WO2023285725A1 - Aerogenerador de accionamiento directo - Google Patents

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WO2023285725A1
WO2023285725A1 PCT/ES2022/070459 ES2022070459W WO2023285725A1 WO 2023285725 A1 WO2023285725 A1 WO 2023285725A1 ES 2022070459 W ES2022070459 W ES 2022070459W WO 2023285725 A1 WO2023285725 A1 WO 2023285725A1
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention refers to a direct drive wind turbine (AAD) consisting of a tower with a nacelle at its upper end, a hub with blades that rotates around an axis of rotation (which defines an axial direction, a radial direction which is perpendicular to the axial direction and a circumferential direction which is tangential to the rotation of said axis of rotation), where each of said blades defines a longitudinal axis, and a frame mounted on the nacelle.
  • AAD direct drive wind turbine
  • Direct drive wind turbines that is, those that do not have any gear mechanism (no multiplier) inserted between the axis of rotation of the blades and the axis of rotation of the electric rotor, so that both axis of rotation rotate at the same angular velocity
  • AAD Direct drive wind turbines
  • the hub rotates by the action of the wind on the blades.
  • the generating torque is directly transmitted to a plurality of electrical poles that rotate at the same angular speed as the hub.
  • the stator of the electric generator is solidly related to the frame.
  • the rotor of the electric generator which is in turn integral with the hub, rotates around the center of the generator stator thanks to one or two bearings arranged between the hub and the frame.
  • An orientation system allows the frame to rotate with respect to the tower to keep the rotor oriented to the wind.
  • Document EP 2 157 314 B2 shows a conventional arrangement of the elements of a direct drive generator.
  • One or two bearings are proposed and the generator air gap is arranged in the median plane of the bearing in order to minimize air gap fluctuations.
  • it does not completely solve the problem and requires large structures that link the bearings and the generator.
  • Document EP 3001 540 has a configuration of bearings that link the hub and the central frame, and of interconnected carriages that run on rails located on the stator and are driven by the hub. However, it is a complex and expensive system. Document US 8786 124 B2 uses a separate bearing for the generator and an elastic element between the hub and the generator rotor. It is also an expensive and heavy system.
  • WO 2004/068678 a rotating electrical machine is described, in which the rotor is rotatably linked to the stator by means of bearing devices arranged in or adjacent to an air gap between the rotor and the stator.
  • EP 1 394406 describes a wind power system having a wind rotor connected directly to a rotor ring of a generator carrying a magnet.
  • the wind rotor blades are arranged on the rotor ring and/or on an axial extension of the rotor ring.
  • the wind rotor can rotate on several bearings separated by a certain axial distance or on a single bearing, preferably at the transition to the extension of the rotor ring.
  • Document EP1657437 discloses a direct drive electric generator designed for a wind turbine that has an independent bearing for the generator made up of a plurality of bogies with coils and wheels on which the permanent magnets housed on the rotor circulate.
  • EP1657437 proposes to integrate a generator, provided with rotor bearings adjacent to the air gap, in a wind power plant so that the forces of the wind turbine are absorbed by dedicated turbine bearings and is characterized in that the wind turbine is arranged on the frame by a turbine bearing arrangement, separate from the generator bearing arrangement.
  • EP1657437 implies that the forces and moment of the wind turbine, except the motor torque, are absorbed by the turbine bearing.
  • the engine torque is transmitted from the wind turbine to the generator rotor through a series of elastic elements.
  • the elasticity of the elements can come from the use of rubber or other elastomeric material.
  • the reason for the need for the resilient property is that it is a way to prevent unwanted forces from deformation of the wind turbine and generator from entering the turbine bearing arrangement of the generator.
  • Document WO2011065893 describes a rotating electric machine with an improved rotor bearing and, similar to the invention disclosed in the aforementioned EP1657437, it has bogies, in this case connected to each other, and radially prestressed by means of elastomers that allow absorbing the deformations of the rotor and the manufacturing tolerances guaranteeing the stability of the distance between irons.
  • the electrical machine of WO2011065893 comprises: a stator with an aperture, an essentially circular rotor mounted in the stator aperture, wherein the rotor is coupled to the stator by wheels and characterized in that the rotor comprises at least four rotor sections, each rotor section integrating at least one pair of wheels, wherein adjacent rotor sections are pivotally interconnected in the peripheral direction of the rotor.
  • the present invention proposes an alternative structure, to the one described in the previously detailed documents, for a direct drive wind turbine and has the object of overcoming the drawbacks that appear in the previous technical solutions. This purpose is achieved by means of a wind turbine as described in claim 1.
  • the proposed wind turbine comprises, in a manner known per se: a tower with a nacelle at its upper end, and with a frame mounted on said nacelle, a hub with blades that rotates around an axis of rotation, said axis of rotation defining an axial direction, a radial direction that is perpendicular to said axial direction and a circumferential direction that is tangential to a circle concentric to said axis of rotation, each of said blades defining an axis longitudinal, first guiding means and second guiding means, one fixed to the frame and the other to the hub, the first guiding means and the second guiding means being concentric, coaxial with the axis of rotation, and complementary for a guided rotation around the axis of rotation of the hub with respect to the frame; an electrical generator, capable of generating electrical energy from the rotation of the hub with respect to the frame, which comprises a plurality of first electrical current generating means by electromagnetic induction, fixed to the frame and arranged circularly around the axi
  • the first guide means can be fixed to the frame, in which case the second guide means will be fixed to the hub, or the first guide means will be attached to the hub, in which case the second guide means will be fixed to the frame.
  • the first and second guide means provide a circular guide between the hub and the frame, allowing its rotation.
  • the present invention also proposes, in a way not known in the state of the art, that the wind turbine also include pre-compressed elastic fixing means that push the first guide means and the second guide means against each other. in the radial direction, elastically modifying the distance in the radial direction between the first generator means and the frame and/or between the second generator means and the hub.
  • Said pre-compressed elastic fixing means guarantee precise guidance of the hub with respect to the frame, and maximum proximity, in the radial direction, between the first generating means and the second generating means.
  • the elastic fixing means exert a force that tends to compress, in the radial direction, the first guide means and the second guide means against each other.
  • the air gap distance (that is, the distance between the first generator means and the second generator means) is determined by the distance between the first guide means and the second guide means which, at in turn, they are compressed together by the elastic fixing means.
  • the elastic fixing means absorb and compensate both the manufacturing tolerances (which, in this way, do not have to be so strict) and the deformations of the structures caused by the work loads (which in this way do not have to be so strict). so robust).
  • the first and second guide means can also perform the function of conventional bearings, so they can be complemented with the same or even replaced.
  • the electric current generating means by magnetic induction are coils, on the one hand, and permanent magnets, on the other hand. In this way, there are two possible advantageous alternatives of a wind turbine according to the invention.
  • the first generating means are coils and the second generating means are magnets.
  • the coils are the fixed component of the generator and the magnets are the moving component.
  • the first generating means are magnets and the second generating means are coils.
  • the magnets are the fixed component of the generator and the coils are the moving component.
  • the present invention is compatible with either of these two alternatives.
  • the elastic fixing means are circumferentially separated from each other, that is to say, distributed in different angular positions along a concentric circumference with the axis of rotation, forming a plurality of elastic fixing units (preferably there are a minimum of 3 elastic units of fixation, although in practice they will preferably be many more).
  • Each of the elastic fixing units produces a thrust, in the radial direction, independent of the thrust produced by the other elastic fixing units, each elastic fixing unit therefore being able to move elastically, in the radial direction, independently displacement of the other elastic fixing units.
  • each of the elastic fixing units can be moved according to "its needs" without its radial position being affected by the possible radial displacements of the other elastic fixing units. Possible repair and maintenance work is also facilitated, since only the elastic fixing unit that requires it can be disassembled and repaired.
  • Each elastic fixing unit produces a thrust in a main working direction and has a geometric center.
  • the main direction of work forms, according to one embodiment, a non-zero angle with a plane formed by a radial direction that passes through the geometric center and the axial direction.
  • the main working axis forms a non-zero angle with a plane formed by a radial direction that passes through said geometric center and its corresponding tangential direction.
  • a possible alternative consisting of positioning the elastic fixing units so that their main direction of work extends in the radial direction that passes through the geometric center is also contemplated.
  • the elastic fixing units will work optimally in their main function, which is to exert a thrust that tends to compress (precisely in a radial direction) the first guide means and the second guide means with respect to each other.
  • the elastic fixing units will also be subjected to stresses that are not radial, but will have components in the tangential and/or axial directions. For this reason it can be advantageous to incline the elastic clamping units in such a way that they can better absorb these non-radial forces.
  • one of the first and second guide means are rails arranged circumferentially around the axis of rotation and the other of the first and second guide means are a plurality of wheels that roll on the rails, or a plurality of skids that They slide on the rails.
  • the elastic fixing means are circumferentially separated from each other, forming a plurality of elastic fixing units and each of which comprises at least one of the elastic fixing units, so that each of the elastic fixing units
  • the elastic fixing units are able to move elastically radially independently of the other elastic fixing units. It is advantageous if the elastic fixing units are carriages that include wheels and that have the first generating means or the second generating means mounted on them. This last advantageous alternative can be done in two ways:
  • the first guide means are the rails and the second guide means are the carriages where, preferably, the first generating means are coils arranged between the rails and the second generating means are magnets mounted on the carriages. That is, the rails are fixed and the cars rotate around the axis of rotation.
  • the first guide means are the carriages and the second guide means are the rails where, preferably, the first generating means are coils mounted on the carriages and the second generating means are magnets arranged between the rails. That is, the cars are fixed and the rails rotate them around the axis of rotation.
  • each cart has at least four wheels.
  • the carriages have dynamic joints. These dynamic joints extend between the carriages and the rails and are intended to prevent any particle or foreign body from entering the air gap.
  • each of the wheels defines a rolling axis:
  • the rolling axes form a non-zero angle with the axial direction.
  • the rolling axes form an angle between 31° and 45° with the axial direction. In this way the wheels can better support axial forces.
  • the rolling axes are parallel to the axial direction and in a second group of the plurality of wheels the rolling axes are perpendicular to the axial direction.
  • the rolling axes are parallel to the axial direction and in a second group of the plurality of wheels the rolling axes are perpendicular to the axial direction, where the second group of wheels is fixed to the frame.
  • the second group of wheels is fixed to the frame in the case that the rails are the second guide means (that is, those that rotate around the axis of rotation) while it is advantageous that the second group of wheels is fixed to the rotor in the case that the rails are the first guide means (that is, those that are fixed to the frame and, therefore, are static).
  • this second group of wheels no longer participates in maintaining the air gap, so they can be separated from the elastic fixing means and, on the other hand, being more rigid, prevent oscillations of the blades in the axial direction. and thus an eventual collision of these against the tower.
  • first guide means comprise at least one first guide surface, arranged circumferentially around the axis of rotation
  • second guide means comprise at least one second guide surface, arranged circumferentially around the axis of rotation, facing to the first guide surface, in contact with the first guide surface and capable of sliding on the first guide surface when rotating about the axis of rotation, the first and second guide surfaces forming a sliding bearing.
  • the elastic fixing units are carriages that comprise the first guide surfaces or the second guide surfaces and that carry the first or said second generating means mounted generating means.
  • the second guide means are the carriages where, preferably, the first generating means are coils and the second generating means are magnets mounted on the carriages.
  • the first guide means are the carriages where, preferably, the first generating means are coils mounted on the carriages and the second generating means are magnets.
  • the carriages have dynamic joints that extend between the carriages and the rails to prevent any particles or foreign bodies from entering the air gap.
  • first and second guide means based on the concept of sliding bearings
  • the wind turbine comprises a plurality of wheels each of which defines a rolling axis, where the rolling axes are perpendicular to the axial direction, and where the wheels are fixed to the frame (in the case that the rails are the second guide means) or they are fixed to the rotor (in the case that the rails are the first guiding means).
  • the first and second guide means are based on the concept of rails and wheels and, additionally, the wind turbine comprises a plurality of sliding bearings whose sliding surfaces are parallel. to the axial direction, one of them being fixed to the frame and the other fixed to the rotor.
  • the parts made of elastomer material are hydraulic elastomers.
  • the hub defines an internal space arranged around the axis of rotation and around the intersection of the longitudinal axes of the blades and that the electric generator, the first guiding means and coaxial with the axis of rotation, fixed to the frame, and The second guide means and coaxial with the axis of rotation, fixed to the rotor and that rotate around the axis of rotation together with the hub, are housed in the internal space.
  • this alternative allows a design of the wind turbine with a substantial saving in weight.
  • first guide means are the rails and the second guide means are the carriages where, preferably, the first generating means are coils arranged between the rails and the second generating means are magnets. mounted on the carriages, or else the first guide means are the carriages and the second guide means are the rails where, preferably, the first generating means are coils mounted on the carriages and the second generating means are magnets arranged between the rails.
  • Fig. 1 a general isometric view of a direct drive wind turbine according to the invention.
  • Fig. 2 a detailed isometric view of the wind turbine of Fig. 1.
  • FIG. 3 an isometric view of a longitudinal section of the wind turbine of Fig. 1.
  • Fig. 4 a detailed view of the area corresponding to the electric current generating means by electromagnetic induction of the isometric view of Fig. 3.
  • Fig. 5 a detailed view of a longitudinal section of the area corresponding to the electric current generating means by electromagnetic induction of the wind turbine of Fig. 1.
  • Fig. 6 an isometric view of the elements that rotate together with the hub in the wind turbine of Fig. 1.
  • FIG. 7 an isometric view of the frame and the elements fixed to it in the wind turbine of Fig. 1.
  • Fig. 8 an isometric view of the cart according to the invention.
  • Fig. 9 a cross section of the carriage of Fig. 8.
  • Fig. 10 a longitudinal section of the carriage of Fig. 8.
  • Fig. 11 a graph whose abscissa axis represents a complete revolution of the generator in degrees and whose ordinate axis shows distances in mm.
  • Fig. 12 a graph whose abscissa axis represents a complete revolution of the generator in degrees and whose coordinate axis shows forces in kN.
  • Fig. 13 a general isometric view of a second embodiment of a direct drive wind turbine according to the invention.
  • Fig. 14 a detailed isometric view of the joint area between the hub and the frame of the wind turbine of Fig. 13.
  • FIG. 15 an isometric view of a longitudinal section of the junction area of Fig. 14.
  • Fig. 16 a detailed view of the area corresponding to the electric current generating means by electromagnetic induction of the isometric view of the Fig.15.
  • Fig. 17 a detailed view of a longitudinal section of the area corresponding to the electric current generating means by electromagnetic induction of the wind turbine of Fig. 13.
  • Fig. 18 an isometric view of the elements that rotate together with the hub in the wind turbine of Fig. 13.
  • Fig. 19 an isometric view of the frame and the elements fixed to it in the wind turbine of Fig. 13.
  • Fig. 20 an isometric view of another embodiment of a trolley according to the invention.
  • Fig. 21 an isometric view of a wheel with its rolling axis perpendicular to the axial direction of the wind turbine and its corresponding support.
  • Fig. 22 a longitudinal section of the connection area between the hub and the frame of a third embodiment of a wind turbine according to the invention.
  • Fig. 23 a detailed view of the area corresponding to the electric current generating means by electromagnetic induction of the view of Fig. 22.
  • Fig. 24 a cross section according to the plane AA of Fig. 22.
  • Fig. 25 a detail view of the upper end of Fig. 24.
  • Fig. 26 a side elevation view of the carriage of Fig. 8.
  • FIG. 27 an isometric view of a longitudinal section of the wind turbine according to a further embodiment.
  • Fig. 28 a front elevation view of the wind turbine of Fig. 27.
  • a first embodiment of a direct drive wind turbine consists of a tower 1 with a nacelle 2 at its upper end, and a hub 10 with blades 11 that rotates around an axis of rotation 80.
  • Tower 1 defines an axis of tower 2 and the axis of rotation 80 defines, in turn, an axial direction, a radial direction that is perpendicular to the axial direction, and a circumferential direction that is tangential to the axis of rotation 80 (which would be the angular direction in a polar or cylindrical coordinate system).
  • each blade 11 defines a longitudinal axis, which intersects each other at the axis of rotation 80.
  • the wind turbine includes an electric generator with a stator, fixed to a frame 20 arranged inside the nacelle 2, and a rotor that rotates integrally with the hub 10.
  • the stator comprises a plurality of first electric current generating means by electromagnetic induction 51 which, in this example, are coils, and which are arranged circularly around the axis of rotation 80.
  • the rotor comprises a plurality of second electrical current generating means by electromagnetic induction 52 which, in the present example, are magnets 52, which are also arranged circularly around the axis of rotation 80. Between the first and the second generator means 51 and 52 there is an air gap 53, as is known to a person skilled in the art. In the present example the rotor wraps around the stator.
  • first guide means 31 and second concentric and complementary guide means 32 The rotation between hub 10 and frame 20 is guided by first guide means 31 and second concentric and complementary guide means 32 .
  • the first guide means are preferably rails 41, while the second guide means 32 are preferably a succession of wheels 42 or skates.
  • Rails 41 will preferably be at least first and second rails 41 symmetrical.
  • a succession of carriages 70 are arranged around the axis of rotation 80, each carriage 70 supporting a portion of the first generating means 51, which in this example are coils, facing a portion of the second generating means 52, which in this example are magnets supported on hub 10.
  • Each carriage 70 also carries a portion of the second guide means 32, typically wheels 42, and is fixed to the frame 20 through elastic fixing means 60 that produce a thrust in the radial direction of each of the carriages 70, and of the wheels 42 fixed to them, against the first guide means 31, typically the rails 41 fixed to the hub 10.
  • the second guide means 32 are skids that slide on the rails 41 .
  • the wheels 42 or skids are attached to all carriages 70, or only to some carriages 70, for example only to alternate carriages 70 of the succession of carriages.
  • different cars 70 of the succession of cars include a different number of wheels 42 or skids, according to the needs or efforts supported by the different cars 70.
  • the cars located in the upper area support greater loads than the carts located in other areas, so at least some of the carts in the upper half may have a greater number of wheels 42 than the carts in the lower half.
  • each carriage 70 includes four wheels 42, corresponding to two first wheels 42a on one side, and rolling on a first rail, and two second wheels 42b on one side. other symmetrical side, which roll on a second rail symmetrical to the first rail.
  • the magnets are arranged between the two symmetrical rails 41, so that they face the coils of the carriages 70.
  • the elastic fixing means 60 are formed by a plurality of elastic fixing units 61, each of which includes a piece of elastomeric material.
  • Each elastic fixing unit is substantially a rectangular parallelepiped compressed in the direction of a main working axis 82, which in this example is inclined with respect to the radial direction, although it is also contemplated that it is parallel to said radial direction.
  • Each elastic fixing unit will include a work surface perpendicular and centered with respect to the main working axis 82.
  • Each of the elastic fixing units 61 is fixed to the frame 20, on the one hand, and to the carriage 70, on the other hand, so that the main working surface faces the carriage 70.
  • each elastic fixing unit Fixing 60 exerts a force that tends to move carriage 70 in a radial outward direction. Therefore, this force tends to compress the wheels 42 against the rails 41, thus ensuring permanent contact between them.
  • the distance between the second generating means 52 fixed on the carriages 70 and the first generating means 51 remains substantially independent of the support of said carriages.
  • an orientation system 3 that allows the orientation of the gondola 2 towards the wind.
  • Fig. 5 can be seen the embodiment in which the elastic fixing units 61 are inclined, with the main working axis 82 making a non-zero angle with a plane formed by a radial direction passing through the center of the main surface of work (which, in Fig. 5 would be a vertical line contained in the paper) and its corresponding tangential direction (which, in Fig. 5 would be a line that comes out perpendicularly from the paper). Also, the elastic fixing units 61 are inclined with respect to a plane formed by a radial direction passing through the center of the main working surface and the axial direction (see Fig. 26).
  • the elastic fixing units 61 comprise prestressing tools, so that the pieces of elastomeric material are pre-compressed. This ensures that the pieces of elastomeric material exert the required compression force even in those cases in which the tolerances and deformations tend to separate the wheels 42 from the rails 41 (see Figs. 11 and 12).
  • each rail is provided with a rolling or sliding surface whose cross section is inclined with respect to the axial direction, providing a rolling or sliding surface with a generally frustoconical geometry.
  • both rolling or sliding surfaces converge or diverge and provide centering of the second guide means in the axial direction.
  • At least some of the wheels 42 may be first wheels 42a rolling on the first rail 41 and whose rolling axis 81 is inclined with respect to the axial direction, and some of the wheels 42 may be second wheels 42b rolling on the second rail 41 and whose rolling axis 81 is inclined with respect to the axial direction, symmetrically to the first wheels, the first and second wheels providing centering in the axial direction.
  • the rails 41 are provided with a rolling or sliding surface whose cross section is parallel to the axial direction, and on which the wheels 42 of the second guide means roll. 32 whose axis of rolling 81 is parallel to the axial direction. In this case, centering in the axial direction is obtained by means of third guide means 33 and fourth guide means 34.
  • the third guide means 33 and the fourth guide means 34 are fixed, one to the frame 20 and the other to the hub 10, the third guide means 33 and the fourth guide means 34 being parallel, coaxial with the axis of rotation 80, and complementary for a centering in the axial direction of the hub 10 with respect to the frame 20. Therefore, the third guide means 33 can be fixed to the frame 20, in which case the fourth guide means 34 will be fixed to the hub 10, or on the contrary, the third guide means 33 can be fixed to the hub 10, in which case the fourth guide means 34 will be fixed to the frame 20.
  • the third guide means 33 may be rails 41 and the fourth guide means 34 may be a plurality of wheels 42 or skids that move or slide on said rails 41. Typically said wheels will rotate around a rolling axis parallel to the radial direction.
  • the carriages 70 comprise dynamic joints 90 that isolate the air gap space from the outside, preventing the entry of foreign particles, dust (particularly metal dust), etc.
  • Said dynamic joints 90 consist of plates or brushes fixed to carriages 70 and with one end in contact with a complementary annular surface, a contact area of said plates or brushes sliding on the annular surface during rotation of the rotor with respect to the stator, preferably exerting some pressure, thus guaranteeing a seal of the air gap against dust and particles.
  • Fig. 11 is a graph that reflects a situation of extreme deformation of the part of the generator connected to the hub 10.
  • a complete revolution of the generator is represented in degrees on the abscissa axis and displacements in mm are shown on the ordinate axis.
  • the upper curve of the graph shows the actual gap variation over one revolution, the gap fluctuating slightly above and below the nominal 7mm gap.
  • the lower curves of the graph show the variation of the position of the rotor and the stator with respect to their theoretical position, in the radial direction, throughout one revolution, with respect to a reference position of value 0.
  • the difference between both curves of The position of the rotor and the stator corresponds to the variation of the air gap 53, which is minimized thanks to the use of elastic fixing means 60.
  • an exaggerated pattern of the deformations experienced by the rotor is shown in a front view of the rotor and stator.
  • Fig. 12 is a graph reflecting an extreme load situation of the wind turbine.
  • the abscissa axis represents a complete revolution of the generator in degrees and the ordinate axis shows the forces of the cars in thousands of Newtons.
  • the more irregularly shaped curve shows the force levels in the wheels without the use of elastic clamping units 61 while the sinusoidal curve shows the force levels in the wheels 42 when incorporating elastic clamping units 61 pre-stressed between the carriages 70 and the frame 20.
  • the use of prestressed elastic fixing units 61 makes it possible both to avoid load peaks on the wheels 42 and to lose the pretension force and with it the contact of the wheels 42 with the rails 41, as can be seen to happen on the irregular curve when it reaches the value 0.
  • FIGs. 13 to 21 another embodiment of a wind turbine according to the invention is shown.
  • This wind turbine comprises a plurality of common elements with that of Figs. 1 to 10, which have been referenced with the same numbers.
  • the most significant differences between this embodiment and the previous one are the following:
  • the hub 10 defines an internal space 30 arranged around that of the axis of rotation 80 in the area where the longitudinal axes of the blades 11 intersect.
  • the main elements of the electric generator are housed ( of the stator and the rotor), in particular the first electrical generating means 51 (the coils) and the second electrical generating means 52 (the magnets).
  • the first guide means 31 (the carriages 70), the second guide means 32 (the rails 41) and the elastic fixing means 60 are also housed in the interior space. In this way, a wind turbine with a much more compact design is obtained. compact, with the consequent savings in weight and cost.
  • the wheels 42 of the carriages 70 have their rolling axis 81 parallel to the axial direction. Additionally, there may be a second group of wheels 42, corresponding to the fourth guide means 34, which are fixed directly to the stator by means of a support 32 and whose rolling axis 81 is perpendicular to the axial direction.
  • the wheels 42 of this second group can be radially adjusted independently and in a particularly rigid manner, thereby avoiding rotations of the rotor in the plane perpendicular to the axis of rotation 80 and displacements in the direction of the axis of rotation 80.

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Abstract

Aerogenerador de accionamiento directo que consta de un bastidor (20) montado en la góndola (2), un buje (10) con palas (11) que gira en torno a un eje de giro (80), unos primeros medios de guiado (31) y unos segundos medios de guiado (32), fijados uno al bastidor (20) y otro al buje (10), y coaxiales con el eje de giro (80), y complementarios para un giro guiado alrededor del eje de giro (80) del buje (10) respecto al bastidor (20), unos primeros medios generadores (51) de corriente eléctrica, fijados al bastidor (20) configurando un estátor; y unos segundos medios generadores (52) de corriente eléctrica, fijados al buje (10) configurando un rotor, y unos medios elásticos de fijación (60), pre-comprimidos, que producen un empuje de los primeros medios de guiado (31) y los segundos medios de guiado (32) unos contra otros en la dirección radial.

Description

AEROGENERADOR DE ACCIONAMIENTO DIRECTO
DESCRIPCIÓN
Campo de la invención
La invención se refiere a un aerogenerador de accionamiento directo (AAD) que consta de una torre con una góndola en su extremo superior, un buje con unas palas que gira en torno a un eje de giro (que define una dirección axial, una dirección radial que es perpendicular a la dirección axial y una dirección circunferencial que es tangencial al giro de dicho eje de giro), donde cada una de dichas palas define un eje longitudinal, y un bastidor montado en la góndola.
Estado de la técnica
Los aerogeneradores modernos se usan comúnmente para inyectar electricidad a la red eléctrica. Los aerogeneradores de accionamiento directo (AAD), es decir, aquellos que no tienen ningún mecanismo de engranajes (ningún multiplicador) intercalado entre el eje de giro de las palas y el eje de giro del rotor eléctrico, de manera que ambos ejes de giro giran a la misma velocidad angular) comprenden generalmente un buje y una pluralidad de palas. El buje gira por la acción del viento sobre las palas. El par generador es transmitido de forma directa a una pluralidad de polos eléctricos que giran a la misma velocidad angular que el buje.
En los aerogeneradores de accionamiento directo el estator del generador eléctrico está solidariamente relacionado al bastidor. El rotor del generador eléctrico, que es a su vez solidario al buje, gira en torno del centro del estator del generador gracias a uno o dos rodamientos dispuestos entre el buje y el bastidor. Un sistema de orientación permite girar el bastidor respecto de la torre para mantener el rotor orientado al viento.
En aerogeneradores de accionamiento directo es conveniente reducir y mantener estable el espacio de entrehierro entre el estátor y el rotor. El aumento del espacio de entrehierro obliga a aumentar a su vez la inducción generada por las bobinas, lo que repercute muy negativamente en mayores costes de fabricación, en un menor rendimiento y en un mayor peso del sistema. La variación del espacio de entrehierro por su parte tiene consecuencias en la calidad de la energía producida y genera fuerzas magnéticas indeseadas. En grandes aerogeneradores de accionamiento directo la distancia del entrehierro queda muy alejada del centro de giro del generador. Con ello se consigue aumentar la velocidad de deslizamiento entre el estátor y el rotor y así maximizar el rendimiento del campo eléctrico generado por las bobinas. Por el contrario, los rodamientos que soportan los esfuerzos del buje y del generador suelen ser de mucho menor diámetro por cuestiones de fabricación y funcionamiento.
En ciertas condiciones de viento, las palas transmiten al buje grandes esfuerzos que deben ser soportados por los rodamientos. Tales esfuerzos producen inevitablemente deformaciones que se traducen en desplazamientos del rotor y con ello en variaciones del espacio que hay en el entrehierro. A fin de minimizar y mantener estable el entrehierro en todas las condiciones de operación previstas es necesario aumentar de forma severa la rigidez de las estructuras tanto del rotor como del estátor y dotar al sistema de una configuración de rodamientos robusta que minimice los movimientos relativos, ambos resultando en mayores costes y aumentando el peso del sistema.
El documento EP 2 157 314 B2 muestra una disposición convencional de los elementos de un generador de accionamiento directo. Se proponen uno o dos rodamientos y se dispone el entrehierro del generador en el plano medio del rodamiento a fin de minimizar las fluctuaciones del entrehierro. Sin embargo, no resuelve completamente el problema y requiere de grandes estructuras que relacionen los rodamientos y el generador.
El documento WO 2012/138725 propone un ensamblaje mecánico para mantener el espacio de entrehierro entre el estator y el rotor en una máquina rotativa eléctrica mediante el uso de una pluralidad de sectores que son acoplados de forma flexible al buje. Sin embargo, esos sistemas pueden ser costosos y pesados.
El documento US 2011/0193349 dispone una configuración de rodamientos en torno a un generador de muy grandes dimensiones cuyo rotor integra las palas. Pero esta solución plantea muy grandes retos tecnológicos y constructivos de difícil solución.
El documento EP 3001 540 dispone de una configuración de rodamientos que relacionan el buje y el bastidor central, y de unos carritos conectados entre sí que circulan por unos raíles situados en el estátor y que son accionados por el buje. Sin embargo, es un sistema complejo y de elevado coste. El documento US 8786 124 B2 emplea un rodamiento independiente para el generador y un elemento elástico entre el buje y el rotor del generador. También es un sistema costoso y pesado.
En el documento WO 2004/068678 se describe una máquina eléctrica giratoria, en la que el rotor está articulado rotativamente al estator por medio de dispositivos de cojinete dispuestos en o adyacentes a un entrehierro entre el rotor y el estator.
El documento EP 1 394406 describe un sistema de energía eólica que tiene un rotor de viento conectado directamente a un anillo de rotor de un generador que lleva un imán. Las paletas del rotor eólico están dispuestas en el anillo del rotor y/o en una extensión axial del anillo del rotor. El rotor eólico puede girar sobre varios cojinetes separados una determinada distancia axial o un solo cojinete, preferiblemente en la transición a la extensión del anillo del rotor.
El documento EP1657437 divulga un generador eléctrico de accionamiento directo diseñado para turbina eólica que cuenta con un rodamiento independiente para el generador formado por una pluralidad de bogíes con bobinas y con ruedas sobre las que circulan los imanes permanentes alojados sobre el rotor.
La EP1657437propone integrar un generador, provisto de cojinetes de rotor adyacentes al entrehierro, en una planta de energía eólica de manera que las fuerzas de la turbina eólica sean absorbidas por cojinetes de turbina dedicados y se caracteriza porque la turbina eólica está dispuesta en el bastidor mediante una disposición de cojinetes de turbina, separada de la disposición de rodamientos del generador.
El diseño propuesto en la EP1657437 implica que las fuerzas y el momento de la turbina eólica, excepto el par motor, son absorbidos por el cojinete de la turbina. El par motor se transmite desde el aerogenerador al rotor del generador mediante una serie de elementos elásticos. La elasticidad de los elementos puede provenir del uso de caucho u otro material elastomérico. La razón de la necesidad de la propiedad resiliente es que es una forma de evitar que las fuerzas no deseadas de la deformación de la turbina eólica y el generador entren en la disposición de cojinetes de turbina del generador.
El documento WO2011065893 describe una máquina eléctrica rotativa con cojinete de rotor mejorado y a semejanza de la invención divulgada en la EP1657437 referida anteriormente cuenta con unos bogíes en este caso conectados entre sí, y pretensados radialmente mediante unos elastómeros que permiten absorber las deformaciones del rotor y las tolerancias de fabricación garantizando la estabilidad de la distancia del entre hierro. La máquina eléctrica de la WO2011065893 comprende: un estator con una abertura, un rotor esencialmente circular montado en la abertura del estator, en el que el rotor está acoplado al estator mediante unas ruedas y caracterizado porque el rotor comprende al menos cuatro secciones de rotor, integrando cada sección de rotor al menos un par de ruedas, en las que las secciones de rotor adyacentes están interconectadas pivotantemente en la dirección periférica del rotor.
La presente invención propone una estructura alternativa, a la descrita en los documentos anteriormente detallados, para un aerogenerador de accionamiento directo y tiene por objeto superar los inconvenientes que se presentan en las soluciones técnicas anteriores. Esta finalidad se consigue mediante un aerogenerador como el descrito en la reivindicación 1.
Figure imgf000006_0001
El aerogenerador propuesto, según se describe en la reivindicación 1, comprende, de un modo en sí conocido: una torre con una góndola en su extremo superior, y con un bastidor montado en dicha góndola, un buje con unas palas que gira en torno a un eje de giro, dicho eje de giro definiendo una dirección axial, una dirección radial que es perpendicular a dicha dirección axial y una dirección circunferencial que es tangencial a un círculo concéntrico a dicho eje de giro, donde cada uno de dichas palas define un eje longitudinal, unos primeros medios de guiado y unos segundos medios de guiado, fijados uno al bastidor y otro al buje, siendo los primeros medios de guiado y los segundos medios de guiado concéntricos, coaxiales con el eje de giro, y complementarios para un giro guiado alrededor del eje de giro del buje respecto al bastidor; un generador eléctrico, apto para generar energía eléctrica a partir del giro del buje respecto al bastidor, que comprende una pluralidad de primeros medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética, fijados al bastidor y dispuestos circularmente alrededor del eje de giro configurando así un estátor, una pluralidad de segundos medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética, fijados al buje y dispuestos circularmente alrededor del eje de giro, constituyendo un rotor que gira solidariamente con dicho buje alrededor del eje de giro. Los primeros medios de guiado pueden estar fijados al bastidor, en cuyo caso los segundos medios de guiado estarán fijados al buje, o bien los primeros medios de guiado estarán unidos al buje, en cuyo caso los segundos medios de guiado estarán fijados al bastidor. En cualquier caso, los primeros y segundos medios de guiado proporcionan un guiado circular entre el buje y el bastidor, permitiendo su rotación.
La presente invención propone además, de un modo no conocido en el estado de la técnica, que el aerogenerador incluya además unos medios elásticos de fijación pre-comprimidos que producen un empuje de los primeros medios de guiado y los segundos medios de guiado unos contra otros en la dirección radial, modificando elásticamente la distancia en la dirección radial entre los primeros medios generadores y el bastidor y/o entre los segundos medios generadores y el buje.
Dichos medios elásticos de fijación pre-comprimidos garantizan un guiado preciso del buje respecto al bastidor, y una máxima proximidad, en la dirección radial, entre los primeros medios generadores y los segundos medios generadores.
Los medios elásticos de fijación ejercen una fuerza que tiende a comprimir, en dirección radial, los primeros medios de guiado y los segundos medios de guiado entre sí.
En el aerogenerador de acuerdo con la invención la distancia del entrehierro (es decir, la distancia entre los primeros medios generadores y los segundos medios generadores) viene determinada por la distancia entre los primeros medios de guiado y los segundos medios de guiado los cuales, a su vez, están comprimidos entre sí por los medios elásticos de fijación. De esta manera se puede conseguir una elevada precisión en la distancia de entrehierro sin obligar a fabricar piezas de grandes dimensiones con tolerancias muy pequeñas y, además, esta distancia se mantiene muy constante durante el funcionamiento del aerogenerador, a pesar de las deformaciones que puedan sufrir los diversos elementos del mismo al estar sometidos a las cargas de trabajo.
Los medios elásticos de fijación absorben y compensan tanto las tolerancias de fabricación (que, de esta manera, no tienen por qué ser tan estrictas) como las deformaciones de las estructuras provocadas por las cargas de trabajo (que de este modo no tienen por qué ser tan robustas).
Los primeros y segundos medios de guiado pueden ejercer también una función de rodamientos convencionales, por lo que pueden complementarse con los mismos o incluso sustituirlos. Preferentemente los medios generadores de corriente eléctrica por inducción magnética son bobinas, por un lado, e imanes permanentes, por el otro lado. De este modo, se tienen dos posibles alternativas ventajosas de un aerogenerador de acuerdo con la invención.
Según una realización, los primeros medios generadores son bobinas y los segundos medios generadores son imanes. En este caso, las bobinas son el componente fijo del generador y los imanes son el componente móvil.
Según otra realización alternativa, los primeros medios generadores son imanes y los segundos medios generadores son bobinas. En este caso los imanes con el componente fijo de generador y las bobinas son el componente móvil. La presente invención es compatible con cualquiera de estas dos alternativas.
Ventajosamente los medios elásticos de fijación están circunferencialmente separados entre sí, es decir distribuidos a en distintas posiciones angulares lo largo de una circunferencia concéntrica con el eje de giro, conformando una pluralidad de unidades elásticas de fijación (preferentemente hay un mínimo de 3 unidades elásticas de fijación, si bien en la práctica serán preferentemente muchas más).
Cada una de las unidades elásticas de fijación produce un empuje, en la dirección radial, independiente del empuje producido por las otras unidades elásticas de fijación, siendo por lo tanto cada unidad elástica de fijación apta para desplazarse elásticamente, en la dirección radial, con independencia del desplazamiento de las otras unidades elásticas de fijación. De esta manera cada una de las unidades elásticas de fijación puede desplazarse de acuerdo con “sus necesidades” sin que su posición radial se vea afectada por los posibles desplazamientos radiales de las otras unidades elásticas de fijación. También se facilitan los posibles trabajos de reparación y mantenimiento, ya que se puede desmontar y reparar únicamente la unidad elástica de fijación que lo requiera.
Cada unidad elástica de fijación produce un empuje en una dirección principal de trabajo y presenta un centro geométrico. La dirección principal de trabajo forma, de acuerdo con una realización, un ángulo no nulo con un plano formado por una dirección radial que pasa por el centro geométrico y la dirección axial.
Asimismo es ventajoso que, alternativa o adicionalmente, el eje principal de trabajo forme un ángulo no nulo con un plano formado por una dirección radial que pasa por dicho centro geométrico y su correspondiente dirección tangencial. Se contempla también una alternativa posible consistente en posicionar las unidades elásticas de fijación de manera que su dirección principal de trabajo se extienda en la dirección radial que pase por el centro geométrico. En este caso las unidades elásticas de fijación trabajarán de manera óptima en su función principal, que es ejercer un empuje que tienda a comprimir (precisamente en dirección radial) los primeros medios de guiado y los segundos medios de guiado entre sí. Sin embargo, las unidades elásticas de fijación también estarán sometidas a esfuerzos que no son radiales, sino que tendrán componentes en las direcciones tangenciales y/o axiales. Por ello puede ser ventajoso inclinar las unidades elásticas de fijación de manera que puedan absorber mejor estos esfuerzos no radiales.
Preferentemente, uno de los primeros y segundos medios de guiado son unos carriles dispuestos circunferencialmente alrededor del eje de giro y el otro de los primeros y segundos medios de guiado son una pluralidad de ruedas que ruedan sobre los carriles, o una pluralidad de patines que se deslizan sobre los carriles. En este caso, y cuando los medios elásticos de fijación están circunferencialmente separados entre sí conformando una pluralidad de unidades elásticas de fijación y cada una de las cuales comprende por lo menos una de las unidades elásticas de fijación, de manera que cada una de las unidades elásticas de fijación es apta para desplazarse elásticamente radialmente independientemente las otras unidades elásticas de fijación, es ventajoso que las unidades elásticas de fijación sean unos carros que comprenden las ruedas y que llevan montados los primeros medios generadores o los segundos medios generadores. Esta última alternativa ventajosa puede realizarse de dos maneras:
- los primeros medios de guiado son los carriles y los segundos medios de guiado son los carros donde, preferentemente, los primeros medios generadores son bobinas dispuestas entre los carriles y los segundos medios generadores son imanes montados sobre los carros. Es decir, los carriles son fijos y los carros giran alrededor del eje de giro.
- los primeros medios de guiado son los carros y los segundos medios de guiado son los carriles donde, preferentemente, los primeros medios generadores son bobinas montadas sobre los carros y los segundos medios generadores son imanes dispuestos entre los carriles. Es decir, los carros son fijos y son los carriles los giran alrededor del eje de giro.
Preferentemente cada carro tiene por lo menos cuatro ruedas. Preferentemente los carros tienen juntas dinámicas. Estas juntas dinámicas se extienden entre los carros y los carriles y tienen por objeto evitar que cualquier partícula o cuerpo extraño se introduzca en el entrehierro.
Por lo que se refiere a las ruedas, la presente invención contempla diversas alternativas ventajosas (en general, se ha de tener presente que cada una de las ruedas define un eje de rodadura):
- los ejes de rodadura forman un ángulo no nulo con la dirección axial. Preferentemente los ejes de rodadura forman un ángulo comprendido entre los 31° y los 45° con la dirección axial. De esta manera las ruedas pueden soportar mejor los esfuerzos axiales.
- en un primer grupo de la pluralidad de ruedas los ejes de rodadura son paralelos a la dirección axial y en un segundo grupo de la pluralidad de ruedas los ejes de rodadura son perpendiculares a la dirección axial.
- en un primer grupo de la pluralidad de ruedas los ejes de rodadura son paralelos a la dirección axial y en un segundo grupo de la pluralidad de ruedas los ejes de rodadura son perpendiculares a la dirección axial, donde el segundo grupo de ruedas está fijado al bastidor. Es decir, en esta alternativa no todas las ruedas están montadas sobre los carros sino que el segundo grupo de ruedas está montado sobre el bastidor. De hecho, es ventajoso que el segundo grupo de ruedas esté fijado al bastidor en el caso que los carriles sean los segundos medios de guiado (es decir, los que giran alrededor del eje de giro) mientras que es ventajoso que el segundo grupo de ruedas esté fijado al rotor en el caso que los carriles sean los primeros medios de guiado (es decir, los que están fijados al bastidor y, por lo tanto, son estáticos). En general, este segundo grupo de ruedas ya no participa en el mantenimiento de la distancia de entrehierro, por lo que pueden desvincularse de los medios elásticos de fijación y, en cambio, al ser más rígidas, evitan oscilaciones de las palas en la dirección axial y así una eventual colisión de éstas contra la torre.
Otro grupo preferente de alternativas se tiene cuando se sustituyen los primeros y segundos medios de guiado basados en unos carriles y una pluralidad de ruedas por unos primeros y segundos medios de guiado basados en el concepto de cojinetes de deslizamiento. Así, preferentemente, los primeros medios de guiado comprenden al menos una primera superficie de guiado, dispuesta circunferencialmente alrededor del eje de giro, y los segundos medios de guiado comprenden al menos una segunda superficie de guiado, dispuesta circunferencialmente alrededor del eje de giro, encarada a la primera superficie de guiado, en contacto con la primera superficie de guiado y apta para deslizarse sobre la primera superficie de guiado al girar alrededor del eje de giro, donde la primera y segunda superficies de guiado conforman un cojinete de deslizamiento. Esta solución puede incluir diversas mejoras preferentes:
- en el caso que los medios elásticos de fijación estén circunferencialmente separados entre sí conformando una pluralidad de unidades elásticas de fijación, comprendiendo cada una de ellas por lo menos una de las piezas de material elastómero, de manera que cada una de las unidades elásticas de fijación es apta para desplazarse elásticamente radialmente independientemente las otras unidades elásticas de fijación, es ventajoso que las unidades elásticas de fijación sean unos carros que comprenden las primeras superficies de guiado o las segundas superficies de guiado y que llevan montados los primeros medios generadores o dichos segundos medios generadores. En una alternativa preferente los segundos medios de guiado son los carros donde, preferentemente, los primeros medios generadores son bobinas y los segundos medios generadores son imanes montados sobre los carros. En otra alternativa preferente los primeros medios de guiado son los carros donde, preferentemente, los primeros medios generadores son bobinas montadas sobre los carros y los segundos medios generadores son imanes.
Al igual que en el caso de medios de guiado con ruedas, preferentemente los carros tienen juntas dinámicas que se extienden entre los carros y los carriles para evitar que cualquier partícula o cuerpo extraño se introduzca en el entrehierro.
En una forma preferente de realización de la invención se combina el hecho de emplear unos primeros y segundos medios de guiado basados en el concepto de cojinetes de deslizamiento, como se ha comentado en los párrafos anteriores, con el hecho de que, adicionalmente, el aerogenerador comprenda una pluralidad de ruedas cada una de las cuales define un eje de rodadura, donde los ejes de rodadura son perpendiculares a la dirección axial, y donde las ruedas están fijadas al bastidor (en el caso que los carriles sean los segundos medios de guiado) o están fijadas al rotor (en el caso que los carriles sean los primeros medios de guiado). Otra forma preferente de realización de la invención se tiene en el caso inverso: los primeros y segundos medios de guiado están basados en el concepto de carriles y ruedas y, adicionalmente, el aerogenerador comprende una pluralidad de cojinetes de deslizamiento cuyas superficies de deslizamientos son paralelas a la dirección axial, estando una de ellas fijadas al bastidor y la otra fijada al rotor.
Otras alternativas y opciones preferentes compatibles con cualquiera de las anteriores son: - que la distancia de entrehierro esté comprendida entre 4 y 20 mm.
- que el eje de giro sea horizontal.
- que las piezas de material elastómero sean pre-comprimidas.
- que las piezas de material elastómero sean elastómeros hidráulicos. - que el buje defina un espacio interno dispuesto alrededor del eje de giro y alrededor de la intersección de los ejes longitudinales de las palas y que el generador eléctrico, los primeros medios de guiado y coaxiales con el eje de giro, fijados al bastidor, y los segundos medios de guiado y coaxiales con el eje de giro, fijados al rotor y que giran en torno al eje de giro juntamente con el buje, están alojados en el espacio interno. Como se verá en una forma preferente de realización explicada más abajo, esta alternativa permite un diseño del aerogenerador con un substancial ahorro en peso. En esta alternativa preferente es ventajoso que, adicionalmente, o bien los primeros medios de guiado son los carriles y los segundos medios de guiado son los carros donde, preferentemente, los primeros medios generadores son bobinas dispuestas entre los carriles y los segundos medios generadores son imanes montados sobre los carros, o bien los primeros medios de guiado son los carros y los segundos medios de guiado son los carriles donde, preferentemente, los primeros medios generadores son bobinas montadas sobre los carros y los segundos medios generadores son imanes dispuestos entre los carriles.
Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características de la invención se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin ningún carácter limitativo, se relatan unos modos preferentes de realización de la invención, mencionando los dibujos que se acompañan. Las figuras muestran:
Fig. 1, una vista isométrica general de un aerogenerador de accionamiento directo de acuerdo con la invención. Fig. 2, una vista isométrica detallada del aerogenerador de la Fig. 1.
Fig. 3, una vista isométrica de una sección longitudinal del aerogenerador de la Fig. 1.
Fig. 4, una vista en detalle de la zona correspondiente a los medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética de la vista isométrica de la Fig. 3. Fig. 5, una vista de detalle de una sección longitudinal de la zona correspondiente a los medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética del aerogenerador de la Fig. 1.
Fig. 6, una vista isométrica de los elementos que giran juntamente con el buje en el aerogenerador de la Fig. 1.
Fig. 7, una vista isométrica del bastidor y los elementos fijados al mismo en el aerogenerador de la Fig. 1.
Fig. 8, una vista isométrica de carro de acuerdo con la invención.
Fig. 9, una sección transversal del carro de la Fig. 8. Fig. 10, una sección longitudinal del carro de la Fig. 8.
Fig. 11, un gráfico en cuyo eje de abscisas viene representada una revolución completa del generador en grados y en cuyo eje de ordenadas se muestran distancias en mm.
Fig. 12, un gráfico en cuyo eje de abscisas viene representada una revolución completa del generador en grados y en cuyo eje de coordenadas se muestran fuerzas en kN. Fig. 13, una vista isométrica general de una segunda forma de realización de un aerogenerador de accionamiento directo de acuerdo con la invención.
Fig. 14, una vista isométrica detallada de la zona de unión entre el buje y el bastidor del aerogenerador de la Fig. 13.
Fig. 15, una vista isométrica de una sección longitudinal de la zona de unión de la Fig. 14. Fig. 16, una vista en detalle de la zona correspondiente a los medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética de la vista isométrica de la Fig. 15.
Fig. 17, una vista de detalle de una sección longitudinal de la zona correspondiente a los medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética del aerogenerador de la Fig. 13. Fig. 18, una vista isométrica de los elementos que giran juntamente con el buje en el aerogenerador de la Fig. 13. Fig. 19, una vista isométrica del bastidor y los elementos fijados al mismo en el aerogenerador de la Fig. 13.
Fig. 20, una vista isométrica de otra forma de realización de un carro de acuerdo con la invención. Fig. 21 , una vista isométrica de una rueda con su eje de rodadura perpendicular a la dirección axial del aerogenerador y su correspondiente soporte.
Fig. 22, una sección longitudinal de la zona de unión entre el buje y el bastidor de una tercera forma de realización de un aerogenerador de acuerdo con la invención.
Fig. 23, una vista en detalle de la zona correspondiente a los medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética de la vista de la Fig. 22.
Fig. 24, una sección transversal según el plano AA de la Fig. 22.
Fig. 25, una vista en detalle del extremo superior de la Fig. 24.
Fig. 26, una vista en alzado lateral del carro de la Fig. 8.
Fig. 27, una vista isométrica de una sección longitudinal del aerogenerador según una realización adicional.
Fig. 28, una vista en alzado frontal del aerogenerador de la Fig.27.
Descripción detallada de unas formas de realización de la invención
En las Figs. 1 a 10 y en la Fig. 26 se muestra una primera forma de realización de un aerogenerador de accionamiento directo de acuerdo con la invención. El aerogenerador consta de una torre 1 con una góndola 2 en su extremo superior, y un buje 10 con unas palas 11 que gira en torno a un eje de giro 80. La torre 1 define un eje de la torre 2 y el eje de giro 80 define, a su vez, una dirección axial, una dirección radial que es perpendicular a la dirección axial y una dirección circunferencial que es tangencial al eje de giro 80 (lo que sería la dirección angular en un sistema de coordenadas polares o cilindricas). Por su parte, cada pala 11 define un eje longitudinal, que se cortan entre sí en el eje de giro 80. El aerogenerador incluye un generador eléctrico con un estátor, fijado a un bastidor 20 dispuesto en el interior de la góndola 2, y un rotor que gira solidariamente con el buje 10.
El estátor comprende una pluralidad de primeros medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética 51 que, en presente ejemplo, son unas bobinas, y que están dispuestos circularmente alrededor del eje de giro 80.
Por su parte, el rotor comprende una pluralidad de segundos medios generadores de corriente eléctrica por inducción electromagnética 52 que, en el presente ejemplo, son unos imanes 52, que también están dispuestos circularmente alrededor del eje de giro 80. Entre los primeros y los segundos medios generadores 51 y 52 hay una distancia de entrehierro 53, como es conocido por un experto en la materia. En el presente ejemplo el rotor envuelve al estátor.
El giro entre el buje 10 y el bastidor 20 está guiado mediante unos primeros medios de guiado 31 y unos segundos medios de guiado 32 concéntricos y complementarios.
Los primeros medios de guiado son, de forma preferida, unos carriles 41, mientras que los segundos medios de guiado 32 son, preferiblemente, una sucesión de ruedas 42 o de patines.
Los carriles 41 serán preferiblemente son al menos un primer y un segundo carriles 41 simétricos.
En la presente realización, una sucesión de carros 70 están dispuestos alrededor del eje de giro 80, cada carro 70 soportando una porción de los primeros medios generadores 51, que en este ejemplo son bobinas, enfrentados a una porción de los segundos medios generadores 52, que en este ejemplo son imanes soportados en el buje 10.
Cada carro 70 lleva también una porción de los segundos medios de guiado 32, típicamente ruedas 42, y está fijado al bastidor 20 a través de unos medios elásticos de fijación 60 que producen un empuje en la dirección radial de cada uno de los carros 70, y de las ruedas 42 fijadas a los mismos, contra los primeros medios de guiado 31, típicamente los carriles 41 fijados al buje 10. Se contempla una realización alternativa según la cual los segundos medios de guiado 32 son patines que se deslizan sobre los carriles 41.
Preferiblemente, las ruedas 42 o patines están fijados en todos los carros 70, o solo en algunos carros 70, por ejemplo solo en carros 70 alternos de la sucesión de carros. Se propone también que distintos carros 70 de la sucesión de carros incluyan distinto número de ruedas 42 o patines, según las necesidades o esfuerzos soportados por los distintos carros 70. Por ejemplo, en aerogeneradores de eje apaisado u horizontal, es previsible que los carros situados en la zona superior soporten mayores cargas que los carros situados en otras zonas, por lo que al menos algunos de los carros de la mitad superior podrán tener mayor número de ruedas 42 que los carros de la mitad inferior.
Sin embargo, de acuerdo con la realización preferida mostrada en las Fig. 1 a 10, cada carro 70 incluye cuatro ruedas 42, correspondientes a dos primeras ruedas 42a en un costado, y que ruedan sobre un primer carril, y dos segundas ruedas 42b en otro costado simétrico, que ruedan sobre un segundo carril simétrico al primer carril.
Los imanes están dispuestos entre los dos carriles 41 simétricos, de manera que quedan encarados con las bobinas de los carros 70.
En este ejemplo, los medios elásticos de fijación 60 están formados por una pluralidad de unidades elásticas de fijación 61, cada una de las cuales incluyendo pieza de material elastómero.
Cada unidad elástica de fijación es substancialmente un paralelepípedo rectángulo comprimido en la dirección de un eje principal de trabajo 82, que en este ejemplo está inclinado respecto a la dirección radial, aunque también se contempla que sea paralelo a dicha dirección radial.
Cada unidad elástica de fijación incluirá una superficie de trabajo perpendicular y centrada respecto al eje principal de trabajo 82.
Cada una de las unidades elásticas de fijación 61 está fijada al bastidor 20, por un lado, y al carro 70, por otro lado, de manera que la superficie principal de trabajo está orientada hacia el carro 70. De esta manera cada unidad elástica de fijación 60 ejerce una fuerza que tiende a desplazar el carro 70 en una dirección radial hacia afuera. Por lo tanto, esta fuerza tiende a comprimir las ruedas 42 contra los carriles 41 , asegurando así un contacto permanente entre ambos. De esta manera, la distancia entre los segundos medios generadores 52 fijados en los carros 70 y los primeros medios generadores 51 queda substancialmente independizado del soporte de dichos carros. En particular, desviaciones dimensionales del soporte de los carros (por tolerancias de fabricación y/o por deformaciones debidas a esfuerzos) no afectarán a la distancia de entrehierro 53, que viene determinada sustancialmente únicamente por las dimensiones, tolerancias y eventuales deformaciones de los carros 70, las ruedas 42 y los carriles 41. La presencia de estos medios elásticos de fijación 60 permiten modificar elásticamente la distancia en dirección radial entre el eje de giro 80 y las bobinas, por lo que esta distancia puede variar respecto de su valor nominal sin que ello influya en la distancia de entrehierro 53.
En la zona de unión entre la góndola 2 y la torre 1 hay un sistema de orientación 3 que permite la orientación de la góndola 2 hacia el viento.
En la Fig. 5 puede verse la realización en la que las unidades elásticas de fijación 61 están inclinadas, con el eje principal de trabajo 82 forma un ángulo no nulo con un plano formado por una dirección radial que pasa por el centro de la superficie principal de trabajo (que, en la Fig. 5 sería una línea vertical contenida en el papel) y su correspondiente dirección tangencial (que, en la Fig. 5 sería una línea que sale perpendicularmente del papel). Asimismo, las unidades elásticas de fijación 61 están inclinadas respecto de un plano formado por una dirección radial que pasa por el centro de la superficie principal de trabajo y la dirección axial (ver Fig. 26).
Las unidades elásticas de fijación 61 comprenden unos útiles de pretensado, de manera las piezas de material elastómero están pre-comprimidas. Así se garantiza que las piezas de material elastómero ejercen la fuerza de compresión requerida incluso en aquellos casos en los que las tolerancias y deformaciones tiendan a separar las ruedas 42 de los carriles 41 (ver Figs. 11 y 12).
Según una realización, mostrada en las Fig. 1 a 10, cada carril está dotado de una superficie de rodadura o de deslizamiento cuya sección transversal está inclinada respecto a la dirección axial, proporcionando una superficie de rodadura o deslizamiento con una geometría general troncocónica. Al ser los dos carriles simétricos, ambas superficies de rodadura o de deslizamiento con convergentes o divergentes y proporcionan un centrado de los segundos medios de guiado en la dirección axial.
En esta realización, al menos algunas de las ruedas 42 podrán ser primeras ruedas 42a que ruedan sobre el primer carril 41 y cuyo eje de rodadura 81 está inclinado respecto a la dirección axial, y algunas de las ruedas 42 podrán ser segundas ruedas 42b que ruedan sobre el segundo carril 41 y cuyo eje de rodadura 81 está inclinado respecto a la dirección axial, de forma simétrica a las primeras ruedas, las primeras y segundas ruedas proporcionando un centrado en la dirección axial.
Según otra realización, mostrada en las Fig. 13 a 20, los carriles 41 están dotado de una superficie de rodadura o de deslizamiento cuya sección transversal es paralela a la dirección axial, y sobre los que ruedan las ruedas 42 de los segundos medios de guiado 32 cuyo eje de rodadura 81 es paralelo a la dirección axial. En este caso el centrado en la dirección axial se obtiene mediante unos terceros medios de guiado 33 y unos cuartos medios de guiado 34.
Los terceros medios de guiado 33 y los cuartos medios de guiado 34, están fijados uno al bastidor 20 y otro al buje 10, siendo los terceros medios de guiado 33 y los cuartos medios de guiado 34 paralelos, coaxiales con el eje de giro 80, y complementarios para un centrado en la dirección axial del buje 10 respecto al bastidor 20. Por lo tanto, los terceros medios de guiado 33 pueden estar fijados al bastidor 20, en cuyo caso los cuartos medios de guiado 34 estarán fijados al buje 10, o por el contrario los terceros medios de guiado 33 pueden estar fijados al buje 10, en cuyo caso los cuartos medios de guiado 34 estarán fijados al bastidor 20.
Los terceros medios de guiado 33 podrán ser carriles 41 y los cuartos medios de guiado 34 podrán ser una pluralidad de ruedas 42 o patines que se desplazan o deslizan sobre dichos carriles 41. Típicamente dichas ruedas girarán en torno a un eje de rodadura paralelo a la dirección radial.
Según otra realización de la invención, los carros 70 comprenden unas juntas dinámicas 90 que aíslan el espacio del entrehierro del exterior, evitando la entrada de partículas extrañas, polvo (en particular, polvo metálico), etc. Dichas juntas dinámicas 90 constan de unas pletinas o escobillas fijadas a los carros 70 y con un extremo en contacto con una superficie anular complementaria, deslizándose una zona de contacto de dichas pletinas o escobillas sobre la superficie anular durante el giro del rotor respecto al estator, preferiblemente ejerciendo cierta presión, garantizando así un sellado del entrehierro frente a polvo y partículas.
La Fig. 11 es un gráfico que refleja una situación de deformación extrema de la parte del generador conectada al buje 10. En el eje de abscisas viene representada una revolución completa del generador en grados y en el eje de ordenadas se muestran desplazamientos en mm. La curva superior del gráfico muestra la variación de la distancia de entrehierro real a lo largo de una revolución, dicha distancia fluctuando ligeramente por encima y por debajo de la distancia de entrehierro nominal de 7 mm. Las curvas inferiores del gráfico muestran la variación de la posición del rotor y del estator respecto a su posición teórica, en la dirección radial, a lo largo de una revolución, respecto a una posición de referencia de valor 0. La diferencia entre ambas curvas de posición del rotor y del estator se corresponde con la variación del entrehierro 53, que se minimiza gracias al empleo de los medios elásticos de fijación 60. Entre las dos curvas del gráfico se muestra, de forma exagerada, un esquema de las deformaciones que experimenta el rotor en una vista frontal del rotor y el estator.
La Fig. 12 es un gráfico que refleja una situación de carga extrema del aerogenerador. En el eje de abscisas viene representada una revolución completa del generador en grados y el eje de ordenadas muestra las fuerzas de los carros en miles de Newtons. La curva de forma más irregular muestra los niveles de fuerza en las ruedas sin el uso de unidades elásticas de fijación 61 mientras que la curva sinusoidal muestra los niveles de fuerza en las ruedas 42 al incorporar unidades elásticas de fijación 61 pretensadas entre los carros 70 y el bastidor 20. El uso de unidades elásticas de fijación 61 pretensadas permite tanto evitar picos de cargas en las ruedas 42 como que se pierdan la fuerza de pretensión y con ello el contacto de las ruedas 42 con los carriles 41, como se aprecia que sucede en la curva irregular cuando alcanza el valor 0.
En las Figs. 13 a 21 se muestra otra forma de realización de un aerogenerador de acuerdo con la invención. Este aerogenerador comprende una pluralidad de elementos comunes con el de las Figs. 1 a 10, que han sido referenciados con los mismos números. Las diferencias más significativas entre esta forma de realización y la anterior son las siguientes:
- en esta forma de realización el buje 10 define un espacio interno 30 dispuesto alrededor del del eje de giro 80 en la zona donde se cortan los ejes longitudinales de las palas 11. En este espacio interno 30 se alojan los elementos principales del generador eléctrico (del estátor y del rotor), en particular los primeros medios generadores eléctrica 51 (las bobinas) y los segundos medios generadores eléctrica 52 (los imanes). También quedan alojados en el espacio interior los primeros medios de guiado 31 (los carros 70), los segundos medios de guiado 32 (los carriles 41) y los medios elásticos de fijación 60. De esta manera se obtiene un aerogenerador con un diseño mucho más compacto, con el consiguiente ahorro en peso y en coste.
Las ruedas 42 de los carros 70 tienen su eje de rodadura 81 paralelo a la dirección axial. Adicionalmente, podrá haber un segundo grupo de ruedas 42, correspondientes a los cuartos medios de guiado 34, que están fijadas directamente al estátor mediante un soporte 32 y que tienen su eje de rodadura 81 perpendicular a la dirección axial. Las ruedas 42 de este segundo grupo pueden ser ajustadas radialmente de forma independiente y de una forma particularmente rígida, con lo que se evitan giros del rotor en el plano perpendicular al eje de giro 80 y desplazamientos en la dirección del eje de giro 80.

Claims

En las Figs. 22 a 25 se muestra otra forma de realización de un aerogenerador de acuerdo con la invención. Este aerogenerador también comprende una pluralidad de elementos comunes con la realización mostrada en las Figs. 1 a 10, que han sido referenciados con los mismos números. Las diferencias más significativas entre esta forma de realización y la de las Figs. 1 a 10 son que en este caso el bastidor, y los restantes elementos soportados sobre el bastidor 20 y constitutivos del estator, envuelve al buje 10 y a los demás elementos unidos al buje 10 y constitutivos del rotor, estando por lo tanto el rotor alojado en el interior del estator, al contrario que en la anterior realización en la que es el estator el que se aloja dentro del rotor. Otra diferencia significativa de la presente realización es que en el bastidor 20 están montados los carriles 41 (que, por lo tanto, son estáticos), mientras que los carros 70 están fijados al buje 10 y giran solidariamente con el mismo. La unión entre los carros 70 y el buje 10 se hace a través de las unidades elásticas de fijación 61. REIVINDICACIONES
1. Aerogenerador de accionamiento directo que consta de: una torre (1) con una góndola (2) en su extremo superior, y con un bastidor (20) montado en dicha góndola (2); un buje (10) con unas palas (11) que gira en torno a un eje de giro (80), definiendo dicho eje de giro (80) una dirección axial y una dirección radial perpendicular a la dirección axial; unos primeros medios de guiado (31) y unos segundos medios de guiado (32), fijados uno al bastidor (20) y otro al buje (10), siendo los primeros medios de guiado (31) y los segundos medios de guiado (32) concéntricos, coaxiales con el eje de giro (80), y complementarios para un giro guiado alrededor del eje de giro (80) del buje (10) respecto al bastidor (20); un generador eléctrico, apto para generar energía eléctrica a partir del giro de dicho buje (10) respecto al bastidor (20), en donde dicho generador eléctrico comprende: una pluralidad de primeros medios generadores (51) de corriente eléctrica por inducción electromagnética, fijados al bastidor (20) y dispuestos circularmente alrededor del eje de giro (80) configurando un estátor; y una pluralidad de segundos medios generadores (52) de corriente eléctrica por inducción electromagnética, fijados al buje (10) y dispuestos circularmente alrededor del eje de giro (80) configurando un rotor que gira en torno al eje de giro (80) solidariamente con el buje (10), caracterizado porque el generador eléctrico comprende además unos medios elásticos de fijación (60), pre-comprimidos, que producen un empuje de los primeros medios de guiado (31) y los segundos medios de guiado (32) unos contra otros en la dirección radial, modificando elásticamente la distancia en la dirección radial entre los primeros medios generadores (51) y el bastidor (20) y/o entre los segundos medios generadores (52) y el buje (10).
2. El aerogenerador según reivindicación 1 en donde los primeros medios de guiado (31) son carriles (41) y los segundos medios de guiado (32) son una pluralidad de ruedas (42) o patines que se desplazan o deslizan sobre dichos carriles (41).
3. El aerogenerador según la reivindicación 1 en donde los primeros medios generadores (51) o los segundos medios generadores (52) están soportados sobre una sucesión de carros (70) dispuestos alrededor del eje de giro (80), estando los segundos medios de guiado (32) fijados a la sucesión de carros (70).
4. El aerogenerador según la reivindicación 3 en donde los primeros medios de guiado (31) son carriles (41) y los segundos medios de guiado (32) son una pluralidad de ruedas (42) o patines que se desplazan o deslizan sobre dichos carriles (41), y en donde las ruedas (42) o patines están fijados en todos los carros (70), o solo en algunos carros (70), o solo en carros (70) alternos y/o distintos carros (70) de la sucesión de carros (70) incluyen distinto número de ruedas (42) o patines.
5. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde entre los primeros medios generadores (51) y los segundos medios generadores (52) se define una distancia de entrehierro (53) comprendida entre los 4mm y los 20mm.
6. El aerogenerador según la reivindicación 5 en donde el entrehierro (53) está confinado entre unas juntas dinámicas (90). que producen un sello frente a la entrada de partículas.
7. El aerogenerador según la reivindicación 3, 4 o 5 en donde entre los carros (70) de la sucesión de carros se encuentran dispuestas unas piezas elastoméricas pre-comprimidas (63) configuradas para generar una fuerza de expansión en la sucesión de carros (70).
8. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 2, o 4 a 7 anteriores, en donde los carriles (41) son al menos un primer y un segundo carriles (41) simétricos, cada uno dotado de una superficie de rodadura o de deslizamiento cuya sección está inclinada respecto a la dirección axial.
9. El aerogenerador según reivindicación 8, en donde al menos algunas de las ruedas (42) son primeras ruedas (42a) que ruedan sobre el primer carril (41) y algunas de las ruedas (42) son segundas ruedas (42b) que ruedan sobre el segundo carril (41), las primeras y segundas ruedas proporcionando un centrado en la dirección axial.
10. El aerogenerador según reivindicación 8, en donde al menos algunas de las ruedas (42) son primeras ruedas (42a) que ruedan sobre el primer carril (41) y cuyo eje de rodadura (81) está inclinado respecto a la dirección axial, y algunas de las ruedas (42) son segundas ruedas (42b) que ruedan sobre el segundo carril (41) y cuyo eje de rodadura (81) está inclinado respecto a la dirección axial, de forma simétrica a las primeras ruedas., las primeras y segundas ruedas proporcionando un centrado en la dirección axial.
11. El aerogenerador según reivindicación 8, en donde al menos algunos de los patines son primeros patines que se deslizan sobre el primer carril (41) y algunos de los patines son segundos patines que se deslizan sobre el segundo carril (41), los primeros y segundos patines proporcionando un centrado en la dirección axial.
12. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde unos terceros medios de guiado (33) y unos cuartos medios de guiado (34), fijados uno al bastidor (20) y otro al buje (10), siendo los terceros medios de guiado (33) y los cuartos medios de guiado (34) paralelos, coaxiales con el eje de giro (80), y complementarios para un centrado en la dirección axial del buje (10) respecto al bastidor (20).
13. El aerogenerador según reivindicación 12 en donde los terceros medios de guiado (33) son carriles (41) y los cuartos medios de guiado (34) son una pluralidad de ruedas (42) o patines que se desplazan o deslizan sobre dichos carriles (41).
14. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dichos medios elásticos de fijación (60) están formados por una pluralidad de unidades elásticas (61) de fijación, que se disponen circunferencialmente separadas entre sí produciendo cada una de dichas unidades elásticas (61) un empuje, en la dirección radial, independiente de las otras unidades elásticas (61) de fijación.
15. El aerogenerador según la reivindicación 14, en donde cada unidad elástica (61 ) de fijación produce un empuje en una dirección principal de trabajo (82) que forma un ángulo respecto a la dirección radial.
16. aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde los medios elásticos de fijación (60) son elastómeros.
17. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde los medios elásticos de fijación (60) son elastómeros hidráulicos pre-comprimidos mediante presión hidráulica interna.
18. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dichos primeros medios de generadores (51) son bobinas y dichos segundos medios de generadores (52) son imanes.
19. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dicho eje de giro (80) es un eje apaisado o un eje horizontal.
20. El aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dicho buje (10) rodea un espacio interno definido en su interior y dispuesto alrededor de dicho eje de giro (80) y alrededor de la intersección de los ejes longitudinales de las palas (11), estando al menos el generador eléctrico alojado en dicho espacio interno.
21. El aerogenerador según reivindicación 20 en donde el espacio interno aloja también los primeros medios de guiado (31), y los segundos medios de guiado (32).
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