专利名称：风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括直接驱动发电机的风力涡轮机。
背景技术：
考虑到风力涡轮机的驱动构造，总体上具有两种主要类型的风力 涡轮机。第一种风力涡轮机是更加典型的风力涡轮机，包括布置在主 轴和风力涡轮机的发电机之间的齿轮箱。第二种风力涡轮机是包括直 接驱动发电机的无齿轮类型。这种直接驱动发电机可制造成同步发电 机，具有巻绕转子或连接在转子上的永磁体，或者它可设计成可选择 类型的发电机。独立于直接驱动发电机的所述类型，希望的是即使风 力涡轮机转子、主轴和直接驱动发电机受到载荷，在风力涡轮机和直 接驱动发电机的各自操作过程中，发电机的转子和定子之间的气隙宽 度最好保持稳定，或者至少在一定误差内。
因此，开发了包括直接被驱动发电机的风力涡轮机的驱动构造的 不同轴承配置。迄今为止，直接驱动发电机的典型轴承配置是双轴承 配置。由此连接到风力涡轮机转子上的发电机的转子通过两个轴承朝 着固定内轴或静止内轴支承。定子在一侧连接到固定内轴上。因此， 转子可相对于定子围绕固定内轴转动。具有这种结构的风力涡轮机例
如在EP1641102A1和US483199B2中描述。特别是在整个发电机结构不 仅受到重力和惯性力矩而且受到不平衡的磁引力时，这种结构的缺陷 在于定子的一侧支承使其难以在定子的未支承侧将气隙的宽度保持至 少大致恒定。为了减小此缺陷，具有这种双轴承配置的直接驱动发电 机需要大和沉重的定子支承结构，能够吸收定子的相对大的弯曲力矩。 这种定子结构包括具有多个支承臂的支承构造。
在可选择的构造中，双轴承配置通过单个轴承代替，其中固定内 轴承部分连接在固定内轴上，并且转动外轴承部分支承直接驱动发电 机的转子。包括具有单个轴承的直接驱动发电机的风力涡轮机在 US2006/0152014A1以及W002/057624A1中披露。双轴承通过单个轴承
代替基本上不改变单边支承的定子结构的缺陷。
在某些其它的解决方案中，固定内轴的概念通过转动轴的概念来代替。由于按照转动轴的概念，发电机的定子在两侧支承，更容易将 发电机的转子和定子之间的气隙保持至少大致恒定。公知的转动轴概 念具有两种变型， 一种具有双轴承配置， 一种具有四轴承配置。
按照双轴承配置，发电机的轴承用作风力涡轮机的主轴的轴承， 主轴连接到风力涡轮机的转子上。定子结构朝着主轴支承，并且连接
到风力涡轮机的底板上。具有这种结构的风力涡轮机在US7119453B2 以及WO03/023943A2中披露。这种结构的缺陷在于定子结构需要设置 尺寸来吸收和传递所有的风力涡轮机转子载荷(即风力涡轮机转子的 重量)以及所有不对称的空气动力栽荷，以便将气隙的宽度保持在所 需误差内。在大型风力涡轮机上，这造成非常沉重和昂贵的定子结构。
在四轴承配置中，风力涡轮机的在其一端处连接到风力涡轮机转 子上的主轴通过其本身两个轴承支承，并且在其另一端处承载直接驱 动发电机。直接驱动发电机具有双轴承配置，以便转子在定子内对中。 这种风力涡轮机的实例在US6781276B1中描述。在此安装主轴的配置 中，发电机定子通过发电机转子承载，并且扭矩经由扭矩臂配置从发 电机传递到风力涡轮机底板。扭矩臂配置需要包括一定的例如通过橡 胶元件实现的柔性，允许主轴-发电机结构和涡轮机底板之间微小的不 对准。定子在转子上的双边支承允许重量相对轻的定子结构。这种结 构的主要缺陷在于全部扭矩至少部分经过轴承。另外，对于大型风力 涡轮机来说，扭矩臂配置变成相当沉重的结构。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种以如下方式最初描述的风力涡轮 机，即风力涡轮机最好具有相对重量轻的结构。
此目的通过一种用于包括保持装置、主轴和直接驱动或直接被驱 动发电机的风力涡轮机来新颖地实现，其包括具有第一和第二支承元 件的转子和具有第一和第二支承元件的定子，其中主轴通过第一和笫 二轴承相对于保持装置枢转，转子的第一支承元件和主轴至少间接相
互连接，定子的第一支承元件通过第三轴承支承在主轴上和/或转子的 第一支承元件上，定子的第二支承元件和保持装置相互连接，并且转 子的第二支承元件通过第四轴承支承在保持装置和/或定子的第二支 承元件上，因此，本发明的风力涡轮机包括四轴承配置。由此第一和 第二轴承支承与风力涡轮机转子连接的主轴。主轴将风力涡轮机扭矩传递到发电机转子，并且最好在发电机的前侧支承发电机的转子和发 电机的定子。其第一支承元件至少间接牢固配置在主轴上的转子因此 通过主轴经由主轴上的至少间接牢固配置直接支承，定子经由第三轴 承支承，第三轴承至少间接配置在主轴和/或转子的第一支承元件上， 并且连接到定子的第一支承元件上。在发电机的另一侧上，最好在发 电机的后侧，发电机支承在保持装置上。其第二支承元件至少间接牢 固配置在保持装置上的定子因此通过保持装置经由保持装置上的至少 间接牢固配置直接支承，转子经由第四轴承支承，第四轴承至少间接 配置在保持装置和/或定子的第二支承元件上，并且连接到定子的第二 支承元件上。
根据本发明风力涡轮机的结构，发电机的转子能够和主轴一起转 动。另外，发电机的转子和定子在发电机的两侧上支承。因此，由于 转子和定子的支承元件形式的两侧支承，本发明的概念可以在发电机 的转子和定子之间保持相对窄小的良好限定的气隙。因此，不仅转子 而且定子以及整个风力涡轮机能够构造成重量更轻。除了来自于风力 涡轮机转子和主轴的载荷之外，第一和笫二轴承承栽发电机的大致一
半重量；发电机的大致另一半重量直接支承在保持装置上。
按照本发明的实施例，转子的第一支承元件包括第一环状或环形 转子端板和/或转子的笫二支承元件包括第二环状或环形转子端板。以 类似方式，定子的第一支承元件包括第一环状或环形定子端板，和/或 定子的第二支承元件包括第二环状或环形定子端板。转子和定子的所
有所述的支承元件最好成形为环形端板。
在本发明的另一变型中，转子和/或定子的例如至少一个环形端板 的至少一个支承元件相对于主轴的中心轴线大致垂直配置，和/或其中 例如至少一个环形端板的至少一个支承元件在主轴的中心轴线的方向 上至少部分地具有一定程度的柔性。最好是特别是环形端板形式的所 有支承元件相对于主轴的中心轴线大致垂直配置。由此，四个环形端 板大致相互平行配置。
按照本发明的实施例，转子的至少一个支承元件和定子的至少一 个支承元件在主轴的中心轴线的方向上至少部分地具有一定程度的柔 性。最好是，牢固支承在主轴上的转子的例如第一环形转子端板的第 一支承元件以及牢固支承在保持装置上的定子的例如第二环形定子端板的第二支承元件在主轴的中心轴线的方向上至少部分地具有一定程 度的柔性。
四轴承结构或配置可有时是静态不确定的。在这种情况下，由于 安装误差造成的任何不对准或由于主轴和/或直接驱动发电机的重力
均匀载荷分布，继而造成轴承过早失效。因此，特别是发电机的转子 和定子的环形端板的支承元件相对于主轴的中心轴线大致垂直配置， 并且转子的至少一个环形端板和定子的至少一个环形端板在主轴的中 心轴线的方向上至少部分地具有一定足够程度的柔性。如上所述，最
好是牢固支承在主轴上的第一环形转子端板以及牢固支承在保持装置 上的笫二环形定子端板在主轴的中心轴线的方向上至少部分地具有一
定程度的柔性。由于它们分别牢固支承在主轴和保持装置上，选择具 有一定柔性的这些环形端板。以此方式，在例如第一定子端板和第二 转子端板包括柔性时可以避免在第三和第四轴承上出现的较高载荷。
因此，四轴承配置的静态不确定性的潜在问题在本发明的此实施 例的情况下通过形成第一环形转子端板和第二环形定子端板在主轴的 中心轴线的方向上具有足够柔性来消除。这些环形端板用作在径向上 牢固支承转子和定子的薄膜，以便保持气隙，但是容易柔曲，以便使 得主轴弯曲，而没有很大阻力。由此环形端板最好是平的，并且依据 材料具有如下的尺寸和/或环形端板的结构，使得环形端板具有相对小 的弯曲刚性。在例如主轴由于偏转而稍微移位时，它们简单被动柔曲， 同时保持气隙的宽度。
按照本发明的另一实施例，转子包括相互连接转子的第一和第二 支承元件的结合元件。通常，转子的结合元件是在转子的例如永磁体 的外周边部件上承载的环形元件。
按照本发明的变型，定子包括相互连接定子的第一和第二支承元 件的壳体元件。最好是定子的第一支承元件、定子的第二支承元件以 及壳体元件形成大致中空的圆柱体，类似于围绕转子配置的壳体.通 常，定子的壳体元件是在定子的例如电气定子元件的内周边电气部件 上承载的环形元件。
按照本发明的另一变型，第四轴承包括内轴承壳和外轴承壳，其 中第四轴承的内轴承壳连接到保持装置和/或定子的第二支承元件上。由于定子的第二支承元件连接到保持装置上，第四轴承的内轴承壳通 常牢固地、但可拆卸地连接到定子的第二支承元件或保持装置上。
在本发明的变型中转子的第二支承元件和第四轴承的外轴承壳相 互连接。通常，转子的第二支承元件牢固、但可拆卸地连接到第四轴 承的外轴承壳上。
在本发明的另一实施例中，第三轴承包括内轴承壳和外轴承壳， 其中第三轴承的内轴承壳和主轴相互连接。最好是，第三轴承的内轴
承壳牢固、但可拆卸地连接在主轴上。
按照本发明的变型，转子的第一支承元件和第三轴承的内轴承壳 相互连接'最好是转子的第一支承元件牢固、但可拆卸地连接在第三 轴承的内轴承壳上。
在本发明的另一变型中，定子的笫一支承元件和第三轴承的外壳 相互连接。最好是，定子的第一支承元件牢固、但可拆卸地连接在第 三轴承的外轴承壳上。
在本发明的另一变型中，保持装置包括底板和/或主框架和/或固 定轴。最好是例如保持臂形式的主框架配置在底板上，并且固定轴连 接在主框架上。在本发明的实施例中，主轴通过第一和第二轴承在固 定轴上枢转。
按照本发明的另一实施例，风力涡轮机包括塔，其中直接驱动发 电机配置在塔的逆风侧或顺风侧上。
下面将参考示意附图来更加详细地描述本发明，其中 图1表示本发明风力涡轮机的一部分；以及 图2以放大形式表示主轴和图1的风力涡轮机的直接驱动发电机 的一部分。
具体实施例方式
图1示意表示本发明风力涡轮机1的第一实施例，包括配置在风 力涡轮机1的塔3的逆风侧上的本发明直接驱动或直接被驱动发电机 2
塔凸缘4配置在塔3的顶部上。保持装置配置在塔凸缘4上，在 本发明的当前实施例的情况下包括底板5、保持臂6形式的保持框架以 及静止或固定中空轴7。底板5连接在塔凸缘4上。风力涡轮机l以未明确表示的方式包括偏航系统，以便和风力涡轮机1的直接或间接连
接到底板5上的其它部件一起围绕塔3的中心轴线Y转动风力涡轮机1 的底板5。
保持臂6以其底座侧直接配置在底板5上。在其它侧上，保持臂6 包括凸缘8。固定轴7通过凸缘9连接到凸缘8上。保持臂6的环形凸 缘8和固定轴7的环形凸缘9通过围绕环形凸缘配置的多个螺栓栓接 在一起。
主轴10或主转子管10通过第一主轴承11和第二主轴承12在固 定轴7上枢转。通过固定轴7支承的每个主轴承11、 12包括内部和外 部轴承壳。两个主轴承ll、 12的内部轴承壳安装在固定轴7上，而两 个主轴承ll、 12的外部轴承壳安装在主轴10内侧。
在前端上，主轴10包括环形凸缘13。环形凸缘13牢固但可拆卸 地连接到风力涡轮机1的轮毂14上。轮毂14包括用于三个未明确示 出、但公知的转子叶片的三个安装装置。
在本发明的当前实施例的情况下，所述直接驱动或直接被驱动发 电机大致围绕主轴10配置。直接驱动发电机2包括转子16或转子配 置16以及定子17或定子配置17。
在本发明当前实施例的情况下，转子16包括第一环形转子端板18 形式的第一支承元件18、第二环形转子端板19形式的第二支承元件 19以及相互连接第一转子端板18和第二转子端板19的环形结合元件 20。如图2所示，结合元件20包括前侧上的凸缘21以及后侧上的凸 缘22。第一或前部转子端板18具有凸缘23，并且第二或后部转子端 板19具有凸缘24。在本发明的当前实施例的情况下，凸缘21和23以 及凸缘22和24栓接在一起，以便形成转子16。由此结合元件20围绕 其外周边承栽未详细示出的永磁体25。
在本发明当前实施例的情况下，定子17包括第一环形定子端板26 形式的第一支承元件26、第二环形定子端板27形式的第二支承元件 27以及相互连接第一定子端板26和第二定子端板27的环形壳体元件 28。如图2所示，壳体元件28具有前侧上的凸缘29和后侧上的凸缘 30。第一或前部定子端板26具有凸缘31，并且第二或后部定子端板 27具有凸缘32。在本发明的当前实施例的情况下，凸缘29和31以及 凸缘30和32栓接在一起，以便形成定子17。由此壳体元件28围绕其内周边承载未详细示出、但公知的电气定子元件33，例如定子绕组、 定子轭等。
定子17的电气定子元件33和转子16的永磁体25以中间环形气 隙34相对配置。气隙34的宽度非常小，使得气隙34在图2中未明确 示出。下面，只说明气隙34位于转子16和定子17之间。
为了使得定子16和主轴IO—起围绕主轴10的中心轴线A相对于 定子17转动，风力涡轮机l、特别是直接驱动发电机2包括第三或前 部发电机轴承35以及第四或后部发电机轴承36。
第三轴承35在本发明的当前实施例的情况下连接在主轴10的凸 缘37上。更准确的是第三轴承35的内轴承壳38牢固连接在主轴10 的凸缘37上。第三轴承35的内轴承壳38另外牢固连接在支承转子16 的前部的第一转子端板18上。第三轴承35的外轴承壳39牢固连接在 支承定子17的前部的第一定子端板26上。
定子17的后部通过牢固连接在固定轴7的凸缘9以及保持装置上 的第二定子端板27支承。在本发明当前实施例的情况下，第四轴承36 的内轴承壳40牢固连接在第二定子端板27上，并且支承转子16后部 的笫二转子端板19牢固连接在第四轴承36的外轴承壳41上。
根据包括主轴10、笫一主轴承ll、第二主轴承12、转子16、定 子17、第三轴承35和第四轴承36的所述配置，主轴IO在风力涡轮机 1的操作中和转子16 —起相对于定子17转动。
在本发明的当前实施例的情况下，为了避免四轴承配置静态不确 定的情况，牢固支承在主轴10上的第一转子端板18和牢固支承在保 持装置上的第二定子端板27在主轴10的中心轴线A的方向上包括一 定和足够程度的柔性。由此这些端板18、 27用作将转子16和定子17 在径向上大致牢固支承的薄膜，以便保持气隙34的宽度，但是容易柔 曲，使得主轴10弯曲而没有大的阻力。特别是端板18、 27具有使其 具有相对小的弯曲刚性的尺寸。在例如主轴10由于偏转而略微移位时， 它们简单被动柔曲。因此在主轴10出现弯曲时，与转子16和定子连 接，第一转子端板18和第二定子端板27在转动轴线A的方向上大致 以各自方式弯曲，其中气隙34的宽度保持大致恒定或者在所需误差内。
由于四轴承配置，除了来自于风力涡轮机转子和主轴IO的载荷之 外，两个主轴承ll、 12承载发电机2的大致一半的重量，发电机2的大致另一半的重量直接支承在保持装置上。第三或前部发电机轴承35 承栽定子17的大致一半的重量，定子17的大致另一半的重量支承在 保持装置上。第四或后部发电机轴承36承载转子16的大致一半的重 量，转子16的大致另一半的重量支承在主轴10。
根据风力涡轮机的所述结构或构造，特别根据包括第三和第四轴 承的所述发电机配置，转子16和定子17在两侧支承，即前侧和后侧。 这使得转子重量更轻，特别是定子结构重量更轻，其中特别是端板等 定子支承结构的定子结构尺寸更小，以便在风力涡轮机1的操作中， 沿着中心轴线A的方向并围绕周边，将气隙34保持在所需误差内。
不同于本发明的所述实施例，第一定子端板26和笫二环形定子端 板19能够在主轴10的中心轴线A的方向上包括一定程度的柔性，而 第一转子端板18和第二环形定子端板27不具有这种柔性。同样在这 种情况下，气隙34的宽度能够保持大致恒定或者至少在所需误差内。
具有一定柔性的环形转子端板和环形定子端板不需要在整个端板 上具有柔性。因此，环形端板能够具有不同区域。各自环形转子端板 可具有例如用于连接第三轴承的相对刚性的区域，以及在中心轴线A 的方向上具有所述柔性的区域。以相同方式，各自环形定子端板可具 有例如用于连接第四轴承的相对刚性区域，以及在中心轴线A的方向 上具有所述柔性的区域。
第一环形转子端板能够直接配置在主轴上。在这种情况下，第三 轴承能够直接连接到主轴或者第一环形转子端板上。
不需要将笫四轴承连接到第二环形定子端板上。第四轴承还能够 直接连接到例如固定轴或保持框架或臂的保持装置上。
通常，环形端板由适当金属或金属合金制成。
不同于以上描述，直接驱动发电机还能够配置在塔的顺风侧上。
顺便，风力涡轮机l包括通常称为机舱的壳体H，机抢包括发电机 2和至少一部分保持装置。
权利要求
1. 风力涡轮机，包括保持装置(5、6、7)；主轴(10)；以及直接驱动发电机(2)，包括转子(16)，具有第一和第二支承元件(18、19)；以及定子(17)，具有第一和第二支承元件(26、27)；其中主轴(10)相对于保持装置(5、6、7)通过第一轴承(11)和第二轴承(12)枢转；转子(16)的第一支承元件(18)和主轴(10)相互连接；定子(17)的第一支承元件(26)通过第三轴承(35)支承在主轴(10)和/或转子(16)的第一支承元件(18)上；定子(17)的第二支承元件(27)和保持装置(5、6、7)相互连接；以及转子(16)的第二支承元件(19)通过第四轴承(36)支承在保持装置(5、6、7)和/或定子(17)的第二支承元件(27)上。
2. 如权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，转子(16)的 第一支承元件(18 )包括第一环形转子端板(18 )和/或转子(16 )的 第二支承元件(19 )包括第二环形转子端板(19 )，和/或其中定子(17 ) 的第一支承元件(26)包括第一环形定子端板(26)和/或定子(17) 的第二支承元件(27)包括笫二环形定子端板(27)。
3. 如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，转子(16) 和/或定子(17)的至少一个支承元件(18、 27)相对于主轴(10)的 中心轴线(A)大致垂直配置，和/或其中至少一个支承元件(18、 27) 在主轴(10)的中心轴线(A)的方向上至少部分地具有一定程度的柔 性。
4. 如权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，转子(16)的 至少一个支承元件(18)和定子(17)的至少一个支承元件(27)在 主轴(10)的中心轴线(A)的方向上至少部分地具有一定程度的柔性。
5. 如权利要求3或4所迷的风力涡轮机，其特征在于，牢固支承 在主轴(10)上的转子(16)的第一支承元件(18)以及牢固支承在 保持装置(5、 6、 7)上的定子(17)的第二支承元件(27)在主轴(10)的中心轴线(A)的方向上至少部分地具有一定程度的柔性。
6. 如权利要求l-5任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，转子(16) 包括相互连接转子(16)的第一和第二支承元件(l8、 19)的 结合元件(20)。
7. 如权利要求l-6任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，定子(17) 包括相互连接定子(l7)的第一和第二支承元件(26、 27)的 壳体元件(28)。
8. 如权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，定子(17)的 第一支承元件(26 )、定子(17 )的第二支承元件(27 )以及壳体元件(28)形成大致中空的圓柱体，类似于围绕转子(16)配置的壳体。
9. 如权利要求l-8任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，第四 轴承(36)包括内轴承壳H0)和外轴承壳(")，其中第四轴承(36) 的内轴承壳(40)连接到保持装置(5、 6、 7)和/或定子(l7)的第 二支承元件(27)上。
10. 如权利要求1-9任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，第 四轴承(36)包括内轴承壳(40)和外轴承壳(")，其中转子(IO 的第二支承元件(19 )和第四轴承(36 )的外轴承壳(")相互连接。
11. 如权利要求l-10任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，第 三轴承(35 )包括内轴承壳(38 )和外轴承壳(39 ),其中第三轴承(35 ) 的内轴承壳(38)和主轴(10)相互连接。
12. 如权利要求1-11任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，第 三轴承(35)包括内轴承壳(38)和外轴承壳(39)，其中转子(l6) 的第一支承元件(18)和第三轴承(35)的内轴承壳(38)相互连接。
13. 如权利要求l-12任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，第 三轴承(35)包括内轴承壳(38)和外轴承壳(39)，其中定子(l7) 的第一支承元件(26 )和笫三轴承(35 )的外轴承壳(39 )相互连接。
14. 如权利要求l-13任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，保 持装置包括底板(5)和/或主框架(6)和/或固定轴(7)。
15. 如权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，主框架(6) 配置在底板(5 )上，并且固定轴(7 )连接在主框架(6 )上。
16. 如权利要求14或15所述的风力涡轮机，其特征在于，主轴 (10)通过笫一轴承(11)和笫二轴承(l2)在固定轴(7)上枢转。
17.如权利要求1或16任一项所述的风力涡轮机，包括塔(3)， 其中直接驱动发电机(2)配置在塔(3)的逆风侧或顺风侧上。
全文摘要
本发明涉及一种风力涡轮机。风力涡轮机包括保持装置、主轴、以及直接驱动发电机，发电机包括具有第一和第二支撑元件的转子以及具有第一和第二支撑元件的定子；其中主轴相对于保持装置通过第一轴承和第二轴承枢转；转子的第一支撑元件和主轴相互连接；定子的第一支撑元件通过第三轴承支撑在主轴和/或转子的第一支撑元件上；定子的第二支撑元件和保持装置相互连接；以及转子的第二支撑元件通过第四轴承支撑在保持装置和/或定子的第二支撑元件上。
文档编号F03D9/00GK101446268SQ200810178749
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者H·斯蒂斯达尔 申请人:西门子公司