專利名稱：繞組裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明描述一種用于電機電樞的繞組裝置。本發(fā)明進一步描述一種用于發(fā)電機的電樞以及一種具有發(fā)電機的風力渦輪機。
背景技術：
對于諸如風力渦輪機的轉(zhuǎn)子或定子的大電樞，線圈繞組由于發(fā)電機的物理尺寸和感應的較大電流通常非常粗且重。繞組可由諸如多股絞合線的粗金屬絲制成，其然后卷繞到電樞上，通常是卷繞到定子上。為此，電樞通常由沿著外部軸向布置以容納繞組的多個平行槽制成。替代將金屬絲纏繞到電樞上的是，預成型的繞組可形成，并插入到或“落入”到電樞的槽中。這種預成型的繞組通常包括閉合環(huán)路，該閉合環(huán)路包括“前進”部分和保持在兩個電樞槽中的“返回”部分。線圈包括多個這種串聯(lián)或并聯(lián)連接的繞組，并且連接一般形成在電樞的一端，繞組在該端延伸超過槽的端部。如對于本領域技術人員已知的是，通過允許一股多股絞合線從線圈的一個繞組延伸到該線圈的下一個繞做，或者通過將線圈的繞組連接到沿圓周布置在電樞周圍的匯流條，或者通過任意其他合適的方式，線圈的連續(xù)繞組可被連接。多相發(fā)電機具有與相位相同數(shù)量的線圈。這里，繞組被放置在槽中，使得用于線圈的一個特定繞組的“前進”和“返回”部分的槽圍繞用于其余線圈的“前進”和“返回”部分的多個槽或位于其側面。不同線圈的繞組必須以某一方式重疊在電樞端部。為了仍允許相對順向的定子繞組裝配，大定子的繞組的繞組端通常被成形為使得繞組可掉落到適當位置， 而不必提升先前的繞組。由于涉及較大尺寸，用于繞組的材料造成相當大的成本因素。繞組懸突或繞組頭，即繞組的延伸超過定子槽的部分因此應盡可能保持較短。EP 2 166 645 Al描述了一種方法，其中每個線圈由具有特定繞組懸突幾何結構的閉合環(huán)路繞組制成。不同繞組的幾何結構被成形為允許相鄰線圈的繞組以緊湊且緊貼的實現(xiàn)方式穿過彼此，因而所使用的銅的總量可被減少。然而，這種方法具有的缺點在于，繞組懸突由于不同的幾何結構而具有不同的長度，因而導致線圈的不同的總電阻。這又導致相位之間的負載不平衡。為了避免這種不平衡，在“較短”的線圈中必須包括額外的材料來有效地使這些線圈與最長線圈一樣長。顯然，這增加了定子繞組配置的總成本，因而不能令人滿意。因此，本發(fā)明的目的是提高一種改進的線圈繞組裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的通過權利要求1的用于電機的電樞的繞組裝置、權利要求12的電樞、權利要求13的風力渦輪機以及根據(jù)權利要求14的這種繞組裝置的用途而實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，用于電樞的繞組裝置包括多個線圈和多種不同的繞組類型，其中線圈被布置在電樞上，使得每個線圈包括相同數(shù)量的繞組和相同數(shù)量的每一種不同的繞組類型。本發(fā)明的明顯優(yōu)點在于，由于繞組的長度對于所有相位基本上相同，與端部繞組被延伸以獲得平衡的相位布局的現(xiàn)有解決方案相比使用更少的材料。由于繞組均具有基本相同的長度，所有相位形成基本相同的電流。而且，由于相位被平衡，繞組中的電損失恒定， 且在相位之間基本上沒有電壓的不平衡。這導致發(fā)電機的總損失的有利減少，由此有利地增大了電機的總性能。另外，由于在根據(jù)本發(fā)明的繞組配置中不必增加“額外材料”來平衡線圈，因此端部繞組中的材料需求被保持為處于有利的最小值，因而發(fā)電機的總重量被有利地減少。根據(jù)本發(fā)明，用于發(fā)電機的電樞包括多個線圈，其中線圈被布置在根據(jù)這種繞組裝置的電樞上或“卷繞”在電樞上。在此，術語“卷繞”以既定含義使用，即使大電樞的繞組通常很厚且重而沒有柔性。根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機包括具有轉(zhuǎn)子和定子的發(fā)電機，并且多個線圈被布置在根據(jù)這種繞組裝置的定子上。這種繞組裝置優(yōu)選用于將線圈卷繞在風力渦輪機的發(fā)電機上。本發(fā)明特別有利的實施例和特征由從屬權利要求給出，如以下描述中所揭示。不同實施例的特征可適當?shù)剡M行組合，以給出進一步的實施例。電機的電樞可以是定子或轉(zhuǎn)子，這取決于電機，例如發(fā)電機的構造。然而，通常，特別是在大的發(fā)電機中，是定子承載線圈繞組。因此，在下文中，但不以任何方式限制本發(fā)明， 盡管根據(jù)本發(fā)明的繞組配置可同樣適用于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子承載繞組的實現(xiàn)方式，但假設定子承載繞組。由于針對大的發(fā)電機的定子涉及較大尺寸，如上所述，定子的線圈并不利于纏繞在定子周圍的金屬絲而卷繞，針對小的電動機視情況而定，但包括能被插入或者甚至在定子槽中掉落就位的預成型繞組。繞組被連續(xù)插入到定子或定子區(qū)段的槽中。線圈可包括一系列的預成型繞組，其被插入到合適的槽中并然后被電連接。優(yōu)選地，繞組可被實現(xiàn)為“閉合環(huán)路”繞組，即，每個繞組包括閉合環(huán)路，并且線圈的連續(xù)繞組在插入到電樞之后被電連接。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，繞組包括用于放置在第一定子槽中的第一(“前進”)繞組主體區(qū)段、用于放置在第二定子槽中的第二 (“返回”)繞組主體區(qū)段，該第一和第二繞組主體區(qū)段在每一端通過末端區(qū)段結合，該末端區(qū)段通過基本180°折痕延伸超過定子，使得第一和第二繞組主體區(qū)段基本平行，并且其中每種不同繞組類型的末端區(qū)段包括不同的繞組端幾何結構，因而，不同繞組類型的不同的繞組端幾何結構允許連續(xù)的繞組放置在定子槽中，而不必提升先前放置的繞組。在下文中，在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，可假設線圈繞組包括單層繞組。發(fā)電機可具有一個或更多相位，因此可具有一個或更多線圈。任一數(shù)量的不同繞組類型可對于線圈而言被連接到一起。然而，由于上述原因，繞組端幾何結構必須不同，從而允許繞組在多相發(fā)電機的情況下重疊。在本發(fā)明的進一步優(yōu)選實施例中，繞組裝置包括相當數(shù)量的線圈和不同的繞組類型。這可以直接獲得基本相同長度的線圈。通常，電力分配網(wǎng)格使用三相電力。因此，在本發(fā)明的進一步優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明的繞組裝置在三相、兩極的定子繞組裝置中包括三個線圈并因此包括三種不同的繞組類型。為了允許三個線圈的繞組懸突以緊湊方式交叉，在本發(fā)明的進一步優(yōu)選實施例中，第一種繞組類型包括第一種繞組端幾何結構，第二種繞組類型包括第二種繞組端幾何結構，并且第三種繞組類型包括第三種繞組端幾何結構。因此，第一種繞組端幾何結構包括末端區(qū)段，該末端區(qū)段與第一和第二繞組主體區(qū)段基本成一直線，即，第一繞組可基本包括位于平面中的簡單閉合環(huán)路。其余繞組類型于是可被設計成通過第一種繞組類型周圍。優(yōu)選地，第二種繞組端幾何結構包括末端區(qū)段，該末端區(qū)段相對于第一和第二繞組主體區(qū)段基本傾斜45°。例如，第二種繞組類型的末端區(qū)段可“向上”或“向下”傾斜。第二種繞組類型也包括閉合環(huán)路，使得繞組端幾何結構在該情況下也包括180°折痕，因而“前進”和 “返回”區(qū)段可被放置到平行的軸向定子槽中。優(yōu)選地，第三種繞組端幾何結構包括末端區(qū)段，該末端區(qū)段相對于第一和第二繞組主體區(qū)段基本傾斜90°。通過類似于在此所述的第二種繞組類型的方式，第三種繞組類型的末端區(qū)段可“向上”或“向下”傾斜。第三種繞組類型也包括閉合環(huán)路，使得繞組端幾何結構在該情況下也包括180°折痕，從而允許“前進” 和“返回”區(qū)段可被放置到平行的軸向定子槽中。由于連續(xù)的繞組可被放置到定子槽中而不必提升或移動先前插入的繞組，因而上述三種不同的繞組類型容易制造和安裝。例如，第三種類型的具有90°向下傾斜的所有繞組可被放置到定子上。然后，第二種類型的具有45°向下傾斜的所有繞組被放置到定子上。 最后，第一種類型的所有繞組被插入到其余槽中。每一個線圈的繞組然后被電連接，例如利用到沿圓周布置在定子周圍的匯流條的連接。這種連接可通過允許繞組的一個或更多金屬絲或者導體與暴露的匯流條接觸而實現(xiàn)。優(yōu)選地，每個線圈包括不同的繞組類型序列。在本發(fā)明的極為優(yōu)選實施例中，第一種線圈繞組序列依次包括第一種繞組類型、第二種繞組類型和第三種繞組類型；第二種線圈繞組序列依次包括第二種繞組類型、第三種繞組類型和第一種繞組類型；并且第三種線圈繞組序列依次包括第三種繞組類型、第一種繞組類型和第二種繞組類型。優(yōu)選地，為了確保最佳平衡裝置，每個線圈包括相同數(shù)量的繞組，并且繞組的總數(shù)量可被發(fā)電機的相位數(shù)量均勻除盡。例如，對于上述三相發(fā)電機，使用三個線圈和三種不同的繞組類型，并且每個線圈優(yōu)選包括3N個線圈。通過這種方式，每個線圈包括相同數(shù)量的每一種不同的繞組類型，并且線圈的總長度因此基本相等。因此，這種繞組配置以簡單和順向的方式提供平衡負載，并且與此同時有利地節(jié)省使用的金屬量。本發(fā)明的其他目的和特征將根據(jù)以下結合附圖考慮的詳細描述而變得明顯。然而，應理解，附圖僅被設計用于圖示目的，而并非作為對本發(fā)明的限制的解釋。


圖1示出了風力渦輪機中的發(fā)電機的示意圖示；
圖2示出了用于發(fā)電機的定子的現(xiàn)有技術的繞組配置的示意圖示； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有繞組裝置的定子區(qū)段； 圖4示出了圖3繞組的末端區(qū)段的示意圖示； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于繞組配置的三個線圈序列的示意圖示。附圖中，相同的附圖標記始終指代相同物體。圖中的對象不一定是按比例繪制的。
具體實施方式
圖1示出了風力渦輪機5中的發(fā)電機4的極為簡單的圖示。為了簡明，只有相關的部件被表示，諸如變速箱、控制器等其他部件未被示出。施加到風力渦輪機5的葉片50 上的壓力使輪轂51或心軸轉(zhuǎn)動，因而使轉(zhuǎn)子3旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子3被圍繞在定子2中，多個線圈 (圖中未示出)卷繞在該定子2周圍。發(fā)電機4用作感應電動機，在線圈中感應有電流。這種發(fā)電機的操作原理對于本領域技術人員而言將是清楚的，因而這里無需詳細描述。由于較大電流(例如，對于2-10 MW的風力渦輪機大約200-500 Amps)，繞組必須被相應地設定尺寸。對于風力渦輪機定子，繞組通常由堆疊的金屬棒或帶制成，橫截面大約為 20 mmXIOO mm。這些金屬帶被保持在布置在定子外部周圍的定子槽中，其長度可達3 m。 通常，由于較大尺寸(風力渦輪機定子可具有大約3 m到7 m或者更大的直徑)，定子通常包括一組定子區(qū)段。借助于圖2圖示現(xiàn)有技術的繞組配置，其示出了定子區(qū)段加的非常簡單的俯視圖，其中槽6用于容納繞組6a、6b、6c。這里，三個線圈卷繞在定子2周圍，并且每個線圈包括一連串相同類型的繞組6a、6b、6c。每個繞組6a、6b、6c通過連接帶7a、7b、7c或匯流條連接到相同類型的另一繞組6a、6b、6c。繞組6a、6b、6c基本上是平帶，自身向后彎曲以形成閉合環(huán)路，并被放置在兩個平行槽6中，因而一種繞組類型6a所需的兩個槽6通過其他兩種繞組類型6b、6c的兩個另外的槽6而分開。不同的繞組必須相互交叉，并且必須被成形為允許繞組能以順向方式插入到槽中。這意味著，繞組端必須被相應地成形。例如，每個繞組端可被設計成從定子突出某一距離，并能以180°折痕彎曲或扭曲，使得前進和返回側處于不同高度。通過這種方式，相鄰繞組可連續(xù)簡單地被放置到定子槽中。然而，這種解決方案需要大量額外金屬，通常是銅，以允許繞組端部交叉，因而這種類型的解決方案相對昂貴。在前文介紹中提及的解決方案(針對每個線圈具有不同形狀的繞組端懸突)成本較低， 但由于線圈的不同總高度引起的負載不平衡導致不滿意的性能。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的繞組配置1中具有繞組10、20、30裝置的定子的區(qū)段加。 每個繞組10、20、30被示出為金屬帶，其被折疊以形成閉合環(huán)路。三種不同的繞組類型W1、 W2、W3被示出。每個線圈包括一連串的繞組10、20、30，因而線圈序列依次包括每一種不同的繞組類型Wl、W2、W3，如將在下文中解釋。圖4示出了圖3所示的不同繞組類型W1、W2、W3的末端區(qū)段10C、20C、30C的示意圖示。為了清楚，每個繞組被獨立示出，但應理解，不同類型的繞組將如圖3所示位于相鄰定子槽中。第一種繞組類型Wl基本上為順向閉合環(huán)路Wl，并且該繞組類型Wl的末端區(qū)段 IOC包括180°折痕。第二種繞組類型W2具有末端區(qū)段20C，該末端區(qū)段20C不像第一種繞組類型Wl —樣延伸直到超過定子端，而是在向后折疊之前形成大約45 °彎曲。第三種繞組類型W3具有末端區(qū)段30C，該末端區(qū)段30C也不像第一種繞組類型Wl那樣延伸直到超過定子端，而是在向后折疊之前形成大約90°彎曲。這些不同末端區(qū)段或懸突10C、20C、30C允許繞組10、20、30能以順向方式被放置到定子槽6中。例如，定子可通過首先插入第三種類型W3的所有繞組、然后插入第二種類型W2的所有繞組最后插入第一種類型Wl的所有繞組而被卷繞。由于繞組端的幾何結構，在不必提升或移動先前放置的繞組的情況下，繞組可被插入。特定線圈的繞組然后以預定順序被電連接，如將借助于圖5的描述，例如，通過將繞組10、20、30的導線10D、20D、30D結合到匯流條Bi、B2、B3。圖5的上部示出了根據(jù)本發(fā)明的用于繞組配置1的三個線圈序列S1、S2、S3的示意圖示。繞組連接的次序通過圖下部所示的序列S1、S2、S3給出。用于第一種線圈Cl的第一種線圈繞組序列Sl依次包括第一種繞組類型Wl的繞組、第二種繞組類型W2的繞組和第三種繞組類型W3的繞組。該模式對于整個第一種線圈Cl重復。用于第二種線圈C2的第二種線圈繞組序列S2依次包括第二種繞組類型W2的繞組、第三種繞組類型W3的繞組和第一種繞組類型Wl的繞組。該模式對于整個第二種線圈C2重復。用于第三種線圈C3的第三種線圈繞組序列S3依次包括第三種繞組類型W2的繞組、第一種繞組類型W3的繞組和第二種繞組類型Wl的繞組，并且該模式對于整個第三種線圈C3重復。在圖上部，箭頭表示不同線圈Cl、C2、C3中的電流流動方向(因而，第一種和第三種線圈Cl、C3的“前進”繞組區(qū)段占據(jù)包含第二種線圈C2的“返回”繞組區(qū)段的槽的任一側上的槽；而第一種和第三種線圈Cl、C3的“返回”繞組區(qū)段占據(jù)包含第二種線圈C2的“前進”繞組區(qū)段的槽的任一側上的槽)。由于每個線圈C1、C2、C3包括序列31、52、53，繞組類型11、12、13在其中基本上通常均等地出現(xiàn)，因而線圈C1、C2、C3的總長度也基本上相等。通過這種方式，根據(jù)本發(fā)明的繞組裝置減小或有效消除了負載不平衡，而且同時減少了繞組所需的金屬量。盡管繞組在此被表示為閉合環(huán)路，繞組配置1的繞組同樣可被實現(xiàn)為在兩端開放，并且連接部可由電樞兩端的匯流條形成。盡管本發(fā)明以通過優(yōu)選實施例及其變型的形式進行了公開，應理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以對其進行眾多額外的修改和變型。例如，風力渦輪機的輪轂可使連接到齒輪箱的傳動軸轉(zhuǎn)動，這可被實現(xiàn)為以更適于產(chǎn)生強信號柵極的電流的速度使發(fā)電機的電樞轉(zhuǎn)動。為了清楚，應理解，貫穿該申請的“一”或“一個”的使用并不排除多個，并且“包括” 并不排除其他步驟或元件。
權利要求
1.一種用于電機(4)的電樞(2)的繞組裝置(1)，該繞組裝置(1)包括多個線圈(Cl、 C2、C3)和多種不同的繞組類型(W1、W2、W3)，其中所述線圈(C1、C2、C3)在所述電樞(2)上被布置成使得每個線圈(10、20、30)包括相同數(shù)量的繞組(10、20、30)和相同數(shù)量的每一種所述不同的繞組類型(W1、W2、W 3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的繞組裝置，其中繞組(10、20、30)包括用于放置在第一電樞槽(22)中的第一(前進)繞組主體區(qū)段(10A、20A、30A)、用于放置在第二電樞槽(22)中的第二繞組主體區(qū)段(1(^、2( 、3( )，該第一和第二繞組主體區(qū)段(1(^、1( 、2(^、2( 、30八、 3( )通過末端區(qū)段(10(、20(、300結合，該末端區(qū)段(10(、20(、300通過基本180°折痕延伸超過所述電樞(2)，并且其中，每一種不同的繞組類型(W1、W2、W3)的所述末端區(qū)段(10C、 20C、30C)包括不同的繞組端幾何結構。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的繞組裝置，包括相等數(shù)量的線圈(Cl、C2、C3) 和不同的繞組類型(Wl、W2、W3 )。
4.根據(jù)權利要求3所述的繞組裝置，包括三個線圈(Cl、C2、C3)和三種不同的繞組類型(W1、W2、W3)。
5.根據(jù)權利要求4所述的繞組裝置，其中第一種繞組類型(Wl)包括第一種繞組端幾何結構，第二種繞組類型(W2)包括第二種繞組端幾何結構，并且第三種繞組類型(W3)包括第三種繞組端幾何結構。
6.根據(jù)權利要求5所述的繞組裝置，其中所述第一種繞組端幾何結構包括末端區(qū)段 (10C),該末端區(qū)段(10C)與所述第一和第二繞組主體區(qū)段(10A、10B)基本成一直線。
7.根據(jù)權利要求5所述的繞組裝置，其中所述第二種繞組端幾何結構包括末端區(qū)段 (20C)，該末端區(qū)段(20C)相對于所述第一和第二繞組主體區(qū)段(20A、20B)基本傾斜45°。
8.根據(jù)權利要求5所述的繞組裝置，其中所述第三種繞組端幾何結構包括末端區(qū)段 (30C)，該末端區(qū)段(30C)相對于所述第一和第二繞組主體區(qū)段(30A、30B)基本傾斜90°。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的繞組裝置，其中每個線圈(Cl、C2、C3)包括繞組類型(Wl、W2、W3)的明顯不同序列(Si、S2、S3)。
10.根據(jù)權利要求9所述的繞組裝置，其中所述第一種線圈繞組序列(Si)依次包括所述第一種繞組類型(W1)、所述第二種繞組類型(W2)和所述第三種繞組類型(W3)；所述第二種線圈繞組序列(S2)依次包括所述第二種繞組類型(W2)、所述第三種繞組類型(W3)和所述第一種繞組類型(Wl)；并且所述第三種線圈繞組序列(S3)依次包括第三種繞組類型 (W2)、第一種繞組類型(W3)和第二種繞組類型(W1)。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的繞組裝置，其中線圈繞組(10、20、30)包括單層繞組(10、20、30)。
12.一種用于發(fā)電機(4)的電樞(2)，包括多個線圈(Cl、C2、C3)，其中所述線圈(Cl、 C2、C3)被布置在根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的繞組裝置的所述電樞(2)上。
13.一種具有發(fā)電機(4)的風力渦輪機(5)，包括轉(zhuǎn)子(3)和定子(2)，并且其中，多個線圈(C1、C2、C3)被布置在根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的繞組裝置的所述定子(2)上。
14.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的繞組裝置(1)在風力渦輪機(5)的發(fā)電機 (4)中的用途。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于電機(4)的電樞(2)的繞組裝置(1)，該繞組裝置(1)包括多個線圈(C1、C2、C3)和多種不同的繞組類型(W1、W2、W3)，其中所述線圈(C1、C2、C3)被布置在所述電樞(2)上，使得每個線圈(10、20、30)包括相同數(shù)量的繞組(10、20、30)和相同數(shù)量的每一種所述不同的繞組類型(W1、W2、W3)。本發(fā)明進一步描述了用于發(fā)電機(4)的電樞(2)，包括多個線圈(C1、C2、C3)，其中所述線圈(C1、C2、C3)被布置在根據(jù)這種繞組裝置的所述電樞(2)上。本發(fā)明還描述了具有發(fā)電機(4)的風力渦輪機(5)，包括轉(zhuǎn)子(3)和定子(2)，并且其中，多個線圈(C1、C2、C3)被布置在根據(jù)這種繞組裝置的所述定子(2)上。
文檔編號H02K3/12GK102237738SQ201110108588
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月28日
發(fā)明者J·K·布思 申請人:西門子公司