CN102498647A - 风力发电设备或水力发电设备 - Google Patents

风力发电设备或水力发电设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于产生电能的风力发电设备或水力发电设备，其具有至少一个螺旋桨(30)和至少一个包括转子(110)和定子(500)的发电机(60)。根据本发明，提供了由至少两个相互间机械和电气不相关的定子模块(100)所形成的定子，所述定子模块各自与转子共同作用，每个定子模块各自包括至少一个模块自身的磁体(130)、至少一个线圈(140)，该线圈被磁体的至少一部分磁通量穿过，并且每个定子模块与转子分别形成了一个模块自身的磁回路(120)，其中，在转子和定子之间有相对运动的情况下，每个定子模块会生成一个模块自身的输出电压。

Description

风力发电设备或水力发电设备
描述
本发明涉及具有根据权利要求1前序部分所述的特征的风力或水力发电设备。
多年来，借助变得越来越大的风车实现了由风力获取电能。此外，可获得的功率取决于风车的直径。更大的功率也因此意味着更大的风车直径和更大的螺旋桨叶片长度。由于螺旋桨尖端的圆周速率受到技术上的限制，所以始终得到较小的转数。
本发明根本上要实现的任务是，提出一种风力或水力发电设备，该风力或水力发电设备能够产生较大的电功率，但具有简单且易实施的构造。
根据本发明，该任务通过具有根据权利要求1前序部分所述的特征的风力或水力发电设备来解决。根据本发明的风力或水力发电机的有益的设计在从属权利要求中进行描述。
然后，根据本发明提供了一种用于产生电能的、包括至少一个螺旋桨和至少一个包括转子和定子的发电机的风力或水力发电设备。该风力或水力发电机的特征在于，定子由至少两个在机械和电气上相互独立的定子模块形成，该定子模块分别与转子共同作用，每个定子模块分别包括至少一个模块自身(moduleigen)的磁体、至少一个被磁体中的至少一部分磁通量穿过的线圈，并且每个定子模块与转子分别形成了模块自身的磁回路，其中，在转子和定子之间有相对运动的情况下，每个定子模块会生成模块自身的输出电压。
根据本发明的风力或水力发电设备的实质上的益处在于，定子由分离的定子模块形成；这使得定子的组装特别简单，尤其是在地面以上很高的高度处，正如在风力发电设备传统的组装高度一样。定子的组装不必像之前已知的风力或水力发电设备那样，将整个定子整体地运输和安装，相反可以例如借助起重机(Kran)将定子模块分别运送到各自的组装位置处并在现场安装。
根据本发明的风力或水力发电机的另外一个实质上的益处在于，在有损坏的情况下，可以替换个别的定子模块。由于不必更换整个定子，因此在维修时可以节省费用。
根据本发明的风力或水力发电设备的另外一个益处在于，所有在发电机工作过程中必须被加热以及在可能时必须被冷却并由此不能超过温度上限的组件，其可以被安装在发电机的定子中。从外部冷却定子在技术上相对简单且实施成本低。安装在转子中引导磁通的部件和元件可以在根据本发明的风力或水力发电机中由温度不敏感的部件形成，从而使得不需要被额外地冷却，其中，所述部件和元件可以通过反复磁化(Ummagnetisierung)或涡流加热，而且也可以由定子通过导热和/或辐射加热。换句话说，根据本发明的风力或水力发电设备的实质上的益处还在于，即使当产生了很高的电功率时，只有定子部件必须被冷却而且可以停止冷却转子。
定子模块的定子侧的线圈例如可以电联接，使得在实现了电能源供应网络之后可以提供相应的电流和电压，其中，风力或水力发电机连接到该电能源供应网络上。
风力或水力发电机中主要涉及具有至少1kW的额定功率的设备。在任何情况下都需要该额定功率，以允许在能量传输网络中能够经济地使用。
定子模块最好以如下方式布置，即定子模块能够分别独立于其他定子模块从发电机拆出(ausbauen)并能够装入发电机内，以及能够独立于其他定子模块被更换。
还被认为有益的是，如果定子模块分别有组装装置，那么通过该组装装置可以按单个模块地调整各个的定子模块和转子之间的距离。
至少一个定子模块，优选地为全部定子模块，具有模块自身的冷却装置。
此外，被认为有益的是，定子模块具有磁轭并且模块自身的冷却装置间接地或直接地安装在磁轭的背离转子的轭外侧上。
至少一个定子模块，优选地为全部定子模块，分别具有变流器(Umrichter)或整流器(Gleichrichter)，该变流器或整流器对由一个或多个模块自身的线圈所提供的交流电压进行变流或整流，并且生成模块自身的交流或直流电压作为模块自身的输出电压。
所述变流器或整流器最好安装在模块自身的冷却装置的外侧上，该外侧与转子和磁轭外侧相背离。
考虑到降低构造成本，如果定子的定子模块构造相同就被认为是有益的。
转子最好在其面向定子模块的表面上具有依赖于其各自旋转角度的磁阻(Rm)，从而使得在定子模块的线圈中磁通量的大小取决于转子各自的旋转角度并随着转子的旋转发生改变。
定子模块的磁体最好由永磁体形成。可选地，可以使用电磁铁来代替永磁体或用电磁铁与永磁体组合来产生磁通量。
优选地，定子模块围绕转子旋转轴的排布是旋转对称的。
转子可以安装在例如围绕定子的外面或者安装在定子内。
风力或水力发电机的螺旋桨最好与发电机的转子抗扭转地相连。由此可以取消转子和螺旋桨之间的传输装置，这样使得重量和成本能够被最小化。
为了使多相(比如三相的)发电成为可能，当定子的定子模块排布的旋转对称角度和在转子上磁阻的位置分布的旋转对称角度不同时，被认为是有益的。旋转对称角度的差会导致在定子和转子上不同的磁极距，这样使得可以产生多相系统的电流。
当然，如果只应当生成唯一的电流和电压相位，定子的旋转对称角度和转子的旋转对称角度也可以是一致的。
优选地，转子在其面向定子的表面具有径向向外延伸的齿。借助该齿结构或齿轮廓使得以特别简单的方式在转子的表面引起一种取决于转子各自的旋转角度的磁阻。在转子表面上的齿最好由一种具有小磁阻的材料构成，那就是说，由一种在靠近电磁场时会引起大的磁通量的材料构成。适合这种齿的材料有例如铁磁材料，因为铁磁材料具有很高的相对导磁性
定子相邻齿之间的中间区域例如可全部地或部分地被具有比齿的材料更大的磁阻的材料填充。例如，相邻的齿之间的中间区域例如可以用塑料或树脂填充。
但被认为特别有益的是，相邻齿之间的中间区域保持空白，因为在转子旋转时暴露的齿会导致在定子和转子之间空气间隙中的空气漩涡，由此引起转子和定子的冷却。
特别优选地，每个定子模块分别具有引导磁通的元件，该元件穿过至少一个定子侧的线圈，其中，在线圈区域中的引导磁通的元件的截面面积小于定子侧的磁体的截面面积。通过这种截面设计，可使定子侧的线圈区域中的磁通量集中。
以一种相应的方式可指定，引导磁通的定子侧的元件在线圈区域中小于在其铁心端部(Schenkelende)的区域中，通过该铁心端形成对于转子的接口。以这种设计同样可以使线圈区域内的磁通量集中，然而其中，在转子和定子之间的接口处，气隙场(Luftspaltfeld)会受到影响。
为了使场线以尽可能理想的方式穿过定子，磁回路的定子侧的段(Abschnitt)可分别配备至少一个磁通屏障(Flusssperre)，该磁通屏障具有比各个定子侧的段的通常材料更大的特征磁阻。这种磁通屏障限制了场线的走向，因为，场线不能或者只能很差地穿过该磁通屏障，并且因此(至少主要地)其走向必须绕开该磁通屏障。
此外，当定子侧的磁体被嵌入磁通导向的定子侧的材料中时，被认为特别有益。
对依赖于螺旋桨转数的发电机输出电压和输出频率的转换最好采用变流器(Umrichter)。
也可以在一个方向或(例如每一半)在两个方向上设有转子结构的斜棱(箭头状斜棱)，以减少制动力矩并对声发生(Schallerzeugung)做出正面的影响。
下面，将依据实施例对本发明进行详细描述；这里举例展示了：
图1：根据本发明的、与能量传输网络相连的风力发电设备的设计的实施例，
图2至19：根据图1所示的风力发电设备的发电机定子模块的不同实施例，
图20：根据图1所示的风力发电设备的转子的倾斜的齿的实施例，以及
图21：根据图1所示的风力发电设备的转子的倾斜的齿的另外一个实施例。
在附图中为清晰起见，对相同或类似的组件总是使用相同的附图标记。
在图1中显示了在能量传输网络20上连接的风力发电设备10的设计。该风力发电机10将风能转化为电能并将其输送到能量传输网络20中。
风力发电机10包括螺旋桨30，该螺旋桨30能够包括多个叶片40。在根据图1所示的实施例中，螺旋桨30具有三个叶片，当然该螺旋桨30也可以有更少或更多的叶片。
螺旋桨30围绕与风力发电设备10的发电机60相接的轴50旋转。螺旋桨30通过风力作用围绕轴50旋转运动，那么发电机60将产生电流I，该电流被传送到能量传输网络20中。
图2举例展示了一种部分展示的发电机60的可能的实施方式。在图2中显示了定子模块100，该定子模块与其他没有被进一步展示的定子模块形成发电机60的定子。此外展示了发电机60的未被进一步示出的转子的段110。
在图2中，附图标记120代表的是磁回路，该磁回路在定子侧包括：定子模块100的引导磁通的元件125、定子模块100的模块自身的磁体130、以及定子模块100的两个模块自身的线圈140和141。模块自身的线圈140和141至少被磁通量的一部分穿过，该磁通量是由模块自身的磁体130产生的。定子模块100的引导磁通的元件125也可以被描述为定子模块100的磁轭。
此外，磁回路120还包括了转子的段110。该转子的段110形成了磁阻Rm，该磁阻依赖相对于定子的转子各自的旋转角度。所以，在图2中显示了，转子110具有齿150，这些齿形成了较小的磁阻。这些齿150相互通过缝隙160被分开，这些缝隙相对于齿150形成了更大的磁阻。如果现在转子110相对于定子模块100旋转，那么对于磁回路120，整个磁阻周期性地变化并且始终依赖于转子相对于定子分别具有什么旋转角度。
例如，假设模块自身的磁体130产生恒定的磁场强度，那么流经磁回路120的磁通量就取决于转子各自的位置。如果转子110调整为如图2中所示的那样，那么，在磁回路120中的磁通量将会达到最大。如果转子相对与该磁回路旋转，那么磁通量将变小。基于在两个模块自身的线圈140和141中的磁通量改变，将会在两个线圈的导体端部产生感生电压，该感生电压可以被作为电能给到根据图1所示的能量传输网络20。
此外，正如从图2可以得出，定子模块100的引导磁通的元件125被设计成U形截面，并具有两个铁心端部200和210，这些铁心端部与转子110中的齿150或缝隙160共同作用。引导磁通的元件125在截面中呈U形的设计应该理解为仅仅是示例性的；当然该引导磁通的元件125还可以具有其他形状的设计，正如在下面结合其他实施例进一步详细解释的一样。
为了实现平滑的转子表面，缝隙160可以被具有不同于齿150的磁阻的材料填充。例如，缝隙160可以被塑料或树脂填充。
但被认为特别有益的是，如果缝隙160只由空气填充，那么在转子旋转的情况下，在转子和定子之间的缝隙中会出现空气漩涡，并且转子和定子都会通过空气流通来冷却。
其中，模块自身的磁体130可涉及永磁体或电磁铁。
图3展示了定子模块110可能的设计的其他实施例。在根据图3的实施例中，该定子模块100的模块自身的磁体130被嵌入引导磁通的元件125的材料中。除此之外，根据图3所示的实施例与根据图2所示的实施例相符。
图4举例展示了定子模块100的实施例，其中存在两个模块自身的磁体130和131。这两个模块自身的磁体位于呈U形构造的引导磁通的元件125的铁心端部200和210上。除此之外，根据图4所示的实施例与根据图2和图3所示的实施例相符。
在图5中展示了定子模块100的实施例，其中，引导磁通的模块自身的元件125在模块自身的线圈140和141区域中有比在铁心端部200和210区域中更小的截面。优选地，转子中的齿150的形状设计成与铁心端部200和210的形状设计和截面相符；例如，铁心端部的截面与齿150的截面是一致的。
在图6中展示了发电机60的定子模块100的实施例，其中，同样地在模块自身的线圈140和141区域中进行磁通的集中(Flusskonzentration)。所以可以看出，引导磁通的定子侧的元件125在模块自身的线圈140和141区域中有比在磁通导向的元件125的弧形区域(Bogenbereich)更小的截面。
图7举例展示了定子模块100的实施例，其描绘了根据图4和图5的实施例的组合方式。在图7中可以看到两个模块自身的磁体130和131，这些磁体被安装在引导磁通的定子侧的元件125的铁心端部200和210上。此外，可以看出，铁心端部200和210的截面或模块自身的磁体130和131的截面要比引导磁通的定子侧的元件125在两个模块自身的线圈140和141区域中的横截面更大。
在图8中展示了定子模块100的实施例，其中，定子模块100的引导磁通的元件125被设计为梳状或梳形。优选地，引导磁通的元件125涉及具有径向向内形成的铁心的弧形梳形件(Kamm)，该弧形梳形件在图8中例如以三个附图标记300、301和302来标记。
定子模块100的极距与转子的极距在根据图8所示的实施例中是一致的，从而使得在模块自身的线圈140、141、142中感生出的电压具有相同相位或者有180°的相位偏移。通过模块自身的线圈适当的互连可以由此为单相能量传输系统产生电流和电压。
在根据图9所示的实施例中，定子模块100的引导磁通的定子侧的元件125同样由具有梳状结构的弧形元件形成，正如已经接合图8解释过的那样。然而与根据图8所示的实施例不同的是，定子和转子之间的极距是不一致的，这样使得在模块自身的线圈140、141、142中的感生出的电压相互间具有相位偏移，该相位偏移取决于定子和转子之间的极性偏移。通过这种偏移能够为多相的(特别是三相的)能量传输系统产生多相的(例如三相的)电流和电压。
在图10中展示了定子模块100的实施例，其中，模块自身的磁体130、131和132沿着定子模块100的引导磁通的定子侧的元件125的铁心300、301和302的纵向定向。在该设计中，当转子相对于定子相对运动时，会导致铁心内部的场线方向的变化，并由此导致模块自身的线圈140、141、142中感生出的电压的相位变化。
图11展示了定子模块100的实施例，其中，在引导磁通的定子侧的元件125的铁心300、301和302中集成有磁通屏障400，该磁通屏障具有特别高的磁阻。该磁通屏障400的功能在于，以适合的方式引导在引导磁通的定子侧的元件125内的磁场线，以实现尽可能大的效率。
在图12和13中借助实施例展示了，如何将定子模块100组装成一个完整的定子500。从中可以看出，每个定子模块100分别具有两个固定销钉510，借助该固定销钉，定子模块能够分别与相邻的定子模块，例如通过夹钳相连。也可能使在图13中显示并用标记520表示的固定环来套在固定销钉510上，该固定环的环直径与定子500的直径对应。
此外，在图12和13中可以看出，定子模块100可以分别具有两个外部的弓形环(Ringsegment)530和540，这些外部的弓形环套在定子模块100的引导磁通的元件或磁轭125外面。在第一个外部的弓形环530中，例如可集成模块自身的冷却装置，该冷却装置被间接或直接地安装在磁轭125的背离转子的磁轭外侧。
在第一个外部的弓形环530上所套的第二个外部的弓形环540中，例如可以集成变流器或整流器，该变流器或整流器对由一个或多个模块自身的线圈所提供的交流电压进行变流或整流，并且产生模块自身的交流或直流电压作为模块自身的输出电压。在根据图13所示的实施例中，变流器或整流器被分别安装在背离转子110和磁轭125的第一个弓形环530的外侧，并由此安装在背离磁轭外侧的模块自身的冷却装置的外侧。该冷却装置由此以有益的方式既冷却位于内部的磁轭125又冷却位于外部的变流器或整流器。
图14举例展示了定子模块100，这些定子模块分别配有两个固定销钉510，并且这些定子模块分别具有集成了模块自身的冷却装置的、外部的弓形环530。冷却装置被分别安装到磁轭125的磁轭外侧上。然而在该实施例中，缺少具有变流器或整流器的第二外部的弓形环540。
图15举例展示了定子模块100，该定子模块100相互间借助未被进一步示出的夹钳连接。在该实施例中，缺少用于冷却装置和/或变流器或整流器的、外部的弓形环。
图16举例展示了定子模块100的一种可能的实施方式，所述定子模块包括模块自身的磁体130和模块自身的线圈140。该线圈140具有外部的电接口600，通过该电接口，定子模块100可以与其他定子模块电连接。
图17举例展示了定子模块100的一种可能的实施方式，其中，模块自身的整流器610被连接到模块自身的线圈140的电接口600上。整流器610的外部电接口620用于使定子模块100与其他定子模块电连接。
图18举例展示了定子模块100的一种可能的实施方式，其中，模块自身的变流器630被连接到三个模块自身的线圈140的电接口600上。变流器630由模块自身的整流器640和下游的模块自身的逆整流器650形成。变流器630的外部电接口660用于使定子模块100与其他定子模块电连接。此外，该定子模块100具有用附图标记670表示的冷却装置。
在图19中举例展示了一种根据图1来设计发电机60的可能性，即，使得转子110可以在外面围绕定子模块100运动。所有按照图2至18的实施方案的变体都可作为外部转子来实现。
在图20中举例展示了，齿150不一定必须平行于按照图1的旋转轴50。所以可以看出，在按照图20所示的实施例中，设置转子倾斜的齿150；因为齿150相对于转子的旋转轴50是倾斜的或有角度的。
以适合的方式，模块100的一个或多个引导磁通的定子侧的元件125的边相对于发电机的旋转轴50可被倾斜地或有角度地定向。
图21举例展示了具有斜棱的齿的外形设计，其中，齿显示有箭头状倾斜
Figure BDA0000144167060000101
因此，每个齿的段分别被远离旋转轴定向，相对地，连接到该段上的每个齿在其他段重新朝着旋转轴定向，从而使得沿着旋转轴看去形成了每个齿总体上呈箭头形状的结构。
附图标记表
10  风力发电设备
20  能量传输网络
30  螺旋桨
40  叶片
50  轴
60  发电机
100 定子模块
110 转子
120 磁回路
125 引导磁通的模块自身的元件
126 弧形或底部区域
130 磁体
131 磁体
132 磁体
140 定子侧的线圈
141 定子侧的线圈
142 定子侧的线圈
150 齿
160 缝隙
200 铁心端部
210 铁心端部
300 铁心
301 铁心
302 铁心
400 磁通屏障
500 定子
510 固定销钉
520 固定环
530 第一弓形环
540 第二弓形环
600 电接口
610 模块自身的整流器
620 外部的接口
630 模块自身的变流器
640 模块自身的整流器
650 模块自身的逆整流器
660 外部的接口
670 冷却装置
I 电流
Rm 磁阻

Claims (15)

1.一种用于产生电能的风力发电设备或水力发电设备(10)，其具有至少一个螺旋桨(30)和至少一个包括转子(110)和定子(500)的发电机(60)，其特征在于，
-所述定子由至少两个相互间机械和电气不相关的定子模块(100)形成，所述定子模块各自与所述转子共同作用，
-每个所述定子模块各自包括至少一个模块自身的磁体(130)、至少一个线圈(140)，所述线圈被所述磁体的至少一部分磁通量穿过，并且每个所述定子模块与所述转子分别形成了一个模块自身的磁回路(120)，
-其中，在转子和定子之间有相对运动的情况下，每个定子模块会生成一个模块自身的输出电压。
2.如权利要求1所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
定子模块能够分别独立于其他定子模块从发电机拆出并能够装入所述发电机内，以及能够独立于其他定子模块被更换。
3.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
定子模块分别具有组装装置，通过所述组装装置能够按单个模块地调整各个定子模块和转子之间的距离。
4.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
至少一个定子模块，优选地全部定子模块，具有模块自身的冷却装置(670)。
5.如权利要求4所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
-所述定子模块具有磁轭(125)，并且
-所述模块自身的冷却装置间接地或直接地安装在所述磁轭的背离所述转子的轭外侧上。
6.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
至少一个定子模块，优选地全部定子模块，分别具有变流器或整流器(610、630、640、650)，所述变流器或整流器对由一个或多个模块自身的线圈所提供的交流电压进行变流或整流，并且生成模块自身的交流电压或直流电压作为模块自身的输出电压。
7.如权利要求6所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述变流器或整流器安装在模块自身的冷却装置(670)的外侧，所述外侧与转子和磁轭的外侧相背离。
8.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述定子的定子模块构造相同。
9.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
转子在其面向定子模块的表面上具有依赖于所述转子各自的旋转角度的磁阻(Rm)，从而使得在定子模块的线圈中的磁通量的大小取决于转子各自的旋转角度并随着转子的旋转发生改变。
10.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述定子模块的磁体是永磁体。
11.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述定子模块围绕转子的旋转轴的排布是旋转对称的。
12.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述转子在其面向定子的表面上具有径向向外延伸的齿(150)。
13.如权利要求12所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
相邻的齿之间的空隙全部地或部分地由磁阻比所述齿的材料的磁阻大的材料填充。
14.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述转子安装在围绕所述定子的外面或者安装在所述定子内。
15.如上述权利要求中任意一项所述的风力发电设备或水力发电设备，其特征在于，
所述螺旋桨与发电机的转子抗扭转地相连。
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