[發明專利]直接驅動發電機和風力渦輪機

有效

• 申請號: 200980117986.8
• 申請日: 2009-06-25
• 公開（公告）號: CN102037239A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: H·斯蒂斯達爾
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: F03D9/00
• 分類號: F03D9/00;F03D11/00;H02K1/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平

技術領域

本發明涉及用于風力渦輪機的直接驅動發電機和包括這種直接驅動發電機的風力渦輪機。

背景技術

從原理上，針對風力渦輪機的驅動構造存在兩種主要類型的風力渦輪機。第一種類型的風力渦輪機是更經典類型的風力渦輪機，其包括布置在風力渦輪機的主軸和發電機之間的齒輪箱。第二種類型的風力渦輪機是無齒輪類型的，其包括直接驅動器或直接驅動的發電機。這種直接驅動發電機能夠被制成帶有被纏繞的轉子或帶有附連到轉子的永磁體的同步發電機，或其能夠被設計成替代類型的發電機。與直接驅動發電機的類型無關，在風力渦輪機和直接驅動發電機各自地運行過程中，甚至當風力渦輪機轉子、主軸和直接驅動發電機的裝置承受載荷時，理想的是發電機的轉子和定子之間的氣隙的寬度優選地被恒定地保持或至少在一定公差之內。

因此用于包括直接驅動發電機的風力渦輪機的驅動構造的不同軸承布置被開發。直到現在，直接驅動發電機的經典軸承布置是雙軸承布置。從而連接到風力渦輪機轉子的發電機的轉子朝向固定內軸或不動內軸由兩個軸承支撐。定子在一側附連到固定內軸。因此轉子能夠相對于定子圍繞固定內軸轉動。具有這種設計的風力渦輪機在例如EP1641102Al和US6,483,199B2中被描述。這種設計的缺陷在于定子的單邊支撐使其很難在定子的非支撐側保持氣隙的寬度至少大體上恒定，當整個發電機結構不僅受到重力和質量慣性而且受到不平衡的磁拉力時尤為如此。為了減少這種缺陷，帶有這種雙軸承布置的直接驅動發電機需要能夠吸收相對大的定子彎矩的大而重的定子支撐結構。這種定子支撐結構在例如WO02/05408A1中被描述，其中定子支撐結構包括具有多個支撐臂的支撐構造。

在替代設計中雙軸承布置被單軸承代替，該單軸承具有附連到固定內軸的固定內軸承部分和支撐直接驅動發電機的轉子的轉動外軸承部分。包括帶有單軸承的直接驅動發電機的風力渦輪機在US2006/0152014A1和WO02/057624A1中被公開。但是用單軸承替代雙軸承不能實質上改變單側支撐的定子結構的缺陷。

在一些其他解決方案中，固定內軸概念被轉動軸概念代替。由于根據轉動軸概念，發電機的定子在雙側被支撐，因此更容易保持發電機的轉子和定子之間的氣隙的寬度至少大體上恒定。存在兩種已知的轉動軸概念的變體，一種帶有雙軸承布置，一種帶有四軸承布置。

根據雙軸承布置，發電機的軸承作為主軸的軸承用于風力渦輪機，主軸連接到風力渦輪機的轉子。定子結構朝向主軸被支撐并且附連到風力渦輪機的底板。具有這種設計的風力渦輪機在US7,119,453B2和WO03/023943A2中被公開。這個設計的缺陷在于定子結構需要被確定尺寸來吸收和轉移所有風力渦輪機轉子的載荷，即風力渦輪機轉子的重量和所有不對稱空氣動力學載荷，來保持氣隙寬度在必要公差之內。在大的風力渦輪機上這導致非常重和昂貴的定子結構。

在四軸承布置中，風力渦輪機的在其一端連接到風力渦輪機轉子的主軸由其自身的兩個軸承支撐并且在其另一端承載直接驅動發電機。直接驅動發電機具有雙軸承布置用于將轉子在定子內部對準中心。這種風力渦輪機的例子在US6,781,276B1中描述。在該主軸安裝布置中，發電機定子由發電機轉子承載并且轉矩從發電機通過轉矩臂裝置被傳遞到風力渦輪機底板。轉矩臂裝置需要包括某種柔性，例如用橡膠元件實施，來允許主軸-發電機結構和渦輪機底板之間存在輕微錯位。定子在轉子上的雙邊支撐允許相對輕質的定子結構。這種設計的主要缺陷是總共需要四個軸承，并且全轉矩至少部分地穿過這些軸承。對大的風力渦輪機這意味著相比而言大的和昂貴的軸承。另外，對于大的風力渦輪機，轉矩臂裝置成為相比而言相當大而重的結構。

在US4,291,235中描述了用于風力渦輪機的另外的軸承布置。風力渦輪機包括固定軸以及具有內定子和外轉子的直接驅動發電機。內定子被布置在固定軸上。外轉子連接到風力渦輪機的轂體，在前側通過前軸承連接到固定軸并且在后側通過后軸承連接到固定軸。因此軸承布置關于載荷容量不是最優的。

此外在沒有預公布的EP07013519.9中描述了包括具有轉子和定子的直接驅動發電機的風力渦輪機。直接驅動發電機的轉子附連到主軸的后側，主軸由兩個主軸承支撐。定子大體上圍繞轉子布置并且包括前端板、后端板和將前端板和后端板互相連接的殼體元件。定子的后端板被支撐在轉子上或通過第三軸承被支撐在主軸上。定子的前端板至少間接地附連到風力渦輪機的固定部分。因此在沒有預公布的EP07013519.9中描述了三軸承布置。