CN102088211A - 确保电机中的空气间隙的设置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设立和确保例如发电机的电机中的空气间隙的设置。根据本发明，电机包含定子装置（108，208，308）和转子装置（114，214，314）。所述转子装置（114，214，314）围绕纵轴线（A）旋转。所述转子装置的至少部分与所述定子装置的部分相互作用来产生电功率。所述转子装置的所述部分和所述定子装置的所述部分之间的距离限定空气间隙。所述定子装置的所述部分与所述转子装置的所述部分沿一定长度相对。所述空气间隙的横截面沿这个长度变化，从而所述空气间隙关于这个参考长度是不均一的。

Description

确保电机中的空气间隙的设置

技术领域

本发明涉及设立和确保运转的电机中的空气间隙的设置。

优选地，电机是如在风力涡轮机中使用的“直接驱动”发电机那样的发电机。

背景技术

每个发电机均具有位于发电机的定子元件和转子元件之间的空气间隙。转子元件包含例如永磁体，而定子元件包含堆叠层压板，该层压板支撑定子线圈的至少一个绕组。

空气间隙应该相对较小以便确保发电机具有高效率。因此，空气间隙应该处于仅几毫米的范围内。对于发电机（类似于直接驱动发电机或被直接驱动的发电机）而言，由于其尺寸原因这是非常困难的。直接驱动发电机具有几米的直径。

转子元件和定子元件通常被设置成彼此相对，因此空气间隙必须确保当发电机运转时它们不接触。

因此，一方面空气间隙应该非常小来确保发电机的效率，而另一方面需要空气间隙具有一定宽度来防止机械损坏。

特别对于直接驱动发电机而言，难以将空气间隙保持在仅几毫米的范围内。因此定子元件和转子元件需要非常坚固、巨大且笨重的支撑结构。

发电机的空气间隙由如下因素确定：

-作为转子一部分的永磁体的容差，

-作为定子一部分的堆叠层压板的容差，以及/或者

-作为定子线圈一部分的线圈绕组的容差。

而且，发电机的其他元件也影响空气间隙的尺寸。

空气间隙可以被设计成使得转子和定子的元件不接触，且同时转子绕其专用旋转轴线旋转。

已知用于直接驱动发电机的不同轴承设置。其中一种是所谓的“双轴承”设置。这种设置可以例如从文献EP 1 641 102 A1和US 6,483,199B2中得知。

根据这些文献，发电机的转子被连接到风力涡轮机的轴。轴本身被两个轴承支撑。发电机的定子经由轴承被附连到一侧的所谓“静止内轴”。因此转子相对于定子围绕静止内轴旋转。

由于定子的单侧支撑，所以难以保持空气间隙恒定或至少几乎恒定。而且，重力也作用于大型发电机，从而影响空气间隙。转子部件也由于部件的质量惯性而影响空气间隙。在发电机运转或工作期间，作用在发电机元件上的磁力以及发电机的振动也影响空气间隙的宽度。

双轴承设置由所谓的“单轴承设置”所代替。这种技术例如被文献US2006/0152014A1和文献WO02/057624A1所公开。静止内轴承部分被附连到静止内轴，并且旋转外轴承部分支撑直接驱动发电机的转子。

图4示出了“单轴承”设置。风力涡轮机401包括直接驱动发电机402，其被设置在风力涡轮机401的塔403的逆风侧。

塔凸缘404被设置在塔403的顶部。基板405附连于塔凸缘404。风力涡轮机401包括这里未示出的偏航系统，该偏航系统用于使得风力涡轮机401的基板405围绕轴线Y转动。

风力涡轮机401包括静止轴406，而轴406具有中心轴线A。静止轴406的后侧被附连到保持装置407。直接驱动发电机402的定子装置408被设置在静止轴406的前侧上。

定子装置408包括定子支撑结构409和层压堆410。层压堆410支撑绕组411。

定子支撑结构409包括用于层压堆410的两侧支撑的两个支撑元件412。支撑元件412是环形的。它们被附连到静止轴406的外侧。

中空圆筒形支撑元件413被附连到环形支撑元件412的外端。中空圆筒形支撑元件413承载环形层压堆410和绕组411。

转子装置414被设置成围绕定子装置408。转子装置414包括前端板415和圆柱元件417。前端板415是环形的，而圆柱元件417是中空的。

圆柱元件417包括多个永磁体418，所述永磁体418被安装到中空圆柱元件417的内侧上。

永磁体418被设置成与层压堆410和被支撑的绕组相对。

具有近似5mm宽度的空气间隙419位于永磁体418和层压堆410之间。

前端板415经由轴承420被设置在静止轴406上。轴承420能够沿中心轴线A的两个方向传递轴向负载。例如在DE 201 16 649 U1中公开了适当的轴承。

轴承420的静止部分421被附连到静止轴406。轴承420的旋转部分422被连接到安装环423。前端板415以及毂424被附连到安装环423。毂424包括用于这里未示出的风力涡轮机转子叶片的安装装置425。

这里示出的空气间隙419是一致的以便在转子的元件和定子的元件之间形成恒定距离。

由于仅使用一个轴承来支撑转子装置，所以这种设计是非常引人注意的。另一方面，单轴承设置具有一些上面提及的缺点。

发明内容

因此，本发明的目标在于提供用于设立、调节并确保电机（特别是大型发电机，例如直接驱动发电机）中的空气间隙的改进设置。

该目标通过权利要求1的特征实现。优选构造是从属权利要求的目标。

根据本发明，电机包含定子装置和转子装置。转子装置围绕纵轴线旋转或回转。这个轴线可以是电机的纵轴线。

转子装置的至少部分与定子装置的部分相互作用从而产生电功率。转子装置的所述部分和定子装置的所述部分之间的距离限定空气间隙。定子装置的所述部分沿一定长度与转子装置的所述部分相对。

空气间隙的横截面沿这个长度变化，以便空气间隙相对于这个参考长度是不一致的。

空气间隙具有相对于纵轴线的旋转几何尺寸。优选地，空气间隙被形成为例如类似中空截头圆锥，而这个截头圆锥的轴线是发电机的纵轴线。

因为电机的空气间隙是不一致的，所以其相对于电机的纵轴线呈现不一致的径向宽度。这允许对作用于转子的运动部件的变化力进行补偿。

优选地，电机包括单轴承装置。这意味着仅一个轴承用作转子装置的单侧支撑。轴承连接转子装置和定子装置，而转子装置相对于电机的纵轴线具有被支撑的第一端和优选地未被支撑的第二端。

优选地电机是发电机。

优选地发电机包含外部转子和内部定子，以便转子围绕定子回转。

优选地，发电机具有带有中心轴线的静止轴。定子装置被设置在静止轴的外侧。转子装置实质上被设置成围绕定子装置。在发电机的前侧，转子由主轴承至少间接地支撑或设置在静止轴上。

优选地，发电机是直接驱动发电机。

优选地，发电机用于风力涡轮机。

由于所发明的设置，所以延长了电机的使用寿命。补偿了经由轴承并作用在转子上的变化力。

而且通过根据本发明的设置补偿了轴承内的容差。

如上所述，在电机运转期间空气间隙的宽度易于变化。当根据本发明形成的空气间隙考虑到所施加的力时，会减小或甚至消除运转期间转子装置碰撞定子装置的风险。

附图说明

现在借助于附图更加详细地描述本发明。附图示出了不同示例并且不限制本发明的范围。

图1示出了根据本发明的第一构造，

图2示出了根据本发明的第二构造，

图3示出了根据本发明的第三构造，以及

图4示出了在本申请背景技术部分中描述的直接驱动发电机的已有“单轴承设置”。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一构造。风力涡轮机101包括直接驱动发电机102，该直接驱动发电机102被设置在风力涡轮机101的塔103的逆风侧。

塔凸缘104被设置在塔103的顶部。基板105附连于塔凸缘104。风力涡轮机101包括这里未示出的偏航系统，该偏航系统用于使得风力涡轮机101的基板105围绕轴线Y转动。

风力涡轮机101包括静止轴106，而轴106具有中心轴线A。静止轴106的后侧被附连到保持装置107。直接驱动发电机102的定子装置108被设置在静止轴106的前侧。

定子装置108包括定子支撑结构109和层压堆110。层压堆110支撑至少一个绕组111。

定子支撑结构109包括用于层压堆110的两侧支撑的两个支撑元件112。支撑元件112是环形的。它们被附连到静止轴106的外侧。

在图2的视图中，环形支撑元件112具有相同直径，并且因此具有相同的构造高度。

中空圆筒形支撑元件113被附连到环形支撑元件112的外端。中空圆筒形支撑元件113承载环形层压堆110和绕组111。

转子装置114被设置成围绕定子装置108。转子装置114包括前端板115和圆柱元件117。前端板115是环形形状，而圆柱元件117是中空的。

圆柱元件117包括多个永磁体118，所述永磁体118被安装到中空圆柱元件117的内侧。

永磁体118被设置成与层压堆110和被支撑的绕组相对。

具有近似5mm宽度的空气间隙119位于永磁体318和层压堆110之间。

前端板115经由轴承120被设置在静止轴106上。轴承120能够沿中心轴线A的两个方向传递轴向负载。例如在DE 201 16 649 U1中公开了适当的轴承。

轴承120的静止部分121被附连到静止轴106。轴承120的旋转部分122被连接到安装环123。前端板115以及毂124被附连到安装环123。毂124包括用于这里未示出的风力涡轮机转子叶片的安装装置125。

根据本发明，永磁体118具有不同尺寸并且因此具有不同高度H11、H21。

空气间隙119的第一侧S1邻近前端板115。这个第一侧S1的永磁体118具有预定第一高度H11。由于这个第一高度H11，因此限定了空气间隙119的第一宽度W1。

第一宽度W1以如下方式被计算和设计，即使得如果发电机102工作则阻止定子装置108和转子装置114的相应部件之间接触。

空气间隙119的第二侧S2与第一侧S1相对。这个第二侧S1的永磁体118具有比第一高度H11小的预定第二高度H21。由于这个第二高度H21，限定了空气间隙119的第二宽度W2。

由于轴承元件120、122、123的位置，因此第一高度H11大于第二高度H21。

第二宽度W2以如下方式被计算和设计，即使得如果发电机102工作则阻止定子装置108和转子装置114的相应部件之间接触。

由于第一宽度W1和第二宽度W2的原因，空气间隙119具有不一致的形状。

这允许补偿和吸收：

-作用在转子部件上的重力，

-经由轴106从毂124被引到发电机102的空气动力学负载，

-由发电机102的旋转元件产生的质量惯性，

-作用在发电机的元件上的磁力，或者

-振动。

因此空气间隙119的宽度处于预定容差内，即使是在发电机重载作业时也是如此。

参考下一附图2，必须注意到在图1中用于层压堆110的两侧支撑的两个支撑元件112具有相等长度或高度H11、H21。

图2示出了根据本发明的第二构造。

风力涡轮机201包括直接驱动发电机202，该直接驱动发电机202被设置在风力涡轮机201的塔的逆风侧。

风力涡轮机201包括静止轴206，而轴206具有中心轴线A。静止轴206的后侧被附连到如图1所述及所示的保持装置。

直接驱动发电机202的定子装置208被设置在静止轴206的前侧。

定子装置208包括定子支撑结构209和层压堆210。层压堆210支撑至少一个绕组211。

定子支撑结构209包括用于层压堆210的两侧支撑的两个支撑元件212。支撑元件212是环形的。它们被附连到静止轴206的外侧。

中空圆筒形支撑元件213被附连到环形支撑元件212的外端。中空圆筒形支撑元件213承载环形层压堆210和绕组211。

转子装置214被设置成围绕定子装置208。转子装置214包括前端板215和圆柱元件217。前端板215是环形形状，而圆柱元件217是中空的。

圆柱元件217包括多个永磁体218，所述永磁体218被安装到中空圆柱元件217的内侧。

永磁体218被设置成与层压堆210和被支撑的绕组211相对。

具有近似5mm宽度的空气间隙219位于永磁体218和层压堆210之间。

前端板215经由轴承220被设置在静止轴206上。轴承220能够沿中心轴线A的两个方向传递轴向负载。例如在DE 201 16 649 U1中公开了适当的轴承。

轴承220的静止部分221被附连到静止轴206。轴承220的旋转部分222被连接到安装环223。前端板215以及毂（参考图1）被附连到安装环223。

根据本发明，用于支撑层压堆210的两个环形支撑元件212具有不同直径，因此最终的空气间隙219是不一致的。

空气间隙219的第一侧S1邻近前端板215。环形支撑元件212在第一侧S1具有预定第一直径D12。由于这个第一直径D12的原因，限定了空气间隙219的第一宽度W1。

第一宽度W1以如下方式被计算和设计，即使得如果发电机202工作则阻止定子装置208和转子装置214的相应部件之间接触。

空气间隙219的第二侧S2与第一侧S1相对。环形支撑元件212在第二侧S2处具有比第一直径D12小的预定第二直径D22。由于这个第二直径D22的原因，限定了空气间隙219的第二宽度W2。

由于轴承元件220、222、223的位置，因此第一直径D12大于第二直径D22。

第二宽度W2以如下方式被计算和设计，即使得如果发电机202运转则阻止定子装置208和转子装置214的相应部件之间接触。

由于第一宽度W1和第二宽度W2的原因，空气间隙219具有不一致的形状。

这允许补偿和吸收：

-作用在转子部件上的重力，

-经由轴206从毂被引到发电机202的空气动力学负载，

-由发电机202的旋转元件产生的质量惯性，

-作用在发电机的元件上的磁力，或者

-振动。

因此空气间隙219的宽度处于预定容差内。

参考图1，应该注意到在图2中永磁体218具有相同的恒定尺寸并且因此具有相同高度。

在这种构造中，两个环形支撑元件212和层压堆210的支撑件构成或形成截头圆锥形。

图3示出了根据本发明的第三构造。

风力涡轮机301包括直接驱动发电机302，其被设置在风力涡轮机301的塔的逆风侧。

风力涡轮机301包括静止轴306，而轴306具有中心轴线A。静止轴306的后侧被附连到如图1所述及所示的保持装置。

直接驱动发电机302的定子装置308被设置在静止轴306的前侧。

定子装置308包括定子支撑结构309和层压堆310。层压堆310支撑至少一个绕组311。

定子支撑结构309包括用于层压堆210的两侧支撑的两个支撑元件312。

参考图2，支撑元件312是环形的并且具有相同直径。它们被附连到静止轴306的外侧。

中空圆筒形支撑元件313被附连到环形支撑元件312的外端。中空圆筒形支撑元件313承载环形层压堆310和绕组311。

转子装置314被设置成围绕定子装置308。转子装置314包括前端板315和圆柱元件317。前端板315是环形的，而圆柱元件317是中空的。

圆柱元件317包括多个永磁体318，所述永磁体318被安装在中空圆柱元件317的内侧。

参考图1，永磁体318具有相同尺寸并且因此具有相同高度。

永磁体318被设置成与层压堆310和被支撑的绕组311相对。

具有近似5mm宽度的空气间隙319位于永磁体318和层压堆310之间。

前端板315经由轴承320被设置在静止轴306上。轴承320能够沿中心轴线A的两个方向传递轴向负载。例如在DE 201 16 649 U1中公开了适当的轴承。

轴承320的静止部分321被附连到静止轴306。轴承320的旋转部分322被连接到安装环323。前端板315以及毂（参考图1）被附连到安装环323。

根据本发明，层压堆310相对其长度且沿其长度具有不同高度。因此层压堆310的高度沿其长度相对于空气间隙319变化。

因此，最终的空气间隙319是不一致的。

空气间隙319的第一侧S1邻近前端板315。层压堆310在第一侧S1具有预定第一高度H13。由于这个第一高度H13的原因，限定了空气间隙319的第一宽度W1。

第一宽度W13以如下方式被计算和设计，即使得如果发电机302工作则阻止定子装置308和转子装置314的相应部件之间接触。

空气间隙319的第二侧S2与第一侧S1相对。层压堆310在第二侧S2具有比第一高度H13小的预定第二高度H23。由于这个第二高度H23的原因，限定了空气间隙219的第二宽度W2。

由于轴承元件320、322、323的位置，因此第一高度H13大于第二高度H23。

第二宽度W2以如下方式被计算和设计，即使得如果发电机302工作则阻止定子装置308和转子装置314的相应部件之间接触。

由于第一宽度W1和第二宽度W2的原因，空气间隙319具有不一致的形状。

这允许补偿和吸收：

-轴承的容差，

-作用在转子部件上的重力，

-经由轴206从叶片和毂被引到发电机302的空气动力学负载，

-由发电机302的旋转元件产生的质量惯性，

-作用在发电机302的元件上的磁力，或者

-振动。

因此空气间隙319的宽度处于预定容差内。

参考图1，应该注意到永磁体318具有相同的恒定尺寸并且因此具有相同高度。

在这种构造中，定子装置308沿轴线A的轴线方向具有不同尺寸。

只要能在定子装置和转子装置之间建立不一致的空气间隙且同时转子装置的部分与定子装置的部分相互作用产生电功率，则所示构造的组合就同样可以形成本发明的一部分。

空气间隙由转子装置的部分和定子装置的部分之间的距离限定，而定子装置的部分与转子装置的部分沿一定长度相对。空气间隙的横截面沿这个一定长度变化，从而空气间隙相对于该参考长度是不一致的。

因此，空气间隙的径向宽度或横截面逐渐变化。优选地，其从机器的被支撑的端部（主轴承附近）开始发展并且朝向转子-定子装置的未支撑端部延伸。

优选地，空气间隙的径向宽度或横截面以阶梯方式增加。

优选地，永磁体的高度和/或用于承载永磁体的基板的高度以阶梯方式变化。

优选地，电机包括外部转子和内部定子，而转子围绕定子回转。定子装置在其外表面上是圆筒形的，而定子装置在其内表面上被成形为截头圆锥形。

优选地，电机包括内部转子和外部定子，而定子围绕转子回转。定子装置在其内表面上是圆筒形的，而转子装置在其外表面上是截头圆锥形的。

应该注意到，本发明特别适用于包含成段定子的发电机。这种发电机包括例如在生产厂房或工地连接到定子的多个定子区段。这种结构特别适用于风力涡轮机的直接驱动发电机，因为它们具有通常4米或更大的直径。

特别地，通过在定子旁边的调节来确保空气间隙的本发明的构造适用于这种类型的发电机，因为在单个定子区段被放在一起来形成整个定子之前可以容易地在所述定子区段旁边进行调节。

例如通过被置于定子区段和定子支撑件之间的小的位移元件或类似件来实现不一致的空气间隙。其被放置成使得整个定子的外表面具有截头圆锥形。

优选地，定子支撑件是圆筒形结构，随后其按圆锥方式被机加工。

Claims (14)

1.一种确保电机（102，202，302）中的空气间隙（119，219，319）的设置，

其中所述电机包含定子装置（108，208，308）和转子装置（114，214，314），

其中所述转子装置（114，214，314）围绕纵轴线（A）旋转，

所述转子装置的至少部分（118，218，318）与所述定子装置的部分（111，211，311）相互作用以产生电功率，

其中所述转子装置的所述部分和所述定子装置的所述部分之间的距离限定空气间隙，

其中所述定子装置的所述部分与所述转子装置的所述部分沿一定长度相对，以及

其中所述空气间隙的横截面沿这个长度变化，从而所述空气间隙相对于该参考的一定长度是不一致的。

2.根据权利要求1所述的设置，

其中所述定子装置（108，208，308）包含被构造成支撑定子线圈的至少一个绕组（111，211，311）的层压堆（110，210，310），

其中所述转子装置（114，214，314）包含多个永磁体（118，218，318），

其中所述空气间隙（119，219，319）的横截面由沿所述一定长度定位的所述永磁体（118）的尺寸的变化来构造，以及/或者

其中所述空气间隙（119，219，319）的横截面由所述层压堆的形状沿所述一定长度的变化来构造。

3.根据权利要求1或2所述的设置，其中所述定子装置（108，208，308）和所述转子装置（114，214，314）经由单个主轴承（120-123，220-223，320-323）连接。

4.根据权利要求1-3中一项权利要求所述的设置，

其中所述定子装置（108）包括定子支撑结构（109，209，309）和层压堆（110，210，310），

其中所述层压堆（110，210，310）被构造成支撑所述定子线圈的所述绕组（111，211，311），

其中所述定子支撑结构（109，209，309）包括用于所述层压堆（110，210，310）的两侧支撑的两个支撑元件（112，212，312），

其中所述支撑元件（112，212，312）是环形的，

其中所述支撑元件（112，212，312）经由所述单个主轴承（120-123，220-223，320-323）被连接到所述转子装置（104，204，304），

其中所述环形支撑元件（112，212，312）的外端被附连到中空圆筒形支撑元件（113，213，313），以及

其中所述中空圆筒形支撑元件（113，213，313）承载所述环形层压堆（110，210，310）和所述绕组（111，211，311）。

5.根据权利要求1-4中一项权利要求所述的设置，

其中所述转子装置（114，214，314）包含前端板（115，215，315）和圆柱元件（117，217，317），

其中所述前端板（115，215，315）是环形的，而所述圆柱元件（117，217，317）是中空的，

其中所述圆柱元件（117，217，317）承载永磁体（118，218，318），所述永磁体被安装在所述中空圆柱元件（117，217，317）的内侧，

其中所述永磁体（118，218，318）被设置成与所述层压堆（110，210，310）和被支撑绕组（111，211，311）相对，

其中所述空气间隙（119，219，319）位于所述永磁体（118，218，318）和所述定子线圈的所述被支撑绕组（111，211，311）之间。

6.根据权利要求4或5所述的设置，

其中所述永磁体（118）具有不同尺寸并且因此相对于所述空气间隙具有不同高度（H1，H2），

其中所述空气间隙（119）的第一侧（S1）邻近所述前端板（115）并且其中所述空气间隙（119）的第二侧（S2）与所述第一侧（S1）相对，

其中位于所述第一侧（S1）的所述永磁体（118）相对于所述纵轴线（A）具有预定第一高度（H1），

其中位于所述第二侧（S2）的所述永磁体（118）相对于所述纵轴线（A）具有预定第二高度（H2），以及

所述第二高度（H2）小于所述第一高度（H1）。

7.根据权利要求6所述的设置，其中所述环形支撑元件（112）具有相同直径。

8.根据权利要求4或5所述的设置，

其中所述环形支撑元件（212）的两个元件相对于所述纵轴线（A）具有不同直径，

其中所述空气间隙（219）的第一侧（S1）邻近所述前端板（215）并且其中所述空气间隙（219）的第二侧（S2）与所述第一侧（S1）相对，

其中所述环形支撑元件（212）的第一元件位于所述第一侧（S1）并且具有预定第一直径（D1），

其中所述环形支撑元件（212）的第二元件位于所述第二侧（S2）并且具有预定第二直径（D2），以及

所述第二直径（D2）小于所述第一直径（D1）。

9.根据权利要求8所述的设置，其中所述永磁体（218）具有相同尺寸。

10.根据权利要求4或5所述的设置，

其中所述层压堆（310）被构造成使得所述层压堆（310）的尺寸沿其长度在其高度上变化，

其中所述空气间隙（319）的第一侧（S1）邻近所述前端板（315）并且其中所述空气间隙（319）的第二侧（S2）与所述第一侧（S1）相对，

其中所述层压堆（310）在所述第一侧（S1）相对于所述纵轴线（A）具有预定第一高度（H1），

其中所述层压堆（310）在所述第二侧（S2）具有预定第二高度（H2），以及

所述第二高度（H2）小于所述第一高度（H1）。

11.根据权利要求1所述的设置，其中所述电机是发电机。

12.根据权利要求1所述的设置，其中所述发电机包含外部转子和内部定子，从而所述转子围绕所述定子回转。

13.根据权利要求1所述的设置，

其中所述发电机具有带有中心轴线的静止轴，

其中所述定子装置被设置在所述静止轴的外侧，

其中所述转子装置被实质上设置成围绕所述定子装置，

其中所述转子装置被单个主轴承支撑在所述静止轴上，以及

其中所述主轴承位于所述发电机的前侧。

14.根据权利要求1所述的设置，其中所述发电机是直接驱动发电机，其优选地位于风力涡轮机中。

Images