CN112041559A - 风能设施的发电机，具有其的风能设施，用于锁定发电机的方法以及锁定设备的应用 - Google Patents

风能设施的发电机，具有其的风能设施，用于锁定发电机的方法以及锁定设备的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发电机，尤其是风能设施的发电机(120)，其具有可旋转地支承的发电机转子；与发电机转子(121)相对应的发电机定子，所述发电机定子具有用于固定在风能设施(100)中的承载结构(123)；和至少一个锁定设备，其能够在发电机转子(121)和发电机定子(122)之间耦联，使得在发电机转子(121)和发电机定子(122)之间产生力流，并且所述锁定设备设立用于在耦联状态中将发电机转子(121)相对于发电机定子(122)在预定位置中锁定。本发明通过如下方式解决本发明所基于的问题，即锁定设备(130)具有阻尼元件(131)，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得所述阻尼元件由于发电机转子(121)和发电机定子(122)之间的力流变形。

Description

风能设施的发电机，具有其的风能设施，用于锁定发电机的方 法以及锁定设备的应用
技术领域
本发明涉及一种发电机，尤其风能设施的发电机，其具有可旋转地支承的发电机转子；与发电机转子相对应的发电机定子，所述发电机定子具有用于固定在风能设施中的承载结构；和至少一个锁定设备，其能够在发电机转子和发电机定子之间耦联，使得产生发电机转子和发电机定子之间的力流，并且所述锁定设备设立用于在耦联状态中将发电机转子相对于发电机定子在预定位置中锁定。此外，本发明涉及具有所述发电机的风能设施。此外，本发明涉及一种用于锁定转子、发电机的方法以及锁定设备的应用。
背景技术
风能设施是普遍已知的。其用于借助于转子叶片接收风能并且借助于发电机转换为电能。发电机在此包括发电机定子，所述发电机定子具有用于固定在风能设施中的承载结构，并且具有发电机转子，所述发电机转子与风能设施的转子有效连接。发电机转子相对于发电机定子旋转。通过发电机转子与发电机定子的相对旋转产生电流，使得风的动能转换为电能。产生的磁相互作用可能导致可听到的窄带音调的产生，从而给环境造成额外的声污染。
为了应对这种不期望的噪声产生，风能设施成为振动测试的主题。例如，通过模态分析检测发电机的振动特性，目的是对发电机的预期使用寿命以及对环境的潜在影响进行深入的评估。
当进行模态分析，特别是实验模态分析时，将施加限定的外部激励。组件的各个部件的振动特性由传感器检测和分析。
在风能设施处进行模态分析时，出于安全原因，需要将发电机转子相对于发电机定子锁定。从现有技术中已知锁定装置，该锁定装置可以形状配合地与发电机转子接合并且防止其围绕水平轴线旋转。从现有技术中已知的锁定装置的目的尤其是提供安全的锁定。尤其是表现为，应采取适当的安全预防措施以确保在风能设施处工作的人员得到保障。因此，在现有技术中已知的转子锁定设备中主要设有销和相应开口的组合。
从现有技术中已知的锁定设备可以提供转子的锁定，然而发电机转子和发电机定子的这种刚性连接造成这两个部件的振动叠加，从而模态分析的结果被歪曲。
发明内容
因此，本发明的目的是，在开头所描述的类型的风能设施的发电机中，尽可能地克服现有技术中发现的缺点。本发明所基于的目的尤其是，提供一种具有锁定设备的发电机，该锁定设备将发电机转子相对于发电机定子锁定在预定位置中，并且同时使从发电机转子到发电机定子的振动传递最小。至少本发明所基于的目的是提供替代的发电机。
本发明所基于的目的通过具有权利要求1的特征的发电机实现。特别地，本发明提出，锁定设备具有阻尼元件，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得所述阻尼元件由于发电机转子和发电机定子之间的力流变形。
在此，根据本发明的发电机既可以用在无变速器地运行的风能设施中，也可以用在具有变速器的风能设施中。
锁定设备的阻尼元件形状可改变地构成为，使得其由于发电机转子和发电机定子之间的力流变形，从而衰减发电机转子和发电机定子的振动并且防止共振的产生。锁定设备在发电机转子和发电机定子之间的耦联既可以形状配合地也可以力配合地实现。通过发电机转子和发电机定子之间的力流防止发电机转子相对于发电机定子旋转。
在根据本发明的发电机的一个优选的实施方式中，阻尼元件形状可改变地构成为，使得发电机转子能够沿径向方向相对于发电机定子运动。因此，根据本发明，提出了一种锁定机构，该锁定机构尽可能不妨碍发电机转子和发电机定子在径向方向上的振动特性，进而仅对模态分析的测量值，例如固有频率产生很小的影响。
本发明的阻尼元件有利地改进为，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得发电机转子能够沿轴向方向相对于发电机定子运动。由此，根据本发明，提出了一种锁定机构，该锁定机构尽可能不妨碍发电机转子和发电机定子在轴向方向上的振动特性，进而仅对模态分析的测量值，例如固有频率产生很小的影响。
本发明有利地改进为，阻尼元件形状可改变地构成为，使得发电机转子相对于发电机定子沿环周方向的可运动性，与沿径向或轴向方向的可运动性相比是受限制的。由此，根据本发明提出一种锁定设备，所述锁定设备提出发电机转子相对于发电机定子的牢固的锁定，但是至少有限地衰减发电机转子与发电机定子之间沿环周方向的力流。
由于发电机转子和发电机定子沿环周方向的运动，阻尼元件承受拉力或压力。发电机定子和发电机转子在轴向方向或径向方向上的相对运动引起剪切力，该剪切力作用到阻尼元件上。因为已知剪切模量G小于弹性模量E，所以将限定的点移动距离Δl必须施加的所需的剪切应力小于实现位移Δl所须的拉应力或压应力。
在本发明的一个优选实施方式中，锁定装置具有保持臂，该保持臂具有定子侧的端部和转子侧的端部，其中在该定子侧的端部上构成有用于阻尼元件的容纳部，所述容纳部设立用于容纳阻尼元件，所述阻尼元件能够与承载结构形成贴靠。由此，提出一种保持臂，所述保持臂提供在阻尼元件和夹紧单元之间的经济的且易于操作的连接。
在本发明的一种特别优选的改进方案中，在保持臂的转子侧的端部上构成夹紧单元，所述夹紧单元具有至少一个留空部，连接机构，尤其螺栓能够穿过所述留空部，并且所述留空部设立用于将锁定设备与发电机转子连接。由此，提出一种夹紧单元，其提供了锁定设备与发电机转子的简单且快速的耦联和解耦。
在本发明的另一个特别优选的改进方案中，承载结构具有多个区段，其中每个区段具有在环周方向上相对置的第一侧和第二侧，并且第一锁定设备能够与承载结构的第一侧形成贴靠并且至少一个另外的锁定设备能够与承载结构的第二侧形成贴靠，其中第一锁定设备的作用方向基本上与第二锁定设备的作用方向相反地伸展。本发明利用以下认识：如果风能设施的转子由于旋转的风而承受很大变化的应力，则通过由两个相反指向的锁定设备的锁定，发电机转子也可以被锁定。此外，转子的作用到承载结构上的力流被更均匀地引入到承载结构中，从而造成承载结构的区段以及与其相连的风能设施的部件的应力较小。
在本发明的一个优选的改进方案中，阻尼元件可用被加载压力的流体，尤其是压力空气填充。本发明利用的以下认识：通过用加载压力的流体填充，可控制沿切向、径向和轴向方向的衰减程度。此外，阻尼元件的刚度可通过填充控制，使得可控制阻尼元件的剪切或弯曲特性进而发电机转子相对于发电机定子沿切向、径向和轴向方向的锁定。
如果将压力空气用作用于阻尼元件的填充介质，那么得到另一优点，即在泄漏情况下不引起发电机中的污染，如这例如在将油用作填充介质时可以是这种情况。
将锁定设备的作用方向理解为，作用方向优选沿发电机的环周方向基本上垂直于各个承载结构和各个阻尼元件之间的接触面延伸。
本发明的另一个优选的改进方案提出一种制动装置，所述制动装置设立用于降低发电机转子的相对速度，或者无论如何将发电机转子在达到静止状态之后暂时保持住，其中制动装置具有制动单元和制动盘，所述制动盘与发电机转子有效连接。
本发明利用以下认识：制动装置使发电机转子相对于发电机定子的定位变得容易，由此使发电机转子相对于发电机定子的锁定，尤其形状配合的锁定变得容易。
在本发明的另一个优选的改进方案中，锁定设备可与制动盘耦联。本发明在耦联情况下利用以下认识：制动盘通常比发电机转子本身更易接近，并且通过将制动盘相对于发电机定子锁定在预定位置中同样锁定有效连接的发电机转子。
在本发明的一个特别优选的改进方案中，制动盘具有凹部，并且夹紧单元设立用于借助于夹紧连接，尤其是在凹部的区域中的夹紧连接与制动盘耦联。
根据本发明的另一个方面，基本目的通过一种风能设施实现，所述风能设施具有吊舱、设置在吊舱中的机械承载件和在吊舱上可旋转地支承的转子，其特征在于设有根据上述实施变型形式中的至少一个的与转子有效连接的发电机。关于所达到的优点和优选的实施方式，在此参照发电机的上述实施方案。通过风能设施设有这种根据本发明的发电机的方式，所述风能设施自身具有相应的优点。
优选地，根据本发明的风能设施还具有用于刚性锁定的设备，其设立用于，在耦联状态下将发电机转子相对于发电机定子，尤其是为了执行维护和安装工作而刚性锁定在预定位置中，并且还在结束工作之后再松开。所述设备在此优选构成为驻车制动器或构成为形状配合的锁定设备。
根据本发明的另一方面，开头提到的目的通过用于锁定发电机的转子的方法实现，所述发电机尤其是根据上述优选实施方式中任一项所述的发电机，所述方法包括如下步骤：将发电机转子相对于发电机定子保持在预定位置中；将锁定设备在发电机转子和发电机定子之间耦联，使得产生发电机转子和发电机定子之间的力流，其中所述锁定设备具有阻尼元件，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得所述阻尼元件由于发电机转子和发电机定子之间的力流变形；并且将阻尼的锁定设备与发电机转子和/或发电机定子脱耦。锁定设备优选是根据上述优选实施方式中任一实施方式的锁定设备。所述方法利用与根据本发明的发电机相同的优点和优选实施方式。因此，关于所达到的优点和优选的实施方式，参照发电机的以上实施方案。
在方法的一个特别优选的改进方案中，所述方法包括执行用于确定发电机的动态特性的模态分析。所述模态分析优选在锁定设备在发电机转子和发电机定子之间耦联之后，并且在锁定设备与发电机转子和/或发电机定子脱耦之前进行。由此，提出一种用于风能设施的振动测试的方法。
优选地，阻尼元件可用被加载压力的流体，尤其是压力空气填充。所述方法有利地通过将阻尼元件在耦联步骤中首先安装在发电机和定子之间，然后填充使得其与承载结构形成贴靠的方式改进。在已安装状态和/或锁定设备中阻尼元件的填充使安装明显变得容易。
根据本发明的最后一个方面，开头提到的目的通过将阻尼的锁定设备在导入和执行用于确定发电机的动态特性的模态分析中的应用实现，所述发电机尤其是根据上述实施方式中至少一个实施方式的发电机，其中锁定设备具有阻尼元件，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得所述阻尼元件由于发电机转子和发电机定子之间的力流变形。
关于所达到的优点和优选的实施方式，在此参照发电机的，尤其是发电机的阻尼的锁定设备的上述实施方案。这种锁定设备在导入和执行用于确定在根据本发明的发电机处的动态特性的模态分析中的应用使得其自身具有相应的优点。
可能会导致可听到的窄带音调的产生并且可能会不利于使用寿命的所产生的磁相互作用尤其是通过发电机转子和发电机定子沿径向方向的相对运动引起。因此，在检查振动特性时特别重要的是，无干扰地检测转子和定子沿径向方向的振动。
发电机尤其可以是同步发电机、异步发电机或双馈异步发电机。同步发电机的一个示例是风能设施的多极同步环发电机，其中根据本发明也可使用其他发电机包括其他同步发电机。风能设施的这种多极同步环发电机具有大量的定子齿，尤其是至少48个定子齿，通常甚至明显更多的定子齿，如特别是96个定子齿或甚至再更多的定子齿。同步发电机的磁活性区域，即发电机转子和发电机定子的磁活性区域都设置在围绕同步发电机的旋转轴线的环形区域中。
发电机优选地具有磁活性区域，即转子和定子的磁活性区域，所述磁活性区域设置在围绕同步发电机的旋转轴线的环形区域中。依照根据本发明的风能设施的构造，在内部区域中可以存在承载结构，但是在一些实施例中，所述承载结构可以轴向偏移地构成。
发电机优选是外部激励的。
在一个优选的实施方式中，发电机是缓慢旋转的发电机。这意味着发电机的转速为每分钟100转或更小，优选为每分钟50转或更小，特别优选在每分钟5转至35转的范围中。
附图说明
下面，参照附图根据实施例详细描述本发明。在此示出：
图1示出风能设施的立体示意视图；
图2示出根据图1的风能设施的转子的示意图；
图3示出根据图2的锁定设备和转子的局部视图；
图4示出根据图2的锁定设备的示意图；
图5a示出没有相对运动的根据图4的锁定设备的局部；
图5b示出在沿径向方向的相对运动下的根据图4的锁定设备的局部；
图5c示出在沿轴向方向的相对运动下的根据图4的锁定设备的局部；
图5d示出在沿环周方向的相对运动下的根据图4的锁定设备的局部。
具体实施方式
图1示出风能设施100，其具有塔102和吊舱104。在吊舱上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子叶片108以其转子叶片根部设置在转子毂上。转子106在运行中由风置于旋转运动中进而驱动在吊舱104中的(未示出的)发电机。
图2示出发电机120，尤其是用于风能设施100的发电机，其具有可旋转地支承的发电机转子121、与发电机转子121相对应的发电机定子122，所述发电机定子具有用于固定在风能设施100中的承载结构123。定子承载结构123还具有多个区段123a、b、c和至少第一侧123’和第二侧123”。
定子承载结构123a、b、c的每个区段具有至少一个第一侧123’a、b、c和第二侧123”a、b、c。此外，在发电机120中设置有至少三个锁定设备130a、b、c，所述锁定设备耦联在发电机转子121和发电机定子122之间，使得产生在发电机转子121和发电机定子122之间的力流。
锁定设备130a、b、c将发电机转子121相对于发电机定子122锁定在预定位置中。在此，各一个第一锁定设备130’a、b、b与定子承载结构的第一侧123’a、b、c贴靠而第二锁定设备130”a、b、c与定子承载结构的第二侧123”a、b、c贴靠。
图3示出根据图2的发电机120的局部。根据示出的优选的实施例，可旋转地支承的转子121与制动盘125有效连接，所述制动盘构成为，使得其沿着其环周具有多个留空部。
发电机定子122与承载结构123连接。定子承载结构123设立用于将发电机定子122与风能设施100连接。定子承载结构123还具有多个区段123a、b、c和至少一个第一侧123’和第二侧123”。
锁定设备130’、130”与发电机转子121的制动设备的制动盘125耦联。此外，锁定设备130’与承载结构123’的第一侧贴靠而锁定设备130”与发电机定子122的承载结构123”的第二侧贴靠。
锁定设备130’、130”还具有保持臂133，该保持臂具有定子侧的端部和转子侧的端部，所述定子侧的端部具有用于阻尼元件131的容纳部134。
在锁定设备130的定子侧的端部上，在容纳部134上设置有阻尼元件131。在转子侧的端部上构成有夹紧单元132，所述夹紧单元具有一个或多个凹部135，连接机构，例如螺旋连接件可穿过所述凹部以构成夹紧连接。
图4示出锁定设备130。锁定设备130包括保持臂133，所述保持臂具有定子侧的端部，在所述定子侧的端部上设置有用于阻尼元件的容纳部134和阻尼元件131。此外，保持臂133具有转子侧的端部，在所述转子侧的端部上构成有夹紧单元132。夹紧单元132具有至少一个留空部135，连接机构，尤其螺栓可穿过所述留空部以构成夹紧连接。
承载结构123和阻尼元件131之间的接触面基本上垂直于轴线150延伸。阻尼元件131的作用方向，从转子121的环周起，基本上平行于轴线150伸展。
图5a示出在静止状态中的锁定设备130的局部。锁定设备130包括对称轴线140、保持臂133，所述保持臂具有定子侧的端部，在所述定子侧的端部上设置有用于阻尼元件的容纳部134和阻尼元件131。阻尼元件131与定子122的承载结构123贴靠。承载结构123和阻尼元件131之间的接触面基本上垂直于轴线150延伸。
此外，图5a示出轴线150，所述轴线基本上垂直于发电机120的径向伸展并且所述轴线基本上与锁定设备130的对称轴线140一致。
锁定设备130经受沿环周方向通过转子121引起的力FT1，所述力传递到阻尼元件131上。阻尼元件在此具有高度L。
图5b与图5a对应地示出锁定设备130的局部，所述锁定设备在力FR的作用下经受沿径向方向的相对运动。锁定设备130还经由沿环周方向通过转子121引起的力FT1，所述力传递到阻尼元件131上。阻尼元件在此具有高度L。形状可改变的阻尼元件131在此主要经受由于力FR引起的剪切ΔL。
此外，图5b示出轴线150，所述轴线在沿径向方向的相对运动下具有与锁定设备130的对称轴线140的间距ΔL。
图5c与图5a对应地示出锁定设备130的局部，所述锁定设备在力FA的作用下经受沿轴向方向的相对运动。锁定设备130还经受沿环周方向通过转子121引起的力FT1，所述力传递到阻尼元件131上。阻尼元件在此具有高度L。形状可改变的阻尼元件131在此主要经受由于力FR引起的剪切ΔL。
此外，图5c示出轴线150，所述轴线在沿轴向方向的相对运动下具有与锁定设备130的对称轴线140的间距ΔL。
图5d与图5a对应地示出锁定设备130的局部，所述锁定设备在通过转子121引起的力FT2(FT2>>FT1)的作用下经受沿环周方向的相对运动。力FT2传递到阻尼元件131上，使得形状可改变的阻尼元件的高度压缩ΔL。
此外，图5d示出轴线150，所述轴线基本上与锁定设备130的对称轴线140一致。
在简化的仅沿环周方向的力作用到阻尼元件131上的假设下，得出针对ΔL的拉伸或压缩ε要施加的拉应力或压应力σ如下：
σ＝E·ε＝E·ΔL，
其中E为弹性模量。
在简化的仅沿径向或轴向方向的力作用到阻尼元件131上的假设下，得出的针对角度为γ的剪切要施加的剪切应力τ如下：
Figure BDA0002733436520000091
其中G为剪切模量。
因此，由于L>>ΔL且G<E，所以为了相对运动ΔL要施加的沿径向或轴向方向的力比沿轴向或径向方向的力小很多倍。

Claims (16)

1.一种发电机，尤其是风能设施(100)的发电机(120)，具有
-可旋转地支承的发电机转子(121)；
-与所述发电机转子(121)相对应的发电机定子(122)，所述发电机定子具有用于固定在所述风能设施(100)中的承载结构(123)；和
-至少一个锁定设备，其能够耦联在发电机转子(121)和发电机定子(122)之间，使得在发电机转子(121)和发电机定子(122)之间产生力流，并且所述锁定设备设立用于在耦联状态中将所述发电机转子(121)相对于所述发电机定子(122)在预定位置中锁定，
其特征在于，所述锁定设备(130)具有阻尼元件(131)，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得所述阻尼元件由于发电机转子(121)和发电机定子(122)之间的所述力流变形。
2.根据权利要求1所述的发电机(120)，
其特征在于，所述阻尼元件(131)形状可改变地构成为，使得所述发电机转子(121)能够沿径向方向相对于所述发电机定子(122)运动。
3.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，所述阻尼元件(131)形状可改变地构成为，使得所述发电机转子(121)能够沿轴向方向相对于所述发电机定子(122)运动。
4.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，所述阻尼元件(131)形状可改变地构成为，使得与沿径向方向或轴向方向的可运动性相比，所述发电机转子(12)沿环周方向相对于所述发电机定子(122)仅能够受限制地运动。
5.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，所述锁定设备(130)具有保持臂(133)，所述保持臂具有定子侧的端部和转子侧的端部，
其中在所述定子侧的端部上构成用于所述阻尼元件(131)的容纳部(135)，在所述容纳部上设置所述阻尼元件(131)，所述阻尼元件能够与所述承载结构(123)形成贴靠。
6.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，在所述保持臂(133)的转子侧的端部上构成有夹紧单元(132)，所述夹紧单元具有至少一个留空部(135)，连接机构，尤其螺栓能够穿过所述留空部，并且所述留空部设立用于将所述锁定设备(130)与所述发电机转子(121)连接。
7.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，所述承载结构(123)具有多个区段(123a、b、c)，其中每个所述区段(123a、b、c)具有第一侧(123’)和至少一个第二侧(123”)，并且第一锁定设备(130’)能够与所述承载结构的第一侧(123’)形成贴靠并且至少一个另外的锁定设备(130”)能够与所述承载结构的至少一个第二侧(123”)形成贴靠，其中第一锁定设备(130’)的作用方向基本上与第二锁定设备(130”)的作用方向相反地伸展。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，所述阻尼元件(131)能够用被加载压力的流体、尤其压力空气填充。
9.根据上述权利要求中至少一项所述的发电机(120)，
其特征在于，设有制动装置，所述制动装置设立用于降低所述发电机转子(121)的相对速度，其中所述制动装置具有机械制动单元和制动盘(125)，所述制动盘与所述发电机转子(121)有效连接。
10.根据权利要求9所述的发电机(120)，
其特征在于，所述锁定设备(130’、130”)能够与所述制动盘(125)耦联。
11.根据权利要求9或10所述的发电机(120)，
其特征在于，所述制动盘(125)具有凹部，并且所述夹紧单元(132)设立用于借助于夹紧连接，尤其是在所述凹部的区域中的夹紧连接与所述制动盘(125)耦联。
12.一种风能设施，
具有吊舱(104)、设置在所述吊舱(104)中的机器承载件和在所述吊舱(104)上可旋转地支承的转子(108)，
其特征在于，设有与所述转子(121)有效连接的根据权利要求1至11中任一项所述的发电机(120)。
13.一种用于锁定发电机(120)的转子(121)的方法，所述发电机尤其是根据权利要求1至11中任一项所述的发电机(120)，所述方法包括如下步骤：
-将所述发电机转子(121)相对于所述发电机定子(122)保持在预定位置中；
-将阻尼的锁定设备(130’a、b、c，130”a、b、c)耦联在发电机转子(121)和发电机定子(122)之间，使得在发电机转子(121)和发电机定子(122)之间产生力流，并且
-将阻尼的锁定设备(130)与发电机转子(121)和/或发电机定子(122)脱耦。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中在所述方法之前还进行如下步骤：
-通过制动装置将所述发电机转子(121)制动，并且
-通过固定设备将所述发电机转子(121)相对于所述发电机定子(122)固定在预定位置中。
15.根据权利要求13或14所述的方法，
其中所述方法还包括执行用于确定所述发电机(120)的动态特性的模态分析，所述模态分析优选在所述锁定设备耦联之后，并且在所述锁定设备脱耦之前进行。
16.一种锁定设备(130’a、b、c，130”a、b、c)用于锁定发电机的转子的应用，以用于执行用于确定所述发电机的动态特性的模态分析，所述发电机尤其是风能设施的发电机，其中所述锁定设备(130’a、b、c，130”a、b、c)具有阻尼元件(131)，所述阻尼元件形状可改变地构成为，使得所述阻尼元件由于发电机转子(121)和发电机定子(122)之间的力流变形。
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