CN102570671A

CN102570671A - 电机的定子元件

Info

Publication number: CN102570671A
Application number: CN2011104536989A
Authority: CN
Inventors: S.塞默; H.斯蒂斯达尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Flanders Ltd.
Priority date: 2011-01-03
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: EP2472705B1; US20120169058A1; CA2762978C; CN102570671B; CA2762978A1; EP2472705A1; DK2472705T3

Abstract

本发明涉及电机的定子元件（1），具体是发电机的定子元件，特别是风力涡轮机的发电机，具体是直接驱动风力涡轮机，该定子元件包括具有至少两个相邻放置的轴向延伸的槽（3）的磁轭（2），所述槽用于容纳至少一个定子绕组（4、5、6），所述定子绕组（4、5、6）由沿径向方向堆叠在彼此顶部上的多个股线（7）构成，每个定子绕组（4、5、6）包括轴向延伸离开所述磁轭（2）的端部绕组（4’、5’、6’），其中各定子绕组（4、5、6）的股线（7）在其轴向长度上是不同的且各定子绕组（4、5、6）的至少一个端部绕组（4’、5’、6’）具有斜坡或弯曲形状。

Description

电机的定子元件

技术领域

本发明涉及电机特别是发电机的定子元件，其包括具有至少两个相邻放置的轴向延伸的槽的磁轭，所述槽用于容纳至少一个定子绕组，该定子绕组由沿径向方向堆叠在彼此顶部上的多个股线（strand）构成，每个定子绕组包括轴向延伸离开磁轭的端部绕组。

背景技术

通常在大的电机或发电机（例如用于大型风力涡轮机）中使用所谓的双层绕组设置（double-layer winding setup），因为所有的定子绕组均是相同的且因而易于制造。

然而，在具有大量磁极和小磁极距的电机中，双层绕组可能是难以安装的，因为在专用槽中插入最后定子绕组需要将已经安装的第一定子绕组从槽中提升出以便完成绕组。也就是说，为了插入最后定子绕组，第一定子绕组必须被临时移除。此外，在分段式电机的情况下，双层绕组需要连接跨过段接头（segment joint）的定子绕组。

单层绕组设计克服了这些缺点，因为当在磁轭的各个槽中插入最后定子绕组时，它们不需要移除第一个被插入的定子绕组。此外，可以使用不需要跨过段接头的单层绕组。单层绕组通常需要平面内（in-plane）和平面外（out-of-plane）端部绕组（参见绕组端部（winding overhang）或绕组头部）这二者。因而，单层绕组具有某些优点，特别是在大型电机方面，该大型电机例如是用于风力涡轮机的发电机。

不过，公知的单层技术导致了大的端部绕组，从而在定子元件的轴向端部处占据了大量的空间。因而，对于各定子绕组而言也需要大量铜或类似物。

EP 2 166 644 A1涉及用于定子元件的端部绕组的特定设计，其包括三组定子绕组，其基本上具有相同的长度，其中至少两个端部绕组径向倾斜不同的倾斜角。不过，该设计仍需要大量空间，因为端部绕组需要具有特定长度以便越过彼此。具体地，在铝定子绕组的情况下，其原本具有相当小的电连接性，这不可避免地导致难以进行磁轭的结构设计以便获得电机的理想电输出。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种改良的定子元件，特别是关于尺寸减小和有效的材料使用方面。

这是通过如上所述的定子元件实现的，其中各定子绕组的股线在其轴向长度上是不同的，其中各定子绕组中的至少一个端部绕组具有斜坡（bevelled）或弯曲形状。

本发明提出了一种定子绕组的新颖设计，其特别适用于各定子绕组的端部绕组，该设计实质上基于其轴向长度不同的股线，从而提供具有斜坡或弯曲形状的至少一个且优选地两个端部绕组。端部绕组的斜坡或弯曲形状导致端部绕组的轴向尺寸减小且因而作为一个整体的定子元件的轴向尺寸减小。端部绕组的轴向尺寸或长度的减小进一步有助于减少所用材料，从而允许定子元件具有更加轻质且有成本效率的构造。类似地，在保持定子元件的轴向尺寸恒定的情况下，即在定子元件具有相同的总轴向长度的情况下，能够增加各定子元件的动力输出或输出扭矩，因为各定子元件具有细长磁轭。

端部绕组的斜坡或弯曲形状指的是所有种类的倾斜、凸或凹的弯曲形状。倾斜度或曲率可以是恒定的，均一或非恒定的，非均一的。对于具有轴向延伸离开磁轭的两个端部绕组的给定定子元件而言，各端部绕组可以具有相同或不同的形状。在本发明的基本实施例中，定子绕组的两个端部绕组均是斜坡的，使得定子绕组沿纵切面具有梯形形状。

本发明的定子元件可以包括整个的、特别是环形的定子。除此之外，本发明的定子元件可以被构成具体环形的定子段，其中多个相应定子元件可以被连接以构成整个定子。

本发明的定子元件适于具有外部定子-内部转子以及外部转子-内部定子这两种构造的电机中的应用。

如果定子元件包括多于一个定子绕组，即在具有三个单独的定子绕组的三相电机的示例性情况下，各定子绕组的端部绕组优选地形状不同。各端部绕组的形状以如下方式来对应，即使得定子元件的轴向尺寸减小。因而，优选的是在定子包括多于一个定子绕组的情况下，第一定子绕组的端部绕组被成形成至少部分地包围另一定子绕组的端部绕组，这将在下文中被更加详细地描述。

关于一个或更多个相应的定子绕组，可能的是，相应定子绕组的股线的轴向长度沿径向向外或向内方向减小。各股线的轴向长度与其布置的结合主要限定了各定子绕组的形状或相应地各端部绕组的形状。因此，可能的是，在多于一个定子绕组的情况下，第一定子绕组的股线在轴向长度上可以沿径向向外方向增加，而另一定子绕组的股线在轴向长度上沿径向向外方向减小，或者反之亦可。

可能的是，定子绕组的端部绕组沿径向向外或向内方向倾斜。端部绕组的倾斜还影响端部绕组的轴向尺寸且进一步影响作为整体的定子元件的轴向尺寸。倾斜可以伴随有磁轭的更深的槽，从而确保端部绕组不超过磁轭的高度，即端部绕组不超过磁轭的径向尺寸，使得对于定子元件和转子之间的空气间隙存在足够的空间。因为倾斜可能沿径向向外或向内方向，所以本发明的定子元件适于在具有外部转子-内部定子构造的电机以及具有外部定子-内部转子构造的电机中使用。在下文中将描述示例性实施例。

如果定子元件包括例如三个定子元件，则可能的是，第一定子绕组的端部绕组不倾斜或沿径向向外方向倾斜，并且第二和第三定子绕组的端部绕组沿径向向内方向倾斜。这种实施例适用于例如具有外部定子-内部转子构造的三相电机。

因而，可能的是，定子元件包括三个定子绕组，其中第一定子绕组的端部绕组不倾斜或沿径向向内方向倾斜，并且第二和第三定子绕组的端部绕组沿径向向外方向倾斜。这种实施例适用于例如具有外部转子-内部定子构造的三相电机。

在本发明的另一实施例中，定子元件包括多于一个定子绕组，其中各定子绕组的端部绕组相对于定子元件的中心轴线以不同角度倾斜。端部绕组的倾斜还有助于减小轴向尺寸，因为能够将端部绕组相对彼此设置得更近，也就是提供了更密集封装的端部绕组，从而导致更有效地使用空间。

应用到包括三个定子绕组的定子元件，则可能的是，相对于定子元件的中心轴线或纵向轴线，第一定子绕组的端部绕组沿逆时针方向倾斜大约0-15度，并且第二定子绕组的端部绕组沿顺时针方向倾斜大约45度，并且第三定子绕组的端部绕组沿顺时针方向倾斜大约90度。当然，在减少定子元件的总轴向长度的前提下，即减少至少各端部绕组的轴向长度的前提下，在例外情况下，可以想到其他角度。

因而，可能的是，定子元件包括三个定子绕组，其中相对于定子元件的中心轴线或纵向轴线，第一定子绕组的端部绕组沿顺时针方向倾斜大约0-15度，并且第二定子绕组的端部绕组沿逆时针方向倾斜大约45度，并且第三定子绕组的端部绕组沿逆时针方向倾斜大约90度。类似地，在减少定子元件的总轴向长度的前提下，即减少至少端部绕组的轴向长度的前提下，在例外情况下，可以想到其他角度。

理想的是，股线由金属，特别是铜或铝制成。因此，铜呈现了更佳的电连接性但是价格相当高。铝代表了更有成本效率的材料，不过电连接性相当低。在股线由铝制成的情况下，可能必要的是调整槽的深度以便获得与使用铜股线时相当的相应动力输出。在例外情况下，通常可以应用其他导电金属或材料。

此外，本发明涉及一种电机，特别是用于风力涡轮机的发电机，其具有相对于定子可旋转的转子，所述定子包括如上所述的至少一个定子元件。因此，电机的轴向尺寸可以被减小，从而有助于更轻质且有成本效率的设计。因此，当保持电机的轴向尺寸恒定时，可以增加相应电机的动力输出或输出扭矩。电机优选地用作风力涡轮机的发电机，特别是大型直接驱动的风力涡轮机的发电机。

除此之外，本发明还涉及一种风力涡轮机，特别是直接驱动风力涡轮机，其包括如前所述的电机，特别是发电机的形式。

附图说明

从本发明的优选实施例的下述具体描述以及附图中能够获得本发明的其他优点和细节，附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的定子元件；

图2示出了图1的部分剖切的透视图；

图3示出了根据本发明的第二实施例的定子元件；

图4示出了根据图2的实施例的透视图；以及

图5-图6示出了与现有技术已知的定子元件相比根据图2的实施例的本发明的定子元件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例的定子元件1。定子元件1优选地用在电机，例如风力涡轮机的发电机（未示出）中。

定子元件1包括磁轭2，该磁轭2具有多个相邻放置的槽3（参见图2），根据定子元件1是用于内部定子-外部转子还是用于外部定子-内部转子构造的相应电机中，所述槽3围绕磁轭2的径向内或外表面的圆周均匀分布。槽3以公知的方式容纳三个定子绕组4、5、6，其中定子绕组4、5、6包括轴向延伸离开磁轭2的端部绕组4’、5’、6’。定子绕组4、5、6由沿径向方向堆叠在彼此顶部上的多个铜股线7构成。

根据本发明，各定子绕组4、5、6的股线7在其轴向长度上是不同的，这导致了各端部绕组4’、5’、6’的斜坡形状。端部绕组4’、5’、6’的斜坡形状基于如下事实：各定子绕组4、5的股线7的轴向长度沿径向向外方向减小，而定子绕组6的股线7的长度沿径向向内方向减小。

本发明提供了端部绕组4’、5’、6’的更加紧凑且密集封装的设计，即可以减小定子元件1的总轴向长度。因而，减少了材料的使用，从而导致定子元件1具有轻质且有成本效率的构造。

如更加明显的，端部绕组4’、5’、6’是倾斜的，即定子绕组4的端部绕组4’沿径向向外方向仅稍微倾斜，而定子绕组5、6的端部绕组5’、6’沿径向向内方向倾斜。这导致了各端部绕组4’、5’、6’的非常紧密且密集的布置，其中相邻放置的端部绕组4’、5’、6’或端部绕组4’、5’、6’的相邻放置的部分可以至少部分地包围彼此（参见图4）。

例如从图1可见，各定子绕组4、5、6的端部绕组4’、5’、6’相对于定子元件1的中心轴线8以不同角度倾斜。根据图1的实施例，相对于定子元件1的中心轴线或纵向轴线8，定子绕组4的端部绕组4’沿逆时针方向倾斜大约10度，定子绕组5的端部绕组5’沿顺时针方向倾斜大约45度，并且定子绕组6的端部绕组6’沿顺时针方向倾斜大约90度。

因而，定子绕组4的股线7以如下方式布置：端部绕组4’的相应斜坡形状呈现基本相同于端部绕组5’的倾斜角度的角度α。因而，端部绕组5’的斜坡形状呈现对应于端部绕组6’的倾斜角度的角度β。端部绕组6’的斜坡形状呈现同样对应于端部绕组5’的倾斜角度的角度γ。

因此，同样如图3、图4所示，各端部绕组4’、5’、6’的形状对应于彼此，从而导致端部绕组4’、5’、6’的上述紧密封装。因而，实质上端部绕组4’包围端部绕组5’的上部，而端部绕组6’包围端部绕组5’的下部，使得端部绕组5’被“贴靠（nestled）”在端部绕组4’、6’之间（参见图4）。

图5、图6示出了与现有技术已知的定子元件S（虚线）相比的本发明的定子元件1。明显的是，本发明的定子元件1包括端部绕组4’、5’、6’的更加密集且紧密的封装。这还导致减少了材料使用，从而导致轻质且有成本效率的构造。在保持定子绕组1的轴向尺寸恒定的情况下，磁轭2可以是细长的，从而增加定子元件1的动力输出或扭矩，且相应地增加电机的动力输出。

Claims

1.电机的定子元件（1），特别是发电机的定子元件（1），包括具有至少两个相邻放置的轴向延伸的槽（3）的磁轭（2），所述槽（3）用于容纳至少一个定子绕组（4、5、6），所述定子绕组（4、5、6）由沿径向方向堆叠在彼此顶部上的多个股线（7）构成，每个定子绕组（4、5、6）包括轴向延伸离开所述磁轭（2）的端部绕组（4’、5’、6’），其中各定子绕组（4、5、6）的股线（7）在其轴向长度上是不同的且各定子绕组（4、5、6）的至少一个端部绕组（4’、5’、6’）具有斜坡或弯曲形状。

2.根据权利要求1所述的定子元件，其中所述定子元件（1）包括多于一个定子绕组（4、5、6），其中各定子绕组（4、5、6）的端部绕组（4’、5’、6’）形状不同。

3.根据权利要求1或2所述的定子元件，其中各定子绕组（4、5、6）的股线（7）的轴向长度沿径向向外或向内方向减小。

4.根据前述权利要求中任一项所述的定子元件，其中定子绕组（4、5、6）的端部绕组（4’、5’、6’）沿径向向外或向内方向倾斜。

5.根据权利要求4所述的定子元件，其中所述定子元件（1）包括三个定子绕组（4、5、6），其中第一定子绕组（4）的端部绕组（4’）不倾斜或沿径向向外方向倾斜，并且第二和第三定子绕组（5、6）的端部绕组（5’、6’）沿径向向内方向倾斜。

6.根据权利要求4所述的定子元件，其中所述定子元件（1）包括三个定子绕组（4、5、6），其中第一定子绕组的端部绕组不倾斜或沿径向向内方向倾斜，并且第二和第三定子绕组的端部绕组沿径向向外方向倾斜。

7.根据前述权利要求中任一项所述的定子元件，其中所述定子元件（1）包括多于一个定子绕组（4、5、6），其中各定子绕组（4、5、6）的端部绕组（4’、5’、6’）相对于所述定子元件（1）的中心轴线（8）以不同角度倾斜。

8.根据权利要求7所述的定子元件，其中所述定子元件（1）包括三个定子绕组（4、5、6），其中相对于所述定子元件（1）的所述中心轴线（8），第一定子绕组（4）的端部绕组（4’）沿逆时针方向倾斜0-15度，并且第二定子绕组（5）的端部绕组（5’）沿顺时针方向倾斜45度，并且第三定子绕组（6）的端部绕组（6’）沿顺时针方向倾斜90度。

9.根据权利要求7所述的定子元件，其中所述定子元件（1）包括三个定子绕组（4、5、6），其中相对于所述定子元件（1）的所述中心轴线（8），第一定子绕组的端部绕组沿顺时针方向倾斜0-15度，并且第二定子绕组的端部绕组沿逆时针方向倾斜45度，并且第三定子绕组的端部绕组沿逆时针方向倾斜90度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的定子元件，其中第一定子绕组（4、6）的端部绕组（4’、6’）被成形成至少部分地包围另一定子绕组（5）的端部绕组（5’）。

11.根据前述权利要求中任一项所述的定子元件，其中所述股线（7）由金属，特别是铜或铝制成。

12.电机，特别是用于风力涡轮机的发电机，具有相对于定子可旋转的转子，该定子包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的定子元件（1）。

13.风力涡轮机，特别是直接驱动风力涡轮机，包括根据权利要求12所述的电机，特别是发电机的形式。