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      風能發(fā)電設備的制作方法

      文檔序號:5240073閱讀:139來源:國知局
      風能發(fā)電設備的制作方法
      【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風能發(fā)電設備,其具有機架(20)并且在機架(20)相互對置的側面上具有風輪和發(fā)電機(10),其中,所述風輪與發(fā)電機(10)通過風輪軸(60)和發(fā)電機軸(70)以及布置于其間的聯(lián)軸器(50)無傳動裝置地相互耦連,并且其中,發(fā)電機(10)設計為外轉子發(fā)電機。
      【專利說明】風能發(fā)電設備[0001 ] 本發(fā)明涉及一種風能發(fā)電設備。
      [0002]在專利文獻EP1327073B1中描述了一種風能發(fā)電設備,其在機架中具有雙重支承的風輪軸和發(fā)電機軸,所述發(fā)電機軸與風輪軸設計為一體或者與其剛性連接,因此兩個軸在彎矩的作用下共同進行彎曲運動。發(fā)電機設計為內(nèi)轉子發(fā)電機,定子和轉子這樣支承在可旋轉的定子軸和發(fā)電機軸上,使得發(fā)電機能夠隨著驅動軸的彎曲運動而運動。不可旋轉的聯(lián)軸器固定發(fā)電機的定子以防止機架處的旋轉運動并且允許發(fā)電機能夠隨著驅動軸相對于機架的彎曲運動而運動,由此應在發(fā)電機的定子和轉子之間實現(xiàn)恒定的空氣縫隙。發(fā)電機的這種設計和固定在結構上非常麻煩,由此可能使風能發(fā)電設備的重量相對于所產(chǎn)生的功率來說較大。
      [0003]本發(fā)明所要解決的至少一個技術問題在于,提供一種實現(xiàn)更簡單的結構的風能發(fā)電設備。
      [0004]該技術問題按本發(fā)明通過具有獨立權利要求所述特征的技術方案解決。技術方案的有利實施形式和擴展設計在從屬權利要求中示出并且也可以從以下的說明和附圖中得出。
      [0005]按照至少一種實施形式,風能發(fā)電設備具有機架。所述機架尤其能夠可旋轉地支承在塔筒上。
      [0006]按照另一種實施形式,風能發(fā)電設備具有風輪(亦可稱為“風力葉輪”或“風力轉子”)??蓢@風輪輪轂旋轉地支承在機架上的風輪用于將風的動能轉化為轉動能量并且至少通過風輪軸傳遞給發(fā)電機。此外,風能發(fā)電設備具有發(fā)電機,其可通過發(fā)電機軸接收轉動能量并且轉化為電能。
      [0007]按照另一種實施形式,風輪和發(fā)電機布置在機架相互對置的側面上,其優(yōu)點是機架、風輪和發(fā)電機的質(zhì)量相對于發(fā)電機布置在塔筒或機架與風輪之間的風能發(fā)電設備更好地分布。塔筒頂部質(zhì)量的更好分布使得材料應力減小并且減少了維護耗費,以及使風能發(fā)電設備的可使用性提高。此外,風能發(fā)電設備的模塊化提高并且因此減少了維護和/或修理耗費,因為例如可以在不拆卸風輪的情況下將發(fā)電機從所述設備上移除。
      [0008]按照另一種實施形式,風能發(fā)電設備具有聯(lián)軸器,其布置在風輪軸與發(fā)電機軸之間并且將風輪軸與發(fā)電機軸相互耦連,因此可將風輪軸的旋轉運動傳遞至發(fā)電機軸。特別優(yōu)選的是,風輪軸與發(fā)電機軸借助聯(lián)軸器無傳動裝置地相互耦連。換而言之,由此可以在沒有中間連接的傳動機構的情況下將風輪軸的旋轉運動直接傳遞至發(fā)電機軸。
      [0009]與具有中間連接的傳動機構的已知風能發(fā)電設備相比,由此有利地省去了用于傳動機構的維護和修理耗費以及在風能發(fā)電設備的整個運行時間中由于傳動機構磨損造成的傳動機構更換。
      [0010]按照另一種實施形式,發(fā)電機設計為外轉子發(fā)電機。發(fā)電機為此具有定子和在外部可旋轉地圍繞定子布置的轉子。與具有設計為內(nèi)轉子發(fā)電機的發(fā)電機的已知風能發(fā)電設備相比,可以有利地在質(zhì)量幾乎相同的情況下實現(xiàn)更高的發(fā)電機功率,由此能夠更經(jīng)濟地運行。[0011]按照另一種優(yōu)選的實施形式,所述聯(lián)軸器將風輪軸的旋轉運動傳遞給發(fā)電機軸,而所述發(fā)電機軸通過聯(lián)軸器至少部分與風輪軸的彎曲運動脫耦。這種彎曲運動可能通過例如由于在各片風輪葉片上出現(xiàn)不同的風力狀況而在風輪或者風輪輪轂上形成的力產(chǎn)生。為了持續(xù)地運行必須確保彎曲運動不會這樣延續(xù)至發(fā)電機,使得布置在定子或轉子上的發(fā)電機的集電弓和激勵器之間的距離或空氣縫隙改變。通過風輪軸與發(fā)電機軸至少部分的機械脫耦(其例如可通過聯(lián)軸器在一個或多個平行于風輪軸和發(fā)電機軸的軸線的平面內(nèi)的可移動性實現(xiàn)),可以有利地實現(xiàn)更少地或者甚至完全防止將風輪軸的彎曲運動傳遞至發(fā)電機軸。所述聯(lián)軸器例如可允許風輪軸的軸線相對于發(fā)電機軸的軸線傾翻和/或移動。
      [0012]特別優(yōu)選的是,聯(lián)軸器設計為,使得基本上,即在很大程度上,只將圍繞風輪軸軸線的旋轉運動傳遞至發(fā)電機軸,而風輪軸的彎曲運動不會或只以非常小的程度傳遞至發(fā)電機軸。
      [0013]按照另一種優(yōu)選的實施形式,所述發(fā)電機軸通過連接,優(yōu)選通過法蘭連接或者焊接固定在發(fā)電機背離風輪的背面上。
      [0014]此外,發(fā)電機軸可以通過與發(fā)電機背面的連接基本上由發(fā)電機承載。換而言之,發(fā)電機軸可以這樣支承在發(fā)電機背面上,從而不需要存在其它用于支承或者固定發(fā)電機軸的元件。尤其是聯(lián)軸器可以基本上不需要對發(fā)電機軸具有承載作用,并且基本上只防止由于其自重而是發(fā)電機軸彎曲。與之相比,已知的風能發(fā)電設備通常具有至少部分承載發(fā)電機并且發(fā)電機至少部分支撐在其上的發(fā)電機軸。在此,發(fā)電機軸例如必須穩(wěn)定地處于機架上并且支承用于較大的載荷。
      [0015]所述發(fā)電機軸尤其可以直接布置在所述聯(lián)軸器上和發(fā)電機背面上的所述連接上并且在其間無接觸地從聯(lián)軸器穿過發(fā)電機或者穿過發(fā)動機和機架的一部分延伸至發(fā)電機的背面。有利地,可以在發(fā)電機軸和發(fā)電機之間或者在發(fā)電機軸和機架之間設置縫隙,從而使發(fā)電機軸能夠無接觸地在所述縫隙內(nèi)部相對于機架運動。
      [0016]此外,發(fā)電機軸可以設計為空心軸。這尤其可以通過以下方式實現(xiàn),即發(fā)電機軸在風能發(fā)電設備中不具有承載功能,由此可以使發(fā)電機軸的尺寸設計在重量方面優(yōu)化。例如,發(fā)電機軸的外部尺寸(如長度和/或直徑)與壁厚的比例可以設計為,使得發(fā)電機軸在其自重以及維護人員的重量在作用下剛好不會彎曲。直徑與壁厚的比例尤其可以大于等于10:1,優(yōu)選大于等于20:1,并且特別優(yōu)選大于等于100:1。如果發(fā)電機軸例如具有約為2m的直徑,則壁厚可以小很多,并且特別優(yōu)選在大于等于2cm并且小于等于5cm的范圍內(nèi)。
      [0017]按照另一種實施形式,所述風能發(fā)電設備設計為無傳動機構的直接驅動的風能發(fā)電設備,其中,發(fā)電機相對于塔筒和/或機架布置在風輪輪轂或者風輪的對置側上,并且發(fā)電機設計為外轉子發(fā)電機。此外,可以在很大程度上避免將風輪軸的彎矩傳遞到發(fā)電機軸上。
      [0018]本發(fā)明的其它優(yōu)點和有利的實施形式以及擴展設計由以下結合圖1至圖3描述的實施形式得出。在附圖中:
      [0019]圖1至圖3示意性地示出按照多個實施例的風能發(fā)電設備的剖面圖。
      [0020]在實施例和附圖中,相同或者作用相同的組成部分可以分別配設有相同的附圖標記。所示元件和其尺寸關系原則上不應理解為是符合比例尺的,而是單獨的元件可以為了更好地可呈現(xiàn)性和/或更好地理解而夸大地加粗或者增大地顯示。[0021]只要不明確說明,以下的說明涉及所有圖1至圖3。
      [0022]在圖1至圖3中分別示出了一個風能發(fā)電設備的實施例,其設計為直接驅動的風能發(fā)電設備,其傳動鏈具有模塊化結構并且其中,發(fā)電機相對于塔筒布置在與風輪輪轂對置的一側上。
      [0023]風能發(fā)電設備具有至少一個發(fā)電機10和風輪的風輪輪轂30,所述風輪帶有至少一個或多個風輪葉片(未示出),所述風輪安裝在機架20上。
      [0024]風能發(fā)電設備還具有塔筒40,機架20可旋轉地布置在所述塔筒上。所述機架20相對于塔筒40借助方位角旋轉連接80可旋轉地支承在方位角軸承81內(nèi),因此風輪輪轂30以固定于其上的風輪葉片在使用至少一個方位角驅動器82的情況下能夠以其水平定向隨著風向變化,所述方位角驅動器82嚙合在方位角軸承81上的齒部內(nèi)。機架20可選地螺栓連接在方位角軸承81的外圈或者內(nèi)圈上。
      [0025]風輪輪轂30固定在成型為空心軸的風輪軸60上并且相對于機架20可旋轉地支承在至少一個軸承21、22、23內(nèi)。
      [0026]此外,風能發(fā)電設備具有成型為空心軸的發(fā)電機軸70以及聯(lián)軸器50,風輪軸60與發(fā)電機軸70通過聯(lián)軸器50相互連接。
      [0027]發(fā)電機10設計為外轉子發(fā)電機,其具有位于外部的也稱為發(fā)電機轉子的轉子11和位于內(nèi)部的定子12。
      [0028]所述定子12與機架20剛性連接。特別優(yōu)選的是,定子12并且因此發(fā)電機10通過法蘭連接被機架固定。
      [0029]轉子11借助布置于定子12與轉子11之間的軸承14可旋轉地支承在定子12上。如圖所示,定子12具有外壁,轉子11具有內(nèi)壁,兩個軸承14這樣布置在外壁與內(nèi)壁之間,使得定子12相對于或沿轉子11的旋轉軸線布置在兩個軸承14之間。為此,定子12特別優(yōu)選地設置用于容納兩個軸承14,軸承的內(nèi)軸承圈固定在定子12上,并且軸承的外軸承圈固定在轉子11上,使得轉子11相對于定子12可旋轉地支承。特別優(yōu)選的是,在發(fā)電機側,也就是在聯(lián)軸器50朝向發(fā)電機10的一側,所述兩個軸承14作為僅有的軸承被設置。
      [0030]此外,轉子11具有與機架20背尚布置的背面、夕卜周表面和朝向機架的帶開口的正面,并且除了開口完全包圍所述定子。所述開口的直徑小于等于布置在開口處的定子12與轉子11之間的軸承14的外徑。
      [0031]發(fā)電機軸70在與機架20對置或者背離其的一側(即發(fā)電機10的背面)上通過連接15與發(fā)電機10的轉子11以這種方式相連,使得發(fā)電機軸70基本上支承在定子12上的軸承14內(nèi)。所述連接15例如設計為法蘭連接或者焊接。
      [0032]聯(lián)軸器50基本上設計為扭轉剛性的并且沿軸向以及徑向設計得相對較軟,因此基本上只有風輪軸60的扭矩被傳遞到發(fā)電機軸70上,并且例如可以設計為液壓式彈性體聯(lián)軸器。
      [0033]處于質(zhì)量和維修原因,風輪軸60和發(fā)電機軸70優(yōu)選具有較大的軸直徑和較小的壁厚。在一種優(yōu)選實施形式中,風輪軸60和發(fā)電機軸70的直徑例如為2m。
      [0034]風輪軸60優(yōu)選具有至少一個徑向開口 61,其可用作進入風輪輪轂的入口以進行維護工作。通過聯(lián)軸器50也可以從風輪軸60進入發(fā)電機軸70。
      [0035]風輪軸60的至少一個開口 61的周圍區(qū)域可以配設有加強元件62。[0036]此外,風輪軸60優(yōu)選具有用于固定集電環(huán)的凸緣(未示出),通過其可實現(xiàn)供電以及與處于風輪輪轂30內(nèi)的部件,例如葉片調(diào)節(jié)驅動器(未示出)的通信。
      [0037]處于風輪軸60朝向風輪輪轂30的區(qū)域內(nèi)的另一凸緣(未不出)可以用于容納用于相對于機架20鎖定風輪輪轂30以及風輪軸60的風輪鎖定系統(tǒng)。
      [0038]處于風輪軸60朝向聯(lián)軸器50的區(qū)域內(nèi)的另一凸緣(未示出)可以用于容納用于相對于機架20制動風輪輪轂30以及風輪軸60的固定制動裝置。
      [0039]為了最佳地機械連接風輪輪轂30和發(fā)電機10,機架20可以在下部區(qū)域內(nèi)成型為截錐形(垂直地)并且在上部區(qū)域內(nèi)成型為管狀(基本上沿風輪軸60和/或發(fā)電機軸70的軸線定向)。由此,機架20可以在發(fā)電機側設計為用于螺栓連接發(fā)電機10的凸緣。在輪轂側,機架20可以呈管狀地成型為經(jīng)典的軸承座或者用于可旋擰的軸承的凸緣。
      [0040]由于管狀形狀,這種實施形式特別適用于使用力矩軸承。在附圖中示出了用于軸承21、22、23的實施形式的不同例子。圖1示出直接驅動的風能發(fā)電設備,其中風輪軸60的軸承21設計為單列式圓錐滾子軸承,圖2示出直接驅動的風能發(fā)電設備,其中風輪軸60的軸承22設計為球面滾子軸承,圖3示出直接驅動的風能發(fā)電設備,其中風輪軸60的軸承23設計為力矩軸承。
      [0041]發(fā)電機10優(yōu)選成型為永磁激勵同步發(fā)電機并且定子12配設有定子繞組13。在轉子11朝向定子繞組13的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)固定有永磁體(未示出),它們一般只有幾毫米至幾十
      毫米厚。
      [0042]發(fā)電機軸70如上所述基本上間接地通過定子12、軸承14和轉子11由機架20承載,其中,發(fā)電機軸70可與定子12和轉子11 一起跟隨機架20的彎曲運動而運動,而不會改變轉子11上的激勵器與定子繞組13之間的空氣縫隙。
      [0043]通過應用所述特征,能夠例如實現(xiàn)額定功率為幾兆瓦的風能發(fā)電設備,其具有有利的塔筒頂部質(zhì)量與額定功率比例。
      [0044]通過將發(fā)電機設計為外轉子發(fā)電機,相比成型為內(nèi)轉子發(fā)電機的發(fā)電機可在幾乎相同的質(zhì)量下實現(xiàn)更高的發(fā)電機功率,由此產(chǎn)生成本優(yōu)勢。相對于發(fā)電機布置在輪轂側的傳動鏈結構,改善的塔筒頂部質(zhì)量分布使得材料應力減小并且由此使得維護耗費降低以及風能發(fā)電設備的可使用性提高。本發(fā)明的另一優(yōu)點由傳動鏈結構較高的模塊化程度產(chǎn)生。在機架和定子的連接接口以及風輪軸和發(fā)電機軸之間的聯(lián)軸器以及電纜和冷卻管路等松脫之后,支承本身的發(fā)電機可以完全從所述設備上移除。在發(fā)電即布置于風輪輪轂與塔筒之間的結構中,為了拆卸發(fā)電機,也必須拆除具有風輪中點的風輪輪轂和風輪葉片,而在此處描述的風能發(fā)電設備中,可以對部件進行相互獨立的維護。這尤其在離岸風能發(fā)電設備中產(chǎn)生了不可忽略的成本優(yōu)勢,因為為了維護工作分別只需要一個也稱為“樁腳式鉆探平臺”或者“樁腳式駁船”的自升式鉆探平臺或者浮游起重機。通過風輪軸的至少一個徑向開口,可以通過機艙從內(nèi)部進入風輪輪轂以進行維護,這相對從外側進入風輪輪轂提高了維修人員的安全性。
      【權利要求】
      1.一種風能發(fā)電設備,具有機架(20)并且在所述機架(20)相互對置的側面上具有風輪和發(fā)電機(10),其中,所述風輪與發(fā)電機(10)通過風輪軸¢0)和發(fā)電機軸(70)以及布置于風輪軸和發(fā)電機軸之間的聯(lián)軸器(50)無傳動裝置地相互耦連,并且其中,所述發(fā)電機(10)設計為外轉子發(fā)電機。
      2.按權利要求1所述的風能發(fā)電設備,其中,所述聯(lián)軸器(50)將風輪軸¢0)的旋轉運動傳遞給發(fā)電機軸(70),并且使得所述發(fā)電機軸(70)至少部分與風輪軸¢0)的彎曲運動脫耦。
      3.按權利要求1或2所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機軸(70)通過連接(15),優(yōu)選通過法蘭連接或者焊接固定在發(fā)電機(10)背離風輪的背面上。
      4.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機軸(70)直接布置在所述聯(lián)軸器(50)上和發(fā)電機(10)背面上的所述連接(15)上并且在其間無接觸地從聯(lián)軸器(50)穿過發(fā)電機(10)延伸至發(fā)電機(10)的背面。
      5.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機軸(70)基本上通過與發(fā)電機(10)背面的連接(15)被承載。
      6.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機軸(70)設計為空心軸。
      7.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機軸(70)的直徑與壁厚之比大于等于10:1。
      8.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機(10)只由所述機架(20)優(yōu)選通過法蘭連接固定。
      9.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機(10)具有定子(12)和轉子(11),并且所述轉子(11)借助布置于所述定子(12)與轉子(11)之間的軸承(14)可圍繞定子(12)旋轉地被支承。
      10.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述定子(12)具有外壁,并且所述轉子(11)具有內(nèi)壁,在所述外壁和內(nèi)壁之間這樣布置有兩個軸承(14),使得所述定子(12)相對于轉子(11)的旋轉軸線布置在所述兩個軸承(14)之間。
      11.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述兩個軸承(14)分別具有固定在定子(12)上的內(nèi)軸承圈和固定在轉子(11)上的外軸承圈,并且在聯(lián)軸器(50)朝向發(fā)電機(10)的一側作為僅有的軸承被設置。
      12.按權利要求9至11之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機(10)設計為永磁激勵同步發(fā)電機。
      13.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機軸(70)基本上通過與發(fā)電機(10)背面的連接(15),經(jīng)由定子(12)、軸承(14)和轉子(11)被機架(20)承載,并且能夠與轉子(11)和定子(12)共同跟隨所述機架(20)的彎曲運動而運動,而不會改變轉子(11)上的勵磁裝置與定子繞組(13)之間的空氣縫隙。
      14.按權利要求9至13之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述轉子(11)具有背離機架(20)布置的背面、外周表面和朝向機架(20)的帶開口的正面,并且除了所述開口之外全面地包圍所述定子(12)。
      15.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述開口的直徑小于等于布置在所述開口處的在所述定子(12)與轉子(11)之間的軸承(14)的外徑。
      16.按前述權利要求之一所述的風能發(fā)電設備,其中,所述發(fā)電機(10)本身被自支承并且在聯(lián)軸器(50)以及機架(20)與定子(12)之間的連接接口被分離脫開后能夠完全從所述風能發(fā)電設 備上移除。
      【文檔編號】F03D11/00GK103429888SQ201180068988
      【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年12月22日 優(yōu)先權日:2011年1月5日
      【發(fā)明者】U.里特謝爾, R.古茨默, U.哈特曼, A.喬克爾, G.埃倫德, A.莫爾 申請人:諾德克斯能量有限責任公司, 西門子公司
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