專利名稱：定子布置、發(fā)電機及風(fēng)力渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機的定子布置，尤其是風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機的定子布 置。本發(fā)明還涉及發(fā)電機(例如，風(fēng)力渦輪機的包括這樣的定子布置的直 驅(qū)式發(fā)電機)，以及包括這樣的發(fā)電機的風(fēng)力渦輪機。
背景技術(shù)：
每個風(fēng)力渦輪機都包括發(fā)電機，例如，具有用于產(chǎn)生電能的發(fā)電機定 子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的大型直驅(qū)式發(fā)電機。
為了獲得相對高的發(fā)電機效率，尤其是風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機效率，發(fā) 電機的轉(zhuǎn)子元件(例如，永磁體)與定子元件(例如，具有繞組的疊層堆) 之間的徑向氣隙應(yīng)相對較小，甚至對于可能具有幾米直徑的大型發(fā)電機 (如直驅(qū)式或直接驅(qū)動型發(fā)電機)來說，該氣隙通常在僅僅幾個毫米的范 圍內(nèi)。
為了避免對轉(zhuǎn)子元件和定子元件的機械損傷，因此，在發(fā)電機的運行 期間，確保彼此相對布置的轉(zhuǎn)子元件的外表面和定子元件的外表面不會彼 此直接接觸是必要的。因此，必須保證該小氣隙處于狹窄公差內(nèi)的標(biāo)稱值， 其中由于效率原因該小氣隙必須是相對較小高度的。
在現(xiàn)代風(fēng)力渦輪4幾中，直驅(qū)式發(fā)電機可具有幾米的直徑。將這種尺寸 的發(fā)電機的轉(zhuǎn)子元件與定子元件之間的氣隙維持在幾毫米的范圍內(nèi)，這需 要相當(dāng)堅固，并因此巨大且笨重的支撐結(jié)構(gòu)，特別是定子布置的支撐結(jié)構(gòu)。
采用傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子的機器在外部具有定子支撐結(jié)構(gòu)，因此，這導(dǎo)致了 大型且笨重的發(fā)電機。
如果發(fā)電機定子包括一系列獨立的定子段，是有益的。在制造定子的 時候，如果作為多個段來制造，那么該有效元件是非常容易掌控的，并且
被分段的定子具有這樣的優(yōu)點:在有故障的情形中，可以用替換整個定子 所需要的成本和精力的一小部份來替換各自受影響的定子段。
另一方面，定子的分段具有缺乏用以維持圓柱度的剛度的缺點。對于 沒有被分段的定子來說，定子的整個疊層堆的環(huán)剛度效果提供了有助于維 持圓柱度的基本剛度。對于分段式發(fā)電機來說，疊層堆并不提供有助于維持定子圓柱度的任何剛度。因此，對于分段的定子來說，主要還是需要更加精心制作的支撐結(jié)構(gòu)以確保形狀和尺寸公差，特別是關(guān)于定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙。
定子支撐結(jié)構(gòu)的剛度是該結(jié)構(gòu)的局部對黃截面(材料體積和厚度，以及
總的截面高度)的函數(shù)。例如，可用200mm的T字梁焊接到外部定子的疊層的外部來獲得大型電機的傳統(tǒng)定子支撐結(jié)構(gòu)的必要剛度，并且由外殼補充，這導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)橫截面的總厚度為300 mm。假如氣隙半徑是2000mm，且疊層堆具有200 mm的徑向高度，那么該發(fā)電機的凈半徑是2200mm。但是，當(dāng)加上支撐結(jié)構(gòu)的300 mm時，該半徑增加到了 2500 mm。這可能會在總的運輸成本上引起^f艮大的差別，并導(dǎo)致明顯的額外重量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是，提供一種分段的定子布置， 一種發(fā)電機以及一種風(fēng)力渦輪機，正如一開始所提及的那樣，用這樣的方式使得氣隙距離相對于形狀和尺寸公差(特別是圓柱度、圓度以及直徑)能夠非常精確，而無需過大的支撐結(jié)構(gòu)。
通過具有根據(jù)權(quán)利要求1所述的特征的定子布置、具有根據(jù)權(quán)利要求11所述的特征的發(fā)電機、和具有根據(jù)權(quán)利要求12所述的特征的風(fēng)力渦輪機，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了本發(fā)明的目標(biāo)。
在從屬權(quán)利要求中可以發(fā)現(xiàn)有益的實施例。
該電機的創(chuàng)造性的定子布置包括多個定子段，該多個定子段形成電機的環(huán)繞徑向居中的軸的圓柱形定子，其中，可旋轉(zhuǎn)地安裝的轉(zhuǎn)子布置徑向地包圍該定子布置，該定子段徑向地安裝在支撐結(jié)構(gòu)的外表面上，該支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)由剛性連接件固定到軸。
定子的支撐結(jié)構(gòu)可包括布置與該軸同心的一個或多個支撐構(gòu)件。由于可以將該內(nèi)部定子的段一個接一個地在徑向方向上組裝，所以能很容易地將它們組裝到定子支撐結(jié)構(gòu)上，因此根據(jù)本發(fā)明的定子布置是特別有益的。對于經(jīng)典的內(nèi)轉(zhuǎn)子機器(在該機器中轉(zhuǎn)子是在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的)來說，由于段的楔形形狀的緣故，這是不可能的。對于這種經(jīng)典的內(nèi)轉(zhuǎn)子機器，這些段要么必須是完全獨立的單元，每個單元都具有完整的支撐結(jié)構(gòu)，并且僅在端部處(位于繞組頭部的外部)被支撐，要么，這些段必須沿軸向方向組裝，由于所需要的小，公差，所以這種組裝是^f艮難的，至少對
5于最后的段是如此。
由于可將定子支撐結(jié)構(gòu)做得非常剛硬而對發(fā)電機的外部尺寸沒有任何影響，因此這種定子布置是特別有益的。定子支撐結(jié)構(gòu)可具有非常大的截面高度，其高度基本包括了在發(fā)電機軸和定子段疊層堆的內(nèi)表面之間的所有的空間。這意味著，非常易于提供所需的剛度以確保這些段所必要的支撐，使得即使在發(fā)電機運行期間，氣隙也能精確地維持在所希望的內(nèi)部定子和外部轉(zhuǎn)子之間的徑向間距范圍內(nèi)。
由于剛度隨截面高度的平方而增加這一事實，所以可很容易地將該支撐結(jié)構(gòu)制造成剛硬數(shù)量級高于外部定子的。
在一個優(yōu)選的實施例中，定子支撐結(jié)構(gòu)包括制成單一環(huán)管形式的圓柱，其被兩個端板支撐，兩個端板中的第一個^R安裝至該管上接近該管的一個端部處，該兩個端板中的第二個被安裝至該管上接近該管的另一個端部處。定子段被安裝在環(huán)管的外部上。
在一個替代性的實施例中，定子支撐結(jié)構(gòu)包括至少一個圓柱，該至少一個圓柱制成第一環(huán)形法蘭和分開的第二環(huán)形法蘭的形式，并且兩個端板中的第一個被安裝至第一法蘭，該兩個端^1中的第二個被安裝至第二法蘭。接著，這些法蘭都應(yīng)被布置成每一個靠近該疊層堆的軸向端部中的一個。定子段被安裝在該環(huán)形法蘭上。
在一個替代性的實施例中，定子支撐結(jié)構(gòu)包括多邊形結(jié)構(gòu)，該多邊形結(jié)構(gòu)包括一個或多個將該多邊形結(jié)構(gòu)連接到發(fā)電機的中心部分的構(gòu)件，優(yōu)選地以第一和分開的第二多邊形結(jié)構(gòu)來布置該支撐結(jié)構(gòu)，其中每一個多邊形結(jié)構(gòu)都具有與定子段數(shù)目相同的數(shù)目的表面，每一個多邊形結(jié)構(gòu)布置成靠近該疊層堆的軸向端部的一端。接著，定子段與平坦的安裝表面相配合，并且該定子段安裝至支撐結(jié)構(gòu)的多邊形表面上。
多邊形結(jié)構(gòu)可以垂直于發(fā)電^/L的軸線。
在另一個實施例中，定子支撐結(jié)構(gòu)包4*兩個端板，該端板被安裝至發(fā)電機的軸的徑向外表面，而該軸的所述外表面相對于發(fā)電機的殼體是不能移動的或者不動的。這樣，所提及的軸的外表面并不繞該軸的軸線轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)。
在一個替代性的實施例中，定子支撐結(jié)構(gòu)包括兩個端板，其中每一個端板都通過軸承安裝于軸的徑向外表面，而該軸是可樞轉(zhuǎn)的。這樣，即使該軸和該軸相鄰于端板內(nèi)圓周的表面繞其軸線旋轉(zhuǎn)，這也允許定子相對于發(fā)電機的殼體固定。端板與軸承高度一起保證了定子疊層堆到軸或發(fā)電機軸線的精確距離。接著，由于外部轉(zhuǎn)子被連接并且旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到同一旋轉(zhuǎn)軸，所以這也保證了氣隙的寬度。
本發(fā)明的目標(biāo)也可通過包括了如前所述的定子布置的發(fā)電機和包括了具有如前所述定子布置的發(fā)電機的風(fēng)力渦輪機來創(chuàng)造性地實現(xiàn)。


下面將參考示意性的附圖對本發(fā)明進行詳細地解釋，附圖中:
圖1示出了風(fēng)力渦輪機，
圖2示出了風(fēng)力渦輪機的模塊，
圖3示出了風(fēng)力渦輪;f幾的發(fā)電機，和
圖4示出了發(fā)電機的替代性實施方式。
具體實施例方式
圖l示出了風(fēng)力渦輪機l,其包括塔2，機艙3和具有轉(zhuǎn)子葉片5的輪轂4。在機艙3中布置了風(fēng)力渦輪機1的一些其它的組件，如像圖2中示意地示出的發(fā)電機11。發(fā)電機11是以一種并未示出的方式連接到輪轂4用于產(chǎn)生電能，且具有基本水平對齊的中心軸線A。
圖2示出了風(fēng)力渦輪1的一些基本的組件。雖然這些組件被示出為在彼此之間具有微小間隙，但是在被組裝時，這些間隙是靠攏閉合的。再次示出了輪轂4，轉(zhuǎn)子葉片(未示出)將被附接到輪轂4。其它彼此相鄰的組件是，發(fā)電機ll，負栽/軸承部分12,該負載/軸承部分12與圖中未示出的塔2相連接。接下來，其它組件是控制單元13，冷卻設(shè)備14和端蓋15。
圖3示出了具有創(chuàng)造性定子布置20的創(chuàng)造性電機的發(fā)電機11的一個實施例。圖3是一個剖面圖，其示出了發(fā)電機ll的軸21、轉(zhuǎn)子22和定子20?；拘D(zhuǎn)對稱的發(fā)電機U的旋轉(zhuǎn)軸線A由點劃線示出。
軸21主要具有兩個分離的部件，外部的靜止部件21A和內(nèi)部的轉(zhuǎn)動部件21B， 二者通過軸承40連接。軸21的徑向內(nèi)部部件21B由葉片5和輪轂4驅(qū)動，并繞軸線A轉(zhuǎn)動。圖中示出，緊緊地固定于軸21的旋轉(zhuǎn)部件21B上的第一個轉(zhuǎn)子端板41在左手側(cè)，且第二轉(zhuǎn)子端板42在該圖的右手側(cè)。轉(zhuǎn)子端板41、 42都連接到外部轉(zhuǎn)子22,且由此構(gòu)成定子布置的殼
7體。第二轉(zhuǎn)子端板42附接到軸承40，該軸承40提供到軸21的固定部件21A的松弛連接(lose connection).第一和第二端板(41、 42)與外部轉(zhuǎn)子22—起構(gòu)成定子布置的殼體。
通過由疊層堆構(gòu)成的定子段示出了內(nèi)部定子20。還示出了一個穿過該疊層堆的繞組43。
圖中還示出了外部轉(zhuǎn)子22和內(nèi)部定子20之間的氣隙44。
向內(nèi)地，提供了筒狀的圓柱體23來組裝定子段。在本實施例中，該筒狀或管狀的圓柱體23在很大程度上延伸到與定子的疊層的長度相同的圓柱體長度。在該圓柱筒的外表面45處，以固定的方式附接該定子段。在該圓柱筒的內(nèi)表面46處，兩個創(chuàng)造性的端板24、 25被附接在該端板24、25的圓形周界30處。
該端板24、 25還經(jīng)由內(nèi)圓周32被附接到軸21的外部部件21A的外表面47,該軸21位于發(fā)電機11的中心，且環(huán)繞軸線A。在本實施例中，以固定的方式將端板24、 25附接到軸21的不旋轉(zhuǎn)的外部部件21A上。
在本實施例中示出的端板24、 25本身是盤狀形狀的，具有較小的高度和較大的外部半徑。為了達到必要的剛度，對于具有2000mm半徑的氣隙44和200 mm定子高度的疊層堆的發(fā)電機11，示例值是每一個端板24、25具有300mm的高度(或者更大)。這也依賴于與軸21的外部半徑對應(yīng)的端板24、 25的內(nèi)部半徑。在優(yōu)選的實施例中，端板24、 25的內(nèi)部半徑可為600 mm。因此，該端板24、 25的支撐結(jié)構(gòu)將是2000 mm減200 mm，再減600mm,等于1200 mm的徑向差高度。正如已經(jīng)所提及的，剛度隨徑向高度的平方而增加。因此，采用內(nèi)部定子20和1200 mm徑向高度的端板24、 25的解決方案具有比同樣尺寸發(fā)電機的外部定子更加剛硬的數(shù)量級。
通過圖4來描迷以下的替代性實施例，已在圖3中示出的部件在圖4中給出了和前面一樣的附圖標(biāo)記。
相比于圖3，圖4示出了兩處不同，其中每一處不同都能獨立地與依據(jù)圖3的先前的實施例的特征組合。第一處修改是圖3中提供的用于組裝定子段的筒狀圓柱體23被兩個分開的法蘭50、 51代替。笫二處修改是端板24、 25如何被附接到軸21上。在該情形中，將端板24、 25附接到軸承52,該軸承52再被直接連接到旋轉(zhuǎn)軸21。這樣，也能保證定子20相對于發(fā)電機11的外殼保持固定。
8除了下列事實之外端板24、 25在形狀上與圖3中的端板是相同的或基本相同的，且經(jīng)由其外部徑向表面30在定子段的方向上被附接到法蘭50、 51,以及經(jīng)由其內(nèi)部徑向表面32在軸21的方向上;f皮附接到軸承52,與圖3的實施例相比，這里的端板24、 25并沒有概念上的差別。另外，由于端板24、 25被減小的徑向高度，所以定子布置20的剛度大大地增加。并且，這也保證了在定子布置20的總的周界上氣隙44將幾乎完美地具有相同的寬度。
一般地，正如已經(jīng)提及的那樣，與電機(風(fēng)力渦輪1的發(fā)電機11)的定子布置20相關(guān)的實施例包括多個定子段，該多個定子段形成該電機的圍繞徑向居中的軸21的圓柱形式的定子，其中，定子布置20由能旋轉(zhuǎn)地安裝的轉(zhuǎn)子布置22徑向圍繞，該多個定子^t徑向地安裝在支撐結(jié)構(gòu)23的外表面，并且該支撐結(jié)構(gòu)23通過剛性連接件固定至軸21。
可能地，到軸21的剛性連接件可包括兩個基本環(huán)形的連接到軸21的端板24、 25,該兩個端板24、 25垂直于軸的軸線A,每一個端板24、 25的徑向外表面安裝至定子段或支撐圓柱23的內(nèi)表面31,且每一個端板24、25的徑向內(nèi)表面32安裝至軸21的徑向外表面47。
支承結(jié)構(gòu)可以是至少一個圓柱的形式。具體地，至少一個圓柱23可以制成單一的圓環(huán)管23的形式，且兩個端板24、 25中的笫一個被安裝于管23的第一端部部分34,該兩個端板24、 25中的第二個被安裝于管23的第二端部部分34。
端板24、 25本身可依靠該端板的構(gòu)造方法和/或通過選擇不易彎曲的材料，來支撐所需要的剛度。
權(quán)利要求
1.一種電機的定子布置(20)，包括多個定子段，該多個定子段形成該電機的環(huán)繞徑向居中的軸(21)的圓柱形式的定子，其中，-所述定子布置(20)由可旋轉(zhuǎn)地安裝的轉(zhuǎn)子布置(22)徑向地包圍，-所述定子段徑向地安裝在支撐結(jié)構(gòu)(23)的外表面上，-所述支撐結(jié)構(gòu)(23)經(jīng)由剛性連接件固定到所述軸(21)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子布置(20),其特征在于所述電機為 發(fā)電才幾(11 )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子布置(20)，其特征在于所述電機為 風(fēng)力渦輪機(1)的發(fā)電機(11 )。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的定子布置(20),其特征在于 所述支撐結(jié)構(gòu)(23)制成圓柱的形式，并通過兩個端板(24、 25)連接至 所述軸(21)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的定子布置(20)，其特征在于 所述支撐結(jié)構(gòu)(23)制成第一和第二環(huán)形法蘭(50、 51)的形式，并且所 述兩個端板(24、 25)中的笫一個被安裝至所述第一法蘭(50)，所述兩 個端板(24、 25)的第二個被安裝至所述第二法蘭(51)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的定子布置(20),其特征在于 所述支撐結(jié)構(gòu)(23)制成由至少兩個端板(24、 25)支撐的多邊形結(jié)構(gòu)的 形式。
7. 根椐權(quán)利要求4-6中任一項所述的定子布置(20)，其特征在于 所述兩個端板(24、 25)被直接安裝至所述軸(21)的外部部件(21A) 的徑向外表面(47),而所述軸(21)的外表面(47)由于軸承(40)的 原因相對于發(fā)電機(11 )的殼體是不能動的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的定子布置(20)，其特征在于所述軸承(40) 放置在所述軸(21)的外部部件(21A)和內(nèi)部部件(21B)之間，和/或 放置在所迷殼體與所述軸(21)的外部部件(21A)之間。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的定子布置(20),其特征在于 所述殼體由連接至外部轉(zhuǎn)子(22)的兩個轉(zhuǎn)子端板(41、 42)構(gòu)成，其中， 所述第一轉(zhuǎn)子端板(41 )進一步連接至所述軸(21 )的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件(21B ), 所述笫二轉(zhuǎn)子端板進一步連接至軸承(40)，軸承(40)進一步連接至的 所迷軸(21)的外部靜止部件(21A)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4-9中任一項所述的定子布置(20),其特征在于 經(jīng)由軸承(52)將所述兩個端板(24、 25)安裝至所述軸(21 )的徑向外 表面(47)，而所述軸(21 )是能樞轉(zhuǎn)的。
11. 一種包括定子布置(20)的發(fā)電機(11),其特征在于根據(jù)權(quán) 利要求1-10中任一項布置所述的定子布置(20)。
12. —種包括發(fā)電機(11)的風(fēng)力渦輪機，所述發(fā)電機(11)包括定 子布置(20)，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項布置所述定子布 置(20)。
全文摘要
本發(fā)明涉及定子布置、發(fā)電機及風(fēng)力渦輪機。具體地，提供了電機的定子布置(20)，發(fā)電機(11)，和風(fēng)力渦輪機(1)，該定子布置(20)包括多個定子段，該多個定子段形成電機的環(huán)繞徑向居中的軸(21)的圓柱形定子，其中，可旋轉(zhuǎn)地安裝的轉(zhuǎn)子布置(41，42，22)徑向包圍定子布置(20)，定子段都徑向地安裝在支撐結(jié)構(gòu)(23)的外表面上，支撐結(jié)構(gòu)(23)經(jīng)由剛性連接件固定至軸(21)。
文檔編號H02K1/12GK101677195SQ20091017351
公開日2010年3月24日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月15日
發(fā)明者H·斯蒂斯達爾 申請人:西門子公司