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CN103429888A - 风能发电设备 - Google Patents

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CN103429888A
CN103429888A CN201180068988XA CN201180068988A CN103429888A CN 103429888 A CN103429888 A CN 103429888A CN 201180068988X A CN201180068988X A CN 201180068988XA CN 201180068988 A CN201180068988 A CN 201180068988A CN 103429888 A CN103429888 A CN 103429888A
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U.里特谢尔
R.古茨默
U.哈特曼
A.乔克尔
G.埃伦德
A.莫尔
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Siemens Corp
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Abstract

本发明涉及一种风能发电设备，其具有机架(20)并且在机架(20)相互对置的侧面上具有风轮和发电机(10)，其中，所述风轮与发电机(10)通过风轮轴(60)和发电机轴(70)以及布置于其间的联轴器(50)无传动装置地相互耦连，并且其中，发电机(10)设计为外转子发电机。

Description

风能发电设备
本发明涉及一种风能发电设备。
在专利文献EP1327073B1中描述了一种风能发电设备，其在机架中具有双重支承的风轮轴和发电机轴，所述发电机轴与风轮轴设计为一体或者与其刚性连接，因此两个轴在弯矩的作用下共同进行弯曲运动。发电机设计为内转子发电机，定子和转子这样支承在可旋转的定子轴和发电机轴上，使得发电机能够随着驱动轴的弯曲运动而运动。不可旋转的联轴器固定发电机的定子以防止机架处的旋转运动并且允许发电机能够随着驱动轴相对于机架的弯曲运动而运动，由此应在发电机的定子和转子之间实现恒定的空气缝隙。发电机的这种设计和固定在结构上非常麻烦，由此可能使风能发电设备的重量相对于所产生的功率来说较大。
本发明所要解决的至少一个技术问题在于，提供一种实现更简单的结构的风能发电设备。
该技术问题按本发明通过具有独立权利要求所述特征的技术方案解决。技术方案的有利实施形式和扩展设计在从属权利要求中示出并且也可以从以下的说明和附图中得出。
按照至少一种实施形式，风能发电设备具有机架。所述机架尤其能够可旋转地支承在塔筒上。
按照另一种实施形式，风能发电设备具有风轮(亦可称为“风力叶轮”或“风力转子”)。可围绕风轮轮毂旋转地支承在机架上的风轮用于将风的动能转化为转动能量并且至少通过风轮轴传递给发电机。此外，风能发电设备具有发电机，其可通过发电机轴接收转动能量并且转化为电能。
按照另一种实施形式，风轮和发电机布置在机架相互对置的侧面上，其优点是机架、风轮和发电机的质量相对于发电机布置在塔筒或机架与风轮之间的风能发电设备更好地分布。塔筒顶部质量的更好分布使得材料应力减小并且减少了维护耗费，以及使风能发电设备的可使用性提高。此外，风能发电设备的模块化提高并且因此减少了维护和/或修理耗费，因为例如可以在不拆卸风轮的情况下将发电机从所述设备上移除。
按照另一种实施形式，风能发电设备具有联轴器，其布置在风轮轴与发电机轴之间并且将风轮轴与发电机轴相互耦连，因此可将风轮轴的旋转运动传递至发电机轴。特别优选的是，风轮轴与发电机轴借助联轴器无传动装置地相互耦连。换而言之，由此可以在没有中间连接的传动机构的情况下将风轮轴的旋转运动直接传递至发电机轴。
与具有中间连接的传动机构的已知风能发电设备相比，由此有利地省去了用于传动机构的维护和修理耗费以及在风能发电设备的整个运行时间中由于传动机构磨损造成的传动机构更换。
按照另一种实施形式，发电机设计为外转子发电机。发电机为此具有定子和在外部可旋转地围绕定子布置的转子。与具有设计为内转子发电机的发电机的已知风能发电设备相比，可以有利地在质量几乎相同的情况下实现更高的发电机功率，由此能够更经济地运行。
按照另一种优选的实施形式，所述联轴器将风轮轴的旋转运动传递给发电机轴，而所述发电机轴通过联轴器至少部分与风轮轴的弯曲运动脱耦。这种弯曲运动可能通过例如由于在各片风轮叶片上出现不同的风力状况而在风轮或者风轮轮毂上形成的力产生。为了持续地运行必须确保弯曲运动不会这样延续至发电机，使得布置在定子或转子上的发电机的集电弓和激励器之间的距离或空气缝隙改变。通过风轮轴与发电机轴至少部分的机械脱耦(其例如可通过联轴器在一个或多个平行于风轮轴和发电机轴的轴线的平面内的可移动性实现)，可以有利地实现更少地或者甚至完全防止将风轮轴的弯曲运动传递至发电机轴。所述联轴器例如可允许风轮轴的轴线相对于发电机轴的轴线倾翻和/或移动。
特别优选的是，联轴器设计为，使得基本上，即在很大程度上，只将围绕风轮轴轴线的旋转运动传递至发电机轴，而风轮轴的弯曲运动不会或只以非常小的程度传递至发电机轴。
按照另一种优选的实施形式，所述发电机轴通过连接，优选通过法兰连接或者焊接固定在发电机背离风轮的背面上。
此外，发电机轴可以通过与发电机背面的连接基本上由发电机承载。换而言之，发电机轴可以这样支承在发电机背面上，从而不需要存在其它用于支承或者固定发电机轴的元件。尤其是联轴器可以基本上不需要对发电机轴具有承载作用，并且基本上只防止由于其自重而是发电机轴弯曲。与之相比，已知的风能发电设备通常具有至少部分承载发电机并且发电机至少部分支撑在其上的发电机轴。在此，发电机轴例如必须稳定地处于机架上并且支承用于较大的载荷。
所述发电机轴尤其可以直接布置在所述联轴器上和发电机背面上的所述连接上并且在其间无接触地从联轴器穿过发电机或者穿过发动机和机架的一部分延伸至发电机的背面。有利地，可以在发电机轴和发电机之间或者在发电机轴和机架之间设置缝隙，从而使发电机轴能够无接触地在所述缝隙内部相对于机架运动。
此外，发电机轴可以设计为空心轴。这尤其可以通过以下方式实现，即发电机轴在风能发电设备中不具有承载功能，由此可以使发电机轴的尺寸设计在重量方面优化。例如，发电机轴的外部尺寸(如长度和/或直径)与壁厚的比例可以设计为，使得发电机轴在其自重以及维护人员的重量在作用下刚好不会弯曲。直径与壁厚的比例尤其可以大于等于10：1，优选大于等于20:1，并且特别优选大于等于100:1。如果发电机轴例如具有约为2m的直径，则壁厚可以小很多，并且特别优选在大于等于2cm并且小于等于5cm的范围内。
按照另一种实施形式，所述风能发电设备设计为无传动机构的直接驱动的风能发电设备，其中，发电机相对于塔筒和/或机架布置在风轮轮毂或者风轮的对置侧上，并且发电机设计为外转子发电机。此外，可以在很大程度上避免将风轮轴的弯矩传递到发电机轴上。
本发明的其它优点和有利的实施形式以及扩展设计由以下结合图1至图3描述的实施形式得出。在附图中：
图1至图3示意性地示出按照多个实施例的风能发电设备的剖面图。
在实施例和附图中，相同或者作用相同的组成部分可以分别配设有相同的附图标记。所示元件和其尺寸关系原则上不应理解为是符合比例尺的，而是单独的元件可以为了更好地可呈现性和/或更好地理解而夸大地加粗或者增大地显示。
只要不明确说明，以下的说明涉及所有图1至图3。
在图1至图3中分别示出了一个风能发电设备的实施例，其设计为直接驱动的风能发电设备，其传动链具有模块化结构并且其中，发电机相对于塔筒布置在与风轮轮毂对置的一侧上。
风能发电设备具有至少一个发电机10和风轮的风轮轮毂30，所述风轮带有至少一个或多个风轮叶片(未示出)，所述风轮安装在机架20上。
风能发电设备还具有塔筒40，机架20可旋转地布置在所述塔筒上。所述机架20相对于塔筒40借助方位角旋转连接80可旋转地支承在方位角轴承81内，因此风轮轮毂30以固定于其上的风轮叶片在使用至少一个方位角驱动器82的情况下能够以其水平定向随着风向变化，所述方位角驱动器82啮合在方位角轴承81上的齿部内。机架20可选地螺栓连接在方位角轴承81的外圈或者内圈上。
风轮轮毂30固定在成型为空心轴的风轮轴60上并且相对于机架20可旋转地支承在至少一个轴承21、22、23内。
此外，风能发电设备具有成型为空心轴的发电机轴70以及联轴器50，风轮轴60与发电机轴70通过联轴器50相互连接。
发电机10设计为外转子发电机，其具有位于外部的也称为发电机转子的转子11和位于内部的定子12。
所述定子12与机架20刚性连接。特别优选的是，定子12并且因此发电机10通过法兰连接被机架固定。
转子11借助布置于定子12与转子11之间的轴承14可旋转地支承在定子12上。如图所示，定子12具有外壁，转子11具有内壁，两个轴承14这样布置在外壁与内壁之间，使得定子12相对于或沿转子11的旋转轴线布置在两个轴承14之间。为此，定子12特别优选地设置用于容纳两个轴承14，轴承的内轴承圈固定在定子12上，并且轴承的外轴承圈固定在转子11上，使得转子11相对于定子12可旋转地支承。特别优选的是，在发电机侧，也就是在联轴器50朝向发电机10的一侧，所述两个轴承14作为仅有的轴承被设置。
此外，转子11具有与机架20背离布置的背面、外周表面和朝向机架的带开口的正面，并且除了开口完全包围所述定子。所述开口的直径小于等于布置在开口处的定子12与转子11之间的轴承14的外径。
发电机轴70在与机架20对置或者背离其的一侧(即发电机10的背面)上通过连接15与发电机10的转子11以这种方式相连，使得发电机轴70基本上支承在定子12上的轴承14内。所述连接15例如设计为法兰连接或者焊接。
联轴器50基本上设计为扭转刚性的并且沿轴向以及径向设计得相对较软，因此基本上只有风轮轴60的扭矩被传递到发电机轴70上，并且例如可以设计为液压式弹性体联轴器。
处于质量和维修原因，风轮轴60和发电机轴70优选具有较大的轴直径和较小的壁厚。在一种优选实施形式中，风轮轴60和发电机轴70的直径例如为2m。
风轮轴60优选具有至少一个径向开口61，其可用作进入风轮轮毂的入口以进行维护工作。通过联轴器50也可以从风轮轴60进入发电机轴70。
风轮轴60的至少一个开口61的周围区域可以配设有加强元件62。
此外，风轮轴60优选具有用于固定集电环的凸缘(未示出)，通过其可实现供电以及与处于风轮轮毂30内的部件，例如叶片调节驱动器(未示出)的通信。
处于风轮轴60朝向风轮轮毂30的区域内的另一凸缘(未示出)可以用于容纳用于相对于机架20锁定风轮轮毂30以及风轮轴60的风轮锁定系统。
处于风轮轴60朝向联轴器50的区域内的另一凸缘(未示出)可以用于容纳用于相对于机架20制动风轮轮毂30以及风轮轴60的固定制动装置。
为了最佳地机械连接风轮轮毂30和发电机10，机架20可以在下部区域内成型为截锥形(垂直地)并且在上部区域内成型为管状(基本上沿风轮轴60和/或发电机轴70的轴线定向)。由此，机架20可以在发电机侧设计为用于螺栓连接发电机10的凸缘。在轮毂侧，机架20可以呈管状地成型为经典的轴承座或者用于可旋拧的轴承的凸缘。
由于管状形状，这种实施形式特别适用于使用力矩轴承。在附图中示出了用于轴承21、22、23的实施形式的不同例子。图1示出直接驱动的风能发电设备，其中风轮轴60的轴承21设计为单列式圆锥滚子轴承，图2示出直接驱动的风能发电设备，其中风轮轴60的轴承22设计为球面滚子轴承，图3示出直接驱动的风能发电设备，其中风轮轴60的轴承23设计为力矩轴承。
发电机10优选成型为永磁激励同步发电机并且定子12配设有定子绕组13。在转子11朝向定子绕组13的内部区域内固定有永磁体(未示出)，它们一般只有几毫米至几十毫米厚。
发电机轴70如上所述基本上间接地通过定子12、轴承14和转子11由机架20承载，其中，发电机轴70可与定子12和转子11一起跟随机架20的弯曲运动而运动，而不会改变转子11上的激励器与定子绕组13之间的空气缝隙。
通过应用所述特征，能够例如实现额定功率为几兆瓦的风能发电设备，其具有有利的塔筒顶部质量与额定功率比例。
通过将发电机设计为外转子发电机，相比成型为内转子发电机的发电机可在几乎相同的质量下实现更高的发电机功率，由此产生成本优势。相对于发电机布置在轮毂侧的传动链结构，改善的塔筒顶部质量分布使得材料应力减小并且由此使得维护耗费降低以及风能发电设备的可使用性提高。本发明的另一优点由传动链结构较高的模块化程度产生。在机架和定子的连接接口以及风轮轴和发电机轴之间的联轴器以及电缆和冷却管路等松脱之后，支承本身的发电机可以完全从所述设备上移除。在发电即布置于风轮轮毂与塔筒之间的结构中，为了拆卸发电机，也必须拆除具有风轮中点的风轮轮毂和风轮叶片，而在此处描述的风能发电设备中，可以对部件进行相互独立的维护。这尤其在离岸风能发电设备中产生了不可忽略的成本优势，因为为了维护工作分别只需要一个也称为“桩脚式钻探平台”或者“桩脚式驳船”的自升式钻探平台或者浮游起重机。通过风轮轴的至少一个径向开口，可以通过机舱从内部进入风轮轮毂以进行维护，这相对从外侧进入风轮轮毂提高了维修人员的安全性。

Claims (16)

1.一种风能发电设备，具有机架(20)并且在所述机架(20)相互对置的侧面上具有风轮和发电机(10)，其中，所述风轮与发电机(10)通过风轮轴(60)和发电机轴(70)以及布置于风轮轴和发电机轴之间的联轴器(50)无传动装置地相互耦连，并且其中，所述发电机(10)设计为外转子发电机。
2.按权利要求1所述的风能发电设备，其中，所述联轴器(50)将风轮轴(60)的旋转运动传递给发电机轴(70)，并且使得所述发电机轴(70)至少部分与风轮轴(60)的弯曲运动脱耦。
3.按权利要求1或2所述的风能发电设备，其中，所述发电机轴(70)通过连接(15)，优选通过法兰连接或者焊接固定在发电机(10)背离风轮的背面上。
4.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机轴(70)直接布置在所述联轴器(50)上和发电机(10)背面上的所述连接(15)上并且在其间无接触地从联轴器(50)穿过发电机(10)延伸至发电机(10)的背面。
5.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机轴(70)基本上通过与发电机(10)背面的连接(15)被承载。
6.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机轴(70)设计为空心轴。
7.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机轴(70)的直径与壁厚之比大于等于10:1。
8.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机(10)只由所述机架(20)优选通过法兰连接固定。
9.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机(10)具有定子(12)和转子(11)，并且所述转子(11)借助布置于所述定子(12)与转子(11)之间的轴承(14)可围绕定子(12)旋转地被支承。
10.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述定子(12)具有外壁，并且所述转子(11)具有内壁，在所述外壁和内壁之间这样布置有两个轴承(14)，使得所述定子(12)相对于转子(11)的旋转轴线布置在所述两个轴承(14)之间。
11.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述两个轴承(14)分别具有固定在定子(12)上的内轴承圈和固定在转子(11)上的外轴承圈，并且在联轴器(50)朝向发电机(10)的一侧作为仅有的轴承被设置。
12.按权利要求9至11之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机(10)设计为永磁激励同步发电机。
13.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机轴(70)基本上通过与发电机(10)背面的连接(15)，经由定子(12)、轴承(14)和转子(11)被机架(20)承载，并且能够与转子(11)和定子(12)共同跟随所述机架(20)的弯曲运动而运动，而不会改变转子(11)上的励磁装置与定子绕组(13)之间的空气缝隙。
14.按权利要求9至13之一所述的风能发电设备，其中，所述转子(11)具有背离机架(20)布置的背面、外周表面和朝向机架(20)的带开口的正面，并且除了所述开口之外全面地包围所述定子(12)。
15.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述开口的直径小于等于布置在所述开口处的在所述定子(12)与转子(11)之间的轴承(14)的外径。
16.按前述权利要求之一所述的风能发电设备，其中，所述发电机(10)本身被自支承并且在联轴器(50)以及机架(20)与定子(12)之间的连接接口被分离脱开后能够完全从所述风能发电设备上移除。
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