專利名稱：風力渦輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括直接驅動發(fā)電機的風力渦輪機。
背景技術：
從原理上，針對風力渦輪機的驅動構造存在兩種主要類型的風力渦輪機。第一種 類型的風力渦輪機是更經典的風力渦輪機類型，其包括布置在風力渦輪機的主軸和發(fā)電機 之間的齒輪箱。第二種類型的風力渦輪機是無齒輪類型，其包括直接驅動發(fā)電機或被直接 驅動的發(fā)電機。這種直接驅動發(fā)電機能夠被制成具有被纏繞的轉子或具有附連到轉子的永 磁體的同步發(fā)電機，或其能夠被設計成備選類型的發(fā)電機。與直接驅動發(fā)電機的類型無關， 在風力渦輪機和直接驅動發(fā)電機各自地運行過程中，甚至當風力渦輪機轉子、主軸和直接 驅動發(fā)電機的布置承受載荷時，理想的是發(fā)電機的轉子和定子之間的氣隙的寬度優(yōu)選地被 恒定地保持或至少在一定公差之內。因此用于包括直接驅動發(fā)電機的風力渦輪機的驅動構造的不同軸承布置被開 發(fā)。直到現(xiàn)在，直接驅動發(fā)電機的經典軸承布置是雙軸承布置。從而連接到風力渦輪機 轉子的發(fā)電機的轉子朝向不動內軸或固定內軸由兩個軸承支撐。定子在一側附連到固定 內軸。因此轉子能夠相對于定子圍繞固定內軸轉動。具有這種設計的風力渦輪機在例如 EP1641102A1和US6，483，199B2中描述。這種設計的缺陷在于定子的單邊支撐使其很難在 定子的非支撐側保持氣隙的寬度至少實質上恒定，當整個發(fā)電機結構不僅受到重力和質量 慣性而且受到不平衡的磁拉力時尤為如此。為了減少這種缺陷，具有這種雙軸承布置的直 接驅動發(fā)電機需要能夠吸收相對大的定子彎矩的大而重的定子支撐結構。這種定子支撐結 構在例如W002/0M08A1中被描述，其中定子支撐結構包括具有多個支撐臂的支撐構造。在替代設計中雙軸承布置由具有固定內軸承部分和轉動外軸承部分的單軸承代 替，所述固定內軸承部分附連到固定內軸，所述轉動外軸部分支撐直接驅動發(fā)電機的轉子。 包括具有單軸承的直接驅動發(fā)電機的風力渦輪機在US2006/0152014A1和W002/057624A1 中被公開。但是用單軸承替代雙軸承不能實質上改變單側支撐的定子結構的缺陷。在一些其他的解決方案中，固定內軸構思被轉動軸構思代替。由于根據(jù)轉動軸構 思，發(fā)電機的定子在雙側被支撐，因此更容易保持發(fā)電機的轉子和定子之間的氣隙的寬度 至少實質上恒定。存在兩種已知的轉動軸構思的變體，一種帶有雙軸承布置，一種帶有四軸 承布置。根據(jù)雙軸承布置，發(fā)電機的軸承作為主軸的軸承用于風力渦輪機，主軸連接到風 力渦輪機的轉子。定子結構朝向主軸被支撐并且附連到風力渦輪機的底板。具有這種設計 的風力渦輪機公開在US7，119，453B2*W003/023943A2*。這個設計的缺陷在于定子結構 需要被確定尺寸來吸收和轉移所有風力渦輪機轉子的載荷，即風力渦輪機轉子的重量和所 有不對稱空氣動力學載荷，來保持氣隙寬度在必要公差之內。在大的風力渦輪機上這導致 非常重和昂貴的定子結構。在四軸承布置中，風力渦輪機的在其一端連接到風力渦輪機轉子的主軸由其自身的兩個軸承支撐并且在其另一端承載直接驅動發(fā)電機。直接驅動發(fā)電機具有雙軸承布置用 于將轉子在定子內部對準中心。這種風力渦輪機的例子在US6，781，276B1中描述。在該主 軸安裝布置中，發(fā)電機定子由發(fā)電機轉子承載并且轉矩從發(fā)電機通過轉矩臂裝置被傳遞到 風力渦輪機底板。轉矩臂裝置需要包括某種柔性，例如用橡膠元件實施，來允許主軸一發(fā)電 機結構和渦輪底板之間存在輕微錯位。在轉子上的定子的雙邊支撐允許相對輕質的定子結 構。這種設計的主要缺陷是總共需要四個軸承，并且全部轉矩至少部分地穿過這些軸承。對 大的風力渦輪機這意味著相比而言很大的和昂貴的軸承。另外，對于大的風力渦輪機，轉矩 臂裝置成為相比而言相當大而重的結構。在US4，291, 235中描述了用于風力渦輪機的另外的軸承布置。風力渦輪機包括固 定軸和具有內部定子和外部轉子的直接驅動發(fā)電機。內部定子被布置在固定軸上。外部轉 子連接到風力渦輪機的轂體，在前側通過前軸承連接到固定軸并且在后側通過后軸承連接 到固定軸。因此軸承布置關于載荷容量不是最優(yōu)的。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目標是提供如最初提到的具有簡化設計和改進載荷容量的風力渦 輪機。這個目標通過包括直接驅動發(fā)電機的風力渦輪機來創(chuàng)造性地達到，所述直接驅動 發(fā)電機具有內部定子裝置、外部轉子裝置和具有中心軸線的固定軸，其中定子裝置被布置 在固定軸的外側，轉子裝置實質上圍繞定子裝置布置，所述轉子裝置在前側至少間接地被 主軸承支撐或布置在固定軸上并且在后側至少間接地被支撐軸承支撐或布置在固定軸上， 主軸承和/或支撐軸承是四點軸承。根據(jù)本發(fā)明，定子裝置和轉子裝置都包括雙邊支撐，在 發(fā)電機和風力渦輪機各自的運行過程中的氣隙寬度的保持方面具有優(yōu)點。因此特別是定子 裝置能夠被設計成與單邊支撐結構相比相對的輕質。轉子裝置實質上圍繞定子裝置布置并 且在前側和后側由軸承支撐。主軸承和/或支撐軸承是如已經提到的四點軸承。四點軸承 特別是四點滾子軸承一般來說在其外圈和內圈上具有兩個圓弧狀滾道，滾道的曲率中心是 偏移的，因此在徑向承載過程中軸承元件在四個點處接觸滾道。四點軸承的接觸角是相對 大的。因此這種軸承能夠在固定軸的中心軸線的兩個方向上傳送高軸向載荷。通過這種方 式，實現(xiàn)了風力渦輪機的具有改進載荷容量的特別是涉及四點軸承的簡化設計。因為四點軸承用作類似兩個軸承，所描述的包括主四點軸承和/或支撐四點軸承 的軸承布置示出至少三軸承布置的特性。這種三軸承結構有時可能是靜態(tài)不確定的。在這 種情況下，由于安裝公差所引起的任何錯位或由于對固定軸或發(fā)電機的重力或外載荷所導 致的任何變形總體上可以導致風力渦輪機的軸承之間的不一致的載荷分布，這轉而可以導 致過早的軸承故障。因此根據(jù)本發(fā)明的實施例，轉子裝置包括作為轉子支撐結構的部分的前端板，所 述前端板至少間接地被主軸承支撐或布置在固定軸上。由此前端板能夠被附連到轂體，特 別是當轂體由主軸承支撐抵靠固定軸時。前端板優(yōu)選地相對于固定軸的中心軸線實質上垂 直地布置并且/或者在固定軸的中心軸線方向上至少部分地在一定適當程度上是柔性的。 因此在本發(fā)明的這個實施例的情況中，三軸承布置的靜態(tài)不確定性的潛在問題通過在固定 軸的中心軸線方向上建立轉子裝置的前端板的足夠柔性而被消除。據(jù)此，前端板像膜一樣
4在徑向方向上實質上牢固地支撐轉子裝置以便保持氣隙，但是易撓曲以便使得例如固定軸 能夠彎曲而沒有較大阻力。在本發(fā)明的變體中，前端板是環(huán)形端板并且特別是實質上平的。優(yōu)選地前端板由 鋼或玻璃纖維制成。根據(jù)本發(fā)明的另外變體，前端板具有大約15-50mm、優(yōu)選地是20-30mm 的厚度。因此，前端板具有例如依賴于材料和/或前端板結構的尺寸以使得前端板具有相 比而言很小的抗彎剛度。當例如固定軸由于偏斜而少量移動時前端板簡單地被動撓曲，同 時保持氣隙的寬度。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，轉子裝置包括優(yōu)選地是環(huán)形并且特別是平的作為轉 子支撐結構的部分的后端板，后端板至少間接地被支撐軸承支撐或布置在固定軸上。根據(jù) 本發(fā)明的變體，后端板也由鋼或玻璃纖維制成。根據(jù)本發(fā)明的另外變體，轉子裝置包括作為轉子支撐結構的部分的空心圓柱元 件。一般而言該空心圓柱元件將前端板和后端板互相連接。在本發(fā)明的實施例中，轉子裝置包括至少一個永磁體。通常，多個永磁體被布置在 空心圓柱元件的圓柱形內側上。在本發(fā)明的另外實施例中，定子裝置包括至少間接地附連到固定軸的定子支撐結 構和至少一個具有至少一個被布置在定子支撐結構上的繞組的疊片。具有繞組的疊片和轉 子裝置的永磁體相對布置，在疊片和永磁體中間具有氣隙。通常氣隙具有實質上恒定的大 約5mm的寬度。在本發(fā)明的變體中，固定軸至少間接地被布置在風力渦輪機的底板上。固定軸優(yōu) 選地附連到被布置在底板上的保持裝置。


本發(fā)明將接下來參照示意性附圖更詳細的解釋，附圖示出創(chuàng)造性的風力渦輪機的 部分。附圖示意性地示出創(chuàng)造性的風力渦輪機1的實施例，包括被布置在風力渦輪機1 的塔3的逆風側的直接驅動發(fā)電機2。
具體實施例方式塔的凸緣4被布置在塔3的頂部。底板5附連到塔的凸緣4。風力渦輪機1以沒 有明顯示出的方式包括用于圍繞塔3的軸線Y轉動風力渦輪機1的底板5以及直接或間接 地附連到底板5的風力渦輪機1的其他部件的偏航系統(tǒng)。風力渦輪機1包括具有中心軸線A的固定軸6。固定軸6的后側附連到被附連到 底板5的保持裝置7。在固定軸6的前側上布置了直接驅動發(fā)電機2的定子裝置8。定子 裝置8包括定子支撐結構9和具有繞組11的疊片10。在本發(fā)明的當前實施例的情況中，定 子支撐結構9包括兩個用于疊片10的兩側支撐的支撐元件12。在本發(fā)明的當前實施例的 情況中，支撐元件12是被例如用螺栓連接附連到固定軸6的外側的環(huán)形支撐元件12。環(huán)形 支撐元件12能夠是緊湊的或能夠包括輪輻或輪輻結構。一種空心圓柱支撐元件13被附連 到環(huán)形支撐元件12的外端。空心圓柱支撐元件13承載具有繞組11的環(huán)形疊片10。疊片 10能夠包括環(huán)形段狀疊片段，每個疊片段具有至少一個繞組11，疊片段以其整體構建疊片10。轉子裝置14實質上圍繞定子裝置8布置。在本發(fā)明的當前實施例的情況中，轉子 裝置14包括前環(huán)形端板15、后環(huán)形端板16和將前環(huán)形端板15與后環(huán)形端板16互相連接 的空心圓柱元件17。在空心圓柱元件17的內側上包括多個實質上與疊片10相對地布置的 永磁體18。具有大約5mm寬度的氣隙19位于永磁體18和疊片10之間。在本發(fā)明的當前實施例的情況中，前環(huán)形端板15間接地通過四點軸承20被布置 在固定軸6上，所述四點軸承20能夠在中心軸線A的兩個方向上傳送高軸向載荷。合適的 四點軸承公開在例如DE20116649U1中。四點軸承20的固定部分21附連到固定軸6。在本 發(fā)明的當前實施例的情況中，四點軸承20的轉動部分22連接到安裝環(huán)23。風力渦輪機1 的前端板15以及轂體M用例如螺栓連接附連到安裝環(huán)23。另外轂體M包括用于三個未 示出的但是眾所周知的風力渦輪機轉子葉片的三個安裝裝置25。后環(huán)形端板16通過另一個被稱為支撐軸承沈的四點軸承沈連接到固定軸6。因 此轉子裝置14也具有兩側支撐。另外轉子裝置14能夠與轂體M —起相對定子裝置8轉 動，其中特別地永磁體18相對于疊片10轉動以用于發(fā)電。為了避免包括兩個四點軸承20和沈的軸承布置是靜態(tài)不確定的情況，轉子裝置 14的前端板15在中心軸線A的方向上包括適當?shù)娜嵝?。因此前端?5像膜一樣在徑向方 向上實質上牢固地支撐轉子裝置14以便保持氣隙19的寬度，但是易撓曲以便允許例如固 定軸6彎曲而沒有較大阻力。前端板15具有這種尺寸即它具有相比而言很小的抗彎剛度。 當例如固定軸6由于偏斜而少量移動時，前端板15簡單地被動撓曲。因此當固定軸6發(fā)生 彎曲時，前端板15在中心軸線A的方向上彎曲，其中氣隙19的寬度實質上保持恒定或在要 求的公差內。前端板15通常由鋼或玻璃纖維制成并且具有大約15-55mm的、優(yōu)選地是20_30mm 的厚度。轉子裝置14的后端板16也能夠由鋼或玻璃纖維制成。通常后端板16具有如前 端板15的較大的厚度。這種軸承布置除了具有輕質、相對簡單和不太貴的設計的優(yōu)點，還具有超過現(xiàn)有 風力渦輪機設計的另外的優(yōu)點，即它提供了對定義明確的密封布置的前提條件，特別是當 直接驅動發(fā)電機2位于塔3的逆風側時。由此實質上發(fā)電機2的整個閉合體可較容易的建 造，對離岸和在其他有問題的環(huán)境中的應用尤其重要。另外，所描述的風力渦輪機1包括通常稱為機艙的殼體H。此外，兩個軸承即主軸承20和支撐軸承沈不需要都是四點軸承。僅主軸承20或 僅支撐軸承26是四點軸承也是可能的。
權利要求
1.一種風力渦輪機，包括-直接驅動發(fā)電機(2)，所述直接驅動發(fā)電機(2)包括內部定子裝置(8)和外部轉子裝 置(14)，以及-具有中心軸線(A)的固定軸(6)，其中-定子裝置(8 )被布置在固定軸(6 )的外側上，-轉子裝置(14)實質上圍繞定子裝置(8)布置，在前側至少間接地被主軸承(20)支撐 或被布置在固定軸(6)上，并且在后側至少間接地被支撐軸承(26)支撐或被布置在固定軸 (6)上，其特征在于主軸承(20 )和/或支撐軸承(26 )是四點軸承(20、沈)。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪機，其中轉子裝置(14)包括至少間接地被主軸承 (20)支撐或被布置在固定軸(6)上的前端板(15)，所述前端板(15)在固定軸(6)的中心軸 線(A)的方向上至少部分的在一定程度上是柔性的。
3.根據(jù)權利要求2所述的風力渦輪機，其中前端板(15)是環(huán)形端板(15)。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的風力渦輪機，其中前端板(15)由鋼或玻璃纖維制成。
5.根據(jù)權利要求2到4中的任意一項所述的風力渦輪機，其中前端板(15)具有大約 15-50mm的厚度。
6.根據(jù)權利要求1到5中的任意一項所述的風力渦輪機，其中轉子裝置(14)包括至少 間接地被支撐軸承(26)支撐或被布置在固定軸(6)上的后端板(16)。
7.根據(jù)權利要求6所述的風力渦輪機，其中后端板(16)是環(huán)形端板(20)。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的風力渦輪機，其中后端板(16)由鋼或玻璃纖維制成。
9.根據(jù)權利要求1到8中的任意一項所述的風力渦輪機，其中轉子裝置(14)包括空心 圓柱元件(17)。
10.根據(jù)權利要求9所述的風力渦輪機，其中空心圓柱元件(17)將前端板(15)和后端 板(16)互相連接。
11.根據(jù)權利要求1到10中的任意一項所述的風力渦輪機，其中轉子裝置(14)包括至 少一個永磁體(18)。
12.根據(jù)權利要求1到11中的任意一項所述的風力渦輪機，其中定子裝置(8)包括定 子支撐結構(9、12、13)和至少一個具有至少一個被布置在定子支撐結構(9、12、13)上的繞 組(11)的疊片(10)。
13.根據(jù)權利要求1到12中的任意一項所述的風力渦輪機，其中固定軸(6)至少間接 地被布置在風力渦輪機(1)的底板(5 )上。
14.根據(jù)權利要求13所述的風力渦輪機，其中固定軸(6)附連到被布置在底板(5)上 的保持裝置(7)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括直接驅動發(fā)電機(2)的風力渦輪機(1)，所述直接驅動發(fā)電機包括內部定子裝置(8)、外部轉子裝置(14)和具有中心軸線(A)的固定軸(6)，其中定子裝置(8)布置在固定軸(6)的外側，轉子裝置(14)實質上圍繞定子裝置(8)布置，所述轉子裝置在前側至少間接地通過主軸承(20)被支撐或被布置在固定軸(6)上并且在后側至少間接地通過支撐軸承(26)被支撐或被布置在固定軸(6)上，主軸承(20)和/或支撐軸承(26)是四點軸承(20，26)。
文檔編號F16C19/16GK102089521SQ200980126457
公開日2011年6月8日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權日2008年7月7日
發(fā)明者斯蒂斯達爾 H. 申請人:西門子公司