CN102725523B - 用于风力涡轮机的转矩限制联接器 - Google Patents

Abstract

公开了风力发电厂的直接驱动式的动力系。动力系包括：涡轮转子，包括毂和被支撑在毂上的多个叶片；以及发电机，包括定子和被可旋转地布置在定子内的发电机转子。发电机转子包括发电机转子体、转子轴以及使发电机转子体连接到转子轴的转矩限制装置。转矩限制装置被构造为在定子内支撑发电机转子体，并允许转子体相对于定子同轴旋转。毂和发电机转子通过转子轴连接，转子轴以与毂相同的频率旋转。

Description

用于风力涡轮机的转矩限制联接器

相关申请的交叉引用

本申请主张享有2010年1月7日提交的美国专利申请第12/683,877号的优先权，其内容在此通过援引全文并入。

背景技术

发电继续成为旋转电机的重要应用。风能是美国乃至世界上最快速增长的电能源之一，使用旋转电机的风力涡轮机来将风能转化为可用的电力。传统的风力涡轮机包括涡轮转子，涡轮转子具有驱动能够为公用事业电力网供应3-5兆瓦电力的电机的涡轮叶片和输出轴。由于涡轮叶片和轴的旋转相对较慢（达到每分钟15转），除发电机和控制电路外，传统风力涡轮机的发电部件包括用于将低速的输入旋转运动转化为适合发电的高速旋转运动的齿轮箱。另外，为了保护涡轮叶片、输出轴和轴承免于受到例如因来自终端故障导致的脉冲而产生的瞬时过转矩，涡轮输出轴和齿轮箱可包括有保护装置，例如作为齿轮箱的集成部分或作为发电机转子与齿轮箱之间的联接器的滑动平面。

增长的电力需求引起对每个风力涡轮机增长的电力要求。为了获得能够传送8-10兆瓦电力的风力涡轮机，仅仅按比例增大传统动力系的尺寸变得不实用，这至少部分地是由于能够适应这些要求的齿轮箱的尺寸、重量和成本。

发明内容

在一个方案中，提供一种风力发电厂的动力系。动力系包括：涡轮转子，包括毂和被支撑在毂上的叶片；以及发电机，包括定子和被可旋转地布置在定子内的发电机转子。发电机转子包括转子轴、发电机转子体和使发电机转子体连接到转子轴的转矩限制装置；转矩限制装置被构造为在定子内支撑发电机转子体，并允许转子体相对于定子同轴旋转。

动力系可包括以下一个或多个特征：毂和发电机转子通过转子轴连接，转子轴以与毂相同的频率旋转。转矩限制装置还被构造为使发电机转子体在预定的转子轴转矩与转子轴分离。转矩限制装置包括滑动平面。转矩限制装置包括被置于转子体与转子轴之间的滑动平面。发电机转子体包括中空的圆筒部和从圆筒部的内表面沿径向向内突出的凸缘，凸缘围绕内表面周向地延伸。另外，转矩限制装置包括内夹板、外夹板和紧固件，这些夹板设置成使得凸缘的一部分被置于内、外夹板之间，紧固件被构造为使内、外夹板朝向彼此牵引，由此内、外夹板中的每一个的一部分邻接凸缘的一部分。内夹板固定到发电机转子轴；在小于预定值的转子轴转矩，内、外夹板相对于凸缘固定；而在为至少预定值的转子轴扭矩，内、外夹板相对于凸缘滑动。内、外夹板的部分包括附接到其表面的摩擦垫。内、外夹板的部分包括附接到其表面的摩擦垫阵列。紧固件包括螺栓，这些螺栓被构造为在内、外夹板和凸缘的各部分上均匀地分布压力载荷。

在另一方案中，提供一种旋转电机的转子组件。转子组件包括：转子轴；转子体，与转子轴同轴并且联接到转子轴；以及转子支撑构件，被构造为相对于转子轴支撑转子体；转子支撑构件包括转矩限制装置，该转矩限制装置被构造为使转子体在预定转矩水平与转子轴分离。

转子组件可包括以下一个或多个特征：转矩限制装置被置于转子组件内，处于被转子体限制的区域中，转矩限制装置连接转子体和转子轴。转子体包括中空的圆筒部和从圆筒部的内表面向内径向突出的凸缘，凸缘绕内表面周向延伸。另外，转矩限制装置包括内、外夹板和紧固件；夹板设置成使得凸缘的一部分被置于内、外夹板之间；紧固件被构造为使内、外夹板朝向彼此牵引，由此内、外夹板中的每一个的一部分邻接凸缘的一部分。内夹板固定到转子轴，在小于预定值的转子轴转矩，内、外夹板相对于凸缘固定；而在为至少预定值的转子轴扭矩，内、外夹板相对于凸缘滑动。内、外夹板的部分包括附接到其表面的摩擦垫阵列。紧固件包括螺栓，这些螺栓被构造为在内、外夹板和凸缘的各部分上均匀地分布压力载荷。

在另一方案中，提供一种旋转电机。该旋转电机包括：定子组件；以及转子组件，可旋转地并同轴地布置在定子组件内。转子组件包括：转子体；转子轴，与转子体的纵向轴线一致；以及转矩限制装置，被置于转子组件内，处于被转子体限制的区域中；转矩限制装置连接转子体和转子轴，并被构造为在预定转矩水平使转子体与转子轴分离。

旋转电机可包括以下一个或多个特征：转子体包括中空的圆筒部和从圆筒部的内表面沿径向向内突出的凸缘，凸缘围绕内表面周向地延伸。另外，转矩限制装置包括内、外夹板和紧固件，这些夹板设置成使得凸缘的一部分被置于内、外夹板之间，紧固件被构造为使内、外夹板朝向彼此牵引，由此内、外夹板中的每一个的一部分邻接凸缘的一部分。内夹板固定到发电机转子轴，在小于预定值的转子轴转矩，内、外夹板相对于凸缘固定；而在为至少预定值的转子轴扭矩，内、外夹板相对于凸缘滑动。内、外夹板的部分包括附接到其表面的摩擦垫阵列。紧固件包括螺栓，这些螺栓被构造为在内、外夹板和凸缘的各部分上均匀地分布压力载荷。

提供一种直接驱动式的风力涡轮机，其中，省略了齿轮箱，而且发电机被设计成以与涡轮转子对应的低频驱动。发电机转子内使用过载安全装置作为发电机转子体的机械支撑部分。过载安全装置能够保护发电机以及涡轮转子叶片、轴和轴承免于受到因来自终端故障的脉冲而引起的瞬时过转矩的影响。

在一些方案中，过载安全装置为转矩限制装置，该转矩限制装置保护直接驱动式发电机的传动系部件免于瞬时过转矩。转矩限制装置在转子安装凸缘与驱动轴之间整合有摩擦式转矩限制滑动平面。通过将转矩限制装置插入上述位置，发电机转子被允许在过载时相对于驱动轴旋转。这种滑动限制了轴、轴承以及转子组件经受的力。

转矩限制联接器构成发电机定子内的发电机转子支撑结构的一部分。这样允许在定子内转子由单个轴承支撑，此而实现紧凑的直接驱动式设计。

转矩限制联接器布置在被转子体限制的区域内，因此与联接器被置于风力涡轮机与发电机之间的齿轮箱中的传统的间接驱动式动力系相比，直接驱动式的动力系的总长减小。通过减小驱动轴长度并且减小吊舱的总长，实现了直接驱动式的动力系的长度减小。因为这样导致重量减轻的简化设计，所以这是有利的。

附图说明

图1是风力涡轮机的立体图。

图2是图1的风力涡轮机的侧向剖视图。

图3是发电机定子组件的立体图。

图4是发电机转子体的侧向剖视图。

图5是发电机转子体的立体图。

图6是内夹板的端视图。

图7是摩擦垫的立体图。

图8是示出转矩螺母和驱动垫圈的一部分的张紧器的剖切立体视图。

具体实施方式

现在参照图1，风力涡轮机10包括涡轮转子20，涡轮转子20具有连接到毂24的叶片22。风力涡轮机10还包括发电机30，由在发电机30与毂24之间延伸的驱动轴90来驱动发电机30。发电机30容置在吊舱26中，在图1中以局部剖切的方式示出的涡轮转子20通过位于吊舱26的一端的开口突出。如将在以下更详细地描述的，发电机30被构造为在低频应用中使用，并以与涡轮转子20相同的频率旋转。例如，在所示实施例中，发电机30被构造为以约11rpm运转并产生8兆瓦的电力。

现在参照图2，发电机30是包括转子组件60和定子组件40的旋转超导电机。如将在以下更详细地描述的，转子组件60被支撑在定子组件40内，使得转子组件和定子组件关于发电机30的纵向轴线15和驱动轴90同轴。

参照图3，定子组件40包括定子芯42和被支撑在定子芯40内的定子绕组46。定子芯42是一个中空圆柱体，由层压式环形铁磁片44的组件形成。定子绕组由换位线缆（transposed wire cable，图中未示）构成，其中单根的多个铜线导体（图中未示）被扭转和/或编织从而形成减小传导损失的图案。换位电缆可包括李兹线（Litz wire）、卢瑟福线（Rutherford wire）、罗贝尔线（Robel wire）、或任何其他合适的换位线。换位电缆能够围绕处于发电机30的纵向轴线15的横向的轴线缠绕，从而形成具有传统形状（例如菱形或曲柄状）的细长多匝定子绕组46，定子绕组46通过传统方式冷却。

参照图4，转子组件60包括转子绕组组件62和转矩传递组件80，转子绕组组件62和转矩传递组件80被电磁罩50包围。电磁罩50包括导电的非磁性材料，其通过减弱定子电流所产生的异步场来屏蔽转子绕组组件62内的转子绕组64。另外，电磁罩50保护转子绕组组件62免于受到定子组件40中产生的热量的影响。

转子绕组组件62包括多个转子绕组64，每个转子绕组64由围绕心轴部66缠绕的高温超导体（HTS）构成。尽管其他构造也可以，但是本实施例的转子绕组64包括几个按跑道构造形成的HTS子线圈。在此通过援引全文并入的美国专利第6,509,819号更详细地讨论了示意性的转子线圈的构造。转子绕组64和心轴部66被布置在圆筒形的转子绕组支撑管68上，而且转子绕组64、心轴部66和转子绕组支撑管68均封闭在低温恒温器70内。

转子绕组64通过转子支撑管68而被传导冷却。在一些实施例中，冷却管（图中未示）焊接到转子支撑管68的位于转子绕组64中间的外表面。在其他实施例中，这些冷却管可布置在心轴部66或绕组64自身上。可选地，可利用冷却转子绕组4的其他方法来替代冷却管的排布。例如，在一些实施例中，气态氦在低温恒温器70内循环，以冷却转子绕组64。允许气态氦流入和流出转子绕组组件62的冷却剂供应管路（图中未示）穿过轴向的氦传送联接器，上述轴向的氦传送联接器是一种固定-旋转结合装置。

转矩传递组件80相对于转子绕组组件62沿径向向内布置，并在定子组件40内可旋转地和轴向地支撑转子组件60。另外，转矩传递组件80支撑转子绕组组件62，并将转子绕组组件62所产生的旋转力传递到驱动轴92。

转矩传递组件80包括：转子体82，其相对于定子组件40支撑并定位支撑管68；驱动轴90；以及转矩限制联接器100，其将转子体82连接到驱动轴90。驱动轴90的一端94经由转矩限制联接器100连接到转子体82。驱动轴90的相对端则通过支撑轴承28（最好在图2中观察）由吊舱26支撑。转子体82、转矩限制联接器100和驱动轴90处于由低温恒温器70限定出的冷冻空间之外，因此在环境温度运转。

参照图5，转子体82是一个中空圆筒形构件，其经由支撑管68刚性地支撑转子绕组组件62，并从支撑管68向驱动轴90传递转矩。另外，转子体82由铁磁材料构成，因此为多个HTS绕组64（图中仅示出一个HTS绕组）所产生的磁场提供了磁阻更低的路径，由此增大了通过与定子组件40耦合的磁通路径的磁通量。转子体82包括面对低温恒温器70的内表面的外表面86以及与外表面86相对的内表面84。转子体82的内表面84包括沿径向向内突出的凸缘88。凸缘88接近于被布置在转子体82的轴向的中线上，并绕内表面84沿圆周方向延伸。凸缘88包括接触部89，接触部89对应于凸缘88的径向最深部（径向最内部）。与转矩限制装置100协作，凸缘88提供如以下进一步讨论的转子体82与驱动轴90之间的刚性连接。

参照图4和图6，转矩限制联接器100布置在被转子体限制的区域中，并将转子体82联接到驱动轴90。具体地，转矩限制联接器固定到驱动轴90的一端94，并在定子组件40内支撑转子组件60。联接器100包括内夹板102和外夹板122，内夹板102和外夹板122邻接并面向凸缘88的接触部89。内夹板102和外夹板122是平行设置的，而且凸缘88的接触部89被夹持在内夹板102与外夹板122之间。

内夹板102的外围形状大体为圆形，并包括面向凸缘88的接触部89的接触表面104以及与接触表面104相对的外表面106。内夹板102沿其外表面106被固定到驱动轴90的一端94。接触表面104的中心部109向内朝向凸缘88突出。中心部109的外围边缘构成台肩107，台肩107的外径稍小于转子体82的凸缘88的内径。在使用中，中心部109被接纳在由凸缘88的最内侧边缘87构成的开口85内。通过将内夹板102的中心部109定位在开口85内，内夹板102就相对于转子体82被牢固地并准确地对中。

一组无螺纹的螺栓孔116在接触表面104与外表面106之间穿过板102延伸。螺栓孔116沿从板中心114测量的第一半径r₁等距地排列。另外，摩擦垫150构成的阵列110排列在接触表面104上，靠近板102的外围边缘112。组110布置在接触区域108中；接触区域108相对于中心部109沿径向向外地设置，处于第二半径r₂与第三半径r₃之间。如图6所示，r₂>r₁，r₄>r₃，其中，r₄对应于板102的半径。另外，第一半径r₁大于驱动轴90的外径。注意，图6不是按比例绘制的。例如，在所示示例中，r₁=48英寸，r₄=66英寸，（r₃+r₂）/2=60英寸，（r₃-r₂）=10英寸。

参照图6，摩擦垫150的阵列排列在位于每个内夹板102的接触表面104的外周边上的接触区域108中。在所示实施例中，为便于制造和组装，摩擦表面被设置为相对小的摩擦垫150构成的阵列，而不是单个的环形垫，并确保在接触区域108上等距分布载荷。

参照图7，每个摩擦垫150形成对应于接触表面104上的接触区域108的环形形状。也就是说，每个摩擦垫150呈环形段的形状，包括一对由直线式的较短边缘162结合的大体曲线式的长边缘160。在所示实施例中，摩擦垫150的尺寸被设定为，使得平均的长边缘160的长度约为4英寸，较短边缘162的长度约为2英寸。

另外，每个摩擦垫150包括在钢支承板154上形成的接触层152。要求接触层152具有优异的抗震性，包括抗裂性和抗断性，并具有优异的持久性和始终如一的高摩擦系数。例如，在该应用中，可使用摩擦系数为0.36的接触层。在一些实施例中，接触层152由常常在工业制动器和离合器的应用中使用的纤维复合材料构成。在一些实施例中，接触层152由俄亥俄州克利夫兰市的Tribco公司销售的P-42牌材料构成。每个摩擦垫150使用被接纳在埋头螺栓孔156中的螺栓（图中未示）安装到夹板102、122的接触表面104。

外夹板122除螺栓孔116的构造之外，基本上类似于内夹板102的结构。因此，本说明书将以共同的附图标记来标识共同的结构，并将省略对外夹板122的描述。在外夹板122中，螺栓孔116终止于外夹板122内并带有螺纹。

在转矩限制联接器100中，内夹板102和外夹板122排列成使得凸缘88的接触部89位于内夹板102与外夹板122的各接触表面104之间。更具体地，凸缘88的接触部89被置于摩擦垫150的各阵列110之间。

另外，螺栓200设置在（内夹板的）螺栓孔116内，以穿过内夹板102伸出，并啮合外夹板122的螺纹螺栓孔116。在一些示例中，螺栓200与宾夕法尼亚州卡内基市的Superbolt公司销售的牌零件号SB12类型的张紧器210一起使用。

参照图8，的张紧器200包括：驱动螺母212，其尺寸被设定为接纳螺栓200的一端；几个较小的调整螺栓216，其围绕螺栓200的周边穿过驱动螺母伸出；以及垫圈214，其提供一刚性平坦的表面，调整螺栓216抵靠该平面被驱动。在使用中，驱动螺母212被手动拧到螺栓200的一端，然后使用手动工具来拧紧调整螺栓216。通过这种方式，每个螺栓200容易地且准确地以纯拉伸力被加载。

螺栓200和张紧器210使内夹板102和外夹板122朝向彼此牵引，由此至少内夹板和外夹板中的每一个的位于r₂与r₄之间的部分紧贴凸缘90的接触部89。螺栓200的排布和构造向摩擦垫150的阵列提供均匀、恒定且良好限定的压力。均匀、恒定的压力确保均匀分布的载荷施加到摩擦垫150上。

在所示实施例中，内夹板102和外夹板122压靠凸缘88的接触部89，利用螺栓200而被预加载。由于摩擦垫150的摩擦属性，对于驱动轴80的标准操作转矩而言，内夹板102和外夹板相对于凸缘88固定。在所示实施例中，使用的加压预载荷为750psi。此外，在转子轴转矩为预定值或更大时，内夹板102和外夹板122相对于凸缘88滑动，从而在联接器100内形成滑动平面124。具体地，当足够的转矩经由驱动轴90被施加到夹板102、122时，摩擦垫150相对于凸缘88的与接触部89对应的表面84、86滑动。在一些实施例中，夹板102、122被构造成在驱动轴转矩为标准操作转矩的两倍时，相对于凸缘88滑动。

如果发生全相故障（full-phase fault），则施加到驱动轴90的转矩可高达标准操作转矩的7倍。即使故障较小，例如导致施加的转矩为标准操作转矩的2倍，也能够导致对风力涡轮机10的极大损害。转矩限制联接器100用来确保转子组件60、定子组件40和吊舱26在发生系统故障时不失效。

以上相当详细地描述了用在发电机30中的转矩限制联接器100的优选的示例性实施例。虽然以上已经描述了本发明的工作示例，但是本发明不限于上述工作示例，而是在不背离权利要求书所述本发明原理的条件下，可进行各种设计变更。

例如，本文描述的转子组件不限于用在发电机中，而是还能够用在各种旋转电机中，包括用在马达中。

再例如，包括转矩限制联接器100的发电机30不限于本文描述的比例、载荷和尺寸，提供这些比例、载荷和尺寸仅为说明之用。

另外，应理解，本文仅描述了被认为对于阐明本发明而言必需的结构。其他传统结构以及系统的那些附属和辅助部件假定是为本领域技术人员所公知和理解的。

Claims (18)

1.风力发电厂的动力系，包括：

涡轮转子，包括毂和被支撑在所述毂上的多个叶片；以及

发电机，包括定子和被可旋转地布置在所述定子内的发电机转子，所述发电机转子包括：

转子轴；

发电机转子体，所述转子体包括中空的圆筒部以及从所述圆筒部的内表面沿径向向内突出的凸缘，所述凸缘围绕所述内表面周向地延伸；以及

转矩限制装置，将所述发电机转子体连接到所述转子轴，所述转矩限制装置被构造为在所述定子内支撑所述发电机转子体，并允许所述转子体相对于所述定子同轴旋转，所述转矩限制装置包括：

内夹板和外夹板，所述夹板被设置成使得所述凸缘的一部分被置于所述内夹板与所述外夹板之间。

2.如权利要求1所述的动力系，其中，所述毂和所述发电机转子通过所述转子轴连接，而且所述转子轴以与所述毂相同的频率旋转。

3.如权利要求1所述的动力系，其中，所述转矩限制装置还被构造为在预定转子轴转矩，使所述发电机转子体与所述转子轴分离。

4.如权利要求1所述的动力系，其中，所述转矩限制装置包括滑动平面。

5.如权利要求1所述的动力系，其中，所述转矩限制装置包括被置于所述转子体与所述转子轴之间的滑动平面。

6.如权利要求1所述的动力系，其中，所述发电机转子体还包括：

紧固件，被构造为使所述内夹板和所述外夹板朝向彼此被牵引，由此所述外夹板和所述内夹板中的每一个的一部分邻接所述凸缘的所述部分；

其中，所述内夹板固定到所述发电机转子轴；而且

在小于预定值的转子轴转矩，所述内夹板和所述外夹板相对于所述凸缘固定；而在至少预定值的转子轴转矩，所述内夹板和所述外夹板相对于所述凸缘滑动。

7.如权利要求6所述的动力系，其中，所述内夹板和所述外夹板的所述部分包括附接到其表面的摩擦垫。

8.如权利要求6所述的动力系，其中，所述内夹板和外夹板的所述部分包括附接到其表面的摩擦垫阵列。

9.如权利要求6所述的动力系，其中，所述紧固件包括螺栓，所述螺栓被构造为在所述内夹板和所述外夹板以及所述凸缘的各部分上均匀地分布压力载荷。

10.一种旋转电机的转子组件，所述转子组件包括：

转子轴；

转子体，与所述转子轴同轴并且联接到所述转子轴，所述转子体包括中空的圆筒部以及从所述圆筒部的内表面沿径向向内突出的凸缘，所述凸缘围绕所述内表面周向地延伸；以及

转子支撑构件，被构造为相对于所述转子轴支撑所述转子体，所述转子支撑构件包括转矩限制装置，所述转矩限制装置被构造为使所述转子体在预定转矩水平与所述转子轴分离，其中，所述转矩限制装置包括：

内夹板和外夹板，所述夹板设置成使得所述凸缘的一部分被置于所述内夹板与所述外夹板之间。

11.如权利要求10所述的转子组件，其中，所述转矩限制装置在被所述转子体限制的区域中被置于所述转子组件内，所述转矩限制装置连接所述转子体和所述转子轴。

12.如权利要求10所述的转子组件，其中，所述转子体还包括：

紧固件，被构造为使所述内夹板与外夹板朝向彼此被牵引，由此所述内夹板和所述外夹板中的每一个的一部分邻接所述凸缘的所述部分；

其中，所述内夹板固定到所述转子轴；而且

在小于预定值的转子轴转矩，所述内夹板和所述外夹板相对于所述凸缘固定；而在至少预定值的转子轴扭矩，所述内夹板和所述外夹板相对于所述凸缘滑动。

13.如权利要求12所述的转子组件，其中，所述内夹板和所述外夹板的所述部分包括附接到其表面的摩擦垫阵列。

14.如权利要求12所述的转子组件，其中，所述紧固件包括螺栓，所述螺栓被构造为在所述内夹板和所述外夹板以及所述凸缘的各部分上均匀地分布压力载荷。

15.一种旋转电机，包括：

定子组件；

转子组件，可旋转地并且同轴地布置在所述定子组件内，所述转子组件包括：

转子体，所述转子体包括中空的圆筒部以及从所述圆筒部的内表面沿径向向内突出的凸缘，所述凸缘围绕所述内表面周向地延伸；

转子轴，与所述转子体的纵向轴线一致；以及

转矩限制装置，在被所述转子体限制的区域中被置于所述转子组件内；所述转矩限制装置连接所述转子体和所述转子轴，并被构造为在预定转矩水平使所述转子体与所述转子轴分离；

其中，所述转矩限制装置包括：

内夹板和外夹板，所述内夹板和所述外夹板被设置成使得所述凸缘的一部分被置于所述内夹板和所述外夹板之间。

16.如权利要求15所述的旋转电机，其中，所述转子体还包括：

紧固件，被构造为使所述内夹板和所述外夹板朝向彼此被牵引，由此所述内夹板和所述外夹板中的每一个的一部分邻接所述凸缘的所述部分；

其中，所述内夹板固定到所述转子轴；而且

在小于预定值的转子轴转矩，所述内夹板和所述外夹板相对于所述凸缘固定；而在至少预定值的转子轴扭矩，所述内夹板和所述外夹板相对于所述凸缘滑动。

17.如权利要求16所述的旋转电机，其中，所述内夹板和所述外夹板的所述部分包括附接到其表面的摩擦垫阵列。

18.如权利要求16所述的旋转电机，其中，所述紧固件包括螺栓，所述螺栓被构造为在所述内夹板和所述外夹板以及所述凸缘的各部分上均匀地分布压力载荷。