專利名稱：用于風(fēng)車 /水力發(fā)電站 /船舶的、在其中被構(gòu)造成中空外形的直驅(qū)發(fā)電機 /電動機以及 ...的制作方法
用于風(fēng)車/水力發(fā)電站/船舶的、在其中被構(gòu)造成中空外形的直驅(qū)發(fā)電 機/電動機以及裝配這種風(fēng)車/水力發(fā)電站的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有直驅(qū)發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電站，其中轉(zhuǎn)子渦輪支
撐在定子上；以及一種裝配該發(fā)電機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機的方法。
本發(fā)明涉及一種大直徑環(huán)形轉(zhuǎn)子輪轂，該轉(zhuǎn)子輪轂具有閉合的抗 扭矩外形，其上布置有轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子輪轂同時設(shè)有承受軸向力的磁 穩(wěn)定軸承。本發(fā)明既可用于產(chǎn)生能量，也可用作由空氣或水組成的環(huán) 境中的推進(jìn)系統(tǒng)。
用于產(chǎn)生能量(優(yōu)選以電能形式)的風(fēng)車或風(fēng)力渦輪機不斷地朝 著大型化的方向發(fā)展?，F(xiàn)已設(shè)計和建造了輸出功率約為5MW、轉(zhuǎn)子直 徑大于115-125m的風(fēng)車。設(shè)計等于和大于5MW的風(fēng)車主要以安裝在近 海為目的，因為這種大型風(fēng)車在陸地上難以運輸。這些水平軸風(fēng)車的 原理實際上與其小型的同類風(fēng)車的原理相同。它們以轉(zhuǎn)子為基礎(chǔ)，所 述轉(zhuǎn)子通常由三個安裝于帶軸的中心輪轂上的葉片組成，該軸由重栽 球軸承支撐。輪轂必須具有承受巨大的彎曲力矩的尺寸，該彎曲力矩 是由于沿風(fēng)的方向作用在每個單獨的葉片上的風(fēng)力和在基本垂直于風(fēng) 的平面內(nèi)的每個葉片的自重，該彎曲力矩具有不斷變化的方向，該方 向取決于葉片是在其旋轉(zhuǎn)路徑的上升階段還是下降階段。如果在某一 給定時刻每個葉片具有來自風(fēng)的不同載荷，那么將會產(chǎn)生一個試圖繞 著一條與軸的縱軸線垂直的軸線使輪轂旋轉(zhuǎn)的力矩。該力矩在極端情 況下可能特別大，并且軸的尺寸也必須能承受這樣的力矩。該中心輪 轂和軸還將轉(zhuǎn)子的扭矩直接或通過齒輪傳遞到發(fā)電機。
近海風(fēng)車的維護(hù)成本最初大于陸地風(fēng)車。在4艮多情況下，由于故 障引起的能量生產(chǎn)中斷在近海也會引起更嚴(yán)重的后果，因為天氣狀況 經(jīng)常不允許登上風(fēng)車進(jìn)行必要的修理。在遠(yuǎn)離陸地的海上，風(fēng)況通常 也比陸地上強得多。如果期望通過提高使葉片轉(zhuǎn)動的額定(nominal) 風(fēng)速來獲得盡可能多的能量，那么與風(fēng)況較平靜的位置相比，該風(fēng)力 發(fā)電站會受到增大的疲勞載荷。
大型風(fēng)車或風(fēng)力渦輪機具有這樣的優(yōu)點預(yù)計可降低每kWh產(chǎn)能
單位的維護(hù)和諸如控制系統(tǒng)等的"一次性成本"。缺點是在這種大型
電廠的情況下每生產(chǎn)1Wh電力的重量和材料消耗增加。許多人估計以 現(xiàn)今的技術(shù)水平，陸地風(fēng)車的最經(jīng)濟(jì)規(guī)模約為1-3MW。
每產(chǎn)能單位的重量和材料消耗隨著風(fēng)車尺寸增加而增加的原因 是重量約以縱向尺寸的三次方增加(體積增加)，而轉(zhuǎn)子的掃描面 積(定義為當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)時包圍其的圓的面積)以及因此能量生產(chǎn) 僅以縱向尺寸的平方增加。這暗示了在兩種情況下風(fēng)強相同的給定位 置的對比。即，如果期望增加風(fēng)車的尺寸同時使用與以前相同的技術(shù)， 那么每產(chǎn)能單位的重量會約隨著風(fēng)車的尺寸線性增加，并且因此在很 大程度上成本會約隨著風(fēng)車的尺寸線性增加。
另外，轉(zhuǎn)速(角速度)會隨著風(fēng)車轉(zhuǎn)子直徑的增加而減小。這是 因為最優(yōu)的葉尖速度是風(fēng)速的函數(shù)。對于三個葉片的風(fēng)車，葉尖速度 和風(fēng)速之間的最優(yōu)比(下文稱作尖端速度比)通常約為6,該最優(yōu)比 取決于葉片的長寬比。當(dāng)風(fēng)速相同時，對于轉(zhuǎn)子直徑較大的風(fēng)車，轉(zhuǎn) 子的角速度因此將減小。如果將損耗忽略不計，所產(chǎn)生的輸出功率是 轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子扭矩的乘積；P=MT*w,其中P為輸出功率，MT為扭 矩，co為角速度。
當(dāng)通過增加轉(zhuǎn)子直徑來增加功率時，則可以通過下面的因素估計 扭矩的增加，所述扭矩必須通過傳動齒輪從氣動轉(zhuǎn)子傳遞到發(fā)電機
P=CP* p v3*A==Cp* p *v3*D2*7t/4，
其中Cp是常數(shù)，p是液體或空氣的密度，v是風(fēng)速，A是轉(zhuǎn)子的掃 描面積，D是轉(zhuǎn)子直徑，
co=v*6/ (D*7t) *2*tt=12*v/D，
其中6是尖端速度比。
將P和(o代入>^式P=MT* (o得到
MT=CP* p *v3*D2*ti*D/ (4*12*v) =CP* p *v2*D3*7r/48
MT=k*D3
其中k對于給定的風(fēng)速和空氣密度是常數(shù)。
因此，像轉(zhuǎn)子的重量一樣，通過傳動齒輪從轉(zhuǎn)子傳遞到發(fā)電機的 轉(zhuǎn)矩會以轉(zhuǎn)子直徑的三次方增加，而輸出功率僅以轉(zhuǎn)子直徑的平方增 加。這也意味著在大型風(fēng)車的情況下傳動裝置(變速箱)受到不成比
例的大負(fù)荷，因此采用直接驅(qū)動方案將是一個優(yōu)點。
一個問題是，如 上所述，在大轉(zhuǎn)子直徑的情況下轉(zhuǎn)速低，并且用于具有大轉(zhuǎn)子直徑的 直驅(qū)風(fēng)車的實際發(fā)電機部件中所需的工作材料不成比例地大大增加。 另外，對于直驅(qū)風(fēng)車，利用當(dāng)前的技術(shù)難以控制定子和電轉(zhuǎn)子之間的 空氣間隙，該空氣間隙由于主軸的變形通常必須保持在正負(fù)幾毫米內(nèi)。
對于兆瓦級的風(fēng)車，每產(chǎn)生kWh的重量大約與轉(zhuǎn)子直徑成線性增加， 因此很大程度上成本大約與轉(zhuǎn)子直徑成線性增加，這不利于使用當(dāng)前 已知的技術(shù)建設(shè)更大的風(fēng)車。另外，定子和電轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙公 差對于更大的直驅(qū)發(fā)電機是個問題。葉片和塔結(jié)構(gòu)由于風(fēng)速變化而疲 勞也是一個問題，特別對于浮動裝置。
上面提到的情況代表了對于建造遠(yuǎn)大于3-5MW的近海風(fēng)車的最主 要的限制。
在本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)中，可以提到美國專利第6， 285， 090號，它
教導(dǎo)了一種直驅(qū)風(fēng)力渦輪(沒有傳動裝置)，其中輪轂的直徑相對較 大，但是該輪轂具有相當(dāng)大的重量以便能夠承受來自轉(zhuǎn)子葉片的負(fù)荷。 在固定軸和旋轉(zhuǎn)部件之間的球軸承也大，并且將承受相當(dāng)大的磨損并 需要潤滑和維護(hù)。
在美國專利第6,911， 741號中，描述了在定子和電轉(zhuǎn)子之間的空 氣間隙的小公差的問題。
W0 02/099950 Al教導(dǎo)了 一種具有直驅(qū)發(fā)電機的渦輪，其中定子 輪和轉(zhuǎn)子輪是根據(jù)與具有輻條的自行車車輪相同的原理制造的，該輻 條一端固定到外環(huán)或者輪緣上，另一端以偏心方式固定到輪轂上。這 樣，它既承受徑向力，也在一定程度上承受軸向力。
DE 36 38 129 Al教導(dǎo)了 一種具有環(huán)形發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電站，其 中發(fā)電機的轉(zhuǎn)子環(huán)固定到風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的尖部。風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電 機的轉(zhuǎn)子環(huán)支撐在磁軸承上。
DE 197 11 869 Al教導(dǎo)了 一種具有中空輪轂的風(fēng)力渦輪機。輪轂 被分成兩個L形部件，其中一個L形部件被安置在塔上并且其中渦輪 葉片被安置在另一個L形部件上。第二個L形部件通過軸承支撐在第 一個L形部件上。
在本申請中，術(shù)語"渦輪轉(zhuǎn)子"用作風(fēng)力或電力發(fā)電站上的、將 水或風(fēng)的能量轉(zhuǎn)化成機械能并進(jìn)而在發(fā)電機中將該機械能轉(zhuǎn)換成電能 的旋轉(zhuǎn)單元的集合術(shù)語。其中安裝有磁體的發(fā)電機轉(zhuǎn)子也稱為電轉(zhuǎn)子。 "渦輪轉(zhuǎn)子"也用來指推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)子。
發(fā)電機的"工作部件"是指風(fēng)力發(fā)電站中對能量轉(zhuǎn)換起作用的部件。
"無鐵芯原理"在本發(fā)明中是指不利用鐵磁材料來傳導(dǎo)磁場的發(fā) 電機結(jié)構(gòu)原理。
在本發(fā)明的開發(fā)中， 一個目的是為5-15MW等級的風(fēng)力發(fā)電站建造 一個具有成本效益的、集成的轉(zhuǎn)子和發(fā)電機，其中轉(zhuǎn)子直徑大大增加， 因此能量生產(chǎn)增加，并且每產(chǎn)生kWh能量的葉片和輪轂重量沒有增加， 并且轉(zhuǎn)矩沒有在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生更大的力。
另一個目的是本發(fā)明的部件應(yīng)當(dāng)適合用于水力發(fā)電、潮沙水能和/ 或船舶推進(jìn)系統(tǒng)(其中轉(zhuǎn)子用作推進(jìn)器)中。
使用獨立權(quán)利要求中公開的本發(fā)明實現(xiàn)了這些目的。在與每個獨 立的權(quán)利要求相關(guān)的從屬權(quán)利要求中公開了可替換的實施方案。
使用本發(fā)明，獲得了以下優(yōu)點
1) 轉(zhuǎn)子的掃描區(qū)域(并且因此能量生產(chǎn))大大增加，而轉(zhuǎn)子葉片 的長度和重量沒有增加；
2) 輪轂的直徑顯著增加，而它的重量減少了3) 由于大的輪轂直徑，在輪轂和軸上的扭應(yīng)力小(繞旋轉(zhuǎn)軸)；
4) 直驅(qū)使得能夠省略傳動單元(傳動裝置)同時增加定子和電轉(zhuǎn) 子(磁體)之間的圓周速度，并且因此在發(fā)電機中需要更少的工作材 料；
5) 在定子和電轉(zhuǎn)子之間更大的空氣間隙公差，使其不再是關(guān)鍵參
數(shù)；
6) 直接空氣冷卻，而不需要任何用于冷卻劑循環(huán)的泵系統(tǒng)；
7) 在運轉(zhuǎn)期間，主軸承或發(fā)電機里的運動部件之間沒有接觸，使 得磨損和維護(hù)大大減少；
8) 與現(xiàn)有技術(shù)中將5MW風(fēng)力渦輪放大到IOMW相比，轉(zhuǎn)子和發(fā)電 機的總重量減少50%以上。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于風(fēng)力發(fā)電站或水力發(fā)電站 的渦輪轉(zhuǎn)子，所述發(fā)電站具有將風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā) 電機，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個渦輪轉(zhuǎn)子和一個定子，該渦 輪轉(zhuǎn)子還包括一個旋轉(zhuǎn)軸與定子的中心軸重合的環(huán)形輪轂，并且其中 該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片安置在該環(huán)形輪轂 上。
有利的是，該環(huán)形輪轂包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子(電轉(zhuǎn)子)。
另外，有利的是，該發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝在該環(huán)形輪轂上。
該環(huán)形輪轂有利地被配置為一個具有閉合的圓形橫截面或近似圓
形橫截面的圓環(huán)(torus )，但也可以被配置為一個具有閉合的多邊形 橫截面的圓環(huán)。
有利的是，垂直于風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪穀截面是外周和 內(nèi)周為圓形的環(huán)形，但是該截面也可以是外周和內(nèi)周為多邊形的環(huán)形。
有利的是，從渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪轂 的外周的距離是從該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
在一個實施方案中，環(huán)形輪轂通過磁軸承支撐在定子上。這種磁 軸承可以是無源磁軸承或者電磁軸承，但也可以是常規(guī)軸承。
在一個優(yōu)選實施方案中，環(huán)形輪轂通過磁軸承沿軸向支撐在定子 上，以承受總的彎曲力矩(由對每個轉(zhuǎn)子葉片的不同風(fēng)壓引起)以及 軸向力，并且環(huán)形輪轂通過承受徑向力的常規(guī)軸承沿徑向受到支撐。
為了承受徑向力，風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子可包括至少兩個拉桿或者至少兩 個壓桿，該拉桿或者壓桿在其第一端固定到與定子的中心軸同軸的軸 承上，并且在其第二端固定到環(huán)形輪轂上。這些拉桿或壓桿優(yōu)選位于 同一平面中。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，從環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到f茲軸承 的力傳遞面的面積中心(area center)的最短距離小于從環(huán)形輪轂的 旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)形輪轂橫截面的轉(zhuǎn)矩中性軸的距離。磁軸承的這種定位意 味著磁軸承的轉(zhuǎn)子部件在軸向方向的位移因為作用在轉(zhuǎn)子上的風(fēng)力引 起的環(huán)形輪轂的彎曲和扭轉(zhuǎn)而相互抵消。輪轂繞每個葉片的局部彎曲 向風(fēng)的方向局部拉軸承，而輪轂橫截面的扭轉(zhuǎn)彎曲使得逆風(fēng)向移動軸 承。當(dāng)定位理想(圖8中的角a)時，連接到輪轂的磁軸承的軸向位
移可以完全或部分相互抵消。這是一個優(yōu)點，使得將磁軸承面盡可能 保持水平(平面)，從而確保它們不會由于輪轂的變形而局部地發(fā)生 相互接觸。
在一個實施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的 平面外的抗彎剛度大于定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。在一個優(yōu) 選實施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面外的 抗彎剛度至少是定子彎曲到相同平面外的彎曲硬度的兩倍。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于將流動的風(fēng)或水中的能量 轉(zhuǎn)換成電能的風(fēng)力或水力發(fā)電站，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個
根據(jù)權(quán)利要求1-20的渦輪轉(zhuǎn)子。在該定義中的水力發(fā)電站也可以是潮 汐水力發(fā)電站或江河發(fā)電站。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于推進(jìn)裝置的渦輪轉(zhuǎn)子，該 推進(jìn)裝置具有將電能轉(zhuǎn)換成動能的直驅(qū)電動機，該推進(jìn)裝置包括一個 渦輪轉(zhuǎn)子和一個定子，其中該渦輪轉(zhuǎn)子包括一個具有與該定子的中心 軸重合的旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪轂(6 )，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個 轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片被安置在具有閉合的中空外形的該環(huán)形輪轂 上。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種具有推進(jìn)裝置的船舶，其中該 推進(jìn)裝置包括一個根據(jù)權(quán)利要求22-41的渦輪轉(zhuǎn)子。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種具有一個將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的 直驅(qū)發(fā)電機的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其中該風(fēng)力發(fā)電站包括一個定子 和一個渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一個發(fā)電機，其中該發(fā)電機或者 該定子或者該發(fā)電機和該定子兩者設(shè)有能量產(chǎn)生單元，其中該渦輪轉(zhuǎn) 子通過一個磁軸承支撐在該定子上并且該能量產(chǎn)生單元中的繞組是利
用無鐵芯構(gòu)造的。
有利的是，該渦輪轉(zhuǎn)子包括一個環(huán)形輪轂，所述環(huán)形輪轂通過一 個磁軸承支撐在該定子上。
有利的是，該發(fā)電機的電轉(zhuǎn)子安裝在該環(huán)形輪轂上。
該環(huán)形輪轂有利地被構(gòu)造為一個具有圓形橫截面的圓環(huán)，但也可 以被構(gòu)造為一個具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
該環(huán)形輪轂垂直于風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的橫截面有利地是外周和
內(nèi)周為圓形的環(huán)形，但是該截面也可以是外周和內(nèi)周為多邊形的環(huán)形。 有利的是，從渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)形輪轂外周的距離是從該旋轉(zhuǎn)
軸到葉尖的渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
在一個實施方案中，該環(huán)形輪轂通過一個磁軸承支撐在定子上。 這個磁軸承可以是無源磁軸承、電磁軸承或者常規(guī)軸承。
在一個優(yōu)選實施方案中，環(huán)形輪轂通過一個磁軸承沿軸向支撐在 定子上，以承受彎曲力矩以及軸向力，并且環(huán)形輪轂通過一個承受徑 向力的常規(guī)軸承受到徑向支撐。
為了承受徑向力，風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子可以包括至少兩個拉桿或者至少 兩個壓桿，該拉桿或壓桿在它們的第一端固定到與定子的中心線同軸 的軸承上，并且在它們的第二端固定到環(huán)形輪轂上。這些拉桿或壓桿 優(yōu)選位于同一平面中，以便軸向力或彎曲力矩不被傳遞到徑向軸承以 及它的軸上。
在本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案中，從環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到磁軸承的 力傳遞面的面積中心的最短距離小于從環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)形輪穀 橫截面的中性軸的距離。磁軸承的這種定位意味著，磁軸承的轉(zhuǎn)子部 分在軸向上的位移因為作用在轉(zhuǎn)子上的風(fēng)力引起的環(huán)形輪轂的彎曲和 扭轉(zhuǎn)而相互抵消。然后輪轂繞每個葉片的局部彎曲在風(fēng)的方向上局部 拉軸承，而輪轂橫截面的扭轉(zhuǎn)彎曲使得軸承發(fā)生逆風(fēng)向位移。當(dāng)定位 理想(圖8中的角a)時，與輪轂連接的磁軸承的軸向位移會完全或 部分相互抵消。這是一個優(yōu)點，使得盡可能將磁軸承面保持水平(平 面)，從而確保它們不會由于輪轂的變形而局部地發(fā)生接觸，。
在一個實施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的 平面外的抗彎剛度大于定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。在一個優(yōu) 選實施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面外的 抗彎剛度至少是定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度的兩倍。這意味著 磁軸承具有局部柔韌性，并且如果磁軸承某一區(qū)域內(nèi)的磁體趨于彼此 接觸，定子可以局部變形。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定 子裝配在風(fēng)力或水力發(fā)電站上的直驅(qū)發(fā)電機中的方法，其中該風(fēng)力或 水力發(fā)電站還包括一個渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一個環(huán)形輪轂，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子通過磁軸承支撐在該定子上，所述磁軸承安置在 該定子和發(fā)電機上，所述發(fā)電機能夠安裝到渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂上，
其中在裝配過程中執(zhí)行下列步驟
在工廠中，在受控條件下，分多個部件生產(chǎn)電轉(zhuǎn)子和具有定子 繞組的定子；
在工廠中，在受控條件下，將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定子的 對應(yīng)部件安裝在一起；
將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定子的經(jīng)過裝配的部件在風(fēng)力發(fā)電 站上安裝成一個單元。
當(dāng)在工廠中已將發(fā)電機單元和定子繞組的經(jīng)過裝配的部件中的對 應(yīng)部件安裝在一起時，在把它們運輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電站所在地之后將它們 安裝成一個單元。
該經(jīng)過裝配的部件緊靠風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂和定子的定子環(huán) 進(jìn)行安裝。
在安裝過程中，每次將一個部件安裝到定子環(huán)上，然后安裝到環(huán) 形輪轂上，或者以相反的順序安裝。
安裝時，優(yōu)選將在平面中調(diào)整每一個部件，以便各部件最終安裝 成的單元位于一個理想的或者近乎理想的平面中。以這樣的方式，能 夠補償環(huán)形輪轂和定子環(huán)的不規(guī)則性，該環(huán)形輪轂和定子環(huán)經(jīng)常不是 完全成一平面的，因而可能會對磁軸承和發(fā)電機引起問題。
當(dāng)本發(fā)明投入到與風(fēng)力發(fā)電站相關(guān)的用途中時，它將裝備有大的 環(huán)形輪轂，其中形成輪轂的環(huán)具有約為轉(zhuǎn)子直徑10-20%的直徑。該環(huán) 的橫截面的直徑大約與葉片連接到輪轂處的葉片直徑相當(dāng)。 一個或多 個轉(zhuǎn)子葉片靠著環(huán)形輪轂布置。由于轉(zhuǎn)子葉片終止處遠(yuǎn)離渦輪轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)軸，所以在葉片根部的彎曲力矩比具有相應(yīng)轉(zhuǎn)子面積的常規(guī)輪轂 的風(fēng)車小得多。輪轂由環(huán)形輪轂組成，該環(huán)形輪轂用來同時承受大的 扭轉(zhuǎn)力矩以及彎曲力矩。這就是說，葉片的自重轉(zhuǎn)化作環(huán)形輪轂的彎 曲力矩，同時由于風(fēng)力而導(dǎo)致在葉片根部出現(xiàn)的彎曲力矩轉(zhuǎn)化作環(huán)形 輪轂中的扭轉(zhuǎn)力矩。產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)子力矩MT直接被吸收到定子，而不 經(jīng)由中心軸傳遞。本專利申請中的軸因而與發(fā)電機的定子相同，并且 由具有大的圓周直徑(與輪轂的圓周直徑匹配)的短圓環(huán)組成，該短
圓環(huán)被安置為直接靠著電動機外殼或者風(fēng)力發(fā)電站的支撐結(jié)構(gòu)。這意
味著，通常在軸中由于轉(zhuǎn)子的扭矩而引起的大扭矩應(yīng)力MT顯著減小，
并且實際上被當(dāng)作問題消除了 。
與發(fā)電機的軸承相同的風(fēng)力發(fā)電站的主軸承，在本發(fā)明中優(yōu)選由 位于輪轂圓周上的穩(wěn)定的磁軸承組成。
該軸承還可以由輪轂圓周上的軸向磁軸承與徑向機械軸承相結(jié)合 而組成。在這種情況下，磁軸承將安裝在環(huán)形輪轂和定子環(huán)之間來承 受軸向力，而通過在環(huán)形輪轂和機械軸承之間布置輪輻系統(tǒng)來承受徑 向力，該機械軸承被布置為靠著風(fēng)車在旋轉(zhuǎn)軸的中心的固定結(jié)構(gòu)。
可選地，通過使用Halbach陣列，可以使用純磁軸承來承受軸向 力和徑向力兩者。才艮據(jù)Earnshaw定理，僅僅通過使用永磁體(如果不 使用超低溫下的超導(dǎo))不可能獲得磁穩(wěn)定的軸承。這在美國專利第 6, 111, 332號和第5， 495，221號中進(jìn)行了更詳細(xì)的說明。為了規(guī)避有 關(guān)磁不穩(wěn)定性的Earnshaw定理，可以采用所謂的Halbach陣列j吏用上 述兩項專利中所說明的無源磁軸承來支撐輪轂，或者可選地用具有有 源伺服控制的有源電磁軸承來獲得磁穩(wěn)定性和阻尼。也可以使用利用 永磁體和具有有源伺服控制的有源電磁軸承的混合方案來支撐輪轂。
或者，輪轂可以裝備有永磁體按Halbach陣列布置的穩(wěn)定無源磁 軸承，或者可選地具有一個與Halbach陣列類似的結(jié)構(gòu)，該類似結(jié)構(gòu) 既具有輪轂軸承的功能，同時又包含發(fā)電機的工作部件，即直驅(qū)發(fā)電 機中的》茲體和電導(dǎo)體。
在上述兩種情況下，為了避免在發(fā)電機中出現(xiàn)大的磁吸力，定子 中的電繞組優(yōu)選為無鐵芯的(沒有鐵磁芯)。發(fā)電機定子既包含用于發(fā) 電的電繞組，又可選地包含(當(dāng)完全使用具有Halbach陣列的磁支撐 時)作為磁軸承一部分的電繞組。
可選地，同一繞組可以既具有發(fā)電功能，同時又完全或部分形成 磁穩(wěn)定軸承中所需要的電繞組。
如上所述，定子中的電繞組優(yōu)選為無鐵芯的，但可以在定子中需 要這種額外磁吸力的區(qū)域中包含鐵芯。對于上述的一個可選方案，無 源穩(wěn)定軸承由強大的永磁體組成，這些永磁體在輪轂上布置成一個特 殊體系(Halbach陣列或相似的體系)或者直接布置在電轉(zhuǎn)子和安置
于定子上的電導(dǎo)體上。當(dāng)磁體運動時，在電導(dǎo)體中生成電流，該電流
排斥電轉(zhuǎn)子中的磁體。磁體在電轉(zhuǎn)子中布置成2或3行，使得系統(tǒng)對 于軸向和徑向外力均是穩(wěn)定的。還提供一種機械支撐件，它支撐轉(zhuǎn)子 直到轉(zhuǎn)子達(dá)到足以使磁軸承起作用的速度。在使用電磁軸承并且電力 供應(yīng)中斷或者伺服控制系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，這也是必要的。為了 提高所述磁軸承的阻尼性能，可以將橡膠或其他具有良好阻尼性能的 阻尼材料與固定到該結(jié)構(gòu)上的磁體結(jié)合使用。
磁體離電導(dǎo)體越近，排斥力越大。通過以Halbach陣列將磁體布 置在電轉(zhuǎn)子中，可以規(guī)避磁不穩(wěn)定性的Earnshaw定理并且依然獲得徑 向和軸向均為磁穩(wěn)定的軸承。與在定子繞組中使用鐵芯的已知風(fēng)車技 術(shù)相比，基于無鐵芯Halbach陣列的發(fā)電機的空氣間隙可以從幾毫米 增加到大于20亳米。因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠同時既易于建造風(fēng)力發(fā) 電站中發(fā)電機的支撐結(jié)構(gòu)部件又放松它們的彎曲公差，這在現(xiàn)有技術(shù) 中是一個問題，特別是對大直徑風(fēng)力發(fā)電機。
目前可通過商業(yè)渠道獲得強力永磁體，例如每m"舌性面具有高達(dá) 50噸磁力的釹磁體。這種磁體足以承受在所述的用于風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn) 子軸承中所有相關(guān)的各種大小的(dimensioning)力。有利的是，本 專利的輪轂是大直徑的，使得力矩的力臂很大，以承受轉(zhuǎn)子上的不同 載荷，例如不同葉片上不同的風(fēng)力分布。
具有電轉(zhuǎn)子和磁軸承的輪轂以及定子還可以裝備有冷卻肋板，該 冷卻肋板用于空氣流直接空冷，所述氣流穿過從風(fēng)的方向看為開放式 的輪轂的中部。定子繞組優(yōu)選嵌于一個沒有鐵芯的組合定子部件 (composite stator part)中?？梢杂忻琂i也將其打孑U以^f更7Jc、 S由、 空氣或者其它合適的冷卻劑可以繞著定子繞組循環(huán)?？蛇x地，空氣通 過這種冷卻孔的自然循環(huán)足以冷卻定子，并且/或者如果它們布置在電 轉(zhuǎn)子上，也足以冷卻轉(zhuǎn)子中的磁體。
可以按與上面所述的布置相反的方式來布置帶有磁軸承的發(fā)電 機。磁體于是會在定子中，而電繞組在轉(zhuǎn)子中。在這種情況下，電力 必須通過集電環(huán)送回到風(fēng)力發(fā)電站的其他部分。
提供一種與圓形輪轂的中心同軸的滑環(huán)軸承(未示出)，其向轉(zhuǎn)子
傳遞節(jié)距控制電動機、電燈等所需的電力。另外，為了與雷擊相關(guān)的 放電電流，在轉(zhuǎn)子和吊艙/塔之間提供電接觸。這種接觸可以是滑動接 觸，或者是也與圓形輪轂的中心同軸的、帶有一個縫隙的開口接觸， 通過該縫隙雷擊將能夠形成一光弧(未示出)。
下面是在附圖中說明的本發(fā)明優(yōu)選實施方案的非限制實例的說
明，其中


圖1示出一個具有由轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組成的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的風(fēng)力 發(fā)電站。該風(fēng)力發(fā)電站安裝在塔7上。該塔可以有一個固定地基或者 近海浮動安裝。
圖2示出具有安裝在節(jié)距軸承上的葉片的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子。
圖3是風(fēng)力發(fā)電站的部件的側(cè)視圖。
圖4是風(fēng)力發(fā)電站的部件的透視圖。
圖5是從定子上拆下來的轉(zhuǎn)子的透視圖。
圖6顯示可選地分成不同區(qū)域的定子。
圖7a、 7b、 7c、 7d顯示組合的磁穩(wěn)定軸承和發(fā)電機的四個可選橫
截面(如圖6中示出的橫截面A-A)。
圖8顯示組合的軸向磁軸承和徑向機械軸承。
圖9是風(fēng)力發(fā)電站一部分的側(cè)視圖。
圖IO是生產(chǎn)過程中如何對組裝進(jìn)行分段的略圖。
圖11顯示該風(fēng)力發(fā)電站用作船在空中或水中的推進(jìn)系統(tǒng)的一種布置。
圖12顯示輪轂圍繞部分或整個船體的一種推進(jìn)系統(tǒng)。
圖1顯示一個具有10-12MW輸出功率的風(fēng)力發(fā)電站1，該風(fēng)力發(fā) 電站裝備有一個大的、形成環(huán)形輪轂6的環(huán)形輪轂，其中環(huán)形輪轂可 以具有約20米的直徑。環(huán)形輪轂6的橫截面可以具有約2米的直徑。 如圖2所示，轉(zhuǎn)子葉片3、 4、 5每個可以有60米長并且設(shè)置在節(jié)距軸 承8、 9、 IO上，該節(jié)距軸承被設(shè)置為能夠在節(jié)距控制系統(tǒng)(未示出) 的推動下繞葉片的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片。節(jié)距軸承安置在環(huán)形輪轂6中，每 個軸承之間間隔120度角。環(huán)形輪轂6具有一個閉合的中空外形，它 由中空的圓形管組成，其中該圓具有約為轉(zhuǎn)子直徑的15%的直徑并且
該管具有約為葉片3、 4、 5在它們連接到節(jié)距軸承處的橫截面70%的 橫截面。在輪轂的內(nèi)部，安置電轉(zhuǎn)子11，其支撐在定子部件12上。 不易彎曲(bending stiff)的梁13支撐定子12，該梁通過圓柱管14 將力傳導(dǎo)到支撐結(jié)構(gòu)的其他部分。轉(zhuǎn)子和定子裝備有自然通風(fēng)冷卻肋 板16。
環(huán)形輪轂6的承載橫截面具有一個閉合的、直徑約為2米圓形中 空外形，它適于同時承受由于轉(zhuǎn)子葉片的重量和作用在其上的風(fēng)載產(chǎn) 生的大的扭轉(zhuǎn)力矩和彎曲力矩。不易彎曲的梁13支撐定子12,該梁 通過圓柱管14將力傳導(dǎo)到支撐結(jié)構(gòu)的其他部分。
每個節(jié)距軸承通過拉桿或壓桿15連接到環(huán)形輪轂6的相對側(cè)，所 有的拉桿或壓桿相互連接在中心錨環(huán)或錨板60中，該錨環(huán)或錨板徑向 機械支撐到圓柱管14上。該拉桿或壓桿15位于同一平面內(nèi)，使得該 拉桿或壓桿不傳遞軸向力(不像自行車車輪，輪輻安裝在中心輪轂的 兩個不同的軸向位置上，能承受軸向力)。作用在葉片3、 4、 5上的風(fēng) 壓引起的轉(zhuǎn)子軸向力通過環(huán)形輪轂6和定子12之間的軸向排列磁軸承 39直接傳遞到定子12,該磁軸承由方向相反的永磁體組成，使得在軸 承面中產(chǎn)生排斥力。有利地使該軸承具有雙重作用，即它承受兩個軸 向的力。為了實現(xiàn)這個目的，可以在軸承中使用四排磁體?；蛘?，可 以在軸承中使用電磁鐵。導(dǎo)致產(chǎn)生能量的渦輪轉(zhuǎn)子的扭矩MT直接承受 在定子12上，而不通過中心軸傳遞。因而，固定軸12與發(fā)電機定子 相同并且由一個具有大的圓周直徑(與環(huán)形輪轂6的圓周直徑匹配) 的短圓環(huán)組成，該固定軸12直接安置在電動機外殼14上或者通過梁 13安置在風(fēng)力發(fā)電站的支撐結(jié)構(gòu)7上。通過電力變壓器(整流器/變 換器，未示出)的控制系統(tǒng)，可選地和在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)提供空氣動力阻 尼的空氣動力制動器一起，通過發(fā)電機功率輸出的有源調(diào)制實現(xiàn)轉(zhuǎn)子 2和輪轂6在轉(zhuǎn)子平面(在此定義為與三個葉片的外尖端相交的平面) 內(nèi)的阻尼。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的已知發(fā)電機技術(shù)中的元件可以與本 發(fā)明一起使用，在此不進(jìn)行更詳細(xì)的描述。例如，這些元件可以是斜 式定子繞組或磁體，或者在磁體或定子繞組之間的不規(guī)則距離，以避 免鈍齒(cogging)等等，但不限于此。
主軸承39是穩(wěn)定的磁軸承，它如圖8所示由永磁體61組成，這
些永磁鐵相互指向，以便在它們之間產(chǎn)生排斥力。
雖然定子中的電繞組優(yōu)選并且通常是無鐵芯的，然而，作為選擇，
它們可以在區(qū)域21、 22中具有鐵芯。
如果在徑向和軸向均為純磁軸承(以Halbach陣列)，在電轉(zhuǎn)子 11和定子12之間也可以提供機械軸承(未示出)，該機械軸承在軸向 和徑向支撐電轉(zhuǎn)子直到它達(dá)到足以使無源磁軸承起作用的速度。
為了在磁穩(wěn)定軸承內(nèi)提供徑向和軸向阻尼，永磁鐵23和61固定 到橡膠底座上。
圖8顯示組合的磁穩(wěn)定軸承和由發(fā)電機62組成的發(fā)電機的一個優(yōu) 選的橫截面(如圖6所示的橫截面A-A)，該發(fā)電機62由具有無鐵芯 電繞組24的定子環(huán)(安裝在輪緣上)12和轉(zhuǎn)子上的永磁體23構(gòu)成。 具有永磁體23的電轉(zhuǎn)子11是環(huán)形輪轂6的一部分并且直接固定到環(huán) 形輪轂6上。
圖7a、 7b、 7c和7d顯示組合的磁穩(wěn)定軸承和發(fā)電機的可選橫截 面(如圖6所示的橫截面A-A)。
圖8和9是具有環(huán)形輪轂6、并且發(fā)電機11安置在環(huán)形輪轂6上 的風(fēng)力發(fā)電站的側(cè)視圖。電轉(zhuǎn)子11固定到環(huán)形輪轂6上。電轉(zhuǎn)子構(gòu)造 有環(huán)形凹槽，定子12位于該凹槽中。該凹槽可以具有朝上(圖8)或 朝下(圖9)的U型。為了增加可用的磁區(qū)域，也可以以幾個軸向連 續(xù)盤的形式制造發(fā)電機和磁軸承，該盤由軸向上的多個凹槽構(gòu)成并且 具有多個相關(guān)的定子環(huán)。電轉(zhuǎn)子11和定子12設(shè)有磁體，這些磁體一 起形成承受由風(fēng)栽導(dǎo)致的軸向力和彎曲力矩的磁軸承。發(fā)電機11和定 子12也包括電流產(chǎn)生元件，即磁體和定子繞組。也可想到將繞組布置 在電轉(zhuǎn)子上并將磁體布置在定子上。電轉(zhuǎn)子11中的環(huán)形凹槽和定子 12可以具有不同的設(shè)計，例如如圖7a-d和圖8所示。
為承受徑向力，特別是渦輪轉(zhuǎn)子的重量，提供拉桿或壓桿15，該 拉桿或壓桿15 —端固定到環(huán)形輪轂6上，另 一端固定到中心錨環(huán)或錨 板55上，其中該錨環(huán)或錨板55徑向機械支撐在圓柱管14上。
在環(huán)形輪轂上，渦輪轉(zhuǎn)子葉片3、 4、 5也安裝在它們各自的節(jié)距 軸承上。
圖10純粹示意性地顯示了電轉(zhuǎn)子11和定子12在它們安裝成一個
單元之前如何組裝成經(jīng)過組裝的部件，該經(jīng)過組裝的部件首先安裝到
環(huán)形輪轂6上然后安裝到定子梁13上，或者首先安裝在定子梁13上 然后安裝到環(huán)形輪轂6上。在圖中，顯示了電轉(zhuǎn)子11和定子12已組 裝成一個單元。在生產(chǎn)過程中，電轉(zhuǎn)子ll和定子12被分成多個部件。 在圖中，通過線71、 72、 73、 74、 75、 76、 77、 78表示電轉(zhuǎn)子11和 定子12被分成8個部件。由于在定子部件91、 92、 93、 94、 95、 96、 97、 98中的軸承磁體和轉(zhuǎn)子部件81、 82、 83、 84、 85、 86、 87、 88 中的對應(yīng)軸承磁體之間將產(chǎn)生強大的磁力，所以分段是一個能夠更容 易地支配這些力的很好的方案。當(dāng)各部件已被組裝并通過臨時的運輸 固定方式保持在一起時，將它們分開運輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電站的安裝地點并 且在那里將它們組裝到輪轂6上成為一個單元。
電轉(zhuǎn)子11和定子12的分段也使得當(dāng)它們安裝到環(huán)形輪轂6和定 子梁13上時更容易確保電轉(zhuǎn)子和定子形成一個平面單元。隨著各部件 被安裝，例如首先安裝到環(huán)形輪轂6上，將通過使用墊片來調(diào)整新的 部件，使得它與已安裝的部件在同一平面。當(dāng)環(huán)形輪轂6和各部件已 被安裝到一個理想的或接近理想的平面內(nèi)時，環(huán)形輪轂和現(xiàn)在已形成 一個單元的部件被安裝到定子梁13上。然后還必須保證，通過使用墊 片消除不規(guī)則而將各部件裝配成的單元在安裝到定子梁13期間保持 在一個理想或接近理想的平面中。因此大尺寸的輪轂和定子梁的建造 公差不嚴(yán)格。在運行期間，渦輪轉(zhuǎn)子繞定子旋轉(zhuǎn)時定子和電轉(zhuǎn)子發(fā)生 物理接觸的危險將因此大大減小。
本發(fā)明也可用作飛行器和水中所有類型的船舶的推進(jìn)系統(tǒng)。將本 發(fā)明的該實例中具有環(huán)形輪轂6、節(jié)距軸承8、 9、 10以及磁軸承39 的渦輪轉(zhuǎn)子2用作推進(jìn)器。根據(jù)用于此目的的現(xiàn)有技術(shù)，調(diào)節(jié)推進(jìn)器 的大小、強度以及扭轉(zhuǎn)/坡度等。于是發(fā)電機如同電動機一樣運轉(zhuǎn)。推 進(jìn)系統(tǒng)安置在通過推進(jìn)系統(tǒng)移動的船37上，其中圖14和15顯示了兩 個實例。在船37上或船體上，在本發(fā)明的一個變體中，流線型的連接 可以安裝到要移動的對象/船體的可能的其他部件上。在本發(fā)明的另一 個變體中，推進(jìn)系統(tǒng)40安置有一個方向舵(未示出)。在本發(fā)明的又 一個變體中，安置推進(jìn)系統(tǒng)40,使得推進(jìn)系統(tǒng)本身可以可旋轉(zhuǎn)地連接 到船上而繞垂直軸旋轉(zhuǎn)來作為方位推進(jìn)器。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于安裝
推進(jìn)器的許多其他構(gòu)造也是可以的。推進(jìn)器可以比在此示出的優(yōu)選實
施方案具有更少或更多的葉片。船37還可以設(shè)有多個推進(jìn)器。
權(quán)利要求
1.一種渦輪轉(zhuǎn)子，其用于具有將流動的風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電站或水力發(fā)電站，該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個渦輪轉(zhuǎn)子和一個定子，其特征在于，該渦輪轉(zhuǎn)子還包括一個環(huán)形輪轂(6)，該環(huán)形輪轂被構(gòu)造為具有與該定子的中心軸重合的旋轉(zhuǎn)軸的閉合中空外形，并且該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片，所述的轉(zhuǎn)子葉片安置在該環(huán)形輪轂上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該發(fā)電機轉(zhuǎn)子被安 裝到該環(huán)形輪轂上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪穀 被構(gòu)造為一個具有圓形橫截面的圓環(huán)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于該風(fēng) 力渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形的外 周和內(nèi)周是圓形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂 被構(gòu)造為一個具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-3和6之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于 該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形的外 周和內(nèi)周是多邊形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-7之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該渦輪轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞該渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的該環(huán)形輪轂外周線的距離是從 該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的該渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂 通過磁軸承支撐在該定子上，該磁軸承由永磁體、電磁體或者兩者的 組合組成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是 無源磁軸承。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是磁體 布置成Halbach陣列的無源;磁軸承。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9或11的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，用短路的電 導(dǎo)體代替該定子中的磁體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是電磁 軸承。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，安裝無導(dǎo)磁鐵芯 的電流產(chǎn)生繞組(24)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該發(fā)電機磁體由 布置成Halbach陣列的永磁體組成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂通過常規(guī)軸承支撐在該定子上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂通過磁軸承軸向支撐在該定子上并且該環(huán)形輪轂通過常規(guī)軸承徑向 支撐。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1-12之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力渦 輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個拉桿，所述拉桿在其笫 一端固定到與該定子的中 心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
19，根據(jù)權(quán)利要求18的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，這些拉桿位于同 一平面中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求l-19之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，在中心軸 承(60)上承受來自該渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力的小于10%。
21. 根據(jù)權(quán)利要求l-12之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力渦 輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個壓桿，所述壓桿在其第一端固定到與該定子的中 心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該壓桿位于同一 平面中。
23. 根據(jù)權(quán)利要求l-22之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該環(huán)形 輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該磁軸承的力傳遞面的面積中心的最短距離小于從該 環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該環(huán)形輪轂的橫截面的中性軸的距離。
24. 根據(jù)權(quán)利要求l-23之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂(6 )彎曲到垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外的抗彎剛度大于該定 子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l-23之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂(6)彎曲到垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外的抗彎剛度是該定子 彎曲到相同平面外的抗彎剛度的至少兩倍。
26. —種用于將流動的風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的風(fēng)力或水力 發(fā)電站，其特征在于，該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個根據(jù)權(quán)利要求l-25 之一的渦輪轉(zhuǎn)子。
27. —種用于具有將電能轉(zhuǎn)換成動能的直驅(qū)電動機的推進(jìn)裝置的 渦輪轉(zhuǎn)子，該推進(jìn)裝置包括一個渦輪轉(zhuǎn)子和一個定子，其特征在于， 該渦輪轉(zhuǎn)子包括一個具有與該定子的中心軸線重合的旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪 轂(6)，并且該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片被安 置在該環(huán)形輪轂上。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂通過 磁軸承支撐在該定子上。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27-28之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該發(fā)電 機轉(zhuǎn)子被安裝到該環(huán)形輪轂上。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27-29之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂被構(gòu)造為 一個具有圓形橫截面的圓環(huán)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27-30之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于該風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形 的外周和內(nèi)周是圓形。
32. 根據(jù)權(quán)利要求27-29之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂被構(gòu)造為一個具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27-29和32之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形 的外周和內(nèi)周是多邊形。
34. 根據(jù)權(quán)利要求27-33之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞該渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的該環(huán)形輪轂的外周線的距 離是從該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的該渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
35. 根據(jù)權(quán)利要求27-34之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂通過磁軸承支撐在該定子上。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是無源 磁軸承。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是電磁 軸承。
38. 根據(jù)權(quán)利要求35的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂通過 常規(guī)軸承支撐在該定子上。
39. 根據(jù)權(quán)利要求27-38之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂通過磁軸承軸向支撐在該定子上并且該環(huán)形輪轂通過常規(guī)軸承徑 向支撐。
40. 根據(jù)權(quán)利要求27-37之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力 渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個拉桿，所述拉桿在其第一端固定到與該定子的 中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，這些拉桿位于同 一平面中。
42. 根據(jù)權(quán)利要求27-37之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力 渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個壓桿，所述壓桿在其第 一端固定到與該定子的 中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，這些壓桿位于同 一平面中。
44. 根據(jù)權(quán)利要求27-43之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該環(huán) 形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該磁軸承的力傳遞面的面積中心的最短距離小于從 該環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該環(huán)形輪轂的橫截面的中性軸的距離。
45. 根據(jù)權(quán)利要求l的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂U) 彎曲到穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外的抗彎剛 度大于該定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。
46. 根據(jù)權(quán)利要求27-45之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂(6)彎曲到穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外 的抗彎剛度是該定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度的至少兩倍。
47. —種包括推進(jìn)裝置的船，其特征在于，該推進(jìn)裝置包括一個 根據(jù)權(quán)利要求27-46之一的渦輪轉(zhuǎn)子。
48. —種具有將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā)電機的風(fēng)力或者水力發(fā) 電站，其中該風(fēng)力發(fā)電站包括一個定子和一個渦輪轉(zhuǎn)子，所述的渦輪 轉(zhuǎn)子包括一個發(fā)電機，其中該發(fā)電機或者該定子或者該發(fā)電機和該定 子設(shè)有能量生產(chǎn)單元，其特征在于，該渦輪轉(zhuǎn)子通過一個磁軸承支撐 在該定子上并且該能量生產(chǎn)單元中的繞組被構(gòu)造為具有無鐵芯。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，該渦 輪轉(zhuǎn)子包括一個環(huán)形輪轂，所述環(huán)形輪轂通過一個磁軸承支撐在該定 子上。
50. 根據(jù)權(quán)利要求48-49之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該發(fā)電機轉(zhuǎn)子被安裝到該環(huán)形輪轂上。
51. 根據(jù)權(quán)利要求49-50之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂被構(gòu)造為一個具有圓形橫截面的圓環(huán)。
52. 根據(jù)權(quán)利要求49-51之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，垂直于該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中 該環(huán)形的外周和內(nèi)周是圓形。
53. 根據(jù)權(quán)利要求49-5Q和52之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特 征在于，該環(huán)形輪轂被構(gòu)造為一個具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
54. 根據(jù)權(quán)利要求49-51和53之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特 征在于，垂直于該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形， 其中該環(huán)形的外周和內(nèi)周是多邊形。
55. 根據(jù)權(quán)利要求49-54之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，從該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞該渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的該環(huán)形輪轂的 外周線的距離是從該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的該渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
56. 根據(jù)權(quán)利要求49-55之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂通過磁軸承支撐在該定子上。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，該磁 軸承是無源磁軸承。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，該磁 軸承是電磁軸承。
59. 根據(jù)權(quán)利要求49-55之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂通過常規(guī)軸承支撐在該定子上。
60. 根據(jù)權(quán)利要求49-55之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂通過磁軸承軸向支撐在該定子上并且該環(huán)形輪轂通過 常規(guī)軸承徑向支撐。
61. 根據(jù)權(quán)利要求48-57之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個拉桿，所述拉桿在其第一端固定到 與該定子的中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
62. 根據(jù)權(quán)利要求61的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，這些 拉桿位于同一平面內(nèi)。
63. 根據(jù)權(quán)利要求48-57之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個壓桿，所述壓桿在其第一端固定到 與該定子的中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
64. 根據(jù)權(quán)利要求63的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，這些 壓桿位于同一平面內(nèi)。
65. 根據(jù)權(quán)利要求49-64之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，從該環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該磁軸承的力傳遞面的面積中心的最短 距離小于從該環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該環(huán)形輪轂橫截面的中性軸的距 離。
66. 根據(jù)權(quán)利要求49-65之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂(6)彎曲到穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn) 軸的平面外的抗彎剛度大于該定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。
67. 根據(jù)權(quán)利要求49-66之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂(6 )彎曲穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸倍:
68. —種用于將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定子裝配在風(fēng)力或電力 發(fā)電站上的直驅(qū)發(fā)電機中的方法，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站還包括一 個渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一個環(huán)形輪轂，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子 通過磁軸承支撐在該定子上，所述磁軸承安置在該定子和發(fā)電機上， 所述發(fā)電機能夠安裝到該渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂上，其特征在于，在裝 配過程中執(zhí)行下列步驟一在工廠中在，受控條件下，分多個部件生產(chǎn)該電轉(zhuǎn)子和具有定 子繞組的該定子；一在工廠中，在受控條件下，將該電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的該定 子的對應(yīng)部件安裝在一起；一將該電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的該定子的經(jīng)過裝配的部件在風(fēng)力 發(fā)電站上安裝成一個單元。
69. 根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其特征在于，將相應(yīng)的轉(zhuǎn)子單元和 定子的經(jīng)過裝配的部件運輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電站所在地之后將它們安裝成一個單元。
70. 根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其特征在于，經(jīng)過裝配的部件緊靠 風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂和定子的定子環(huán)進(jìn)行安裝。
71. 根據(jù)權(quán)利要求68或70之一的方法，其特征在于，每次一個 地將所述部件安裝到定子環(huán)，直到所有部件已被安裝完并一起構(gòu)成一 個單元，然后安裝到環(huán)形輪轂，或者以相反的次序。
72. 根據(jù)權(quán)利要求68和70-71之一的方法，其特征在于，安裝后 將每個單獨部件調(diào)整為在其平面中，使得這些部件的最終單元位于一 個理想的或者近乎理想的平面內(nèi)。
全文摘要
一種渦輪轉(zhuǎn)子，其用于具有將流動的風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電站或水力發(fā)電站，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個渦輪轉(zhuǎn)子和一個定子，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子還包括一個具有與該定子的中心軸重合的旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪轂(6)，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片，所述的轉(zhuǎn)子葉片安置在該環(huán)形輪轂上。該渦輪轉(zhuǎn)子也可用作船舶的推進(jìn)器。
文檔編號B63H13/00GK101360914SQ200680046703
公開日2009年2月4日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
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