專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)傳動系系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容的領(lǐng)域一般地涉及風(fēng)力渦輪機(jī)，并且更特別地涉及一種用于具有減小 的軸向負(fù)載的風(fēng)力渦輪機(jī)的傳動系。
背景技術(shù)：
風(fēng)通常被認(rèn)為是由于太陽對大氣的不均勻加熱、地球表面的不規(guī)則性和地球旋轉(zhuǎn) 所造成的太陽能的一種形式。地球的地形、水體和植被都會改變風(fēng)的流型。用語“風(fēng)能”和 “風(fēng)力”描述了風(fēng)通過其用來使軸旋轉(zhuǎn)、并隨后產(chǎn)生機(jī)械功率或電力的過程。一些公知的風(fēng)力渦輪機(jī)用于將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率。此機(jī)械功率可用于特 定的任務(wù)(如磨碎谷物或泵水)，或者發(fā)電機(jī)可將此機(jī)械功率(即，軸的旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)換成電力。 風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括用于將空氣的運(yùn)動轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(例如，旋轉(zhuǎn))的空氣動力學(xué)機(jī)構(gòu) (例如，葉片)，機(jī)械運(yùn)動然后用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電功率。來自發(fā)電機(jī)的功率輸出與風(fēng)速的立 方成正比。當(dāng)風(fēng)速加倍時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量幾乎增大八倍。一些公知的市售風(fēng)力渦輪機(jī)利用齒輪傳動系來將渦輪機(jī)葉片連接到發(fā)電機(jī)上。風(fēng) 使渦輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動，渦輪機(jī)葉片使低速軸旋轉(zhuǎn)，而低速軸饋入具有高速輸出軸的齒輪箱。該 高速輸出軸連接到發(fā)電機(jī)上，且產(chǎn)生電力。齒輪傳動的目標(biāo)在于增大機(jī)械運(yùn)動的速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種具有傳動系的風(fēng)力渦輪機(jī)。該傳動系包括具有齒輪 箱殼體的齒輪箱、至少一個齒輪級和可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在殼體內(nèi)的輸出軸。該至少一個齒輪級 在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間將軸向推力施加到輸出軸上。發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)殼體和輸入軸。發(fā) 電機(jī)的輸入軸連接到齒輪箱的輸出軸上。發(fā)電機(jī)還包括定子和轉(zhuǎn)子。定子聯(lián)接到發(fā)電機(jī)殼 體上，而轉(zhuǎn)子聯(lián)接到輸入軸上，使得轉(zhuǎn)子從定子徑向向內(nèi)地定位。至少一個軸承在齒輪箱輸 出軸與發(fā)電機(jī)輸入軸之間共用，且該至少一個軸承承載至少一部分軸向推力。發(fā)電機(jī)被偏 斜來將相反的軸向推力施加到輸入軸上，以便減少由軸承所承載的軸向推力。本發(fā)明的另一個方面提供了具有傳動系的風(fēng)力渦輪機(jī)。該傳動系包括具有齒輪箱 殼體的齒輪箱、至少一個齒輪級和可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在殼體內(nèi)的輸出軸。該至少一個齒輪級在 風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間將軸向推力施加到輸出軸上。發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)殼體和連接到齒輪箱 的輸出軸上的輸入軸。發(fā)電機(jī)還包括定子和轉(zhuǎn)子，其中，定子聯(lián)接到發(fā)電機(jī)殼體上，而轉(zhuǎn)子 聯(lián)接到輸入軸上，使得所述轉(zhuǎn)子從定子徑向向內(nèi)地定位。至少一個軸承在齒輪箱輸出軸與 發(fā)電機(jī)輸入軸之間共用。該至少一個軸承承載至少一部分軸向推力。發(fā)電機(jī)被偏斜來減小 轉(zhuǎn)矩脈動和變動轉(zhuǎn)矩中的至少一個。本發(fā)明的再一個方面提供了一種具有傳動系的風(fēng)力渦輪機(jī)。該傳動系包括具有齒 輪箱殼體的齒輪箱、至少一個齒輪級和可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在殼體內(nèi)的輸出軸。該至少一個齒輪 級在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間將軸向推力施加到輸出軸上。發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)殼體和連接到齒 輪箱的輸出軸上的輸入軸。發(fā)電機(jī)還包括定子和轉(zhuǎn)子，其中，定子聯(lián)接到發(fā)電機(jī)殼體上，而轉(zhuǎn)子聯(lián)接到輸入軸上，使得轉(zhuǎn)子從定子徑向向內(nèi)地定位。至少一個軸承在齒輪箱輸出軸與 發(fā)電機(jī)輸入軸之間共用，且該至少一個軸承承載至少一部分軸向推力。發(fā)電機(jī)被偏斜來將 相反的軸向推力施加到輸入軸上，以便減小由至少一個軸承所承載的軸向推力，且減小轉(zhuǎn) 矩脈動和/或變動轉(zhuǎn)矩中的至少一個。


參照以下附圖描述了非限制和非窮盡的實(shí)施例，其中，除非另外規(guī)定，否則相似的 參考標(biāo)號在所有各個視圖中表示相似的部分。圖1為示例性風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)部透視圖；圖2為與圖1中所示的示例性風(fēng)力渦輪機(jī)一起使用的機(jī)艙(nacelle)的局部橫截 面簡圖；圖3為可與圖1中所示的示例性風(fēng)力渦輪機(jī)一起使用的示例性傳動系的橫截面簡 圖；圖4示出了一種公知的緊湊齒輪傳動系的簡化局部簡圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的緊湊齒輪傳動系的簡化局部簡圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的緊湊齒輪傳動系的簡化局部簡圖。部件清單100風(fēng)力渦輪機(jī)102 塔架104支承表面106 機(jī)艙108 轉(zhuǎn)子110 輪轂112 葉片116偏航軸線118變槳軸線120 根部122負(fù)載傳遞區(qū)域124 風(fēng)125葉片末梢126葉片表面面積130變槳驅(qū)動件131變槳驅(qū)動馬達(dá)132發(fā)電機(jī)134轉(zhuǎn)子軸136齒輪箱138高速軸140聯(lián)接件142支承件
144支承件146偏航驅(qū)動組件148氣象桅桿150控制面板152 $由7承154 軸承200槳距控制系統(tǒng)202處理器204 管路206反饋裝置250第一齒輪級252第二齒輪級254轉(zhuǎn)子軸255變槳管256太陽小齒輪260太陽小齒輪軸262行星齒輪264行星托架265第一齒輪級殼體266 軸承268環(huán)形齒輪270 外部272緊固件300傳動系302齒輪箱304發(fā)電機(jī)306 定子308 轉(zhuǎn)子310制動系統(tǒng)314 殼體316定子殼體320太陽小齒輪322旋轉(zhuǎn)軸線3 太陽小齒輪軸326行星齒輪328行星托架銷329行星托架330行星軸承332環(huán)形齒輪
340齒輪箱輸出軸
345齒輪箱軸承
346發(fā)電機(jī)軸承
350聯(lián)接盤
384制動盤
390制動卡鉗
392變槳管
396滑環(huán)
406發(fā)電機(jī)定子
408發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子
410轉(zhuǎn)子繞組
412定子繞組
420太陽齒輪
421齒輪嚙合部
425軸向推力
440軸
446軸承
506發(fā)電機(jī)定子
508發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子
510轉(zhuǎn)子繞組
512定子繞組
515軸向推力
520太陽齒輪
521齒輪嚙合部
525軸向推力
540軸
546軸承
606發(fā)電機(jī)定子
608發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子
610轉(zhuǎn)子繞組
612定子繞組
615軸向推力
620太陽齒輪
621齒輪嚙合部
625軸向推力
640軸
646軸承
具體實(shí)施例方式圖1為示例性風(fēng)力渦輪機(jī)100的簡圖。在該示例性實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)100為水 平軸線式風(fēng)力渦輪機(jī)。備選地，風(fēng)力渦輪機(jī)100可為垂直軸線式風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)100 具有從支承表面104延伸的塔架102、聯(lián)接到塔架102上的機(jī)艙106以及聯(lián)接到機(jī)艙106上的 轉(zhuǎn)子108。轉(zhuǎn)子108具有可旋轉(zhuǎn)的輪轂110和聯(lián)接到輪轂110上的多個轉(zhuǎn)子葉片112。在該 示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子108具有三個轉(zhuǎn)子葉片112。備選地，轉(zhuǎn)子108具有使風(fēng)力渦輪機(jī)100 能夠如本文所述起作用的任意數(shù)目的轉(zhuǎn)子葉片112。在該示例性實(shí)施例中，塔架102由管狀 鋼制成，且具有在支承表面104與機(jī)艙106之間延伸的腔體(圖1中未示出)。備選地，塔架 102為使風(fēng)力渦輪機(jī)100能夠如本文所述起作用的任何塔架，包括但不限于，格構(gòu)式塔架。塔 架102的高度可為使風(fēng)力渦輪機(jī)100能夠如本文所述起作用的任何值。葉片112圍繞轉(zhuǎn)子輪轂110定位，以便于使轉(zhuǎn)子108旋轉(zhuǎn)，從而將來自風(fēng)IM的動 能轉(zhuǎn)換成可用的機(jī)械能，且隨后轉(zhuǎn)換成電能。轉(zhuǎn)子108和機(jī)艙106圍繞塔架102在偏航軸 線116上旋轉(zhuǎn)，以控制葉片112相對于風(fēng)向IM的投影。通過在多個負(fù)載傳遞區(qū)域122處 將葉片根部120聯(lián)接到輪轂110上來使葉片112與輪轂110配合。負(fù)載傳遞區(qū)域122具有 輪轂負(fù)載傳遞區(qū)域和葉片負(fù)載傳遞區(qū)域(兩者在圖1中均未示出)。葉片112中引起的負(fù) 載經(jīng)由負(fù)載傳遞區(qū)域122傳遞到輪轂110上。各葉片112還均包括葉片末梢部分125。在該示例性實(shí)施例中，葉片112具有在30米(m) (98英尺(ft))與70m(229ft)之 間的長度，但這些參數(shù)并不對本公開內(nèi)容形成限制。備選地，葉片112可具有使風(fēng)力渦輪發(fā) 電機(jī)能夠如本文所述起作用的任何長度。當(dāng)風(fēng)1 沖擊各葉片112時，各葉片112上引起 了葉片升力(未示出)，而當(dāng)葉片末梢部分125被加速時，引起轉(zhuǎn)子108圍繞旋轉(zhuǎn)軸線114 的旋轉(zhuǎn)。葉片112的槳距角(未示出)，即確定各葉片112相對于風(fēng)124的方向的投影的角 度，可通過槳距調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖1中未示出)來改變。具體而言，增大葉片112的槳距角會減 小暴露于風(fēng)124中的葉片表面面積126，相反，減小葉片112的槳距角會增大暴露于風(fēng)IM 中的葉片表面面積126。圖2為示例性風(fēng)力渦輪機(jī)100的機(jī)艙106的橫截面簡圖。風(fēng)力渦輪機(jī)100的各種 構(gòu)件容納在風(fēng)力渦輪機(jī)100的塔架102頂部上的機(jī)艙106中。機(jī)艙106包括聯(lián)接到一個葉 片112(圖1中所示)上的一個變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130。變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130沿變槳軸線118調(diào)節(jié) 相關(guān)葉片112的槳距。圖2中僅示出了三個變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130中的一個。在該示例性實(shí)施 例中，各變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130均包括至少一個變槳驅(qū)動馬達(dá)131。機(jī)艙106還包括經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸134(有時稱為低速軸)、齒輪箱136、高速軸138和聯(lián) 接件140可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到位于機(jī)艙106內(nèi)的發(fā)電機(jī)132上的轉(zhuǎn)子108。轉(zhuǎn)子軸134的旋轉(zhuǎn) 可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動齒輪箱136，齒輪箱136隨后可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動高速軸138。高速軸138經(jīng)由聯(lián)接 件140可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動發(fā)電機(jī)132，而高速軸138的旋轉(zhuǎn)便于通過發(fā)電機(jī)132來產(chǎn)生電功率。 齒輪箱136和發(fā)電機(jī)132分別由支承件142和144支承。備選地，在直接驅(qū)動構(gòu)造中，主轉(zhuǎn) 子軸134經(jīng)由聯(lián)接件140直接地聯(lián)接到發(fā)電機(jī)132上。如本文更為詳細(xì)描述的那樣，機(jī)艙106還包括偏航驅(qū)動組件146，偏航驅(qū)動組件 146可用于使機(jī)艙106和轉(zhuǎn)子108在軸線116上(圖1中所示)旋轉(zhuǎn)，以控制葉片112相對 于風(fēng)124的方向的投影。機(jī)艙106還包括至少一個氣象桅桿148。桅桿148包括風(fēng)向標(biāo)和 風(fēng)速計(jì)(兩者均未在圖2中示出)。桅桿148將可包括風(fēng)向和/或風(fēng)速的信息提供給渦輪
8機(jī)控制系統(tǒng)(未示出)。渦輪機(jī)控制系統(tǒng)的一部分位于控制面板150內(nèi)。機(jī)艙106還分別 包括前支承軸承152和后支承軸承154。支承軸承152和IM便于轉(zhuǎn)子軸134的徑向支承 和對準(zhǔn)。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)100包括槳距控制系統(tǒng)200。在一個實(shí)施例中，槳距控制系統(tǒng)200 的至少一部分位于機(jī)艙106中。備選地，槳距控制系統(tǒng)200的至少一部分位于機(jī)艙106夕卜。 具體而言，本文所述的槳距控制系統(tǒng)200的至少一部分包括至少一個處理器202和存儲器 裝置(未示出)，以及至少一個輸入/輸出(I/O)管路204，其中，管路204包括至少一個I/ 0通道(未示出)。更具體而言，處理器202位于控制面板150內(nèi)。槳距控制系統(tǒng)200大致 提供如本文所述的風(fēng)力渦輪機(jī)噪音減小的技術(shù)效果。槳距控制系統(tǒng)200還包括經(jīng)由至少一 個I/O管路204與處理器202相聯(lián)的多個獨(dú)立葉片槳距位置反饋裝置206。在該示例性實(shí) 施例中，各變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130與單個葉片槳距位置反饋裝置206相關(guān)聯(lián)。備選地，任意數(shù)目 的葉片槳距位置反饋裝置206與各變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130相關(guān)聯(lián)。圖3為可與圖1中所示的示例性風(fēng)力渦輪機(jī)100 —起使用的示例性傳動系300的 橫截面簡圖。在該示例性實(shí)施例中，傳動系300包括齒輪箱302，齒輪箱302操作性地聯(lián)接 到發(fā)電機(jī)304上，發(fā)電機(jī)304具有定子306、轉(zhuǎn)子308和制動系統(tǒng)310，制動系統(tǒng)310便于使 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)100(圖1中所示)停止旋轉(zhuǎn)。齒輪箱302包括操作性地聯(lián)接到渦輪機(jī)轉(zhuǎn) 子(低速)軸2M上且由渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(低速)軸2M驅(qū)動的第一齒輪級250。在該示例性 實(shí)施例中，且如圖3中所示，第一齒輪級250包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸線322旋轉(zhuǎn)的太陽小齒輪256。 太陽小齒輪256包括將機(jī)械輸入提供給第二齒輪級252的太陽小齒輪軸沈0。多個行星齒 輪262接合太陽小齒輪256，且通過多個齒輪箱行星軸承266圍繞行星托架銷264旋轉(zhuǎn)。行 星托架銷264剛性地容納在行星托架中，行星托架圍繞托架軸承旋轉(zhuǎn)。各行星齒輪262接 合環(huán)形齒輪沈8，環(huán)形齒輪268通過多個緊固件272牢固地聯(lián)接到殼體沈5的徑向外部270 上。在該示例性實(shí)施例中，第二齒輪級252包括殼體314，殼體314聯(lián)接到發(fā)電機(jī)定子 殼體316上。第二齒輪級252包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸線322旋轉(zhuǎn)的太陽小齒輪320。如本文更為 詳細(xì)描述的那樣，太陽小齒輪320包括將機(jī)械輸入提供給發(fā)電機(jī)304的太陽小齒輪軸324。 多個行星齒輪3 接合太陽小齒輪320，且通過多個齒輪箱行星軸承330來圍繞行星托架 銷3 旋轉(zhuǎn)。行星托架銷328剛性地容納在行星托架329中，行星托架329圍繞齒輪箱托 架軸承345旋轉(zhuǎn)。各行星齒輪3 接合環(huán)形齒輪332，環(huán)形齒輪332通過多個緊固件牢固地 聯(lián)接到殼體314的徑向外部上。備選地，傳動系300包括使風(fēng)力渦輪機(jī)100能夠如本文所 述起作用的任何類型的齒輪箱和太陽齒輪與行星齒輪的布置組合，如復(fù)合行星、單級簡單 行星和差動行星齒輪箱。在另外的備選實(shí)施例中，齒輪箱軸承330可包括任何類型的軸承， 包括但不限于滾柱軸承、球面軸承、錐形軸承和滾珠軸承。傳動系300包括齒輪箱輸出軸340。在該示例性實(shí)施例中，齒輪箱輸出軸340可聯(lián) 接到太陽小齒輪軸3M上，使得兩者都通過多個齒輪箱輸出軸軸承346圍繞殼體314內(nèi)的 旋轉(zhuǎn)軸線322旋轉(zhuǎn)。齒輪箱輸出軸340通過多個緊固件聯(lián)接到大致弓形的聯(lián)接盤350的徑 向內(nèi)部上。轉(zhuǎn)子308包括沿徑向向內(nèi)延伸的支架，支架通過多個絕緣螺栓或緊固件聯(lián)接到 聯(lián)接盤350的徑向外部上。絕緣環(huán)可位于聯(lián)接盤350與支架之間，以便形成大致絕緣的轉(zhuǎn) 子連接部。在該示例性實(shí)施例中，迷宮式密封件位于轉(zhuǎn)子與聯(lián)接盤350之間。
在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，絕緣轉(zhuǎn)子連接部通過增大通向軸承的路徑中對連接 到發(fā)電機(jī)定子306上的電子換能器(未示出)的高頻公共模式感生電壓和電流的阻抗，保 護(hù)了齒輪箱輸出軸軸承346和齒輪箱軸承345和330免受有害的電壓和電流影響。在該示例性實(shí)施例中，制動系統(tǒng)310從發(fā)電機(jī)304沿向后的方向延伸。更具體而 言，且在該示例性實(shí)施例中，定子殼體316包括限定穿過其中的開孔的后壁，該開孔大致以 旋轉(zhuǎn)軸線322為中心。制動系統(tǒng)310包括大致為圓柱形的轉(zhuǎn)矩管，該轉(zhuǎn)矩管在第一端處經(jīng) 由絕緣螺栓或緊固件聯(lián)接到聯(lián)接盤350上。在該示例性實(shí)施例中，制動系統(tǒng)310包括制動盤384，制動盤384通過多個緊固件 牢固地聯(lián)接到轉(zhuǎn)矩管的第二端上。在該示例性實(shí)施例中，制動系統(tǒng)310包括至少一個制動 器卡鉗390，卡鉗390聯(lián)接到后壁上，且尺寸設(shè)置成并定向?yàn)閷⒅苿颖P384的一部分容納于 其中。一體式齒輪箱/發(fā)電機(jī)單元通過除去發(fā)電機(jī)定子殼體316內(nèi)未使用的空間來減小傳 動系的總體尺寸和重量。此類設(shè)計(jì)還容許齒輪箱輸出軸軸承346容納在齒輪箱302內(nèi)，且 便于共用軸承330和346的正確功能所需的潤滑劑。在該示例性實(shí)施例中，各種緊固件可為螺母/螺栓的組合。備選地，緊固件可為使 傳動系300能夠如本文所述起作用的任何緊固裝置，舉例來說，螺桿或螺柱、焊接接頭、螺 釘和/或鉚釘，或它們的任何組合。在該示例性實(shí)施例中，變槳管延伸了齒輪箱302和發(fā)電機(jī)304的長度，且容納從葉 片變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)130延伸至控制面板150的動力和控制線路(未示出)，從而提供了用于 I/O管路204的物理位置。變槳管軸承(未示出)提供支承，同時使變槳管392能夠旋轉(zhuǎn)。 滑環(huán)組件396聯(lián)接到變槳管392的后端上，且提供容納在變槳管內(nèi)的線路的電氣連接。圖4示出了用于風(fēng)力渦輪機(jī)的一種公知的一體式(緊湊)齒輪傳動系的簡化局 部簡圖和局部分解視圖。齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入軸共用一組錐形滾柱軸承446。 滾柱軸承446的尺寸設(shè)置成處理來自于第二級太陽齒輪420的螺線齒輪嚙合部(helical gear mesh)的軸向推力負(fù)載和來自發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子408的重量的徑向負(fù)載。太陽齒輪420具 有帶“左旋”偏斜定向的螺線齒輪嚙合部421，其導(dǎo)致沿順時針方向(面對順風(fēng)觀察)旋轉(zhuǎn) 的正常風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間指向發(fā)電機(jī)的軸向推力425 (通過軸440)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子408具 有與轉(zhuǎn)子408的旋轉(zhuǎn)軸線共線或平行的繞組(和/或磁極或永磁鐵)410。發(fā)電機(jī)定子406 具有繞組412，繞組412也與轉(zhuǎn)子408的旋轉(zhuǎn)軸線共線或平行。此布置的結(jié)果在于，凈軸向 推力425被施加到軸承446上。該軸向推力會使軸承隨著時間流逝而劣化，并迫使使用較 大的軸承和/或昂貴的材料來承載此負(fù)載。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的緊湊齒輪傳動系的簡化局部簡圖和局部分解 視圖。由齒輪箱輸出(高速)軸小齒輪的螺線嚙合產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)軸承軸向推力負(fù)載通過引 入發(fā)電機(jī)定子(或轉(zhuǎn)子)的偏斜而被顯著地減小。偏斜(螺線或直線)以產(chǎn)生電磁引起 的軸向推力的方式定向，該軸向推力與來自齒輪箱中的螺線嚙合或太陽齒輪的軸向推力相 反。因此，減小了一體式發(fā)電機(jī)軸承的軸向負(fù)載，且改善了軸承的壽命，和/或使得能夠減 小一體式發(fā)電機(jī)軸承的尺寸/成本。齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入軸(其可為單個公共軸M0)共用一組錐形滾柱 軸承M6。太陽齒輪520具有帶“左旋”偏斜定向的螺線齒輪嚙合部521，其導(dǎo)致風(fēng)力渦輪 機(jī)運(yùn)行期間指向發(fā)電機(jī)的軸向推力525(通過軸M0)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子508具有以“左旋”定向有意偏斜的繞組510，以便從電磁(EM)場產(chǎn)生相反的軸向推力515。發(fā)電機(jī)定子506可具 有繞組512，該繞組512與轉(zhuǎn)子408的旋轉(zhuǎn)軸線共線或平行。必須由軸承546承載的凈軸向 推力因而被減小，它們的壽命延長，且/或可減小軸承的尺寸/成本。應(yīng)當(dāng)理解的是，轉(zhuǎn)子 508和/或定子506為了減小由軸承546承載的凈軸向推力的效果而可具有偏斜的繞組。圖6示出了本發(fā)明的另一方面，此處，齒輪箱的末級具有太陽齒輪620，太陽齒輪 620具有帶“左旋”偏斜定向的螺線齒輪嚙合部621，其導(dǎo)致在沿順時針方向(面對順風(fēng)觀 察)的正常風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間指向發(fā)電機(jī)的軸向推力625(通過軸640)。發(fā)電機(jī)定子606 具有繞組612，該繞組612以“左旋”定向有意地偏斜，以便從電磁(EM)場產(chǎn)生相反的軸向 推力615。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子608具有繞組610，該繞組610與轉(zhuǎn)子608的旋轉(zhuǎn)軸線共線或平行。 必須由軸承646承載的凈軸向推力因此被減小，它們的壽命延長，且/或可減小軸承的尺寸 /成本。在本發(fā)明的各方面中，太陽齒輪的齒輪嚙合部可以以“右旋”偏斜定向，在此情況 下，發(fā)電機(jī)定子將包含“右旋”偏斜，或轉(zhuǎn)子將包含“右旋”偏斜。此外，太陽齒輪(或齒輪 箱內(nèi)的其它齒輪)的齒輪嚙合部的偏斜定向可設(shè)計(jì)成產(chǎn)生遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)指向的軸向推力。在 此情況下，發(fā)電機(jī)偏斜將設(shè)計(jì)成使得軸向推動的EM力遠(yuǎn)離齒輪箱指向，從而減小軸承上的 凈負(fù)載。由于減小了由齒輪箱/發(fā)電機(jī)軸承所承載的軸向推力，實(shí)現(xiàn)了許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu) 點(diǎn)中的一些包括減小的軸承軸向負(fù)載和改善的軸承壽命。通常，對于具有PM(永磁鐵)發(fā) 電機(jī)的2. 5MW風(fēng)力渦輪機(jī)而言，取決于標(biāo)稱軸承負(fù)載，軸承壽命可改善高達(dá)20%至30%或 更多。作為軸承壽命改善的結(jié)果，將會改善系統(tǒng)可靠性并降低維護(hù)成本。當(dāng)系統(tǒng)可用性增 大時，風(fēng)力渦輪機(jī)就由于較高的可靠性或較少的維護(hù)時間而可產(chǎn)生更多功率，這導(dǎo)致成本 和操作性益處。還存在切換至較小和較低成本的軸承的潛力。發(fā)電機(jī)中偏斜的定子和/或轉(zhuǎn)子還提供減小轉(zhuǎn)矩脈動和/或變動轉(zhuǎn)矩的益處。轉(zhuǎn) 矩脈動和變動轉(zhuǎn)矩為永磁鐵發(fā)電機(jī)中的常見特征，且導(dǎo)致不期望的噪音和振動。使用偏斜 的定子和/或偏斜的轉(zhuǎn)子減小了轉(zhuǎn)矩脈動和/或變動轉(zhuǎn)矩的總量。發(fā)電機(jī)的典型偏斜的量 (定子或轉(zhuǎn)子)的范圍從零至多個定子槽距，且一個定子槽距的偏斜對于大致消除與定子 開槽相關(guān)的轉(zhuǎn)矩脈動分量是常見的，一個定子槽距的偏斜典型地是最大的。在常規(guī)的發(fā)電機(jī)(和馬達(dá))中，由發(fā)電機(jī)偏斜產(chǎn)生的軸向力是不需要的，且必須由 發(fā)電機(jī)軸承處理。在本發(fā)明的緊湊齒輪傳動系中，發(fā)電機(jī)不具有其自身的齒輪組，而改為必 須利用齒輪箱輸出軸軸承。在具有螺線偏斜齒輪的獨(dú)立齒輪箱和具有定子和/或轉(zhuǎn)子偏斜 的獨(dú)立發(fā)電機(jī)兩者中，產(chǎn)生了必須由其相應(yīng)軸承處理的不期望的軸向力，從而增大了尺寸 和/或成本，或縮短軸承的壽命。本發(fā)明的一個方面教導(dǎo)了通過在齒輪箱和發(fā)電機(jī)共用公 共的齒輪或齒輪組的程度下緊密地結(jié)合/聯(lián)接具有螺線嚙合部的齒輪箱和具有偏斜的發(fā) 電機(jī)，可產(chǎn)生超出整個系統(tǒng)的緊湊性和齒輪數(shù)量減少的明顯益處之外的附加益處。此附加 益處為，當(dāng)螺線和偏斜角為如本說明書中所教導(dǎo)的某些相對定向時，公共/共用的軸承會 經(jīng)歷軸向負(fù)載的顯著減小，且因此公共/共用的軸承需要軸向負(fù)載的顯著減小。本發(fā)明的 各方面還教導(dǎo)了在此類緊湊齒輪傳動系中有意引入具有某一定向的發(fā)電機(jī)偏斜可提供顯 著的益處。上文詳細(xì)描述了用于風(fēng)力渦輪機(jī)的傳動系組件的示例性實(shí)施例。上述傳動系組件提供了一體式齒輪箱/發(fā)電機(jī)單元，該單元通過除去發(fā)電機(jī)殼體內(nèi)未使用的空間并減小風(fēng) 力渦輪機(jī)的機(jī)架長度來減小傳動系的總體尺寸和重量。此類設(shè)計(jì)容許將發(fā)電機(jī)軸承容納在 齒輪箱內(nèi)，且還便于在發(fā)電機(jī)軸承與齒輪箱軸承之間共用潤滑劑。此外，本文所述的實(shí)施例 提供了使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重心(CG)能夠沿軸向與發(fā)電機(jī)軸承大致對準(zhǔn)的傳動系。此類設(shè)計(jì)便 于減小在運(yùn)行期間施加在發(fā)電機(jī)軸承上的負(fù)載，且還便于延長軸承的工作壽命。盡管前述說明包含許多細(xì)節(jié)，但這些不應(yīng)當(dāng)看作限制本發(fā)明的范圍，而僅僅是提 供一些當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的說明。同樣，可設(shè)計(jì)出本發(fā)明的其它實(shí)施例，它們并未脫離本發(fā)明 的精神或范圍。來自不同實(shí)施例的特征可組合使用。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要 求及其法定等同物而非前述說明指出和限制。因而將包括如本文所公開的落入權(quán)利要求的 意義和范圍內(nèi)的本發(fā)明的所有添加、刪除和修改。盡管本文所述的設(shè)備和方法是以與風(fēng)力渦輪機(jī)一起使用的傳動系組件為背景描 述的，但應(yīng)當(dāng)理解的是，該設(shè)備和方法并不限于風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)用。同樣，所示的系統(tǒng)構(gòu)件不 限于本文所述的特定實(shí)施例，而相反，系統(tǒng)構(gòu)件可與本文所述的其它構(gòu)件獨(dú)立且分開地使用。如本文所使用的以單數(shù)形式敘述且冠以用詞“一”或“一個”的要件或步驟應(yīng)當(dāng)理 解為未排除多個要件或步驟，除非明確地指明此類排除。此外，對于本發(fā)明的“一個實(shí)施例” 的引用并非旨在解釋為排除了也結(jié)合有所述特征的其它實(shí)施例的存在。本書面說明使用了包括最佳模式的實(shí)例來公開本發(fā)明，且還使本領(lǐng)域的技術(shù)人員 能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的專 利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員所構(gòu)思的其它實(shí)例。如果這些其它 的實(shí)例具有并非不同于本權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)元件，或者，如果這些其它實(shí)例包括 與本權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差異的同等結(jié)構(gòu)元件，則確定這些實(shí)例在本權(quán)利要求的范 圍之內(nèi)。
1權(quán)利要求
1.一種具有傳動系(300)的風(fēng)力渦輪機(jī)(100)，所述傳動系包括齒輪箱(302)，其包括齒輪箱殼體、至少一個齒輪級(25 和可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在所述殼體 內(nèi)的輸出軸(540)，所述至少一個齒輪級(25 在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行期間將軸向推力 (525)施加到所述輸出軸(540)上；發(fā)電機(jī)(304)，其包括發(fā)電機(jī)殼體和輸入軸(540)，所述發(fā)電機(jī)的所述輸入軸連接到所 述齒輪箱的所述輸出軸上，所述發(fā)電機(jī)還包括定子(506)和轉(zhuǎn)子(508)，所述定子聯(lián)接到所 述發(fā)電機(jī)殼體上，所述轉(zhuǎn)子聯(lián)接到所述輸入軸上，使得所述轉(zhuǎn)子從所述定子徑向向內(nèi)地定 位；在所述齒輪箱的輸出軸與所述發(fā)電機(jī)的輸入軸之間共用的至少一個軸承(546)，所述 至少一個軸承承載所述軸向推力(525)的至少一部分；其中，所述發(fā)電機(jī)(304)被偏斜以將相反的軸向推力(51 施加到所述輸入軸640) 上，以便減小由所述至少一個軸承646)承載的所述軸承推力。
2.一種具有傳動系(300)的風(fēng)力渦輪機(jī)(100)，所述傳動系包括齒輪箱(302)，其包括齒輪箱殼體、至少一個齒輪級(25 和可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在所述殼體 內(nèi)的輸出軸(540)，所述至少一個齒輪級在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行期間將軸向推力(525) 施加到所述輸出軸上；發(fā)電機(jī)(304)，其包括發(fā)電機(jī)殼體和輸入軸(540)，所述發(fā)電機(jī)的所述輸入軸連接到所 述齒輪箱的所述輸出軸上，所述發(fā)電機(jī)還包括定子(506)和轉(zhuǎn)子(508)，所述定子聯(lián)接到所 述發(fā)電機(jī)殼體上，所述轉(zhuǎn)子聯(lián)接到所述輸入軸上，使得所述轉(zhuǎn)子從所述定子徑向向內(nèi)地定 位；在所述齒輪箱的輸出軸與所述發(fā)電機(jī)的輸入軸之間共用的至少一個軸承(546)，所述 至少一個軸承承載所述軸向推力(525)的至少一部分；其中，所述發(fā)電機(jī)(304)被偏斜，以便減小轉(zhuǎn)矩脈動和變動轉(zhuǎn)矩中的至少一個。
3.一種具有傳動系(300)的風(fēng)力渦輪機(jī)(100)，所述傳動系包括齒輪箱(302)，其包括齒輪箱殼體、至少一個齒輪級(25 和可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在所述殼體 內(nèi)的輸出軸(540)，所述至少一個齒輪級在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行期間將軸向推力(525) 施加到所述輸出軸上；發(fā)電機(jī)(304)，其包括發(fā)電機(jī)殼體和輸入軸，所述發(fā)電機(jī)的所述輸入軸連接到所述齒輪 箱的所述輸出軸上，所述發(fā)電機(jī)還包括定子(506)和轉(zhuǎn)子(508)，所述定子聯(lián)接到所述發(fā)電 機(jī)殼體上，所述轉(zhuǎn)子聯(lián)接到所述輸入軸上，使得所述轉(zhuǎn)子從所述定子徑向向內(nèi)地定位；在所述齒輪箱的輸出軸與所述發(fā)電機(jī)的輸入軸之間共用的至少一個軸承(546)，所述 至少一個軸承646)承載所述軸向推力(525)的至少一部分；其中，所述發(fā)電機(jī)(304)被偏斜以將相反的軸向推力(51 施加到所述輸入軸上，以便 減小由所述至少一個軸承承載的所述軸向推力(52 ，并減小轉(zhuǎn)子脈動和變動轉(zhuǎn)矩中的至 少一個。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述齒輪箱輸出軸 (540)和所述發(fā)電機(jī)輸入軸640)為單個公共軸。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述定子(606)被 偏斜。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(508)被偏斜。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述齒輪箱殼體 (314)被附接到所述發(fā)電機(jī)殼體(316)上。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述齒輪箱(302) 的所述至少一個齒輪級(25 具有左旋偏斜和右旋偏斜中的至少一個，并且其中，所述發(fā) 電機(jī)的所述定子(606)具有左旋偏斜和右旋偏斜中的至少一個。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述齒輪箱(302) 的所述至少一個齒輪級(25 具有左旋偏斜和右旋偏斜中的至少一個，并且其中，所述發(fā) 電機(jī)的所述轉(zhuǎn)子(508)具有左旋偏斜和右旋偏斜中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)傳動系系統(tǒng)，具體而言，提供了一種具有傳動系的風(fēng)力渦輪機(jī)，傳動系具有齒輪箱和齒輪箱殼體、至少一個齒輪級和聯(lián)接到該殼體內(nèi)的輸出軸。在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間，齒輪級將軸向推力施加到輸出軸上。發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)殼體和連接到齒輪箱的輸出軸上的輸入軸。發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和聯(lián)接到發(fā)電機(jī)殼體上的定子。轉(zhuǎn)子聯(lián)接到輸入軸上，使得轉(zhuǎn)子從定子徑向向內(nèi)地定位。至少一個軸承在齒輪箱輸出軸與發(fā)電機(jī)輸入軸之間共用，且該軸承承載一部分軸向推力。發(fā)電機(jī)被偏斜以將相反的軸向推力施加到輸入軸上，以便減小由軸承承載的軸向推力。
文檔編號H02K7/116GK102121455SQ20101062003
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者A·D·米納德奧, G·R·巴恩斯, K·S·哈蘭, P·L·詹森, 曲榮海 申請人:通用電氣公司