專利名稱：用于風(fēng)車 /水力發(fā)電站 /船舶的、在其中被構(gòu)造成中空外形的直驅(qū)發(fā)電機(jī) /電動(dòng)機(jī)以及 ...的制作方法
用于風(fēng)車/水力發(fā)電站/船舶的、在其中被構(gòu)造成中空外形的直驅(qū)發(fā)電 機(jī)/電動(dòng)機(jī)以及裝配這種風(fēng)車/水力發(fā)電站的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有直驅(qū)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電站，其中轉(zhuǎn)子渦輪支
撐在定子上；以及一種裝配該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的方法。
本發(fā)明涉及一種大直徑環(huán)形轉(zhuǎn)子輪轂，該轉(zhuǎn)子輪轂具有閉合的抗 扭矩外形，其上布置有轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子輪轂同時(shí)設(shè)有承受軸向力的磁 穩(wěn)定軸承。本發(fā)明既可用于產(chǎn)生能量，也可用作由空氣或水組成的環(huán) 境中的推進(jìn)系統(tǒng)。
用于產(chǎn)生能量(優(yōu)選以電能形式)的風(fēng)車或風(fēng)力渦輪機(jī)不斷地朝 著大型化的方向發(fā)展?，F(xiàn)已設(shè)計(jì)和建造了輸出功率約為5MW、轉(zhuǎn)子直 徑大于115-125m的風(fēng)車。設(shè)計(jì)等于和大于5MW的風(fēng)車主要以安裝在近 海為目的，因?yàn)檫@種大型風(fēng)車在陸地上難以運(yùn)輸。這些水平軸風(fēng)車的 原理實(shí)際上與其小型的同類風(fēng)車的原理相同。它們以轉(zhuǎn)子為基礎(chǔ)，所 述轉(zhuǎn)子通常由三個(gè)安裝于帶軸的中心輪轂上的葉片組成，該軸由重栽 球軸承支撐。輪轂必須具有承受巨大的彎曲力矩的尺寸，該彎曲力矩 是由于沿風(fēng)的方向作用在每個(gè)單獨(dú)的葉片上的風(fēng)力和在基本垂直于風(fēng) 的平面內(nèi)的每個(gè)葉片的自重，該彎曲力矩具有不斷變化的方向，該方 向取決于葉片是在其旋轉(zhuǎn)路徑的上升階段還是下降階段。如果在某一 給定時(shí)刻每個(gè)葉片具有來自風(fēng)的不同載荷，那么將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)試圖繞 著一條與軸的縱軸線垂直的軸線使輪轂旋轉(zhuǎn)的力矩。該力矩在極端情 況下可能特別大，并且軸的尺寸也必須能承受這樣的力矩。該中心輪 轂和軸還將轉(zhuǎn)子的扭矩直接或通過齒輪傳遞到發(fā)電機(jī)。
近海風(fēng)車的維護(hù)成本最初大于陸地風(fēng)車。在4艮多情況下，由于故 障引起的能量生產(chǎn)中斷在近海也會(huì)引起更嚴(yán)重的后果，因?yàn)樘鞖鉅顩r 經(jīng)常不允許登上風(fēng)車進(jìn)行必要的修理。在遠(yuǎn)離陸地的海上，風(fēng)況通常 也比陸地上強(qiáng)得多。如果期望通過提高使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的額定(nominal) 風(fēng)速來獲得盡可能多的能量，那么與風(fēng)況較平靜的位置相比，該風(fēng)力 發(fā)電站會(huì)受到增大的疲勞載荷。
大型風(fēng)車或風(fēng)力渦輪機(jī)具有這樣的優(yōu)點(diǎn)預(yù)計(jì)可降低每kWh產(chǎn)能
單位的維護(hù)和諸如控制系統(tǒng)等的"一次性成本"。缺點(diǎn)是在這種大型
電廠的情況下每生產(chǎn)1Wh電力的重量和材料消耗增加。許多人估計(jì)以 現(xiàn)今的技術(shù)水平，陸地風(fēng)車的最經(jīng)濟(jì)規(guī)模約為1-3MW。
每產(chǎn)能單位的重量和材料消耗隨著風(fēng)車尺寸增加而增加的原因 是重量約以縱向尺寸的三次方增加(體積增加)，而轉(zhuǎn)子的掃描面 積(定義為當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)包圍其的圓的面積)以及因此能量生產(chǎn) 僅以縱向尺寸的平方增加。這暗示了在兩種情況下風(fēng)強(qiáng)相同的給定位 置的對(duì)比。即，如果期望增加風(fēng)車的尺寸同時(shí)使用與以前相同的技術(shù)， 那么每產(chǎn)能單位的重量會(huì)約隨著風(fēng)車的尺寸線性增加，并且因此在很 大程度上成本會(huì)約隨著風(fēng)車的尺寸線性增加。
另外，轉(zhuǎn)速(角速度)會(huì)隨著風(fēng)車轉(zhuǎn)子直徑的增加而減小。這是 因?yàn)樽顑?yōu)的葉尖速度是風(fēng)速的函數(shù)。對(duì)于三個(gè)葉片的風(fēng)車，葉尖速度 和風(fēng)速之間的最優(yōu)比(下文稱作尖端速度比)通常約為6,該最優(yōu)比 取決于葉片的長(zhǎng)寬比。當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)子直徑較大的風(fēng)車，轉(zhuǎn) 子的角速度因此將減小。如果將損耗忽略不計(jì)，所產(chǎn)生的輸出功率是 轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子扭矩的乘積；P=MT*w,其中P為輸出功率，MT為扭 矩，co為角速度。
當(dāng)通過增加轉(zhuǎn)子直徑來增加功率時(shí)，則可以通過下面的因素估計(jì) 扭矩的增加，所述扭矩必須通過傳動(dòng)齒輪從氣動(dòng)轉(zhuǎn)子傳遞到發(fā)電機(jī)
P=CP* p v3*A==Cp* p *v3*D2*7t/4，
其中Cp是常數(shù)，p是液體或空氣的密度，v是風(fēng)速，A是轉(zhuǎn)子的掃 描面積，D是轉(zhuǎn)子直徑，
co=v*6/ (D*7t) *2*tt=12*v/D，
其中6是尖端速度比。
將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對(duì)于給定的風(fēng)速和空氣密度是常數(shù)。
因此，像轉(zhuǎn)子的重量一樣，通過傳動(dòng)齒輪從轉(zhuǎn)子傳遞到發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩會(huì)以轉(zhuǎn)子直徑的三次方增加，而輸出功率僅以轉(zhuǎn)子直徑的平方增 加。這也意味著在大型風(fēng)車的情況下傳動(dòng)裝置(變速箱)受到不成比
例的大負(fù)荷，因此采用直接驅(qū)動(dòng)方案將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
一個(gè)問題是，如 上所述，在大轉(zhuǎn)子直徑的情況下轉(zhuǎn)速低，并且用于具有大轉(zhuǎn)子直徑的 直驅(qū)風(fēng)車的實(shí)際發(fā)電機(jī)部件中所需的工作材料不成比例地大大增加。 另外，對(duì)于直驅(qū)風(fēng)車，利用當(dāng)前的技術(shù)難以控制定子和電轉(zhuǎn)子之間的 空氣間隙，該空氣間隙由于主軸的變形通常必須保持在正負(fù)幾毫米內(nèi)。
對(duì)于兆瓦級(jí)的風(fēng)車，每產(chǎn)生kWh的重量大約與轉(zhuǎn)子直徑成線性增加， 因此很大程度上成本大約與轉(zhuǎn)子直徑成線性增加，這不利于使用當(dāng)前 已知的技術(shù)建設(shè)更大的風(fēng)車。另外，定子和電轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙公 差對(duì)于更大的直驅(qū)發(fā)電機(jī)是個(gè)問題。葉片和塔結(jié)構(gòu)由于風(fēng)速變化而疲 勞也是一個(gè)問題，特別對(duì)于浮動(dòng)裝置。
上面提到的情況代表了對(duì)于建造遠(yuǎn)大于3-5MW的近海風(fēng)車的最主 要的限制。
在本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)中，可以提到美國專利第6， 285， 090號(hào)，它
教導(dǎo)了一種直驅(qū)風(fēng)力渦輪(沒有傳動(dòng)裝置)，其中輪轂的直徑相對(duì)較 大，但是該輪轂具有相當(dāng)大的重量以便能夠承受來自轉(zhuǎn)子葉片的負(fù)荷。 在固定軸和旋轉(zhuǎn)部件之間的球軸承也大，并且將承受相當(dāng)大的磨損并 需要潤(rùn)滑和維護(hù)。
在美國專利第6,911， 741號(hào)中，描述了在定子和電轉(zhuǎn)子之間的空 氣間隙的小公差的問題。
W0 02/099950 Al教導(dǎo)了 一種具有直驅(qū)發(fā)電機(jī)的渦輪，其中定子 輪和轉(zhuǎn)子輪是根據(jù)與具有輻條的自行車車輪相同的原理制造的，該輻 條一端固定到外環(huán)或者輪緣上，另一端以偏心方式固定到輪轂上。這 樣，它既承受徑向力，也在一定程度上承受軸向力。
DE 36 38 129 Al教導(dǎo)了 一種具有環(huán)形發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電站，其 中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子環(huán)固定到風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的尖部。風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電 機(jī)的轉(zhuǎn)子環(huán)支撐在磁軸承上。
DE 197 11 869 Al教導(dǎo)了 一種具有中空輪轂的風(fēng)力渦輪機(jī)。輪轂 被分成兩個(gè)L形部件，其中一個(gè)L形部件被安置在塔上并且其中渦輪 葉片被安置在另一個(gè)L形部件上。第二個(gè)L形部件通過軸承支撐在第 一個(gè)L形部件上。
在本申請(qǐng)中，術(shù)語"渦輪轉(zhuǎn)子"用作風(fēng)力或電力發(fā)電站上的、將 水或風(fēng)的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能并進(jìn)而在發(fā)電機(jī)中將該機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能 的旋轉(zhuǎn)單元的集合術(shù)語。其中安裝有磁體的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子也稱為電轉(zhuǎn)子。 "渦輪轉(zhuǎn)子"也用來指推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)子。
發(fā)電機(jī)的"工作部件"是指風(fēng)力發(fā)電站中對(duì)能量轉(zhuǎn)換起作用的部件。
"無鐵芯原理"在本發(fā)明中是指不利用鐵磁材料來傳導(dǎo)磁場(chǎng)的發(fā) 電機(jī)結(jié)構(gòu)原理。
在本發(fā)明的開發(fā)中， 一個(gè)目的是為5-15MW等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電站建造 一個(gè)具有成本效益的、集成的轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子直徑大大增加， 因此能量生產(chǎn)增加，并且每產(chǎn)生kWh能量的葉片和輪轂重量沒有增加， 并且轉(zhuǎn)矩沒有在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生更大的力。
另一個(gè)目的是本發(fā)明的部件應(yīng)當(dāng)適合用于水力發(fā)電、潮沙水能和/ 或船舶推進(jìn)系統(tǒng)(其中轉(zhuǎn)子用作推進(jìn)器)中。
使用獨(dú)立權(quán)利要求中公開的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這些目的。在與每個(gè)獨(dú) 立的權(quán)利要求相關(guān)的從屬權(quán)利要求中公開了可替換的實(shí)施方案。
使用本發(fā)明，獲得了以下優(yōu)點(diǎn)
1) 轉(zhuǎn)子的掃描區(qū)域(并且因此能量生產(chǎn))大大增加，而轉(zhuǎn)子葉片 的長(zhǎng)度和重量沒有增加；
2) 輪轂的直徑顯著增加，而它的重量減少了3) 由于大的輪轂直徑，在輪轂和軸上的扭應(yīng)力小(繞旋轉(zhuǎn)軸)；
4) 直驅(qū)使得能夠省略傳動(dòng)單元(傳動(dòng)裝置)同時(shí)增加定子和電轉(zhuǎn) 子(磁體)之間的圓周速度，并且因此在發(fā)電機(jī)中需要更少的工作材 料；
5) 在定子和電轉(zhuǎn)子之間更大的空氣間隙公差，使其不再是關(guān)鍵參
數(shù)；
6) 直接空氣冷卻，而不需要任何用于冷卻劑循環(huán)的泵系統(tǒng)；
7) 在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，主軸承或發(fā)電機(jī)里的運(yùn)動(dòng)部件之間沒有接觸，使 得磨損和維護(hù)大大減少；
8) 與現(xiàn)有技術(shù)中將5MW風(fēng)力渦輪放大到IOMW相比，轉(zhuǎn)子和發(fā)電 機(jī)的總重量減少50%以上。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于風(fēng)力發(fā)電站或水力發(fā)電站 的渦輪轉(zhuǎn)子，所述發(fā)電站具有將風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā) 電機(jī)，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，該渦 輪轉(zhuǎn)子還包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸與定子的中心軸重合的環(huán)形輪轂，并且其中 該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片安置在該環(huán)形輪轂 上。
有利的是，該環(huán)形輪轂包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(電轉(zhuǎn)子)。
另外，有利的是，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在該環(huán)形輪轂上。
該環(huán)形輪轂有利地被配置為一個(gè)具有閉合的圓形橫截面或近似圓
形橫截面的圓環(huán)(torus )，但也可以被配置為一個(gè)具有閉合的多邊形 橫截面的圓環(huán)。
有利的是，垂直于風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪穀截面是外周和 內(nèi)周為圓形的環(huán)形，但是該截面也可以是外周和內(nèi)周為多邊形的環(huán)形。
有利的是，從渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪轂 的外周的距離是從該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
在一個(gè)實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂通過磁軸承支撐在定子上。這種磁 軸承可以是無源磁軸承或者電磁軸承，但也可以是常規(guī)軸承。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂通過磁軸承沿軸向支撐在定子 上，以承受總的彎曲力矩(由對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的不同風(fēng)壓引起)以及 軸向力，并且環(huán)形輪轂通過承受徑向力的常規(guī)軸承沿徑向受到支撐。
為了承受徑向力，風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子可包括至少兩個(gè)拉桿或者至少兩 個(gè)壓桿，該拉桿或者壓桿在其第一端固定到與定子的中心軸同軸的軸 承上，并且在其第二端固定到環(huán)形輪轂上。這些拉桿或壓桿優(yōu)選位于 同一平面中。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，從環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到f茲軸承 的力傳遞面的面積中心(area center)的最短距離小于從環(huán)形輪轂的 旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)形輪轂橫截面的轉(zhuǎn)矩中性軸的距離。磁軸承的這種定位意 味著磁軸承的轉(zhuǎn)子部件在軸向方向的位移因?yàn)樽饔迷谵D(zhuǎn)子上的風(fēng)力引 起的環(huán)形輪轂的彎曲和扭轉(zhuǎn)而相互抵消。輪轂繞每個(gè)葉片的局部彎曲 向風(fēng)的方向局部拉軸承，而輪轂橫截面的扭轉(zhuǎn)彎曲使得逆風(fēng)向移動(dòng)軸 承。當(dāng)定位理想(圖8中的角a)時(shí)，連接到輪轂的磁軸承的軸向位
移可以完全或部分相互抵消。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得將磁軸承面盡可能 保持水平(平面)，從而確保它們不會(huì)由于輪轂的變形而局部地發(fā)生 相互接觸。
在一個(gè)實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的 平面外的抗彎剛度大于定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。在一個(gè)優(yōu) 選實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面外的 抗彎剛度至少是定子彎曲到相同平面外的彎曲硬度的兩倍。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于將流動(dòng)的風(fēng)或水中的能量 轉(zhuǎn)換成電能的風(fēng)力或水力發(fā)電站，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個(gè)
根據(jù)權(quán)利要求1-20的渦輪轉(zhuǎn)子。在該定義中的水力發(fā)電站也可以是潮 汐水力發(fā)電站或江河發(fā)電站。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于推進(jìn)裝置的渦輪轉(zhuǎn)子，該 推進(jìn)裝置具有將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，該推進(jìn)裝置包括一個(gè) 渦輪轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，其中該渦輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)具有與該定子的中心 軸重合的旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪轂(6 )，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè) 轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片被安置在具有閉合的中空外形的該環(huán)形輪轂 上。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種具有推進(jìn)裝置的船舶，其中該 推進(jìn)裝置包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求22-41的渦輪轉(zhuǎn)子。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種具有一個(gè)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的 直驅(qū)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其中該風(fēng)力發(fā)電站包括一個(gè)定子 和一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)發(fā)電機(jī)，其中該發(fā)電機(jī)或者 該定子或者該發(fā)電機(jī)和該定子兩者設(shè)有能量產(chǎn)生單元，其中該渦輪轉(zhuǎn) 子通過一個(gè)磁軸承支撐在該定子上并且該能量產(chǎn)生單元中的繞組是利
用無鐵芯構(gòu)造的。
有利的是，該渦輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)環(huán)形輪轂，所述環(huán)形輪轂通過一 個(gè)磁軸承支撐在該定子上。
有利的是，該發(fā)電機(jī)的電轉(zhuǎn)子安裝在該環(huán)形輪轂上。
該環(huán)形輪轂有利地被構(gòu)造為一個(gè)具有圓形橫截面的圓環(huán)，但也可 以被構(gòu)造為一個(gè)具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
該環(huán)形輪轂垂直于風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的橫截面有利地是外周和
內(nèi)周為圓形的環(huán)形，但是該截面也可以是外周和內(nèi)周為多邊形的環(huán)形。 有利的是，從渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)形輪轂外周的距離是從該旋轉(zhuǎn)
軸到葉尖的渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
在一個(gè)實(shí)施方案中，該環(huán)形輪轂通過一個(gè)磁軸承支撐在定子上。 這個(gè)磁軸承可以是無源磁軸承、電磁軸承或者常規(guī)軸承。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂通過一個(gè)磁軸承沿軸向支撐在 定子上，以承受彎曲力矩以及軸向力，并且環(huán)形輪轂通過一個(gè)承受徑 向力的常規(guī)軸承受到徑向支撐。
為了承受徑向力，風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子可以包括至少兩個(gè)拉桿或者至少 兩個(gè)壓桿，該拉桿或壓桿在它們的第一端固定到與定子的中心線同軸 的軸承上，并且在它們的第二端固定到環(huán)形輪轂上。這些拉桿或壓桿 優(yōu)選位于同一平面中，以便軸向力或彎曲力矩不被傳遞到徑向軸承以 及它的軸上。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，從環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到磁軸承的 力傳遞面的面積中心的最短距離小于從環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)形輪穀 橫截面的中性軸的距離。磁軸承的這種定位意味著，磁軸承的轉(zhuǎn)子部 分在軸向上的位移因?yàn)樽饔迷谵D(zhuǎn)子上的風(fēng)力引起的環(huán)形輪轂的彎曲和 扭轉(zhuǎn)而相互抵消。然后輪轂繞每個(gè)葉片的局部彎曲在風(fēng)的方向上局部 拉軸承，而輪轂橫截面的扭轉(zhuǎn)彎曲使得軸承發(fā)生逆風(fēng)向位移。當(dāng)定位 理想(圖8中的角a)時(shí)，與輪轂連接的磁軸承的軸向位移會(huì)完全或 部分相互抵消。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得盡可能將磁軸承面保持水平(平 面)，從而確保它們不會(huì)由于輪轂的變形而局部地發(fā)生接觸，。
在一個(gè)實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的 平面外的抗彎剛度大于定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。在一個(gè)優(yōu) 選實(shí)施方案中，環(huán)形輪轂彎曲到與環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面外的 抗彎剛度至少是定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度的兩倍。這意味著 磁軸承具有局部柔韌性，并且如果磁軸承某一區(qū)域內(nèi)的磁體趨于彼此 接觸，定子可以局部變形。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定 子裝配在風(fēng)力或水力發(fā)電站上的直驅(qū)發(fā)電機(jī)中的方法，其中該風(fēng)力或 水力發(fā)電站還包括一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)環(huán)形輪轂，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子通過磁軸承支撐在該定子上，所述磁軸承安置在 該定子和發(fā)電機(jī)上，所述發(fā)電機(jī)能夠安裝到渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂上，
其中在裝配過程中執(zhí)行下列步驟
在工廠中，在受控條件下，分多個(gè)部件生產(chǎn)電轉(zhuǎn)子和具有定子 繞組的定子；
在工廠中，在受控條件下，將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定子的 對(duì)應(yīng)部件安裝在一起；
將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定子的經(jīng)過裝配的部件在風(fēng)力發(fā)電 站上安裝成一個(gè)單元。
當(dāng)在工廠中已將發(fā)電機(jī)單元和定子繞組的經(jīng)過裝配的部件中的對(duì) 應(yīng)部件安裝在一起時(shí)，在把它們運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電站所在地之后將它們 安裝成一個(gè)單元。
該經(jīng)過裝配的部件緊靠風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂和定子的定子環(huán) 進(jìn)行安裝。
在安裝過程中，每次將一個(gè)部件安裝到定子環(huán)上，然后安裝到環(huán) 形輪轂上，或者以相反的順序安裝。
安裝時(shí)，優(yōu)選將在平面中調(diào)整每一個(gè)部件，以便各部件最終安裝 成的單元位于一個(gè)理想的或者近乎理想的平面中。以這樣的方式，能 夠補(bǔ)償環(huán)形輪轂和定子環(huán)的不規(guī)則性，該環(huán)形輪轂和定子環(huán)經(jīng)常不是 完全成一平面的，因而可能會(huì)對(duì)磁軸承和發(fā)電機(jī)引起問題。
當(dāng)本發(fā)明投入到與風(fēng)力發(fā)電站相關(guān)的用途中時(shí)，它將裝備有大的 環(huán)形輪轂，其中形成輪轂的環(huán)具有約為轉(zhuǎn)子直徑10-20%的直徑。該環(huán) 的橫截面的直徑大約與葉片連接到輪轂處的葉片直徑相當(dāng)。 一個(gè)或多 個(gè)轉(zhuǎn)子葉片靠著環(huán)形輪轂布置。由于轉(zhuǎn)子葉片終止處遠(yuǎn)離渦輪轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)軸，所以在葉片根部的彎曲力矩比具有相應(yīng)轉(zhuǎn)子面積的常規(guī)輪轂 的風(fēng)車小得多。輪轂由環(huán)形輪轂組成，該環(huán)形輪轂用來同時(shí)承受大的 扭轉(zhuǎn)力矩以及彎曲力矩。這就是說，葉片的自重轉(zhuǎn)化作環(huán)形輪轂的彎 曲力矩，同時(shí)由于風(fēng)力而導(dǎo)致在葉片根部出現(xiàn)的彎曲力矩轉(zhuǎn)化作環(huán)形 輪轂中的扭轉(zhuǎn)力矩。產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)子力矩MT直接被吸收到定子，而不 經(jīng)由中心軸傳遞。本專利申請(qǐng)中的軸因而與發(fā)電機(jī)的定子相同，并且 由具有大的圓周直徑(與輪轂的圓周直徑匹配)的短圓環(huán)組成，該短
圓環(huán)被安置為直接靠著電動(dòng)機(jī)外殼或者風(fēng)力發(fā)電站的支撐結(jié)構(gòu)。這意
味著，通常在軸中由于轉(zhuǎn)子的扭矩而引起的大扭矩應(yīng)力MT顯著減小，
并且實(shí)際上被當(dāng)作問題消除了 。
與發(fā)電機(jī)的軸承相同的風(fēng)力發(fā)電站的主軸承，在本發(fā)明中優(yōu)選由 位于輪轂圓周上的穩(wěn)定的磁軸承組成。
該軸承還可以由輪轂圓周上的軸向磁軸承與徑向機(jī)械軸承相結(jié)合 而組成。在這種情況下，磁軸承將安裝在環(huán)形輪轂和定子環(huán)之間來承 受軸向力，而通過在環(huán)形輪轂和機(jī)械軸承之間布置輪輻系統(tǒng)來承受徑 向力，該機(jī)械軸承被布置為靠著風(fēng)車在旋轉(zhuǎn)軸的中心的固定結(jié)構(gòu)。
可選地，通過使用Halbach陣列，可以使用純磁軸承來承受軸向 力和徑向力兩者。才艮據(jù)Earnshaw定理，僅僅通過使用永磁體(如果不 使用超低溫下的超導(dǎo))不可能獲得磁穩(wěn)定的軸承。這在美國專利第 6, 111, 332號(hào)和第5， 495，221號(hào)中進(jìn)行了更詳細(xì)的說明。為了規(guī)避有 關(guān)磁不穩(wěn)定性的Earnshaw定理，可以采用所謂的Halbach陣列j吏用上 述兩項(xiàng)專利中所說明的無源磁軸承來支撐輪轂，或者可選地用具有有 源伺服控制的有源電磁軸承來獲得磁穩(wěn)定性和阻尼。也可以使用利用 永磁體和具有有源伺服控制的有源電磁軸承的混合方案來支撐輪轂。
或者，輪轂可以裝備有永磁體按Halbach陣列布置的穩(wěn)定無源磁 軸承，或者可選地具有一個(gè)與Halbach陣列類似的結(jié)構(gòu)，該類似結(jié)構(gòu) 既具有輪轂軸承的功能，同時(shí)又包含發(fā)電機(jī)的工作部件，即直驅(qū)發(fā)電 機(jī)中的》茲體和電導(dǎo)體。
在上述兩種情況下，為了避免在發(fā)電機(jī)中出現(xiàn)大的磁吸力，定子 中的電繞組優(yōu)選為無鐵芯的(沒有鐵磁芯)。發(fā)電機(jī)定子既包含用于發(fā) 電的電繞組，又可選地包含(當(dāng)完全使用具有Halbach陣列的磁支撐 時(shí))作為磁軸承一部分的電繞組。
可選地，同一繞組可以既具有發(fā)電功能，同時(shí)又完全或部分形成 磁穩(wěn)定軸承中所需要的電繞組。
如上所述，定子中的電繞組優(yōu)選為無鐵芯的，但可以在定子中需 要這種額外磁吸力的區(qū)域中包含鐵芯。對(duì)于上述的一個(gè)可選方案，無 源穩(wěn)定軸承由強(qiáng)大的永磁體組成，這些永磁體在輪轂上布置成一個(gè)特 殊體系(Halbach陣列或相似的體系)或者直接布置在電轉(zhuǎn)子和安置
于定子上的電導(dǎo)體上。當(dāng)磁體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電導(dǎo)體中生成電流，該電流
排斥電轉(zhuǎn)子中的磁體。磁體在電轉(zhuǎn)子中布置成2或3行，使得系統(tǒng)對(duì) 于軸向和徑向外力均是穩(wěn)定的。還提供一種機(jī)械支撐件，它支撐轉(zhuǎn)子 直到轉(zhuǎn)子達(dá)到足以使磁軸承起作用的速度。在使用電磁軸承并且電力 供應(yīng)中斷或者伺服控制系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，這也是必要的。為了 提高所述磁軸承的阻尼性能，可以將橡膠或其他具有良好阻尼性能的 阻尼材料與固定到該結(jié)構(gòu)上的磁體結(jié)合使用。
磁體離電導(dǎo)體越近，排斥力越大。通過以Halbach陣列將磁體布 置在電轉(zhuǎn)子中，可以規(guī)避磁不穩(wěn)定性的Earnshaw定理并且依然獲得徑 向和軸向均為磁穩(wěn)定的軸承。與在定子繞組中使用鐵芯的已知風(fēng)車技 術(shù)相比，基于無鐵芯Halbach陣列的發(fā)電機(jī)的空氣間隙可以從幾毫米 增加到大于20亳米。因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠同時(shí)既易于建造風(fēng)力發(fā) 電站中發(fā)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)部件又放松它們的彎曲公差，這在現(xiàn)有技術(shù) 中是一個(gè)問題，特別是對(duì)大直徑風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
目前可通過商業(yè)渠道獲得強(qiáng)力永磁體，例如每m"舌性面具有高達(dá) 50噸磁力的釹磁體。這種磁體足以承受在所述的用于風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn) 子軸承中所有相關(guān)的各種大小的(dimensioning)力。有利的是，本 專利的輪轂是大直徑的，使得力矩的力臂很大，以承受轉(zhuǎn)子上的不同 載荷，例如不同葉片上不同的風(fēng)力分布。
具有電轉(zhuǎn)子和磁軸承的輪轂以及定子還可以裝備有冷卻肋板，該 冷卻肋板用于空氣流直接空冷，所述氣流穿過從風(fēng)的方向看為開放式 的輪轂的中部。定子繞組優(yōu)選嵌于一個(gè)沒有鐵芯的組合定子部件 (composite stator part)中。可以有矛Ji也將其打孑U以^f更7Jc、 S由、 空氣或者其它合適的冷卻劑可以繞著定子繞組循環(huán)。可選地，空氣通 過這種冷卻孔的自然循環(huán)足以冷卻定子，并且/或者如果它們布置在電 轉(zhuǎn)子上，也足以冷卻轉(zhuǎn)子中的磁體。
可以按與上面所述的布置相反的方式來布置帶有磁軸承的發(fā)電 機(jī)。磁體于是會(huì)在定子中，而電繞組在轉(zhuǎn)子中。在這種情況下，電力 必須通過集電環(huán)送回到風(fēng)力發(fā)電站的其他部分。
提供一種與圓形輪轂的中心同軸的滑環(huán)軸承(未示出)，其向轉(zhuǎn)子
傳遞節(jié)距控制電動(dòng)機(jī)、電燈等所需的電力。另外，為了與雷擊相關(guān)的 放電電流，在轉(zhuǎn)子和吊艙/塔之間提供電接觸。這種接觸可以是滑動(dòng)接 觸，或者是也與圓形輪轂的中心同軸的、帶有一個(gè)縫隙的開口接觸， 通過該縫隙雷擊將能夠形成一光弧(未示出)。
下面是在附圖中說明的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的非限制實(shí)例的說
明，其中


圖1示出一個(gè)具有由轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組成的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的風(fēng)力 發(fā)電站。該風(fēng)力發(fā)電站安裝在塔7上。該塔可以有一個(gè)固定地基或者 近海浮動(dòng)安裝。
圖2示出具有安裝在節(jié)距軸承上的葉片的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子。
圖3是風(fēng)力發(fā)電站的部件的側(cè)視圖。
圖4是風(fēng)力發(fā)電站的部件的透視圖。
圖5是從定子上拆下來的轉(zhuǎn)子的透視圖。
圖6顯示可選地分成不同區(qū)域的定子。
圖7a、 7b、 7c、 7d顯示組合的磁穩(wěn)定軸承和發(fā)電機(jī)的四個(gè)可選橫
截面(如圖6中示出的橫截面A-A)。
圖8顯示組合的軸向磁軸承和徑向機(jī)械軸承。
圖9是風(fēng)力發(fā)電站一部分的側(cè)視圖。
圖IO是生產(chǎn)過程中如何對(duì)組裝進(jìn)行分段的略圖。
圖11顯示該風(fēng)力發(fā)電站用作船在空中或水中的推進(jìn)系統(tǒng)的一種布置。
圖12顯示輪轂圍繞部分或整個(gè)船體的一種推進(jìn)系統(tǒng)。
圖1顯示一個(gè)具有10-12MW輸出功率的風(fēng)力發(fā)電站1，該風(fēng)力發(fā) 電站裝備有一個(gè)大的、形成環(huán)形輪轂6的環(huán)形輪轂，其中環(huán)形輪轂可 以具有約20米的直徑。環(huán)形輪轂6的橫截面可以具有約2米的直徑。 如圖2所示，轉(zhuǎn)子葉片3、 4、 5每個(gè)可以有60米長(zhǎng)并且設(shè)置在節(jié)距軸 承8、 9、 IO上，該節(jié)距軸承被設(shè)置為能夠在節(jié)距控制系統(tǒng)(未示出) 的推動(dòng)下繞葉片的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片。節(jié)距軸承安置在環(huán)形輪轂6中，每 個(gè)軸承之間間隔120度角。環(huán)形輪轂6具有一個(gè)閉合的中空外形，它 由中空的圓形管組成，其中該圓具有約為轉(zhuǎn)子直徑的15%的直徑并且
該管具有約為葉片3、 4、 5在它們連接到節(jié)距軸承處的橫截面70%的 橫截面。在輪轂的內(nèi)部，安置電轉(zhuǎn)子11，其支撐在定子部件12上。 不易彎曲(bending stiff)的梁13支撐定子12，該梁通過圓柱管14 將力傳導(dǎo)到支撐結(jié)構(gòu)的其他部分。轉(zhuǎn)子和定子裝備有自然通風(fēng)冷卻肋 板16。
環(huán)形輪轂6的承載橫截面具有一個(gè)閉合的、直徑約為2米圓形中 空外形，它適于同時(shí)承受由于轉(zhuǎn)子葉片的重量和作用在其上的風(fēng)載產(chǎn) 生的大的扭轉(zhuǎn)力矩和彎曲力矩。不易彎曲的梁13支撐定子12,該梁 通過圓柱管14將力傳導(dǎo)到支撐結(jié)構(gòu)的其他部分。
每個(gè)節(jié)距軸承通過拉桿或壓桿15連接到環(huán)形輪轂6的相對(duì)側(cè)，所 有的拉桿或壓桿相互連接在中心錨環(huán)或錨板60中，該錨環(huán)或錨板徑向 機(jī)械支撐到圓柱管14上。該拉桿或壓桿15位于同一平面內(nèi)，使得該 拉桿或壓桿不傳遞軸向力(不像自行車車輪，輪輻安裝在中心輪轂的 兩個(gè)不同的軸向位置上，能承受軸向力)。作用在葉片3、 4、 5上的風(fēng) 壓引起的轉(zhuǎn)子軸向力通過環(huán)形輪轂6和定子12之間的軸向排列磁軸承 39直接傳遞到定子12,該磁軸承由方向相反的永磁體組成，使得在軸 承面中產(chǎn)生排斥力。有利地使該軸承具有雙重作用，即它承受兩個(gè)軸 向的力。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可以在軸承中使用四排磁體?；蛘撸?以在軸承中使用電磁鐵。導(dǎo)致產(chǎn)生能量的渦輪轉(zhuǎn)子的扭矩MT直接承受 在定子12上，而不通過中心軸傳遞。因而，固定軸12與發(fā)電機(jī)定子 相同并且由一個(gè)具有大的圓周直徑(與環(huán)形輪轂6的圓周直徑匹配) 的短圓環(huán)組成，該固定軸12直接安置在電動(dòng)機(jī)外殼14上或者通過梁 13安置在風(fēng)力發(fā)電站的支撐結(jié)構(gòu)7上。通過電力變壓器(整流器/變 換器，未示出)的控制系統(tǒng)，可選地和在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)提供空氣動(dòng)力阻 尼的空氣動(dòng)力制動(dòng)器一起，通過發(fā)電機(jī)功率輸出的有源調(diào)制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子 2和輪轂6在轉(zhuǎn)子平面(在此定義為與三個(gè)葉片的外尖端相交的平面) 內(nèi)的阻尼。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的已知發(fā)電機(jī)技術(shù)中的元件可以與本 發(fā)明一起使用，在此不進(jìn)行更詳細(xì)的描述。例如，這些元件可以是斜 式定子繞組或磁體，或者在磁體或定子繞組之間的不規(guī)則距離，以避 免鈍齒(cogging)等等，但不限于此。
主軸承39是穩(wěn)定的磁軸承，它如圖8所示由永磁體61組成，這
些永磁鐵相互指向，以便在它們之間產(chǎn)生排斥力。
雖然定子中的電繞組優(yōu)選并且通常是無鐵芯的，然而，作為選擇，
它們可以在區(qū)域21、 22中具有鐵芯。
如果在徑向和軸向均為純磁軸承(以Halbach陣列)，在電轉(zhuǎn)子 11和定子12之間也可以提供機(jī)械軸承(未示出)，該機(jī)械軸承在軸向 和徑向支撐電轉(zhuǎn)子直到它達(dá)到足以使無源磁軸承起作用的速度。
為了在磁穩(wěn)定軸承內(nèi)提供徑向和軸向阻尼，永磁鐵23和61固定 到橡膠底座上。
圖8顯示組合的磁穩(wěn)定軸承和由發(fā)電機(jī)62組成的發(fā)電機(jī)的一個(gè)優(yōu) 選的橫截面(如圖6所示的橫截面A-A)，該發(fā)電機(jī)62由具有無鐵芯 電繞組24的定子環(huán)(安裝在輪緣上)12和轉(zhuǎn)子上的永磁體23構(gòu)成。 具有永磁體23的電轉(zhuǎn)子11是環(huán)形輪轂6的一部分并且直接固定到環(huán) 形輪轂6上。
圖7a、 7b、 7c和7d顯示組合的磁穩(wěn)定軸承和發(fā)電機(jī)的可選橫截 面(如圖6所示的橫截面A-A)。
圖8和9是具有環(huán)形輪轂6、并且發(fā)電機(jī)11安置在環(huán)形輪轂6上 的風(fēng)力發(fā)電站的側(cè)視圖。電轉(zhuǎn)子11固定到環(huán)形輪轂6上。電轉(zhuǎn)子構(gòu)造 有環(huán)形凹槽，定子12位于該凹槽中。該凹槽可以具有朝上(圖8)或 朝下(圖9)的U型。為了增加可用的磁區(qū)域，也可以以幾個(gè)軸向連 續(xù)盤的形式制造發(fā)電機(jī)和磁軸承，該盤由軸向上的多個(gè)凹槽構(gòu)成并且 具有多個(gè)相關(guān)的定子環(huán)。電轉(zhuǎn)子11和定子12設(shè)有磁體，這些磁體一 起形成承受由風(fēng)栽導(dǎo)致的軸向力和彎曲力矩的磁軸承。發(fā)電機(jī)11和定 子12也包括電流產(chǎn)生元件，即磁體和定子繞組。也可想到將繞組布置 在電轉(zhuǎn)子上并將磁體布置在定子上。電轉(zhuǎn)子11中的環(huán)形凹槽和定子 12可以具有不同的設(shè)計(jì)，例如如圖7a-d和圖8所示。
為承受徑向力，特別是渦輪轉(zhuǎn)子的重量，提供拉桿或壓桿15，該 拉桿或壓桿15 —端固定到環(huán)形輪轂6上，另 一端固定到中心錨環(huán)或錨 板55上，其中該錨環(huán)或錨板55徑向機(jī)械支撐在圓柱管14上。
在環(huán)形輪轂上，渦輪轉(zhuǎn)子葉片3、 4、 5也安裝在它們各自的節(jié)距 軸承上。
圖10純粹示意性地顯示了電轉(zhuǎn)子11和定子12在它們安裝成一個(gè)
單元之前如何組裝成經(jīng)過組裝的部件，該經(jīng)過組裝的部件首先安裝到
環(huán)形輪轂6上然后安裝到定子梁13上，或者首先安裝在定子梁13上 然后安裝到環(huán)形輪轂6上。在圖中，顯示了電轉(zhuǎn)子11和定子12已組 裝成一個(gè)單元。在生產(chǎn)過程中，電轉(zhuǎn)子ll和定子12被分成多個(gè)部件。 在圖中，通過線71、 72、 73、 74、 75、 76、 77、 78表示電轉(zhuǎn)子11和 定子12被分成8個(gè)部件。由于在定子部件91、 92、 93、 94、 95、 96、 97、 98中的軸承磁體和轉(zhuǎn)子部件81、 82、 83、 84、 85、 86、 87、 88 中的對(duì)應(yīng)軸承磁體之間將產(chǎn)生強(qiáng)大的磁力，所以分段是一個(gè)能夠更容 易地支配這些力的很好的方案。當(dāng)各部件已被組裝并通過臨時(shí)的運(yùn)輸 固定方式保持在一起時(shí)，將它們分開運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電站的安裝地點(diǎn)并 且在那里將它們組裝到輪轂6上成為一個(gè)單元。
電轉(zhuǎn)子11和定子12的分段也使得當(dāng)它們安裝到環(huán)形輪轂6和定 子梁13上時(shí)更容易確保電轉(zhuǎn)子和定子形成一個(gè)平面單元。隨著各部件 被安裝，例如首先安裝到環(huán)形輪轂6上，將通過使用墊片來調(diào)整新的 部件，使得它與已安裝的部件在同一平面。當(dāng)環(huán)形輪轂6和各部件已 被安裝到一個(gè)理想的或接近理想的平面內(nèi)時(shí)，環(huán)形輪轂和現(xiàn)在已形成 一個(gè)單元的部件被安裝到定子梁13上。然后還必須保證，通過使用墊 片消除不規(guī)則而將各部件裝配成的單元在安裝到定子梁13期間保持 在一個(gè)理想或接近理想的平面中。因此大尺寸的輪轂和定子梁的建造 公差不嚴(yán)格。在運(yùn)行期間，渦輪轉(zhuǎn)子繞定子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子和電轉(zhuǎn)子發(fā)生 物理接觸的危險(xiǎn)將因此大大減小。
本發(fā)明也可用作飛行器和水中所有類型的船舶的推進(jìn)系統(tǒng)。將本 發(fā)明的該實(shí)例中具有環(huán)形輪轂6、節(jié)距軸承8、 9、 10以及磁軸承39 的渦輪轉(zhuǎn)子2用作推進(jìn)器。根據(jù)用于此目的的現(xiàn)有技術(shù)，調(diào)節(jié)推進(jìn)器 的大小、強(qiáng)度以及扭轉(zhuǎn)/坡度等。于是發(fā)電機(jī)如同電動(dòng)機(jī)一樣運(yùn)轉(zhuǎn)。推 進(jìn)系統(tǒng)安置在通過推進(jìn)系統(tǒng)移動(dòng)的船37上，其中圖14和15顯示了兩 個(gè)實(shí)例。在船37上或船體上，在本發(fā)明的一個(gè)變體中，流線型的連接 可以安裝到要移動(dòng)的對(duì)象/船體的可能的其他部件上。在本發(fā)明的另一 個(gè)變體中，推進(jìn)系統(tǒng)40安置有一個(gè)方向舵(未示出)。在本發(fā)明的又 一個(gè)變體中，安置推進(jìn)系統(tǒng)40,使得推進(jìn)系統(tǒng)本身可以可旋轉(zhuǎn)地連接 到船上而繞垂直軸旋轉(zhuǎn)來作為方位推進(jìn)器。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于安裝
推進(jìn)器的許多其他構(gòu)造也是可以的。推進(jìn)器可以比在此示出的優(yōu)選實(shí)
施方案具有更少或更多的葉片。船37還可以設(shè)有多個(gè)推進(jìn)器。
權(quán)利要求
1.一種渦輪轉(zhuǎn)子，其用于具有將流動(dòng)的風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電站或水力發(fā)電站，該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，其特征在于，該渦輪轉(zhuǎn)子還包括一個(gè)環(huán)形輪轂(6)，該環(huán)形輪轂被構(gòu)造為具有與該定子的中心軸重合的旋轉(zhuǎn)軸的閉合中空外形，并且該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，所述的轉(zhuǎn)子葉片安置在該環(huán)形輪轂上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被安 裝到該環(huán)形輪轂上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪穀 被構(gòu)造為一個(gè)具有圓形橫截面的圓環(huán)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于該風(fēng) 力渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形的外 周和內(nèi)周是圓形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂 被構(gòu)造為一個(gè)具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-3和6之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于 該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形的外 周和內(nèi)周是多邊形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-7之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該渦輪轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞該渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的該環(huán)形輪轂外周線的距離是從 該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的該渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂 通過磁軸承支撐在該定子上，該磁軸承由永磁體、電磁體或者兩者的 組合組成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是 無源磁軸承。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是磁體 布置成Halbach陣列的無源;磁軸承。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9或11的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，用短路的電 導(dǎo)體代替該定子中的磁體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是電磁 軸承。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，安裝無導(dǎo)磁鐵芯 的電流產(chǎn)生繞組(24)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該發(fā)電機(jī)磁體由 布置成Halbach陣列的永磁體組成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂通過常規(guī)軸承支撐在該定子上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂通過磁軸承軸向支撐在該定子上并且該環(huán)形輪轂通過常規(guī)軸承徑向 支撐。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1-12之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力渦 輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個(gè)拉桿，所述拉桿在其笫 一端固定到與該定子的中 心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
19，根據(jù)權(quán)利要求18的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，這些拉桿位于同 一平面中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求l-19之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，在中心軸 承(60)上承受來自該渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力的小于10%。
21. 根據(jù)權(quán)利要求l-12之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力渦 輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個(gè)壓桿，所述壓桿在其第一端固定到與該定子的中 心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該壓桿位于同一 平面中。
23. 根據(jù)權(quán)利要求l-22之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該環(huán)形 輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該磁軸承的力傳遞面的面積中心的最短距離小于從該 環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該環(huán)形輪轂的橫截面的中性軸的距離。
24. 根據(jù)權(quán)利要求l-23之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂(6 )彎曲到垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外的抗彎剛度大于該定 子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l-23之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪 轂(6)彎曲到垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外的抗彎剛度是該定子 彎曲到相同平面外的抗彎剛度的至少兩倍。
26. —種用于將流動(dòng)的風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的風(fēng)力或水力 發(fā)電站，其特征在于，該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求l-25 之一的渦輪轉(zhuǎn)子。
27. —種用于具有將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的推進(jìn)裝置的 渦輪轉(zhuǎn)子，該推進(jìn)裝置包括一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，其特征在于， 該渦輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)具有與該定子的中心軸線重合的旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪 轂(6)，并且該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片被安 置在該環(huán)形輪轂上。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂通過 磁軸承支撐在該定子上。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27-28之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子被安裝到該環(huán)形輪轂上。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27-29之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂被構(gòu)造為 一個(gè)具有圓形橫截面的圓環(huán)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27-30之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于該風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形 的外周和內(nèi)周是圓形。
32. 根據(jù)權(quán)利要求27-29之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂被構(gòu)造為一個(gè)具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27-29和32之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，垂直于該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中該環(huán)形 的外周和內(nèi)周是多邊形。
34. 根據(jù)權(quán)利要求27-33之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞該渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的該環(huán)形輪轂的外周線的距 離是從該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的該渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
35. 根據(jù)權(quán)利要求27-34之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂通過磁軸承支撐在該定子上。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是無源 磁軸承。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該磁軸承是電磁 軸承。
38. 根據(jù)權(quán)利要求35的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂通過 常規(guī)軸承支撐在該定子上。
39. 根據(jù)權(quán)利要求27-38之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂通過磁軸承軸向支撐在該定子上并且該環(huán)形輪轂通過常規(guī)軸承徑 向支撐。
40. 根據(jù)權(quán)利要求27-37之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力 渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個(gè)拉桿，所述拉桿在其第一端固定到與該定子的 中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，這些拉桿位于同 一平面中。
42. 根據(jù)權(quán)利要求27-37之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該風(fēng)力 渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個(gè)壓桿，所述壓桿在其第 一端固定到與該定子的 中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，這些壓桿位于同 一平面中。
44. 根據(jù)權(quán)利要求27-43之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，從該環(huán) 形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該磁軸承的力傳遞面的面積中心的最短距離小于從 該環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該環(huán)形輪轂的橫截面的中性軸的距離。
45. 根據(jù)權(quán)利要求l的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形輪轂U) 彎曲到穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外的抗彎剛 度大于該定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。
46. 根據(jù)權(quán)利要求27-45之一的渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，該環(huán)形 輪轂(6)彎曲到穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸的平面外 的抗彎剛度是該定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度的至少兩倍。
47. —種包括推進(jìn)裝置的船，其特征在于，該推進(jìn)裝置包括一個(gè) 根據(jù)權(quán)利要求27-46之一的渦輪轉(zhuǎn)子。
48. —種具有將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力或者水力發(fā) 電站，其中該風(fēng)力發(fā)電站包括一個(gè)定子和一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子，所述的渦輪 轉(zhuǎn)子包括一個(gè)發(fā)電機(jī)，其中該發(fā)電機(jī)或者該定子或者該發(fā)電機(jī)和該定 子設(shè)有能量生產(chǎn)單元，其特征在于，該渦輪轉(zhuǎn)子通過一個(gè)磁軸承支撐 在該定子上并且該能量生產(chǎn)單元中的繞組被構(gòu)造為具有無鐵芯。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，該渦 輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)環(huán)形輪轂，所述環(huán)形輪轂通過一個(gè)磁軸承支撐在該定 子上。
50. 根據(jù)權(quán)利要求48-49之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被安裝到該環(huán)形輪轂上。
51. 根據(jù)權(quán)利要求49-50之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂被構(gòu)造為一個(gè)具有圓形橫截面的圓環(huán)。
52. 根據(jù)權(quán)利要求49-51之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，垂直于該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形，其中 該環(huán)形的外周和內(nèi)周是圓形。
53. 根據(jù)權(quán)利要求49-5Q和52之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特 征在于，該環(huán)形輪轂被構(gòu)造為一個(gè)具有多邊形橫截面的圓環(huán)。
54. 根據(jù)權(quán)利要求49-51和53之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特 征在于，垂直于該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸貫穿該環(huán)形輪轂的截面是環(huán)形， 其中該環(huán)形的外周和內(nèi)周是多邊形。
55. 根據(jù)權(quán)利要求49-54之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，從該渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸到環(huán)繞該渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的該環(huán)形輪轂的 外周線的距離是從該旋轉(zhuǎn)軸到葉尖的該渦輪轉(zhuǎn)子半徑的至少1/12。
56. 根據(jù)權(quán)利要求49-55之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂通過磁軸承支撐在該定子上。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，該磁 軸承是無源磁軸承。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，該磁 軸承是電磁軸承。
59. 根據(jù)權(quán)利要求49-55之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂通過常規(guī)軸承支撐在該定子上。
60. 根據(jù)權(quán)利要求49-55之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂通過磁軸承軸向支撐在該定子上并且該環(huán)形輪轂通過 常規(guī)軸承徑向支撐。
61. 根據(jù)權(quán)利要求48-57之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個(gè)拉桿，所述拉桿在其第一端固定到 與該定子的中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
62. 根據(jù)權(quán)利要求61的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，這些 拉桿位于同一平面內(nèi)。
63. 根據(jù)權(quán)利要求48-57之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子包括至少兩個(gè)壓桿，所述壓桿在其第一端固定到 與該定子的中心軸同軸的軸承上，并在其第二端固定到該環(huán)形輪轂上。
64. 根據(jù)權(quán)利要求63的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在于，這些 壓桿位于同一平面內(nèi)。
65. 根據(jù)權(quán)利要求49-64之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，從該環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該磁軸承的力傳遞面的面積中心的最短 距離小于從該環(huán)形輪轂的旋轉(zhuǎn)軸到該環(huán)形輪轂橫截面的中性軸的距 離。
66. 根據(jù)權(quán)利要求49-65之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂(6)彎曲到穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn) 軸的平面外的抗彎剛度大于該定子彎曲到相同平面外的抗彎剛度。
67. 根據(jù)權(quán)利要求49-66之一的風(fēng)力或者水力發(fā)電站，其特征在 于，該環(huán)形輪轂(6 )彎曲穿過該環(huán)形輪轂并垂直于該環(huán)形輪轂旋轉(zhuǎn)軸倍:
68. —種用于將電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的定子裝配在風(fēng)力或電力 發(fā)電站上的直驅(qū)發(fā)電機(jī)中的方法，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站還包括一 個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一個(gè)環(huán)形輪轂，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子 通過磁軸承支撐在該定子上，所述磁軸承安置在該定子和發(fā)電機(jī)上， 所述發(fā)電機(jī)能夠安裝到該渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂上，其特征在于，在裝 配過程中執(zhí)行下列步驟一在工廠中在，受控條件下，分多個(gè)部件生產(chǎn)該電轉(zhuǎn)子和具有定 子繞組的該定子；一在工廠中，在受控條件下，將該電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的該定 子的對(duì)應(yīng)部件安裝在一起；一將該電轉(zhuǎn)子和具有定子繞組的該定子的經(jīng)過裝配的部件在風(fēng)力 發(fā)電站上安裝成一個(gè)單元。
69. 根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其特征在于，將相應(yīng)的轉(zhuǎn)子單元和 定子的經(jīng)過裝配的部件運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電站所在地之后將它們安裝成一個(gè)單元。
70. 根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其特征在于，經(jīng)過裝配的部件緊靠 風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形輪轂和定子的定子環(huán)進(jìn)行安裝。
71. 根據(jù)權(quán)利要求68或70之一的方法，其特征在于，每次一個(gè) 地將所述部件安裝到定子環(huán)，直到所有部件已被安裝完并一起構(gòu)成一 個(gè)單元，然后安裝到環(huán)形輪轂，或者以相反的次序。
72. 根據(jù)權(quán)利要求68和70-71之一的方法，其特征在于，安裝后 將每個(gè)單獨(dú)部件調(diào)整為在其平面中，使得這些部件的最終單元位于一 個(gè)理想的或者近乎理想的平面內(nèi)。
全文摘要
一種渦輪轉(zhuǎn)子，其用于具有將流動(dòng)的風(fēng)或水中的能量轉(zhuǎn)換成電能的直驅(qū)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電站或水力發(fā)電站，其中該風(fēng)力或水力發(fā)電站包括一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子還包括一個(gè)具有與該定子的中心軸重合的旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)形輪轂(6)，并且其中該渦輪轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，所述的轉(zhuǎn)子葉片安置在該環(huán)形輪轂上。該渦輪轉(zhuǎn)子也可用作船舶的推進(jìn)器。
文檔編號(hào)B63H13/00GK101360914SQ200680046703
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
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