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TW201702482A - 用於調整風力渦輪之轉子葉片之調整裝置 - Google Patents

用於調整風力渦輪之轉子葉片之調整裝置 Download PDF

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TW201702482A
TW201702482A TW105111127A TW105111127A TW201702482A TW 201702482 A TW201702482 A TW 201702482A TW 105111127 A TW105111127 A TW 105111127A TW 105111127 A TW105111127 A TW 105111127A TW 201702482 A TW201702482 A TW 201702482A
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喬治 艾登
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渥班資產公司
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Abstract

本發明係關於一種用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之一迎角之調整裝置。本發明提出該調整裝置包括至少兩個DC馬達(320、330)且該至少兩個DC馬達(320、330)至少分區段地彼此串聯電互連。

Description

用於調整風力渦輪之轉子葉片之調整裝置
本發明係關於一種調整裝置且係關於一種用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之一迎角之方法。此外，本發明係關於一種包括此一調整裝置之風力渦輪。
自風產生電力並將電力饋送至一供電網中之風力渦輪係眾所周知的。此一風力渦輪之一項實例在圖1中予以示意性地圖解說明。
現代風力渦輪通常包括一轉子葉片調整裝置，亦即用於調整一轉子葉片之一迎角之一裝置。此等調整裝置(亦可稱為俯仰調整裝置或簡稱為俯仰裝置)藉由調整迎角，既可調節風力渦輪之發射功率亦可限制處於高風速之風力渦輪之負載。針對調整，該等調整裝置包括一個或複數個馬達，亦稱為俯仰馬達。用於調整迎角之一調整程序亦稱為俯仰調整(pitching)。
追求更強大之風力渦輪尤其亦導致轉子葉片變得更大。因此，製作一轉子葉片調整裝置之要求亦增加。特定而言，轉子葉片調整裝置之馬達功率隨轉子葉片之大小而增加。
文件EP1 337 755揭示一種包括複數個馬達且用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之迎角之調整裝置。出於此目的，該文件尤其揭示複數個馬達之一電互連。關於此解決方案之劣勢主要係，可發生馬達之一不相等電負載之情形，其可導致馬達之不准許發熱且可導致非所要磁場削弱。
在證實優先權之德國專利申請案中，德國專利及商標局搜尋到以下文件：DE 10 2004 005 169 B3、DE 10 2007 053 613 A1、DE 297 22 109 U1、DE 692 25 995 T2、DE 893 962 B、DE 19 37 306 A、FR 972 025 A及EP 1 337 755 A1。
因此，本發明之一目的係解決上文所提及之問題中之至少一者。特定而言，意圖係改良已知先前技術並提出達成至少兩個DC馬達之一相等負載之一調整裝置。意圖係至少提出相對於迄今為止已知解決方案之一替代解決方案。
本發明提出如技術方案1之一調整裝置。
因此，提出一種用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之一迎角之調整裝置，其中該調整裝置包括至少兩個DC馬達，且該至少兩個DC馬達至少分區段地彼此串聯電互連。
DC馬達係以直流操作且包括一固定部分(定子)及一非固定部分(轉子)之旋轉電機。習用DC馬達經設計使得轉子形成DC機器之內部分且包括至少一個繞組(電樞繞組)，且定子體現為經永久激磁(亦即具有一永久磁體)或具有至少一個繞組(激磁繞組)。
所提出調整裝置之至少兩個DC馬達包括激磁及磁場繞組及/或電樞繞組；此等繞組可完全或至少分區段地串聯電互連。一串聯電互連亦可稱為串聯連接。舉例而言，針對至少兩個DC馬達之一分區段互連，至少兩個DC馬達之激磁繞組及/或電樞繞組可串聯電互連。在每一情形中，亦考量僅串聯互連該等繞組之一部分。針對至少兩個DC馬達之一完全互連，特定而言所有電樞繞組及激磁繞組彼此串聯電互連。此外，亦可考量將至少兩個DC馬達之電樞繞組及/或激磁繞組劃分成區段，特定而言繞組區段。然後，該等繞組區段(完全像電樞繞組及激磁繞組一樣)特定而言作為一個兩端子網路藉由一電壓源驅動，特定而言被供以電流。
一串聯電互連迫使相同電流通過此一串聯連接之繞組，此由Kirchhoff電流定律證實。因此，至少針對串聯電互連之至少兩個DC馬達之繞組或繞組區段，所達成的係相同電流流動通過其等。因此，獨立於(舉例而言)該至少兩個DC馬達中之一者是否由於(舉例而言)該DC馬達之發熱而具有一變動之內部電阻，該至少兩個DC馬達由於一DC馬達之成比例電流-轉矩關係而具有相同機械力矩，特定而言驅動力。在一並聯連接之情形中，至少兩個DC馬達之不相等內部電阻將不利地導致該至少兩個DC馬達內之不同電流且因此導致不同機械力矩。彼情況現在可避免。
較佳地，該至少兩個DC馬達機械耦合。
因此該至少兩個DC馬達可直接或間接地(特定而言)彼此機械耦合。在至少兩個DC馬達之一直接機械耦合之情形中，轉子可配置於一共同軸件上或形成該共同軸件。出於此目的，舉例而言，至少兩個DC馬達之電樞繞組配置於相同軸件上且在操作期間驅動該軸件。
在至少兩個DC馬達之一間接機械耦合之情形中，該等DC馬達包括單獨轉子。因此至少兩個DC馬達之電樞繞組配置於該等電樞繞組作用於其上之不同軸件上。該等轉子之機械耦合可(舉例而言)經由諸如一帶齒輪緣之一共同耦合元件達成。舉實例而言，此一帶齒輪緣可配置於一轉子葉片根部上，使得兩個轉子經由該帶齒輪緣機械耦合且在此情形中同時聯合地作用於葉片根部上且可就其迎角而言調整葉片。
由於至少兩個DC馬達之機械耦合，驅動力機械地均勻分佈於至少兩個DC馬達之間且由於串聯連接，出於此目的所達成的係亦應用電相同轉矩。
根據一項實施例，提出在每一情形中兩個馬達成對地作用於一帶齒輪緣上，特定而言使得在每一情形中彼此串聯電連接之兩個馬達 形成一馬達對且亦在空間上彼此毗鄰配置。較佳地，此等馬達對中之兩者、三者或三者以上配置於一帶齒輪緣上。因此，每一馬達對可利用串聯連接之所闡述優勢。
較佳地，該等馬達被接納於馬達容座中以便自彼處嚙合於帶齒輪緣上。在此情形中，馬達容座準備達成俯仰馬達(特定而言成對)之位置之一變動。較佳地，出於此目的，佈建多於俯仰馬達之容座，使得在每一情形中自一個容座或兩個容座獲取一俯仰馬達或一馬達對且將該俯仰馬達或馬達對配置於一迄今自由容座中之一較適宜位置中，以便藉此作用於帶齒輪緣之一不同、磨損較少區段上。
較佳地，至少兩個DC馬達之電樞繞組串聯電互連。
因此，由電樞繞組產生之轉矩可確保用於處於相同位準之兩個馬達或複數個馬達，此乃因相同電流流動通過兩個電樞繞組。串聯電互連之電樞繞組之電互連可在此情形中體現為與至少兩個DC馬達之激磁繞組部分地或完全地電串聯及/或電並聯。舉實例而言，電樞繞組可彼此串聯電互連，而激磁繞組經互連使得其彼此電隔離且與電樞繞組電隔離。因此所達成的係可自激磁繞組單獨饋送串聯電互連之電樞繞組。因此，可藉助於驅動達成不同特性曲線之族群，亦即轉矩量變曲線(profile)，舉例而言處於止轉狀態之一高轉矩。同時可避免馬達之間的不同轉矩。
由於至少兩個DC馬達之電樞繞組串聯電互連，因此相同電流流動通過至少兩個DC馬達之電樞繞組。因此，至少兩個DC馬達在電樞側上之載入相等。
根據又一構形，提出至少兩個DC馬達之激磁繞組串聯電互連。
激磁繞組可體現為與至少兩個DC馬達之電樞繞組部分地或完全地電串聯及/或電並聯。舉實例而言，串聯電互連之激磁繞組可體現為具有低電阻且可與至少兩個DC馬達之電樞繞組串聯電互連。藉此 所達成的係以此方式互連之DC馬達具有一串繞行為，亦即極大地取決於旋轉速度之一轉矩行為。亦可考量體現以一層壓方式之定子之鐵芯且因此考量將至少兩個DC馬達設計為通用馬達，特定而言具有AC電壓之單相位串繞馬達。
由於至少兩個DC馬達之激磁繞組串聯電互連，因此相同電流流動通過該等DC馬達之激磁繞組。因此，至少兩個DC馬達在激磁側上之載入相等。
此外，根據本發明亦可將至少兩個DC馬達之電樞繞組與至少兩個DC馬達之激磁繞組聯合地串聯電互連。此然後將導致包括至少兩個電樞繞組及兩個激磁繞組之一串聯連接。
藉由將至少兩個DC馬達之電樞繞組及激磁繞組完全且聯合地互連所達成的係完全相同電流流動通過至少兩個DC馬達之電樞繞組及激磁繞組兩者。因此至少兩個DC馬達完全彼此電耦合且具有一共同串繞行為。特定而言，針對此一互連提出激磁繞組體現為具有低電阻且DC馬達機械耦合。藉此所達成的係至少兩個DC馬達具有極大地取決於旋轉速度之一轉矩行為。特定而言，若如在一轉子葉片調整之情形中需要高起動轉矩，則此係有利的。
一項較佳實施例之特徵在於至少兩個DC馬達在每一情形中皆包括一第二激磁繞組，其中該等第二激磁繞組彼此串聯電互連。
第二激磁繞組產生一第二激磁磁場，其中該第二激磁磁場(舉例而言)與另一激磁磁場或第一激磁磁場具有相同方向及相同方向感測。
舉實例而言，提出各別第二激磁繞組或各別第一激磁繞組體現為相對於各別電樞繞組之一分激式繞組且電樞繞組與各別激磁繞組串聯電互連。因此，至少兩個DC馬達具有用於調整一轉子葉片之一迎角之一尤其有利操作行為，此乃因串聯連接確保所有馬達中之一相同 電流且可經由分激達成目標介入。亦可考量體現第二激磁繞組使得其充當一減速裝置，特定而言一馬達制動器。
一項尤其較佳實施例之特徵在於至少兩個DC馬達在每一情形中皆包括一個或第二激磁繞組，且第二激磁繞組與至少兩個DC馬達之電樞繞組及/或其他激磁繞組串聯電互連。
另一選擇係，彼此串聯電互連之第一激磁繞組可與其他繞組並聯電互連，此係根據一項實施例提出。因此，至少兩個DC馬達兼具串繞行為及分繞行為且因此設計為如一多馬達(特定而言雙馬達)，其中每一DC馬達體現為(特定而言)如一複繞馬達。因此可利用一複繞馬達之優勢，但則存在該等馬達將不完全相同地表現之風險。
此外，提出第二激磁繞組在每一情形中皆體現為可連接繞組，使得在每一情形中第二激磁繞組可藉助於一開關連接及/或斷開連接。尤其在轉子葉片之一緊急調整之情況中，在每一情形中第二激磁繞組可與電樞繞組串聯連接。由於第二激磁繞組串聯連接，因此DC馬達具有一串繞行為，亦即可產生用於調整轉子葉片之一尤其高起動轉矩之一行為。由於第二激磁繞組與電樞繞組串聯連接，因此該第二激磁繞組僅沿一個方向輔助性地起作用且此方向經選擇使得其對應於相關轉子葉片之一緊急調整之方向。
在一項尤其較佳實施例中，第二激磁繞組機械地位於第一激磁繞組中，且特定而言在每一情形中可位於定子之相同槽中。
電壓源因此供應調整裝置且由於所提出串聯互連而在每一情形中針對所涉及之馬達建立相同電流。調整單元之馬達及因此調整單元本身可藉此以一簡單且同時均勻方式驅動。至少兩個DC馬達之一尤其較佳驅動係經由串聯互連之電樞繞組達成。出於此目的，至少兩個DC馬達之第一及第二激磁繞組串聯互連且被供以一恆定電壓。同樣地，至少兩個DC馬達之電樞繞組串聯互連且用一可變可調節電壓驅 動。在此驅動之情形中尤其有利之處在於不存在對平衡兩個馬達之轉矩之電子調節之需要。
另外，提出一種風力渦輪，該風力渦輪至少具備根據上文實施例中之一者之一調整裝置。該調整裝置之優勢因此使風力渦輪受益。在此情形中，尤其為達成一冗餘及/或為劃分所需電力，可提供複數個俯仰馬達。由於所提出互連，此複數個俯仰馬達可以一均勻且同時簡單及可靠方式操作。
用於操作一調整裝置之方法，該調整裝置用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之一迎角，其中使用並驅動至少兩個DC馬達以達成調整，其中使用根據上文所闡述之實施例中之至少一者之一調整裝置及/或使用上文所闡述之一風力渦輪。較佳地，以諸如上文已闡述(特定而言與一調整裝置之至少一項實施例相關聯)之一方式驅動至少兩個DC馬達。
現在將在下文參考附圖基於例示性實施例舉實例而言更詳細地闡釋本發明。
圖1展示包括一塔架102及一機艙104之一風力渦輪100。包括三個轉子葉片108及一旋轉體110之一轉子106配置於機艙104上。在操作期間，藉由風使轉子106達成一旋轉移動且藉此驅動機艙104中之一發電機。
圖2圖解說明包括作為一機械耦合元件之一帶齒輪緣210之一機械耦合200，兩個俯仰馬達220及230作用於該帶齒輪緣上且藉此被機械耦合。此處此等DC馬達可用作俯仰馬達220及230，其中使用根據至少一項實施例之一串聯互連。因此機械耦合元件210經設計為具有一外齒連接之一帶齒輪緣210且固定地附接至一轉子葉片根部，使得相關轉子葉片可通過藉由兩個俯仰馬達220及230之帶齒輪緣210之驅動而旋轉。兩個俯仰馬達220及230以相等間隔配置於帶齒輪緣210之 圓周上且藉助於分別連接至俯仰馬達220及230之一轉子軸件之對應小齒輪而嚙合於帶齒輪緣之外齒連接中。在習用DC馬達之情形中，DC馬達之經可旋轉安裝部分(亦即轉子)亦稱為電樞且配置於一軸件之內部上。亦可考量將DC馬達設計為外部轉子及/或將轉子葉片體現為具有一內齒連接且將DC馬達配置於內齒連接內。
圖3分別展示一第一DC馬達320及一第二DC馬達330之一尤其較佳電互連300，DC馬達320及330可根據圖2分別用作第一俯仰馬達220及第二俯仰馬達230。此外，電互連300包括一電壓源310，其中電壓源310具備三個電壓攜載輸出312、314及316。DC馬達320及330各自包括一電樞繞組322及332，一第一激磁繞組324及334以及一第二激磁繞組326及336。DC馬達320之電樞繞組322及第二激磁繞組326以與DC馬達330之電樞繞組332及第二激磁繞組336相同之方式串聯電互連。以此方式互連之電樞繞組322、332及激磁繞組326、336同樣地彼此串聯電互連且連接至電壓源310之電壓攜載輸出312，使得此等四個繞組以一共同串聯連接互連在一起。DC馬達320及330之第一激磁繞組324及334同樣地串聯電互連且連接至電壓源310之電壓攜載輸出314。串聯互連之電樞繞組322、332及第二激磁繞組326、336與串聯互連之第一激磁繞組324及334聯合地並聯互連。
較佳地，在每一情形中兩個第二激磁繞組326及336可藉助於一開關連接或斷開連接。較佳地，取決於此，使用不同電壓源，其亦可稱為電流控制器。在此方面中，在圖3中所展示之實施例中，電壓源310係用於與第二激磁繞組326及336一起操作(特定而言用於一緊急調整)之一電流控制器。
因此，兩個DC馬達320及330部分地串聯電互連且經設計為一複合機，其中以此方式互連之兩個DC馬達組合一分繞馬達及一串繞馬達之性質，亦即係複勵式。取決於繞組之設計及其經由電壓源310之 驅動，兩個DC馬達320及330具有不同操作行為。舉例而言，若電互連300體現為過複勵，則兩個DC馬達320及330主要具有串繞行為，亦即一高起動轉矩。相比而言，若電互連300體現為欠複勵，則兩個DC馬達320及330主要具有分繞特性，亦即一高旋轉速度穩定性。
在圖3中所展示之電互連之情形中尤其有利之處在於經由電壓源310控制兩個DC馬達320及330之可能性。一良好操作行為可因此達成。所提出之串聯連接使得可確保俯仰馬達320及330兩者之一相同轉矩，使得圖2中所展示之耦合亦可良好操作且不存在以下風險，即根據圖3之俯仰馬達320及330或根據圖2之俯仰馬達220及230中之一者由於一小的(例如熱管控)不準確而執行大部分調整工作。此外之有利之處在於，隨著轉子葉片大小增加，調整裝置可由一個DC馬達或其他DC馬達延伸，其中特定而言提出在此情形中所有DC馬達皆係相同類型。
圖4展示可用作根據圖2之一俯仰馬達220及230之DC馬達430之一較佳實施例。除激磁繞組434及436以及電樞繞組432之外，俯仰馬達430亦具有一電制動器438及一電風扇440。體現為一磁場制動器之電制動器438及電風扇440由電壓源410驅動。在此情形中，磁場制動器438經體現使得其可以使得制動DC馬達430之電樞之一方式來削弱該DC馬達之激磁磁場。磁場制動器438係經由電壓攜載輸出416及418驅動。DC馬達430之電風扇440係由電壓源410驅動，使得在其中DC馬達430處於一止轉狀態之情形中，該DC馬達可繼續由風扇440冷卻。電風扇440係經由電壓攜載輸出420及422驅動。
100‧‧‧風力渦輪
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉體
200‧‧‧機械耦合
210‧‧‧帶齒輪緣/機械耦合元件
220‧‧‧俯仰馬達/第一俯仰馬達
230‧‧‧俯仰馬達/第二俯仰馬達
300‧‧‧電互連
310‧‧‧電壓源
312‧‧‧電壓攜載輸出
314‧‧‧電壓攜載輸出
316‧‧‧電壓攜載輸出
320‧‧‧第一DC馬達/DC馬達/俯仰馬達
322‧‧‧電樞繞組
324‧‧‧第一激磁繞組
326‧‧‧第二激磁繞組/激磁繞組
330‧‧‧第二DC馬達/DC馬達/俯仰馬達
332‧‧‧電樞繞組
334‧‧‧第一激磁繞組
336‧‧‧第二激磁繞組
410‧‧‧電壓源
416‧‧‧電壓攜載輸出
418‧‧‧電壓攜載輸出
420‧‧‧電壓攜載輸出
422‧‧‧電壓攜載輸出
430‧‧‧DC馬達/俯仰馬達
432‧‧‧電樞繞組
434‧‧‧激磁繞組
436‧‧‧激磁繞組
438‧‧‧電制動器/磁場制動器
440‧‧‧電風扇/風扇
圖1：展示一風力渦輪之一示意性視圖，圖2：示意性地展示具有俯仰馬達之一轉子葉片根部之一帶齒輪緣，及 圖3：展示電串聯之兩個俯仰馬達之一示意性互連，及圖4：展示一俯仰馬達之一項較佳實施例。
300‧‧‧電互連
310‧‧‧電壓源
312‧‧‧電壓攜載輸出
314‧‧‧電壓攜載輸出
316‧‧‧電壓攜載輸出
320‧‧‧第一DC馬達/DC馬達/俯仰馬達
322‧‧‧電樞繞組
324‧‧‧第一激磁繞組
326‧‧‧第二激磁繞組/激磁繞組
330‧‧‧第二DC馬達/DC馬達/俯仰馬達
332‧‧‧電樞繞組
334‧‧‧第一激磁繞組
336‧‧‧第二激磁繞組

Claims (11)

  1. 一種用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之一迎角之調整裝置，其中該調整裝置：包括至少兩個DC馬達(320、330)，且該至少兩個DC馬達(320、330)至少分區段地彼此串聯電互連。
  2. 如請求項1之調整裝置，其中該至少兩個DC馬達(320、330)機械耦合。
  3. 如請求項1或2之調整裝置，其中該至少兩個DC馬達(320、330)之電樞繞組(322、332)串聯電互連。
  4. 如請求項1或2之調整裝置，其中該至少兩個DC馬達(320、330)之激磁繞組(324、334)串聯電互連。
  5. 如請求項1或2之調整裝置，其中該至少兩個DC馬達(320、330)之該等電樞繞組(322、332)及該至少兩個DC馬達(320、330)之該等激磁繞組(324、334)聯合地串聯電互連。
  6. 如請求項1或2之調整裝置，其中該至少兩個DC馬達在每一情形中皆包括一第二激磁繞組(326、336)，其中該等第二激磁繞組(326、336)彼此串聯電互連。
  7. 如請求項6之調整裝置，其中該至少兩個DC馬達之該等第二激磁繞組(326、336)與該至少兩個DC馬達(320、330)之該等電樞繞組(322、332)及/或激磁繞組(324、334)串聯電互連。
  8. 如請求項6之調整裝置，其中該等第二激磁繞組在每一情形中皆體現為一可連接繞組。
  9. 如請求項1或2之調整裝置，其中該調整裝置包括一電壓源(310)，其經設計以控制該至少兩個DC馬達(320、330)之電樞電 壓及激磁電壓。
  10. 一種風力渦輪，其包括一轉子，該轉子包括至少一個可調整轉子葉片，其中該風力渦輪包括如前述請求項中任一項之用於調整該至少一個轉子葉片之一迎角之至少一個調整裝置。
  11. 一種用於操作一調整裝置之方法，該調整裝置用於調整一風力渦輪之一轉子葉片之一迎角，其中使用並驅動至少兩個DC馬達以達成該調整，其中使用如請求項1至9中任一項之一調整裝置及/或如請求項10之一風力渦輪。
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