專利名稱：帶有雙邊疊片組的電機的制作方法
技術領域：
本申請包括涉及到與本申請同時提交的題為“帶有雙邊定子的電機”的美國專利申請No.10/951335(代理人檔案號No.148901-1)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，它是由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動式發(fā)電機的風力渦輪。直接驅動式發(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)明內容
簡而言之，根據(jù)本技術的一個實施例，風力渦輪發(fā)電機包括帶有內轉子鐵心和外轉子鐵心的轉子。根據(jù)本技術的某些方面，外轉子鐵心相對于內轉子鐵心是倒置的。該風力渦輪發(fā)電機還包括帶有內定子邊和外定子邊的雙邊定子。該雙邊定子構造成可使所有或一部分磁通在內定子邊和外定子邊之間共享。
根據(jù)本技術的另一方面，提供了一種船舶推進電動機。該電動機包括帶有內轉子鐵心和外轉子鐵心的轉子，以及帶有內定子邊和外定子邊的雙邊定子。內定子邊和外定子邊包括雙邊的疊片組。該雙邊定子同心地設置在電動機的內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顯示了根據(jù)本技術某些方面所述的風力渦輪的剖視圖，其包括示例性的直接驅動式雙邊永磁(PM)發(fā)電機；圖2顯示了圖1所示直接驅動式雙邊磁通共享的PM發(fā)電機的剖視圖；圖3顯示了帶有空氣冷卻通道的圖2所示直接驅動式PM發(fā)電機的特寫圖；圖4顯示了用于圖1-3所示實施例的PM發(fā)電機的雙邊定子的剖視圖；圖5顯示了圖4所示雙邊定子的特寫圖；圖6顯示了雙邊定子和內、外轉子的剖視圖；圖7顯示了在某個瞬時雙邊定子和內、外轉子中的磁通路徑；圖8顯示了圖2所示裝置中的帶有液體冷卻通道的示例性實施例；和圖9顯示了根據(jù)本技術某些方面所述的示例性船舶推進電動機的一部分，其帶有用于雙邊定子的雙邊疊片組。
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外永磁體；20內轉子鐵心；22內永磁體；24雙邊定子；26外定子邊；28外定子繞組(線圈)；30內定子邊；32內定子繞組(線圈)；33固定軸；34固定框架；35固定框架的結構肋；36主框架；38塔架；42轉子葉片；44轉子葉片轂；46轉子軸；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內氣隙；66雙邊疊片組；68軸向螺栓；69螺栓孔；70液體冷卻通道；80主框架法蘭；82芯板；84外密封件；86內密封件；88氣室；89冷卻管道；90從氣室至定子和轉子的冷卻空氣通道；92離開定子和轉子的冷卻空氣通道；94穿過轉子框架的冷卻通道；96穿過定子框架的冷卻通道；98用于冷卻空氣穿過轉子框架的密封通道；100冷卻空氣入口；102冷卻空氣的排放口；104外定子齒；106內定子齒；108外定子線圈的固定楔；110內定子線圈的固定楔；112外定子繞組(線圈)之間的冷卻空氣通道；114內定子繞組(線圈)之間的冷卻空氣通道；116定子軛架；118PM磁極帽；130磁力線；140液體冷卻管道；910船舶推進轂罩單元；912電動機；914轉子；916外轉子鐵心；918外永磁體；920內轉子鐵心；922內永磁體；924雙邊定子；926外定子邊；928外定子繞組(線圈)；930內定子邊；932內定子繞組(線圈)；934螺旋槳；936安裝和軸承組件；938框架組件；966雙邊疊片組。
具體實施例方式
本發(fā)明包括了尤其適用于直接驅動式風力渦輪和船舶推進裝置的雙邊發(fā)電機的不同實施例。在下文中描述的用于風力渦輪的不同直接驅動式構造是基于雙邊的、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同步電機。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。
再次參見圖1，PM發(fā)電機12通過主軸和軸承組件56而安裝在機殼主框架36上。機殼主框架36又通過傳統(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。下面將參考圖2來說明PM發(fā)電機12的更多詳細特征。轉子葉片轂44將風力渦輪的轉子葉片42與PM發(fā)電機12相連。轉子轂蓋49包含有風力渦輪的轉子葉片42和其它渦輪轉子部件。另外還設有機殼蓋50，其通?？杀Ｗo機殼內的部件不受外界影響。
圖2顯示了圖1所示直接驅動式雙邊磁通共享的PM發(fā)電機的剖視圖。PM發(fā)電機12包括轉子14(發(fā)電機轉子)，其包括帶有外永磁體18的外轉子鐵心16和帶有內永磁體22的內轉子鐵心20。外轉子鐵心16相對于內轉子鐵心20是倒置的。永磁發(fā)電機12還包括雙邊定子24，其包括帶有外定子繞組(線圈)28的外定子邊26和帶有內定子繞組(線圈)32的內定子邊30。本領域的技術人員容易理解，定子24同心地設置在外轉子鐵心16和內轉子鐵心20之間。這樣，外定子邊26和內定子邊30促成了所述至少兩個同心氣隙62，64(內定子邊30和內轉子鐵心20限定了內氣隙64，而外定子邊26和外轉子鐵心16限定了外氣隙62)。在圖2所示的特定實施例中，外定子邊26和內定子邊30通常由單個雙邊疊片組66構成，其通過軸向螺栓68而被軸向地螺栓接合在固定框架34上。位于疊片組66的兩側和軸向螺栓68的頭部之間的鋼制芯板82提供了軸向螺栓68對疊片組的均勻壓縮。這樣，雙邊定子24構造成可使磁通的至少一部分(在某些實施例中為全部)在內定子邊26和外定子邊30之間共享。
定位在固定框架34和轉子14之間的可選外旋轉密封件84提供了使雙邊定子24和轉子14的部件免于環(huán)境影響的額外保護?？蛇x的內密封件86提供了定子及轉子部件與相應的框架結構34及52之間的密封。這些密封件最好是迷宮式密封或刷式密封。
在工作中，雙邊定子24的功率輸出由能夠進行完全動力轉換的動力轉換單元(未示出)來控制。定子24與固定框架34相連，框架34可包括結構加強件或肋條35。轉子軸46在一端處通過旋轉框架52連接在轉子14上，而在另一端處連接在轉子葉片轂的法蘭54上，法蘭54連接在渦輪轉子葉片轂(圖1中的標號44)上。旋轉框架52也包括結構加強件或肋條53。發(fā)電機的轉子軸46安裝在軸承組件上，其由兩個主軸承即前主軸承58和后主軸承60組成。盡管顯示了兩個主軸承，然而包括一個主軸承在內的其它軸承構造也是可以的。軸承安裝在固定內軸33上，該內軸33通過主框架法蘭80而安裝在機殼主框架36上。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。
圖3是圖2所示雙邊磁通共享的PM發(fā)電機12中的空氣冷卻設計的詳細側剖視圖。如圖所示，氣室88連接在PM發(fā)電機12的固定框架34上。冷卻管道90穿過氣室88進入到定子和轉子中。如后文所述的空氣通道描述了冷卻管道中的氣流。冷卻空氣軸向穿過雙邊定子中的冷卻管道。冷卻管道可設于相應定子槽的至少兩個相鄰的定子線圈之間，用于傳遞冷卻空氣(如圖6中的通道112和114所示)。冷卻空氣通道92顯示了冷卻空氣從定子和轉子中離開，進入穿過轉子框架的冷卻空氣通道入口94以及穿過固定框架34的冷卻空氣通道入口。另外，可提供密封通道98用作供冷卻空氣穿過轉子框架的通道。在上述設計中設有用于冷卻空氣的入口100和排放口102。應注意的是，包括與所示方向相反的氣流的備選氣流路徑也是可以的。
圖4是外定子邊26和內定子邊30繞固定框架34而設置的雙邊定子24的剖視圖。圖4還顯示了前主軸承58和后主軸承60以及固定軸33。
圖5是繞固定框架34設置的圖4所示雙邊定子的特寫圖，其顯示了外定子繞組(線圈)28、內定子繞組(線圈)32、軸向螺栓68和外定子齒104。圖中還顯示了空氣冷卻通道90，其允許冷卻空氣流入到雙邊定子和轉子中。
圖6是雙邊定子和內、外轉子的剖視圖。圖中顯示了帶有外永磁體18的外轉子鐵心16和帶有內永磁體22的內轉子鐵心20。標號106和104大體上分別表示內、外定子齒，并且外定子線圈的固定楔108和內定子線圈的固定楔110分別固定了外定子繞組(線圈)28和內定子繞組(線圈)32。如上文所述的雙邊定子促成了外氣隙62和內氣隙64。借助于設在定子軛架116中的多個軸向螺栓68，就可通過疊片組66的壓縮來實現(xiàn)定子的結構完整性。螺栓體(軸)(未示出)及其至少一端與疊片及框架結構隔離，以避免感應電流而導致?lián)p耗和發(fā)熱。在一個示例中，在每個凹槽內至少使用了一個螺栓；例如圖6中所示的螺栓孔69。本領域中的技術人員應當理解，螺栓孔的位置是可以變化的。在一個特定示例中，螺栓孔的位置可與定子齒對齊。圖中還顯示了如上文所述的冷卻空氣通道，即位于外定子繞組之間的冷卻空氣通道112和位于內定子繞組之間的冷卻空氣通道114。
圖7顯示了在任意瞬時的共享磁通路徑或磁力線130，其在雙邊定子和永磁體中徑向流動，并且主要在PM發(fā)電機12的內、外轉子鐵心中周向地流動。如上所述，單個定子疊片組使磁通如圖7所示地共享。
圖8顯示了帶有用于在雙邊定子中進行液體冷卻的示例性設計的定子和轉子的截面。在一個示例中，液體冷卻通道140(或冷卻管道)可設在外定子齒104的附近。在一個示例中，液體冷卻通道140設在形成于外定子齒104之間的凹槽底部。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。冷卻通道140可以是常用于制造冷卻管的任何材料，例如但不限于鋁、銅、不銹鋼或其任何組合。冷卻通道140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氣冷或風冷設計中的更小。因此就增大了內氣隙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。
圖8中還顯示了磁極帽118，其分別連接在內永磁體22和外永磁體18的面向氣隙的表面上。磁極帽優(yōu)選由高電阻的鐵磁體材料制成，例如軟磁鐵復合材料或粘合的疊片組。磁極帽提供了對永磁體的機械保護，減少了轉子(磁鐵)的損耗，并且還可在失效狀態(tài)期間避免去磁化。磁極帽118的使用并不局限于液體冷卻，而且還可在圖1-7中所示的前一PM發(fā)電機中使用。
本領域中的技術人員應當理解，還可以等同地應用其它的冷卻技術，例如但不局限于強制性空氣冷卻等。
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。最顯著的優(yōu)點包括降低了制造和裝配成本，減輕了定子質量，減小了機器外徑(從而實現(xiàn)了陸上運輸)，并且提高了徑向磁力的平衡。
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9顯示了船舶推進轂罩單元910的一部分的剖視圖，其包括示例性的雙邊船舶推進電動機912、螺旋槳934、安裝和軸承組件936以及框架組件938。船舶推進電動機912包括轉子914，其包括帶有外永磁體918的外轉子鐵心916和帶有內永磁體922的內轉子鐵心920。電動機912還包括雙邊定子924，其包括帶有外定子繞組928的外定子邊926和帶有內定子繞組932的內定子邊930。該雙邊定子包括雙邊疊片組966，其同心地設置在船舶推進電動機的內轉子鐵心和外轉子鐵心之間。雙邊疊片組構造成可使磁通在內定子邊和外定子邊之間徑向流動。如在風力渦輪構造中的那樣，內定子邊和內轉子鐵心限定了內氣隙，而外定子邊和外轉子鐵心限定了外氣隙。
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。船舶推進電動機還可包括冷卻管道，其通過傳遞如針對風力渦輪的圖8所示的液體冷卻介質來冷卻電動機。冷卻管道可以是位于雙邊定子中的軸向冷卻管道，或者冷卻管道可以定位在相應定子槽的至少兩個相鄰的定子線圈之間。在一個特定示例中，冷卻管道可定位在雙邊定子的多個槽中。
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)明的精神實質內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種風力渦輪(10)，包括風力渦輪發(fā)電機(12)，所述發(fā)電機包括至少一個帶有內轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)的轉子(14)，其中所述外轉子鐵心(16)相對于所述內轉子鐵心(20)是倒置的；和至少一個帶有內定子邊(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)構造成可使至少一部分磁通在所述內定子邊(30)和所述外定子邊(26)之間共享。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪，其特征在于，所述內定子邊(30)和所述外定子邊(26)包括雙邊疊片組(66)，其構造成可使磁通在所述內定子邊(30)和所述外定子邊(26)之間徑向流動。
3.根據(jù)權利要求2所述的風力渦輪，其特征在于，所述風力渦輪還包括用于為所述雙邊疊片組(66)提供壓縮的多個軸向螺栓(68)。
4.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪，其特征在于，所述風力渦輪還包括冷卻通道(70)，其通過傳遞冷卻空氣或液體冷卻介質中的至少一種來冷卻所述風力渦輪發(fā)電機(12)。
5.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪，其特征在于，所述內定子邊(30)和內轉子鐵心(20)限定了內氣隙(64)，而所述外定子邊(26)與外轉子鐵心(16)限定了外氣隙(62)，其中一部分冷卻空氣軸向地流經(jīng)所述內、外氣隙。
6.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪，其特征在于，所述至少一個雙邊定子(24)同心地設置在所述風力渦輪發(fā)電機(12)的所述內轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪，其特征在于，所述風力渦輪發(fā)電機(12)是直接驅動式永磁發(fā)電機。
8.一種用于風力渦輪(10)的發(fā)電機(12)，包括至少一個帶有內轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)的轉子(14)；和至少一個帶有內定子邊(30)和外定子邊(26)的雙邊定子(24)，所述內定子邊和外定子邊包括雙邊疊片組(66)，其中所述雙邊疊片組構造成可使磁通在所述內定子邊和外定子邊之間徑向流動，和所述發(fā)電機是直接驅動式永磁發(fā)電機。
9.一種船舶推進電動機(912)，包括至少一個帶有內轉子鐵心(920)和外轉子鐵心(916)的轉子(914)；和至少一個帶有內定子邊(930)和外定子邊(926)的雙邊定子(924)，所述內定子邊和外定子邊包括雙邊疊片組(966)，其中，所述至少一個雙邊定子同心地設置在所述電動機的內轉子鐵心和外轉子鐵心之間。
10.根據(jù)權利要求9所述的電動機，其特征在于，所述雙邊疊片組(966)構造成可使磁通在所述內定子邊和外定子邊之間徑向流動。
全文摘要
一種電機，包括帶有內轉子鐵心(20)和外轉子鐵心(16)的轉子(14)，以及帶有內定子邊(30)和外定子邊(26)的雙邊定子(24)。該雙邊定子(24)同心地設置在風力渦輪發(fā)電機(12)的內轉子鐵心和外轉子鐵心之間。雙邊定子構造成可使至少一部分磁通在內定子邊和外定子邊之間共享。該電機的特別有用的實施例的例子包括風力渦輪發(fā)電機(12)和船舶推進電動機(912)。
文檔編號H02K1/27GK1756051SQ20051010768
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, B·S·巴格帕利, A·D·加德雷, J·加格, F·J·羅佩茲 申請人:通用電氣公司