CN115085436A - 发电机加强件环 - Google Patents

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A·埃尔南德斯费雷
T·德罗茨
P·珀佐托雷斯
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Abstract

本发明涉及电机，该电机包括转子(13)、定子(12)以及在转子(13)和定子(12)之间的径向空气间隙(39)，其中，转子和定子中的一个包括在电机的一个侧面上驱动的端板、径向地围绕转子(13)和定子(12)中的另一个的中心支撑件(32)、以及在电机的相对侧面上的加强件环(33)。加强件环包括连接到中心支撑件(32)的外环(34)和连接到外环(34)的内环(35)。外环(34)包括多个能够移除地安装的外部段(44)。本公开还涉及风力涡轮和用于修理电机的部分的方法。

Description

发电机加强件环
技术领域
本公开涉及电机，并且更具体地涉及用于风力涡轮的发电机，并且涉及包括这样的发电机的风力涡轮。本公开还涉及用于接近电机(并且更具体地风力涡轮发电机)的有源部分的方法。
背景技术
诸如马达和发电机的电机大体上包括转子结构和定子结构。大型发电机可为例如永磁体励磁发电机(PMG)。
这样的发电机可例如在风力涡轮中使用。风力涡轮大体上包括带有转子毂和多个叶片的转子。转子在风对叶片的影响下开始旋转。转子轴的旋转直接驱动发电机转子(“直接驱动式”)或者通过使用齿轮箱来驱动。这样的直接驱动式风力涡轮发电机可具有例如6-10米(236-328英寸)的直径、例如2-3米(79-118英寸)的长度，并且可在例如在2-20 rpm(每分钟转数)的范围内的低速下旋转。备选地，永磁体发电机也可联接到齿轮箱，该齿轮箱将发电机的旋转速度增加到例如50至500 rpm之间或甚至更多。
电机包括相对于定子旋转的转子。转子可为内部结构，并且定子可为外部结构。因此在这种情况下定子围绕转子。备选地，构造可与此相反，即转子径向地围绕定子。
在永磁体励磁发电机(PMG)的情况下，永磁体(PM)通常包括在转子中(尽管它们也可备选地布置在定子结构中)，而绕组元件(例如，线圈)通常包括在定子中(尽管它们可备选地布置在转子结构中)。永磁体发电机通常被认为是可靠的，并且需要比其它发电机类型更少的维护。这是为什么在海上风力涡轮中和特别地直接驱动式海上风力涡轮中采用永磁体发电机的重要原因。
多个永磁体可设置在永磁体模块中，所述永磁体模块可作为单件附接到转子。永磁体模块可限定为具有多个永磁体的单元，使得该多个磁体可一起安装和卸载。这样的模块可具有模块基部，其具有适合于容纳或承载可固定到基部的多个永磁体的形状。基部可构造成以这样的方式固定到诸如转子边沿的转子结构，使得多个磁体通过模块基部一起固定到转子边沿。永磁体模块的使用可有利于转子的制造。类似地，定子线圈可在线圈模块中一起成组。线圈模块可固定到诸如定子边沿的发电机结构。
在诸如直接驱动式风力涡轮的较大电机中，电机的一个侧面可由端板封闭。电机的另一个侧面可由加强件凸缘部分地封闭。这样的加强件凸缘部分地径向向内延伸，但大体上没有支撑。加强件凸缘可为分段的，使得凸缘的部段可暂时移除以接近有源部分(永磁体和/或线圈)以进行维护或修理。
发明内容
在本公开的一个方面，提供了一种电机。该电机包括转子、定子和在转子与定子之间的径向空气间隙。转子和定子中的一个包括在发电机的一个侧面上的端板、围绕转子和定子中的另一个的中心支撑件，并且还包括在发电机的相对侧面上的加强件凸缘。加强件凸缘包括连接到中心支撑件的外环和连接到外环的内环。外环包括多个能够移除地安装的外环形部段。
对于根据该方面的电机，可有利于转子和定子的维护和修理。可移除的外部段可被移除以提供到转子和/或定子的接近。内环可提供足够的刚度，使得在这样的操作期间，转子不会变形，并且在定子和转子之间的空气间隙不受到损害。另外，结构的重量可被优化，因为可避免涉及例如加强件环的厚度或宽度的增加以增加刚度的解决方案。
在整个本公开中，“能够移除地安装”应当意味着能够移除地安装的部件或部段以能够在不损坏部件或部段或周围结构的情况下拆装或移除的方式安装。部件或部段可用合适的紧固件如螺栓或螺钉或其它来安装或附接，这些紧固件允许移除紧固件，并因此拆卸或移除部件或部段。
在另一个方面，提供了一种用于修理电机的部分的方法，该电机具有转子、定子和在转子与定子之间的径向空气间隙。该方法包括：移除在发电机的侧面上的加强件环的部段，以在加强件环中创建开口；以及通过加强件环中的开口接近转子和/或定子，其中，加强件环不支撑在加强件环的径向内端部处。加强件环包括外环和内环，并且其中，移除加强件环的部段包括移除外环的部段，而内环不被拆卸。
利用根据该方面的方法，可提供到发电机转子和/或定子的接近以进行修理。在示例中，转子和/或定子的有源部分可被移除和替换。
在又一个方面，提供了一种风力涡轮，该风力涡轮包括：风力涡轮转子，其包括多个叶片；发电机转子，其可操作地连接到风力涡轮转子；和发电机定子，其径向地布置在发电机转子内。发电机转子包括在能够旋转地安装在主框架上的前侧处的径向支撑件、转子边沿和在发电机转子的后侧处的加强件环。加强件环包括外环和内环，并且其中，外环包括多个能够移除地安装的外环部段。
技术方案1. 一种电机，包括：
转子、定子以及在所述转子和所述定子之间的径向空气间隙，
所述转子和定子中的一个包括在所述电机的一个侧面上的端板，并且包括径向地围绕所述转子和定子中的另一个的中心支撑件，并且还包括在所述电机的相对侧面上的加强件环，
其中，所述加强件环在所述加强件环的径向内端部处不被支撑，并且
其中，所述加强件环包括连接到所述中心支撑件的外环和连接到所述外环的内环，
其中，所述外环包括多个能够移除地安装的外环形部段。
技术方案2. 根据技术方案1所述的电机，其中，所述能够移除地安装的外环形部段安装到所述中心支撑件和所述内环。
技术方案3. 根据技术方案1或2所述的电机，其中，所述内环包括多个内环形部段和连结板，其中，所述连结板连接所述内环形部段。
技术方案4. 根据技术方案1至3中的任一项所述的电机，其中，所述外环形部段构造用于安装用于移除所述环形外部段的工具。
技术方案5. 根据技术方案1至4中的任一项所述的电机，其中，所述内环构造用于安装用于移除所述环形外部段的工具。
技术方案6. 根据技术方案1至5中的任一项所述的电机，其中，所述电机是发电机。
技术方案7. 根据技术方案6所述的发电机，其中，所述端板连接到转子轴。
技术方案8. 根据技术方案7所述的发电机，其中，所述转子轴支撑在主框架上。
技术方案9. 根据技术方案6或7所述的发电机，其中，所述转子轴由前轴承和后轴承支撑。
技术方案10. 根据技术方案6所述的发电机，其中，所述定子径向地围绕所述转子，并且其中，所述定子的端板布置在所述风力涡轮转子所布置在的所述转子的侧面上。
技术方案11. 一种包括根据技术方案6至10中的任一项所述的发电机的风力涡轮。
技术方案12. 一种用于修理电机的部分的方法，所述电机具有转子、定子以及在所述转子和所述定子之间的径向空气间隙，所述方法包括：
移除在所述电机的侧面上的加强件环的部段，以在所述加强件环中创建开口，其中，所述加强件环在所述加强件环的径向内端部处不被支撑；
通过所述加强件环中的所述开口接近所述转子和/或所述定子；
其中，所述加强件环包括外环和内环，并且其中，移除所述加强件环的部段包括移除所述外环的部段，而所述内环不被拆卸。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，包括在不拆卸所述内环的同时移除所述外环的多于一个的部段。
技术方案14. 根据技术方案12或13所述的方法，还包括通过所述加强件环中的所述开口移除所述发电机的一个或多个有源部分。
技术方案15. 根据技术方案12至14中任一项所述的方法，其中，移除所述外环的部段包括将工具安装到所述加强件环，以及利用所述工具拆卸所述外环的部段。
附图说明
图1示意性地图示风力涡轮的一个示例的透视图；
图2图示直接驱动式风力涡轮的示例；
图3示意性地图示直接驱动式风力涡轮的发电机的示例；
图4示意性地图示发电机的示例的轴向视图；
图5示意性地图示图4的发电机的示例；
图6和图7示意性地图示图4的发电机的有源部分的修理方法的示例；和
图8示意性地图示根据本公开的电机的另一个示例。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例通过解释本发明、而非限制本发明的方式来提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，旨在本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
图1图示了风力涡轮1的一个示例的透视图。如图所示，风力涡轮1包括从支撑表面3延伸的塔架2、安装在塔架2上的机舱4以及联接到机舱4的转子5。转子5包括可旋转的毂6和至少一个转子叶片7，转子叶片联接到毂6并从毂6向外延伸。例如，在图示示例中，转子5包括三个转子叶片7。然而，在备选实施例中，转子5可包括多于或少于三个转子叶片7。每个转子叶片7可与毂6间隔开，以便于旋转转子5，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂6可能够旋转地联接到定位在机舱4内或形成机舱4的一部分的的发电机10(图2)，以允许产生电能。转子的旋转可直接传递，例如在直接驱动式风力涡轮中，或者通过使用齿轮箱传递到发电机。
图2图示了图1的直接驱动式风力涡轮1的机舱4的一个示例的简化内部视图。如图所示，发电机10可设置在机舱4内或机舱4和转子5之间。一般来说，发电机10可联接到风力涡轮1的转子5，用于从由转子5生成的旋转能量生成电功率。例如，风力涡轮的转子5可包括联接到发电机10的转子9以与之一起旋转的毂6。因此，毂6的旋转可驱动发电机10的转子12。
在图2中，风力涡轮转子5可通过在联接区域或前侧处的转子轴承8能够旋转地安装在支撑框架9上。发电机10可包括转子12和定子13。定子可刚性地安装在支撑框架9上。转子可通过发电机轴承14能够旋转地安装在定子上，使得转子可围绕轴线相对于定子旋转。
发电机10可电联接到转换器。风力涡轮转换器可使发电机的输出电功率适应电力网的要求。在一些示例中，转换器可放置在机舱4内部；然而，在其它示例中，它可放置在风力涡轮的其它位置中。
应当意识到，风力涡轮的转子5和发电机10可由定位在风力涡轮塔架2顶部上的底板或支撑框架9支撑。
机舱4通过偏航系统20能够旋转地联接到塔架2。偏航系统包括偏航轴承(在图2中不可见)，该偏航轴承具有构造成相对于彼此旋转的两个轴承部件。塔架2联接到第一轴承部件，并且机舱4(例如底板或支撑框架9)联接到第二轴承部件。
图3示意性地图示了风力涡轮的发电机的示例。在本公开的一个方面，提供了一种风力涡轮，该风力涡轮包括风力涡轮转子5，该风力涡轮转子5包括多个叶片7(参见图1和图2)。风力涡轮还包括可操作地联接到风力涡轮转子5的发电机转子13和径向地布置在发电机转子13内的发电机定子12。发电机转子13包括在前侧处能够旋转地安装在主框架9上的径向支撑件31、转子边沿32和在发电机转子的后侧处的加强件环33。加强件环33包括外环34和内环35，并且其中，外环34包括多个能够移除地安装的外环部段44(参见例如图4)。
在图3的示例中，内环35在内侧处不被支撑。在该示例中，径向地围绕定子的转子悬臂安装并且仅支撑在发电机的一个侧面上。在图3的示例中，发电机转子可由风力涡轮转子5直接驱动，即不存在布置在转子(轴)和发电机转子之间的齿轮箱。在图3的示例中，转子轴36可直接联接到风力涡轮的毂6，或者转子轴36可为风力涡轮的毂的延伸。
在示例(如例如在图4中可看到的)中，外环可包括10至50个部段，具体地20至40个部段。部段的最佳数目可根据发电机转子的直径来确定。部段的尺寸可选择成使得单个部段可被移除，以致于可接近发电机的转子或定子。特别地，部段可成形和尺寸设计成使有源部分可通过由部段的移除而创建的开口移除。有源部分可为单个线圈、单个永磁体、或者线圈模块或永磁体模块。在示例中，不同的外部段可具有不同的尺寸。然而，为了优化制造和物流，所有外部段可具有相同的尺寸和相同的构造。
在示例中，风力涡轮可包括能够移除地安装的外环部段之间的密封件。
仍然关于图3和图4，在另一个方面，本公开提供了电机10，其包括转子13、定子12以及在转子13和定子12之间的径向空气间隙39。根据该方面，转子和定子中的一个包括在发电机10的一个侧面上的端板31、中心支撑件32和在发电机10的相对侧面上的加强件凸缘33。中心支撑件32径向地在转子和定子中的另一个外部或径向地围绕该另一个。加强件环或加强件凸缘33包括连接到中心支撑件32的外环(“环形凸缘”)34和连接到外环34的内环(“内环形凸缘”)35。外环34包括多个能够移除地安装的外环形部段44。
在图示的示例中，转子径向地围绕定子，并且转子可形成悬伸(overhanging)结构。在其它示例中，定子可径向地围绕转子。并且在这样的情况下，定子可悬臂安装，并且包括一个侧面上的环状端板和在另一个侧面上的加强件环。
端板可为基本上环状的或环形的。
在图示示例中，电机是发电机，并且更具体地是风力涡轮的发电机。在该示例中，转子由风力涡轮转子驱动。在其它示例中，电机可为马达。
环状端板31可在一个侧面(并且在图3的示例中，发电机的前侧，即上游风力涡轮的转子毂所安装在的发电机的侧面)上封闭发电机。端板31可利用合适的紧固件37附接到转子轴的凸缘。转子轴36支撑在主框架9上。在图3的示例中，转子轴36可利用前轴承8和后轴承14能够旋转地安装在主框架9上。在图3的示例中，前轴承8和后轴承14可为单个锥形滚子轴承。
定子可安装在主框架9上。内支撑件22可与主框架9一体地形成。内支撑件22径向地向外延伸。定子边沿可安装到内支撑件22。在该特定示例中，定子边沿形成中心定子结构的一部分。定子边沿可承载定子线圈26。定子线圈组可在线圈模块中成组。
端板31和中心支撑结构32可如图中所示一体地形成。中心支撑结构可形成承载永磁体37的外转子边沿。永磁体37组可在永磁体模块中成组在一起。
在加强件环33的径向内侧，冷却系统的元件可布置成诸如冷却空气管道，该冷却空气管道朝向发电机供应冷空气，并且在空气已经冷却有源部分并由此被加热之后提取空气。另外的空间由连接到发电机的电气布线占用。可提供合适的密封件，以控制发电机内部的大气，并将其与机舱的其余部分隔开。
发电机10还可包括合适的覆盖物，以保护和封闭发电机(图3中未示出)。
在图4中，示出了发电机10的示例的后视图。内支撑件22和定子边沿可在图4中识别出。具有边沿的定子中心结构的部分和发电机的有源部分由加强件环封闭，该加强件环包括外环或外凸缘34和内环或内凸缘35。
如在图4和图5中可看到的，能够移除地安装的外环形部段44、44'可安装到中心支撑件32和内环形凸缘35。能够移除地安装的环形部段44、44'可利用诸如螺栓或螺钉的可移除紧固件安装。中心支撑件或转子边沿32可包括合适的紧固件孔。
内环35包括多个内环形部段49、49'和连结板45，其中连结板45连接内环形部段49、49'。内环可由几个部段组合而成。使用内环形凸缘的分段组合件可改善人体工程学、可制造性和运输。
各个部段49、49'可在两个端部处具有凹入区域。连结板45可布置在这些凹入区域上，并可通过螺栓或类似的紧固件固连到相邻的内环形部段49、49'。
在图3和图4的示例中，内环在径向内端部处不被支撑。即，在发电机转子的非驱动侧处，加强件不通过轴承或其它方式支撑。如可看到的，在发电机的另一个侧面上的端板在其径向内端部处被支撑。在这些示例中，加强件的主要功能包括提供刚度，但允许接近以进行修理和保护发电机的内部免受外部环境的影响。
如在图6中可看到的，其中外环形部段44’中的一个已经被移除，外环形部段44、44'可定位在内环形部段49的外端部处的凹部或凹入区域47的顶部上。尽管在图4至图6中未示出，但外环形部段44、44'之间的空间可被密封，以维持发电机内部的受保护环境。硅树脂可用来密封这样的空间。
在一些示例中，外环形部段44、44'可构造用于安装用于移除环形外部段的工具。类似地，内环可构造用于安装用于移除外环形部段的工具。
机器人或其它工具可用来从支撑件32和内环形凸缘35上分离环形外部段。为此，外环形部段和/或内环或凸缘35可设置有合适的安装孔49或配件，使得机器人或其它工具可附接。一旦附接，机器人或其它工具可移除紧固件、诸如螺钉或螺栓以释放外环形部段，并且拆卸外环。
具体地参照图6和图7，本公开还提供了一种用于修理电机10的一部分的方法100，该电机具有转子13、定子12以及在转子13和定子12之间的径向空气间隙39。该方法包括移除在发电机10的侧面上的加强件环33的部段44'，以在加强件环33中创建开口。加强件环在加强件环的径向内端部处不被支撑。
该方法包括通过加强件环33中的开口接近转子13和/或定子12。加强件环33包括外环34和内环35，并且其中，移除加强件环33的部段44'包括移除外环34的部段，而内环35不被拆卸。因此，在加强件环中创建开口，该开口至少部分地由内环界定。在该示例中，开口由边沿32或中心支撑件、内环的一部分和相邻的外环形部段界定。
在该示例中，电机10是发电机。
在一些示例中，发电机10的一个或多个有源部分可通过加强件环33中的开口移除。定子线圈或线圈模块或永磁体或永磁体模块可通过开口移除。这些有源部分可由新的有源部分替换。
在一些示例中，可在不拆卸内环的同时移除外环的多于一个部段。在示例中，可同时移除多个部段以接近发电机的不同区段。为了不局部地损害刚度，具体地不相邻的部段可被同时移除。
在一些示例中，移除外环的部段可包括将工具安装到加强件环，以及利用该工具将外环的部段从外环的其它部段拆卸。工具可为机器人，或可用于拆卸部段(具体地移除部段的螺栓或其它紧固件)的其它自动化设备。在示例中，安装工具可包括将工具至少部分地安装到内环和/或外环的部段。
用于修理发电机的方法100的示例在图7的框图中图示。在框110，工具可附接到发电机的加强件环。在框120，可使用该工具移除加强件环的外环的部段，而现在拆卸加强件的内环(框130)，即它维持完整。因此，内环可提供足够的刚度和强度，使得发电机转子不变形，并且空气间隙不受损害。
在外环的一个或多个部段已被移除之后，在框140，提供到发电机的内部的接近。在示例中，操作者可够到发电机内部以检查发电机的部分，具体地有源部分。在示例中，可进行小的修理而不需要移除有源部分。
在其它示例中，在框150，一个或多个有源部分可通过由外环部段的移除而创建的开口被移除。然后，在框160，移除的有源部分可由新的部分替换。同样的开口可用来引入新的部分并将其安装到定子或转子。最后，在框170，可再次附接外环的部段。该部段可与内环和转子边沿组装。该部段和相邻部段之间的空间可被密封。一旦修理或检查已经完成，风力涡轮可恢复正常操作。
在示例中，加强件环可覆盖发电机转子的直径的20%和60%之间。即，发电机的直径的内40%至80%不被加强件环覆盖。
在示例中，加强件环的外部段可具有在内部段的径向方向上的宽度的50%和150%之间的宽度(在径向方向上)。具体地，宽度可在内部段的宽度的75%和125%之间。在图4至图6的示例中，外部段具有与内部段大致相同的在径向方向上的宽度，但外部段与内部段部分地重叠。
图8图示了电机的另一个示例。在该示例中，电机是发电机。发电机包括转子13和定子12。定子13径向地围绕转子12，并且形成悬伸结构。悬伸结构支撑在转子的一个侧面上(发电机转子13的下游)，并且不支撑在另一个侧面(发电机转子13的上游侧)上。
转子12可操作地连接到风力涡轮转子(未示出，布置在上游侧上，图8的左侧)。转子12通过一个或多个轴承14支撑在定子13上。转子12可在转子12的边沿上承载永磁体37。定子可包括多个电线圈26。径向空气间隙39布置在转子和定子之间。
在定子12的无支撑侧上，加强件环包括外环34和内环35。在定子12的有支撑侧上，端板22封闭发电机。定子12还包括承载线圈的中心支撑件24。
至于图4的转子，加强件环的外环34包括多个可移除的外部段。当需要接近发电机的内部以检查、修理或替换发电机的有源部分时，可移除外环的部段中的一个或多个。因此，在加强件环中创建开口。内环35保持完整并界定开口，并且可提供所需的刚度以避免部分被拆卸的定子的变形。
尽管本文中仅公开了一些示例，但是其其它备选方案、修改、用途和/或等效物也是可能的。此外，还覆盖了所描述的示例的所有可能组合。因此，本公开的范围不应受限于特定示例，而应仅通过所附权利要求书的公正解读来确定。

Claims (10)

1.一种电机(10)，包括：
转子(13)、定子(12)以及在所述转子(13)和所述定子(12)之间的径向空气间隙(39)，
所述转子(12)和定子(13)中的一个包括在所述电机的一个侧面上的端板(31)，并且包括径向地围绕所述转子和定子中的另一个的中心支撑件(32)，并且还包括在所述电机的相对侧面上的加强件环(33)，
其中，所述加强件环(33)在所述加强件环(33)的径向内端部处不被支撑，并且
其中，所述加强件环(33)包括连接到所述中心支撑件(32)的外环(34)和连接到所述外环(34)的内环(35)，
其中，所述外环(34)包括多个能够移除地安装的外环形部段(44)。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述能够移除地安装的外环形部段(44)安装到所述中心支撑件和所述内环(35)。
3. 根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述内环(35)包括多个内环形部段(49,49')和连结板(45)，其中，所述连结板(45)连接所述内环形部段(49, 49')。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电机，其中，所述外环形部段(44)构造用于安装用于移除所述环形外部段的工具。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电机，其中，所述内环(35)构造用于安装用于移除所述环形外部段(44)的工具。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的电机，其中，所述电机是发电机。
7.根据权利要求6所述的发电机，其中，所述端板(31)连接到转子轴(36)。
8.根据权利要求7所述的发电机，其中，所述转子轴(36)支撑在主框架(9)上。
9.根据权利要求6或7所述的发电机，其中，所述转子轴(36)由前轴承(8)和后轴承(14)支撑。
10.根据权利要求6所述的发电机，其中，所述定子(12)径向地围绕所述转子(13)，并且其中，所述定子的端板(22)布置在所述风力涡轮转子所布置在的所述转子的侧面上。
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