CN108368826B - 风力涡轮机装置 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机装置，该风力涡轮机装置包括：叶片部分（6）；发电机（8），该发电机包括具有多个线圈（20）的定子（12）和具有多个磁体（22）的转子（10），转子（10）连接至叶片部分（6），使得叶片部分（6）的旋转和转子（10）的旋转在线圈（20）内产生电流；其中叶片部分（6）通过围绕发电机（8）延伸的轭架（24）连接至转子（10）并且叶片部分（6）连接至转子（10）的底座，使得转子（10）的磁体（22）和定子（12）的线圈（20）配置在叶片部分（6）与轭架（24）和转子（10）之间的连接之间。包括轴（114）的定子（12）也被描述过，轴（114）具有通过绝缘体（38）彼此分开的第一端子部分（34）和第二端子部分（36），第一端子部分（34）和第二端子部分（36）电连接至线圈（20）；其中轴（114）由设在第一导电轨道（4b'）和第二导电轨道（4b''）中的开口（40'、40''）接收，以便支撑发电机（8）和叶片部分（6），并且使得第一端子部分（34）和第二端子部分（36）分别电耦合至第一导电轨道（4b'）和第二导电轨道（4b''），以运送来自线圈（20）的电流。

Description

风力涡轮机装置
技术领域
本发明涉及风力涡轮机装置，并且具体但并非仅涉及包括多个涡轮机模块的风力涡轮机装置。
背景技术
已知将多个垂直轴风力涡轮机(VAWT)模块设置在框架内以形成风力栅栏；例如参见第2476126号英国专利。图1示出了这种设置。如图所示，框架1由上部结构的轨道3a和下部结构的轨道3b以及左侧部件5a和右侧部件5b形成，以形成矩形框架。多个风力涡轮机模块7a-7d(示出了四个)位于框架1内并且沿着框架1的宽度彼此间隔开。风力涡轮机模块7a-7d在任一端固定至上部结构的轨道3a和下部结构的轨道3b。每个风力涡轮机模块7a-7d包括叶片部分9和与其联接的示例性的轴向磁通发电机11。
图2和图3更详细地示出了示例性的轴向磁通发电机11。如图所示，示例性的轴向磁通发电机11包括转子13和定子15。转子13由示例性的轴向磁通发电机11的外壳形成，该外壳连接至叶片部分9以随其旋转。相比之下，定子15由固定至下部轨道3b的轴17形成。转子13通过上部轴承21a和下部轴承21b可旋转地安装至轴17。轴17承载圆盘19，该圆盘19具有设置成圆圈的多个线圈23。转子13承载多个永磁体25。永磁体25设置在与线圈23的圆圈对应的上部圆圈和下部圆圈中。线圈23夹在永磁体25的上部组和下部组之间，其间的小间隙允许永磁体25相对于线圈23自由移动。
叶片部分9响应于风力的旋转引起转子13的旋转。永磁体25相对于线圈23的移动感应出在线圈23中的电流，该电流可以被利用作为有用的电力。
如上所述，转子13由在转子13和定子15之间维持对准的一对轴承21a、21b支撑，使得线圈23和永磁体25之间的距离可以最小化，由此提高效率。虽然这种设置解决了转子13和定子15之间的轴向不对准问题，但是为了使叶片部分9和转子13自由地旋转，支撑叶片部分9的上端(在上部轨道3a处)的轴承的中心必须位于由示例性的轴向磁通发电机11内的两个轴承21a、21b的中心限定的轴线上。采用这种设置，必须在制造/组装中以及在运行期间的所有天气条件下实现充分的对准，以避免这些轴承中的至少一些过紧的风险，因此降低了系统功率输出，并且可能引起过度的轴承磨损或过热。实现和维持这种对准可能导致对框架硬度、叶片刚度和/或沿模块的整个高度运行的大体上共用中心轴的过度要求，所有这些都具有相当大的相关成本和重量增加。
叶片部分9和转子13之间的柔性联接可以被引入，以允许叶片部分9的旋转轴线稍微偏离示例性的轴向磁通发电机11的旋转轴线而不损坏任一个元件。然而，这样的设置会造成新的问题，即在支撑示例性的轴向磁通发电机11的下部轨道3b上产生高转矩(垂直于旋转轴)。
此外，为了将产生的电流从线圈23运送走，需要轴17为中空的，使得合适的接线可以穿过轴17。然而，如上所述，轴17承载示例性的轴向磁通发电机11的重量并且必须承受运行中的负载。结果，这种轴通常由相对高强度的钢构成，以便赋予它们必要的强度和硬度。
希望提供解决与上述现有技术设置相关的一些或全部问题的改进设置。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种风力涡轮机装置，该风力涡轮机装置包括：叶片部分；发电机，该发电机包括具有多个线圈的定子和具有多个磁体的转子，转子连接至叶片部分，使得叶片部分的旋转和转子的旋转在线圈内产生电流；其中叶片部分通过围绕发电机延伸的轭架连接至转子，并且叶片部分连接至转子的底座，使得转子的磁体和定子的线圈配置在叶片部分与轭架和转子之间的连接之间。
定子可以包括由支撑轨道接收的轴。
轭架和转子之间的连接可以配置在支撑轨道与磁体和线圈之间。
转子可以通过轴承可旋转地安装在定子上，并且轭架和转子之间的连接可以围绕轴承形成。
轭架可以是柔性的，以便允许叶片部分的旋转轴线和转子的旋转轴线彼此偏移。
轭架可以经由柔性联轴器连接至叶片部分和/或转子，以便允许叶片部分的旋转轴线和转子的旋转轴线彼此偏移。
轭架可以通过快速释放机构连接至叶片部分和/或发电机。
根据本发明的另一方面，提供了一种风力涡轮机装置，该风力涡轮机装置包括：叶片部分；发电机，该发电机包括具有多个线圈的定子和具有多个磁体的转子；转子连接至叶片部分，使得叶片部分的旋转和转子的旋转在线圈内产生电流；其中定子包括轴，该轴具有通过绝缘体彼此分开的第一端子部分和第二端子部分，第一端子部分和第二端子部分电连接至线圈；其中轴由设在第一导电轨道和第二导电轨道中的开口接收，以便支撑发电机和叶片部分，并且使得第一端子部分和第二端子部分分别电耦合至第一导电轨道和第二导电轨道，以运送来自线圈的电流。
第一导电轨道和第二导电轨道中的孔可以具有与第一端子部分和第二端子部分互补的横截面。
第一端子部分可以由销形成，并且第二端子部分可以由围绕销的套筒形成。销可从套筒突出，使得当套筒被第一导电轨道接收时，销被第二导电轨道接收。
销和套筒可以是同心的。
套筒可以具有第一直径并且销可以具有比第一直径小的第二直径。第一轨道和第二轨道的开口可以被设定尺寸以分别接收第一直径和第二直径。
第一轨道和/或第二轨道可以设有保持部件，该保持部件具有或者限定被设定尺寸以接收第一端子部分或第二端子部分的孔。保持部件可以配置成与轨道对准，使得端子部分由保持部件的孔和轨道中的开口接收，并且其中保持部件相对于轨道可平移，以便牵拉端子部分抵靠轨道，从而将定子机械地连接至轨道。
第一轨道和/或第二轨道可以是管状的，限定延伸穿过其中的空腔，并且保持部件可以被接收在空腔内。
保持部件的外部轮廓可被设定尺寸和/或被设定形状以确保保持部件的孔与轨道中的开口对准。
保持部件的外部轮廓可大体上对应于空腔的内部轮廓(尽管可能相当宽松地配合在空腔的内部轮廓内)。
保持部件可以通过螺纹紧固件固定至轨道，随着螺纹紧固件旋转，螺纹紧固件使保持部件相对于轨道平移。
叶片部分和发电机可以形成涡轮机模块，并且装置可以包括多个所述模块。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地显示本发明如何被实施，现在将通过举例的方式参考附图，其中：
图1是现有技术风力栅栏的正视图；
图2是现有技术发电机的正视图；
图3是图2的发电机的横截面图；
图4是根据本发明实施例的风力涡轮机模块的横截面图；
图5是根据本发明另一个实施例的风力涡轮机模块的横截面图；
图6是图4的风力涡轮机模块的立体图，示出轭架设置；
图7是图4的风力涡轮机模块在与下部轨道接合之后的立体图；
图8是根据本发明实施例的发电机的立体图；
图9是发电机的轴的立体图；
图10是轴的横截面图；
图11是示出在与一对导电轨道接合之前的发电机的立体图；
图12是示出与导电轨道接合的一对发电机的立体图；以及
图13是示出发电机和导电轨道之间的机械连接的分解图。
具体实施方式
图4示出根据本发明实施例的风力涡轮机模块2。以与图1中所示类似的方式，风力涡轮机模块2可以是设置在包括上部轨道4a和下部轨道4b的框架中的多个类似模块中的一个。
风力涡轮机模块2在其上端连接至上部轨道4a并且在其下端连接到下部轨道4b。风力涡轮机模块2包括叶片部分6和发电机8。发电机8是包括转子10和定子12的轴向磁通发电机。转子10由发电机8的外壳形成，该外壳连接至叶片部分6以随其旋转。相比之下，定子12由固定至下部轨道4b的轴14形成。转子10通过上部轴承16a和下部轴承16b可旋转地安装至轴14。轴14承载具有设置成圆圈的多个线圈20的圆盘18。转子10承载多个永磁体22。永磁体22设置在与线圈20的圆圈对应的上部圆圈和下部圆圈中。线圈20夹在永磁体22的上部组和下部组之间，其间的小间隙允许永磁体22相对于线圈20自由移动。
叶片部分6通过轭架24连接至转子10，轭架24从叶片部分6延伸至转子10的下侧。具体地，轭架24围绕下部轴承16b连接至转子10。轭架24因此在定子12的圆盘18及其线圈20下方并且在转子10本身的永磁体22下方连接至转子10。
与其中叶片部分直接连接至转子(即刚性地或柔性地连接至转子的顶部)的现有技术设置相比，轭架24允许至转子10的连接被降低放置，更靠近下部轨道4b。因此轨道4b的耦合点和轨道4b的中性轴之间的距离x最小化。这经由转子10或轴14减小了风力负载在轨道4b上的杠杆作用，并且因此使叶片部分6的旋转轴线和转子10的旋转轴线之间的不对准在给定的风力负载下最小化。
进一步，如图5所示，发电机8的高度对距离x没有影响，使得可以在不增加杠杆作用的情况下使用堆叠的定子配置。
可以理解的是，轭架24的结构可以采取各种形式，只要它将耦合点放置在定子12的圆盘18及其线圈20的下方并且在转子10本身的永磁体22下方。然而，图6和7示出了示例性的轭架24。
如图6和7所示，轭架24形成为金属带，金属带在任一端连接至叶片部分6的底座，使得金属带跨过叶片部分6的跨度(即当与框架对准时的叶片部分6的宽度)延伸。在每个端部之间，带从叶片部分6弯曲以形成中心部分26。中心部分26与叶片部分6隔开足以接收发电机8的距离。中心部分26包括孔，该孔围绕毂28被接收，毂28形成在转子10的外壳的底座。轭架24的中心部分26中的孔的直径略大于毂28的外径，使得它宽松地配合在毂28周围。中心部分26通过连接至毂28的远端的下部轴环30保持在毂28上。多个弹性垫圈32配置在中心部分26的上侧和下侧，该上侧在中心部分26和转子10的下部径向表面之间，该下侧在中心部分26和轴环30之间。弹性垫圈32在叶片部分6和转子10之间提供柔性联轴器，允许它们的取向在风力负载下变化。使用其他形式的柔性安装(例如O型圈、弹簧、柔性支柱或支柱)也可以提供类似的柔性。轭架24也可以由柔性材料(例如聚合物、玻璃增强复合材料或者铝或钢板)形成，并且/或者可以在轭24自身内提供铰接接头以提供柔性。
轭架24可以使用常规螺栓或快卸锁扣从刀片部分6和/或转子10上可拆卸。这可以允许叶片部分6和/或发电机8被容易地移除以进行维护或更换。可选地，整个风力涡轮机模块2可以使用附接至框架的合适的支架来移除。
作为说明，将构造成匹配具有～0.75㎡的扫掠面积的涡轮机的输出的轴向磁通发电机安装至由矩形截面铝管组成的框架中，该框架的横截面外尺寸为50mm×25mm。发电机的顶部在框架部件的中性轴上方具有～65mm的高度，因此对应于常规联接设置的最小距离。相比之下，通过使用先前描述的轭架24，叶片部分6可以附接至发电机和下部轨道4b之间，与梁的表面相距～9mm或距离其中性轴<22mm，对应于大约66％的箱形截面框架部件上的转矩(因此有扭曲趋势)的减小。
现在将参考图8至图13来描述轴的实施例。其中示出的轴114可以与先前描述的轭架设置一起使用或者可以与常规模块一起使用。
轴114包括中心销或杆34和外套筒36，中心销34设置在外套筒36内(见图10)。
中心销34是圆柱形的并且沿其长度大体上是实心的。外套筒36是管状的并且具有内径，该内径被设定尺寸以接收中心销34，使得中心销34和外套筒36同心地设置。如图所示，中心销34具有比外套筒36更长的轴向长度，使得中心销34的一部分延伸出外套筒36。中心销34和外套筒36(或其至少一部分)都由导电金属形成。例如，可以使用中/高强度铝合金，但也可以使用其他轴材料，包括但不限于铜、黄铜或钢。
配置在中心销34和外套筒36之间的是绝缘层38。绝缘层38可以是配置在中心销34和外套筒36之间的独立管状元件，或者可以是形成在中心销34和外套筒36中一者(或两者)上(或之间)的层。绝缘层38至少沿外套筒36的轴向长度延伸，并使中心销34与外套筒36电绝缘。绝缘层38可以是增强热塑性或增强热固性材料，例如纤维增强环氧树脂材料，三个元件例如使用环氧树脂粘合剂粘合在一起，以形成复合单元。
中心销34和外套筒36连接至线圈20的任一端以形成连接器端子。中心销34和外套筒36可以直接连接至线圈20以提供AC输出或经由整流器电路间接连接至线圈20以提供DC输出。在使用DC输出的情况下，连接器端子形成正极端子和负极端子。
如图11所示，下部轨道4b被分成第一(上部)下部轨道4b'和第二(下部)轨道4b”。每个轨道4b'、4b”由中空的导电结构箱形梁形成。轨道4b'、4b”可以用电绝缘的连接件(未示出)机械地彼此连接。
第一下部轨道4b'设有沿其长度间隔开的多个孔40'(示出两个，但可以提供任何数量以匹配风力涡轮机模块2的数量)。实际上，每个孔40'形成为梁结构的上壁和下壁中的一对同轴孔。孔40'具有内径，该内径被设定尺寸以接收(即略大于)轴114的外套筒36。类似地，第二轨道4b”设有沿着其长度间隔开并且被设定尺寸以接收中心销34的多个孔40”。因此，与孔40'相比，第二轨道4b”的孔40”具有更小的直径。
第一轨道4b'的孔40'和第二轨道4b”的孔40”是同轴的。因此，如图12所示，当轴114被下部轨道4b'、4b”接收时，中心销34穿过第一轨道4b'中的孔40'的其中一个，并随后被第二轨道4b”中相应的孔40”接收，在这个点外套筒36被第一轨道4b'的孔40'接收。外套筒36接触第一轨道4b'并且中心销34接触第二轨道4b”以与其形成电连接。因此第一轨道4b'和第二轨道4b”能够将发电机8中产生的电流运送至轴114所连接的地方。
如所描述的，轴114沿其长度是实心的。因此，轴114比常规的轴更坚固，该常规的轴必须是中空的以允许接线穿过。轴114因此可以由较轻的材料制成，例如铝。
图13示出可用于帮助电连接并在轴114与轨道4b'、4b”之间提供机械连接的设置。具体地，如图所示，块42(保持部件)可以配置在轨道4b'、4b”内。块42的横截面与轨道4b'、4b”的横截面相对应，因此在本示例中是长方体形状。块42的尺寸略小于轨道4b'、4b”的内空腔，使得它们放置在空腔内时是宽松的。
块42设有孔44'、44”，孔44'、44”对应于相应的轨道4b'、4b”的孔40'、40”。一对螺纹孔46设在每个块42中。螺纹孔46设在块42的前(或后)表面上，使得它们垂直于孔44'、44”。在轨道4b'、4b”的前表面上设有互补的孔48'、48”，使得螺纹紧固件50(螺栓等)可以穿过孔48'、48”并且由块42的螺纹孔46接收，块42的孔44'、44”与轨道4b'、4b”的孔40'、40”对齐。如前所述，块42在轨道4b'、4b”内是宽松的，使得螺纹紧固件将块42朝轨道4b'、4b”的前表面牵拉。该动作将轴114的中心销34和外套筒36锁定抵靠轨道4b'、4b”(在块42中的孔44'、44”的一个壁与轨道4b'、4b”中孔40'、40”的相对壁之间)，形成坚固的机械和电连接。块42可以是导电的，以进一步帮助轴114和轨道4b'、4b”之间的电连接。
轴114可以使用不同形式的保持部件来固定。例如，螺栓可穿过轨道4b'、4b”的壁进入轴114中的孔中或简单地抵靠轴114的外表面。
从电气的角度来看，包括两个相互隔离的导体的上述轴114的结构将用于把来自适当设计的定子的单相AC运送至例如上述类型的外部导电夹持/支撑机构。可选地，可以使用相同设计的轴来运送例如来自发电机内的整流器的DC。
可以使用上述轴设计的其它变体，例如，通过交变同心导体和绝缘层的5层轴构造成支撑结构以运送三相AC，该支撑结构包括例如三个导电轨道，该三个导电轨道一个在另一个之上，并具有相应的孔以接收这种轴的3个相互隔离的导电同心管/圆柱体。
多个发电机可以将DC电流或AC电流(如果适当地同步的话)馈送至用作传送电力的母线的下部轨道中。
装置的这个框架可以在装配任何风力涡轮机模块2之前供应和安装。轴114的设计允许以非常快速且有效的方式用风力涡轮机模块2填充这种框架，而没有在发电机8和系统的任何其他部分之间发生任何接线连接，并且在框架内或沿着框架不需要接线。
轴114及其构成元件的横截面不必是圆形的。例如，轴114可具有可防止轴114旋转的正方形横截面。进一步，虽然轴114的两个导体已经被描述为一个位于另一个内，但是应该理解的是，在导体(端子部分)被设在其他位置中但仍然彼此相互隔离的情况下，可以使用其他设置。例如，导体可以各自具有互补的半圆形横截面。进一步，中心销34可以在延伸到套筒36下方的部分上具有与外套筒36相同的外径(例如，在中心销34的径向表面与套筒36的径向表面之间具有绝缘材料环或空气间隙)。每个轨道4b'、4b”中的孔因此可以具有相同的直径。
进一步，尽管先前描述的方面对于包括多个风力涡轮机模块的装置特别有利，但是它们也可以与包括单个涡轮机的装置一起使用。
以上描述集中于轴向磁通发电机；然而，应该理解，这些概念也可以扩展到径向磁通发电机。进一步，发电机不需要设在模块的底部，而可以设在模块的顶部或设在发电机的任一端上。此外，风力涡轮机模块可以设置成使得叶片部分具有水平取向但垂直于风力方向的旋转轴线，使得发电机处于任一侧或两侧。结果，对相对位置的引用(例如“在下方”等)应该相应地解释。
为了避免说明书中不必要的重复解释和重复文本，某些特征被描述为仅与本发明的一个或多个方面或实施例有关。然而，应该理解的是，在技术上可能的情况下，被描述为与本发明的任何方面或实施例有关的特征也可以与本发明的任何其它方面或实施例一起使用。
本发明不限于在此描述的实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或改造。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机装置，包括：
叶片部分；
发电机，该发电机包括具有多个线圈的定子和具有多个磁体的转子，转子连接至叶片部分，使得叶片部分的旋转和转子的旋转在线圈内产生电流；
其中叶片部分通过围绕发电机延伸的轭架连接至转子，并且叶片部分连接至转子的底座，使得转子的磁体和定子的线圈配置在叶片部分与轭架和转子之间的连接之间，
其中定子包括由支撑轨道接收的轴，
其中轭架和转子之间的连接配置在支撑轨道与磁体和线圈之间。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机装置，其中转子通过轴承可旋转地安装在定子上，其中轭架和转子之间的连接围绕轴承形成。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机装置，其中轭架是柔性的，以便允许叶片部分的旋转轴线和转子的旋转轴线彼此偏移。
4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机装置，其中轭架经由柔性联轴器连接至叶片部分和/或转子，以便允许叶片部分的旋转轴线和转子的旋转轴线彼此偏移。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机装置，其中轭架经由柔性联轴器连接至叶片部分和/或转子，以便允许叶片部分的旋转轴线和转子的旋转轴线彼此偏移。
6.根据权利要求1、2和5任一项所述的风力涡轮机装置，其中轭架通过快速释放机构连接至叶片部分和/或发电机。
7.根据权利要求3所述的风力涡轮机装置，其中轭架通过快速释放机构连接至叶片部分和/或发电机。
8.根据权利要求4所述的风力涡轮机装置，其中轭架通过快速释放机构连接至叶片部分和/或发电机。
9.根据权利要求1、2、5、7和8任一项所述的风力涡轮机装置，其中叶片部分和发电机形成涡轮机模块，并且其中装置包括多个所述模块。
10.根据权利要求3所述的风力涡轮机装置，其中叶片部分和发电机形成涡轮机模块，并且其中装置包括多个所述模块。
11.根据权利要求4所述的风力涡轮机装置，其中叶片部分和发电机形成涡轮机模块，并且其中装置包括多个所述模块。
12.根据权利要求6所述的风力涡轮机装置，其中叶片部分和发电机形成涡轮机模块，并且其中装置包括多个所述模块。
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