[發明專利]用于風車 /水力發電站 /船舶的、在其中被構造成中空外形的直驅發電機 /電動機以及裝配這種風車 /水力發電站的方法

無效

• 申請號: 200680046703.1
• 申請日: 2006-10-13
• 公開（公告）號: CN101360914A
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發明（設計）人: E·博金
• 申請（專利權）人: 斯維公司
• 主分類號: F03D11/00
• 分類號: F03D11/00;H02K15/02;H02K21/00;H02K7/09
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊勇;鄭建暉

本發明涉及一種具有直驅發電機的風力發電站，其中轉子渦輪支 撐在定子上；以及一種裝配該發電機轉子和發電機的方法。

本發明涉及一種大直徑環形轉子輪轂，該轉子輪轂具有閉合的抗 扭矩外形，其上布置有轉子葉片。轉子輪轂同時設有承受軸向力的磁 穩定軸承。本發明既可用于產生能量，也可用作由空氣或水組成的環 境中的推進系統。

用于產生能量(優選以電能形式)的風車或風力渦輪機不斷地朝 著大型化的方向發展。現已設計和建造了輸出功率約為5MW、轉子直 徑大于115-125m的風車。設計等于和大于5MW的風車主要以安裝在近 海為目的，因為這種大型風車在陸地上難以運輸。這些水平軸風車的 原理實際上與其小型的同類風車的原理相同。它們以轉子為基礎，所 述轉子通常由三個安裝于帶軸的中心輪轂上的葉片組成，該軸由重載 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 是由于沿風的方向作用在每個單獨的葉片上的風力和在基本垂直于風 的平面內的每個葉片的自重，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的不同載荷，那么將會產生一個試圖繞 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 轂和軸還將轉子的扭矩直接或通過齒輪傳遞到發電機。

近海風車的維護成本最初大于陸地風車。在很多情況下，由于故 障引起的能量生產中斷在近海也會引起更嚴重的后果，因為天氣狀況 經常不允許登上風車進行必要的修理。在遠離陸地的海上，風況通常 也比陸地上強得多。如果期望通過提高使葉片轉動的額定(nominal) 風速來獲得盡可能多的能量，那么與風況較平靜的位置相比，該風力 發電站會受到增大的疲勞載荷。

大型風車或風力渦輪機具有這樣的優點：預計可降低每kWh產能 單位的維護和諸如控制系統等的“一次性成本”。缺點是在這種大型 電廠的情況下每生產1kWh電力的重量和材料消耗增加。許多人估計以 現今的技術水平，陸地風車的最經濟規模約為1-3MW。

每產能單位的重量和材料消耗隨著風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)，而轉子的掃描面 積(定義為當轉子葉片旋轉時包圍其的圓的面積)以及因此能量生產 僅以縱向尺寸的平方增加。這暗示了在兩種情況下風強相同的給定位 置的對比。即，如果期望增加風車的尺寸同時使用與以前相同的技術， 那么每產能單位的重量會約隨著風車的尺寸線性增加，并且因此在很 大程度上成本會約隨著風車的尺寸線性增加。

另外，轉速(角速度)會隨著風車轉子直徑的增加而減小。這是 因為最優的葉尖速度是風速的函數。對于三個葉片的風車，葉尖速度 和風速之間的最優比(下文稱作尖端速度比)通常約為6，該最優比 取決于葉片的長寬比。當風速相同時，對于轉子直徑較大的風車，轉 子的角速度因此將減小。如果將損耗忽略不計，所產生的輸出功率是 轉子角速度和轉子扭矩的乘積；P＝M_T*ω，其中P為輸出功率，M_T為扭 矩，ω為角速度。

當通過增加轉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子傳遞到發電機：

P＝C_p*ρ*v³*A＝＝C_p*ρ*v³*D²*π/4，

其中C_p是常數，ρ是液體或空氣的密度，v是風速，A是轉子的掃 描面積，D是轉子直徑，

ω＝v*6/(D*π)*2*π＝12*v/D，

其中6是尖端速度比。

將P和ω代入公式P＝M_T*ω得到：

M_T＝C_p*ρ*v³*D²*π*D/(4*12*v)＝C_p*ρ*v²*D³*π/48

M_T＝k*D³

其中k對于給定的風速和空氣密度是常數。