CN102237738A - 绕组装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于电机（4）的电枢（2）的绕组装置（1），该绕组装置（1）包括多个线圈（C1、C2、C3）和多种不同的绕组类型（W1、W2、W3），其中所述线圈（C1、C2、C3）被布置在所述电枢（2）上，使得每个线圈（10、20、30）包括相同数量的绕组（10、20、30）和相同数量的每一种所述不同的绕组类型（W1、W2、W3）。本发明进一步描述了用于发电机（4）的电枢（2），包括多个线圈（C1、C2、C3），其中所述线圈（C1、C2、C3）被布置在根据这种绕组装置的所述电枢（2）上。本发明还描述了具有发电机（4）的风力涡轮机（5），包括转子（3）和定子（2），并且其中，多个线圈（C1、C2、C3）被布置在根据这种绕组装置的所述定子（2）上。

Description

绕组装置

技术领域

本发明描述一种用于电机电枢的绕组装置。本发明进一步描述一种用于发电机的电枢以及一种具有发电机的风力涡轮机。

背景技术

对于诸如风力涡轮机的转子或定子的大电枢，线圈绕组由于发电机的物理尺寸和感应的较大电流通常非常粗且重。绕组可由诸如多股绞合线的粗金属丝制成，其然后卷绕到电枢上，通常是卷绕到定子上。为此，电枢通常由沿着外部轴向布置以容纳绕组的多个平行槽制成。替代将金属丝缠绕到电枢上的是，预成型的绕组可形成，并插入到或“落入”到电枢的槽中。这种预成型的绕组通常包括闭合环路，该闭合环路包括“前进”部分和保持在两个电枢槽中的“返回”部分。线圈包括多个这种串联或并联连接的绕组，并且连接一般形成在电枢的一端，绕组在该端延伸超过槽的端部。如对于本领域技术人员已知的是，通过允许一股多股绞合线从线圈的一个绕组延伸到该线圈的下一个绕做，或者通过将线圈的绕组连接到沿圆周布置在电枢周围的汇流条，或者通过任意其他合适的方式，线圈的连续绕组可被连接。

多相发电机具有与相位相同数量的线圈。这里，绕组被放置在槽中，使得用于线圈的一个特定绕组的“前进”和“返回”部分的槽围绕用于其余线圈的“前进”和“返回”部分的多个槽或位于其侧面。不同线圈的绕组必须以某一方式重叠在电枢端部。为了仍允许相对顺向的定子绕组装配，大定子的绕组的绕组端通常被成形为使得绕组可掉落到适当位置，而不必提升先前的绕组。由于涉及较大尺寸，用于绕组的材料造成相当大的成本因素。绕组悬突或绕组头，即绕组的延伸超过定子槽的部分因此应尽可能保持较短。EP 2 166 645 A1描述了一种方法，其中每个线圈由具有特定绕组悬突几何结构的闭合环路绕组制成。不同绕组的几何结构被成形为允许相邻线圈的绕组以紧凑且紧贴的实现方式穿过彼此，因而所使用的铜的总量可被减少。然而，这种方法具有的缺点在于，绕组悬突由于不同的几何结构而具有不同的长度，因而导致线圈的不同的总电阻。这又导致相位之间的负载不平衡。为了避免这种不平衡，在“较短”的线圈中必须包括额外的材料来有效地使这些线圈与最长线圈一样长。显然，这增加了定子绕组配置的总成本，因而不能令人满意。

因此，本发明的目的是提高一种改进的线圈绕组装置。

发明内容

本发明的目的通过权利要求1的用于电机的电枢的绕组装置、权利要求12的电枢、权利要求13的风力涡轮机以及根据权利要求14的这种绕组装置的用途而实现。

根据本发明，用于电枢的绕组装置包括多个线圈和多种不同的绕组类型，其中线圈被布置在电枢上，使得每个线圈包括相同数量的绕组和相同数量的每一种不同的绕组类型。

本发明的明显优点在于，由于绕组的长度对于所有相位基本上相同，与端部绕组被延伸以获得平衡的相位布局的现有解决方案相比使用更少的材料。由于绕组均具有基本相同的长度，所有相位形成基本相同的电流。而且，由于相位被平衡，绕组中的电损失恒定，且在相位之间基本上没有电压的不平衡。这导致发电机的总损失的有利减少，由此有利地增大了电机的总性能。另外，由于在根据本发明的绕组配置中不必增加“额外材料”来平衡线圈，因此端部绕组中的材料需求被保持为处于有利的最小值，因而发电机的总重量被有利地减少。

根据本发明，用于发电机的电枢包括多个线圈，其中线圈被布置在根据这种绕组装置的电枢上或“卷绕”在电枢上。在此，术语“卷绕”以既定含义使用，即使大电枢的绕组通常很厚且重而没有柔性。

根据本发明的风力涡轮机包括具有转子和定子的发电机，并且多个线圈被布置在根据这种绕组装置的定子上。

这种绕组装置优选用于将线圈卷绕在风力涡轮机的发电机上。

本发明特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如以下描述中所揭示。不同实施例的特征可适当地进行组合，以给出进一步的实施例。

电机的电枢可以是定子或转子，这取决于电机，例如发电机的构造。然而，通常，特别是在大的发电机中，是定子承载线圈绕组。因此，在下文中，但不以任何方式限制本发明，尽管根据本发明的绕组配置可同样适用于发电机的转子承载绕组的实现方式，但假设定子承载绕组。

由于针对大的发电机的定子涉及较大尺寸，如上所述，定子的线圈并不利于缠绕在定子周围的金属丝而卷绕，针对小的电动机视情况而定，但包括能被插入或者甚至在定子槽中掉落就位的预成型绕组。绕组被连续插入到定子或定子区段的槽中。线圈可包括一系列的预成型绕组，其被插入到合适的槽中并然后被电连接。优选地，绕组可被实现为“闭合环路”绕组，即，每个绕组包括闭合环路，并且线圈的连续绕组在插入到电枢之后被电连接。因此，在本发明的优选实施例中，绕组包括用于放置在第一定子槽中的第一（“前进”）绕组主体区段、用于放置在第二定子槽中的第二（“返回”）绕组主体区段，该第一和第二绕组主体区段在每一端通过末端区段结合，该末端区段通过基本180°折痕延伸超过定子，使得第一和第二绕组主体区段基本平行，并且其中每种不同绕组类型的末端区段包括不同的绕组端几何结构，因而，不同绕组类型的不同的绕组端几何结构允许连续的绕组放置在定子槽中，而不必提升先前放置的绕组。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假设线圈绕组包括单层绕组。

发电机可具有一个或更多相位，因此可具有一个或更多线圈。任一数量的不同绕组类型可对于线圈而言被连接到一起。然而，由于上述原因，绕组端几何结构必须不同，从而允许绕组在多相发电机的情况下重叠。在本发明的进一步优选实施例中，绕组装置包括相当数量的线圈和不同的绕组类型。这可以直接获得基本相同长度的线圈。

通常，电力分配网格使用三相电力。因此，在本发明的进一步优选实施例中，根据本发明的绕组装置在三相、两极的定子绕组装置中包括三个线圈并因此包括三种不同的绕组类型。

为了允许三个线圈的绕组悬突以紧凑方式交叉，在本发明的进一步优选实施例中，第一种绕组类型包括第一种绕组端几何结构，第二种绕组类型包括第二种绕组端几何结构，并且第三种绕组类型包括第三种绕组端几何结构。因此，第一种绕组端几何结构包括末端区段，该末端区段与第一和第二绕组主体区段基本成一直线，即，第一绕组可基本包括位于平面中的简单闭合环路。其余绕组类型于是可被设计成通过第一种绕组类型周围。优选地，第二种绕组端几何结构包括末端区段，该末端区段相对于第一和第二绕组主体区段基本倾斜45°。例如，第二种绕组类型的末端区段可“向上”或“向下”倾斜。第二种绕组类型也包括闭合环路，使得绕组端几何结构在该情况下也包括180°折痕，因而“前进”和“返回”区段可被放置到平行的轴向定子槽中。优选地，第三种绕组端几何结构包括末端区段，该末端区段相对于第一和第二绕组主体区段基本倾斜90°。通过类似于在此所述的第二种绕组类型的方式，第三种绕组类型的末端区段可“向上”或“向下”倾斜。第三种绕组类型也包括闭合环路，使得绕组端几何结构在该情况下也包括180°折痕，从而允许“前进”和“返回”区段可被放置到平行的轴向定子槽中。

由于连续的绕组可被放置到定子槽中而不必提升或移动先前插入的绕组，因而上述三种不同的绕组类型容易制造和安装。例如，第三种类型的具有90°向下倾斜的所有绕组可被放置到定子上。然后，第二种类型的具有45°向下倾斜的所有绕组被放置到定子上。最后，第一种类型的所有绕组被插入到其余槽中。

每一个线圈的绕组然后被电连接，例如利用到沿圆周布置在定子周围的汇流条的连接。这种连接可通过允许绕组的一个或更多金属丝或者导体与暴露的汇流条接触而实现。

优选地，每个线圈包括不同的绕组类型序列。在本发明的极为优选实施例中，第一种线圈绕组序列依次包括第一种绕组类型、第二种绕组类型和第三种绕组类型；第二种线圈绕组序列依次包括第二种绕组类型、第三种绕组类型和第一种绕组类型；并且第三种线圈绕组序列依次包括第三种绕组类型、第一种绕组类型和第二种绕组类型。优选地，为了确保最佳平衡装置，每个线圈包括相同数量的绕组，并且绕组的总数量可被发电机的相位数量均匀除尽。例如，对于上述三相发电机，使用三个线圈和三种不同的绕组类型，并且每个线圈优选包括3N个线圈。通过这种方式，每个线圈包括相同数量的每一种不同的绕组类型，并且线圈的总长度因此基本相等。因此，这种绕组配置以简单和顺向的方式提供平衡负载，并且与此同时有利地节省使用的金属量。

本发明的其他目的和特征将根据以下结合附图考虑的详细描述而变得明显。然而，应理解，附图仅被设计用于图示目的，而并非作为对本发明的限制的解释。

附图说明

图1示出了风力涡轮机中的发电机的示意图示；

图2示出了用于发电机的定子的现有技术的绕组配置的示意图示；

图3示出了根据本发明的具有绕组装置的定子区段；

图4示出了图3绕组的末端区段的示意图示；

图5示出了根据本发明的用于绕组配置的三个线圈序列的示意图示。

附图中，相同的附图标记始终指代相同物体。图中的对象不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机5中的发电机4的极为简单的图示。为了简明，只有相关的部件被表示，诸如变速箱、控制器等其他部件未被示出。施加到风力涡轮机5的叶片50上的压力使轮毂51或心轴转动，因而使转子3旋转。转子3被围绕在定子2中，多个线圈（图中未示出）卷绕在该定子2周围。发电机4用作感应电动机，在线圈中感应有电流。这种发电机的操作原理对于本领域技术人员而言将是清楚的，因而这里无需详细描述。

由于较大电流（例如，对于2-10 MW的风力涡轮机大约200-500 Amps），绕组必须被相应地设定尺寸。对于风力涡轮机定子，绕组通常由堆叠的金属棒或带制成，横截面大约为20 mm×100 mm。这些金属带被保持在布置在定子外部周围的定子槽中，其长度可达3 m。通常，由于较大尺寸（风力涡轮机定子可具有大约3 m到7 m或者更大的直径），定子通常包括一组定子区段。

借助于图2图示现有技术的绕组配置，其示出了定子区段2a的非常简单的俯视图，其中槽6用于容纳绕组6a、6b、6c。这里，三个线圈卷绕在定子2周围，并且每个线圈包括一连串相同类型的绕组6a、6b、6c。每个绕组6a、6b、6c通过连接带7a、7b、7c或汇流条连接到相同类型的另一绕组6a、6b、6c。绕组6a、6b、6c基本上是平带，自身向后弯曲以形成闭合环路，并被放置在两个平行槽6中，因而一种绕组类型6a所需的两个槽6通过其他两种绕组类型6b、6c的两个另外的槽6而分开。不同的绕组必须相互交叉，并且必须被成形为允许绕组能以顺向方式插入到槽中。这意味着，绕组端必须被相应地成形。例如，每个绕组端可被设计成从定子突出某一距离，并能以180°折痕弯曲或扭曲，使得前进和返回侧处于不同高度。通过这种方式，相邻绕组可连续简单地被放置到定子槽中。然而，这种解决方案需要大量额外金属，通常是铜，以允许绕组端部交叉，因而这种类型的解决方案相对昂贵。在前文介绍中提及的解决方案（针对每个线圈具有不同形状的绕组端悬突）成本较低，但由于线圈的不同总高度引起的负载不平衡导致不满意的性能。

图3示出了根据本发明的绕组配置1中具有绕组10、20、30装置的定子的区段2a。每个绕组10、20、30被示出为金属带，其被折叠以形成闭合环路。三种不同的绕组类型W1、W2、W3被示出。每个线圈包括一连串的绕组10、20、30，因而线圈序列依次包括每一种不同的绕组类型W1、W2、W3，如将在下文中解释。

图4示出了图3所示的不同绕组类型W1、W2、W3的末端区段10C、20C、30C的示意图示。为了清楚，每个绕组被独立示出，但应理解，不同类型的绕组将如图3所示位于相邻定子槽中。第一种绕组类型W1基本上为顺向闭合环路W1，并且该绕组类型W1的末端区段10C包括180°折痕。第二种绕组类型W2具有末端区段20C，该末端区段20C不像第一种绕组类型W1一样延伸直到超过定子端，而是在向后折叠之前形成大约45°弯曲。第三种绕组类型W3具有末端区段30C，该末端区段30C也不像第一种绕组类型W1那样延伸直到超过定子端，而是在向后折叠之前形成大约90°弯曲。这些不同末端区段或悬突10C、20C、30C允许绕组10、20、30能以顺向方式被放置到定子槽6中。例如，定子可通过首先插入第三种类型W3的所有绕组、然后插入第二种类型W2的所有绕组最后插入第一种类型W1的所有绕组而被卷绕。由于绕组端的几何结构，在不必提升或移动先前放置的绕组的情况下，绕组可被插入。特定线圈的绕组然后以预定顺序被电连接，如将借助于图5的描述，例如，通过将绕组10、20、30的导线10D、20D、30D结合到汇流条B1、B2、B3。

图5的上部示出了根据本发明的用于绕组配置1的三个线圈序列S1、S2、S3的示意图示。绕组连接的次序通过图下部所示的序列S1、S2、S3给出。用于第一种线圈C1的第一种线圈绕组序列S1依次包括第一种绕组类型W1的绕组、第二种绕组类型W2的绕组和第三种绕组类型W3的绕组。该模式对于整个第一种线圈C1重复。用于第二种线圈C2的第二种线圈绕组序列S2依次包括第二种绕组类型W2的绕组、第三种绕组类型W3的绕组和第一种绕组类型W1的绕组。该模式对于整个第二种线圈C2重复。用于第三种线圈C3的第三种线圈绕组序列S3依次包括第三种绕组类型W2的绕组、第一种绕组类型W3的绕组和第二种绕组类型W1的绕组，并且该模式对于整个第三种线圈C3重复。在图上部，箭头表示不同线圈C1、C2、C3中的电流流动方向（因而，第一种和第三种线圈C1、C3的“前进”绕组区段占据包含第二种线圈C2的“返回”绕组区段的槽的任一侧上的槽；而第一种和第三种线圈C1、C3的“返回”绕组区段占据包含第二种线圈C2的“前进”绕组区段的槽的任一侧上的槽）。由于每个线圈C1、C2、C3包括序列S1、S2、S3，绕组类型W1、W2、W3在其中基本上通常均等地出现，因而线圈C1、C2、C3的总长度也基本上相等。通过这种方式，根据本发明的绕组装置减小或有效消除了负载不平衡，而且同时减少了绕组所需的金属量。尽管绕组在此被表示为闭合环路，绕组配置1的绕组同样可被实现为在两端开放，并且连接部可由电枢两端的汇流条形成。

尽管本发明以通过优选实施例及其变型的形式进行了公开，应理解，在不背离本发明的范围的情况下可以对其进行众多额外的修改和变型。例如，风力涡轮机的轮毂可使连接到齿轮箱的传动轴转动，这可被实现为以更适于产生强信号栅极的电流的速度使发电机的电枢转动。

为了清楚，应理解，贯穿该申请的“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其他步骤或元件。

Claims (14)

1. 一种用于电机（4）的电枢（2）的绕组装置（1），该绕组装置（1）包括多个线圈（C1、C2、C3）和多种不同的绕组类型（W1、W2、W3），其中所述线圈（C1、C2、C3）在所述电枢（2）上被布置成使得每个线圈（10、20、30）包括相同数量的绕组（10、20、30）和相同数量的每一种所述不同的绕组类型（W1、W2、W 3）。

2. 根据权利要求1所述的绕组装置，其中绕组（10、20、30）包括用于放置在第一电枢槽（22）中的第一（前进）绕组主体区段（10A、20A、30A）、用于放置在第二电枢槽（22）中的第二绕组主体区段（10B、20B、30B），该第一和第二绕组主体区段（10A、10B、20A、20B、30A、30B）通过末端区段（10C、20C、30C）结合，该末端区段（10C、20C、30C）通过基本180°折痕延伸超过所述电枢（2），并且其中，每一种不同的绕组类型（W1、W2、W3）的所述末端区段（10C、20C、30C）包括不同的绕组端几何结构。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的绕组装置，包括相等数量的线圈（C1、C2、C3）和不同的绕组类型（W1、W2、W3）。

4. 根据权利要求3所述的绕组装置，包括三个线圈（C1、C2、C3）和三种不同的绕组类型（W1、W2、W3）。

5. 根据权利要求4所述的绕组装置，其中第一种绕组类型（W1）包括第一种绕组端几何结构，第二种绕组类型（W2）包括第二种绕组端几何结构，并且第三种绕组类型（W3）包括第三种绕组端几何结构。

6. 根据权利要求5所述的绕组装置，其中所述第一种绕组端几何结构包括末端区段（10C），该末端区段（10C）与所述第一和第二绕组主体区段（10A、10B）基本成一直线。

7. 根据权利要求5所述的绕组装置，其中所述第二种绕组端几何结构包括末端区段（20C），该末端区段（20C）相对于所述第一和第二绕组主体区段（20A、20B）基本倾斜45°。

8. 根据权利要求5所述的绕组装置，其中所述第三种绕组端几何结构包括末端区段（30C），该末端区段（30C）相对于所述第一和第二绕组主体区段（30A、30B）基本倾斜90°。

9. 根据前述权利要求中任一项所述的绕组装置，其中每个线圈（C1、C2、C3）包括绕组类型（W1、W2、W3）的明显不同序列（S1、S2、S3）。

10. 根据权利要求9所述的绕组装置，其中所述第一种线圈绕组序列（S1）依次包括所述第一种绕组类型（W1）、所述第二种绕组类型（W2）和所述第三种绕组类型（W3）；所述第二种线圈绕组序列（S2）依次包括所述第二种绕组类型（W2）、所述第三种绕组类型（W3）和所述第一种绕组类型（W1）；并且所述第三种线圈绕组序列（S3）依次包括第三种绕组类型（W2）、第一种绕组类型（W3）和第二种绕组类型（W1）。

11. 根据前述权利要求中任一项所述的绕组装置，其中线圈绕组（10、20、30）包括单层绕组（10、20、30）。

12. 一种用于发电机（4）的电枢（2），包括多个线圈（C1、C2、C3），其中所述线圈（C1、C2、C3）被布置在根据权利要求1至11中任一项所述的绕组装置的所述电枢（2）上。

13. 一种具有发电机（4）的风力涡轮机（5），包括转子（3）和定子（2），并且其中，多个线圈（C1、C2、C3）被布置在根据权利要求1至11中任一项所述的绕组装置的所述定子（2）上。

14. 根据权利要求1至11中任一项所述的绕组装置（1）在风力涡轮机（5）的发电机（4）中的用途。

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