CN103354872B - 直接驱动式发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风轮机的直接驱动式发电机（1），所述发电机包括：构造成绕旋转轴线旋转的转子（6）；构造成相对于所述转子保持静止的定子（2）；以及连接至所述定子（2）的至少一个支承件（5）。所述转子（6）包括：至少一个转子部件（7），所述至少一个转子部件绕旋转轴线周向延伸；以及布置在所述至少一个转子部件的侧面上的多个活性物质。所述定子（2）包括：至少一个定子部件（3），所述至少一个定子部件绕旋转轴线周向延伸，并邻近所述至少一个转子部件（7）定位；以及至少一个绕组结构（4），所述至少一个绕组结构由所述至少一个定子部件（3）支撑并且面对所述多个活性物质。所述支承件（5）柔性地连接至所述至少一个定子部件（7），其中，所述支承件（5）抵接所述转子部件（3）以帮助维持所述至少一个绕组结构（4）与所述活性物质之间的间隙（10）。

Description

直接驱动式发电机
技术领域
本发明涉及一种用于风轮机的直接驱动式发电机，该发电机包括转子、定子以及柔性地连接至定子的支承件。本发明还涉及包括这种直接驱动式发电机的风轮机。
背景技术
在风轮机的发电机中，重要的是使转子及定子组件之间的气隙尽可能保持稳定以提高风轮机的效率。
当风轮机具有直接驱动式发电机时，即，当由风力直接驱动的组件与发电机之间不具有中间齿轮时，发电机转子的周长比具有齿轮的风轮机中的发电机转子的周长要大。周长大的目的是具有更多的活性物质以补偿低频率旋转的转子。这使得“直接驱动式”风轮机能够产生与具有齿轮的风轮机一样多的电力或者更多的电力。
与直接驱动式风轮机有关的挑战之一是维持发电机的转子与定子之间的气隙。气隙可以是径向或轴向间隙，这取决于发电机的设计。由于转子与定子之间的磁力，转子与定子彼此拉近从而减小气隙。在现有技术的方案中，将不同类型的支承件安装至定子。支承件在转子旋转时倚靠转子以维持气隙。
尽管试图解决这些问题，但是挑战仍然存在。例如，定子是抵制被朝转子拉动的刚性重组件。由于定子的一些部分能够抵制作用力而另一部分由于不能抵制作用力而轻微挠曲，支承件会从其期望位置稍微偏斜。这样，定子与转子之间的理想气隙不能维持，并且会加大支承件的磨损。
发明内容
本发明的目的在于至少部分克服现有技术的上述劣势及缺点，提供一种直接驱动式发电机，其具有用于支承件的支撑结构，从而能够在电能产生期间使转子与定子之间的气隙更均匀，以减小支承件中的磨损并提高风轮机的生产效率。
通过根据本发明的方案借助用于风轮机的直接驱动式发电机，将实现上述目的以及从以下的描述变得显而易见的许多其它目的、优势及特征，所述发电机包括：
至少一个转子部件，所述至少一个转子部件绕旋转轴线周向延伸；
布置在至少一个转子部件上的多个活性物质；以及
定子，所述定子包括：至少一个定子部件，所述至少一个定子部件绕所述旋转轴线周向延伸，并邻近所述至少一个转子部件定位；至少一个绕组结构，所述至少一个绕组结构由所述至少一个定子部件支撑并且面对所述多个活性物质；以及至少一个支承件，所述至少一个支承件柔性地连接至所述至少一个定子部件，
其中，所述支承件抵接所述转子部件以帮助维持所述至少一个绕组结构与所述活性物质之间的间隙。
所述支承件与所述定子之间具有柔性连接使得所述支承件能够将来自磁引力的弯矩传递至所述定子部件，而不是自身吸收所述弯矩。这显著减小了所述支承件的磨损，而且减小了由所述支承件与所述转子之间的连接产生的噪音。
所述转子部件的侧面可垂直于轴向方向，从而可维持轴向气隙；或者所述转子部件的侧面可垂直于径向方向，从而维持径向气隙，例如在径向磁通机器中。
而且，所述定子还包括将所述至少一个支承件连接至所述至少一个定子部件的柔性结构，所述柔性结构在轴向方向上比所述至少一个定子部件更易挠曲。
在所述柔性结构在轴向方向上更易挠曲的情况下，所述柔性结构能在基本不损害所述定子的刚度的情况下吸收一些弯矩。
在一个实施方式中，所述柔性结构可具有与所述支承件连接的第一部分以及与所述定子部件连接的第二部分，所述第一部分与所述第二部分由过渡部分连接以在所述第一部分与所述第二部分之间形成径向距离，并且所述第一部分具有比所述第二部分更长的轴向延伸。
进一步，所述过渡部分可具有在所述第一部分与所述第二部分之间弯曲的曲线形状。
此外，所述定子可包括朝所述旋转轴线径向延伸的连接元件，所述连接元件在轴向方向上比在径向方向上更易挠曲。
在本发明的一个实施方式中，所述柔性结构可布置成吸收由所述转子与所述定子之间的磁引力产生的力。
进一步，所述支承件可与所述柔性结构的第一端连接，并且所述柔性结构的第二端可与所述定子部件连接。
此外，当在所述定子的周向方向看时，所述柔性结构可具有蜿蜒形状、C形、G形等有弹性的形状。
这允许所述柔性结构的柔性设计，并且允许系统由任一类型的材料制成，而不限于柔性材料。
然而，所述柔性结构可由具有固有弹簧力的材料制成。
而且，所述柔性结构可包括用于与所述支承件进行连接的球窝接头。通过具有球窝接头，与系统不具有这种接头的情况相比，能使所述支承件的与转子表面相对的表面更加平行于所述转子。
在本发明的实施方式中，所述柔性结构可包括万向接头、U形接头、卡登接头、Hardy-Spicer接头或者胡克接头。
而且，所述柔性结构可包括弹簧。所述弹簧可布置在所述第一部分与所述过渡部分之间或者在所述第二部分与所述过渡部分之间。
此外，所述柔性结构可包括气缸或液压缸，所述气缸或液压缸吸收由所述转子与所述定子之间的磁引力产生的力。
在另一实施方式中，转子平面直径可以是从所述转子叶片的顶端间测得的直径，转子和/或定子的直径可以是转子平面直径的至少5%。然而，所述柔性结构可用在具有更小的定子和/或转子直径的其它实施方式中。
此外，所述转子可包括具有活性物质的两个转子部件，所述定子部件可与两组绕组结构连接，一组绕组结构面对一个转子部件的活性物质，另一组绕组结构面对另一个转子部件的活性物质。
本发明还涉及包括以上所述直接驱动式发电机的风轮机。
最后，本发明涉及在风轮机中使用如上所述的直接驱动式发电机来发电。
附图说明
以下将参照所附示意图详细描述本发明及其多种优势，这些示意图为说明之目的示出若干非限制性实施方式，在附图中：
图1是风轮机的立体图；
图2是图1的风轮机的包括定子与转子的直接驱动式发电机的一部分的立体图；
图3是图2中的发电机的一部分的立体图；以及
图4是图3的发电机的转子的截面图。
所有附图均是示意性的而不一定按比例，并且仅示出了对于阐明本发明来说必要的那些部件，其它部件被省略或仅被提及。
具体实施方式
图1示出风轮机101的一个实施方式。风轮机总体上包括塔架102、由塔架支撑的框架或机舱（未示出）及附接至机舱的转子。转子包括可旋转地安装至机舱的轮毂104及与轮毂接合的一组转子叶片或翼片105。转子叶片将风的动能转换成用于旋转风轮机101的发电机1的机械能。
在图1中，发电机1示出为直接驱动式发电机。如下将更详细地描述的，这种类型的发电机包括由转子叶片105驱动的转子及固定至框架或机舱的定子。这样，风轮机101不具有中间齿轮来增加输入至发电机1的转速。为了产生与具有中间齿轮的风轮机相同或更多的电，这就需要发电机的转子和定子组件具有更大的直径。转子和/或定子的直径至少是转子平面的直径的5%，所述转子平面的直径即在转子叶片105的顶端之间划出的圆的直径。
当转子相对定子旋转而产生能量时，为了最佳的利用旋转力需要维持其间的气隙。为了有助于维持直接驱动式发电机中的气隙，有时在转子与定子之间布置支承件。由于转子与定子的直径大，需要被维持的气隙距离旋转中心非常远，从而使旋转中心中的微小错位在外围中会变得非常大。而且，转子非常沉重，从而需求更大的阻抗动量，现有技术的解决方案是非常刚性的。然而，这种刚性导致支承件倾斜，支承件磨损相应加大。
图2示出直接驱动式发电机1的一个可行实施方式。事实上，以下的描述重点在发电机1本身的设计上，而不是其相对于风轮机101的其它组件的布局。因此，本技术领域中的技术人员会理解图1仅是发电机1可如何结合到风轮机中的一个实施例。对本技术领域中的技术人员而言，其它方式是显而易见的。
图2示出发电机1的局部视图。仅示出发电机1的一部分以阐明本发明。尽管未示出，但是发电机1的不同组件绕旋转中心延伸，由此形成具有大直径的圆。在图2中以从由机舱盖106覆盖的机舱3的后端观看的视角示出了发电机1。
如图2中所示，直接驱动式发电机1包括关于转子6布置的定子2。转子6呈在其中心具有一个大孔的圆盘形式。更具体地说，转子6包括具有侧面8（图4）的圆盘形转子部件7，在侧面8上布置有多种活性物质（未示出）。活性物质例如既可以是与线圈结合或不与线圈结合的硬质磁性材料，也可以是与线圈结合或不与线圈结合的软质磁性材料。定子2以内部环绕转子6的定子部件或定子区段3的形式被示出，从而能够使转子6直接连接至转子叶片105或通过轮毂连接至转子叶片105而相对定子2旋转（图1）。定子2可连接至中心轴、机舱框架或者其它一些静止组件。在本实施方式中，定子部件或定子区段3通过形成机舱103的一部分的圆盘形框架107并且通过连接元件17连接至机舱103。如下将描述的，连接元件17在轴向方向上比在径向方向上更易挠曲。
在图2至图4中，定子2以均匀地覆盖360度圆的定子部件、定子区段或者模块的形式被示出。然而，在未示出的另一实施方式中，定子2可仅包括一个元件。
在图3中，以立体图示出定子部件3。每个定子部件或定子区段3支撑绕组结构4（以下称为“线圈4”）。更具体地说，每个定子部件3包括基部15以及支撑线圈4的一个或多个中间保持件16，从而允许保持件16的多个部分用作线圈4内的芯。转子（未示出）隔开地平行于线圈4布置。每个保持件16形成为具有片层的框架结构。尽管图3示出了在转子每侧上包括三组保持件16的定子部件3，但是在其它实施方式中可以少到每个定子部件上有一组。每个保持件16可支撑单个线圈，或者可选地支撑多个线圈。
每个定子部件3的基部15稍微弯曲以便符合转子（未示出）的内圆周。这在示出定子2内的转子6的图4中更好地被示出。保持件16可在定子部件3形成时与基部15结合在一起，或者可以是在随后的处理中固定至基部15的单独部件。
每个定子部件3被形成为吸收弯矩，而不是在安装至定子部件3的支承件5中吸收弯矩。支承件可以是诸如辊子、滑块、甚至油膜之类的任何种类的支承件元件。如图4中所示，支承件5抵接转子部件7以维持线圈4与转子6的活性物质之间的气隙。
为此目的，支承件5由从定子部件或定子区段3延伸的各个柔性结构11支撑。每个支承件5与相应的柔性结构11的第一部分12柔性连接。每个柔性结构11的第二部分13通过保持件16与相应的定子部件3连接。支承件5倚靠转子6的转子部件7，以有助于在转子6旋转期间并由此在转子叶片105（图1）旋转期间使气隙维持大致恒定。
而且，转子6与定子2之间的磁引力可引起转子部件7或定子部件3稍微弯曲，从而迫使支承件5在轴向方向上移动。支承件5悬浮而稍微弯曲以适应此移动，从而致使弯矩传递至定子部件3本身而不是在支承件5中被吸收。这显著减小了支承件5中的磨损，而且减小了由支承件5与转子6之间的连接产生的噪音。虽然如此，柔性结构11足够刚硬来维持磁体与线圈4之间的气隙。
在图4中，在柔性结构11与支承件5之间布置有球窝接头14以保持每个支承件5的端面平行于转子6的表面35、36。柔性结构11在定子部件3的径向方向上的最外端附近或最外端处与定子部件3连接。
在其它实施方式中，在每个柔性结构11与支承件5之间布置有万向接头、U形接头、卡登接头、Hardy-Spicer接头或者胡克接头。这些接头像球窝接头14一样是柔性地连接支承件5与柔性结构11的可行方式。柔性结构11自身的几何形状也是可选方式或者附加方式。
事实上，如图4中能看到的，每个柔性结构11的第一部分12具有比第二部分13更长的轴向延伸。每个柔性结构11的第一部分与第二部分通过过渡部分22连接，并且二者之间具有径向距离从而为柔性结构11提供柔性。过渡部分22具有在第一部分12与第二部分13之间延伸的曲线形状，这有助于为柔性结构11提供弯曲能力。
在所示的具体实施方式中，第一部分12与第二部分13以及过渡部分22为柔性结构11限定出C形设计。在另一实施方式中，柔性结构11可具有诸如蜿蜒形状、G形等之类的其它适当的有弹性的设计。并且，尽管图4中所示的定子部件3具有U形截面，但是定子部件3可具有任何适当形状。
而且，如图4中所示，在基部15与转子6的内直径之间布置有附加的支承件25。支承件25协助维持气隙10。
柔性结构11由具有固有弹簧力并具有弹性设计的材料制成，或者其可仅由弹性材料制成。柔性结构11也可具有弹簧，弹簧允许更大的制造公差，从而使得系统更容易制造，制造成本更低。弹簧能被布置在过渡部分22与第一部分12之间或者过渡部分22与第二部分13之间。
可选地或附加地，柔性结构11可具有气缸或液压缸（未示出），以便吸收由转子6与定子2之间的磁引力产生的弯矩。具有气缸或液压缸能容许更大的制造公差和更小的精度。
而且，柔性结构11可具有能够调整不准确性的可调装置，从而容许系统制造期间的更大公差。
如上所述，支承件5与定子部件3之间的柔性连接有助于向定子部件3传递弯矩，使得作用力不在支承件5中被吸收。有利的是，柔性结构11具有刚度，该刚度高于转子6的活性物质与定子的活性物质之间的磁场产生的“负刚度”。定子部件3可设计成具有高刚度以抵抗弯矩。为了尽管有这些刚度组件也进一步允许转子与定子之间的某些失配，可相应地设计定子2的其它方面。例如，图3示出定子还包括朝旋转轴线（未示出）径向延伸的连接元件17。连接元件17在轴向方向上比在径向方向上更易挠曲。连接元件17是安装至发电机1的中心轴（未示出）的板形元件，该连接元件在轴向方向上可挠曲的同时，增大了定子的径向及切线方向上的刚性。
尽管以上已经关于本发明的可能实施方式描述了本发明，但是对于本技术领域技术人员而言显而易见的是在不脱离由所附权利要求限定的本发明的情况下，可构想若干变型。例如，转子部件7的侧面8垂直于轴向方向，从而维持轴向气隙，但是在另一实施方式中，所述侧面可垂直于径向方向，从而维持径向气隙，例如在径向磁通机器中。

Claims (14)

1.一种用于风轮机的直接驱动式发电机，所述发电机包括构造成绕旋转轴线旋转的转子以及构造成相对于所述转子保持静止的定子，
所述转子包括：至少一个转子部件，所述至少一个转子部件绕所述旋转轴线周向延伸；以及布置在所述至少一个转子部件的侧面上的多个活性物质；
所述定子包括：至少一个定子部件，所述至少一个定子部件绕所述旋转轴线周向延伸，并邻近所述至少一个转子部件定位；至少一个绕组结构，所述至少一个绕组结构由所述至少一个定子部件支撑并且面对所述多个活性物质；以及至少一个支承件，所述至少一个支承件柔性地连接至所述至少一个定子部件，
其中，所述支承件抵接所述转子部件以帮助维持所述至少一个绕组结构与所述活性物质之间的间隙，
其中，所述定子还包括将所述至少一个支承件连接至所述至少一个定子部件的柔性结构，所述柔性结构在轴向方向上比所述至少一个定子部件更易挠曲。
2.根据权利要求1所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构具有与所述支承件连接的第一部分以及与所述定子部件连接的第二部分，所述第一部分与所述第二部分由过渡部分连接以在所述第一部分与所述第二部分之间形成径向距离，并且所述第一部分具有比所述第二部分更长的轴向延伸。
3.根据权利要求2所述的直接驱动式发电机，其中，所述过渡部分具有在所述第一部分与所述第二部分之间弯曲的曲线形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的直接驱动式发电机，其中，当沿所述定子的周向方向看时，所述柔性结构具有有弹性的形状。
5.根据权利要求4所述的直接驱动式发电机，其中，所述有弹性的形状是蜿蜒形状、C形或G形。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构由具有固有弹簧力的材料制成。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构包括用于与所述支承件进行连接的球窝接头。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构包括万向接头、U形接头、卡登接头、Hardy-Spicer接头或者胡克接头。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构包括弹簧。
10.根据权利要求1所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构包括气缸或液压缸，所述气缸或液压缸吸收由所述转子与所述定子之间的磁引力产生的力。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的直接驱动式发电机，其中，所述柔性结构在从所述定子的中心沿径向方向上看时的外端上与所述定子部件连接。
12.根据权利要求1所述的直接驱动式发电机，其中，所述定子包括朝所述旋转轴线径向延伸的连接元件，所述连接元件在轴向方向上比在径向方向上更易挠曲。
13.根据权利要求1所述的直接驱动式发电机，其中，所述转子包括具有活性物质的一个或两个转子部件，并且其中，所述定子部件连接有两组绕组结构，一组绕组结构面对一个转子部件的活性物质，另一组绕组结构面对另一个转子部件的活性物质。
14.一种包括根据前述任一权利要求所述的直接驱动式发电机的风轮机。
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