CN102575652A - 结合转子轴的发电机传动设备 - Google Patents

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CN102575652A CN2010800432221A CN201080043222A CN102575652A CN 102575652 A CN102575652 A CN 102575652A CN 2010800432221 A CN2010800432221 A CN 2010800432221A CN 201080043222 A CN201080043222 A CN 201080043222A CN 102575652 A CN102575652 A CN 102575652A
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Abstract

一种发电机传动设备包括：具有大体环形的开口端的转子轴；包括固定部件和多个互相啮合的齿轮的齿轮单元，该齿轮单元至少部分地设置在开口端内，并且以传动的方式联接到转子轴上；以及安装到固定部件上且以传动的方式联接到齿轮组上的发电机。

Description

结合转子轴的发电机传动设备
发明背景
本发明大体涉及电功率发生，并且更具体而言，涉及用于发电机的齿轮传动设备。
使用风力涡轮机来产生电功率是众所周知的。传统的风力涡轮机包括安装在高的塔架的顶部上的机舱。机舱在一个端部处承载涡轮转子。在机舱的内部，转子轴将转子联接到齿轮箱上，齿轮箱又联接到单独的发电机上。这会导致有长的传动系。因此，对转子、齿轮箱和发电机提供结构支承的、被称为“底板”的元件非常大和沉重，机舱也一样。
在运行中，作用于机舱的风力会使底板偏转。这会在转子轴和齿轮箱的轴线之间导致失准。齿轮箱的输入轴轴承必须承载这个失准所施加的载荷。其实，齿轮箱的转子轴轴承和输入轴轴承会彼此“对抗”。这会导致过度磨损或损害，或者需要使用过度沉重和昂贵的构件，如果这些构件被保守设计成经受住这样的载荷的话。
发明概述
本发明解决了现有技术的这些和其它缺点，本发明提供了一种与转子轴结合成紧凑单元的发电机和齿轮单元。
根据本发明的一方面，一种发电机传动设备包括：具有大体环形的开口端的转子轴；包括固定部件和多个互相啮合的齿轮的齿轮单元，齿轮单元至少部分地设置在开口端内，并且以传动的方式联接到转子轴上；以及安装到固定部件上且以传动的方式联接到齿轮单元上的发电机。
根据本发明的另一方面，一种发电机传动设备包括：在其中具有中心开口的固定框架；具有大体环形的开口端的转子轴，其安装成在框架中旋转；齿轮单元，其包括安装到框架上的固定部件，以及多个互相啮合的齿轮，齿轮单元至少部分地设置在开口端内，并且以传动的方式联接到转子轴上；以及安装到固定部件上且以传动的方式联接到齿轮单元上的发电机。
附图简述
通过参照结合附图而得到的以下描述，可最佳地理解本发明，其中：
图1是包括根据本发明的一方面而构建的发电机传动单元的风力涡轮机的部分地剖开的侧视图；
图2是发电机传动设备的横截面图；
图3是一个备选的发电机传动设备的横截面图；以及
图4是另一个备选的发电机传动设备的横截面图。
发明详述
参照附图，其中相同的参考标号在多个视图中表示相同元件，图1描绘了风力涡轮机10，其包括安装在塔架14的上部端上的机舱12。塔架14通过基础16而锚定到地面上。具有从毂22延伸的翼型形状的叶片20的转子18承载在机舱12的一个端部处。毂22分别具有内部端24和外部端26。转子18为已知类型，其具有能够改变叶片20的桨距角的变桨机构19，以便控制转子18的旋转速度，以及/或者提供顺桨功能。齿轮单元28结合在内部端24内，而且在下面更加详细地描述的这个齿轮单元28又联接到发电机30上。如本文所用，用语“发电机”指无论其输出特性如何而将机械功转换成电流的任何电机，而且该用语包括通常称为“发电机”的DC机以及通常称为“交流发电机”的AC机两者。注意，虽然本文描述的发电机传动设备特别适于用于风力涡轮机，但是本发明的原理可应用于其中电机需要紧凑的传动的任何情形。
在机舱12内的是被称为底板32的固定结构部件。这可为铸造结构、锻造结构、装配结构等。底板32的功能是对风力涡轮机10的工作构件提供刚性安装。如在图2中看到的那样，底板32承载具有中心开口36的框架34，转子轴承38安装到该中心开口36中。在示出的实例中使用了间隔开的滚动元件轴承对。转子轴承38又接收环形的空心转子轴40，该转子轴40是毂22的内部端24的一部分，并且随叶片20转动。转子轴40至少部分地包围齿轮单元28。
示出的齿轮单元28是包括低速(“LS”)级42和高速(“HS”)级44的行星单元。注意，如本文所用，用语“高速”和“低速”是相对的(例如高速级比低速级以更高的速度运行)，而不指示任何具体的运行速度范围。例如使用示出的螺栓48或其它适当的紧固件，将固定的板状低速行星托架46固定到框架34上。低速行星齿轮50绕着安装到低速行星托架46上的轴52旋转。低速行星齿轮50与外部环形齿轮54啮合，外部环形齿轮54随转子轴40旋转。
与LS级42相反，板状高速行星托架56接收在转子轴40中，并且随转子轴40旋转。例如使用螺栓连接或花键连接，可将高速行星托架56安装到转子轴40上，使得可容易地移除高速行星托架56，以进行维护或修理。高速行星齿轮58绕着安装到高速行星托架56上的轴60旋转。高速行星齿轮58与太阳齿轮62啮合，太阳齿轮62随输出轴64旋转，并且可为输出轴64的一部分。输出轴64被认为是齿轮单元28的输出元件。板状传动联接件65固定到输出轴64上。
环形联接部件66设置在LS级42和HS级44之间，并且承载第一环形齿轮68和第二环形齿轮70，第一环形齿轮68和第二环形齿轮70分别与低速行星齿轮50和高速行星齿轮58啮合。在示出的实例中，联接部件66具有大体“Z”形的横截面，以便对齿轮单元28提供紧凑的直径。
将理解，在本文中仅示出了齿轮单元28的主要功能构件，并且齿轮单元28可包括特定应用所需的普遍已知的元件，例如轴承、密封件等。另外，将理解，不同类型的齿轮系可代替示出的行星组。
转子轴40形成用于齿轮单元28的壳体。可提供盖72和密封件74来封闭壳体，使得润滑油可容纳在其中。
发电机30包括固定壳体76，固定壳体76包围传统构造的励磁线圈79和转子80，示意性地显示了它们两者。具有开口中心的转子80的一个端部由轴承77(例如示出的滚动元件轴承)支承，以在壳体76中旋转。可与转子80成一体的环形转子联接件81从壳体76延伸，并且接合传动联接件65。在示出的实例中，使用螺栓83或用以在两个部件之间传递扭矩的其它适当的紧固件来连接传动联接件65和转子联接件81。例如使用示出的螺栓78，将壳体76固定到低速行星托架46上，螺栓78穿过置于壳体76和低速行星托架46之间的环形联接框架85。
空心中心变桨管(pitch tube)82允许有通过发电机30和齿轮单元28到达转子18的路径。例如，这个路径可用来在变桨机构19和机舱12的内部之间建立功能性连接。具体类型的功能性连接将取决于变桨机构19的类型。这些连接的实例包括加压油流、导电体，或者机械连结件，例如管子、杆或缆绳。在示出的实例中，变桨管82附连到转子轴40上且随其旋转，通过高速行星托架56而提供开口84，以便于变桨管82穿过。备选地，取决于变桨机构如何运行，输出轴64可为实心的，而且消除开口84。
在运行中，齿轮单元28将来自转子18的扭矩较高的低速(例如大约15RPM)旋转输入转换成适于发电机30的运行的较高速(例如大约345RPM)的扭矩较低的输入。更具体而言，在转子轴40以低速旋转时，这会旋转外部环形齿轮54，外部环形齿轮54又旋转低速行星齿轮50。低速行星齿轮50又旋转环形联接部件66，如上面提到的那样，环形联接部件66设置在LS级42和级44之间，并且承载第一环形齿轮68和第二环形齿轮70。第二环形齿轮70的旋转又导致高速行星齿轮58旋转，高速行星齿轮58共同旋转太阳齿轮62。转子轴30还旋转高速行星托架56。因而，从转子轴40到太阳齿轮62的扭矩传输沿着两个路径分开。太阳齿轮62的旋转会导致输出轴64、传动联接件65、转子联接件81和发电机转子80旋转。根据已知的实践来对各种齿轮和构件进行大小设置，以实现期望的速度比。
当需要进行维护或修理时，可仅仅通过这样的方式来移除发电机30：即移除螺栓78和83，并且将发电机30拉离齿轮单元28。另外，可通过这样的方式来维修或更换齿轮单元28或其构件，即移除螺检48，并且将齿轮单元28或其构件作为单个单元而取出，同时使转子轴40保持原样且由转子轴轴承38支承。
图3示出了使用齿轮单元128的一个备选实施例，齿轮单元128基本类似于齿轮单元28，只是有内部布置的HS级144。固定的板状低速行星托架146固定到框架34上。低速行星齿轮150绕着安装到低速行星托架146上的轴152旋转。低速行星齿轮150与外部环形齿轮154啮合，外部环形齿轮154随转子轴40旋转。
环形联接部件166设置在LS级142的附近，并且承载分别与低速行星齿轮150和高速行星齿轮158啮合的第一环形齿轮168。在示出的实例中，联接部件166具有大体“L”形的横截面。
与LS级142相反，高速行星齿轮158绕着安装到联接部件166上的轴160旋转。高速行星齿轮158与太阳齿轮162啮合，并且与随转子轴40旋转的第二外部环形齿轮170啮合。太阳齿轮162随输出轴164旋转，即输出轴164连接到太阳齿轮162上，使得输出轴164在太阳齿轮162旋转时旋转。
图4示出了在构造上类似于上面描述的齿轮单元28和128的一个备选齿轮单元228，主要差别在于输出轴的构造。理解到相同的轴构造可用于齿轮单元28或128，齿轮单元228将被描述成齿轮单元28的变型。
相关联的发电机230包括固定壳体276，固定壳体276包围励磁线圈279和转子280。具有开口中心的转子280完全由位于壳体276的相对的端部处的轴承277(例如示出的滚动元件轴承)支承，以进行旋转。转子280的一个端部从壳体276延伸，以便形成输出轴264。例如使用示出的螺栓278，将壳体276固定到低速行星托架246上。输出轴264的远端接收在齿轮单元228的太阳齿轮262中。例如，可使用花键连接。为了进行更换或维护，可移除螺栓278，并且发电机230可与输出轴264一起被移除，而太阳齿轮262仍然在与高速行星齿轮258啮合的位置。
关于本文描述的任何实施例，转子轴40可具有开口端，这是指在转子轴的端部处的、能够容纳各种齿轮构件和可行的其它构件的空心的或开口的内部部分。(“开口”不是指空心轴的内部暴露于风力涡轮机的外部，至少在涡轮完全组装好供使用时不是这样。)例如，在图2中，在转子轴承38之间的区域可认为是转子轴40的开口端部分。在一个实施例中，开口端是大体环形的，这是指开口端至少部分地是圆的或圆形，除非另有说明。在一个实施例中，齿轮单元至少部分地设置在转子轴的开口端内。在另一个实施例中，齿轮单元的所有各种齿轮均设置在转子轴的开口端内。例如，参照图2，齿轮单元的所有齿轮50、58、62和66全部都位于转子轴开口端内，而且齿轮50、58、62和66中没有一个位于转子轴开口端的外部。
另一个实施例与发电机传动设备有关。该设备包括在其中具有中心开口36的固定框架34；具有大体环形的开口端的转子轴40，其安装成在框架中旋转；齿轮单元28、128、228；以及发电机30、230。齿轮单元包括安装到框架上的固定部件46、146、246、多个互相啮合的齿轮，以及输出轴64、164、264。发电机30、340安装到固定部件上，并且以传动的方式联接到齿轮单元上。包括发电机传动设备的所有齿轮的该多个齿轮设置在转子轴的开口端内，并且以传动的方式联接到转子轴上。该多个齿轮包括多个第一行星齿轮50、150、多个第二行星齿轮58、158、258、联接部件66、166，以及太阳齿轮62、162、262。太阳齿轮附连到齿轮单元的输出轴上。齿轮单元的固定部件结合成第一托架，该第一托架使该多个第一行星齿轮附连到其上。第一行星齿轮接合由转子轴承载的第一外部环形齿轮54、154。该多个第一行星齿轮接合联接部件的第一环形齿轮68、168，以旋转该联接部件。联接部件例如按图2和4的方式或图3的方式接合该多个第二行星齿轮，以旋转第二行星齿轮。第二行星齿轮接合太阳齿轮，以旋转太阳齿轮和输出轴。
上面描述的齿轮单元构造具有优于现有技术设计的若干个优点。施加到齿轮单元中的弯矩基本为零，因为齿轮单元容纳在转子轴40内，而且不存在单独的长轴。HS级与转子轴40具有同一轴线，并且转子轴承38起齿轮单元的输入轴轴承的作用。由于大小被减小，机舱12的重量降低，使得吊起机舱12以将其组装到塔架14上的成本较少。底板32也将较小和较简单，因为需要较少的安装接口。
而且，在不同的行星区段中存在较少构件，例如不需要齿轮外壳，转子轴40在HS级和LS级的外部环形齿轮之间形成连接，未使用输入轴轴承，而且不需要单独的扭矩臂来使低速托架保持固定。齿轮单元将具有高的可靠性，因为不需要高速轴承。
前述内容已经描述了用于风力涡轮机的发电机传动设备。虽然已经描述了本发明的具体实施例，但是对本领域技术人员显而易见的将是，可对本发明作出多种改良，而不偏离本发明的精神和范围。因此，仅为了说明的目的而非限制的目的而提供本发明的多种实施例的前述描述和用于实践本发明的最佳模式，本发明由权利要求限定。

Claims (23)

1.一种发电机传动设备，包括：
具有大体环形的开口端的转子轴；
包括固定部件和多个互相啮合的齿轮的齿轮单元，所述齿轮单元至少部分地设置在所述开口端内，并且以传动的方式联接到所述转子轴上；以及
安装到所述固定部件上且以传动的方式联接到所述齿轮单元上的发电机。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括行星齿轮组。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括连接到环形传动联接件上的输出轴，并且所述发电机包括连接到所述传动联接件上的环形转子联接件。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发电机包括延伸到所述齿轮单元中的输出轴。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括延伸通过所述齿轮单元和所述发电机的空心变桨管。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括构造成第一托架的所述固定部件，所述第一托架具有附连到其上的多个第一行星齿轮，所述第一行星齿轮接合由所述转子轴承载的第一外部环形齿轮。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元进一步包括第二托架，所述第二托架具有附连到其上的多个第二行星齿轮，所述第二托架随所述转子轴旋转。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括具有分别与所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮啮合的第一环形齿轮和第二环形齿轮的联接部件。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元进一步包括联接部件，所述联接部件包括：
与所述第一行星齿轮啮合的第一环形齿轮；以及
多个第二行星齿轮，其中，所述第二行星齿轮与太阳齿轮啮合，并且与由所述转子轴承载的第二外部环形齿轮啮合。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元构造以便能够作为单个单元而从所述转子轴上移除。
11.一种发电机传动设备，包括：
在其中具有中心开口的固定框架；
具有大体环形开口端的转子轴，其安装成在所述框架中旋转；
齿轮单元，其包括安装到所述框架上的固定部件，以及多个互相啮合的齿轮，所述齿轮单元至少部分地设置在所述开口端内，并且以传动的方式联接到所述转子轴上；以及
安装到所述固定部件上且以传动的方式联接到所述齿轮单元上的发电机。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括结合成第一托架的所述固定部件，所述第一托架具有附连到其上的多个第一行星齿轮，所述第一行星齿轮接合由所述转子轴承载的第一外部环形齿轮。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括具有附连到其上的多个第二行星齿轮的第二托架，所述第二托架随所述转子轴旋转。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括具有分别与所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮啮合的第一环形齿轮和第二环形齿轮的联接部件。
15.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元进一步包括联接部件，所述联接部件包括：
与所述第一行星齿轮啮合的第一环形齿轮；以及
多个第二行星齿轮，其中，所述第二行星齿轮与太阳齿轮啮合，并且与由所述转子轴承载的第二外部环形齿轮啮合。
16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述发电机包括延伸到所述齿轮单元中的输出轴。
17.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元包括连接到环形传动联接件上的输出轴，并且所述发电机包括连接到所述传动联接件上的环形转子联接件。
18.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括延伸通过所述齿轮单元和所述发电机的空心变桨管。
19.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述转子轴承载在安装在所述框架的所述中心开口中的轴承中。
20.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述转子轴是毂的一部分，所述毂包括：
变桨机构；以及
从所述毂延伸且联接到所述变桨机构上的一个或多个翼型形状的叶片。
21.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述框架是承载在竖立的塔架的顶部上的底板的一部分。
22.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述齿轮单元构造成使得所述齿轮单元的至少一部分能够从所述转子轴开口端中取出，同时所述转子轴仍然得到支承，以在所述框架内旋转。
23.一种发电机传动设备，包括：
在其中具有中心开口的固定框架；
具有大体环形的开口端的转子轴，其安装成在所述框架中旋转；
齿轮单元，其包括安装到所述框架上的固定部件、多个互相啮合的齿轮，以及输出轴，所述多个齿轮包括所述发电机传动设备的所有齿轮，并且设置在所述开口端内，以及以传动的方式联接到所述转子轴上；以及
安装到所述固定部件上且以传动的方式联接到所述齿轮单元上的发电机；其中：
所述齿轮单元的所述多个互相啮合的齿轮包括多个第一行星齿轮、多个第二行星齿轮、联接部件和太阳齿轮，所述太阳齿轮附连到所述齿轮单元的所述输出轴上；
所述齿轮单元的所述固定部件结合成第一托架，所述第一托架具有附连到其上的所述多个第一行星齿轮，所述第一行星齿轮接合由所述转子轴承载的第一外部环形齿轮；
所述多个第一行星齿轮接合所述联接部件的第一环形齿轮，以旋转所述联接部件；
所述联接部件接合所述多个第二行星齿轮，以旋转所述第二行星齿轮；以及
所述第二行星齿轮接合所述太阳齿轮，以旋转所述太阳齿轮和所述输出轴。
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