CN114556748A

CN114556748A - 具有分段定子或转子的电机

Info

Publication number: CN114556748A
Application number: CN202080074061.6A
Authority: CN
Inventors: Z·阿扎尔; A·杜克; L·黄; 诸自强
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-05-27
Also published as: US20220393536A1; EP3813230A1; WO2021078542A1; EP4029115A1

Abstract

具有分段定子或转子的电机。描述了一种用于电机（10）的定子（11）或转子（12）的定子分段（100），包括：‑在两个相应周向端部（23a，23b）处的两个端部齿（15a，15b）；‑多个N个中间齿（16），N是大于1的整数；‑在两个端部齿（15a，15b）之间周向分布的多个N+1个槽（17），每对周向相邻的中间齿（16）具有插入其间的槽（17），槽（17）提供在每个端部齿（15a，15b）和相应的周向相邻的中间齿（16）之间；‑至少一个2节距线圈（30），2节距线圈（30）的数量为N‑1并且在第i个槽和第i+2个槽之间延伸，槽从两个周向端部（23a，20 23b）中的一个到另一个逐渐计数，i是在1和N‑1之间的整数。

Description

具有分段定子或转子的电机

技术领域

本发明涉及一种具有带有分段几何形状的定子或转子——即包括周向接合在一起的多个定子分段的定子或转子——的电机。

背景技术

在大型电机中，需要对定子和/或转子结构进行分段，以便于制造和运输。这对于其中提供绕组的定子或转子来说特别需要。整数槽分布绕组和分数槽集中绕组是实现定子或转子结构的两个选项。整数槽分布绕组遭受大的转矩脉动，并且分数槽分布绕组遭受大的转子涡流损耗。为了同时实现小的转矩脉动和转子损耗的目的，具有2槽节距绕组的分数槽机器可能是一种潜在的解决方案。然而，由于重叠绕组结构，传统的2槽节距绕组的定子不可以分段，这阻止了它在大型电机中的应用。

发明内容

本发明的范围是提供一种用于实现上面所描述的优点的新的分段设计，即与现有技术的分段设计相比，具有更小转矩脉动和转子损耗的分段结构。该范围由根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明，提供了一种用于电机的定子或转子的分段，包括在两个周向端部之间关于定子分段的纵向轴线周向延伸的分段主体。分段主体包括：

-分别在两个周向端部处的两个端部齿，每个端部齿具有第一周向延伸，

-多个N个中间齿，其根据垂直于纵向轴线的径向方向从分段主体的轭突出到相应的齿径向端部，多个中间齿周向分布在两个端部齿之间，多个N个中间齿中的每一个具有大于第一周向延伸的第二周向延伸，N是大于1的整数，

-在两个端部齿之间周向分布的多个N+1个槽，每对周向相邻的中间齿具有插入其间的槽，槽提供在每个端部齿和相应的周向相邻的中间齿之间。

该分段进一步包括：

-至少一个2节距线圈，2节距线圈的数量为N-1并且在第i个槽和第i+2个槽之间延伸，所述槽从两个周向端部中的一个到另一个逐渐计数，i是在1和N-1之间的整数。

上面所描述的分段可以有利地集成在电机（发电机或电动机）的分段定子或转子中。例如，上面所描述的分段可以有利地集成在风力涡轮机的发电机的定子中。

根据本发明的上面所描述的分段设计，可以实现磁动势（MMF）的空间分布，其包含非常低的次谐波，这导致机器中极其低的转子涡流损耗。与现有技术相比，本发明的分数槽设计实现了转矩脉动的显著降低。每个分段的端部线圈由周向端部齿物理保护，这使其便于制造、运输和组装。

根据本发明的实施例，每个槽包括与轭相邻的底部部分和与底部部分径向相对的顶部部分，至少一个2节距线圈在第i个槽的顶部部分和第i+2个槽的底部部分之间或者在第i个槽的底部部分和第i+2个槽的顶部部分之间延伸。这准许实现双层绕组，其中与传统的分数槽绕组方案和传统的整数槽绕组方案相比，转矩脉动和转子损耗可以显著降低。

根据本发明的实施例，该分段进一步包括在所述多个N+1个槽的两个周向相邻的槽之间的至少一个1节距线圈，所述至少一个1节距线圈与一个端部齿相邻。特别地，至少一个1节距线圈可以在所述多个N+1个槽的两个周向相邻的槽的两个相应顶部部分或两个相应底部部分之间延伸。在这样的实施例中，根据双层方案，每个槽容纳两个线圈，即一个在顶部径向部分上并且另一个在底部径向部分上。在周向端部处，每个槽可以容纳一个2节距线圈和一个1节距线圈。替代地，在周向端部处，每个槽可以仅容纳一个2节距线圈，在底部部分或在顶部部分处（即在周向端部处）每个槽可以填充一半，而在周向端部处的槽之间的每个槽容纳两个2节距线圈。

本发明的上面限定的方面和另外的方面根据下文中要描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考实施例的示例进行解释。下文中将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于实施例的示例。

附图说明

图1示出了风力涡轮机的示意性截面，该风力涡轮机包括具有根据本发明的定子几何形状的发电机。

图2示出了根据本发明第一实施例的发电机的横截面。

图3示出了根据本发明第二实施例的发电机的横截面。

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包括安装在未描绘的地基上的塔架2。机舱3布置在塔架2的顶部上。风力涡轮机1进一步包括具有两个、三个或更多个叶片4的风力转子5（在图1的透视图中，仅两个叶片4是可见的）。风力转子5围绕旋转轴线Y可旋转。当没有不同地指定时，术语轴向、径向和周向在下文中是参考旋转轴线Y而言的。叶片4相对于旋转轴线Y径向延伸。风力涡轮机1包括集中绕组发电机10。风力转子5借助于可旋转的主轴9与发电机10旋转地耦合。根据本发明的其它可能的实施例（附图中未表示），风力转子5直接与发电机10旋转地耦合（直接驱动发电机配置）。提供示意性描绘的轴承组装件8，以便将转子5保持就位。可旋转主轴9沿着旋转轴线Y延伸。永磁发电机10包括定子11和转子12。转子12在定子11的径向外部，并且相对于定子11关于旋转轴线Y可旋转。根据本发明的其它实施例（未示出），转子在定子的径向内部。根据本发明的其它可能的实施例（附图中未表示），本发明可以应用于具有集中绕组拓扑的任何发电机或电动机，例如齿轮传动系统（geared drivetrain）或者同步或异步类型的电机。

根据本发明的其它可能的实施例（附图中未表示），本发明可以应用于具有分数槽集中绕组的任何发电机或电动机。

图2示出了具有径向内部定子11和径向外部转子12的发电机10的第一实施例的垂直于旋转轴线Y的横截面的示意图。发电机10包括径向插入在定子11和转子12之间的周向气隙19。转子12包括多个周向分布的永磁体33。周向气隙19径向插入在永磁体33和定子11之间。定子11包括多个周向分段100（在图2的实施例中为六个分段100，每个分段100具有关于纵向轴线Y的60°的角度延伸），所述周向分段100周向接合在一起。根据本发明的其它可能的实施例（附图中未表示），本发明和以下描述应用于电机的转子。

每个分段100包括分段主体22，该分段主体22在第一周向端部23a和第二周向端部23b之间关于纵向轴线Y周向延伸。在图2的示例性表示中，每个分段在相应的第一周向端部23a和相应的第二周向23b之间顺时针跨越。分段主体22包括轭13，多个齿15a、15b、16和多个槽17从轭13径向突出。齿15a、15b、16和多个槽17周向分布如下。

第一端部齿15a提供在第一周向端部23a处，并且第二端部齿15b提供在第二周向端部23b处。每个端部齿具有第一周向延伸或厚度t1。多个周向分段100通过将一个分段100的第一端部齿15a与另一个分段100的第二端部齿15b接合在一起而接合在一起。可以使用任何接合的手段。多个N个（在图2的实施例中N=12）中间齿16根据垂直于纵向轴线Y的径向方向从轭13突出到相应的齿径向端部36。多个中间齿16周向分布在两个端部齿15a、15b之间。多个N个中间齿16中的每一个均具有大于第一周向延伸t1的第二周向延伸或厚度t2。根据本发明的可能实施例，t2可以等于t1的两倍。多个N+1个槽17（即图2实施例中的十三个槽）周向分布在两个端部齿15a、15b之间。每对周向相邻的中间齿16具有插入其间的槽17。在每个端部齿15a、15b和相应的周向相邻的中间齿16之间也提供了槽17。分段100进一步包括多个N-1个2节距线圈30（即图2的实施例中的十一个2节距线圈）。每个2节距线圈30缠绕在第i个槽和第i+2个槽之间，i是范围在1和N-1之间的整数（即在图2的实施例中，i=1、2、…、11）。线圈30根据分数槽绕组方案缠绕。考虑到槽是从第一周向端部23a到第二周向端部23b逐渐计数的，第一2节距线圈30缠绕在第一槽和第三槽之间，第二2节距线圈30缠绕在第二槽和第四槽之间，等等，直到缠绕在第十一槽和第十三槽（也是最后一个槽）之间的第十一2节距线圈30。

每个槽17径向延伸，使得它包括与轭13相邻的底部部分17a和与底部部分17a径向相对的顶部部分17b。在图2的实施例中，2节距线圈30在第i个槽的顶部部分和第i+2个槽的底部部分之间延伸。根据本发明的其它实施例（未示出），2节距线圈30在第i个槽的底部部分和第i+2个槽的顶部部分之间延伸。根据本发明的其它实施例（未示出），2节距线圈30在第i个槽的底部部分和第i+2个槽的底部部分之间延伸。根据本发明的其它实施例（未示出），2节距线圈30在第i个槽的顶部部分和第i+2个槽的顶部部分之间延伸。上面所描述的绕组是双层绕组，其中每个槽17可以包括在底部部分17a处的一个线圈和在顶部部分17b处的一个线圈。

每个分段100进一步包括与第一端部齿15a相邻的第一1节距线圈31和与第二端部齿15b相邻的第二1节距线圈31。根据上面考虑的槽计数，第一1节距线圈31缠绕在第一槽和第二槽之间，并且第二槽缠绕在最后一个（第N+1个）槽和前一个倒数第二个（第N个）槽之间。在图2的实施例中，第一1节距线圈31缠绕在第一槽和第二槽的两个相应底部部分17a之间。根据本发明的其它实施例（未示出），第一1节距线圈31缠绕在第一槽和第二槽的两个相应顶部部分17b之间。1节距线圈31可以缠绕在没有2节距线圈30的被留下的槽的部分之间。类似地，在图2的实施例中，第二1节距线圈31缠绕在最后一个（第N+1个）槽和前一个倒数第二个（第N个）槽的两个相应顶部部分17b之间。替代地，第二1节距线圈31可以缠绕在最后一个（第N+1个）槽和前一个倒数第二个（第N个）槽的两个相应底部部分17a之间。在图2的实施例中，十三个槽17中的每一个均包括两个2节距线圈30或者一个2节距线圈30和一个1节距线圈31。即，最先两个槽和最后两个槽包括一个2节距线圈30和一个1节距线圈31。

与其齿数等于中间齿16的总数的传统2槽节距绕组相比，本发明在转子12上具有更大数量的永磁体33。增加的永磁体33的数量i可以是大于1的任何整数，即i可以是2、3……等。

图3示出了发电机10的第二实施例的垂直于旋转轴线Y的横截面的示意图。该第二实施例本身与第一实施例的不同之处在于：定子11包括三个周向分段100，每个分段100具有关于纵向轴线Y的120°的角度延伸；N = 25；以及仅2节距线圈30缠绕在齿上（不存在1节距线圈）。因此，最先两个槽和最后两个槽仅包括一个2节距线圈30，并因此仅填充一半。

根据本发明的其它实施例（未示出），定子11（或转子12）可以包括任何多个分段100，即两个或更多个分段。

根据本发明的其它实施例（未示出），中间齿16的数量N可以是大于2的任何整数，即N可以是2、3……等。在分段100的最小可能版本中（即其中N=2），分段100包括第一端部齿15a、第二端部齿15b、两个中间齿16、三个槽17和在第一和第三（最后一个）槽之间延伸的一个2节距线圈30。可以可选地存在分别在第一和第二槽之间以及在第二和第三槽之间的两个1节距线圈。

Claims

1.一种用于电机（10）的定子（11）或转子（12）的分段（100），包括在两个周向端部（23a，23b）之间关于定子分段（100）的纵向轴线（Y）周向延伸的分段主体（22），所述分段主体（22）包括：

-分别在两个周向端部（23a，23b）处的两个端部齿（15a，15b），每个端部齿具有第一周向延伸（t1），

-多个N个中间齿（16），其根据垂直于纵向轴线（Y）的径向方向从分段主体（22）的轭（13）突出到相应的齿径向端部（36），多个中间齿（16）周向分布在两个端部齿（15a，15b）之间，所述多个N个中间齿（16）中的每一个均具有大于第一周向延伸（t1）的第二周向延伸（t2）， N是大于1的整数，

-在两个端部齿（15a，15b）之间周向分布的多个N+1个槽（17），每对周向相邻的中间齿（16）具有插入其间的槽（17），槽（17）提供在每个端部齿（15a，15b）和相应的周向相邻的中间齿（16）之间，

其中所述分段（100）包括：

-至少一个2节距线圈（30），2节距线圈（30）的数量为N-1并且在第i个槽和第i+2个槽之间延伸，所述槽从两个周向端部（23a，23b）中的一个到另一个逐渐计数，i是在1和N-1之间的整数。

2.如权利要求1所述的分段（100），其中所有的槽（17）包括至少一个2节距线圈（30）。

3.如权利要求1或2所述的分段（100），其中每个槽（17）包括与轭（13）相邻的底部部分（17a）和与底部部分（17a）径向相对的顶部部分（17b），所述至少一个2节距线圈（30）在第i个槽的顶部部分和第i+2个槽的底部部分之间或者在第i个槽的底部部分和第i+2个槽的顶部部分之间延伸。

4.如权利要求1或2所述的分段（100），其中每个槽（17）包括与轭（13）相邻的底部部分（17a）和与底部部分（17a）径向相对的顶部部分（17b），所述至少一个2节距线圈（30）在第i个槽的顶部部分和第i+2个槽的顶部部分之间或者在第i个槽的底部部分和第i+2个槽的底部部分之间延伸。

5.如前述权利要求中任一项所述的分段（100），其中所述分段（100）进一步包括在所述多个N+1个槽（17）的两个周向相邻的槽（17）之间的至少一个1节距线圈（31），所述至少一个1节距线圈（31）与一个端部齿（15a，15b）相邻。

6.如权利要求5所述的分段（100），其中所述至少一个1节距线圈（31）在所述多个N+1个槽（17）的两个周向相邻的槽（17）的两个相应顶部部分或两个相应底部部分之间延伸。

7.如前述权利要求中任一项所述的分段（100），其中所述分段（100）包括双层绕组（30，31），所述双层绕组（30，31）在多个N+1个槽（17）的每一个中包括两个2节距线圈（30）或者一个2节距线圈（30）和一个1节距线圈（31）。

8.如前述权利要求中任一项所述的分段（100），其中所述分段（100）包括分数槽绕组（30，31），所述分数槽绕组（30，31）包括所述2节距线圈（30）并且可选地包括所述1节距线圈（31）。

9.如前述权利要求中任一项所述的分段（100），其中第一周向延伸（t1）是所述第二周向延伸（t2）的一半。

10.一种用于电机（10）的定子（11）或转子（12），包括如前述权利要求中任一项所述的多个分段（100），其中所述多个分段（100）周向接合在一起，以这样的方式使得两个相应的端部齿（15a，15b）接合在一起。

11.一种电机（10），包括如权利要求10所述的定子（11）或转子（12）。

12.一种风力涡轮机（1），包括发电机（10），所述发电机（10）包括如权利要求10所述的定子（11）或转子（12）。