CN112443463A

CN112443463A - 风力涡轮机

Info

Publication number: CN112443463A
Application number: CN202010887669.2A
Authority: CN
Inventors: L·利斯加尔德; J·妞文赫伊曾
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2021-03-05
Also published as: EP3786451A1; US11578702B2; US20210062794A1

Abstract

本发明描述了一种风力涡轮机，其包括：包围在发电机壳体中的发电机，所述发电机壳体包括旋转壳体和固定壳体，并且由此，所述旋转壳体通过第一间隙与所述固定壳体分离；罩盖，其安装在塔架上并且包括与所述塔架的引下线的电连接，并且其中，所述罩盖通过第二间隙与所述发电机壳体分离；其特征在于，通过安装在所述固定壳体上的多个电刷组件提供的闪电流路径，其中，电刷组件包括：电刷架，其安装在所述固定壳体上，使得碳刷延伸越过所述第一间隙，以与所述旋转壳体形成电接触；以及电连接器，其延伸越过所述第二间隙，以将所述电刷架电连接到所述罩盖。本发明还描述了一种为这样的风力涡轮机提供闪电流路径的方法。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明描述了直接驱动式风力涡轮机，以及为直接驱动式风力涡轮机提供闪电流路径的方法。

背景技术

风力涡轮机通常配备有防雷系统（LPS），该系统旨在提供将闪电流引导到地面的电流路径。因为转子叶片由于其高度和暴露的位置而成为最易受攻击的目标，所以每个转子叶片通常在其内部中包含引下线（down conductor）。导电的“吸引子”或目标可被设置在叶片外部上的一个或多个点处，并连接到该引下线，以便以受控的方式吸引雷击。转子叶片的引下线通向轮毂。于是，有必要在旋转的轮毂和固定的机舱之间设置桥，使得闪电流可被引导到风力涡轮机塔架的引下线，并且随后引导到地面。一种这样做的方式是在轮毂中的旋转引下线与机舱中的固定引下线之间使用滑动接触件。WO2011069686A1针对直接驱动式风力涡轮机提出了这样的方法，以用于从转子叶片引下线到发电机的固定主轴的闪电流路径。相同的原理还在CN201125843Y中被应用于间接驱动式风力涡轮机中的从转子叶片引下线到机舱引下线的闪电流路径。

然而，取决于发电机的设计，可能难以确保非常高的闪电流通过这样的电流桥被可靠地带到地面。可能发生的是，某一部分的闪电流寻求到地面的替代路线，从而导致对部件的闪络（flashover），该部件可能会因此受到严重损伤。例如，对主轴承的闪络可能会严重地损伤该轴承，从而导致停机时间和昂贵的维修程序。

此外，某些类型的风力涡轮机必须满足的要求是EMC（电磁兼容性）屏蔽的要求。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于风力涡轮机的改进的防雷系统，以克服上面概述的问题。

该目的通过权利要求1的直接驱动式风力涡轮机以及通过权利要求13的为直接驱动式风力涡轮机提供闪电流路径的方法来实现。

在本发明的背景下，直接驱动式风力涡轮机应理解为包括被包围在发电机壳体中的发电机。该发电机壳体包括旋转壳体和固定壳体。可假定该发电机壳体主要由诸如钢之类的材料制成，并且因此是导电的。在下文中还可假定，例如通过将转子叶片引下线电连接到发电机转子壳体的主体，来自气动转子的闪电流被引导至转子壳体。

包括安装到轮毂的转子叶片的气动转子在发电机的操作期间将使旋转部件转动。为了避免在发电机操作时的碰撞，旋转壳体通过第一间隙或“壳体间隙”与固定壳体分离。该风力涡轮机还包括安装在塔架上的罩盖（canopy），并且该罩盖包括用于电连接到塔架的引下线的LPS的元件。该罩盖通过第二间隙或“罩盖间隙”与发电机壳体分离，这里也是为了避免外部转子与该罩盖之间的碰撞。

本发明的风力涡轮机的特征在于闪电流路径，该闪电流路径通过安装在发电机壳体上的多个电刷组件提供，其中，电刷组件包括：电刷架，其安装在固定壳体上，使得包含在该电刷架中的碳刷延伸越过该壳体间隙，以与旋转壳体形成电接触；以及电连接器，其延伸越过该罩盖间隙，以将该电刷架电连接到该罩盖的LPS元件。

在下文中，可假定该电刷架包括诸如钢之类的导电材料。由于该碳刷与该电刷架电接触，并且电引线源自于该电刷架，因此从旋转壳体进入该碳刷的任何电流都将通过该电引线到达该罩盖的LPS元件。

根据本发明的风力涡轮机的一个优点在于，该多个电刷组件提供了从气动转子到罩盖的LPS元件以及从那里到地面的可靠的闪电流路径。利用足够数量的电刷组件，甚至非常大的闪电流也可在其通向地面的途中通过该电刷组件布置结构可靠地引导。因此，有利地减小了或甚至基本上消除了损伤风力涡轮机的部件的可能性。例如，在闪电事件期间，能够可靠地保护主轴承免受闪络的影响。

为上述类型的风力涡轮机提供闪电流路径的本发明的方法包括以下步骤：设置多个第一电刷组件，其中，第一电刷组件包括包含碳刷的电刷架，以及细长的电连接器或引线，该电连接器或引线源自于该电刷架并终止于外端处；将每个电刷架安装在固定壳体上，使得该碳刷延伸越过第一间隙，以与旋转壳体形成电接触；使该引线延伸越过第二间隙，并将其外端固定到该罩盖，使得在该引线和该罩盖的LPS元件之间形成电连接。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中揭示的。视情况可结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

表述“发电机的旋转部件”应在如下意义上理解，即：该发电机部件被实现为在发电机处于操作中时转动。当然，当发电机不操作时，即当转子和转子壳体实际上未转动时，LPS将同样有效。

所述发电机壳体应理解为包括两部分，即包围发电机旋转部件的旋转壳体，以及包围发电机固定部件的固定壳体。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假定外部转子被构造成作为发电机磁场（generator field），尽管外部转子可承载电枢。

在这种具有外部转子的直接驱动式风力涡轮机中，主轴可从外部转子的前端（即，驱动端或迎风端）延伸到罩盖的内部中。该主轴可具有大的直径。该外部转子借助于前端处的主轴承绕主轴安装。可设置处于主轴的非驱动端处的另一个轴承，以支撑该外部转子的非驱动端。

在本发明的一个特别优选的实施例中，所述风力涡轮机包括以环形布置结构安装在发电机壳体上的至少10个电刷组件、更优选为至少20个电刷组件、最优选为至少30个电刷组件，以提供越过罩盖间隙到达罩盖的LPS元件的闪电流路径。LPS的载流量可在相关的法规或标准中规定，例如，由国际电工委员会发布并且与风力涡轮机相关的国际标准IEC61400-24。风力涡轮机可能需要具有能够传输200 kA闪电流的LPS。电刷组件的实际数量可根据碳刷和引线的载流量来选择。优选地，该电刷组件的引线的载流量至少与其碳刷的载流量一样大。

优选地，该电连接器或引线是柔性的，并且可被实现为带状电缆或电缆编织物，使得在外部转子转动时罩盖间隙不恒定的情况下，其可经受变形。这种柔性确保了即使由于气动转子在主轴上施加的大力而引起间隙宽度变化或波动，该引线也持续地桥接（bridge）该罩盖间隙。因此，发电机壳体与罩盖LPS之间的电连接不受发电机壳体相对于罩盖的任何轻微移动影响。

这些电刷组件中的每一个优选地被实现为使得其碳刷持续地桥接至少5 mm、更优选为至少10 mm、最优选为至少15 mm的壳体间隙。优选地，这些电刷组件中的每一个被实现为使得其柔性引线持续地桥接至少10 cm、更优选为至少20 cm、最优选为至少30 cm的罩盖间隙。该罩盖的LPS元件可被设置为引下线的布置结构，这些引下线被结合在该罩盖的主体中，或者安装到该罩盖的内部和/或外部上。该罩盖的LPS元件被布置成将闪电流引导至塔架的引下线布置结构。闪电流可能源自对罩盖自身的打击和/或源自对气动转子的打击，在这种情况下，桥接罩盖间隙的电刷组件为该闪电流提供路径。在本发明的一个特别优选的实施例中，该罩盖的LPS元件被实现为导电网。以这种方式，该罩盖充当法拉第笼，并且为该罩盖内的部件提供有效的EMC屏蔽。

利用在定子壳体和罩盖之间延伸的引线来桥接罩盖间隙的该多个电刷组件也充当一种类型的法拉第笼，使得整体法拉第笼的效果通过发电机/罩盖界面处的电刷组件和该罩盖的导电网的组合而产生。因此，电荷将均匀地分布在该罩盖和发电机壳体上。

如上面提到的，可针对风力涡轮机的各个部分实施EMC屏蔽。在本发明的一个优选实施例中，定子壳体被构造成为定子提供EMC屏蔽，可假定该定子被实现为发电机电枢。在这样的实施例中，定子壳体可包括环形金属板（实现成单件或分段地实现），该环形金属板绕主轴布置，以有效地在其非驱动端处封闭发电机。该金属板尺寸设定成在其外边缘和转子壳体之间仅留下非常小的壳体间隙。该环形板可用于引导定子绕组上方的冷却气流，并且还用于提供EMC屏蔽。在本发明的一个特别优选的实施例中，电刷组件被安装到该“EMC屏蔽板”上。

如上所述，闪电流将总是寻求到地面的最快路径，并且严重的雷击可能导致部分的闪电流寻求风力涡轮机的LPS所提供的路径的替代者。结果，可能会发生闪络，伴随着对易受伤害的部件的损伤。因此，在本发明的一个优选实施例中，设置第二电刷组件，以为闪电流提供附加路径。该第二电刷组件优选地被设置在发电机的驱动端处。在该实施例中，第二电刷组件被安装到转动环。这样的转动环可被设置成用于在风力涡轮机的安装期间使用，以例如使轮毂转动到特定位置，以便安装转子叶片。该转动环通常具有大于主轴承的直径的直径。该转动环可被实现为与若干个马达驱动单元的小齿轮啮合的齿环。由于转动环的目的在于使发电机转子（和气动转子）相对于定子转动，因此在转动环与例如定子前板的最近的固定元件之间将存在间隙。在本发明的该优选实施例中，第二闪电流路径通过第二电刷布置结构提供，该第二电刷布置结构包括至少一个电刷组件，优选为多个电刷组件，以在转动环和固定支撑结构之间提供电连接。该第二电刷布置结构用于均衡发电机上的电荷分布或电势，并且保护主轴承免受闪络的影响。

桥接罩盖间隙的电刷组件可被称为“罩盖间隙电刷组件”、“发电机壳体电刷组件”、“第一电刷组件”或“外部电刷组件”。安装在转动环处的电刷组件可被称为“转动环电刷组件”、“第二电刷组件”或“内部电刷组件”。

桥接罩盖间隙的电刷组件的环形布置结构可被称为“发电机壳体电刷布置结构”或“第一电刷布置结构”，并且处于转动环处的电刷组件的布置结构可被称为“转动环电刷布置结构”或“第二电刷布置结构”。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的而设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1示出了本发明的风力涡轮机的一个实施例；

图2示出了图1的实施例的放大细节；

图3示出了图1的实施例的放大细节；

图4示出了本发明的风力涡轮机的另一实施例；

图5示出了本发明的风力涡轮机的另一实施例；

图6示出了本发明的风力涡轮机的另一实施例的细节。

在附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的物件。附图中的物件不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了上述类型的直接驱动式外部转子风力涡轮机。风力涡轮机1具有发电机10，其被包围在发电机壳体10R、10S中。旋转壳体10R包围外部转子，并且固定壳体10S包围定子。旋转壳体10R通过几毫米的壳体间隙G1与固定壳体10R分离。转子壳体10R的圆形形状可通过安装到转子壳体10R的外部的防椭圆化环（anti-ovalisation ring）来维持，使得可期望壳体间隙G1保持基本上恒定。

在通常的设计方式中，风力涡轮机1还包括安装在塔架12上的罩盖11，并且该罩盖11通过罩盖间隙G2与发电机壳体10R、10S分离，该罩盖间隙G2在宽度上可为几厘米。

该风力涡轮机具有防雷系统（LPS），该防雷系统具有布置在转子叶片13中并延伸到轮毂中的引下线。气动转子13的该防雷系统LPS₁₃被电连接到转子壳体10R。可假定转子壳体10R部分或全部由钢或类似金属制成，并且因此是导电的。

该罩盖还包括罩盖防雷系统LPS₁₁的引下线，这些引下线被电连接到塔架12的防雷系统LPS₁₂的引下线。

该风力涡轮机具有第一闪电流路径P2，其通过安装在固定壳体10S上的多个电刷组件2来提供。这些电刷组件2中的每一个包括电刷架20，其被安装在固定壳体10S上，使得碳刷21延伸越过壳体间隙G1，以与旋转壳体10R形成电接触。这在图2给出的放大视图中示出。电刷组件2的实际数量根据电刷组件类型的载流量以及根据LPS要求来确定。例如，50个或更多个电刷组件2的周向布置结构可能足以确保在200 kA雷击期间转子和定子之间的电压不超过2 kV（为清楚起见，在图1中仅示出了两个电刷组件2）。如将为技术人员所知的，电刷组件2具有弹簧加载机构，该弹簧加载机构用于使碳刷21压靠转子壳体10R的主体。这确保了即使随着时间的推移电刷磨损，以及即使由于转子的椭圆化而在转子壳体10R和定子壳体10S之间的壳体间隙的宽度上存在微小的变化，碳刷21也将始终与转子壳体维持接触。该弹簧加载机构确保了即使间隙宽度随着外部转子相对于固定壳体10S转动而变化或波动，电刷21也持续地桥接壳体间隙G1。因此，第一闪电流路径P2的一个阶段通过碳刷21提供，该碳刷21将转子壳体10R电连接到定子壳体10S。

定子壳体10S可被实现为在发电机10的非驱动端处包括EMC屏蔽板。电刷组件的另一已知特征是电刷组件的主体也是导电的，并且通常由钢制成。因此，电流从碳刷传递到电刷架。在本发明的风力涡轮机中，电刷架20以环形布置结构安装到定子壳体10S，使得在雷击期间或者在积聚成雷击（build-up to a lightning strike）期间，电荷将能够将其自身均匀地分布在EMC屏蔽板上。

每个电刷组件2还具有引线22，该引线22延伸越过罩盖间隙G2，以将电刷架20电连接到罩盖11的LPS元件。因此，第一闪电流路径P2的下一阶段通过引线22来提供，该引线22将定子壳体10R电连接到罩盖11。这在图3给出的放大视图中示出。引线22的外部端子220被连接到罩盖的LPS布置结构的一部分。引线22被实现为柔性部件，例如带状电缆或电缆编织物，该柔性部件可调整以适应罩盖间隙G2的宽度上的微小变化。优选地，引线22的长度超过罩盖间隙宽度至少5%，更优选为至少10%，使得引线可补偿间隙宽度的波动。

在该示例性实施例中，罩盖11被实现为结合呈导电网110的形式的LPS系统LPS₁₁，并且每个电刷组件2的引线22被连接到该导电网110中的点。

这通过图4图示，其示出了（示意性地）多个电刷组件2，该多个电刷组件2如上所述安装在定子壳体10S上，以将转子壳体10R电连接到罩盖11中的导电网110。导电网110又被连接到塔架21的LPS系统LPS₁₂，并且以通常的方式从那里连接到地面。

图5中示出了一种替代性布置结构。这里，代替罩盖11中的导电网，罩盖11设置有一组引下线，其中一个被布置为绕罩盖11的前端的环形导体112，并且电刷组件2的所有引线22被连接到该前端引下线112，该前端引下线112又被连接到罩盖11的LPS系统LPS₁₁，从而通向塔架21的LPS系统LPS₁₂，并且以通常的方式从那里通向地面。

图6示出了本发明的风力涡轮机1的另一实施例。该图是具有其旋转部分15R和固定部分15S的主轴15S、15R周围的区域的剖面图，其显示了发电机的旋转轴线。这里，设置转动环（turner ring）16以用于风力涡轮机1的安装中。该转动环16在结构上是外部转子的一部分，并且即使其不再被需要，在安装后也仍保持在原位。锚定在固定前板140中的驱动单元160用于使环16（并且因此，使气动轮毂）转动。每个驱动单元160都具有小齿轮161，其与转动环16的带齿的外侧啮合。

固定前板140可被假定为电连接到基架，该基架又可被假定为以通常的方式电连接到风力涡轮机的LPS系统。该图示出了第二闪电流路径P3，其通过安装在固定前板140上的多个电刷组件3提供，该固定前板140支撑主轴承14。这些电刷组件3中的每一个包括电刷架30，其被安装在固定前板140上，使得电刷组件3延伸越过转动环间隙G3，以与转动环16形成电接触。这里，同样，也可假定弹簧加载机构用于使碳刷31压靠转动环16。以这种方式，将为从轮毂13到达转动环16的任何闪电流提供到固定前板140的安全路径P3。由于该前板140被安装到基架，因此确保了到塔架12的引下线的安全路径。

尽管已采用优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对其能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请对“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims

1.一种直接驱动式风力涡轮机（1），包括：

- 包围在发电机壳体（10R、10S）中的发电机（10），所述发电机壳体（10R、10S）包括旋转壳体（10R）和固定壳体（10S），并且由此，所述旋转壳体（10R）通过第一间隙（G1）与所述固定壳体（10R）分离；

- 罩盖（11），其安装在塔架（12）上并且包括与所述塔架（12）的引下线（LPS₁₂）的电连接，并且其中，所述罩盖（11）通过第二间隙（G2）与所述发电机壳体（10R、10S）分离；

其特征在于，

通过安装在所述固定壳体（10S）上的多个电刷组件（2）提供的闪电流路径（P2），其中，电刷组件（2）包括：

- 电刷架（20），其安装在所述固定壳体（10S）上，使得碳刷（21）延伸越过所述第一间隙（G1），以与所述旋转壳体（10R）形成电接触；以及

- 电连接器（22），其延伸越过所述第二间隙（G2），以将所述电刷架（20）电连接到所述罩盖（11）。

2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述电刷组件（2）被实现为使得所述碳刷（21）桥接至少5 mm的第一间隙（G1）。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述电刷组件（2）被实现为使得所述电连接器（22）桥接至少10 cm、更优选为至少20 cm、最优选为至少30 cm的第二间隙（G2）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述电连接器（22）是柔性的，并且其中，所述电连接器（22）的长度超过所述第二间隙（G2）的宽度至少5%。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述电连接器（22）被实现为带状电缆。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，包括以环形布置结构安装在所述固定壳体（10S）上的至少30个电刷组件（2）、更优选为至少40个电刷组件（2）、最优选为至少50个电刷组件（2）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述固定壳体（10S）包括用于所述发电机（10）的EMC屏蔽板。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，包括用于使发电机旋转部件（10R）转动的转动环（16），并且包括通过电刷组件布置结构提供的另一闪电流路径（P3），所述电刷组件布置结构包括至少一个电刷组件（3），所述至少一个电刷组件（3）布置成在所述转动环（16）和固定支撑结构（140）之间提供电连接。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，固定支撑结构（140）是绕所述风力涡轮机（1）的主轴（15S、15R）布置的环形板（140）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，包括处于所述转动环（16）和固定支撑结构（140）之间的多个电刷组件（3）的环形布置结构。

11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其被实现为直接驱动式外部转子风力涡轮机（1）。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，旋转部件（10R）是发电机磁场。

13.一种为直接驱动式风力涡轮机（1）提供闪电流路径（P2）的方法，所述直接驱动式风力涡轮机（1）包括：

- 包围在发电机壳体（10R、10S）中的发电机（10），所述发电机壳体（10R、10）包括旋转壳体（10R）和固定壳体（10S），并且由此，所述旋转壳体（10R）通过第一间隙（G1）与所述固定壳体（10S）分离；

- 罩盖（11），其安装在塔架（12）上并且包括与所述塔架（12）的引下线（LPS₁₂）的电连接，并且其中，所述罩盖（11）通过第二间隙（G2）与所述发电机壳体（10S）分离；

所述方法包括以下步骤：

- 设置多个第一电刷组件（2），其中，第一电刷组件（2）包括包含碳刷（21）的电刷架（20）以及细长的电连接器（22），所述电连接器（22）源自于所述电刷架（20）并终止于外端（220）处；

- 将每个电刷架（20）安装在所述固定壳体（10S）上，使得所述碳刷（21）延伸越过所述第一间隙（G1），以与所述旋转壳体（10R）形成电接触；以及

- 将所述电连接器（22）的所述外端（220）固定到所述罩盖（11）。

14.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：将多个第二电刷组件（3）安装在转动环（16）与固定支撑结构（140）之间。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，包括以下步骤：在所述风力涡轮机（1）的气动转子（13）中设置引下线布置结构（LPS₁₃），并且将所述引下线布置结构电连接到发电机转子壳体（10R）。