TWI599147B - 特別為一直接驅動風力渦輪機之多極同步環形發電機之同步發電機、及具有其之風力渦輪機 - Google Patents

Description

特別為一直接驅動風力渦輪機之多極同步環形發電機之同步發電機、及具有其之風力渦輪機

本發明係關於一種特別為一直接驅動風力渦輪機之一多極同步環形發電機之同步發電機。此外，本發明係關於一種具有此一同步發電機之風力渦輪機。

在德國優先權申請案中，德國專利及商標局已識別以下文件：EP 2 752 578 A1、CH 357 797 A及DE 102 44 202 A1。

風力渦輪機通常係已知的。其藉由一發電機自風產生電力。現代直接驅動(亦即，無齒輪)風力渦輪機通常包括具有一大氣隙直徑之一多極同步環形發電機。氣隙之直徑特此係至少四米且通常係幾乎與五米一樣大。由多個部件組成之同步發電機具有在十米或十米以上之範圍內之氣隙直徑係絕對可能的。

當產生電力時，同步發電機之效率對整個風力渦輪機之效率具有一顯著影響。為了在產生電力時達成最高可能效率程度，因此，定子繞組具有一最佳設計係重要的。特定而言，此亦包含在定子繞組中容納最高可能數目個導線束。

定子繞組之材料之厚度越大，且同步發電機之感應場越大，定 子繞組中所產生之熱量便越大。在操作期間，同步發電機之定子繞組及定子環被加熱係不可避免的。防止超過預定溫度限制以便避免(舉例而言)因熱產生及其至鄰接組件之傳輸所致之效率程度之減損或機械問題係基本的。

因此，需要冷卻發電機(特定而言，定子環)。

藉由配置於定子環之圓周處之外部冷卻構件來冷卻定子環(舉例而言)自先前技術獲知。

儘管實際上已證明此冷卻方法係基本上可靠的，但存在對改良風力渦輪機之同步發電機處(且特定而言，定子環處)之可達成冷卻能力之一要求。

因此，本發明之目標係解決上文所提及之問題中之至少一者。特定而言，意欲改良同步發電機之冷卻能力。

本發明藉由根據技術方案1設計在開始時所提及之類型之一同步發電機來達成其在該同步發電機之情形中所基於之目標。提議一種同步發電機，特定而言，其具有一轉子及一定子，其中該定子具有其中配置一定子繞組之多個凹槽，其中該定子繞組由於電力產生而釋放熱能，且其中用於吸收及耗散所釋放之熱能之一冷卻主體配置於一個凹槽、多個凹槽或所有凹槽中。

在一直接驅動風力渦輪機之一同步環形發電機之情形中，「多極」被理解為意指多個定子極，特定而言，具有至少48個定子齒之一設計，通常甚至具有顯著更多定子齒，諸如(特定而言)96個定子齒或甚至更多定子齒。發電機之磁性作用區域(亦即，轉子及定子兩者)圍繞該同步發電機之旋轉軸配置於一環形區域中。因此，特定而言，氣隙之半徑之0至至少50%之一區域不含有傳導來自同步發電機之電力或電場之材料。特定而言，此內部空間係完全無障礙的，且人員在該內部空間內四處行走原則上亦係可能的。此區域亦通常係大於氣隙半 徑之0至50%，特定而言，高達氣隙半徑之0至70%或甚至0至80%。取決於該設計，一支撐結構可存在於此內區域中，但在某些實施例中其可經設計有一軸向偏移。取決於其功能，一直接驅動風力渦輪機之此等同步發電機係緩慢旋轉發電機。此處，緩慢旋轉被理解為意指：取決於渦輪機之大小而小於每分鐘40轉(特定而言，介於每分鐘4轉與35轉之間)之一速度。

本發明利用對最佳熱耗散成功地使熱在其所產生處被直接吸收之洞察。在目前之情形中，當在同步發電機中產生電力時，熱在定子繞組中經釋放。本發明遵循在儘可能接近於定子繞組之一位置處吸收所釋放之熱之方法。在過去，從未考量將一冷卻主體裝配在固持定子繞組之凹槽內側，此乃因其與在一凹槽中提供儘可能多的導線束之主要方法或該凹槽中之定子繞組之最大可能填充密度相矛盾。

已證明，歸因於「省略」繞組而以一冷卻通道替代之發電機效率之假定減損由然後變冷卻之一繞組之經增加效率而補償。

在本發明之一有利發展中，該冷卻主體具有與該定子繞組接觸之至少一個繞組接觸表面。該繞組接觸表面越大，該定子繞組與該冷卻主體之間的熱傳輸亦便越大。

該冷卻主體較佳地具有與一凹槽壁接觸之至少一個壁接觸表面。根據此較佳實施例，藉由根據本發明之該冷卻主體來主動地冷卻該定子環係另外可能的。關於該壁接觸表面，亦係以下情形：該壁接觸表面越大，自該定子環傳輸至該冷卻主體中之熱量便越大。

在一較佳實施例中，該冷卻主體具有流體地連接至一冷卻介質迴路之一空心主體，其中該空心主體具有帶有一內側及一外側之一壁。

該冷卻主體較佳地具有：一第一壁接觸表面，其與一第一凹槽壁接觸；及一第二壁接觸表面，其與跟該第一凹槽壁相對之一第二凹 槽壁接觸。因此，該冷卻主體如同一橋一樣自一個凹槽壁完全地延伸至下一個凹槽壁。在此實施例中，該冷卻主體不僅較佳地具有兩個壁接觸表面，而且較佳地具有兩個繞組接觸表面，其中該第二繞組接觸表面配置於與該第一繞組接觸表面相對之該冷卻主體之一側上。

在一較佳實施例中，該壁接觸表面至少部分地由該空心主體之該壁之該外側形成。另一選擇係或另外，該繞組接觸表面至少部分地由該空心主體之該壁之該外側形成。此等實施例允許該空心主體之一結構上簡單設計。

在又一較佳實施例中，該冷卻主體具有沿著該等凹槽壁自該空心主體之該壁延伸之一或多個突出部，且具有面向該各別凹槽壁之一外側以及鄰接該定子繞組之一相對內側。該壁接觸表面較佳地至少部分地由該等突出部之該外側形成，且該繞組接觸表面至少部分地由該等突出部之該內側形成。

在該同步發電機之又一較佳實施例中，該空心主體之該壁之該內側具有一或多個冷卻肋。由於該冷卻介質與空心主體之間的該經放大接觸表面，因此與具備肋狀件之該空心主體之該表面相比，該等冷卻肋產生至該冷卻介質之一較大熱傳送。

該空心主體可以一矩形之方式在該等凹槽壁之間延伸，但亦可具有與該矩形形狀相比經放大之一表面(自一個凹槽壁朝向相對凹槽壁觀看)。該空心主體在該凹槽之徑向方向上較佳地具有一縮腰式設計或一凸部。一縮腰式設計特此被理解為既意指一凹面收縮，亦意指表面之間的具有未經修圓邊緣之一「成角度」凹痕。反之亦然，相同情況亦應用於一凸部。凸部被理解為既意指一凸面彎曲，亦意指不具有經修圓邊緣之一「成角度」系列之表面。此「成角度」凸出空心主體具有一基本上多邊形形狀剖面。

在又一態樣中，本發明係關於一種特別為具有用於產生電力的 一同步發電機之直接驅動風力渦輪機之風力渦輪機，特定而言，該同步發電機經設計為一多極同步發電機。

在此一風力渦輪機之情形中，本發明藉由根據上文所闡述之該等較佳實施例中之一者而設計之一同步發電機來達成在開始時所提及之目標。關於根據本發明之該風力渦輪機之優點，應參考該同步發電機之該等以上實施例。

在又一態樣中，本發明係關於一種用於吸收及耗散所釋放之熱能之一冷卻主體之用途。根據本發明，該冷卻主體用以吸收及耗散自根據本文中所闡述之該等較佳實施例中之一者之一同步發電機之一定子繞組所釋放之熱能，其中該冷卻主體配置於該同步發電機之一凹槽中。

該冷卻主體較佳地經設計有根據本發明之上文所闡述之同步發電機之該冷卻主體之該等特徵。就此而言，關於該等優點，亦應參考根據本發明之該同步發電機之以上實施例。

1‧‧‧同步發電機/發電機

3‧‧‧定子

5‧‧‧轉子

7‧‧‧方位驅動器

9‧‧‧機器框架

13‧‧‧轉子輪轂

16‧‧‧定子環

17‧‧‧凹槽

18‧‧‧內部圓周區域

19a‧‧‧第一凹槽壁/凹槽壁/壁

19b‧‧‧第二凹槽壁/凹槽壁/壁

21‧‧‧凹槽軸

23‧‧‧定子繞組

25a‧‧‧冷卻主體/冷卻頭/冷卻主體幾何結構

25b‧‧‧冷卻主體/冷卻主體幾何結構

25c‧‧‧冷卻主體/冷卻主體幾何結構

25d‧‧‧冷卻主體/冷卻主體幾何結構

25e‧‧‧冷卻主體/冷卻主體幾何結構

27a‧‧‧空心主體

27b‧‧‧空心主體

27c‧‧‧空心主體

27d‧‧‧空心主體

27e‧‧‧空心主體

29a‧‧‧突出部

31a‧‧‧繞組接觸表面/第一繞組接觸表面

31b‧‧‧繞組接觸表面/第二繞組接觸表面

33a‧‧‧第一壁接觸表面/壁接觸表面

33b‧‧‧第二壁接觸表面/壁接觸表面

35a‧‧‧冷卻肋

35b‧‧‧冷卻肋

37‧‧‧繞組導線

39‧‧‧箭頭

100‧‧‧直接驅動風力渦輪機/風力渦輪機

102‧‧‧塔架

104‧‧‧機艙

106‧‧‧轉子

108‧‧‧轉子葉片

110‧‧‧旋轉體

下文藉由多個較佳例示性實施例參考附圖來闡述本發明。特此，相同或功能上類似之特徵具備相同元件符號。

在圖式中：圖1以一透視圖示意性地展示一風力渦輪機，圖2以用剖面繪示之一透視圖示意性地展示根據圖1之風力渦輪機之一機艙，圖3展示根據圖1及圖2之風力渦輪機之一定子之一經簡化示意性透視圖，圖4展示以剖面繪示的穿過根據圖3之定子之一部分視圖，及圖4a至圖4e展示供在根據圖3及圖4之一定子中使用之一冷卻主體之不同實施例。

圖1展示具有一塔架102及一機艙104之一風力渦輪機100。具有三個轉子葉片108及一旋轉體110之一轉子106配置於機艙104上。在操作中，轉子106藉由風而設定為一旋轉移動且因此驅動機艙104中之一發電機1(圖2)。

圖2中展示機艙104。機艙104可旋轉地安裝於塔架102上且以一通常已知方式藉由一方位驅動器7驅動。以又一通常已知方式，固持一同步發電機1之一機器框架9配置於機艙104中。同步發電機1根據本發明經設計且特定而言係一緩慢旋轉之多極同步環形發電機。同步發電機1具有一定子3及在其內側旋轉之一轉子5。轉子5連接至一轉子輪轂13，該轉子輪轂將由風引起之轉子葉片108之旋轉移動傳輸至同步發電機1。

圖3獨立地展示定子3。定子3具有帶有一內部圓周區域18之一定子環16。經設計以接納呈導線束之形式之定子繞組之多個凹槽17提供於內部圓周區域18中。

圖4展示以剖面繪示的穿過定子環16之一凹槽17的一視圖。凹槽在一基本上徑向方向上沿著一凹槽軸21延伸。凹槽17具有一第一凹槽壁19a及與該第一凹槽壁相對之一第二凹槽壁19b。

圖4a至圖4e中展示根據本發明之同步發電機1之一冷卻主體25a至25e(各自配置於凹槽17中之一者中)之不同實施例。

圖4a中所展示之冷卻主體25a基本上經設計呈一彎曲x之形狀，如自其外部輪廓所明瞭。冷卻主體25a具有與一定子繞組23接觸的一第一繞組接觸表面31a及一第二繞組接觸表面31b。此亦應用於圖4b至圖4e之冷卻主體25b至25e之繞組接觸表面31a、31b，然而，為更清晰起見，在圖4b至圖4e中並未展示定子繞組23。

冷卻主體25a亦具有各自沿著凹槽壁19a及19b延伸且靠壓該等凹槽壁的一第一壁接觸表面33a及一第二壁接觸表面33b。根據圖4a，壁 接觸表面33a、33b部分地由空心主體27a之壁之外側形成。根據圖4a，冷卻主體25a亦具有多個突出部29a，為清晰起見，該等突出部中之一者具備一元件符號。該等突出部沿著凹槽壁19a、19b自空心主體27a之壁延伸。突出部29a之一外側亦形成壁接觸表面33a、33b之一部分，而在每一情形中，突出部29a之一內側形成冷卻主體25a之繞組接觸表面31a、31b之一部分。作為一結果，冷卻主體25a之總表面積增加。

空心主體27a之壁之內側具有各自用於增加空心主體27a之壁之表面積之多個冷卻肋35a、35b。

空心主體27a具有一縮腰式設計或在沿凹槽17之方向或沿凹槽軸21之方向之兩側上具有凹面收縮。

圖4b中所展示之冷卻主體25b在結構上類似於圖4a之冷卻頭25a，此乃因其具有一空心主體27b及自空心主體27b延伸之多個突出部29b，其中在每一情形中壁接觸表面33a、33b部分地由空心主體27b之壁之外側及突出部29b之外側形成。同樣地，繞組接觸表面部分地由空心主體27b之壁之外側及突出部29b之內側形成。

與冷卻主體25a相比，冷卻主體25b之空心主體27b設計為一基本上圓柱形管，突出部切向地配置於該基本上圓柱形管之外側。空心主體27b在凹槽軸21之方向上具有一球形形狀，亦即，因此具有一凸部。

圖4c之冷卻主體25c形成有一基本上卵形剖面且在面向凹槽壁19a、19b之側處具有一非彎曲外壁部分，該非彎曲外壁部分靠壓凹槽壁19a、19b且形成冷卻主體25c之壁接觸表面33a、33b。與圖4a、圖4b相比，冷卻主體25c不具有任何突出部。然而，如同根據圖4b之冷卻主體25b，其在徑向方向或凹槽軸21之方向上具有一球形形狀，且因此具有一凸部或在兩側上凸曲地凸出。

圖4d中所展示之冷卻主體25d具有一空心主體27d，該空心主體具有一基本上矩形輪廓剖面。繞組接觸表面31a、31b自一個凹槽壁19a至相對凹槽壁19b基本上延伸最短距離，在每一情形中呈空心主體27d之壁之外側之形式之壁接觸表面33a、33b沿著凹槽壁19a、19b自該等繞組接觸表面延伸。

繞組導線之指示性剖面以元件符號37標記。

冷卻主體25d既不具有一縮腰式設計也不具有一球形凸部。

圖4e最後展示一冷卻主體25e，該冷卻主體如同圖4c、圖4d中之冷卻主體25c、25d不具有突出部，使得壁接觸表面33a、33b完全由空心主體27e之壁之外側形成。空心主體27e之基本上多邊形剖面在較佳地位於凹槽軸21上之箭頭39之方向上收縮，使得形成一縮腰式設計。空心主體27e可經設計有修圓拐角，如在圖4e中所展示之實例中，或另一選擇係，可設計有成角度拐角，使得形成具有凹槽軸21作為其對稱軸之一雙梯形。

儘管在所展示之例示性實施例中冷卻主體25c、25d、25e並未形成有突出部，然而，在本發明之範疇內亦提供具有突出部之此等冷卻主體，且同樣地在本發明之範疇內提供基本上具有與圖4a、圖4b中之冷卻主體25a、25b相同之結構設計但不具有突出部之冷卻主體。

同樣地，在本發明之範疇內，圖4b至圖4e中之冷卻主體在空心主體27b至27e之壁之內側上各自具有一或多個冷卻肋。

此外，其中一第一繞組接觸表面球形地凸出且相對之第二繞組接觸表面收縮(或另一選擇係，既不凸出亦不收縮)之剖面輪廓係在本發明之範疇內。同樣地，其中僅一個繞組接觸表面具備一縮腰式設計(亦即，沿空心主體之內側之方向向內按壓)而相對之第二繞組接觸表面設計為筆直的(亦即，既不凸出亦不縮腰)之剖面輪廓在本發明之範疇內。

在對各別應用有利之情況下，定子環16之多個或所有凹槽具有一相同冷卻主體25a至25e，但另一選擇係，為用於凹槽17之不同群組之定子環16提供不同冷卻主體幾何結構25a至25e。

其他較佳實施例可自以下專利請求項之不同組合衍生。

17‧‧‧凹槽

19a‧‧‧第一凹槽壁/凹槽壁/壁

19b‧‧‧第二凹槽壁/凹槽壁/壁

21‧‧‧凹槽軸

25d‧‧‧冷卻主體/冷卻主體幾何結構

27d‧‧‧空心主體

31a‧‧‧繞組接觸表面/第一繞組接觸表面

31b‧‧‧繞組接觸表面/第二繞組接觸表面

33a‧‧‧第一壁接觸表面/壁接觸表面

33b‧‧‧第二壁接觸表面/壁接觸表面

37‧‧‧繞組導線

Claims (9)

1. 一種用於產生電力的特別為一直接驅動風力渦輪機(100)之一多極同步環形發電機之同步發電機(1)，其具有一轉子(4)及一定子(3)，其中該定子(3)具有其中配置一定子繞組之多個凹槽(17)，其中該定子繞組(23)由於電力產生而釋放熱能，且其中用於吸收及耗散所釋放之熱能之一冷卻主體(25a至25e)配置於一個凹槽(17)、多個凹槽(17)或所有該等凹槽(17)中，其特徵在於：該冷卻主體具有流體地連接至一冷卻介質迴路之一空心主體(27a至27e)，其中該空心主體具有一壁，該壁具有一內側及一外側，該冷卻主體具有：一第一壁接觸表面(33a)，其與一第一凹槽壁(19a)接觸；及一第二壁接觸表面(33b)，其與跟該第一凹槽壁相對之一第二凹槽壁(19b)接觸，該冷卻主體(25a、25b)具有：一或多個突出部(29a、29b)，其沿著該等凹槽壁(19a、19b)自該空心主體(27a、27b)之該壁延伸；及一外側，其面向該各別凹槽壁；以及一相對內側，其鄰接該定子繞組(23)，其中該壁接觸表面至少部分地由該等突出部之該外側形成且該繞組接觸表面至少部分地由該等突出部之該內側形成。
2. 如請求項1之同步發電機(1)，其中該冷卻主體(25a至25e)具有與該定子繞組(23)接觸之至少一個繞組接觸表面(31a、31b)。
3. 如請求項1或2之同步發電機，其中該冷卻主體具有與一凹槽壁(19a、19b)接觸之至少一個壁接觸表面(33a、33b)。
4. 如請求項1之同步發電機，其中該壁接觸表面(33a、33b)至少部分地由該空心主體(27a至27c)之該壁之該外側形成。
5. 如請求項1之同步發電機，其中該繞組接觸表面(31a、31b)至少部分地由該空心主體(27a至27c)之該壁之該外側形成。
6. 如請求項1之同步發電機，其中該空心主體(27a)之該壁之該內側具有一或多個冷卻肋(35a、35b)。
7. 如請求項1之同步發電機，其中該空心主體(27a、27e)在該凹槽(17)之該徑向方向上具有一縮腰式設計。
8. 如請求項1之同步發電機，其中該空心主體(27a、27c)在該凹槽(17)之該徑向方向上具有一凸部。
9. 一種特別為具有用於產生電力的一同步發電機(1)之一直接驅動風力渦輪機之風力渦輪機(100)，特定而言，該同步發電機(1)經設計為一多極同步發電機，其中該同步發電機係如請求項1至8中任一項所述而設計。