CN102255411A

CN102255411A - 具有单匝波状绕组的发电机和风力涡轮机

Info

Publication number: CN102255411A
Application number: CN2011101302753A
Authority: CN
Inventors: E.格罗恩达尔; M.基米亚贝吉; H.斯蒂斯达尔
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
Also published as: CA2740461A1; EP2388893A1; US20110285140A1

Abstract

本发明涉及具有单匝波状绕组的发电机和风力涡轮机。公开了一种包括表示一个相的至少一个磁极组的发电机（76）。每个磁极组包括多个磁极（4）。至少一个导体（8）绕着特定磁极组的磁极（4）转变方向，从而使得仅半个单匝（8a、8b、8c、8d）被关联到每个磁极（4a、4b、4c、4d）。

Description

具有单匝波状绕组的发电机和风力涡轮机

技术领域

本发明涉及发电机并且涉及风力涡轮机。

背景技术

基于当今的直接驱动发电机中的技术，每个线圈由多于一个串联线匝组成，而且还可以将所选数目的线圈串联地连接。可以将两个上述可选数目（即线匝串联的数目和串联地连接的线圈的数目）选择为获得发电机的端电压，所述发电机本身可以是已经基于功率电子学/电网要求选择的。在所述的常规类型的绕组中，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由所谓的匝线－匝线绝缘来相互电绝缘。

在具有常规多匝绕组的电机的槽中使用的上述的线匝－线匝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）非常难以通过相邻的叠片被冷却下来。在槽中使用要求的绝缘减少了用于活性材料（通常为铜）的槽空间，并从而减小了所谓的填充系数。这接着又减小了对于相同电流密度而言的输出转矩或减小了对于相同转矩而言的效率。用于常规类型的绕组的填充系数的典型值在70－80%的范围内。

因此，本发明的第一目的是提供一种槽填充系数增加的发电机。本发明的第二目的是提供有利的风力涡轮机。

由如权利要求1中所要求保护的发电机来解决第一目的。由权利要求12中所要求保护的风力涡轮机来解决第二目的。从属权利要求限定本发明的进一步发展。

发明内容

本发明的发电机包括至少一个磁极（pole）组。一个磁极组表示一个相。每个磁极组包括多个磁极。至少一个导体绕着特定磁极组的磁极转变方向，从而使得仅半个单匝被关联到每个磁极。优选地，并联连接的多个导体绕着磁极转变方向，从而使得每个导体的仅半个单匝被关联到每个磁极。

与包括多于一个串联线匝的常规线圈相比，本发明的发电机的槽中的被一起间隔开的导体之间的绝缘可以被显著降低。优选地，线匝－线匝绝缘（即槽中的串联线匝之间的绝缘）被移除或者仅存在并列导体之间的薄绝缘。这改进了槽填充系数从而产生了较高转矩或效率。此外，本发明的发电机提供了对例如永磁发电机进行更好冷却的可能性。本发明的发电机可以例如在直接驱动风力涡轮机应用中使用。

在本发明的发电机中，单匝波状绕组替换常规绕组。思想是例如三相或多相发电机中的每个相在每个磁极中具有单个去程（Go）或回程（Return）路径。在本发明的框架中，还将单个去程或回程路径指定为半个单匝。去程和回程路径或半个单匝可以形成波状结构。例如，单个去程路径本身可以由多个并联导体组成。并联导体在下一个磁极处返回，并且沿着例如发电机的定子的整个圆周继续这种方式的分布。这给出了在槽中具有较少绝缘的优点。由此，能够实现绕组的更好冷却并能够实现更高的槽填充系数。

发电机可以包括多个槽。有利地，在5个和25个之间、优选地在10个和20个之间的导体可以在每个槽中（例如在每个定子槽中）并联连接。假设将与用于常规多匝绕组相同的槽尺寸用于波状绕组，10至20个或在该范围内的并联导体将形成绕组以便减少接近和趋肤效应损耗。可以在分析上选择，或者可以通过模拟来获得或者可以在实验上获得将给出较低值的接近和趋肤效应损耗的并联导体的最佳数目。

导体可以从一个磁极移置到另一磁极。这改进了额外AC损耗（例如由于接近和趋肤效应而引起的损耗）的消除。可以在每个或每隔一个的绕组中部分地或完全移置导体。有利地，可以在特定磁极组的每个相邻磁极处或每隔一个相邻磁极处移置导体。优选地，磁极组中的磁极的数目可以是并联地连接的导体的数目的整数倍。为了完全地抵消额外AC损耗，可以使用完全移置，即在将磁极的数目选择为槽中并联导体的数目的整数倍时在每个磁极处移置每个并联导体。具有与所述的不同的磁极数目将仍是一个选择，但是由于接近效应而具有在某种程度上较高的相对AC损耗。

本发明的发电机可以每个磁极组包括偶数个磁极。在诸如用于直接驱动风力涡轮机的发电机的本发明的优选实施例中，磁极的数目等于或大于100。例如，发电机可以包括至少三个磁极组。此外，发电机可以是直接驱动发电机。通常，发电机可以包括定子和转子。定子可以包括所述至少一个磁极组。可替换地或另外地，所述转子可以包括所述至少一个磁极组。

在所提出的类型的单匝绕组中，磁极的数目可以等于每个相绕组的去程和回程路径的和。这意味着磁极的数目可以等于半个单匝的和。

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具有与本发明的发电机相同的优点。

在本发明中，槽中的串联线匝被需要更少的较薄绝缘的半个单匝高效地替换。这由本发明的发电机中的一个槽中的串联线匝之间的较小电压差引起。利用具有用于导体的较少绝缘以及发电机性能的所有下述改进，通过以高效的方式移置导体可以减小某些缺点，比如归因于接近和趋肤效应的高额外AC损耗。

附图说明

根据结合附图的实施例的以下描述，本发明的其它特征、性质和优点将变得清楚。单独地或以相互的任何组合的方式，所有所述特征和性质是有利的。

图1示意性地示出风力涡轮机。

图2示意性地示出用于一个相和四个磁极的多匝和单匝波状绕组的比较图示。

图3以透视图示意性地示出图2的下部分的单匝波状绕组的部分。

图4示意性地示出并联、完全移置导体的数目对单匝绕组的AC损耗因数的相关性。

图5示意性地示出属于一个相的完全移置的5个并联导体的布置。

图6示意性地示出被关联到磁极的并联导体之间的绝缘。

具体实施方式

现在将参考图1至6来描述本发明的实施例。

图1示意性地示出风力涡轮机71。该风力涡轮机71包括塔架72、机舱73和毂74。机舱73位于塔架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被枢轴安装，使得其能够绕着旋转轴79旋转。发电机76位于机舱73的内部。风力涡轮机71是直接驱动风力涡轮机。

图2示意性地示出用于一个相和四个磁极的多匝和单匝波状绕组的比较图示。图2的上部分示出分布的绕组，其中对于3相电机（相A、B和C）而言，每个磁极和相的槽等于1。A、B和C对应于相的去程方向，并且A'、B'和C'对应于相的回程方向，即相反方向。

在图2的中间部分中，示出了表示第一相的两个磁极4。磁极4中的每一个磁极包括多个导体绕组5，其中每个磁极4有多匝。用短线作记号的6指示多于一个串联线匝。导体5被串联地连接。这由虚线7来指示。由于串联线匝，线圈或磁极4中的每一个都包括多个去程路径17和多个回程路径18。

图2的下部分示意性地示出用于本发明的发电机的一个相的本发明的单匝波状绕组。属于第一相A的磁极组包括多个磁极4，示出了其中的四个磁极4a、4b、4c和4d。一般来说，磁极4可以包括叠片。

每个磁极4包括右侧10、左侧11、前侧12和后侧13。导体8绕着磁极4波状地转变方向。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表示回程路径A'，第二半匝8b表示去程路径A，第三半匝8c表示回程路径A'且第四半匝8d表示去程路径A。

第一半匝8a沿着第一磁极4a的右侧10前进，并沿着第一磁极4a的后侧13进一步前进。然后，其沿着第一磁极4a的左侧11进一步前进，并且同时沿着第二磁极4b的右侧11进一步前进。这意味着导体通过第一磁极4a与第二磁极4b之间的槽。然后，导体8进一步沿着第二磁极4b的前侧11、然后沿着第二磁极4b的左侧11且同时沿着第三磁极4c的右侧10前进。导体8进一步沿着第三磁极4c的后侧13且沿着第三磁极4c的左侧并同时沿着第四磁极4d的右侧10前进。

在此波状结构中，第一半匝8a被关联到第一磁极4a，第二半匝8b被关联到第二磁极4b，第三半匝8c被关联到第三磁极4c，并且第四半匝8d被关联到第四磁极4d。图3以透视图示意性地示出图2的下部分的单匝波状绕组的部分。磁极4被槽19相互分开。

多个导体8被并联地连接并绕着磁极转变方向，其方式为每个导体的仅半个单匝被关联到每个磁极，如图2中的下部分和图3所示。可以分析地或实验地或通过模拟来选择将给出较低值的接近和趋肤效应损耗的并联导体的最佳数目。在图4中示出示例。

图4示意性地示出单匝绕组的AC损耗因数与始终被假设为完全移置的并联导体的数目的关系。x轴表示并联且完全移置的导体的数目N。y轴表示任意单位的单匝绕组的AC损耗因数L。AC损耗因数是由接近和趋肤效应损耗引起的。图4中的所获得的曲线14示出约两个并联导体的最大AC损耗因数。随着并联导体的数目的进一步增加，AC损耗因数几乎呈指数地减小。对于八个和更多并联导体而言，AC损耗因数L仅最低程度地减小。曲线14示出对于十个和更多并联导体的几乎平行于x轴的几乎直线。这意味着给出较低值的接近和趋肤效应损耗的并联导体的最佳数目是十个和更多。

图5示意性地示出属于一个相的完全移置的5个并联导体的布置。在所示的布置中，第一磁极21之后是第二磁极22、之后是第三磁极23、之后是第四磁极24，其之后是第五磁极25等等。磁极21、22、23、24和25中的每一个都包括上侧15和底侧16。用编号1至5来指定不同的导体。每个磁极21、22、23、24和25都包括五个位置，第一位置31、第二位置32、第三位置33、第四位置34和第五位置35，它们从上侧15到底侧16彼此跟随。

在第一磁极21中，第一导体1位于第一位置31处，第二导体2位于第二位置32处，第三导体3位于第三位置33处，第四导体4位于第四位置34处，并且第五导体5位于第五位置35处。

在第二磁极22中，第一导体1的下一个半匝变化到第二位置32，第二导体2的下一个半匝变化到第三位置，第三导体3的下一个半匝变化到第四位置34，并且第四导体4的下一个半匝变化到第五位置35。第五导体5的下一个半匝从第一磁极21中的第五位置35变化到第二磁极22中的第一位置31。如图5所示，对于接下来的磁极而言继续此模式。通过如图5所示地布置导体，5个并联导体被完全移置。

在本实施例中，发电机包括三个相，这意味着其包括三个磁极组。每个磁极组包括十个磁极。针对图5中未示出的其它5个磁极循环地重复图5中所示的模式。一般来说，发电机包括转子26、定子27和转子26与定子27之间的空气间隙28。定子27包括图5所示的磁极。可替换地，转子26可以包括图5所示的磁极。

图6示意性地示出作为示例的磁极53的并联导体55之间的绝缘。导体被从1至5编号。如前所述，其被并联地连接。由于该并联连接和并联组装，在不同的导体之间不需要或仅需要非常薄的导体绝缘55。

一般来说，发电机76可以包括内定子，这意味着该定子相对于转子的旋转轴79径向地位于发电机的转子的内侧。可替换地，发电机可以包括外定子，这意味着该定子相对于转子的旋转轴79径向地位于发电机的转子的外侧。在两种情况下，转子和/或定子可以包括所述单匝波状绕组。

基于所述的移置单匝波状绕组结构，理论上清楚的是槽中的并联导体可以不需要绝缘或仅需要一些清漆，因为在这些并联导体之间不存在或存在非常小的电压差。

此外，使用所述单匝波状绕组，线圈和绕组的制作过程明显变得比对于常规多匝绕组更容易并且成本更低。

Claims

1. 一种发电机（76），其包括表示一个相（1、2、3）的至少一个磁极组，每个磁极组包括多个磁极（4），其特征在于，

至少一个导体（8）绕着特定磁极组的磁极（4）转变方向，从而使得仅半个单匝（8a、8b、8c、8d）被关联到每个磁极（4a、4b、4c、4d）。

2. 如权利要求1所述的发电机（76），其特征在于，

并联连接的多个导体（8）绕着磁极（4）转变方向，从而使得每个导体（8）的仅半个单匝（8a、8b、8c、8d）被关联到每个磁极（4a、4b、4c、4d）。

3. 如权利要求1或2所述的发电机（76），其特征在于，

所述发电机包括多个槽并且在每个槽中并联连接5个和25个之间的导体（8）。

4. 如权利要求3所述的发电机（76），其特征在于，

并联连接10个和20个之间的导体（8）。

5. 如权利要求1至4中的任一项所述的发电机（76），其特征在于，

所述导体（8）被从一个磁极（4a、4b、4c、4d）移置到另一个磁极（4a、4b、4c、4d）。

6. 如权利要求5所述的发电机（76），其特征在于，

在特定磁极组的每个相邻磁极（4）处或每隔一个相邻磁极（4）处移置导体（8）。

7. 如权利要求2至6中任一项所述的发电机（76），其特征在于，

所述发电机包括多个槽并且磁极组中的磁极（4）的数目是所述槽中并联连接的导体（8）的数目的整数倍。

8. 如权利要求1至7中任一项所述的发电机（76），其特征在于，

所述发电机（76）每个磁极组包括偶数个磁极（4）。

9. 如权利要求1至8中任一项所述的发电机（76），其特征在于，

所述发电机（76）包括至少三个磁极组。

10. 如权利要求1至9中任一项所述的发电机（76），其特征在于，

所述发电机（76）是直接驱动发电机。

11. 如权利要求1至10中任一项所述的发电机（76），其特征在于，

所述发电机（76）包括定子，所述定子包括至少一个磁极组。

12. 一种包括如权利要求1至11中的任一项所述的发电机（76）的风力涡轮机（71）。