專利名稱：具有冷卻裝置的定子系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)電機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)以及一種制造用于發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
在用于風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)中，熱在傳送機(jī)械能時(shí)以電能產(chǎn)生。熱在形成定子的繞組的銅導(dǎo)體中例如通過焦耳損耗產(chǎn)生。產(chǎn)生的熱必須被散發(fā)以便避免熱點(diǎn)和絕緣損耗。定子外殼和所附連的繞組通常是通過在定子內(nèi)部吹入空氣來冷卻的。在定子外殼的軸向端部段，繞組突出出來并形成半環(huán)。伸出的繞組半環(huán)形成定子繞組的端部繞組。定子繞組是通過在繞組中，例如在轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙中，或通過定子外殼的徑向延伸的管道吹入空氣來冷卻的。還已知將冷卻管或中空銅線附連到定子外殼以便提供液體冷卻。 附連到定子外殼的繞組的導(dǎo)體段由此被冷卻，但伸出的端部繞組僅以較低的效率冷卻，使得可能在端部繞組出現(xiàn)熱點(diǎn)，并可能導(dǎo)致定子繞組的損壞。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于定子的端部繞組的適當(dāng)冷卻。此目的是通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的用于發(fā)電機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)，以及通過制造用于發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出一種用于發(fā)電機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)。定子系統(tǒng)包括外殼元件，導(dǎo)體，冷卻箱和冷卻裝置。導(dǎo)體形成所述定子系統(tǒng)的至少一個(gè)繞組，其中所述繞組包括兩個(gè)中心段和一個(gè)端部段。所述端部段連接所述兩個(gè)中心段。所述兩個(gè)中心段中的每一個(gè)安裝在所述外殼元件的表面，其中所述端部段從所述外殼元件中伸出。所述冷卻箱以所述冷卻箱包圍所述端部段的方式安裝到所述外殼元件，使得所述端部段在所述冷卻箱的內(nèi)部空間內(nèi)延伸。冷卻裝置被定位在所述冷卻箱中和/或所述冷卻箱處，其中所述冷卻裝置適于冷卻所述端部段。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提出一種制造用于發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)的方法。用導(dǎo)體形成用于定子的至少一個(gè)繞組，其中繞組包括兩個(gè)中心段和一個(gè)端部段。所述端部段連接所述兩個(gè)中心段。所述兩個(gè)中心段安裝在所述外殼元件的表面，其中所述端部段從所述外殼元件中伸出。所述冷卻箱以所述冷卻箱包圍所述端部段的方式安裝到所述外殼元件，使得所述端部段在所述冷卻箱的內(nèi)部空間內(nèi)延伸。提供冷卻裝置，其被定位在所述冷卻箱之中和/或之處，其中所述冷卻裝置適于冷卻所述端部段。外殼元件形成定子的個(gè)別段或一個(gè)完整外殼。如果外殼元件只是定子外殼的一段，則多個(gè)外殼元件可以彼此附連，以便形成定子外殼，即定子塊。定子的繞組通常附連到外殼元件的內(nèi)表面或外表面。例如，繞組可以附連到大致在定子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸的軸向方向上延伸的槽。在外殼元件的軸向方向(相對于定子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸)上，導(dǎo)體從外殼元件中伸出，進(jìn)一步延伸成半環(huán)，并再次進(jìn)入外殼元件。形成導(dǎo)體的半環(huán)的伸出區(qū)段被稱作導(dǎo)體的 “端部段”。導(dǎo)體的端部段通常不與外殼元件物理接觸和/或通常不與外殼元件熱接觸。冷卻箱形成附連到外殼元件的軸向端面的封閉箱，因此包圍導(dǎo)體的端部段。端部段可以接觸冷卻箱的壁，或者可以在冷卻箱的內(nèi)部空間內(nèi)無接觸地延伸。冷卻裝置熱接觸地附連到冷卻箱，并被定位在冷卻箱之中和/或之處。冷卻裝置包括用于產(chǎn)生冷卻能量的手段或裝置，以便冷卻端部繞組。冷卻裝置可以是將冷卻能量從定子外殼的冷卻系統(tǒng)傳送到冷卻箱的內(nèi)部空間內(nèi)的熱傳導(dǎo)壁。更進(jìn)一步地，冷卻裝置可以包括例如風(fēng)扇，用于提供液體冷卻的冷卻管或用于提供電冷卻的珀耳帖(Peltier)冷卻元件。而且，冷卻裝置還可以包括用于壓縮冷卻介質(zhì)以產(chǎn)生冷卻能量的壓縮機(jī)。例如，在冷卻箱內(nèi)，冷卻介質(zhì)可以在內(nèi)部空間中循環(huán)，以冷卻繞組的端部段。冷卻介質(zhì)可以是例如諸如油的液態(tài)流體，或諸如空氣的氣態(tài)流體。根據(jù)又一示例性實(shí)施例，冷卻裝置包括用于在內(nèi)部空間中產(chǎn)生冷卻介質(zhì)(例如空氣或其它氣態(tài)或液態(tài)冷卻流體)的循環(huán)的上面提到的風(fēng)扇。通過用風(fēng)扇產(chǎn)生循環(huán)，熱從端部繞組的對流得以提高，因此冷卻裝置的整體冷卻效率提高。而且，冷卻箱可以包括空氣入口和空氣出口，使得例如新鮮空氣可以被吸入到內(nèi)部空間內(nèi)的空氣入口中，且由端部段加熱的加熱空氣可以通過空氣出口排出。根據(jù)又一示例性實(shí)施例，冷卻箱包括壁，冷卻管被安裝到該壁，冷卻介質(zhì)可通過該冷卻管流動(dòng)。冷卻管以該冷卻管與內(nèi)部空間熱接觸的方式安裝到嬖，以冷卻繞組的端部段。如果端部段與冷卻箱的壁物理接觸，則冷卻裝置的冷卻管直接冷卻端部繞組。如果端部繞組與冷卻箱的壁不接觸，則冷卻管中的其它的冷卻介質(zhì)冷卻冷卻箱的內(nèi)部空間內(nèi)的諸如空氣的冷卻介質(zhì)，其中冷卻介質(zhì)最終冷卻端部繞組。在一個(gè)優(yōu)選示例性實(shí)施例中，冷卻箱包括具有風(fēng)扇和冷卻管的冷卻裝置，風(fēng)扇用于產(chǎn)生冷卻介質(zhì)的循環(huán)，冷卻管用于以另一冷卻介質(zhì)直接或間接冷卻端部繞組。根據(jù)又一示例性實(shí)施例，冷卻箱的壁包括槽，槽中設(shè)置冷卻裝置的冷卻管。如果冷卻管設(shè)置在槽內(nèi)，則冷卻管和壁之間的接觸面積增加，原因是冷卻管和槽的底部區(qū)域及槽的側(cè)壁之間的物理接觸是與冷卻管的物理接觸，使得產(chǎn)生更好的熱傳導(dǎo)。因此，提高冷卻效率。根據(jù)又一示例性實(shí)施例，外殼元件包括具有另外的槽的基板，槽中設(shè)置另外的冷卻管。另外的冷卻管與繞組的兩個(gè)中心段熱接觸。根據(jù)又一示例性實(shí)施例，冷卻管以另一冷卻介質(zhì)可在冷卻管和另外的冷卻管之間流動(dòng)的方式耦連到另外的冷卻管，使得產(chǎn)生共用冷卻回路。通過該示例性實(shí)施例，對于繞組的中心段的冷卻控制還可以施加到冷卻箱中冷卻裝置的冷卻管，使得可以獲得同樣用于端部繞組的更容易的冷卻控制。而且，不需要安裝兩個(gè)單獨(dú)的冷卻回路，使得獲得更簡單的系統(tǒng)。在另一方面，可替代地提供兩個(gè)單獨(dú)的冷卻回路也是有利的，一個(gè)冷卻回路用于冷卻外殼元件特別是繞組的中心段，一個(gè)單獨(dú)的冷卻回路通過冷卻箱的冷卻裝置延伸以冷卻繞組的端部段。因此，用于繞組的中心段和用于端部段的冷卻能量可以被獨(dú)立地控制。因此，繞組區(qū)段的更精確的冷卻是可能的。由于從外殼元件中伸出并且可以不與外殼元件有物理接觸地延伸的端部繞組與和外殼元件的表面有物理接觸的繞組的中心段相比具有不同的加熱特征，所以這可能是有利的。另外，由中心段和端部段之間的溫差引起的熱應(yīng)力可以通過更加精確的冷卻來降低。根據(jù)又一示例性實(shí)施例，冷卻箱包括導(dǎo)熱率超過大約100W(m*K)，超過大約 150ff(m-K)或超過大約200W(m*K)的材料。冷卻箱的材料的導(dǎo)熱率越高，從冷卻箱到定子外殼的冷卻系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)越好，這樣獲得更好的冷卻效率。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻箱的材料可以至少部分由鋁或鋁合金制成。上述的發(fā)明提供用于定子系統(tǒng)的繞組的適當(dāng)冷卻系統(tǒng)。例如，用來冷卻繞組的中心段的定子外殼(定子疊層)的(液體)冷卻系統(tǒng)可以延伸到端部繞組。端部段(端部繞組) 被設(shè)置在由諸如鋁的高導(dǎo)熱率的材料制成的封閉冷卻箱的內(nèi)部。冷卻箱內(nèi)部的冷卻管可以連接到外殼元件的另外的冷卻管，使得獲得與定子的液體冷卻系統(tǒng)的耦連。另外，風(fēng)扇可以在冷卻箱的內(nèi)部空間中吹空氣，具體是在被定位在定子的中軸周圍的冷卻箱的圓周方向上吹空氣。冷卻箱可以封閉，或者可以包括空氣入口或出口。必須注意，已經(jīng)參照不同的主題描述了本發(fā)明的實(shí)施例。具體地，已經(jīng)參照裝置類型的權(quán)利要求描述了一些實(shí)施例，參照方法類型的權(quán)利要求描述了其它實(shí)施例。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員從上文和下文的描述可得出除非另外指出，除了屬于一種類型的主題的特征的任何組合之外，與不同主題相關(guān)的特征之間，具體是裝置類型權(quán)利要求的特征和方法類型權(quán)利要求的特征之間的任何組合也認(rèn)為在此申請中公開。


通過本文后面將描述的實(shí)施例的例子，以上定義的本發(fā)明的方面和其它方面是顯然的，參照實(shí)施例的例子來解釋以上定義的方面和其它方面。在后文將參照實(shí)施例的例子更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于實(shí)施例的例子。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括冷卻箱的定子系統(tǒng)的示意圖； 圖2示出了在外殼元件的端面的軸向方向的示意圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例安裝到外殼元件的端面的冷卻箱的透視圖；以
及
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的冷卻回路的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖中的圖示是示意性的。注意在不同的圖中，相似或相同的元件是用相同的附圖標(biāo)記提供的。圖1示出了用于發(fā)電機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)100。定子系統(tǒng)100 包括外殼元件101、導(dǎo)體102、冷卻箱105和冷卻裝置。導(dǎo)體102形成定子系統(tǒng)的至少一個(gè)繞組，其中該繞組包括兩個(gè)中心段103和一個(gè)端部段104。端部段104連接兩個(gè)中心段103。 兩個(gè)中心段103中的每一個(gè)安裝在外殼元件101的表面，其中端部段104從外殼元件101 中伸出。冷卻箱105以冷卻箱105包圍端部段104的方式安裝到外殼元件101，使得端部段在冷卻箱105的內(nèi)部空間106內(nèi)延伸。冷卻裝置被定位在冷卻箱105之中和/或之處，其中冷卻裝置適于冷卻端部段104。
在冷卻箱105的內(nèi)部空間106中，冷卻介質(zhì)107可以循環(huán)以用來冷卻繞組的端部段 104。在圖1中，示意性地示出了三個(gè)繞組。每個(gè)繞組包括附連在外殼元件101的表面的兩個(gè)中心段103。在圖1中，示出了一個(gè)繞組，其中端部段104連接繞組的兩個(gè)中心段103。 在相對于定子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子(未示出)的旋轉(zhuǎn)軸201 (參見圖2)的軸向方向，外殼元件101包括端面，指板108附連到端面。指板包括齒，繞組通過齒延伸。從圖1中可以看出，中心段 103與外殼元件101的表面存在物理接觸，其中在指板108之后，在軸向方向，形成繞組的導(dǎo)體突出出來，并以半環(huán)方式延伸至繞組的另一中心段103。繞組的這個(gè)突出部分就是端部段 104。冷卻箱105包圍端部繞組104。冷卻箱105附連到外殼元件101。具體地，冷卻箱 105在軸向方向附連到外殼元件101的端面，并因此還附連到指板108。冷卻箱105可以形成在相對于中心軸201的圓形方向上沿外殼元件101的端面延伸的管道。圖2是沿定子系統(tǒng)100的中心軸201的視圖，其中中心軸201具體是定子系統(tǒng)100 的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸。在相對于中心軸201的圓周方向上，四個(gè)外殼元件101形成定子外殼。每個(gè)外殼元件101在圓周方向上彼此附連。冷卻箱105 (圖2中未示出)附連到每個(gè)外殼元件 101的端面。冷卻箱105可以只在圓周方向上沿一個(gè)或多個(gè)外殼元件101的端面延伸。在另一示例性實(shí)施例中，只有一個(gè)圓形冷卻箱105可以附連到每個(gè)外殼元件101的端面，其中圓形冷卻箱105在外殼元件101的端面周圍形成閉合環(huán)路。每個(gè)外殼元件101的每個(gè)冷卻箱105可以在圓周方向上連接到相鄰的冷卻箱105， 以沿外殼元件101的端面且因此在中心軸201的周圍形成冷卻介質(zhì)的同心循環(huán)的管道。在另一示例性實(shí)施例中，每個(gè)冷卻箱105可以與相鄰的冷卻箱105隔開，使得每個(gè)分開的冷卻箱105充滿在每個(gè)冷卻箱105的內(nèi)部空間106內(nèi)流動(dòng)的絕熱的冷卻介質(zhì)107。圖3示出了定子系統(tǒng)100的透視圖，其中幾個(gè)冷卻裝置附連在冷卻箱105之中和/ 或之處。在冷卻箱105的內(nèi)部空間106內(nèi)，冷卻裝置可以包括適于在內(nèi)部空間107內(nèi)吹動(dòng)諸如空氣的冷卻介質(zhì)107的風(fēng)扇301。冷卻介質(zhì)107冷卻定子繞組的端部段104。為了簡便起見，在圖3中沒有示出繞組。定子繞組可以具體地附連到在相對于中心軸201沿外殼元件101的外表面的軸向方向上延伸的定子槽307。例如，導(dǎo)體以其中心段103沿外殼元件101的定子槽307延伸，并在外殼元件的端面退出定子槽307。在延伸成半環(huán)后，導(dǎo)體進(jìn)入另一例如相鄰的定子槽307以形成繞組。在半環(huán)段(端部段104)，導(dǎo)體可以與在軸向方向定位的外殼元件101的表面物理接觸，或者可以與該表面無接觸。而且，冷卻箱105包括壁302，管道305例如鉆入壁302中以形成冷卻裝置的冷卻管303。另一冷卻介質(zhì)308可以循環(huán)到冷卻管303中，以便冷卻冷卻箱105的內(nèi)部空間106。而且，圖3示出了外殼元件101的基板304，在基板304中鉆另外的槽306，以形成另外的冷卻管。另外的冷卻管產(chǎn)生冷卻介質(zhì)的循環(huán)，以特別冷卻附連到定子槽307的繞組的中心段103。冷卻箱105的冷卻管303可以耦連到定子元件101的另外的冷卻管以便產(chǎn)生共用的冷卻回路。圖4圖解說明此共用的冷卻回路。另一冷卻介質(zhì)308沿外殼元件101的另外的冷卻管流向冷卻箱105的冷卻管303。在冷卻端部段104之后，另一冷卻介質(zhì)308流回外殼元件101的另外的冷卻管，并冷卻繞組的其它中心段103。圖4圖解說明共用的冷卻回路。 在另一側(cè)，還可以提供兩個(gè)單獨(dú)的冷卻回路，一個(gè)用于繞組的中心段103，一個(gè)用于繞組的端部段104。 應(yīng)該注意，術(shù)語“包括”不排除其它元件或步驟，“一個(gè)”不排除為復(fù)數(shù)?？梢越M合關(guān)于不同實(shí)施例描述的元件。還應(yīng)該注意權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)該解讀為限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)(100)，特別是用于風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng) (100)，所述定子系統(tǒng)(100)包括外殼元件(101)，形成所述定子系統(tǒng)(100)的至少一個(gè)繞組的導(dǎo)體(102)，其中所述繞組包括兩個(gè)中心段(103)和一個(gè)端部段(104)，其中所述端部段(104)連接所述兩個(gè)中心段(103)，其中所述兩個(gè)中心段(103)中的每一個(gè)安裝在所述外殼元件(101)的表面，其中所述端部段(104)從所述外殼元件(101)中伸出，冷卻箱(105)，其中所述冷卻箱(105)以所述冷卻箱(105)包圍所述端部段(104)的方式安裝到所述外殼元件(101)，使得所述端部段(104)在所述冷卻箱(105)的內(nèi)部空間(106)內(nèi)延伸，以及冷卻裝置，其被定位在所述冷卻箱(105)中和/或所述冷卻箱(105)處，其中所述冷卻裝置適于冷卻所述端部段(104)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子系統(tǒng)(100)，其中所述冷卻裝置包括風(fēng)扇(301)，用于在所述內(nèi)部空間(106)中產(chǎn)生冷卻介質(zhì)(107)的循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定子系統(tǒng)(100)，其中所述冷卻箱(105)包括壁(302)，所述冷卻裝置的冷卻管(303)安裝到所述壁，另一冷卻介質(zhì)(308)能夠通過所述冷卻管(303) 流動(dòng)，而且其中所述冷卻管(303)以所述冷卻管(303)與所述內(nèi)部空間(106)熱接觸以冷卻所述繞組的所述端部段(104)的方式安裝到所述壁(302)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定子系統(tǒng)，其中所述壁(302)包括槽(305)，所述冷卻管 (303)布置在所述槽(305)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的定子系統(tǒng)(100)，其中所述外殼元件(101)包括具有另外的槽(306)的基板(304)，在所述另外的槽(306)內(nèi)布置有另外的冷卻管，而且其中所述另外的冷卻管與所述繞組的所述兩個(gè)中心段(103)熱接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定子系統(tǒng)(100)，其中所述冷卻管(303)以所述另一冷卻介質(zhì) (308)能在所述冷卻管(303)和所述另外的冷卻管之間流動(dòng)的方式耦連到所述另外的冷卻管，從而產(chǎn)生共用的冷卻回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的定子系統(tǒng)(100)，其中所述冷卻箱(105)包括導(dǎo)熱率超過IOOff (m · K)，特別是超過150ff(m · K)的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定子系統(tǒng)(100)，其中所述材料是鋁。
9.一種制造用于發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)(100)的方法，所述方法包括用導(dǎo)體(102)形成用于定子的至少一個(gè)繞組，其中所述繞組包括兩個(gè)中心段(103)和一個(gè)端部段(104)，其中所述端部段(104)連接所述兩個(gè)中心段(103)，將所述兩個(gè)中心段(103)安裝在外殼元件(101)的表面，其中所述端部段(104)從所述外殼元件(101)中伸出，將冷卻箱(105)以所述冷卻箱(105)包圍所述端部段(104)的方式安裝到所述外殼元件(101)，使得所述端部段(104)在所述冷卻箱(105)的內(nèi)部空間(106)內(nèi)延伸，以及提供冷卻裝置，其被定位在所述冷卻箱(105)中和/或所述冷卻箱處，其中所述冷卻裝置適于冷卻所述端部段(104)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有冷卻裝置的定子系統(tǒng)。具體地，提供了一種用于發(fā)電機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的定子系統(tǒng)。定子系統(tǒng)包括外殼元件、導(dǎo)體、冷卻箱和冷卻裝置。導(dǎo)體形成定子系統(tǒng)的至少一個(gè)繞組，其中繞組包括兩個(gè)中心段和一個(gè)端部段。端部段連接兩個(gè)中心段，其中兩個(gè)中心段中的每一個(gè)安裝在外殼元件的表面。端部段從外殼元件中伸出。冷卻箱以冷卻箱包圍端部段的方式安裝到外殼元件，使得端部段在冷卻箱的內(nèi)部空間內(nèi)延伸。冷卻裝置被定位在冷卻箱中和/或冷卻箱處，其中冷卻裝置適于冷卻端部段。
文檔編號H02K9/00GK102377285SQ20111021004
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者勒貝納雷 J. 申請人:西門子公司