[发明专利]直驱式风力发电装置及轴承结构

说明书

技术领域

本发明涉及直驱式风力发电装置及适合于该装置的轴承结构，尤其涉及直驱式风力发电装置中的主轴及发电机的支承结构。

背景技术

风力发电装置的一个公知的形式是直驱式风力发电装置。在齿轮传动型风力发电装置中，使用增速机使风车转子的旋转的转速增大而传递给发电机，相对于此，在直驱式风力发电装置中，风车转子和发电机通过主轴直接连结。

在直驱式风力发电装置中，由于使用同步发电机，因此发电机变为大型，且发电机与主轴直接连结，因此在对主轴和发电机进行支承的结构的设计中需要作出特别的考虑。通常，通过两个轴承将主轴支承为可旋转，并设有用于防止发电机的定子外壳的旋转的结构体。以下，将用于防止发电机的定子外壳的旋转的结构体称为转矩支承件。伴随主轴的旋转，而在发电机的定子外壳上沿主轴的周方向施加有转矩。转矩支承件的作用在于对定子外壳进行支承，以使即使施加有此种转矩定子外壳也不旋转。而且，在主轴与定子外壳之间追加设有一个或两个发电机轴承，通过该发电机轴承对定子外壳进行支承。通过两个轴承将主轴支承为可旋转并通过转矩支承件对定子外壳进行支承的结构，例如在欧洲专利申请EP1327073B1号公报(专利文献1)、欧洲专利申请EP2014917A1号公报(专利文献2)及对应的日本申请的特开2009-19625号公报(专利文献3)、以及国际公开WO2007/111425号(专利文献4)中有公开。

在此，作为对风力发电机的主轴进行支承的轴承，通常使用具有调心性的轴承(容许轴的挠曲或倾斜的轴承)。这是由于在直驱式风力发电装置中的主轴上产生挠曲，因此基于需要吸收该挠曲的技术思想所作出的考虑。例如，EP1327073B1公开有对主轴进行支承的轴承容许主轴的挠曲(flexing)的情况(例如，权利要求1)。而且，在国际公开WO2007/111425号中公开有靠近旋翼头的轴承采用圆锥滚子轴承(toroidal roller bearing)，靠近发电机的轴承采用圆柱滚子轴承(spherical roller bearing)，由此，来补偿主轴的位移(misalignment)及倾斜(tilting)的情况。

然而，根据本申请发明者的研究，通过具有调心性的两个轴承对主轴进行支承，进而通过转矩支承件对定子外壳进行支承的结构不适合将定子与转子的间隙维持成一定。图8是说明其理由的图。以下，考虑图8所图示那样的通过第一轴承101、第二轴承102对主轴103进行支承，并通过转矩支承件104对沿主轴103的周方向作用在发电机105的定子外壳106上的转矩进行支承的结构。在此，l₁是旋翼头侧的载荷点与第一轴承101之间的距离，l₂是第一轴承101与第二轴承102之间的距离，l₃是第二轴承102和转矩支承件104到力作用在定子外壳106上的点的距离。而且，R1、R2是第一轴承101、第二轴承102作用的支点反作用力，R3是转矩支承件104作用在定子外壳106上的支点反作用力。

支承主轴103的两个轴承(第一轴承101、第二轴承102)都是具有调心性的轴承时，在各自的位置上产生挠曲角γ1、γ2。并且，由挠曲角γ2和风力发电装置的布局上必然存在的距离l₃，即使转矩未作用于转矩支承件104上也会产生支点反作用力R₃。在此，支点反作用力R₃的大小为转矩支承件104的弹簧常数与应变δ之积。

该支点反作用力R3由于会产生发电机105的定子与转子之间的间隙的不平衡，因此不优选。尤其是使用永久磁铁同步发电机(PMSG)作为发电机105时，间隙的不平衡的问题十分重大。详细而言，在励磁磁铁的磁吸引力或各种电力作用的永久磁铁同步发电机(PMSG)中，必须可靠地维持定子与转子之间的间隙，并减小多个振动模式位移。然而，由于支点反作用力R3，而定子外壳106移动发电机轴承的内部间隙的量，而且，定子外壳106自身也稍变形。由于内部间隙的量的位移和变形，而产生定子与转子之间的间隙的不平衡，在旋转产生的磁振动的基础上，还产生弯曲引起的模式振动。弯曲模式振动的产生由于会增大风力发电装置的振动，因此不优选。而且，产生弯曲模式振动时，疲劳载荷也增加，因此需要较高地设计结构部件(例如，主轴103、转矩支承件104、定子外壳106等)的强度，也会产生重量增大的问题。

专利文献1：欧洲专利申请EP1327073B1号公报

专利文献2：欧洲专利申请EP2014917A1号公报

专利文献3：日本特开2009-09625号公报