CN102545405B - 用于分段式定子组件的冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于分段式定子组件的冷却结构。具体而言，一种定子组件包括具有定子部分的分段式定子。各定子部分均包括具有定子绕组的定子叠片、具有嵌入在定子叠片内的部分的间隔板，以及具有嵌入在定子叠片内的部分的结构板。各间隔板和各结构板的部分均具有切口状结构，该切口状结构形成开口以容许冷却介质在切口状结构之间流动而向定子绕组提供径向冷却。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
相关申请
本申请涉及都在2010年8月30日提交的名称为″SegmentedStatorAssembly″的共同未决的美国申请序列No.12/871,276和12/871,351。
背景技术
发电机已广泛用于各种应用，包括飞行器、汽车和涡轮机。发电机通常包括在一起工作以产生电力的定子和转子。近年来，风力涡轮机作为对环境安全的替代能源已得到日益增加的关注。风力涡轮机将风的动能转化成机械能，且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，这为风能生产的经济性所要求。另外，不同于利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这一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。尽管分段式定子结构有助于降低成本和运输，特别是在设计成适应常规轨道或道路运送约束时，但它们难以制造和在现场组装。
为了达到大功率密度，定子芯需要经由定子叠片的一定水平的冷却。定子组件通常具有定位在两个相邻叠片之间的某一轴向位置处的间隔件或内部间隔块。这些间隔件在标称轴向距离之后重复且向冷却介质提供径向流动通路。尽管间隔块提供了用于定子冷却的气流通路，但它们受限于其向定子或定子节段提供结构支承的能力，尤其是对于很大的定子组件。
出于这些和其它原因，存在对本发明的需要。
发明内容
一种定子组件包括具有定子部分的分段式定子。各定子部分均包括具有定子绕组的定子叠片、具有嵌入在定子叠片内的部分的间隔板，以及具有嵌入在定子叠片内的部分的结构板。各间隔板和各结构板的部分均具有切口状结构，该切口状结构形成开口来容许冷却介质在切口状结构之间流动，以便向定子绕组提供径向冷却。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
当考虑在附图中示意性地阐述的本发明的示范性实施例时，本发明的实施例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示出了具有根据本发明示例性实施例的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图解视图；
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至图3C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截面视图；
图4示出了根据示例性实施例的定子节段的截面视图；
图5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6示出了根据本发明示例性实施例的结构板的侧视图；以及
图7A和图7B示出了根据示例性实施例的间隔板的侧视图。
尽管上述附图阐述了备选实施例，但还可构思出本发明的其它实施例，如在说明中所提到。在所有情形中，本公开内容都是通过代表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修改和实施例。
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
122定子齿
124定子开口
126a端板
126b端板
127间隔板
128切口状结构
129结构板
130开口
131切口状结构
132开口
133开口
134开口
136定子绕组
148稳定元件
149悬挂部件
150间隔元件
154a拼接板
154b拼接板
具体实施方式
本发明的实施例将通过参照附图进一步详细阐述，其中，附图不以任何方式限制本发明的范围。
文中所公开的本发明示例性实施例是以对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。应当理解的是，根据本发明实施例的定子组件可用于任何电机。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，风力涡轮机100具有带叶片106的毂104。发电机110提供在塔架的延伸部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。
图2A示出了根据本发明示例性实施例的分段式定子(绕组未示出)的图解视图。分段式定子组件114包括均具有定子叠片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，应当理解的是，本发明不限于此方面且可具有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，各定子叠片118均具有限定定子开口124的轭(yoke)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至图3C示出示例性实施例的截面视图。各定子节段116均包括端板126a和126b。端板126a和126b沿轴向方向布置在间隔板127的外部。间隔板127嵌入在定子叠片118内。在示例性实施例中所示的间隔板127沿径向突出超过定子轭120。然而，本发明的实施例不限于这种布置。例如，间隔板127可与叠片在尺寸上基本相同、在径向上比叠片更小或在径向上更大。任何数目的间隔板127都可用于实现所期望的冷却。
此外，结构板129嵌入在定子叠片118内。图3A和图3B还示出了将端板126a，126b和结构板129联接在一起的间隔元件150或杆。在该示例性实施例中，端板126a，126b和结构板129在定子叠片上方突出以容纳开口132以便收纳稳定元件148(图5中所示)，该稳定元件148用于将端板126a，126b和结构板129联接在一起而使定子节段116刚性更大。该图还示出了拼接板154a，154b。在该示例性实施例中，拼接板154a，154b提供成用以将一个定子节段116的端板126，126b和结构板129联接到相邻定子节段116的对应端板126a，126b和结构板129上。然而，将会认识到的是，定子节段116可通过任何适合的方式联接在一起，以便保持分段式定子组件114的强度和结构完整性。例如，相邻定子节段之间的端板和结构板可通过使用附加的重叠板和螺栓/铆钉来连结。作为备选，这些板可焊接。尽管单独的叠片节段并不具有卡箍强度，但通过连结这些结构板形成连续的环向连续的360度环的典型定子芯提供了所期望的卡箍刚度。结构板执行作为结构元件和作为间隔件的双重功能以提供用于径向空气流的通道。
结构板129包括在各定子节段116中，以便向定子节段116提供附加的支承和刚度。结构板129也嵌入在定子叠片118内。在示例性实施例中所示的结构板129沿径向突出超过定子轭120，且超过间隔板127。端板126a，126b可具有与结构板129相同或不同的厚度。例如，端板126a，126b可比结构板129显著更厚，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。在所示的实例中，端板126a，126b并未嵌入在定子叠片118内。然而，其它实施例可包括嵌入在定子叠片118内且构造为结构板的端板126a，126b。
图3C包括示出了冷却介质经由各腔135流动的箭头，其中，该腔135由间隔板127和结构板129相对于定子叠片118的齿122的梳形形状和布置所形成。图4示出了用以冷却线圈或绕组136的如箭头所示的冷却介质流动的另一视图。
图5中示出了定子节段116的另一示例性实施例。在该布置中，结构板129在定子叠片118上方沿径向突出。然而，结构板129在尺寸上减小，且经由悬挂部件149联接到稳定元件148上。悬挂部件149周期性地联接到各结构板129上，以便容纳对应的稳定元件148。悬挂部件149通过诸如螺栓或焊接的任何适合方式而固定到结构板129上。
参看图6，各结构板129以及在一些实施例中的端板126a，126b包括形成在沿内圆周的一部分上的切口状或齿状结构128。如图3A至图3C、图4和图5中所示，结构板129经由齿128嵌入在定子叠片118中。端板126a，126b和结构板129沿径向突出超过定子芯120，以便于联接端板126a，126b和结构板129来向定子节段116提供结构完整性。包括在定子节段中的结构板129的数目取决于设计和应用来选择。端板126a，126b和结构板129的厚度和材料为最大限度地减小性能损失的尺寸和材料。例如，板可为低碳钢以保持设计低成本，或可名义上为非磁性的(例如，不锈钢、铝或铜)以防止任何显著的涡电流损耗，但增加了这些材料的成本。
嵌入的端板126a，126b和结构板129均包括邻近各齿128的开口130以便收纳固定部件或连接器，举例来说，例如拉杆或螺栓。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。连接器穿过定子芯120和端板126a，126b以及结构板129中的开口130。拉杆或贯穿螺栓可由螺母固定以将分段式定子部分116保持在一起。
参看图3A、图5和图6，各端板126a，126b和结构板129还包括开口132用以收纳附加的连接器或稳定元件148，如管、工字梁或一些其它适合的稳定元件，以将端板126a，126b和结构板129连接在一起。附加的连接器148经由端板126a，126b和结构板129向定子节段116提供支承和刚度，这在定子节段116固定在一起时将向定子组件114提供结构完整性。嵌入的端板126a，126b和结构板129还可包括用以容纳间隔元件150的开口134，以便向端板126a，126b和结构板129提供另一连接点。间隔元件150可为任何适合的刚性元件，举例来说，如螺栓、铆钉或焊件。稳定元件148可单独地或结合任何数目的间隔元件150来使用。
尽管端板126a，126b和结构板129的示例性实施例已结合用以容纳多组连接器的多组开口130，132和134进行了阐述，但本领域的普通技术人员将认识的是，实施例并不限于这种布置以及任何单组开口和连接器都可用于固定定子节段116的端板126a，126b和结构板129，或可使用成组开口和相应连接器的任何组合。成组的开口的位置和尺寸取决于定子节段的应用和构造。此外，在本发明的实施例中，端板126a，126b可构造成没有切口状结构128和相关开口130，且甚至是没有开口134。
图7A和图7B示出了间隔板127的示例性实施例。如在图中所示，各间隔板127均包括沿内圆周形成在间隔板127的一部分上的切口状或齿状结构131。如图3A至图3C以及图4至图6中所示，间隔板127经由齿131嵌入在定子叠片118中。间隔板127和结构板129均具有带齿状或切口状结构128，131的部分，且在所示的实施例中在周向长度上大致相同。然而，间隔板127可具有任何适合的周向长度。如图3C中所示，间隔板128和结构板129中的各个均对准成以便它们在定子齿122附近具有一定轮廓，使得间隙或腔135存在于间隔板127与绕组或线圈136之间以及结构板129的部分与绕组136之间。这些间隙135容许诸如空气或氢的冷却介质从电磁空气间隙(未示出)沿径向流至定子114外侧。相邻定子节段116的端板126a，126b和结构板129紧固在一起以形成连续的定子结构114。更具体而言，该轮廓在定子线圈136和结构板129以及间隔板127之间留下物理间隙135。另外，该轮廓定形为使得其从电磁空气间隙164到定子组件114的外侧形成连续腔135。这容许空气从空气间隙流动经过线圈通向定子组件114外侧。如果期望的话，空气流动通路也可反向以适合于总体通风方案。
图7A中所示的间隔板127不包括任何开口，且未联接到端板126a，126b或结构板129上。然而，如图7B中所示，在一些实施例中，各间隔板127均包括邻近各齿131的用于收纳固定部件或连接器(举例来说，例如拉杆或螺栓)的开口133，以便在端板嵌入时联接间隔板127和结构板129以及端板126a，126b。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。连接器穿过定子叠片118和间隔板127中的开口133，以及端板126a，126b和结构板129中的开口130。拉杆或贯穿螺栓可由螺母固定以将分段式定子部分116保持在一起。
包括在定子节段116中的间隔板127的尺寸、数目和位置取决于设计和应用来选择。间隔板127的厚度和材料为最大限度减小性能损失的尺寸和材料。在所示的实施例中，结构板129执行间隔板的功能，以及向定子节段116和分段式定子组件114提供总体结构完整性。间隔板127还可由也有助于定子节段116的总体结构完整性的材料和尺寸所形成。
相对较薄的非结构性的罩盖(未示出)可制造为围绕结构板而形成壳体，以消除大的圆柱形壳体。这些结构特征可用作通风方案的歧管和入口/出口通路，但还可使用备选的方案。
在所示的实施例中，集中式绕组或包绕齿的线圈用于容许清晰的分段。然而，也可使用叠绕式或分布式绕组。
本发明的实施例可包括间隔板127和结构板129结合端板126a，126b在一起的任何组合。此外，间隔板127和/或结构板129可用于任何类型的定子节段。间隔板127和/或结构板129的数目和类型将取决于应用和所期望的冷却而变化。
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输和安装以及对绕组的充分冷却，同时保持大型组件的强度和结构完整性，以便实现所期望的性能要求。定子节段可具有能在行业标准的输运集装箱中运输的尺寸，从而降低了运输成本。
本文所述的电机可良好地适用于风力涡轮机应用。然而，这些电机也可用于多种其它应用。
尽管已根据各种具体实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将认识到，本发明可结合在权利要求的精神和范围内的改型而予以实施。
Claims (9)
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：
具有定子绕组的定子叠片；
具有嵌入在所述定子叠片内的部分的间隔板；以及
具有嵌入在所述定子叠片内的部分的结构板；
其中，各所述间隔板的部分和各所述结构板的部分均包括形成开口的切口结构，以容许冷却介质在所述切口结构之间流动来向所述定子绕组提供径向冷却；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，各所述定子部分还包括：
沿轴向布置在所述定子部分的相反侧上的端板；以及
将所述端板联接在一起的稳定元件。
3.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，各所述端板的一部分嵌入在所述定子叠片内。
4.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，各所述间隔板的部分和各所述结构板的部分均包括开口来分别收纳固定部件以将所述间隔板和所述结构板固定在一起。
5.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，各所述稳定元件包括管。
6.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，所述端板和所述结构板中的各个均包括用以收纳所述稳定元件的开口。
7.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，各所述连接器均包括沿轴向布置在各所述端板的任一侧和所述结构板的任一侧上的拼接板，以便将相邻定子部分的所述端板和所述结构板固定在一起。
8.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述间隔板和所述结构板的切口结构构造成用以最大限度地加大所述冷却介质的流动。
9.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述结构板构造成用以向所述定子部分提供结构支承以及用以容许所述冷却介质向所述定子绕组提供径向冷却。
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