CN110247488B

CN110247488B - 发电机的端部绕组的冷却

Info

Publication number: CN110247488B
Application number: CN201910175827.9A
Authority: CN
Inventors: P.H.索伦森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: EP3537571B1; DK3537571T3; US11043867B2; EP3537571A1; US20190280546A1; CN110247488A

Abstract

本发明涉及发电机的端部绕组的冷却。一种发电机（10）包括定子（20），所述定子（20）具有在第一轴向端部（22）和第二轴向端部（23）之间轴向延伸的定子主体（21），所述定子主体（21）包括多个槽（30），所述多个槽（30）围绕所述定子主体（21）的纵向轴线（Y）周向分布。所述定子（20）包括收容在所述多个槽（30）中的多个绕组（17）和多个端部绕组（18），每个端部绕组具有弯曲的形状，并且连接处于所述多个槽（30）中的两个槽（30）中的所述绕组（17）。所述发电机（10）还包括处于所述多个端部绕组（18）内部和/或外部的至少一个空气引导件（51、52）。

Description

发电机的端部绕组的冷却

技术领域

本发明涉及一种发电机，其具有用于冷却定子的端部绕组的设置。

本发明可以特别地、但不排他地应用于风力涡轮机的发电机。

背景技术

诸如安装在风力涡轮机中的发电机之类的发电机或电动机通常包括相对于定子旋转的转子。

在安装在风力涡轮机转子中的永磁发电机中，该转子包括多个永磁体。

定子通常包括：具有定子槽的主体，该定子槽沿定子的轴向方向延伸；以及电路，其包括收容在该槽中的多个铜线圈。绕组包括从定子主体的轴向端部轴向突出的端部绕组。每个端部绕组通常成形为在空气中连接两个相应定子槽中的线的铜线弯曲部。

上述发电机或电动机的绕组可以被分类为集中式或分布式。

在集中式绕组方案中，匝串联地缠绕在一起以形成一个多匝线圈，该多匝线圈被收容在两个相邻的槽中。在分布式绕组方案中，所有绕组匝布置在若干线圈中，并且每个线圈被收容在彼此不相邻的不同槽中。

取决于槽的数量，上述发电机或电动机的绕组可以被分类为整数槽或分数槽。如果每相每极的槽的数量是整数，则绕组被称为整数槽绕组。如果每相每极的槽的数量不是整数，则绕组被称为分数槽绕组。

上述两种类型的分类的组合是可能的，例如整数槽集中式绕组（ISCW）和分数槽集中式绕组（FSCW）二者都是已知的。

通常，在所有上述类型的发电机中，端部绕组是线圈绕组的达到最高温度的部分。因此，必须提供对端部绕组的适当冷却。

到目前为止，该冷却问题通过在发电机的定子和转子之间提供空气流来解决，该空气流也到达端部绕组。这种解决方案尚未被优化，原因在于尚未最佳地控制这种空气流的速度。

发明内容

本发明的范围是为发电机的端部绕组提供优化或改善的冷却，其可用于控制到达端部绕组的空气流的速度，从而优化或改善从端部绕组移除的热量。

该范围通过根据本发明的发电机和风力涡轮机来满足。本发明的有利实施例通过优选实施方案来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种发电机，其包括定子，所述定子具有在第一轴向端部和第二轴向端部之间轴向延伸的定子主体，所述定子主体包括多个槽，所述多个槽围绕所述定子主体的纵向轴线周向分布，

所述定子包括收容在所述多个槽中的多个绕组和多个端部绕组，每个端部绕组具有弯曲的形状，并且连接处于所述多个槽中的两个槽中的所述绕组，

其中，所述发电机还包括处于所述多个端部绕组内部和/或外部的至少一个空气引导件。

在本发明的上下文中，“内部”和“外部”是参考端部绕组的弯曲形状。换句话说，端部绕组的“内部”是在端部绕组与定子之间所包括的空气的体积，而端部绕组的“外部”是从端部绕组向外延伸的空气的体积。“向外”意指特别是沿发电机的转子的旋转轴线从定子定向的方向。

有利地，添加空气引导件会改善或优化端部绕组的冷却。可以使用两种类型的空气引导件来强制线圈端部绕组的内部和外部的空气速度加速。可以改变引导件的尺寸，以实现用于冷却端部绕组的最佳空气速度。

根据本发明的实施例，至少一个内部空气引导件被设置在至少一个相应的端部绕组的一个内侧上，所述至少一个内部空气引导件从所述定子的所述定子主体突出，内部距离被设置在所述至少一个内部空气引导件与所述相应的端部绕组之间。特别地，所述至少一个内部空气引导件可以沿所述纵向轴线从所述定子的所述定子主体突出。

可以计算所述内部距离，以便在内部空气引导件和端部绕组之间的空气流与压降之间达到最佳平衡。为使冷却效果最大化而必须尽可能高的空气速度与内部空气引导件和端部绕组之间的内部距离成反比，但压降也是如此。

根据本发明的一个实施例，为每个端部绕组设置一个相应的内部空气引导件。特别地，所述端部绕组可以是集中式端部绕组。

根据本发明的实施例，所述至少一个外部空气引导件被设置在所述端部绕组的一个外侧上，外部距离被设置在所述至少一个外部空气引导件与所述端部绕组之间。

与内部距离类似，也可以计算外部距离，以便在外部空气引导件和端部绕组之间的空气流与压降之间达到最佳平衡。

根据本发明的实施例，所述至少一个外部空气引导件被固定到发电机的转子，特别是固定到转子的制动盘。

根据本发明的其他实施例，所述至少一个外部空气引导件被固定到所述发电机的定子。

在所述定子的第一轴向端部或第二轴向端部中的每一个处，可以为在该轴向端部处从所述定子突出的所有的端部绕组设置单一的外部空气引导件。

本发明可以有效地适用于风力涡轮机的发电机。

通过降低端部绕组的温度，本发明允许增加风力涡轮机的年发电量（AEP）。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的发电机的风力涡轮机的示意性剖面图。

图2示出了根据本发明的发电机的周向剖面图。

图3示出了根据本发明的发电机的第一实施例的局部剖面图。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2，其被安装在未描绘出的基座上。机舱3被布置在塔架2的顶部上。

风力涡轮机1还包括具有两个、三个或更多个叶片4（在图1的视角中仅两个叶片4是可见的）的风力转子5。风力转子5可围绕旋转轴线Y旋转。当未不同地指定时，下文中的术语“轴向”、“径向”以及“周向”是参考旋转轴线Y作出。

叶片4相对于旋转轴线Y径向延伸。

风力涡轮机1包括永磁发电机10。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），本发明可以应用于其他类型的电机设计，例如感应电机、同步电机等。

本发明可以应用于整数槽发电机和分数槽发电机二者。

风力转子5借助于可旋转的主轴9与永磁发电机10旋转地耦接。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），风力转子5直接与永磁发电机10旋转地耦接（直接驱动发电机构造）。

设置了示意性地描绘的轴承组件8，以便将转子5保持就位。可旋转的主轴9沿旋转轴线Y延伸。永磁发电机10包括定子20和转子40。转子40可相对于定子11绕旋转轴线Y旋转。

转子40相对于定子20处于径向外部，并且可绕旋转轴线Y旋转。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），转子40相对于定子20处于径向内部并且可绕旋转轴线Y旋转。

周向气隙19被设置在定子20和转子40之间。

图2示出了定子20的周向视图。图2示出了根据从转子40朝向旋转轴线Y定向的径向方向的定子20。

定子20包括定子主体21，其具有多个径向的定子齿15和多个中间槽30，每个槽30在两个相应的齿15之间周向延伸。

定子20具有在第一轴向端部22和第二轴向端部23之间轴向延伸的定子主体21。

定子20包括收容在所述多个槽30中的多个绕组和多个端部绕组18，每个端部绕组18具有弯曲的形状并且连接所述多个槽30中的两个槽30中的绕组。

在图2中所呈现的本发明的实施例中，呈现了集中式绕组方案，其中每个端部绕组18连接处于两个相应的周向相邻的槽30中的两个集中式绕组的轴向端部。

在本发明的其他实施例（未呈现）中，可以使用分布式绕组方案。

根据本发明，发电机10还包括处于所述多个端部绕组18内部和/或外部的至少一个空气引导件51、52。

在图2中所呈现的本发明的实施例中，示出了处于所述多个端部绕组18内部和外部的空气引导件51、52。特别地，在该实施例中，发电机10包括：处于端部绕组18内部的多个内部空气引导件51；以及处于端部绕组18外部的两个外部空气引导件52，这两个外部空气引导件52分别处于第一轴向端部22处和第二轴向端部23处。

在本发明的其他实施例（未呈现）中，可仅存在内部空气引导件51或仅存在外部空气引导件52。

每个内部空气引导件51都从定子20的定子主体21突出。特别地，每个内部空气引导件51都可以从相应的齿15突出。特别地，每个内部空气引导件51都可以沿纵向轴线Y突出。

在每个内部空气引导件51和相应的端部绕组18之间设置有内部距离d1。

可以计算内部距离d1，以便在内部空气引导件和端部绕组之间的空气流与压降之间达到最佳平衡。为使冷却效果最大化而必须尽可能高的空气速度与内部距离d1成反比。因此，期望内部距离d1的值低。然而，压降也与内部距离d1成反比，并且因此，必须在从端部绕组移除足够水平的热与压降的不可接受的增加之间达到最佳折衷。

图3示出了定子20的第一轴向端部22和转子40的局部剖面图。

在第一轴向端部22处，外部空气引导件52被设置在端部绕组18的一个外侧上。类似的外部空气引导件52也可以被设置在第二轴向端部23（图3中未呈现）处。在至少一个外部空气引导件52和端部绕组18之间设置有外部距离d2。

类似于内部距离d1，可以计算外部距离d2，以便在外部空气引导件和端部绕组之间的空气流与压降之间达到最佳平衡。为使冷却效果最大化而必须尽可能高的空气速度也与外部距离d2成反比。因此，也期望外部距离d2的值低。必须达到与压降的最佳折衷。

根据图3的实施例，外部空气引导件52被固定到发电机10的转子40。特别地，根据本发明的可能实施例（图2），外部空气引导件52被固定到制动盘41。

在本发明的其他实施例（未呈现）中，外部空气引导件52被固定到发电机10的定子20。

Claims

1.一种发电机（10），其包括定子（20），所述定子（20）具有在第一轴向端部（22）和第二轴向端部（23）之间轴向延伸的定子主体（21），所述定子主体（21）包括多个槽（30），所述多个槽（30）围绕所述定子主体（21）的纵向轴线（Y）周向分布，

所述定子（20）包括收容在所述多个槽（30）中的多个绕组和多个端部绕组（18），每个端部绕组具有弯曲的形状，并且连接处于所述多个槽（30）中的两个槽（30）中的所述绕组，以及

在所述多个端部绕组（18）中的至少一个端部绕组和所述定子之间处于所述至少一个端部绕组的内部处的至少一个内部空气引导件（51），

其中，所述至少一个内部空气引导件（51）沿着所述纵向轴线从所述定子（20）的所述定子主体（21）突出，并且

其中，内部距离（d1）设置在所述至少一个内部空气引导件（51）沿所述纵向轴线的方向的远端与相应的端部绕组（18）之间，所述内部距离允许在所述至少一个内部空气引导件与相应的端部绕组之间的空气流。

2.根据权利要求1所述的发电机（10），进一步包括设置在所述多个端部绕组（18）的外部的至少一个外部空气引导件（52）。

3.根据权利要求1或2所述的发电机（10），其特征在于，所述空气流提供冷却。

4.根据权利要求1或2所述的发电机（10），其特征在于，为所述多个端部绕组（18）中的每个相应的端部绕组设置一个相应的内部空气引导件（51）。

5.根据权利要求2所述的发电机（10），其特征在于，外部距离（d2）设置在所述至少一个外部空气引导件（52）与所述端部绕组（18）之间。

6.根据权利要求5所述的发电机（10），其特征在于，所述至少一个外部空气引导件（52）固定到所述发电机（10）的转子（40）。

7.根据权利要求5所述的发电机（10），其特征在于，所述至少一个外部空气引导件（52）固定到所述发电机（10）的所述定子（20）。

8.根据权利要求6或7所述的发电机（10），其特征在于，在所述第一轴向端部（22）处或在所述第二轴向端部（23）处为所有所述端部绕组（18）设置一个外部空气引导件（52）。

9.根据权利要求1或2所述的发电机（10），其特征在于，所述绕组是集中式绕组，每个端部绕组（18）连接处于两个周向相邻的槽（30）中的所述绕组。

10.一种风力涡轮机（1），其包括根据权利要求1至9中任一项所述的发电机（10）。