CN106663977B - 无传动装置的风能设备的同步发电机、尤其多极同步环形发电机和具有其的风能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无传动装置的风能设备(100)的同步发电机(1)、尤其多极同步环形发电机，所述同步发电机用于产生电流，所述同步发电机具有转子(4)和定子(3)，其中定子(3)具有多个槽(17)，在所述槽中设置有定子绕组，其中定子绕组(23)由于产生电流而释放热能，并且其中在一个、多个或所有槽(17)中设置有用于吸收和导出释放的热能的冷却体(25a‑e)。

Description

无传动装置的风能设备的同步发电机、尤其多极同步环形发 电机和具有其的风能设备

技术领域

本发明涉及一种无传动装置的风能设备的同步发电机、尤其多极同步环形发电机。此外，本发明涉及一种具有这种同步发电机的风能设备。

背景技术

在基于优先权的德国专利申请中，德国专利和商标局检索到如下文献：EP 2 752578 A1、CH 357 797 A和DE 102 44 202 A1。

风能设备已广泛已知。风能设备借助于发电机从风中产生电流。现代无传动装置的风能设备通常具有带有大气隙直径的多极同步环形发电机。在此，气隙的直径为至少四米并且一般达到近五米。由多个部件组成的同步发电机完全可以具有范围在十米或更大的气隙直径。

同步发电机的效率决定性地影响整个风能设备在发电时的效率。因此，为了实现在发电时尽可能高的效率，重要的是，最优地设计定子绕组。尤其也属于此的是，尽可能将大数量的导线束安置在定子绕组中。

同步发电机的定子绕组的材料密度越高，以及感生的场越强，那么在定子绕组中出现的生热更多。同步发电机的定子绕组和定子环在运行时不可避免地被加热。一定要避免超过预定的温度极限，以便防止例如由于生热和传递到相邻的构件上引起的机械问题或效率变差。

因此，必须冷却发电机、尤其定子环。

从现有技术中例如已知了：定子环借助于设置在定子环的环周边缘上的外部冷却机构来冷却。

所述冷却方法在实践中尽管基本上已被证实为可靠的。但存在如下需求，改进在风能设备的同步发电机上并尤其在定子环上的可实现的冷却效果。

发明内容

因此，视为本发明的目的的是，解决上文提到的问题中的至少一个问题。尤其要改进同步发电机的冷却效果。

本发明实现在开头时提到的类型的同步发电机方面本发明基于的目的，其方式是：所述同步发电机根据本发明的实施例构成。尤其，提出一种具有定子和转子的同步发电机，其中定子具有多个槽，在所述槽中设置有定子绕组，其中定子绕组由于产生电流而释放热能，并且其中在一个、多个或所有的槽中设置有用于吸收和导出释放的热能的冷却体。

在无传动装置的风能设备的同步环形发电机中，“多极”理解为多个定子极，尤其具有至少48个定子齿的构成方案，通常甚至具有明显更多的定子齿如尤其96个定子齿或再更多的定子齿。发电机即也可称作电枢的转子的以及定子的磁活性的区域设置在围绕同步发电机的转动轴线的环形的区域中。这样，气隙的半径的百分之零至最少百分之五十的区域不具有传导同步发电机的电流或电场的材料。尤其，这个内部空间完全是空的并且原则上也是可巡查的。通常，所述区域也大于气隙半径的百分之零至百分之五十，尤其达到气隙半径的直至百分之零至百分之七十或甚至百分之零至百分之八十。根据构造，在所述内部区域中可以存在承载结构，然而在一些实施方案中所述承载结构可以轴向错开地构成。受制于功能，无传动装置的风能设备的这种同步发电机是缓慢转动的发电机。缓慢转动在此根据设备尺寸而理解为低于每分钟40转的转速、尤其理解为大约每分钟4至35转的转速。

本发明利用如下认知：通过如下方式实现最优的热导出，直接在产生热处吸收热。在此情况下，在同步发电机中产生电流时，将热释放到定子绕组中。本发明遵循如下方式：在尽可能靠近定子绕组的位置处吸收释放的热。以前从来不考虑将冷却体嵌入到容纳定子绕组的槽的内部中，因为提供在槽中的与基本方式相抵触的尽可能多的导线束或在槽中的定子绕组的尽可能高的排列密度。

已证实的是，发动机效率由于为了冷却通道而“略去”匝引起的假定的变差通过因此更冷的绕组的提高的效率来补偿。

在本发明的一个有利的改进方案中，冷却体具有至少一个绕组接触面，所述绕组接触面与定子绕组接触。绕组接触面越大，那么在定子绕组和冷却体之间的热传递越大。

优选地，冷却体具有至少一个壁接触面，所述壁接触面与槽壁接触。根据所述优选的实施方式，借助于根据本发明的冷却体附加地实现主动地冷却定子环。关于壁接触面也适用的是，壁接触面构造得越大，则从定子环到冷却体中的热传递越大。

在一个优选的实施方式中，冷却体具有空心体，所述空心体与冷却介质回路以传导流体的方式连接，其中空心体具有带有内侧和外侧的壁部。

优选地，冷却体具有与第一槽壁接触的第一壁接触面和与第二槽壁接触的第二壁接触面，所述第二槽壁与第一槽壁相对置。因此，冷却体如桥那样完整地从一个槽壁延伸至下一槽壁。在本实施方式中，冷却体优选不仅具有两个壁接触面，而且具有两个绕组接触面，其中第二绕组接触面设置在冷却体的与第一绕组接触面相对置的侧上。

在一个优选的实施方式中，壁接触面至少部分地由空心体的壁部的外侧形成。替代地或附加地，绕组接触面优选至少部分地由空心体的壁部的外侧形成。所述实施方式能够实现空心体的结构上简单的构造。

在另一优选的实施方式中，冷却体具有一个或多个接片，所述接片从空心体的壁部起沿着槽壁延伸并且具有朝向相应的槽壁的外侧以及相对置的、邻接于定子绕组的内侧。优选地，壁接触面至少部分地由接片的外侧形成，并且绕组接触面至少部分地由接片的内侧形成。

在同步发电机的另一优选的设计方案中，空心体的壁部的内侧具有一个或多个冷却肋片。与空心体的未设置有肋片的表面相比，冷却肋片由于在冷却介质和空心体之间的接触面增大而产生进入冷却介质中的更强的散热。

空心体能够按矩形的形式在槽壁之间延伸，亦或从一个槽壁朝向相对置的槽壁观察也具有相对于矩形形状更大的表面。优选地，空心体沿槽的径向方向具有缩腰部，或者拱起部。在此，缩腰部理解为凹进的收缩部，以及具有未倒圆的面过渡部的“带角的”凹处。而相同内容也适用于拱起部。拱起部理解为凸出的拱起部以及不具有倒圆的过渡部的“带角的”面伸展部。这种“带角地”拱起的空心体在横截面中基本上具有多边形的形状。

本发明在另一方面涉及风能设备、尤其无传动装置的风能设备，所述风能设备具有用于产生电流的同步发电机，所述同步发电机尤其构成为多极同步发电机。

本发明在这种风能设备方面借助于同步发电机实现开头提到的目的，所述同步发电机根据上述优选的实施方式中的一个构成。关于根据本发明的风能设备的优点，参照上面关于同步发电机的实施方案。

本发明在又一方面涉及用于吸收和导出释放的热能的冷却体的应用。根据本发明，使用用于吸收和导出热能的冷却体，所述热能从根据上述优选的实施方式中的一个所述的同步发电机的定子绕组中释放，其中冷却体设置在同步发电机的槽中。

优选地，冷却体构成为具有根据本发明的上述同步发电机的冷却体的特征。对此，在优点方面参照上面关于根据本发明的同步发电机的实施方案。

附图说明

下面，参照附图根据多个优选的实施例详细描述本发明。在此，相同的或相同功能的特征设有相同的附图标记。

在此示出：

图1示出风能设备的示意性立体视图；

图2示出根据图1的风能设备的吊舱的示意性立体剖视图；

图3示出根据图1和图2的风能设备的定子的简化的示意性立体视图；

图4示出贯穿根据图3的定子的部分的剖视图；以及

图4a-4e示出用于使用在根据图3和图4的定子中的冷却体的不同的设计方案。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有带有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行中被风置于转动运动中并进而驱动在吊舱104中的发电机1(图2)。

吊舱104在图2中示出。吊舱104可转动地安装在塔102上并且借助于方位角驱动器7以通常已知的方式驱动地连接。以另外通常已知的方式，在吊舱104中设置有机器承载件9，所述机器承载件保持同步发电机1。同步发电机1根据本发明构成并且尤其是缓慢转动的多极同步环形发电机。同步发电机1具有定子3和内部运转的转子5，也称作电枢。转子或电枢5与转子轮毂13连接，所述转子轮毂将转子叶片108的由风引起的旋转运动传递给同步发电机1。

图3单独地示出定子3。定子3具有带有内部的环绕面18的定子环16。在内部的环绕面18中设有多个槽17，所述槽构成为用于容纳呈导线束形式的定子绕组。

图4示出贯穿定子环16的槽17的横截面视图。槽在基本上径向的方向上沿着槽轴线21延伸。槽17具有第一槽壁19a和与第一槽壁相对置的第二槽壁19b。

在图4a-4e中示出用于根据本发明的同步发电机1的冷却体25a-25e的不同的实施方式，所述冷却体分别设置在槽17中的一个中。

在图4a中示出的冷却体25a就其外部轮廓而言基本上以弧形的X形式构成。冷却体25a具有第一绕组接触面31a和第二绕组接触面31b，所述第一绕组接触面和第二绕组接触面与定子绕组23接触。这也适用于图4b-4e中的冷却体25b-25e的绕组接触面31a、31b，在这些图中为了更清楚而省去示出定子绕组23。

冷却体25a还具有第一壁接触面33a和第二壁接触面33b，所述第一壁接触面和第二壁接触面分别沿着槽壁19a+19b延伸并且邻接于所述槽壁。根据图4a，壁接触面33a、33b部分地由空心体27a的壁部的外侧形成。根据图4a，冷却体25a还具有多个接片29a，为了清楚，所述接片中的一个设有附图标记。接片从空心体27a的壁部起沿着槽壁19a、19b延伸。接片29a的外侧同样形成壁接触面33a、33b的一部分，而接片29a的内侧分别形成冷却体25a的绕组接触面31a、31b的一部分。由此，增大冷却体25a的总表面。

空心体27a的壁部的内侧具有多个冷却肋片35a、35b，所述冷却肋片分别用于增大空心体27a的壁部的表面。

空心体27a朝槽17的方向或沿槽轴线21的方向缩腰地或两侧凹进地收缩。

在图4b中示出的冷却体25b在结构上类似于图4a中的冷却体25a，在所述冷却体具有空心体27b和多个从空心体27b中延伸的接片29b的情况下，其中壁接触面33a、33b分别部分地由空心体27b的壁部的外侧形成，以及由接片29b的外侧形成。同样，绕组接触面部分由空心体27b的壁部的外侧和由接片29b的内侧形成。

与冷却体25a不同，冷却体25b的空心体27b构成为基本上柱形的管道，在所述管道外部相切地设置有接片。沿槽轴线21的方向，空心体27b球状地成形，即具有拱起部。

图4c中的冷却体25c以基本上椭圆的横截面形成，并且在朝向槽壁19a、19b的侧上具有不弯曲的外壁部段，所述外壁部段贴靠在槽壁19a、19b上并且形成冷却体25c的壁接触面33a、33b。与图4a、4b不同，冷却体25c不具有接片。然而，所述冷却体如根据图4b的冷却体25b那样沿径向方向或沿槽轴线21球状地成形并进而具有拱起部，或者两侧凸出地拱起。

在图4d中示出的冷却体25d具有空心体27d，所述空心体具有基本上矩形的横截面轮廓。绕组接触面31a、31b基本上以最短的路线从一个槽壁19a延伸至相对置的槽壁19b，从那起壁接触面33a、33b于是分别以空心体27d的壁部的外侧的形式沿着槽壁19a、19b延伸。

用附图标记37表示绕组线的标明的横截面。

冷却体27d既不缩腰地构成也不具有球状的拱起部。

最后，图4e示出冷却体25e，所述冷却体类似于图4c、4d中的冷却体25c、25d不具有接片，使得壁接触面33a、33b完全地由空心体27e的壁部的外侧形成。沿箭头39的方向，所述箭头优选在槽轴线21上，空心体27e的基本上多边形的横截面是收缩的，使得构成为缩腰部。所述缩腰部可以如在图4e中示出的示例那样构成为具有倒圆的棱边，或者也构成有带角的棱边，使得构成双梯形，所述双梯形具有槽轴线21作为对称轴线。

尽管冷却体25c、25d、25e在示出的实施例中示为不具有接片，在本发明的范围中仍然也存在，冷却体也设有接片，与此相同在本发明的范围中，设有结构上基本上如图4a、4b中的冷却体25a、25b那样构成的但不具有接片的冷却体。

同样，在本发明的范围中，图4b-4e的冷却体在空心体27b-27e的壁的内侧上也分别具有一个或多个冷却肋片。

在本发明的范围中，存在如下这种横截面轮廓，其中第一绕组接触面球状地拱起而相对置的第二绕组接触面收缩，亦或既不拱起也不收缩。同样，在本发明的范围中，存在如下这种横截面轮廓，其中仅一个绕组接触面设有缩腰部，即朝空心体的内部方向压入，而相对置的第二绕组接触面构成为直的、即既不拱起也不缩腰。

只要对于相应的应用情况是有利的，那么定子环16的多个槽或所有槽具有相同的冷却体25a-25e，亦或也为用于不同组的槽17的定子环16设置不同的冷却体几何形状25a-25e。

其他优选的实施方式从权利要求的不同的组合中得到。

Claims (10)

1.一种无传动装置的风能设备(100)的多极的、环形的同步发电机(1)，所述同步发电机用于产生电流，所述同步发电机具有转子(5)和定子(3)，其中所述定子(3)具有多个槽(17)，在所述槽中设置有定子绕组，其中所述定子绕组(23)由于产生电流而释放热能，并且

其中在一个槽(17)、多个槽(17)或所有槽(17)中设置有用于吸收和导出释放的热能的冷却体，其中所述冷却体具有与第一槽壁(19a)接触的第一壁接触面(33a)和与第二槽壁(19b)接触的第二壁接触面(33b)，所述第二槽壁与第一槽壁相对置，其中所述冷却体具有至少一个绕组接触面(31a，31b)，所述绕组接触面与所述定子绕组(23)接触；以及

其中，所述冷却体具有空心体，所述空心体与冷却介质回路以传导流体的方式连接并且在第一壁接触面(33a)和第二壁接触面(33b)上分别具有多个接片(29a，29b)，所述多个接片沿相反的方向从所述空心体的壁部起沿着所述第一槽壁(19a)和所述第二槽壁(19b)延伸并且具有朝向相应的槽壁的外侧以及相对置的、邻接于所述定子绕组(23)的内侧，其中所述第一壁接触面或所述第二壁接触面至少部分地由所述接片的外侧形成，并且所述绕组接触面至少部分地由所述接片的内侧形成。

2.根据权利要求1所述的同步发电机，

其中所述空心体具有带有内侧和外侧的壁部。

3.根据权利要求2所述的同步发电机，

其中所述第一壁接触面(33a)和第二壁接触面(33b)至少部分地由所述空心体的所述壁部的外侧形成。

4.根据权利要求2所述的同步发电机，

其中所述绕组接触面(31a，31b)至少部分地由所述空心体的壁部的外侧形成。

5.根据权利要求2所述的同步发电机，

其中所述空心体的壁部的内侧具有一个或多个冷却肋片(35a，35b)。

6.根据权利要求2所述的同步发电机，

其中所述空心体沿所述槽(17)的径向方向具有缩腰部。

7.根据权利要求2所述的同步发电机，

其中所述空心体沿所述槽(17)的径向方向具有拱起部。

8.一种无传动装置的风能设备(100)，

其具有用于产生电流的同步发电机(1)，

其中所述同步发电机根据权利要求1至7中任一项构成。

9.根据权利要求8所述的无传动装置的风能设备(100)，其中所述同步发电机构成为多极同步发电机。

10.一种冷却体的应用，用于吸收和导出从根据权利要求1至7中任一项所述的同步发电机(1)的定子绕组(23)中释放的热能，

其中所述冷却体设置在所述同步发电机的槽(17)中。