CN110999048A - 用于风能设施的发电机以及具有发电机的风能设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风能设施(100)的发电机(1)，所述发电机具有：发电机定子(3)，所述发电机定子具有安装部段(21)，用于将所述发电机定子(3)固定在所述风能设施(100)的机器支架(114)上；和围绕发电机轴线(1)相对于所述发电机定子(3)可转动运动地支承的发电机转子(5)。根据本发明提出，所述发电机(1)具有单级传动装置(11)，所述单级传动装置设立为用于在驱动侧上与转子叶片毂(113)抗扭地共同作用，并且在从动侧上与所述发电机转子(5)抗扭地连接。

Description

用于风能设施的发电机以及具有发电机的风能设施
技术领域
本发明涉及一种用于风能设施的发电机，所述发电机具有：发电机定子，所述发电机定子具有用于将发电机定子固定在风能设施的机器支架上的安装部段；和围绕发电机轴线相对于发电机定子可转动运动地支承的发电机马达。
背景技术
前述类型的发电机以多种不同的形式用于风能设施中。在现有技术中，一方面，已经建立了风能设施，其中转子叶片毂的转动运动借助于多级传动装置与发电机的发电机转子耦联，其中多级传动装置将由转子叶片毂预设的驱动运动转换为更高的转速。从现有技术中已知的传动装置在高载荷情况下显示出对故障和缺陷的提高的敏感性。具有带有传动装置的动力传动系的风能设施通常具有异步发电机，所述异步发电机根据原则需要高的转速。具有传动装置的风能设施典型地构成为，使得所述毂在从动侧上抗扭地与引向所述传动装置的主轴连接。所述主轴不仅传递风能设施的驱动力矩，而且也传递由风、湍流、动力和毂的自重引起的载荷和振动。作为旋转的构件，主轴因此承受显著的交变载荷，进而可相应地确定尺寸。
与此相反，在现有技术中，尤其是来自本申请人的无传动装置的风能设施是普遍的，所述风能设施使用慢速转动的、多极同步发电机。无传动装置的设施典型地直接在毂内部支承在固定的轴颈上，由此外部载荷会经由很大程度上固定的结构元件引出到塔中。
慢速转动的多极同步发电机易于维护并且是可靠的，但是由于其原理，所述同步发电机需要较大的发电机直径，以便由于较低的转速仍能够确保产生足够的电能。由于趋势是明显高于4MW的越来越大的功率等级，因此关于这方面存在改进需求。因此，本发明基于下述目的：改进开头所述类型的发电机，使得尽可能减少上述缺点。尤其，本发明基于下述目的：提出一种发电机，所述发电机相对于功率输出能够被确定成尽可能小尺寸的。此外，应尽可能不损害在产生电能方面的效率。
发明内容
本发明实现了其所基于的开始所述类型的目的，其方式为：构成具有权利要求1所述的特征的发电机。尤其，本发明提出一种发电机，所述发电机具有单级传动装置，所述单级传动装置设立为用于在驱动侧上与风能设施的转子叶片毂抗扭地共同作用，并且在从动侧上与发电机转子抗扭地连接。本发明利用下述认知：通过使用单级传动装置能够实现相对于转子叶片毂的转速增加发电机转子的转速，而不必放弃直接驱动的发电机的其它优点，即高鲁棒性和使用缓慢转动的多极同步发电机的可能性。与常规的带有传动装置的风能设施相比，单级传动装置直接放置在发电机上还代表显著的改进，所述常规的带有传动装置的风能设施需要相当大的结构设计用于在发电机附近实施传动装置，并且引起风能设施的吊舱在旋转轴线的方向上相对高的扩展部。所述单级传动装置在发电机的旋转轴线的方向上仅需要最小的结构空间。此外，通过在发电机中实施单级传动装置能够实现范式转换。至今为止，尤其是慢速转动的同步发电机仅在没有传动装置的情况下运行，在现有技术中，原则上甚至拒绝在具有同步发电机的风能设施上，尤其是具有慢速转动的同步发电机的风能设施上设有传动装置，因为这是不必要的。
然而，令人惊讶地发现，通过选择仅单级传动装置就能够实现在产生电能方面的效率的提高，所述单级传动装置仅自身需要简单的传动比改变。与常规的风能设施相比，由于单级传动装置的传动比，借助根据本发明的发电机能够以较高的转速运行较小的发电机尺寸。这意味着，与具有特定的功率等级的常规的设施相比，现在小型和显著更轻构造的发电机在风能设施中能够用于相同的功率等级，而无传动装置的传动系的优点基本上保持。
单级传动装置优选是进行传动的传动装置，其传动比在1：1.5至1:10的范围内。在一个优选的改进方案中，单级传动装置构成为行星传动装置，所述行星传动装置具有太阳轮、带有多个行星轮的行星架和齿圈，其中所述行星轮与太阳轮和齿圈接合。优选地，行星传动装置具有两个或更多个行星轮，特别优选具有三个行星轮。
被视为行星传动装置的特殊的优点在于，其将高鲁棒性和小的结构空间相互结合，尤其是在轴向方向上(关于发电机的旋转轴线)。所述行星传动装置的摩擦损失是适度的，使得通过使用行星传动装置通过基于较高的转速增加能量产生，能够补偿风能设施关于电能产生方面的整体效率的恶化。
在一个优选的实施形式中，行星传动装置的行星架在驱动侧上与转子叶片毂抗扭地连接。
在另一优选的实施形式中，所述发电机具有发电机空心轴，发电机转子固定在所述发电机空心轴上。优选的是，所述空心轴与太阳轮抗扭地连接。
优选的是，上述安装部段是发电机的第一安装部段，并且所述发电机还具有用于与风能设施的轴颈抗扭地连接的第二安装部段，所述第二安装部段在发电机轴线的方向上与第一安装部段相对置地设置。所述轴颈优选设立用于承载转子叶片毂。在该实施形式中，所述发电机设立用于与转子叶片毂设置在风能设施塔的同一侧上。
优选地，所述行星架和所述转子叶片毂借助于联接器中间连接，所述联接器能够选择性地切换到联接和非联接状态下，其中在联接状态下在单级传动装置和转子叶片毂之间存在抗扭的连接，并且在非联接状态下存在转子叶片毂相对于发电机的可相对转动运动性。
将转子叶片毂和发电机彼此紧邻设置提供了下述优点：将转子叶片毂直接连接到发电机的单级传动装置上是可行的。
根据一个替选的优选实施形式，发电机构成用于与转子叶片毂相对置地设置在风能设施的塔上。为此优选的是，发电机具有发电机壳体和支承在发电机壳体上的主轴，其中所述主轴设立用于能够与转子叶片毂抗扭地连接，穿过发电机空心轴并且与所述发电机空心轴同轴地支承，并且其中所述行星架与主轴抗扭地连接。
上述实施方案涉及行星传动装置用作为单级传动装置。根据本发明，单级传动装置能够优选地借助于磁传动装置来实现。因此在另一优选实施形式中，所述单级传动装置构成为磁传动装置，所述磁传动装置具有内部永磁环代替太阳轮、铁磁中间环代替行星架以及外部永磁环代替齿圈。
上文已经根据关于风能设施的发电机的第一方面描述了本发明。在第二方面中，本发明在开始提及类型的风能设施中实现其所基于的目的，其中风能设施具有转子叶片毂、塔、带有用于容纳发电机的安装部段的可转动地支承在塔上的机器支架和借助于相对应的安装部段固定在机器支架上的用于产生电能的发电机，其中所述发电机根据上述优选实施形式之一构成。
根据第一优选的替选方案，发电机设置在机器支架的第一侧上，并且转子叶片毂设置在机器支架的与发电机相对置的第二侧上。
特别优选地，从转子叶片毂输入到风能设施中的驱动扭矩借助于主轴传递到发电机，其中所述主轴被引导穿过所述发电机的空心轴。
在一个优选的替选方案中，所述发电机和转子叶片毂设置在机器支架的同一侧上，其中特别优选地，在发电机上或承载发电机的结构连接有轴颈，所述轴颈承载所述转子叶片毂。
在此，然后，所述发电机优选地借助于第一安装部段固定到机器支架的相对应的安装部段上，并且所述转子叶片毂借助于具有相对应的安装部段的轴颈固定在发电机的第二安装部段上。
根据本发明的风能设施的使用的发电机优选构成为同步发电机，特别优选构成为多极同步发电机，尤其构成为慢速转动的多极同步发电机。特别优选的是，所述发电机是环形发电机。
特别优选的是，发电机的单级传动装置构成为减速器，并且安装在发电机的背离机器支架的一侧上。因此，为了维护目的，实现了传动装置的特别容易的易接近性。
根据本发明，将慢速转动的发电机理解为以每分钟100转或更小的旋转速度旋转的发电机。
根据本发明，将多极发电机理解为具有至少48、96个，尤其至少192个转子极的发电机。
将环形发电机理解为，旋转件和定子的磁活性区域，即特别是定子和旋转件的叠片组设置在围绕空气隙的环形区域中，所述环形区域将旋转件和定子彼此分开。“旋转件”在此是发电机转子的同义词。
发电机优选在内部区域中不具有磁活性区域，所述内部区域的半径为平均空气隙半径的至少50％。
环形发电机还能够如下定义：磁活性部件的径向厚度，或者换言之，磁活性区域的径向厚度，即从极轮的内边缘直至定子的外边缘的径向厚度，或者从定子的内边缘直至旋转件的外边缘的径向厚度，在外旋转件的情况下，小于空气隙半径，尤其，发电机的磁活性区域的径向厚度小于空气隙半径的30％，尤其小于空气隙半径的25％。此外或替选地，环形发电机能够如下定义：深度，即发电机在转动轴线方向上的轴向定向小于空气隙半径，尤其，深度小于空气隙半径的30％，尤其小于空气隙半径的25％，其中分别是指空气隙的平均节圆。
附图说明
下面参考附图借助两个优选的实施例详细描述本发明。在此示出：
图1示出根据本发明的风能设施的示意性立体图；
图2示出在第一实施例中穿过根据图1的风能设施的吊舱的示意性横截面视图；和
图3示出在第二实施例中穿过图1中的根据本发明的风能设施的吊舱的示意性横截面视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设施100的示意图。所述风能设施100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设置有带有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学转子106。在风能设施100运行时，所述空气动力学转子106通过风置于转动运动中，进而驱动发电机1(图2)，所述发电机与空气动力学转子106直接或间接耦联。所述发电机1设置在吊舱104中并产生电能。
在图2中示意性地示出根据第一实施例的吊舱104的内部结构。在此，为了简单的视图，没有示出在图1中示出的转子叶片108。
风能设施100的发电机1具有定子3和发电机转子5，所述发电机转子相对于定子3可转动地支承。在发电机转子5和定子3之间构成空气隙7。
发电机转子5借助于发电机轴9与单级传动装置11抗扭地连接，并且尤其，发电机转子5与太阳轮15抗扭地连接。所述定子3优选与单级传动装置11的齿圈13抗扭地连接。
单级传动装置11还具有设置在行星架17上的多个行星轮，其中行星架17借助于联接器19与转子叶片毂113连接。因此，转子叶片毂113的转动运动借助于单级传动装置11的行星架17传递到发电机转子5上，其中由于固定的并且与定子抗扭地连接的齿圈13，转子叶片毂113的转动运动被传动到太阳轮15上，使得发电机轴9进而发电机转子5比转子叶片毂113更快地转动。
发电机1具有第一安装部段21，发电机1借助所述第一安装部段间接或直接地固定在机器支架114上。优选地，所述安装部段21构成为法兰部段。
机器支架114就其而言优选借助于转动连接而固定到风能设施的塔102上。所述发电机1和所述转子叶片毂113优选与发电机轴线A同轴地设置。
转子叶片毂113优选支承在轴颈112上，其中所述转子叶片毂113或轴颈112借助于第二安装部段23(优选构成为法兰部段)固定在发电机1上，因此设置在风能设施100的机器支架114的同一侧上。
在图3中示出根据第二优选实施例的发电机装置。图3示出发电机1’，所述发电机与根据图2的发电机不同，并不具有两个安装部段，而是仅具有唯一安装部段21’，或者优选地构成为法兰部段，借助于所述法兰部段，发电机1’连接在风能设施100的机器支架114上。与根据图2的发电机1不同，发电机1’不相对于机器支架114设置在与转子叶片毂113相同的一侧上，而是在转子叶片毂113的与机器支架114相对置的一侧上固定在机器支架114上，使得至少部分地补偿通过转子叶片毂和发电机1’的自重产生的作用在塔102上的倾斜力矩。
发电机1’如图2中的发电机1一样具有定子3、转子5和在它们之间构成的空气隙7。
发电机转子5借助于发电机轴9与单级传动装置11的太阳轮15抗扭地连接，而定子3与单级传动装置11的齿圈13抗扭地连接。带有多个行星轮的行星架17(在系统上与图2的实施例相同)将转子叶片毂113的转动运动又再传动到发电机转子5上。但是与图2不同，所述转子叶片毂113没有与行星架17直接耦联，而是经由主轴115与行星架17直接耦联，所述主轴被引导穿过构成为空心轴的发电机轴9。在根据图3的设置方式中，单级传动装置11同样构成为行星传动装置，然而作为减速器设置在背离机器支架114的一侧上和背离转子叶片毂113的一侧上，使得如果在发电机壳体25中设有相应的开口，则其可选地能够从外部接近，而不必损害转子叶片毂113。

Claims (15)

1.一种用于风能设施(100)的发电机(1)，所述发电机具有：
发电机定子(3)，所述发电机定子具有安装部段(21)，用于将所述发电机定子(3)固定在所述风能设施(100)的机器支架(114)上；和
围绕发电机轴线(A)相对于所述发电机定子(3)可转动运动地支承的发电机转子(5)，
其特征在于，所述发电机(1)具有单级传动装置(11)，所述单级传动装置设立为用于在驱动侧上与转子叶片毂(113)抗扭地共同作用，并且在从动侧上与所述发电机转子(5)抗扭地连接。
2.根据权利要求1所述的发电机(1)，其中所述单级传动装置(11)构成为行星传动装置，所述行星传动装置具有：太阳轮(15)、带有多个行星轮的行星架(17)和齿圈(13)，其中所述行星轮与所述太阳轮(15)和所述齿圈(13)接合。
3.根据权利要求2所述的发电机(1)，其中所述太阳轮(15)在从动侧上与所述发电机转子(5)抗扭地连接。
4.根据权利要求2或3所述的发电机(1)，其中所述行星架(17)在驱动侧上与所述转子叶片毂(113)抗扭地连接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的发电机(1)，所述发电机具有发电机空心轴(9)，所述发电机转子(5)固定在所述发电机空心轴上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的发电机(1)，其中所述安装部段是第一安装部段(21)，并且所述发电机具有用于与所述风能设施(100)的轴颈(112)抗扭地连接的第二安装部段(23)，所述第二安装部段在所述发电机轴线(A)的方向上与所述第一安装部段(21)相对置地设置。
7.根据权利要求6所述的发电机，其中所述行星架(7)和所述转子叶片毂(113)借助于联接器(19)中间连接，所述联接器能够选择性地切换到联接和非联接状态下，其中在联接状态下在所述单级传动装置(11)和所述转子叶片毂(113)之间存在抗扭的连接，并且在非联接状态下存在所述转子叶片毂(113)相对于所述发电机转子(5)的可相对转动运动性。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的发电机，所述发电机具有发电机壳体(25)和支承在所述发电机壳体(25)上的主轴(115)，其中所述主轴(115)设立为用于能够与所述转子叶片毂(113)抗扭地连接，穿过所述发电机空心轴(9)并且与所述发电机空心轴同轴地支承，并且其中所述行星架(17)与所述主轴(115)抗扭地连接。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的发电机(1)，其中所述单级传动装置(3)构成为磁传动装置，所述磁传动装置具有内部永磁环代替所述太阳轮(15)、具有铁磁中间环代替所述行星架(11)以及具有外部永磁环代替所述齿圈(9)。
10.一种风能设施(100)，所述风能设施具有：
转子叶片毂(113)；
塔(102)；
具有用于容纳发电机的安装部段(21、21’)的、可转动地支承在所述塔上的机器支架(114)；和
借助于相对应的安装部段(21、21’)固定在所述机器支架(14)上的、用于产生电能的发电机(1)，其中所述发电机(1)根据上述权利要求中任一项构成。
11.根据权利要求10所述的风能设施(100)，其中所述发电机(1’)根据权利要求1至5、8或9中任一项构成并且设置在所述机器支架(114)的第一侧上，并且所述转子叶片毂(113)设置在所述机器支架(114)的与所述发电机(1’)相对置的第二侧上。
12.根据权利要求10所述的风能设施(100)，其中所述发电机(1)根据权利要求6、7或9中任一项构成，并且其中所述转子叶片毂(113)和所述发电机(1)设置在所述机器支架(114)的同一侧上。
13.根据权利要求12所述的风能设施，其中所述发电机(1)借助于所述第一安装部段(21)固定在所述机器支架(114)的相对应的安装部段上，并且所述转子叶片毂(113)借助于具有相对应的安装部段的轴颈(112)固定在所述发电机(1)的第二安装部段(23)上。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的风能设施(100)，其中所述发电机(1)构成为同步发电机。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的风能设施(100)，其中所述发电机(1)的单级传动装置(11)构成为减速器，并且安装在所述发电机(1)的背离所述机器支架(114)的一侧上。
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