具有局部气隙控制的风轮发电机及具有这种发电机的风轮的制造方法

文档序号:7349650
具有局部气隙控制的风轮发电机及具有这种发电机的风轮的制造方法
【专利摘要】一种风轮机部件(18),该风轮机部件包括内构件(32)以及相对于内构件(32)布置的外构件(34),其中,内构件(32)和外构件(34)相对于彼此运动?;岢校?00)联接至内构件(32)和外构件(34)其中一者,并构造成提供流体膜(202),该流体膜用于使内构件(32)和外构件(34)保持分离并便于二者之间的相对运动。位置调节机构(78)联接至内构件(32)和外构件(34)中的所述一者,以用于选择性地移动滑动轴承(200)。位置控制器(176)可操作联接至位置调节机构(78)以用于控制滑动轴承(200)的位置。所述风轮机部件可以是具有与定子组件(32)与转子组件(34)其中一者对应的内构件和外构件的风轮发电机(18)?;构艘恢钟糜诳刂聘梅⒌缁姆椒?。
【专利说明】具有局部气隙控制的风轮发电机及具有这种发电机的风轮机
【技术领域】
[0001 ] 本申请总体涉及一种风轮机,更具体地涉及一种用于具有局部气隙控制的风轮机的发电机以及一种具有这种发电机的风轮机。
【背景技术】
[0002]风轮机用于利用可再生资源而不燃烧化石燃料产生电能。通常,风轮机将来自风的动能转换成机械能,接着将机械能转换成电力。水平轴风轮机包括塔架、位于塔架顶端的机舱以及被支撑在机舱中的转子。转子与用于将叶片的动能转换为电能的发电机联接。
[0003]一般,风轮机包括从转子轮毂延伸到机舱中的主驱动轴,该主驱动轴随转子的旋转而旋转。主驱动轴操作联接至一个或多个可为齿轮箱形式的齿轮级,以给同样位于机舱中的发电机提供更适宜的机械输入。齿轮箱依赖多种齿轮布置提供从转子及主驱动轴的旋转至向发电机输入时操作的副驱动轴的旋转的速度及扭矩转换。例如,齿轮箱可将主驱动轴的相对较低的旋转速度(例如每分钟5至25转(rpm))转化为机械联接至发电机的副驱动轴的相对较高的旋转速度(例如3,OOOrpm以上)。
[0004]发电机典型地包括在外壳内彼此同心布置的定子组件与转子组件。定子组件通常被固定从而是静止的,并且包括多个线圈,而转子组件包括多个磁体,并且构造成相对定子组件旋转。磁体与线圈隔着径向气隙彼此分离,由磁体产生的磁场必须穿过该径向气隙。发电机的定子组件与转子组件协作以将从转子接收到的机械能转换成电能,这样风的动能就被用于发电。具体地说,根据法拉第定律,转子组件的磁体经过定子组件的静止线圈的运动会在线圈中感生电流。
[0005]尽管存在这些出于期望目的的发电机传统设计,但是人们对无需齿轮级的风轮机传动系系统越来越感兴趣。这种风轮机被称作直驱式风轮机,并且以将风轮机叶片和轮毂直接安装至低速发电机为特征。然而,考虑到直驱式发电机的低转速,通?;嵩龃蠓⒌缁拥闹本?,例如在一些应用中直径为5米或更长。增大的直径提高了磁体的局部速率(与磁体的径向位置成线性比例),并且还为附加的磁体及线圈提供了增大的空间。因而,尽管直驱式发电机旋转得比较慢,但是发电机的增大径向尺寸对维持充分电能形成抵消。然而,直驱式发电机大径向延展对风轮机制造者提出了一定的设计挑战,尤其是在风轮机的尺寸及电能产出持续增大时尤为如此。
[0006]就此而言,普遍公知的是,转子组件的磁体产生的磁场通往定子组件的线圈在某种程度上依赖于保持其间的气隙的宽度及均匀性。因而,期望保持定子组件和转子组件之间的气隙基本一致(例如,在可接受的公差带范围内)并且使其优化,这也是发电机设计者的基本设计标准。更具体地说,一方面,气隙越小,与定子线圈相互作用的磁场强度越大,因磁场的通过而在其中感生的电流越多(即,产生的电力越多)。然而,另一方面,发电机的定子组件和转子组件之间的接触会对发电机产生重大损害,从而应当避免。因此,必须以不显著干扰定子组件和转子组件之间的气隙或者允许定子组件和转子组件相互接触的方式吸纳作用于风轮机并且最终作用于发电机的各种作用力及不均匀性。因而,当确定发电机中的气隙宽度时存在相悖的权衡考虑因素。
[0007]从宏观角度来看,这些作用于发电机的作用力及不均匀性一般可分为内部干扰与外部干扰。内部干扰着眼于会影响气隙一致性的发电机自身方面。另一方面,外部干扰着眼于影响气隙的外部环境方面。首先就内部干扰而论,内部干扰的主要因素是发电机的轴承布置。例如,定子组件和转子组件之间的相对运动通常由滚动轴承建立。然而,如果滚动元件不圆或者不规则,或者轴承圈不圆或者不规则,那么气隙的一致性会受负面影响。发电机也受最终传递至风轮机结构方面(例如塔架)的磁负载的影响。必须以试图维持气隙一致性的某些方式吸纳这些磁负载。在传统设计中,这通常借助使发电机的结构方面非常刚硬以致在磁负载施加于其上时抑制显著挠曲来实现。
[0008]虽然在相对较小规模的情况下(S卩,气隙能维持在可接受的公差带范围内)滚动轴承通常工作良好,但是滚动轴承不能很好地向上扩展。就此而言,对于例如利用传统制造技术的直径大于约1.5米的滚动轴承来说维持可接受的公差值会变得困难?;谎灾?,难以在相对大规模的情况下维持滚动轴承的基本完美的圆度及公差。如上所示,滚动轴承中的这些缺陷会对维持定子组件和转子组件之间的气隙的一致性产生负面影响。因而,对于大规模且大负载的滚动轴承的应用来说,通常需要高精度制造技术以使设计更加可行。当然,这增加了与发电机制造相关联的时间、劳力及成本。对于如上所述通常为大规模应用的直驱式风轮发电机而言,滚动轴承组件的使用提出了最终会限制发电机的尺寸及输出的重大设计挑战。
[0009]就外部干扰而言,风轮机转子(B卩,中心轮毂与叶片)遭受宽范围负载,包括例如由湍流、阵风、垂直及水平风切或其它风力状况导致的不对称的瞬时负载,还有来自惯性力和地心引力的负载。在具有齿轮级的传统传动系中,许多这些外部干扰在到达发电机之前被抑制或消散了。因而,在传统的齿轮级发电机的设计中,其影响有所缓解。然而,在直驱式风轮机中,这些作用力通过发电机自身最终传递至风轮机塔架,因而沿通往塔架的负载路径使发电机部件遭受潜在挠曲及扰动。为了防止或减少发电机部件的挠曲以及因此对定子组件和转子组件之间的气隙的可能损害,定子组件和转子组件被制成刚性的,即,具有与之相关联的重要结构件以承受经由此传递的作用力而不产生显著挠曲。这种刚性结构需要导致昂贵而笨重的发电机设计。
[0010]另一个令人关注的外部方面是有关气隙一致性的热扰动影响。就此而言,风轮机在经历大约40至50度的环境温度变化的多种环境下操作。在一些应用中,由于温差变化而发生的热膨胀/收缩可能与发电机的期望设计公差(例如气隙的公差带)为同一量级。因而,目前的设计通常提供增大的气隙宽度以允许发电机部件的这种热膨胀/收缩。
[0011]除上述以外,当前的直驱式发电机设计存在其它劣势。更具体地说,鉴于作用在典型的风轮发电机上的内外干扰,当前的设计在定子组件和转子组件之间提供大约5至10毫米的气隙宽度。为了增加产能,应当使穿过气隙的磁通量最大化,这意味着在转子组件中利用永久磁体而不是电磁体,因为与电磁对应件相比,永久磁体通常产生更强大的磁场。而且,不确定电磁体是否能产生足够强大的磁场穿过大约5至10毫米(同样是吸纳内外干扰而无定子/转子接触通常所需的范围)的气隙并产生充足的电力。例如,预计通?;嵝枰浅P〉钠兑允沟绱鸥猩缌ι筛惺悼尚胁⑶液弦?。在使用传统发电机设计时简直不能确?;竦谜庋姆浅P〉钠?。
[0012]尽管永久磁体对于直驱式发电机设计是有吸引力的,但是永久磁体具有某些缺陷。例如,许多永久磁体是由包含一种或多种稀土 (镧系元素)元素的合金诸如钕或钐之类组成的作为铁磁金属的稀土永久磁体。适合永久磁体的永久磁体材料的代表合金包括但不限于包含钴的钐合金(SmCo5)及包含铁与硼的钕合金(Nd2Fe14BX然而,稀土磁体材料不是非常丰富,并且由于弥补低转速而需要大尺寸及大量的磁体,直驱式发电机设计需要大量材料(例如,每百万瓦特(MW)的能量输出需要多达1,000千克的制成磁体)。这些情形未向制造者提供经济上的有利态势。此外,预料稀土磁体对于直驱式发电机制造商来说会成为主要的供应挑战。
[0013]因此,需要应对这些或其它传统发电机设计劣势的改善的发电机设计。更具体地说,鉴于施加在风轮机上尤其是在施加在风轮发电机上的潜在内外干扰,对直驱式风轮发电机设计来说需要对气隙提供增强的控制。对气隙的加强控制将提供大量已在传统发电机设计中排除的设计选择。

【发明内容】

[0014]根据本发明的实施方式解决传统风轮发电机中的这些或其它缺陷。在一个实施方式中,风轮机部件包括内构件和相对于所述内构件布置的外构件,其中所述内构件和所述外构件相对于彼此运动?;岢辛又了瞿诠辜退鐾夤辜渲幸徽?,并构造成提供流体膜,该流体膜用于保持所述内构件和所述外构件分离并且便于二者之间的相对运动。位置调节机构联接至所述内构件和所述外构件中的所述一者以用于选择性地移动所述滑动轴承??刂破骺梢圆僮髁又了鑫恢玫鹘诨挂杂糜诳刂扑龌岢械奈恢?。
[0015]在一个实施方式中,所述内构件和所述外构件中的所述一者由多个构件段形成。此外,至少一个构件段包括滑动轴承。在一个示例性实施方式中,每个构件段包括滑动轴承。至少一个构件段包括联接至该至少一个构件段的位置调节机构。同样,在一个示例性实施方式中,每个构件段包括位置调节机构。每个位置调节机构可以是能由位置控制器独立可控制的。此外,具有位置调节机构的所述至少一个构件段还可包括用于引导所述滑动轴承的运动的枢转支撑机构。
[0016]在一个示例性实施方式中,所述滑动轴承包括具有至少一个腔的流体静压轴承,所述腔面对所述内构件和所述外构件中的另一者。所述腔操作联接至流体供应装置及压力源,该压力源用于供应形成所述内构件和所述外构件之间的流体膜的加压流体。更具体地说,在一个实施方式中,所述流体静压轴承包括至少一个垫,所述垫联接至所述内构件和所述外构件中的所述一者,所述腔形成在所述至少一个垫的面对所述内构件和所述外构件中的所述另一者的表面中。在一个实施方式中,所述至少一个垫可枢转联接至所述内构件和所述外构件中的所述一者。轴承控制器可操作联接至所述滑动轴承以控制该滑动轴承。就此而言,所述轴承控制器可操作联接至所述压力源,以用于控制所述流体膜的压力与流至所述流体静压轴承的所述至少一个腔的流体流中的至少一者。
[0017]在一个实施方式中,所述位置调节机构包括能够由所述位置控制器控制的第一主动控制构件,以及第二被动构件,该第二被动构件在一个实施方式中可被构造成与第一构件串联。所述第一主动控制构件可包括诸如液压致动器、气压致动器或者线性致动器之类的致动器。第二被动构件可包括能够弹性变形的柔顺构件并且包括弹簧、囊状件或橡胶块至少其一。第二构件还可包括阻尼元件。
[0018]风轮机部件可包括布置在所述内构件和所述外构件之间并且与所述流体膜连通的内部空间。在本发明的一个方面中,所述风轮机部件还可包括用于冷却部件的冷却系统。在一个实施方式中,所述冷却系统可包括:至少部分填充所述内部空间并且与所述内构件和所述外构件中的至少一者开放式连通的冷却液;与所述内部空间连通的泵;以及与所述泵连通的热交换器。所述泵构造成使所述冷却液穿过所述热交换器循环,借此将所述冷却液吸收的热从所述风轮机部件传走。在一个实施方式中,所述冷却液部分填充所述内部空间,所述冷却系统还包括用于在所述风轮机部件的一部分上喷洒所述冷却液的至少一个喷头。在本发明的一个方面中,冷却液与形成流体膜的流体是相同的。因此,滑动轴承的使用可产生附加的优势。
[0019]在一个实施方式中,所述风轮机部件包括风轮发电机,其中,所述内构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的一者,并且所述外构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的另一者。在一个实施方式中,所述内构件包括所述定子组件,并且所述外构件包括所述转子组件。此外,所述滑动轴承可联接至所述定子组件,并且所述位置调节机构可联接至所述定子组件以移动所述定子组件。在一个另选实施方式中,所述风轮机部件可以是轴承组件,例如主轴承组件或叶片轴承组件。本发明的一个实施方式还包括具有上述风轮机部件或风轮发电机的风轮机。
[0020]在本发明的另一实施方式中,风轮发电机包括支架、定子组件和转子组件,其中,所述定子组件和所述转子组件其中一者构造成以可动方式安装至所述支架,并且其中所述定子组件与所述转子组件构造成相对于彼此运动以产生电力?;岢辛又了龆ㄗ幼榧退鲎幼榧?,并且构造成提供流体膜,该流体膜用于使所述定子组件与所述转子组件保持分离并便于二者之间的相对运动。所述流体膜在所述定子组件与所述转子组件之间形成气隙。位置调节机构联接至所述支架,并且还联接至所述定子组件和所述转子组件中的以可动方式安装的所述一者并构造成选择性地使所述定子组件和所述转子组件中的该一者移动。位置控制器可操作联接至所述位置调节机构,以控制所述定子组件和所述转子组件中的所述一者的位置,从而控制所述定子组件与所述转子组件之间的所述气隙。
[0021]在一个实施方式中,所述滑动轴承可联接至所述定子组件和所述转子组件中的以可动方式安装至所述支架的所述一者。此外,所述定子组件和所述转子组件中的以可动方式安装至所述支架的所述一者可包括多个共同构成所述定子组件和所述转子组件中的该一者的组件段。在一个实施方式中,每个组件段包括段件框及承载磁性构件的段件包层。每个段件可联接至位置调节机构并包括滑动轴承。所述位置控制器能够独立控制与组件段关联的各位置调节机构。此外,每个段件可包括用于引导该段件的运动的枢转支撑机构。
[0022]在一个实施方式中,滑动轴承是流体静压轴承,该流体静压轴承包括包括至少一个垫,所述垫具有操作联接至流体供应装置及压力源的腔,该压力源用于供应形成所述定子组件和所述转子组件之间的流体膜的加压流体??删哂卸喔龅?,并且所述垫中的至少一者并由可能是全部枢转联接至所述定子组件或所述转子组件。轴承控制器可控制滑动轴承的多个方面,这些方面包括流体膜的压力或者流向垫腔的流体流。
[0023]所述位置调节机构包括能够由所述位置控制器控制的第一主动控制构件,以及第二被动构件,在一个实施方式中该第二被动构件可构造成与第一构件串联。第一主动控制构件可包括诸如液压、气动或其它线性致动器之类的致动器。第二被动构件可包括能够弹性变形的柔顺构件,并且包括弹簧、囊状件或橡胶块至少其一。第二构件还可包括阻尼元件。
[0024]所述风轮发电机也可包括根据如上所述的冷却系统。本发明的实施方式也包括具有如上及这里所述的发电机的风轮机。风轮机可以是直驱式风轮机。
[0025]在再一实施方式中,提供一种操作风轮发电机的方法,该风轮发电机具有定子组件、转子组件及流体膜,所述流体膜构造成使所述定子组件和所述转子组件保持分离并便于二者之间的相对运动,该方法包括:监测所述定子组件与所述转子组件之间的所述流体膜的至少一个参数,并将关于监测到的所述至少一个参数的信息传输至控制器;利用所述控制器将关于监测到的所述至少一个参数的信息与存储在所述控制器中的阀值标准进行比较;并且当关于所述至少一个参数的信息符合所述阀值标准时变更所述发电机的操作状态。
[0026]在一个实施方式中,监测的参数包括流体膜的压力。在另选的实施方式中,监测的参数包含流体膜的厚度。在另一实施方式中,所述定子组件和所述转子组件中的一者联接至位置调节机构,该位置调节机构构造成选择性地使所述定子组件和所述转子组件中的一者移动,所述方法还包括:监测所述位置调节机构的至少一个参数,并将关于该参数的信息传输至控制器;利用所述控制器将关于该参数的信息与存储在所述控制器中的所述阀值标准进行比较;并且当关于该参数的信息符合所述阀值标准时变更所述发电机的操作状态。
[0027]在一个实施方式中,变更发电机的操作状态包括改变流体膜的压力。另选的是,变更操作状态包括改变流向流体膜的流体的流速。再者,变更发电机的操作状态包括选择性地使所述定子组件和所述转子组件中的一个的至少一部分移动。在一个实施方式中,所述定子组件和所述转子组件中的被移动的所述一个由多个组件段形成,其中使所述定子组件或所述转子组件的至少一部分移动的步骤还包括使所述组件段中的至少一个移动。在一个实施方式中,该方法包含独立控制组件段的移动。此外或者另选的是,该方法可包括变更风轮机的动态状态。在一个实施方式中,这可包括使机舱相对于塔架偏航以及使所述风轮机的叶片变桨至少其一。
[0028]在再一实施方式中,提供一种操作风轮机的方法,该风轮机具有包括定子组件、转子组件及流体膜的风轮发电机,所述流体膜构造成使所述定子组件和所述转子组件保持分离并便于二者之间的相对运动,该方法包括:监测所述风轮机的至少一个参数,并将关于该参数的信息传输至控制器;基于所述监测步骤,利用所述控制器估计所述发电机上的预期负载;利用所述控制器确定配置成吸纳所述发电机上的所述预期负载的用于所述发电机的设定点数据;并且将所述发电机配置成在由所述设定点数据确定的状态下操作。
[0029]在一个实施方式中,所述风轮机参数包括风速、转子速度、涡轮输出、环境温度和压力以及叶片桨距至少其一。在一个实施方式中,估计所述发电机上的所述预期负载的步骤还包括:在所述控制器上存储使发电机负载与风轮机参数关联的查询表;并且访问所述查询表以估计所述发电机上的负载。在一个实施方式中,确定用于所述发电机的设定点数据的步骤还包括:在所述控制器上存储使发电机配置数据与预期负载关联的查询表;并且访问所述查询表以确定用于所述发电机的设定点数据。在一个实施方式中,设定点数据可包括流体膜压力、流体膜流速以及所述定子组件和所述转子组件中的一者的至少一部分的位置中至少其一。
[0030]因此,在一个实施方式中,将所述发电机配置成在由所述设定点数据确定的状态下操作的步骤还包括改变所述流体膜的流体压力。另选的是,该步骤可包括改变流至流体膜的流体的流速。再者,该步骤可包括改变定子组件和转子组中至少一者的位置。在一个实施方式中,所述定子组件和所述转子组件中的位置被改变的一者由多个组件段形成,改变所述定子组件和所述转子组件中的一者的至少一部分的位置的步骤还包括改变所述多个组件段中的至少一个的位置。该方法还可包括独立控制组件段的位置。
[0031]在再一方面中,该方法还可包括:监测流体膜的至少一个参数,并将关于该参数的信息传输至控制器;利用控制器将关于该参数的信息与存储在控制器中的阀值标准进行比较;以及当关于该参数的信息符合阀值标准时修改发电机的设定点数据。
[0032]在再一实施方式中,提供一种冷却风轮机部件的方法,该风轮机部件具有内构件、外构件以及滑动轴承,该滑动轴承构造成提供流体膜,该流体膜用于使所述内构件和所述外构件保持分离并且便于二者之间的相对运动,该方法包括利用所述流体膜作为冷却所述风轮机部件的冷却液。在一个实施方式中,所述风轮机部件具有与所述流体膜连通并且基本完全充满形成所述流体膜的流体的内部空间。所述流体循环穿过热交换器以将热从所述风轮机部件传走。
[0033]在一个另选实施方式中,形成膜的流体仅部分填充所述内部空间。在此情况下,该方法还包括:允许所述流体朝所述内部空间的底部排放;并且使收集在所述内部空间的该底部的流体循环穿过热交换器,以将热从所述风轮机部件传走。在一个实施方式中,该方法包括在所述风轮机部件的一部分上喷洒所述流体;并且允许喷洒的所述流体朝所述内部空间的所述底部排放。循环穿过热交换器循环的流体可重新被引入流体膜中。
[0034]在一个实施方式中,所述风轮机部件是风轮发电机,其中所述内构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的一者,并且所述外构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的另一者。在一个示例性实施方式中,所述内构件包括所述定子组件,并且所述外构件包括所述转子组件。
[0035]提供一种在负载下保持风轮机部件的内构件与外构件之间的大致恒定间隙的方法,该方法包括:利用具有主动控制方面的位置调节机构以可动方式将所述内构件和所述外构件中的一者支撑至基座;利用流体膜将所述内构件和所述外构件中的另一者支撑在所述内构件和所述外构件中的所述一者上;并且利用所述位置调节机构使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动,从而保持所述内构件与所述外构件之间的所述气隙基本恒定。
[0036]在一个实施方式中,所述内构件和所述外构件中的所述一者由多个构件段形成,至少一个构件段具有位置调节机构,其中使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动的步骤还包括利用位置调节机构使至少一个构件段移动。该方法还可包括独立控制具有所述位置调节机构的多个构件段的移动。例如,根据此方法,一个构件段可以以不同于另一构件段的方式运动。所述主动控制方面配置成响应于以相对较小的频率及相对较大的幅值为特征的第一类负载。例如,所述第一类负载可具有小于大约IHz的频率以及大于大约1_的幅值。
[0037]该方法还可包括利用具有被动控制方面的位置调节机构将所述内构件和所述外构件中的所述一者支撑至所述基座。所述被动控制方面可构造成响应于以相对较高的频率及相对较小的幅值为特征的第二类负载。例如,所述第二类负载可具有大于大约IHz的频率以及小于大约Imm的幅值。所述主动方面和所述被动方面使得能够吸纳第一类负载和第二类负载两者,从而维持内构件和外构件之间的气隙基本恒定。
[0038]提供一种用于抑制风轮机中的结构振动以影响风轮机部件的共振行为的方法,该方法包括:获得具有内构件以及相对于所述内构件布置的外构件的轴承组件,所述内构件和所述外构件构造成相对于彼此运动,其中,所述内构件和所述外构件中的一者由具有主动控制方面的位置调节机构支撑,并且所述内构件和所述外构件中的另一者利用流体膜被支撑在所述内构件和所述外构件中的所述一者上;感测所述风轮机部件中的振动;利用控制器确定感测到的振动是否包括与存储在所述控制器中的阀值标准相符的特征;并且当所述特征符合所述阈值标准时,利用所述位置调节机构使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动,以施加抑制所述振动的作用力。所述轴承组件可以是发电机轴承组件、主轴承组件或者叶片轴承组件。此外,感测到的振动可以是一个或多个风轮机叶片的翼展方向的振动。
【专利附图】

【附图说明】
[0039]并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的多种实施方式,并且这些附图与以上给出的本发明的概要描述及以下对实施方式的详细描述一起用于解释本发明的实施方式。
[0040]图1是风轮机的示意图;
[0041]图2是图1的风轮机的一部分的立体图,其中机舱被局部剖切以展示风轮机的细节;
[0042]图3是根据本发明的一个实施方式的风轮发电机的立体图;
[0043]图4是图3中所示的风轮发电机的立体分解图;
[0044]图5是图3中所示的发电机的立体图,其中为了说明而移除了转子组件;
[0045]图6是图5中所示的发电机的局部分解图;
[0046]图7是图6中所示的发电机的放大立体图;
[0047]图8是根据本发明的一个实施方式的发电机的局部剖面图;
[0048]图9是根据本发明的一个实施方式的发电机的另一局部剖面图;
[0049]图10是根据本发明的一个实施方式的发电机的放大局部剖面图;
[0050]图11是发电机上的负载的示意图;
[0051]图12示出了用于控制具有根据本发明的实施方式的发电机的风轮机的示例性方法;
[0052]图13是用于操作风轮机的根据本发明的一个实施方式的控制系统;
[0053]图14示出了用于控制具有根据本发明的实施方式的发电机的风轮机的另一示例性方法;以及
[0054]图15是根据本发明的多个方面的示例性发电机配置的示意图。
【具体实施方式】[0055]参照图1与图2,并根据本发明的一个实施方式,风轮机10包括塔架12、位于塔架12顶端的机舱14以及操作联接至发电机18的转子16。以水平轴风轮机为代表的风轮机10的转子16作为机电系统的原动机,并且包括中心轮毂20以及在绕中心轮毂20周向分布的多个位置处从中心轮毂20向外伸出的多个叶片22。在代表性实施方式中,转子16包括三个叶片22,但是数量可以变更。叶片22构造成与经过的气流相互作用以产生使转子16绕纵轴24回旋的升力。本领域普通技术人员熟悉叶片22的设计及构造,因此将不再对此进一步说明。
[0056]如本领域中公知的,机舱14容纳将风能转换为电能所需的各式部件以及操作、控制及优化风轮机10的性能所需的各种部件(未示出)。塔架12支撑由机舱14、转子16、发电机18以及风轮机10的容纳在机舱14内的其它部件提供的负载。风轮机10的塔架12视情况还操作成将机舱14与转子16提升至高于地平面或海平面的高度,在这些高度通??杉屯牧鞯目焖僭硕?。
[0057]超过最低水平的风力将起动转子16,从而引起大致垂直于风向的旋转。旋转运动被发电机18转换成电能。风轮机10可包括在属于风电厂或风场的相似风轮机集合之中,所述风电厂或风场用作动力厂,由传输线与电网(例如三相交流电网(AC))连接。电网通常由发电站、传输线路以及基站构成的网络组成,基站由传输线路所形成的网络进行连接,这些传输线路将电力传输至以最终用户及电力设施的其他消费者形式的负载。在一般情况下,如本领域普通技术人员所知,电能从发电机18供应至电网。
[0058]图3至图10示出了根据本发明的多个方面的发电机18的一个示例性实施方式,其克服了传统发电机设计的多种缺陷。从广义角度来说,本发明的理论方法并不是利用本质上防止负载作用下的挠曲以使发电机定子组件与转子组件之间的气隙保持恒定的沉重而刚性的发电机结构部件来应对作用在发电机上的干扰。相反,本申请的设计允许某种水平的柔性及负载作用下的挠曲,从而允许不太刚硬或刚性的设计。但是,以维持发电机中的气隙恒定这样的方式来应对这些挠曲?;谎灾?,本方法并不致力于防止挠曲与扰动,而是致力于在存在挠曲与扰动的情况下维持气隙恒定。这从理论上明显背离于当前发电机的设计方法。正如以下将详细论述的,这可借助提供定子组件的某种水平的可控定位来实现,即,灵活但仍可控的定子定位,并且本质上通过流体膜轴承(与传统设计的滚动轴承相反)使转子组件相对于能可控运动的定子组件“浮动”。
[0059]预期到的是,在大负载及大直径的应用(例如直驱式风轮机应用)中会加剧由传统的滚动轴承引起的内部干扰,而这可通过使用通常不会因大负载、大直径应用而具有相似问题(即,向上扩展一般没问题)的滑动轴承被显著缓解。因而,在本发明的一个方面中,发电机设计需要在定子组件与转子组件之间布置滑动轴承。更具体地说,在示例性实施方式中,发电机设计需要流体静压滑动轴承。
[0060]除了上述优势外,一般来说,滑动轴承相对于滚动轴承具有增长的使用寿命。其主要原因是,与滚动轴承不同,滑动轴承不具有在用于支撑负载并利于低摩擦运动的两个相对运动部件之间布置的结构元件。相反,滑动轴承通常具有布置在用于支撑负载并利于相对运动的两个相对运动部件之间的流体膜。因而,可避免与滚动体相关联的磨损及疲劳问题以及与其更换和维修关联的成本。因此,滑动轴承提供替代滚动轴承的有吸引力的另选方案。此外,滑动轴承通常被设计成在可进一步提高效率的更低的摩擦下操作。[0061]存在两种主要的滑动轴承类型:流体静压轴承与流体动压轴承,它们典型地均具有绕内构件紧密配合的限定出开口的外构件以及内构件之间的流体膜。在流体动压轴承中,其中一个构件的旋转对构件的相对表面之间的楔形流体膜自加压,从而支撑负载并保持内外构件分离。然而,除非旋转构件以足够的速度旋转,否则流体膜会不能完全支撑负载及保持内外构件彼此分离。因此,对于保持直驱式风轮发电机的定子组件与转子组件分离来说,流体动压轴承可能不是特别有吸引力的选择。
[0062]另一方面,流体静压轴承包括外部泵,该外部泵对绕内构件的流体膜加压(独立于旋转构件的具体动态),从而即便在旋转构件相对于另一构件缓慢旋转或根本不转的情况下支撑负载并保持内构件与外构件分离。为了实现流体膜的外部增压,流体静压轴承典型地包括若干通常在相对的表面中形成的窝或腔,该窝被供以来自外部贮存器的润滑液(例如油、油脂等)并由外部泵加压。因为相对运动的构件的分离不依赖于动力状态,所以对于本发电机设计的滑动轴承来说,这类轴承可能更有吸引力。
[0063]除了利用滑动轴承解决多种内部干扰,发电机设计的多个方面通过与发电机的定子组件关联的位置调节机构解决其它干扰,包括其它外部及内部干扰。有趣的是,在直驱式风轮机的应用中,可将绝大部分干扰广义地分成两大类。第一类干扰通常包括高频小幅扰动或波动。以实施例方式而非限制,施加在发电机上的第一类干扰可能来自由例如膜压力及油流变化、表面粗糙度或不规则度、轴承垫倾斜或摆动(参见以下)或者其它源导致的油膜扰动。
[0064]第二类外部干扰通常包括低频大幅扰动或波动。再次以实施例方式而非限制,施加在发电机上的第二类干扰可能来自:发电机部件的圆度/公差方面;归因于热畸变的尺寸变化;归因于负载的挠曲;以及其它源。就此而言,依赖于风轮机的位置,发电机可见高达40度至50度的周围温度变化。这些热变化可导致系统中多达IOmm的挠曲。因而,通常必须考虑热变化。就归因于负载的挠曲而言,大体存在两种有关的负载。第一种是由叶片的空气动力负载导致的风力叶片负载。风力叶片可受例如叶片的变桨操作、变化的风力状况以及其它源影响。第二类是源于在发电机内作用的所有磁力的发电机负载。发电机负载还随着发电机中的变化的磁性状况而改变。在本发明的另一方面中,正如以下更为详细地论述的,位置调节系统包括构造成吸纳第一类干扰与第二类干扰的双重机构装置。凭借位置调节系统的设计,相信发电机能以允许减小气隙宽度的方式操作,从而提高发电机的效率。对于发电机设计者与制造者来说,该设计的优点也使更多的设计选择成为可能。
[0065]图3至图10示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的发电机18。发电机18包括用于在风轮机10内支撑发电机18的支架30、联接至支架30的定子组件32、以及转子组件34,该转子组件同心地布置在定子组件32外,并构造成根据完善的理论相对于定子组件32运动以产生电力。尽管附图中所示的实施方式以转子组件为外构件,以定子组件为内构件,但是应当认识到的是,在另选的实施方式中,转子组件可被构造成内构件,定子组件可被构造成外构件(未示出)。因而,本发明不限于所示的具体布置。
[0066]支架30包括主支架体36,在示例性实施方式中,该主支架体可具有大体筒管形构造,具有第一端38、第二端40、外表面42、内表面44并且大体限定发电机18的旋转轴线46。支架30还包括利用例如螺接处理、焊接处理或其它适当的处理联接至主支架体36的第二端40的垫板48。垫板48包括大体面对主支架体36的第一表面50、大体与第一表面50相反并且大体背离主支架体36的第二表面52、各自在第一表面50与第二表面52之间延伸的内缘54及外缘56 (图8)。内缘54可大体从主支架体36的内表面44向内或至少与其对齐,并且外缘56可朝主支架体36的外表面42外延伸,使得垫板48用作绕主支架体36的环形凸缘。在一个实施方式中,主支架体36与垫板48可由钢或其它合适的金属或者能足以支撑施加在其上的负载的结构材料制成。
[0067]如图2中大体所示的,支架30可联接至风轮机10的相应支架。就此而言,并且在一个示例性实施方式中,机舱14可包括具有大体环形的支架凸缘60的正面58,支架30的垫板48构造成与该支架凸缘联接。这例如可借助使用螺栓或其它合适的紧固件(未示出)或处理而实现。应当认识到的是,支架30牢固地固定至机舱14,这样支架30应被看作是基本静止的,从而以下面更详细描述的方式提供足以支撑发电机18的定子组件32和转子组件34的基座。
[0068]应当进一步认识到的是,如附图中所示及以上所述,发电机18可大体定位在机舱14的外部。在本实施例中,例如,发电机18可大体定位在转子16的中心轮毂20内(图2)。然而,本发明的多个方面不限于此,发电机18可以以大体定位在机舱14内部中的方式联接至机舱14的框架。从而,本发明的多个方面不限于发电机18在风轮机10中的具体位置。
[0069]现在转向定子组件32,在示例性实施方式中,定子组件32可由发电机18中的支架30可动地支撑,以致定子组件32或至少其部分(如以下说明的)能够相对于支架30可变地并且可控地定位。更具体地说,在一个实施方式中,定子组件32可包括分段式设计,该分段式设计包括共同形成定子组件32的至少两个并且优选多于两个的定子段70。在所示的实施方式中,定子组件32包括八个这种定子段70,但本发明不限于此,更多或更少的定子段可共同构成定子组件32。应当认识到的是,每个定子段70具有本质上相同的结构与操作。因而,对一个定子段70的描述会足以作为形成定子组件32的其它定子段70的充分描述。
[0070]如图6与图7中最佳示出的,示例性的定子段70包括主段框72、定子段包层74、支承部76、位置调节机构78以及枢转支撑机构80。主段框72提供用于支撑定子段包层74的框架,该定子段包层74容纳定子组件32的线圈(未示出),在该线圈中感生出电流。因为本领域普通技术人员公知定子段包层74内的线圈特别是其结构及布置,所以不认为有必要为了理解本发明的多个方面而进一步论述。主段框72可呈大体矩形的结构,在示例性实施方式中,该结构包括分隔开(例如在发电机18的轴向方向上)的第一端轨82与端轨84以及分隔开(例如在发电机18的周向方向上)的第一侧轨86与第二侧轨88。主段框72还可包括构造成在主段框72内辅助支撑定子段包层74的分隔开(例如也在发电机18的周向方向上)的第一承轨90与第二承轨92。
[0071]每个端轨82、84具有相似的结构与操作,从而对一个端轨的描述会足以作为其它端轨的充分描述(参照端轨82)。端轨82包括倒U形体94,该倒U形体具有第一侧壁96、与第一侧壁96间隔开的第二侧壁98以及在第一侧壁96与第二侧壁98之间延伸的外壁100(图7)。不存在内壁,也不存在任何端壁,从而端轨82在这些区域大体保持开放。端轨82由钢、其它合适的金属或者其它能够应付施加在其上的负载的材料制成。
[0072]第一壁96与第二壁98限定内缘102、侧缘104以及外缘106。外缘106大体为弧形,并且在一个示例性实施方式中,包括大致恒定的相对于旋转轴线46的曲率半径。在一个实施方式中,侧缘104可大体垂直于外缘106使得侧缘104大体沿从旋转轴线46到轨82的端部所画的径向线。外缘106及侧缘104与旋转轴线46具有这种关系:当装配好多个定子段70时,通常作为整体的定子组件32具有大致圆形的横截面构造。在一个实施方式中,内缘102可由三个大体直线部分102a、102b、102c构成。在一个示例性实施方式中,中间部分102b可大致平行于外缘106在定子段70的中心轴线108处的切线。部分102a、102c以关于中心轴线108对称的方式与中间部分102b成角度。
[0073]第一侧壁96与第二侧壁98包括多个大致轴向对齐的通孔110,这些通孔构造成为了以下更充分描述的目的而接纳销等。一个通孔IlOb沿端轨82的中央部分,其它两个通孔IlOaUlOc定位在其外侧从而邻近外缘106及相应的侧缘104。外壁100还包括一对切口 112 (图9),如以下所论述的,所述切口构造成接纳支承部76的元件。切口 112可大体为方形或矩形,并且可大体与侧壁96、98中的通孔IlOaUlOc径向对齐。此外,侧壁96、98可包括其中形成的凹口 114a、114c,这些凹口邻近相应的侧缘104,并且分别向侧壁96、98的内缘102a、102c开放。
[0074]第一侧轨86与第二侧轨88可采取由钢、其它合适的金属或其它合适的材料制成的大体矩形板的形式,并且可在第一端轨82与第二端轨84之间延伸并沿第一侧壁96与第二侧壁98的侧缘104 (并且可沿外壁100的边缘)与其联接。例如,侧轨86、88可通过螺栓或其它合适的紧固件,或者借助其它诸如焊接之类的处理联接至端轨82、84。侧轨86、88的外侧116可大体与端轨82、84的外壁100平齐,并且内侧118可定位在侧缘104的内端以使侧轨86、88大致跨越侧缘104的全长。
[0075]在示例性实施方式中,第一承轨90与第二承轨92可采取大体正方体或长方体,或者空心棒的形式,并且同样地在第一端轨82与第二端轨84之间延伸。承轨90、92稍微在侧轨86、88内侧些,并且构造成被接纳在端轨82、84的凹口 114中。承轨90、92可利用紧固件或其它诸如焊接之类的处理在凹口 114处联接至端轨82、84。端轨82、84、侧轨86、88以及承轨90、92共同限定构造成接纳并支撑定子段包层74的腔120。
[0076]主段框72与由其承载的定子段包层74借助两个机构相对于支架30被引导和/或被支撑,这两个机构是枢转支撑机构80与位置调节机构78,二者均以某种方式便于主段框72相对于支架30运动。如图6及图7中最佳所示的,枢转支撑机构80包括一对枢转支撑单元130、主段框72的相应端轨82、84各关联一个。每个枢转支撑单元130包括连接叉132与枢转臂134。连接叉132包括基部136与两个直立的壁或桩138,每个桩具有彼此轴向对齐的通孔140?;?36固定至支架30,更具体地说,借助例如螺接处理、焊接处理或其它适当处理固定至主支架体36的外表面42。连接叉132被定位至定子段70侧,比如邻近侧轨86、88其中一个,并且进一步轴向定位成使得连接叉132与端轨82、84的第一侧壁96与第二侧壁98之间的间隔或间隙142 (图8)周向对齐。
[0077]枢转支撑单元130的枢转臂134包括中央长形杆144,该中央长形杆具有附接至中央长形杆144的第一端的第一头部146以及附接至中央长形杆144的第二端的第二头部148,每个头部146、148分别包括轴向定向的通孔150、152。第一头部146可定位在连接叉132的两个桩138之间使得通孔140、150对齐并且借助枢轴销154(图9)旋转地固定至此。枢轴销154限定第一枢轴线156,该第一枢轴线可大体轴向定向,并且大体平行于旋转轴线
46。中央长形杆144经由沿侧壁96、98的内缘102的开口在侧壁96、98之间延伸到端轨82、84内部。第二头部148可定位成使得通孔110b、152对齐并且借助枢轴销158 (图9)旋转地固定至此,该枢轴销158限定第二枢轴线160,该第二枢轴线同样可大体轴向定向,并且大体平行于旋转轴线46。
[0078]枢转支撑机构80本质上约束或引导定子段70相对于支架30的运动。就此而言,枢转支撑单元130的限定第一枢轴线156的枢轴销154允许主段框72 (以及由其承载的定子段包层74)大体沿由图9中的箭头A所示的方向运动。尽管主段框72关于第一枢轴线156的运动路径是严格的弧形(其例如具有由枢轴臂134的长度建立的曲率半径),但是在使用期间预计主段框72绕第一枢轴线156的预期路径与该曲率半径相比相对较小,使得主段框72的路径可被视为是大致线性的。
[0079]在一个示例性实施方式中,在相对于支架30观察的情况下,由第一枢轴线156建立的大致线性路径可相对于旋转轴线46大致沿径向方向延伸。因而,枢转支撑机构80的枢转支撑单元130将主段框72的运动约束成相对于支架30与发电机18的旋转轴线46的大致径向运动。以实施例方式而非限制,预计定子段70可在几毫米的范围内可调节地大致径向定位。此范围应当配置成吸纳发电机18上预期的最大挠曲,并且在一个示例性实施方式中可在使用中具有10至20毫米的范围。如以下所说明的,定子段70的该大体径向运动可由位置调节机构78控制。在一些应用中,定子段70可运动过较大范围,以致其运动不是大致径向的,而是由枢转支撑机构80导致的弧形。
[0080]枢转支撑单元130的限定第二枢轴线160的枢轴销158允许主段框72(以及由其承载的定子段包层74)以大体由图9中的箭头B所示的方式大致绕其旋转。例如,枢轴销158允许定子段70关于第二枢轴线160来回地摆动。应当意识到,不同于以上论述的定子段70的径向运动,定子段70关于第二枢轴线160的运动不具有主动控制,而是大体由转子组件34上的负载(以及由转子16施加在其上的负载)以及归因于此负载的可动定子组件32的动态响应所导致。当然,枢转支撑单元130可包括限制主段框72可关于第二枢轴线160旋转的程度的限制机构(未示出)。无论如何,提供此枢轴连接赋予了负载下定子段70的运动更大的自由度。进而这以允许更加恒定地保持气隙的方式允许发电机18吸纳更多种负载。
[0081]如上所论述的,由于枢转支撑机构80,定子段70能够相对于支架30及发电机18的旋转轴线46沿大致径向方向运动。此运动由位置调节机构78实现并控制。在一个示例性实施方式中,并且如图7中最佳示出的,位置调节机构78包括一对位置调节单元170,相应的端轨82、84各关联一个,所述位置调节单元170操作联接至主段框72以用于控制定子段70的运动。尽管示出了两个位置调节单元170,但是应当认识到,视设计或具体应用而定,每个定子段70可具有一个或多于两个位置调节单元170。在一个实施方式中,每个位置调节单元170可包括第一主动控制构件172与第二被动构件174。第一主动控制构件172可构造成被主动地控制成选择性地使定子段70定位或运动到期望的位置。以实施例方式,第一构件172可操作联接至在176处示意性示出的控制器以用于控制定子段70的位置。然而,在示例性实施方式中,第二构件174会缺少这种主动控制,并为了下述目的被构造为被动构件。
[0082]位置调节单元170由支架30支撑,并且可延伸至主段框72。在示例性实施方式中,第一构件172可包括具有第一端180的致动器178,该第一端联接至支架30,更具体地说,联接至主支架体36的外表面42 (图9)。这可借助例如螺接处理、焊接处理或其它适当处理实现。致动器178例如可以是液压致动器、气压致动器或诸如其它线性致动器或其它电/机致动器之类的其它类型的致动器。在一个实施方式中,致动器178可以是具有缸184及从其延伸的可选择性运动的杆186的液压致动器,缸184的基部联接至支架30。致动器178可大体定位在定子段70的径向内部(例如,在其下方),并进一步轴向定位在主支架体36上,以使致动器178与端轨82、84的第一侧壁96与第二侧壁98之间的间隙142对齐。致动器178可被布置成使得杆186相对于支架30及旋转轴线46沿大致径向方向运动。
[0083]第二构件174可包括联接至杆186的端部的第一端,并且可延伸至相应的端轨82、
84。就此而言,端轨82、84可包括构造成抵接或联接至第二构件174的第二端的连接板(未示出)。通常,第二构件174构造成具有例如一定量挠曲能力(例如弹性变形)的大体被动柔顺构件。以实施例方式但并非限制,在示例性实施方式中,第二构件174可包括弹簧。其它柔顺构件也会是可行的,包括例如由弹性体材料或合成橡胶制成的各种囊状件及块状件,所述弹性体材料诸如天然橡胶,所述合成橡胶包括丁苯橡胶、丁基橡胶、聚氨酯、硅橡胶以及/或者溴化丁基橡胶。
[0084]第二构件174还可包括阻尼方面以例如消散干扰。这可通过诸如缓冲筒、或者其它阻尼器或者减震器之类的单独部件实现。另选的是,阻尼可与柔顺构件本身制成一体或其固有部分。无论如何,应当认识到,在一个示例性实施方式中,可串联布置第一构件172与第二构件174以实现位置调节机构78的期望性能。然而,其它布置也是可行的。例如,在另选的实施方式中,可省略第二构件。
[0085]如上所论述的,本发明的一方面以滑动轴承具体说是流体静压滑动轴承替代典型的滚动轴承。在一个示例性实施方式中,用于实现滑动轴承的流体膜的结构部件可由定子组件32承载。更具体地说,在一个实施方式中,定子组件32包括多个由附图标记200大体示出的垫,每个垫能够建立和/或保持流体膜202,该流体膜用于以基本不接触的方式相对于定子组件32支撑转子组件34,但允许二者之间的相对运动。如图10中所示的,流体膜202限定用于发电机18的气隙204。更具体地说,保持定子组件32和转子组件34分离的流体膜202也在定子段包层74中的线圈与转子组件34中的磁体(以下描述)之间建立气隙204。
[0086]如附图中所示的,在一个实施方式中,每个定子段70包括至少一个优选多个垫200。更具体地说,在一个示例性实施方式中,主段框72的每个端轨82、84可包括相对于中心轴线108 (例如相邻的侧缘104)对称布置并且相互轴向平行的两个垫200。在一个示例性实施方式中,如所示,垫200可邻接或与相应端轨82、84的外壁100关联。然而,应当认识到,垫的其它配置也是可行的,并且仍在本发明的范围内。例如,每个端轨82、84可包括更少的或附加的垫200。优选的是,端轨82、84上的垫200的布置大致相同以提供相对于定子段70的轴向对称。要注意的是,形成定子组件32的每个定子段70上的垫布置不必相同,而是各自的垫布置可有差别。然而,对于在定子段70上具有不同垫布置的那些实施方式来说,定子组件32 (看作整体)的垫优选包括旋转对称性,以使定子组件32大体良好平衡。
[0087]尽管附图中所示的实施方式示出了与定子组件32关联的垫200,但是应当认识至IJ,在另选的实施方式中,垫200可与转子组件34关联,比如定位在转子组件34的与定子组件32面对或相对的内表面(未示出)上。此外,尽管附图示出了用于建立和/或保持流体膜202的分立的垫200,但是在另一另选的实施方式中,可省略垫200,直接在定子组件32和转子组件34的表面之间建立流体膜202。例如,可在端轨82、84的外壁100中直接形成流体窝或腔(未示出;参见下述)。因此,本发明的方面不限于在此所示的示例性实施方式。
[0088]在一个示例性实施方式中,每个垫200的结构大致相同,对一个垫200的描述将足以作为支承机构76中每个垫200的充分描述。就此而言,垫200大体呈长方体或棱柱体形状,并且包括第一侧壁206、与第一侧壁206间隔开的第二侧壁208、在第一侧壁206与第二侧壁208之间延伸的外支承壁210、与外壁210相对并且也在第一侧壁206与第二侧壁208之间延伸的内接合壁212、以及一对间隔开的端壁214、216。在一个示例性实施方式中,内接合壁212与外支承壁210可以是大体弧形的,以分别大致匹配端轨82、84的外缘106的曲率及转子组件34的曲率。而且,垫200的轴向尺寸可构造成与端轨82、84的侧壁96、98之间的间隙142对齐或稍小于间隙142以致不超出延伸。
[0089]在一个实施方式中,垫200可枢转联接至端轨82、84。就此而言,如图9中所示,垫200可包括从垫200的内接合表面212伸出的耳218,该耳218具有其内端附近轴向延伸的通孔220??芍敢?18穿过外壁100中的相应切口 112,使通孔220与通孔IlOaUlOc对齐并且利限定枢轴线224的枢轴销222固定垫200,借此实现枢转联接。
[0090]切口 112的周向尺寸大于耳218的周向尺寸,从而允许垫200在切口 112内绕枢轴线224少许旋转。例如,垫200可构造成枢转过大约20度的角度(例如向其中央位置的每侧枢转10度)。端轨82、84可包括垫支撑板226以减轻由枢轴销222承载的部分负载并便于垫200的枢转运动。垫200的枢转运动不具主动控制,而是通常由转子组件34上的负载(以及由转子16施加在其上的负载)以及归因于此负载的可运动的定子组件32的动态响应导致。尽管垫200相对于端轨82、84的枢转运动可能会是优选的,但是在另选的实施方式中,可消除此枢转运动。在这种实施方式中,垫200 (不带有耳218)可例如借助螺接或焊接处理联接至端轨82、84的外壁100。
[0091]每个垫200包括在外支承表面210中形成的组装起来时面对或向转子组件34开放的流体窝或腔228。腔228可具有多种构造,包括例如但不限于矩形构造、弯曲或弓形构造、或者楔形构造,每种构造均在共有的美国申请号N0.12/883,695与12/883,702中有更详细地说明,这些申请以援引方式整体结合于此。每个腔228可具有大约2毫米的深度,例如最大深度或平均深度。当然,腔228的深度可视特定应用而改变,但是通常期望为大约2毫米或更大。
[0092]每个垫200在外支承表面210中包括至少一个通向腔228的端口 230。端口 230操作成用于向支承机构76引进流体并且对流体膜202加压的高压端口(在附图中为了图示而放大了)。就此而言,如图10中所示,至少一个流体端口 230可操作联接至构造成对流体膜202加压的诸如泵之类的由附图标记232示意性示出的压力产生装置。泵232应当定额从而足以将流体膜202加压到达支承机构76上的预期负载的水平。
[0093]泵232可操作联接至用于在操作期间提供在垫200的外支承表面210与转子组件34的内壁之间形成流体膜202的流体补给的流体供应装置或贮存器234。泵232可操作联接至附图标记236示意性示出的控制器以用于控制泵232操作并因此控制流体膜202的加压??刂破?36可以是专门控制泵232的单独控制器。另选的是,控制器236可以是用于控制风轮机10的总体操作的较大控制系统的一部分。[0094]附图标记238示意性示出的阀可布置在连接高压端口 230与泵232的线路上,使得支承机构76的流体膜202与泵232选择性地隔离。阀238可操作联接至控制器236以用于选择性地开闭阀238。应当认识到,每个垫200可操作联接至其自身专用的泵232、贮存器234以及阀238。另选的是,定子段70的所有垫200可操作联接至共用的泵232、贮存器234以及阀238。在另一可选的实施方式中,定子组件32的所有垫200可集体操作联接至共有的泵232、贮存器234以及阀238。
[0095]现在转向发电机18的转子组件34,在一个示例性实施方式中,转子组件34可联接至风轮机10的转子16的中心轮毂20。因此,转子组件34构造成随转子16的旋转而旋转,如以上指出的,该旋转通??稍诖笤?至25rpm (即,相对低的旋转速度)的范围内。转子组件34包括外转子壳250、转子支承轴颈252、转子磁体包层254以及垫板256。在一个示例性实施方式中,外转子壳250可具有大体筒管形构造,具有第一端258、第二端260、外表面262以及内表面264。第一端258与第二端260可分别包括径向朝外的环形凸缘266、268。
[0096]而且,可将外转子壳250的尺寸设定成使定子组件32能同心地布置在其内部。以实施例方式而非限制,外转子壳250可具有数米的直径(例如5至10米),但是可依据具体应用而被制得更大或更小。如图1中所示,外转子壳250可联接至转子16的中心轮毂20。例如,可设定凸缘266、268的尺寸使其延伸至中心轮毂20的内表面并与该内表面联接。应当认识到,存在以允许外转子壳250随中心轮毂20旋转而旋转的方式将外转子壳250与中心轮毂20联接的其它途径。因而,本发明的实施方式不应当限定在附图中所示的具体构造。外转子壳250可由钢、其它合适的金属或者能足以支撑施加在其上的负载的其它合适的结构材料制成。
[0097]转子支承轴颈252可构造成提供用于与定子组件32的支承机构76相互作用的适当部件。更具体地说,转子支承轴颈252可构造成提供用于与定子组件32上的多个垫200产生并保持的流体膜202相互作用的适当支承表面。就此而言,支承轴颈252可包括一对支承环270,该对支承环轴向定位成与定子组件32的轨82、84上的垫200大致对齐。
[0098]在一个示例性实施方式中,如图10中所示,每个支承环270包括第一端272、第二端274、外表面276以及内表面278??山柚附?、螺接或利用其它合适的处理或紧固件将支承环270的外表面276联接至外转子壳250的内表面264。支承环270的第一端272与第二端274可包括径向向内延伸的唇280,该唇与内表面278 —起限定出槽282,该槽构造成当组装发电机18时接纳垫200。槽282的轴向宽度稍大于垫200的轴向宽度,以便垫相对紧贴地装配在槽282内。支承环270也可由钢或其它合适的材料制成。另选的是,支承环270可由具有低摩擦特性的材料涂层制成或包括具有低摩擦特性的材料涂层,该低摩擦特性的材料例如包括各种塑料或其它材料。此外或另选的是,可加工(机械加工、蚀刻等)支承环270的内表面278,以致形成用于垫200的非常光滑并且规则的对向面。对内表面278进行的这种加工还可最小化流体膜202的扰动。
[0099]与定子段包层74类似,转子磁体包层254构造成容纳磁体或磁性元件(未示出),这些磁体或磁性元件用于产生在由定子组件32承载的线圈中感生电流的磁场。因为本领域普通技术人员公知转子磁体包层254内的磁体尤其是其构造及布置,所以不认为有必要为了理解本发明的各方面而对此再进一步进行论述。在一个实施方式中,构想永久磁体由转子磁体包层254承载。然而,在另一实施方式中,构想电磁体由转子磁体包层254承载。在这两者中的任一实施方式中,认为本领域普通技术人员会明白如何用永久磁体或电磁体装备转子磁体包层254。在任一情形下,转子磁体包层254可定位在外转子壳250的内表面264上,并且大体布置在支承环270之间。以此方式,例如,转子磁体包层254将会径向朝外,并且大体与由多个定子段70承载的定子段包层74对齐。当然,定子段包层74与转子磁体包层254借助由流体膜202建立的气隙204而分离。
[0100]除上述外,转子组件34可包括例如利用螺接处理、焊接处理或其它合适处理或紧固件联接至外转子壳250的第二端260的垫板256。垫板256包括大体面对外转子壳250的第一表面284、大体与第一表面284相对并且大体背对外转子壳250的第二表面286、在第一表面284与第二表面286之间延伸的内边缘288及外边缘290。外边缘290大体在外转子壳250的凸缘268的外边缘外,或者至少大体与凸缘268的外边缘对齐,并且内边缘288可向外转子壳250的内表面264内延伸,使得垫板256作为绕外转子壳250的环形凸缘。在一个实施方式中,垫板256可由钢、其它合适的金属或者其它能足以支撑施加在其上的负载的结构材料制成。
[0101]在一个实施方式中,如图8中所示,垫板256的环形凸缘可用作用于接纳发电机18上的轴向负载的止推板。就此而言,尽管对于保持一致的气隙204来说,重要的是应对发电机18的径向负载方面,但是发电机18也可能会遭受同样必须被发电机设计接纳的轴向负载。在示例性实施方式中,这可利用与垫板256相互作用以接纳轴向负载的止推垫292实现。本领域中公知止推垫292,因而将不再更详细地描述。
[0102]当装配发电机18时,垫板256的内边缘288在主支架体36外表面42的径向外侧,以允许主支架体36穿过由内边缘288限定的开口,从而将支架30联接至风轮机10。然而,垫板256的内边缘288可紧邻支架30,使得与其联接的止推垫292可接合垫板256。就此而言,在一个实施方式中,止推垫292可成对布置在垫板256的两个相对面上。例如,第一止推垫292a可构造成与垫板256的第一表面284接合,并且与第一止推垫292a径向相对的第二止推垫292b可构造成与垫板256的第二表面286接合。然而,本发明并不限于此,止推垫292的其它布置也是可行的。例如,第二止推垫292b从第一止推垫292a周向偏移。此外,第一止推垫292a与第二止推垫292b的数量可不同。
[0103]第一止推垫292a可利用支撑块294支撑在支架30上。例如,支撑块294可固定联接至主支架体36的外表面42,并且包括大体面对或面向垫板256的第一表面284的块表面296 (图6)。止推垫292a可例如借助齿叉接头(clevis joint)等旋转地联接至块表面296。第二止推垫292b可利用基板298支撑在支架30上,在示例性实施方式中,基板298可固定联接至支架垫板48的第一表面50,并且具有面对或面向垫板256的第二表面286的基部表面300。止推垫292b也可例如借助齿叉接头枢转联接至基部表面300。
[0104]此外,至少一个止推垫292 (所示各对中的止推垫292a)能在大体轴向方向上选择性运动,以便改变施加在垫板256上的压力。就此而言,致动器302可操作联接至止推垫292a以用于移动其位置。致动器302可例如是液压致动器、气压致动器或诸如其它线性致动器或其它电/机致动器之类的其它类型的致动器。致动器302可联接至用于控制止推垫292a的运动的控制器304??刂破?04可以是专用控制器,或者作为另选可以是共用控制器。以实施例的方式而非限制,控制器304可合并到上述其它控制器中。在任一情形下,应当认识到,可独立于其它止推垫控制每个止推垫292a以对用于吸纳例如可沿发电机18的周向变更的轴向负载进行局部控制。
[0105]图3中示出了根据本发明的示例性实施方式的装配起来的发电机18。发电机18具有与作为最内构件的支架30、作为中间构件的定子组件32以及作为最外构件的转子组件34同心的构造。支架30可固定至机舱14从而不旋转,因此提供可在其上构建发电机18的其余部件的框架。然后,将定子组件32以上述方式联接至支架30。尽管定子组件32基本不绕旋转轴线46旋转,但是共同组成定子组件32的多个定子段70能够具有由枢转支撑机构80及位置调节机构78所致的且如以上所述的一定程度的运动。就此而言,枢转支撑机构80实质上引导多个定子段70的运动,例如,限制沿大体径向方向相对于旋转轴线46的运动,并且位置调节机构78提供用于使定子段70沿例如大体径向方向运动到期望位置的原动力。多个定子段70可由控制系统176分别控制。
[0106]转子组件34大致绕定子组件32布置,使得垫200与支承环270中的槽282大体对齐,并且可至少部分地布置在槽282中。更具体地说,定子段70上的垫200的外支承壁210面对支承环270的内表面278。在示例性实施方式中,发电机18构造成直驱式系统,其中,转子16使转子组件34绕旋转轴线46相对于定子组件32旋转。
[0107]在使用中,可例如借助控制器236启动泵232,以便在垫200的外支承表面210与支承环270的内表面278之间建立加压流体膜202。如上所述,由于此外部增压,流体膜202能够独立于流体膜202中产生的流体动压力支撑定子组件32上的负载。因此,可借助流体膜202基本避免定子段包层74与转子磁体包层254之间的面对面接触。在此实施方式中,流体膜202提供使轴承相对运动方面保持分离的“元件”(例如,类似滚动元件的功能),并且流体膜202还在定子组件32和转子组件34之间建立气隙204。
[0108]如上提出的,发电机18上的干扰大体可包括以相对高的频率、小幅扰动为特征的第一类负载,以及以相对低的频率、大幅扰动为特征的第二类负载。第一类负载本质上是不可预测的,而是基本随机的,并且通常以频率大于大约IHz幅值小于大约Imm为特征。借助流体膜的特征及位置调节机构78的第二构件174以被动方式吸纳这些第一类负载?;谎灾?,位置调节机构78不试图主动处理第一类负载,而是在这种负载存在的情况下,依赖流体膜202及第二构件174的被动性质保持气隙204 —致。
[0109]另一方面,第二类负载发生于较长的时间尺度,并且通?;嵋跃哂衅德市∮诖笤糏Hz幅值大于大约Imm为特征。第二类负载通常在第二构件174的能力范围外,并且可借助位置调节机构78的第一构件172的控制以主动方式被吸纳。借助第一构件172的主动控制,即便在第二类负载存在的情况下,也可使气隙204保持一致。因而,主动与被动机构联合吸纳第一类及第二类负载,从而能以一致方式保持气隙204。第一类负载与第二类负载之间以IHz与Imm划分是示例性的,并且可视具体应用及条件而变更。
[0110]图11是转子16的负载及负载可如何借助发电机18的设计而被吸纳的示意图。在多种示例性情况下,作用在发电机18上的负载由设定点曲线308及叠加在其上的修正或噪音曲线310表征。设定点曲线308在变化时以具有相对低的频率但是相对大的幅值为特征。设定点曲线308大体可对应于第二类负载。与之相比,噪音曲线310可以以具有相对高的频率并且相对低的幅值为特征。噪音曲线310大体可对应于第一类负载。
[0111]位置调节机构78的双重特性构造成应对发电机18上的负载。就此而言,第一构件172可构造成吸纳由设定点曲线308所示的负载。例如,致动器178能够在与设定点曲线308的频率及幅值相称的频率及幅值范围内操作。这种构造之所以对风轮机的应用起作用是因为影响设定点曲线308的多数干扰源为低频效应。类似地,第二构件174可构造成吸纳由噪音曲线310所示的负载。例如,诸如弹簧(或者弹簧/阻尼结合)之类的柔顺构件能够在与噪音曲线310相称的高频率、小幅值范围内操作。因为发电机18能够吸纳这些负载,所以可实现使具有更小更一致的气隙204的发电机18操作。
[0112]因为可使气隙204保持相对一致,所以即便在发电机18上作用干扰的情况下,气隙204的宽度也可减小至当前直驱式发电机设计几乎不能达到的水平。以实施例方式而非限制,相信由于保持流体膜202 —致并因此保持气隙204 —致的能力,可获得大约1.0mm(例如1-3_)的气隙宽度。更优选的是,相信借助本发明的设计,近似0.1mm的气隙宽度也是可行的。如以下所论述的,这导致直驱式风轮机的众多优势。
[0113]可对发电机18使用众多控制策略。图12示出了根据构造成控制发电机18以使气隙204保持基本恒定值的一个实施方式的示例性方法。风轮机10包括控制器312,该控制器操作联接至发电机18以用于控制发电机18的操作和/或可基于发电机18中的某些状况控制风轮机10的操作??刂破?12可以是与发电机18关联的局域控制器,或者是与风轮机10的整体操作关联的全域控制器。在一个示例性实施方式中,当发电机18中存在潜在不良状况(例如,气隙204接近其容许公差带的边界)时,控制器312可构造成修正发电机18自身的特征或特性,此外或另选地改变风轮机10的动态状态。以此方式,可维持具有一致气隙204的发电机18的操作。以下详细论述这些选项中的各选项。
[0114]根据本发明的一个方面,并且参照图12,如在步骤314中,控制器312可监测与发电机18的操作关联的一个或多个参数。在一个示例性实施方式中,监测的参数通常是代表经由转子组件34施加至发电机18的负载和/或是代表定子组件32和转子组件34之间的气隙204。如步骤316中,然后将监测到的参数与存储在控制器312中的阀值/标准值进行比较。如果监测到的参数小于存储在控制器312中的阀值,那么发电机18可在不由此特定控制系统干预的情况下继续操作。另一方面,如果监测到的参数符合或超出阀值,那么如步骤318,控制器312可构造成变更风轮机10的操作以便减小发电机18上的负载,或者如步骤320,改变发电机18的操作状态,以便更容易吸纳施加于其上的负载。
[0115]就改变发电机18的操作而言,可存在多种变更发电机的操作以保持气隙204的方式。例如,在一个实施方式中,如步骤322,流体膜202的压力可通过分别增加或减少由泵232供应的压力而增加或减少。此外,或另选的是,如步骤324,可改变例如通过垫200的流体的流速以保持气隙204。更进一步,如步骤326,可变更定子组件32的位置以保持气隙204。就此而言,一个或多个定子段70可构造成以上述方式改变位置以便保持气隙204。
[0116]在一个实施方式中,监测的参数可与流体膜202相关联。就此而言,一个或多个传感器可与定子组件32和转子组件34之间的流体膜202通讯以用于监测其至少一个特性,并进一步操作联接至控制器312以用于将来自传感器的数据传输至控制器。在一个实施方式中,由传感器监测的流体膜的特性是压力。就此而言,传感器可以是能够测量流体膜202的压力的压力传感器。本领域中公知这种换压器,并且可在市场上买到。因而认为无需详细描述该压力传感器。压力传感器操作联接至控制器312,并构造成发送代表流体膜202的压力的压力信号。[0117]在另一实施方式中,由传感器监测的流体膜202的特性是流体膜202的厚度。就此而言,传感器可以是能够测量或指示流体膜202厚度的流体厚度传感器或者接近传感器。例如但不限于,流体厚度传感器能以电感或电容理论(例如接近传感器)操作。本领域中公知这种传感器,并且可在市场上买到。因而认为无需详细描述各种类型的传感器。也可使用以众多其它原理或理论操作的其它传感器。接近传感器操作联接至控制器312,并构造成发送指示膜厚度的信号。膜厚度可以与气隙204相关。另选的是,传感器可隔着流体膜202对置而监测气隙宽度。
[0118]此外或另选的是,监测参数可与位置调节机构78关联。就此而言,一个或多个传感器可与位置调节机构78通讯以用于监测其至少一个参数,并进一步操作联接至控制器312以用于将来自传感器的数据传输至控制器312。例如,传感器可构造成监测供应至致动器178的流体压力。此压力可能与定子组件32上的实际负载相关。传感器也可以是用于指示垫200的位置、致动器178的延伸或其它信息的位置或接近传感器。在此实施方式中,控制策略是典型的反馈型系统,该系统使用从这些传感器收集的数据,然后以使气隙204保持恒定值的方式变更发电机18。
[0119]如图12中所示的,必要时控制策略也可构造成改变风轮机10的动态状态?;谎灾?,如果风轮机10在难以将气隙204保持一致的状态下操作,那么可将操作状态改变成允许气隙204保持更一致的另选操作状态。尽管预计在大多数情况下改变发电机18的操作将足以吸纳发电机18上的负载,但是变更风轮机10的操作为控制策略提供了另一途径。
[0120]同样,就改变风轮机10的操作或动态状态而言,存在若干选择。为此,控制器312可操作联接至一个或多个有效变更风轮机10的动态状态的子系统(具有可独立于控制器或集成在控制器312内的控制器)。以实施例方式而非限制,控制器312可操作联接至用于控制转子16关于塔架12的偏航的偏航控制器(未示出),以及/或用于控制叶片22相对于风向的桨距的桨距控制器(未示出)。因而,在一个实施方式中,如步骤336,控制器312可构造成使转子16相对于塔架12偏航,以使转子16转离风力。此外或另选的是,如步骤338,控制器312可构造成使转子叶片22变桨而离开风,从而减小转子16驱动力。借助这些子系统的操作,可变更风轮机10的动态状态,从而在可使气隙204保持更一致的状态下操作。应当意识到以上提供的子系统是示例性的,并且本领域普通技术人员可意识到能用于此控制策略的影响风轮机10动态状态的其它子系统。
[0121]图13示出了根据本发明的一个方面用于控制发电机18操作的另一示例性控制器/控制策略。不同于前述基于传统反馈控制理论的实施方式,此实施方式实施前馈控制理论。定子组件32、转子组件34以及流体膜202被示意性示出。如上所述,定子组件32包括多个各自具有至少一个与其关联的位置调节机构78的定子段70。一个或多个垫200可与各个位置调节机构78关联。为了简明并便于论述,附图示意性示出了仅一个定子段70、一个位置调节机构78以及一个垫200。本领域中普通技术人员将会明白如何将在此叙述的方法应用于具有多个定子段70、多个位置调节机构78以及多个垫200的更复杂的系统。
[0122]每个位置调节机构78包括用于控制静压轴承与位置调节机构78的某些方面的局域控制器342。就此而言,局域控制器342可操作联接至高压泵232,该高压泵则操作联接至流体供应装置或贮存器234 (图10)。高压泵232经由一个或多个用于调节流向垫的流动的被动限流器操作联接至垫200。此外,高压泵232可例如通过控制阀344操作联接至位置调节机构78,该控制阀344则可操作联接至局域控制器342。尽管在此实施方式中,同一高压泵232向垫200及位置调节机构78两者供应流体,但是在另选实施方式中,垫及位置调节机构各自可包括自身专用的操作联接至局域控制器342的泵。
[0123]发电机18可包括若干用于感测发电机18更具体地说是支承机构76的某些操作参数的传感器。就此而言,压力传感器可与流体膜202通讯,或者可操作联接至高压泵232以用于向局域控制器342大体指示流体膜202的压力。压力传感器也可操作联接至位置调节机构78,例如操作联接至致动器178,以用于大体指示由位置调节机构78支撑的负载,并将此数据传输至局域控制器342。而且,位置调节机构78也可包括长度或位置传感器,该传感器用于大体指示位置调节机78 (例如致动器178)的总体延伸长度或位置,并将此数据传输至局域控制器342。而且,高压泵232可包括本领域中公知的流量计,该流量计用于指示流至垫200的流体的流量并将此数据传输至局域控制器342。
[0124]每个局域控制器342可操作联接至可构造成协调全部局域控制器342的全域控制器350。就此而言,来自每个局域控制器342的信息或数据可被转送至全域控制器350。这可包括例如实际的轴承位置、压力及流速数据以及温度数据。全域控制器350则可操作联接至由352示意性示出的主风轮机控制器。全域控制器350监测风轮机的真实操作状况。此信息可来自一个或多个操作联接至全域控制器350的传感器(未示出),或者来自与这些传感器操作联接的主风轮机控制器352。风轮机的真实操作状况可包括风速、转子速度、叶片桨距、发电量等。此数据还可包括关于周围环境的额外数据,该周围环境包括环境温度及压力、气压等。
[0125]全域控制器350包括由354示意性示出的轴承负载估计器,该估计器构造成估计通过转子16作用在发电机18上的全部负载,并规划吸纳估计负载的发电机18的期望状态。轴承负载估计器354是基于这样的理论,即:能在很大程度上基于包括以上提供的那些在内的某些可测数据确定发电机18上的负载。然后,基于此数据,轴承负载估计器354可确定最佳吸纳预期负载的发电机18的设定点。此设定点数据可包括轴承压力、流速以及期望的轴承位置。
[0126]当然,此设定点数据可为发电机18的具体位置专有。例如,用于一个定子段70上的垫200的设定点数据可不同于另一个定子段70上的另一垫200的设定点数据。因而,轴承负载估计器354构造成提供局域设定点数据。轴承负载估计器354可包括例如查询表,该查询表给出针对输入数据的多种组合的设定点数据。另选的是,可应用理论模型以得出基于输入数据的多种组合的设定点数据。来自轴承负载估计器354的设定点数据可前馈至局域控制器342以响应于设定点数据而控制位置调节机构78及轴承。
[0127]除了上述的前馈方面,控制系统也可包括图12中的上述传统反馈系统?;谎灾?,可由设定点数据结合来自传统反馈的任何修正确定发电机18对负载的最终响应。认为来自传统反馈的修正会相对较小,这是因为设定点数据设计成将发电机18置于要吸纳其上的负载的状态。
[0128]图14示出了操作根据以上所述的风轮机10的示例性方法。在此方法中,如步骤360,系统监测一个或多个风轮机数据参数。如步骤362,基于此信息,系统估计关于发电机估计发电机设定点数据的预期负载。接着,如步骤364,系统确定配置成吸纳预期负载的设定点数据。然后,如步骤366,系统将该数据馈送至与发电机18关联的局域控制器。如步骤368,监测与发电机18的操作关联的局域数据,并如步骤370,将该数据馈送至与发电机18关联的局域控制器。该数据也可反馈至全域控制器350。接着,如步骤372,基于反馈数据修正设定点数据。然后,如步骤374,修正发电机参数以符合修正数据。
[0129]尽管已经论述了两个示例性控制策略,但是本发明的多个方面不应当限于在此公开的这些内容,因为很可能存在其它能用于发电机18以更一致地维持气隙204的策略。借助例如位置调节机构78的双重特性以从本质上控制气隙204的能力使大量策略(无论是传统反馈控制系统、前馈控制系统、两者的结合或者其它控制策略)成为可能。
[0130]与传统的发电机设计相比,在此所述的发电机18提供若干优势。例如,流体静压滑动轴承的流体膜202克服了传统设计中使用的滚动轴承的多种缺陷。举例来说,滑动轴承具有相当好的向上扩展能力,因而尤其适合提供用于大规模应用的轴承组件。此外,滑动轴承的使用也消除或显著减小了其中一个主要内部干扰源,由轴承组件产生的干扰。流体膜202本质上是自调节的,并且轴承组由于例如制造公差等造成的缺陷不会明显影响气隙204。
[0131]流体膜轴承的使用可为风轮发电机设计提供额外的改善或设计可能性。例如,发电机设计中的一种考虑是有效冷却发电机的定子组件和转子组件。就此而言,当前的许多设计或者使用空气冷却定子绕组及转子磁体(例如小于大约1.5MW的直驱式风轮机),或者借助定子上的水套通过水流循环冷却定子绕组件及转子磁体。这些技术本质上都依赖通过定子组件进行的热传导,因而这些技术都是十分有优势,尤其是当期望较高的风轮机输出时。
[0132]因此,在本发明的另一方面,组成流体膜202的流体也可用作发电机18的冷却剂(例如冷却液)。就此而言,从垫200泵送的流体绕垫流至其周围的空隙空间。这可包括例如定子段包层74与转子磁体包层254之间的气隙204。因而,流体通?;嵋砸欢看嬖谟诜⒌缁诓?80中,例如,在支架30与转子组件34之间。因此,在本发明的另一方面中,此流体可用于对发热的定子组件和转子组件进行直接液体冷却。预计直接液体冷却比当前冷却系统有效2至10倍之间。因此,使用滑动轴承可为发电机的冷却系统提供进一步优势。
[0133]在一个实施方式中,发电机内部380可以是流体完全泛流的。然而,在一另选实施方式中,发电机内部380可以是流体部分泛流的。在前一实施方式中,流体基本完全充满间隙空间,从而可借助对流传热将热量从定子组件32和转子组件34的发热组件移除。流体可通过382示意性示出的冷却系统循环。冷却系统382可包括泵384,该泵与发电机内部380连通以用于使流体循环穿过构造成从流体移除热量的热交换器386。本领域中公知适合此应用的热交换器,从而将不再详细论述。泵384可以是用于冷却系统382的专用泵。另选的是,泵384可以是向垫200供应流体的泵232。冷却系统382可包括388示意性示出的用于控制冷却系统382的控制器。就此而言,控制器388可操作联接至泵384,也联接至一个或多个用于确定发电机内部380中的流体温度的传感器。例如,一个或多个包括但不限于热电耦及/或热敏电阻的温度检测装置390可与流体连通,并且将流体温度传达至控制器388。泵384可被控制以便变更通过热交换器386的流速,从而控制流体的温度。例如,控制器388可构造成将流体的温度维持在预定的设定点温度。
[0134]在局部被充满的发电机内部380的后一实施方式中,由于重力作用而可在发电机内部380的较低端存在流体游积或流体池。由于例如转子组件34的旋转而从流体池带出的流体或者绕垫200流动的流体(不在流体池中时)在重力的影响下流向或回流至发电机内部380的底部。此流动为定子组件32和转子组件34的发热组件提供了冷却效果。此外,在未浸没到流体池中的区域中,冷却系统382可包括一个或多个用于在发电机18的某些部位喷洒流体的喷头392 (图9)。例如,喷头392可定位成在组成定子段包层74的线圈末匝上喷洒流体。喷头392也可定位成在组成转子磁体包层254的磁体部件上喷洒流体。来自这些喷头392的流体从部件带走热,并回流至发电机内部380的底部。冷却系统382的泵384与发电机内部380底部中的流体池形成流体连通,从而使流体由控制器388指挥而通过热交换器386循环。
[0135]在实时直驱式风轮机的应用中有若干原因使这种冷却是可行的。要知道发电机是典型的高转速机器,由于与其用途关联的粘度损失,大部分设计者都不会考虑使用诸如油之类的通常高粘度的流体作为完全泛流或部分泛流的冷却剂?;谎灾?,与运动部件通过油浴相关联的曳力会很高以致超出了与这种油浴相关联的任何冷却效益。然而,在直驱式应用中,发电机的动态方面(例如转速)相当小。因此,预计归因于阻力的损失会明显较小。因此,在此应用中,能够在没有来自曳力的明显负作用的情况下获得完全泛流或部分泛流冷却的积极方面。
[0136]此外,在放置与发电机的定子组件32和转子组件34两者连通的流体时必须小心。就此而言,与定子组件32和转子组件34两者连通的任何流体应当是介电流体。偶然地,一般用作滑动轴承中流体膜的油通常是介电流体。因而,组成流体膜202以及完全或部分泛流发电机内部380的相同的油也使发电机的两个电力部件电隔离,从而保持正常操作。
[0137]认为上述的冷却系统382能显著提高发电机18的冷却能力。其主要原因是现在热传递是基于强制对流的,基于强制对流的热传递在移除热量方面明显比基于冷却系统的传导更有效。因此,认为可使发电机18在降低的温度下操作,这进而提高发电机18的生产效率。如上所述的冷却系统382所负担的降低的操作温度可提供额外的效益。例如,由于较低的操作温度,认为铝绕组可代替铜绕组用在定子段包层74中以及使用绕组的电磁铁中。铝绕组通常较轻并且成本低廉,因而在发电机设计中是更理想的。
[0138]如上所述的发电机18的另一好处在于能使用的磁体的可能类型。如上所论述的,由于当前设计中需要相对大的气隙,直驱式风轮机设计中通常使用永久磁体。然而,由于控制发电机18从而使比当前设计中能获得的气隙更小的气隙204保持一致的能力,可在转子组件34中使用其它类型的磁体。就此而言,由于本设计中可获得较小的气隙,认为可在转子磁体包层254中使用电磁体来产生磁场。这样,可克服与永久磁体有关的成本及供应问题。此外,因为冷却系统382构造成从转子组件34还有定子组件32移除热量,所以电磁体可在适合高效产能的温度下操作。
[0139]如上所述,本设计的多个方面可允许定子组件32和转子组件34之间的气隙204明显减小。与仅仅依赖部件刚性维持发电机气隙容差的发电机相比,该较小的气隙可允许增大定子组件32和转子组件34的磁性元件之间的磁耦合。定子与转子之间的增大磁耦合可在穿过发电机线圈的磁路中提供较低的磁阻,从而导致较高的磁通密度,并且相应提高发电机的输出。与传统的发电机设计相比,由本发明方面允许的较小的气隙可因此以减少所需的成本、功率以及效率之间的设计取舍。
[0140]现在参照图15,受益于减小的气隙的发电机设计的示例性实施方式包括以非滚动或者说线性方式示出的定子组件32及转子组件34。定子组件32包括这样的定子段包层74,其具有由诸如层压铁之类的低磁阻材料构成的芯400、AC相绕组402a至402f、以及DC场绕组404a至404c。AC相绕组402a至402f以及DC场绕组404a至404c可由诸如铜或铝之类的导电材料形成,并且位于定子体400中的通道或狭槽中。从而,AC相绕组402a至402f以及DC场绕组404a至404c由沿定子段70外侧的另选型式的导体构成。狭槽限定定子芯400的突出区域或齿406a至4061,这些突出区域或齿从芯400朝转子组件34向外延伸。DC场绕组404a至404c构造成使得流经场绕组的励磁电流产生磁通。此磁通集中在定子齿406a至4061中,并且具有沿定子段70的长度交变磁矢量。由DC场绕组404a至404c产生的磁通与运动的转子组件34结合以在发电机中建立激励场。AC相绕组402a至402f位于DC场绕组404a至404c之间,从而使得激励场在AC相绕组402a至402f中感生电流。在本发明的实施方式中,AC相绕组402a至402f可构造成产生三相交电流。
[0141]转子组件34包括由诸如层压铁之类的低磁阻材料形成的磁性构件408a至408e,这些磁性构件邻近定子组件32布置。在本发明的另选实施方式中,磁性构件408a至408e可以是永久磁体,在此情况下可省略DC场绕组404a至404c。在任何情况下,如此构造转子组件34,使得磁性构件408a至408e与定子组件32经由径向间隙或气隙204分离。当转子组件34被旋转时,磁性构件408a至408e相对于定子组件32运动,并且穿过由DC场绕组404a至404c产生的交变磁力线。因为由DC场绕组404a至404c产生的磁通沿提供最小磁阻的路径,AC相绕组402a至402f附近的磁通将倾向于沿通过最紧密联接至相邻定子齿406a至4061的磁性构件408a至408e的路径。
[0142]AC相绕组402a至402f以及DC场绕组404a至404c布置成使得每个DC场绕组404a至404c外接两个相邻AC相绕组402a至402f的两个定子齿406a至4061。转子组件34的旋转因而导致磁性构件408a至408e顺序地通过由定子组件32产生的交变磁场矢量。当磁性构件运动时,磁场借助磁性构件408a至408e在交变方向上通过定子齿406a至4061耦合。此运动还导致穿过AC相绕组402a至402f的磁通通路的磁阻在最大值与最小值之间调节,使得磁通密度被调节。所导致的穿过AC相绕组402a至402f的磁通的密度与方向的变化在此感生交变电流。借此通过转子组件34的旋转而在AC相绕组402a至402f中产生交变电流。通过适当构造定子芯400、转子组34、AC相绕组402a至402f以及DC场绕组404a至404c,可使AC相绕组402a至402f产生的通量变化并因此使感生电流随时间变化。
[0143]由磁性构件408a至408e经过定子齿406a至4061运动而产生的随时间变化的磁通或者激励场的强度与磁通所穿过的磁路的磁阻逆相关。因而,激励场的强度与磁性构件及定子齿之间的距离逆相关。由本发明的实施方式提供的减小的气隙宽度可因而允许转子组件34借助较低的励磁电流、较少的磁性构件以及/或者产生比由不具有本发明的特征的发电机通常要求的低的磁力水平的磁性构件产生强度足以产生电力的激励场。尤其是,较低的励磁电流可减少由DC场绕组404a至404c产生的热量,从而降低发电机的冷却需求,并提高发电机的效率。而且,较低的励磁电流也可允许减小DC场绕组的截面积,减少定子组件32的重量及成本。
[0144]应当认识到,图15中所示的构造仅是说明由于保持较小气隙一致的能力而可行的不同发电机设计。认为先前不能企及的发电机设计多种发电机构造现在会是可行的。因此,本发明的多个方面不应限制于上述构造。[0145]已经结合风轮发电机示出并描述了本发明的多个方面。然而,本发明的多个方面具有风轮机应用的宽阔领域。就这些而言,本发明的方面针对可用于许多风轮机部件或者应用(其中一个应用是风轮发电机)中的轴承组件。更具体地说,本发明的方面针对具有内构件(例如内轴承圈)、相对于内构件布置的外构件(例如外轴承圈)以及布置在内构件与外构件之间的流体膜的轴承组件。如同大部分轴承组件一样,内构件与外构件构造成彼此相对运动,并且流体膜构造成不仅便于该相对运动而且维持部件的允许基本无接触相对运动的合适分隔。如上所述,流体膜可由具有与高压泵及流体贮存器连通的凹口或腔的诸如流体静压轴承之类的滑动轴承提供。然而,与大部分轴承组件不同,这里所实施的轴承组件包括位置调节机构,该位置调节机构构造成选择性地移动滑动轴承或供该滑动轴承附接的内构件和外构件其中一者。如上所论述的,位置调节机构可包括主动控制方面与被动控制方面。轴承组件还可包括如上在发电机背景下论述的属性。例如,轴承组件的内构件和外构件之一可具有如上所述的分段式设计。此外或另选的是,如上所述,轴承组件可具有冷却系统。
[0146]以实施例方式而非限制,如上所述的轴承组件可用做风轮机的主轴承。序列号为12/883,695的美国申请公开了一种主轴承,该主轴承可以是流体静压轴承的形式,该申请以援引方式整体结合于此??晒瓜氚ɡ绶侄问缴杓圃谀诘谋痉⒚鞯哪承┓矫婵珊喜⒌礁妹拦昵氲纳杓浦形?,从而为主轴承操作并因而为风轮机操作提供额外的好处。在该申请中,内构件可包括主风轮机轴,外构件可包括轴承壳等。轴承壳可包括在此公开的分段式设计,并包括具有主动方面以及可行的被动方面的位置调节机构。在另一实施例中,轴承组件可包括叶片轴承组件。
[0147]序列号为12/987,596的美国申请公开了一种流体静压轴承形式的叶片轴承,该申请以援引方式整体结合于此。同样地,可构想包括例如分段式设计的本发明的某些方面可合并到该美国申请的设计中从而为叶片轴承的操作提供额外的好处。在该申请中,内构件可包括轮毂部分,并且外构件可包括叶片的一部分(反之亦然)。这些部分中任一者可包括分段式设计,该分段式设计包括具有主动方面以及可行的被动方面的位置调节机构。
[0148]因此,可从轴承组件的广泛意义上看待本发明的方面。在发电机设计背景下的轴承组件只不过是一个示例性实施方式,其中发电机的定子组件与转子组件合并到轴承组件中(即,发电机平台内置于轴承组件中或构建于轴承组件上)。更具体地说,内构件构造成包括定子组件和转子组件之一,外构件构造成包括定子组件和转子组件中的另一者。流体膜在两个组件之间提供气隙。因而,本发明的实施方式不应当局限于风轮发电机,而是可包括其它风轮机应用,诸如主轴承组件、叶片轴承组件以及其它可行的应用。
[0149]本发明方面的具体用途或关注点可取决于具体应用而变更。以实施例方式,就发电机而言,如上所论述的,关注点可能主要在保持更一致的气隙。对于轴承组件而言,关注点可能在使内构件与外构件保持分离,以便避免在负载下面对面接触?;谎灾?,可能保持恒定的膜厚度不重要,保持两个构件分离才重要。本发明方面可具有额外的关注点。就此而言,本发明方面可用于借助结构阻尼控制风轮机部件的共振行为。就此而言,一些大型的动力系统经受振动,并由发生大幅振荡的共振频率为表征。应当大体避免这些共振频率,因为其可导致系统的显著损害或破坏。
[0150]在直驱式风轮机的应用中,发电机是相当大型的可由某一共振频率表征的动力系统。此共振频率可在几赫兹的范围内,因此在位置调节机构的主动方面的操作范围内。因而,根据本发明的另一方面,位置调节机构可用于变更或抵消发电机的共振行为。就此而言,可作为局域或全域控制器的控制器可构造成监测发电机的振动状态。这例如可利用一个或多个遍布发电机定位的传感器(例如加速计等)实现??刂破骺晒乖斐扇范ㄏ低呈欠癯舱衿德试硕?。例如,控制器可监测幅值增长,或监测振动频率。如果幅值增长到一定阀值,幅值增长率达到阀值,或者频率接近预定阀值(例如,估计共振频率),那么控制器可构造成采取一些对策。以实施例方式而非限制,这些对策可包括引入本质上抑制增长的共振行为的异相作用力。就此而言,发电机尤其是位置调节机构可构造成作为动态阻尼器操作以对抗共振行为。为此,控制器可构造成使一个或多个定子段协调运动,以便为发电机引入异相作用力。异相作用力于是配置成与振动相互作用从而减小或者变更系统的振动行为。
[0151]本发明借助结构阻尼控制共振的这一方面的用途也可合并到针对轴承组件的本发明的实施方式中。就此而言,本发明的方面可用于应对多种包括例如叶片在内的风轮机部件的低频共振。更具体地说,公知的是,风轮机叶片在负载下遭受翼展方向的振动。这些翼展方向的振动通常具有低频特征。尽管尝试了各种途径,但是翼展方向的振动基本没有良好的阻尼机构。
[0152]本发明的方面可用于应对风轮机中的翼展方向或其它可能的振动。就此而言,根据本发明方面的轴承组件可被布置在叶片/转子与塔架之间。例如,轴承组件可以是叶片轴承组件或主轴承组件(例如,当不是直驱系统时)。在这些设计中,当感测到共振行为时,可用协调方式启动位置调节机构,从而将异相作用力引入到叶片/转子中,减小或变更系统的共振行为。
[0153]尽管已借助对多个实施方式的描述解释了本发明,并且尽管已经相当详细地描述了这些实施方式,但是本申请并不旨在将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制到这些细节。对于本领域技术人员来说附加的优势及变型会是显而易见的。因而,本发明的广泛方面不限于具体的细节、代表性的方法以及所示及所述的说明性实施例。因此,在不脱离总体发明思想的宗旨或范围的情况下,可脱离这些细节。
【权利要求】
1.一种风轮机部件,该风轮机部件包括: 内构件; 相对于所述内构件布置的外构件,所述内构件和所述外构件相对于彼此运动; 滑动轴承,该滑动轴承联接至所述内构件和所述外构件其中一者,并构造成提供流体膜,该流体膜用于保持所述内构件和所述外构件分离并且便于二者之间的相对运动; 位置调节机构,该位置调节机构联接至所述内构件和所述外构件中的所述一者以选择性地移动所述滑动轴承;以及 位置控制器,该位置传感器操作联接至所述位置调节机构以用于控制所述滑动轴承的位置。
2.根据权利要求1所述的风轮机部件,其中,所述内构件和所述外构件中的所述一者由多个构件段形成。
3.根据权利要求2所述的风轮机部件,其中,至少一个构件段包括所述滑动轴承。
4.根据权利要求3所述的风轮机部件,其中,每个构件段包括滑动轴承。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的风轮机部件,其中,至少一个构件段包括联接至该至少一个构件段的位置调节机构。
6.根据权利要求5所述的风轮机部件,其中,每个构件段包括位置调节机构。
7.根据权利要求5或6所述的风轮机部件,其中,当存在多个联接至相应构件段的位置调节机构时,每个位置调节 机构能由所述位置控制器独立控制。
8.根据权利要求5至7所述的风轮机部件,其中,具有位置调节机构的所述至少一个构件段还包括用于引导所述滑动轴承的运动的枢转支撑机构。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机部件,其中,所述滑动轴承包括具有至少一个腔的流体静压轴承,所述腔面对所述内构件和所述外构件中的另一者,并操作联接至流体供应装置及压力源,该压力源用于供应形成所述内构件和所述外构件之间的流体膜的加压流体。
10.根据权利要求9所述的风轮机部件,其中,所述流体静压轴承包括至少一个垫,所述垫联接至所述内构件和所述外构件中的所述一者,所述腔形成在所述至少一个垫的面对所述内构件和所述外构件中的所述另一者的表面中。
11.根据权利要求10所述的风轮机部件,其中,所述至少一个垫枢转联接至所述内构件和所述外构件中的所述一者。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的风轮机部件,该风轮机部件还包括轴承控制器,该轴承控制器操作联接至所述滑动轴承以控制该滑动轴承。
13.根据从属于权利要求9至11中任一项时的权利要求12所述的风轮机部件,其中,所述轴承控制器操作联接至所述压力源,以用于控制所述流体膜的压力及流至所述流体静压轴承的所述至少一个腔的流体流至少其一。
14.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机部件,其中,所述位置调节机构包括能够由所述位置控制器控制的第一主动控制构件。
15.根据权利要求14所述的风轮机部件,其中,所述第一构件包括液压致动器、气压致动器和线性致动器至少其一。
16.根据权利要求14或15所述的风轮机部件,其中,所述位置调节机构还包括与所述第一构件串联布置的第二被动构件。
17.根据权利要求16所述的风轮机部件,其中,所述第二构件是大体柔顺构件。
18.根据权利要求17所述的风轮机部件,其中,所述第二构件包括弹簧、囊状件和橡胶块至少其一。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的风轮机部件,其中,所述第二构件包括阻尼元件。
20.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机部件,其中,所述风轮机部件包括限定在所述内构件和所述外构件之间的内部空间,所述风轮机部件还包括冷却系统,所述冷却系统包括: 至少部分填充所述内部空间并且与所述内构件和所述外构件中的至少一者开放式连通的冷却液,所述冷却液构造成从所述风轮机部件吸收热; 与所述内部空间连通的泵;以及 与所述泵连通的热交换器, 其中,所述泵构造成使所述冷却液循环穿过所述热交换器,借此将所述冷却液吸收的热从所述风轮机部件传走。
21.根据权利要求20所述的风轮机部件,其中,所述冷却液部分填充所述内部空间,所述冷却系统还包括用于在所述风轮机部件的一部分上喷洒所述冷却液的至少一个喷头。
22.根据权利要求20或21所述的风轮机部件,其中,所述冷却液与形成所述流体膜的所述流体是相同的。
23.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机部件,其中,所述风轮机部件是轴承组件。
24.根据权利要求23所述的风轮机部件,其中,所述轴承组件构造成主轴承组件或叶片轴承组件。
25.一种具有根据权利要求1-24中任一项所述的风轮机部件的风轮机。
26.根据权利要求1-22中任一项所述的风轮机部件,其中,所述风轮机部件包括风轮发电机,其中,所述内构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的一者,并且所述外构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的另一者。
27.根据权利要求26所述的风轮机部件,其中,所述内构件包括所述定子组件,并且所述外构件包括所述转子组件。
28.根据权利要求26或27所述的风轮机部件,其中,所述滑动轴承联接至所述定子组件。
29.一种具有根据权利要求26至28中任一项所述的风轮发电机的风轮机。
30.根据权利要求29所述的风轮机,其中,所述风轮机是直驱式风轮机。
31.一种风轮发电机,该风轮发电机包括: 支架; 定子组件; 转子组件,其中,所述定子组件和所述转子组件其中一者构造成以可动方式安装至所述支架,并且其中所述定子组件与所述转子组件构造成相对于彼此运动以产生电力; 滑动轴承,该滑动轴承联接至所述定子组件和所述转子组件之一,并且构造成提供流体膜,该流体膜用于保持所述定子组件与所述转子组件分离并便于二者之间的相对运动,所述流体膜建立所述定子组件与所述转子组件之间的气隙; 位置调节机构,该位置调节机构联接至所述支架,并且联接至所述定子组件和所述转子组件中的以可动方式安装的所述一者并构造成选择性地使所述定子组件和所述转子组件中的该一者移动;以及 位置控制器,该位置控制器操作联接至所述位置调节机构,以控制所述定子组件和所述转子组件中的所述一者的位置,从而控制所述定子组件与所述转子组件之间的所述气隙。
32.根据权利要求31所述的风轮发电机,其中,所述滑动轴承联接至所述定子组件和所述转子组件中的以可动方式安装至所述支架的所述一者。
33.根据权利要求31或32所述的风轮发电机,其中,所述定子组件和所述转子组件中的以可动方式安装至所述支架的所述一者包括多个共同构成所述定子组件和所述转子组件中的该一者的段件。
34.根据权利要求33所述的风轮发电机,其中,每个段件包括段件框及包括磁性构件的段件包层,其中每个段件联接至位置调节机构并包括滑动轴承。
35.根据权利要求33所述的风轮发电机,其中,所述位置控制器能够独立控制各段件所关联的各位置调节机构。
36.根据权利要求34或35所述的风轮发电机,其中,每个段件还包括用于引导该段件的运动的枢转支撑机构。
37.根据权利要求31至36中任一项所述的风轮发电机,其中,所述滑动轴承包括至少一个垫,所述垫具有操作联`接至流体供应装置及压力源的腔,该压力源用于供应形成所述定子组件和所述转子组件之间的所述流体膜的加压流体。
38.根据权利要求37所述的风轮发电机,其中,所述滑动轴承包括有多个垫。
39.根据权利要求37或38所述的风轮发电机,其中,所述垫枢转联接至所述定子组件和所述转子组件中的所述一者。
40.根据权利要求31至39中任一项所述的风轮发电机,其中,所述位置调节机构包括能够由所述位置控制器控制的第一主动控制构件。
41.根据权利要求40所述的风轮发电机,其中,所述第一构件包括液压制动器、气压致动器和线性致动器至少其一。
42.根据权利要求40或41所述的风轮发电机,其中,所述位置调节机构还包括与所述第一构件串联布置的第二被动构件。
43.根据权利要求42所述的风轮发电机,其中,所述第二构件是大体柔顺构件。
44.根据权利要求43所述的风轮发电机,其中,所述第二构件包括弹簧、囊状件和橡胶块至少其一。
45.根据权利要求42至44中任一项所述的风轮发电机,其中,所述第二构件包括阻尼元件。
46.根据前述权利要求中任一项所述的风轮发电机,其中,所述风轮机部件包括限定在所述内构件和所述外构件之间的内部空间,所述风轮发电机还包括冷却系统,所述冷却系统包括:至少部分填充所述内部空间并且与所述定子组件和所述转子组件中的至少一者开放式连通的冷却液,所述冷却液构造成从所述风轮发电机吸收热; 与所述内部空间连通的泵;以及 与所述泵连通的热交换器, 其中,所述泵构造成使所述冷却液循环穿过所述热交换器,从而将所述冷却液吸收的热从所述风轮发电机传走。
47.根据权利要求46所述的风轮发电机,其中,所述冷却液部分填充所述内部空间,所述冷却系统还包括用于在所述风轮发电机的一部分上喷洒所述冷却液的至少一个喷头。
48.根据权利要求46或47所述的风轮发电机,其中,所述冷却液与形成所述流体膜的所述流体是相同的。
49.一种具有根据权利要求31至48中任一项所述的风轮发电机的风轮机。
50.根据权利要求49所述的风轮机,其中,所述风轮机是直驱式风轮机。
51.一种操作风轮机的方法,该风轮机具有包括定子组件、转子组件及流体膜的风轮发电机,所述流体膜构造成保持所述定子组件和所述转子组件分离并便于二者之间的相对运动,该方法包括: 监测所述定子组件与所述转子组件之间的所述流体膜的至少一个参数,并将关于监测到的所述至少一个参数的信息传输至控制器; 利用所述控制器将关于监测到的所述至少一个参数的信息与存储在所述控制器中的阀值标准进行比较;并且 当关于所述至少一个参数的信息符合所述阀值标准时变更所述发电机的操作状态。`
52.根据权利要求51所述的方法,其中,监测所述流体膜的至少一个述参数还包括监测所述流体膜的压力。
53.根据权利要求51或52所述的方法,其中,监测所述流体膜的至少一个参数还包括监测所述流体膜的厚度。
54.根据权利要求51至53中任一项所述的方法,其中,所述定子组件和所述转子组件中的一者联接至位置调节机构,该位置调节机构构造成使所述定子组件和所述转子组件中的所述一者移动,所述方法还包括: 监测所述位置调节机构的至少一个参数,并将关于监测到的所述至少一个参数的信息传输至控制器; 利用所述控制器将检测到的关于至少一个参数的信息与存储在所述控制器中的所述阀值标准进行比较;并且 当关于所述至少一个参数的信息符合所述阀值标准时变更所述发电机的操作状态。
55.根据权利要求51至54中任一项所述的方法,其中,变更所述发电机的操作状态还包括改变所述流体膜的压力。
56.根据权利要求51至55中任一项所述的方法,其中,变更所述发电机的操作状态还包括改变流至所述流体膜的流体的流速。
57.根据权利要求51至56中任一项所述的方法,其中,变更所述发电机的操作状态还包括选择性地使所述定子组件和所述转子组件中的一个的至少一部分移动。
58.根据权利要求57所述的方法,其中,所述定子组件和所述转子组件中的被移动的所述一个由多个组件段形成,使所述定子组件和所述转子组件中的一个的至少一部分移动的步骤还包括使所述多个组件段中的至少一个移动。
59.根据权利要求58所述的方法,该方法还包括独立控制所述多个组件段中的所述至少一个的移动。
60.根据权利要求51至59中任一项所述的方法,该方法还包括作为变更所述发电机的操作状态的另选或附加方式而变更所述风轮机的动态状态。
61.根据权利要求60所述的方法,其中,变更所述风轮机的动态状态还包括使机舱相对于塔架偏航以及使所述风轮机的叶片变桨至少其一。
62.一种操作风轮机的方法,该风轮机具有包括定子组件、转子组件及流体膜的风轮发电机,所述流体膜构造成保持所述定子组件和所述转子组件分离并便于二者之间的相对运动,该方法包括: 监测所述风轮机的至少一个参数,并将关于监测到的所述至少一个参数的信息传输至控制器; 基于所述监测步骤,利用所述控制器估计所述发电机上的预期负载; 利用所述控制器确定用于所述发电机的配置成吸纳所述发电机上的所述预期负载的设定点数据;并且 将所述发电机配置成在由所述设定点数据确定的状态下操作。
63.根据权利要求62所述的方法,其中,所述风轮机的所述至少一个参数包括风速、转子速度、涡轮输出以及叶片桨距至少其一。
64.根据权利要求62或63所述的方法,其中,利用所述控制器估计所述发电机上的预期负载的步骤还包括: 在所述控制器上存储使发电机负载与风轮机参数关联的查询表;并且 访问所述查询表以估计所述发电机上的负载。
65.根据权利要求62至64中任一项所述的方法,其中,利用所述控制器确定用于所述发电机的设定点数据的步骤还包括: 在所述控制器上存储使发电机配置数据与预期负载关联的查询表;并且 访问所述查询表以确定用于所述发电机的设定点数据。
66.根据权利要求62至65中任一项所述的方法,其中,所述设定点数据包括流体膜压力、流体膜流速以及所述定子组件和所述转子组件中的一者的至少一部分的位置至少其
O
67.根据权利要求62至66中任一项所述的方法,其中,将所述发电机配置成在由所述设定点数据确定的状态下操作的步骤还包括改变布置在所述定组件和所述转子组件之间的所述流体膜的流体压力。
68.根据权利要求62至67中任一项所述的方法,其中,将所述发电机配置成在由所述设定点数据确定的状态下操作的步骤还包括改变流至所述流体膜的流体的流速。
69.根据权利要求62至68中任一项所述的方法,其中将所述发电机配置成在由所述设定点数据确定的状态下操作的步骤还包括改变所述定子组件和所述转子组件中的一者的至少一部分的位置。
70.根据权利要求69所述的方法,其中,所述定子组件和所述转子组件中的位置被改变的所述一者由多个组件段形成,改变所述定子组件和所述转子组件中的一者的至少一部分的位置的步骤还包括改变所述多个组件段中的至少一个组件段的位置。
71.根据权利要求70所述的方法,该方法还包括独立控制如下所述多个组件段中的所述至少一个组件段的位置,所述多个组件段形成所述定子组件和所述转子组件中的位置被改变的所述至少一者。
72.根据权利要求62至71中任一项所述的方法,该方法还包括: 监测所述定子组件与所述转子组件之间的所述流体膜的至少一个参数,并将关于监测到的所述至少一个参数的信息传输至控制器; 利用所述控制器将关于监测到的所述至少一个参数的信息与存储在所述控制器中的阀值标准进行比较;并且 当关于所述至少一个参数的信息符合所述阀值标准时变更所述设定点数据。
73.—种冷却风轮机部件的方法,该风轮机部件具有内构件、外构件以及滑动轴承,该滑动轴承构造成提供流体膜,该流体膜用于保持所述内构件和所述外构件分离并且便于二者之间的相对运动,该方法包括利用所述流体膜作为冷却所述风轮机部件的冷却液。
74.根据权利要求73所述的方法,其中,所述风轮机部件具有与所述流体膜连通并且被形成所述流体膜的流体基本完全充满的内部空间,所述方法还包括使所述流体循环穿过热交换器以将热从所述风轮机部件传走。
75.根据权利要求73所述的方法,其中,所述风轮机部件具有与所述流体膜连通并且仅部分填充有形成所述流体膜的流体的内部空间,所述方法还包括: 允许所述流体朝所述内部空 间的底部排放;并且 使收集在所述内部空间的该底部的流体循环穿过热交换器,以将热从所述风轮机部件传走。
76.根据权利要求75所述的方法,该方法还包括: 在所述风轮机部件的一部分上喷洒所述流体;并且 允许喷洒的所述流体朝所述内部空间的所述底部排放。
77.根据权利要求73至76中任一项所述的方法,该方法还包括将穿过所述热交换器的流体重新引入所述流体膜中。
78.根据权利要求73至77中任一项所述的方法,其中,所述风轮机部件包括风轮发电机,其中所述内构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的一者,并且所述外构件包括所述发电机的定子组件和转子组件中的另一者。
79.根据权利要求78所述的方法,其中,所述内构件包括所述定子组件,并且所述外构件包括所述转子组件。
80.一种在负载下保持风轮机部件的内构件与外构件之间的大致恒定间隙的方法,该方法包括: 利用具有主动控制方面的位置调节机构以可动方式将所述内构件和所述外构件中的一者支撑至基座; 利用流体膜将所述内构件和所述外构件中的另一者支撑在所述内构件和所述外构件中的所述一者上;并且 利用所述位置调节机构使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动,使得所述内构件与所述外构件之间的所述气隙保持基本恒定。
81.根据权利要求80所述的方法,其中,所述内构件和所述外构件中的所述一者由多个构件段形成,至少一个构件段包括位置调节机构,使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动的步骤还包括利用位置调节机构使至少一个构件段移动。
82.根据权利要求81项所述的方法,该方法还包括独立控制多个具有位置调节机构的构件段的移动。
83.根据权利要求82所述的方法,其中,独立控制多个构件段的移动的步骤还包括: 以第一种方式使第一构件段移动;并且 以不同于所述第一种方式的第二种方式使第二构件段移动。
84.根据权利要求80至83中任一项所述的方法,其中,所述主动控制方面配置成响应于以相对较小的频率及相对较大的幅值为特征的第一类负载。
85.根据权利要求84所述的方法,其中,所述第一类负载通常具有小于大约IHz的频率以及大于大约1_的幅值。
86.根据权利要求80至85任一项所述的方法,该方法还包括利用具有被动控制方面的位置调节机构将所述内构件和所述外构件中的所述一者支撑至所述基座。
87.根据权利要求86所述的方法,其中,所述被动控制方面构造成响应于以相对较高的频率及相对较小的幅值 为特征的第二类负载。
88.根据权利要求87所述的方法,其中,所述第二类负载通常具有大于大约IHz的频率以及小于大约Imm的幅值。
89.一种用于抑制风轮机中的结构振动以影响风轮机部件的共振行为的方法,该方法包括: 获得具有内构件以及相对于所述内构件布置的外构件的轴承组件,所述内构件和所述外构件构造成相对于彼此运动,其中,所述内构件和所述外构件中的一者由具有主动控制方面的位置调节机构支撑,并且所述内构件和所述外构件中的另一者利用流体膜被支撑在所述内构件和所述外构件中的所述一者上; 感测所述风轮机部件中的振动; 利用控制器确定感测到的振动是否包括与存储在所述控制器中的阀值标准相符的特征;并且 当所述特征符合所述阈值标准时,利用所述位置调节机构使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动,以施加抑制所述振动的作用力。
90.根据权利要求89所述的方法,其中,所述内构件和所述外构件中的所述一者由多个构件段形成,至少一个构件段包括位置调节机构,使所述内构件和所述外构件中的所述一者移动的步骤还包括利用位置调节机构使至少一个构件段移动。
91.根据权利要求89所述的方法,其中,所述轴承组件是发电机轴承组件、主轴承组件或者叶片轴承组件。
92.根据权利要求89或90所述的方法,其中,感测到的所述振动是风轮机叶片的翼展方向的振动。
【文档编号】H02K7/08GK103688449SQ201280035503
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年5月19日
【发明者】P·蒙高 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司
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