CN104518579A - 用于风力涡轮发电机的电极单元和定子组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于风力涡轮发电机的定子组件(100、200、300)的电极单元，所述电极单元包括：(a)层叠体结构，其包括基部(110、310)、中间部(112、312)和顶部(114、214、314)；和(b)围绕所述中间部缠绕的线圈(116、216)，其中(c)所述中间部从所述基部的上表面的至少一部分延伸，并且其中(d)所述顶部从所述中间部的与所述基部相反的端部延伸，并且具有沿远离所述中间部的方向增大的截面。进一步描述了包括多个电极单元的定子组件、制造电极单元的方法、以及组装定子组件的方法。

Description

用于风力涡轮发电机的电极单元和定子组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及风力涡轮发电机的领域，特别涉及用于风力涡轮发电机的定子组件的电极单元以及制造这种电极单元的方法。本发明进一步涉及用于风力涡轮发电机的定子组件、组装这种定子组件的相应方法、风力涡轮发电机和风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮发电机一般包括定子和转子，例如包括多个线圈的定子以及包括多个磁体的转子。当转子相对于定子旋转时，在线圈中感应出电流。

由于现代风力涡轮机的显著尺寸和重量，定子通常不能以一体件从生产工厂运输。相反，已经知道生产定子部段，其可被装配在一起以形成定子。更具体地，定子部段通过以下方式形成：将具有凹槽的冲压层叠体焊接到与圆柱的一部分相对应的圆形支承结构上，并将预先制造的线圈(即围绕管状材料缠绕的线圈)装配到定子凹槽中。一个示例性定子可以例如由三个120°的部段、四个90°、六个60°或甚至十二个30°的部段构建，每个部段都包括多个线圈，使得完整的定子包括总共82、96、108或142个线圈。尽管这些部段能在例如特殊卡车上运输，但是运输仍然是麻烦的且昂贵的，特别是由于部段的尺寸和弯曲形状，这使有效地包装部段几乎不可能。

除了运输问题之外，大定子部段还遭受多个再一些的缺点。首先，很难将部段组装成总定子，且所需的精度满足相对于转子的严格公差，即确保转子与定子之间的小且均匀的空气间隙。此外，由于使用了预先制造的线圈，线圈与转子之间的电容调节使在装配线圈之后在线圈与转子之间添加导电材料变得必要。

相应地，可能需要分割用于风力涡轮发电机的定子的改进且简化的方法，以便克服或者至少减少以上提及的以及其它缺点的烦扰影响。

发明内容

该需求可以通过独立技术方案的主题来得到满足。本发明的有利实施例由从属技术方案来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于风力涡轮发电机的定子组件的电极单元，所述电极单元包括：(a)层叠体结构，其包括基部、中间部和顶部；和(b)围绕所述中间部缠绕的线圈，其中(c)所述中间部从所述基部的上表面的至少一部分延伸，并且其中(d)所述顶部从所述中间部的与所述基部相反的端部延伸，并且具有沿远离所述中间部的方向增大的截面。

本发明的该方面基于以下构思：用于定子组件的紧凑单个电极单元被构造为高精度一体化的层叠体结构，其包括基部、中间部和顶部，其中线圈直接围绕中间部缠绕。顶部的增大截面减少能被转子“看到”的线圈表面面积，从而降低线圈与转子之间的电容。增大的截面进一步协助保持线圈就位并降低噪声。可通过冲压薄金属片材并将它们胶合在一起形成层叠体结构，来以高精度制造电极单元。此外，直接缠绕的线圈能被紧紧地装配至体结构。紧凑电极单元能被有效地包装以用于存储和运输。

在本背景中，术语“层叠体结构”可以特别表示通过将具有不同形状和尺寸的金属片材胶合在一起形成的一体化结构。

层叠体结构的基部形成电极单元的下部。换言之，基部是层叠体结构的这样一个部分，其在定子组装期间应该被配置并紧固在定子支承结构上。

层叠体结构的中间部是层叠体结构的这样一个部分，其形成用于电极单元的线圈的金属芯。

层叠体结构的顶部形成电极单元的头部，并且是电极单元的这样一个部分，其在被装配到发电机中时将最靠近转子。

根据本发明的一个实施例，所述基部具有大致扁平的矩形形状，所述中间部具有大致矩形的截面形状，并且所述中间部的截面面积小于所述基部的面积。

在本背景中，术语“矩形”可以特别表示具有四个成对平行侧边的任何形状，其中所有角部都为大约90°。换言之，正方形形状(quadratic shape)也被视为矩形形状。

在该实施例中，基部是大致扁平的，是鉴于基部的厚度小于基部的其它两个维度(宽度和深度)。然而，当电极单元安装在定子支承结构上时，基部的厚度足以为电极单元提供必需的支承和稳定性。

在该实施例中，中间部具有大致矩形的截面形状，并且截面面积小于所述基部的面积。换言之，中间部作为梁从基部延伸，以便形成T形结构。

根据本发明的再一实施例，所述基部包括凹部，所述凹部形成在所述基部的下表面中。

凹部形成在基部的下表面中，即在基部的与中间部相反的表面上。

凹部可以优选具有细长的形状，并且居中地从基部的一侧延伸至基部的相反侧，即沿基部的一个方向穿越基部的整个下表面。

凹部的底面可以优选平行于基部的上下表面。凹部的侧面可以优选是倾斜的，以便凹部的截面沿从基部的下表面朝向凹部的底面的方向增大。

凹部可以优选在层叠过程期间形成，或者它可以从层叠结构切出。

根据本发明的再一实施例，基部包括至少一个突部，所述至少一个突部形成在基部的下表面上。

所述至少一个突部优选是基部的一体化部分，即它在层叠过程期间直接形成。

所述至少一个突部可以优选具有矩形截面形状，并且在基部的一侧附近延伸并与之平行。所述至少一个突部可以优选延伸穿越基部的整个下表面。

在包括以上提及的凹部的实施例中，所述至少一个突部可以优选与凹部平行地延伸。

在本实施例中，具有类似形状和尺寸的再一突部可以在基部的与基部的上述一侧相反的一侧附近延伸并与之平行。换言之，基部可以包括在基部的相反侧附近延伸的两个类似且平行的突部。

根据本发明的再一实施例，所述凹部适于与紧固构件接合，并且/或者所述至少一个突部适于与支承结构中的相应凹部接合。

凹部可以特别适于与具有与凹部的形状配合的形状的紧固构件接合，以便电极单元能被推动或滑动到紧固构件上。

所述至少一个突部可以特别适于与支承结构中的凹部接合，以便电极单元能相对于支承结构被引导向预定位置。

在包括凹部和至少一个突部的实施例中，电极单元可以借助于至少一个螺丝紧固至支承结构，所述至少一个螺丝延伸穿过支承结构，并进入紧固构件中，使得紧固构件从而电极单元被拉向支承结构。

根据本发明的再一实施例，所述基部包括侧面突部和侧面凹部，所述侧面突部和所述侧面凹部形成在所述基部的相反的侧表面中。

侧面突部和侧面凹部优选具有相应的形状，使得一个电极单元的侧面突部能在定子组件的组装期间与相邻电极单元的侧面凹部接合。由此，能促进定子组件的稳定性以及电极单元的正确定位。

根据本发明的再一实施例，所述线圈包括扁平的导电线材。

在本背景中，术语“扁平的导电线材”可以特别表示带形线，即具有矩形截面形状的扁平线。

扁平导电线材可以优选包括具有优异导电性能的铜或类似金属材料。

通过由扁平线材形成线圈，能实现围绕中间部的紧密配合。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于风力涡轮发电机的定子组件，所述定子组件包括：(a)定子支承结构，和(b)多个根据第一方面或上述任一实施例的电极单元，其中所述电极单元沿着定子支承结构的周缘配置。

本发明的该方面基于以下构思：通过沿着定子支承结构的周缘配置多个紧凑的高精度的单个电极单元来构造定子组件。由此，电极单元和定子支承结构能被有效地且彼此独立地运输至适当地方，比如待安装和组装风力涡轮的地方。

定子支承结构可以优选是圆柱形结构，其使定子结构的圆度最大化。

根据本发明的第三方面，提供了一种风力涡轮发电机，其包括根据第二方面的定子组件。

根据该方面的风力涡轮发电机可以在待安装风力涡轮机的地方被有效地组装。

根据本发明的第四方面，提供了一种风力涡轮机，其包括根据第三方面的风力涡轮发电机。

根据该方面的风力涡轮机可以在安装的地方被有效地组装。

根据本发明的第五方面，提供了一种制造用于风力涡轮发电机的定子组件的电极单元的方法，所述方法包括：(a)冲压并胶合多层片状金属，由此形成层叠体结构，其包括基部、中间部和顶部，其中所述中间部从所述基部的上表面的至少一部分延伸，并且其中所述顶部从所述中间部的与所述基部相反的端部延伸，并且具有沿远离所述中间部的方向增大的截面；以及(b)围绕所述中间部缠绕线圈。

本发明的该方面基于以下构思：用于定子组件的紧凑单个电极单元被制造为高精度一体化的层叠体结构，其包括基部、中间部和顶部，其中线圈直接围绕中间部缠绕。顶部的增大截面减少能被转子“看到”的线圈表面面积，从而降低线圈与转子之间的电容。增大的截面进一步协助保持线圈就位并降低噪声。通过冲压薄金属片材并将它们胶合在一起形成层叠体结构，来以高精度制造电极单元。此外，直接缠绕的线圈能被紧紧地装配至体结构。紧凑电极单元能被有效地包装以用于存储和运输。

在本背景中，术语“冲压”可以特别表示切除一片片状金属的过程，所述片具有预定的形状和尺寸。

在本背景中，术语“胶合”可以特别表示以下过程：提供一层粘结材料至的第一片冲压片状金属的表面，在第一片冲压片状金属上配置第二片冲压片状金属，并将两片冲压片状材料彼此压靠在一起。

冲压和胶合的步骤可以优选被执行为使得每层冲压片状材料被胶合到现有层叠体结构上。换言之，层叠体结构通过一次添加一层而形成。

根据本发明的再一实施例，所述方法进一步包括：在围绕所述中间部缠绕线圈之前，用电绝缘材料涂覆所述层叠体结构的至少一部分。

可以通过向层叠体结构的表面上喷射电绝缘材料或以任何其它适当的方式来提供涂覆。

涂层防止线圈与层叠体结构之间的电接触。

根据本发明的再一实施例，所述方法进一步包括：(a)在围绕所述中间部缠绕线圈之前，将所述层叠体结构安装在绕组机中，以及(b)在围绕所述中间部缠绕线圈之后，从所述绕组机释放所述层叠体结构。

所述层叠体结构优选借助于紧固构件安装在绕组机中，其还可用于将电极单元紧固至定子支承结构。

根据本发明的第六方面，提供了一种组装用于风力涡轮发电机的定子组件的方法，所述方法包括：(a)提供定子支承结构，(b)提供多个根据第一方面或其上述任一实施例所述的电极单元，和(c)沿着定子支承结构的周缘配置电极单元。

本发明的该方面本质上基于与上述第二方面相同的构思。

应指出的是：已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已经参考方法类型技术方案得到描述，而另一些实施例已经参考设备类型技术方案得到描述。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断出：除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同主题有关的特征的任意组合，特别是方法类型技术方案的特征与设备类型技术方案的特征的组合，也是本文的公开内容的一部分。

本发明的以上限定出的多个方面和再一些方面将从在以下描述的实施例中变得清楚明了，并且参考实施例得到说明。下面将参考示例性实施例来更详细地描述本发明。然而，应明确指出的是：本发明并不局限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的定子组件的一部分的示意性端视图。

图2示出了根据本发明一个实施例的定子组件的一部分的俯视图。

图3示出了根据本发明一个实施例的定子组件的一部分的再一示意性端视图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应指出的是：在不同图中，类似或等同的元件被提供相同的附图标记或只在第一位数内不同的附图标记。

图1示出了根据本发明一个实施例的定子组件100的一部分的示意性端视图。更具体地，该图示出了配置在定子支承结构120上的两个相邻电极单元(pole unit)。每个电极单元包括层叠体结构和线圈116。层叠体结构包括基部110、中间部112和顶部114，并且本质上成形为倒置T形结构。换言之，基部110相对较宽和扁平，而中间部112相对较长且不太宽。顶部114比中间部112短，并且具有朝结构的顶部增大的截面。换言之，顶部的侧面是倾斜的。该形状实现有利地减少线圈116与转子(未示出)之间的电容耦合，所述转子配置成相对于定子组件100旋转。

基部110包括位于相反侧面上的侧面凹部118和侧面突部119，用于与相邻电极单元的相应凹部和突部接合，以便促进定位并改善定子组件100的稳定性。每个电极单元经由紧固构件122紧固至定子支承结构120，所述紧固构件122装配到基部110的下表面中的凹部中。向定子支承结构120的紧固将在下面参考图3以更详细的细节描述。

层叠体结构由多个薄金属片材制成，所述薄金属片材被冲压成具有适当的形状，并且被胶合在一起以形成固态导磁体结构。线圈116由数层扁平的铜线材料构成，其围绕完整层叠体结构的中间部112缠绕或弯曲。应该指出的是：图1只示出了两个电极单元中每个的线圈的一半。此外，应该指出的是：当线圈已围绕结构缠绕或弯曲时，紧固构件122还用于将层叠体结构安装在绕组机中。层叠体结构的表面，特别是中间部112的表面，覆盖有电绝缘材料，以便隔离层叠体结构与线圈116。类似地，线圈116的外表面覆盖有电绝缘材料，以隔离它与相邻线圈等。线圈116由楔形物124保持就位，所述楔形物124由复合材料制成，并且被设计成紧紧地装配在线圈116的顶部上以及相邻电极单元的顶部114的相对侧面之间。

图2示出了根据本发明一个实施例的定子组件200的一部分的俯视图。更具体地，图2示出了定子组件200的三个相邻电极单元的俯视图。如图1中那样，每个电极单元包括层叠体结构，围绕其缠绕有线圈216。层叠体结构包括通气道215，其延伸穿过顶部214，并且至少向下穿过中间部(未示出)，以便允许冷却空气流动，以在操作期间冷却线圈216和层叠体结构。楔形物217配置在层叠体结构的外端，以保护线圈，即防止线圈弯曲过大。应指出的是：在依赖于其它冷却方式比如冷却液体的另一些实施例中，可以省略通气道215。

图3示出了根据本发明一个实施例的定子组件300的一部分的再一示意性端视图。类似图1中，数个电极单元配置成彼此相邻，并紧固至定子支承结构320。每个电极单元包括具有基部310、中间部312和顶部314的层叠体结构，以及围绕中间部312缠绕的线圈(未示出)。顶部314的侧面315是倾斜的，以便顶部314的宽度向上方增大。相邻电极单元的相应侧面凹部318和侧面突部319如以上描述那样彼此接合。

基部的下表面包括突部311和凹部313。凹部沿着基部的下表面的中心部分延伸，即直接相对于中间部312。凹部313的底面是大致平坦的，并且与基部310的上下表面平行。凹部的侧壁是倾斜的，使得凹部的宽度朝凹部的底面增大。由此，紧固构件322，其具有相应地倾斜的上侧壁，可滑动到凹部313中，并通过拧紧螺丝326而被向下拉向定子支承结构320，所述螺丝326延伸穿过定子支承结构320中的孔并进入紧固构件322的下部中。应该指出的是：可使用多于一个的螺丝326。突部311在凹部313的两侧延伸，并且用于通过将突部311装配到定子支承构件的上表面中的相应凹部328中，来促进电极单元在定子支承结构上正确地定位。

应该指出的是：类似机构即紧固构件322和螺丝326可在生产每个单个电极单元期间使用，以将层叠体结构固定在绕组机的表面上，所述表面具有与所示定子支承结构320的表面类似的结构。当层叠体结构被固定在绕组机中时，直接围绕层叠体结构的中间部312缠绕线圈。由此，能以简单且有效的方式生产电极单元，而不必围绕体结构的一部分装配预缠绕线圈，然后最后确定体结构的顶部，以提供所需的噪声降低以及线圈与转子之间的电容。相反，完整的体结构被生产为单个一体化的层叠结构，并且在涂覆有绝缘材料并且安装在绕组机中之后，将线圈围绕体结构直接缠绕，并覆盖已经安装在电极单元上的绝缘材料。最后，使缠绕好的电极单元浸渍电绝缘树脂，并在升高的温度硬化。除了促进生产之外，电极单元是相对较紧凑的单元，其比起例如具有例如18个电极的巨大弯曲定子部段能被有效地包装和运输。

应当指出的是：术语“包括”不排除其它要素或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。此外，关联于不同实施例描述的要素可以进行组合。应进一步指出的是：权利要求中的附图标记不应该被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1. 一种用于风力涡轮发电机的定子组件(100、200、300)的电极单元，所述电极单元包括：

层叠体结构，其包括基部(110、310)、中间部(112、312)和顶部(114、214、314)，和

线圈(116、216)，其围绕所述中间部缠绕，

其中，所述中间部从所述基部的上表面的至少一部分延伸，

其中，所述顶部从所述中间部的与所述基部相反的端部延伸，并且具有沿远离所述中间部的方向增大的截面，并且

其中，所述层叠体结构包括适于允许冷却空气流动的通气道(215)。

2. 根据前述权利要求所述的单元，其中，所述基部具有大致扁平的矩形形状，其中所述中间部具有大致矩形的截面形状，并且其中所述中间部的截面面积小于所述基部的面积。

3. 根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中，所述基部包括凹部(313)，所述凹部形成在所述基部的下表面中。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中，所述基部包括至少一个突部(311)，所述至少一个突部形成在所述基部的下表面上。

5. 根据权利要求3和/或权利要求4所述的单元，其中，所述凹部(313)适于与紧固构件(122、322)接合，并且/或者其中所述至少一个突部(311)适于与支承结构(120、320)中的相应凹部(328)接合。

6. 根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中，所述基部包括侧面突部(119)和侧面凹部(118)，所述侧面突部和所述侧面凹部形成在所述基部的相反的侧表面中。

7. 根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中，所述线圈包括扁平的导电线材。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的单元，进一步包括：

第一楔形物(124)，其适于紧紧地装配在所述线圈的顶部上，并保持所述线圈就位，和/或

第二楔形物(217)，其配置在所述层叠体结构的外端，以保护所述线圈。

9. 一种用于风力涡轮发电机的定子组件，所述定子组件包括：

定子支承结构(120、320)，和

根据前述权利要求中任一项所述的多个电极单元，

其中，所述电极单元沿着所述定子支承结构的周缘配置。

10. 一种风力涡轮发电机，包括根据前述权利要求所述的定子组件。

11. 一种风力涡轮机，包括根据前述权利要求所述的风力涡轮发电机。

12. 一种制造用于风力涡轮发电机的定子组件的电极单元的方法，所述方法包括：

冲压并胶合多层片状金属，由此形成层叠体结构，其包括基部、中间部和顶部，其中所述中间部从所述基部的上表面的至少一部分延伸，其中所述顶部从所述中间部的与所述基部相反的端部延伸，并且具有沿远离所述中间部的方向增大的截面，并且其中在所述层叠体结构中形成有通气道，以允许冷却空气流动，以及

围绕所述中间部缠绕线圈。

13. 根据前述权利要求所述的方法，进一步包括：在围绕所述中间部缠绕线圈之前，用电绝缘材料涂覆所述层叠体结构的至少一部分。

14. 根据权利要求12或13所述的方法，进一步包括：

在围绕所述中间部缠绕线圈之前，将所述层叠体结构安装在绕组机中，以及

在围绕所述中间部缠绕线圈之后，从所述绕组机释放所述层叠体结构。

15. 一种组装用于风力涡轮发电机的定子组件的方法，所述方法包括：

提供定子支承结构，

提供多个根据权利要求1-8中任一项所述的电极单元，以及

沿着所述定子支承结构的周缘配置所述电极单元。