CN108141066A

CN108141066A - 具有径向冷却槽的电机和风力发电设施

Info

Publication number: CN108141066A
Application number: CN201680054623.4A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·布拉萨斯; 罗伯特·格鲁贝尔; 马丁·克罗姆帕斯; 奥利弗·梅明杰; 克劳斯·席费雷尔; 托比亚斯·施佩尔; 罗兰·泽伊奇菲斯尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Flander GmbH
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-06-08
Also published as: CA2999101A1; US10622857B2; WO2017050575A1; US20180269739A1; CA2999101C; ES2742211T3; EP3353878A1; EP3353878B1

Abstract

本发明涉及一种电机(1)，具有第一主动部分(2)和第二主动部分(3)，其中第一主动部分(2)和第二主动部分(3)分别包括多个子叠片组(5)，每个子叠片组(5)包括多个具有相应的轴向宽度(b)的单叠片(6)，子叠片组(5)的轴向方向(A)中彼此间隔地布置，使得分别在两个相邻的子叠片组(5)之间形成径向冷却槽(7、8′、8″)，并且在第一主动部分(2)中的径向冷却槽(7)相比于在第二主动部分(3)中的径向冷却槽(8′、8″)在轴向方向(a)上错开地布置，并且其中，在第一主动部分(2)中的所有单叠片(6)的轴向宽度(b)的总和相应于在第二主动部分(3)中的所有单叠片(6)的轴向宽度(b)的总和。

Description

具有径向冷却槽的电机和风力发电设施

技术领域

本发明涉及一种具有第一主动部分和第二主动部分的电机，其中，第一主动部分和第二主动部分分别包括多个子叠片组，子叠片组中的每个包括具有相应轴向宽度的多个单叠片，子叠片组在轴向方向中如下地彼此间隔地布置，即，在两个相邻的子叠片组之间分别形成径向冷却槽，并且在第一主动部分中的径向冷却槽在轴向方向上相对于第二主动部分中的径向冷却槽交错地布置。此外，本发明涉及一种具有这种电机的风力发电设施。

背景技术

当前兴趣在于一种电机。这种类型的电机包括第一和第二主动部分或定子和转子。主动部分又可以由叠片组制成，该叠片组各自包括多个单叠片。为了保证电机的充分冷却，单叠片如下地布置，即，有径向冷却槽产生，冷却剂可以环绕流动通过该径向冷却槽。

特别是，当电机作为发电机应用在风力发电设施中时，电机的运行噪音是非常重要的。通常以单位dB(A)的声压级评估风力发电设施附近的噪声强度。所以存在取决于环境和时间的对于声压级的明确的极限值。适用的例如有，在主要为商业设施的环境中，白天必须保持65dB(A)的极限值，晚上则保持50dB(A)的极限值。在住宅区，特别是在纯居住区，该极限值被相应地降低。风力发电设施的声发射有不同的原因。主要来源于转子的空气动力学的噪声和最多样化的机械噪声确定了测量到的总声功率级。在开发过程中必须认识到各种噪音源并对其仔细分析。每一个原因都需要特殊的措施，从而实现整体低噪音的构造。作为风力发电设施的组成部分，风力发电机还必须符合客户指定的声压级极限值。在此，不仅需要保持整体声平，而且还要保持对于单个频率或频率范围的最大值。如果超过单个频率或频率范围的最大值，则涉及发电机的单音或声音强度。

到目前为止，已经尝试通过冷却回路的气流引导和电机的冷却回路中的措施来解决噪声过大的问题。此外，已知使用由不同材料制成的相应隔音元件，以便减少声发射。此外在同步电机中，已知在转子中的径向冷却槽相对于定子中的径向冷却槽相互移动。这具有如下的优点，即，来自转子的脉动冷却空气流不会直接遇到定子冷却槽中的障碍物，并且因此降低了声发射。

为此，DE 10 2014 115 666 A1描述了一种开式感应发动机，其中，转子具有空气可以流过的结构，并且因此可以改善转子和定子的冷却效率。感应电动机包括定子，该定子包括具有径向通道孔的定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的定子绕组。此外，感应电动机包括转子，该转子具有在转轴的轴向方向上层叠并耦连到转轴上的多个转子铁芯，并且该转子具有耦合连接到多个转子铁芯上的转子绕组。转子还包括层叠在多个转子铁芯之间的通道板。

此外，CN 203 278 421 U描述了一种具有各自带有径向冷却通道的定子和转子的电机。在此，定子的径向冷却槽和转子的径向冷却槽彼此错开地布置。此外，可以提出，定子中的冷却槽的宽度对应于转子中的冷却槽的宽度的一半。为此，在定子中可以设置两倍于在转子中的数量的冷却槽。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种对于如下问题的解决方案，即，如何能够在电机的运行中有效地减少声发射。

该目的通过具有根据相应的独立权利要求的特征的电机和风力发电设施来实现。本发明的有利改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的电机包括第一主动部分和第二主动部分，其中，第一主动部分和第二主动部分各自包括多个子叠片组。子叠片组中的每个包括具有相应轴向宽度的多个单叠片。子叠片组在轴向方向上如下彼此间隔地设置，即，在两个相邻的子叠片组之间分别有径向冷却槽形成。另外，第一主动部分中的径向冷却槽在轴向方向上相对于第二主动部分中的径向冷却槽错开地布置。另外，第一主动部分中的所有单叠片的轴向宽度的总和与第二主动部分中的所有单叠片的轴向宽度的总和相对应。

电机可以优选地作为发电机运行并用于风力发电设施中。电机包括第一主动部分，该第一主动部分例如可以设计为定子。此外，电机包括第二主动部分，该第二主动部分例如可以设计为转子并且可以设计为能够相对于第一主动部分旋转的。第一主动部分和第二主动部分各自包括具有多个单叠片的叠片组。例如，各个单叠片可以由铁制成。单叠片各自具有轴向宽度。轴向宽度描述了单叠片在轴向上的空间范围。第一和第二主动部分中的各个单叠片在每种情况下分组为子叠片组。此外，子叠片组在轴向方向上彼此间隔开地布置。在相邻的子叠片组之间分别形成径向冷却槽。该径向冷却槽描述了相邻的在电机的径向方向上延伸的子叠片组之间的间隙。这些径向冷却槽既存在于第一主动部分中也存在于第二主动部分中。冷却剂(例如冷却空气)可以流过径向冷却槽，以便在电机运行期间对第一主动部分和第二主动部分进行冷却。电机可以设计成开放式或通流式通风电机。电机也可以具有封闭的内部冷却回路。

此外提出，第一主动部分和第二主动部分中的径向冷却槽是相对于彼此轴向偏移的或者是相对于彼此错开地布置的。这尤其意味着，第一主动部分中的径向冷却槽布置为与第二主动部分中的径向冷却槽不对齐的。例如可以提出，为了确保第一和第二主动部分中的径向冷却槽之间的错位大些，第二主动部分中的径向冷却槽尽布置为可能相对于在第一主动部分中的子叠片组居中的。这可以防止，通过第一和第二主动部分中的径向冷却槽获得连续的冷却通道，在该连续冷却通道中例如会产生声发射。

此外，第二主动部分包括冷却通道，该冷却通道在轴向方向上延伸并且汇入到第二主动部分中的相应的径向冷却槽中。冷却通道可以在第二主动部分的整个轴向长度上延伸。因此，例如，可以在第二主动部分的相应侧部区域处引入冷却剂流。流过冷却通道的冷却剂流分散到第二主动部分中的相应的径向冷却槽。从那里，冷却剂流经由第一主动部分和第二主动部分之间的气隙到达第一主动部分的径向冷却槽。在冷却剂流从第一主动部分的径向冷却槽中流出之后，可以再次偏转并因此被引导至第二主动部分中的冷却通道。通过冷却剂或冷却介质的长路径以及较强的湍流也可以改善电机的冷却。此外，改变的流动阻力还可以引起摩擦损失的减少。

根据本发明现在提出，第一主动部分中的所有单叠片的轴向宽度的总和对应于第二主动部分中的所有单叠片的轴向宽度的总和。此外尤其提出，第一主动部分和第二主动部分在电机的轴向方向上具有相同的总长度。换句话说，扣除了在第一和第二主动部分中的径向冷却槽各自轴向长度的总的轴向长度是相同的。所有单叠片的轴向宽度的总和也可以被称为铁芯长度。于是这意味着第一主动部分中的铁芯长度和第二主动部分中的铁芯长度是相同的。因此，可以实现在电机的整个长度上对单叠片的铁芯的最佳利用。此外，可以使用通常可用的计算程序，因为这些程序通常从定子和转子中相同的铁芯长度发出。通过这种方式，电机一方面可以非常安静地运行。另外，实现了电机的有效运行。

此外，根据本发明提出，第二主动部分中的径向冷却槽分成第一冷却槽和第二冷却槽，其中，第一冷却槽具有第一轴向长度并且第二冷却槽具有比第一轴向长度更大的第二轴向长度。换句话说，第二主动部分中的径向冷却槽实施成具有不同宽度的。由于第二主动部分中的冷却槽的数量大于第一主动部分中的径向冷却槽的数量，因此提出，第二主动部分中的至少一些径向冷却槽具有更小的轴向长度。因此，可以实现：第一和第二主动部分的总轴向长度是相同的，并且第一和第二主动部分中的铁芯长度是相同的。

优选地，第一主动部分中的单叠片的数量基本上对应于第二主动部分中的单叠片的数量。换句话说，设置有相同数量的定子电工钢片和转子电工钢片。此外可以提出，第一主动部分中的单叠片和第二主动部分中的单叠片由相同的材料制造。此外，当用相同的工具制造第一主动部分的单叠片和第二主动部分的单叠片时在此是有利的。因此，例如可以由第一主动部分或定子叠片的单叠片的剩余部分制造第二主动部分或转子叠片的单叠片。因此，可以特别便宜地并且以较少花费制造单叠片进而还有电机。

也可以提出，第一主动部分中的单叠片的数量大于第二主动部分中的单叠片的数量。可选地可以提出，第一主动部分中的单叠片的数量小于第二主动部分中的单叠片的数量。

在另一个实施方式中，第一主动部分和第二主动部分中的所有单叠片的轴向宽度基本相等。换句话说，电机中的所有单叠片具有相同的轴向宽度。如已经说明的那样，第一主动部分和第二主动部分或者定子和转子的各个单叠片可以由相同的叠片制成。这实现了成本低廉的主动部分的生产。

也可以提出，第一主动部分中的单叠片的轴向宽度不同于第二主动部分中的单叠片的轴向宽度。

原则上也可以提出，单叠片的轴向宽度在第一主动部分内和/或在第二主动部分内不同。

在一个实施例中，第二主动部分中的径向冷却槽的数量大于第一主动部分中的径向冷却槽口的数量。第一主动部分和第二主动部分中的冷却槽布置为彼此不对齐的。这如下地实现，即，第一主动部分和第二主动部分中的冷却槽的数量不同。例如，第二主动部分可以具有比第一主动部分更多的径向冷却槽。因此，能够以简单的方式实现：径向冷却槽是彼此错开的，并因此降低了电机的声发射。此外，因此可以实现的是用于冷却剂、尤其是冷却气体的径向穿通面积保持不变，由此还可以确保，从气隙的高度上看在第二主动部分出的排出面积与第一主动部分中的进入面积相同。由此在整个电机中得到均匀且低的空气阻力。

在一个替代实施例中，可以提出，第一主动部分中的径向冷却槽的数量大于第二主动部分中的径向冷却槽的数量。同样以这种方式可以实现的是，第一主动部分和第二主动部分中的冷却槽布置成彼此不对齐的。

优选地，冷却槽布置在第二主动部分的中间区域中。原则上，在第二主动部分中具有不同宽度的径向冷却槽的分布可以任意地进行。然而，有利的是，例如布置在电机的中间区域的电机的热区域，其装配有第二径向冷却槽，该第二径向冷却槽具有大于第一冷却槽的轴向长度。因此，在电机的热区域中可以增强冷却效果。第二冷却槽可以布置在第二主动部分的边缘区域中。优选地提出将径向冷却槽对称布置地第二主动部分中。因此，可以实现第二主动部分的均匀冷却。

在另外的设计方案中，第一主动部分包括多个凹槽，这些凹槽分别汇入到第一主动部分的相邻于第二主动部分的面中并在凹槽中的每个中都置入与该面齐平的封闭元件。在第一主动部分或在定子中的相应的凹槽可以沿径向延伸。另外，凹槽可以沿着第一主动部分的周侧方向均匀分布地布置。在相应的凹槽中可以置入电机的线圈。另外，用于将线圈保持在凹槽中的相应的楔形件可以被置入到凹槽中。此外提出，在每个凹槽中还置入有封闭元件，该封闭元件例如可以由磁性材料或者非磁性材料制造。封闭元件如下地设计，即，其与第一主动部分的表面齐平地封闭。第一主动部分的该面是面向第二主动部分或气隙的面。因此，第一主动部分在凹槽的区域中具有平滑的表面。因此，可以进一步减少声发射，因为冷却剂流不会流到具有向内开放的凹槽的叠片组上，而是流到完全平滑的表面上。

在另一个实施方式中，电机可以设计为异步电机。这种异步电机可以具有设计为鼠笼式转子或者滑环转子的转子。

根据本发明的风力发电设施包括根据本发明的电机。因此，可以提供一种风力发电设施，其中降低了由于流过电机的冷却剂而引起的整体噪音和声音强度。

参照根据本发明的电机所提出的优选实施方式及其优点相应地适用于根据本发明的风力发电设施。

附图说明

现在将参照优选实施例并参考附图来描述本发明。在此示出：

图1以截面侧视图示出了根据现有技术的电机；

图2以截面侧视图示出了根据本发明实施方式的电机；和

图3以截面侧视图示出了电机的凹槽。

具体实施方式

在附图中，相同的和功能相同的元件具有相同的附图标记。

图1以截面侧视图示出了根据现有技术的电机1。电机1包括定子形式的第一主动部分2。此外，电机1包括转子形式的第二主动部分3。第二主动部分3可相对于第一主动部分2移动或旋转。第一主动部分2在电机1的轴向方向a上具有总长度LS，第二主动部分3在轴向方向a上具有总长度LR。当前，主动部分2、3的总长度LS和LR是相同的。

第一主动部分2和第二主动部分3都包括具有多个单叠片6的叠片组4。单叠片6组合成相应的子叠片组5。单叠片6具有轴向宽度b，该轴向宽度b描述单叠片6在电机1的轴向方向a上的空间范围。当前，所有在第一主动部分2和第二主动部分3中的单叠片6都具有相同的轴向宽度b。

各个子叠片组5布置为在电机1的轴向方向a上彼此间隔开的。因此在第一主动部分2中形成有径向冷却槽7，并且在第二主动部分3中形成有径向冷却槽8。径向冷却槽7、8沿着电机1的径向方向r在相应的主动部分2、3中延伸。第一主动部分2中的径向冷却槽7具有轴向长度XS。第二主动部分3中的径向冷却槽8具有径向长度XR。当前，在第一主动部分2中的径向冷却槽7的轴向长度XS对应于在第二主动部分3中的径向冷却槽8的轴向长度XR。此外，在第二主动部分3中的径向冷却槽8与在第一主动部分2中的第一径向冷却槽7齐平地布置。

在第二主动部分3中设置有冷却通道9，该冷却通道沿轴向方向a延伸穿过子叠片组5。因此，例如可以在第二主动部分3的相应边缘区域10处将冷却剂(例如冷却空气)引入到冷却通道9中。流动穿过冷却通道9的冷却剂之后到达第二主动部分3中的径向冷却槽8。将冷却剂从那里经由空气间隙11引导到第一主动部分2的径向冷却槽7中。在冷却剂从第一主动部分2的径向冷却槽7中流出之后，冷却剂流可以偏转并且被引导回到冷却通道9中。可以以这种方式提供冷却回路。

图2以截面侧视图示出了根据本发明实施方式的电机1。在电机1中，第一主动部分2设计为类似于根据图1的电动机器1的第一主动部分2的。与根据图2的第二主动部分3相比，第二主动部分3是被改变了的。第二主动部分3包括第一径向冷却槽8'和第二径向冷却槽8”。第一径向冷却槽8'具有轴向长度XR1，第二径向冷却槽8”具有轴向长度XR2。在此，第二径向冷却槽8”的轴向长度XR2大于第一径向冷却槽8'的轴向长度XR1。例如，轴向长度XR2可以是10mm，并且轴向长度XR1可以是8mm。第二冷却槽8”的轴向长度XR2可以对应于第一主动部分2中的径向冷却槽7的轴向长度XS。

在第二主动部分3中的径向冷却槽8'、8”的数量大于在第一主动部分2中的径向冷却槽7的数量。当前，在第二主动部分3中设置有多于在第一主动部分2中的径向冷却槽8'、8”。这是如下地实现的，即第二主动部分3中的径向冷却槽8'、8”具有不同的轴向长度XR1和轴向长度XR2。在此，第一冷却槽8'和第二冷却槽8”的数量如下地选择，即，第二主动部分3的总长度LR对应于第一主动部分2的总长度LS。对于第二冷却槽8”的轴向长度XR2对应于第一主动部分中的冷却槽7的轴向长度XS的情况，第一冷却槽8'必须在总和上减去一次轴向长度XR2。

在此，第二主动部分3中的冷却槽8'、8”如下地布置，即，第二冷却槽8”基本上布置在第二主动部分3的中央区域12中。该中间区域12对应于电机1的热区。通过将具有较大轴向长度XR2的第二径向冷却槽8”布置在该热区中，可以更有效地冷却该热区。此外，第二主动部分3中的径向冷却槽8'，8”布置为基本对称的，由此实现了对第二主动部分3的均匀冷却。由于轴向长度XR1和XR2的总和累加地等于根据图1的电机1的轴向长度XR的总和，第一主动部分2和第二主动部分3的散热能够以现有的计算方法并且利用传统电机、例如具有准确地相对置的冷却槽7、8的根据图1的电机1的测量值简单地确定。

同样在根据图2的电机1中，第一主动部分2和第二主动部分3中的各个单叠片6具有相同的轴向宽度b。此外提出，第一主动部分2和第二主动部分3中的单叠片6的数量是相同的。由此实现，即第一主动部分2中的所有单叠片6的轴向宽度b的总和与第二主动部分3中的所有单叠片6的轴向宽度b的总和相同。在各主动部分2、3中的轴向宽度的总和也可以被称为铁芯长度。因此，第一主动部分2和第二主动部分3中的铁芯长度是相同的。换句话说，第一主动部分的总长度LS与第一主动部分2中的径向冷却槽7的所有轴向长度XS的差值对应于第二主动部分3中的全部径向冷却槽8'、8”的总长度LR与轴向长度XR1、XR2之间的差值。这可以由以下公式表示：

(LS-Σ(XS))＝(LR-(ΣXR1)+(ΣXR2))

通过相同的铁芯长度，不仅在第一主动部分2而且第二主动部分3中都电磁优化地利用铁芯的全部长度。此外，通过在第一主动部分2和第二主动部分3中的单叠片6的相同的数量实现了单叠片6的简单的和经济的生产。在第二主动部分中的单叠片6可以由制造第一主动部分2的单叠片6的叠片的剩余部分制成。

图3以截面侧视图示出了第一主动部分2的细节。这里可以看到第一主动部分2的凹槽13。在凹槽13中，可以置入电机1的线圈。凹槽13还具有容纳部14，在容纳部14中置入有楔形件15。楔形件15用于将在此没有示出的线圈保持在凹槽13中。另外，在凹槽13中置入有封闭元件16，其邻接于楔形件15。封闭元件16可以尤其地布置在所谓的泄露槽的区域中。封闭元件16可以由磁性或非磁性材料制造。封闭元件16如下地设计，即，其与第一主动部分2的邻接于气隙11的表面17是齐平的。因此，可以使第一主动部分2的平滑表面成为可能。以这种方式可以额外地减少声发射。

在图1和2中，第一主动部分2或定子未改变。对第二主动部分3或转子的前述措施也可应用于第一主动部分2中的冷却槽装置。原则上也可以使用多于用于第二主动部分中的径向冷却槽8'、8”的两个轴向长度XR1和轴向长度XR2。

Claims

1.一种电机(1)，具有

-第一主动部分(2)以及

-第二主动部分(3)，其中

-所述第一主动部分(2)和所述第二主动部分(3)各自包括多个子叠片组(5)，

-每个所述子叠片组(5)包括多个具有相应的轴向宽度(b)的单叠片(6)，

-所述子叠片组(5)在轴向方向(a)上如下地彼此间隔地布置，即，在两个相邻的所述子叠片组(5)之间分别形成径向冷却槽(7、8′、8″)，

-在所述第一主动部分(2)中的径向冷却槽(7)在所述轴向方向(a)上相对于在所述第二主动部分(3)中的径向冷却槽(8′、8″)交错地布置，并且

-所述第二主动部分(3)包括冷却通道(9)，所述冷却通道在所述轴向方向(a)上延伸并且所述冷却通道汇入到在所述第二主动部分(3)中的相应的所述径向冷却槽(8′、8″)中，其中，在所述第二主动部分(3)的相应的边缘区域(10)处能将冷却剂流引入到所述冷却通道(9)中，其中，将穿过所述冷却通道(9)流动的所述冷却剂流分布到在所述第二主动部分(3)中的相应的所述径向冷却槽(8′、8″)上并且从那里经由在所述第一主动部分(2)和所述第二主动部分(3)之间的气隙(11)到达所述第一主动部分(2)的所述径向冷却槽(7)中，

其特征在于，

在所述第一主动部分(2)中的所有单叠片(6)的轴向宽度(b)的总和相应于所述第二主动部分(3)中的所有单叠片(6)的轴向宽度(b)的总和，以及

-在所述第二主动部分(3)中的所述径向冷却槽(8′、8″)分开成第一冷却槽(8′)和第二冷却槽(8″)，其中，所述第一冷却槽(8′)具有第一轴向长度(XR1)并且所述第二冷却槽(8″)具有与所述第一轴向长度(XR1)相比更大的第二轴向长度(XR2)。

2.根据权利要求1所述的电机(1)，其特征在于，所述第一主动部分(2)中的单叠片(6)的数量基本上对应于所述第二主动部分(3)中的单叠片(6)的数量。

3.根据权利要求1或2所述的电机(1)，其特征在于，所述第一主动部分(2)和所述第二主动部分(3)中的所有单叠片(6)的轴向宽度(b)基本相同。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)，其特征在于，所述第二主动部分(3)中的所述径向冷却槽(8'、8″)的数量大于所述第一主动部分(2)中的所述径向冷却槽(7)的数量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)，其特征在于，所述第二冷却槽(8″)布置在所述第二主动部分(3)的中央区域(12)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)，其特征在于，所述第一主动部分(2)包括多个凹槽(13)，所述凹槽分别在汇入到所述第一主动部分(2)的邻接所述第二主动部分(3)的表面(17)中，并且将与所述表面(17)齐平的封闭元件(16)装入到所述凹槽(13)的每个中。

7.根据权利要求6所述的电机(1)，其特征在于，所述封闭元件(16)由磁性材料或非磁性材料形成。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)，其特征在于，所述电机(1)设计为异步电机并且具有笼型转子或滑环转子。

9.一种风力发电设施，具有根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)。