发电机组件和用于冷却或清洁发电机的滑环组件的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及发电机组件和用于冷却或清洁发电机的滑环组件的系统。本公开涉及用于冷却或清洁风力涡轮(10)的发电机(24)的滑环组件(55)的系统(70)和方法。滑环组件至少部分地封闭在滑环隔室(54)中。另外，滑环组件包括安装到可旋转轴(34)上的电传导滑环(56)和固定传导环组件(57)，滑环接触部件(60)安装在固定传导环组件(57)上。导管组件(72)构造成将流体引导到滑环隔室(54)中，以便冷却或清洁滑环隔室(54)。另外，导管组件(72)从第一端(74)延伸到第二端(75)。更特别地，第一端(74)构造在发电机(24)的入口处或其前面，而第二端(75)则构造在滑环隔室(54)处。
【专利说明】
发电机组件和用于冷却或清洁发电机的滑环组件的系统
技术领域
[0001]本公开大体涉及风力涡轮，并且更特别地，涉及用于冷却风力涡轮发电机、特别是发电机的滑环隔室的系统和方法。
【背景技术】
[0002]风力被认为是目前可获得的最干净、最环境友好的能源之一，而且就此而言风力涡轮已经得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。机舱包括联接到齿轮箱和发电机上的转子。转子和齿轮箱安装在位于机舱内的底板支承框架上。更特别地，在许多风力涡轮中，齿轮箱通过一个或多个扭矩支承件或臂来安装到底板上。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕捉风的动能。转子叶片以旋转能的形式传递动能，以便使将转子叶片联接到齿轮箱上(或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机上)的轴转动。然后发电机将机械能转换成电能，电能可部署到公用电网。
[0003]在一些情况下，风力涡轮的发电机可为双馈感应发电机(DFIG)，它通过滑环对转子绕组供应电流。电流典型地通过安装在固定传导环上的电刷来应用于滑环。通常，这样的系统中的滑环处于低电压。一些高电压系统也采用滑环来实现诸如功率传送的目的。在这方面参照Rauhut的美国专利N0.3，471，708，一种用于联接频率差小的多相系统的旋转变压器。
[0004]典型地在这样的发电机中使用的碳刷会随着时间的推移而磨损。另外，由于碳尘积聚和膨胀而导致的电刷保持器中的粘连可导致产生电弧，以及使集电环严重失效。另外，由于电损耗和机械摩擦，这样的发电机中的运行元件可变得非常热。电刷磨损，以及集电环部分中的过热可导致发电机失效。这样的失效会致使涡轮停机，这意味着除了更换失效硬件的费用之外，涡轮业主的收益流有损失。
[0005]考虑到上面提到的内容，在领域中将期望有对滑环隔室提供冷却和/或清洁，以提高涡轮的整体运行的系统和方法。
【实用新型内容】
[0006]将在以下描述中部分地阐述本实用新型的各方面和优点，或者根据描述，本实用新型的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本实用新型来学习本实用新型的各方面和优点。
[0007]—方面，本公开涉及一种用于风力涡轮的发电机组件。发电机组件包括:转子组件，转子组件具有围绕可旋转轴旋转的转子绕组;具有定子绕组的定子;滑环组件；以及导管组件。滑环组件构造成对转子组件应用电流，并且至少部分地封闭在滑环隔室中。另外，滑环组件包括安装到可旋转轴上的电传导滑环和固定传导环组件，滑环接触部件安装在固定传导环组件上。导管组件构造成将流体引导到滑环隔室中，以便冷却或清洁滑环组件。另夕卜，导管组件从第一端延伸到第二端。更特别地，第一端构造在发电机组件的入口处或其前面，并且第二端构造有滑环隔室。
[0008]在一个实施例中，发电机组件还包括构造成至少部分地封闭转子组件和定子的发电机壳体。另外，发电机组件还可包括发电机热交换器和风扇，它们两者构造成控制发电机壳体的温度。因而，在特定实施例中，导管组件可构造在发电机热交换器的入口处或其前面，以及构造在风扇后面，使得风扇引导冷却流体通过导管组件，即，在吸热之前。
[0009]在某些实施例中，导管组件可包括布置在第一端和第二端之间的多个导管部件。另外，导管组件还可包括一个或多个笔直导管部件、弯折导管部件和/或弯曲导管部件，其从第一端到第二端而布置成将流体从发电机组件的入口引导到滑环隔室。另外，导管组件还可包括一个或多个支承支架，支承支架构造成将一个或多个导管部件支承和/或安装到发电机壳体的外表面上。
[0010]在特定实施例中，滑环接触部件可包括电刷，例如炭刷。仍然在额外的实施例中，流体可包括周围空气。
[0011]在另一方面，本公开涉及一种用于冷却或清洁发电机的滑环组件的系统。滑环组件至少部分地封闭在滑环隔室中，并且包含安装到可旋转轴上的电传导滑环和固定传导环组件，滑环接触部件安装在固定传导环组件上。因而，系统包括导管组件构造成将流体引导到滑环隔室中，以便冷却或清洁滑环组件。另外，导管组件从第一端延伸到第二端。更特别地，第一端构造在发电机的入口处或其前面，而第二端则构造有滑环隔室。应当理解，系统可进一步构造有本文描述的任何额外的特征。
[0012]在又一方面，本公开涉及一种用于冷却或清洁发电机的滑环组件的方法。滑环组件至少部分地封闭在滑环隔室中，并且包含安装到可旋转轴上的电传导滑环和固定传导环组件，滑环接触部件安装在固定传导环组件上。因而，方法包括将具有第一端和第二端的导管组件安装到发电机上。更特别地，方法包括将导管组件的第一端安装在发电机的入口处或其前面，以及将第二端安装在滑环隔室处。另外，方法包括通过导管组件将流体从发电机的入口引导到滑环隔室。
[0013]在另一个实施例中，方法包括通过发电机的现有风扇，引导流体通过导管组件。应当理解，方法可进一步包括本文描述的任何额外的步骤和/或特征。
[0014]参照以下描述和所附权利要求，本实用新型的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。附图结合在本说明书中，并且构成说明书的一部分，附图示出本实用新型的实施例，并且和描述一起用来阐明本实用新型的原理。
【附图说明】
[0015]在说明书中对本领域普通技术人员阐述本实用新型的完全和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中:
[0016]图1示出根据本公开的一个实施例的风力涡轮的一个实施例的透视图；
[0017]图2示出根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的简化内部视图的透视图；
[0018]图3示出根据本公开的风力涡轮的发电机的一个实施例的内部横截面图；
[0019]图4示出根据本公开的用于冷却或清洁风力涡轮的发电机的滑环隔室的系统的一个实施例的内部透视图；
[0020]图5示出根据本公开的用于冷却或清洁风力涡轮的发电机的滑环组件的系统的一个实施例的侧视图；
[0021]图6示出根据本公开的用于冷却或清洁风力涡轮的发电机的滑环组件的系统的一个实施例的端视图；以及
[0022]图7示出根据本公开的用于冷却或清洁风力涡轮的发电机的滑环组件的方法的一个实施例的流程图。
[0023]部件列表
[0024]10风力涡轮
[0025]12 塔架
[0026]14基础/支承表面
[0027]16 机舱
[0028]18 转子
[0029]20可旋转毂
[0030]22转子叶片
[0031]24发电机
[0032]25发电机壳体
[0033]26控制器
[0034]28变桨轴线
[0035]30热交换器
[0036]32变桨调节机构
[0037]34转子轴
[0038]35主轴承
[0039]36发电机轴
[0040]38齿轮箱
[0041 ]40变桨驱动马达
[0042]42变桨驱动齿轮箱
[0043]44变桨驱动小齿轮
[0044]46变桨轴承
[0045]48底板支承框架
[0046]50扭矩支承件
[0047]52 风扇
[0048]54滑环隔室
[0049]55滑环组件
[0050]56传导滑环
[0051 ]57固定传导环组件
[0052]58滑动接触环
[0053]59滑环本体
[0054]60滑环接触部件
[0055]62转子组件
[0056]64发电机定子
[0057]70 系统
[0058]72导管组件
[0059]74 第一端
[0060]75 第二端[0061 ]76导管部件
[0062]78支承支架
[0063]100 方法
[0064]102方法步骤
[0065]104方法步骤。
【具体实施方式】
[0066]现在将详细参照本实用新型的实施例，在图中示出实施例的一个或多个示例。以阐明本实用新型而非限制本实用新型的方式提供各个示例。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，可在不偏离本实用新型的范围或精神的情况下，对本实用新型作出各种修改和改变。例如，被示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生另一个实施例。因而，意于的是本实用新型覆盖在所附权利要求和它们的等效物的范围内的这样的修改和改变。
[0067]大体上，本公开涉及用于冷却或清洁风力涡轮的发电机的滑环组件的系统和方法。滑环组件封闭在滑环隔室中，并且包含安装到可旋转轴上的电传导滑环和固定传导环组件，滑环接触部件安装在固定传导环组件上。因此，系统包括导管组件，导管组件构造成将周围空气引导到滑环隔室中，以便冷却或清洁滑环隔室。更特别地，导管组件的第一端构造在发电机的入口处或其前面，而第二端则构造在滑环隔室处。因而，导管组件将空气从发电机的前入口中引出，并且绕过转子/定子组件，以便将冷却空气直接引导到滑环隔室，以消除对已吸热的冷却空气的使用。
[0068]本公开提供现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的系统改进滑环接触部件(例如碳刷)的磨损率，以及减轻由于碳尘积聚和膨胀而导致的电刷保持器中的粘连。粘连电刷可导致产生电弧和集电环严重失效，因此，改进的冷却使得滑环运行和电刷寿命得到改进。因而，单元由于电刷失效而停机的时间减少，并且电刷寿命增加。另外，维护时间间隔和成本降低。另外，在某些实施例中，本公开的系统和方法使用现有的发电机构件，例如发电机风扇，因此系统成本较廉价。
[0069]现在参照附图，图1示出根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所显示的那样，风力涡轮10大体包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转轮毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到轮毂20上，并且从轮毂20向外延伸。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。但是，在备选实施例中，转子18可包括超过或不到三个转子叶片22。各个转子叶片22可围绕轮毂20间隔开，以有利于旋转转子18，以使得动能能够由风转变成可用的机械能，并且随后转变成电能。例如，轮毂20可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机24上(图2)，以容许产生电能。
[0070]风力涡轮10还可包括集中在机舱16内的风力涡轮控制器26。但是，在其它实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其它构件内，或者位于风力涡轮10外部的位置处。另夕卜，控制器26可通信地联接到风力涡轮10的任何数量的构件上，以便控制构件。因而，控制器26可包括计算机或其它适当的处理单元。因而，在若干实施例中，控制器26可包括适当的计算机可读指令，当实现时，指令将控制器26配置成执行各种不同的功能，诸如接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号。
[0071]现在参照图2，示出了图1中显示的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如所显示的那样，发电机组件24可联接到转子18上，以用转子18产生的旋转能产生电功率。例如，如示出的实施例中显示的那样，转子18可包括转子轴34，转子轴34联接到轮毂20上而随其旋转。转子轴34进而可通过齿轮箱38可旋转地联接到发电机24的发电机轴36上。另外，齿轮箱38通过一个或多个扭矩支承件50连接到底板支承框架48上。如一般理解的那样，转子轴34响应于转子叶片22和轮毂20的旋转，对齿轮箱38提供低速、高扭矩输入。然后齿轮箱38将低速、高扭矩输入转换成高速、低扭矩输出，以驱动发电机轴36，并且因而驱动发电机24。
[0072]各个转子叶片22还可包括变桨调节机构32，其构造成使各个转子叶片22围绕其变桨轴线28旋转，这取决于风速和/或风向。因而，变桨叶片22直接影响发电机24的功率输出。更特别地，各个变桨调节机构32可包括变桨驱动马达40(例如，任何适当的电动马达、液压马达或气动马达)、变桨驱动齿轮箱42和变桨驱动小齿轮44。在这样的实施例中，变桨驱动马达40可联接到变桨驱动齿轮箱42上，使得变桨驱动马达40对变桨驱动齿轮箱42施加机械力。类似地，变桨驱动齿轮箱42可联接到变桨驱动小齿轮44上，以随其旋转。变桨驱动小齿轮44进而可与联接在轮毂20和对应的转子叶片22之间的变桨轴承46处于旋转接合，使得变桨驱动小齿轮44的旋转使变桨轴承46旋转。因而，在这样的实施例中，变桨驱动马达40的旋转驱动变桨驱动齿轮箱42和变桨驱动小齿轮44，从而使变桨轴承46和转子叶片22围绕变桨轴线28旋转。类似地，风力涡轮10可包括通信地联接到控制器26上的一个或多个偏航驱动机构66，其中各个偏航驱动机构(一个或多个)66构造成改变机舱16相对于风的角(例如，通过接合风力涡轮10的偏航轴承68)。
[0073]现在参照图3，示出根据本公开的发电机组件24的一个实施例的横截面图。例如，如所显示的那样，发电机24可为双馈感应发电机(DFIG)，但任何其它类型的发电机也都在本实用新型的范围和精神内。更特别地，发电机24包括发电机壳体25，发电机壳体25包含转子组件62和定子64，转子组件62具有转子绕组，转子绕组围绕可旋转轴36旋转，定子64具有定子绕组。另外，如所显示的那样，转子组件62操作性地与定子64联接。更特别地，发电机24的转子组件62通过传动系系统(S卩，高速轴34、低速轴36、轴承和齿轮箱38)机械地连接到风力涡轮10上。此外，转子组件62由双向电压源转换器进行供给。从而，通过控制功率转换器的转子侧转换器(未显示)来调整发电机24的速度和扭矩。定子64将功率传送到电网，同时发电机转子62可处理两个方向上的功率。转换器控制转子电路电流、频率和相角偏移。这样的感应发电机能够在广泛的滑动范围(典型地同步速度的±30%)中运行。因此，DFIG提供许多优点，诸如高能产量、机械应力和功率波动减小，以及提供控制无功功率的能力。
[0074]另外，发电机组件24还可包括各种冷却构件，它们构造成冷却发电机壳体25内的构件。例如，如所显不的那样，发电机组件24包括在发电机壳体25内的发电机热交换器30和/或风扇52。另外，如虚线指示的那样，风扇30构造成引导周围空气穿过转子组件62和定子64。另外，热交换器30构造成控制发电机壳体25内的温度，以便使转子组件62和定子64的运行温度保持在安全运行范围内。
[0075]仍然参照图3，发电机组件24还包括构造成对转子组件62应用电流的滑环组件55。如所显示的那样，滑环组件55至少部分地封闭在滑环隔室54(或集电环隔室)中。滑环隔室54还容纳相关联的滑环接触部件60，滑环接触部件60对转子62的绕组供应电流。更特别地，滑环组件55包括安装到可旋转轴36上的电传导滑环56和固定传导环组件57，滑环接触部件60安装在固定传导环组件57上。另外，传导滑环56包括滑环本体59和滑动接触环58。因而，电流典型地通过安装在固定传导环组件57上的滑环接触部件60(例如碳刷)来应用于接触环58。如所提到的那样，电刷60可随着时间的推移在使用时磨损。另外，来自用旧的电刷的灰尘可积聚和污染绝缘表面，从而在内滑环隔室54引导不合需要的影响。此外，DFIG 24中的运行元件可能过热，从而导致额外的损伤。
[0076]因此，本公开涉及用于冷却和/或清洁滑环组件55，以防止出现本文描述的不合需要的影响的系统70。例如，如图4-6中显示的那样，示出根据本公开，用于冷却或清洁发电机24的滑环隔室54的系统70的一个实施例的各种视图。更特别地，图4示出系统70的透视图；图5示出系统70的侧视图；并且图6示出根据本公开的系统70的端视图。如所显示的那样，系统70包括导管组件72，导管组件72构造成将流体(例如周围空气)引导到滑环隔室54中，以便冷却或清洁滑环组件55。另外，导管组件72从第一端74延伸到第二端75。更特别地，第一端74构造在发电机24的入口处或其前面，而第二端75则构造在滑环隔室54处。另外，在某些实施例中，导管组件72可构造在发电机热交换器30的入口处或其前面，以及构造在风扇52后面，使得风扇52通过导管组件72将冷却空气直接引导到滑环组件55，因而绕过转子/定子组件。
[0077]在某些实施例中，导管组件72可包括布置在第一端74和第二端75之间的多个导管部件76。另外，导管组件72还可包括一个或多个支承支架78，支承支架78构造成将导管部件76中的一个或多个支承或安装到发电机壳体25的外表面上。例如，如图5和6中显示的那样，导管组件72包括总共五个导管部件76，它们布置成从第一端74到第二端75。在另外的实施例中，应当理解，导管组件72可包括任何数量的导管部件76，包括超过五个或不到五个。另夕卜，导管组件72可包括下者中的任何一个或它们的组合:笔直导管部件76、弯折导管部件和/或弯曲或弓形的导管部件76，它们布置成从第一端74到第二端75。因而，导管组件72可容易地将流体从发电机24的入口引导到滑环隔室54，以便使产生的热绕过转子组件62和/或定子64。
[0078]在额外的实施例中，导管部件76可具有任何适当的横截面形状，包括(但不限于)正方形、长方形、弓形、梯形和/或相似的形状。另外，导管部件76可由任何适当的材料构建而成，包括(但不限于)镀锌钢、铝和/或任何其它适当的片状金属材料。尽管如此额外的非金属材料也在本实用新型的精神和范围内。
[0079]现在参照图7，示出根据本公开的用于冷却或清洁发电机的滑环组件的方法100的一个实施例的流程图。如所提到的那样，滑环组件至少部分地封闭在滑环隔室中，并且具有安装到可旋转轴上的电传导滑环和固定传导环组件，滑环接触部件安装在固定传导环组件上。在102处，方法100包括将具有第一端和第二端的导管组件安装在发电机上，第一端安装在发电机的入口处或其前面，第二端安装在滑环隔室处。在104处，方法100包括通过导管组件，将流体(例如周围空气)从发电机的入口引导到滑环组件。因而，冷却空气直接输送到滑环隔室54，并且绕过转子/定子组件，从而消除对已吸热的空气的使用。
[0080]此外，本领域技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征是可互换的。类似地，本领域普通技术人员可混合和匹配所描述的各种方法步骤和特征，以及各个这样的方法和特征的其它已知等效物，以根据本公开的原理构建额外的系统和技术。当然，要理解的是，可能不必根据任何特定实施例实现上面描述的所有目标或优点。因而，例如，本领域技术人员将认识到可体现或执行本文描述的系统和技术，使得实现或优化本文教导的一个优点或一组优点，而不必实现本文可能教导或建议的其它目标或优点。
[0081]本书面描述使用示例来公开本实用新型，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本实用新型，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本实用新型的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。
【主权项】
1.一种发电机组件(24)，其用于风力涡轮(10)，所述发电机组件(24)包括: 转子组件(62 )，其具有围绕可旋转轴(34)旋转的转子绕组； 定子(64)，其具有定子绕组； 构造成对所述转子组件(62)应用电流的滑环组件(55)，所述滑环组件(55)至少部分地封闭在滑环隔室(54)中，所述滑环组件(55)包括安装到所述可旋转轴(34)上的电传导滑环(56)和固定传导环组件(57)，滑环接触部件(60)安装在所述固定传导环组件(57)上；以及， 导管组件(72)，其构造成将流体引导到所述滑环隔室(54)中，以便冷却或清洁所述滑环组件(55)，所述导管组件(72)从第一端(74)延伸到第二端(75)，所述第一端(74)构造在所述发电机(24)组件的入口处或其前面，所述第二端(75)构造有所述滑环隔室(54)。2.根据权利要求1所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述发电机组件(24)进一步包括构造成至少部分地封闭所述转子组件(62)和所述定子(64)的发电机壳体(25)。3.根据权利要求2所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述发电机组件(24)进一步包括发电机热交换器(30)和风扇(52)，所述发电机热交换器(30)和所述风扇(52)构造成控制所述发电机壳体(25)的温度。4.根据权利要求3所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述导管组件(72)构造在所述发电机热交换器(30)的入口处或其前面，以及构造在所述风扇(52)后面，使得所述风扇(52)引导所述流体通过所述导管组件(72)，以便冷却或清洁所述滑环组件(55)。5.根据权利要求1所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述导管组件(72)包括多个导管部件(76)，从所述第一端(74)到所述第二端(75)，所述多个导管部件(76)共同布置成将流体从所述发电机(24)组件的入口引导到所述滑环组件(55)。6.根据权利要求5所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述导管组件(72)进一步包括下者中的至少一个或它们的组合:笔直导管部件(76)、弯折导管部件(76)或弯曲导管部件(76)。7.根据权利要求5所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述导管组件(72)进一步包括一个或多个支承支架(78)，所述一个或多个支承支架(78)构造成将所述一个或多个导管部件(76)支承和安装到所述发电机壳体(25)的外表面上。8.根据权利要求1所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述滑环接触部件(60)包括电刷。9.根据权利要求1所述的发电机组件(24)，其特征在于，所述流体包括周围空气。10.—种用于冷却或清洁发电机(24)的滑环组件(55)的系统(70)，所述滑环组件(55)至少部分地封闭在滑环隔室(54)中，并且具有安装到可旋转轴(34)上的电传导滑环(56)和固定传导环组件(57)，滑环接触部件(60)安装在所述固定传导环组件上，所述系统(70)包括: 导管组件(72)，其构造成将流体引导到所述滑环隔室(54)中，以便冷却或清洁所述滑环隔室(54)，所述导管组件(72)从第一端(74)延伸到第二端(75)，所述第一端(74)构造在所述发电机(24)的入口处或其前面，所述第二端(75)构造有所述滑环隔室(54)。
【文档编号】H02K9/28GK205583942SQ201620137882
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年2月24日
【发明人】B.安德烈森, A.罗尔德, S.H.布莱克, A.M.里特
【申请人】通用电气公司