，并且所述同步电动机的转子在与转子叶柄122连接的支撑环123上具有永磁结构。同步电动机131的转子133和定子132设置在分开的平面中，并且包围转子叶片轴承121。
借助在图3和4中的细节视图可见，同步电动机131构成为扇形电动机(也见图5)。永磁结构包括分段地在支撑环123上围绕转子叶片轴承121设置的的永磁铁135，所述永磁铁与线圈体132的分段地设置的线圈134配合。
为了固定转子叶片的调节装置，设有在图6中示出的锁定装置5。锁定装置5包括能够借助于第一楔形体51和第二楔形体52操作的摩擦体53。第一楔形体51和第二楔形体52分别具有相互作用的支承面511、521。此外，锁定装置包括与转子叶片连接的并且能够与所述转子叶片一起围绕所述转子叶片的轴线转动的锁定元件54，所述锁定元件例如能够模制在支撑环123上或集成在所述支撑环中。当两个楔形体彼此相向地运动时或当一个楔形体朝向另一楔形体移动并且另一楔形体固定时，摩擦体53在锁定元件54上施加压紧力。
本发明的应用不局限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种风能设备，具有：
转子，所述转子包括安装在吊舱上的转子轮毂和多个转子叶片；
与所述转子连接的发电机；
分别用于调节所述转子叶片的设计为直接驱动机构的电动驱动装置，所述电动驱动装置与转子叶片轴承同心地设置在所述转子轮毂上，并且包括永磁励磁的同步电动机；
所述同步电动机的定子包括安装在所述转子轮毂上的线圈体；并且
所述同步电动机的转子设置成与所述定子具有轴向距离，以用于形成轴向延伸的空气隙，并且所述同步电动机的转子在与转子叶柄连接的支撑板上具有永磁结构，并且所述发电机的电枢能够与所述转子轮毂一起转动。
2.如权利要求1所述的风能设备，其中，所述同步电动机的转子和定子设置在分开的平面中，并且包围所述转子叶片轴承。
3.如权利要求1或2所述的风能设备，其中，所述同步电动机构成为扇形电动机，并且其中所述永磁结构包括分段地设置在所述支撑板上的永磁铁，所述永磁铁与所述线圈体的分段地设置的线圈配合。
4.如权利要求1或2所述的风能设备，其中，为了保持所述转子叶片的调节，转子叶片能够借助于楔形机构锁定，所述楔形机构包括能够借助于第一和第二楔形体操作的摩擦体，并且其中，第一和第二楔形体分别具有彼此相互作用的支承面，并且其中，设有与所述转子叶片连接的并且能够与所述转子叶片一起围绕所述转子叶片的轴线转动的锁定元件，并且其中，在所述第一和第二楔形体之间相对运动的情况下，所述摩擦体在所述锁定元件上施加压紧力。
5.如权利要求1或2所述的风能设备，其中，设有与转子轴承同心地设置的旋转变压器，其用于为用于调节转子叶片的驱动装置供电，并且其中，所述旋转变压器包括与所述吊舱连接的主要部件，并且其中，所述旋转变压器包括设置在所述转子轮毂中的并且能够与所述转子轮毂一起转动的次要部件，并且其中，设有用于从低频的供电电压产生高频的励磁电压的第一变频器，所述第一变频器连接在所述主要部件和供电电压源之间，并且其中，设有用于从高频的变换的励磁电压产生低频的负载电压的第二变频器，所述第二变频器连接在所述次要部件和在所述转子轮毂中的耗电负载之间。
6.如权利要求5所述的风能设备，其中，电枢绕组连接在所述旋转变压器的所述次要部件上。
7.如权利要求5所述的风能设备，其中，主要部件和次要部件相互同心地设置在共同的平面中，并且其中，所述旋转变压器的空气隙在主要部件和次要部件之间径向延伸。
8.如权利要求5所述的风能设备，其中，主要部件和次要部件轴向偏移地设置在分开的平面中，并且其中，所述旋转变压器的空气隙在主要部件和次要部件之间轴向延伸。
9.如权利要求5所述的风能设备，其中，所述旋转变压器集成在所述转子轴承中。
10.一种用于调节风能设备的转子叶片的驱动装置，具有：
永磁励磁的同步电动机，所述永磁同步电动机与转子叶片轴承同心地设置在转子轮毂上；并且
所述同步电动机的定子包括能够安装在所述转子轮毂上的线圈体；并且
所述同步电动机的转子设置成与所述定子具有轴向距离，以用于形成轴向延伸的空气隙，并且所述同步电动机的转子在与转子叶柄连接的支撑板上具有永磁结构，
其中，所述驱动装置设计为电动的直接驱动机构，
其中，所述风能设备具有与所述转子连接的发电机；
其中，所述发电机的电枢能够与所述转子轮毂一起转动。
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