专利名称：用于风力涡轮机中的发电机的传动系的制作方法
技术领域：
本公开大体涉及风力涡轮机，并且更具体而言，涉及用于风力涡轮机中的发电机的传动系。
背景技术：
风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源之一，并且在这点上风力涡轮机获得了越来越多的关注。现代风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理来捕捉风的动能。转子叶片传输呈旋转能的形式的动能，以便使将转子叶片联接到齿轮箱上或者直接联接到发电机上(如果没有使用齿轮箱)的轴转动。发电机然后将机械能转换成可部署到公共电网上的电能。在风力涡轮机的运行期间，风力涡轮机的各种构件可经历许多各种载荷。具体而言，可包括轴、齿轮箱、发电机及其各种构件的传动系可经历各种载荷。可由于转子叶片的风载荷的原因而经历这些载荷。转子叶片经历的载荷可从转子叶片传输到这些各种构件。例如，在运行期间，由于例如转子叶片的推力的原因，轴可经历轴向载荷。这些轴向载荷可从轴传输到包围且支承轴的轴承，以及传输到连接到轴上的齿轮箱。暴露于这些轴向载荷可压迫轴承和齿轮箱，并且潜在地导致这些构件的过早失效。另外，在运行期间，由于例如影响转子叶片的阵风的原因，轴可经历弯曲载荷。这些弯曲载荷可从轴传输到连接到轴上的齿轮箱。暴露于这些弯曲载荷可压迫齿轮箱，并且潜在地导致齿轮箱的各种构件的过早失效。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的各方面和优点，或者根据描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。在本发明的一方面，提供了一种用于风力涡轮机中的发电机的传动系。该传动系包括构造成提供输入转速的毂，以及与毂连通的行星齿轮箱。行星齿轮箱包括固定托架和多个可旋转齿轮。行星齿轮箱构造成将输入转速转换成输出转速，并且包括可旋转环形齿轮、多个行星齿轮和至少一个太阳齿轮。毂刚性地连接到可旋转环形齿轮上。在本发明的另一方面，提供了一种用于风力涡轮机中的发电机的传动系。该传动系包括构造成提供输入转速的毂，以及与毂连通的行星齿轮箱。行星齿轮箱包括可旋转托架，并且构造成将输入转速转换成输出转速。行星齿轮箱包括固定环形齿轮、多个行星齿轮和至少一个太阳齿轮。毂刚性地连接到可旋转托架上，并且可旋转托架支承该多个行星齿轮。在本发明的另外的另一方面，提供了一种具有用于发电机的传动系的风力涡轮机。该风力涡轮机包括由塔架支承的机舱、连接到一个或多个转子叶片上的毂，其中毂构造成提供输入转速。该风力涡轮机还包括与毂连通的行星齿轮箱，并且行星齿轮箱包括行星托架和多个行星齿轮。行星齿轮箱构造成将输入转速转换成输出转速，并且包括环形齿轮、多个行星齿轮和至少一个太阳齿轮。毂刚性地连接到行星托架和环形齿轮中的至少一个上。参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的各方面，并且与描述一起用来阐明本发明的原理。
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实施的公开， 包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中图1是根据本发明的一方面的风力涡轮机的透视图的图示；图2是根据本发明的一方面的、用于风力涡轮机中的发电机的传动系的局部截面图的图示；图3是根据本发明的一方面的、用于风力涡轮机中的发电机的传动系的局部截面图的图示。部件列表10风力涡轮机12 塔架14 机舱16转子叶片18 毂200传动系210齿轮箱212环形齿轮214行星齿轮216太阳齿轮/小齿轮218联接件220发电机221发电机转子222发电机定子230行星托架231心轴(行星托架230的一部分)240主支承框架250前部轴承252后部轴承260 毂261毂支承部件300传动系310齿轮箱312环形齿轮
314行星齿轮316太阳齿轮/小齿轮320发电机321发电机转子322发电机定子330行星托架331心轴(行星托架230的一部分)340主支承框架350前部轴承352后部轴承360 毂370外部支承壳体
具体实施例方式现在将详细参照本发明的各方面，在图中示出了本发明的各方面的一个或多个实例。以阐述本发明而非限制本发明的方式来提供各个实例。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，可在本发明中进行各种修改和变化，而不偏离本发明的范围或精神。例如， 示出或描述成一方面的一部分的特征可用于另一方面，以产生另外的另一方面。因而，意图的是本发明覆盖处在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和变化。图1示出了包括塔架12的风力涡轮机10，塔架12具有安装在其上的机舱14。多个转子叶片16安装到转子毂18上，转子毂18又连接到主法兰上，主法兰使主转子轴转动， 如下面论述的那样。风力涡轮机功率发生和控制构件容纳在机舱14内。仅出于例示的目的而提供图1的视图，以将本发明置于示例性使用领域。应当理解，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮机构造。毂18可构造成在其上接受转子叶片16。例如，毂18可包括多个叶片法兰(未显示)。叶片法兰可构造成将配合法兰(未显示)接合在转子叶片16上，以将转子叶片16安装到法兰上，以及因而安装到毂18上。图2示出了根据本发明的一方面的用于风力涡轮机的传动系200。传动系200可构造成用来减小供应给发电机220的扭矩的单级齿轮箱210。行星托架230是固定的，并且刚性地连接到主支承框架240上。行星托架230上的心轴231沿轴向逆风或向前延伸，并且与用来支承转子的轴承250、252配对。当毂260旋转时，附连到毂260上的环形齿轮212 驱动行星齿轮214，这继而驱动太阳齿轮/小齿轮216，从而提供速度增加和觉察得到的扭矩减小。发电机220可设置在机舱14中。发电机220可构造成接受来自转子叶片16和毂 18的机械能，以及将此能量转换成电能。例如，发电机220可包括转子221和定子222。如本领域中已知的那样，转子221是发电机220的大体可动的构件，而定子222是发电机220 的大体固定的构件。在示例性实施例中，发电机220可为永磁体发电机。但是，应当理解， 发电机220不限于永磁体发电机，而是相反，适于为风力涡轮机10提供功率的任何发电机均在本发明的范围和精神内。
大体上，转子叶片16可构造成使发电机220的转子221旋转。因而，发电机220(例如转子221)可以可操作地连接到毂260上。转子叶片16的运行使毂260旋转，毂260使转子221旋转，以及因而运行发电机220。因而，可在毂260和转子221之间提供用于发电机220的传动系200，以在毂260和转子221之间提供可操作的连接。毂沈0由行星托架230的心轴231支承。前部轴承250和后部轴承252位于毂260 和心轴231之间。毂支承部件261从毂的外壳延伸到前部轴承250。多个支承部件261可用来将毂260支承在前部轴承250上。将毂260连结到环形齿轮212上的联接件218可用来支承毂的后部部分。备选地，毂260的后部部分可与后部轴承252接触。轴承250、252可为滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承或具体应用所期望的任何其它适当的轴承。托架230 固定到主支承框架240上，并且对转子(包括叶片18和毂沈0)以及齿轮箱210的重量起支承件的作用。毂260通过联接件218来联接到环形齿轮212。联接件218可为接口部件或可为毂沈0的组成件。在毂260旋转时，环形齿轮212也旋转且驱动行星齿轮214。行星齿轮 214又驱动太阳齿轮或轴216。太阳轴216然后可通过任何适当的联接件(例如花键配合联接件、栓接法兰等)来联接到发电机转子221上。对于这个构造存在若干优点。可减小齿轮箱大小，而齿轮箱是风力涡轮机中最昂贵的构件中的一个。因为毂260直接由固定托架230支承，所以旋转轴仅传递扭转剪切载荷。在典型的传动系中，主轴传输扭矩且支承转子的重量。因为支承毂的托架是固定的，所以它不会如在典型的轴中那样经历旋转弯曲。与合金钢相反，转子可由球墨铸铁支承。这个设计允许使用较小的扭矩传输轴和较小的发电机，因为来自转子的扭矩被单级齿轮箱210 减小。这个设计具有优于传统的齿轮箱的优点，因为该设计是针对单级的，当与多级齿轮箱相比时，单级应该提供更高的可靠性和更少摩擦损耗。由于具有来自扭矩传输功能的单独的转子支承而提供了另一个优点。这也可减小传动系中的旋转弯曲。联接件218将扭矩传递给环形齿轮212，并且设计成减小传递给环形齿轮212的转子弯曲载荷。联接件218可设计成在扭转方面是刚性的，而在弯曲方面是柔性的。图3示出了根据本发明的另一方面的用于风力涡轮机的传动系300。传动系300 可构造成用来减小供应给发电机320的扭矩的单级齿轮箱310。行星托架330刚性地连接到毂360上。行星托架330上的心轴331沿轴向顺风或向后延伸，并且与用来支承转子和齿轮箱310的轴承350、352配对。环形齿轮312附连到外部支承壳体370。当毂360旋转时，毂360驱动行星齿轮托架330，这与固定的环形齿轮312结合起来驱动行星齿轮314，而且行星齿轮314又驱动太阳齿轮/小齿轮316，从而提供速度增加和觉察得到的扭矩减小。发电机320可设置在机舱14中。发电机320可构造成接受来自转子叶片16和毂 18的机械能，以及将此能量转换成电能。例如，发电机320可包括转子321和定子322。如本领域中已知的那样，转子321是发电机320的大体可动的构件，而定子322是发电机320 的大体固定的构件。在示例性实施例中，发电机320可为永磁体发电机。但是，应当理解， 发电机320不限于永磁体发电机，而是相反，适于为风力涡轮机10提供功率的任何发电机均在本发明的范围和精神内。大体上，转子叶片16可构造成使发电机320的转子321旋转。因而，发电机320(例如转子321)可以可操作地连接到毂360上。转子叶片16的运行使毂360旋转，毂360使转子321旋转，以及因而运行发电机320。因而，可在毂360和转子321之间提供用于发电机320的传动系300，以在毂360和转子321之间提供可操作的连接。毂360刚性地连接到行星托架330上。行星托架还包括心轴331。前部轴承350 和后部轴承352位于外部支承壳体370和心轴331之间。轴承350、352可为滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承或具体应用所期望的任何其它适当的轴承。外部支承壳体370固定到主支承框架340上，并且对转子(包括叶片18和毂360)以及齿轮箱310的重量起支承件的作用。毂360可通过任何适当的紧固布置(包括(但不限于)栓接法兰连接)来固定到托架330上。备选地，毂和托架可形成为一体式元件。在毂360旋转时，托架330驱动行星齿轮314。行星齿轮与固定环形齿轮312相互作用，以驱动太阳齿轮或轴316。太阳轴316 然后可通过任何适当的联接件(例如花键配合联接件、栓接法兰等)来联接到发电机转子 321 上。对于这个构造存在若干优点。可在风力涡轮机中减小最昂贵的构件中的一个(例如发电机或齿轮箱)的大小。因为毂直接由托架支承，所以扭转剪切载荷和转子弯曲载荷由单独的构件而非单个构件(即主轴)传递。转子可由球墨铸铁而非合金钢支承。这个设计允许使用较小的扭矩传输轴和较小的发电机，因为来自转子的扭矩被单级齿轮箱减小。 这个设计具有优于传统的齿轮箱的优点，因为该设计是针对单级定制的，当与多级齿轮箱相比时，单级应该提供更高的可靠性和更少摩擦损耗。在示例性实施例中，行星齿轮箱是单级行星齿轮箱。因而，输入转速可通过单级的各种配合齿轮来转换成输出转速。但是，备选地，行星齿轮箱可为多级行星齿轮箱，并且输入转速可通过多级的各种配合齿轮来转换成输出转速。在一些示例性实施例中，齿轮箱中的齿轮齿可为斜齿轮齿。斜齿轮齿大体是设置成与通过齿轮的轴向中心线成角度的齿轮齿。斜齿轮齿可构造成抵销输入轴上的轴向载荷。例如，斜齿轮齿的接合和旋转可产生与风力涡轮机的转子(例如叶片和毂)施加的轴向载荷大体相反的轴向载荷。这个齿轮齿轴向载荷可用来抵销转子轴向载荷，并且因而减小传动系经历的净轴向载荷。因而，可减小经历或接受轴向载荷的一部分的传动系的各种构件(例如轴承)上的应力，而且延长了这些构件的寿命。另外或备选地，由于净轴向载荷减小的原因，可有利地减小诸如前部和后部轴承的构件的大小。斜齿轮齿的大小、角度和数量可构造成为传动系产生期望的净轴向载荷。但是，应当理解，齿轮齿64、66、68不必是斜齿轮齿。例如，在一些实施例中，齿轮齿64、66、68可相对于通过相应的齿轮M、56、58的轴向中心线大体为轴向的。在示例性实施例中，环形齿轮M可驱动行星齿轮箱50。因而，环形齿轮M和输入轴30可连通，使得输入轴30的输入转速被提供给环形齿轮M。但是，备选地，行星齿轮 56或太阳齿轮58可驱动行星齿轮箱50。根据本发明的各方面，风力涡轮机传动系通过旋转托架或通过旋转环形齿轮(其又旋转其它构件)来得到转子输入。本公开的传动系观可进一步包括输出轴70。输出轴70可与构造成以输出转速旋转的行星齿轮箱50连通。在示例性实施例中，如图2至5中显示的那样，例如，输出轴70 可为太阳齿轮58。因而，太阳齿轮58可接合行星齿轮56，并且可从行星齿轮箱50进一步延伸向发电机22。在其它实施例中，输出轴70可联接到太阳齿轮58或行星齿轮箱50的其它输出齿轮上，使得输出轴70可以输出转速旋转。因而，本发明的传动系200、300可抵销或隔离传动系在风力涡轮机10的运行期间经历的各种载荷。具体而言，传动系可抵销或隔离轴向载荷和/或弯曲载荷，使得传动系的各种其它构件(例如前部和后部轴承和/或行星齿轮箱)经历较少应力，以及潜在地延长
寿命ο本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予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实例。如果这样的其它实例包括不异于权利要求的字面语言的结构元素，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元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于风力涡轮机中的发电机的传动系000)，所述传动系包括构造成提供输入转速的毂(18)；与所述毂O60)的连通的行星齿轮箱010)，所述行星齿轮箱包括固定托架(230)和多个可旋转齿轮，所述行星齿轮箱(210)构造成将所述输入转速转换成输出转速，所述行星齿轮箱(210)包括可旋转环形齿轮012)、多个行星齿轮(214)和至少一个太阳齿轮 (216)；其中，所述毂O60)刚性地连接到所述可旋转环形齿轮(21 上。
2.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述固定托架(230)进一步包括心轴031)，所述心轴通过一个或多个轴承(250,25 来支承所述毂060)。
3.根据权利要求2所述的传动系，其特征在于，所述一个或多个轴承(250，252)中的至少一个位于所述心轴(231)和一个或多个毂支承部件061)之间。
4.根据权利要求2所述的传动系，其特征在于，所述一个或多个轴承(250，252)中的至少一个位于所述心轴(231)和联接部件(218)之间，所述联接部件018)刚性地附连到所述可旋转环形齿轮(21 和所述毂(沈0)上。
5.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述行星齿轮箱(210)是单级行星齿轮箱。
6.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述固定托架(230)刚性地安装在所述风力涡轮机的主支承框架(MO)上。
7.一种用于风力涡轮机中的发电机(320)的传动系(300)，所述传动系包括构造成提供输入转速的毂(360)；与所述毂(360)连通的行星齿轮箱(310)，所述行星齿轮箱包括可旋转托架(330)，所述行星齿轮箱构造成将所述输入转速转换成输出转速，所述行星齿轮箱包括固定环形齿轮 (312)、多个行星齿轮(314)和至少一个太阳齿轮(316)；其中，所述毂(360)刚性地连接到所述可旋转托架(330)上，以及其中所述可旋转托架支承所述多个行星齿轮。
8.根据权利要求7所述的传动系，其特征在于，所述可旋转托架(330)进一步包括心轴(331)，所述心轴由一个或多个轴承(350,35 和外部支承壳体(370)支承。
9.根据权利要求8所述的传动系，其特征在于，所述一个或多个轴承(350，352)中的至少一个位于所述心轴(331)和所述外部支承壳体(370)之间。
10.根据权利要求9所述的传动系，其特征在于，所述外部支承壳体(370)刚性地安装在所述风力涡轮机的主支承框架(340)上。
11.根据权利要求7所述的传动系，其特征在于，所述行星齿轮箱是单级行星齿轮箱。
全文摘要
本发明涉及用于风力涡轮机中的发电机的传动系。提供了一种风力涡轮机(10)和用于发电机(220，330)的传动系(200，300)。传动系(200，300)包括构造成提供输入转速的毂(18)，以及与毂(18)连通的行星齿轮箱(210，310)。行星齿轮箱(210，310)包括固定托架(230)或可旋转托架(330)和多个行星齿轮(214，314)。行星齿轮箱(210，310)构造成将输入转速转换成输出转速，并且包括至少一个太阳齿轮(216，316)。毂(18)可刚性地连接到可旋转环形齿轮(212)上。
文档编号F03D11/02GK102588226SQ20111046273
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者A·D·米纳德奥, J·H·马奇, P·C·帕特尔 申请人:通用电气公司