發(fā)電機(jī)電樞的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明描述了發(fā)電機(jī)電樞；疊片；實(shí)現(xiàn)為冷卻發(fā)電機(jī)的定子繞組的冷卻布置；發(fā)電機(jī)；風(fēng)力渦輪機(jī)；以及冷卻發(fā)電機(jī)的定子繞組的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在其中內(nèi)定子或外定子充當(dāng)電樞的已知發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，定子加載有多個(gè)繞組或線(xiàn)圈，并且對(duì)應(yīng)的定子加載有磁體或磁極片。電樞本身通常通過(guò)疊置諸如電工鋼或硅鋼的合適材料的疊片和圍繞支撐結(jié)構(gòu)布置這些疊片來(lái)制造。疊片根據(jù)所需數(shù)量的定子繞組和定子齒預(yù)切割或沖壓成所需形狀，并且在安裝到支撐結(jié)構(gòu)上時(shí)會(huì)徑向向外延伸。在非常大的電動(dòng)馬達(dá)或發(fā)電機(jī)的情況中，疊片可包括定子的弧段，其具有限定繞組狹槽的多個(gè)電樞齒突起。每個(gè)繞組布置在形成于相鄰定子齒之間的狹槽中。疊片用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種重要功能，例如減少渦電流、降低滯后和為磁通提供路徑。因此，疊片通常實(shí)現(xiàn)為具有主體和多個(gè)定子齒突起的不間斷區(qū)域。理想的是，疊片的金屬為磁通提供通過(guò)疊片的主體的不間斷的路徑。
[0003]在諸如風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的操作期間，在繞組中感應(yīng)出高水平的電流，并且因此繞組變得非常熱。出于許多原因，繞組中的高溫是不期望的。繞組的電阻在較高溫度下增加并且對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出功率有有害影響。另外，來(lái)自發(fā)電機(jī)的熱量傳遞到磁體并且可能對(duì)磁體的性能具有不利影響。諸如用于輔助設(shè)備的電路的發(fā)電機(jī)中的其它部件也可能受高溫影響。因此，將更多努力投入在試圖冷卻發(fā)電機(jī)的過(guò)程中。
[0004]在用于冷卻繞組的一些現(xiàn)有技術(shù)方法中，冷卻流體被引入到盡可能接近定子繞組處。例如，冷卻空氣流可被導(dǎo)向到轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙中，使得一些熱量可被冷卻空氣流輸送走。為了努力將熱量從已橫跨氣隙被繞組依次加熱的磁體傳遞走，諸如冷卻翅片的熱耗散元件可安裝在外表面上，例如，外轉(zhuǎn)子的外表面上。其它冷卻技術(shù)涉及在發(fā)電機(jī)的內(nèi)部空間中布置熱交換器，以試圖減少發(fā)電機(jī)中的熱量。然而，這些方法在一定程度上都受限于發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，具體地受限于影響定子設(shè)計(jì)的約束。例如，在大部分設(shè)計(jì)中，不可以直接接近熱繞組，因?yàn)槊總€(gè)繞組緊密地?cái)D在相鄰定子齒之間。在其它設(shè)計(jì)中，為了冷卻目的，不可以接近繞組或定子支撐結(jié)構(gòu)。有效地，狹窄的氣隙和定子的疊片堆阻止接近熱繞組。因此，已知設(shè)計(jì)的有效性受限于不能從繞組和支撐結(jié)構(gòu)帶走熱量。在一個(gè)方法中，通道形成為延伸穿過(guò)在發(fā)電機(jī)氣隙和定子內(nèi)部之間的定子齒，并且通道的目的是允許冷卻空氣傳送通過(guò)定子的主體。然而，為了有效冷卻熱定子，需要大量這樣的通道。由于通道從定子的主體有效地移除金屬，磁通被負(fù)面地影響。此外，這樣的通道形成于定子齒中并且因此不接近定子繞組，使得它們?cè)趶睦@組帶走熱量的有效性受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供移除在定子的繞組中生成的熱量的改進(jìn)的方式。
[0006]該目標(biāo)通過(guò)權(quán)利要求1的發(fā)電機(jī)電樞、權(quán)利要求6的疊片、權(quán)利要求8的冷卻布置、權(quán)利要求11的發(fā)電機(jī)、權(quán)利要求13的風(fēng)力渦輪機(jī)、以及權(quán)利要求15的冷卻發(fā)電機(jī)的定子繞組的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，發(fā)電機(jī)電樞包括:多個(gè)疊片，其疊置以形成電樞齒的環(huán)形布置，由此，每對(duì)相鄰的電樞齒由在基本上平行于發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的方向上間隔開(kāi)的軸向繞組狹槽；以及多個(gè)徑向冷卻通道，其實(shí)現(xiàn)為輸送冷卻介質(zhì)，由此，徑向冷卻通道從軸向繞組狹槽延伸至電樞的相對(duì)側(cè)，并且其中，徑向冷卻通道由在疊片堆的疊片中的一系列協(xié)調(diào)或?qū)R的凹口形成。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)電樞的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)提供徑向冷卻通道，在使用這樣的電樞的發(fā)電機(jī)的操作期間，有可能允許冷卻介質(zhì)(例如，諸如空氣的流體)從軸向繞組狹槽傳送通過(guò)徑向冷卻通道并且進(jìn)入電樞的內(nèi)部腔體，在內(nèi)部腔體中，加溫的介質(zhì)可被再次冷卻或排出。由于繞組是發(fā)電機(jī)中的熱量的主要來(lái)源，根據(jù)本發(fā)明的電樞提供允許冷卻介質(zhì)從繞組通過(guò)徑向冷卻通道并且向電樞的相對(duì)側(cè)之外帶走熱量的便利的方式。在帶有承載磁體的外轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)的情況中，電樞將用作內(nèi)定子，使得冷卻介質(zhì)可傳送通過(guò)徑向冷卻通道進(jìn)入定子的內(nèi)部腔體。從那里，冷卻介質(zhì)可根據(jù)需要冷卻或抽出。根據(jù)本發(fā)明的電樞使用疊置疊片以達(dá)到所需形式的已知方法來(lái)制造。當(dāng)疊片被疊置時(shí)對(duì)齊或協(xié)調(diào)疊片中的凹口以形成徑向冷卻通道的概念是獲得徑向冷卻通道的所需布置的有利地簡(jiǎn)單的方式，因?yàn)樗粫?huì)不利地影響需要由疊片實(shí)現(xiàn)的功能。例如，將不可能穿過(guò)疊片堆從繞組狹槽向定子內(nèi)部鉆孔，因?yàn)閷雍喜牧鲜且姿榈?，并且不耐受這樣的機(jī)械應(yīng)力。在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)電樞中，可形成徑向通道，而不損壞疊片的材料，并且不從電樞“移除”任何顯著量的金屬。因此，根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置確保發(fā)電機(jī)的有效操作所需的電樞中的有利的磁通，而同時(shí)為冷卻空氣流提供路徑。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，冷卻布置實(shí)現(xiàn)為冷卻發(fā)電機(jī)的定子的定子繞組，其中，定子包括這樣的電樞，并且包括:多個(gè)軸向冷卻通道，其中，軸向冷卻通道沿著布置在電樞的軸向繞組狹槽中的相鄰的定子繞組之間的間隙延伸；多個(gè)徑向冷卻通道，其實(shí)現(xiàn)為輸送冷卻介質(zhì)，其中，徑向冷卻通道包括電樞的徑向冷卻通道；以及空氣流引導(dǎo)裝置，其實(shí)現(xiàn)為沿著軸向冷卻通道并且隨后通過(guò)徑向冷卻通道向定子的內(nèi)部腔體內(nèi)引導(dǎo)冷卻空氣流。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置的優(yōu)點(diǎn)在于，熱量可從熱繞組以顯著地更有效的方式帶走。因此，發(fā)電機(jī)的效率可被顯著地提高。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，疊片實(shí)現(xiàn)用于發(fā)電機(jī)的電樞，并且包括多個(gè)電樞齒突起；布置在疊片的至少一個(gè)側(cè)部上的凹口的一部分；和/或布置到電樞齒突起的一側(cè)的至少一個(gè)完整的凹
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[0012]根據(jù)本發(fā)明的疊片的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以以通常的方式被切割或沖出，而同時(shí)在多個(gè)這樣的疊片隨后被組裝以構(gòu)造電樞時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)徑向冷卻通道。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，發(fā)電機(jī)包括外轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子，該定子包括:布置在環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)上的根據(jù)本發(fā)明的電樞；以及成對(duì)地布置在相鄰電樞齒之間的多個(gè)繞組，并且其中，定子實(shí)現(xiàn)為連接到根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于，它可比通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)方法冷卻的相當(dāng)?shù)陌l(fā)電機(jī)更有效地操作。此外，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)可以簡(jiǎn)單的方式構(gòu)造，因?yàn)閺较蚶鋮s通道在電樞的疊片堆的組裝期間出現(xiàn)，并且在定子的組裝之后不需要任何特定的制造步驟。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，風(fēng)力渦輪機(jī)包括直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，該直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)具有實(shí)現(xiàn)為承載磁體布置的外轉(zhuǎn)子和實(shí)現(xiàn)為承載繞組布置的內(nèi)定子，該定子包括根據(jù)本發(fā)明的電樞和用于冷卻定子的繞組的根據(jù)本發(fā)明的冷卻布置。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于，其功率輸出可被增加，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)可比通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)方法冷卻的發(fā)電機(jī)更有效地操作。非常有效的冷卻允許發(fā)電機(jī)在高功率輸出下操作更長(zhǎng)時(shí)間。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，冷卻發(fā)電機(jī)的定子繞組的方法包括以下步驟:提供根據(jù)本發(fā)明的電樞；提供多個(gè)軸向冷卻通道，其中，軸向冷卻通道沿著布置在電樞的軸向繞組狹槽中的相鄰的定子繞組之間的間隙延伸；沿著多個(gè)軸向冷卻通道并且隨后通過(guò)電樞的徑向冷卻通道向定子的內(nèi)部腔體內(nèi)引導(dǎo)冷卻介質(zhì)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于，冷卻介質(zhì)可以非常容易地引入到發(fā)電機(jī)的最熱部分，即，引入到繞組，使得熱量能迅速且有效地從繞組輸送走。有效的冷卻防止磁體變得過(guò)熱，從而可以顯著地提高發(fā)電機(jī)的效率。
[0019]在下文中，但在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，可假設(shè)定子具有通常稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)端的前端，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在該端連接到用來(lái)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子輪轂。還可以假設(shè)，定子的后端為非驅(qū)動(dòng)端，其通常面向風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙或艙罩內(nèi)。
[0020]任何合適的冷卻介質(zhì)可用來(lái)從繞組帶走熱量。例如，狹窄的管的系統(tǒng)可以在繞組之間的軸向冷卻通道中并且通過(guò)徑向冷卻通道輸送冷卻流體。然而，這樣的實(shí)現(xiàn)可能是相對(duì)復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，空氣被用作冷卻介質(zhì)。因此，在下文中，但在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，可假設(shè)冷卻介質(zhì)是能沿著軸向和徑向冷卻通道自由傳送的空氣。
[0021]如上所述，電樞通過(guò)以下方式制造:疊置疊片層，使得組裝的疊堆為環(huán)形的，并且包括由繞組狹槽間隔開(kāi)的一定數(shù)量的定子齒。典型的疊片層可具有0.5_的厚度。因此，具有1.0m的深度的電樞將需要2000層深的疊片堆。在下文中也可以假設(shè)，總的環(huán)形疊片層包括多個(gè)疊片部段。換句話(huà)講，環(huán)形疊片層(覆蓋360° )可包括η個(gè)疊片部段，其中每個(gè)疊片覆蓋包括360/η度的弧度。用于承載108個(gè)繞組對(duì)的1.0m深的示例性電樞可使用疊片構(gòu)造，每個(gè)疊片成形為包括三個(gè)定子齒。因此，每個(gè)疊片將覆蓋整圓的10°，并且需要36個(gè)疊片來(lái)構(gòu)成整圓。整個(gè)電樞將因此需要具有0.5mm的厚度的72，000個(gè)疊片。
[0022]徑向冷卻通道的寬度基本上由凹口的寬度給出，凹口的寬度沿著在相鄰定子齒之間延伸的虛線(xiàn)測(cè)量。沿著在定子的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端之間延伸的虛線(xiàn)測(cè)量的徑向冷卻通道的長(zhǎng)度可基于沿著在驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端之間的繞組狹槽的徑向冷卻通道的數(shù)目以及應(yīng)被吸過(guò)徑向冷卻通道的空氣量來(lái)選擇。由于徑向冷卻通道由形成于相鄰疊片中的凹口的對(duì)齊產(chǎn)生，徑向冷卻通道的橫截面積將為基本上矩形的。徑向冷卻通道的長(zhǎng)度可取決于疊片的厚度