CN112313411A - 风力涡轮机中的电气共振变化 - Google Patents
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Abstract
描述了一种风力涡轮机(1),其包括多个元件,该多个元件包括塔架(2)、安装到该塔架(2)的机舱(3)以及可旋转地安装到该机舱(3)的多个叶片(6)。该塔架(2)、机舱(3)和叶片(6)中的至少一个元件包括同轴阻抗构件(10),该同轴阻抗构件(10)绕该元件的轴线同轴地布置。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的领域。常规的风力涡轮机包括多个元件,包括塔架、安装到该塔架的机舱以及可旋转地安装到该机舱的多个叶片。
背景技术
这种常规的风力涡轮机具有电共振频率,该电共振频率由于封壳的尺寸通常是固定的。辐射的无线电频率取决于风力涡轮机发射主要由能量转换部件产生的RF能量的能力有多好。在国际标准中,例如在对风力涡轮机的辐射放射的要求中,设定了限制。这里,一些新限定的限制要求被限定为低至大约150 kHz的频率。然而,风力涡轮机具有对应于几百kHz的尺寸,并且被包含在新近标准所设定的范围内。
通常,通过实施过滤器以及通过小心地使用如屏蔽之类的EMC工艺来减少放射。然而,由于对辐射放射的要求,满足这些限制变得非常困难且昂贵,这是因为即使在风力涡轮机的表面中流动的若干mA的低电流也将超过这些限制。通常,元件的尺寸,即元件的封壳的尺寸,限定了元件的天线特性,但该尺寸无法轻易地改变。
可能需要一种风力涡轮机,其在低成本下满足EMC标准,而无需麻烦地重新设计风力涡轮机。
发明内容
该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。
根据本发明的第一方面,一种风力涡轮机包括多个元件,所述多个元件包括塔架、安装到所述塔架的机舱以及可旋转地安装到所述机舱的多个叶片,其中,所述塔架、所述机舱和所述叶片中的至少一个元件包括同轴阻抗构件,所述同轴阻抗构件绕所述元件的轴线同轴地布置。所述元件的所述轴线可以是其纵向轴线,所述纵向轴线是最长延伸部的轴线。所述元件被构造成呈现出具有n阶的共振频率的沿所述轴线的电磁振荡,其中,所述同轴阻抗构件优选地被调谐到所述n阶的共振频率。
有利地,所述同轴阻抗构件可充当扼流圈,使得所述元件内的具有所述共振频率的电流振荡衰减,并且其能量在所述同轴阻抗构件中转换成热。附加地或替代地,所述同轴阻抗构件可充当失谐构件,使得所述共振频率被分成高于所述共振频率的两个所产生的共振频率。利用它,可在低成本下容易地满足EMC标准。
优选地,所述同轴阻抗构件被构造成放置在沿所述元件的所述轴线的不同位置处,使得可优化扼流和失谐效应。
优选地,所述同轴阻抗构件具有如下长度,即:所述长度基本上等于所述共振频率的大约四分之一波长。特别地,所述同轴阻抗构件因此可被调谐到一阶共振频率,由此,所述一阶共振频率被很好地吸收。
优选地,所述同轴阻抗构件由包含导电材料的带或套筒形成。更优选地,所述导电材料包括纳米晶体材料或铁氧体材料。所述同轴阻抗构件允许以简单且有成本效益的方式使共振频率失谐。由于塔架表面中的非常低的共模电流,因此仅需要非常少量的带材料。这样的同轴阻抗构件的布置结构可容易地集成在风力涡轮机的塔架或其他元件的制造过程中,并且甚至有可能通过添加所述同轴阻抗构件,来改造现有的风力涡轮机。
在本发明的第二方面,一种用于风力涡轮机的塔架包括绕所述塔架的纵向轴线同轴地布置的同轴阻抗构件。
在本发明的第三方面,一种用于风力涡轮机的叶片包括绕所述叶片的纵向轴线同轴地布置的同轴阻抗构件。
在本发明的第四方面,提出了一种抑制风力涡轮机中的具有n阶的共振频率的电磁辐射的方法,所述风力涡轮机包括多个元件,所述多个元件包括塔架、安装到所述塔架的机舱以及可旋转地安装到所述机舱的多个叶片,所述方法包括以下步骤:绕所述塔架、所述机舱和所述叶片中的至少一个元件的轴线同轴地布置同轴阻抗构件。
优选地,布置所述同轴阻抗构件的步骤包括以下步骤:将所述同轴阻抗构件放置在沿所述至少一个元件的所述轴线的位置处,在那里,所述元件中的电流分布或电流密度呈现最大。
优选地,布置所述同轴阻抗构件包括以下步骤:绕所述至少一个元件缠绕导电材料的带。
需要注意的是,已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地,一些实施例已参考装置类型的权利要求来描述,而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而,本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉,除非另有声明,否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外,与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本申请公开。
附图说明
本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的,并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明,但本发明并不限于这些实施例的示例。
图1示出了风力涡轮机及其不同元件;
图2示出了风力涡轮机中的RF电流的分布;
图3示出了沿塔架的轴线的具有一阶共振频率f1的电磁振荡;
图4示出了沿配备有同轴阻抗构件的塔架的轴线的具有所产生的共振频率的电磁振荡;
图5示出了包括多个同轴阻抗构件的塔架的实施例;以及
图6示出了包括由纳米晶体材料制成的同轴阻抗构件的塔架的实施例。
具体实施方式
附图中的图例是示意性的。要注意的是,在不同的附图中,相似或相同的元件配有相同的附图标记。
图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括机舱3和塔架2。机舱3被安装在塔架2的顶部处。机舱3被安装成借助于偏航轴承相对于塔架2可旋转。机舱3相对于塔架2的旋转轴线被称为偏航轴线。
风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6(图1中描绘了其中两个转子叶片6)的轮毂4。轮毂4被安装成借助于主轴承7相对于机舱3可旋转。轮毂4被安装成可绕转子旋转轴线8旋转。
此外,风力涡轮机1还包括发电机5。发电机5又包括将发电机5与轮毂4连接的转子10。轮毂4被直接连接到发电机5,因而风力涡轮机1被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。这样的发电机5被称为直驱式发电机5。作为替代方案,轮毂4也可经由齿轮箱连接到发电机5。这种类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动式的风力涡轮机。本发明适于两种类型的风力涡轮机1。
发电机5被容纳在机舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自轮毂4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。由此,发电机5产生呈RF辐射的形式的噪声。
风力涡轮机1的每个元件具有一定尺寸。塔架2具有高度A。叶片6一起形成直径C,并且每个叶片6具有长度E。机舱3具有高度B和长度D。
风力涡轮机1,尤其是其塔架2,对RF能量而言是大型传导结构。风力涡轮机1可被认为是天线(特别是单极天线)。长度的物理尺寸决定了电磁共振频率。对于每个尺寸A、B、C、D和E,存在n阶的特定共振频率fn。此外,任何元件的每种组合也都呈现出n阶的特定共振频率fn。图2示出了风力涡轮机1中的RF电流的分布的示例。
对于一阶谐波(n = 1),四分之一波长1/4 λ1是天线的最有效长度,其中共振可被用于发送或接收无线电信号。图3示出了沿塔架2的纵向轴线的塔架2内的一阶谐波。元件的长度l对应于该一阶谐波(n = 1)的共振频率f1的1/4 λ1。
根据本发明,同轴阻抗构件10绕塔架2的纵向轴线同轴地布置并且与塔架2轴向对准。术语“绕纵向轴线同轴地布置”包括同轴阻抗构件10与塔架2同轴地布置且处于塔架2的径向外部的情况,以及同轴阻抗构件10与塔架2同轴地布置并嵌入塔架2中的情况。术语“纵向轴线”通常是指塔架2的最长延伸部的轴线,即沿塔架2的直立方向的轴线。同轴阻抗构件10可被布置到塔架2的周向表面上。
这同样适用于如下实施例,即:其中,同轴阻抗构件10被布置在诸如机舱3和叶片6之类的另一元件处。相对于如图1中所示的机舱3,一个同轴阻抗构件10可绕竖直轴线同轴地布置,并且另一同轴阻抗构件10可绕水平轴线、即旋转轴线8布置。
优选地,同轴阻抗构件10具有电感。该阻抗构件被调谐到1阶的共振频率f1。同轴阻抗构件10可具有如下长度,即:该长度基本上等于一阶谐波(n = 1)的共振频率f1的大约四分之一波长λ1(即,1/4 λ1)。通过布置同轴阻抗构件10,获得了两个有利的效果:
第一,同轴阻抗构件10起扼流圈的作用,使得共振频率f1被扼流。这意味着,塔架2中的RF电流衰减并且在同轴阻抗构件10中转换成热。n = 1阶的共振频率f1的能量被阻抗构件10吸收。优选地,同轴阻抗构件10被放置到如下位置,即:在那里,塔架2中的电流分布呈现最大,使得大量能量被吸收。
第二,1阶的共振频率f1失谐。图4示出了塔架2的物理长度l(对应于图1中的长度A)被同轴阻抗构件10分成两部分。所产生的共振频率高于原始共振频率。例如,如果同轴阻抗构件10被布置在长度A的中间,则具有波长1/4 λ1 = A的原始共振频率f1被分成两个共振频率f1a和f1b,它们各自具有所产生的波长1/4 λ1a = 1/4 λ1b = A/2。换句话说,同轴阻抗构件10使共振频率上移(提高)。同轴阻抗构件10充当失谐构件。通过使共振频率失谐,能量可能进一步减少。
如果同轴阻抗构件10被放置在塔架2的除轴向中心以外的任何位置,则两个所产生的共振频率中的第一个高于原始共振频率,并且两个所产生的共振频率中的第二个不仅远高于原始共振频率,而且还高于两个所产生的共振频率中的第一个。
图5示出了一实施例,其中,塔架2设置有多个(三个)同轴阻抗构件10,使得原始共振频率被分割多次(三次)。在到目前为止所描述的实施例中,同轴阻抗构件10被布置在塔架2上。然而,很明显的是,同轴阻抗构件10可附加地或替代地布置在例如机舱3和/或一个或多个叶片6的风力涡轮机1的任何其他元件处,例如布置在其周向表面上。
图6示出了同轴阻抗构件10由导电材料的带形成,并且绕塔架2布置并与塔架2轴向对准。由于塔架表面中的非常低的共模电流,因此仅需要非常少量的带材料。该带包括导电材料,该导电材料可包括纳米晶体材料或铁氧体材料。该纳米晶体材料可以是纳米晶体合金。该导电材料可被施加到诸如柔性片材之类的基板构件上。该片材可由诸如聚酯之类的合成树脂或诸如铝之类的金属制成。
接下来,描述抑制风力涡轮机1中的电磁辐射的方法。同轴阻抗构件10被构造成放置在塔架2的不同轴向位置处。同轴阻抗构件10优选地被放置到塔架2中的电流分布呈现最大的位置。塔架2中的最大电流分布可通过测量找到,或者可基于经验数据来确定。一般而言,元件的轴向位置意指沿元件的纵向轴线的位置。元件的纵向轴线通常是元件的最长延伸部的轴线。
如果同轴阻抗构件10由带形成,则该带在所确定的位置处绕塔架2缠绕或环绕。
根据本发明,风力涡轮机1可满足对辐射放射的要求,该要求限定了在低至150kHz的频率范围内的限制。同轴阻抗构件10允许以简单且有成本效益的方式使共振频率失谐。同轴阻抗构件10的布置结构可容易地集成在风力涡轮机1的塔架2或其他元件的制造过程中。甚至有可能通过事后添加同轴阻抗构件10,来改造现有的风力涡轮机1。
此外,在RF能量被转换成热的情况下,特别是在同轴阻抗构件10被布置在高电流密度或最高电流密度的位置处时,可实现扼流效应。对于辐射放射,由于非常低的电流,同轴阻抗构件10需要相对少量的材料。
应当注意的是,术语“包括”并不排除其他元件或步骤,并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外,联系不同实施例描述的元件可被组合。还应当注意的是,权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
Claims (12)
1. 一种风力涡轮机(1),包括多个元件,所述多个元件包括塔架(2)、安装到所述塔架(2)的机舱(3)以及可旋转地安装到所述机舱(3)的多个叶片(6),其中,所述塔架(2)、所述机舱(3)和所述叶片(6)中的至少一个元件包括同轴阻抗构件(10),所述同轴阻抗构件(10)绕所述元件的轴线同轴地布置。
2.根据前一权利要求所述的风力涡轮机(1),其中
所述元件被构造成呈现出具有n阶的共振频率(fn)的沿所述轴线的电磁振荡,其中,所述同轴阻抗构件(10)被调谐到所述n阶的共振频率(fn)。
3. 根据前一权利要求所述的风力涡轮机(1),其中
所述同轴阻抗构件(10)充当扼流圈,使得所述元件内的具有所述共振频率(fn)的电流振荡衰减,并且其能量在所述同轴阻抗构件(10)中转换成热;和/或
所述同轴阻抗构件(10)充当失谐构件,使得所述共振频率(f1)被分成高于所述共振频率(f1)的两个所产生的共振频率(f1a和f1b)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1),其中
所述同轴阻抗构件(10)被构造成放置在沿所述元件的所述轴线的不同位置处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1),其中
所述同轴阻抗构件(10)具有如下长度,即:所述长度基本上等于所述共振频率(fn)的大约四分之一波长(λn)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1),其中
所述同轴阻抗构件(10)由包含导电材料的带或套筒形成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1),其中
所述导电材料包括纳米晶体材料或铁氧体材料。
8.一种用于风力涡轮机(1)的塔架(2),包括绕所述塔架(2)的纵向轴线同轴地布置的同轴阻抗构件(10)。
9.一种用于风力涡轮机(1)的叶片(6),包括绕所述叶片(6)的纵向轴线同轴地布置的同轴阻抗构件(10)。
10.一种抑制风力涡轮机(1)中的具有n阶的共振频率(fn)的电磁辐射的方法,所述风力涡轮机(1)包括多个元件,所述多个元件包括塔架(2)、安装到所述塔架(2)的机舱(3)以及可旋转地安装到所述机舱(3)的多个叶片(6),所述方法包括以下步骤:
绕所述塔架(2)、所述机舱(3)和所述叶片(6)中的至少一个元件的轴线同轴地布置同轴阻抗构件(10)。
11. 根据前一权利要求所述的方法,其中,布置所述同轴阻抗构件(10)的步骤包括以下步骤:将所述同轴阻抗构件(10)放置在沿所述至少一个元件的所述轴线的位置处,在那里,所述元件中的电流分布或电流密度呈现最大。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其中
布置所述同轴阻抗构件(10)包括以下步骤:绕所述至少一个元件缠绕导电材料的带。
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