CN102255406A

CN102255406A - 具有紧密型单匝波形绕组的发电机和风力涡轮机

Info

Publication number: CN102255406A
Application number: CN2011101302594A
Authority: CN
Inventors: M.基米亚贝吉
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: CN102255406B; CA2740543A1; EP2388891A1; US20110285227A1; US9048702B2

Abstract

本发明涉及具有紧密型单匝波形绕组的发电机和风力涡轮机。本文描述了一种发电机（76），包括代表一个相的至少一个极组。每个极组包括多个极（4、40、41、42、44）。仅仅一个导体（8）卷绕特定极组的极（4、40、41、42、44）以使得仅单匝的一半与每个极（4、40、41、42、44）关联。

Description

具有紧密型单匝波形绕组的发电机和风力涡轮机

技术领域

本发明涉及发电机和风力涡轮机。

背景技术

基于在直接驱动发电机方面的现有技术，每个线圈由多于一个的串联线匝构成，而选定数量的线圈也可以被串联连接。上述两种可选的数量，即线匝的串联数量和串联连接的线圈数量，可以被选择成获得发电机的端电压，该端电压本身可能已经基于功率电子设备/电网要求而被选择。在所描述的常规类型的绕组中，在每个槽中的串联线匝由于串联的线匝之间的电压差而需要彼此电绝缘。此外，槽中的整个导体由于线匝和叠片之间的电压差而需要经由所谓的槽绝缘而与相邻叠片相隔离，该叠片通过与轴和风塔的联接而被接地。

在具有常规绕组的机器的槽中使用的前述类型的绝缘导致不同的缺点：绝缘的不良热传递系数使得发电机中的主要热源（即绕组）很难通过相邻的叠片被冷却。使用槽中所需的绝缘减小了活性材料的槽空间，从而减小了所谓的填充因数，其中该活性材料通常是铜。这继而针对相同电流密度降低了输出转矩或者针对相同转矩减小了效率。常规类型绕组的典型填充因数值在70-80%的范围内。

发明内容

本发明的第一目的是提供具有增大的槽填充因数且具有减小的制造成本的发电机。本发明的第二目的是提供有利的风力涡轮机。

第一目的由权利要求1中所要求保护的发电机来实现。第二目的由权利要求15中所要求保护的风力涡轮机来实现。从属权利要求限定了本发明的进一步改进。

本发明的发电机包括代表一个相的至少一个极组。每个极组包括多个极。仅仅一个导体卷绕特定极组的极以使得仅单匝的一半与每个极关联。可以优选地是单匝致密绕组或单匝紧密绕组的仅仅一个导体能够替代常规绕组，从而提供减少的槽内绝缘的优点。这减少了导体和极的相邻叠片之间的绝缘，即所谓的槽绝缘。此外，在槽内的导体之间的常规线匝-线匝绝缘变得不必要。此外，能够实现更好的绕组冷却和更高的槽填充因数。另一优点在于线圈的制造和缠绕过程相比于多匝常规绕组来说变得更为容易且成本更低。此外，使用具有所设计的合适槽形状的仅仅一个致密或紧密的大的导体导致低的趋肤效应损失。

本发明的发电机可以是三相或多相发电机。在本发明的发电机中，每个相可以在每个极中具有单一去程路径或返回路径（single Go or Return path），也被称为单匝的一半。该单一去程路径或返回路径或者单匝的一半被布置成波状构造。例如，单匝的一半本身可以是致密或紧密的导体。其可以在下一个极中返回并且可以沿着定子或转子的整个周边以这种波状分布的方式继续。

本发明的发电机可以包括定子，定子包括至少一个极组。另外或者替代地，发电机可以包括转子，转子包括至少一个极组。优选地，发电机可以包括定子、转子和旋转轴线。定子可以径向地位于转子的内部（内定子机器）。

有利地，导体包括多个优选致密或紧密的导体元件。导体元件可以彼此导电地相连。导体元件可以通过例如焊接或者机械固定件来彼此相连。

通常，发电机可包括在所述极之间的至少一个槽。优选地，导体元件可以具有直杆或弧形件的形状。例如，第一直杆可被置于槽中并且可借助于弧形件连接到另一槽中的第二直杆。这样，导体元件可彼此相连以形成波状构造。

通常，导体可至少部分地位于极之间的至少一个槽中。发电机可包括旋转轴线。槽可以在相对于旋转轴线的径向位置被闭合或者部分闭合。有利地，槽可以在垂直于旋转轴线的平面中具有矩形或梯形或三角形的形状。优选地，槽可以在相对于旋转轴线的径向方向上具有递增开口。

此外，槽可以包括至少一个桥接件，所述桥接件在径向位置部分地或者完全地闭合所述槽。桥接件可以是形成槽的元件的整体部分，例如是极的叠片的整体部分。替代地，桥接件可以是独立元件。在该情况下，桥接件可以被机械地固定到形成槽的元件，例如固定到极叠片。例如，槽可包括侧面。形成槽的元件或叠片可在槽的侧面中包括空腔。空腔可用于机械固定桥接件。所述的桥接件可通过重新设计极的齿形（特别是叠片的齿形）来简单地构建。

桥接件可包含软磁复合材料或铁磁材料。例如，桥接件可以通过冲压具有适当形状的叠片由软磁复合材料制成或者可以由铁磁材料制成。

如前所述的独立导体元件的使用允许其使用模块化绕组结构。该模块化绕组结构可以用于闭合和半闭合的槽。这减少了趋肤效应。此外，其显著地简化了绕组制造，尤其是与常规绕组相比。例如，导体元件，优选地是直杆，可以被插入到槽中，所述槽可以是闭合或半闭合的槽。

具有递增开口（尤其朝向内定子机器中的气隙具有递增开口）的梯形或三角形槽的使用，降低了在具有大径向高度的三角形导体或深槽中出现的趋肤效应损失。

导体的形状可以在降低趋肤效应损失方面被优化。这样，槽的形状和极的相邻叠片齿的形状可以被优化。此外，具有仅仅一个致密的大导体极而不是具有平行导体，使得在常规绕组中的串联线匝之间的绝缘不存在并且完全消失。在这方面，本发明比具有平行导体更有效，在平行导体的情况下，在平行导体周围可能仍然需要一些薄的清漆。而且，槽绝缘可在厚度方面被优化。

减少单匝致密导体中的趋肤效应的另一种可能是减少导体的径向高度或深度。例如，所述至少一个槽可以具有与发电机的旋转轴线相关的平均宽度w和径向深度h。平均宽度w的值可以是深度h的值的至少90%。优选地，平均宽度w可以与深度h相当或者大于深度h。保持导体面积固定，那么槽宽度需要变得更大。结果，相对于极的槽的数量将被减少。因此，可以使用集中绕组，例如如前所述的仅一个单匝致密或紧密导体的形式。这种集中绕组具有低的槽-极数量比。

结合前面提到的优化的导体形状，尤其是使用内定子时，槽可以实用地被制成梯形形状。在该情况中，齿或者极可被保持成矩形。使用浅且梯形槽的这两种参数的结合有效地减少了趋肤效应。此外，为了改善磁路和/或更进一步减少趋肤效应，可以在槽的中部使用闭合或半闭合的槽或桥接件。

FE 2D分析已经示出所提出的这些形状中的每一种均将会显著地减少趋肤效应损失。而且，所提出的这些情形的组合更进一步减少了趋肤效应。

使用前述桥接件的一个缺陷在于将会增加槽泄漏。这在某种程度上是一种优点，因为其减小了短路电流并且这增加了发电机例如直接驱动发电机的可靠性。然而，可能更显著的是发电机的输出转矩将由于漏磁而下降。因此，对于桥接件厚度的决定是在一方面具有较低趋肤效应和另一方面不损失过多转矩之间的折衷。

通常，发电机可包括至少3个极组。发电机可以是直接驱动发电机。

在本发明中，在槽中被放置在一起的导体之间的常规绝缘以及槽绝缘被显著地减少。这改善了槽填充因数并且增强了发电机的冷却，例如永磁发电机的冷却。这种永磁发电机可以例如用在直接驱动风力涡轮机应用中。而且，本发明限定且提供了简单且模块化的绕组。这显著简化了制造和缠绕过程，从而降低相关成本。

通过使用单匝致密线圈绕组消除了对于具有线匝-线匝绝缘的需求。而且，通过为每个槽优化地选择其厚度来最小化（在单个导体和相邻齿之间的）槽绝缘，实现了每个槽与其相邻齿具有不同的/独有的电压差。该优化选择对于常规多匝绕组而言是不可能，因为在每个槽中存在多于一种的电压差，因而该选择是基于最差情况的。

利用具有较少的绕组和槽绝缘的优点和所有随后的对发电机性能的改进，通过所述的导体/槽形状有效减少了由于趋肤效应所导致的具有高的额外交流损耗的缺点。

本发明的风力涡轮机包括如前所述的本发明的发电机。本发明的风力涡轮机与本发明的发电机具有相同的优点。

结合附图从下面对实施例的描述中将更清楚本发明的进一步特征、特性和优点。所有提到的特征和特性都独立地具有优势或者以彼此的任意组合而具有优势。

附图说明

图1示意性地示出了风力涡轮机。

图2示意性地示出了一个相和四个极的多匝和单匝波形绕组的比较图示。

图3以透视图示意性地示出了图2下部的单匝波形绕组的一部分。

图4以透视图示意性地示出了导体元件的单匝波形绕组布置。

图5以截面图示意性地示出了导体元件的单匝波形绕组布置。

图6以透视图示意性地示出了弧形形式的导体元件。

图7以截面图示意性地示出了矩形槽。

图8以截面图示意性地示出了矩形闭合槽。

图9以截面图示意性地示出了梯形和三角形槽。

图10以截面图示意性地示出了矩形半闭合槽。

图11以截面图示意性地示出了矩形半闭合槽的变型。

图12以截面图示意性地示出了矩形闭合槽。

图13以截面图示意性地示出了发电机的一部分。

图14以截面图示意性地示出了梯形槽的变型。

具体实施方式

现在将参考图1-14描述本发明的实施例。

图1示意性地示出风力涡轮机71。风力涡轮机71包括塔72、机舱73和毂74。机舱73位于塔72的顶部。毂74包括多个风力涡轮机叶片75。毂74被安装到机舱73。此外，毂74被枢转地安装，使得其能够绕旋转轴线79旋转。发电机76位于机舱73内部。风力涡轮机71是直接驱动风力涡轮机。

图2示意性地示出了一个相和四个极的多匝和单匝波形绕组的比较图示。图2的上部示出了用于3相机器（相A、B和C）的每一极和相的槽等于1的分布绕组。A、B和C对应于所述相的去程方向，并且A’、B’和C’对应于所述相的返回方向，即相反方向。

在图2的中部，示出了代表第一相的两个极4。极4中的每个极包括每一极4具有多匝的多个导体绕组5。划线6指示多于一条的串联线匝。导体5被串联连接。这由虚线7指示。由于串联线匝的原因，极4或线圈中的每一个包括多个去程路径17和多个返回路径18。

图2的下部示意性地示出了本发明发电机的一个相的本发明单匝波形绕组。属于第一相A的极组包括多个极4，由此示出了四个极4a、4b、4c和4d。通常，极4可包括叠片。

每个极4包括右侧10、左侧11、前侧12和后侧13。导体8是卷绕极4的波状形式。导体8包括第一半匝8a、第二半匝8b、第三半匝8c和第四半匝8d。第一半匝8a代表返回路径A’，第二半匝8b代表去程路径A、第三半匝8c代表返回路径A’，第四半匝8d代表去程路径A。

第一半匝8a沿着第一极4a的右侧10前进，并且进一步沿着第一极4a的后侧13前进。然后其进一步沿着第一极4a的左侧11前进，并且同时沿着第二极4b的右侧11前进。这意味导体经过第一极4a和第二极4b之间的槽。然后导体8进一步沿着第二极4b的前侧11前进，然后沿着第二极4b的左侧11前进且同时沿着第三极4c的右侧10前进。导体8进一步沿着第三极4c的后侧13前进，并且沿着第三极4c的左侧前进且同时沿着第四极4d的右侧10前进。

在该波状构造中，第一半匝8a关联于第一极4a，第二半匝8b关联于第二极4b，第三半匝8c关联于第三极4c，第四半匝8d关联于第四极4d。图3以透视图示意性地示出了图2下部的单匝波形绕组的一部分。极4彼此被槽19分离。

多个导体8并联地连接并且卷绕所述极，使得仅仅每个导体的单匝的一半关联于每一极，如图2中的下部和图3所示。可以通过分析或者经验或者仿真来选择提供低的近似值和趋肤效应损失的并联导体的优化数量。在图4中示出了一个示例。

通常，发电机76可包括内定子，其意味着定子相对于转子的旋转轴线79被径向地置于发电机的转子内部。替代地，发电机可包括外定子，其意味着定子相对于转子的旋转轴线79被径向地置于发电机的转子外部。在两种情况下，转子和/或定子都可包括所述的单匝波形绕组。

图4以透视图示意性地示出了导体元件的单匝波形绕组布置。导体8包括多个导体元件20、21。致密或紧密导体元件20、21彼此相连，使得其形成如图2的下部和图3所示的单匝波形绕组。

在图4中，导体8包括具有直杆形式的多个导体元件20和具有弧形形式的多个导体元件21。直杆形式的导体元件20具有第一端23和第二端24。弧形形式的导体元件21具有第一端25和第二端26。直杆形式的第一导体元件20a连接于弧形形式的第一导体元件21a，使得直杆形式的第一导体元件20a的第二端24连接于弧形形式的第一导体元件21a的第一端25。弧形形式的第一导体元件21a的第二端26连接于直杆形式的第二导体元件20b的第一端23。直杆形式的第二导体元件20b的第二端24连接于弧形形式的第二导体元件21b的第一端25。弧形形式的第二导体元件21b的第二端26连接于直杆形式的第三导体元件20c的第一端23。通过以所述方式连接多个导体元件20、21，获得了如图3所示的单匝波形绕组。

图5以截面图示意性地示出了图4所示导体元件的单匝波形绕组布置的一部分。轴向方向被标注为z轴线，并且通过箭头来指示。图6沿着z方向以透视图示意性地示出了弧形形式的第二导体元件21b。导体元件21b中的电流方向通过箭头来指示。

图7-12以截面图示意性地示出了不同的槽形式。图7以截面图示意性地示出了矩形槽19。槽19由第一极4a和第二极4b形成。极4包含铁。它们还可包括叠片。径向方向由箭头28指示。槽19在径向方向28上包括开口。

图8以截面图示意性地示出了矩形闭合槽。而且，槽19由第一极40a和第二极40b形成。极40具有如前所述的极4的相同特性。在径向方向28上的槽19的开口的位置，图8中的槽19借助于桥接件27被闭合。桥接件27将第一极40a与第二极40b相连。

通常，在图8、图10-12和图14中示出的所有桥接件可以是相邻极的整体部分或者可以是独立元件。在后一情况下，它们可以被机械地固定到所述极。此外，所有示出的桥接件可以包含软磁复合材料或铁磁材料（例如铁）或者由所述材料制成。

图9以截面图示意性地示出了梯形槽19。槽19由第一极41a和第二极41b形成。极41可具有如前所述的极4的相同特性。在图9中，槽19具有渐增的宽度w。宽度w在径向方向28上增加。在与所示截面图相同的垂直于旋转轴线的平面中，槽19具有梯形形状。图9中的虚线43指示另一种变型，其中槽19三角形形状，其具有在径向方向28上的渐增宽度w。

图10以截面图示意性地示出了半闭合矩形槽。槽19由第一极42a和第二极42b形成，所述极具有如前所述的极4的相同特性。槽在径向方向28上的开口借助于桥接件29被部分地闭合。桥接件29包括第一部分29a和第二部分29b。第一部分29a可以是第一极42a的一部分，或者其可以是连接到第一极42a的独立元件。桥接件的第二部分29b可以是第二极42b的一部分，或者其可以是连接到第二极42b的独立元件。在桥接件的第一部分29a和第二部分29b之间形成槽19在径向方向28上的开口33。

图11以截面图示意性地示出了矩形半闭合槽19的变型。图11中的槽19由第一极44a和第二极44b形成，所述极具有如前所述的极4的相同特性。槽19包括内部侧面32。槽19的高度h由箭头指示。槽19借助于桥接件30被半闭合。桥接件30包括第一部分30a和第二部分30b。桥接件30位于槽19的高度或深度h的大约一半。桥接件的第一部分30a是第一极44a的一部分，或者在槽19的侧面32a处连接到第一极44a。桥接件的第二部分30b是第二极44b的一部分，或者在槽19的侧面32b处连接到第二极44b。桥接件30将槽19分成外部槽部分19a和内部槽部分19b。外部槽部分19a径向地位于内部槽部分19b的外部。外部槽部分19a和内部槽部分19b彼此通过桥接件第一部分30a和桥接件第二部分30b之间的开口33相连。

图12以截面图示意性地示出了矩形闭合槽。图12中的槽19由第一极45a和第二极45b形成，所述极具有如前所述的极4的相同特性。极45a和45b彼此通过桥接件31相连。桥接件31位于槽19的高度h或深度h的大约一半。槽19包括第一侧面32a和第二侧面32b。桥接件31将槽19的第一侧面32a与第二侧面32b相连。桥接件31将槽19分成径向外部槽部分19a和径向内部槽部分19b。

图7、图8、图10-12的槽19在与所示截面图相同的垂直于旋转轴线的平面中具有矩形形状。

图13以截面图示意性地示出了发电机76。发电机76包括旋转轴线79、定子78和转子77。在图13中，转子77径向地位于定子78的外部。这意味着图13的发电机76是内定子发电机。轴9位于旋转轴线79附近。定子78连接于轴9。定子78包括围绕定子78的周边布置的多个极4。在极4之间形成如前所述的槽19。在图13所示的截面图中，极46具有矩形形状并且槽19具有近似梯形形状。

定子78和极4可包括铁叠片。转子77包括多个永磁体80。永磁体80围绕转子77的整个周边布置。

图14示意性地示出了定子78的一部分的放大图。图14示意性地示出了槽19，其由第一极46a和第二极46b形成，所述极具有如前所述的极4的相同特性。槽19在垂直于旋转轴线79的平面中具有梯形形状。槽19在径向方向28上具有渐增宽度w。有利地，槽19在径向方向28上具有比槽19的深度或高度h更大的平均宽度w。

槽19可以被桥接件34部分地闭合。桥接件34可以位于槽19的高度或深度h的大约一半。桥接件34可将第一极46a与第二极46b相连。替代地或者另外地，槽19可以借助于桥接件35被半闭合，该桥接件35包括第一部分35a和第二部分35b。桥接件第一部分35a可以是第一极46a的一部分或者可以连接到第一极46a，桥接件第二部分35b可以是第二极46b的一部分或者可以连接到第二极46b。在桥接件部分35a和35b之间可以存在开口33。桥接件35优选地位于槽19的最大宽度w处。

Claims

1. 一种发电机（76），包括代表一个相的至少一个极组，每个极组包括多个极（4、40、41、42、44），

其特征在于

仅仅一个导体（8）卷绕特定极组的极（4、40、41、42、44）以使得仅单匝的一半与每个极（4、40、41、42、44）关联。

2. 根据权利要求1所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括定子（78），所述定子包括所述至少一个极组，并且/或者所述发电机（76）包括转子（77），所述转子包括所述至少一个极组。

3. 根据权利要求1或2所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括定子（78）、转子（77）和旋转轴线（79），并且所述定子（78）径向地位于所述转子（77）的内部。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的发电机（76），

其特征在于

所述导体（8）包括彼此导电连接的多个导体元件（20、21）。

5. 根据权利要求4所述的发电机（76），

其特征在于

所述导体元件（20、21）通过焊接或者机械固定件来彼此连接。

6. 根据权利要求4或5所述的发电机（76），

其特征在于

所述导体元件可以具有直杆（20）或弧形件（21）的形状。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括在所述极（4、40、41、42、44）之间的至少一个槽（19），并且所述导体（8）至少部分地位于所述至少一个槽（19）中。

8. 根据权利要求7所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括旋转轴线（79），并且所述槽（19）在相对于所述旋转轴线（79）的径向位置被闭合或者部分闭合。

9. 根据权利要求7或8所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括旋转轴线（79），并且所述槽（19）在垂直于所述旋转轴线（79）的平面中具有矩形或梯形或三角形的形状。

10. 根据权利要求7至9中任一项所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括旋转轴线（79），并且所述槽（19）在相对于所述旋转轴线（79）的径向方向（28）上具有递增开口。

11. 根据权利要求7至10中任一项所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括旋转轴线（79），并且所述槽（19）包括至少一个桥接件（27、29、30、31、34、35），所述桥接件在相对于所述旋转轴线（79）的径向位置部分地或者完全地闭合所述槽（19）。

12. 根据权利要求11所述的发电机（76），

其特征在于

所述桥接件（27、29、30、31、34、35）是形成所述槽（19）的元件的整体部分或者所述桥接件（27、29、30、31、34、35）是独立元件。

13. 根据权利要求11或12所述的发电机（76），

其特征在于

所述桥接件（27、29、30、31、34、35）包含软磁复合材料或铁磁材料。

14. 根据权利要求7至13中任一项所述的发电机（76），

其特征在于

所述发电机（76）包括旋转轴线（79），并且所述至少一个槽（19）具有与所述旋转轴线（79）相关的平均宽度（w）和径向深度（h），其中所述宽度（w）的值是所述深度（h）的值的至少90%。

15. 一种包括根据权利要求1至14中任一项所述的发电机（76）的风力涡轮机（71）。