CN115514124A - 用于电机的转子 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的转子，所述电机尤其是直驱式风力涡轮机（19）的发电机，该转子包括圆柱形转子壳体（2），该圆柱形转子壳体具有布置在内壳体表面（3）处的若干个磁体器件（4），其中，每个磁体器件（4）包括布置在平行于旋转轴线的排（6）中的若干个磁体元件（5），其中，内壳体表面（3）设置有平行于旋转轴线延伸的至少一个凹槽状凹部（7），其中，每个凹部（7）被排（6）中的磁体元件（5）覆盖，并且其中，至少一些排（6）中的至少两个磁体元件（5）布置有沿周向方向延伸的至少一个间隙（14），该间隙（14）与相应的凹部（7）连通。

Description

用于电机的转子

技术领域

本发明涉及一种用于电机（尤其是直驱式风力涡轮机的发电机）的转子，该转子包括圆柱形转子壳体，该圆柱形转子壳体具有布置在内壳体表面（inner housing surface）处的若干个磁体器件。

背景技术

如通常所知的，风力涡轮机包括塔架，其中机舱布置在塔架的顶部处。风力涡轮机进一步包括附接到机舱的毂的若干个涡轮叶片。这些叶片与风相互作用，从而使毂旋转。发电机联接到毂，该发电机由旋转的毂驱动。毂联接到发电机的转子，转子以直驱式布置围绕定子旋转。转子包括圆柱形转子壳体。在内壳体表面处，若干个磁体器件以均匀分布的方式沿周向方向布置，其中这些磁体器件通常布置成平行于转子的旋转轴线延伸的单独行。当转子围绕定子旋转时，转子的磁体器件与相应的定子绕组相互作用，由此在定子绕组中感应出电流，如通常所知的。

另一方面，在磁体器件或（respectively）转子壳体中感应出涡流，这些涡流引起磁体器件的温度上升，特别是在集中绕组发电机中。温度上升可能对磁体器件的磁性质产生负面影响，并由此对电机或发电机的性能产生负面影响。

为了抵消这种不希望的温度问题，电机或发电机（尤其是用于直驱式涡轮机）使用强制空气冷却系统。气流穿过转子和定子之间的气隙，由此沿着磁体元件流动。虽然在转子的轴向端（气流从这些轴向端处进入转子和定子之间的间隙）处给出了一定的冷却，但随着空气在朝向中心区域流动时温度的上升，冷却效果朝向中心区域而降低。因此，这种强制空气冷却系统并未提供足够的冷却，因为磁体器件在中间或中心区域中仍经历比在轴向侧处更高的温度。因此，每个磁体器件显示出温度梯度，而没有给出均匀的温度分布。

发明内容

因此，本发明的目的是提供改进的转子以及对磁体器件的改进的冷却。

为了设法解决该目的，本发明提出了一种用于电机、尤其是直驱式风力涡轮机的发电机的转子，该转子包括圆柱形转子壳体，该圆柱形转子壳体具有布置在内壳体表面处的若干个磁体器件，其特征在于，每个磁体器件包括布置在平行于旋转轴线的排中的若干个磁体元件，其中，内壳体表面设置有平行于旋转轴线延伸的至少一个凹槽状凹部，其中，每个凹部被排中的磁体元件覆盖，并且其中，至少一些排中的至少两个磁体元件布置有沿周向方向延伸的至少一个间隙，该间隙与相应的凹部连通。

转子壳体设计有若干个凹槽状凹部，这些凹槽状凹部沿转子壳体的纵向方向或平行于旋转轴线延伸。这些凹槽状凹部优选地围绕转子壳体的内圆周均匀地分布。也沿壳体纵向方向或平行于旋转轴线延伸的单独的磁体器件各自通过一定数量的单独的磁体元件来实现，这些磁体元件布置成一行从而构建相应排。每排的磁体元件布置成使得沿径向方向看，它们覆盖凹槽状凹部，使得在每个单独的排下方提供通过相应的凹部来实现的单独的气室或通道。此外，在至少一些排内的至少两个磁体元件布置成在它们之间具有小间隙，同时每排的所有其他磁体元件彼此直接邻接，使得相应排是封闭的，除了沿周向方向延伸的间隙之外。该间隙与这排下方的凹部连通。由于间隙朝向内侧处的转子和定子之间的气隙以及外侧处的凹部开放，因此从定子侧的气隙通过狭缝进入凹槽或反之亦然的气流是可能的。该气流允许空气在凹部中发生一定的气流或对流，因此可经历恒定的变化，使得可通过凹部实现一定的气流，该凹部至少在一个点处通向周围环境。因此，冷却空气可从转子和定子之间的气隙进入到磁体元件之间的间隙中并通过该间隙进入凹部中，流过凹部并在其开口处离开凹部到周围环境。当然气流也可反之亦然，其中冷却空气首先通过开口进入到凹部中，流过凹部并通过磁体元件之间的间隙离开凹部进入转子和定子之间的间隙中。

因此，有创造性的布置在磁体元件的底侧（即，磁体元件布置在转子壳体处的一侧，在转子壳体处感应出涡流）处提供了用于对磁体元件进行主动气流冷却的器件。由于恒定的气流所致，因此不仅在磁体元件的面向定子的开放侧处给出了适当的冷却，而且在相对侧或布置在转子壳体处或面向转子壳体的底侧处给出了适当的冷却。进一步地，由于实现了通过凹部的一定气流，因此也可能在其中在现有技术布置的情况下不可能冷却的区域中提供主动冷却，尤其是在转子的中间或中心区域中。因此，通过凹部的强制对流允许增加转子壳体或磁体元件和冷却空气之间的热传递，从而导致缓解或防止温度热点或沿着每个磁体元件排的不均匀的温度分布。

如所提到的，每个凹部在至少一个点处通向周围环境，使得凹部的至少一个开口通向周围环境。该开口可以是径向开口，使得凹部朝向定子开放。这可通过磁体元件的适当布置来实现，这些磁体元件不覆盖完整的凹部，而是在凹部的至少一个轴向端处留下一定的小开口或狭缝。当然，可提供在凹部的两个轴向端处的两个相应的径向开口，使得冷却空气可在两个纵向端处进入或离开凹部。在优选实施例中，作为这些开口的替代方案，本发明提出，每个凹部在一个或两个纵向端处通向周围环境。因此，凹槽状凹部设置有一个或两个轴向开口，这些轴向开口沿轴向方向在一个或两个相对的轴向凹部端处开放，使得空气从转子壳体或磁体元件的布置的轴向侧进入或离开凹部。这种布置是有利的，因为冷却空气优选地从两个轴向侧流入转子和定子之间的气隙中，使得空气从两个轴向侧并行进入到相应的凹部中是完全可能的。在穿过凹部之后，空气通过相应排的至少这对磁体元件之间的至少间隙或狭缝离开，并且流到定子或流过定子。因此，实现了循环气流，其中冷却空气同步进入到转子和定子之间的间隙中以及从相同侧进入到所有凹部中。

这种强制对流或气流是可能的，因为磁体元件的布置内的所述至少一个间隙或狭缝实现了凹部与转子和定子之间的间隙之间的流动通道，因此允许气流从凹部的被隔开（distanced）的开口循环到磁体元件排中的间隙或狭缝。由于在转子壳体或每个纵向磁体器件的中心区域中给出了已知布置中的温度热点，因此本发明进一步提出，沿纵向方向看，所述至少一个间隙布置在该排的中心区域中。这确认如下：优选地从两端进入到凹部中的冷却空气完全流过凹部并在中心区域间隙或狭缝中离开，由此也允许对中心区域进行适当的冷却。

虽然利用设置在相应的磁体元件排中的仅一个间隙或狭缝就已经认识到积极冷却效果（这需要将仅一对相邻的磁体元件隔开以实现间隙），但当然，也可能在相应排中提供多于一个间隙。根据该实施例，例如两个或三个间隙或狭缝设置在相应排中的不同纵向位置处，使得冷却空气可在不同位置处离开凹部，从而允许流量更大。在相应排内提供更多间隙需要将更多相邻的数对磁体元件隔开以实现相应的间隙或狭缝。最后，当然有可能在相应排的每对磁体元件之间提供这种间隙或狭缝。

根据本发明的优选实施例，在每排中提供至少一个间隙或狭缝。虽然当然有可能例如仅在每个第二排中提供这种间隙或狭缝（这已经对转子的整体冷却或回火产生积极影响），但在每排中提供至少一个间隙或狭缝当然是有利的，使得布置在转子壳体内圆周处的所有磁体元件都可通过穿过凹部的强制气流循环进行主动冷却。当然，同样根据该实施例，每排可设置有多于一个的间隙或狭缝。

当所有排都设置有一个或相同数量的若干个间隙或狭缝时，优选的是，沿纵向方向看，所有排的狭缝都布置在相同的一个或多个纵向位置处。根据该实施例，沿周向方向看，所有排的磁体元件的布置都相同，使得例如单个间隙在每排的中心区域中的位置在每排中也相同。因此，所有排的单个间隙布置在共同的周向平面中。当然，如果在每排中提供例如两个或三个间隙，则所有排的这三个间隙也布置在两个或三个单独的周向平面中。这确认如下：每排内的磁体元件分布是相同的，使得沿周向和纵向方向看，转子的整体磁性质也多半是均匀的。

沿相应排的纵向方向看，每个间隙的宽度优选地在0.5 – 10 mm之间，并且最优选地在1 – 6 mm之间。间隙或狭缝很小，但足够宽以实现强制对流或气流。它也没有对由相应的磁体器件或磁体元件排产生的磁场产生负面影响。

如所提到的，磁体元件布置和固定在内壳体表面处。为了简化这种固定，每个磁体元件优选地包括基底板和布置在基底板上的磁体，其中，转子壳体设置有布置在每个凹部的两个纵向侧上的凹槽，每排的基底元件接合到这些凹槽中。这种舌槽连接（tongue andgroove connection）允许对磁体元件进行简单布置，因为只需要将基底板的相对舌部的侧部或边缘（即，其侧边缘）插入到转子壳体的轴向开放且相对的凹槽中并将它们移动到所请求的纵向位置中即可。实现了一种简单的适形（form fit）布置，其中，相应的磁体元件确定地固定在其最终纵向位置中，使得在它们最终固定之后不可能移动。

每个凹部本身优选地具有矩形截面，但当然也可具有一种凸形截面等。

在第一替代方案中，每排提供仅一个凹部，并且该凹部被该排的磁体元件覆盖。根据第二替代方案，提供两个或更多个平行的凹槽状凹部，并且这些凹槽状凹部被排中的磁体元件覆盖。

进一步地，两个相邻的磁体元件之间的间隙的长度可对应于磁体元件的周向宽度。在这种情况下，相邻的磁体元件或其基底板不邻接。在替代方案中，间隙的长度可小于相邻的磁体元件的周向宽度。在此，相邻的磁体元件或其基底板仅局部地邻接，而不是沿着其侧表面的整个长度邻接，从而使相应间隙开放。

在替代性宽度的进一步实施例中，间隙越小或越短，就有可能在两个相邻的磁体元件之间提供两个或更多个间隙。在此，在周向排中在相邻的磁体元件或基底板之间提供两个或更多个短间隙。

本发明进一步涉及一种电机，其包括如上文所描绘的转子和布置在转子内的定子。

最后，本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括如上文所提到的电机，该电机用作发电机。

附图说明

从结合附图考虑的以下详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，附图仅是原理草图，其仅被设计成用于图示的目的且并不限制本发明。附图示出了：

图1是有创造性的转子沿着旋转轴线沿纵向方向看的局部视图，

图2是图1的转子的原理透视和切割视图，

图3是包括第一实施例的有创造性的转子的有创造性的电机的原理图示，

图4是包括第二实施例的有创造性的转子的有创造性的电机的原理图示，

图5是包括第三实施例的有创造性的转子的有创造性的电机的原理图示，以及

图6是有创造性的风力涡轮机的原理图示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的转子1的局部视图。转子1包括具有内壳体表面3的圆柱形转子壳体2，包括一定数量的磁体元件5的若干个磁体器件4布置在该内壳体表面处，这些磁体元件布置成一排，如图2中所示。相应排6沿转子壳体2的纵向方向或平行于转子1的旋转轴线延伸。

相应排6围绕内壳体表面3的圆周均匀地分布，使得提供一定数量的被隔开相同周向角的磁体元件排6，其中，当转子1相对于定子旋转时，磁体器件4与未示出的定子或定子绕组相互作用，从而感应出电流。

转子1或内壳体表面2设置有若干个凹槽状凹部7，这些凹槽状凹部从一个前表面8延伸到相对的前表面8。凹部7（其在该示例中具有矩形截面）全部都彼此平行并且平行于旋转轴线。它们在两端处具有轴向开口9，使得冷却空气可以从前表面进入或离开每个凹部。

如图1和图2示出的，磁体器件4或磁体元件5布置在内壳体表面3处从而覆盖凹槽状凹部7，使得每个凹部7为在两个轴向端处开放的纵向气流通道。为了固定每个磁体元件5，转子壳体2在其内壳体表面3处设置有相应凹槽10，其中，两个凹槽彼此相对并且轴向开放。为了固定磁体元件5，实现了舌槽连接。每个磁体元件5包括基底板11，该基底板具有两个纵向延伸的舌部12。磁体13附接到基底板11。为了将相应的磁体元件5固定在转子壳体2处，将基底板11的舌部12轴向插入到纵向延伸的凹槽10中（如图1和图2中所示），使得给出了适形。沿着凹槽10推动磁体元件5，直到它到达其最终的纵向位置，它最终被固定在该纵向位置处。由于每排6包括一定且相同数量的布置成一行的单独的磁体元件，因此凹部7在其内侧处径向封闭，使得它实际上是由转子壳体2和基底板11界定的气流通道。代替每排6的一个凹部7的是，也可能每排提供两个或更多个平行但较小的凹部7，这些凹部被相应排6的磁体元件5的基底板11覆盖，从而形成若干个平行但较小的通道。

图2示出了转子1的透视切断（cut out）图，其中，转子壳体2在径向延伸穿过转子壳体2的平面中被切割。它示出了凹槽状凹部7和包括若干个磁体元件5的相应排6，这些磁体元件通过舌槽连接布置在转子壳体2处并覆盖凹部7，如所提到的，该凹部在两端处具有轴向开口9。

如图2示出的，磁体元件5布置成一行，但它们布置成使得它们彼此不与其基底板11和磁体13邻接，而是彼此被隔开，从而使得在两个相邻的磁体元件5之间实现相应间隙14，该间隙14（其也可被命名为狭缝）沿周向方向延伸，并且由于磁体元件5覆盖凹部7而也与凹部7连通。在所示的实施例中，在每对磁体元件5之间提供这种间隙14。需要注意的是，这是可选的，实际上根据本发明将实现至少一个这种间隙14。

间隙14不仅通向凹部7，而且朝向未示出的定子通向径向内侧，使得径向向外侧看，间隙14与凹部7连通，并且径向向内侧看，间隙14也与转子和定子之间的间隙连通。由于凹部7在两个轴向端处设置有开口9，因此强制气流或空气循环是可能的，因为空气可从一个或两个开口9进入凹部7，沿着凹部7或通道流动，从基底板侧对磁体元件5进行冷却是可能的，同时转子壳体2也可进行冷却。由于冷却空气可流过整个凹部7，或当它从两侧进入时可从两侧流动直到在任何间隙14处离开凹部，因此对所有磁体元件5的完全空气冷却、以及对沿着旋转轴线看设置在中心区域中的磁体元件5的完全空气冷却是可能的。

相应间隙14的宽度在0.5 – 10 mm之间、优选地在1 – 6 mm之间。如果每排6提供这些间隙14中的若干个，则每个间隙14的宽度可能是小的，例如1 – 2 mm，其中，如果提供例如仅一个间隙14，则间隙14的宽度可能更大，例如4 – 6 mm。沿周向方向看，在所示的实施例中的间隙的长度对应于相邻基底板的宽度，但也可比基底板宽度小直至基底板宽度的大约25%。当间隙长度小于基底板宽度时，基底板仅部分地沿着其相邻侧表面邻接。也可在两个相邻基底板之间提供多个间隙，其中每个间隙当然小于基底板宽度。

优选地，每排6设置有这些间隙14中的一个或多个。如果提供每排例如仅一个间隙，则每个间隙14设置在相同的纵向位置处，使得每个凹部中的气流就通过相应间隙14的离开或进入而言是相同的。如果每排6提供若干个间隙14，则每排6的这若干个间隙14也定位在相同的纵向位置处。

图3示出了电机15的原理图示，其中，仅示出了该电机15的一部分。它包括有创造性的转子1，该转子环绕内定子16，该内定子仅在原理上示出。如通常所知的，定子包括相应的定子齿（toothing）和绕组（优选地，布置在定子齿处的集中绕组）。

转子壳体2还在轴向侧处环绕定子16，如图3中所示，使得实现了径向间隙17，这些径向间隙与转子1和定子16之间的周向间隙18合并，如图3中所示。

在图3中所示的实施例中，切割平面延伸穿过相应的凹部7，该凹部7在图3中示出。如所描述的，它被相应的磁体元件5覆盖，其中，在该实施例中，七个磁体元件5是通过舌槽连接布置的。在该实施例中，在每个相邻的磁体元件对之间，提供了宽度为例如1 – 2 mm的相应间隙14。如图所示，这些间隙14与凹部7或通过该凹部7来实现的通道连通，并且与转子1和定子16之间的间隙18连通。

在操作中，空气被强制径向穿过间隙17，如由箭头P1所示的。然后，一部分空气进入转子1和定子16之间的间隙18，如由箭头P2所示。一定量的这种冷却空气还从相应开口9进入凹部7或通道，如由箭头P3所示。该冷却空气流过凹部7并且可通过相应间隙14离开凹部7，使得在流过凹部7时变热的冷却空气朝向定子16而离开凹部7并且循环回来，如由箭头P4所示。

明显的是，每排6的所有磁体元件5都可通过穿过凹部7的强制空气循环进行冷却。冷却性能得到增强，因为对布置在中心区域中的磁体元件的冷却也是可能的，使得排6的所有磁体元件5的温度都可被控制并保持在均匀或几乎均匀的温度水平。特别地，集中绕组发电机中的磁体温度（特别是最高温度）因此可得到高效控制，从而导致发电机的效率提高且性能更好。

图4示出了有创造性的电机15的第二实施例，其再次具有转子1和定子16。同样在此，每排包括若干个磁体元件5，这些磁体元件覆盖在转子壳体2中实现的凹部7。与图3的第一实施例不同，在中心区域中实现了仅一个间隙14（在该实施例中，从左起计数，在第三和第四磁体元件5之间）。在该实施例中，间隙14的轴向宽度大于图3的若干个间隙14的宽度。根据图4的间隙14的宽度测得为例如4 – 6 mm，而图3的间隙的宽度测得为1 – 2 mm。明显的是，从左起计数，三个磁体元件彼此邻接，然后接着是间隙14，并且后面的四个磁体元件再次彼此邻接。

在该实施例中，如由箭头P1所示，空气进入到径向间隙17中，且然后根据箭头P2流过转子1和定子16之间的间隙18。一定的空气量也进入凹部7或通过凹部7和基底板11来实现的通道。如由箭头P3所示，冷却空气从两侧进入到凹部7中。它沿着凹部7流动，并且可仅在设置于中心区域中的单个间隙14处离开。离开的空气然后流到定子或流过定子16，如由箭头P4所示，并且进行再循环。

在图4的实施例中，提供了七个磁体元件5，从而导致间隙14的位置不在布置的轴向中间。图5代替地示出了有创造性的实施例，其中提供了八个磁体元件5，其中，在第四和第五磁体元件5之间再次实现了仅一个中心间隙14，使得间隙14正好在布置的中间。气流再次如先前所描述的那样。空气进入（见箭头P1）到径向间隙17中。第一空气量进入到转子1和定子16之间的间隙18中（见箭头P2）。第二空气量（见箭头P3）进入到凹部7中并流过凹部到达中心间隙14，它从该中心间隙朝向定子16离开并穿过定子16，如由箭头P4所示。

图5示出了磁体元件具有不同的轴向长度。虽然第一、第二、第三、第六、第七和第八磁体元件5全部都具有相同的轴向长度，但第四和第五磁体元件5较短一点，以便实现相应的中心间隙14。需要注意的是，当然，所有磁体元件5都可具有相同的轴向长度。

无论实现哪个实施例，每个实施例都允许改进温度控制，使得每排6的磁体元件5具有几乎均一的温度或沿着排6给出均匀的温度分布。考虑到磁体元件或单独的磁体器件的均匀磁性质，这是有利的，进而有利于电机的整体性能。与现有技术的布置相比，还可降低整体温度。

最后，图6示出了风力涡轮机19，其包括塔架20和布置在塔架的顶部上的机舱21。在机舱中布置了根据本发明的电机15，该电机用作发电机。电机15的转子1联接到承载转子叶片23的毂22，这些转子叶片与风相互作用并使毂22旋转。由于旋转联接所致，转子1也旋转，由此在定子绕组中感应出电流，如通常所知的。

尽管已参考优选实施例详细地描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，技术人员能够从所公开的示例中得出其他变型而不脱离本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于电机的转子，所述电机尤其是直驱式风力涡轮机（19）的发电机，所述转子包括圆柱形转子壳体（2），所述圆柱形转子壳体具有布置在内壳体表面（3）处的若干个磁体器件（4），其特征在于，每个磁体器件（4）包括布置在平行于旋转轴线的排（6）中的若干个磁体元件（5），其中，所述内壳体表面（3）设置有平行于所述旋转轴线延伸的至少一个凹槽状凹部（7），其中，每个凹部（7）被排（6）中的磁体元件（5）覆盖，并且其中，至少一些所述排（6）中的至少两个磁体元件（5）布置有沿周向方向延伸的至少一个间隙（14），所述间隙（14）与相应的凹部（7）连通。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，每个凹部（7）在一个或两个纵向端处通向周围环境。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，沿纵向方向看，所述至少一个间隙（14）布置在所述排（6）的中心区域中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在相应的排（6）中实现多于一个的间隙（14）。

5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，在相应的排的每对磁体元件（5）之间提供间隙（14）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在每排（6）中提供至少一个间隙（14）。

7.根据权利要求6所述的转子，其特征在于，沿所述纵向方向看，所有排（6）的所述间隙（14）都布置在相同的纵向位置处。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，沿所述排的所述纵向方向看，每个间隙（14）的宽度是在0.5 – 10 mm之间、优选地在1 – 6 mm之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，每个磁体元件（5）包括基底板（11）和布置在所述基底板（11）上的磁体（13），其中，所述转子壳体（2）设置有并行布置到每个凹部（7）的两个纵向侧的凹槽（10），每排（6）的所述基底元件（11）接合到凹槽（10）中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，每个凹部（7）具有矩形截面。

11.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，提供两个或更多个平行的凹槽状凹部（7），并且所述凹槽状凹部被排（6）中的所述磁体元件（5）覆盖。

12.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，两个相邻的磁体元件（5）之间的间隙（14）的长度对应于所述磁体元件（5）的周向宽度，或间隙（14）的长度小于所述相邻的磁体元件（5）的周向宽度。

13.根据权利要求12所述的转子，其特征在于，在两个相邻的磁体元件（5）之间提供两个或更多个间隙（14）。

14.一种电机，其包括根据前述权利要求中任一项所述的转子（1）和布置在所述转子（1）内的定子（16）。

15.一种风力涡轮机，其包括根据权利要求14所述的电机（15），所述电机用作发电机。

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