CN115694074A - 电机的有源元件的冷却 - Google Patents

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CN115694074A CN202210888009.5A CN202210888009A CN115694074A CN 115694074 A CN115694074 A CN 115694074A CN 202210888009 A CN202210888009 A CN 202210888009A CN 115694074 A CN115694074 A CN 115694074A
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Abstract

本公开涉及电机和用于冷却电机的有源元件的方法。更具体而言，本公开涉及电机的转子。例如，电机可为用于直接驱动式风力涡轮的发电机。电机包括：包括多个有源转子元件的转子、包括多个有源定子元件的定子、以及分开有源转子元件和有源定子元件的气隙。转子进一步包括一个或多个转子开口，该转子开口构造成响应转子的旋转让空气流进入电机并且冷却有源转子元件和/或有源定子元件。

Description

电机的有源元件的冷却
技术领域
本公开涉及电机和用于冷却电机的有源元件(active element)的方法。更具体而言，本公开涉及电机的转子。例如，电机可为用于直接驱动式风力涡轮的发电机。
背景技术
诸如电动机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电励磁发电机或永磁励磁发电机(PMG)。电机的转子相对于定子旋转。转子可为内部结构且定子可为外部结构。在此情况下，定子因此例如沿径向环绕转子。备选地，构造可为相反的，即转子例如沿径向环绕定子。
例如，这样的发电机可在风力涡轮中使用。风力涡轮大体包括具有转子毂和多个叶片的转子。转子在风对叶片的影响下旋转。转子轴的旋转要么直接地驱动发电机转子("直接驱动式")，要么通过使用变速箱。
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，并且可以低速、例如在2至20 rpm(每分钟转数)的范围中旋转。备选地，发电机也可联接到变速箱，该变速箱将发电机的旋转速度提高到例如50至500 rpm之间或甚至更高。
在诸如直接驱动式风力涡轮的发电机的电机中，冷却大体上重要。具体而言，转子和定子的有源元件，例如永磁体和线圈，可能会变热。有源的转子元件和定子元件的温度上的升高可能导致有源元件的故障并且可能降低发电机的效率。为了降低转子和定子的有源元件的温度，可通过经分开有源元件的气隙提供冷却来从有源元件移除热。可提供冷却系统以用于降低转子和定子的有源元件的温度。
这样的冷却系统可包括初级回路。初级回路可包括初级流体入口。初级流体，例如空气，可从初级流体入口传送到有源的转子元件和定子元件。例如，空气可引导到有源的转子元件和定子元件之间的气隙。随着有源元件变热，流体也变热。被加热的初级流体可传送离开到初级流体出口。在一些示例中，初级流体出口和初级流体入口可与风力涡轮的外部、例如机舱周围的空气流体地连通。例如，冷却系统可例如在机舱中包括风扇，以用于将来自风力涡轮的空气通过初级流体入口引到外侧。管道可将初级回路流体从初级流体入口传送到发电机气隙，并且然后管道可将被加热的初级回路流体从发电机气隙传送到初级流体出口。
在其它示例中，初级流体入口和初级流体出口可与热交换器流体地连通。用于流体的次级回路可包括热交换器。热交换器可包括热交换器入口和热交换器出口。次级流体可通过热交换器入口被引到热交换器，并且一旦次级流体已经冷却在发电机气隙中被加热的初级流体，则初级流体可通过热交换器出口从热交换器移除。例如，次级流体可为水或空气。可使用管道以在热交换器内侧导向被加热的初级流体，并且然后一旦被冷却下来就将其排出。然后，被冷却的初级流体可再次朝向转子和发电机的有源元件之间的气隙引导。
发明内容
在本公开的一个方面中，提供了一种电机。电机包括：包括多个有源转子元件的转子、包括多个有源定子元件的定子、以及分开有源转子元件和有源定子元件的气隙。转子进一步包括一个或多个转子开口，该转子开口构造成响应转子的旋转让环境空气流进入电机并且冷却有源转子元件和/或有源定子元件。
根据该方面，当使转子时旋转，空气可通过一个或多个转子开口被吸入。一旦在电机内侧，空气就可例如沿径向或轴向方向穿过分开转子和定子的有源元件的气隙，并且可变热。可导致被加热的空气离开发电机，因此冷却有源的转子元件和定子元件。强制对流可冷却转子和定子的有源部分，并且可省去具有用于将空气引到电机中的管和风扇的冷却系统。
如贯穿本公开所使用的有源元件可认为是磁有源和/或电有源的转子或定子的元件。
电机可为发电机，具体是用于风力涡轮的发电机，并且更具体是用于直接驱动式风力涡轮的发电机。
在另一方面中，提供了一种用于冷却电机的方法。电机包括转子、定子和分开转子和定子的气隙。方法包括使转子旋转以导致来自电机的外侧的冷却空气流通过转子中的一个或多个开口进入电机的内侧。
在又一方面中，提供了一种用于直接驱动式风力涡轮的发电机。发电机包括：包括多个有源转子部分的转子、包括多个有源定子部分的定子、以及分开转子的有源部分和定子的有源部分的气隙。转子包括一个或多个开口，开口构造成作为使转子旋转的结果而在发电机的内侧与外侧之间形成压力差，发电机的内侧中的压力低于发电机的外侧中的压力。
技术方案1. 一种电机，包括：
包括多个有源转子元件的转子、包括多个有源定子元件的定子、以及分开所述有源转子元件和所述有源定子元件的气隙；
其中所述转子进一步包括一个或多个转子开口，所述转子开口构造成响应所述转子的旋转让环境空气流进入所述电机并且冷却所述有源转子元件和/或所述有源定子元件。
技术方案2. 根据技术方案1所述的电机，其中，空气过滤器布置在所述转子开口中的一个或多个中。
技术方案3. 根据技术方案2所述的电机，其中，所述空气过滤器包括第一过滤级，并且可选地进一步包括用于附加精细过滤的第二过滤级，所述第一过滤级包括导叶分离器。
技术方案4. 根据技术方案1至技术方案3中任一项所述的电机，其中，一个或多个转子开口设在所述转子的驱动侧盖中和/或所述转子的中心侧盖中和/或所述转子的非驱动侧盖中。
技术方案5. 根据技术方案1至技术方案4中任一项所述的电机，其中，所述一个或多个转子开口的组合面积占转子侧盖的总表面的10%与40%之间。
技术方案6. 根据技术方案1至技术方案5中任一项所述的电机，其中，所述一个或多个转子开口中的一个或多个具有高达2 m2的面积，并且更具体是在0.3 m2与1.5 m2之间的面积。
技术方案7. 根据技术方案1至技术方案6中任一项所述的电机，其中，所述转子包括两个或更多个开口，具体是在两个与十个之间的开口，并且更具体是在四个与八个之间的开口。
技术方案8. 根据技术方案1至技术方案7中任一项所述的电机，其中，所述转子开口沿周向方向分布。
技术方案9. 根据技术方案1至技术方案8中任一项所述的电机，进一步包括在一个或多个转子出口处的一个或多个风扇。
技术方案10. 根据技术方案1至技术方案9中任一项所述的电机，其中，所述转子环绕所述定子。
技术方案11. 根据技术方案1至技术方案10中任一项所述的电机，其中，所述电机是用于直接驱动式风力涡轮的发电机。
技术方案12. 一种直接驱动式风力涡轮，包括根据技术方案11所述的发电机。
技术方案13. 一种用于冷却电机的方法，所述电机包括转子、定子和分开所述转子和所述定子的气隙，所述方法包括：
使所述转子旋转以导致来自所述电机的外侧的冷却空气流通过所述转子中的一个或多个开口进入所述电机的内侧。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述转子通过风在一个或多个风力涡轮叶片上的作用而旋转。
技术方案15. 根据技术方案13或技术方案14所述的方法，其中，所述转子环绕所述定子。
附图说明
图1示意性地图示了风力涡轮的一个示例的透视图；
图2图示了风力涡轮的毂和机舱的示例；
图3示意性地图示了电机的示例的横截面视图。电机可为用于直接驱动式风力涡轮的发电机；
图4A-4C示意性地图示了电机的不同示例的横截面；
图5示意性地图示了用于直接驱动式风力涡轮的发电机的透视后视图；并且
图6示意性地图示了用于冷却有源的转子元件和定子元件的方法的示例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。每一个示例通过阐释本公开的方式提供，而不作为本公开的限制。实际上，对于本领域中的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可在本公开中作出各种改型和变型。例如，图示为或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一个实施例一同使用以形成又一个实施例。因此，旨在本公开覆盖归入所附权利要求和其等同物的范围内的这样的改型和变型。
尽管本文提到了用于直接驱动式风力涡轮的发电机，但是本公开大体上可应用于电机。
图1是风力涡轮10的示例的透视图。在示例中，风力涡轮10是水平轴式(horizontal-axis)风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为竖直轴式(vertical-axis)风力涡轮。在示例中，风力涡轮10包括从地面12上的支承系统14延伸的塔架15、安装在塔架15上的机舱16、以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20、以及联接到毂20并且从毂向外延伸的至少一个转子叶片22。在示例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。塔架15可由管状钢制造以在支承系统14与机舱16之间限定腔(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架15是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。根据备选方案，塔架可为包括由混凝土制成的部分和管状钢部分的混合塔架。另外，塔架可为部分或完全的桁架式塔架(lattice tower)。风力涡轮10可放置在陆上和海上。
转子叶片22围绕毂20间隔开，以便于使转子18旋转，以使动能能够从风力转换为可用的机械能，并且后续转换为电能。转子叶片22通过在多个负载传递区域26处将叶片根部部分24联接到毂20而配合到毂20。负载传递区域26可具有毂负载传递区域和叶片负载传递区域(两者均未在图1中示出)。对转子叶片22引起的负载经由负载传递区域26传递到毂20。
在示例中，转子叶片22可具有范围从约15米(m)到约90 m或更大的长度。转子叶片22可具有使风力涡轮10能够如本文中所描述那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的非限制性示例包括20 m或更短、37 m、48.7 m、50.2 m、52.2 m或大于91 m的长度。随着风从风向28撞击转子叶片22，转子18围绕转子轴线30旋转。随着转子叶片22旋转并且受到离心力，转子叶片22也受到各种力和力矩。因此，转子叶片22可从中性位置或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，转子叶片22的桨距角(即确定转子叶片22相对于风向的定向的角度)可由变桨系统32改变，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制负载和由风力涡轮10生成的电力(power)。示出了转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨系统32可具体地改变转子叶片22的桨距角，使得转子叶片(的部分)的迎角(angleof attack)减小，这便于降低旋转速度和/或便于转子18的失速。
在示例中，每一个转子叶片22的叶片桨距由风力涡轮控制器36或由变桨控制系统80单独地控制。备选地，对于所有转子叶片22的叶片桨距可由所述控制系统同时地控制。
此外，在示例中，随着风向28改变，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转以相对于风向28定位转子叶片22。
在示例中，风力涡轮控制器36示出为集中在机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为遍及风力涡轮10的分布式系统(distributed system)、在支承系统14上、在风场内和/或在远程控制中心处。风力涡轮控制器36包括处理器40，其配置成执行本文中所描述的方法和/或步骤。此外，本文中所描述的其它构件中的许多包括处理器。
如本文中所使用的，用语"处理器"不限于本领域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、特殊应用集成电路(application specific、 integrated circuit)和其它可编程电路，并且这些用语在本文中可互换使用。应当理解，处理器和/或控制系统还可包括记忆装置、输入通道和/或输出通道。
图2是风力涡轮10的一部分的放大截面视图。在示例中，风力涡轮10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16的转子18。更特别地说，转子18的毂20由主轴44、变速箱46、高速轴48和联接件50可旋转地联接到定位于机舱16内的发电机42。在示例中，主轴44至少部分地与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴设置。主轴44的旋转驱动变速箱46，变速箱后续通过将转子18和主轴44的相对较慢的旋转移动转换成高速轴48的相对较快的旋转移动来驱动高速轴48。后者借助于联接件50连接到发电机42以生成电能。此外，变压器90和/或合适的电子器件、开关和/或逆变器可布置在机舱16中，以便将由发电机42生成的具有400 V至1000V之间的电压的电能转换成具有中压(10-35 KV)的电能。所述电能经由电力线缆从机舱16传导到塔架15中。
变速箱46、发电机42和变压器90可由机舱16的主支承结构框架支承，该主支承结构框架可选地体现为主框架52。变速箱46可包括变速箱壳体，该变速箱壳体由一个或多个转矩臂103连接到主框架52。在示例中，机舱16还包括主前支承轴承(main forwardsupport bearing)60和主后支承轴承(main aft support bearing)62。此外，发电机42可由分离支承手段54安装到主框架52，具体是以便防止发电机42的振动被引到主框架52中并且由此导致有噪声发射源。
可选地，主框架52构造成承载由转子18和机舱16的构件的重量以及由风和旋转负载导致的全部负载，并且进而将这些负载引到风力涡轮10的塔架15中。转子轴44、发电机42、变速箱46、高速轴48、联接件50和任何相关联的紧固、支承和/或固定装置(包括但不限于支承件52和前支承轴承60和后支承轴承62)有时称为传动系64。
在一些示例中，风力涡轮可为没有变速箱46的直接驱动式风力涡轮。发电机42以与直接驱动式风力涡轮中的转子18相同的旋转速度操作。因此，它们大体上具有比在具有变速箱46的风力涡轮中使用的发电机大得多的直径，以用于提供与具有变速箱的风力涡轮相似的电力量。
机舱16还可包括偏航驱动机构56，该偏航驱动机构可用于使机舱16并且由此也使转子18围绕偏航轴线38旋转，以控制转子叶片22相对于风向28的投影(perspective)。
为了相对于风向28适当地定位机舱16，机舱16还可包括至少一个气象测量系统，该气象测量系统可包括风向标和风速计。气象测量系统58可向风力涡轮控制器36提供信息，该信息可包括风向28和/或风速。在示例中，变桨系统32至少部分地布置为毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68和至少一个传感器70。每一个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(图1中示出)，以用于沿变桨轴线34调节转子叶片22的桨距角。图2中仅示出了三个变桨驱动系统68中的一个。
在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，该变桨轴承联接到毂20并且联接到相应的转子叶片22(图1中示出)，以用于使相应的转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动电动机74、变桨驱动变速箱76和变桨驱动小齿轮78。变桨驱动电动机74联接到变桨驱动变速箱76，使得变桨驱动电动机74对变桨驱动变速箱76施加机械力。变桨驱动变速箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78由变桨驱动变速箱76旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转导致变桨轴承72的旋转。
变桨驱动系统68联接到风力涡轮控制器36，以用于在来自风力涡轮控制器36的一个或多个信号的接收时调整转子叶片22的桨距角。在示例中，变桨驱动电动机74是使得变桨组件66能够如本文中所描述那样起作用的由电力和/或液压系统驱动的任何合适的电动机。备选地，变桨组件66可包括任何合适的结构、构造、布置和/或构件，诸如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动电动机74由从毂20的转动惯量和/或向风力涡轮10的构件供应能量的储存能源(未示出)提取的能量驱动。
变桨组件66还可包括一个或多个变桨控制系统80，以用于在特定优先情形的情况下和/或在转子18超速期间根据来自风力涡轮控制器36的控制信号控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨控制系统80，该变桨控制系统通信地联接到相应变桨驱动系统68，以用于独立于风力涡轮控制器36控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨控制系统80联接到变桨驱动系统68和传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36可控制变桨驱动系统68以调整转子叶片22的桨距角。
根据实施例，例如包括电池和电容器的电力发电机84布置在毂20处或毂内，并且联接到传感器70、变桨控制系统80和变桨驱动系统68来向这些构件提供电源。在示例中，电力发电机84在风力涡轮10的操作期间向变桨组件66提供持续的电源。在备选实施例中，电力发电机84仅在风力涡轮10的电力损失情况期间向变桨组件66提供电力。电力损失情况可包括电网损失或下降、风力涡轮10的电气系统的失灵和/或风力涡轮控制器36的故障。在电力损失情况期间，电力发电机84操作以向变桨组件66提供电力，使得变桨组件66可在电力损失情况期间操作。
在示例中，变桨驱动系统68、传感器70、变桨控制系统80、线缆和电力发电机84各自定位在由毂20的内表面88限定的腔86中。在备选实施例中，所述构件相对于毂20的外表面定位，并且可直接地或间接地联接到外表面。
在本公开的方面中，提供了电机100。电机100包括转子110和定子120。转子110包括多个有源转子元件112，并且定子120包括多个有源定子元件122。气隙115分开有源转子元件112和有源定子元件122。转子进一步包括一个或多个转子开口150，该转子开口构造成响应转子的旋转让环境空气流进入电机并且冷却有源转子元件和/或有源定子元件。
进入电机的空气可冷却转子有源元件和定子有源元件，而无需提供对于空气的导向管道、风扇和/或热交换器。转子110的旋转可足以导致环境空气进入电机100并且冷却有源元件112、122。
图3示意性地图示了电机100的示例的横截面视图。电机100包括转子110、定子120和转子110和定子120之间的气隙115。转子110构造成围绕旋转轴线105旋转。在该示例中，气隙115是径向气隙，并且电机是用于直接驱动式风力涡轮的径向发电机，但是在其它示例中，电机100可为具有轴向气隙的轴向电机。在图3中，转子110环绕定子120。在其它示例中，定子可环绕转子。
定子120包括定子边缘121和多个有源定子元件122。转子110包括转子边缘111和多个有源转子元件112。有源定子元件122可为一个或多个永磁体、一个或多个永磁体模块、一个或多个线圈或一个或多个线圈模块。有源转子元件112同样可为一个或多个永磁体、一个或多个永磁体模块、一个或多个线圈或一个或多个线圈模块。例如，有源定子元件122可为线圈，并且有源转子元件112可为永磁体模块。在其它示例中，有源定子元件122和有源转子元件112可都为线圈。气隙115分开转子的有源元件112和定子的有源元件122。
多个永磁体可设在永磁体模块中，永磁体模块可附接到转子110而作为单个物件。永磁体模块可限定为具有多个永磁体的单元，使得多个磁体可一起安装和拆卸。此模块可具有模块基座，该模块基座具有合适于容纳或承载可固定到基座的多个永磁体的形状。基座可构造成以如下方式固定到诸如转子边缘111的转子结构：使得多个磁体通过模块基座一起固定到转子边缘111。永磁体模块的使用可便于转子110的制造。类似地，定子线圈可在线圈模块中组合在一起。线圈模块可固定到诸如定子边缘121的发电机结构。
转子110可包括驱动侧161、中心侧162和非驱动侧163。驱动侧161也可称为前侧161，并且可构造成面向风力涡轮毂20。在驱动侧161中，转子可包括驱动侧盖131，该驱动侧盖可主要沿径向140并且沿切向或周向方向142延伸。驱动侧盖131可沿轴向方向141保护转子和定子的有源元件免受湿气和风中的非期望颗粒(诸如灰尘)的影响。在中心侧162中，转子可包括中心侧盖132，该中心侧盖可包括转子边缘111，并且可主要沿周向方向142并且沿轴向方向141延伸。转子可进一步包括在非驱动侧163中的非驱动侧盖133。非驱动侧163也可称为后侧163。中心侧盖132可在转子110的前侧盖131与后侧盖133之间延伸。
定子120可固定地安装在发电机支承件103上。转子110可以可旋转地安装在发电机支承件103上，并且可连接到风力涡轮10的毂20。转子110的第一侧131可由轴承(未示出)连结到发电机支承件103。如果转子110包括延伸直到发电机支承件103的非驱动侧盖133，则也可使用轴承以将非驱动侧盖133连结到支承件103。发电机支承件103可为风力涡轮框架，例如直接驱动式风力涡轮框架的前部部分。
开口150可设在转子110的前侧盖131、中心侧盖132和后侧盖133中的任何处。例如，一个或多个转子开口150可设在转子110的驱动侧盖131处。此选项的示例已在图4A中示意性地图示。由于驱动侧盖131可构造为上游，故如果提供一个或多个前开口150，则环境空气流可自然地进入发电机100。转子110的旋转可帮助使空气流循环通过发电机100，并且具体是通过转子和定子的有源元件之间的气隙115。转子110的旋转导致转子内侧的压力降低以将环境空气吸入到转子中。空气(例如在与有源元件112、122接触之后被加热的空气)可通过转子110的后部排出。如果转子包括后侧盖133，空气可通过后侧盖133中的一个或多个出口153离开发电机100。在其它示例中，非驱动侧盖133不沿径向向内延伸到发电机支承件(如例如在图4B和4C中)，并且空气可通过后侧盖133与发电机支承件103之间的空间136离开发电机。
在一些其它示例中，如例如在图4B中，一个或多个转子开口150可设在转子110的中心侧盖132处。在这些示例中，转子110的旋转速度可导致接近(例如相对平行于)中心侧盖132流动的环境空气从电机的外侧进入发电机100而到电机的内侧。在图3的电机100中，通过中心开口150进入的空气可在转子110的有源元件112之间朝向气隙115流动。如以上所描述的，被加热的空气可通过转子110的后部排出。中心侧132中的开口150可从驱动侧盖131完全延伸到转子110的非驱动侧盖133。
另外在其它示例中，如例如在图4C中，一个或多个开口150可设在转子110的后侧盖133处。转子110的旋转可导致接近后侧盖133的环境空气被吸入到发电机100中并且流动横过气隙115，以降低有源的转子元件和定子元件的温度。如图4C中所指示，排出气隙115中的空气的一种可能方式可为使接近转子的前侧盖131的被加热的空气通过定子120循环到转子的后部。定子120(例如定子框架)可具有通向该端的入口和出口。在图4C的示例中，提供了允许冷却流通过定子的传输的窗口124。入口可设在定子的第一侧盖或前侧盖(如果存在)中，并且出口可设在定子的第二侧盖或后侧盖(如果存在)中。在被加热的空气穿过定子120之后，空气可通过转子110的后侧盖133中的一个或多个出口153或通过转子110与发电机支承件103之间的空间136排出。
在以上示例中，转子110环绕定子120，具体是沿径向。使转子110围绕定子120可便于导致环境空气进入发电机100并且流动通过气隙115以冷却转子和定子的有源元件。在其它示例中，定子120可环绕转子110。
在图4A-4C中，转子开口150仅在转子110的一个侧盖中示出。然而，开口150可设在转子110的一个以上的侧盖处。例如，一个或多个开口150可设在转子的中心侧盖132处，并且一个或多个开口可设在转子的后侧盖133处。类似地，一个或多个开口150可设在转子的驱动侧盖131处，并且一个或多个开口可设在转子的非驱动侧盖133处。驱动侧盖131处的一个或多个开口可与非驱动侧盖133处的一个或多个开口沿轴向方向141对齐。大体上，开口150的位置可适于为沿和/或通过电机100的空气流形成合适的路线。
转子开口150可沿周向方向142分布。图5从后部示出了转子110的透视图。在该图中，转子110具有后侧盖133。后侧盖133是包括多个节段145的环形盖140。因此，当安装到发电机支承件103时，后侧盖133将不会连结到支承件103。在一些示例中，环形盖140可附接到转子的中心侧盖132的凸缘。
在图5中，六个节段145已从环形盖140移除。当转子110围绕轴线105旋转时，转子110内侧的压力可能会下降，并且环境空气可能被引到发电机100中，并且降低有源的转子元件和定子元件的温度。沿周向方向142提供多个空气入口可增加接触有源元件112、122的空气量。因此，可增强冷却。
转子开口150具有一定的面积。转子处的开口150的面积之和可称为组合面积。在一些示例中，转子开口150的组合面积可占转子侧盖的总表面的10%与40%之间，更具体是在10%与25%之间。例如，如果开口150仅设在转子的侧盖131、132、133中，则开口150可占据转子盖的总(外)表面的10%与25%之间。在一些示例中，由开口占据的表面可为转子的总(外)表面的约15%。在其它示例中，其中开口150设在转子的一个以上的侧盖处，开口的组合面积可为转子的总(外)表面的约15%。在该范围内可提供转子110的足够的结构完整性和有源元件112、122的足够的冷却。
在一些示例中，转子开口150可具有高达2 m2(平方米)的面积。在这些示例中的一些中，转子开口150可具有在0.3 m2与1.5 m2之间的面积。例如，转子开口150可具有约1.1m2的面积。所有转子开口150，无论它们在转子侧盖处的位置如何，都可具有基本相同的面积。
在一些示例中，转子110可包括两个或更多个开口150。例如，转子110可包括两个与十个之间的开口150，并且更具体是在四个与八个之间的开口。如例如在图5中所图示的，可提供六个转子开口150。
转子开口150可设成使得它们面向气隙115。例如，在图4A和4C中，转子开口150沿轴向方向141面向气隙115或基本上与气隙对齐。在图4B中，转子开口150沿径向方向140面向气隙115或基本上与气隙对齐。这可有助于将空气流朝向气隙115引导。
电机100可进一步包括布置在一个或多个转子开口150中的一个或多个空气过滤器155。图5示出了开口中的过滤器155。填充或覆盖开口150的过滤器155可防止或减少可能的破坏性物质(例如灰尘、湿气、盐分)从发电机100的外侧进入。因此，电机100的使用寿命可延长。在一些示例中，过滤器155布置成用于每一个转子开口150，例如布置在每一个转子开口中。转子110(例如直接驱动式风力涡轮10的转子)的旋转可足以在转子110内侧产生足够低的压力以克服过滤器155的压降并且将环境空气吸入到转子中。
可使用不同类型的过滤器155。过滤器155可包括一个或多个过滤区域。在一些示例中，第一过滤区域可包括导叶分离器(vane separator)，并且第二区域可包括一个或多个过滤元件。一个或多个过滤元件可构造成比导叶分离器更精细地过滤空气。另外，可选地，可存在后续过滤区域。因此，进入转子110的空气可首先在第一过滤区域中过滤，并且然后在第二过滤区域中更精细地过滤；并且如果存在更多的过滤区域，则也在后续的过滤区域中过滤。过滤器155可放置成使得例如包括导叶分离器的第一过滤区域面向转子110的外侧。
在一些示例中，电机100可进一步包括在一个或多个转子出口153、136处的一个或多个风扇。风扇可用于支持冷却。例如，如果风速不足以令人满意地冷却转子和定子的有源元件，则可打开风扇以生成低压区域并且迫使空气从气隙115流动到转子出口153、136。
在本公开的一个方面中，提供了一种方法200。方法200合适于冷却电机100的有源转子元件112和有源定子元件122。方法200在图6中示意性地图示。
在一些示例中，电机可为发电机，具体是用于风力涡轮的发电机，并且更具体是用于直接驱动式风力涡轮的发电机。
对于具有10 MW或更大的额定功率的直接驱动式风力涡轮，可提供大于15 m3/s，并且特别是大于20 m3/s，并且更特别是25 m3/s的体积流速的冷却流。为了提供这样的体积冷却流速，可提供具有大于5 m2，特别是大于6 m2，并且更特别是6.5 m2或更大的组合表面积(包括空气过滤器)的入口。
方法包括，在框210处，提供电机100，电机包括转子110、定子122和分开转子和定子的气隙115。
转子开口150可如以上例如根据图4A-4C所解释的那样定位。一个或多个开口150可设在转子的驱动侧盖131中，和/或一个或多个开口150可设在转子的中心侧盖132中，和/或一个或多个开口可设在转子的非驱动侧盖133中。一个或多个过滤器155可布置成用于一个或多个转子开口150，例如在开口内侧。转子开口可由过滤器155完全地覆盖或填充。
转子110可例如沿径向140环绕定子120。如果电机100具有该构造，则可增强冷却。
方法进一步包括，在框220处，使转子110旋转以导致冷却空气流通过转子110中的一个或多个开口150从电机100的外侧到电机的内侧。通过使转子110旋转，可导致环境空气通过开口150进入电机100并且流动通过气隙115，由此冷却转子的有源部分和定子的有源部分。
转子110可通过风在一个或多个风力涡轮叶片22上的作用而旋转。
若干因素可影响将空气吸入到电机100中的能力，并且因此影响气隙115的冷却。一些因素可为电机的功率、转子110的旋转速度和转子的直径。可取决于机器的功率和转子大小，选择转子开口150的数量、大小和位置以合适地冷却气隙115。直接驱动式风力涡轮的转子的旋转速度(例如在2至14 rpm(每分钟转数)之间)可足以合适地冷却气隙115。
另外在本公开的又一方面中，提供了用于直接驱动式风力涡轮10的发电机100。发电机100包括转子110和定子120。转子110包括多个有源转子部分112，并且定子120包括多个有源定子部分122。气隙115分开转子的有源部分和定子的有源部分。
转子110包括一个或多个开口150，开口构造成作为使转子110旋转的结果而在发电机100的内侧与外侧之间形成压力差。发电机100的内侧中的压力低于发电机的外侧中的压力。
一个或多个转子开口150至少设在以下之一中：转子的前侧盖、转子的中心侧盖和转子的后侧盖。
转子110可包括两个或更多个开口150。例如，转子110可包括两个与十个之间的开口150，并且更具体是在四个与八个之间的开口。在一些示例中，可设置六个转子开口150。
转子开口150可具有高达2 m2(平方米)的面积。在这些示例中的一些中，转子开口150可具有在0.3 m2与1.5 m2之间的面积。例如，转子开口150可具有约1.1 m2的面积。所有转子开口150，无论它们在转子侧盖处的位置如何，都可具有基本相同的面积。
转子开口150可在转子侧盖的总(外)表面的10%与40%之间之内延伸，并且更具体是在转子侧盖的总(外)表面的10%与25%之间之内延伸。在一些示例中，由开口覆盖的表面可为转子的总(外)表面的约15%。一个或多个过滤器155可布置成用于一个或多个开口150，例如所有开口。过滤器155可完全填充或覆盖开口150。
转子110可例如沿径向140环绕定子120。
关于图3-5的描述可应用于该方面的发电机100。在公开示例中的任何中，可提供导叶、偏转器或其它导流元件以引导进入的空气流沿适当的方向通过电机。例如，在图4B和4C的示例中，导流元件可设成确保环境空气可沿周向方向和/或沿轴向方向到达电机的不同部分，以在电机中提供充分的冷却。导流元件可设有一系列开口。导流元件对于所有开口可为相同的，或它们对于多个开口可为不同的。
本书面描述使用了示例来公开本教导，其包括优选实施例，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本文中公开的教导，其包括制作和使用任何装置或系统、以及执行任何合并的方法。可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它实施例具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这样的其它示例旨在在权利要求的范围内。可由本领域的技术人员混合和匹配来自所描述的各种实施例的方面以及对于各个这样的方面的其它已知等同物，以构成根据本申请的原理的附加实施例和技术。如果与附图有关的参考标记放置在权利要求的括号中，则它们仅用于试图增加权利要求的可理解性，并且不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种电机(100)，包括：
包括多个有源转子元件(112)的转子(110)、包括多个有源定子元件(122)的定子(120)、以及分开所述有源转子元件(112)和所述有源定子元件(122)的气隙(115)；
其中所述转子(110)进一步包括一个或多个转子开口(150)，所述转子开口构造成响应所述转子(110)的旋转让环境空气流进入所述电机(100)并且冷却所述有源转子元件(112)和/或所述有源定子元件(122)。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，空气过滤器(155)布置在所述转子开口(150)中的一个或多个中。
3.根据权利要求2所述的电机，其中，所述空气过滤器(155)包括第一过滤级，并且可选地进一步包括用于附加精细过滤的第二过滤级，所述第一过滤级包括导叶分离器。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的电机，其中，一个或多个转子开口(150)设在所述转子的驱动侧盖(131)中和/或所述转子的中心侧盖(132)中和/或所述转子的非驱动侧盖(133)中。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的电机，其中，所述一个或多个转子开口(150)的组合面积占转子侧盖(131、132、133)的总表面的10%与40%之间。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的电机，其中，所述一个或多个转子开口(150)中的一个或多个具有高达2 m2的面积，并且更具体是在0.3 m2与1.5 m2之间的面积。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的电机，其中，所述转子(110)包括两个或更多个开口(150)，具体是在两个与十个之间的开口，并且更具体是在四个与八个之间的开口。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的电机，其中，所述转子开口(150)沿周向方向(142)分布。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的电机，进一步包括在一个或多个转子出口(153)处的一个或多个风扇。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的电机，其中，所述转子(110)环绕所述定子(120)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4686228B2 (ja) * 2005-03-23 2011-05-25 株式会社東芝 全閉外扇形電動機
CN102753821A (zh) * 2011-01-28 2012-10-24 三菱重工业株式会社 风力发电装置
EP2757666B1 (de) * 2013-01-17 2015-06-24 Siemens Aktiengesellschaft Verbesserte Kühlung einer elektrischen Maschine
DE102016125218A1 (de) * 2016-12-21 2018-06-21 Wobben Properties Gmbh Statorträger für einen Stator eines Windenergieanlagengenerators, sowie Stator, Generator und Windenergieanlage mit selbigem
WO2018197058A1 (en) * 2017-04-24 2018-11-01 Siemens Wind Power A/S Filter system for providing air into a generator of a wind turbine
EP3772160A1 (en) * 2019-07-31 2021-02-03 General Electric Renovables España S.L. A stator structure

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