CN113508227A - 关于风力涡轮机中的发电机的冷却的改进 - Google Patents

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Abstract

在本发明的第一方面中，提供了一种用于风力涡轮机的发电机，所述发电机限定了中心发电机轴线。发电机包括定子支撑框架和可移除地附接到定子支撑框架的环境调节模块。环境调节模块包括由模块壳体支撑的热交换器和鼓风机。环境调节模块还包括与热交换器相关联的流体接口连接件，流体接口连接件可释放地连接到与热交换器相关联的流体供应系统，以及与鼓风机相关联的电接口连接件，电接口连接件可释放地连接到与鼓风机相关联的供电系统。

Description

关于风力涡轮机中的发电机的冷却的改进
技术领域
本发明总体上涉及用于风力涡轮机的发电机，并且更具体地涉及用于这种发电机的冷却设备。
背景技术
在现代商业规模的风力涡轮机中，确保发电部件被充分冷却是特别的挑战。例如，由于高电流流过励磁绕组，位于风力涡轮机的机舱中的发电机产生大量的热能。机舱中的空间是有限的，因此确保在机舱中和在发电机组中存在足够的空间用于足够的冷却系统是具有挑战性的。
已知在风力涡轮机的机舱中实现了一个或多个热交换器。这种热交换器可以如在EP3054569A1中位于定子内，或者如WO2017207537A1中被安装到发电机壳体。接近这种发电机热交换器可能在组装的机舱中受到限制，这可能使得对热交换器的维护工作成为问题。在一些热交换器中，设计可能使得整个热交换器必须从发电机被拆卸以便维修单个部件，这进一步使维护工作复杂化。
替代地，热交换器可位于机舱中远离发电机，并且通过管道连接到发电机，以对发电机部件提供冷却。这种管道可能是笨重的，并且必须被设计到整个机舱的架构中，从而损害了用于其它部件的空间。
正是在这个背景下开发了本发明。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供了一种用于风力涡轮机的发电机，所述发电机限定中心发电机轴线。发电机包括定子支撑框架和可移除地附接到定子支撑框架的环境调节模块。环境调节模块包括由模块壳体支撑的热交换器和鼓风机。环境调节模块还包括：与热交换器相关联的流体接口连接件，流体接口连接件能够可释放地连接到与热交换器相关联的流体供应系统；以及与鼓风机相关联的电接口连接件，电接口连接件能够可释放地连接到与鼓风机相关联的供电系统。
环境调节模块还可以包括多个可分离的子组件，该子组件包括至少一个热交换器子组件和鼓风机子组件。子组件中的至少一个可在环境调节模块原位附接到定子支撑框架的情况下从环境调节模块独立地分离。
子组件中的至少一个可以包括用于驱动鼓风机的电动马达，并且电动马达可以在环境调节模块原位附接到定子支撑框架的情况下从环境调节模块独立地分离。电动马达可以形成鼓风机子组件的一部分。
热交换器可以形成模块壳体的外表面的至少一部分。此外，热交换器可以是基本上平面的，并且环境调节模块可以定位在定子支撑框架上，使得热交换器形成模块壳体的相对于中心发电机轴线的径向最内表面的一部分。
模块壳体可以包括检修盖。检修盖可以是可移除的或可打开的，以提供通向模块壳体的内部的维护通道。模块壳体可以形成发电机的外表面的至少一部分。
发电机可以是基本上立方形形状，从而限定六个面。发电机的第一面可位于发电机的驱动端处，第二面可位于发电机的相对的非驱动端处。至少一个环境调节模块可基本上位于发电机的顶点处，基本上在第一面和第二面之间延伸。环境调节模块可基本上位于发电机的每个顶点处，基本上在第一面和第二面之间延伸。
热交换器可以是液气式热交换器，并且鼓风机可以包括风扇。风扇可以是被布置在模块壳体内的离心风扇，使得风扇的旋转轴线基本上平行于中心发电机轴线。
环境调节模块还可以包括温度传感器和与温度传感器相关联的电接口连接件，电接口连接件能够可释放地连接到与温度传感器相关联的供电系统。
在本发明的另一方面，提供了一种冷却用于风力涡轮机的发电机的方法，该发电机具有如上所述的特征。该方法包括操作发电机和操作环境冷却模块的鼓风机，以使空气从发电机的内部穿过热交换器被吸入到模块壳体中，并随后返回到发电机的内部。穿过环境调节模块的气流优选地形成闭环，使得返回到发电机的内部的空气的至少一部分被吸回到模块中。
在本发明的另一方面中，提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、可旋转地联接到塔架的机舱、安装到机舱的旋转轮毂和联接到轮毂的多个风力涡轮机叶片，其中，机舱包括如上所述的发电机。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的非限制性示例，其中：
图1是水平轴风力涡轮机的示意性立体图；
图2是风力涡轮机的机舱的功能部件的示意性立体图；
图3是用于风力涡轮机的发电机和齿轮箱的一部分的示意性立体图；
图4是发电机的示意性横截面图；
图5是发电机的示意性立体分解图；
图6是发电机的平面图定向的示意性分解图；
图7是发电机的环境调节模块的示意性立体图；
图8是移除了检修盖的环境调节模块的示意性立体图，以及
图9是环境调节模块内以及发电机的其它部件之间的空气流动的示意图。
具体实施方式
现在将描述本发明的具体实施方式，其中将详细讨论许多特征，以便提供对权利要求中限定的发明构思的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在没有具体细节的情况下执行，并且在一些情况下，没有详细描述公知的方法、技术和结构，以免不必要地模糊本发明。
为了将本发明的实施方式置于适当的环境中，首先参照图1，其示出了典型的水平轴风力涡轮机(HAWT)1，其中可以实现根据本发明的实施方式的用于风力涡轮机的发电机。尽管该特定图像描绘了岸上风力涡轮机1，但是将理解的是，在离岸风力涡轮机上也将发现等效特征。此外，尽管风力涡轮机被称为“水平轴”，但是本领域技术人员将理解，出于实用目的，轴线通常略微倾斜以防止在强风的情况下转子叶片与风力涡轮机塔架之间的接触。
风力涡轮机1包括塔架2、通过偏航系统6可旋转地联接到塔架2的顶部的机舱4、安装到机舱4的旋转轮毂8和联接到轮毂8的多个风力涡轮机转子叶片10。机舱4和转子叶片10由偏航系统6转向并被引导到风向中。
机舱4容纳风力涡轮机1的许多功能部件，包括发电机、齿轮箱、传动系和转子制动组件，以及用于将风的机械能转换成电能以提供给电网配电系统的转换器设备。参照图2，机舱4可包括轴壳体20、齿轮箱22和发电机24。主轴延伸穿过轴壳体20，并且被支撑在轴承(未示出)上。主轴连接到轮毂8并由该轮毂驱动，并向齿轮箱22提供输入驱动。齿轮箱22经由内部齿轮(未示出)来提高低速主轴的旋转速度，并驱动齿轮箱输出轴。齿轮箱输出轴又驱动发电机24，该发电机将齿轮箱输出轴的旋转转换成电力。然后，由发电机24产生的电力在被供应到适当的消耗装置(例如电网配电系统)之前可以根据需要由其它部件(未示出)转换。不使用齿轮箱22的所谓的“直接驱动”风力涡轮机也是已知的。因此，齿轮箱22可以被认为是可选的。
齿轮箱22和发电机24可在集成单元中被联接在一起。图3至图5中示出了这种集成单元的一端作为具体示例。在这些图中，发电机24被示出为联接到仅以局部视图示出的齿轮箱22。发电机24和齿轮箱22是单独的子组件，它们本身已经联接在一起以形成比较紧凑的单个组件。齿轮箱22的一部分在图的右手侧示出，发电机24在图的左手侧示出。
首先参照齿轮箱22，齿轮箱壳体30为大致圆柱形形式，并且被定向成使得其主旋转轴线在附图的定向上是水平的。齿轮箱壳体30的圆柱形构造取决于在所示实施方式中使用的齿轮箱22的具体类型，该齿轮箱是行星齿轮箱。如本领域技术人员所知，行星齿轮箱包括一系列行星齿轮，这些行星齿轮围绕中心太阳齿轮布置，并且这些行星齿轮共同地被布置在环绕的环形齿轮内。环形齿轮、行星齿轮和太阳齿轮之间的齿数的比确定了齿轮箱的齿轮比。为了清楚起见，由于齿轮箱22不是本发明的主要主题，所以这里将不进一步详细描述齿轮箱22的细节。只要说也可以使用其它齿轮箱构造就足够了，尽管目前设想行星齿轮箱提供了适于风力涡轮机机舱4的范围的优雅解决方案。
现在转到发电机24，齿轮箱22的输出轴与发电机24的转子32接合。这样，齿轮箱输出轴的主轴线限定了发电机24的旋转轴线。
在所示实施方式中的发电机24是IPM(内部永磁体)电机，所述IPM(内部永磁体)电机具有围绕转子32的外部定子34。定子34包括定子芯36。如图4中最佳示出的，定子芯36包括在发电机24的轴向方向上堆叠的多个薄片40。由导电材料例如铜制成的励磁绕组42围绕定子芯36的薄片40缠绕。通过由附接到转子32的磁体引起的波动磁场在定子芯36的励磁绕组42中感应出电流，该转子在使用中通过风驱动转子叶片10而旋转。尽管这里描述的示例涉及内置永磁电机，但是应当理解，在其它示例中，可以使用其它类型的发电机24，例如发电机24可以包括具有电磁体而不是永磁体的转子32。
如经由背景技术所述，流过定子励磁绕组42的高电流由于所述励磁绕组42中的固有电阻而导致释放大量的热能。发电机24的效率与诸如定子芯36及其励磁绕组42的关键发电机部件的温度直接相关。为了向发电机部件提供冷却，至少一个环境调节模块(ECM)44可移除地附接到定子支撑框架38。
现在参照图5和图6中所示的集成齿轮箱22和发电机24的示意性分解图，本示例中的发电机24包括四个环境调节模块44。尽管在该示例中描绘了四个环境调节模块44，但是将理解的是，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，任何数量的一个或多个环境调节模块44可以被并入发电机24中。
发电机24的环境调节模块44中的每一个相对于中心发电机轴线位于定子34的径向外侧。在本文所述的具体示例中，发电机24为基本上立方形形状，从而限定六个面。发电机24的第一面46位于发电机24的驱动端48处，即发电机24的最靠近齿轮箱22的端部处，并且第二面50位于发电机24的相对的非驱动端52处。多个顶点54理论上基本上在发电机24的第一面46和第二面50之间延伸，并且至少一个ECM 44基本上位于发电机24的这种顶点54处。在本示例中，发电机24包括在第一面46和第二面50之间延伸的四个顶点54，并且环境调节模块44基本上位于所述顶点54中的每一个处。应当理解，尽管本示例中的发电机24的顶点54中的每一个包括ECM 44，但是在一些示例中，发电机24的仅一个顶点54可以包括ECM44。
在本示例中，四个环境调节模块44的位置优化了发电机24内的气流，并减小了机舱4中发电机24的体积空间需求。在发电机24中实现环境调节模块44导致了闭环冷却系统，其中空气在发电机24的内部56内循环。这消除了在发电机24外部实现的已知冷却系统的泵送损失和其它低效率。
如图5和图6的分解图所示，环境调节模块44是可从发电机24独立地移除的模块化子组件。ECM 44包括由模块壳体62支撑的热交换器58和鼓风机60。在该具体示例中，鼓风机60包括由电动马达63(图7所示)驱动的离心风扇。每个环境调节模块44另外包括用于容纳在ECM 44中的部件的所有所需的辅助连接。这样，ECM 44可作为完整的单元从发电机24被移除，而不需要复杂且耗时地拆卸发电机24。
环境调节模块44包括多个可分离的子组件，其中子组件中的至少一个可在ECM44原位附接到定子支撑框架38的情况下从ECM 44独立地分离。在该示例中，ECM44包括热交换器子组件64和鼓风机子组件66，如将在下面参照图7和图8更详细地描述的。在本示例中，当ECM 44附接到发电机24时，鼓风机子组件66位于发电机的驱动端48处。然而，将理解的是，在一些示例中，鼓风机子组件66可同样位于ECM 44的相对端处，即，位于发电机24的非驱动端52处或任何其它合适的位置。
每个ECM 44通过机械紧固装置(未示出)附接到定子支撑框架38。紧固装置可例如包括螺母和螺栓组件，以形成经由ECM 44的安装凸缘68将ECM 44固定到定子支撑框架38的压缩接头。值得注意的是，环境调节模块44通过非永久性紧固装置附接到定子支撑框架38，该非永久性紧固装置使得ECM 44能够简单地分离和重新附接，在一些示例中，密封垫圈(未示出)可包括在ECM安装凸缘68和发电机24的相应外表面70之间。在ECM 44被组装到定子支撑框架38的情况下，模块壳体62形成发电机24的外表面70的至少一部分。
图7示出了环境调节模块44的示意性立体图。模块壳体62包括可移除的检修盖72，以提供通向模块壳体62的内部的通道以用于维护。在替代示例中，检修盖72可以通过铰链附接到模块壳体62，并且可以打开以提供通向模块壳体62的内部的通道以用于维护。当附接到发电机24时，ECM 44的基部部分74相对于中心发电机轴线位于检修盖72的径向内侧。热交换器58形成模块壳体62的基部部分74的一部分，如图8中更详细地示出的。在本示例中，当ECM 44原位附接到定子支撑框架38时，可移除的盖部分72限定发电机的外表面70的至少一部分。
与热交换器58相关联的流体接口连接件76从模块壳体62的端板78延伸。当如图3所示附接到发电机24时，流体接口连接件76在基本上平行于中心发电机轴线的方向上从端板78延伸。流体接口连接件76能够可释放地连接到与热交换器58相关联的流体供应系统(未示出)。管道80与流体接口连接件76连通以用于在使用中将冷却流体输送到热交换器58和从热交换器输送冷却流体。
与风扇60相关联的电接口连接件82类似地被设置在模块壳体62的端板78的外部，使得可在不拆卸ECM 44或发电机24的情况下形成电连接。电接口连接件82能够可释放地连接到与风扇60相关联的供电系统(未示出)。在一些示例中，ECM 44还包括温度传感器，并且电接口连接件82因此也包括与温度传感器相关联的连接件。这种电接口连接件82能够可释放地连接到与温度传感器相关联的供电系统(未示出)。提供内部电线(未示出)以将电力从电接口连接件82传递到风扇60和温度传感器(如果存在的话)。
在该示例中，电动马达63形成了鼓风机子组件66的一部分。电动马达63可从模块壳体62的外部接近，并且可在ECM 44原位附接到定子支撑框架38的情况下从ECM 44独立地分离。因此电动马达63可在原位被维修或更换，而不需要对发电机24或ECM 44进行任何拆卸，同时ECM 44的其余部分附接到定子框架38。
在一些示例中，电动马达63是变频驱动马达。在这种示例中，发电机24内的总气流可通过单独控制变频驱动器63而被具体地控制。发电机24内的冷却分布可通过控制每个ECM 44的变频驱动器63而被调整，以反映与引线和电力连接相关联的不同损耗分布。变频驱动器63可基于来自ECM 44和发电机24中的传感器(例如上述温度传感器)的反馈而被控制。
图8示出了ECM 44的示意性立体图，其中移除了检修盖72以显现模块壳体62的内部和包括在ECM 44内的部件。热交换器子组件64包括液气式热交换器58。如上所述，热交换器子组件64包括呈管道80形式的流体连接件。管道80从热交换器58延伸穿过模块壳体62的分隔壁84到达流体接口连接件76。
如图8所示，热交换器58是基本上平面的，并形成模块壳体62的外表面86的一部分。在完全组装的发电机24中，ECM 44附接到定子支撑框架38，使得热交换器58形成模块壳体62的相对于中心发电机轴线的径向最内表面86的一部分。
鼓风机子组件66可从热交换器子组件64分离，并且可在ECM 44的其余部分附接到定子支撑框架38的同时从该热交换器子组件分离。通过在箭头88的方向上移动鼓风机子组件66，鼓风机子组件66可从热交换器子组件64分离。在ECM 44附接到定子框架38的情况下，箭头88的方向基本上平行于中心发电机轴线，并且鼓风机子组件66因此可在发电机24的轴向方向上从热交换器子组件64分离。
风扇60被布置在模块壳体62中，使得当ECM 44附接到定子框架38时，风扇的旋转轴线基本上平行于中心发电机轴线。在使用中，操作鼓风机60以使来自发电机24的内部56的空气穿过热交换器58被吸入到模块壳体62中。空气在经由空气入口锥体94进入鼓风机子组件66之前穿过热交换器58的冷却翅片92之间的空间90被吸入到模块壳体62中。然后离心风扇60通过模块壳体62中的孔96排出已经通过穿过热交换器58而被冷却的冷却空气，以使该冷却空气返回到发电机24的内部56，从而形成闭环冷却系统。
图9是示出了在环境调节模块44中的一个内并穿过发电机24的其它部件的闭环空气流动路径的示意图。空气流动路径由箭头98、100、102示出。如参照图9所述，由发电机24的转子32和定子34加热的暖空气98被鼓风机60吸入到ECM 44的模块壳体62中。空气98穿过热交换器58被吸入到模块壳体62中，空气98借助于该热交换器被冷却。冷却空气100穿过分隔壁84被吸入到鼓风机子组件66中。
冷却空气100通过鼓风机子组件66的离心风扇60从ECM 44被排出到发电机24的内部56。冷却空气100被引导到发电机的相对于中心发电机轴线的径向内部部件。这样，随着离开ECM 44的最冷空气100被引导到转子32的最内表面，该布置导致低的压降。在使用中，转子32的旋转进一步有助于空气流动。转子32的旋转导致一定程度的自泵送，其中内部区域56中的空气100被促使在径向方向Y上向外流动穿过定子34并通过离心力到达环境调节模块44。
在转子32包括永磁体的示例中，特别关注的是确保发电机部件被充分冷却，因为磁体对热特别敏感，并且长期暴露于高温会导致其加速劣化。在图9示意性示出的布置中，离开ECM 44的冷却空气100入射在转子32上，并由此入射在任何永磁体上，同时空气100处于低温，即在向诸如定子34的其它发电机部件提供冷却之前。在经过转子32和附接到转子的任何磁体之后，空气102流动穿过发电机24的定子34，以向定子芯36和相关联的定子绕组42提供冷却。

Claims (16)

1.一种用于风力涡轮机(1)的发电机(24)，所述发电机限定中心发电机轴线，所述发电机(24)包括：
定子支撑框架(38)；以及
环境调节模块(44)，所述环境调节模块以可移除的方式附接到所述定子支撑框架(38)，其中，所述环境调节模块(44)包括：
热交换器(58)和鼓风机(60)，所述热交换器和所述鼓风机由模块壳体(62)支撑；
流体接口连接件(76)，所述流体接口连接件与所述热交换器(58)相关联，所述流体接口连接件(76)能够以可释放的方式连接到与所述热交换器(58)相关联的流体供应系统；以及
电接口连接件(82)，所述电接口连接件与所述鼓风机(60)相关联，所述电接口连接件(82)能够以可释放的方式连接到与所述鼓风机(60)相关联的供电系统。
2.根据权利要求1所述的发电机(24)，其中，所述环境调节模块(44)包括多个能够分离的子组件，所述子组件至少包括：
热交换器子组件(64)；以及
鼓风机子组件(66)，其中，所述子组件中的至少一个能够在所述环境调节模块(44)原位附接到所述定子支撑框架(38)的情况下从所述环境调节模块(44)独立地分离。
3.根据权利要求2所述的发电机(24)，其中，所述子组件中的至少一个包括用于驱动所述鼓风机(60)的电动马达(63)，其中，所述电动马达(63)能够在所述环境调节模块(44)原位附接到所述定子支撑框架(38)的情况下从所述环境调节模块(44)独立地分离。
4.根据权利要求3所述的发电机(24)，其中，所述电动马达(63)形成所述鼓风机子组件(66)的一部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的发电机(24)，其中，所述热交换器(58)形成所述模块壳体(62)的外表面(86)的至少一部分。
6.根据权利要求5所述的发电机(24)，其中，所述热交换器(58)是基本上平面的，并且其中，所述环境调节模块(44)定位在所述定子支撑框架(38)上，使得所述热交换器(58)形成所述模块壳体(62)的相对于所述中心发电机轴线而言的径向最内表面(86)的一部分。
7.根据前述权利要求中任一项所述的发电机(24)，其中，所述模块壳体(62)包括检修盖(72)，其中，所述检修盖(72)是能够移除的或能够打开的，以提供通向所述模块壳体(62)的内部的维护通道。
8.根据前述权利要求中任一项所述的发电机(24)，其中，所述模块壳体(62)形成所述发电机(24)的外表面(70)的至少一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的发电机(24)，其中，所述发电机(24)是基本上立方形形状，从而限定六个面，其中，所述发电机(24)的第一面(46)位于所述发电机(24)的驱动端(48)处，并且其中，第二面(50)位于所述发电机(24)的相对的非驱动端(52)处，并且其中，至少一个环境调节模块(44)基本上位于所述发电机(24)的顶点(54)处，基本上在所述第一面(46)与所述第二面(50)之间延伸。
10.根据权利要求9所述的发电机(24)，其中，所述环境调节模块(44)基本上位于所述发电机(24)的每个顶点(54)处，基本上在所述第一面(46)与所述第二面(50)之间延伸。
11.根据前述权利要求中任一项所述的发电机(24)，其中，所述热交换器(58)是液气式热交换器(58)，并且所述鼓风机(60)包括风扇。
12.根据权利要求11所述的发电机(24)，其中，所述风扇(60)是被布置在所述模块壳体(62)内的离心风扇，使得所述风扇(60)的旋转轴线基本上平行于所述中心发电机轴线。
13.根据前述权利要求中任一项所述的发电机(24)，其中，所述环境调节模块(44)还包括温度传感器和与所述温度传感器相关联的电接口连接件(82)，所述电接口连接件(82)能够以可释放的方式连接到与所述温度传感器相关联的供电系统。
14.一种冷却用于风力涡轮机(1)的发电机(24)的方法，所述发电机(24)具有根据前述权利要求中任一项所述的特征，所述方法包括：
操作所述发电机(24)；以及
操作环境调节模块(44)的所述鼓风机(60)，以使来自所述发电机(24)的内部(56)的空气(98、102)穿过所述热交换器(58)被吸入到所述模块壳体(62)中，并且随后返回到所述发电机(24)的所述内部(56)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，穿过所述环境调节模块(44)的气流形成闭环，使得返回到所述发电机(24)的所述内部(56)的所述空气(100)的至少一部分被吸回到所述模块(44)中。
16.一种风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机包括风力涡轮机塔架(2)、以可旋转的方式联接到所述塔架(2)的机舱(4)、安装到所述机舱(4)的旋转轮毂(8)和联接到所述轮毂的多个风力涡轮机叶片(10)，其中，所述机舱(4)包括根据权利要求1至13中任一项所述的发电机(24)。
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