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CN102080630B - 制动系统、发电机和风力涡轮机 - Google Patents

制动系统、发电机和风力涡轮机 Download PDF

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CN102080630B CN201010565611.2A CN201010565611A CN102080630B CN 102080630 B CN102080630 B CN 102080630B CN 201010565611 A CN201010565611 A CN 201010565611A CN 102080630 B CN102080630 B CN 102080630B
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Abstract

本发明涉及制动系统、发电机和风力涡轮机。具体地，公开了一种制动系统，尤其是用于发电机(6)的制动系统，其包括转子组件(8)、定子组件(7)和旋转轴线(9)。所述转子组件(8)包括被定位在所述定子组件(7)的径向外侧的外部分(11)。所述外部分(11)包括制动盘(12)，而且所述定子组件(7)包括至少一个摩擦构件(13)，其被可操作地配置成用于摩擦地接合所述制动盘(12)的至少一部分。

Description

制动系统、发电机和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及制动系统，尤其是用于发电机的制动系统，本发明还涉及发电机，尤其是直接驱动发电机，而且本发明还涉及风力涡轮机。
背景技术
原则上，根据风力涡轮机的直接驱动配置而言，存在两种主要类型的风力涡轮机。第一类风力涡轮机是较为经典的的一类风力涡轮机，其包括布置在风力涡轮机的主轴和发电机之间的变速箱。第二类风力涡轮机是一类无传动装置的风力涡轮机，其中变速箱和传统的发电机由多极发电机(一种所谓的直接驱动或直接传动发电机)代替。这种直接驱动发电机可被制成具有绕线转子或具有附连于转子的永磁体的同步发电机，或者其能够被设计成一种替代性类型的发电机。直接驱动发电机中的一个挑战在于机械制动系统。所述制动系统需要被定位在慢速旋转轴线处，因为没有使用传动箱。该制动系统需要承受巨大的制动转矩，因而需要大型制动盘和卡钳。
US2005/230979描述了一种风力涡轮机，其最小化了机舱的尺寸，同时提供了维护操作期间对部件的充分的可达性。该风力涡轮机包括：机舱和邻近所述机舱的叶片转子毂以及耦连到所述毂和所述机舱的主轴。该发电机在所述机舱和所述毂之间被耦连到所述轴，其中所述发电机包括：邻近所述轴的发电机转子，位置邻近所述发电机转子并且处于径向外前方的定子；和耦连到所述发电机和所述轴的制动器，其处该制动器被定位成从所述定子径向向内。该发明提供了一种有利的发电机，它是提供有利的风力涡轮机的本发明的第三个目的。
发明内容
第一个目的由权利要求1所述的制动系统解决。第二个目的由权利要求13所述的发电机解决，第三个目的由权利要求15所述的风力涡轮机解决。从属权利要求限定了本发明进一步的改进。
本发明的制动系统包括转子组件、定子组件和旋转轴线。所述转子组件包括外部分，其被定位在所述定子组件的径向外侧。所述外部分包括制动盘。所述定子组件包括至少一个摩擦构件。所述摩擦构件被可操作地配置成用于摩擦地接合所述制动盘的至少一部分。本发明的制动系统尤其可用于发电机。
本发明的制动系统具有如下优点，即：所述制动盘能够被安装在外转子的圆柱形支持结构上。在该例中，能够充分地使用该机器的可能的大直径，从而能够使用具有最大可能直径的制动盘。这提高了制动器的效率。而且，较大的制动盘和较大的制动器卡钳能被使用，其提供了较大的有效接触表面。例如为了将转子保持在停放位置，大的有效接触表面是必需的。进一步优点在于，与较小的制动盘相比，在大制动盘中能够吸收和分配更多的热。
一般地，本发明的制动系统可以是直接驱动发电机的一部分，或者它可以被连接到直接驱动发电机。所述发电机可具有外转子配置。
有利地，所述制动盘从所述转子组件的外部分径向向内延伸到所述旋转轴线。在该例中，本发明的制动系统能被用于直接驱动发电机。更进一步地，本发明的制动系统可以是具有外转子配置的直接驱动风力涡轮机的一部分。
而且，所述转子组件可包括凸缘。所述制动盘可以被紧固到所述凸缘。例如：，所述凸缘可包括多个孔，优选为螺栓孔。这些孔可以被径向地间隔开。优选地，所述制动盘由螺栓或螺钉紧固到所述凸缘。
所述制动系统可以是具有毂的风力涡轮机的一部分。在该例中，所述制动系统，尤其是所述制动系统的所述转子组件，可包括面向所述毂的近端和被定位成相对于所述毂的远端。优选地，所述制动盘被紧固至其上的所述凸缘可被定位在所述转子组件的快端，这意味着是相对于所述毂的。
本发明的制动系统可包括转子支持件。在该例中，所述制动盘可例如由螺栓或螺钉紧固到所述转子支持件的凸缘。
所述定子组件可包括固定轴。所述至少一个摩擦构件可被连接到所述固定轴。所述定子组件可包括风力涡轮机的床架。所述至少一个摩擦构件可被连接到所述风力涡轮机的所述床架。所述定子组件可包括定子支持结构。所述至少一个摩擦构件可被连接到所述定子支持结构。例如，所述至少一个摩擦构件，例如至少一个制动器卡钳，可被直接地安装到所述固定轴或风力涡轮机的所述床架或者定子支持结构。
优选地，所述至少一个摩擦构件可关于所述旋转轴线径向向外地延伸。例如，所述至少一个摩擦构件可从所述定子支持结构或从所述固定轴或从所述风力涡轮机的床架径向向外地延伸。
尤其地，所述摩擦构件可包括至少一个制动器卡钳。优选地，所述摩擦构件在所述制动盘的每一侧上包括至少一个制动器卡钳，优选地以便包围所述制动盘。有利地，所述至少一个摩擦构件包括至少一个制动器卡钳系统。所述至少一个卡钳系统可包括至少两个制动器卡钳，它们相对着彼此位于所述制动盘的每一侧。例如，所述制动器卡钳系统可包括至少一个卡钳支架。所述卡钳支架可被用来安装所述卡钳和/或所述制动器卡钳系统到所述制动系统的另一个部件，例如用于安装到所述固定轴。每个制动器卡钳系统可被连接到一卡钳支架。
有利地，所述制动器卡钳系统可被设计成使得所述制动器卡钳系统在轴向方向上以如下方式被对齐到所述制动盘，即使得在所述制动器卡钳系统的固定点处没有弯曲力矩，尤其是没有轴向弯曲力矩。例如，所述制动器卡钳系统在轴向方向可被对齐到制动盘，或者其可被按如下方式配置，即使得在所述制动器卡钳系统到所述卡钳支架的固定点处没有弯曲力矩或基本上没有弯曲力矩存在。
而且，本发明的制动系统可包括转子锁定系统。优选地，所述转子锁定系统被集成在所述制动系统中。优选地，所述转子锁定系统包括自动式致动器。例如，所述转子锁定系统可包括互锁部件、卡扣锁定部件、阻块、制动部件或障碍部件，优选地是包括多个前面提到的部件。
所述转子锁定系统能够被实现成使得所述制动盘包括多个凹进部，优选是在所述制动盘的内表面中，它们例如被径向和/或对称地间隔开。所述定子组件可包括至少一个活塞，优选地包括多个活塞。优选地，所述活塞/多个活塞被定位成使得它/它们被制备成接合于所述凹进部/多个凹进部。例如，所述活塞或所述多个活塞被制备成接合于所述制动盘中的相应凹进部，以便将所述转子锁定在停放位置中。
优选地，所述锁定系统可包括自动式致动器。所述自动式致动器能够有利地被配置成用于将所述多个活塞或所述活塞推入相应的凹进部中。所述致动器可包括液压或电动装置，例如液压缸。在该例中，所述多个活塞能够由液压或电动装置推入所述制动盘的相应凹进部中。因此，可以用自动方式来锁定所述转子。
更进一步地，所述制动盘可包括多个径向区段。如果所述制动盘被分成多个径向区段，那么就有可能以容易的方式来互换大的制动盘。
本发明的发电机包括前文所述的本发明的制动系统。本发明的发电机具有与本发明的制动系统相同的优点。
一般地，所述发电机可具有空气间隙，其被定位成在所述发电机的定子元件和转子元件之间。例如，所述转子元件包含永磁体，而所述定子元件包含堆叠叠层板，其支持所述定子线圈的至少一个绕组。
所述空气间隙应该相对小，以确保所述发电机高效。因此，所述空气间隙应该处于仅仅几个毫米的范围内。对于发电机，如直接驱动或直接传动发电机，由于它们的尺寸使得这是很难的。直接驱动发电机呈现出若干米的直径。
转子元件和定子元件典型地被布置彼此相对，因此所述空气间隙必须保证在所述发电机操作时，它们不会接触到。因此所述空气间隙应该非常小，以便一方面确保所述发电机的效率，同时保证具有一定的空气间隙宽度以防止机械损伤。
尤其是对于直接驱动发电机而言，很难将所述空气间隙保持为在仅仅几个毫米的范围内。因此，对所述定子元件和对所述转子元件而言，这需要非常刚性的，大块的和笨重的支持结构。
发电机的空气间隙能够由为所述转子一部分的永磁体的公差确定，由为所述定子一部分的堆叠叠层板的公差确定，和/或由为所述定子线圈一部分的线圈绕组的公差确定。此外，所述发电机的其他元件对所述空气间隙的尺寸也有贡献。所述空气间隙可按如下方式设计，即使得所述转子和所述定子的元件不会发生接触，同时所述转子绕其专用旋转轴线旋转。
本发明的发电机可包括转子和定子。有利地，所述制动盘与所述摩擦构件之间径向方向的距离(径向距离)小于所述转子与所述定子之间径向方向的距离(径向距离)。所述摩擦构件可以是所述制动器卡钳或所述制动器卡钳系统或所述制动器卡钳系统的一部分，例如支架。例如，所述制动盘与所述摩擦构件之间的径向距离可在1mm至5mm之间，优选地在2mm至4mm之间。所述转子与所述定子之间的径向距离可在4mm至10mm之间，优选地在5mm至7mm之间。
如果所述制动盘与所述摩擦构件之间的径向距离小于所述转子与所述定子之间的径向距离，那么所述制动盘将在所述定子撞击到所述转子之前撞击到所述摩擦构件例如所述制动器卡钳系统的支架。这防止了所述发电机的损坏，并提高了所述系统的安全性。转子与定子之间的径向距离也被称为空气间隙。所述发电机可以是具有单向轴承(unilateral bearing)的直接驱动风力涡轮机的一部分。所述发电机可包括一个无支持的端，其是所述轴承被定位之处的相对端。通过利用本发明的发电机，所述无支持的端处的空气间隙可以被保持在窄的公差内。
本发明的风力涡轮机包括前文所述的本发明的制动系统和/或本发明的发电机。本发明的风力涡轮机具有与本发明的制动系统和/或本发明的发电机相同的优点。优选地，本发明的风力涡轮机可以是直接驱动风力涡轮机。而且，本发明的风力涡轮机可包括外转子配置。
本发明的风力涡轮机可包括机舱、毂与发电机。所述发电机可位于所述机舱内或所述机舱与所述毂之间。所述制动系统可被连接到所述发电机和/或连接到所述毂。例如，所述制动系统可以是所述发电机的整体部分和/或是所述毂的整体部分。
所述发电机可包括面向所述毂的近侧和相对着所述毂的远侧。优选地，所述制动系统和/或所述锁定系统可被定位在与所述毂相对的远侧。
由于本发明的制动系统可以或多或少地成为所述发电机的整体部分，所以它在所述机舱内没有占用额外的空间。而且，使得穿过所述发电机尤其是穿过所述定子的入口成为可能，这是一个很大的优点。这提供了到所述毂的便利的通达性。而且，提供了对所述制动系统的一部分的便利的通达性，尤其是在所述制动系统位于所述发电机的与所述毂相对的远侧时。这使得维修和维护更加简便。
附图说明
根据下面结合附图对实施例所作的描述，本发明的进一步的特征、性质和优点将变得更加明了。所有的特征独立地或者彼此结合地是有利的。
图1示意性地示出了一种风力涡轮机。
图2以剖视图的形式示意性地示出了本发明发电机的一部分，其具有本发明的制动系统。
图3示意性地示出了本发明的制动系统的前视图。
图4以沿图3的线IV-IV的剖视图的形式示意性地示出了本发明的制动系统的一部分。
图5以沿线V-V的剖视图的形式示意性地示出了本发明的制动系统的转子锁定系统的一部分。
图6示意性地示出了处于锁定位置的图5的转子锁定系统。
图7示意性地示出了本发明的风力涡轮机的一部分。
具体实施方式
现在将参考图1到图7来描述本发明的一个实施例。图1示意性地示出了一种风力涡轮机。所述风力涡轮机1包括塔2、机舱3和毂4。所述机舱3被定位成在所述塔2的顶上。所述毂4包括多个风力涡轮机叶片5。所述毂4被安装到所述机舱3。而且，所述毂4被枢转安装成使得它能绕旋转轴线9旋转。发电机6被定位在所述机舱3内。风力涡轮机1是直接驱动风力涡轮机。所述发电机6包括面向所述毂4的近侧19和相对着所述毂4的远侧20。
图2以剖视图的形式示意性地示出了具有外转子配置的发电机6的一部分。发电机6包括定子组件7和转子组件8。所述定子组件7包括固定轴10，其被定位成接近于所述旋转轴线9。所述转子组件8包括外转子部分11，其被定位在所述定子组件7的径向外侧。所述转子组件8进一步包括制动盘12。所述制动盘12可以是所述外转子部分11的一部分，或它可被连接到所述外转子部分11。所述制动盘12从所述外部分11径向向内延伸到旋转轴线9。所述转子组件8的外部分11和所述制动盘12被绕所述旋转轴线9枢转安装。
定子组件7进一步包括摩擦构件，在本实施例中其例如为制动器卡钳系统13。所述制动器卡钳系统13被可操作地配置成用于摩擦地接合所述制动盘12的至少一部分。制动器卡钳系统13从固定轴10径向向外地延伸到所述制动盘12。所述制动器卡钳系统13在所述制动盘12的每一侧上包括至少一个制动器卡钳，以便包围所述制动盘12。
所述制动盘12与所述制动器卡钳系统13之间的径向距离22小于所述外转子部分11与所述定子组件7之间的径向距离23(空气间隙)。有利地，径向距离22在1mm至5mm之间，优选地在2mm至4mm之间。优选地，空气间隙23具有的宽度在4mm至10mm之间，有利地在5mm至7mm之间。
图3示意性地示出了发电机6的本发明的制动系统的前视图。对应于先前描述的图中的元件的那些元件被标示了相同的附图标记，因而不再详细地描述。制动盘12包括内表面21。所述制动盘12的内表面21包括多个凹进部15。优选地，这些凹进部15被径向和/或对称地间隔在内表面21中。
一般地，所述制动盘12可以被分成径向区段12a、12b与12c。所述制动盘12还能被分成任何其他数量的径向区段。这使得容易地调换大型制动盘12成为可能。
所述制动系统进一步包括多个中央安装式凸缘14，在本实施例中，为三个中央安装式凸缘14。这些凸缘14被安装到固定轴10。这些凸缘14关于所述固定轴10的圆周呈120°的角度地错开。替代性地，任何其他数量的凸缘14也是可行的。优选地，凸缘14绕固定轴10的圆周被布置成使得相邻的凸缘具有到彼此的相等的距离。
所述制动系统包括至少一个转子锁定系统17。所述转子锁定系统17包括至少一个活塞16。所述活塞被定位成在所述凸缘14内或被定位成在锁定壳体的内部。所述锁定壳体可被连接到凸缘14。替代性地，所述制动系统可包括分离的凸缘，用于容装所述活塞或用于连接到转子锁定系统17的至少一个锁定壳体，分离的凸缘14连接到所述制动系统尤其是所述制动器卡钳系统13。
所述活塞16被定位成使得它们被准备好接合于制动盘12的内表面21中的凹进部15。优选地，转子锁定系统17包括自动式致动器。所述自动式致动器可被配置成用于致动转子锁定部件。尤其地，所述转子锁定系统17可包括自动式致动器，用于将活塞16推入相应凹进部15中。优选地，所述致动器包括液压或电动装置，例如液压缸。孔可以用在制动盘12中代替凹进部，而销可被用来代替活塞。
代替所描述的包括多个活塞16的转子锁定系统17，还可使用包括互锁部件、卡扣锁定部件、阻块、制动部件、障碍部件或类似装置的锁定系统。
图4以沿图3的线IV-IV的剖视图的形式示意性地示出了本发明的制动系统的一部分。在图4中，两个制动器卡钳13A和13B被定位成彼此相对地一个制动器卡钳处于所述制动盘12的一侧。所述两个制动器卡钳13A和13B连接到中央安装式凸缘14。凸缘14被连接到固定轴10。在图4中，所述制动盘是外转子部分11的整体部分。替代性地，制动盘12可以是安装到外转子部分11的分离元件。举例来说，制动盘12例如可由螺栓或螺钉紧固到转子支持件的凸缘。
用于致动制动器卡钳13A和13B的致动力由箭头18标示。当制动器卡钳13A和13B被致动时，它们摩擦地接合所述制动盘12的一部分。
风力涡轮机1可包括所述定子的支持结构或床架。在该例中，制动器卡钳系统13可被直接地安装到风力涡轮机1的床架或安装到所述定子的支持结构。
图5和图6以沿线图3的线V-V的剖视图的形式示意性地示出了本发明的制动系统的一部分。在本实施例中，转子锁定系统17被集成到所述制动系统中。图5示意性地示出了处于未锁定状态的转子锁定系统。图6示出了处于锁定状态的转子锁定系统。在图5中，活塞16被完全地定位在凸缘14的内部或者转子锁定系统17的另一部件的内部，例如锁定壳体的内部。在图6中，活塞16被推入制动盘12的相应凹进部15中。在这一位置中，所述转子被锁定在停放位置中。活塞16可以由液压或电动装置推入制动盘12的相应凹进部15中。
优选地，本发明的制动系统被定位在与毂4相对的发电机6的远侧20处。这允许所述制动系统和所述集成转子锁定系统具有便利的通达性，特别是便于进行维修和维护。替代性地，本发明的制动系统可被定位在所述毂处。例如，本发明的制动系统可被直接地连接到所述毂。
图7示意性地示出了本发明的风力涡轮机301的一部分。它包括一种典型的公知的“一个轴承式(one-bearing)”布局结构。风力涡轮机301包括直接驱动发电机302，其被布置风力涡轮机301的塔303的上风面。
塔凸缘304被布置在塔303的顶部。台板305被附连到塔凸缘304。所述风力涡轮机401包括摇摆系统(这里未示出)，其被用来绕轴线300转动风力涡轮机301的台板305。
风力涡轮机301包括固定轴306，而轴306具有中心轴线200。固定轴306的后侧被附连到保持结构307。固定轴306的前侧上布置有直接驱动发电机302的定子结构308。定子结构308包括定子支持结构309和叠层堆310。叠层堆310支持绕组311。
定子支持结构309包括两个支持件312，用于叠层堆310的双侧支持。所述支持件312为环状。它们被附连到固定轴306的外部。中空圆柱形支持件313被附连到环状支持件312的外端。中空圆柱形支持件313携载着环状叠层堆310和绕组311。
转子结构314被布置在定子结构308的周围。转子结构314包括前端板315和缸元件317。所述前端板315是环状的，而所述缸元件317是中空的。
缸元件317包括多个永磁体318，它们被安装在中空圆柱形元件317的内部上。所述永磁体318被布置成与所述叠层堆310和所述支持绕组相对。具有大致6mm宽度的空气间隙319被定位在所述永磁体318和所述叠层堆310之间。优选地，空气间隙319具有的宽度在4mm至10mm之间，有利地在5mm至7mm之间。制动盘12连接到所述转子的缸元件317。制动器卡钳系统13连接到固定轴306。制动器卡钳系统13和制动盘12之间的径向距离22小于空气间隙319。有利地，径向距离22在1mm至5mm之间，优选地在2mm至4mm之间。
前端板315经由轴承320被布置在所述固定轴306上。轴承320能够将轴向载荷变换到在中心轴线A的双向上。适当的轴承例如被公开在DE 201 16 649 U1中。
轴承320的固定部件321被附连到固定轴306。轴承320的旋转部分322连接到安装环323。前端板315和毂324被附连到安装环323。所述毂324包括用于风力涡轮机转子叶片的安装装置325，这里未示出。
这里所示的空气间隙319是均匀的，其实现了转子的各元件与定子的各元件之间的恒定距离。这种“一个轴承式”的设计由于其设计简单因而非常有吸引力。

Claims (14)

1.一种制动系统，包括转子组件(8)、定子组件(7)和旋转轴线(9)，其中
所述转子组件(8)包括被定位在所述定子组件(7)的径向外侧的外部分(11)，所述外部分(11)包括制动盘(12)，而且所述定子组件(7)包括至少一个摩擦构件，其被可操作地配置成用于摩擦地接合所述制动盘(12)的至少一部分，
所述制动盘(12)包括多个凹进部(15)，所述定子组件(7)包括至少一个活塞(16)，其中，所述凹进部(15)沿径向延伸，所述活塞(16)能够被推入所述凹进部(15)，
所述制动盘(12)包括多个径向区段(12a，12b，12c)。
2.根据权利要求1所述的制动系统，其中
所述制动盘(12)从所述转子组件(8)的外部分(11)径向向内地延伸到所述旋转轴线(9)。
3.根据权利要求1或2所述的制动系统，其中
所述定子组件(7)包括凸缘(14)，而且所述摩擦构件被紧固到所述凸缘(14)。
4.根据权利要求1或2所述的制动系统，其中
所述定子组件(7)包括固定轴(10)或风力涡轮机(1)的床架或定子支持结构，而且所述至少一个摩擦构件被连接到所述固定轴(10)或连接到所述床架或连接到所述定子支持结构。
5.根据权利要求1或2所述的制动系统，其中
所述至少一个摩擦构件关于所述旋转轴线(9)径向向外地延伸。
6.根据权利要求2所述的制动系统，其中
所述摩擦构件包括至少一个制动器卡钳。
7.根据权利要求1或2所述的制动系统，其中
所述至少一个摩擦构件包括至少一个制动器卡钳系统，其包括彼此相对地处于所述制动盘(12)每一侧的至少两个制动器卡钳。
8.根据权利要求7所述的制动系统，其中
所述至少一个制动器卡钳系统(13)在轴向方向上以如下方式被对齐到所述制动盘(12)，即使得在所述制动器卡钳系统(13)的固定点处不受到弯曲力矩。
9.根据权利要求1或2所述的制动系统，其中
所述制动系统包括转子锁定系统(17)。
10.根据权利要求9所述的制动系统，其中
所述锁定系统(17)包括自动式致动器，用于将所述活塞(16)推入相应的凹进部(15)中。
11.一种发电机(6)，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的制动系统。
12.根据权利要求11所述的发电机(6)，其中
所述发电机(6)包括转子和定子，而且所述制动盘(12)与所述摩擦构件之间的径向距离(22)小于所述转子与所述定子之间的径向距离(23)。
13.一种风力涡轮机(1)，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的制动系统和/或根据权利要求11或12所述的发电机。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机(1)，其中
所述风力涡轮机(1)包括发电机(6)和/或毂(4)，而且所述制动系统被连接到所述发电机(6)和/或连接到所述毂(4)。
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Assignee: SIEMENS WIND POWER EQUIPMENT (SHANGHAI) CO.,LTD.

Assignor: SIEMENS wind power

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Denomination of invention: Brake system with expansion absorbing means, generator and wind turbine

License type: Common License

Record date: 20130426

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Effective date of registration: 20190722

Address after: Tango barley

Patentee after: Siemens Gamesa Renewable Energy

Address before: Munich, Germany

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