CN112438011A

CN112438011A - 发电机的定子的结构健康监测

Info

Publication number: CN112438011A
Application number: CN201980046764.5A
Authority: CN
Inventors: M·科贝塔; A·德辛
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-03-02
Also published as: EP3595147A1; EP3799672A1; US20210286007A1; WO2020011838A1

Abstract

一种用于发电机（11）的定子（20），所述定子（20）包括多个节段（45）和定子主体（40），包括：支撑结构（50），由所述支撑结构（50）支撑的叠片堆（60），至少一个焊接部（80）。所述多个节段（45）在相应的周向端部（45a、45b）处连结在一起，所述至少一个焊接部（80）设置在一个相应的周向端部（45a、45b）处。所述定子主体（40）还包括用于监测所述至少一个焊接部（80）的监测装置（100），所述监测装置（100）包括用于测量所述定子主体（40）的动态变形的至少一个传感器（101、102、103）。

Description

发电机的定子的结构健康监测

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的直接驱动发电机中的分段定子的结构健康的监测。

背景技术

发电机（例如安装在风力涡轮机中的发电机）通常包括相对于定子旋转的转子。

定子通常包括框架主体，该框架主体沿着纵向轴线纵向延伸并且包括按照径向方向从定子轭突出的多个齿。在定子中还限定了多个槽，每个槽由两个相邻的齿沿周向界定。每个槽容纳相应的绕组。

叠片沿着定子的轴向方向一个接一个地附接，并且形成定子的叠片堆。EP2736154中提供了上述发电机的示例。

在该技术领域中，还已知的是建造直接驱动发电机，特别是用于风力涡轮机中的大型直接驱动发电机，其包括具有分段结构的定子。定子节段可以被布置成沿着定子的周向方向覆盖例如30、60、90、120度（或任何其它角度）的弧。定子节段沿周向连结在一起以形成定子（例如，定子可包括六个定子节段，每个定子节段覆盖60度的弧）。为了允许节段的连结，每个节段在相应的周向端部包括两个相应的扁条。每个扁条包括多个孔，用于相应的多个螺栓。属于不同的相邻节段的相邻扁条被用螺栓连接在一起，以便将这些相邻节段彼此固定。EP 2806536中提供了分段发电机的示例。

扁条是每个节段的支撑结构的元件，相应的叠片堆被焊接到该支撑结构。每个支撑结构包括两个扁条和多个梁，相应的叠片堆与其焊接。特别地，在每个节段中，相应的叠片堆在相应的周向端部处被焊接到扁条。

叠片堆和扁条之间的焊接部是特别关键的，并且需要对其进行监测以避免严重的麻烦：如果连接叠片钢和扁条的焊接部失效，则节段端部可能变形并且接近转子。如果绕组接触转子，则所造成的损伤会使得可能必须更换发电机。

避免这种麻烦的一种已知解决方案是视觉检查焊接部，然而，就效率和结果的精确性而言，这不是最佳解决方案。例如，对焊接部的视觉检查只有在损伤（例如焊接部中的裂纹）达到可见级别时才可以识别这种损伤。

因此，仍然需要提供一种优化的系统和方法，其用于监测包括多个节段的发电机中的定子的结构健康，特别是通过监测被包括在定子中的焊接部。

发明内容

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于发电机的定子，所述定子包括多个节段和定子主体，包括：

- 支撑结构，

- 由所述支撑结构支撑的叠片堆，

- 至少一个焊接部，

所述多个节段在相应的周向端部处连结在一起，所述至少一个焊接部设置在一个相应的周向端部处，

其中，所述定子主体还包括用于监测所述至少一个焊接部的监测装置，所述监测装置包括用于测量所述定子主体的动态变形的至少一个传感器。

本发明通过监测特定关键点处（即，相邻节段的周向端部之间的接头处）的焊接部，提供了分段发电机中的定子的结构健康的监测。

上述定子可以方便地集成在用于风力涡轮机的发电机中。

特别地，但非排他地，这种发电机可以是直接驱动发电机。

根据本发明的实施例，叠片堆借助于所述至少一个焊接部固定到所述支撑结构。

在本发明的实施例中，对于每个节段，所述支撑结构可以包括在相应的周向端部处的两个扁条，用于将多个节段连结在一起，所述至少一个焊接部设置在所述扁条中的一个或两个处。

根据本发明的实施例，所述支撑结构包括至少多个周向定向的梁，所述至少一个焊接部设置在所述叠片堆和所述第一多个周向定向的梁之间。

根据本发明的具体实施例，所述支撑结构包括至少第一多个周向定向的梁和第二多个轴向定向的梁。

所述至少一个传感器可以附接到扁条中的任一个和/或周向定向的梁中的任一个和/或轴向定向的梁中的任一个和/或叠片堆。

根据本发明的实施例，所述至少一个传感器是加速度计或应变计或麦克风或激光或光学传感器。

根据本发明的实施例，一个节段包括在一个周向端部处的两个传感器，其分别附接到所述叠片堆和一个周向定向的梁。

根据本发明的第二方面，提供了一种监测根据本发明的定子中的至少一个焊接部的方法，所述方法包括以下步骤：

- 从所述至少一个传感器收集信号，

- 从收集自所述至少一个传感器的信号中提取相关特征，所述特征指示结构损伤的存在。

可以可选地预见对收集自至少一个传感器的信号进行滤波。

根据本发明的实施例，相关特征可包括频率或级次谱中的峰值的频率或振幅的变化，尤其是与定子的临界结构频率和/或在设计操作点处发电机的电频率的谐波进行比较。

在其所有方面，本发明通过提供一种用于监测定子中的焊接部（特别是用于将叠片堆固定到相应支撑结构的焊接部）的高效监测系统和方法来实现上述目的。本发明的系统和方法相对于现有技术实现了更好的通用性。

本发明的上述方面和其它方面从下文描述的实施例的示例中是明显的，并且参考实施例的示例进行说明。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示出了根据本发明的风力涡轮机的示意性截面图，该风力涡轮机包括具有定子的发电机。

图2示出了根据本发明的具有定子的发电机的分解图。

图3示出了图2的定子的节段的轴测图。

图4示出了图3的节段的分解图。

图5示出了根据本发明的具有定子的发电机的示意性局部视图，该视图与发电机的旋转轴线正交。

图6示出了沿图5的观察方向VI观察的图5的定子的局部视图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同的图中，相似或相同的元件被提供有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括安装在未示出的基座上的塔架2。机舱3布置在塔架2的顶上。

风力涡轮机1还包括至少风力转子5，其具有毂和至少一个叶片4（在图1的实施例中，风力转子包括三个叶片4，其中仅两个叶片4可见）。风力转子5能够绕旋转轴线Y旋转。

叶片4相对于旋转轴线Y基本径向地延伸。

通常，当没有不同地规定时，术语轴向、径向和周向在下文中是参照旋转轴线Y而言的。

风力涡轮机1包括至少一个发电机11，其包括定子20和转子30。转子30能够相对于定子20绕旋转轴线Y旋转。

风力转子5借助于可旋转的主轴9和/或通过齿轮箱（图1中未示出）与发电机11旋转地联接。示意性示出的轴承组件8被设置成为了将主轴9和转子5保持在适当位置。可旋转主轴9沿着旋转轴线Y延伸。

根据本发明的另一实施例，风力转子5与发电机11旋转地联接（直接驱动发电机）。

图2示出了具有转子30和定子20的发电机11的分解图。

定子20包括圆柱形内芯21，六个节段45附接到该内芯21。每个节段45具有60°的周向角延伸范围。

根据本发明的其它实施例，定子20包括多个节段，节段的数量不同于六个。

定子30具有常规结构，其具有多个周向分布的定子永磁体31（如图5中更好地示出的）。

图3和图4更详细地示出了定子节段45。定子节段45具有常规结构，包括沿周向置于多个槽之间的多个齿。齿按照径向方向突出。定子节段45还包括插入节段45的槽中的线圈绕组48。

齿、槽和绕组48不是本发明的特定目的，因此不再更加详细地描述。

每个节段45包括支撑结构50以及由支撑结构50支撑的叠片堆60。

支撑结构50在两个周向端部45a、45b之间周向地延伸。在每个周向端部45a、45b处，相应的扁条51a、51b被设置成借助于多个栓接连接件49将多个节段45连结在一起。

叠片堆60包括多个叠片，这些叠片沿着定子20的轴向方向一个接一个地附接。

叠片堆60焊接到支撑结构50，如在下面更详细说明的。

当定子节段45借助于相应的扁条51a、51b之间的栓接连接件49连结在一起时，由所有支撑结构50和叠片堆60形成的组件构成定子主体40。

定子主体40包括至少一个焊接部80，以便由监测装置100监测。监测装置100包括至少一个传感器101、102、103，用于测量定子主体40的动态变形。监测装置100的传感器101、102、103中的任一个可以附接到扁条51a、51b和/或叠片堆60中的任一个。

每个定子节段的支撑结构50包括第一多个周向定向的梁55和第二多个轴向定向的梁56。

根据本发明的另一实施例，每个定子节段的支撑结构仅包括轴向定向的梁56。

周向定向的梁55从扁条51a、51b中的一个延伸到另一个，并且轴向定向的梁56平行于扁条51a、51b，从而产生支撑结构的网状图案。

根据本发明的其它实施例，支撑结构50可包括另外多个不同定向的梁和/或一个或多个板，其通过焊接或螺栓或任何结合技术而附接在一起。

监测装置100的传感器101、102、103中的任一个可附接到第一多个沿周向定向的梁55和/或第二多个沿轴向定向的梁56中的任一个。

叠片堆60借助于多个焊接部80固定到支撑结构50。

图5示出了多个焊接部80设置在叠片堆60和扁条51a、51b之间。

根据本发明的可能的实施例，多个焊接部80也可以设置在叠片堆60和第二多个轴向定向的梁56之间。

根据本发明的其它可能的实施例，多个焊接部80还可以设置在或者替代地设置在叠片堆60和第一多个周向定向的梁55和/或轴向定向的梁56之间。

图6示出了用于监测叠片堆60和扁条51a，51b之间的焊接部80的监测装置100。监测装置100包括三个加速度传感器101、102、103，它们分别附接到叠片堆60、一个周向定向的梁55（属于第一定子节段45）和另一个周向定向的梁55（属于第二定子节段45）。所有的加速度传感器101、102、103都靠近待监测的焊接部80放置。

传感器101、102、103中的每一个可附接到扁条51a、51b中的任一个和/或第一多个55中的任一个和/或第二多个轴向定向的梁56中的任一个。

根据本发明的其它实施例，可以使用能够直接或间接测量焊接部80附近的定子主体40的结构的动态变形的任何传感器。

可以方便地放置在焊接部附近的用于测量定子主体40的结构的动态变形的传感器是加速度计和应变计。

根据本发明的其它实施例，激光传感器或光学传感器用于测量焊接部80附近的定子主体40的结构的动态变形。

还可以将麦克风放置在定子内部，用于检测与焊接部80中的损伤（例如裂纹）相关的噪声。

根据本发明的不同实施例，可以使用任何数量的传感器。

根据本发明的监测定子20中的焊接部80的方法包括以下步骤：

- 从传感器101、102、103收集信号，

- 从所述信号中提取相关特征。

所述特征被选择成使得它们能够指示结构损伤的存在。

可选地，在收集信号的步骤之后，可以执行对这样的信号进行滤波的步骤。

例如，可以提取信号的频率或级次谱，其峰值或相关变化可以与定子主体40的临界结构频率比较。

峰值也可以与在设计操作点处的发电机的电频率的谐波比较。

Claims

1.用于发电机（11）的定子（20），所述定子（20）包括多个节段（45）和定子主体（40），包括：

- 支撑结构（50），

- 由所述支撑结构（50）支撑的叠片堆（60），

- 至少一个焊接部（80），

所述多个节段（45）在相应的周向端部（45a、45b）处连结在一起，所述至少一个焊接部（80）设置在一个相应的周向端部（45a、45b）处，

其中，所述定子主体（40）还包括用于监测所述至少一个焊接部（80）的监测装置（100），所述监测装置（100）包括用于测量所述定子主体（40）的动态变形的至少一个传感器（101、102、103）。

2.如权利要求1所述的定子（20），其中，所述叠片堆（60）借助于所述至少一个焊接部（80）固定到所述支撑结构（50）。

3.如权利要求1或2所述的定子（20），其中，对于每个节段（45），所述支撑结构（50）包括在相应的周向端部（45a、45b）处的两个扁条（51a、51b），用于将所述多个节段（45）连结在一起，所述至少一个焊接部（80）设置在所述扁条（51a、51b）中的一个或两个处。

4.如权利要求1至3中任一项所述的定子（20），其中，所述支撑结构（50）包括至少第一多个周向定向的梁（55），所述至少一个焊接部（80）设置在所述叠片堆（60）和所述第一多个周向定向的梁（55）之间。

5.如权利要求4所述的定子（20），其中，所述支撑结构（50）包括第二多个轴向定向的梁（56）。

6.如权利要求3至5中任一项所述的定子（20），其中，所述至少一个传感器（101、102、103）附接到所述扁条（51a、51b）中的任一个和/或所述第一多个周向定向的梁（55）中的任一个和/或所述第二多个轴向定向的梁（56）中的任一个。

7.如权利要求1至6中任一项所述的定子（20），其中，所述至少一个传感器（101、102、103）附接到所述叠片堆（60）。

8.如权利要求6或7所述的定子（20），其中，一个节段（45）包括在一个周向端部（45a）处的两个传感器（101，102），其分别附接到所述叠片堆（60）和一个周向定向的梁（55）。

9.如权利要求1至8中任一项所述的定子（20），其中，所述至少一个传感器（101、102、103）是加速度计或应变计或麦克风或激光或光学传感器。

10.用于风力涡轮机（1）的发电机（11），至少包括如权利要求1至9中任一项所述的定子（20）。

11.风力涡轮机（1），包括至少一个如权利要求10所述的发电机（11）。

12.监测如权利要求1至9中任一项所述的定子（20）中的至少一个焊接部（80）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 从所述至少一个传感器（101、102、103）收集信号，

- 从收集自所述至少一个传感器（101、102、103）的信号中提取相关特征，所述特征指示结构损伤的存在。

13.如权利要求12所述的方法，所述方法包括以下步骤：

- 在收集信号的步骤之后，对收集自所述至少一个传感器（101，102，103）的信号进行滤波。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中，相关特征包括频率或级次谱中的变化。