CN102449878B - 用于风力涡轮机的发电机 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机或其它转动装置具有形成发电机转子(26)的外周界，其外周界构造有线圈。定子组件(52)定位在所述转子的路径的下周界并且包括定子半部，所述定子半部与移动的转子并排以用于发电。定子半部包括提供与转子基本无摩擦接触的空气轴承，允许自由转子以最小的阻力运动。

Description

用于风力涡轮机的发电机

相关申请的交叉引用

本申请是2009年4月30日提交的美国专利申请序列第12/432,837号的部分继续申请，要求2009年4月20日提交的美国专利申请序列第12/426,494号以及2010年4月19日提交的PCT/US2010/31560的优先权，它们都全部并入本文。

技术领域

本发明涉及一种发电机，该发电机利用风力涡轮机或其它转动装置的周界作为发电机转子以及与转子配合以便发电的定子。

背景技术

风车已经使用了很多代，用于从地面抽水以及用于发电的目的。风车的基本优点在于其使用风的能量以转动具有由风驱动的径向延伸的叶片的叶轮。该转动运动被转换成多种有用的目的。例如，安装在塔上的螺旋桨形式的风力涡轮机被放置在盛行稳定的风的地区并且风力涡轮机被用于发电。

传统的风力涡轮机的叶片很大并且用昂贵的刚性材料制成并且构造成具有从中心轮毂径向延伸的叶片，在叶片的外端没有额外支撑。传统的风力涡轮机叶片以高转速转动并且必须经受由叶片的快速绕转产生的离心力和由风施加到叶片上的悬臂弯曲力。由于叶片的外部以很高的速度运动并且与强风交接，所以叶片越大，它们必须越坚固并且它们变得越昂贵。因此，由于用于更大的叶片的更坚固材料的费用，叶片的长度和宽度实际是有限的。

另一种类型的风力涡轮机是具有由代替上述传统的风力涡轮机的刚性叶片的柔性材料构造的帆翼(sailwing)的风力涡轮机。例如，美国专利4330714、4350895以及4729716公开了不使用刚性螺旋桨叶片而是使用捕捉风的帆的风力涡轮机。帆安装在涡轮机的放射状桅上。这些特定的风力涡轮机包括圆形内缘和外缘，涡轮机的帆既被内缘支撑也被外缘支撑。外缘支撑帆的外部，使得施加到帆上的风力可以被外缘在很大程度吸收，因此如果有施加到帆上的悬臂力的话也很小。这允许风力涡轮机的叶片由更轻的材料、与典型的无叶片涡轮机相比不需要承受较大的应力的材料制成。

上述引用的专利的风力涡轮机构造有绕涡轮机叶轮周向延伸的外围栏(outer rail)。橡胶轮胎或其它转动物体放置在接合所述外围栏的位置，以便转动所述橡胶轮胎，从动轮胎反过来转动发电机的转子。因此，风力涡轮机的转动被用于发电。通常在围绕涡轮机叶轮的下部象限的弧形中可以安装多种叶轮/发电机组件，为了提高的电力生产而采用了大风力涡轮机的尺寸和形状。另外，一些发电机可以断开以便改变施加到风力涡轮机的载荷。

如上所述的现有技术风力涡轮机通过将涡轮机叶轮相对于迎面而来的风转动一角度来控制涡轮机叶轮的转速。典型地，发电机具有最佳的速度范围，在该速度范围中，发动机的运行需要涡轮机叶轮的转动在每单位时间的转数范围内。另外，发电机的驱动包括向发电机的转子施加转动并且克服运行发动机所需要的拖拽力和摩擦力。

因此，希望生产和使用在产生电力过程中拖拽力和摩擦力减小并且当产生电力时允许涡轮机叶轮的转速范围更宽的发电机。

发明内容

简单的说，本发明涉及由转动源发电，例如由大气风提供动力的风驱动的涡轮机，其可以被用于产生转换成电的转动能量。风力涡轮机的支架可以包括直立的塔，涡轮机叶轮绕横向延伸的中心轴可转动地安装在塔上。但是，如果合适，可以使用其它转动装置，例如水力驱动的叶轮和太阳能驱动的叶轮。在下文中，它们有时被称为转动叶轮。

转动叶轮可以绕横向延伸的中心轴安装在支架上。在风力涡轮机的情况下，多个帆翼组件由涡轮机叶轮承载，每个帆翼组件包括由柔性材料例如帆布或玻璃纤维制成的帆翼，从涡轮机叶轮的中心轴径向延伸。帆支撑缆线延伸为基本平行于帆翼的纵轴。形状控制装置可以被用于调整帆翼的节距、扭转和形状。形状控制装置可以包括帆端部支撑件，其连接到帆翼的相对的内端和外端，用于旋转帆翼相对端部中的一个或两个，以选择性地对帆翼给予节距和/或纵向扭转。其它形状控制装置可以包括间隔地定位在帆翼的相对端之间以用于调整支撑缆线之间的距离的展开器杆(spreaderbar)，以及从帆支撑件延伸到缆线以用于调整帆翼的构型的调整缆线(trimcable)。帆翼的形状控制装置在序列号No.12/426,494的母申请中更加详细描述，其公开内容通过引用并入这里。

风力涡轮机叶轮可以包括外周界围栏，所述外周界围栏可以被用于稳定和支撑帆翼，还用于形成用于定子的转子，定子和转子一起用作发电机。

另外，与外周界围栏同轴的中间圆形围栏可以被用于在该位置机械地驱动发电机。发电机在风力涡轮机的中间围栏处的使用允许风力涡轮机以比所述外周界围栏慢的速度驱动发电机。

这里公开的结构和步骤的其它特征和优点可以从下面的说明书和附图得到理解。

附图说明

图1A是风力涡轮机的前视图。

图1B是图1A的风力涡轮机的侧视图。

图1C是图1A和1B的风力涡轮机的顶视图。

图2是类似于图1B的侧视图，但是示出了风力涡轮机的转子和定子的下部的更多细节。

图3是图2中所示的发电机更详细的视图。

图4是发电机的特写图，示出了在其圆形路径(circular path)的底部用作发电机的转子的外周界围栏，还示出了定子的中心部分。

图5是从图4倒转的转子的横截面图。

图6是用作发电机的转子的外周界围栏的侧视图。

图7是定子的另一个实施方式当施加到用作转子的外周界围栏时的端视图，空气轴承对设置在定子的相对侧。

图8A、8B、8C类似于图1A、1B和1C，除了图8A、8B以及8C公开了具有中间圆形围栏、发电机设置在中间圆形围栏处的风力涡轮机。

图9示出了图8的发电机。

具体实施方式

现在更详细地参照附图，在全部多个附图中相同的标记表示相同的部件，图1示出了设计成用于捕捉风并且转动以用于发电的目的的风力涡轮机20。风力涡轮机包括涡轮机叶轮22，其具有由一系列角撑24形成的外周界23和绕所述涡轮机叶轮连续延伸的外周界圆形围栏26。所述外周界圆形围栏可以由弧段形成，并且如下文中更详细描述的，周界围栏可以用作发电机的转子。

轮轴结构28在涡轮机叶轮22的中心并且多个帆翼组件30安装在轮轴结构28上并且径向朝向形成涡轮机叶轮的周界的角撑24延伸。

涡轮机叶轮可以安装在直立的桅杆32上，并且桅杆通过偏航轴承35可转动地安装在地面支架34上。桅杆32大体可以为三角形横截面，三角形的一个边在其侧面面对涡轮机叶轮22，并且三角形的会聚边从圆边延伸远离。这种形状为迎面而来的风力提供了大的弯曲阻力。桅杆的其它横截面形状可以被按照希望使用。设置转动机构(未示出)，用于在其偏航轴承35上相对于地面支架34转动桅杆32以便将涡轮机叶轮22转动到风中。

在图1A中所示的实施方式中，涡轮机叶轮22可以包括与周界圆形围栏26同轴并且与轮轴结构28同轴的中间支撑环36。外周界圆形围栏26和中间支撑环36都绕轮轴结构一致转动。

内帆翼40可以支撑在轮轴结构28和中间支撑环36之间，同时外帆翼30可以支撑在中间支撑环36和外周界圆形围栏26之间。外帆翼和内帆翼可以相对于迎面而来的风以不同的角度定向。例如，图2示出了在其周界由帆端部支撑件42支撑的外帆翼30，帆端部支撑件42被回转环44支撑，马达46用于转动回转环和帆端部支撑件。这种类型的转动机构可以被用于使帆翼30和40形成扭转和/或节距。

发电机50在图2-5中示出。外周界圆形围栏26用作发电机的转子。定子组件52安装在涡轮机叶轮22的周界处并且定位为接收用作发电机的转子的外周界圆形围栏26。转子26形成绕涡轮机叶轮的周界的弧段，并且转子的每个弧段包括其自身的线圈。

如图5中所示，每个转子部段包括封闭外壳54，所述封闭外壳54具有平面的相对的侧壁55和56、内端壁58和外端壁59。电子线圈60定位在封闭外壳中，在线圈60和外端壁59之间形成空间62。冷却翅片64从所述外端壁59延伸，用于从所述转子26吸取热量的目的。另外，冷却液，例如油66占据线圈60周围的一些空间。冷却液66可能不能完全填充转子部段的内部，在转子部段内部留出空间。当涡轮机叶轮转动时，转子26的部段将翻转，图4示出了在其旋转的下弧段的转子部段，而图5示出了当转子经过其旋转的上弧段时的转子部段。冷却液66受重力以及离心力的影响以在转子26的内部移动，与线圈接触并且与相对的侧壁55和56的面对内部的表面以及内端壁58和外端壁59的面对内部的表面接触。这将线圈的热传递到转子的壁，以便当转子从定子离开并且随后朝向定子移动，冷却翅片64和转子壁的外表面将发出它们的热。

如图4中所示，定子52包括定子半部70和71，当转子在涡轮机叶轮22上转动时定子半部70和71定位在转子26的路径的相对侧上。定子半部70和71可以基本相同并且每个可以包括基本为杯形的定子外壳72，其开口74面对转子26的相对的侧壁55和56。每个绕杯形定子外壳的边缘76都具有面对所述转子的平边，边的形状确定为用于将从定子外壳离开的空气形成为每个定子外壳和转子之间的空气膜，使得在定子外壳和转子之间形成空气轴承。空气轴承减小转子和定子之间的摩擦力。

定子半部的线圈80通过所述定子外壳72被保持为与转子26并排。

在定子线圈80之后的杯形定子外壳中形成空间82，该空间形成空气运动通过定子线圈的气路。空气管道84与每个定子外壳72的空间82相通，以便将空气供给到定子线圈80之后的气道82，使得空气从气道移动通过定子线圈，冷却定子线圈。在空气移动通过定子线圈以及定子线圈周围时，空气经过转子26的平面和杯形定子外壳72的边缘76之间。当空气经过杯形定子外壳72的边缘76时，空气在定子外壳72和转子26的面对表面之间形成空气轴承。从所述定子外壳的边缘移动的空气形成抵靠转子26的平面面对表面的、确保定子外壳将不摩擦地接合转子的表面的空气轴承。

涡轮机叶轮的直径可以很大，超过100英尺。当这样大尺寸的涡轮机叶轮转动时，转子部段26很可能将不完全遵循相同的路径，使得当转子部段移动通过定子时，和/或移动进入定子组件52更浅或更深时，转子部段可能经历侧向摆动。由于这种运动的可能性，希望定子响应于转子的侧向运动而进行侧向运动，并且希望构造出高度比定子的高度大的转子，以便定子一直可以在转子线圈的电场内。

如图3中所示，为了适应转子26的可能的侧向运动，定子组件52包括支撑平台86，具有定子支撑围栏88的支撑架安装在所述支撑平台上。定子外壳72利用辊，例如可以沿着定子支撑围栏88移动的辊90安装在支撑围栏88上。可膨胀的风箱(bellow)92定位在定子外壳72的封闭侧上。风箱92为气袋形状，每个在一端连接到定子外壳72并且在远端由定子的支架88支撑。当风箱92膨胀时，它们推动定子外壳72朝向与转子26的接合，定子外壳的边缘的空气轴承有助于避免定子外壳接触转子。在定子外壳两侧的可膨胀风箱92中保持相等的压力，使得当转子侧向运动时，风箱将沿着与转子的侧向运动方向相同的方向推动定子。因此，气袋用作接合所述定子外壳以用于将所述定子朝向所述转子推动的第一偏置装置。

为了确保当发动机将要停止之时定子有时将减小朝向转子的力，线圈张紧弹簧94从侧向支架结构87延伸到定子外壳72，将促使定子外壳远离转子。因此，弹簧用作接合所述定子外壳以用于促使所述定子远离所述转子的第二偏置装置。

图3示出了用于定子组件52的空气供给系统。传统设计的空气供给装置(未示出)与空气管道系统100相通。空气通过在定子的相对端的管道102流动到可膨胀风箱92，通过气压调节器104、以及气压释放阀106，到达连续的风箱92。到达风箱的气压由气压调节器104调节以便将定子外壳72朝向转子26作用，相等的压力施加到在转子的两侧的风箱。

气压安全阀106用作当气压下降到预定值之下时将空气从风箱92排出。这允许弹簧94当气压消失时使定子外壳移动远离转子。

类似的，气压控制阀108如上所述的控制通过管道84到定子外壳72的空气的运动。这保持定子线圈的冷却并且在杯形定子外壳的边缘相对于转子26的面对表面建立了空气轴承。

当可预计定子的上述可调节定位的部件将足够使得定子外壳精确遵循转子的侧向运动时，来自空气源98的空气也可以被用于在支撑平台86和其支撑表面112之间形成空气轴承。支撑平台86的周界形成有向下延伸的边缘114，该边缘114在支撑平台86的底表面和支撑件的向上面向的表面112之间形成封闭空间。空气移动通过向下延伸的管道118到空间116中，产生足够的向上力以提升支撑平台，从而随着离开的空气120的运动而在周界边缘114之下形成空间。离开的空气120在支撑平台86之下形成空气轴承，允许其沿着侧向方向运动，遵循转子26的侧向运动。

图7示出了一变型的定子组件122，其包括将定子半部朝向转子26推动的可膨胀空气风箱124，但是空气轴承从所述定子半部侧向移位。一对空气轴承126和127被定子半部，例如定子半部128支撑，使得空气轴承126和127可以与它们各自的定子半部一致运动。空气轴承从彼此以及从定子外壳侧向地移位以便确保定子外壳与运动的转子表面更完美的对准。

图8A、8B以及8C示出了包括内围栏130的空气涡轮机叶轮。内围栏130为圆形并且与现有图的转子26同轴。内围栏130可以形成有转子的线圈，并且图2-5中所示类型的漂浮定子组件52可以应用到内围栏130。涡轮机叶轮22的内围栏130从涡轮机叶轮的主要部分侧向地移位，与桅杆32相邻。如图9中所示，定子132可以定位为容纳内围栏130以用于发电。

图2示出了周界围栏26处的发电机50，图9示出了内围栏130处的发电机132，可以在周界围栏和内围栏都安装发电机。利用这种双重装置，内围栏的发电机可以被用于高速风中，其中转子通过定子的运动相对慢，而外围栏处的发电机可以被用于低速风中，其中转子通过定子的运动速度相对高。

本领域技术人员将会理解，虽然上述描述详细阐述了本发明的优选实施方式，但是在不背离本发明如所附权利要求中所述的精神和范围的情况下，可以做出变型、增加以及改变。

Claims (13)

1.一种用于叶轮的发电机，所述叶轮安装为用于在水平轴上转动，所述发电机包括：

多个帆翼，其从所述水平轴径向地延伸；

外周界圆形转子，其安装在所述帆翼的外端上并且绕所述水平轴同轴地延伸，用于沿着绕所述水平轴的周界路径随着所述叶轮转动，所述圆形转子包括径向延伸的相对平行侧；

定子，其设置在所述外周界圆形转子的周界路径处，所述定子被成形以接纳所述外周界圆形转子并且响应于所述外周界圆形转子的转动而发电，

所述定子的特征在于包括定位在所述转子的所述径向延伸的相对平行侧的相对侧上的一对相对的定子外壳，每个所述定子外壳包括面对所述转子的所述径向延伸的相对平行侧的励磁线圈开口，以及定位在每个所述定子外壳中并且通过所述励磁线圈开口面对所述转子的励磁线圈，

其中，所述发电机的特征在于，第一偏置装置，所述第一偏置装置用于选择性地将所述定子外壳朝向彼此以及朝向所述转子推动并且响应于所述转子在所述定子的位置处的侧向运动而侧向地推动所述定子外壳；以及第二偏置装置，所述第二偏置装置用于连续偏置所述定子外壳，使所述定子外壳互相远离并且远离所述转子。

2.如权利要求1所述的发电机，其中，所述发电机的特征在于，空气供给装置，所述空气供给装置与所述一对相对的定子外壳以及所述励磁线圈相通，用于向所述定子外壳和所述励磁线圈供给空气，并且

每个所述定子外壳具有面对所述转子的边，所述边被成形以在所述转子和每个所述定子外壳的所述边之间形成空气膜，使得在所述定子外壳的所述边和所述转子的所述相对侧之间形成空气轴承。

3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述空气供给装置配置成冷却所述定子外壳中的所述励磁线圈。

4.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述转子形成为一系列的弧段。

5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，每个所述弧段包括用于冷却所述转子的油室。

6.如权利要求4所述的发电机，其特征还在于，所述转子包括用于冷却所述转子的冷却翅片。

7.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一偏置装置包括可膨胀气袋，用于选择性地将所述定子外壳朝向所述转子推动，还用于减小所述定子外壳朝向所述转子的推动；并且所述第二偏置装置包括线圈张紧弹簧，用于连续偏置所述定子外壳远离所述转子。

8.如权利要求1所述的发电机，其特征还在于，弹簧，所述弹簧与每个所述定子为偏置关系以用于促使每个所述定子远离所述转子；以及可膨胀气袋，所述可膨胀气袋与每个所述定子为偏置关系，且配置成用于将所述定子朝向所述转子推动。

9.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述叶轮在所述定子外壳的位置具有摆动，并且所述定子外壳响应于所述叶轮的摆动而侧向运动。

10.一种用于叶轮的发电机，所述叶轮安装为用于在水平轴上转动，所述发电机包括：

圆形转子，其安装在所述叶轮上并且绕所述水平轴同轴延伸，用于沿着绕所述水平轴的环形路径随着所述叶轮转动，所述圆形转子包括径向延伸的相对侧，

定子，其设置在所述转子的所述环形路径处，所述定子被成形以接纳所述转子并且包括定位在所述转子的所述相对侧上的一对励磁线圈并且响应于所述转子的转动而发电；以及

偏置装置，其用于选择性地推动所述定子朝向彼此以及朝向与所述转子的所述径向延伸的相对侧的并排，以便响应于所述转子沿着所述环形路径的转动而发电，所述偏置装置构造成用于响应于所述转子的侧向运动而侧向移动所述定子的所述线圈，同时继续发电。

11.如权利要求10所述的发电机，其中，所述偏置装置包括空气操作的风箱。

12.如权利要求10所述的发电机，其中，所述定子包括定子外壳，所述定子外壳定位在所述环形路径的相对侧，每个所述定子外壳包括面对所述环形路径的定子开口，

所述定子的所述线圈在所述定子开口处定位在所述定子外壳中并且面对所述环形路径，

所述定子外壳构造成用于在所述转子和所述定子外壳之间形成空气轴承，以及

空气供给装置用于将空气供给到所述定子外壳，还用于形成所述空气轴承并且保持所述定子外壳与所述转子并排。

13.如权利要求10所述的发电机，其中，所述偏置装置包括弹簧。

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