CN109155560A - 用于风能设备的发电机的转子磁极以及风能设备发电机和用于制造转子磁极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于风能设备(100)的发电机(130)的转子磁极。所述转子磁极包括极片(10)，其中所述极片(10)优选叠片地构成。极片(10)具有极身(14)和极端头(12)，以及至少一个铝绕组，尤其由铝扁平带构成的铝绕组，所述铝绕组围绕所述极身(14)设置。极片(10)还具有中间层(18)，所述中间层设置在所述极片(10)和所述铝绕组之间，其中所述中间层(18)通过铝或者由铝制成。此外，本发明涉及一种风能设备发电机以及一种用于制造转子磁极的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种风能设备的发电机的转子磁极以及一种风能设备发电机和一种用于制造转子磁极的方法。
背景技术
风能设备，尤其还有无传动装置的风能设备，根据现有技术是已知的。风能设备通过空气动力学的转子驱动，所述空气动力学的转子直接与发电机的转子连接。通过发电机中的转子的运动，从风中获取的运动能被转化为电能。发电机的转子据此以与空气动力学的转子同样慢的转动速度转动。
为了考虑这种慢的转速，发电机具有相对于额定功率比较大的发电机直径，优选数米的发电机直径，连带大的气隙直径。气隙在转子侧通过具有极片的转子磁极限界。极片()由材料块或者由多个被冲压的极片叠片构成，所述极片叠片叠置并且例如彼此焊接为极片。
根据现有技术，极片(Polpaket)的极片叠片具有极身区域(Polschaftbereich)和极端头区域(Polkopfbereich)，其中极端头区域侧向伸出于极身区域。极身区域也称为磁极铁心而极端头区域也称为极靴。通常，这种极片通过与极端头区域相对置的极身端部设置在转子的磁轭上。
极片的极片叠片的相继设置的极身区域设有绕组，所述绕组也能够称为转子绕组，并且励磁电流被输送给该绕组。由此，借助于极片和相应的绕组与励磁电流一起产生磁激励。这种磁激励引起：具有绕组的极片用作为发电机尤其同步发电机的转子的磁极。
在这种情况下已知的是，将纤维复合材料或玻璃纤维增强的塑料(GFK)或者绝缘纸设置在绕组与极身之间。该纤维复合材料或玻璃纤维增强的塑料具有数毫米例如3mm的厚度。该厚度是必需的，以便在彼此焊接的极片的轮廓中保护绕组免受干扰，如锋利的棱边并且吸收例如因铜线产生的拉力。这种纤维复合材料或玻璃纤维增强的塑料已经验证并且在这期间不仅用于铜绕组而且用于由铝线构成的绕组。
然而，这些纤维复合材料或玻璃纤维增强的塑料的缺点是，所述纤维复合材料或玻璃纤维增强的塑料确保从绕组到线圈芯的热传递差，尤其因为所述纤维复合材料或玻璃纤维增强的塑料是非常厚的。此外，玻璃纤维增强的塑料或纤维复合材料是非常昂贵的，因为它们要耗费地制造。
此外不利的是，铝绕组在发热时与磁极铁心相比沿着发电机的深度的方向更强地伸展。与铜绕组相比，这种更强的长度扩展在软的、良好导电的铝中无法完全经由导体材料的预应力抵消。因此，铝绕组与纤维复合材料或绝缘纸的粘接会因在发热时相对于磁极铁心更强的长度伸展而脱开。由于绕组的脱开，会产生如下危险：绕组在发电机运行时被从其预先限定的位置中挤出。
发明内容
本发明由此基于下述目的：克服现有技术的所提到的问题中的至少一个。尤其是，要提出一种解决方案，所述解决方案减少绕组与磁极铁心脱开的危险。尤其是，也要提出一种解决方案，所述解决方案实现：在绕组中的热生成更好地被导出至极身区域或磁极铁心，并且所述解决方案实现：风能设备发电机的转子与迄今为止在现有技术中已知的转子相比可更有利地制造。至少要相对于迄今为止已知的解决方案提出一种替选的解决方案。
德国专利商标局在针对本申请的优先权申请中检索了下述现有技术：DE 10 2004046 904 A1、DE 10 2011 006 680 A1、DE 10 2011 006 682 A1和EP 1 517 426 B1。
根据本发明，提出一种用于风能设备的发电机的转子磁极。转子磁极具有极片，所述极片叠片地构成。极片包括极身和极端头。至少一个铝绕组围绕极身设置。此外，中间层设置在极身和铝绕组之间，其中中间层用铝制成。该中间层也能够称为卷绕体。
需设有铝的中间层充分地保护铝绕组免受卷绕芯的干扰轮廓影响，所述干扰轮廓例如因磁极叠片的焊接产生。此外，铝的热传递明显好于玻璃纤维增强的塑料或纤维复合材料的热传递，使得在铝绕组中的热生成能够更好地导出至磁极铁心或极身。此外，铝与纤维复合材料相比是明显更有利的。
根据第一实施方式，中间层由铝叠片或者铝挤压型材制成。
这种铝叠片或铝挤压型材可特别容易地制造并且大量地以不同的厚度提供使用并从而可便宜购置。此外，铝能够以简单的方式方法，例如通过激光切割或者冲压，成为对于中间层而言所期望的形状，使得所述中间的层的加工也是非常有利的。
根据另一实施方式，中间层与极片和/或绕组电流隔离，尤其通过漆层或者绝缘纸，优选芳纶纸隔离。虽然也优选磁极的绕组设有漆层并从而相对于极片绝缘，使得防止从绕组到极片中的电流流动。但是尽管如此中间层处的绝缘纸或另一漆层仍实现：即使在绕组本身的绝缘层受损的情况下，也没有电流从绕组流入极片中。
根据另一实施方式，极片的中间层包括至少四个部件。这四个部件对应于两个端面元件以及两个头端元件。所述四个部件围绕极片的极身设置，以便在极片的极身的空闲的侧上优选完全地围绕所述极身。在这种情况下，头端元件设置在极片的端侧上而端面元件设置在极片的通过叠片的层形成的侧上。
由此确保：在极片有任何不规则性时，磁极的在极身的整个区域中的绕组受到保护。
根据另一实施方式，端面元件中的每个端面元件分别具有沿着端面元件伸展的接片，所述接片接合到槽中，所述槽沿着极片的通过叠片的层形成的侧伸展。在极片的端侧之间的连接线上，端面元件相对于极片的侧因此可通过槽-弹簧-连接部可移动地支承。
在此时绕组在运行时发热的情况下，同样被加热的中间层的铝与例如由叠片板制成的极片相比更强地伸展。通过槽-弹簧-连接部，中间层与极片相比能够有利地相对更多地伸展，而不产生张紧。
根据另一实施方式，槽-弹簧或者接片-弹簧-连接部在端面元件与极片之间构成为燕尾弹簧-燕尾槽-连接部。据此，弹簧或接片是燕尾弹簧而槽是燕尾槽。由此，中间层有利地与极片连接，使得防止中间层从极身处抬起，其中此外允许在极片的端部之间的连接线上移动。
根据另一实施方式，槽在极身的相对于磁极的下侧不同的高度上设置在极片的相对置的侧上，所述磁极的下侧即极身底端，所述极身底端可与转子磁轭连接。由此，磁场穿过极片的磁通与在槽可能设置在相同的高度上的情况中相比以有利的方式仅更轻微地受干扰。
此外，设置有槽和弹簧或接片，使得在极片的通过叠片的层形成的一侧上的槽距极端头的距离与在极片的相对置的另一侧上的槽距极片的与极端头相对的极身底端的距离相同。
也就是说，据此在极身的两侧上设置有槽，其中在一侧上的槽距极端头以基本上恒定的距离伸展。在极端头的另一侧上，槽以如下距离与极身底端间隔开，所述距离对应于在所述另一侧上的槽距极端头的距离。由此，对于极端头的这两侧使用相同制成的端面元件。中间层的端面元件的制造耗费因此减少。
根据另一实施方式，端面元件从具有接片或弹簧的侧来看具有凹状的弯曲。由此保证：在与极身连接之后，尤其通过构成为燕尾弹簧的接片推入极片的构成为燕尾槽的槽中，端面元件具有与极片的尽可能大面积的接触。由此，确保特别好的导热能力，使得在铝绕组中产生的热特别好地经由中间层导出到极片中。
根据另一实施方式，端面元件中的每个端面元件分别借助于唯一的螺丝固定在极片上。由此改进了端面元件在极片上的可靠的保持。
根据另一实施方式，中间层具有小于3mm的，优选小于2mm的最大厚度。通过使用小于3mm的或者甚至小于2mm的薄的中间层，相对于纤维复合材料作为中间层确保了高的成本节约，其中由于使用铝作为中间层同时确保了对绕组的充分保护。
根据另一实施方式，头端元件分别具有如下形状，所述形状对应于半圆或半椭圆。于是，端面元件中的一个分别与半圆或半椭圆的端部连接。半圆或者半椭圆的弯曲或直径此外被选择为，避免铝绕组的过强的塑性变形或者抵消该塑性变形。
由于绕组的过强的塑性变形，在弯曲部位中可能产生不利的线路特性，所述线路特性可能导致绕组中的不均匀的电流流动和从而导致在弯曲部位处的加热。由此，绕组在运行时可能达到如下温度，所述温度可能导致绕组的破坏。此外，半圆形的或者椭圆形的头部件允许同样的卷绕过程，因为在卷绕时通过卷绕机施加均匀的牵拉，所述牵拉在从卷绕长侧过渡为卷绕短侧时或者相反从卷绕短侧过渡为卷绕长侧时引起相对更强的拉应力并绕组因此在锋利的角部处可能受损。
根据另一实施方式，端面元件与头端元件的连接区域构成用于确保端面元件与头端元件之间的无棱边的过渡。由此，绕组进一步被保护免受损伤。
根据另一实施方式，端面元件的未与头端元件连接的棱边的棱边形状在与极端头的接触区域中匹配于极端头的形状。由此实现：提高端面元件中的磁通。
此外，本发明包括一种风能设备发电机，尤其风能设备同步发电机，其中风能设备发电机具有定子和转子。转子具有至少一个转子磁极，优选根据上述实施方式之一所述的转子磁极，所述转子磁极具有极片。极片具有极身和至少一个围绕极身卷绕的绕组。此外，风能设备发电机具有在极片和绕组之间的中间层，所述中间层由或者借助于铝制成。
此外，本发明涉及一种用于制造转子磁极，尤其根据上述实施方式之一所述的转子磁极的方法，其中极片通过叠片的相互堆叠产生，并且绕组在极片的极身的区域中围绕极片设置。在设置绕组之前，将具有铝或者由铝构成的中间层在极身的区域中设置到极片上。
附图说明
其它实施方式根据在附图中详细阐述的实施例得出。
图1示出风能设备；
图2示出发电机的示意性的侧视图；
图3示出具有中间层的极片；
图4示出中间层；
图5示出在极片处的中间层的上部；
图6示出极片的燕尾槽的放大视图；
图7示出中间层的端部区域的俯视图；以及
图8a和图8b示出中间层的呈不同形状的头端元件的俯视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设备的示意性视图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的空气动力学的转子106。空气动力学的转子106在风能设备运行时通过风置于旋转运动中并因此也使发电机的转子或电枢转动，所述发电机的转子或电枢直接或间接与空气动力学的转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过相应的转子叶片108的转子叶根108b上的桨距马达改变。
图2示意性地以侧视图示出发电机130。所述发电机具有定子132和相对于其可转动地支承的电动力学的转子134，并且所述发电机通过其定子132经由轴颈136固定在机器承载件138上。定子132具有定子承载件140和定子叠片组142，所述定子叠片组形成发电机130的定子磁极并且经由定子环144固定在定子承载件140上。
电动力学的转子134具有转子磁极146，所述转子磁极经由也能够称为磁轭或者转子磁轭的转子承载件148和轴承150以可围绕转动轴线152转动的方式支承在轴颈136上。定子叠片组142和转子磁极146仅隔开窄的气隙154，所述气隙几毫米厚，尤其小于6mm，但是所述定子叠片组具有数米的直径，尤其大于4m。
定子叠片组142和转子磁极146分别形成环并且共同地也是环形的，使得发电机130是环形发电机。常规地，发电机130的电动力学的转子或电枢134与空气动力学的转子106的转子毂156共同地转动，所述空气动力学的转子的转子叶片158的根部被标明。
图3示出转子磁极146的极片10，其中极片10具有极端头12和极身14。极身14具有极身底端15。极身底端15用于固定转子磁轭148。极片10从极片10的端侧中的一个端侧的视角示出。在极身14中设有两个燕尾槽16。在极身14的区域中，中间层18设置在极身14的一侧上。中间层18由铝制成并且具有接片20，其中接片20具有燕尾弹簧形式并且接合到燕尾槽16中。由此将中间层18保持在极片10的极身14上。
在图3中为了更好的概览仅示出中间层18的一部分。在根据一个实施方式的完整的转子磁极146中，极身14完全地由中间层18围绕。
图4分割成局部地示出了相对于转子磁极146的图3中的中间层18。在此，仅可在细节中看到接片20，所述接片也能够称为弹簧并且具有燕尾弹簧形式。此外可以看到，中间层18具有凹状的弯曲。由此保证：在接片或弹簧20与槽16连接之后，中间层18与极片10的极身14具有最大可能的面接触。
图5在放大视图中示出极片10的在极身14和极端头12之间的过渡部的区域中的局部。在该区域中，中间层18匹配于极端头12在区域22中的形状。由此提高中间层18中的磁通。
图6示出中间层18通过燕尾槽-燕尾弹簧-连接部与极片10连接的放大图。中间层18和极身14之间的间距24例如为0.1mm。由此确保非常好的导热。槽16的深度26或弹簧20的高度26例如为2mm。槽16的宽度28在最窄的部位处例如为2cm。
图7示出四件式的中间层18的三个部件的俯视图，其中在此也示例性地在没有极端头12的情况下示出极身14相对于极端头12的端部区域。据此示出中间层18的两个端面元件30、32以及中间层18的头端元件34。在分别位于头端元件34的端部和端面元件30、32中的一个端面元件的端部之间的连接区域36、38中，中间层18具有无棱边的过渡部。
图8a和图8b示出中间层18的不同地成形的头端元件34。在图8a中头端元件34具有半圆形的形状，所述形状具有半径40。在图8b中头端元件34具有不如说是半椭圆的形状。头端元件34的这两个形状，如在图8a和图8b中所示出的那样，用于之后围绕极身区域14以及围绕中间层18卷绕铝绕组，使得抵消尤其由铝扁平带制造的绕组的变形。
Claims (16)
1.一种用于风能设备(100)的发电机(130)的转子磁极，所述转子磁极包括：极片(10)，其中所述极片(10)具有极身(14)以及极端头(12)，并且所述极片(10)优选叠片地构成；至少一个铝绕组，尤其由铝扁平带或者铝扁平漆包线构成的铝绕组，所述铝绕组围绕所述极身(14)设置；和中间层(18)，所述中间层设置在所述极片(10)和所述铝绕组之间，其中所述中间层(18)借助于铝或者由铝制成。
2.根据权利要求1所述的转子磁极，其中所述中间层(18)由铝叠片或铝挤压型材制成。
3.根据权利要求1或2所述的转子磁极，其中所述中间层(18)与所述极片(10)和/或所述绕组电流隔离，尤其通过漆层或者绝缘纸隔离，所述绝缘纸优选是芳纶纸。
4.根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中磁极的所述中间层(18)包括至少四个部件，即两个端面元件(30，32)和两个头端元件(34)，其中所述中间层(18)的两个所述端面元件(30，32)设置在所述极片(10)的通过叠片的层形成的侧上，而所述中间层(18)的两个头端元件(34)设置在所述极片(10)的端侧上，并且所述四个部件在所述极片(10)的所述极身(14)的空闲的侧上优选完全地围绕所述极身。
5.根据权利要求4所述的转子磁极，其中所述端面元件(30，32)分别具有沿着所述端面元件(30，32)伸展的接片(20)或者沿着所述端面元件(30，32)伸展的弹簧(20)，所述接片或所述弹簧配置用于接合到槽(16)中，所述槽沿着极身(14)的通过所述叠片的层形成的侧伸展，其中所述端面元件(30，32)相对于所述极片(10)的所述侧在所述槽(16)中能够在所述极片(10)的端侧之间的连接线上移动。
6.根据权利要求5所述的转子磁极，其中所述端面元件(30，32)的所述接片或者所述弹簧(20)是燕尾弹簧，而所述极片(10)的所述槽(16)是燕尾槽。
7.根据权利要求5或6所述的转子磁极，其中所述接片(20)或者槽(16)以不同的高度(26)设置在所述极片(10)的相对置的侧上，所述相对置的侧通过所述叠片的层形成。
8.根据权利要求7所述的转子磁极，其中所述槽(16)和弹簧或接片(20)设置为，使得在所述极片(10)的通过所述叠片的层形成的一侧上的槽(16)基本上具有如下距离(24)，所述距离等于在所述极片(10)的同样通过所述叠片的层形成的另外的相对置的侧上的槽(16)距所述极片(10)的与所述极端头(12)相对的极身底端(15)的距离。
9.根据权利要求5至8中至少一项所述的转子磁极，其中所述端面元件(30，32)从具有所述接片(20)的一侧看具有凹状的弯曲部。
10.根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中所述端面元件(30，32)分别借助于唯一的螺丝固定在所述极片(10)上。
11.根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中所述中间层(18)具有小于3mm的，优选小于2mm的最大厚度。
12.根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中所述中间层(18)的所述头端元件(34)分别具有如下形状，所述形状对应于半圆或者半椭圆，并且所述中间层(18)的所述端面元件(30，32)中的一个端面元件分别与所述半圆或所述半椭圆的端部连接，其中所述半圆或所述半椭圆具有如下弯曲或半径(40)，所述半径被选择用来抵消铝线圈的强的塑性变形和/或抵消抗所述绝缘部的受损。
13.根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中所述端面元件(30，32)与所述头端元件(34)的连接区域(36，38)构成用于，形成所述端面元件(30，32)和所述头端元件(34)之间的无棱边的过渡部。
14.根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中所述中间层(18)的棱边形状在与所述极端头(12)的接触区域中匹配于所述极端头(12)的形状。
15.一种风能设备发电机，尤其风能设备(100)的同步发电机，其中所述发电机(130)具有定子(132)和转子，并且所述转子具有至少一个转子磁极，优选根据上述权利要求中任一项所述的转子磁极，其中所述转子磁极具有极片(10)，所述极片具有极身(14)和极端头(12)，并且所述极片(10)优选叠片地构成，并且所述转子磁极具有至少一个铝绕组，尤其由铝扁平线或铝扁平漆包线构成的铝绕组，所述铝绕组围绕所述极身(14)设置，并且中间层(18)设置在所述极片(10)和所述绕组之间，其中所述中间层(18)借助于铝或者由铝制成。
16.一种用于制造根据权利要求1至14中任一项所述的转子磁极的方法，其中极片(10)通过叠片的相互堆叠或者将极片浇铸为材料块来产生，并且绕组围绕所述极片(10)设置，其中在设置所述绕组之前将具有铝的中间层(18)设置在所述极片(10)的极身(14)上。
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