TW201707350A - 無齒輪風力發電廠之轉子 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種一無齒輪風力發電廠(100)之一同步發電機之一轉子之預成型線圈(8)，其用於配置於界定一中心軸之一極靴周圍。根據本發明而提出：該預成型線圈(8)具有複數個繞組(3)且由疊片(2)組成。

Description

無齒輪風力發電廠之轉子

本發明係關於一種一無齒輪風力發電廠之一同步發電機之一轉子之預成型線圈。而且，本發明係關於一種具有此種預成型線圈之發電機，且本發明係關於一種具有此種發電機之風力發電廠。此外，本發明係關於一種用於生產一預成型線圈之方法。

風力發電廠係已知的且具有一發電機。現代且穩健之風力發電廠使用一無齒輪概念，其中發電機在無需一齒輪介入之情況下由風力發電廠之氣動轉子直接驅動。此種發電機亦指稱一無齒輪風力發電廠之一發電機。此種發電機之特徵為大氣隙直徑。此等氣隙直徑可高達10米，如同(例如)一E-126 ENERCON型風力發電廠之情況。就無齒輪風力發電廠而言，4米至5米之氣隙直徑係很常見的。

而且，無齒輪風力發電廠之此等發電機具有多極設計且特定言之，可經設計為環形發電機，其中電性及磁性作用元件基本上僅存在於圍繞氣隙之一環形區域中。

為在不使用永久磁鐵之情況下於轉子中建立一磁場，對各轉子磁極或各極靴提供一勵磁繞組以藉由一適當電激勵而產生磁場。此種發電機或此種同步電機亦可指稱一外激式發電機或外激式同步電機。另外，除非另有指示，否則術語「轉子」在下文中用以係指發電機之轉子。

需要一對應勵磁電流來產生磁場，且尤其在額定操作中，此亦 可導致加熱對應勵磁繞組及對應極靴兩者。此加熱之一重要原因係在勵磁繞組中產生焦耳熱，外激式無齒輪風力發電廠中存在數個勵磁繞組。此加熱可為較顯著的，然繞組歸因於使用銅而一般具有一相對較低電阻。另外，存在以下事實：此等銅繞組之間一般會具有至少妨礙傳熱且因此妨礙散熱之中間空間。而且，此概念對一無齒輪風力發電廠而言會是相當昂貴的(取決於銅之價格)，因為需要大量銅。另一方面，至少在一工業規模生產中之可用材料中，幾乎不存在具有比銅更好之一導電性之材料。

另外，存在以下事實：所描述之外激概念亦會因將極靴及其繞組浸漬於一對應絕緣浴槽中(為絕緣之目的)(此通常依使得整體裝備齊全之轉子被浸漬之一方式實施)之事實而製造昂貴。除藉此所施加之絕緣材料通常會妨礙傳熱且因此妨礙散熱之問題之外，將整個此種轉子浸漬於一對應絕緣浴槽中亦是很昂貴的。

因此，本發明之根本目的係解決上述問題之至少一者。特定言之，本發明將提出一種更便宜及/或更具熱效率之解決方案，特定言之，允許更佳散熱之解決方案。本發明至少將提出先前已知解決方案之一替代解決方案。

根據本發明，提出如技術方案1之預成型線圈。因此，提出一種一無齒輪風力發電廠之一同步發電機之一轉子之預成型線圈，其用於配置於界定一中心軸之一極靴周圍。一預成型線圈在一轉子之一極靴上之此使用隱含：其係相關於一外激式同步發電機。因此，該預成型線圈將配置於該極靴周圍。在此配置中，該預成型線圈亦係此極靴之勵磁繞組且產生在該極靴中被引導且實質上平行於該極靴之一中心軸運行之一磁場。

此處，該預成型線圈具有複數個繞組且由疊片構成。因此，該等繞組由疊片構成。

據此，在各情況中，預成型線圈在此無齒輪同步發電機中由疊片構成。藉此，可(尤其)確保各繞組之該等疊片彼此上下平坦層疊且因此確保至相鄰疊片之改良傳熱可發生於層疊方向上之溫度不同時。而且，傳熱亦可相對較容易地發生於各疊片內，此係因為此處不存在熱絕緣中間空間。此處，傳熱可依一特別直接方式向外徑向發生。

而且，疊片之使用能夠很好地預定其形狀及因此預成型線圈之總體形狀且亦能夠在其他方面影響預成型線圈。

此等疊片較佳地在該極靴之軸向方向上(即，在相對於該極靴之該中心軸之一軸向方向上)層疊。特定言之，該等疊片僅在該極靴之此軸向方向上層疊，即，在各平面中僅具有一個疊片且不具有彼此相鄰之若干疊片。因此，自該極靴或其中心軸開始，該預成型線圈在一徑向方向上不中斷，此係因為若該等疊片僅在一軸向方向上層疊，則各疊片自該極靴一直徑向延伸至外側。據此，可使各層中之熱向外徑向耗散至該預成型線圈之徑向外邊緣。藉此，可使傳熱及因此一冷卻程序依一有利方式構形。

根據一實施例，提出：使該等疊片依使得該預成型線圈具有大於平坦表面之表面，特定言之，具有歸因於該等疊片之斜邊緣及/或歸因於相鄰疊片之不同寬度之波紋或肋紋表面的一方式構形。此係相關於背向該極靴之表面，即，相對於該極靴或其中心軸向外徑向定向之表面。此等表面亦可指稱外表面。特定言之，此可相關於一起形成該預成型線圈之一實質上環形外圓周表面的表面。在此區域中，該等疊片可因此具有斜邊緣。若具有斜邊緣之此等疊片接著彼此上下堆疊或層疊以形成該預成型線圈，則此等斜邊緣一起形成一波紋表面。另外或替代地，可提供不同寬度之疊片，特定言之，具有交替不同寬度之疊片。若此等疊片彼此上下層疊，則各偶數疊片因此突出且藉此形成一肋紋結構或肋紋形狀且因此形成其之一肋紋表面。

由實例呈現之兩種情況之結果係該預成型線圈之總外表面面積增大。具體而言，若各疊片亦自該極靴連續延伸至此波紋或肋紋表面，則可相對較容易傳遞其熱且可在此擴大表面處藉由輻射而更容易地釋放熱。亦存在以下事實：所提供之設計係其中一冷卻介質(諸如氣流)沿此等波紋或肋紋流動以藉此耗散其熱之設計。

根據另一實施例，提出：在各情況中，該預成型線圈具有由一疊片組成之一繞組或一半繞組，且此等疊片經組裝以形成該預成型線圈之該複數個繞組。若一半繞組由一疊片組成或可由一疊片製成，則一較佳提議係此一疊片大致呈L形。此具有以下特定優點：可以非常少之浪費衝切此等疊片。特定言之，可將兩個相同L形狀放置在一起以形成一矩形或將兩個相同L形狀衝切成一矩形形狀。

依此方式，可逐平面製備一疊片，或逐平面製備兩個疊片。因此，此種疊片可基本上由一平面片材形成。可考量之另一選擇係(例如)藉由雷射切割而自整個大片材衝切對應疊片或自該片材切割對應疊片。尤其當使用大量L形疊片時，可以非常少之浪費切割此等疊片。接著，僅需要連接此等個別疊片。此可藉由(例如)焊接或錫焊而完成，且在所提及之兩個此等實例中，此亦導致具有一高導電性之一接合。另外或替代地，可較佳地提供一正鎖定接合(例如一「燕尾」接合)，其中待接合之兩個部分之一者具有大致呈一燕尾外形之一突出部且另一部分具有一對應燕尾槽。

因此，特定言之，依使得依此方式切割或衝切之此形狀與該預成型線圈及因此各相關繞組應環繞其之該極靴匹配之一方式切割或衝切該等疊片。因此，無法藉由使材料圍繞此極靴彎曲而完成將此繞組佈置於此極靴周圍；代替地，依此方式衝切此形狀且不再需要彎曲此形狀。此可形成圍繞此極靴之幾乎任何所要形狀。特定言之，由疊片產生之繞組可依此方式建構且均勻緊密地佈置於銳邊周圍。藉此，藉 由所涉及之原理而避免可發生於材料圍繞此等尖角或銳邊彎曲時之問題。

根據一較佳實施例，該等疊片由鋁製造。鋁具有比銅差之導電性，但重量更輕。因此，可在一定程度上擴大(例如)該轉子或其極靴以及該等預成型線圈(其亦可指稱極靴線圈)之結構形狀。藉此，可產生一轉子，其電特性類似於具有銅線圈之一轉子之電特性，然在一定程度上佔據較少安裝空間。然而，使用鋁之此一設計將比具有一較小總體積之可供比較之銅解決方案輕。而且，可預期，此一鋁解決方案亦將比藉由比較而描述之銅解決方案便宜。因此，即使鋁係比銅差之一導體，但可藉由使用鋁而出人意料地使情況好轉。

根據一實施例，該等疊片由銅製造，特定言之，為利用銅之良好導電性。

較佳地，該預成型線圈之特徵在於：為絕緣之目的，其已被浸漬於含有一絕緣清漆之一浴槽中，特定言之，該預成型線圈不與該極靴及其他纏繞體一起浸漬於含有一絕緣清漆之一浴槽中。在此程序期間，一預成型線圈之其他品質亦證明其價值，即，其可在無該極靴之情況下具有一高機械穩定性。因此，可為了絕緣而將未安裝於該極靴上之該預成型線圈浸漬至含有一絕緣清漆之一浴槽中。特定言之，此浸漬操作可無需浸漬整體轉子。即，此浸漬，特定言之，該預成型線圈之單獨浸漬亦自以下事實明顯看出：該絕緣清漆完全均勻地浸濕該預成型線圈之該等疊片且在硬化之後依一對應均勻方式包覆該預成型線圈之該等疊片。較佳地，在確保疊片之平面之間的至少一小間隔之情況下於一略微散開狀態中浸漬該預成型線圈，使得該絕緣清漆亦到達該等疊片之間。

根據本發明，進一步提出一發電機，其被提供給一無齒輪風力發電廠且具有一轉子，該轉子具有依上文結合至少一實施例所描述之 方式設計之預成型線圈。

根據本發明，進一步提出一種具有此種同步發電機之風力發電廠。

根據本發明，進一步提出如請求項10之用於生產一預成型線圈之方法。

據此，首先自一大片材切割或衝切疊片，特定言之，兩個疊片。接著，此等疊片經連接以根據其中存在該等疊片之形成體及該等疊片之數目而形成一或多個繞組。特定言之，所衝切或切割之疊片之數目足以允許生產預成型線圈之完整繞組。

例如，下列程序可使得40個L形疊片經衝切或切割成具有含20匝之一繞組之一預成型線圈。接著，此等L形疊片逐步經組裝且經連接(例如，經焊接或錫焊)以藉此形成此組裝繞組。特定言之，在各情況中，於一子步驟中連接兩個L形疊片以形成此實例中之一繞組。若適當，則第一疊片及第四十疊片不同於其他38個疊片，此係因為此等兩個疊片必須具有對應連接。否則，亦可假定：完整繞組基本上形成預成型線圈。此處，此等兩個元件之間存在一用詞差異，其主要是因為繞組亦可表示完成預成型線圈之一中間狀態，例如無絕緣清漆之一預成型線圈。

據此，亦提出將依此方式生產之繞組浸漬於含有一絕緣清漆之一浴槽中以藉此使此繞組絕緣(更明確言之，亦使個別匝及因此個別疊片彼此絕緣，當然，連接點除外)，然此處亦可考量再次移除外加絕緣清漆。

根據本發明，進一步提出一種用於生產一極靴之方法，該極靴具有一預成型線圈。據此，首先生產根據所描述之實施例之至少一者之一預成型線圈或使其可用。為此，可根據根據實施例之至少一者而描述之一產生方法而實施生產。

接著，將該預成型線圈安裝或推動至該極靴上，接著，尤其使用合成樹脂來填充因此與該極靴組裝之該預成型線圈。此處，可使用習知合成樹脂，其在其他情況中亦用於浸漬或填充線圈或變壓器。

藉此，可使此預成型線圈良好且牢固地且依一相對較簡單方式緊固於該極靴上。此解決習知繞組無法給出一牢固接合之問題。

在此程序期間，較佳地使用由鋁製成之一預成型線圈，且此可藉由所描述之生產及連接方法而被良好緊固。同時，亦考量以下事實：在溫度升高時，鋁比銅膨脹更多且亦比在此情況中應位於該極靴上之核心明顯膨脹更多。

另外或替代地，提出：該預成型線圈依使得其可以一特定遊隙量鬆弛地放置或推動至該極靴上之一方式定尺寸。此處，亦考量不同膨脹係數，且鑑於該預成型線圈之此略微較大定尺寸而獲得該預成型線圈與該極靴之間的一對應略微較大中間空間。接著，此依所描述之方式由樹脂填充且據此使用更多樹脂，且在適用時，此可因此提供可歸因於所提及之不同溫度係數而變得必要之補償。

現將在下文中藉由參考附圖之實例而更詳細解釋本發明。

圖1展示具有一塔102及一機艙104之一風力發電廠100。具有三個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106配置於機艙104上。在操作中，由風力促使轉子106旋轉，藉此，轉子106驅動機艙104中之一發電機。

圖2展示兩個L形疊片2之一平面圖。此等兩個L形疊片2可具有相同形狀且在接點4處彼此連接以形成一繞組3。藉此，可避免繞組彼此重疊。在另外連接邊緣6及7處，兩個L形疊片2可連接至其他疊片(即，在一更高或更低層級或平面處)以產生一預成型線圈，然此未展示於圖2中。

接著，圖3示意性地展示一完成繞組8，其由八個層及因此根據 圖2之16個L形疊片2構成。因此，繞組8基本上已形成一預成型線圈。

圖4展示一繞組8'之四個層之一側視圖，其對應於自圖3中所展示之繞組8之右邊觀看之一視圖。然而，圖4或圖5中未展示接點4。代替地，圖4意欲藉由展示其輪廓而繪示外表面10。此外表面10由個別疊片2'之邊緣形成，疊片2'歸因於一按壓操作而具有一彎曲邊緣12。此等疊片2'之層疊及其彎曲邊緣12導致所展示之波紋表面10，圖4中自選定視角展示波紋表面10之輪廓。

圖4亦展示一繞組8'之一細節，一空氣通道14形成於此等兩個繞組8'之間，該通道之側壁由外表面10之輪廓界定。

因此，一方面，確保外表面10之表面面積因彎曲邊緣12而擴大且確保獲得具有導溝或導槽之一空氣通道14。

圖5展示疊片2"之一替代實施例。此等疊片2"具有切割邊緣16，其因此亦導致具有一擴大表面面積之一外表面18。

除一子繞組8"之外，亦詳細展示兩個另外子繞組8"。圖5中之子繞組8"之說明圖僅意欲繪示所得空氣通道20及20'之各種可能性。就空氣通道20(即，繪示於圖5中之左邊上之空氣通道)而言，切割邊緣16在空氣通道20之兩側上沿相同方向定向且藉此使空氣通道20成形。

在右邊上所繪示之空氣通道20'中，相鄰切割邊緣16及16'在相反方向上對準，其不影響外表面18或18'之大小，但影響空氣通道20'之形狀。

最後，圖6展示一繞組68之部分之一透視圖，在各情況中，繞組68在接點64處由五個L形疊片62組裝。圖6中之繞組68或子繞組68進一步被展示為稍微散開。在此位置中，可將此子繞組68有效地浸漬至一絕緣清漆浴槽中。然而，此展示僅供說明，且提出此一絕緣浸漬程序較佳地僅用於一完整繞組，即，當已新增另外疊片62時。

圖7示意性地展示一發電機130之一側視圖。發電機130具有一定 子132及一電動轉子134(其經安裝以便可相對於定子132旋轉)，且使用一軸頸136來藉由其定子132而固定於一機器支承138上。定子132具有一定子支承140及定子疊片總成142，定子疊片總成142形成發電機130之定子磁極且使用一定子環144來固定於定子支承140上。電動轉子134具有轉子極靴146，其形成轉子磁極且使用一轉子支承148及軸承150來安裝於軸頸136上以便可圍繞旋轉軸152旋轉。定子疊片總成142及轉子極靴146僅相隔一窄氣隙154，氣隙154係數毫米寬，特定言之，小於6毫米，但具有數米，特定言之，大於4米之一直徑。定子疊片總成142及轉子極靴146各形成一環且亦一起呈環形，因此，發電機130係一環形發電機。根據其目的，發電機130之電動轉子134與氣動轉子之轉子轂156一起旋轉，圖中指示該氣動轉子之轉子葉片158之初始區段。

根據本發明，提出一種由組裝疊片構成之預成型線圈。此預成型線圈亦可指稱一極靴線圈。由自金屬片切割之完整繞組或半繞組組成之此等極靴線圈較佳地藉由適合連接技術而接合在一起。因此，獲得一疊片線圈。焊接(例如摩擦攪拌焊接)及錫焊係特別適合之連接技術，此係因為可藉此產生所需導電接合。

例如，雷射切割、水切割或衝切係可考量之適合切割技術。就切割而言，半繞組具有以下優點：其可被切割成一L形狀或由儘可能類似之片材形成且因此幾乎沒有浪費。

當使用完整繞組時，存在相較於半繞組之以下優點：僅需要一半接合，而當按尺寸切割時，存在相當多的浪費。

本發明之一顯著優點係：其提供比由導線纏繞之線圈改良之極靴線圈之冷卻。特定言之，此藉由以下事實而達成：熱可直接流動至所提出解決方案之各繞組中之線圈表面。與沿邊纏繞之線圈(即，其中片材或類似導電材料配置有圍繞中心軸且非垂直於中心軸之表面) 相比，切割疊片線圈可被製成任何所要二維幾何形狀且因此無需任何彎曲梯度。然而，除此之外，沿邊纏繞之線圈可具有類似於本文所提出之解決方案之優點，如關於熱通量。

對於所提出之預成型線圈或疊片線圈或極靴(此等術語可同義使用)，銅及鋁係適合的。出於上文已解釋之原因，本發明提議較佳地使用鋁。

此外，提出：可給予線圈適合於藉由適合切割工具或適合後處理而冷卻之輪廓。例如，可在外邊緣處傾斜切割線圈以透過彼此上下佈置之繞組而在線圈之外表面處產生一Z形表面。依此方式擴大之表面面積導致更多熱傳遞至冷卻介質(其一般為磁極之間的空氣)。金屬片之個別繞組可依同樣方式被擠壓成一形狀，使得適合幾何形狀之一冷卻接頭或冷卻肋形成於(例如)外邊緣處。

因此，藉由本發明而特別達成線圈之較佳冷卻。藉由導體材料內之非常良好熱通量(即，在一繞組之疊片內自內向外)，所產生之熱可直接耗散於線圈表面處。

除浸漬由疊片生產之繞組之外，亦可考量使用預絕緣疊片。然而，必須在焊縫處執行再絕緣。

而且，所提出之解決方案不僅獲得比習知纏繞線圈好之導熱性及散熱性，且獲得比習知纏繞線圈略微更佳之一填充因數。

此外，所提出之解決方案可導致一較大或較高繞組頭，但一無齒輪風力發電廠之一發電機中一般存在足夠空間來供此使用。可由一或兩個另外繞組容易地補償發生之任何磁損耗增加。

2‧‧‧疊片/半繞組

2'‧‧‧疊片

2"‧‧‧疊片

3‧‧‧繞組

4‧‧‧接點

6‧‧‧連接邊緣

7‧‧‧連接邊緣

8‧‧‧預成型線圈/繞組

8'‧‧‧繞組

8"‧‧‧子繞組

10‧‧‧外表面

12‧‧‧彎曲邊緣

14‧‧‧空氣通道

16‧‧‧切割邊緣/斜邊緣

16'‧‧‧切割邊緣

18‧‧‧外表面

18'‧‧‧外表面

20‧‧‧空氣通道

20'‧‧‧空氣通道

62‧‧‧疊片

64‧‧‧接點

68‧‧‧繞組

100‧‧‧無齒輪風力發電廠

102‧‧‧塔

104‧‧‧機艙

106‧‧‧轉子

108‧‧‧轉子葉片

110‧‧‧旋轉器

130‧‧‧發電機

132‧‧‧定子

134‧‧‧電動轉子

136‧‧‧軸頸

138‧‧‧機器支承

140‧‧‧定子支承

142‧‧‧定子疊片總成

144‧‧‧定子環

146‧‧‧轉子極靴

148‧‧‧轉子支承

150‧‧‧軸承

152‧‧‧旋轉軸

154‧‧‧氣隙

156‧‧‧轉子轂

158‧‧‧轉子葉片

圖1展示一風力發電廠之一透視圖。

圖2示意性地展示一預成型線圈之兩個L形疊片。

圖3展示由如圖2中所展示之疊片組成之一預成型線圈或一預成 型線圈之繞組之一透視示意圖。

圖4及圖5繪示不同波紋表面之一側視圖，其繪示輪廓。

圖6展示一預成型線圈之一繞組之部分之一透視圖。

圖7展示配置於一機艙中之一發電機之一細節。

2‧‧‧疊片/半繞組

4‧‧‧接點

8‧‧‧預成型線圈/繞組

Claims (13)

1. 一種一無齒輪風力發電廠(100)之一同步發電機之一轉子之預成型線圈(8)，其用於配置於界定一中心軸之一極靴周圍，其中該預成型線圈(8)具有複數個繞組(3)且由疊片(2)構成。
2. 如請求項1之預成型線圈(8)，其中該等繞組(3)在該極靴之軸向方向上層疊，特定言之，僅在該極靴之軸向方向上層疊。
3. 如請求項1或2之預成型線圈(8)，其中使該等疊片(2)依使得該預成型線圈(8)具有大於平坦表面之表面(10)，特定言之，具有歸因於該等疊片(2)之斜邊緣(16)及/或歸因於相鄰疊片(2)之不同寬度之波紋或肋紋表面的一方式構形。
4. 如請求項1或2之預成型線圈(8)，其中在各情況中，一繞組(3)或一半繞組(2)由一個疊片(2)組成，且此等疊片(2)經組裝以形成該預成型線圈(8)之該複數個繞組(3)。
5. 如請求項1或2之預成型線圈(8)，其中該等疊片(2)由鋁或銅製造。
6. 如請求項1或2之預成型線圈(8)，其中為絕緣之目的，已將該預成型線圈(8)浸漬於含有一絕緣清漆之一浴槽中，特定言之，該預成型線圈(8)不與該極靴一起浸漬於含有一絕緣清漆之一浴槽中。
7. 如請求項1或2之預成型線圈(8)，其中在各情況中，兩個L形疊片經連接以形成一繞組，其中各對L形疊片具有一相同形狀且該兩個疊片藉由一接點彼此連接以形成一繞組。
8. 一種一無齒輪風力發電廠(100)之同步發電機，其具有一轉子，該轉子具有如請求項1至7中之任一項之至少一預成型線圈(8)。
9. 一種風力發電廠(100)，其具有如請求項8之同步發電機。
10. 一種用於生產如請求項1至7中之一項之預成型線圈(8)之方法，其包括以下步驟：衝切或切割至少兩個疊片(2)以產生該預成型線圈(8)之一或多個繞組(3)；及連接該等疊片(2)以形成一或多個繞組(3)，特定言之，形成該預成型線圈(8)之一完整繞組(8)。
11. 如請求項10之方法，其中在連接該完整繞組(8)之該等疊片(2)之後，將該繞組(8)浸漬於含有一絕緣清漆之一浴槽中。
12. 一種用於生產具有一預成型線圈(8)之一極靴之方法，其包括以下步驟：生產如請求項1至7中之一項之預成型線圈(8)或使該預成型線圈(8)可用；將該預成型線圈(8)放置於該極靴上；及填充該預成型線圈(8)與該極靴之間的中間空間，特定言之，使用合成樹脂來填充該預成型線圈(8)與該極靴之間的中間空間。
13. 如請求項12之方法，其中該預成型線圈(8)由鋁製造，及/或使該預成型線圈(8)依使得其可以一特定遊隙量鬆弛地放置於該極靴上之一方式定尺寸。