专利名称：用于风车 /水力发电站 /船舶的、在其中被构造成中空外形的直驱发电机 /电动机以及 ...的制作方法
用于风车/水力发电站/船舶的、在其中被构造成中空外形的直驱发电 机/电动机以及装配这种风车/水力发电站的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有直驱发电机的风力发电站，其中转子涡轮支
撑在定子上；以及一种装配该发电机转子和发电机的方法。
本发明涉及一种大直径环形转子轮毂，该转子轮毂具有闭合的抗 扭矩外形，其上布置有转子叶片。转子轮毂同时设有承受轴向力的磁 稳定轴承。本发明既可用于产生能量，也可用作由空气或水组成的环 境中的推进系统。
用于产生能量(优选以电能形式)的风车或风力涡轮机不断地朝 着大型化的方向发展。现已设计和建造了输出功率约为5MW、转子直 径大于115-125m的风车。设计等于和大于5MW的风车主要以安装在近 海为目的，因为这种大型风车在陆地上难以运输。这些水平轴风车的 原理实际上与其小型的同类风车的原理相同。它们以转子为基础，所 述转子通常由三个安装于带轴的中心轮毂上的叶片组成，该轴由重栽 球轴承支撑。轮毂必须具有承受巨大的弯曲力矩的尺寸，该弯曲力矩 是由于沿风的方向作用在每个单独的叶片上的风力和在基本垂直于风 的平面内的每个叶片的自重，该弯曲力矩具有不断变化的方向，该方 向取决于叶片是在其旋转路径的上升阶段还是下降阶段。如果在某一 给定时刻每个叶片具有来自风的不同载荷，那么将会产生一个试图绕 着一条与轴的纵轴线垂直的轴线使轮毂旋转的力矩。该力矩在极端情 况下可能特别大，并且轴的尺寸也必须能承受这样的力矩。该中心轮 毂和轴还将转子的扭矩直接或通过齿轮传递到发电机。
近海风车的维护成本最初大于陆地风车。在4艮多情况下，由于故 障引起的能量生产中断在近海也会引起更严重的后果，因为天气状况 经常不允许登上风车进行必要的修理。在远离陆地的海上，风况通常 也比陆地上强得多。如果期望通过提高使叶片转动的额定(nominal) 风速来获得尽可能多的能量，那么与风况较平静的位置相比，该风力 发电站会受到增大的疲劳载荷。
大型风车或风力涡轮机具有这样的优点预计可降低每kWh产能
单位的维护和诸如控制系统等的"一次性成本"。缺点是在这种大型
电厂的情况下每生产1Wh电力的重量和材料消耗增加。许多人估计以 现今的技术水平，陆地风车的最经济规模约为1-3MW。
每产能单位的重量和材料消耗随着风车尺寸增加而增加的原因 是重量约以纵向尺寸的三次方增加(体积增加)，而转子的扫描面 积(定义为当转子叶片旋转时包围其的圆的面积)以及因此能量生产 仅以纵向尺寸的平方增加。这暗示了在两种情况下风强相同的给定位 置的对比。即，如果期望增加风车的尺寸同时使用与以前相同的技术， 那么每产能单位的重量会约随着风车的尺寸线性增加，并且因此在很 大程度上成本会约随着风车的尺寸线性增加。
另外，转速(角速度)会随着风车转子直径的增加而减小。这是 因为最优的叶尖速度是风速的函数。对于三个叶片的风车，叶尖速度 和风速之间的最优比(下文称作尖端速度比)通常约为6,该最优比 取决于叶片的长宽比。当风速相同时，对于转子直径较大的风车，转 子的角速度因此将减小。如果将损耗忽略不计，所产生的输出功率是 转子角速度和转子扭矩的乘积；P=MT*w,其中P为输出功率，MT为扭 矩，co为角速度。
当通过增加转子直径来增加功率时，则可以通过下面的因素估计 扭矩的增加，所述扭矩必须通过传动齿轮从气动转子传递到发电机
P=CP* p v3*A==Cp* p *v3*D2*7t/4，
其中Cp是常数，p是液体或空气的密度，v是风速，A是转子的扫 描面积，D是转子直径，
co=v*6/ (D*7t) *2*tt=12*v/D，
其中6是尖端速度比。
将P和(o代入>^式P=MT* (o得到
MT=CP* p *v3*D2*ti*D/ (4*12*v) =CP* p *v2*D3*7r/48
MT=k*D3
其中k对于给定的风速和空气密度是常数。
因此，像转子的重量一样，通过传动齿轮从转子传递到发电机的 转矩会以转子直径的三次方增加，而输出功率仅以转子直径的平方增 加。这也意味着在大型风车的情况下传动装置(变速箱)受到不成比
例的大负荷，因此采用直接驱动方案将是一个优点。
一个问题是，如 上所述，在大转子直径的情况下转速低，并且用于具有大转子直径的 直驱风车的实际发电机部件中所需的工作材料不成比例地大大增加。 另外，对于直驱风车，利用当前的技术难以控制定子和电转子之间的 空气间隙，该空气间隙由于主轴的变形通常必须保持在正负几毫米内。
对于兆瓦级的风车，每产生kWh的重量大约与转子直径成线性增加， 因此很大程度上成本大约与转子直径成线性增加，这不利于使用当前 已知的技术建设更大的风车。另外，定子和电转子之间的空气间隙公 差对于更大的直驱发电机是个问题。叶片和塔结构由于风速变化而疲 劳也是一个问题，特别对于浮动装置。
上面提到的情况代表了对于建造远大于3-5MW的近海风车的最主 要的限制。
在本领域的现有技术中，可以提到美国专利第6， 285， 090号，它
教导了一种直驱风力涡轮(没有传动装置)，其中轮毂的直径相对较 大，但是该轮毂具有相当大的重量以便能够承受来自转子叶片的负荷。 在固定轴和旋转部件之间的球轴承也大，并且将承受相当大的磨损并 需要润滑和维护。
在美国专利第6,911， 741号中，描述了在定子和电转子之间的空 气间隙的小公差的问题。
W0 02/099950 Al教导了 一种具有直驱发电机的涡轮，其中定子 轮和转子轮是根据与具有辐条的自行车车轮相同的原理制造的，该辐 条一端固定到外环或者轮缘上，另一端以偏心方式固定到轮毂上。这 样，它既承受径向力，也在一定程度上承受轴向力。
DE 36 38 129 Al教导了 一种具有环形发电机的风力发电站，其 中发电机的转子环固定到风力涡轮转子的尖部。风力涡轮转子和发电 机的转子环支撑在磁轴承上。
DE 197 11 869 Al教导了 一种具有中空轮毂的风力涡轮机。轮毂 被分成两个L形部件，其中一个L形部件被安置在塔上并且其中涡轮 叶片被安置在另一个L形部件上。第二个L形部件通过轴承支撑在第 一个L形部件上。
在本申请中，术语"涡轮转子"用作风力或电力发电站上的、将 水或风的能量转化成机械能并进而在发电机中将该机械能转换成电能 的旋转单元的集合术语。其中安装有磁体的发电机转子也称为电转子。 "涡轮转子"也用来指推进装置的转子。
发电机的"工作部件"是指风力发电站中对能量转换起作用的部件。
"无铁芯原理"在本发明中是指不利用铁磁材料来传导磁场的发 电机结构原理。
在本发明的开发中， 一个目的是为5-15MW等级的风力发电站建造 一个具有成本效益的、集成的转子和发电机，其中转子直径大大增加， 因此能量生产增加，并且每产生kWh能量的叶片和轮毂重量没有增加， 并且转矩没有在结构中产生更大的力。
另一个目的是本发明的部件应当适合用于水力发电、潮沙水能和/ 或船舶推进系统(其中转子用作推进器)中。
使用独立权利要求中公开的本发明实现了这些目的。在与每个独 立的权利要求相关的从属权利要求中公开了可替换的实施方案。
使用本发明，获得了以下优点
1) 转子的扫描区域(并且因此能量生产)大大增加，而转子叶片 的长度和重量没有增加；
2) 轮毂的直径显著增加，而它的重量减少了3) 由于大的轮毂直径，在轮毂和轴上的扭应力小(绕旋转轴)；
4) 直驱使得能够省略传动单元(传动装置)同时增加定子和电转 子(磁体)之间的圆周速度，并且因此在发电机中需要更少的工作材 料；
5) 在定子和电转子之间更大的空气间隙公差，使其不再是关键参
数；
6) 直接空气冷却，而不需要任何用于冷却剂循环的泵系统；
7) 在运转期间，主轴承或发电机里的运动部件之间没有接触，使 得磨损和维护大大减少；
8) 与现有技术中将5MW风力涡轮放大到IOMW相比，转子和发电 机的总重量减少50%以上。 根据本发明的第一方面，提供一种用于风力发电站或水力发电站 的涡轮转子，所述发电站具有将风或水中的能量转换成电能的直驱发 电机，其中该风力或水力发电站包括一个涡轮转子和一个定子，该涡 轮转子还包括一个旋转轴与定子的中心轴重合的环形轮毂，并且其中 该涡轮转子包括至少一个转子叶片，所述转子叶片安置在该环形轮毂 上。
有利的是，该环形轮毂包括发电机转子(电转子)。
另外，有利的是，该发电机转子安装在该环形轮毂上。
该环形轮毂有利地被配置为一个具有闭合的圆形横截面或近似圆
形横截面的圆环(torus )，但也可以被配置为一个具有闭合的多边形 横截面的圆环。
有利的是，垂直于风力涡轮转子旋转轴的环形轮穀截面是外周和 内周为圆形的环形，但是该截面也可以是外周和内周为多边形的环形。
有利的是，从涡轮转子旋转轴到环绕涡轮转子旋转轴的环形轮毂 的外周的距离是从该旋转轴到叶尖的涡轮转子半径的至少1/12。
在一个实施方案中，环形轮毂通过磁轴承支撑在定子上。这种磁 轴承可以是无源磁轴承或者电磁轴承，但也可以是常规轴承。
在一个优选实施方案中，环形轮毂通过磁轴承沿轴向支撑在定子 上，以承受总的弯曲力矩(由对每个转子叶片的不同风压引起)以及 轴向力，并且环形轮毂通过承受径向力的常规轴承沿径向受到支撑。
为了承受径向力，风力涡轮转子可包括至少两个拉杆或者至少两 个压杆，该拉杆或者压杆在其第一端固定到与定子的中心轴同轴的轴 承上，并且在其第二端固定到环形轮毂上。这些拉杆或压杆优选位于 同一平面中。
在本发明的一个优选实施方案中，从环形轮毂的旋转轴到f兹轴承 的力传递面的面积中心(area center)的最短距离小于从环形轮毂的 旋转轴到环形轮毂横截面的转矩中性轴的距离。磁轴承的这种定位意 味着磁轴承的转子部件在轴向方向的位移因为作用在转子上的风力引 起的环形轮毂的弯曲和扭转而相互抵消。轮毂绕每个叶片的局部弯曲 向风的方向局部拉轴承，而轮毂横截面的扭转弯曲使得逆风向移动轴 承。当定位理想(图8中的角a)时，连接到轮毂的磁轴承的轴向位
移可以完全或部分相互抵消。这是一个优点，使得将磁轴承面尽可能 保持水平(平面)，从而确保它们不会由于轮毂的变形而局部地发生 相互接触。
在一个实施方案中，环形轮毂弯曲到与环形轮毂的旋转轴垂直的 平面外的抗弯刚度大于定子弯曲到相同平面外的抗弯刚度。在一个优 选实施方案中，环形轮毂弯曲到与环形轮毂的旋转轴垂直的平面外的 抗弯刚度至少是定子弯曲到相同平面外的弯曲硬度的两倍。
根据本发明的第二方面，提供一种用于将流动的风或水中的能量 转换成电能的风力或水力发电站，其中该风力或水力发电站包括一个
根据权利要求1-20的涡轮转子。在该定义中的水力发电站也可以是潮 汐水力发电站或江河发电站。
根据本发明的第三方面，提供一种用于推进装置的涡轮转子，该 推进装置具有将电能转换成动能的直驱电动机，该推进装置包括一个 涡轮转子和一个定子，其中该涡轮转子包括一个具有与该定子的中心 轴重合的旋转轴的环形轮毂(6 )，并且其中该涡轮转子包括至少一个 转子叶片，所述转子叶片被安置在具有闭合的中空外形的该环形轮毂 上。
根据本发明的第四方面，提供一种具有推进装置的船舶，其中该 推进装置包括一个根据权利要求22-41的涡轮转子。
根据本发明的第五方面，提供一种具有一个将风能转换成电能的 直驱发电机的风力或者水力发电站，其中该风力发电站包括一个定子 和一个涡轮转子，所述涡轮转子包括一个发电机，其中该发电机或者 该定子或者该发电机和该定子两者设有能量产生单元，其中该涡轮转 子通过一个磁轴承支撑在该定子上并且该能量产生单元中的绕组是利
用无铁芯构造的。
有利的是，该涡轮转子包括一个环形轮毂，所述环形轮毂通过一 个磁轴承支撑在该定子上。
有利的是，该发电机的电转子安装在该环形轮毂上。
该环形轮毂有利地被构造为一个具有圆形横截面的圆环，但也可 以被构造为一个具有多边形横截面的圆环。
该环形轮毂垂直于风力涡轮转子旋转轴的横截面有利地是外周和
内周为圆形的环形，但是该截面也可以是外周和内周为多边形的环形。 有利的是，从涡轮转子旋转轴到环形轮毂外周的距离是从该旋转
轴到叶尖的涡轮转子半径的至少1/12。
在一个实施方案中，该环形轮毂通过一个磁轴承支撑在定子上。 这个磁轴承可以是无源磁轴承、电磁轴承或者常规轴承。
在一个优选实施方案中，环形轮毂通过一个磁轴承沿轴向支撑在 定子上，以承受弯曲力矩以及轴向力，并且环形轮毂通过一个承受径 向力的常规轴承受到径向支撑。
为了承受径向力，风力涡轮转子可以包括至少两个拉杆或者至少 两个压杆，该拉杆或压杆在它们的第一端固定到与定子的中心线同轴 的轴承上，并且在它们的第二端固定到环形轮毂上。这些拉杆或压杆 优选位于同一平面中，以便轴向力或弯曲力矩不被传递到径向轴承以 及它的轴上。
在本发明一个优选实施方案中，从环形轮毂的旋转轴到磁轴承的 力传递面的面积中心的最短距离小于从环形轮毂的旋转轴到环形轮穀 横截面的中性轴的距离。磁轴承的这种定位意味着，磁轴承的转子部 分在轴向上的位移因为作用在转子上的风力引起的环形轮毂的弯曲和 扭转而相互抵消。然后轮毂绕每个叶片的局部弯曲在风的方向上局部 拉轴承，而轮毂横截面的扭转弯曲使得轴承发生逆风向位移。当定位 理想(图8中的角a)时，与轮毂连接的磁轴承的轴向位移会完全或 部分相互抵消。这是一个优点，使得尽可能将磁轴承面保持水平(平 面)，从而确保它们不会由于轮毂的变形而局部地发生接触，。
在一个实施方案中，环形轮毂弯曲到与环形轮毂的旋转轴垂直的 平面外的抗弯刚度大于定子弯曲到相同平面外的抗弯刚度。在一个优 选实施方案中，环形轮毂弯曲到与环形轮毂的旋转轴垂直的平面外的 抗弯刚度至少是定子弯曲到相同平面外的抗弯刚度的两倍。这意味着 磁轴承具有局部柔韧性，并且如果磁轴承某一区域内的磁体趋于彼此 接触，定子可以局部变形。
根据本发明的第六方面，提供一种将电转子和具有定子绕组的定 子装配在风力或水力发电站上的直驱发电机中的方法，其中该风力或 水力发电站还包括一个涡轮转子，所述涡轮转子包括一个环形轮毂，并且其中该涡轮转子通过磁轴承支撑在该定子上，所述磁轴承安置在 该定子和发电机上，所述发电机能够安装到涡轮转子的环形轮毂上，
其中在装配过程中执行下列步骤
在工厂中，在受控条件下，分多个部件生产电转子和具有定子 绕组的定子；
在工厂中，在受控条件下，将电转子和具有定子绕组的定子的 对应部件安装在一起；
将电转子和具有定子绕组的定子的经过装配的部件在风力发电 站上安装成一个单元。
当在工厂中已将发电机单元和定子绕组的经过装配的部件中的对 应部件安装在一起时，在把它们运输到风力发电站所在地之后将它们 安装成一个单元。
该经过装配的部件紧靠风力涡轮转子的环形轮毂和定子的定子环 进行安装。
在安装过程中，每次将一个部件安装到定子环上，然后安装到环 形轮毂上，或者以相反的顺序安装。
安装时，优选将在平面中调整每一个部件，以便各部件最终安装 成的单元位于一个理想的或者近乎理想的平面中。以这样的方式，能 够补偿环形轮毂和定子环的不规则性，该环形轮毂和定子环经常不是 完全成一平面的，因而可能会对磁轴承和发电机引起问题。
当本发明投入到与风力发电站相关的用途中时，它将装备有大的 环形轮毂，其中形成轮毂的环具有约为转子直径10-20%的直径。该环 的横截面的直径大约与叶片连接到轮毂处的叶片直径相当。 一个或多 个转子叶片靠着环形轮毂布置。由于转子叶片终止处远离涡轮转子的 旋转轴，所以在叶片根部的弯曲力矩比具有相应转子面积的常规轮毂 的风车小得多。轮毂由环形轮毂组成，该环形轮毂用来同时承受大的 扭转力矩以及弯曲力矩。这就是说，叶片的自重转化作环形轮毂的弯 曲力矩，同时由于风力而导致在叶片根部出现的弯曲力矩转化作环形 轮毂中的扭转力矩。产生能量的转子力矩MT直接被吸收到定子，而不 经由中心轴传递。本专利申请中的轴因而与发电机的定子相同，并且 由具有大的圆周直径(与轮毂的圆周直径匹配)的短圆环组成，该短
圆环被安置为直接靠着电动机外壳或者风力发电站的支撑结构。这意
味着，通常在轴中由于转子的扭矩而引起的大扭矩应力MT显著减小，
并且实际上被当作问题消除了 。
与发电机的轴承相同的风力发电站的主轴承，在本发明中优选由 位于轮毂圆周上的稳定的磁轴承组成。
该轴承还可以由轮毂圆周上的轴向磁轴承与径向机械轴承相结合 而组成。在这种情况下，磁轴承将安装在环形轮毂和定子环之间来承 受轴向力，而通过在环形轮毂和机械轴承之间布置轮辐系统来承受径 向力，该机械轴承被布置为靠着风车在旋转轴的中心的固定结构。
可选地，通过使用Halbach阵列，可以使用纯磁轴承来承受轴向 力和径向力两者。才艮据Earnshaw定理，仅仅通过使用永磁体(如果不 使用超低温下的超导)不可能获得磁稳定的轴承。这在美国专利第 6, 111, 332号和第5， 495，221号中进行了更详细的说明。为了规避有 关磁不稳定性的Earnshaw定理，可以采用所谓的Halbach阵列j吏用上 述两项专利中所说明的无源磁轴承来支撑轮毂，或者可选地用具有有 源伺服控制的有源电磁轴承来获得磁稳定性和阻尼。也可以使用利用 永磁体和具有有源伺服控制的有源电磁轴承的混合方案来支撑轮毂。
或者，轮毂可以装备有永磁体按Halbach阵列布置的稳定无源磁 轴承，或者可选地具有一个与Halbach阵列类似的结构，该类似结构 既具有轮毂轴承的功能，同时又包含发电机的工作部件，即直驱发电 机中的》兹体和电导体。
在上述两种情况下，为了避免在发电机中出现大的磁吸力，定子 中的电绕组优选为无铁芯的(没有铁磁芯)。发电机定子既包含用于发 电的电绕组，又可选地包含(当完全使用具有Halbach阵列的磁支撑 时)作为磁轴承一部分的电绕组。
可选地，同一绕组可以既具有发电功能，同时又完全或部分形成 磁稳定轴承中所需要的电绕组。
如上所述，定子中的电绕组优选为无铁芯的，但可以在定子中需 要这种额外磁吸力的区域中包含铁芯。对于上述的一个可选方案，无 源稳定轴承由强大的永磁体组成，这些永磁体在轮毂上布置成一个特 殊体系(Halbach阵列或相似的体系)或者直接布置在电转子和安置
于定子上的电导体上。当磁体运动时，在电导体中生成电流，该电流
排斥电转子中的磁体。磁体在电转子中布置成2或3行，使得系统对 于轴向和径向外力均是稳定的。还提供一种机械支撑件，它支撑转子 直到转子达到足以使磁轴承起作用的速度。在使用电磁轴承并且电力 供应中断或者伺服控制系统发生故障的情况下，这也是必要的。为了 提高所述磁轴承的阻尼性能，可以将橡胶或其他具有良好阻尼性能的 阻尼材料与固定到该结构上的磁体结合使用。
磁体离电导体越近，排斥力越大。通过以Halbach阵列将磁体布 置在电转子中，可以规避磁不稳定性的Earnshaw定理并且依然获得径 向和轴向均为磁稳定的轴承。与在定子绕组中使用铁芯的已知风车技 术相比，基于无铁芯Halbach阵列的发电机的空气间隙可以从几毫米 增加到大于20亳米。因此，根据本发明，能够同时既易于建造风力发 电站中发电机的支撑结构部件又放松它们的弯曲公差，这在现有技术 中是一个问题，特别是对大直径风力发电机。
目前可通过商业渠道获得强力永磁体，例如每m"舌性面具有高达 50吨磁力的钕磁体。这种磁体足以承受在所述的用于风力发电站的转 子轴承中所有相关的各种大小的(dimensioning)力。有利的是，本 专利的轮毂是大直径的，使得力矩的力臂很大，以承受转子上的不同 载荷，例如不同叶片上不同的风力分布。
具有电转子和磁轴承的轮毂以及定子还可以装备有冷却肋板，该 冷却肋板用于空气流直接空冷，所述气流穿过从风的方向看为开放式 的轮毂的中部。定子绕组优选嵌于一个没有铁芯的组合定子部件 (composite stator part)中。可以有矛Ji也将其打孑U以^f更7Jc、 S由、 空气或者其它合适的冷却剂可以绕着定子绕组循环。可选地，空气通 过这种冷却孔的自然循环足以冷却定子，并且/或者如果它们布置在电 转子上，也足以冷却转子中的磁体。
可以按与上面所述的布置相反的方式来布置带有磁轴承的发电 机。磁体于是会在定子中，而电绕组在转子中。在这种情况下，电力 必须通过集电环送回到风力发电站的其他部分。
提供一种与圆形轮毂的中心同轴的滑环轴承(未示出)，其向转子
传递节距控制电动机、电灯等所需的电力。另外，为了与雷击相关的 放电电流，在转子和吊舱/塔之间提供电接触。这种接触可以是滑动接 触，或者是也与圆形轮毂的中心同轴的、带有一个缝隙的开口接触， 通过该缝隙雷击将能够形成一光弧(未示出)。
下面是在附图中说明的本发明优选实施方案的非限制实例的说
明，其中
图1示出一个具有由转子叶片和轮毂组成的风力涡轮转子的风力 发电站。该风力发电站安装在塔7上。该塔可以有一个固定地基或者 近海浮动安装。
图2示出具有安装在节距轴承上的叶片的风力涡轮转子。
图3是风力发电站的部件的侧视图。
图4是风力发电站的部件的透视图。
图5是从定子上拆下来的转子的透视图。
图6显示可选地分成不同区域的定子。
图7a、 7b、 7c、 7d显示组合的磁稳定轴承和发电机的四个可选横
截面(如图6中示出的横截面A-A)。
图8显示组合的轴向磁轴承和径向机械轴承。
图9是风力发电站一部分的侧视图。
图IO是生产过程中如何对组装进行分段的略图。
图11显示该风力发电站用作船在空中或水中的推进系统的一种布置。
图12显示轮毂围绕部分或整个船体的一种推进系统。
图1显示一个具有10-12MW输出功率的风力发电站1，该风力发 电站装备有一个大的、形成环形轮毂6的环形轮毂，其中环形轮毂可 以具有约20米的直径。环形轮毂6的横截面可以具有约2米的直径。 如图2所示，转子叶片3、 4、 5每个可以有60米长并且设置在节距轴 承8、 9、 IO上，该节距轴承被设置为能够在节距控制系统(未示出) 的推动下绕叶片的纵轴旋转叶片。节距轴承安置在环形轮毂6中，每 个轴承之间间隔120度角。环形轮毂6具有一个闭合的中空外形，它 由中空的圆形管組成，其中该圆具有约为转子直径的15%的直径并且
该管具有约为叶片3、 4、 5在它们连接到节距轴承处的横截面70%的 横截面。在轮毂的内部，安置电转子11，其支撑在定子部件12上。 不易弯曲(bending stiff)的梁13支撑定子12，该梁通过圆柱管14 将力传导到支撑结构的其他部分。转子和定子装备有自然通风冷却肋 板16。
环形轮毂6的承载横截面具有一个闭合的、直径约为2米圆形中 空外形，它适于同时承受由于转子叶片的重量和作用在其上的风载产 生的大的扭转力矩和弯曲力矩。不易弯曲的梁13支撑定子12,该梁 通过圆柱管14将力传导到支撑结构的其他部分。
每个节距轴承通过拉杆或压杆15连接到环形轮毂6的相对侧，所 有的拉杆或压杆相互连接在中心锚环或锚板60中，该锚环或锚板径向 机械支撑到圆柱管14上。该拉杆或压杆15位于同一平面内，使得该 拉杆或压杆不传递轴向力(不像自行车车轮，轮辐安装在中心轮毂的 两个不同的轴向位置上，能承受轴向力)。作用在叶片3、 4、 5上的风 压引起的转子轴向力通过环形轮毂6和定子12之间的轴向排列磁轴承 39直接传递到定子12,该磁轴承由方向相反的永磁体组成，使得在轴 承面中产生排斥力。有利地使该轴承具有双重作用，即它承受两个轴 向的力。为了实现这个目的，可以在轴承中使用四排磁体。或者，可 以在轴承中使用电磁铁。导致产生能量的涡轮转子的扭矩MT直接承受 在定子12上，而不通过中心轴传递。因而，固定轴12与发电机定子 相同并且由一个具有大的圆周直径(与环形轮毂6的圆周直径匹配) 的短圆环组成，该固定轴12直接安置在电动机外壳14上或者通过梁 13安置在风力发电站的支撑结构7上。通过电力变压器(整流器/变 换器，未示出)的控制系统，可选地和在转子平面内提供空气动力阻 尼的空气动力制动器一起，通过发电机功率输出的有源调制实现转子 2和轮毂6在转子平面(在此定义为与三个叶片的外尖端相交的平面) 内的阻尼。本领域技术人员熟悉的已知发电机技术中的元件可以与本 发明一起使用，在此不进行更详细的描述。例如，这些元件可以是斜 式定子绕组或磁体，或者在磁体或定子绕组之间的不规则距离，以避 免钝齿(cogging)等等，但不限于此。
主轴承39是稳定的磁轴承，它如图8所示由永磁体61组成，这
些永磁铁相互指向，以便在它们之间产生排斥力。
虽然定子中的电绕组优选并且通常是无铁芯的，然而，作为选择，
它们可以在区域21、 22中具有铁芯。
如果在径向和轴向均为纯磁轴承(以Halbach阵列)，在电转子 11和定子12之间也可以提供机械轴承(未示出)，该机械轴承在轴向 和径向支撑电转子直到它达到足以使无源磁轴承起作用的速度。
为了在磁稳定轴承内提供径向和轴向阻尼，永磁铁23和61固定 到橡胶底座上。
图8显示組合的磁稳定轴承和由发电机62组成的发电机的一个优 选的横截面(如图6所示的横截面A-A)，该发电机62由具有无铁芯 电绕组24的定子环(安装在轮缘上)12和转子上的永磁体23构成。 具有永磁体23的电转子11是环形轮毂6的一部分并且直接固定到环 形轮毂6上。
图7a、 7b、 7c和7d显示组合的磁稳定轴承和发电机的可选横截 面(如图6所示的横截面A-A)。
图8和9是具有环形轮毂6、并且发电机11安置在环形轮毂6上 的风力发电站的侧视图。电转子11固定到环形轮毂6上。电转子构造 有环形凹槽，定子12位于该凹槽中。该凹槽可以具有朝上(图8)或 朝下(图9)的U型。为了增加可用的磁区域，也可以以几个轴向连 续盘的形式制造发电机和磁轴承，该盘由轴向上的多个凹槽构成并且 具有多个相关的定子环。电转子11和定子12设有磁体，这些磁体一 起形成承受由风栽导致的轴向力和弯曲力矩的磁轴承。发电机11和定 子12也包括电流产生元件，即磁体和定子绕组。也可想到将绕组布置 在电转子上并将磁体布置在定子上。电转子11中的环形凹槽和定子 12可以具有不同的设计，例如如图7a-d和图8所示。
为承受径向力，特别是涡轮转子的重量，提供拉杆或压杆15，该 拉杆或压杆15 —端固定到环形轮毂6上，另 一端固定到中心锚环或锚 板55上，其中该锚环或锚板55径向机械支撑在圆柱管14上。
在环形轮毂上，涡轮转子叶片3、 4、 5也安装在它们各自的节距 轴承上。
图10纯粹示意性地显示了电转子11和定子12在它们安装成一个
单元之前如何组装成经过组装的部件，该经过组装的部件首先安装到
环形轮毂6上然后安装到定子梁13上，或者首先安装在定子梁13上 然后安装到环形轮毂6上。在图中，显示了电转子11和定子12已组 装成一个单元。在生产过程中，电转子ll和定子12被分成多个部件。 在图中，通过线71、 72、 73、 74、 75、 76、 77、 78表示电转子11和 定子12被分成8个部件。由于在定子部件91、 92、 93、 94、 95、 96、 97、 98中的轴承磁体和转子部件81、 82、 83、 84、 85、 86、 87、 88 中的对应轴承磁体之间将产生强大的磁力，所以分段是一个能够更容 易地支配这些力的很好的方案。当各部件已被组装并通过临时的运输 固定方式保持在一起时，将它们分开运输到风力发电站的安装地点并 且在那里将它们组装到轮毂6上成为一个单元。
电转子11和定子12的分段也使得当它们安装到环形轮毂6和定 子梁13上时更容易确保电转子和定子形成一个平面单元。随着各部件 被安装，例如首先安装到环形轮毂6上，将通过使用垫片来调整新的 部件，使得它与已安装的部件在同一平面。当环形轮毂6和各部件已 被安装到一个理想的或接近理想的平面内时，环形轮毂和现在已形成 一个单元的部件被安装到定子梁13上。然后还必须保证，通过使用垫 片消除不规则而将各部件装配成的单元在安装到定子梁13期间保持 在一个理想或接近理想的平面中。因此大尺寸的轮毂和定子梁的建造 公差不严格。在运行期间，涡轮转子绕定子旋转时定子和电转子发生 物理接触的危险将因此大大减小。
本发明也可用作飞行器和水中所有类型的船舶的推进系统。将本 发明的该实例中具有环形轮毂6、节距轴承8、 9、 10以及磁轴承39 的涡轮转子2用作推进器。根据用于此目的的现有技术，调节推进器 的大小、强度以及扭转/坡度等。于是发电机如同电动机一样运转。推 进系统安置在通过推进系统移动的船37上，其中图14和15显示了两 个实例。在船37上或船体上，在本发明的一个变体中，流线型的连接 可以安装到要移动的对象/船体的可能的其他部件上。在本发明的另一 个变体中，推进系统40安置有一个方向舵(未示出)。在本发明的又 一个变体中，安置推进系统40,使得推进系统本身可以可旋转地连接 到船上而绕垂直轴旋转来作为方位推进器。根据现有技术的用于安装
推进器的许多其他构造也是可以的。推进器可以比在此示出的优选实
施方案具有更少或更多的叶片。船37还可以设有多个推进器。
权利要求
1.一种涡轮转子，其用于具有将流动的风或水中的能量转换成电能的直驱发电机的风力发电站或水力发电站，该风力或水力发电站包括一个涡轮转子和一个定子，其特征在于，该涡轮转子还包括一个环形轮毂(6)，该环形轮毂被构造为具有与该定子的中心轴重合的旋转轴的闭合中空外形，并且该涡轮转子包括至少一个转子叶片，所述的转子叶片安置在该环形轮毂上。
2. 根据权利要求1的涡轮转子，其特征在于，该环形轮毂包括发电机转子。
3. 根据权利要求2的涡轮转子，其特征在于，该发电机转子被安 装到该环形轮毂上。
4. 根据权利要求l-3之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮穀 被构造为一个具有圆形横截面的圆环。
5. 根据权利要求l-4之一的涡轮转子，其特征在于，垂直于该风 力涡轮转子的旋转轴贯穿该环形轮毂的截面是环形，其中该环形的外 周和内周是圆形。
6. 根据权利要求l-3之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮毂 被构造为一个具有多边形横截面的圆环。
7. 根据权利要求l-3和6之一的涡轮转子，其特征在于，垂直于 该涡轮转子的旋转轴贯穿该环形轮毂的截面是环形，其中该环形的外 周和内周是多边形。
8. 根据权利要求l-7之一的涡轮转子，其特征在于，从该涡轮转 子的旋转轴到环绕该涡轮转子旋转轴的该环形轮毂外周线的距离是从 该旋转轴到叶尖的该涡轮转子半径的至少1/12。
9. 根据权利要求1-8之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮毂 通过磁轴承支撑在该定子上，该磁轴承由永磁体、电磁体或者两者的 组合组成。
10. 根据权利要求9之一的涡轮转子，其特征在于，该磁轴承是 无源磁轴承。
11. 根据权利要求9的涡轮转子，其特征在于，该磁轴承是磁体 布置成Halbach阵列的无源;磁轴承。
12. 根据权利要求9或11的涡轮转子，其特征在于，用短路的电 导体代替该定子中的磁体。
13. 根据权利要求9的涡轮转子，其特征在于，该磁轴承是电磁 轴承。
14. 根据权利要求9的涡轮转子，其特征在于，安装无导磁铁芯 的电流产生绕组(24)。
15. 根据权利要求14的涡轮转子，其特征在于，该发电机磁体由 布置成Halbach阵列的永磁体组成。
16. 根据权利要求1-8之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮 毂通过常规轴承支撑在该定子上。
17. 根据权利要求1-8之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮 毂通过磁轴承轴向支撑在该定子上并且该环形轮毂通过常规轴承径向 支撑。
18. 根据权利要求1-12之一的涡轮转子，其特征在于，该风力涡 轮转子包括至少两个拉杆，所述拉杆在其笫 一端固定到与该定子的中 心轴同轴的轴承上，并在其第二端固定到该环形轮毂上。
19，根据权利要求18的涡轮转子，其特征在于，这些拉杆位于同 一平面中。
20. 根据权利要求l-19之一的涡轮转子，其特征在于，在中心轴 承(60)上承受来自该涡轮转子的轴向力的小于10%。
21. 根据权利要求l-12之一的涡轮转子，其特征在于，该风力涡 轮转子包括至少两个压杆，所述压杆在其第一端固定到与该定子的中 心轴同轴的轴承上，并在其第二端固定到该环形轮毂上。
22. 根据权利要求21的涡轮转子，其特征在于，该压杆位于同一 平面中。
23. 根据权利要求l-22之一的涡轮转子，其特征在于，从该环形 轮毂的旋转轴到该磁轴承的力传递面的面积中心的最短距离小于从该 环形轮毂的旋转轴到该环形轮毂的横截面的中性轴的距离。
24. 根据权利要求l-23之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮 毂(6 )弯曲到垂直于该环形轮毂旋转轴的平面外的抗弯刚度大于该定 子弯曲到相同平面外的抗弯刚度。
25. 根据权利要求l-23之一的涡轮转子，其特征在于，该环形轮 毂(6)弯曲到垂直于该环形轮毂旋转轴的平面外的抗弯刚度是该定子 弯曲到相同平面外的抗弯刚度的至少两倍。
26. —种用于将流动的风或水中的能量转换成电能的风力或水力 发电站，其特征在于，该风力或水力发电站包括一个根据权利要求l-25 之一的涡轮转子。
27. —种用于具有将电能转换成动能的直驱电动机的推进装置的 涡轮转子，该推进装置包括一个涡轮转子和一个定子，其特征在于， 该涡轮转子包括一个具有与该定子的中心轴线重合的旋转轴的环形轮 毂(6)，并且该涡轮转子包括至少一个转子叶片，所述转子叶片被安 置在该环形轮毂上。
28. 根据权利要求27的涡轮转子，其特征在于，该环形轮毂通过 磁轴承支撑在该定子上。
29. 根据权利要求27-28之一的涡轮转子，其特征在于，该发电 机转子被安装到该环形轮毂上。
30. 根据权利要求27-29之一的涡轮转子，其特征在于，该环形 轮毂被构造为 一个具有圆形横截面的圆环。
31. 根据权利要求27-30之一的涡轮转子，其特征在于，垂直于该风力涡轮转子的旋转轴贯穿该环形轮毂的截面是环形，其中该环形 的外周和内周是圆形。
32. 根据权利要求27-29之一的涡轮转子，其特征在于，该环形 轮毂被构造为一个具有多边形横截面的圆环。
33. 根据权利要求27-29和32之一的涡轮转子，其特征在于，垂直于该涡轮转子的旋转轴贯穿该环形轮毂的截面是环形，其中该环形 的外周和内周是多边形。
34. 根据权利要求27-33之一的涡轮转子，其特征在于，从该涡轮转子的旋转轴到环绕该涡轮转子旋转轴的该环形轮毂的外周线的距 离是从该旋转轴到叶尖的该涡轮转子半径的至少1/12。
35. 根据权利要求27-34之一的涡轮转子，其特征在于，该环形 轮毂通过磁轴承支撑在该定子上。
36. 根据权利要求35的涡轮转子，其特征在于，该磁轴承是无源 磁轴承。
37. 根据权利要求35的涡轮转子，其特征在于，该磁轴承是电磁 轴承。
38. 根据权利要求35的涡轮转子，其特征在于，该环形轮毂通过 常规轴承支撑在该定子上。
39. 根据权利要求27-38之一的涡轮转子，其特征在于，该环形 轮毂通过磁轴承轴向支撑在该定子上并且该环形轮毂通过常规轴承径 向支撑。
40. 根据权利要求27-37之一的涡轮转子，其特征在于，该风力 涡轮转子包括至少两个拉杆，所述拉杆在其第一端固定到与该定子的 中心轴同轴的轴承上，并在其第二端固定到该环形轮毂上。
41. 根据权利要求40的涡轮转子，其特征在于，这些拉杆位于同 一平面中。
42. 根据权利要求27-37之一的涡轮转子，其特征在于，该风力 涡轮转子包括至少两个压杆，所述压杆在其第 一端固定到与该定子的 中心轴同轴的轴承上，并在其第二端固定到该环形轮毂上。
43. 根据权利要求42的涡轮转子，其特征在于，这些压杆位于同 一平面中。
44. 根据权利要求27-43之一的涡轮转子，其特征在于，从该环 形轮毂的旋转轴到该磁轴承的力传递面的面积中心的最短距离小于从 该环形轮毂的旋转轴到该环形轮毂的横截面的中性轴的距离。
45. 根据权利要求l的涡轮转子，其特征在于，该环形轮毂U) 弯曲到穿过该环形轮毂并垂直于该环形轮毂旋转轴的平面外的抗弯刚 度大于该定子弯曲到相同平面外的抗弯刚度。
46. 根据权利要求27-45之一的涡轮转子，其特征在于，该环形 轮毂(6)弯曲到穿过该环形轮毂并垂直于该环形轮毂旋转轴的平面外 的抗弯刚度是该定子弯曲到相同平面外的抗弯刚度的至少两倍。
47. —种包括推进装置的船，其特征在于，该推进装置包括一个 根据权利要求27-46之一的涡轮转子。
48. —种具有将风能转换成电能的直驱发电机的风力或者水力发 电站，其中该风力发电站包括一个定子和一个涡轮转子，所述的涡轮 转子包括一个发电机，其中该发电机或者该定子或者该发电机和该定 子设有能量生产单元，其特征在于，该涡轮转子通过一个磁轴承支撑 在该定子上并且该能量生产单元中的绕组被构造为具有无铁芯。
49. 根据权利要求48的风力或者水力发电站，其特征在于，该涡 轮转子包括一个环形轮毂，所述环形轮毂通过一个磁轴承支撑在该定 子上。
50. 根据权利要求48-49之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该发电机转子被安装到该环形轮毂上。
51. 根据权利要求49-50之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该环形轮毂被构造为一个具有圆形横截面的圆环。
52. 根据权利要求49-51之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，垂直于该涡轮转子的旋转轴贯穿该环形轮毂的截面是环形，其中 该环形的外周和内周是圆形。
53. 根据权利要求49-5Q和52之一的风力或者水力发电站，其特 征在于，该环形轮毂被构造为一个具有多边形横截面的圆环。
54. 根据权利要求49-51和53之一的风力或者水力发电站，其特 征在于，垂直于该涡轮转子的旋转轴贯穿该环形轮毂的截面是环形， 其中该环形的外周和内周是多边形。
55. 根据权利要求49-54之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，从该涡轮转子的旋转轴到环绕该涡轮转子旋转轴的该环形轮毂的 外周线的距离是从该旋转轴到叶尖的该涡轮转子半径的至少1/12。
56. 根据权利要求49-55之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该环形轮毂通过磁轴承支撑在该定子上。
57. 根据权利要求56的风力或者水力发电站，其特征在于，该磁 轴承是无源磁轴承。
58. 根据权利要求56的风力或者水力发电站，其特征在于，该磁 轴承是电磁轴承。
59. 根据权利要求49-55之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该环形轮毂通过常规轴承支撑在该定子上。
60. 根据权利要求49-55之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该环形轮毂通过磁轴承轴向支撑在该定子上并且该环形轮毂通过 常规轴承径向支撑。
61. 根据权利要求48-57之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该风力涡轮转子包括至少两个拉杆，所述拉杆在其第一端固定到 与该定子的中心轴同轴的轴承上，并在其第二端固定到该环形轮毂上。
62. 根据权利要求61的风力或者水力发电站，其特征在于，这些 拉杆位于同一平面内。
63. 根据权利要求48-57之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该风力涡轮转子包括至少两个压杆，所述压杆在其第一端固定到 与该定子的中心轴同轴的轴承上，并在其第二端固定到该环形轮毂上。
64. 根据权利要求63的风力或者水力发电站，其特征在于，这些 压杆位于同一平面内。
65. 根据权利要求49-64之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，从该环形轮毂的旋转轴到该磁轴承的力传递面的面积中心的最短 距离小于从该环形轮毂的旋转轴到该环形轮毂横截面的中性轴的距 离。
66. 根据权利要求49-65之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该环形轮毂(6)弯曲到穿过该环形轮毂并垂直于该环形轮毂旋转 轴的平面外的抗弯刚度大于该定子弯曲到相同平面外的抗弯刚度。
67. 根据权利要求49-66之一的风力或者水力发电站，其特征在 于，该环形轮毂(6 )弯曲穿过该环形轮毂并垂直于该环形轮毂旋转轴倍:
68. —种用于将电转子和具有定子绕组的定子装配在风力或电力 发电站上的直驱发电机中的方法，其中该风力或水力发电站还包括一 个涡轮转子，所述涡轮转子包括一个环形轮毂，并且其中该涡轮转子 通过磁轴承支撑在该定子上，所述磁轴承安置在该定子和发电机上， 所述发电机能够安装到该涡轮转子的环形轮毂上，其特征在于，在装 配过程中执行下列步骤一在工厂中在，受控条件下，分多个部件生产该电转子和具有定 子绕组的该定子；一在工厂中，在受控条件下，将该电转子和具有定子绕组的该定 子的对应部件安装在一起；一将该电转子和具有定子绕组的该定子的经过装配的部件在风力 发电站上安装成一个单元。
69. 根据权利要求68的方法，其特征在于，将相应的转子单元和 定子的经过装配的部件运输到风力发电站所在地之后将它们安装成一个单元。
70. 根据权利要求68的方法，其特征在于，经过装配的部件紧靠 风力涡轮转子的环形轮毂和定子的定子环进行安装。
71. 根据权利要求68或70之一的方法，其特征在于，每次一个 地将所述部件安装到定子环，直到所有部件已被安装完并一起构成一 个单元，然后安装到环形轮毂，或者以相反的次序。
72. 根据权利要求68和70-71之一的方法，其特征在于，安装后 将每个单独部件调整为在其平面中，使得这些部件的最终单元位于一 个理想的或者近乎理想的平面内。
全文摘要
一种涡轮转子，其用于具有将流动的风或水中的能量转换成电能的直驱发电机的风力发电站或水力发电站，其中该风力或水力发电站包括一个涡轮转子和一个定子，并且其中该涡轮转子还包括一个具有与该定子的中心轴重合的旋转轴的环形轮毂(6)，并且其中该涡轮转子包括至少一个转子叶片，所述的转子叶片安置在该环形轮毂上。该涡轮转子也可用作船舶的推进器。
文档编号B63H13/00GK101360914SQ200680046703
公开日2009年2月4日 申请日期2006年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者E·博金 申请人:斯维公司