CN102386695B - 分段式定子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分段式定子组件。具体而言，电机和定子组件包括具有定子部分的分段式定子。各定子部分均包括沿轴向布置在定子部分相反两侧上的端板、布置在端板内的支承板、布置在支承板之间的定子叠片，以及将端板和支承板联接在一起的稳定元件。各稳定元件均具有联接到端板和支承板上的燕尾部分。连接器提供成用以将分段式定子的定子部分连接在一起。

Description

分段式定子组件
相关申请的交叉引用
本申请涉及与本文同时提交的名称为″SEGMENTEDSTATORASSEMBLY″的共同未决美国专利申请。
背景技术
发电机已广泛用于多种应用，包括飞行器、机动车辆和涡轮机。发电机通常包括在一起工作以产生电力的定子和转子。近来，风力涡轮机作为对环境安全的替代能源，已得到了日益增加的关注。风力涡轮机将风的动能转化成机械能，而然后机械动力驱动发电机以产生电力。
离岸风力涡轮机通常具有3MW和更高的额定值，这是风能生产的经济性所需要的。不同于采用齿轮传动式发电机的大多数岸基实用级风力涡轮机，离岸涡轮机还使用直接驱动式发电机来改善可靠性。这些额定值以及直接驱动发电机的事实表现为很大的尺寸和重量。直径大于4m的机器通过常规方式运输很困难和昂贵而需要分段。
作为备选，3MW的机器可通过使其轴向较长或使用双面构造而制造在4m的直径极限内。这两种选择都存在挑战性。轴向较长的机器比长度较短、直径较大的机器明显更重，而双面构造存在显著的制造复杂性。尽管分段式定子结构特别是在设计成适于常规轨道或道路运送约束时有助于成本和运输，但它们难以制造和现场组装。
出于这些和其它原因，存在对本发明的需求。
发明内容
一种电机和定子组件包括具有定子部分的分段式定子。各定子部分均包括沿轴向布置在定子部分的相反两侧上的端板、布置在端板内的支承板、布置在支承板之间的定子叠片(lamination)，以及将端板和支承板联接在一起的稳定元件。各稳定元件均具有联接到端板和支承板上的燕尾(dovetail)部分。连接器提供成用以将分段式定子的定子部分连接在一起。
附图说明
当考虑到在附图中示意性地列出的本发明的示范性实施例时，本发明的性质和各种附加特征将更为完全地显现。相似的参考标号表示对应的部分。
图1示出了根据本发明示例性实施例的具有定子组件的风力涡轮机；
图2A示出了根据本发明示例性实施例的定子组件的简图；
图2B示出了图2A中所示的定子组件的一部分的放大视图；
图3A示出了根据本发明示例性实施例的定子组件的定子节段或部分的顶视图；
图3B示出了根据本发明示例性实施例的图2A中所示的其中一个支承板的截面视图；
图4为图3A中所示的定子节段中的结构板的截面视图；
图5示出了根据本发明示例性实施例的图3A中所示的定子节段中的结构板的侧视图；
图6示出了根据本发明另一示例性实施例的定子组件的定子节段或部分的顶视图；
图7A示出了根据本发明示例性实施例的具有支承板的分段式定子组件的截面视图；
图7B示出了图7A中所示的分段式定子组件的一部分的放大视图；
图8示出了根据本发明示例性实施例的具有支承板和拼接板的定子节段的截面视图；
图9示出了根据本发明的另一示例性实施例的定子组件的定子节段的简图；
图10示出了根据本发明示例性实施例的稳定元件；
图11示出了根据本发明示例性实施例的稳定元件的截面视图；
图12示出了根据本发明示例性实施例的用于定子节段的支承结构；
图13示出了根据本发明示例性实施例的用于定子节段的支承结构；
图14示出了根据本发明示例性实施例的端板的截面视图；以及
图15示出了根据本发明示例性实施例的连接元件。
尽管上述附图列出了备选实施例，但还可构思出本发明的其它实施例，如在论述中所提到的那样。在所有情形中，本公开内容都是通过表述而非限制的方式来介绍本发明的所述实施例。本领域的普通技术人员可设计出落入本发明原理的范围和精神内的许多其它变型和实施例。
零件清单
100风力涡轮机
101塔架
104毂
106叶片
108延伸部
110发电机
112转子组件
114定子组件
116定子节段
118定子叠片
119部分
120护铁(backiron)
122定子齿
124定子开口
126结构板
126a端板
126b端板
128切口状结构
130开口
132开口
134开口
136定子绕组
138贯穿螺栓
140螺母
142端部部分
143凸片(tab)部分
144a周向端部
144b周向端部
146开口
148稳定元件
150隔离元件
152区段
154a拼接板
154b拼接板
200定子节段
210端板
212端板
214压板
216压板
218稳定元件
220燕尾条(bar)
228燕尾部
230夹板
232夹板
234定子叠片
235切口状结构
236张力杆
238端部部分
242a拼接板
242b拼接板
243开口
具体实施方式
通过参看附图将进一步详细阐述本发明的实施例，其中附图不以任何方式限制本发明的范围。
文中公开的本发明的示例性实施例是以用于风力涡轮机的发电机为背景示出的。然而，这仅为用于描述目的的实例。应理解的是，根据本发明实施例的定子组件可在用于电机的任何发电机中使用。此外，发电机可为直接驱动式发电机，或用于电机的任何其它发电机。
图1示出了布置在塔架102上的风力涡轮机100，其具有带叶片106的毂104。发电机110提供在塔架102的延伸部108上。发电机110包括转子组件112和定子组件114。图2A和图2B中更为详细地示出了示例性分段式定子组件114。尽管该实例描绘的是在塔架102上游的发电机，但发电机的位置可在塔架的上游、下游或在塔架上，且这里描述的用于定子分段的实施例适用于所有此类构造。
图2A示出了根据本发明示例性实施例的分段式定子的简图。分段式定子组件114包括分别具有定子叠片118的定子节段或部分116。在所示的实例中，示出了四个定子节段。然而，应理解的是，本发明不限于此，而是可存在任何数目的定子节段。图2B为分段式定子114的部分119的放大视图，其示出了各定子节段116均包括定子叠片118，该定子叠片118分别具有限定定子开口124的轭铁或护铁120和定子齿122。定子开口124提供成用以容纳绕组136(图4中所示)。
图3A中示出了一个定子节段116。各定子节段116均包括结构板(或支承板)126。结构板126可包括沿轴向方向布置在中间或其余结构板126外部的端板126a和126b。端板126a，126b可具有与中间结构板126相同或不同的厚度。例如，端板126a，126b可比其它结构板126明显更厚，以便在组装定子节段116以形成分段式定子组件114时提供结构完整性。
如图3B中所示，各结构板126均包括沿内圆周形成在结构板126的一部分上的切口状或齿状结构128。如图4中所示，结构板126经由齿128嵌入定子叠片118中。结构板126沿径向向外突出超过定子铁芯(core)118，以有助于结构板的联接而向定子节段116提供结构完整性。在图中，示出了八个结构板126。然而，应理解的是，取决于设计和应用可使用任何数目的结构板126。结构板126的厚度和材料具有用以最大限度地减小性能损失的尺寸和材料。结构板的数目和位置取决于应用和所期望的性能。在其它实施例中，端板126a，126b不必嵌入定子叠片中，且可构造为没有齿状结构128。
参看图3B和图4，结构板126分别包括邻近各齿128的开口130以便收纳固定部件或连接器，举例来说例如张力杆或螺栓。任何适合的连接器都可使用，且开口可布置成用以容纳对应的连接器。连接器穿过定子铁芯120和结构板126中的开口130。参看图5，由螺母140固定的张力杆或贯穿螺栓138用于通过开口130将结构板126牢固地保持在一起。
参看图3B，各结构板126均还包括开口132用以收纳附加的连接器或稳定元件148，如管、工字梁或用以将结构板126连接在一起的一些其它适合的稳定元件。附加连接器148通过结构板126向定子节段116提供支承和刚性，这在定子节段116固定在一起时向定子组件114提供了结构完整性。各定子节段116均还可包括用以容纳隔离元件150的开口134，以便提供用于结构板126的另一连接点。隔离元件150可为任何适合的刚性元件，举例来说，例如螺栓、铆钉或焊件。在图6中所示的示例性实施例中，使用了稳定元件148和隔离元件150两者。然而，稳定元件148可单独地使用或与任何数目的隔离元件150结合使用。
尽管本发明的示例性实施例显示具有多组开口130，132和134用以容纳多组连接器，但本领域的普通技术人员将会认识到，本发明的实施例不限于此种布置，而是任何单一组的开口和连接器都可用于固定定子节段116的结构板126，或可使用成组开口和相应连接器的任何组合。成组开口的位置可以适于结构板的应用和构造的任何方式布置。
如图3B中所示，各结构板126均包括布置在各结构板126的外周向端部处的端部部分142。端部部分142提供成用以将定子节段116中的结构板126联接到其它定子节段116的结构板126上以形成定子组件114。在所示的示例性实施例中，对于各结构板126，端部部分142分别包括凸片部分143，该凸片部分143沿径向延伸超过结构板126的其余部分。凸片部分143可布置成使得一个凸片部分143从结构板126的周向端部144a后退设置，而另一凸片部分143则设置在相对的周向端部144b处。然而，本发明的实施例不限于此，且端部部分142可形成为用以容纳所选的联接结构。各端部部分142均包括开口146。这些开口146提供成用以有助于将一个定子节段116的结构板126固定到另一定子节段116的结构板126上。
在图7A、图7B和图8中所示的示例性实施例中，结构板126经由拼接板154a和154b固定到一起。图7A示出了经组装以形成定子组件114的定子节段116。图7B为图7A的节段152的放大视图。图8示出了包括拼接板154a和154b的定子节段116的截面视图。拼接板154a和154b构造成用以对应于端部部分142的形式，如图3B中所示。拼接板154a和154b包括开口156，该开口156对应于结构板126的端部部分142中的开口146。如图8中所示，拼接板154a和154b沿轴向布置在结构板126的任一侧上，包括将联接在一起的端板126a，126b。相邻结构板126的拼接板154a，154b和端部部分142通过紧固元件举例来说例如螺栓而联接在一起。还可使用其它紧固方式，如铆接、焊接或铜焊。定子节段116中的各结构板126以在定子节段116联接在一起而形成定子组件114时提供固定结构的这种方式而联接到相邻定子节段116的对应结构板126上。
尽管本发明的示例性实施例中使用了端部部分和拼接板，但本领域的普通技术人员将认识到，相邻定子节段116的结构板126可通过任何适合的机构联接在一起以保持分段式定子组件114的强度和结构完整性。
图9中示出了定子节段的另一示例性实施例。在该实施例中，定子节段200包括端板210和212、压板214和216，以及稳定元件218，举例来说例如管，以便将所有板联接在一起来形成用于定子节段200的刚性结构。在该示例性实施例中，没有结构嵌入定子叠片中。
参看图10和图11，各稳定元件218均包括燕尾条220。燕尾部228固定到各燕尾条220上。各燕尾部228均与定子叠片234(且如果使用的话与支承元件)接合，且因此将叠片234连接到稳定元件218上。如图11中所示，在该示例性实施例中，各定子叠片234均包括用以容纳燕尾部228的开口或切口235。包括燕尾条220和燕尾部228的稳定元件218的数目可取决于定子节段的具体构造和期望刚度来选择。切口235的数目和位置可布置成对应于燕尾部228的数目和位置。如图11中所示，端板210，212和压板214，216固定到稳定元件218上。它们可一体地形成到稳定元件218上，或例如通过焊接或其它适合方式固定到稳定元件218上。
参看图12和图13，夹板230和232分别固定到压板214和216上。任何适合的方式都可用于将夹板230，232固定到压板214，216上。定子叠片234布置在夹板230和232之间。夹板230，232和定子叠片234经由张力杆236或其它适合的固定机构而固定在一起。在该示例性布置中，不存在嵌入定子叠片234中的支承或结构元件或板，但也可使用此类元件。定子节段200的强度通过端板210，212、压板214，216和支承定子叠片234的稳定元件218来确定。在该示例性实施例中，端板210，212具有将强的支承和结构完整性提供给定子节段200以及定子组件114的厚度和材料。
参看图14和图15，端板210和212具有带开口240的端部部分238，类似于图3B中所示的端部部分142和开口146。如图15中所示，相邻定子节段200的端板210和212通过拼接板242a和242b以与拼接板154a，154b相同的方式固定在一起。拼接板242a和242b构造成对应于端部部分238的形式。拼接板242a和242b包括开口243，该开口243对应于端板210和212的端部部分238中的开口240。拼接板242a和242b沿轴向布置在将联接在一起的端板242a，242b的任一侧上。拼接板242a，242b和相邻端板210，212的端部部分238例如通过诸如螺栓的紧固元件而联接在一起。定子节段200中的各端板210，212以在定子节段200联接在一起来形成定子组件114时提供固定结构的这种方式而联接到相邻定子节段200的对应端板210，212上。在该示例性实施例中，拼接板242a，242b可具有较大的尺寸，使得如果仅存在两个定子节段200，则拼接板242a，242b可为半圆尺寸以提供最完全的支承。拼接板的尺寸可设计成任何适合的尺寸。
尽管本发明的示例性实施例中使用了端部部分和拼接板，但本领域的普通技术人员将认识到，相邻定子节段200的端板210，212可通过任何适合的机构联接在一起以保持分段式定子组件114的强度和结尾完整性。
图5和图9中所示的示例性实施例示出了集中式绕组。在一些实施例中，定子线圈同心地布置并围绕每一定子齿卷绕。在其它实施例中，定子线圈同心地布置且围绕交替的定子齿卷绕。集中式绕组136围绕定子齿卷绕，且每个转子极的每个相的定子槽数目＜1，也即，其为分数槽绕组。与常规定子相反，其中每个转子极的每个相的槽数目等于或大于一。转子极与对于分数槽绕组的开槽定子的相互作用导致各种MMF(磁动势)谐波，其用来产生谐波耦合机器。具有谐波耦合的集中式绕组提供了较高的线圈填充系数、较好的定子齿长宽比，以及较短的端部绕组，这些相结合使得能够以相对较高的极数实现较高转矩密度。例如，每极每相2/7槽的绕组设计可用于建造一种谐波耦合机器，在与每极每相两槽的设计相同的线圈数的情况下，该谐波耦合机器具有使用MMF分布的第七次谐波的极数的七倍。这导致每极通量减少，可能减少至此比例，且需要转子和定子护铁的对应减小来传递EM通量。另外，该机器类型对于分段式定子布置是合乎期望的。
在本文所公开的实施例中，分段式定子组件包括定子节段，该定子节段提供成本效益更为合算的运送和安装，同时保持大型组件的强度和结构完整性，以实现期望的性能要求。定子节段可具有能在行业标准的运送容器中运送的尺寸，从而降低了运送成本。
本文所述的电机可良好地适于风力涡轮机应用。然而，此类机器也可用于多种其它应用。
尽管本发明已根据各种具体实施例进行了描述，但本领域的普通技术人员将认识到，本发明可利用在权利要求的精神和范围内的变型而予以实施。

Claims (8)

1.一种定子组件，包括：
具有定子部分的分段式定子，其中，各定子部分均包括：
沿轴向布置在所述定子部分的相反两侧上的端板；
布置在所述端板内的支承板；
布置在所述支承板之间的定子叠片；以及
将所述端板和所述支承板联接在一起的稳定元件，其中，各所述稳定元件均包括联接到所述端板和所述支承板上的燕尾部分；以及
用以将所述分段式定子的定子部分连接在一起的连接器。
2.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，各所述稳定元件的燕尾部分均包括联接到所述稳定元件上的燕尾条和联接到所述燕尾条上的燕尾部。
3.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，各所述定子叠片均分别包括用以收纳所述稳定元件的燕尾部的开口。
4.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，所述燕尾部栓接到各所述稳定元件中的燕尾条上。
5.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述稳定元件通过焊接联接到所述端板和所述支承板上。
6.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述定子组件还包括联接到所述支承板上的夹板，其中，所述定子叠片布置在所述夹板之间。
7.根据权利要求6所述的定子组件，其特征在于，所述定子叠片和所述夹板通过固定元件联接在一起。
8.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，定子极的数目与转子的转子极的数目不同。
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