專利名稱：帶有雙邊定子的電機的制作方法
技術領域：
本申請包括涉及到與本申請同時提交的題為“帶有雙邊疊片組的電機”的美國專利申請No.10/951329(代理人檔案號No.148901-2)的主題，該申請通過引用結合于本文中。
本發(fā)明大體上涉及風力渦輪發(fā)電機和船舶推進電動機。
背景技術：
風通常被視為太陽能的一種形式，它是因太陽對大氣的不均勻加熱、地球表面的不規(guī)則性以及地球的自轉所造成的。風的流型被地球的地形、水體和植被所改變。用語“風能”或“風力”描述了風被用來產(chǎn)生機械動力或發(fā)電的過程。
通常來說，風力渦輪用來將風中的動能轉化成機械動力。這種機械動力可用于特定的工作(例如磨谷物或者抽水)，或者可用發(fā)電機來將該機械動力轉化成電力。風力渦輪通常包括空氣動力機構，其用于將空氣的運動轉化成機械動力，然后由發(fā)電機將該機械動力轉化成電力。發(fā)電機的功率輸出與風速的立方成比例。當風速加倍時，風力發(fā)電機的容量增加了幾乎八倍。
大部分可買到的風力渦輪采用齒輪傳動系來將渦輪葉片連接在風力發(fā)電機上。風使渦輪葉片轉動，渦輪葉片使軸自轉，軸裝在齒輪箱中并連接在風力發(fā)電機上并進行發(fā)電。齒輪傳動裝置旨在增加機械運動的速度。齒輪傳動裝置的缺點在于，它降低了風力渦輪的可靠性，并且增大了風力渦輪的噪聲和成本。
也可以買到一些采用直接驅(qū)動式發(fā)電機的風力渦輪。直接驅(qū)動式發(fā)電機的大直徑提出了在工廠和在風力渦輪安裝現(xiàn)場的運輸和裝配方面的比較困難的挑戰(zhàn)。隨著風力渦輪行業(yè)的成熟和技術改進，將需要更大的額定功率來繼續(xù)實現(xiàn)能耗的降低。用于陸上渦輪機的標準額定功率預期在今后若干年內(nèi)會達到3MW或更大，而海上渦輪機預期會達到5MW或更大。
為了使風力渦輪發(fā)展至較高的額定功率，傳統(tǒng)的方法是增大直接驅(qū)動式發(fā)電機的直徑或軸向(層疊)長度。單純從發(fā)電機電磁的角度來看，增大直徑是優(yōu)選的，但從運輸、框架和裝配的角度來看就沒有吸引力，尤其是對于陸上渦輪機而言。在保持直徑小于約4.1-4.3米的同時增大發(fā)電機的軸向長度緩解了陸上渦輪機的運輸問題，但會導致復雜和昂貴的框架結構以及較長的軸向長度。
因此，需要提供具有較大額定功率和較小直徑的成本效率合算的風力渦輪。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種風力渦輪。該風力渦輪的發(fā)電機包括至少兩個同心的氣隙。在一個示例性實施例中，該發(fā)電機是雙邊發(fā)電機，其包括至少一個帶有內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心的轉子，以及至少一個帶有內(nèi)定子邊和外定子邊的雙邊定子。該至少一個雙邊定子同心地設在內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心之間。
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種風力渦輪發(fā)電機。該風力渦輪發(fā)電機包括至少兩個同心的氣隙。該風力渦輪發(fā)電機包括帶有內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心的至少一個轉子，以及帶有內(nèi)定子邊和外定子邊的至少一個雙邊定子。該至少一個雙邊定子同心地設在內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心之間。
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種船舶推進電動機。該船舶推進電動機包括至少兩個同心的氣隙。該電動機包括帶有內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心的至少一個轉子，以及帶有內(nèi)定子邊和外定子邊的至少一個雙邊定子。該至少一個雙邊定子同心地設在內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心之間。


通過參考附圖來閱讀以下詳細介紹，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其它的特征、方面及優(yōu)點，在附圖中類似的標號代表類似的部件，其中圖1顯示了包括示例性直接驅(qū)動式雙邊發(fā)電機的風力渦輪的剖視圖；圖2顯示了帶有雙邊定子和轉子的圖1所示示例性發(fā)電機的剖視圖；圖3顯示了圖2所示雙邊定子的三維剖視圖；圖4顯示了圖2所示轉子的一個示意性圖示；圖5顯示了在圖2所示設置中帶有液體冷卻管的示例性實施例；圖6顯示了在圖2所示設置中具有用于強迫空氣冷卻的孔的示例性實施例；和圖7顯示了包括示例性雙邊船舶推進電動機的船舶的推進轂罩單元的剖視圖。
圖中各標號的含義如下10風力渦輪；12發(fā)電機；14轉子；16外轉子鐵心；18外PM；20內(nèi)轉子鐵心；22內(nèi)PM；24雙邊定子；26外定子邊；28外定子繞組(線圈)；30內(nèi)定子邊；32內(nèi)定子繞組(線圈)；34固定框架；36主框架；38塔架；39空氣通道；40冷卻通道；41定子鐵心支撐件；42轉子葉片；44轉子葉片轂；46轉子扭矩管；48機殼(nacelle)；49轉子轂蓋；50機殼蓋；52旋轉框架；54轂法蘭；56主軸和軸承組件；58前主軸承；60后主軸承；62外氣隙；64內(nèi)氣隙；66外鐵心疊片；68內(nèi)鐵心疊片；70外定子繞組；72內(nèi)定子繞組；74冷卻通道的表面；76前導流錐；78后導流錐；80液體冷卻管；82軸向孔；84氣流方向；85排氣孔；710船只的一部分；712電動機；714轉子；716外轉子鐵心；718外PM；720內(nèi)轉子鐵心；722內(nèi)PM；724雙邊定子；726外定子邊；728外定子繞組(線圈)；730內(nèi)定子邊；732內(nèi)定子繞組(線圈)；734螺旋槳；736安裝和軸承組件；738框架組件。
具體實施例方式
本發(fā)明包括了尤其適用于直接驅(qū)動式風力渦輪和船舶推進裝置、但是如果需要的話也可用于齒輪傳動式單元的雙邊發(fā)電機和電動機的不同實施例。在下文中描述的這些不同構造是基于雙邊的、徑向磁通的、同步的電機。盡管出于說明目的而介紹和顯示了永磁(PM)電機，然而也可以使用其它的電機如繞組勵磁電機，并且可通過載流的傳導線圈來實現(xiàn)勵磁。這些構造有助于實現(xiàn)具有增大額定功率(＞2.0MW)的成本效率合算的風力渦輪，并且尤其有利于外徑會受到運輸限制條件的約束的陸上應用。
現(xiàn)在來看附圖，圖1是風力渦輪10的剖視圖的示意性圖示，其帶有直接驅(qū)動式雙邊PM發(fā)電機12的一個示例性實施例。風力渦輪10的PM發(fā)電機12包括至少兩個同心的徑向磁通氣隙(圖1中未示出，參考圖2在下文中論述)，從而有效地將PM發(fā)電機12轉化成兩個同心的發(fā)電機。因此，本領域的技術人員可以理解，對于由外徑和軸向長度所限定的相同總包跡而言，PM發(fā)電機12可比單邊發(fā)電機產(chǎn)生高很多的功率輸出。因此在實踐中，對于相同的總直徑和軸向長度而言，2MW的單邊發(fā)電機可被能產(chǎn)生3-3.6MW的雙邊發(fā)電機取代。等效的是，具有6米直徑的3MW單邊PM發(fā)電機可被僅具有4.3米直徑的相同軸向長度的雙邊發(fā)電機取代，從而使整個發(fā)電機可作為一個單元而進行陸上運輸。
如圖1所示，風力渦輪10的一個示例性實施例包括發(fā)電機12中的轉子14。轉子14包括帶有外永磁體18或勵磁線圈的外轉子鐵心16，以及帶有內(nèi)永磁體22或勵磁線圈的內(nèi)轉子鐵心20。發(fā)電機12還包括雙邊定子24，其包括帶有外定子線圈28的外定子邊26以及帶有內(nèi)定子線圈32的內(nèi)定子邊30。在操作中，雙邊定子24的動力輸出由能夠進行完全動力轉換的動力轉換單元(未示出)來輸送和控制。定子24連接到固定框架34上，固定框架34又連接到主框架36上。主框架還通過傳統(tǒng)的偏動軸承(yaw bearing)和齒輪傳動系統(tǒng)(未示出)而安裝在塔架38上。在一個更具體的示例中，在外定子邊26和內(nèi)定子邊30之間設置了冷卻通道40。下面將參考圖2來說明發(fā)電機12的更多詳細的特征。
圖1所示的風力渦輪10還包括連接在具有轉子轂蓋49的轉子葉片轂44上的轉子葉片42。轉子葉片轂44通過轉子扭矩管46而連接在發(fā)電機轉子14上。轉子14(發(fā)動機轉子)連接在旋轉框架52上。機殼蓋50通?？杀Ｗo機殼內(nèi)的部件不受外界影響。轉子葉片轂44還安裝在位于主旋轉扭矩管46上的法蘭54上。固定轂56通過軸承組件將轉子扭矩管連接到主框架36上。盡管顯示了兩個主軸承即前主軸承58和后主軸承60，然而包括一個主軸承在內(nèi)的其它軸承構造也是可以的?？赏ㄟ^旋轉框架和固定框架中(即處于PM發(fā)電機12與主軸承組件56之間)的進入孔或者選擇性地通過主固定轂和軸承組件56來接近轉子葉片轂44。本領域的技術人員可以理解，主軸承和軸直徑的大小可根據(jù)用來接近轂的手段來設置，例如，較大直徑的主軸承(例如約1.5米或以上)將有助于接近轂。使用低成本的、例如小于或等于約1.0米的小直徑軸承將可能需要通過進入孔來接近轂。
在安裝現(xiàn)場裝配風力渦輪10通常這樣來完成首先吊起主框架36，然后吊起PM發(fā)電機12(包括主軸和軸承組件56)，之后是渦輪、轉子轂44和葉片42。機殼蓋50在最后一個步驟中安裝。圖2是圖1所示PM發(fā)電機12的詳細視圖。如上所述，PM發(fā)電機12包括轉子14和定子24，轉子14帶有外轉子鐵心16和內(nèi)轉子鐵心20，而定子24帶有外定子邊26和內(nèi)定子邊30。外轉子鐵心16相對于內(nèi)轉子鐵心20倒置。各轉子鐵心具有各自的永磁體，即外永磁體18和內(nèi)永磁體22，或者連接在與定子24相對的側面上的永磁磁極組件。定子24同心地設置在外轉子鐵心16和內(nèi)轉子鐵心20之間。外定子邊26和內(nèi)定子邊30促進了所述至少兩個同心的徑向磁通氣隙62，64。冷卻通道40將外定子邊26和內(nèi)定子邊30分隔開。在一個特定示例中，冷卻通道40還包括定子鐵心支撐件41，其機械式地連接在固定框架34上并且為定子24提供了安裝面和剛度。定子鐵心支撐件41優(yōu)選由工具鋼或鑄鐵制成，然而它也可以是鋁或任何其它也是良好導熱體的普通結構材料。
可以使用多種冷卻PM發(fā)電機12的方法，包括但不限于經(jīng)由管道送風的空氣冷卻、經(jīng)由鼓風機或風扇的強制性空氣冷卻，以及液體冷卻。在所示的一個特定實施例中，PM發(fā)電機12的冷卻通過使風流過集成在定子鐵心支撐件41和固定框架34內(nèi)的冷卻通道40并且冷卻外定子邊26和內(nèi)定子邊30來實現(xiàn)。除了空氣動力學形狀的轉子轂蓋49和機殼蓋50(如圖1所示)之外，位于PM發(fā)電機12的前部(導流錐)76和后部78上的空氣動力學形罩蓋將自然流入的風引導成流經(jīng)冷卻通道40。
圖3顯示了如上針對圖1和圖2所示雙邊定子24的擴大的三維剖視圖。在圖3所示的實施例中，圖1所示的外定子邊26和內(nèi)定子邊30均包括相應的鐵心疊片組，即外鐵心疊片66和內(nèi)鐵心疊片68。如圖所示，外定子鐵心疊片組66和內(nèi)定子鐵心疊片組68通過定子鐵心支撐件41與冷卻通道40熱連接。在一個示例中，定子疊片通常被壓縮并安裝在定子鐵心支撐件41上?？梢允褂糜脕韺㈣F心疊片組66，68連接到定子鐵心支撐件41的表面74上的多種公知的方法，包括螺栓固定的框架構造。各個定子繞組70，72插入到形成于定子鐵心組的齒之間的槽中。繞組可以是多相交流電機所常用的任何類型的結構。在一個具體示例中，繞組是密集的線圈，其均圍繞著單個的定子齒。各線圈連接到電機的一個相上，形成了平衡繞組的至少一個三相組。典型的帶齒繞組具有每相每極1/2個槽，即每定子邊64個磁極、3個相和96個槽(線圈)。也存在著許多其它的可能性，例如每相每極2/5個槽的繞組；例如每定子邊80個磁極、3個相和96個槽(線圈)。也可以使用更傳統(tǒng)的繞組，例如配電用兩層疊繞組。
圖4顯示了如上針對圖1和圖2所示轉子14的的示意性圖示。轉子14具有外轉子鐵心16和內(nèi)轉子鐵心20，以及與旋轉框架52相連的其各自的永磁體(18和22)。如圖所示，與外轉子鐵心和內(nèi)轉子鐵心相關的永磁體18和22可以是對齊的或在角位置上有變化的，即它們構造成偏開，從而顯著地減少了因打榫和繞組調(diào)諧所帶來的凈扭矩波動，同時發(fā)電機的扭矩性能或凈效率只有很少的降低。圖4還顯示了空氣通道39，其使空氣可流動到定子中的冷卻通道40內(nèi)(見圖3)，空氣通道39設置在外轉子鐵心16和內(nèi)轉子鐵心20之間并與它們間隔開。
圖5和圖6顯示了用于冷卻圖1和圖2所示PM發(fā)電機12的兩個具體的示例性實施例。在圖5所示的實施例中，PM發(fā)電機12包括液體冷卻管80，其作為設置在外定子邊26和內(nèi)定子邊30中的至少一個的附近的冷卻通道。液體冷卻管80可設置成鄰近于外或內(nèi)定子邊的線圈或齒的附近。液體冷卻管80采用液體來冷卻外定子邊26和/或內(nèi)定子邊30。在一個示例中，液體冷卻管80設置在定子24兩側或任一側的槽底。所用液體通常是水-乙二醇和去離子水中的至少一種，但也可使用常用于冷卻電機的任何其它液體。冷卻管80可以是用于制造冷卻管的任何材料，例如為鋁、銅、不銹鋼及其任何組合的材料，并且可采用常用于冷卻電機的任何其它材料。冷卻管80可通過一組串聯(lián)或并聯(lián)的連接件而與一個或多個回路相連?？刹捎脽峤粨Q器(未示出)來將冷卻液體所吸收的熱量傳遞至周圍空氣中。液體冷卻是有利的，這是因為它提供了更緊湊的機器，它們可完全地封閉以便與環(huán)境間隔開。特別是，在上述液體冷卻的例子中，凈定子鐵心的厚度比風冷設計更小。因此就增大了內(nèi)氣隙64(圖2)的直徑，從而對于同一總外徑和軸向長度而言增大了PM發(fā)電機12的動力性能。
在圖6所示的另一示例中，冷卻PM發(fā)電機12通過在定子24中提供多個軸向孔82來實現(xiàn)。該多個軸向孔82可設置在多個位置，例如在定子槽的底部(處于定子繞組和所示鐵心之間)、定子軛架的靠近框架的背部、定子齒或甚至是單個定子線圈之間。也可在定子鐵心疊片中沖出多個軸向孔82，或者只是在線圈之間或在線圈與鐵心疊片之間的空間內(nèi)設置軸向孔82。氣流可在兩個定子邊沿同一方向84流動，如圖所示，或者沿一個定子向下流動并回到另一個定子。可在旋轉框架中設置排出孔85以實現(xiàn)單向氣流。在另一示例中，可采用鼓風機(未示出)來使空氣強制性地以非常高的速度流過該多個軸向孔82。在該示例中，空氣從環(huán)境空氣中流出，提供了開放的排放結構。另一示例性示例包括熱交換器，用于形成封閉的強制性空氣結構。
對于風力渦輪而言，如上在不同實施例中描述的雙邊發(fā)電機12與單邊發(fā)電機相比提供了若干優(yōu)點。最大的優(yōu)點包括對于給定額定功率而言降低了框架質(zhì)量，和/或?qū)τ诎惭b在給定運輸體積內(nèi)的發(fā)電機而言提高了額定功率。其它的優(yōu)點例如包括，兩個同心氣隙內(nèi)的徑向磁力沿相反的方向作用，從而抵消或至少顯著地減小了在間隙的各周向位置處的凈徑向磁力。這便減小了定子的徑向偏轉，同時還減小了振動和噪音。
盡管主要已在風力渦輪的方面介紹了本發(fā)明的實施例，然而本發(fā)明的概念可以用于其它應用中，其中一個示例是船舶推進電動機。圖7顯示了船舶推進轂罩單元710的剖視圖，其包括示例性的雙邊船舶推進電動機712、螺旋槳734、安裝和軸承組件736以及框架組件738。船舶推進電動機712包括轉子714，其包括帶有外永磁體718的外轉子鐵心716和帶有內(nèi)永磁體722的內(nèi)轉子鐵心720。電動機712還包括雙邊定子724，其包括帶有外定子繞組728的外定子邊726和帶有內(nèi)定子繞組732的內(nèi)定子邊730。該至少一個雙邊定子同心地設在船舶推進電動機的內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心之間。許多具體的轉子構造細節(jié)與風力渦輪實施例中的類似，在這里不再重復。
盡管在本文中只顯示和介紹了本發(fā)明的某些特征，然而本領域的技術人員可以進行多種修改和變化。因此可以理解，所附權利要求旨在覆蓋屬于本發(fā)明的精神實質(zhì)內(nèi)的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種風力渦輪發(fā)電機(12)，包括至少一個帶有內(nèi)轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)的轉子(14)；和至少一個帶有內(nèi)定子邊(30)和外定子邊(26)的雙邊定子(24)，其中，所述至少一個雙邊定子(24)同心地設在所述風力渦輪發(fā)電機的內(nèi)轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述風力渦輪發(fā)電機(12)包括直接驅(qū)動式發(fā)電機。
3.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述內(nèi)轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)包括各自的內(nèi)永磁體(22)和外永磁體(18)。
4.根據(jù)權利要求3所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述風力渦輪發(fā)電機(12)包括直接驅(qū)動式發(fā)電機。
5.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述風力渦輪發(fā)電機還包括至少一個將所述內(nèi)定子邊(30)和外定子邊(26)分隔開的冷卻通道(40)。
6.根據(jù)權利要求5所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述至少一個冷卻通道(40)構造成用于使用風來冷卻所述內(nèi)定子邊(30)和外定子邊(26)。
7.根據(jù)權利要求6所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述至少一個冷卻通道(40)包括與固定框架(34)相連的定子鐵心支撐件(41)。
8.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述風力渦輪發(fā)電機還包括至少一個液體冷卻管(80)，其設置在所述內(nèi)定子邊(30)和外定子邊(26)中的至少一個的附近。
9.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述風力渦輪發(fā)電機還包括多個軸向孔(82)，其位于所述至少一個雙邊定子(24)內(nèi)并構造成用于使冷卻空氣流經(jīng)所述定子。
10.一種船舶推進電動機(712)，包括至少一個帶有內(nèi)轉子鐵心(720)和外轉子鐵心(716)的轉子(714)；和至少一個帶有內(nèi)定子邊(730)和外定子邊(726)的雙邊定子(724)，其中，所述至少一個雙邊定子同心地設在所述船舶推進電動機的內(nèi)轉子鐵心和外轉子鐵心之間。
全文摘要
用于風力渦輪(10)和船舶推進裝置(710)的電機，包括帶有兩個同心氣隙的風力渦輪發(fā)電機(12)或船舶推進電動機(712)。在一個實施例中，電機包括帶有內(nèi)轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)的轉子(14)；以及帶有內(nèi)定子邊(30)和外定子邊(26)的雙邊定子(24)。該雙邊定子(24)同心地設在內(nèi)轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)之間。
文檔編號H02K1/12GK1756052SQ20051010889
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權日2004年9月27日
發(fā)明者P·L·詹森, J·P·萊昂斯, R·J·小卡爾, 曲榮海, J·M·福加蒂 申請人:通用電氣公司