CN104067486B - 无变速器的风能设备的发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无变速器的风能设备(100)的发电机(1)，其具有定子(4)和电枢(2)，所述发电机包括：‑用于产生多个交流电流的、尤其是至少三个彼此相移的交流电流的定子绕组(8)，用于对交流电流整流的整流机构(10)和用于收集经整流的交流电流的至少两个直流电流汇流排(12，14)。

Description

无变速器的风能设备的发电机
技术领域
本发明涉及一种无变速器的风能设备的发电机以及一种整流器和一种风能设备。
背景技术
风能设备是普遍已知的。其将来自风的能量转换成电能。在此，由风驱动气动转子，所述气动转子又驱动发电机。在此，还能够在两个常见类型的风能设备之间区分，即在气动转子和发电机之间设有变速器的风能设备和无变速器工作的风能设备之间进行区分。
无变速器的风能设备的特征在于，其应用缓慢运转的、多极的发电机、尤其是环形发电机，所述发电机因此也根据原理具有大的直径、尤其大的气隙直径。现代的无变速器的风能设备目前能够具有至10m的气隙直径。目前，至少大约4.5m的气隙直径是完全常见的。本发明尤其也涉及这种发电机。
这种发电机在工作时通常产生至少一个三相的交流系统，通常设有两个三相系统。当每个相的绕组或子绕组分别串联时，每个相的绕组必须将总电流输送给该相。相应地，能够设有极其厚的导体或导体线路，以便能够传输该电流。为了避免上述情况，每个相的绕组能够被划分为子绕组，所述子绕组彼此并联。这具有下述优点：能够应用预制成型线圈(Formspulen)，由此尤其能够提高填充因数。这种子绕组相应地分布在发电机的整个环周之上并且并联电路能够经由每个相的环绕的电轨实现。所述环绕的电轨然后收集所述相的电流。这种汇流排的电流因此基本上相应于在变型方案的绕组支路中得到的电流，在所述变型方案中一个相的全部子绕组都串联。该电流然后基本上在这两个变型方案中以相同的方式和方法能够用于进一步处理、即用于馈电到电网中，其方式为：将所述电流借助整流器整流进而提供给变流器，以用于馈电到电网中。
多个子绕组的并联电路虽然允许具有比在串联电路的情况下更小的横截面的各绕组支路，但是汇流排的应用同样能够产生问题。特别地，两个三相系统需要六个汇流排。所述汇流排能够作为之间具有相应绝缘部的六个圆环而组合成柱形的汇流排体部，然而所述汇流排体部能够假设为具有在空间需求方面有问题的尺寸。所述汇流排尤其能够阻碍发电机的固定、即发电机的定子的固定或使其变困难。
德国专利商标局在当前申请的在先申请中检索到下述现有技术：DE 197 29 034A1、DE 20 52 808A、US 6,894,411 B2、US 2009/0212568 A1、US 2010/0072834 A1、EP 2472 714 A1和WO 2006/100420 A1。
发明内容
因此，本发明的目的是，解决上述问题之一，尤其是在所产生的电流的电流分布方面改进无变速器的风能设备的发电机，尤其也提出一种具有尽可能小的空间需求的解决方案。至少应当找出一种替选方案。
因此，根据本发明提出一种发电机。因此，发电机具有定子和电枢定子承载用于产生多个交流电流的、尤其是至少三个彼此相移的交流电流的定子绕组。此外，设有用于对交流电流整流的整流机构。因此，整流机构是发电机的一部分。在定子上或直接与所述定子相邻地设有用于收集整流为直流电流的交流电流的直流电流汇流线、尤其直流电流汇流排。因此，直流电流汇流排同样是发电机的一部分并且整流机构设置在定子绕组和汇流排之间、尤其在其之间互联并且也局部地设置在那里。因此，直流电流汇流排吸收整个所产生的并且相同定向的电流。尤其在设置仅两个直流电流汇流排、即正电势和负电势的直流电流汇流排的情况下，整个经整流的电流流经每个直流电流汇流排。出于该原因，直流电流汇流线适当地构成为直流电流汇流排。适当地借助一个轨道实现位置固定局部地设置在定子上，其中不能够排除其他类型的直流电流汇流线。
因此，该解决方案提出，所产生的交流电流已经在发电机上、即在定子上整流并且首先将相加至相应大的直流电流的经整流的电流从其出现的位置处转移。在此，尤其基于下述思想：无变速器的风能设备的发电机具有大的局部的扩展。在具有5m直径的发电机的情况下，得到超过15m的环周，必须借助相应的线路沿着所述环周引导电流的一部分。即使在三相电流中必须为此设有三个线路。在六相系统的情况下，甚至能够设有六个线路，所述线路根据电流大小也能够设作为汇流排。通过在本地整流仅还需要设有两个直流电流汇流排。
此外，当直接在发电机上进行整流时，能够节省掉单独的整流器。发电机的整流机构能够分别至少由二极管对或由至少一个闸流管对形成，其中分别将二极管或闸流管相应地设置在定子绕组的交流电流接口和直流电流汇流排之间，并且将另一二极管或另一闸流管设置在所述交流电流接口和第二直流电流汇流排之间。原则上以已知的方式利用已知的整流机构进行整流，所述整流机构在此尤其在尺寸方面匹配于所述发电机的具体结构。
根据一个设计方案，发电机构成为同步发电机，尤其构成为他励同步发电机并且优选在此构成为外电枢。在同步发电机中，具有固定磁场的电枢旋转，所述磁场在他励同步发电机的情况下通过相应的直流电流或相应的直流电流作为激励电流来产生，并且定子中的进而定子绕组中的电枢通过转动产生相应的旋转磁场并且由此产生多个交流电流。在外电枢的实施方案中，定子相对于电枢位于内部，由此朝内部为定子的构造保留大量空间。因此，存在用于设置整流机构和直流电流汇流排的空间和同样用于设置冷却装置的空间，所述冷却装置必要时也能够用于冷却整流器机构。
根据一个实施方案提出，汇流排构成为是环形的并且大致沿着定子延伸和/或整流机构和/或直流电流回流线、尤其是直流电流汇流排固定在发电机上、尤其固定在定子上，尤其固定成使得直流电流汇流排与发电机一起被冷却。在该情况下，直流电流汇流排位于定子或冷却装置和/或定子的或发电机的冷却体处或位于其上，使得设置用于发电机的冷却装置也作用于直流电流汇流排和/或整流机构。特别地，将该布置选择成，使得用于冷却发电机的空气流也承担对于直流电流汇流排和/或整流机构的冷却。定子由此能够尤其一起承担对于整流机构的冷却。
根据一个实施方案提出：交流电流形成具有至少三个相的系统、即三相系统、尤其形成六相系统。六相系统在此尤其由两个三相系统组成的系统形成。三相系统的相彼此偏移120°，并且两个三相系统彼此偏移大致30°，使得因此存在六个相，所述六个相中的两个相邻的相分别偏移30°。定子绕组分别对于每个相具有一个相绕组。
相绕组优选分成子相绕组。因此，对于六个相的示例而言，基本上存在一组定子绕组、即定子的全部绕组的、六个相绕组的整体，并且对于整个定子而言总计存在至少12个子相绕组、即对于所述示例而言对每个相而言存在至少两个子相绕组。
每个子相绕组经由整流机构中的一个与至少两个汇流排连接。因此，为每个子相绕组执行整流并且将子相绕组的相应的交流电流以整流为直流电流的方式馈送到这两个汇流排上。在上述示例中，因此设有至少12个整流机构并且相应地在发电机上分布的12个位置上将直流电流导入到汇流排中。
特别地，三个相分别经由共同的星形中性点(Sternpunkt)互联。在具有六个相和六个相绕组和12个子相绕组的上述示例中，六个子相绕组分别具有一个共同的星形中性点。因此，存在两个共同的星形中性点，即对两个三相系统中的每个存在一个星形中性点。
因此，子相绕组的并联是可行的，所述子相绕组的并联对于具有两个直流电流汇流排的整个发电机而言是够用的。通过星形中性点中的基本上常见的互联在整流时仅分别需要考虑每个子相绕组的一个连接点。
有利的是设有至少六个整流机构、优选至少12个、至少24个或至少48个整流机构，并且在环周方向上分布在发电机上。在此有利的是，将相的数量的多倍用作为整流机构的数量，使得对于每个相而言分别设有多个整流机构，即尤其也相应地存在多个子相绕组。原则上有利的是，设有极其多的整流机构，所述整流机构然后能够分别相应地变得小。因此，一方面将热源划分成多个小的热源，使得热源在空间上分布。另一方面，与当半导体器件尤其大地构造时相比，较小的半导体器件、例如二极管或闸流管原则上倾向于形成批量生产的产品进而低成本地并且经证明是可获得的。最后，还能够避免用于整流机构的自身的壳体。因此，通过该变形方案能够避免对发电机的整个电流进行整流的紧凑的整流器。这种单独的整流器能够变成极其大的，需要针对相应大的电流设计的半导体器件，并且为此需要冷却装置。代替于此而提出，将交流电流直接在其形成的位置处整流进而所述交流电流在其汇总成大的交流电流之前被整流。
优选地，发电机具有至少500kW、至少1MW、尤其至少2MW的额定功率。这强调：应用大型的现代的发电机，其中所提出的问题能够是尤其重要的。特别地，用于进一步处理所产生的电流的这种大型的发电机也需要相应大的整流器，所述整流器为专用的进而昂贵的并且产生热量的设备。因此甚至能够在风能设备的吊舱中省掉用于整流器的相应的开关柜。
根据另一实施方案提出，发电机构成为缓慢运转的发电机和/或构成为具有至少48个、至少72个、至少96个、尤其至少192个定子极的多极发电机和/或构成为三相或六相发电机。尤其在这种多极发电机中能够有效地采用所提出的解决方案，因为在此多个整流机构能够分布在发电机上，以便分别将所产生的功率的电流的小部分整流。原则上也能够应用已知的三相或六相发电机，所述发电机通过设置整流机构和直流电流汇流排改型。
此外，根据本发明，提出用于对多个由发电机产生的交流电流进行整流的环形整流器。这种环形整流器包括用于对所产生的交流电流中的各一个进行整流的至少三个整流机构并且其包括至少两个环形设置的并且其大小匹配于发电机的直流电流汇流线、尤其直流电流汇流排，以接收经整流的交流电流。特别地，环形整流器如上述对于这两个汇流排连同整流机构一起所描述的那样构成，其中整流机构准备用于分别连接于相绕组或子相绕组，以便在那里接收所产生的交流电流并且进行整流。环形整流器尤其适合于与发电机连接，使得环形整流器和发电机共同形成新型的发电机，因此如在上述实施方式中的至少一个中所阐明的那样。
优选地，环形整流器的特征在于，控制整流机构并且与用于控制整流机构的控制线路连接。这种设计方案尤其涉及由必须被激励的闸流管和/或IGBT形成的整流机构。此外，这种控制线路也能够设置为用于所描述的发电机，以便在那里激励整流机构。通过完全或部分受控的整流机构有时能够改进整流，例如在相应的半导体器件的损耗方面改进。此外，有时对于控制发电机有利的是，通过整流器、即在此通过整流机构作用于从发电机所提取的电流进而作用于发电机，以便必要时部分地控制所述发电机。
此外提出一种具有如在上述实施方式中的至少一个中描述的发电机的风能设备。所述发电机优选具有如上面描述的环形整流器。
附图说明
下面，根据实施例参考所附的附图详细阐明本发明。
图1示出风能设备的立体图。
图2示出具有转子、定子、直流电流汇流排和整流机构的发电机的示意图。
图3示出具有直流电流汇流排和整流机构的环形发电机的一部分的示意剖面图。
图4示出具有图3的整流机构的直流电流汇流排的放大图。
图5示出两个直流电流汇流排中的部分的立体图。
图6示出具有六个交流电流汇流排的根据现有技术的发电机的部分的示意图。
具体实施方式
下面，针对类似的但是必要时不相同的或由于示意图而没有相同示出的元件应用相同的附图标记。对于相同的或类似的元件能够应用不同的比例。
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和一个旋转器110的转子106。转子106在工作时通过风而处于旋转运动并且由此驱动吊舱104中的发电机。
图2示出具有极度简化示出的电枢2或转子2和定子4的发电机1的示意图。电枢2根据规定相对于定子4转动，所述定子根据规定至少相对于电枢的转动运动是静止的。所图示的定子4具有24个极6。具有24个极的视图仅选择用于图解说明。本发明更确切地说优选设置用于显著更多的极。在这里显著大于在类似的真实系统中的极6之间的间距也不是重要的并且所述间距仅是示意图的结果。更确切地说，图2应当用于图解说明在发电机的环周之上的位置上的分布和互联。
根据图2，每个极6具有子相绕组8。在图2的视图中，每个子相绕组8与一个极6相关联。然而，这仅是图解说明的示例。同样地，子相绕组8能够是多个定子极的绕组的串联电路。
根据图2的图解说明的示例，同样设有总共24个子相绕组8、即每个相各四个子相绕组。相在图2中以附图标记P1至P6标记。两个相邻的相分别彼此偏移30°。因此，设有两个三相系统，即具有相P1、P3和P5的第一三相系统和具有相P2、P4和P6的第二三相系统。在此，一个三相系统的相、即P1、P3和P5一方和P2、P4和P6另一方分别经由共同的但是在图2中未示出的星形中性点互联。
每个子相绕组8经由整流机构10与两个直流电流汇流排12、14、即正的直流电流汇流排12和负的直流电流汇流排14连接。每个整流机构10具有两个二极管16以用于整流。在此，为了图解说明，将二极管用作为用于整流的传统的元件。代替二极管例如也能够应用闸流管或IGBT。
因此，在当前的示例中，24个整流机构10分布在发电机1的环周之上、尤其分布在定子4的环周之上。每个相在该示例中分别分布在四个子相绕组8上进而也对每个相在四个不同的位置处、即例如以90°在发电机上间隔分布的方式执行整流。因此，在所示出的示例中，通过24个整流机构10对24个交流电流整流并且所得到的子直流电流最后汇总为一个直流电流或者汇总为一个正的和一个负的直流电流，其中存在这两个直流电流轨道12和14。这两个直流电流汇流排12和14因此引导由发电机1产生的总的电功率并且将其提供给具有相应的直流电压UDC的直立电流输出端18。在所示出的示例中分别仅必须对功率的1/24进行整流的整流机构10相应地能够构成得小，所述功率最后由直流电流汇流排12和14引导。相应地也考虑使用类似的并且低成本的经试验证明的标准构件。
图2示出具有彼此间不同直径且具有相对于定子4更大直径的直流电流汇流排12和14。然而图2的视图仅用于图解说明并且优选地、定子4、正的直流电流汇流排12和负的直流电流汇流排14不是径向地、而是轴向地彼此隔开。
图3以发电机1的环周方向的视角示出发电机的部分。在此，发电机1具有绕组头部20的定子4和电枢2。在定子4上，根据图3在左侧进而在轴向方向上示出正的直流电流汇流排12和负的直流电流汇流排14。在这两个直流电流汇流排12、14之间设置有整流机构10并且经由交流电流端子22与相应的绕组、尤其子相绕组互联，但是其在图中没有详细示出。
因此，所示出的发电机1作用为使得转子或电枢2相对于定子4转动，在定子4中在此产生多个交流电流，所述交流电流分别经由整流机构10整流并且传递到这两个直流汇流排12、14上。因此，设有转子2或电枢2和定子4，同样地，设有正的直流电流汇流排12和负的直流电流汇流排14、但是设有极其多的整流机构10，而在图3中仅示出所述整流机构中的一个。
图2在此示意地示出这种直流电流机构10在发电机1的环周之上的分布。此外，正的直流电流汇流排12与负的直流电流汇流排14和多个整流机构10和最终直流电流端子18能够视作为环形整流器。交流电流端子22能够部分地设作为这种环形整流器的元件。相应地，这种环形整流器能够与发电机1的其余部分分开地进行制备并且在与所述其余的发电机1组装时仅需要在其交流电流端子22处与相应的子相绕组8电连接。
在此，通过设置直流电流汇流排12、14也能够实现整体上机械稳定的构成物。
图4示出图3的一部分，即正的直流电流汇流排12、负的直流电流汇流排14、整流机构10，图4的视图仅示出所述整流机构中第一个，和交流电流端子22，图4由于所选择的视图而仅示出所述交流电流端子中的一个。整流机构10能够具有两个闸流管16’分别作为用于整流的器件。在两个闸流管16’之间设置有交流电流端子22。闸流管16’能够经由控制线路24进行控制。也在应用IGBT的情况下，能够激励所述闸流管，这能够通过激励线24或多个相应匹配的激励线实现。
图3的在图4中示出的这个部分因此示出环形整流器26。如果所述环形整流器与发电机1、尤其与定子4连接，如这在图3中示出的那样，那么所述环形整流器26是发电机1的一部分。此外，在图4中还示意地标明直流电流端子18。
图5示出环形整流器26的部分的立体图。在此，标明正的直流电流汇流排12相对于根据图5而位于其后方的负的直流电流汇流排14的布置。在这两个直流电流汇流排12、14之间为了阐明而绘制具有交流电流端子22的整流机构10。将整流机构10中的闸流管16’作为基本上圆形的构件示出。实际上，在图5中位于前方的正的直流电流汇流排12当然覆盖在此仅为了图解说明而示出的所述闸流管16’。
图6根据图3中所选择的角度示出具有电枢602和定子604的发电机601。在此也设有多个子相绕组，所述子相绕组为了并联而在相方面分别连接于交流电流汇流排L1至L6。交流电流轨道L1至L6从定子604起根据该视图向左进而沿轴向方向设置。也能够识别的是，在此存在相当显著的空间需求，虽然没有一次性地包括半导体器件。然而，根据所示出的已知的解决方案，对每个相而言能够设有分开的交流电流汇流排，所述交流电流汇流排能够与另外的交流电流汇流排电绝缘。全部六个交流电流汇流排L1至L6也必须机械充分地固定，这由于所示出的空间设计方案而能够产生问题。
因此，图6清楚地表明需要汇流排以将在大型的环形发电机中的预制成型线圈互联。相应地，需要具有这种汇流排的对应于多个相的多个环、即每个相一个环的发电机。因此提出，构建环形整流器，以便避免该问题进而尤其降低环的数量并且在此也更好地利用现有的容积。该解决方案提供下述可行性：借以两个直流电流汇流排12和14、即借以两个环而是够用的。对于所提出的解决方案而言也能够借助于预制成型线圈实现子相绕组。这种预制成型线圈相应地在定子中在相应的定子极之上、例如在图2的极6之上移动。
所示出的解决方案需要多个部件、尤其多个整流机构。但是整流机构本身在结构形式方面变得更小。较小的单元因此分别传递少量的能量。因此，该解决方案提供有利的可行性：将定子中的预制成型线圈并联。
相应地提出，在定子绕组并联的发电机中通过应用环形整流器解决由汇流排产生的容积问题。所述环形整流器能够构造成使得绕组配设有由二极管、闸流管或IGBT构成的小的整流器并且经由轨道在正极和负极处联接到一起。当经由环将全部绕组互联到星形中性点上时，用于这种汇流排的环的数量由此能够最小化至两个，可能地最小化至三个。当所述整流器安装在发电机上时，这种整流器能够借助发电机冷却装置冷却。根据设计方案，不需要设置附加的壳体或附加的冷却装置。相应地，所提出的解决方案提供将整流器与发电机集成的可行性。能够实现发电机冷却装置的使用并且该解决方案在此是节约空间的。

Claims (16)

1.一种无变速器的风能设备(100)的发电机(1)，其具有定子(4)和电枢(2)，所述发电机具有至少500kW的额定功率并且包括：
-定子绕组(8)，所述定子绕组用于产生多个交流电流、和用于产生至少三个彼此相移的交流电流；
-整流机构(10)，所述整流机构用于对所述交流电流整流，对于每个相而言分别设有多个整流机构；和
-至少两个直流电流汇流排(12，14)，其用于收集经整流的交流电流，其中
所述直流电流汇流排(12，14)构成为是环形的并且大致沿着所述定子(4)延伸，多个所述整流机构(10)和所述直流电流汇流排(12，14)固定在所述定子(4)上，其中
-多个所述整流机构(10)和所述直流电流汇流排(12，14)与所述发电机(1)分开地进行制备，以提供环形整流器的单独的在机械上稳定的结构，并且其中
-在所述直流电流汇流排(12、14)之间设置有交流电流端子(22)和多个所述整流机构(10)，其中多个所述整流机构(10)经由所述交流电流端子(22)与定子绕组(8)连接，并且
-多个所述整流机构(10)和所述直流电流汇流排(12，14)固定在所述定子(4)上，使得多个所述整流机构和所述直流电流汇流排在热学上与所述发电机(1)的冷却装置连接。
2.根据权利要求1所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为同步发电机。
3.根据权利要求1所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为他励同步发电机。
4.根据权利要求1所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为外电枢。
5.根据权利要求1所述的发电机(1)，其特征在于，多个所述整流机构(10)在所述发电机(1)的环周方向上沿着所述定子(4)和沿着所述直流电流汇流排(12，14)分布。
6.根据权利要求1所述的发电机(1)，其特征在于，设有六个整流机构(10)并且沿环周方向分布在所述发电机(1)上，设有至少为直流电流汇流排(12，14)的六倍的整流机构(10)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于设有至少一个MW的额定功率。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于设有至少两个MW的额定功率。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为缓慢运转的发电机(1)和/或构成为具有至少48个定子极(6)的多极发电机(1)。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为缓慢运转的发电机(1)和/或构成为具有至少72个定子极(6)的多极发电机(1)。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为缓慢运转的发电机(1)和/或构成为具有至少96个定子极(6)的多极发电机(1)。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为缓慢运转的发电机(1)和/或构成为具有至少192个定子极(6)的多极发电机(1)。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机(1)，其特征在于，所述发电机(1)构成为6相发电机(1)。
14.一种用于对由发电机(1)产生的多个交流电流整流的环形整流器(26)，所述发电机具有至少500kW的额定功率并且包括：
-带有至少三个整流机构(10)的多个整流机构，其用于分别对所产生的交流电流整流；和
-至少两个环形设置的且其大小匹配于所述发电机(1)的直流电流汇流排(12，14)，以用于接收经整流的交流电流，所述发电机具有定子(4)和电枢(2)，其中
-所述直流电流汇流排(12，14)构成为是环形的并且大致沿着所述定子(4)延伸，多个所述整流机构(10)和所述直流电流汇流排(12，14)固定在所述定子(4)上，其中
-多个所述整流机构(10)和所述直流电流汇流排(12，14)与所述发电机(1)分开地进行制备，以提供环形整流器的单独的在机械上稳定的结构，并且其中
-在所述直流电流汇流排(12、14)之间设置有交流电流端子(22)和多个所述整流机构(10)，其中多个所述整流机构(10)经由所述交流电流端子(22)与定子绕组(8)连接，并且
-多个所述整流机构(10)和所述直流电流汇流排(12，14)固定在所述定子(4)上，使得多个所述整流机构和所述直流电流汇流排在热学上与所述发电机(1)的冷却装置连接。
15.根据权利要求14所述的环形整流器(26)，其特征在于，控制多个所述整流机构(10)并且将其与用于控制多个所述整流机构(10)的控制线路(24)连接。
16.一种风能设备(100)，其具有根据权利要求1至13中的任一项所述的发电机(1)和/或具有根据权利要求14或15所述的环形整流器(26)。
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