CN1228543C - 风力发电机 - Google Patents

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Abstract

风力发电设备，具有带涡轮轴(8)的风力涡轮，涡轮轴延伸连接发电机轴(22)。涡轮轴(8)轴颈设在两个轴承座(6、7)中，轴承座(6、7)有安排在塔顶(1)的基座(4)上的轴承(9、10)。发电机轴(22)与挠曲的涡轮轴(8)成整体或刚性连接。涡轮轴(22)支承着定子(19)和转子(12)允许发电机(11)跟随涡轮轴的挠曲运动。定子(19)锁住对抗不可转动的连接器(20)引起的转动，连接器(20)不传送由于从轮毂作用在涡轮轴(8)上的弯矩引起的涡轮轴(8)的挠曲的弯矩或轴向力，轴承(9、10)设成允许涡轮轴挠曲。

Description

风力发电机
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，它具有一个风力涡轮，该涡轮有一涡轮轴，一发电机轴可以是涡轮轴的延伸，该发电机轴与发电机的转子连接，其中所述转子的径向由一个定子包围着，所述涡轮轴的轴颈设在两上轴承座中，轴承安排在塔顶的一个基座上，所述基座可绕着一个垂直轴线枢转，一个电动机设置成进行上述枢转。
背景技术
风力发电机设计和发展中最主要的技术挑战是要保证叶片作用在涡轮轮毂上的弯矩不会对其余结构产生破坏性的变形。在涡轮轴没有中间齿轮箱而支承着发电机时，特别涉及会影响转子和定子之间的气隙的变形，而在涡轮轴和发电机中设齿轮箱时，特别涉及会损坏齿轮箱的轮和减小使用寿命的变形。
已知提供风力涡轮作为安排在柱或塔顶上的发电机的动力源。一个方案是把风力涡轮的轮毂直接与转子连接。转子依次又由与塔顶连接的基座支承，定子由基座支承着，不用任何努力协调转子和定子的运动。经验表明该设计基于从风力涡轮的轮毂加到涡轮轴的弯矩变形不作对转子与定子之间的气隙的必要的控制。另外，发电机在安装前不可能是准备好的。另一方案在德国专利公开4402184 A1中建议的，其中风力涡轮的轮毂直接与发电机的转子连接，而没有任何连接的齿轮箱，并且转子和定子通过提供协调运动的两个轴承连接起来。该方案允许在工厂预安装发电机作为一个完整的单元，和在就地安装前进行试验。
计算表明当风力涡轮的功率及尺寸超过一定的值，不使支承支座的尺寸不必要的大，该设计也不能提供要求的稳定的气隙。
已经建议相对塔顶把发电机安排在风力涡轮的相对侧，和基于一个在轮毂和发电机的转子之间的涡轮轴，把风力涡轮与发电机连接起来—或者成刚性连接，或基于一个连接器，其没有中间齿轮箱和不传送弯矩来进行连接，和其中涡轮轴与发电机用集成在支承安排中的两个或更多的把轴承的轴颈设在支承安排中。该方案的目的是减小作用在连接发电机的轴部分上的弯曲，其是通过来自轴承的径向反作用力对轴加力，相对于没有该安排时轴的弯曲返回到自然位置，使转子和定子之间的气隙尽可能小。采用该方案，轴承受到高的轴承力，另外，该设计要求很刚性的基座容纳增加的轴承。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种风力发电机，其中操作中与在涡轮轴与发电机直接连接的情形下由于作用在风力涡轮的轮毂上的弯矩造成的涡轮轴的挠曲无关，定子和转子保持相互之间的距离(气隙)。在齿轮箱安排在涡轮轴与发电机之间的实施例中，本发明使齿轮箱释放会降低正常使用寿命的不希望的力。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种风力发电机，具有一个风力涡轮，该涡轮有一涡轮轴，一发电机轴可以是涡轮轴的延伸，该发电机轴与发电机的转子连接，其中所述的转子的径向由一个定子包围着，所述的涡轮轴的轴颈设在两上轴承座中，轴承安排在塔顶的一个基座上，所述的基座可绕一个垂直轴线枢转，和一个电动机设置成进行上述的枢转，其特征在于，所述的发电机轴与挠曲的涡轮轴成整体成或所述的发电机轴的自由端与挠曲的涡轮轴刚性连接，所述的定子和所述的转子由所述的发电机轴支承着，以允许所述的发电机跟随所述的涡轮轴作挠曲运动，和所述的定子被锁住对抗由不可转动的连接器引起的转动，该连接器不传送对抗涡轮轴被从轮毂作用在涡轮轴上的弯矩造成的挠曲的弯矩或轴向力，另外设置轴承以允许涡轮轴的挠曲。这方案可以不同的方法和设计来实施，它们可适应各种涡轮尺寸和不同的发电机设计。
本发明涉及风力发电机中的涡轮轴的轴颈设置，风力发电机由在轴的一端的风力涡轮供给功率，发电机与轴连接，可在相对两个轴承座的外面或面向涡轮的轴承座和后轴承座之间，以减小由于作用在风力涡轮的轮毂上的力造成的作用在轴上的弯矩对发电机转子和定子之间气隙的影响。
这提供了结构简单及良好的轴颈设置的性能的结合。这一轴颈设置使得在风力发电机工作时保持发电机的转子和定子之间的气隙尽量小而稳定，并且不造成由作用在轮毂上的弯矩产生的力而使轴承过分变形。
这允许把力矩从涡轮轴传到转子，和从转子通过电场传到定子，和通过不可转动的连接器传到一个或两个轴承座，或直接传到基座。
当使用插在涡轮轴和发电机之间的齿轮箱，本发明允许把齿轮箱的轴的输入与涡轮轴直接连接起来，涡轮轴支承齿轮箱，齿轮箱支承着支承发电机的发电机座，和其中发电机的转子用一个刚性或弹性的连接器与齿轮箱的输出轴连接。在该情形下，从转子到定子的力矩传递和从定子到基座的力矩的传递由不可转动的连接器实行，可说成是直接被驱动的发电机。
附图说明
下面参照附图进一步说明本发明，附图中：
图1示出通过一实施例的垂直剖面，其中定子两侧的轴颈设在轴上；
图2示出相应的实施例的垂直剖面，定子单侧的轴颈设在轴上；
图3示出通过第三实施例的垂直剖面，其中定子起两侧的轴颈由轴支承着；
图4示出通过本发明的另一实施例的垂直剖面，发电机安排在两个轴承之间；
图5示出一个不可转动的连接器的变化实施例的透视图；
图6示出一个替换实施例的透视图，其中齿轮箱与涡轮轴连接，发电机沿着轴的延伸方向安排在由齿轮箱支承的发电机支座上和主基座的力矩的传送由适配的不可转动的连接器提供，和
图7示出另一实施例的透视图，其中齿轮箱与涡轮轴连接，发电机安排在涡轮轴上方由齿轮箱支承的发电机基座上，和主基座的力矩的传送由适配的不可转动的连接器提供。
具体实施方式
图1示出的本发明基于涡轮轴直接与发电机的连接。图1示出按照本发明一个实施例的通过一个轴承的纵向的垂直剖面。在塔1的顶部连接着一个水平的齿轮辋2，该齿轮辋用来转动风力发电机(下面会详细说明)的较上面部分。在齿轮辋2的上方是一个刚性的基座4，该基座4用作轴的支座。基座4可通过合适的轴承相对齿轮辋2绕其垂直轴转动。转动由电动机3致动，该电动机有一带齿轮5的悬下的轴，与齿轮辋2接合。
基座4提供两个轴承座的支座，也就是一个面对涡轮的前轴承座6和一个后轴承座7。两个轴承座一起支承涡轮轴8，该涡轮轴8又支承着一个发电机11。各轴承座有轴承9、10和通过螺栓21连接到基座4上。
发电机转子由发电机轴22支承着，该发电机轴22与涡轮轴8连接着。定子座17由轴承15、16支承在轴8上。轴承15、16提供一个气隙18，该气隙在定子19和转子12之间尽可能地恒定及小，与轴的挠曲无关。
来自涡轮轴8的力矩，通过电场传送到定子座17，和通过不可转动的连接器20传送到基座。
在图6和7中，示出本发明另外一个实施例。齿轮箱安排在涡轮轴8和发电机31之间，该两部件与前面的说明相应。齿轮箱29、发电机基座30和发电机31都可以在轴承座7和它与齿轮箱29的连接之间的空间自由地跟随涡轮轴8的运动。不可转动的连接器33把力矩从涡轮轴经齿轮箱29传到发电机31和主基座4和限制或完全消除了损坏力，否则该损坏力会造成齿轮箱和发电机的损坏。不可转动的连接器33包括一个托架34，设成从主基座4朝着发电机31延伸的两臂的形式。托架34与主基座刚性连接，和自由端与横架35连接。另外，在自由端，一个具有两个连接臂36、37的弯连接器与托架的端部或横架35连接，和在托架38处连接在齿轮箱29的侧面。在相对侧可设置相应的对称安排的弯连接器。
下面主要参照图1说明这一安排的功能。作用在轴8和发电机11上的重量和力由轴承9、10支承着和传到基座4。涡轮轴8把力矩直接传到发电机的转子12。定子座17直接支承在涡轮轴上。在发电机11附近的轴的合适的尺寸提供了足够的刚度以最终保持转子12和定子19之间的小而稳定的气隙。成环形盘带有中部及圆周弯折的不可转动的连接器20增加了沿轴向的柔韧性，导致以最小的弯矩把由于来自转子12的电场作用在定子座17上的力矩传到基座4。
不可转动的连接器20设计和定尺寸成为只传送来自风力涡轮的力矩，而没有力矩作用在风力涡轮的轮毂上引起的发电机轴22的挠曲。
因此定子座17跟随转子12和发电机轴22的运动，而气隙18主要保持稳定。
这种总的结构允许就地安装前作为整体单元对风力涡轮和发电机进行试验，和以预制的单元升起和安装在塔顶部上。
图2中，示出一个替换的实施例，类似的部分用图1中相同的标号表示，其中发电机轴22被设有定子轮毂的双轴颈的衬套23支承着，补套和另一轴承24支承着转子12。发电机轴22有一个盘25设在连到转子12的自由端用来传送力矩。
在图3中，示出基于同样原理的另一实施例。在该实施例中，具有轮毂的定子盘17由具有双轴承的发电机轴22支承着，和在一侧延伸进入一个凸缘，支承着工作的定子部分。
在图4中，与前面图中同样的标号使用3，图4中示出了另一实施例，该实施与图1到图3的实施例不同点在于发电机安排在轴承6、7之间。不可转动的连接器20在邻近风力涡轮处相应地固定到轴承座6上。
一般，不可转动的连接器20可固定到一个独立的轴承座或基座4上。
图5中示出基座4和轴承单元6、7的另一改型的实施例。在该实施例中，定子19设有一对径向延伸的臂26，在基座4上水平延伸。基座4支承着一个梁27，安排成与这对臂26平行。在两端，这对臂和梁与一个阻尼元件28连接，该元件28可接收力矩，但不接受弯矩和轴向力。阻尼元件28用来吸收可能的动量冲击，例如由于短路引起的。
图6和7示出本发明的使用，其中齿轮箱29安排在涡轮轴8和发电机31之间。还有通过齿轮箱29和发电机传送来自涡轮轴的力矩的不转动的连接器的其它实施例，只要它设置来沿除力矩方向外的所有方向在涡轮轴8和同样的元件之间提供小的力的传递就可。

Claims (10)

1.一种风力发电机，具有一个风力涡轮，该涡轮有一涡轮轴(8)，一发电机轴(22)可以是涡轮轴的延伸，该发电机轴(22)与发电机(11)的转子(12)连接，其中所述的转子(12)的径向由一个定子(19)包围着，所述的涡轮轴(8)的轴颈设在两上轴承座(6、7)中，轴承(9、10)安排在塔顶(1)的一个基座(4)上，所述的基座(4)可绕一个垂直轴线枢转，和一个电动机(3)设置成进行上述的枢转，其特征在于，
所述的发电机轴(22)与挠曲的涡轮轴(8)成整体成或所述的发电机轴(2)的自由端与挠曲的涡轮轴(8)刚性连接，
所述的定子(19)和所述的转子(12)由所述的发电机轴(22)支承着，以允许所述的发电机(11)跟随所述的涡轮轴(8)作挠曲运动，和
所述的定子(19)被锁住对抗由不可转动的连接器(20)引起的转动，该连接器(20)不传送对抗涡轮轴(8)被从轮毂作用在涡轮轴(8)上的弯矩造成的挠曲的弯矩或轴向力，另外设置轴承(9、10)以允许涡轮轴(8)的挠曲。
2.按照权利要求1的风力发电机，其特征在于所述的发电机(11)安排在所述的基座(4)的一侧，与所述的风力涡轮相对，或设在轴承(6、7)之间，所述的定子与一个不可转动的连接器(20)连接，所述的连接器(20)传送力矩而不传送弯矩，所述的连接器(20)设有一个环形盘，具有一个圆周弯折，该盘把定子与轴承座连接起来。
3.按照权利要求1或2的风力发电机，其特征在于所述的不可转动的连接器(20)设置用来传送基于发电机短路引起的力矩和阻尼力。
4.按照权要求1的风力发电机，其特征在于定子(19)在发电机轴(22)的一侧与发电机连接，或用双轴承连接，和转子(12)直接与发电机轴连接或用一个盘与发电机轴连接。
5.按照权利要求1的风力发电机，其特征在于所述的定子(11)在两侧用侧元件(17)支承着，侧元件(17)不挠曲地支承着定子(11)，定子相对于发电机轴(22)是不挠曲的，和涡轮轴(8)连接到由发电机轴支承的轴承(15、16)。
6.按照权利要求1的风力发电机，其特征在于所述的定子(11)的一端由一个盘元件(17)支承着，盘元件(17)相对发电子机轴(22)不挠曲地支承着定子，和涡轮轴(8)连接到由发电机轴支承的轴承(15，16)。
7.按照权利要求1的风力发电机，其特征在于所述的定子(19)和所述的基座(4)由一对传力元件(28)连接，所述的传力元件(28)安排成径向离开所述的发电机轴(22)用来传送力矩，所述的传力元件(28)可以是弹性阻尼元件形式，安排在定子上在一对臂(26)和与臂(26)平行的梁(27)之间和与基座(4)连接，把力矩从定子(19)传到基座(4)，而不加上弯矩或轴向力，可防止轮毂作用在轴上的弯矩和由发电机中短路引起的阻尼力使涡轮轴(8)挠曲。
8.按照权利要求1的风力发电机，其特征在于所述的轴承(9、10)是球形的。
9.一种风力发电机，具有一个风力涡轮，所述的涡轮通过中间的齿轮箱(29)与一个发电机(31)连接，其中齿轮箱(29)、发电机基座(30)和发电机(31)由涡轮轴(8)支承着，其特征在于所述的齿轮箱(29)、所述的发电机基座(30)和所述的发电机(31)可沿除涡轮轴的力矩方向外的所有的力的方向随发电机轴作自由运动，和所述的齿轮箱(29)、所述的发电机基座(30)和所述的发电机(31)一起，独立地或成组地把力从所述的涡轮轴(8)通过一个不可转动的连接器(33)传到主基座(4)上，所述的不可转动的连接器(33)不会阻碍所述的元件沿其它的力的方向的运动。
10.按照权利要求9的风力发电机，其特征在于所述的齿轮箱(29)、所述的发电机座(30)和所述的发电机(31)可设在相对于涡轮轴(8)的不同位置和不同方向。
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