CN104583587A - 风轮机轮毂的供电结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风轮机，其包括：机舱；转子，该转子包括附接至轮毂的至少一个叶片；以及供电结构，其用于将电力从所述机舱供给至所述转子。所述转子绕着旋转轴线可旋转地连接至所述机舱。所述供电结构包括具有连接模式和断开模式的开关，在所述连接模式中机舱和所述转子电连接，在所述断开模式中机舱和所述转子电断开。此外，所述开关适于在所述转子不旋转时从所述断开模式改变至所述连接模式。

Description

风轮机轮毂的供电结构
技术领域
本发明涉及一种风轮机，其包括用于将电力从机舱供给至转子的供电结构。
背景技术
在风电工业中，存在制造尺寸增大的风轮机的趋势，由此也增加了风轮机各个部分的尺寸。传统地，当转子可旋转地连接至机舱时，通过使用滑环将电力从机舱传递至转子。因而，滑环能够用于将电力从静止的机舱传递至旋转的转子。由于风轮机的增大尺寸，滑环需要具有相当大的尺寸。
此外，滑环会受到严重磨损，因而会需要定期维修或者甚至更换。而且，滑环无法始终提供用于高电力电流传输的充分良好接触。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种风轮机，该风轮机具有用于将电力从机舱供给至转子的改进的供电结构。
根据第一方案，本发明提供了一种风轮机，该风轮机包括：机舱；转子，该转子包括附接至轮毂的至少一个叶片，所述转子绕着旋转轴线可旋转地连接至所述机舱；以及供电结构，该供电结构用于将电力从所述机舱供给至所述转子，其中，所述供电结构包括具有连接模式和断开模式的开关，在所述连接模式中所述机舱和所述转子电连接，在所述断开模式中所述机舱和所述转子电断开，并且其中，所述开关适于在所述转子不旋转时从所述断开模式改变至所述连接模式。
在本发明的内容中，术语“风轮机”应该解释为指代一种装置，该装置能够将风能转换为电能，优选供给至电力网。至少一个风轮机叶片从风中提取能量，从而使转子旋转。转子的旋转运动直接经由定子部分和转子部分或者经由驱动链(例如包括主轴、齿轮系统和发电机的输入轴)传递至发电机。
转子包括至少一个附接至轮毂的风轮机叶片。当至少一个风轮机叶片从风中提取能量时轮毂旋转。在风轮机是一种包括用于将转子的旋转运动传递至发电机的驱动链的情况下，轮毂可以有利地以这种方式连接至主轴，所述方式为将轮毂的旋转运动转换成主轴的旋转运动。在本发明的轮毂中，经由轮毂上的主轴凸缘和主轴上对应的凸缘，主轴可以连接至轮毂。类似地，所述至少一个叶片可以经由叶片凸缘和风轮机叶片上的对应凸缘连接至轮毂，优选经由变桨轴承连接至轮毂。
转子绕着旋转轴线可旋转地连接至机舱。机舱可以收纳将机械能转换为电能所必须的部件和系统。部件的范围从重型发电机、变速箱、制动器以及变压器到小的电子部件。
通过提供具有用于机舱和转子之间的电连接的连接和断开的开关的供电结构，能够减小用于将电力从机舱供给至转子的供电结构的磨损，因为能够仅当需要时建立电连接。
此外，磨损甚至可以降得更低，因为当在转子中不需要电力时能够中断电接触。
在本发明的内容中，术语“将电力从机舱供给至转子”应该解释为意味着将电力从机舱供给至转子或者转子中包括的元件，或者至少跟随转子(诸如叶片、轮毂等)的旋转。
风轮机可以包括适于检测转子何时不旋转的旋转传感器。在一个实施例中，旋转传感器形成开关的一部分。该传感器可以形成发电机的一部分或者简单地由发电机构成，即当风轮机不生产电能时，转子可以被认为是“不旋转”。
由于每当转子不旋转时不必要建立从机舱至转子的电连接，所以从断开模式至连接模式的改变可以以转子中的电力需求为条件，即风轮机可以适于检测转子中电力的需求并且基于检测到的需求而从断开模式改变至连接模式。
作为一个例子，转子中的电力需求可以是对用于至少一个叶片进行除冰的电力需求，对用于加热轮毂的电力需求，对用于照明轮毂的电力需求，对用于维修需要的电力需求等。电力还可以用于其他目的。
风轮机可以包括检测结构以检测对电力的需求。检测结构可以具体地与除冰结构通信以当除冰结构启动时改变至连接模式。
开关的模式的改变可以由控制结构控制，例如由电子处理器控制。该控制结构可以从旋转传感器以及从一个或多个电力需求传感器接收输入。电力需求传感器可以包括例如温度传感器、光传感器等。此外，模式的改变可以通过人工干预开启。
因而，从断开模式至连接模式的改变可以自动执行，例如基于指示转子不旋转的信号，或者基于既指示转子不旋转同时又指示存在电力需求的信号。应该理解的是，从断开模式改变之前还需要满足其他参数。
在可替换实施例中，从断开模式至连接模式的改变被人工地执行，或者至少通过人工干预。
为了建立机舱和转子之间的电连接，开关可以包括传输接触面和接收接触面。接收接触面可以跟随转子的旋转而使得接触面能相对于彼此移动地旋转。因而，在断开模式中，接收接触面可以与转子一起旋转。而当转子不旋转时，接收接触面也不旋转，由此开关可以从断开模式改变至连接模式。
接触面在接触切换方向上是可相对于彼此移动的，由此这些面接触或者不接触。在一个实施例中，仅一个面是可移动的。作为例子，这可以通过将接收接触面刚性地附接至转子以及通过将传输接触面可移动地附接至机舱而实现。在另一实施例中，两个接触面都可以在接触切换方向上可移动地附接。
在一个实施例中，接触切换方向从旋转轴线径向向外，而在另一实施例中，接触切换方向轴向地沿着旋转轴线。但是，应该理解的是，其他方向也可以适用，这取决于例如接触面的尺寸和形状和/或接触面的位置。
为了能够相对于彼此移动接触面，通过电动致动器或者弹簧，至少一个接触面可以在接触切换方向上是可移动的。即至少一个接触面例如通过线性致动器、电磁致动器、压电致动器或者通过弹簧的释放而可以移动，由此转子和机舱可以电连接。
至少一个接触面可以是环形面，所述环形面形成绕着旋转轴线周向延伸的环状元件。从而可以实现的是，由于另一接触面可以沿着环形面的整个圆周连接时，机舱和转子可以在所述至少一个叶片的任意位置实现电连接。作为例子，接收面可以形成绕着旋转轴线周向延伸的环形面。当转子不旋转时，可以具有较小尺寸的传输面可以与接收面彼此接触。
环形面可以位于轮毂中或者轮毂处。作为替换，环形面可以位于机舱中，例如周向地绕着主轴线。因而，环形面可以布置在主轴上，例如与旋转接头(诸如液压接头)组合。此外，环形面可以布置成与布置为例如用于低电力需要的滑环组合。
在一个实施例中，环形面从旋转轴线径向向外，由此通过在从旋转轴线径向向外的接触切换方向上移动至少一个面，例如通过使一个接触面相对于另一接触面径向膨胀或者收缩，传输面和接收面可以彼此接触。
在可替换实施例中，环形面轴向地沿着旋转轴线，由此通过在轴线向沿着旋转轴线的接触切换方向上移动至少一个面，可以使传输面和接收面彼此接触。
至少一个接触面可以形成绕着旋转轴线的圆的至少一段。所述圆的该至少一段可以适于接触上述环形面。但是，作为其替换，所述至少一段可以适于接触也不沿着旋转轴线的全周延伸的另一接触面。
在一个实施例中，开关的数量等于风轮机叶片的数量。但是应该理解的是，可以需要更少的数量，诸如仅一个开关。接收接触面和传输接触面的数量不需要相等。开关的数量还可以等于相位、零线以及接地器的数量。典型地，一至三个相位以及一个零线以及一个接地器，即总共三至五个开关。
为了利于建立接触面之间的电连接，至少一个接触面可以形成另一接触面的轨道以利于引导相对移动。作为例子，接触面中的一个可以具有漏斗状的形状，从而提供对另一接触面的引导。
为了利于接触面的电连接，接触面可以形成匹配表面印痕。即，一个接触面的形状可以匹配另一接触面的形状。作为例子，接触面可以都是波状，使得一个接触面的峰部匹配另一接触面的槽部，反之亦然。在另一实施例中，形成在一个接触面上的一个或多个凹进可以匹配形成在另一接触面上的一个或多个突起。在又一可替换实施例中，一个接触面可以具有带齿的叉状形状，该齿装配到形成在另一接触面中的轨道中。许多其他匹配表面印痕也可以是适用的。
通过对接触面设定形状使得它们形成匹配表面印痕，一个接触面可以同时提供对另一接触面的引导，从而利于建立接触面之间的电连接。
为了确保转子停止使得开关能够被连接从而建立机舱和转子之间的电连接，风轮机可以包括负责在需要的位置停止转子的旋转的控制单元。控制单元可以基于以下信息来控制转子的制动从而允许转子的自动止停，该信息例如是有关转子的位置，因而有关开关的位置，有关转子的旋转速度和/或转子的减速的信息。
为了限制当在从断开模式改变至连接模式之前停止转子的旋转时接触面相对于彼此精确定位的要求，接触面具有不同的尺寸则是有利的。因而，较小的一个接触面可以在大面积上接触较大的一个连接接触面，从而限制定位要求。
当转子不旋转时，传感器可以核查开关是否准备就绪进行连接，例如通过核查传输接触面和接收接触面相对于彼此的位置是否在预定可接受范围内。如果被核实，则开关可以从断开模式改变至连接模式。
供电结构可以适于供给范围为10-200kW的电力。尤其，与对至少一个风轮机叶片除冰相关的电力需求会需要高电力供给，然而，例如照明需求以及例如在轮毂中进行维修的电力需求可以是较低的。
开关可以适于基于转子的预定旋转速度的检测而从连接模式改变至断开模式。即当转子在静止期之后开始旋转时，开关可以以预定旋转速度从连接模式自动改变至断开模式。当从连接模式自动发生切换时，这还可以提供供电结构的安全规程。但是，应该理解的是，从连接模式至断开模式的改变还可以人工启动，或者通过使用其他信号自动启动，诸如指示转子中或者转子中(例如在轮毂中或者至少在一个叶片中)包括的元件不再存在电力需求的信号。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：
图1图示了本发明的一个实施例的部件，其中一个接触面是环形面；
图2图示了本发明的替换实施例的部件，其中一个接触面形成圆的至少一段；以及
图3图示了本发明的第三实施例的部件，其中两个接触面都位于机舱中。
具体实施方式
应该理解的是，当给出本发明的实施例时，具体实施方式和具体例子仅以示意的方式给定，因为对本领域的技术人员来说，根据该具体描述，在本发明的精神和范围内的各种改变和修改将变得明显。
图1图示了风轮机1的部件。风轮机1(部分地图示出)包括机舱2和转子3，转子3包括附接至轮毂4的三个叶片(未示出)。转子3绕着旋转轴线(未示出)可旋转地连接至机舱2。三个叶片附接至它们各自的叶片凸缘5。
风轮机进一步包括供电结构，该供电结构用于将电力从机舱2供给至转子3。供电结构包括具有连接模式和断开模式的开关6、7，在连接模式中机舱2和转子3电连接，在断开模式中机舱2和转子3电断开。
开关6、7适于当转子3不旋转时从断开模式改变至连接模式。
通过给供电结构设置用于机舱2和转子3之间的电连接的连接和断开的开关6、7，能够减小用于将电力从机舱供给至转子的供电结构的磨损，因为能够仅当需要时建立电连接。
如图1所示的，开关6、7包括传输接触面7和接收接触面6。接收接触面6跟随转子3的旋转，使得在断开模式中，接收接触面6与转子一起旋转，因为接收接触面6刚性地附接至轮毂4。当转子3不旋转时，接收接触面也不旋转，从而使得开关6、7从断开模式改变至连接模式。
接触面6、7在接触切换方向上相对于彼此是可移动的，由此这些面能够变得彼此接触或者不接触。在图示的实施例中，仅传输接触面7是可移动的。这通过将接收接触面6刚性地附接至轮毂4和将传输接触面7可移动地附接至机舱2而实现。由于通过沿着旋转轴线移动传输接触面而使接触面6、7彼此接触和不接触接触，因而切换方向是轴向地沿着旋转轴线的。
传输接触面7通过电动线性致动器8在接触切换方向上可移动。通过使用角型托架9将致动器8附接至机舱2。
接收接触面6是环形面，所述环形面形成绕着旋转轴线周向延伸的环状元件。从而，由于传输接触面7能够沿着环形面6的整个圆周连接，机舱2和转子3能够在转子3的任意位置实现电连接并因而可在至少一个叶片处实现电连接。环形面6位于轮毂4处。
环形面6沿着旋转轴线轴向相向，由此通过线性致动器8的径向展开使传输接触面7在轴向地沿着旋转轴线的接触切换方向上移动，传输接触面7和接收接触面6能够彼此接触。
为了利于接触面6、7的电连接，接触面形成有匹配表面印痕。即，传输接触面7的形状匹配接收接触面6的形状。在图示的实施例中，这通过传输接触面7具有带齿10的叉状形状而实现，齿10装配到形成在接收接触面6中的轨道11中。
通过对接触面6、7设定形状使得它们形成匹配表面印痕，随着齿10装配到轨道11中，接收接触面6同时对传输接触面7提供引导，从而利于建立接触面6、7之间的电连接。
为了限制接触面6、7相对于彼此的精确定位的要求，在从断开模式改变至连接模式之前停止转子3的旋转，接触面有利地制成为使得它们具有不同的尺寸。因而，较小的一个接触面(即传输接触面7)能够在较大面积上接触较大的一个连接面(即接收接触面6)，从而限制位置要求。在图示的实施例中，由于这里的环形形状，传输接触面7能够在任意位置接触接收接触面6。
图2图示了本发明的替换实施例的部件。风轮机101(部分地图示)包括机舱102和转子103，转子103包括附接至轮毂104的三个叶片(未示出)。转子103绕着旋转轴线(未示出)可旋转地连接至机舱102。三个叶片附接至它们各自的叶片凸缘105。
风轮机101进一步包括用于将电力从机舱102供给至转子103的供电结构。供电结构包括具有连接模式和断开模式的开关106、107，在连接模式中机舱102和转子103电连接，在断开模式中机舱102和转子103电断开。
开关106、107适于当转子103不旋转时从断开模式改变至连接模式。因而，图2的实施例类似于图1图示的风轮机。
但是，接收接触面106形成了绕着旋转轴线的一段圆。这一段圆可以适于接触传输接触面107，传输接触面107与图1的实施例的传输接触面7相同。
因为接触面106、107具有不同的尺寸，较小的一个接触面(即传输接触面107)能够在较大面积上接触较大的一个连接面(即接收接触面106)，从而限制在从断开模式改变至连接模式之前停止转子时传输接触面107的定位要求并因而限制转子的转子103的定位要求。
图3是本发明的进一步替换实施例的部件的截面。风轮机201(部分地图示)包括机舱(未示出)和转子203，转子203包括附接至轮毂204的三个叶片(未示出)。转子203绕着旋转轴线(未示出)可旋转地连接至机舱。三个叶片附接至它们各自的叶片凸缘205。
风轮机201进一步包括用于将电力从机舱供给至转子203的供电结构。供电结构包括具有连接模式和断开模式的开关206、207，在连接模式中机舱和转子203电连接，在断开模式中机舱和转子203电断开。
开关206、207适于当转子203不旋转时从断开模式改变至连接模式。开关206、207包括传输接触面207和接收接触面206。在本实施例中，接收接触面206和传输接触面207都在机舱中邻近齿轮壳212。由于接收接触面206形成为附接至主轴(其形成转子的一部分)的滑环，接收接触面206跟随转子203旋转，使得在断开模式中接收接触面206随着转子旋转，因为接收接触面206刚性地附接至主轴。当转子203不旋转时，接收接触面也不旋转，从而能够从开关206、207的断开模式改变至连接模式。
接触面206、207在接触切换方向上是可相对于彼此移动的，由此这些面能够彼此接触或者彼此不接触。在图示的实施例中，仅传输接触面207在接触切换方向上是可移动的。这通过将接收接触面206刚性地附接至主轴并将传输接触面207可移动地附接至机舱而实现。由于通过从旋转轴线径向移动传输接触面207而使接触面206、207彼此接触和彼此不接触，接触切换方向为从旋转轴线径向向外。
通过线性致动器(未示出)来移动传输接触面207。
电力经由缆线213被输送至轮毂204，用于例如对至少一个叶片进行除冰、加热轮毂、照明轮毂、维修需要等。

Claims (17)

1.一种风轮机，该风轮机包括：
机舱；
转子，该转子包括附接至轮毂的至少一个叶片，所述转子绕着旋转轴线可旋转地连接至所述机舱；以及
供电结构，该供电结构用于将电力从所述机舱供给至所述转子；
其中，所述供电结构包括具有连接模式和断开模式的开关，在所述连接模式中所述机舱和所述转子电连接，在所述断开模式中所述机舱和所述转子电断开；并且
其中，所述开关适于在所述转子不旋转时从所述断开模式改变至所述连接模式。
2.根据权利要求1所述的风轮机，该风轮机适于检测所述转子中的电力需求并且基于检测到的需求从所述断开模式改变至所述连接模式。
3.根据权利要求2所述的风轮机，该风轮机进一步包括除冰结构，所述除冰结构在对所述至少一个叶片进行除冰时需要电力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述开关包括传输接触面和接收接触面，所述接收接触面跟随所述转子的旋转而使得这些接触面能相对于彼此旋转地移动。
5.根据权利要求4所述的风轮机，其中，这些接触面是能在接触切换方向上相对于彼此移动的，借此使这些接触面接触或者不接触。
6.根据权利要求5所述的风轮机，其中，所述接触切换方向从所述旋转轴线径向向外。
7.根据权利要求5所述的风轮机，其中，所述接触切换方向轴向地沿着所述旋转轴线。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的风轮机，其中，通过电动致动器或者弹簧使至少一个所述接触面在所述接触切换方向上是可移动的。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的风轮机，其中，至少一个所述接触面是环形面，所述环形面形成绕着所述旋转轴线周向延伸的环状元件。
10.根据权利要求9所述的风轮机，其中，所述环形面从所述旋转轴线径向向外。
11.根据权利要求9所述的风轮机，其中，所述环形面轴向地沿着所述旋转轴线。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的风轮机，其中，至少一个所述接触面形成绕着所述旋转轴线的圆的至少一段。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的风轮机，其中，至少一个所述接触面形成用于另一接触面的轨道以利于受引导的相对运动。
14.根据权利要求4至13中任一项所述的风轮机，其中，所述接触面形成匹配表面印痕。
15.根据权利要求4至14中任一项所述的风轮机，其中，所述接触面具有不同的尺寸。
16.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述供电结构适于供应范围为10-200kW的电力。
17.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述开关适于基于所述转子的预定旋转速度的检测而从所述连接模式改变至所述断开模式。
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