CN101685988B - 定子装置、发电机、风力涡轮机及定位定子装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定子装置、发电机、风力涡轮机以及定位定子装置的方法。本发明涉及电机的定子装置，特别是风力涡轮机中的发电机的定子装置。定子装置由可旋转地安装的转子装置(62)径向地包围。在正常操作期间，定子装置不可旋转地连接至发电机的静止部分。定子装置可从与发电机的静止部分的不可旋转的连接中松开，以相对于发电机的静止部分旋转。本发明也涉及用于定位这种定子装置的方法。

Description

定子装置、发电机、风力涡轮机及定位定子装置的方法

技术领域

本发明涉及电机的定子装置，特别是风力涡轮机的发电机的定子装置。本发明还涉及发电机，例如风力涡轮机的包括这种定子装置的直驱式发电机，也涉及包括这种发电机的风力涡轮机。此外，本发明涉及定位定子装置的方法。

背景技术

每个风力涡轮机都包括发电机，例如，具有用于产生电能的发电机定子和发电机转子的大型直驱式发电机。

风力涡轮机建造在陆上以及海上。特别是当风力涡轮机建造在海上时，作为整体的风力涡轮机还有发电机暴露在恶劣的环境条件下，例如潮湿、含盐颗粒等等。如果没有充分地保护好特别是风力涡轮机的定子部件，那么由于在这样的海上环境条件下所导致的腐蚀和增加的电气故障危险的原因，发电机易遭损坏。此外，在陆上或在海上都可能出现其他的原因，使得故障可能会出现。

显然，应避免发电机的故障，但是在出现故障的情况下，应能够对该故障进行快速和容易的维护和修理。

当发电机定子包括一系列独立的定子段时是有利的。分段的定子具有如下益处：万一出现故障，可以用更换整个定子所需要成本和精力的一小部分来更换各自受影响的定子段。

但是，在单个的定子段的运输和处理期间，例如，在风力涡轮机的建造过程中，定子段可能暴露于潮湿的和含盐环境条件下，这可能造成单个定子段的损坏。

应该认识到，发电机可包括：转子元件，例如永磁体；和定子元件，例如带有绕组的叠片堆。这样的发电机，特别是风力涡轮机的发电机，可能具有很大的尺寸，如直驱式发电机或直接被驱动的发电机可能具有几米的直径。在这种发电机中，在定子段有故障的情况下，可能由于尺寸和重量的原因而难以更换定子段，尤其是在整个发电机如果不能作为整体更换时。检修孔是可用于发电机的修理或发电机部件的更换的，但是可能仍然难以经该开口而够到或更换有缺陷的部件。

特别是，困难出现在直驱式发电机结构中，在这种结构中发电机放置在轮毂和塔之间以便得到紧凑的机器构造。这种构造能够在图2中看到。此时，通常需要拆开整个轮毂以最终拆开发电机的定子。

发明内容

因此本发明的目的是提供正如一开始所提出的：定子装置、发电机、风力涡轮机以及方法，使得能够以更简单的方式执行定子部件的更换。

通过根据本发明的实施例的定子装置，通过根据本发明的实施例的发电机，通过根据本发明的实施例的风力涡轮机，以及根据本发明的实施例的方法，创造性地实现了本发明的目的。

该定子装置制成圆柱形，其中，该定子装置由可旋转地安装的转子装置（62）径向地包围，在正常操作期间，该定子装置不可旋转地连接至电机的静止部分，以及该定子装置可从与电机的静止部分的不可旋转的连接中松开，其中，定子装置能够与电机的旋转部分互锁，这导致如果旋转部分旋转，该定子装置就旋转，并且定子装置与旋转部分的互锁的执行是通过向绕组施加直流，使定子装置和转子装置之一产生电磁感应，从而使得定子装置经由电磁力锁住旋转部分。该发电机包括根据上述布置的定子装置。该风力涡轮机包括发电机，其包括根据上述布置的定子装置。该方法用于定位电机的定子装置，该定子装置制成圆柱形，该定子装置由可旋转地安装的转子装置径向地包围，其中，在正常操作期间，该定子装置不可旋转地连接至电机的静止部分，以及该定子装置可从与电机的静止部分的不可旋转的连接中松开，其中，在不正常工作期间，定子装置与电机的旋转部分互锁，这导致如果旋转部分旋转，该定子装置就旋转，并且定子装置与旋转部分的互锁的执行是通过向绕组施加直流，使定子装置和转子装置之一产生电磁感应，从而使得定子装置经由电磁力锁住旋转部分。

电机的该创造性的定子装置涉及内定子和外转子。特别是，电机可为用于风力涡轮机的发电机。具体地，本发明涉及电机的定子装置，其中，可旋转地安装的转子装置径向地包围定子装置。在正常操作（电机操作期间发电机的目的用途）期间，定子装置不可旋转地连接至发电机的静止部分。定子装置可从与发电机的静止部分的不可旋转的连接中松开，以相对于发电机的静止部分旋转。

因此，定子装置与电机的静止部分以这种方式互锁：定子装置在正常状态下保持固定至静止部分，但是，在更换定子的部件的情况下，例如，在发电机维护期间或在发电机不正常工作期间（在这些期间发电机没有负载），可使定子装置围绕静止部分旋转。

具体地，定子装置与电机的旋转部分互锁，使得如果旋转部分旋转，则定子装置随旋转部分一致地旋转，特别地，定子装置和转子装置具有相同的角速度。

定子装置可以围绕同心轴设置，并且转子装置可以支撑在该轴上。

如果维护或修理定子段是必要的并且从电机的外壳中的检修孔接近定子装置是可行的，但是从检修孔中只能够到一部分定子段时，那么本发明的定子装置是特别有利的。本发明允许经由整个定子装置围绕定子装置的旋转轴线的旋转转动而在维护阶段中重新定位定子，使得保修人员或修理设备经检修孔能够到需要更换的定子段。

很可能使用可移走的固定装置（如螺栓）以在电机的正常操作期间将电机锁定在不可旋转的位置。该固定装置，即螺栓，可随后被移走以能够使定子装置围绕它的旋转对称轴线旋转。

本发明对于非常大的电机（如用于发电的发电机）是特别有利的。由于发电机的重量，单个定子段重量可能很大并且在更换时难以操作。本发明简化了定子段的更换。如果发电机安装在风力涡轮机中或另一种具有小操作空间的紧凑装置中时，这是特别真实的。

定子装置与电机的旋转部分的互锁可以以不同的方式实施。在第一优选的实施例中，定子装置与旋转部分的互锁能够由定子装置与旋转部分的机械锁定来执行。在产生该互锁之前，定子装置的用于在电机的正常操作期间保持该定子装置不可旋转的固定装置可以拆下。此外，可以以这样的方式引导定子装置的旋转：只允许通过法兰的旋转运动，其中法兰用作定子装置的导轨。平行于转子或定子的对称轴的轴向运动被法兰阻止。可能的是，定子装置包括附接至圆柱形定子装置的轴向端部的端板，这些端板形成为精确地匹配法兰。

在第二优选的实施例中，执行定子装置与旋转部分的互锁能够通过向绕组施加直流电，意图使定子装置和/或转子装置产生电磁感应，从而使得定子装置经由电磁力锁住旋转部分（特别是为电机的转子）。在很多情况下，转子装置包括永磁体，定子装置包括围绕金属主体的绕组，即使相反的构造也是可行的，从而使得向绕组施加电流会在转子和定子的相邻部件之间产生电磁力。

如在第一实施例中所述的，在这种互锁发生之前，用于在电机的正常操作期间保持定子装置不可旋转的固定装置可被移走。此外再次设想：两个端部可用于定子装置的固定（例如经螺栓），并且在维护期间端部的旋转可由法兰引导。因而包括定子段的定子装置和它的连接的端板的定子装置可作为结合的单元旋转，并可经由电磁力由旋转转子吸引而围绕定子装置的对称轴一起旋转。尽管定子和转子由于电磁力互相吸引，但是端板提供了使定子或定子段不进行径向运动的支撑。

与其形成对比，在第三实施例中，定子或定子段的这种径向运动用作对前述提到的解决方案的替代。在正常操作期间，定子装置可包括例如经螺栓与两个端板连接的定子段。为了维修，可通过例如松开螺栓拆开端板和定子段来拆开定子装置。在这之前，可向定子的绕组施加直流电，使得在转子和定子之间施加电磁力。同样在拆开之前，可在转子和定子之间插入某种如尼龙板或橡胶板的保护材料，使得在转子和定子互相吸引时本身不会被损坏。通过施加直流电，定子装置的各个定子段能够由于电磁力的原因分别锁定至相对的转子部分。然后转子能够旋转，这也使定子段旋转，因为定子段与相对的转子部分在一起旋转。端板本身可完全不旋转。一旦处在正确的位置，定子段可被再次栓接至端部。之后可切断电流。

上文提到的所有三个实施例都通过旋转定子以允许重新定位定子来维护或修理，因此特定的待修理的定子段可被调节在特定的位置，使得保修人员能够容易接近该定子段。

也通过包括如前所述的定子装置的发电机和包括具有如前所述的定子装置的发电机的风力涡轮机创造性的实现了本发明的目的。此外，也通过定位定子装置的方法而创造性的实现了本发明的目的。

附图说明

下面将参照示意附图更加详细地说明本发明：

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了风力涡轮机的模块，

图3示出了在风力涡轮机壳体中的风力涡轮机的发电机，

图4示出了发电机的附图，

图5示出了可机械地固定至发电机的轴的发电机定子的剖面图,

图6示出了发电机的立体附图，发电机具有可电磁固定至发电机的转子的定子。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1，风力涡轮机1包括：塔2、机舱3和带有转子叶片5的轮毂4。在机舱3中布置了风力涡轮机1的多个其它部件，类似如在图2中示意性示出的发电机11。发电机11以未示出的方式连接至轮毂4，用于产生电能，并具有基本上水平对齐的中心轴线A。

图2示出了风力涡轮机1的一些基本的部件。虽然这些部件示意为互相之间具有微小的空隙，但是在组装后，这些空隙是合拢的。再一次示出了轮毂4，未示出的转子叶片附接至该轮毂。其它的分别互相邻近的部件为：发电机11、载荷/轴承部分12，载荷/轴承部分与未示出的塔2有连接。接着，进一步的部件为：控制单元13、冷却设备14、以及端盖15。

其中，在图2中，发电机11设置在塔的前面，在转子叶片和塔之间，在图3中，可替代的风力涡轮机示于风力涡轮机的壳体中，发电机11布置在塔的后面。特别是在图3中可以看到，发电机11附接至轴16。在这种设计中，发电机11的内定子由发电机11的转子径向地包围时，对发电机11的定子部件的维护可能很困难并且可能只能经轴向人孔（图3未示出）维护。

图4示出了发电机11的附图—图4A为立体附图，图4B为横截面附图。大体上只有发电机11的圆柱形壳体可以看到，包括发电机端板60。发电机11的对称轴线由线A表示。发电机端板60包括示例性人孔61，人孔61允许接近发电机11的内部部件。与外转子62和定子64一样，发电机11的内部部件也由虚线和点线表示，定子64包括定子段（未示出）和定子端板63，定子端板可选择地也可具有一些切口65用于维护或减轻重量。

定子端板63可以例如通过使用螺栓永久地固定至定子段，但是可以是可拆卸的，该螺栓可以移走以进行维护。在图4B中，也示出了风力涡轮机的围绕对称轴线A的轴16。

人孔61作为发电机端板60中的切口确保了穿过发电机端板60进行维护的可能性。即使人孔61受限于发电机端板60的截面，仍可将有缺陷的定子段调整到经由人孔61能够到它的创造性方法使维护、修理或更换有缺陷的定子部件很容易。同样，多个人孔是可能的。

将在下文讨论的所有实施例的基础是：发电机11包括内定子，内定子由外转子径向包围。“内”和“外”涉及相对于圆柱形发电机11的旋转轴线A的位置。“内”意味着更靠近轴线A，“外”意味着更远离轴线A。

在一些附图中将不会示出外转子，但是应意识到外转子将出现在发电机11中，并且本发明的一个目的是不用移走转子以进行维护。

此外，将采取的是定子装置和转子装置中的一个提供产生磁力的磁体，定子装置和转子装置中的另一个包括绕组。特别是在下面的实施例中，采取的是内定子包括嵌入在金属叠片中的绕组。磁体包含在周向外转子中。此外，采取的是在定子的周向径向外表面和转子的径向内表面之间存在窄的气隙。

在图5中发电机11示意为剖面图，示出了通过发电机11的中心轴线A的截面。附图是非常示意性的并被简化以清楚的示出该创造性的想法。在该图中，围绕旋转轴线A对中定位的是轴16的旋转部分16A。轴16的该旋转部分16A连接至轮毂（图5未示出；请见图2中的轮毂4）并且旋转部分16A连接至转子，转子未示出，转子一直围绕轴线A旋转。

围绕轴16的旋转部分16A的是轴16的固定的、不旋转部分16B（可能是经由轴承20联接的）。

在发电机11的正常操作期间，定子段50（在横截面中只示出了一个定子段）与两个端板18互相连接，端板18又与轴16的不旋转部分16B互相连接。端板18对应于图4的定子端板63。定子段50和端板18之间的互相连接简单地由端板18的外径向表面和定子段50的内径向表面之间的接触表面示意性地示于图中。任何类型的可分离的或不可分离的联接都是可能的，因为对于图5所说明的方法，定子段50持续地保持与端板18的组装。端板18和轴16的不旋转部分16B之间的互相连接可例如经由螺栓40布置成可分离的联接。在图5的横截面中，只示出了两个螺栓40，但是大量的螺栓可贯穿在轴16的不旋转部分16B的周边。

在图5中，轴16的不旋转部分16B将具有两个周向法兰41（在图5中示出该法兰带有空隙，该空隙表示用于插入螺栓40的管状槽），周向法兰41允许端板18经由螺栓40连接至法兰41。为此，各个端板18可对应于法兰41之一形成，并可通过具有相应的横断面形式而更好地适配法兰41。端板18邻近法兰41并环绕法兰41的径向内部部分可具有孔，使得螺栓40能够插过端板18的所述孔并且插过法兰41的管状槽以物理连接这两个部件。在发电机的正常操作期间，螺栓40插入，因此定子不会旋转。这是发电机想要的工作模式。

法兰41可以旋转对称，在法兰41的径向外表面上没有凸出部，使得包括定子段50和端板18的定子11可以由法兰41引导，如此使得如果没有栓接至法兰41并且不锁定至法兰41，那么定子11的轴向移动基本上是不可能的，只允许定子11围绕轴线A的旋转。

在图中，法兰41具有基本矩形横截面的环形形状。在这种情况下，在端板18的径向内端部将端板形成为U-形周向凹坑。横截面U-形基本上应很好地匹配法兰41的横截面形式，因此U-形也包括基本上成直角的侧面。

图5未示出的是，将定子暂时地物理连接至发电机的旋转部分（例如轴16的旋转部分16A或外转子的一部分）的可能性。

在故障、需要修理定子段50或需要更换定子段50的情况下，发电机11可以自动地或通过人工干预停止旋转。保修人员可能识别到定子段50中的缺陷并可能认识到，因为发电机端板60中的人孔61和待更换的定子段50可能没有正确地对准，所以经人孔61的更换不是直接可行的，因此也许不可能修理或更换该定子段50。现在出现了该创造性的想法，使得定子将以使得待更换的定子段50以关于人孔61对准的角度旋转，使得能够通过人孔61接近各个定子段。

为了旋转定子，连接端板18与轴16的不旋转部分16B的螺栓40将从整个所述周边被移走。定子和定子所有的定子段50现在相对于由法兰41引导的旋转运动可以是“自由的”。法兰41也阻止了定子段50的轴向移动。下一步是将定子段50和发电机的旋转部分互锁，如果旋转部分旋转，则互锁使定子装置和定子装置的定子段50旋转。这可通过将定子段50与轴16的旋转部分16A或转子机械锁定而发生。

通过向轴16的旋转部分16A施加旋转力可发生互锁的转子-定子整体的旋转。一个可能性是具可暂时连接至发电机11（具体而言是连接至轴16的旋转部分16A或连接至转子）的电机。如果没有附加的电机，可由风力涡轮机1的风叶5来驱动互锁的转子-定子整体。风叶5可处于空转位置以保证非常慢的旋转。为了保证旋转会非常慢，在旋转时可能会应用附加的制动器或风叶5可能被倾斜，方式是只有较小的驱动力会作用在风叶5上并随后作用在轮毂4上并作用在轴16的旋转部分16A。也可能会用齿轮以降低旋转速度，使得互锁的转子-定子整体的非常精确的旋转是可能的，而不会导致其他负面影响，例如转子或定子的损坏。

一旦调整正确后，轴16的旋转部分16A的旋转将停止。定子端板18（它的孔用于螺栓40）和法兰41的孔的精确对准可能是必要的，使得将它们再次栓接是可能的。因而可再次插入螺栓40以将定子装置固定至法兰40并从而固定至轴16的不旋转部分16B。从而可再次解除定子端50与转子或与轴的旋转部分16A的暂时固定。

处在这个位置时，最终可以经人孔61容易地移走或修理有缺陷的定子段50。为此，转子可通过销或一些其他装置被人工地锁定，使得移动部件不会伤害维修人员。

参照图6，将讨论两种替代，以允许定子装置的旋转并提供定子装置与发电机的旋转部分的互锁。在这些替代中，互锁通过将定子段经电磁力锁定至转子（具体是转子的永磁体）而执行。

出现在发电机中的用于产生三相电流的绕组和磁体将被利用。但是，代替由于转子的旋转而进入绕组的感应电流（这是发电机的正常工作），以定子绕组将被相对的转子的永磁体吸引的方式将有源直流电施加至所有或一些绕组。从转子和定子之间的事实上小的气隙的角度看，磁体可能是“很强的”并且有很多绕组，以这样的力吸引定子是可能的：如果定子不栓接至轴16的不旋转部分16B，那么定子将以与转子同样的速度旋转。因此转子和定子将被互锁，作为一个整体的旋转单元。

这个效应将被本发明的本实施例利用，使得如前述实施例，定子装置将从轴16的不旋转部分16B松开，但是，与旋转部分16A的固定将不通过将定子机械锁定至旋转部分来执行，而仅通过向绕组施加直流电来执行，因此定子段50经电磁力（在图6中通过多个振荡线以附图标记70示出）被吸引至转子62，与转子62的互锁就发生了。

因而，如前所述，可通过向轴16的旋转部分16A施加旋转力来旋转转子62。因为其与前面讨论的实施例相同，这将不进一步讨论。最后，一旦处于正确的位置，旋转可以被停止，定子装置可以再次机械地锁定至轴16的不旋转部分16B，并且将停止直流电，从而终止电磁力。因而能够执行维护工作。

对于这个实施例，需要认识到，包括所有定子段50和所有定子端板63的定子装置在物理上保持为一个整体，并且不被拆开以用于旋转定子。对于根据图5的第一实施例同样如此。

同样借助于图6说明进一步的实施例。在这个实施例中，在旋转拆开的定子段50之前将拆开定子。尽管定子被拆开，但是所有定子段50将保持在它们的相对位置上，定子段50将通过施加直流电并通过利用电磁力70被再次施力。这将在下文中说明。

开始的情况再一次是：定子段50附接至端板63，端板63经螺栓附接至轴16的不旋转部分16B。此时，将在转子62和定子段50之间的气隙71中插入某种保护片。端板63可保持与轴16的不旋转部分16B附接，并且，直流电将施加至定子段50的定子绕组。此时，一旦定子段50被吸引至转子62，那么可人工地解除定子段50与定子端板63的固定，例如，通过移走螺栓66。此时每个定子段50本身都可被吸引至转子62。一旦轴和/或转子62通过风叶5或通过额外的电机驱动旋转，那么转子62与拆开的多个定子段50将作为一个整体一起旋转，但是定子装置的定子端板63不旋转。最后，当到达正确的位置时，通过再次插入螺栓66使单个定子段50再次附接至端板63。当结束时，可以切断所述电流来停止电磁力70。

最后的实施例与前面的不同，在于当定子段50旋转时，定子端板63中的切口65也可保持在它的位置处。在特定的情况下为了通过该切口65够到有缺陷的定子部件时，这可能是有利的。

所有的实施例具有允许不用拆开整个发电机或环绕的外转子就容易接近发电机的有缺陷的内部部件的优点。

此外，这些实施例具有在调整位置期间，气隙不变化或通过插入软材料来保护气隙的优点。因此能够避免对定子段的进一步损坏。

Claims (15)

1.一种电机的定子装置，该定子装置制成圆柱形，其中：

-该定子装置由可旋转地安装的转子装置(62)径向地包围，

-在正常操作期间，该定子装置不可旋转地连接至电机的静止部分，以及

-该定子装置可从与电机的静止部分的不可旋转的连接中松开，其特征在于：定子装置能够与电机的旋转部分互锁，这导致如果旋转部分旋转，该定子装置就旋转，并且

定子装置与旋转部分的互锁的执行是通过向绕组施加直流，使定子装置和转子装置之一产生电磁感应，从而使得定子装置经由电磁力锁住旋转部分。

2.根据权利要求1所述的定子装置，其特征在于：电机为发电机(11)。

3.根据权利要求1所述的定子装置，其特征在于：电机为用于风力涡轮机(1)的发电机(11)。

4.根据权利要求1-3之一所述的定子装置，其特征在于：该定子装置包括多个定子段(50)，定子段基本形成电机的圆柱形的定子。

5.根据权利要求4所述的定子装置，其特征在于：

定子装置包括两个端板(18，63)，这两个端板用于定子段(50)的固定。

6.根据权利要求5所述的定子装置，其特征在于：包括定子段(50)的定子装置和它的结合的端板(18，63)作为结合单元是可旋转的。

7.根据权利要求5所述的定子装置，其特征在于：

定子装置具有分离的端板(18，63)和分离的定子段(50)，

定子装置的每一个定子段(50)经由电磁力独立地锁定至相对的转子部分，并且可与相对的转子部分一起旋转。

8.根据权利要求1-3之一所述的定子装置，其特征在于：轴(16)包括具有至少一个法兰(41)的固定部分(16B)，定子装置能够机械地锁定至该法兰的位置中，该位置是关于定子装置的旋转位置。

9.根据权利要求8所述的定子装置，其特征在于：所述至少一个法兰(41)将定子装置保持在轴向位置中。

10.根据权利要求8所述的定子装置，其特征在于：当定子装置旋转时，所述至少一个法兰(41)将定子装置保持在轴向位置中。

11.一种包括定子装置的发电机(11)，其特征在于：该定子装置根据权利要求1至10之一布置。

12.一种包括发电机(11)的风力涡轮机(1)，该发电机(11)包括定子装置，其特征在于：该定子装置根据权利要求1至10之一布置。

13.一种用于定位电机的定子装置的方法，该定子装置制成圆柱形，该定子装置由可旋转地安装的转子装置(62)径向地包围，其中：

-在正常操作期间，该定子装置不可旋转地连接至电机的静止部分，以及

-该定子装置可从与电机的静止部分的不可旋转的连接中松开，

其特征在于：在不正常工作期间，定子装置与电机的旋转部分互锁，这导致如果旋转部分旋转，该定子装置就旋转，并且

定子装置与旋转部分的互锁的执行是通过向绕组施加直流，使定子装置和转子装置之一产生电磁感应，从而使得定子装置经由电磁力锁住旋转部分。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：在电机的维护期间，暂时地执行定子装置与旋转部分的互锁。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于：当电机没有处于规定的正常操作中时，执行定子装置与旋转部分的互锁。