CN101447702B - 一种发电机和包括该发电机的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电机的定子和定子齿模块，具体而言，提供了一种包括转子(16)和定子(22)的电机。定子(22)包括多个定子齿模块(40)，并对径向磁通量流进行构造。定子齿模块(40)包括至少一块端板(39)，并且端板具有用于安装在定子框架(50)上的延伸部分(42)。定子(22)相对于该电机的转子(16)同心地设置。

Description

一种发电机和包括该发电机的风力涡轮机
技术领域
本发明大致涉及径向通量(radial flux)电机，且更具体地涉及带有具有模块化定子齿的定子的电机。
背景技术
电机(即发电机和电动机)是将机械动力转换成电力或将电力转换成机械动力的装置。电机用于发电、输电和配电，从而为工业、商业以及住宅需求提供动力。例如，风力涡轮机用来将风中的动能转化成机械动力。这种机械动力可用于特定的任务(例如磨谷物或者泵水)，或者发电机可用来将该机械动力转化成电力。风力涡轮机通常包括空气动力学机构，其用于将空气的运动转化成机械运动，然后由发电机将该机械运动转化成电力。
大部分可商业获取的风力涡轮机采用齿轮传动的传动系来将涡轮机叶片连接到风力发电机上。风使涡轮机叶片转动，涡轮机叶片使轴旋转，轴馈入齿轮箱并随后连接到风力发电机上并产生电力。齿轮传动装置旨在提高机械运动的速度。齿轮传动装置的缺点在于，它降低了风力涡轮机的可靠性，并且增大了风力涡轮机的噪声和成本。
也可以商业获取一些采用直接驱动式发电机的风力涡轮机。由于低速运转(因为没有齿轮箱)，所以这些发电机趋向于直径很大。直接驱动式发电机的大直径在工厂和风力涡轮机安装地点都呈现出可怕的运输和装配方面的挑战。随着风力涡轮机行业的成熟和技术的改进，将需要更大的额定功率来继续实现能耗的降低。在今后若干年内用于陆基涡轮机的标准额定功率预期会达到3MW或更大，而海上涡轮机预期会达到5MW或更大。
为了使风力涡轮机发展至较高的额定功率，传统的方法典型地包括增大直接驱动式发电机的直径或轴向(层叠)长度。从纯粹的发电机电磁角度而言，增大直径是优选的，但从运输、结构和装配的角度而言就不具吸引力，尤其是对于陆基涡轮机而言。在保持直径小于约4米的同时增大发电机的轴向长度，这缓解了陆基涡轮机的运输问题，但会导致具有长轴向长度的复杂而昂贵的框架结构。
在一些双边直接驱动式构造中，通过穿过定子磁轭(stator yoke)中的孔的螺栓来固定定子(例如，见美国专利No.7,154,192)。出于机械的原因，定子磁轭对将所有的极机械地连接在一起并将整个定子固定在框架上是有用的。但这些构造的缺点在于，定子磁轭给定子增加了更多的材料质量并占据了额外的空间，以致由于有限的发电机总外径而减小了内气隙的直径。所得到的发电机笨重而昂贵，并需要昂贵的冷却方法。
因此，需要一种定子构造，其在不损害额定功率的情况下导致更小的发电机/电动机总尺寸，并需要更少的材料和更便宜的冷却技术。
发明内容
简而言之，根据一个实施例，提供了一种包括转子和定子的发电机。定子包括多个对径向磁通量流进行构造的定子齿模块。定子齿模块包括至少一块端板，且该端板具有用于安装在定子框架上的延伸部分。定子相对于该发电机的转子同心地设置，多个定子齿模块中的每一个均通过延伸部分的每一个和紧固装置固定到定子框架上。
根据另一方面，提供了一种具有包括转子和定子的发电机的风力涡轮机。该定子包括多个定子齿模块。定子齿模块包括至少一块端板，且该端板具有用于安装在定子框架上的延伸部分。该定子相对于该电机的转子同心地设置，多个定子齿模块中的每一个均通过延伸部分的每一个和紧固装置固定到定子框架上。
根据本发明的一方面，发电机还包括环绕定子齿模块中的至少一个定子齿模块的导电线圈设置的冷却套，冷却套携带用于冷却定子齿模块的热传递介质。
根据本发明的又一方面，热传递介质为液体。
根据本发明的又一方面，转子为包括永磁体的单边转子，并且永磁体位于转子的内侧或表面上。
根据本发明的又一方面，转子包括内转子和外转子；定子位于内转子和外转子之间，其中，定子为无磁轭定子，并且内转子和外转子构造成承载连通定子齿模块的磁通量的周向分量。
根据本发明的又一方面，转子为包括永磁体的双边转子。
根据本发明的又一方面，转子为包括永磁体的双边转子，永磁体位于转子的表面上。
根据本发明的又一方面，转子为包括永磁体的双边转子，永磁体位于转子的表面上。
根据本发明的又一方面，加强装置由树脂类材料构成，材料构造成用于封装定子齿模块。
根据本发明的又一方面，加强装置包括至少一个支架和环，该支架附装在定子齿模块的至少一些定子齿模块上，而该环构造成固定在至少一个支架上，至少一个支架和环增强定子的刚度和刚性。
根据本发明的又一方面，发电机还包括：涂敷于定子上以增加定子的刚度的树脂。
根据本发明的又一方面，树脂包括构造成用于封装定子齿模块的树脂类材料。
根据本发明的又一方面，发电机还包括：至少一个支架和环，该支架附装在定子齿模块的至少一些定子齿模块上，而该环构造成固定在至少一个支架上，至少一个支架和环增强定子的刚度和刚性。
附图说明
当参考附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中在全部图形中类似的标号代表类似的部件，其中：
图1为风力涡轮机的截面视图，该风力涡轮机包括根据一个实施例的示范性的直接驱动式双边永磁体(PM)发电机；
图2示出了带有无磁轭定子的图1所示直接驱动式双边永磁体(PM)发电机的前端透视图；
图3示出了带有无磁轭定子的图1所示直接驱动式双边永磁体(PM)发电机的后端透视图；
图4a示出了带有一个模块化层状叠片(lamination stack)的用于图2和图3的无磁轭定子的一个示范性实施例的分解视图；
图4b示出带有一个模块化层状叠片的用于图2和图3的无磁轭定子的一个示范性实施例的透视图；
图5示出了部分地组装了定子齿模块的定子组件的一个示范性实施例的透视图；
图6示出了完全组装了定子齿模块的定子组件的一个示范性实施例的透视图；
图7示出了一个示范性实施例的视图，显示了定子组件的连接侧；
图8示出了结合了冷却套的定子齿模块的另一示范性实施例；
图9示出了成双边结构的电机的一个示范性实施例的横截面视图；
图10示出了成单边结构的电机的另一示范性实施例的横截面视图；
图11示出了成单边结构的电机的又一示范性实施例的横截面视图，该结构具有延伸的定子齿突出物；
图12示出了成单边结构的电机的又一示范性实施例的横截面视图，该结构具有延伸的定子齿突出物和安装了永磁体转子的表面；
图13示出了定子齿模块的又一示范性实施例的透视图，该定子齿模块具有位于定子框架安装支架的相对侧的加固支架。
元件列表
10  风力涡轮机
12  短舱
14  风力涡轮发电机
16  发电机转子
18  内转子部分
20  外转子部分
22  无磁轭定子
26  外气隙
28  内气隙
30  模块化定子叠片
32  定子线圈
33  定子线圈导线
34  螺栓
38  端板
39  端板
40  定子齿模块
42  端板突出物
44  端板孔
50  定子框架
52  定子框架引导窗口
54  隔环
82  水套
84  水套入口/出口
92  PM转子
94  PM转子
96  气隙
98  气隙
102  PM转子
106  气隙
110  短舱主框架
112  主轴和轴承组件
114  发电机
116  转子叶片毂
118  转子叶片
120  转子毂盖
122  短舱盖
140  塔架
1102 PM转子
1104 定子齿突出物
1106 气隙
1107 磁通量
1202 PM转子
1302 端板
1304 孔。
具体实施方式
本发明包括了尤其适用于直接驱动式或中速齿轮传动的风力涡轮机和船舶推进马达的、带有无磁轭定子的模块化磁极(modular pole)的双边或单边电机的不同实施例。在下文中描述的风力涡轮机的不同构造是基于双边的、径向磁通量的、永磁体的电机。尽管出于说明目的而描述和显示了永磁体电机，然而也可以备选地使用其它的电机，如绕线磁场(wound field)同步电机、开关磁阻电机或同步磁阻电机。这些构造有助于实现具有增大额定功率(大于2.0MW)的具有成本经济性的风力涡轮机，并且尤其有利于外径会受到运输限制的约束的陆基应用。尽管具体描述了大于2.5MW的功率级别的情况，但是本发明也同样地适用于并可以有利于各种大小的风力涡轮机，包括50kW至500kW范围内的中小型风力涡轮机和3MW及以上的大型风力涡轮机。
现在看附图，图1是作为示范性电机的风力涡轮机10的截面视图的示意性图示。风力涡轮机10包括短舱12和直接驱动式双边PM发电机14的一个示范性实施例。风力涡轮机10的PM发电机14可以包括至少两个同心的气隙(图1中未示出，参考图2在下文中讨论)，从而有效地将PM发电机14转化成两个同心的发电机。因此，本领域的技术人员将会理解，对于由外径和轴向长度限定的相同总包迹而言，PM发电机14可比单边发电机产生高得多的功率输出。因此在实践中，对于相同的总直径和轴向长度而言，2MW的单边发电机可由能够产生3MW至3.6MW的双边发电机所取代。等效的是，具有6米直径的3MW单边PM发电机可由仅具有4.3米直径的具有相同轴向长度的双边发电机所取代，从而使整个发电机能够作为一个单元而进行陆上运输。这些发电机的无磁轭构造获得了具有增大额定功率(大于2.5MW)的有成本经济性的风力涡轮机，其基于具有理想的物理包迹的直接驱动式发电机。
再参照图1，PM发电机14借助于主轴和轴承组件112安装在短舱主框架110上。短舱主框架110再通过常规偏转轴承(yaw bearing)和齿轮传动系统(未示出)安装在塔架140上。参考图2在下文描述了PM发电机14的更多详细特征。转子叶片毂116将风力涡轮机转子叶片118连接到PM发电机14上。转子毂盖120包含风力涡轮机转子叶片118和其他涡轮机转子构件。另外还设有短舱盖122，其典型地保护短舱内部构件免受外部环境(如风、雨、雪等)的影响。
图2和图3分别显示了模块化磁极风力涡轮发电机14的一个实施例的前端和后端视图。图2和图3中的发电机14包括转子16和双边无磁轭定子22，转子16带有内转子部分18和外转子部分20。无磁轭定子22也同心地设置在风力涡轮发电机14的内转子部分18和外转子部分20之间。常规电机中定子的磁轭或护铁为铁芯用钢部分，其设计成承载连接定子齿的磁通量圆周构件。可见到无磁轭定子22不具有磁轭或护铁部分，因此，内转子部分18和外转子部分20设计成承载连接定子齿的磁通量圆周构件。发电机14还包括定子框架50(图5中所示)。无磁轭定子22设置在分别位于定子的内侧和外侧的两个旋转的转子部分18，20之间。转子部分18，20示出为但不限于永磁体转子。
图4a和图4b显示了用于无磁轭定子22的一个定子齿模块40的视图及其分解图。定子22包括多个定子齿模块40，其中一个或多个线圈32围绕各自的模块层状叠片30卷绕。在一些实施例中，可能希望在定子线圈32和层状叠片30之间具有地-墙(ground wall)绝缘层。线圈32可具有一个或多个引线33，引线33从该线圈伸出并超出延伸部分42。在一个实施例中，如图4a所示，各个单独的定子齿模块40包括叠片压缩螺栓34和螺母以压缩各个模块化层状叠片30，并包括预先绝缘处理的导体线32。叠片压缩螺栓34和螺母可优选地由带电绝缘层的非铁磁性材料，如300系列的不锈钢或碳钢制成。在一个具体实施例中，各定子齿模块40均包括I形层状叠片30。尽管图4中显示了两个螺栓34，但根据系统需要，也可对各层状叠片30使用附加的螺栓以增加机械刚度。
如图4a所示，定子齿模块40还包括端板38和端板39，并且，可使用螺栓(未示出)或其他紧固装置来将端板39和相应的定子齿模块40附接到定子框架50上。端板38，39可具有与层状叠片30类似的形状，并且在一些实施例中，其具有稍小于层状叠片30的尺寸。稍小的尺寸允许端板38，39的边缘从层状叠片往内凹陷，并可证实有利于空气间隙面。端板38，39可具有相对于层状叠片30的配合孔。端板39包括延伸部分42，延伸部分42带有整体孔44，整体孔44可以适当的紧固件(如螺栓)来使用以将定子齿模块40固定在定子框架50上。在图4a和图4b中显示的实施例中，一个延伸部分42具有一个孔44，但是每个延伸部分也可使用多个孔。例如，可在各延伸部分42上放置两个或多个孔，用于将端板39固定到定子框架50上(借助于螺栓或其他适当的紧固件)。在安装之前，可对各定子齿模块40进行通常用于大型电机的适当的绝缘树脂的真空压力浸渍(VPI)。可先对由非铁磁性材料(如300系列的不锈钢)或铁磁性材料(如碳钢或低合金钢)的薄片、板或棒料进行冲压或切割，然后压制成形而得到端板38，39。备选地，端板38，39可由延性铁铸造而成。
图5显示了部分地组装有定子齿模块40的定子框架50的一个实施例。定子框架50可由钢、铸造延性铁或其他适当的材料制成。一系列的孔52以圆周图案排列，并形成用于冷却的可选轴向气流的引导窗口和通道。定子线圈32的导线33可被引导穿过这些窗口或孔52。导线可穿过这些窗口并允许连接到定子框架50的“后”侧。若端板39为铁磁性材料，则优选地与定子框架50同心地定位一个或多个隔环54，以防止大量的磁通量穿过定子框架50流通。隔环54可由非铁磁性材料(如不锈钢、铝、纤维增强塑料)，并具有与位于定子齿模块延伸部分上的孔44对齐的孔，使得定子齿模块44可刚性地附接到定子框架50上。在一个实施例中，安装螺栓(未示出)由非铁磁性材料形成，并可以用来通过隔环54将定子齿模块44附接到定子框架50上。若端板39和/或定子框架50由非铁磁性材料制成，则可不需要一个或更多的隔环54。
图6显示了用于双边电机的完整的定子22的一个实施例。如果需要，定子22可可选地装入树脂(如环氧树脂)中，以进一步增强定子齿模块组件的机械刚度。在这种情况下，如果需要，可使用临时隔离物(未示出)来保持相邻线圈间的距离以允许冷却气流的进入。也可对定子齿模块22进行通用的真空压力浸渍(即VPI)，以进一步增强定子绕组绝缘系统(尤其是端部连接处)的环境密封性和完整性。
图7显示了带框架壳体的一个示例的定子22的“后”侧或连接侧。特别根据具体应用的需要或要求的相位、极和回路的数量，借助导线33可通过钎焊(或其他适当的方法)构造线圈相互之间和铜环(未示出)的组合的线圈连接。在图7中显示的实施例中，定子22具有36个定子齿模块40，并将优选地结合24-极转子使用，以每相每极提供1/2个槽。较大和/或较慢的电机可以具有更多磁极和定子齿模块，例如对于每相每极1/2个槽的结构，电机可具有96个槽(定子齿模块)、64个极和3个相位。备选的实施例可包括但不限于，每相每极2/5个槽(例如，96个槽(定子齿模块))、80个极和3个相位和每相每极2/7个槽(例如，96个槽(定子齿模块)、112个极和3个相位)。
图8显示了具有水套冷却的定子齿线圈模块。在一个实施例中，水套82可包括绕绝缘定子线圈32卷绕的铜管。该铜管可单螺旋、双螺旋卷绕，或为其它结构。在双螺旋结构中，铜管的中点可折弯180度，使得该管的流入流出端84相邻并彼此平行。绕定子线圈的管的螺旋卷绕可从其中点开始。该方法的一个优点在于，可减少跨越铜管长度的感应电压。在套82中循环的热冷却介质可以是水、防冻剂、水和防冻剂的混合物或任何其他适当的冷却流体。
图9-12显示了具有备选的转子结构的本发明的若干实施例的局部横截面图。这些实施例的每一个均可以使用或不使用可选的水套冷却(如图8所示)。图9显示了具有双内永磁体(IPM)转子92，94和两个气隙96，98的双边结构。图10显示了具有单内永磁体(IPM)转子102和一个气隙106的单边结构。定子磁轭可由分开的叠片层形成，它们被直接或间接地压缩和螺栓联接到定子框架50上。图10的转子102可位于定子的内侧或外侧(如图所示)。尽管定子(如图10-12中的实施例所示)不再是无磁轭的，但是仍将保定子齿模块的许多优点。
图11显示了具有单IPM转子1102和一个气隙1106的单边结构。定子磁轭通过延伸齿“突出物”一体地结合在定子齿模块中，使得相邻的定子齿模块大致沿径向界面线而几乎没有间隙地配合。齿突出物1104沿径向延伸(与图9和图10中所示的实施例相比)，以调节齿间共享的磁通量，该磁通量主要沿圆周方向(用1107表示)流通。图12显示了与图11中所示类似的单边结构。然而，与图9-11所示的类型相反，转子1202是表面安装永磁体的类型。在任一个实施例中，转子可以是表面安装类型，内永磁体类型或两者的结合。图11和图12的转子1102和1202可分别位于定子内侧或外侧(如图所示)。
图13显示了定子齿模块的另一个实施例。在该实施例中，端板38(见图4a和图4b)由端板1302所取代。端板1302构造成使得加强环(未示出)可以附装到其端部。类似于端板39，可优选地先对由非铁磁性材料(如300系列的不锈钢)或铁磁性材料(如碳钢或低合金钢)的薄片、板或棒料进行冲压或切割，然后压制成形而得到端板1302。备选地，端板1302可由例如延性铁铸造而成。优选的是，加强环由非铁磁性材料形成，并可以用适当的紧固件(如非磁性的螺栓)穿过孔1 304而附装。通过端板1302，加强环将给定子组件赋予附加的箍撑、径向和圆周方向的刚度。这可让定子组件能够有增长的轴向叠片长度和/或更多槽数和极数。加强环可通过绝缘螺栓附装，以防止感应循环电流，并优选地由非铁磁性材料形成，以防止附加的循环磁通量(即泄漏)，该磁通量可连接定子线圈。若端板1302为非铁磁性材料和/或在加强环和端板1302之间放置了非铁磁性材料的隔离物，则加强环也可为非铁磁性材料。
与带定子磁轭的双边发电机相比，在本文所描述的各种发电机的结构中，无磁轭模块定子导致较小的发电机。由于移除了定子磁轭，对于给定的不变的外转子外径，可扩大内气隙直径。因此，内转子可产生更大转矩和功率，这使得对于给定功率的发电机允许较短的叠片。且因此整体的发电机长度可更短。在一些实施例中，对于内气隙和外气隙相当的气隙都被减小。由于对于给定的气隙磁通量密度，可使用较细的永磁体，所以这是有利的。
尽管在本文中只显示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到多种变型和变化。因此可以理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些变型和变化。

Claims (23)

1.一种发电机，包括：
转子；和
定子，其包括多个定子齿模块，并对径向磁通量流进行构造，所述定子齿模块包括至少一块端板，其中，所述至少一块端板中的至少一块具有用于安装在定子框架上的延伸部分，
其中，所述定子相对于所述转子同心地设置，并且所述多个定子齿模块中的每一个均通过所述延伸部分的每一个和紧固装置固定到所述定子框架上。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，还包括：
环绕所述定子齿模块中的至少一个定子齿模块的导电线圈设置的冷却套，所述冷却套携带用于冷却所述定子齿模块的热传递介质。
3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述热传递介质为液体。
4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述转子为包括永磁体的单边转子，并且所述永磁体位于所述转子的内侧或表面上。
5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，
所述转子包括内转子和外转子；
所述定子位于所述内转子和所述外转子之间，
其中，所述定子为无磁轭定子，并且所述内转子和所述外转子构造成承载连通所述定子齿模块的磁通量的周向分量。
6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述转子为包括永磁体的双边转子。
7.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述转子为包括永磁体的双边转子，所述永磁体位于所述转子的表面上。
8.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括：
用于增加所述定子的刚度的加强装置。
9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述加强装置由树脂类材料构成，所述材料构造成用于封装所述定子齿模块。
10.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述加强装置包括至少一个支架和环，该支架附装在所述定子齿模块的至少一些定子齿模块上，而该环构造成固定在所述至少一个支架上，所述至少一个支架和所述环增强所述定子的刚度和刚性。
11.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括：
涂敷于所述定子上以增加所述定子的刚度的树脂。
12.根据权利要求11所述的发电机，其特征在于，所述树脂包括构造成用于封装所述定子齿模块的树脂类材料。
13.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括：
至少一个支架和环，该支架附装在所述定子齿模块的至少一些定子齿模块上，而该环构造成固定在所述至少一个支架上，所述至少一个支架和所述环增强所述定子的刚度和刚性。
14.一种包括发电机的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：
发电机的转子；以及
发电机的定子，其包括多个定子齿模块，所述定子齿模块包括至少一块端板，所述至少一块端板中的至少一块具有用于安装在定子框架上的延伸部分；
其中，所述发电机的所述定子相对于所述发电机的所述转子同心地设置，并且所述多个定子齿模块中的每一个均通过所述延伸部分的每一个和紧固装置固定到所述定子框架上。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括：
环绕所述定子齿模块中的至少一个定子齿模块的导电线圈设置的冷却套，所述冷却套携带用于冷却所述定子齿模块的热传递介质。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮机，其特征在于，所述热传递介质为液体。
17.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子为包括永磁体的单边转子，并且所述永磁体位于所述转子的内侧或表面上。
18.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子包括内转子和外转子，且所述定子位于所述内转子和所述外转子之间，其中，所述定子为无磁轭定子，并且所述内转子和所述外转子构造成承载连通所述定子齿模块的磁通量的周向分量。
19.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子为包括永磁体的双边转子。
20.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子为包括永磁体的双边转子，所述永磁体位于所述转子的表面上。
21.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括：
用于增加所述定子的刚度的树脂，所述树脂位于所述定子齿模块的每一个上。
22.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其特征在于，所述树脂包括封装在所述定子齿模块的每一个上的树脂类材料。
23.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括：
至少一个支架和环，所述至少一个支架附接在所述定子齿模块的至少一个上，并且所述环构造成固定在所述至少一个支架上，所述至少一个支架和所述环增强所述定子的刚度和刚性。
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