专利名称：直驱式风力涡轮机的空气隙控制方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及一种发电机，并且更特别地，涉及用于控
制在风力涡轮发电机中的转子和定子之间的空气隙的方法和系统。
背景技术：
最近，由于环境安全和相对便宜的可替换能源，所以风力 涡轮机得到了增加的关注。随着这种增长的兴趣，已经付出了相当多 的努力来开发可靠且高效的风力涡轮机。 —般地，风力涡轮机包括联接到形成涡轮机转子的轮毂上 的多个叶片。公用级别的风力涡轮机(也就是说，设计成给公共电网提 供电能的风力涡轮机)能够具有大型涡轮机转子(例如，直径上有七十 米或更大)。在这些涡轮机转子上的叶片把风能转变成驱动一个或多个 发电机的转子的旋转力矩或旋转力。通过一组内轴承由塔架来支撑涡 轮机转子，该内轴承包括联接到旋转部分上的固定部分。该组内轴承 经受多种载荷，包括涡轮机转子的重量、从该组内轴承悬臂的涡轮机 转子的弯矩载荷、对称的和不对称的风载载荷，比如水平和剪切、偏
转错位以及自然紊流。在直驱式风力涡轮发电机中，把发电机转子直接联接到涡 轮机转子上。发电机转子和定子由空气隙分隔。在操作期间，由安装 在发电机转子上的永磁铁或励磁绕场所产生的磁场穿过在转子和定 子之间的空气隙通过。^磁场穿过空气隙的通过至少部分地取决于空气 隙的一致性。可以从叶片穿过涡轮机转子引入在发电机上的不对称载 荷和/或瞬时载荷。这些载荷从涡轮机转子穿过一组内轴承传递到风力 涡轮机底座上，且意在使发电机转子和定子的结构部件在载荷路径上偏斜，使得空气隙距离减小和/或使空气隙距离不一致。 一种提议的解 决方法包括由较硬和/或较强的材料来制造风力涡轮机部件，该材料能 够承受转子上的载荷。然而，较硬和/或较强的材料和/或部件的尺寸 缺点和/或重量缺点使得它们的使用受到了抑止。此外，所需的用于控 制空气隙的基本结构将用尽宝贵的进入轮毂的空间，该空间对于比如 节距控制的安装和维修系统以及其它装置是必需的。因此，所需的是一种方法和系统，该方法和系统在于提供
一种风力涡轮发电机，该风力涡轮发电机具有提供空气隙稳定性的转 子和定子布置。
发明内容
本公开的一个方面包括风力涡轮发电机，该风力涡轮发电 机具有绕着轴线布置的定子和相对于定子可操作安装以发电的转子。 转子可旋转地与大致绕着轴线旋转的风力涡轮机叶片相连通，且转子 和定子构造成维持在其之间的空气隙。转子和定子具有选择性可接合 的表面，该接合表面维持大致稳定的空气隙且允许转子在接合期间旋 转。当转子偏斜到预定偏斜量时接合表面接合。本公开的另 一个方面包括用于维持在风力涡轮发电机中的 稳定空气隙的方法。该方法包括提供一种风力涡轮发电机，该风力涡 轮发电机具有绕着轴线布置的定子和相对于定子可操作安装以发电 的转子。转子可旋转地与大致绕着轴线旋转的风力涡轮机叶片相连 通。转子和定子构造成维持在其之间的空气隙。该方法进一步包括当 转子偏斜到预定偏斜量时，接合该接合表面以维持大致稳定的空气隙 且允许转子旋转。本发明的抗偏斜系统和方法的一个优点在于部件不会明显 地在风力涡轮机中增加重量或空间，且在不损失操作能力或功率容量 的情况下提供抗偏斜。另一个优点在于当存在很少的转子偏斜或不存在转子偏斜时，部件会不增加旋转阻力。另一个优点在于在不增加断面(sectional)转动惯量的情况下 可以改进定子的机械刚度。该改进的刚度减小在转子和定子之间的由 弯曲载荷所引起的相对偏斜。另一个优点在于可以显著减小结构质量，这导致在发电机 框架中成本减小。另一个优点包括通过选择性地联接定子和转子框架而减小 电石兹空气隙变化，以便使定子和转子框架独立地相对地同时地偏斜。 存在该优点是因为重力载荷会支配在定子上的偏斜而与重力载荷相 对的风力载荷会支配在转子上的偏斜。这种同时存在的偏斜确保转子 和定子响应风力载荷，使得发电机(包括转子和定子框架)主体变形是 在相同的方向上。另一个优点在于本公开有益地提供了额外的控制变量，通 过调节刚度可以使用该控制变量以改变发电机框架的固有频率。另一个优点在于选择性联接充当了在转子和定子之间的交 替载荷路径。另一个优点在于可以在现场把本公开的系统翻新成直驱式 风力涡轮机。另一个优点在于本公开的系统允许使用较轻的发电机。除 了其它的益处以外，较轻的发电机允许使用较小容量的起重机，其中 在现场中组装风力涡轮机期间会使用该起重机。在本文中公开了该方法和系统的更多方面。通过下列的详 细描述和附图，本领域中的那些技术人员将能明白和理解上面所讨论 的特征以及本发明的其它特征和优点。
图1是根据本公开的实施例的风力涡轮机的侧视图。
图2显示了根据本公开的实施例的示意图。
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图3显示了根据本公开的实施例的风力涡轮发电机的一部 分的放大图。图4显示了根据本发明书的另一个实施例的风力涡轮发电 才几的一部分的》文大图。图5显示了根据本公开的另一个实施例的直驱式发电机的 剖面透视图。图6显示了根据本公开的实施例的风力涡轮发电机的一部 分的放大图。只要可能，在整个附图中将使用相同的标号来指代相同或 相似的零件。
具体实施例方式现在将参考附图在下文中更充分地描述本发明，在附图中 显示了本发明的优选实施例。然而，可以以许多不同的形式来体现本 发明且不应该把本发明解释成限制于本文中所提出的实施例；相反， 提供这些实施例以便本公开是详尽和完整的且对本领域中的那些技 术人员而言本公开充分表达了本发明的范围。如在图1中所示的，风力涡轮机100—般包括容纳发电机(在 图1中没有图示)的机舱102。机舱102是安装在塔架104顶上的壳体， 在图1中仅仅显示了塔架的一部分。根据本领域中所公知的因素和条 件来选择塔架104的高度，该高度可以达到高达60米或更大的高度。 可以把风力涡轮机100安装在任何地形上，该地形提供到具有所希望 风况的区域的入口。地形可以很不同且可以包括，但不限于，多山地 形或近海场所。风力涡l仑机100还包括连到旋转^^毂IIO上的一个或 多个转子叶片108。尽管图1中所图解的风力涡轮机100包括一个或 多个转子叶片108中的三个转子叶片，但是在本发明所需的一个或多 个转子叶片108的个数上没有明确的限制。图2显示了根据本公开的实施例的直驱式发电机200。直驱式发电机200包括安装到一组轴承204上的转子201，其中把该组轴 承204连到轴202上。转子201还旋转连通到旋转轮毂110上， 一个 或多个转子叶片108绕着该旋转轮毂旋转。把转子201进一步设置在 定子203中，其中把空气隙207设置在其之间。转子201和定子203 包括永磁铁、电磁铁绕组、其组合，或其它磁装置，这些装置布置成 提供穿过空气隙207的足以发电的磁通量。例如，在一个操作方法中， 由安装在转子201上的永磁铁和/或电磁铁所产生的磁场穿过在转子 201到定子203之间的空气隙207。本公开还可以包括转子201和定 子203的其它布置且包括用于感应发电的一个或多个空气隙207。磁场穿过空气隙207的通过要求空气隙207至少有一些一 致。空气隙207的过度闭合和/或横穿空气隙207的距离不一致都会减 少功率产生且会导致操作问题。此外，空气隙207的完全闭合，由此
灾难性故障。如在图2中所示的，转子201绕着中轴线209旋转。一 组轴承204提供支撑且便于转子201绕着中轴线209旋转。在风力涡 轮机100的操作期间，风速的增加(例如，阵风)在一个或多个转子叶 片108和/或旋转轮毂110上产生不一致的力，会导致转子201从中轴 线209偏斜，这引起空气隙207的不一致。此外，其它的原因，比如 重力下垂和电磁(EM)吸引也会促成在空气隙207中的不一致。偏斜的 其它根源是环境和操作温度的往复变化(swing)。这些往复变化也会影 响空气隙207。此外，接近风力涡轮机100的固有频率的激励频率会 影响空气隙207。在本文中所使用的"偏斜"、"偏斜的"和它的语 法变形包括由于施加到风力涡轮机100上的载荷所引起的结构部件的 平移运动或旋转运动，尤其是从中轴线209的变化和偏离。这些偏斜 的根源还会引起定子的相对于中轴线209的偏斜。例如，空气隙207 的可接受偏斜公差可以包括小于20 %的闭合。直驱式发电机200进一步包括被布置在接触臂215的端部 处的定子接触表面211和转子接触表面213。布置定子接触表面211和转子接触表面213，使得能够允许转子201在定子203中旋转。在 一个实施例中，定子接触表面211和转子接触表面213选择性地接合。 也就是说，定子接触表面211和转子接触表面213在转子201的偏斜 期间接合或以其它方式接触。定子接触表面211和转子接触表面213 的接合优选地是低摩擦接触，以允许转子201的连续旋转，比如通过 滑动接触或滚动接触。也可以构造接合表面，以便总是发生接合，这 可以减d、在接合表面中的动态冲击，该接合表面仅Y又在某些载荷下才 接触。总是预加载(也就是说，在不断接触中)的接合表面也可以通过 调节刚度使得能够易于控制结构的固有频率，以防止接近激励频率的 结构振动。如在图3中所示的，把定子接触表面211和转子接触表面 213设置在接触臂215的端部处，把该接触臂固定到定子203上和/或 该接触臂是定子203的一部分。优选地，4巴接触臂215布置成和设置 成具有足够的强度以承受与转子201的偏斜关联的力。接触臂215足 以对抗由转子201所提供的力，以维持空气隙207的基本一致性。此 外，接触臂215可以构造成允许偏斜或弹性变形，以便对抗由偏斜转 子201所提供的力。优选地，定子接触表面211和转子接触表面213 构造成提供用于转子201的交替载荷路径以把载荷传递到定子203 上。此外，定子接触表面211和转子接触表面213的接口提供了更好 联接转子/定子偏斜的方式，使得它们能够在相同的大致方向上移动。 定子接触表面211包括一组内轴承301,该内轴承连到固定于定子203 上的杆或柱上。备选地，用于空气隙207的通道303可以构造成在足 够高的负载下接合接触辊或低摩擦条401(在图3中没有图示)。接触辊 由具有内轴承的一组轮或辊301组成，其中内轴承由单个轴承组成， 该单个轴承可以是包括滚子轴承、滚珠轴承或允许滚动接触的任何其 它轴承结构的任何轴承类型。在一个实施例中，沿圆周绕着定子203 设置具有内轴承的一组轮或辊301,以在偏斜期间沿着转子201的外 周提供支撑。尽管图3中所示的实施例包括具有固定到定子203上的内轴承的一组轮或辊301和在转子201上的通道303，但是可以把具 在定子203上。如在图4中所示的，把定子"t姿触表面211和转子^~触表面 213设置在接触臂215的端部处，把该接触臂固定到定子203上和/或 该接触臂是定子203的一部分，大致如在图3中所示的。定子接触表 面211包括低摩擦条401。转子接触表面213包括构造成接收低摩擦 条401的通道303。低摩擦条401包括定子接触表面211，该低摩擦 条是可滑动的且当偏斜转子201时提供与通道303的滑动接触和接 合。低摩擦条401可以是低摩擦材料或涂层或者可以包括润滑剂和润 滑剂系统以维持低摩擦系数。在一个实施例中，低摩擦条401绕着机 器的圆周而连续，以最大化表面面积且最小化不一致的磨耗图紋(wear pattern)。然而，在另一个实施例中，沿圆周绕着定子203设置多个低 摩擦条401以在偏斜期间沿着转子201的外周提供支撑。尽管图4中 所示的实施例包括固定到定子203的接触臂215上的低摩擦条401和 在转子201上的通道303，但是可以把低摩擦条401定位在转子201 上且可以把通道303定位在定子203上。图4描绘了不包括杆或柱或 内轴承的简化实施例。尽管上面的实施例把转子接触表面213显示成包括通道 303，但是转子接触表面并不受此限制，任何转子接触表面都可以包
尽管已经关于接触臂215和定子接触表面211和在转子201的端部处 的转子接触表面213和定子203显示了上面的实施例，但是可以把接 触臂215和定子接触表面211和转子接触表面213定位在能够接收转 子201的任何位置中，当偏斜时，这可以把空气隙207维持成基本一 致。接触臂215可以处于几种构造中。尽管上面的实施例已经显示了 接触臂215是定子203的一部分,但是接触臂215也可以是从定子203 的延伸到定子接触表面211的延伸部或突出部，以用于与转子接触表面213选择性的接合。图5显示了根据本公开的实施例的直驱式发电机200的剖 面透视图。如在图5中所示的，转子201和定子203可以定位成定子 203在转子201的内侧。转子接触表面213和定子接触表面211可以 在转子的相对侧上。定子接触表面211包括低摩擦条。转子接触表面 213包括构造成接收低摩擦条401的通道303。低摩擦条401包括定 子接触表面211，该低摩擦条是可滑动的且当偏斜转子201时提供与 通道303的滑动接触和接合。低摩擦条401可以是低摩擦材料或涂层 或者可以包括润滑剂和润滑剂系统以维持低摩擦系数。图6显示了根据本公开的实施例的风力涡轮发电机的一部 分的放大图。如在图6中所示的，可以存在多个空气隙207,其中把 定子接触表面211和转子接触表面213设置在接触臂215的端部处， 把该接触臂固定到定子203上和/或该接触臂是定子203的一部分。定 子接触表面211包括具有内轴承的一组轮或辊301,该内轴承连到固 定于定子203上的杆或柱上。接触辊301由一组内轴承组成，其中内 轴承由单个轴承组成，该单个轴承可以是包括滚子轴承、滚珠轴承或 允许滚动接触的任何其它轴承结构的任何轴承类型。定位多个空气隙 207，使得它们能够在定子203和转子201之间。上面详细描述了风力涡轮发电机系统的示范性实施例。所 图解的发电机部件并不限于本文中所描述的特定实施例，相反，可以 独立于本文中所描述的其它部件且与该其它部件分离地使用部件中 的每一个部件。尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域中的 那些技术人员将能理解的是，在不偏离本发明范围的情况下可以^t出 各种变化且可以用等价物来替换本发明的元件。此外，可以做出许多 修改以在不偏离本发明的本质范围的情况下使特定的情形或材料适 合于本发明的教义。所以，预期的是本发明并不限于特定的实施例， 该特定的实施例作为用于实现本发明的最佳模式而被公开，反而本发 明将包括落入所附权利要求的范围中的所有实施例。
权利要求
1. 一种风力涡轮发电机(100)，其包括绕着轴线布置的定子(203)；相对于所述定子(203)可操作地安装以发电的、且可旋转地与大致绕着所述轴线旋转的风力涡轮机叶片(108)相连通的转子(201)，所述转子(201)和所述定子(203)构造成维持在其之间的空气隙(207)；和其中所述定子(203)和所述转子(201)具有选择性可接合的表面(211，213)，所述接合表面把所述空气隙(207)维持成大致稳定且允许所述转子(201)在接合期间旋转，当所述转子(201)偏斜到预定偏斜量时，所述接合表面(211，213)接合。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机(IOO),其特征在于， 所述选择性可接合的表面(211,213)包括一组内轴承(301)。
3. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机(IOO)，其特征在于， 所述选择性可接合的表面(211,213)滑动接合。
4. 根据权利要求3所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述固有频率响应。
5. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机(IOO),其特征在于， 所述选择性可接合的表面(211,213)包括具有构造成接收接触表面(401) 的通道(303)的至少一个表面(211)。
6. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机(IOO),其特征在于， 所述通道(303)形成于所述转子(201)的一部分上。
7. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机(IOO),其特征在于， 绕着所述转子(201)的圆周周期地设置所述选择性可接合的表面 (211,213)。
8. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机(IOO),其特征在于， 所述风力涡轮发电机是直驱式风力涡轮发电机。
9. 根据权利要求8所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述 直驱式风力涡轮发电机包括在所述转子(201)和所述定子(203)之间的 交替载荷路径。
10. 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，直驱 式的风力涡轮发电机包括在所述转子(201)和所述定子(203)之间的交替载荷路径。
全文摘要
一种抗偏斜的风力涡轮发电机(100)，其具有绕着轴线布置的定子(203)和相对于定子(203)可操作安装以发电的转子(201)。转子(201)可旋转地与大致绕着轴线旋转的风力涡轮叶片(108)相连通并且把转子(201)和定子(203)构造成维持在其之间的空气隙(207)。定子(203)和转子(201)具有选择性可接合的表面(211，213)，该接合表面维持大致稳定的空气隙(207)且允许转子(201)在接合期间旋转。当转子(201)偏斜到预定偏斜量时接合表面(211，213)接合。
文档编号F03D9/00GK101546929SQ200910132499
公开日2009年9月30日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者P·L·詹森, R·S·朗廷 申请人:通用电气公司