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CN115126669B - 风力涡轮机中的雷电磁通量密度降低 - Google Patents

风力涡轮机中的雷电磁通量密度降低 Download PDF

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CN115126669B CN202210296132.8A CN202210296132A CN115126669B CN 115126669 B CN115126669 B CN 115126669B CN 202210296132 A CN202210296132 A CN 202210296132A CN 115126669 B CN115126669 B CN 115126669B
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Abstract

本公开涉及风力涡轮机中的雷电磁通量密度降低。一种用于风力涡轮机（10）的机舱（14）包括：外表面（40），所述外表面（40）暴露于由雷电感生的磁通量；发电机（15），所述发电机（15）绕旋转轴线（Y）旋转，所述发电机（15）包括转子（4）、定子（3）、将所述转子（4）和所述定子（3）分开的气隙（5）以及在所述气隙（5）附近缠绕在所述转子（4）或所述定子（3）中的多个电导体（24）；雷电保护装置（100）包括至少一个波导（110），所述至少一个波导位于所述转子（4）和所述定子（3）之间并且被插入在所述外表面（40）和所述气隙（5）之间，用于为所述电导体（24）提供防护以免受由雷电感生的磁通量的影响。

Description

风力涡轮机中的雷电磁通量密度降低
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的雷电保护装置。该装置的目的在于避免风力涡轮机的电关键部件中的关键磁通密度。
背景技术
磁场是描述相对运动和磁化材料中的电荷的磁影响的矢量场。因此，风力涡轮机经受电场和磁场，例如，由于存在复杂的电气系统或由雷击确定的自然电磁场，在风力涡轮机中存在设计的电磁场。
风力涡轮机通常具有使它们成为雷击的良好受体的形状和尺寸。由雷击产生的磁场可达到大约90000 A/m的强度。这种强磁场可产生电磁干扰，并且可能损坏风力涡轮机的电气或电子元件。考虑到磁场在垂直于电场的方向上产生，当雷电电流流过雷电保护系统的引下导体（down conductor）和其它接地路径时，在涡轮机内产生电磁场的突发。尽管这些电磁磁场持续时间短，但是它们可能在风力涡轮机的各个部件内（尤其是在转子和定子之间的气隙处）产生感生电压，从而很有可能产生闪络。这些事件可能损坏安装在气隙附近的关键部件。这种部件包括发电机电绕组和发电机永磁体，所述发电机电绕组被容纳在定子或转子的槽中。发电机永磁体可能至少部分地消磁，因此降低风力涡轮机的总效率。
因此，必须仔细地设计雷电保护系统，特别是考虑由于该磁场而在发电机线圈上产生的感生电压。过电压保护装置可以进一步设置在发电机绕组上，以保护它们免受雷电的感生电压影响。然而，这种装置增加了成本。
因此，本发明的范围是提供一种风力涡轮机，其具有允许降低由定子和转子之间的气隙处的雷电感生的电磁场的特征。
发明内容
该范围可以通过根据独立权利要求的主题来实现。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据本发明，提供了一种用于风力涡轮机的机舱。所述机舱包括：
外表面，所述外表面暴露于由雷电感生的磁通量，
发电机，所述发电机绕旋转轴线旋转，所述发电机包括转子、定子、将所述转子和所述定子分开的气隙、以及在所述气隙附近缠绕在所述转子或所述定子中的多个电导体，
其中，所述机舱还包括：
雷电保护装置，所述雷电保护装置包括至少一个波导，所述至少一个波导位于所述转子和所述定子之间并且被插入在所述外表面和所述气隙之间，用于为所述电导体提供防护以免受由雷电感生的磁通量的影响。
作为“波导”，它所指的是电磁馈送管路。波导由矩形或圆柱形金属通道组成，其中，电磁场沿纵向传播或被阻止传播，这取决于波导的尺寸。根据本发明设计的波导允许在雷击事件期间产生的磁场的受限的通过。
当外表面（例如机舱的外表面）受到电磁场作用时，设置在该表面上的任何开口都可能导致电磁场泄漏在机舱的内部容积中，开口越大，可能的泄漏越大。根据本发明，波导被设置在表面开口和空气间隙之间，用于减少或消除电磁泄漏。波导可以具有与开口相同的宽度。这使得机舱内部的（特别是在转子和定子之间的气隙处的）雷电磁场被方便地降低。
这种设计可以提供进一步的关键优点，即不再需要过电压保护并且可以减少电缆绝缘和绕组上的其它电压绝缘特征。
根据本发明的实施例，波导可以被设置在将转子与定子分开的开口处。本发明可以应用于具有内定子和外转子的风力涡轮机，或者应用于具有内转子和外定子的风力涡轮机。
根据本发明的实施例，雷电保护装置包括固定到定子的静止板和固定到转子的旋转板，波导被设置在静止板和旋转板之间，静止板或旋转板暴露于由雷电感生的磁通量。在本发明的转子在定子外部的特定实施例中，旋转板包括外表面，该外表面暴露于由雷电感生的磁通量。这种旋转板可以包括转子的制动盘。
根据本发明的实施例，雷电保护装置包括连接定子并且沿着旋转轴线延伸的结构元件，静止板在结构元件的轴向端部处突出。与定子连接的结构元件可以具有与旋转轴线同轴的中空圆柱形结构，静止板可以从该旋转轴线径向突出，例如以附接在结构元件的轴向端部处的径向外凸缘的形式。
根据本发明的实施例，波导可以相对于旋转轴线倾斜被包括在0和90度之间的角度。更特别地，波导可以相对于旋转轴线倾斜包括在45和90度之间的角度。波导可以具有被包括在1和15 mm之间的宽度。更特别地，波导可以具有被包括在8和12 mm之间的宽度。
波导可以具有被包括在200和700 mm之间的长度，更具体地在400和500 mm之间的长度。波导的长度的较高值允许具有较高的磁场衰减，可以选择较低值以适应机舱约束。
本发明的上述方面和其它方面从下面将要描述的实施例的示例中是明显的，并且参考实施例的这些示例进行解释。下面将要参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例的示例。
附图说明
图1示出了风力涡轮机的示意性侧视图，该风力涡轮机包括根据本发明的机舱。
图2示出了图1的风力涡轮机的第一示意性截面图。
图3示出了图1和图2的风力涡轮机的第二更详细的示意性截面图。
图4示出了图1、图2和图3的风力涡轮机的部件的放大图。
具体实施方式
附图是示意性的。相似或相同的元件由相同或不同的附图标记表示。
图1示出了用于发电的直接驱动风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架11，塔架11在一个底端处安装在地面9上。在塔架11的相对的顶端处安装有机舱14。机舱14通常安装成能够相对于塔架11绕基本垂直于地面9的偏航轴线Z旋转。机舱14容纳发电机（在图1中不可见）。此外，风力涡轮机10包括轮毂13，其可旋转地附接到机舱14以用于围绕旋转轴线Y旋转，旋转轴线Y是机舱14的纵向轴线。当没有不同地规定时，术语轴向或纵向、径向以及周向在下文中参照纵向转子轴线Y来约定。轮毂13连接到机舱14中的发电机，以便从轮毂13接收旋转能量。
风力涡轮机1还包括安装在轮毂13上的至少一个叶片17（在图1的实施例中，风力转子包括三个叶片17，其中仅两个叶片17可见）。叶片17沿着相应的叶片纵向轴线X延伸，该叶片纵向轴线X相对于旋转轴线Y基本上径向地定向。
参照图2，机舱14包括基架22，基架22具有凸缘，用于将机舱14可旋转地连接到塔架11以允许机舱绕偏航轴线Z旋转。机舱还包括相对于旋转轴线Y同轴地延伸的中空固定轴20。中空固定轴20在两个纵向端部之间沿旋转轴线Y同轴地延伸，其中一个纵向端部刚性地附接到基架22。风力涡轮机10的主轴承21安装在中空固定轴20的另一纵向端部上。轮毂13连接到主轴承21，以便允许轮毂13绕旋转轴线Y旋转。
机舱14包括发电机15，发电机15沿着旋转轴线Y在邻近于轮毂13的驱动端部和邻近于基架22的非驱动端部之间延伸。发电机15包括由气隙5隔开的外转子4和内定子3。根据本发明的其它实施例（未示出），发电机15包括由气隙隔开的内转子和外定子。定子3由中空固定轴20刚性支撑。定子3包括两个定子支撑板33，其分别设置在定子3的轴向端部处，用于径向地支撑定子主体34。在每个定子支撑板33和转子4之间限定两个环形空间，分别是靠近轮毂13的前环形空间25和靠近基架的轴向相对的后环形空间26。定子3包括呈绕组的形式的多个电导体24，其被容纳在定子主体34中设置的多个定子槽（未示出）中。绕组包括用于连接定子3的两个不同槽中的绕组的端部绕组，端部绕组在定子主体34的轴向端部处轴向突出。在操作期间，使外转子4围绕旋转轴线Y旋转以便将机械能转换成电能。转子4包括外部转子壳体45，外部转子壳体45在轮毂界面42和相对的轴向端部41之间沿着旋转轴线Y同轴地延伸。根据附图的实施例，轴向端部41被成形为环形径向定向的端板，其可具有加强件或制动盘的功能。外部转子壳体45包括外表面40，外表面40暴露于由雷电感生的磁通量。转子4还包括多个永磁体43，多个永磁体43在气隙5处径向地面对定子3。轮毂界面42刚性地连接到轮毂13并且旋转地连接到主轴承21，以便允许包括轮毂13和转子壳体45的组件绕旋转轴线Y旋转。在操作条件需要时，端板41锁定转子4相对于定子3的旋转。开口47被设置在端板41和中空固定轴20之间，用于在机舱14的静止部分和旋转部分之间提供必要的距离。开口47可以是环形的。
在后环形空间26中，机舱14还包括雷电保护装置100，雷电保护装置100包括位于转子4和定子3之间的波导110。波导110被插入在外表面40和气隙5之间，用于为电导体24提供防护以免受雷击击中外表面40而感生的磁通量的影响。波导110还可以为永磁体43提供防护，以防止消磁。根据本发明的其它实施例（未示出），多于一个波导110可以被插入在外表面40和气隙5之间，用于为永磁体43提供防护。
参照图3和图4，波导110被设置在外表面40的开口47处，将转子4与定子3分开。根据本发明的其它实施例（未示出），磁波导110可以被设置在暴露于由雷电感生的磁通量的任何其它开口处。
雷电保护装置100包括固定到定子3的静止板120和固定到转子4的旋转板130。静止板120和旋转板130可以由导电材料特别是金属材料制成。波导110被设置在静止板120和旋转板130之间。在图3和图4的实施例中，旋转板130包括端板41并且暴露于由雷电感生的磁通量。根据本发明的其它实施例（未示出），例如具有内转子和外定子的实施例，静止板120可暴露于由雷电感生的磁通量。
雷电保护装置100包括在定子3的后端处连接到定子支撑板33的结构元件140。结构元件140定子沿着旋转轴线Y延伸，静止板120在结构元件140的轴向端处突出。在图3和图4的特定实施例中，结构元件140具有与旋转轴线Y同轴的中空圆柱形结构，静止板120以附接在结构元件140的轴向端部处的径向外凸缘的形式从该中空圆柱形结构径向突出。根据本发明的其它实施例（未示出），例如具有内转子和外定子的实施例，结构元件140可以用于将旋转板130连接到转子。
在图3和图4的实施例中，波导110径向地定向。根据本发明的其它实施例（未示出），波导110可以相对于旋转轴线Y倾斜在45和90度之间的角度。波导110具有被包括在1和15 mm之间的宽度113，即静止板120和旋转板130之间的距离。更特别地，波导110具有被包括在8和12 mm之间的宽度。根据本发明的实施例，波导110的宽度可以等于开口47的宽度。波导在两个纵向端部111、112之间垂直于其宽度延伸。波导110可以具有在纵向端部111、112之间测量的长度114，该长度被包括在200和700 mm之间，更具体地在400和500 mm之间。在图3和图4的实施例中，波导110的长度对应于静止板120的径向延伸范围。
当在外表面40上由雷电感生磁通量时，被设置在开口47处的或者在开口47和气隙5之间的磁路径中的波导110可以显著地减少到达气隙5的磁通量，例如从13000 A/m（没有波导110的情况下）减少到大约2500 A/m（具有波导110的情况下）。这种磁场的降低是可接受的，因为它不会对绕组中的感生电压或永磁体的磁致伸缩产生任何显著影响。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机(10)的机舱(14)，包括：
外转子(4)和内定子(3)，其中，所述转子(4)包括外部转子壳体(45)，所述外部转子壳体(45)在轮毂界面(42)和相对的轴向端部之间沿着所述转子(4)的旋转轴线(Y)同轴地延伸，所述轴向端部被成形为径向定向的端板(41)，其中，所述外部转子壳体(45)包括外表面(40)，所述外表面(40)暴露于由雷电感生的磁通量，其中，开口(47)被设置在所述端板(41)和中空固定轴(20)之间，使得所述开口(47)将所述转子(4)与所述定子(3)分开；
发电机(15)，所述发电机(15)绕旋转轴线(Y)旋转，所述发电机(15)包括转子(4)、定子(3)、将所述转子(4)和所述定子(3)分开的气隙(5)以及在所述气隙(5)附近缠绕在所述转子(4)或所述定子(3)中的多个电导体(24)，
其中，所述机舱(14)还包括：
雷电保护装置(100)包括至少一个波导(110)，所述至少一个波导位于所述转子(4)和所述定子(3)之间，所述波导(110)被设置在所述开口(47)和所述气隙(5)之间，用于为所述电导体(24)提供防护以免受由雷电感生的磁通量的影响；和
静止板(120)和旋转板(130)，所述静止板(120)固定到所述定子(3)，所述旋转板(130)固定到所述转子(4)并且包括所述端板(41)，所述波导(110)被设置在所述静止板(120)和所述旋转板(130)之间，所述静止板(120)或所述旋转板(130)暴露于由雷电感生的磁通量，其中，所述静止板(120)和所述旋转板(130)由导电材料制成。
2.根据权利要求1所述的机舱(14)，其中，所述开口(47)是环形的。
3.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述多个电导体包括多个端部绕组(24)，所述波导(110)被插入在所述开口(47)和所述端部绕组(24)之间。
4.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述转子包括多个永磁体(43)，所述多个永磁体(43)在所述气隙(5)处径向地面对所述定子(3)，所述波导还为所述永磁体(43)提供防护以免受由雷电感生的磁通量的影响。
5.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述雷电保护装置(100)包括结构元件(140)，用于将所述静止板(120)连接到所述定子(3)或者将所述旋转板(130)连接到所述转子(4)。
6.根据权利要求5所述的机舱(14)，其中，所述结构元件(140)平行于所述旋转轴线(Y)延伸。
7.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)相对于所述旋转轴线(Y)倾斜被包括在0和90度之间的角度。
8.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)相对于所述旋转轴线(Y)倾斜被包括45和90度之间的角度。
9.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)具有被包括在1和15mm之间的宽度(113)。
10.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)具有被包括在8和12mm之间的宽度(113)。
11.根据权利要求7所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)的宽度(113)等于所述外表面(40)的所述开口(47)的宽度。
12.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)具有被包括在200和700mm之间的长度(114)。
13.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述波导(110)具有被包括在400和500mm之间的长度(114)。
14.根据权利要求1或2所述的机舱(14)，其中，所述雷电保护装置(100)包括与所述定子(3)连接并且沿着所述旋转轴线(Y)延伸的结构元件(140)，所述静止板(120)在所述结构元件(140)的轴向端部处突出。
15.一种风力涡轮机(10)，包括：
轮毂(13)，
至少一个叶片(17)，所述至少一个叶片(17)固定到所述轮毂(13)，
机舱(14)，所述轮毂(13)可旋转地安装在所述机舱(14)上以便绕旋转轴线(Y)旋转，所述机舱(14)是根据前述权利要求中任一项所述的机舱。
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