РОТОР ГЕНЕРАТОРА И СТАТОР ГЕНЕРАТОРА, А ТАКЖЕ СНАБЖЕННЫЙ ИМИ ГЕНЕРАТОР ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ ГЕНЕРАТОРА
GENERATOR ROTOR AND GENERATOR STATOR, AS WELL AS GENERATOR OF WIND-DRIVEN POWER PLANT GENERATOR EQUIPPED WITH THEM AND METHOD OF GENERATOR TRANSPORTATION

Изобретение касается ротора генератора и статора генератора ветроэнергетической установки. Ротор генератора вместе со статором генератора используется в генераторе, чтобы, посредством привода от аэродинамического ветроколеса приводиться в движение, и чтобы таким образом вырабатывать энергию из ветра. Также изобретение касается способа транспортировки такого генератора.
Из уровня техники известны ветроэнергетические установки, в частности горизонтально-осевые ветроэнергетические установки, которые не имеют редуктора. У этих ветроэнергетических установок аэродинамическое ветроколесо непосредственно осуществляет привод ротора генератора, так что генератор преобразует полученную из ветра энергию движения в электрическую энергию. При этом ротор генератора вращается так же медленно, как и аэродинамическое ветроколесо. Для учета такой медленной частоты вращения генератор имеет сравнительно большой для этой номинальной мощности диаметр генератора, в частности большой диаметр воздушного зазора. При этом, несмотря на медленную частоту вращения, может достигаться сравнительно большая разность скорости между ротором и статором генератора в области воздушного зазора. Современные ветроэнергетические установки имеют номинальные мощности в несколько мегаватт, так что им нужен диаметр воздушного зазора намного больше 5 метров.
При этом проблематично транспортировать такой генератор к месту установки ветроэнергетической установки. Во многих странах максимальная ширина, которую разрешается и возможно транспортировать по дороге, составляет примерно 5 метров. Это означает, что максимальный диаметр генератора при транспортировке может составлять 5 метров, когда генератор транспортируется лежа, то есть осью вращения перпендикулярно дороге. При этом диаметр генератора из-за этого ограничен.
Поэтому, чтобы решить эту проблему транспортировки для генераторов, имеющих диаметр воздушного зазора больше 5 метров, в уровне техники предлагается разбирать генератор или по меньшей мере статор генератора и/или ротор генератора на части одинакового размера и монтировать только на месте установки. При этом, например, предлагается разделять ротор генератора или статор генератора на две половины или четыре четверти, причем тогда эти части в любом случае уже 5 метров и поэтому могут без проблем транспортироваться по дорогам.
Деление генератора для транспортировки нужно потому, что генератор обычно после его производства полностью монтируется на испытательном стенде, и проверяется его работа. При этом происходит юстировка, в частности, подвижных частей для обеспечения равномерного хода генератора. После пробного прогона или тестового прогона генератора затем, как уже указывалось выше, он делится на половины, четверти или еще более мелкие части для доставки генератора к месту установки. На месте установки эти половины или четверти снова собираются.
Недостатком при этом является то, что нельзя полностью исключить определенный зазор в области мест соединения, и поэтому монтаж генератора при повторной сборке генератора может приводить к тому, что он при эксплуатации будет вести себя иначе, в частности работать менее равномерно, чем до этого на испытательном стенде. В частности, издержки демонтажа и монтажа генератора также очень высоки.
Поэтому задачей настоящего изобретения является устранить проблемы уровня техники. В частности, должно быть предложено решение, которое позволит транспортировать генератор, имеющий диаметр воздушного зазора больше 5 метров, при наиболее низких возможных издержках. В любом случае должна быть предложена альтернатива уровню техники.
Немецкое ведомство по патентам и торговым маркам в приоритетной заявке к настоящей заявке исследовало следующий уровень техники: DE 10 2012 208 547 A1 и DE 10 2015 212 453 A1.
В этой связи настоящее изобретение предлагает, во-первых, ротор генератора для ветроэнергетической установки. Этот ротор генератора имеет по меньшей мере одну делительную плоскость для деления ротора генератора, который также коротко называется ротором, по меньшей мере на два сегмента. В соответствии с изобретением делительная плоскость проходит через ротор по линиям асимметричного сечения ротора. Это значит, ротор может делиться расположенными в соответствии с изобретением делительными плоскостями на сегменты, при этом по меньшей мере два сегмента имеют отличающиеся друг от друга формы и размеры.
То есть если представить себе ротор генератора в виде круглого элемента, то линии симметричного сечения соответствовали бы линиям, которые проходят от некоторой точки на наружном радиусе ротора генератора через среднюю точку до противоположного наружного конца на радиусе ротора генератора. Линии асимметричного сечения ротора, соответственно, не проходят именно через центр или, соответственно, среднюю точку, то есть проходят внецентренно. Делительные плоскости проходят, соответственно, по линиям асимметричного сечения и делят образованный ротором круглый элемент по меньшей мере на два сегмента, которые не являются именно половинами, четвертями или другими большими секторами круга, называемыми также секторами.
Это расположение делительных плоскостей позволяет предусматривать как можно более длинные делительные плоскости, то есть имеющие длинную хорду окружности, которые включают в себя некоторое непрерывно расположенное количество соединительных элементов, например, возможностей винтового соединения, благодаря чему уменьшается зазор при сборке ротора генератора на месте установки. В частности, поэтому можно, с одной стороны, подразделять ротор генератора на несколько сегментов для транспортировки и снова очень точно собирать на месте установки. Тем самым в максимальной степени уменьшаются неравномерности или поведение, иное чем поведение на испытательном стенде.
По первому варианту осуществления ротор генератора включает в себя первый сегмент. Этот первый сегмент имеет отверстие для подшипника, которое ограничено первым сегментом в окружном направлении. Ротор генератора в целом имеет при этом форму круглого кольца. Через это отверстие подшипник может, соответственно, соединяться с первым сегментом и выполнять на испытательном стенде пробный прогон с ротором генератора. Для транспортировки этот подшипник не должен снова удаляться, а может оставаться соединенным с первым сегментом, так как делительные плоскости не проходят через это отверстие. Тем самым предотвращаются допуски при выравнивании подшипника на роторе генератора, которые приводят к тому, что генератор на месте установки имеет иное поведение, чем при тестовом прогоне.
По одному из вариантов осуществления длина делительной плоскости больше ширины, то есть разности между наружным и внутренним диаметром, ротора.
По одному из вариантов осуществления соединительные элементы равномерно распределены по длине делительной плоскости.
По другому варианту осуществления делительная плоскость проходит параллельно касательной ротора, предпочтительно посредине между двумя параллельными касательными к наружному диаметру и к внутреннему диаметру ротора. Благодаря этому усредняется также зазор соединительных элементов сегментов, так что допуски уменьшаются.
По другому варианту осуществления отверстие в первом сегменте имеет окружное круглое кольцо. Это круглое кольцо может соединяться или соединено с подшипником для вращающейся опоры ротора на оси ротора. Кроме того, круглое кольцо является составной частью первого сегмента.
Таким образом, благодаря наличию круглого кольца в первом сегменте первый сегмент оснащен для его соединения с подшипником, так что подшипник и первый сегмент образуют интегральный узел, который не должен снова разделяться после пробного прогона. При этом выполненная при пробном прогоне или тестовом прогоне точная юстировка, в частности в отношении возможных допусков соединительных элементов между подшипником и первым сегментом, в полном объеме готова также для более поздней эксплуатации.
По другому варианту осуществления первый сегмент включает в себя область в форме круглого кольца, которая расположена параллельно плоскости вращения ротора. Эта область в форме круглого кольца имеет тормозную поверхность для торможения ротора и/или одну или несколько арретирующих выемок для арретирования ротора. Благодаря расположенной на первом сегменте круглой области для торможения и/или арретирования ротора на других сегментах, которые отличны от первого сегмента, не нужно предусматривать другие области для жизнеобеспечения и/или арретирования, так что на делительных плоскостях не возникают никакие переходы от областей для арретрирования или для торможения, которые должны учитываться при выравнивании сегментов на месте установки.
По другому варианту осуществления по меньшей мере один сегмент имеет контур сегмента круга. Сегментом круга называют часть поверхности круга, которая ограничивается дугой круга и хордой окружности. Предпочтительно при этом по меньшей мере один сегмент круга ротора генератора, который имеет генератор, имеющий диаметр воздушного зазора больше 5 метров, может просто снова демонтироваться после полного монтажа и выполнения тестового прогона для транспортировки. Такой сегмент круга позднее на месте установки может сравнительно точно снова соединяться с остальной частью ротора генератора, так что, несмотря на допуски, возможно по существу в точности идентичное сооружение ротора генератора на месте установки по сравнению с испытательным стендом. Все ранее смонтированные на роторе генератора части, такие как, например, подшипники, для транспортировки могут оставаться на роторе.
В частности, при этом возможны также быстрый демонтаж после пробного прогона, а также быстрый монтаж на месте установки.
По другому предпочтительному варианту осуществления ротор имеет две делительные плоскости, которые проходят параллельно друг другу. Ротор может делиться этими двумя делительными плоскостями на три сегмента, при этом два из этих сегментов имеют каждый контур сегмента круга и примыкают сбоку к сегменту, который предпочтительно соответствует первому сегменту одного из вышеназванных вариантов осуществления.
При этом простым образом ротор генератора, имеющий диаметр больше 5 метров, только путем разъединения ротора генератора в области делительных плоскостей за очень короткое время может подготавливаться к транспортировке. На месте установки возможно быстрый повторный ввод в эксплуатацию.
По другому варианту осуществления ротор генератора имеет диаметр больше 6 метров, предпочтительно больше 7 метров, в частности, по существу 7,5 метров. Все сегменты по меньшей мере в одном измерении имеют ширину, которая равна или уже 5 метров. С помощью таких роторов генератора может обеспечиваться медленная бережная частота вращения ветроэнергетической установки при одновременно большой разности скоростей между ротором генератора и статором генератора, для вырабатывания номинальной мощности в несколько мегаватт, при этом такие роторы генератора при предлагаемом изобретением расположении делительных плоскостей могут транспортироваться по общественным дорогам.
По другому варианту осуществления ротор представляет собой внутренний ротор, и дополнительно или альтернативно ротор генератора представляет собой ротор генератора с внешним возбуждением.
Кроме того, изобретение касается статора для ветроэнергетической установки. Статор имеет находящиеся в окружном направлении рядом друг с другом пазы. Кроме того, предусмотрены по меньшей мере два места разъема для разъединения статора между двумя пазами каждое. В пазы вставлены или вложены шаблонные катушки, имеющие по два плеча. Шаблонные катушки собственно известны и соответствуют намотанному множеством витков проводящему материалу, форма которого включает в себя два плеча, имеющие по несколько электрических проводов, электрические провода которых соединены друг с другом первым концом и вторым концом, которые, например, могут также называться лобовой частью и основанием. Соответственно шаблонная катушка имеет два электрических подключения.
По другому варианту осуществления изобретения плечи каждой катушки расположены каждый в различных пазах. В нескольких пазах расположены по меньшей мере по два плеча различных шаблонных катушек, и по меньшей мере в пазах, находящихся рядом с местами разъема, максимум одно плечо шаблонной катушки.
При этом хотя и принимается, что шаблонные катушки расположены в окружном направлении в статоре генератора не совсем равномерно, но зато без затруднений возможно разъединение и/или сборка статора генератора в местах разъема. Благодаря этому обеспечен, с одной стороны, простой демонтаж статора для транспортировки, а также быстрое повторное сооружение транспортированного статора для ввода в эксплуатацию.
По одному из вариантов осуществления шаблонные катушки представляют собой двухслойные шаблонные катушки.
По одному из вариантов осуществления статора генератора шаблонные катушки расположены каждая в пазах таким образом, что между пазами, в которые вложены плечи шаблонной катушки, в окружном направлении расположены пять пазов. Благодаря этому возможен шестифазный или, соответственно, 2 х 3 фазный статор.
По одному из альтернативных вариантов осуществления шаблонные катушки расположены каждая в пазах таким образом, что между пазами, в которые вложены плечи одной шаблонной катушки, в окружном направлении расположены четыре паза.
По другому варианту осуществления в окружном направлении шесть пазов перед и шесть пазов за местом разъема имеют максимум одно плечо шаблонной катушки.
Кроме того, изобретение включает в себя генератор, который предпочтительно представляет собой синхронный генератор. Генератор имеет ротор по одному из предыдущих вариантов осуществления, а также статор, в частности по одному из вышеназванных вариантов осуществления.
По одному из вариантов исполнения генератора статор генератора имеет одну или несколько делительных областей, которые могут также называться областью разъема, для деления статора генератора на два или больше сегментов статора. При этом может просто транспортироваться весь генератор.
Кроме того, изобретение касается ветроэнергетической установки, имеющей башню ветроэнергетической установки, на которой расположена гондола по одному из вышеназванных вариантов осуществления. Кроме того, ветроэнергетическая установка включает в себя аэродинамическое ветроколесо, имеющее несколько лопастей ветроколеса для привода генератора.
Также изобретение касается способа транспортировки генератора ветроэнергетической установки, причем предпочтительно ротора генератора по одному из вышеназванных вариантов осуществления и/или статора генератора по одному из вышеназванных вариантов осуществления. В соответствии с этим способом ротор для транспортировки на место установки делится по меньшей мере по одной делительной плоскости по меньшей мере на два сегмента. Делительные плоскости проходят в роторе по линиям асимметричного сечения.
По другому варианту исполнения способа сегменты ротора генератора перед делением для транспортировки соединяются, и первый сегмент, который имеет отверстие, ограниченное в окружном направлении первым сегментом, соединяется с подшипником. Для транспортировки подшипник остается соединенным с первым сегментом.
По другому варианту осуществления способа статор также разъединяется для транспортировки по его местам разъема. Благодаря этому не только ротор генератора, но и статор генератора может транспортироваться по общественным дорогам.
По другому варианту осуществления способа в статор перед разъединением по его местам разъема для транспортировки вставляются шаблонные катушки. Эти шаблонные катушки вкладываются в находящиеся в окружном направлении рядом друг с другом пазы. Плечи каждой шаблонной катушки располагаются каждый в различных пазах, в нескольких пазах по меньшей мере по два плеча различных шаблонных катушек, и по меньшей мере в пазах, находящихся рядом с местами разъема, максимум одно плечо  шаблонной катушки.
При этом возможна простое разъединение для транспортировки статора по его местам разъема, так как здесь не должны удаляться шаблонные катушки.
По другому варианту осуществления способа генератор, собранный после транспортировки, эксплуатируется исключительно с шаблонными катушками, которые были вставлены в статор до транспортировки. Соответственно в области мест разъема дополнительно после транспортировки не вставляются никакие другие шаблонные катушки или иного рода катушки. Благодаря этому можно обходиться без соединения катушек в области мест разъема, и возможно быстрое сооружение генератора на месте установки.
Другие варианты осуществления содержатся в примерах осуществления, изображенных на фигурах.
На фигурах показано:
фиг.1: ветроэнергетическая установка;
фиг.2: генератор;
фиг.3: схематичное изображение статора генератора;
фиг.4: другое схематичное изображение статора генератора; и
фиг.5: этапы способа транспортировки ротора генератора.
На фиг.1 показано схематичное изображение ветроэнергетической установки 100 в соответствии с изобретением. Ветроэнергетическая установка 100 имеет башню 102 и гондолу 104 на башне 102. На гондоле 104 предусмотрено аэродинамическое ветроколесо 106, имеющее три лопасти 108 ветроколеса и кок 110. Аэродинамическое ветроколесо 106 при эксплуатации ветроэнергетической установки приводится ветром во вращательное движение и при этом вращает также электродинамическое колесо или ротор генератора, который непосредственно или опосредствованно связан с аэродинамическим ветроколесом 106. Электрический генератор расположен в гондоле 104 и вырабатывает электрическую энергию. Углы установки лопастей 108 ветроколеса могут изменяться с помощью двигателей управления углом установки на комлях 108b соответствующих лопастей ветроколеса.
На фиг.2 показан генератор 10 по первому примеру осуществления изобретения. Генератор 10 включает в себя ротор 12 генератора, который здесь изображен по первому примеру осуществления изобретения, а также статор 14 генератора, который изображен по первому примеру осуществления изобретения. Статор 14 генератора имеет два места 16a, 16b разъема, по которым статор 14 генератора для лучшего изображения разделен на две части 17a, 17b статора генератора. При этом статор 14 генератора разделен на две половины.
В отличие от этого, ротор 12 генератора разделен на первый сегмент 18, который далее называется также центральным сегментом, и два других сегмента 20a, 20b. Для этого ротор 12 генератора имеет две делительные плоскости 22a, 22b. Эти делительные плоскости 22a, 22b проходят по линиям 23a, 23b асимметричного сечения ротора 12 генератора.
Кроме того, ротор 12 генератора имеет отверстие 24. Это отверстие 24 включает в себя окружное круглое кольцо 26, которое здесь уже видимым образом снабжено сверлеными перфорациями 28 для соединения подшипника с окружным круглым кольцом 26. Соответственно для транспортировки разъединение сегментов 18, 20a, 20b ротора 12 генератора после пробного прогона на испытательном стенде возможно без необходимости удаления расположенного в области отверстия 24 подшипника.
Так как ротор 12 генератора имеет только полюсные башмаки, имеющие обмотки постоянного тока, электрические соединения других сегментов 20a, 20b должны для этого создаваться только с первым сегментом 18, после того как осуществлено механическое соединение других сегментов 20a, 20b с первым сегментом 18 после транспортировки для установки генератора 10.
Статор 14 генератора имеет, в отличие от этого, шаблонные катушки 30, которые не вложены в не изображенные здесь пазы статора 14 генератора. На фиг.2 шаблонные катушки изображены только примерно, при этом со ссылкой на фиг.3 и 4 далее расположение шаблонных катушек 30 в статоре 14 генератора поясняется более точно.
Соответственно на фиг.3 показано поперечное сечение части 17a, 17b изображенного на фиг.2 статора 14 генератора. При этом изображены места 16a, 16b разъема. Для лучшего обозрения статор 14 генератора изображен в развертке.
Статор 14 генератора имеет пазы 32, которые заполнены плечами 34 шаблонных катушек 30. В свою очередь, количество изображенных здесь пазов 32 меньше количества пазов реальной части 17a, 17b статора генератора или половины статора 14 генератора, которая изображена на фиг.2. Однако это изображение выбрано здесь в качестве примера для лучшего видимости. Можно различить, что пазы 32 в области мест 16a, 16b разъема заполнены только одним единственным плечом 34 шаблонной катушки 30. Соответственно только пазы 32 в средней области наполнены каждый двумя плечами 34 различных катушек 30, в отличие от чего по шесть пазов 32, которые находятся в области 38 перед местом 16a, 16b разъема или после него, наполнены максимум одним плечом 34 шаблонной катушки 30. В качестве примера изображены еще полюсные башмаки 40 ротора 12 генератора.
На фиг.4 показано альтернативное комплектование пазов 32 части 17a, 17b статора генератора при наличии двух мест 16a, 16b разъема. При этом дополнительно двенадцать находящихся посредине пазов 32 в области 42 укомплектованы максимум одним плечом 34 шаблонной катушки 30. Остальная часть этих пазов 32 в области 42 остается соответственно пустой.
На фиг.5 показаны этапы выполнения способа транспортировки генератора 10 по одному из примеров осуществления. На этапе 50 генератор 10 полностью монтируется. В частности, ротор 12 генератора, собранный для полного монтажа из его сегментов 18, 20a, 20b, и статор 14 по его местам разъема 16a, 16b соединяются друг с другом. С окружным круглым кольцом 26 отверстия 24 ротора 12 генератора соединяется подшипник. Это служит для испытания генератора на испытательном стенде на опциональном этапе 52. В частности, на этапе 52 производятся точные юстировки.
Затем на этапе 54 ротор 12 генератора только в области делительных плоскостей 22a, 22b делится на сегменты 18, 20a, 20b. Статор 14 генератора также разъединяется по его местам 16a, 16b разъема на части 17a, 17b статора генератора. Сегменты 18, 20a, 20b ротора 12 генератора, а также половины статора 14 генератора на этапе 56 грузятся и транспортируются. В частности, при этом соединенный с окружным кольцом 26 подшипник остается соединенным с первым сегментом 18 ротора 12 генератора. Затем на этапе 58 после транспортировки соединяются друг с другом сегменты 18, 20a, 20b ротора 12 генератора, а также снова собирается статор 14 генератора по его местам 16a, 16b разъема. На этапе 60 генератор 10 эксплуатируется без вставления в статор 14 генератора других шаблонных катушек 30, помимо тех, которые ранее, при транспортировке, уже были вставлены в статор 14 генератора.