CN103259358B

CN103259358B - 发电机

Info

Publication number: CN103259358B
Application number: CN201310053825.5A
Authority: CN
Inventors: C·穆尼斯卡塞斯; T·克拉姆特; R·安德雷斯
Original assignee: Alstom Renewable Technologies Wind BV
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL; GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: US9705371B2; KR20130095669A; DK2629401T3; ES2532176T3; US20130214632A1; EP2629401B1; CN103259358A; EP2629401A1

Abstract

本发明提供一种包括绕组装置的发电机，每个绕组装置都包括至少内层线圈和外层线圈，所述内层线圈和外层线圈构成线圈的同心结构。内层线圈由内部导体构成，并且外层线圈由外部导体构成，内部导体和外部导体串联连接。内部导体卷绕在齿上，内部导体的每单位长度的电阻小于外部导体的每单位长度的电阻。

Description

发电机

技术领域

本发明涉及一种包括绕组装置的发电机，每个绕组装置都包括至少内层线圈和外层线圈，所述内层线圈和外层线圈构成线圈的同心结构。

背景技术

发电机是一种能够将机械能转化成电能的装置。该转化通过磁场对电导体起作用而实现。如果在导体与磁场之间产生相对运动，则在导体中产生电动势。

上述电导体通常由绕组装置构成，并且磁场可以总体上由电磁体或永久磁体产生。电磁体也可以包括绕组装置，所述绕组装置可以被供给有适当的电力以产生磁场。为了术语的一致性的原因，具有产生磁场的作用的绕组装置在本文中将称为“磁场绕组装置”，并且其中由磁场的作用来感应电动势的绕组装置在本文中将称为“发电绕组装置”。

为了实现发电绕组装置与磁场绕组装置之间的相对运动，可以使发电绕组装置转动、或磁场绕组装置转动、或二者都转动。这种转动可以通过将对应的绕组装置操作地连接例如包括叶片的涡轮机而实现。可以例如通过风力或瀑布或蒸汽作用在叶片上而使涡轮机转动。该蒸汽可以例如由能源产生，所述能源可以是化石或核燃料。

在某些现有的发电机中，发电绕组装置和/或磁场绕组装置中的每个都包括至少内层线圈和外层线圈，所述内层线圈和外层线圈构成线圈的同心结构。内层线圈由确定数量的内部导体的层构成，并且等同地，外层线圈由确定数量的外部导体的层构成，内部导体卷绕在齿上。与基于具有确定数量的导体层的单线圈的绕组装置比较，该同心结构允许增加绕组装置的层的数量。

就磁场绕组装置而言，越多数量的导体层允许产生越高的磁场，而就发电绕组装置而言，越多数量的导体层允许感应越高的电压。

在操作中，穿过线圈的电流导致绕组装置升温。导体的过热会破坏发电机和/或降低其性能。

发明内容

因而，仍然需要解决上述问题的新发电机。本发明的目的是满足该需求。

内部导体和外部导体的串联连接可以通过由单导体构成线圈的同心结构而实现。该单导体可以具有第一区域和第二区域，第一区域（内部导体）的每单位长度的电阻小于第二区域（外部导体）的每单位长度的电阻。作为具有单导体的可替代方案，线圈的同心结构可以由例如适当钎焊的两个单独的线圈（即，两个单独的导体）构造。所述单独的导体中的一个（内部导体）的每单位长度的电阻小于所述单独的导体中的另一个（外部导体）的每单位长度的电阻。

在该发电机中，所提出的绕组装置在操作期间为发电机提供改进的热性能，以便减小过热的风险。内层线圈被卡在齿与外层线圈之间，而外层线圈可以暴露于由发电机的操作所导致的空气流动，所述发电机可以包括例如专用的通风系统。这些空气流动可以以某种方式对外层线圈冷却，但是不对内层线圈冷却。一种对内层线圈缺乏冷却的补偿方式是可以相对于外部导体减小内部导体的每单位长度的电阻。

这样，内部导体将在相同的操作条件下发出比外部导体较少的热。然而，上述空气流动可以补偿外部导体相对于内部导体的差温加热。因此，内部导体的每单位长度的电阻与外部导体的每单位长度的电阻的适当的比可以改进发电机的绕组装置的热性能。

在某些实施例中，可以通过使内部导体的横截面大于外部导体的横截面而实现内部导体的每单位长度的电阻低于外部导体的每单位长度的电阻。作为这些实施例的可替代实施例，可以通过使内部导体和外部导体具有不同的电导率而实现内部导体的每单位长度的电阻低于外部导体的每单位长度的电阻。根据该后一个原理，内部导体可以由这样的材料制成，即，所述材料的电导率大于外部导体的材料的电导率。

作为上述段落的实施例的可替代方案，可以通过使内部导体的横截面和电导率两方面都大于外部导体的横截面和电导率而实现内部导体的每单位长度的电阻低于外部导体的每单位长度的电阻。

对于本领域的技术人员而言，本发明的实施例的额外的目的、优点和特征将在解释本说明书时变得明显，或可以通过实践本发明而被认识到。

附图说明

以下将参照附图以非限制性示例的方式说明本发明的特定实施例，其中：

图1a是发电机的示意图，所述发电机包括根据本发明的实施例的绕组装置；

图1b示出图1a的发电机的一段的放大图，该段包括两个绕组装置；

图2a示出图1b的两个绕组装置中的一个的放大图；

图2b示出图2a的绕组装置的俯视图；和

图3示出根据本发明的实施例的另一个绕组装置的俯视图。

具体实施方式

在以下说明中，阐述了多个特定的细节，以便彻底地理解本发明。然而，本领域的技术人员将应理解，可以在没有这些特定细节中的某些或全部的情况下实践本发明。在其它示例中，也没有详细地说明公知的元件，以便使本发明的说明不必变得模糊。

图1a是发电机的示意图，所述发电机包括根据本发明的实施例的绕组装置。该图示出包括多个绕组装置104的外部结构101和包括多个绕组装置103的内部结构102。内部结构102可以是发电机的转子，并且外部结构101是发电机的定子，或者，可代替地，内部结构102可以是发电机的定子，并且外部结构101是发电机的转子。

转子可以操作地连接例如风力涡轮机的或蒸汽涡轮机的轴。

内部结构102的绕组装置103可以是磁场绕组装置，并且外部结构101的绕组装置104可以是发电绕组装置。或者，可代替地，内部结构102的绕组装置103可以是发电绕组装置，并且外部结构101的绕组装置104可以是磁场绕组装置。

在某些实施例中，发电机可以是基于永久磁体的，而不是基于磁场绕组装置的。在该情况下，发电机仅具有本文所述类型的绕组装置作为发电绕组装置。在其它实施例中，可以通过永久磁体和磁场绕组装置的组合而在发电机中产生磁场，所述绕组装置还具有以上解释的同心结构。

图1b示出图1a的发电机的一段105的放大图，所述段105包括一对相邻的绕组装置。图1b可以表示例如具有凸极的转子，即，在其外部周边上包括多个齿的转子结构，围绕所述多个齿布置有线圈。

该对相邻的绕组装置包括第一绕组装置106和第二绕组装置107。第一绕组装置106包括内层线圈106b和外层线圈106c，所述内层线圈106b和外层线圈106c构成线圈的同心结构。内层线圈106b由内部导体构成，并且外层线圈106c由外部导体构成，内部导体卷绕在齿106a上，并且内部导体和外部导体串联连接。此外，内部导体的横截面大于外部导体的横截面。

内部导体和外部导体可以例如是铜线或铜金属片。也可以使用诸如铝的不同材料。

作为具有不同的横截面的可替代方案，内部导体和外部导体可以由不同的材料制成，使得内部导体的电导率大于外部导体的电导率。例如，内部导体可以由铜制成，并且外部导体可以由铝制成。在根据相同原理的另一个示例中，内部导体可以由超导体制成，并且外部导体可以由铜制成。

作为对于具有不同的横截面和对于具有不同的电导率的可替代方案，当设计内层线圈和外层线圈时，可以考虑两个参数的适当的组合。这些基于组合的不同横截面和电导率的实施例可以允许绕组装置获得相同的或类似的热性能。

作为具有串联连接的不同线圈的可替代方案，内层线圈106b和外层线圈106c可以是单绕组的不同的区域，所述单绕组构成线圈的同心结构。该单绕组可以构造成使得与内层线圈106b对应的区域的横截面和/或电导率大于与外层线圈106c对应的区域的横截面和/或电导率。

第二绕组装置107具有与第一绕组装置106基本相同的结构，如可以从图自身看到。可以在图1b中看到，在第一绕组装置106与第二绕组装置107之间有空隙108。更具体地，该空隙108部分地由第一绕组装置106的外层线圈106c的面积和第二绕组装置107的外层线圈107c的面积限定。将清楚的是，实际上绕组装置106与107之间的空隙可以小得多。

内部结构102或外部结构101的转动可以在内部结构102与外部结构101之间所构成的气隙内产生空气通量。此外，许多风力涡轮机通常包括冷却系统，所述冷却系统具有冷却气隙和相关元件（例如，内部结构102和外部结构101）的作用。当限定绕组装置的内层线圈和外层线圈的特性（横截面，材料……）时，可以考虑这些冷却系统，所述冷却系统可以是基于例如风扇的或是基于诸如水回路的其它元件的。例如，在内部具有强力风扇的发电机中，内层线圈与外层线圈之间的横截面和/或电导率的差异可以大于在没有强力风扇的风力涡轮机中的差异。

空隙108是气隙的区域中的空气（来自例如风扇）循环通过的一个区域，所以该空隙108导致第一绕组装置106的外层线圈106c和第二绕组装置107的外层线圈107c二者冷却。然而，该基于空气的冷却对内层线圈106b、107b没有任何效果。该冷却效果的缺乏可以通过使每个内层线圈106b、107b的导体的横截面和/或电导率大于其相关的外层线圈106c、107c的导体的横截面和/或电导率而补偿。

每个内层线圈106b、107b的导体的横截面和/或电导率与其相关的外层线圈106c、107c的导体的横截面和/或电导率的适当的比可以改进绕组装置106、107的热性能。该改进的热性能使内层线圈106b、107b和外层线圈106c、107c的加热之间获得较好的平衡。依据横截面和/或电导率的比，每个内层线圈106b、107b与其相关的外层线圈106c、107c在大部分操作条件下会甚至达到基本相等的温度。

在内层线圈106b、107b的导体的横截面大于外层线圈106c、107c的导体的横截面的实施例中，外层线圈106b、107b的导体的横截面与内层线圈106c、107c的导体的横截面的比可以例如介于50%和99%之间。并且，更具体地，所述比可以介于60%和75%之间。

相对于图1b的一对相邻的绕组装置106、107所想到的所有考虑因素，等效地应用于内部结构102的或外部结构101的任何其它一对相邻的绕组装置。

图2a示出图1b的两个绕组装置中的一个的放大图。该图示出齿107a和外层线圈107c，内层线圈107b的导体卷绕在所述齿107a上，所述外层线圈107c的导体卷绕在内层线圈107b上。在该情况下，内层线圈和外层线圈具有相同数量的导体的层201。此外，内层线圈107b的导体和外层线圈107c的导体具有基本相同的高度205，但是具有不同的宽度206、207。因而，在该实施例中，通过使内层线圈107的导体的横截面的宽度206较大而实现内层线圈107b的导体的横截面大于外层线圈107c的导体的横截面。

在可替代的实施例中，内层线圈107b的导体的较大的横截面可以通过使内层线圈107的导体的横截面具有较大的高度而实现。然而，在相同的空间内，绕组将包括较少的匝（较少的层）。在又一些可替代实施例中，内层线圈107b的导体的较大的横截面可以通过使内层线圈107的导体的横截面既具有较大的高度又具有较大的宽度而实现。

如参照图1b所述，使内层线圈107b的导体具有较大的横截面的目标是实现内层线圈107b的每单位长度的电阻小于外层线圈107c的每单位长度的电阻。如上所述，可替代地，该目标可以通过将内层线圈107b构造成使内层线圈107b的材料的电导率大于外层线圈107c的材料的电导率而实现，或者甚至通过使两个原理适当地组合而实现。

图2a还示出在内层线圈107b的导体层之间的绝缘层203，和在外层线圈107c的导体层之间的绝缘层204。也绘制出在内层线圈107b与外层线圈107c之间的绝缘层202。这些绝缘层202至204具有在内层线圈107b自身内和在外层线圈107c自身内以及在内层线圈107b与外层线圈107c之间避免不期望的电流传输的功能。

图2b示出图2a的绕组装置的俯视图。该俯视图是从图1b中所示的视点109看到的。虚线表示完成线圈的总体同心结构，在所述线圈的总体同心结构中齿107a占据中心位置，内层线圈107b同心地围绕齿107a，并且外层线圈107c同心地围绕内层线圈107b。图2b还示出可能的线200-200′，根据所述可能的线200-200′可以获得图2a的绕组装置107的横截面。

图3示出根据本发明的其它实施例绕组装置的俯视图。该俯视图是与图2b中所示的视图非常类似的视图，但是在该情况下绕组装置包括三个同心布置的绕组（或线圈）107b、300、107c，齿107a占据该同心结构中的中心位置。因而，该图相对于图2b的不同之处在于，在内层线圈107b与外层线圈107c之间具有中间线圈300。此外，这三个绕组107b、300、107c通过适当的连接件304串联连接。

作为具有不同的串联连接的线圈的可替代方案，内层线圈107b、中间线圈300和外层线圈107c可以是单绕组的不同的区域，所述单绕组构成线圈的同心结构。该单绕组可以构造成使得与内层线圈107b对应的区域的横截面可以大于与外层线圈107c对应的区域的横截面。此外，单绕组的构造也可以考虑到中间线圈300以使中间线圈300具有介于内层线圈107b的横截面与外层线圈107c的横截面之间的横截面。

图3还示出内层线圈107b的导体的宽度303，所述内层线圈107b的导体的宽度303大于中间线圈300的导体的宽度302，所述中间线圈300的导体的宽度302则大于外层线圈107c的导体的宽度301。在其它实施例中，依据例如发电机的设计、为了实现例如所确定的性能要求而必需的导体层总数等等，可以有若干中间线圈。因而，第一中间线圈将同心地围绕内层线圈107b，第二中间线圈将同心地围绕第一中间线圈，以此类推。在该情况下，围绕另一个绕组的每个绕组的导体的横截面将小于被围绕的绕组的导体的横截面。将在下一个段落中更加详细地说明这些在围绕的绕组与被围绕的绕组的导体之间的相对横截面关系。

为了简单起见参照图3的绕组装置，可以在发电机的操作期间发生从内层线圈107b到中间线圈300的传热和从中间线圈300到外层线圈107c的传热。外层线圈107c可以从中间线圈300接收热通量，并且类似地，中间线圈300可以从内层线圈107b接收热通量。仅外层线圈可以直接被空气冷却，然而可以通过使外层线圈107c的横截面301最小、内层线圈107b的横截面303最大并且中间线圈300的横截面302介于这些横截面301、303之间而实现改进的热平衡。将清楚的是，如果更多的同心绕组布置在同一个齿上，则可以使用类似的确定横截面的方法。

在所示的实施例中，例如铜片导体的宽度改变，但是其厚度不变。该实施例的方面在于，在相同的空间内可以使用具有较多匝数的线圈。

作为具有不同横截面的导体（具有不同的宽度和/或厚度）的可替代方案，可以考虑到其它参数以实现相同的或类似的结果。该参数是线圈的导体的材料的电导率。因而，在可替代的实施例中，内层线圈107b的电导率可以大于外层线圈107c的电导率，并且中间线圈300可以具有介于内层线圈107b的电导率与外层线圈107c的电导率之间的电导率。在又一些可替代实施例中，可以考虑到两个参数（横截面和电导率）的适当组合以用于实现相同或类似的结果。

虽然已经在某些优选的实施例和示例的说明书中公开了本发明，但是本领域的技术人员将应理解，本发明延伸超出具体公开的实施例而延伸到本发明的其它可替代的实施例和/或用法及其明显的修改方案和等同方案。因而，本文公开的本发明的范围应当不受上述特定公开的实施例限制，而是应当仅通过公正阅读以下权利要求书而被确定。

Claims

1.包括绕组装置(104)的发电机，每个绕组装置(104)都包括至少内层线圈(107b)和外层线圈(107c)，所述内层线圈(107b)和外层线圈(107c)构成线圈的同心结构，

其中，所述内层线圈(107b)由内部导体构成，并且所述外层线圈(107c)由外部导体构成，

其中，所述内部导体卷绕在齿(107a)上，并且外部导体卷绕在内部导体上，使得在使用中外部导体暴露于由发电机的操作所导致的空气流动，所述空气流动对外部导体冷却，但是不对内部导体冷却，并且

其中，所述内部导体的每单位长度的电阻小于所述外部导体的每单位长度的电阻，

其特征在于，所述内部导体和外部导体串联电连接，

内部导体每单位长度的电阻与外部导体每单位长度的电阻的比率在使用中实现内部导体的加热和外部导体的加热之间的更好的平衡。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中，实现内部导体的加热和外部导体的加热之间的更好的平衡包括在内部导体和外部导体处达到基本相等的温度。

3.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述内部导体的横截面大于所述外部导体的横截面。

4.根据权利要求3所述的发电机，其中，所述内部导体的横截面的高度(205)大于所述外部导体的横截面的高度。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的发电机，其中，所述内部导体的横截面的宽度(206)大于所述外部导体的横截面的宽度(207)。

6.根据权利要求3所述的发电机，其中，所述外部导体的横截面与所述内部导体的横截面的比介于50％与99％之间。

7.根据权利要求6所述的发电机，其中，所述外部导体的横截面与所述内部导体的横截面的比介于60％与75％之间。

8.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述内部导体的电导率大于所述外部导体的电导率。

9.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述线圈的同心结构是非重叠线圈的同心结构。

10.根据权利要求1所述的发电机，其中，每个绕组装置(104)还在所述线圈的同心结构中在所述内层线圈(107b)与所述外层线圈(107c)之间包括一个或多个中间线圈(300)，并且其中，每个中间线圈(300)都由中间导体构成，所述中间导体的每单位长度的电阻介于所述内部导体的每单位长度的电阻与所述外部导体的每单位长度的电阻之间。

11.根据权利要求10所述的发电机，其中，每个中间导体的横截面都介于所述内部导体的横截面与所述外部导体的横截面之间。

12.根据权利要求10或11中任一项所述的发电机，其中，每个中间导体的电导率都介于所述内部导体的电导率与所述外部导体的电导率之间。

13.根据权利要求1所述的发电机，包括转子(102)和定子(101)，其中，所述转子(102)包括永久磁体，并且所述定子(101)包括具有线圈的同心结构的所述绕组装置(104)。