CN105634170A

CN105634170A - 冷却装置

Info

Publication number: CN105634170A
Application number: CN201510805869.8A
Authority: CN
Inventors: G.艾罗尔迪
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-06-01
Also published as: US20160149471A1; EP3024126A1

Abstract

本发明描述了一种实现成冷却包围在发电机壳体（40）中的定子（3）的定子绕组（30）的冷却装置（1），所述冷却装置（1）包括：风扇结构（11），其用于朝向所述定子绕组（30）的绕组端部（300）导引气体冷却介质（AF）；以及减容装置（10A、10B），其布置成减少所述绕组端部（300）和所述发电机壳体（40、41、42）的内角部（400）之间的空间容积（200R、200F）。本发明还描述了一种直接驱动式风力涡轮机（2）；一种冷却包围在发电机壳体（40、41、42）中的定子（3）的定子绕组（30）的方法；以及一种改装风力涡轮机（5）的方法。

Description

冷却装置

技术领域

本发明描述了一种用于冷却定子的定子绕组的冷却装置；一种直接驱动式风力涡轮机；一种冷却定子绕组的方法；以及一种改装风力涡轮机的方法。

背景技术

在风力涡轮发电机中，一些冷却电枢（通常为定子）的热的线圈或绕组的方式是必要的，这是因为这些绕组的电阻与它们的温度成比例，并且发电机的功率输出随着电阻增加而降低。此外，定子和转子之间的气隙一般是非常小的，使得来自绕组的热也可能被传递到磁体。磁体中过高的温度能够使这些磁体随着时间的推移而恶化（deteriorate）。因此，有必要确保绕组的温度被保持在低水平。

绕组或线圈一般包括低电阻金属的“环路”，其中，两个半体（halves）沿定子的长度延伸，并且其中，每个绕组半体布置在平行的定子齿部之间。在定子的每一端处，绕组经历180°的转弯。风力涡轮发电机一般被实现为三相机器（three-phasemachine），即，绕组以三相的交错的组来布置。由于每个绕组在定子的每一端处必须经历180°的转弯，所以针对三相的绕组的末端必须是交错的，并且交错的绕组末端延伸到定子在“绕组端部”中的外部末端之外。为了确保最小的损耗和平衡的相位（balancedphases），绕组端部一般以尽可能紧凑的方式来实现。

在一种冷却这样的发电机的方法中，例如空气之类的气体冷却剂能够被吹到气隙中，在那里，它从绕组吸收热。然后，变暖的空气能够从发电机排出。可替代地，空气能够从气隙穿过定子主体中的通道并且进入到定子内部中。所述变暖的空气在再一次被吹到气隙中之前能够使用热交换器或任何其他适当的冷却技术来冷却。

已知的冷却装置的一个问题在于气体冷却剂将总是依循最容易的路径，并且这导致绕组端部的不充分的冷却。之所以这样的原因在于绕组端部延伸到发电机和发电机壳体之间的腔中。交错的绕组末端延伸到定子的末端之外一定距离，并且最外部的绕组的180°转弯有效地呈现为对任何气体冷却介质的屏障或妨碍物。由于各种原因，绕组端部的外端和发电机壳体之间的腔是必要的，例如因为设计公差等，或较长的发电机壳体可以被设计成之后容纳较长的定子，但最初收容较短的定子，使得腔最初相对大。在所述腔中，气体冷却剂在其到气隙的路上将趋于仅围绕绕组端部流动，从而有效地绕过紧凑的绕组端部。结果，绕组端部中的温度能够显著地比定子齿部之间的绕组半体的温度热。如上文所指示，发电机的功率输出受绕组中最热的温度限制。此外，绕组末端的传导率随着它们的温度增加而降低，因此增加发电机的热相关损耗。

因此，本发明的一个目的在于提供一种确保绕组端部以更高效的方式被冷却的方法。

发明内容

这个目的通过权利要求1的冷却装置、通过权利要求11的直接驱动式风力涡轮机、通过权利要求12的冷却定子绕组的方法以及通过权利要求14的改装风力涡轮机的方法来实现。

根据本发明，实现成冷却包围在发电机壳体中的定子的定子绕组的冷却装置包括：风扇结构，其用于朝向定子绕组的绕组端部导引气体冷却介质；以及减容装置，其布置成减少所述绕组端部和发电机壳体的内边缘或角部之间的空间容积。

在本发明的背景下，发电机壳体的“内边缘”或“角部”可以被理解为是基本上圆筒形的壳体部分和邻接的壳体末端件（例如，处于发电机的非驱动端处的制动盘）的结合部。通过此结合部形成的内边缘可以是基本上环状或环形的，并且能够形成剖切发电机壳体的径向截面中的“角部”。根据本发明的冷却装置的一个优点在于减容装置迫使气体介质穿过绕组端部。虽然一些气体冷却剂仍可能围绕绕组端部流动，但绕组端部和发电机壳体之间减少的空间容积意味着穿过绕组端部现在对气体冷却剂而言是更容易的选择。

根据本发明，所述直接驱动式风力涡轮机包括外部转子和内部定子，其中，所述外部转子被布置在可旋转的发电机壳体上。所述直接驱动式风力涡轮机还包括根据本发明的冷却装置，其实现成冷却定子的定子绕组。

根据本发明的直接驱动式风力涡轮机的一个优点在于绕组端部能够被更高效地冷却，使得在绕组端部中的温度以及在平行的绕组装置中的温度将被保持为有利的水平。能够最小化绕组端部和平行的绕组装置之间的温度差，从而指示冷却在以很高的效率程度执行。

根据本发明，冷却包围在发电机壳体中的定子的定子绕组的方法包括如下步骤，即：减少绕组端部和发电机壳体的内角部或“内边缘”之间的空间容积；以及朝向绕组端部导引气体冷却介质。

根据本发明的冷却定子绕组的方法的一个优点在于，利用非常少的额外努力，能够显著地增加气体定子冷却装置的效率。不仅绕组半体（布置在定子上平行的定子齿部之间）被冷却至期望的温度，而且紧凑和屏障般的绕组端部也被冷却。

根据本发明，改装风力涡轮机（其具有包围在发电机壳体中的定子和用于冷却所述定子的定子绕组的气体冷却装置）的方法包括将减容装置布置在定子绕组的绕组端部和发电机壳体的角部之间的步骤。

根据本发明的改装风力涡轮机的方法的一个优点在于在绕组端部的冷却方面已存在的冷却装置的冷却效率能够显著地增加，这是因为所述减容装置迫使气体冷却介质穿过绕组端部。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中披露的。视情况可以结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定所述风力涡轮机是具有外部转子和内部定子的直接驱动式风力涡轮机。在这样的设计中，磁极被布置在外部转子的内侧上，并且外部转子本身有效地作为发电机壳体。所述风力涡轮机包括安装到轮毂的若干转子叶片，并且所述轮毂被连接到转子，使得所述轮毂和转子作为一体旋转。舱罩被安装在发电机的非驱动端处以包围机械装置，例如，偏航驱动器、控制装置和其他部件。转子和舱罩之间的迷宫式密封允许转子旋转，同时确保水分和大气颗粒物不会进入发电机。在特定条件下，必须停止风力涡轮机的转子。因此，发电机壳体在非驱动端处一般包括制动盘。圆形的内边缘形成在圆筒形转子壳体和基本上圆形的平坦制动盘的接合处。为了容纳定子和其他发电机部件，转子壳体尺寸设计成长于定子，即转子壳体延伸到定子的外端及其绕组之外。如上所述，这在绕组端部和处于发电机的非驱动端处的转子壳体/制动盘之间产生了腔或间隙。相似的腔或间隙出现在发电机的驱动端处。这些腔可具有不同的形状，这是因为轮毂/转子的过渡（transition）与转子/舱罩的过渡一般在结构上不同。在本发明的背景下，可以假定所述减容装置减少处于绕组端部和发电机壳体的内角部之间的这样的腔。

在下文中，还可以假定所述风力涡轮机包括气体冷却装置，其用于将气体冷却剂至少从发电机的非驱动端导引到定子和转子之间的气隙中。在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定所述气体冷却介质包括空气。如上文提到的，变暖的空气在穿过气隙之后能够以某种适当的方式被排出，或者能够被吸引到定子内部中，它能够从所述定子内部被排出，或它能够在所述定子内部中被冷却，并且随后，再一次被引导到气隙中。

所述减容装置能够以任何合适的方式来实现。例如，它可从安装到可用表面的支撑框架悬挂。然而，在本发明的优选实施例中，所述减容装置沿发电机壳体的内表面布置。

所述减容装置优选地包括根据发电机壳体的环状内边缘来设计尺寸的环状体，例如，通过圆筒形的转子壳体和基本上竖直的制动盘或背板来限定的环状体。当然，所述减容装置不需要是不间断的环状体，而是能够包括共同形成环状形状的两件或更多件。

所述减容装置的材料能够在一个或多个期望的材料属性的基础上选择。例如，所述减容装置优选为是轻的，使得它不会显著地增加转子的重量。在本发明的一个特别优选的实施例中，所述减容装置包括泡沫环。所述泡沫环能够由具有高密度和仅非常小的孔（如果有的话）的任何类型的泡沫制成。这样的泡沫环能够通过沿腔区域的内角部布置一个或多个泡沫条（由块切割而成）来形成。泡沫材料能够被粘合就位，使用双面粘合带或以任何其他合适的方式附接。可替代地，所述泡沫环能够通过例如沿转子壳体和制动盘所形成的内边缘将聚氨酯泡沫直接喷射就位来制成。在它变硬之后，聚氨酯泡沫的环作用于减少所述腔的空间容积。

可替代地或此外，所述减容装置包括刚性的环状体。它能够是能够安装就位的预形成环或若干预形成环段。例如，这样的刚性体能够由聚氨酯刚性泡沫或任何其他合适的材料形成。

如上所述，所述绕组端部延伸一定距离到处于发电机的每一端处的腔中。处于发电机的任一端处的腔的容积、绕组端部和转子壳体之间的距离以及绕组端部和制动盘或转子/轮毂接口之间的距离在很大程度上将取决于发电机的设计。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，所述减容装置的径向截面的形状基于绕组端部相对于其在腔中的位置的位置（“径向截面”应当被理解为通过包含发电机的旋转轴线的平面所获得的截面）。例如，减容装置在非驱动端处可具有弯曲的径向截面，使得它将另外的90°的内边缘或内角部变换成圆整的边缘。

用于直接驱动式发电机的定子具有大的内部容积。由于结构性原因，并且此外，为了允许冷却装置定位在所述定子内部之内，所述定子通常在驱动端和非驱动端二者处都被封闭。通常，一个或多个窄小空间（爬行空间，crawlspace）也被设置在定子内部中，使得技术人员能够移动通过发电机并且到轮毂中，用于维护或检修程序。处于定子背板/前板中的合适的大型开口提供了通向窄小空间的入口。这些开口的存在意味着用于将冷却气流导引到气隙中的任何风扇或风机无法总是围绕定子前板/背板对称地布置。结果，绕组端部的一些区域比其他区域接收较少的冷却气流，并且“热点”可在较少冷却的区域中产生。因此，在本发明的一个优选实施例中，所述减容装置根据第一绕组端部区域和第二绕组端部区域之间的温度差来成形。第一绕组端部区域可以包括绕组端部靠近任何风扇或风机的部分，而第二绕组端部区域包括绕组端部远离风扇或风机并且因此没有足够冷却的剩余部分。为了降低所述温度差，所述减容装置可包括槽或翅片（fins），其布置成促使冷却气流的一部分朝向热点区域流动。

所述冷却气流从绕组端部吸收热，并且随后穿过气隙，在那里，它从定子主体上的绕组吸收更多热。在本发明的一个优选实施例中，所述冷却装置包括吸引设备，其实现成吸引绕组之间的空气通过定子主体中的通道，并且随后，到定子的内腔中。在本发明的另一优选实施例中，所述冷却装置包括布置在定子的内腔中的热交换器，所述热交换器被实现成冷却被吸引到定子的内腔中的空气。优选地，所述风扇结构被实现成从定子的内腔中向外吸引空气，并且将冷却的空气重新导引到发电机壳体和转子/制动盘接口之间的腔中。处于驱动端处的相似的风扇结构能够从定子的内腔中向外吸引冷却的空气，并且将它重新导引到发电机壳体和转子/轮毂接口之间的腔中。在减容装置就位的情况下，迫使所述冷却气流穿过驱动端的绕组端部，使得定子绕组的这个区域被更高效地冷却。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将会变得显而易见。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1示出了具有根据本发明的冷却装置的第一实施例的直接驱动式风力涡轮机；

图2示出了处于图1的风力涡轮机的非驱动端中的区域的放大图；

图3示出了根据本发明的冷却装置的第二实施例的细节；

图4为到根据本发明的风力涡轮机的定子背板上的视图；

图5示出了现有技术的风力涡轮机的冷却装置。

在图中，自始至终相同的数字表示相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1为根据本发明的直接驱动式风力涡轮机2的一个实施例的非常简化的示图。通过将冷却气流AF引导到转子4和定子3之间的气隙20中，并且随后，吸引气流AF通过定子绕组30并且到定子3的内腔31中，来冷却内部定子3上的绕组30。在此实施例中，被吸引到内腔31中的变暖的空气AF'通过若干热交换器12来冷却，并且随后，通过若干风扇11从内腔31中吸出，所述若干风扇11将冷却的气流AF向回导引向延伸到定子3的端部之外的绕组端部300。

附图示出：绕组端部300延伸到转子壳体40和处于发电机的非驱动端处的制动盘41之间的腔200R中至一定距离，并且延伸到转子壳体40和处于驱动端处的前端面（front-face）之间的腔200F中至一定距离。在非驱动端处，腔200R被圆筒形的转子壳体主体和制动盘41限制，二者邻接以给出环状的“内边缘”400。在通过包含发电机的旋转轴线R的平面所获得的径向截面中，内边缘400表现为基本上直角的“内角部”400。

为了确保冷却气流AF不仅围绕屏障般的绕组端部300流动，根据本发明的冷却装置1使用减容装置10A，所述减容装置10A包括沿处于转子壳体40和制动盘41之间的接合处的内边缘400布置的泡沫环10A。泡沫环10A减少了腔200R中的空间容积，并且有效地呈现为对冷却气流AF的更大的屏障，然后迫使所述冷却气流AF找到路径通过绕组端部300。在此实施例中，泡沫环10A简单地具有矩形截面，并且在将它沿发电机的内边缘400固定之前能够由高密度泡沫的块切割而成。当然，相似的布置能够被用在发电机的驱动端处。

图2示出了处于图1的风力涡轮机2的定子3上的绕组装置30的一部分的放大图。附图示出了绕组30的平行布置，并且图示了绕组端部300的复杂的交错形状。附图还示出了减容装置10A的存在如何作用于迫使冷却气流AF通过绕组端部300中的狭窄间隙301。

图3示出了根据本发明的直接驱动式风力涡轮机2的第二实施例。此处，减容装置10B具有成形为促使冷却气流AF穿过绕组端部300的另一种类型的径向截面。在此实施例中，减容装置10B包括具有如下形状的环状体，即：所述形状用转子壳体40和制动盘41之间的弯曲过渡（curvedtransition）代替了内直角400。此处同样，相似的布置能够被用在发电机的驱动端处。在驱动端处和非驱动端处使用的减容装置的类型可以根据转子壳体/制动盘和转子壳体/轮毂接口之间的接合处的内边缘形状来选择。

图4为从舱罩的内部观察的到根据本发明的风力涡轮机的定子背板33上的视图。为清楚起见，所述制动盘未被示出，但可以被可视化为从转子4的外周界向内延伸的环状板。附图替代地示出了围绕转子4的周界延伸的减容装置10A、10B。绕组端部300在此图中大部分隐藏在减容装置10A、10B之后，并且隐藏的部分仅通过虚线部分地标示。附图示出了风扇11和通到穿过定子3的窄小空间的若干进入开口32的布置。进入开口32导致若干风扇11的非对称布局，使得热点H在“偏远的”绕组端部部分中产生。在此实施例中，减容装置10A、10B能够被成形为促使冷却气流AF的一部分朝向热点H移动，使得这些热点H能够被更高效地冷却。当然，相似的布置可以被用在驱动端处，这是因为定子前板处的进入开口也可另外导致绕组端部区域中的非期望的热点。

图5示出了处于现有技术的风力涡轮机5的非驱动端中的区域的放大图。附图示出了绕组端部300延伸到转子壳体40和制动盘41之间的腔200R中，并且延伸到转子壳体40和轮毂接口（hubinterface）42之间的腔200F中。冷却气流AF在绕组端部300处被导引，但在很大程度上绕过这些绕组端部300，这是因为在其到气隙20的路上它将趋于采取绕组端部300周围的较容易的路径。其结果是绕组端部300未被充分地冷却，并且显著的温度差能够在绕组端部300和处于定子齿部之间的更优化地冷却的平行绕组装置之间产生。此温度差示出了绕组端部300未如绕组的其余部分一样被冷却。导体的最热温度确定它将承载的电流，使得现有技术的冷却装置可被描述为关于这方面是低效的。

尽管已采用优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对其能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除复数，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims

1.一种实现成冷却包围在发电机壳体（40）中的定子（3）的定子绕组（30）的冷却装置（1），所述冷却装置（1）包括：

风扇结构（11），其用于将气体冷却介质（AF）导引向所述定子绕组（30）的绕组端部（300）；以及

减容装置（10A、10B），其布置成减少所述绕组端部（300）和所述发电机壳体（40、41、42）的内角部（400）之间的空间容积（200R、200F）。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述减容装置（10A、10B）沿所述发电机壳体（40、41、42）的内表面（41）布置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述减容装置（10A、10B）包括根据所述发电机壳体（40、41、42）的环状内边缘（400）来设计尺寸的环状体（10A、10B）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述减容装置（10A）包括泡沫环（10A）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述减容装置（10B）包括刚性的环状体（10B）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述减容装置（10A、10B）的径向截面的形状基于所述绕组端部（300）相对于所述发电机壳体（40、41、42）的位置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述减容装置（10A、10B）根据第一绕组端部区域和第二绕组端部区域之间的温度差来成形。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，包括吸引设备（11），所述吸引设备（11）实现成吸引所述气体冷却介质（AF）通过所述定子绕组（30）并且到所述定子（3）的内腔（31）中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，包括布置在所述定子（3）的所述内腔（31）中的热交换器（12），所述热交换器（12）被实现成冷却被吸引到所述定子（3）的所述内腔（31）中的气体冷却介质（AF'）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述风扇结构（11）被实现成沿所述绕组端部（300）的方向从所述定子（3）的所述内腔（31）中向外导引所述气体冷却介质（AF）。

11.一种直接驱动式风力涡轮机（2），包括：

外部转子（4）和内部定子（3），其中，所述外部转子（4）被布置在可旋转的发电机壳体（40、41、42）上；以及

根据权利要求1至10中任一项所述的冷却装置（1），其实现成冷却所述定子（3）的定子绕组（30）。

12.一种冷却包围在发电机壳体（40、41、42）中的定子（3）的定子绕组（30）的方法，所述方法包括如下步骤：

减少绕组端部（300）和所述发电机壳体（40、41、42）的角部（400）之间的空间容积（200R、200F）；以及

朝向所述绕组端部（300）导引气体冷却介质（AF）。

13.根据权利要求12所述的方法，包括如下步骤：吸引所述气体冷却介质（AF）通过所述定子绕组（30）并且到所述定子（3）的内腔（31）中；和/或冷却被吸引到所述定子（3）的所述内腔（31）中的气体冷却介质（AF'）；和/或从所述定子（3）的所述内腔（31）中向外导引所述气体冷却介质（AF）。

14.一种改装风力涡轮机（5）的方法，所述风力涡轮机（5）包括：

包围在发电机壳体（40、41、42）中的定子（3）；

用于冷却所述定子（3）的定子绕组（30）的气体冷却装置（11、12、13）；

所述方法包括将减容装置（10A、10B）布置在所述定子绕组（30）的绕组端部（300）和所述发电机壳体（40、41、42）的内角部（400）之间，以减少所述绕组端部（300）和所述发电机壳体（40、41、42）的所述内角部（400）之间的空间容积（200R、200F）。