CN110071584A - 用于电机的定子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电机的定子，电机具有在电机的驱动端部（DE）与非驱动端部（NDE）之间延伸的旋转轴线（A）。定子包括（a）管状定子主体（20、21），其包括至少一个绕组（22）并且具有关于旋转轴线旋转对称的形状，（b）第一支撑元件（24），其用于在距旋转轴线预定的径向距离处支撑定子主体的驱动端部部分，以及（c）第二支撑元件（26），其用于在距旋转轴线预定的径向距离处支撑定子主体的非驱动端部部分，其中，管状定子主体的形状确定为使得：在处于对应于定子的非操作状态的温度时，管状定子主体的中间区段与旋转轴线之间的径向距离同所述预定的径向距离相比相差预定的量。此外，描述了包括上述有利的转子结构的电机和风力涡轮机。

Description

用于电机的定子
技术领域
本发明涉及电机领域，特别地涉及用于电机的定子。本发明还涉及电机和包括电机的风力涡轮机。
背景技术
为了优化电机的性能，有益的是在定子与转子之间具有小的平均气隙。然而，为了避免定子与转子之间的接触，有必要考虑会在生产或操作期间导致气隙减小的所有因素。会在操作期间导致气隙变化的因素之一是定子与转子之间的温度差。
例如，在包括内定子（具有绕组）和外转子（具有永磁体）的直接驱动式风力涡轮发电机中，定子通常将比转子更温热，因为在操作期间，在定子中比在转子中存在更多的耗散损失。相比转子，该温度差将导致定子产生更大的膨胀，这然后将导致更小的气隙。如果仅在端部处支撑定子芯，那么相比两个端部处，在中间区段中将存在更大的膨胀（以及由此存在更小的气隙）。
因此，温热的条件中的标称平均气隙通常被设置得足够大，以将以下情况考虑在内：在温热的条件中，相比端部，芯的中部具有更小的气隙。
因此，会存在对如下方法的需求，所述方法使电机中转子与定子之间的平均气隙最小化或至少减小。
发明内容
可以通过根据独立权利要求所述的主题来满足该需求。从属权利要求描述了本发明的有利的实施例。
根据本发明的第一方面，提供了用于电机的定子，所述电机具有在所述电机的驱动端部与非驱动端部之间延伸的旋转轴线，所述定子包括（a）管状定子主体，所述管状定子主体包括至少一个绕组并且具有关于所述旋转轴线旋转对称的形状，（b）第一支撑元件，所述第一支撑元件用于在距所述旋转轴线预定的径向距离处支撑定子主体的驱动端部部分，以及（c）第二支撑元件，所述第二支撑元件用于在距所述旋转轴线预定的径向距离处支撑定子主体的非驱动端部部分，其中，所述管状定子主体的形状确定为使得：在处于对应于定子的非操作状态的温度时，所述管状定子主体的中间区段与旋转轴线之间的径向距离同所述预定的径向距离相比相差预定的量。
本发明的这个方面基于以下构思：所述定子的形状确定为使得所述定子主体的中间区段在所述定子不操作（即，所述定子没有正在被从其流过的电流加热）时更加远离所述转子。因此，为处于操作温度时的热膨胀留有空间，从而没有气隙变得过小或甚至闭合的风险。
在本文中，术语“管状定子主体的中间区段与旋转轴线之间的径向距离”可以特别地表示从旋转轴线到定子主体在所述定子被布置在电机中时应当面向转子的那个表面的径向距离。换言之，上文所述的径向距离是从如下表面测量得到的，所述表面与在定子侧上界定转子与定子之间的气隙的表面是同一表面。
根据本发明的实施例，在处于对应于定子的操作状态的温度时，管状定子主体的中间区段与旋转轴线之间的径向距离同预定的径向距离相比相差比所述预定的量更小的量。
换言之，在处于操作温度时，管状定子主体的中间区段与旋转轴线之间的径向距离更接近或等于预定的径向距离。
根据本发明的另外的实施例，管状定子主体的截面形状在处于对应于定子的非操作状态的温度时大致是弧形形状，并且在处于对应于定子的操作状态的温度时大致是线性形状。
换言之，定子面向转子的表面在处于非操作温度时是曲形的，并且在处于操作温度时是大致笔直的。
根据本发明的另外的实施例，对应于定子的非操作状态的温度低于40℃，并且对应于定子的操作状态的温度高于60℃。
根据本发明的另外的实施例，所述预定的量在0.1 mm至5 mm的范围中。
这些值适用于现有技术的风力涡轮发电机的定子，其中管状定子主体的直径可以大至10 m。
对其他发电机尺寸而言，所述预定的量应当被相应地调整，以便实现本文中所提出的本发明的有利效果。
根据本发明的第二方面，提供了电机，特别是用于产生电力的发电机，所述电机包括（a）根据第一方面或根据上文所描述的实施例中的任一项的定子，以及（b）布置成相对于所述定子旋转的转子。
本发明的这个方面基于与上文所描述的第一方面相同的构思，并且因此提供了一种电机，所述电机由于在操作期间转子与定子之间的平均气隙减小而具有提高的效率。
根据本发明的第三方面，提供了包括根据第二方面的电机的风力涡轮机。
根据本发明的另外的实施例，所述电机是直接驱动式风力涡轮发电机，其包括内定子和外转子。
要注意的是，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而其他的实施例则已经参考设备类型权利要求予以描述。然而，本领域技术人员将从上文以及以下描述中获知：除非另有说明，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征的任何组合（特别是方法类型权利要求的特征与设备类型权利要求的特征的组合）也是本文本的公开内容的一部分。
从下文将要描述的实施例的示例中会明白上文所限定的方面和本发明的另外的方面，并且上文所限定的方面和本发明的另外的方面将参考实施例的示例得到解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，要明确注意的是，本发明不限于所描述的示例性实施例。
附图说明
图1示出了包括根据本发明的实施例的定子的电机。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的要素被提供有相同的附图标记或被提供有仅在第一个数字内不同的附图标记。
图1示出了包括转子10和定子20的电机，定子20布置在支撑结构30上。该附图关于旋转轴线A旋转对称，旋转轴线A从电机的驱动端部侧（DE侧）延伸到非驱动端部侧（NDE侧）。
更具体地，转子10包括端部部分14和柱形部分。端部部分14在支撑结构30的DE侧处接合轴承32，并且与所述柱形部分基本上形成直角。所述柱形部分包括外表面12和内表面16。多个磁体18被布置在内表面16处以面向定子20。转子10的柱形部分大致平行于旋转轴线A。
所述定子包括管状定子主体20和至少一个绕组22，并且优选地形成为层叠结构并借助于相应的支撑元件24和26在两个端部处紧固到支撑结构。可旋转的毂（未示出）连接到转子端部部分14并且在驱动端部DE处连接到驱动单元（未示出），诸如风力涡轮机叶片转子。所述驱动单元连接到转子10，使得驱动单元的旋转将导致转子10围绕定子20旋转，并且由此在定子20的绕组22中感生出电流。
图1示出了在电机的操作期间的管状定子主体20，其中，管状定子主体20的温度显著高于非操作状态中的温度（通常大约60℃或更高）。如图1中所示出的，管状定子主体20的面向转子10上的磁体18的表面在处于对应于操作状态的温度时是大致笔直的，使得定子主体20与转子磁体18之间的气隙沿轴向方向是大致一致的。换言之，处于定子操作温度时并且尽管在之前所讨论的热膨胀的影响下，支撑结构30与管状定子主体20的（上）表面之间的径向距离在所述管状定子主体的驱动端部侧（支撑元件24处）与非驱动端部侧（支撑元件26处）之间的所有轴向位置处大致相等。
所述大致一致的气隙通过使管状定子主体形成为具有由虚线21指示的形状来实现，所述形状即为弧状形状，在该形状中，所述定子主体的中间区段比转子主体的端部区段（以预定的量）更靠近旋转轴线A（并且因此更加远离转子磁体18）。中间区段处的径向距离的差由箭头R1和R2指示，使得预定的量等于R2-R1。该预定的量（或差）取决于电机的定子的尺寸和电机的定子所使用的材料。在具有高达约10 m的定子直径的现代直接驱动式风力涡轮发电机中，R1与R2之间的差可以在0.1 mm至5 mm的范围中。
与需要将安全裕度添加到气隙以将定子中间区段的热膨胀考虑在内的已知的定子设计相比，根据本发明的定子设计使得有可能以更小的气隙来操作。更小的气隙进而导致更高效的电机。
要注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除为多个。此外，可以组合所描述的与不同的实施例相关联的元件。还要注意的是，权利要求中的附图标记不应当被理解为限制权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种用于电机的定子，所述电机具有旋转轴线（A），所述旋转轴线（A）在所述电机的驱动端部（DE）与非驱动端部（NDE）之间延伸，所述定子包括
管状定子主体（20、21），所述管状定子主体（20、21）包括至少一个绕组（22）并且具有关于所述旋转轴线（A）旋转对称的形状，
第一支撑元件（24），所述第一支撑元件（24）用于在距所述旋转轴线（A）预定的径向距离处支撑所述定子主体（20）的驱动端部部分，以及
第二支撑元件（26），所述第二支撑元件（26）用于在距所述旋转轴线（A）预定的径向距离处支撑所述定子主体（20）的非驱动端部部分，
其中，所述管状定子主体（20）的形状确定为使得：在处于对应于所述定子的非操作状态的温度时，所述管状定子主体（20）的中间区段与所述旋转轴线（A）之间的径向距离同所述预定的径向距离相比相差预定的量。
2.根据前一权利要求所述的定子，其中，在处于对应于所述定子的操作状态的温度时，所述管状定子主体（20）的中间区段与所述旋转轴线（A）之间的径向距离同所述预定的径向距离相比相差比所述预定的量更小的量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，所述管状定子主体的截面形状在处于对应于所述定子的非操作状态的温度时是弧形形状，并且在处于对应于所述定子的操作状态的温度时是线性形状。
4.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，对应于所述定子的非操作状态的温度低于40℃，并且其中，对应于所述定子的操作状态的温度高于60℃。
5.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，所述预定的量在0.1 mm至5 mm的范围中。
6.一种电机，特别是用于产生电力的发电机，所述电机包括
根据前述权利要求中任一项所述的定子（20），以及
布置成相对于所述定子旋转的转子（10）。
7.一种风力涡轮机，包括根据前一权利要求所述的电机。
8.根据前一权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述电机是包括内定子（20）和外转子（10）的直接驱动式风力涡轮发电机。
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