CN101713382B - 风力涡轮发电机制动器和接地电刷布置 - Google Patents

风力涡轮发电机制动器和接地电刷布置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适于风力涡轮发电机(300)的盘式制动器布置(350)，该风力涡轮发电机(300)在发电机壳(310)内结合有转子轴(320)和支撑环(345)，该转子轴(320)支撑转子轮，且该支撑环(345)用于由定子结构(315)所包围的转子结构(365)。该盘式制动器布置(350)包括制动盘(355)，制动盘(355)安装成垂直于转子轴(320)并与转子轴(320)同心且操作地连接到支撑环臂(346)。多个盘式制动钳(375)被布置成与转子轴(320)同心并适于与制动盘(355)接合。

Description

风力涡轮发电机制动器和接地电刷布置
技术领域
本发明大致涉及风力涡轮发电机，具体而言涉及用于减小风力涡轮发电机的制动器的大小和重量的结构。
背景技术
一般而言，风力涡轮使用风来发电。风转动连接到转子上的多个叶片。由风力造成的叶片旋转使转子轴旋转，转子轴连接到发电的发电机。具体而言，转子安装于壳或机舱内，壳或机舱定位于桁架或管状塔架的顶部上，桁架或管状塔架可高达大约100米。应用级风力涡轮(例如，被设计成向应用电网提供电力的风力涡轮)可具有较大转子(例如，50米或更大的直径)。在这些转子上的叶片将风能转换成旋转扭矩或力来驱动一个或多个发电机，这些发电机通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱可用于提高发电机的涡轮转子的固有的低旋转速度以有效地将机械能转变成电能，此电能被提供到应用电网。可在这些风力涡轮中使用各种类型的发电机。
为了适应从风电场获得更多电力的需要，单独的风力涡轮发电机具备越来越高电力输出能力。一般而言，为了适应更高的电力输出，包括发电机、齿轮箱和控制装置的发电设备变得更大且更重。但是，由于位于高、薄塔架顶部的机舱中，限制诸如风力涡轮发电机和齿轮箱这样的发电设备的重量和大小变得至关重要。
图1说明塔架190顶部的机舱185内的风力涡轮100的现有技术的动力系105。转子毂110由风力涡轮叶片(未图示)驱动以转动由主轴承125支撑的风力涡轮转子轴175。齿轮箱160通过联轴器165被连接以驱动风力涡轮发电机150。
制动机构通常被提供用于风力涡轮发电机(WTG)。可以使用制动机构来使转子停止旋转并在其停止后保持转子。WTG的制动器通常是盘式制动器。
图2说明了风力涡轮发电机的典型的现有技术盘式制动器结构的简化布置。多个风力涡轮叶片220附连到转子毂210上。自毂210的主轴230连接到齿轮箱240上。自齿轮箱240的输出轴250驱动风力涡轮发电机260(内部)的转子轴。位于齿轮箱240与风力涡轮发电机260之间且在齿轮箱输出轴250上的是盘式制动器270。盘式制动器270包括在齿轮箱输出轴250上的圆柱形制动盘275和制动钳280(安装件未图示)。尽管仅示出了一个制动钳280，但多个制动钳可周向地安装于圆柱形制动盘275的外径向端表面285周围。
制动盘275可通常具有大约0.8m至1.2m的直径，大约25mm至50mm厚的厚度。该盘重大约100kg至500kg，考虑到风力涡轮塔架距地面的高度，这是比较重的。对于动力系的轴承支撑件而言，制动盘275的重量可以是很大的负担。另外，将制动盘定位于齿轮箱与发电机之间增加了动力系的总的轴向尺寸的长度。将制动盘275邻近风力涡轮发电机260的端部255定位也可限制接近风力涡轮发电机260的内部(未图示)。这种对于接近的限制可能会使得对风力涡轮发电机260内部的维护更加困难。
因此，需要提供一种在WTG结构内的制动系统，其减小动力系的大小、重量和总长度，同时使得更容易接近发电机壳内部。
发明内容
提供用于风力涡轮发电机的盘式制动器的创造性的布置。
简言之，根据本发明的一个方面，提供一种适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其在发电机壳内结合有转子轴和支撑环，转子轴支撑转子轮，支撑环用于由定子绕组包围的转子绕组。盘式制动器布置包括转子轴、支撑环、制动盘，其中，制动盘被安装成垂直于转子轴并与转子轴同心并且操作地连接到支撑环；以及，多个盘式制动钳，其被布置成与转子轴同心且适于与制动盘接合。
在本发明的另一方面，提供一种适于制动风力涡轮发电机的方法，此风力涡轮发电机在发电机壳内结合有转子轴和支撑环，转子轴支撑转子轮，支撑环用于由定子绕组所包围的转子绕组。该方法包括将制动盘安装成垂直于转子轴并与转子轴同心并且操作地连接到支撑环；以及，安装多个盘式制动钳，这些盘式制动钳被布置成与转子轴同心且适于与环形制动盘接合。
附图说明
当参看附图来阅读下文的具体实施方式时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会被更好地理解，在所有附图中，相同的标号表示相同的部件，在附图中：
图1示出在机舱内的风力涡轮发电机的典型动力系；
图2示出风力涡轮发电机的典型盘式制动器结构的简化布置；
图3示出用于风力涡轮发电机内的盘式制动器布置的本发明结构的实施例的轴向截面图；
图4A示出包括支撑环的居中臂的盘式制动器布置的一个实施例。
图4B示出包括支撑环的偏心布置的盘式制动器布置的第二实施例；
图5示出制动风力涡轮发电机的方法的流程图。
图6A示出在风力涡轮发电机内的鼓式制动器的本发明布置的实施例的剖视轴向图；以及
图6B示出鼓式制动器布置的实施例的截面。
部件列表
100风力涡轮
105动力系
110转子毂
125主轴承
150风力涡轮发电机(WTG)
160齿轮箱
165联轴器
175转子轴
185机舱
190塔架
210转子毂
220风力涡轮叶片
230主轴
240齿轮箱
250输出轴
260风力涡轮发电机
270盘式制动器
275制动盘
280制动钳
285制动盘
290制动表面
295制动钳安装件
300风力涡轮发电机
310壳
312内表面
315定子
320齿轮箱轴
325轴盘
330螺栓
335转子轴的发电机侧端
340支撑环轮
341接地电刷
342接地线
343外部接地点
344电绝缘安装件
345支撑环
346支撑环臂
347内表面
348居中支撑环轮
349加强环
350盘式制动器
355制动盘
360外径向端
365转子
370壁
372防护装置
375制动钳
380制动片
385制动表面
390径向距离
395气隙
397通风流入
398通风密封
399通风流出
405支撑臂
410活塞机构
411枢轴点
412枢轴点
413连接点
420制动靴部分
425制动靴表面
430制动鼓表面
具体实施方式
本发明的下述实施例具有许多优点，包括提供用于风力涡轮发电机的较小且较轻的制动盘，从而减小在风力涡轮塔架顶部的WTG动力系的总重量。排除了将典型制动盘结构安装于WTG与齿轮箱之间的串联方面(serial aspect)，从而提供缩短WTG动力系长度的机会。排除了邻近WTG内侧端放置制动盘结构也可使得更容易从发电机侧端接近发电机壳内部，例如用于接地电刷维修。另外，本发明的布置可增加转子刚度并可改进制动扭矩。
图3说明了风力涡轮发电机内的盘式制动器350的本发明的结构的实施例的轴向截面图。WTG300包括齿轮箱输出轴(也被称作转子轴)320，其带有在发电机侧端335处的轴盘325。在径向附连到轴盘325的外周向部分周围的是用于支撑环345的支撑环轮340。在支撑环轮340的外径向端，支撑环345周向地安装于支撑环轮340周围。周向地安装在支撑环345周围的是转子结构365。定子结构315安装在发电机壳的内表面上，被气隙395与转子结构365分开。
制动盘355被安装成垂直于转子轴320并与转子轴320同心，并且操作地连接到支撑环345。制动盘355可形成为与转子轴320同心的环状件。制动盘355的外径向端360可操作地连接到支撑环345。到支撑环345的操作连接可设于支撑环345的内表面345上。制动盘355到支撑环345的操作连接可包括焊接连接和螺栓连接中的一种。
由于制动盘355在外径向端360由支撑环支撑，其可形成为环状件。因此，制动盘355无需向内延伸到齿轮箱轴320或轴盘325用于支撑，这允许大小和重量的显著减小。另外，由于盘式制动器355所提供的制动扭矩与距转子轴320的径向距离R390成比例，并且由于希望提供较强的制动扭矩，可通过使制动表面位于相对于转子轴最大可能的径向位置处而增大制动扭矩。由于制动盘的外端可安装到支撑环的内表面上，将制动表面靠近支撑环将增大制动扭曲(所有其它因素保持恒定)。因此，较大的制动直径可允许使用更小的制动钳或数量更少的制动钳。
可提供多个制动钳375，其被布置成与转子轴同心并适于接合制动盘355。单独的制动钳375可被安装成带有向径向外侧导向的开口端，以便将制动片380定位成与制动盘355的制动表面385接合。多个制动钳375可绕制动盘355在周向以等间距设置。盘式制动钳375可利用螺栓330或其它已知的机械机构安装到发电机壳310在发电机侧的壁370上并由该壁370支撑。
图4A说明了包括用于支撑环345的居中的支撑环轮348的盘式制动器布置的一个实施例的剖视图。支撑环345的支撑环轮348在支撑环臂346上居中。加强环349可添加到支撑环345上，以便给支撑环345增加强度和平衡来应对由制动盘施加到它上的力和重量。
图4B说明了包括相对于支撑环臂的支撑臂的偏心布置的盘式制动器布置的第二实施例的剖视图。相对于支撑环臂346的支撑环轮348的偏心放置更好地平衡支撑环臂345与附加在支撑环臂346的外轴向端的制动盘355。
再次参看图3。排除了WTG300与齿轮箱(图2)之间的现有技术的盘式制动器排除了在WTG壳的发电机侧端的大的结构且使得在这端更容易接近WTG壳的内部结构。特别地，可更容易接近接地电刷341，接地电刷341与旋转的转子轮接合且进一步地由接地线342电连接到发电机壳310外部的接地点343。更容易的接近可便于通过移除防护装置372来维修接地电刷341。在本发明的一方面，接地电刷341可设有到多个制动钳375中的一个的电绝缘安装件344，且更具体而言，是到定位于靠近接地电刷的制动钳。
通风流397，399可设于壳310内部以提供从齿轮系端部到WTG发电机端部的流路径。在这个方向的流将限制盘式制动器磨损元件进入转子结构365与定子结构315之间的气隙395。在壳310内部的通风密封398可进一步防止通风流迫使盘式制动器磨损元件进入到壳内部。通风密封398可安装于壳的发电机侧壁370上并抵靠旋转的支撑环345密封。
本发明的另一方面提供一种制动风力涡轮发电机的方法，该风力涡轮发电机在发电机壳内包括转子轴和支撑环，该转子轴支撑转子轮，该支撑环用于由定子绕组包围的转子绕组。图5说明了制动风力涡轮发电机的方法的流程图。该方法包括将制动盘安装成垂直于转子轴并与转子轴同心且操作地连接到支撑环；以及，安装多个盘式制动钳，其被布置成与转子轴同心并适于与环形制动盘接合。
步骤500提供将制动盘安装成垂直于转子轴并与转子轴同心且操作地连接到支撑环，该步骤包括将制动盘安装到靠近支撑环的发电机侧端的支撑环的内表面上。步骤510包括安装多个盘式制动钳，盘式制动钳被布置成与转子轴同心并适于与制动盘接合。步骤520包括使制动盘与盘式制动钳的制动片之间的制动接触表面的径向位置增大。步骤530包括提供通风流，其适于避免将制动器磨损产物吹到发电机内部。步骤540包括利用发电机壳与支撑件之间的环形密封来密封通风。步骤550提供通道(access)用于维修接地电刷，其可包括通过发电机侧端上的防护装置来提供通道。
在本发明的又一方面，提供一种鼓式制动器布置以替代现有技术的悬置盘式制动器。图6A说明在风力涡轮发电机内的鼓式制动器的本发明的布置的剖视轴向图。图6B说明了鼓式制动器布置的截面。
风力涡轮发电机转子轴的结构、转子盘、支撑环轮、支撑环、转子结构和定子结构保持如先前所述。支撑环的内周向表面将充当制动衬片。制动衬片可由在周向设置于支撑环内表面周围的多个制动靴部分接合。
多个支撑臂405可安装到发电机壳410上。支撑臂405轴向地延伸靠近在发电机侧端上的壳径向轴向向内的壁。支撑臂405从壳轴向地延伸到对应于支撑环345的内表面430的位置。活塞机构410可在枢轴点411枢转地附连到支撑臂405上。制动靴部分420也可在枢轴点412枢转地连接到支撑臂405。活塞机构410还可与制动靴部分420上的连接点413接合，连接点413偏离制动靴枢轴点412。随着活塞机构410延伸，制动靴420的制动表面425在径向向外移动以与支撑环345的内表面430接合，支撑环345的内表面430充当制动表面。
在这个布置中，接地电刷341可设有(例如)到支撑臂405的电绝缘的安装件。接地线342可延伸到发电机壳外部的接地点343。
上文所描述的鼓式制动器结构排除了现有技术的悬置制动盘，导致更小的重量和悬置力矩。另外，排除了悬置制动盘使得更容易接近发电机侧端的发电机壳内部，提供了更容易的接近，以便维修接地电刷。
虽然在本文中描述了各种实施例，通过说明书应了解到可对本发明做出元件的各种组合、变型或改进，且在本发明的范畴内。

Claims (20)

1.一种适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，所述风力涡轮发电机在发电机壳内结合有转子轴和支撑环，所述转子轴支撑支撑环轮，所述支撑环用于由定子绕组包围的转子绕组，所述盘式制动器布置包括：
转子轴；
支撑环；
制动盘，安装成与所述转子轴垂直并同心且操作地连接到所述支撑环；以及
多个盘式制动钳，被布置成与所述转子轴同心并适于与所述制动盘接合。
2.根据权利要求1所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，所述制动盘包括与所述转子轴同心的环状件。
3.根据权利要求1所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，所述制动盘的外径向端操作地连接到所述支撑环。
4.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，用于所述制动盘的外径向端的操作连接连接于所述支撑环的内环形表面。
5.根据权利要求4所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，用于所述制动盘的外径向端的操作连接连接于所述支撑环的轴向发电机端侧。
6.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括：在所述支撑环轮和所述支撑环之间的操作连接，其中，在所述支撑环轮和所述支撑环之间的所述操作连接偏离所述支撑环的中心且适于平衡所述制动盘到所述支撑环的操作连接。
7.根据权利要求6所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括：加强环，所述加强环在与包括所述制动盘的所述支撑环的端部相对的所述支撑环的轴向端部上。
8.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，使所述制动盘与所述盘式制动钳的制动片之间的制动表面的径向位置增大。
9.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，所述盘式制动钳操作地安装到壳的内部。
10.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括：在所述发电机壳内从齿轮箱侧到发电机端侧的轴向通风流。
11.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括：在所述发电机壳内从齿轮箱侧到发电机端侧的轴向通风流，所述轴向通风流适于防止盘式制动器磨损元件流过，适于阻止通风流经过所述盘式制动器。
12.根据权利要求11所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括：在所述支撑环与所述发电机壳之间与所述转子轴同心的环形密封，所述环形密封适于防止经过盘式制动器磨损部携带盘式制动器磨损元件的通风流流到所述发电机壳内。
13.根据权利要求3所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括：在所述制动钳上用于所述风力涡轮发电机的接地电刷的绝缘的安装件。
14.根据权利要求13所述的适于风力涡轮发电机的盘式制动器布置，其特征在于，还包括防护装置，所述防护装置安装在所述发电机壳的发电机侧并适于对所述盘式制动钳和用于所述风力涡轮发电机的接地电刷中的至少一个提供通道。
15.一种用于制动风力涡轮发电机的方法，所述风力涡轮发电机在发电机壳内结合有转子轴和支撑环，所述转子轴支撑转子轮，所述支撑环用于由定子结构所包围的转子结构，所述方法包括：
将制动盘安装成垂直于所述转子轴并与所述转子轴同心且操作地连接到所述支撑环；以及
安装多个盘式制动钳，所述盘式制动钳被布置成与所述转子轴同心并适于与所述制动盘接合。
16.根据权利要求15所述的用于制动风力涡轮发电机的方法，其特征在于，所述安装制动盘的步骤还包括：
将所述制动盘安装到所述支撑环的内表面上。
17.根据权利要求16所述的用于制动风力涡轮发电机的方法，其特征在于，所述安装制动盘的步骤还包括：
将所述制动盘安装在所述支撑环的发电机侧端处的轴向位置。
18.根据权利要求17所述的用于制动风力涡轮发电机的方法，其特征在于，所述安装盘式制动钳的步骤还包括：
在所述制动盘和所述盘式制动钳的制动片之间的制动接触表面，其中，所述制动接触表面的径向位置被增大。
19.根据权利要求17所述的用于制动风力涡轮发电机的方法，其特征在于，还包括：提供通风流，所述通风流适于避免将制动磨损产物吹到所述发电机的内部。
20.根据权利要求19所述的用于制动风力涡轮发电机的方法，其特征在于，还包括：利用所述发电机壳与所述支撑环之间的环形密封来密封通风流。
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