TW201707348A - 風力發電場，用於風力發電場之同步發電機的極組件及同步發電機 - Google Patents

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沃希奇 金吉爾
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Abstract

本發明係關於一種同步發電機及一種用於一風力發電場(100)之一同步發電機之一轉子之極組件(10)。該極組件(10)具有複數個極組件疊片(22)，其中每一極組件疊片(22)包括一極柄區域(20)及一極頭區域(18)。該極頭區域(18)橫向突出超過該極柄區域(20)，且具有面向該極柄區域(20)之一側(32)及背離該極柄區域(20)之一側(30)。該極頭區域(18)之輪廓至少在背離該極柄區域(20)之彼側(30)上為橢球形。

Description

風力發電場，用於風力發電場之同步發電機的極組件及同步發電機
本發明係關於一種風力發電場及風力發電場之一同步發電機之極組件，且特定而言，係關於極組件之極組件疊片及一風力發電場之一同步發電機。
風力發電場(特定而言，包含無齒輪風力發電場)根據先前技術係已知的。風力發電場由直接連接至一發電機之轉子之一空氣動力轉子驅動。自風力獲得之動能藉由發電機中之轉子之運動而被轉化為電能。因此，發電機之轉子以與空氣動力轉子相同之緩慢旋轉速度進行旋轉。
為考量此種類型之一緩慢旋轉速度，發電機具有相對於標稱功率相對較大之一發電機直徑且具有一大氣隙直徑。該氣隙由轉子側上之極組件定界，其中此等極組件包括大數目個經沖壓極組件疊片，該等經沖壓極組件疊片一個在另一個上地分層堆放且(舉例而言)彼此經焊接以形成極組件。
根據先前技術，極組件之極組件疊片具有一極柄區域及橫向突出超過極柄區域之一極頭區域。極組件之極組件疊片之極柄區域(此等極柄區域一個接一個地配置)具備一繞組，且一電場電流被供應至 此繞組。因此，極組件及對應繞組連同場電流一起產生磁場激磁。此磁場激磁致使具有繞組之極組件用作同步發電機之轉子之磁極。
為此，已知通常形成極頭區域，使得在極頭區域與同步電機之定子之間存在儘可能窄之一實質上恆定氣隙，使得產生於轉子中且作用於發電機之定子上以用於產生能量之磁力之量值最大化。
然而，此種類型之發電機具有如下問題：因配置於轉子上之極組件而產生轉矩波動，且極組件之間的間隙因此等轉矩波動而產生僅由極靴及繞組產生之磁場之一不穩定量變曲線。
此等轉矩波動通常具有取決於轉子之旋轉速度之一頻率且導致發電機中之振盪，該等振盪亦可被傳輸至傳動系或風力發電場之其他部件並被此等部件之進一步振盪疊加。在持續操作之情況下，此種類型之振盪可導致對場之損壞及噪音之一不期望發展。
已努力使此等振盪最小化，其中出於此目的，已修改繞組之配置及幾何形狀。然而，目前為止，此等努力並未產生期望結果。
因此，本發明之目標係使一發電機之轉矩波動以及因此而發生且導致對場之損壞及噪音之不期望發展的振盪變平穩，或至少影響自該等振盪產生之經疊加振盪之頻率，使得該等經疊加振盪中所含有之振盪之不期望頻率最小化。
德國專利及商標局已審查以下本申請案之優先權申請案中之先前技術：WO 2012/168238 A2、US 2012/0080973 A1、WO 2012/107109 A1及DE 10 2013 206 121 A1。
根據本發明，該目標藉由用於一風力發電場之一同步發電機之一極組件而達成，該極組件具有複數個極組件疊片。該等極組件疊片中之每一者具有一極柄區域及一極頭區域。該極頭區域橫向突出超過該極柄區域。此外，該極頭區域具有面向該極柄區域之一側及背離該極柄區域之一側，其中至少在背離該極柄區域之彼側上的該極頭區域 之輪廓為橢球形或具有一橢球形外形，亦即，對應於或類似於一橢圓形路徑之一部分。
一橢圓具有一長軸。該長軸對應於延續穿過橢圓之中心點且連接長頂點或者橢圓輪廓或橢圓形路徑之長軸上之頂點(特定而言，對應於在橢圓輪廓或橢圓形路徑上彼此相距最大距離的橢圓輪廓或橢圓形路徑之點)之一直線。長軸被中心點分成兩個半長軸。
短軸相對於長軸係垂直的且延續穿過橢圓之中心點。短軸被中心點分成兩個半短軸。因此，短軸具有短頂點或短軸上之頂點，在該等頂點處之點處，短軸觸及橢圓輪廓或橢圓形路徑。
因此，根據本發明之極組件疊片因此具有(至少在頂部側處)為橢球形或至少在極組件疊片之最寬點處的輪廓之點之間呈一橢圓形路徑之形式的一輪廓。在此情況中，頂部側對應於其點沿定子之方向遠離轉子的一極組件疊片之側。因此，極頭區域在其頂部側上之輪廓對應於至少在一橢圓之兩個頂點之間的一橢圓形路徑。
因此，根據本發明之極組件疊片因其頂部側上之一橢球形圓形部分而不同於具有一不穩定梯度或圓形部分(其在轉子之旋轉方向之線路中僅匹配至定子)之已知極組件疊片，以在極組件之區域中達成儘可能恆定之一氣隙。
具有至少在頂部側上為橢球形之一極頭區域(亦即，具有在頂部側上具有一橢球形輪廓之一極頭區域)之極組件產生隨極頭區域之線路不斷改變之一轉子磁場。由於沿著轉子之旋轉方向進行觀察，因此在極組件之區域中存在磁場之一持續改變，與在習用轉子中相比，該磁場在邊緣區域處更嚴重地變弱。此在極組件與處於極組件之間的間隙之間產生磁力之一較小差異，作為此之一結果，繼而又使轉矩波動減小或變平穩。
根據本發明之極組件特別有利地致使環式發電機中之轉矩波動 減小及/或變平穩。
對於根據本發明之極組件之構形，針對與使用習用極組件時相對相等之一轉矩，由於氣隙之大小之增加，因此接受轉子中需要一增大之場電流。
根據本發明之一第一實施例，極頭區域在背離極柄區域之彼側(亦即，頂部側)上以及至少在突出超過極柄區域之極頭區域之邊緣區域中的輪廓為橢球形。
因此，極頭區域在背離極柄區域之彼側上之輪廓及(另外)鄰接輪廓之該區域的極頭區域之輪廓之一部分(特定而言，其突出超過極柄區域且面向極頭區域之面向極柄區域之側)為同樣之橢球形或對應於一橢圓形路徑之部分。
因此，根據此實施例，提供其極組件疊片各自具有一極頭區域之極組件，該極頭區域在頂部側上及在各別極頭區域之邊緣區域中具有一橢球形輪廓。
由於極頭區域之此種類型之一輪廓，因此以使轉矩波動進一步變平穩之一方式進一步影響由極組件及線圈產生之磁場。
根據另一實施例，極頭區域之橢球形輪廓之半長軸相對於極頭區域之橢球形輪廓之半短軸的比率對應於自2至8或自4至6之範圍中之一值。
根據另一有利實施例，極頭區域之橢球形輪廓之半長軸相對於極頭區域之橢球形輪廓之半短軸的比率對應於自4.8至5.2之範圍中之一值。
根據另一有利實施例，極頭區域之橢球形輪廓之半長軸相對於極頭區域之橢球形輪廓之半短軸的比率對應於一值5.1、特定而言係5.125。
極頭區域之橢球形輪廓之半長軸相對於半短軸之此該等比率產 生轉矩波動之一特別有利之最小化，此乃因在極組件之區域中因橢圓之此形式而發生磁場之一特別穩定改變。
根據另一實施例，一極組件具有複數個極組件分段，其中每一情況中之每一極組件分段皆具有一或多個極組件疊片。極組件疊片之每一極柄區域進一步具有一第一中心線，且極組件疊片之每一極頭區域具有一第二中心線。根據此實施例，第一中心線與第二中心線之間的距離至少在彼此毗鄰的極組件分段中之兩者中係不同的。
發電機之轉矩波動因相對於彼此偏移的一極組件之此等極組件分段而進一步變平穩。
根據另一實施例，極組件分段在平面圖中呈一箭頭之形狀及/或係鏡像對稱的。由於箭頭形狀或鏡像對稱設計，毗鄰極組件之邊緣區域至少在極頭區域之邊緣區域中重疊，如沿水平方向可見。因此，使轉矩波動進一步變平穩。
此外，根據上文所提及實施例中之一者，本發明包括一風力發電場及用於一風力發電場之一同步發電機、特定而言一風力發電場同步發電機，該同步發電機具有一定子及一轉子(特定而言，一風力發電場同步發電機轉子)以及複數個極組件(特定而言，風力發電場同步發電機轉子極組件)。
根據另一實施例，氣隙寬度或定子與轉子之間的寬度係不恆定的且因此在極組件之區域中不斷地或穩定地改變，如沿圓周方向可見。
此種類型之一同步發電機藉由有利地使轉矩波動變平穩而相對於轉矩波動具有一特別有利作用。
圖1展示根據本發明之一風力發電場之一示意性圖解。風力發電場100具有一塔架102及塔架102上之一機艙104。在機艙104上提供具有三個轉子葉片108及一導流罩110之一空氣動力轉子106。在風力發電場之操作期間，藉由風力而使空氣動力轉子106旋轉，且因此，直接或間接耦合至空氣動力轉子106之一發電機(特定而言，一同步發電機)之一轉子亦旋轉。發電機配置於機艙104中且產生電能。轉子葉片108之俯仰角可藉由各別轉子葉片108之轉子葉片根部處之俯仰馬達而改變。
以下所闡述之極組件係用於一同步發電機之一轉子或一環式發電機之一轉子。
圖2展示根據本發明之一第一例示性實施例之穿過一同步發電機之一轉子之一極組件之一示意性剖面圖。極組件10具有若干極組件分段12、14、16。每一極組件分段12、14、16具有一極組件疊片22或複數個相同極組件疊片22。每一極組件疊片22具有一極頭區域18及一極柄區域20。
在圖2中，圖解說明極頭區域18及極柄區域20，使得其由一分割線23分割，其中此分割線23並不表示極組件疊片22之一接縫，而是出於更好地理解目的而圖解說明。因此，極組件疊片22較佳地各自整體地形成，且出於生產目的，將(特定而言)被沖壓。極柄區域20係實質上矩形的且視情況在下部區域中具有兩個凸耳24。
極頭區域18沿著延續穿過第一極組件分段12之頂點28a、28b之虛 線26被細分為一上部部分30及一下部部分32。在此情況中，極頭區域18之上部部分30對應於背對極柄區域20之一側30且具有一橢球形輪廓31，其中對應於面向極柄區域20之一側32之下部部分32亦至少部分地具有一橢球形輪廓31。極頭區域18橫向延伸超過極柄區域20。
因此，極頭區域18在背離極柄區域20之彼側30上(特定而言，極頭區域18之上部側30)之輪廓31為橢球形。此外，突出超過極柄區域20的極頭區域18之輪廓31之一鄰接部分(其在極頭區域18之面向極柄區域20且因此對應於極頭區域18之下部部分32之側32上)亦為橢球形。
針對所圖解說明之第一極組件分段12，極頭區域18因此沿著極頭區域18之輪廓31自點35至點36具有一橢球形形式，如沿順時針方向可見。
極頭區域(其輪廓呈一橢圓形路徑之形式)之輪廓之半長軸37相對於半短軸38之比率對應於自4至6之範圍中之一值。
極組件分段12、14、16中之每一者具有一極組件疊片22或複數個相同極組件疊片22，其中極組件分段12、14、16之極組件柄20具有一共同中心線39，而極組件分段12、14、16之極頭區域18各自具有平行於極柄區域20之中心線39延續且在每一情況中皆延續穿過由極頭區域形成之橢圓之中心點的一中心線40。毗鄰極組件分段12、14、16之極頭區域18之此等中心線40位於距極柄區域之中心線39之不同距離處。
因此，毗鄰極組件分段12、14、16之極頭區域18相對於彼此而偏移。因此，一極組件分段12、14、16之極柄區域20相對於毗鄰極組件分段12、14、16中之各別極頭區域18之位置係不同的。
圖3展示具有複數個極組件分段12、14、16之一極組件10之一示意性平面圖，其中上部區域45中之極組件10相對於下部區域46中之極組件10以一鏡像對稱方式配置。整個極組件10具有一箭頭形狀配置。
圖4展示極組件10之一側視圖。根據本發明之極組件10各自具備一繞組，且此繞組被供應有一電流，使得極組件10及對應繞組連同一場電流一起產生磁場激磁。此磁場激磁致使具有繞組之極組件10用作一磁極。因此，形成具有一極組件10、一繞組及一場電流之一電機之極。
根據一項實施例，極組件疊片22藉助分割方法而產生，其中該分割涉及一沖壓(punching-out)操作、一雷射操作、一水刀切割操作或一切斷操作。根據本發明之極組件10用於在一同步發電機(特定而言，一外部激磁式同步發電機)之一轉子上產生激磁場。
根據本發明之風力發電場之同步發電機(亦即，風力發電場同步發電機)較佳地為一環式發電機或一同步環式發電機。一無齒輪風力發電場之此種類型之一多極同步環式發電機具有大數目個定子極、特定而言至少48個定子齒、通常甚至多得多之定子齒、特定而言(諸如)96個定子齒或甚至更多定子齒。
環式發電機之磁性作用區域(特定而言，轉子及定子兩者之磁性作用區域)配置於同步發電機之旋轉軸周圍之一環形區域中。因此，特定而言，氣隙之自0%至至少50%之半徑之一區域不具有攜載同步發電機之電流或電場之材料。特定而言，此內部空間係完全空閒的且原則上亦可利用。此區域通常亦大於0%至50%之氣隙半徑、特定而言至多0%至70%或甚至0%至80%之氣隙半徑。取決於設計，在此內區域中可存在一攜載結構，但在某些實施例中，該攜載結構可軸向偏移。
根據本發明，極組件用於一同步發電機轉子中或在一環式發電機轉子中。同步發電機及環式發電機兩者表示具有小於30、25或甚至20轉數/分鐘之一旋轉速度之一緩慢旋轉之同步發電機。
同步發電機轉子或環式發電機轉子之直徑通常為數米，其中氣隙直徑為至少3米或甚至大於5米。同步發電機或環式發電機具有至少 100千瓦、至少500千瓦或較佳地至少1百萬瓦(但亦可為3 MW或至多10 MW)之一功率。
10‧‧‧極組件
12‧‧‧極組件分段/第一極組件分段
14‧‧‧極組件分段
16‧‧‧極組件分段
18‧‧‧極頭區域/橢圓
20‧‧‧極柄區域/極組件柄
22‧‧‧極組件疊片
23‧‧‧分割線
24‧‧‧凸耳
26‧‧‧虛線
28a‧‧‧頂點
28b‧‧‧頂點
30‧‧‧上部部分/側/上部側
31‧‧‧橢球形輪廓/輪廓
32‧‧‧下部部分/側
35‧‧‧點
36‧‧‧點
37‧‧‧半長軸
38‧‧‧半短軸
39‧‧‧中心線/第一中心線
40‧‧‧中心線/第二中心線
44‧‧‧上部區域/距離
46‧‧‧下部區域
100‧‧‧風力發電場
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧空氣動力轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧導流罩
下文參考圖式將更詳細地闡釋本發明之例示性實施例。
圖1展示一風力發電場， 圖2展示根據本發明之一第一例示性實施例之穿過一極組件之一示意性剖面圖， 圖3展示根據本發明之一例示性實施例之一極組件之一平面圖，且 圖4展示根據本發明之一例示性實施例之一極組件之一側視圖。
10‧‧‧極組件
12‧‧‧極組件分段/第一極組件分段
14‧‧‧極組件分段
16‧‧‧極組件分段
18‧‧‧極頭區域/橢圓
20‧‧‧極柄區域/極組件柄
22‧‧‧極組件疊片
23‧‧‧分割線
24‧‧‧凸耳
26‧‧‧虛線
28a‧‧‧頂點
28b‧‧‧頂點
30‧‧‧上部部分/側/上部側
31‧‧‧橢球形輪廓/輪廓
32‧‧‧下部部分/側
35‧‧‧點
36‧‧‧點
37‧‧‧半長軸
38‧‧‧半短軸
39‧‧‧中心線/第一中心線
40‧‧‧中心線/第二中心線
44‧‧‧上部區域/距離

Claims (9)

  1. 一種風力發電場，其具有一同步發電機、特定而言一環式發電機，其中該同步發電機具有至少500千瓦之一功率、至少三米之一氣隙直徑以及一定子及一轉子，且該轉子具有複數個極組件(10)，其中每一極組件(10)具有複數個極組件疊片(22)，且每一極組件疊片(22)包括一極柄區域(20)及一極頭區域(18)，其中該極頭區域(18)橫向突出超過該極柄區域(20)，且該極頭區域(18)具有面向該極柄區域(20)之一側(32)及背離該極柄區域(20)之一側(30)，且其中該極頭區域(18)之輪廓(31)至少在背離該極柄區域(20)之彼側(30)上為橢球形或類似於一橢圓形路徑。
  2. 如請求項1之風力發電場，其中該極頭區域(18)在背離該極柄區域(20)之彼側(30)上之輪廓及突出超過該極柄區域(20)且面向該極頭區域(18)之面向該極柄區域(20)之該側(32)的該極頭區域(18)之該輪廓(31)之至少一鄰接部分為橢球形或類似於一橢圓形路徑。
  3. 如請求項1或2之風力發電場，其中藉由該極頭區域之該輪廓(31)而描畫的橢圓(18)之半長軸(37)相對於半短軸(38)之比率對應於自4至6之範圍中之一值。
  4. 如請求項1或2之風力發電場，其中藉由該極頭區域之該輪廓(31)而描畫的該橢圓(18)之該半長軸(37)相對於該半短軸(38)之該比率對應於自4.8至5.2之範圍中之一值、特定而言係5.1。
  5. 如請求項1或2之風力發電場，其中 該極組件(10)包括複數個極組件分段(12、14、16)，且每一情況中之每一極組件分段(12、14、16)皆包括一或多個極組件疊片(22)，且該等極組件疊片(22)之每一極柄區域(20)具有一第一中心線(39)，且每一極頭區域(18)具有一第二中心線(40)，其中該第一中心線(39)與該第二中心線(40)之間的距離(44)在至少兩個毗鄰極組件分段(12、14、16)中係不同的。
  6. 如請求項5之風力發電場，其中該等極組件分段(12、14、16)之配置在平面圖中呈一箭頭之形狀及/或係鏡像對稱的。
  7. 如請求項1或2之風力發電場，其中該定子與該轉子之間的一氣隙在該等極組件(10)之區域中沿圓周方向具有一非恆定寬度。
  8. 一種極組件，其用於特定而言如請求項1至7中任一項之風力發電場之一風力發電場的一同步發電機之一轉子，其中該極組件(10)具有複數個極組件疊片(22)，且每一極組件疊片(22)包括一極柄區域(20)及一極頭區域(18)，其中該極頭區域(18)橫向突出超過該極柄區域(20)，且該極頭區域(18)具有面向該極柄區域(20)之一側(32)及背離該極柄區域(20)之一側(30)，且其中該極頭區域(18)之輪廓(31)至少在背離該極柄區域(20)之彼側(30)上為橢球形或類似於一橢圓形路徑。
  9. 一種同步發電機，特定而言，其用於特定而言如請求項1至7中任一項之風力發電場(100)，該同步發電機具有一定子及一轉子，該轉子具有複數個如請求項8之極組件(10)，其中該定子與該轉子之間的一氣隙在該等極組件(10)之區域中沿圓周方向具有一非恆定寬度。
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