專利名稱：具有單匝波狀繞組的發(fā)電機和風力渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機并且涉及風力渦輪機。
背景技術(shù)：
基于當今的直接驅(qū)動發(fā)電機中的技術(shù)，每個線圈由多于一個串聯(lián)線匝組成，而且還可以將所選數(shù)目的線圈串聯(lián)地連接?？梢詫蓚€上述可選數(shù)目(即線匝串聯(lián)的數(shù)目和串聯(lián)地連接的線圈的數(shù)目)選擇為獲得發(fā)電機的端電壓，所述發(fā)電機本身可以是已經(jīng)基于功率電子學/電網(wǎng)要求選擇的。在所述的常規(guī)類型的繞組中，每個槽中的串聯(lián)線匝由于串聯(lián)的線匝之間的電壓差而需要由所謂的匝線一匝線絕緣來相互電絕緣。在具有常規(guī)多匝繞組的電機的槽中使用的上述的線匝一線匝絕緣導(dǎo)致不同的缺點絕緣的不良熱傳遞系數(shù)使得發(fā)電機中的主要熱源(即繞組)非常難以通過相鄰的疊片被冷卻下來。在槽中使用要求的絕緣減少了用于活性材料(通常為銅)的槽空間，并從而減小了所謂的填充系數(shù)。這接著又減小了對于相同電流密度而言的輸出轉(zhuǎn)矩或減小了對于相同轉(zhuǎn)矩而言的效率。用于常規(guī)類型的繞組的填充系數(shù)的典型值在70 - 80%的范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的第一目的是提供一種槽填充系數(shù)增加的發(fā)電機。本發(fā)明的第二目的是提供有利的風力渦輪機。由如權(quán)利要求1中所要求保護的發(fā)電機來解決第一目的。由權(quán)利要求12中所要求保護的風力渦輪機來解決第二目的。從屬權(quán)利要求限定本發(fā)明的進一步發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)電機包括至少一個磁極(pole)組。一個磁極組表示一個相。每個磁極組包括多個磁極。至少一個導(dǎo)體繞著特定磁極組的磁極轉(zhuǎn)變方向，從而使得僅半個單匝被關(guān)聯(lián)到每個磁極。優(yōu)選地，并聯(lián)連接的多個導(dǎo)體繞著磁極轉(zhuǎn)變方向，從而使得每個導(dǎo)體的僅半個單匝被關(guān)聯(lián)到每個磁極。與包括多于一個串聯(lián)線匝的常規(guī)線圈相比，本發(fā)明的發(fā)電機的槽中的被一起間隔開的導(dǎo)體之間的絕緣可以被顯著降低。優(yōu)選地，線匝一線匝絕緣(即槽中的串聯(lián)線匝之間的絕緣)被移除或者僅存在并列導(dǎo)體之間的薄絕緣。這改進了槽填充系數(shù)從而產(chǎn)生了較高轉(zhuǎn)矩或效率。此外，本發(fā)明的發(fā)電機提供了對例如永磁發(fā)電機進行更好冷卻的可能性。本發(fā)明的發(fā)電機可以例如在直接驅(qū)動風力渦輪機應(yīng)用中使用。在本發(fā)明的發(fā)電機中，單匝波狀繞組替換常規(guī)繞組。思想是例如三相或多相發(fā)電機中的每個相在每個磁極中具有單個去程(Go)或回程(Return)路徑。在本發(fā)明的框架中， 還將單個去程或回程路徑指定為半個單匝。去程和回程路徑或半個單匝可以形成波狀結(jié)構(gòu)。例如，單個去程路徑本身可以由多個并聯(lián)導(dǎo)體組成。并聯(lián)導(dǎo)體在下一個磁極處返回，并且沿著例如發(fā)電機的定子的整個圓周繼續(xù)這種方式的分布。這給出了在槽中具有較少絕緣的優(yōu)點。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)繞組的更好冷卻并能夠?qū)崿F(xiàn)更高的槽填充系數(shù)。發(fā)電機可以包括多個槽。有利地，在5個和25個之間、優(yōu)選地在10個和20個之間的導(dǎo)體可以在每個槽中(例如在每個定子槽中)并聯(lián)連接。假設(shè)將與用于常規(guī)多匝繞組相同的槽尺寸用于波狀繞組，10至20個或在該范圍內(nèi)的并聯(lián)導(dǎo)體將形成繞組以便減少接近和趨膚效應(yīng)損耗?？梢栽诜治錾线x擇，或者可以通過模擬來獲得或者可以在實驗上獲得將給出較低值的接近和趨膚效應(yīng)損耗的并聯(lián)導(dǎo)體的最佳數(shù)目。導(dǎo)體可以從一個磁極移置到另一磁極。這改進了額外AC損耗(例如由于接近和趨膚效應(yīng)而引起的損耗)的消除?？梢栽诿總€或每隔一個的繞組中部分地或完全移置導(dǎo)體。 有利地，可以在特定磁極組的每個相鄰磁極處或每隔一個相鄰磁極處移置導(dǎo)體。優(yōu)選地，磁極組中的磁極的數(shù)目可以是并聯(lián)地連接的導(dǎo)體的數(shù)目的整數(shù)倍。為了完全地抵消額外AC 損耗，可以使用完全移置，即在將磁極的數(shù)目選擇為槽中并聯(lián)導(dǎo)體的數(shù)目的整數(shù)倍時在每個磁極處移置每個并聯(lián)導(dǎo)體。具有與所述的不同的磁極數(shù)目將仍是一個選擇，但是由于接近效應(yīng)而具有在某種程度上較高的相對AC損耗。本發(fā)明的發(fā)電機可以每個磁極組包括偶數(shù)個磁極。在諸如用于直接驅(qū)動風力渦輪機的發(fā)電機的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，磁極的數(shù)目等于或大于100。例如，發(fā)電機可以包括至少三個磁極組。此外，發(fā)電機可以是直接驅(qū)動發(fā)電機。通常，發(fā)電機可以包括定子和轉(zhuǎn)子。 定子可以包括所述至少一個磁極組?？商鎿Q地或另外地，所述轉(zhuǎn)子可以包括所述至少一個磁極組。在所提出的類型的單匝繞組中，磁極的數(shù)目可以等于每個相繞組的去程和回程路徑的和。這意味著磁極的數(shù)目可以等于半個單匝的和。本發(fā)明的風力渦輪機包括如前所述的本發(fā)明的發(fā)電機。本發(fā)明的風力渦輪機具有與本發(fā)明的發(fā)電機相同的優(yōu)點。在本發(fā)明中，槽中的串聯(lián)線匝被需要更少的較薄絕緣的半個單匝高效地替換。這由本發(fā)明的發(fā)電機中的一個槽中的串聯(lián)線匝之間的較小電壓差引起。利用具有用于導(dǎo)體的較少絕緣以及發(fā)電機性能的所有下述改進，通過以高效的方式移置導(dǎo)體可以減小某些缺點，比如歸因于接近和趨膚效應(yīng)的高額外AC損耗。


根據(jù)結(jié)合附圖的實施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征、性質(zhì)和優(yōu)點將變得清楚。 單獨地或以相互的任何組合的方式，所有所述特征和性質(zhì)是有利的。圖1示意性地示出風力渦輪機。圖2示意性地示出用于一個相和四個磁極的多匝和單匝波狀繞組的比較圖示。圖3以透視圖示意性地示出圖2的下部分的單匝波狀繞組的部分。圖4示意性地示出并聯(lián)、完全移置導(dǎo)體的數(shù)目對單匝繞組的AC損耗因數(shù)的相關(guān)性。圖5示意性地示出屬于一個相的完全移置的5個并聯(lián)導(dǎo)體的布置。圖6示意性地示出被關(guān)聯(lián)到磁極的并聯(lián)導(dǎo)體之間的絕緣。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考圖1至6來描述本發(fā)明的實施例。圖1示意性地示出風力渦輪機71。該風力渦輪機71包括塔架72、機艙73和轂74。機艙73位于塔架72的頂部。轂74包括多個風力渦輪機葉片75。轂74被安裝到機艙 73。此外，轂74被樞軸安裝，使得其能夠繞著旋轉(zhuǎn)軸79旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機76位于機艙73的內(nèi)部。風力渦輪機71是直接驅(qū)動風力渦輪機。圖2示意性地示出用于一個相和四個磁極的多匝和單匝波狀繞組的比較圖示。圖 2的上部分示出分布的繞組，其中對于3相電機(相A、B和C)而言，每個磁極和相的槽等于 1。A、B和C對應(yīng)于相的去程方向，并且A’、B’和C’對應(yīng)于相的回程方向，即相反方向。在圖2的中間部分中，示出了表示第一相的兩個磁極4。磁極4中的每一個磁極包括多個導(dǎo)體繞組5，其中每個磁極4有多匝。用短線作記號的6指示多于一個串聯(lián)線匝。 導(dǎo)體5被串聯(lián)地連接。這由虛線7來指示。由于串聯(lián)線匝，線圈或磁極4中的每一個都包括多個去程路徑17和多個回程路徑18。圖2的下部分示意性地示出用于本發(fā)明的發(fā)電機的一個相的本發(fā)明的單匝波狀繞組。屬于第一相4的磁極組包括多個磁極4，示出了其中的四個磁極如、413、如和4(1。一般來說，磁極4可以包括疊片。每個磁極4包括右側(cè)10、左側(cè)11、前側(cè)12和后側(cè)13。導(dǎo)體8繞著磁極4波狀地轉(zhuǎn)變方向。導(dǎo)體8包括第一半匝8a、第二半匝8b、第三半匝8c和第四半匝8d。第一半匝8a 表示回程路徑A’，第二半匝8b表示去程路徑A，第三半匝8c表示回程路徑Α’且第四半匝 8d表示去程路徑A。第一半匝8a沿著第一磁極如的右側(cè)10前進，并沿著第一磁極如的后側(cè)13進一步前進。然后，其沿著第一磁極如的左側(cè)11進一步前進，并且同時沿著第二磁極4b的右側(cè)11進一步前進。這意味著導(dǎo)體通過第一磁極如與第二磁極4b之間的槽。然后，導(dǎo)體8 進一步沿著第二磁極4b的前側(cè)11、然后沿著第二磁極4b的左側(cè)11且同時沿著第三磁極 4c的右側(cè)10前進。導(dǎo)體8進一步沿著第三磁極如的后側(cè)13且沿著第三磁極如的左側(cè)并同時沿著第四磁極4d的右側(cè)10前進。在此波狀結(jié)構(gòu)中，第一半匝8a被關(guān)聯(lián)到第一磁極4a，第二半匝8b被關(guān)聯(lián)到第二磁極4b，第三半匝8c被關(guān)聯(lián)到第三磁極如，并且第四半匝8d被關(guān)聯(lián)到第四磁極4d。圖3以透視圖示意性地示出圖2的下部分的單匝波狀繞組的部分。磁極4被槽19相互分開。多個導(dǎo)體8被并聯(lián)地連接并繞著磁極轉(zhuǎn)變方向，其方式為每個導(dǎo)體的僅半個單匝被關(guān)聯(lián)到每個磁極，如圖2中的下部分和圖3所示。可以分析地或?qū)嶒灥鼗蛲ㄟ^模擬來選擇將給出較低值的接近和趨膚效應(yīng)損耗的并聯(lián)導(dǎo)體的最佳數(shù)目。在圖4中示出示例。圖4示意性地示出單匝繞組的AC損耗因數(shù)與始終被假設(shè)為完全移置的并聯(lián)導(dǎo)體的數(shù)目的關(guān)系。X軸表示并聯(lián)且完全移置的導(dǎo)體的數(shù)目N。y軸表示任意單位的單匝繞組的 AC損耗因數(shù)L。AC損耗因數(shù)是由接近和趨膚效應(yīng)損耗引起的。圖4中的所獲得的曲線14 示出約兩個并聯(lián)導(dǎo)體的最大AC損耗因數(shù)。隨著并聯(lián)導(dǎo)體的數(shù)目的進一步增加，AC損耗因數(shù)幾乎呈指數(shù)地減小。對于八個和更多并聯(lián)導(dǎo)體而言，AC損耗因數(shù)L僅最低程度地減小。 曲線14示出對于十個和更多并聯(lián)導(dǎo)體的幾乎平行于χ軸的幾乎直線。這意味著給出較低值的接近和趨膚效應(yīng)損耗的并聯(lián)導(dǎo)體的最佳數(shù)目是十個和更多。圖5示意性地示出屬于一個相的完全移置的5個并聯(lián)導(dǎo)體的布置。在所示的布置中，第一磁極21之后是第二磁極22、之后是第三磁極23、之后是第四磁極M，其之后是第五磁極25等等。磁極21、22、23、M和25中的每一個都包括上側(cè)15和底側(cè)16。用編號1至5來指定不同的導(dǎo)體。每個磁極21、22、23、M和25都包括五個位置，第一位置31、第二位置32、第三位置33、第四位置34和第五位置35，它們從上側(cè)15到底側(cè)16彼此跟隨。在第一磁極21中，第一導(dǎo)體1位于第一位置31處，第二導(dǎo)體2位于第二位置32 處，第三導(dǎo)體3位于第三位置33處，第四導(dǎo)體4位于第四位置34處，并且第五導(dǎo)體5位于第五位置；35處。在第二磁極22中，第一導(dǎo)體1的下一個半匝變化到第二位置32，第二導(dǎo)體2的下一個半匝變化到第三位置，第三導(dǎo)體3的下一個半匝變化到第四位置34，并且第四導(dǎo)體4的下一個半匝變化到第五位置35。第五導(dǎo)體5的下一個半匝從第一磁極21中的第五位置35 變化到第二磁極22中的第一位置31。如圖5所示，對于接下來的磁極而言繼續(xù)此模式。通過如圖5所示地布置導(dǎo)體，5個并聯(lián)導(dǎo)體被完全移置。在本實施例中，發(fā)電機包括三個相，這意味著其包括三個磁極組。每個磁極組包括十個磁極。針對圖5中未示出的其它5個磁極循環(huán)地重復(fù)圖5中所示的模式。一般來說， 發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子沈、定子27和轉(zhuǎn)子沈與定子27之間的空氣間隙觀。定子27包括圖5所示的磁極?？商鎿Q地，轉(zhuǎn)子沈可以包括圖5所示的磁極。圖6示意性地示出作為示例的磁極53的并聯(lián)導(dǎo)體55之間的絕緣。導(dǎo)體被從1至 5編號。如前所述，其被并聯(lián)地連接。由于該并聯(lián)連接和并聯(lián)組裝，在不同的導(dǎo)體之間不需要或僅需要非常薄的導(dǎo)體絕緣陽?！銇碚f，發(fā)電機76可以包括內(nèi)定子，這意味著該定子相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸79徑向地位于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)?？商鎿Q地，發(fā)電機可以包括外定子，這意味著該定子相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸79徑向地位于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的外側(cè)。在兩種情況下，轉(zhuǎn)子和/或定子可以包括所述單匝波狀繞組?；谒龅囊浦脝卧巡罾@組結(jié)構(gòu)，理論上清楚的是槽中的并聯(lián)導(dǎo)體可以不需要絕緣或僅需要一些清漆，因為在這些并聯(lián)導(dǎo)體之間不存在或存在非常小的電壓差。此外，使用所述單匝波狀繞組，線圈和繞組的制作過程明顯變得比對于常規(guī)多匝繞組更容易并且成本更低。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機(76)，其包括表示一個相(1、2、3)的至少一個磁極組，每個磁極組包括多個磁極(4)，其特征在于，至少一個導(dǎo)體(8)繞著特定磁極組的磁極(4)轉(zhuǎn)變方向，從而使得僅半個單匝(8a、8b、 8c、8d)被關(guān)聯(lián)到每個磁極(4a、4b、4c、4d)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(76)，其特征在于，并聯(lián)連接的多個導(dǎo)體(8)繞著磁極(4)轉(zhuǎn)變方向，從而使得每個導(dǎo)體(8)的僅半個單匝 (8a、mK8c、8d)被關(guān)聯(lián)到每個磁極(4a、4b、4c、4d)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機(76)，其特征在于，所述發(fā)電機包括多個槽并且在每個槽中并聯(lián)連接5個和25個之間的導(dǎo)體(8)。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機(76)，其特征在于， 并聯(lián)連接10個和20個之間的導(dǎo)體(8)。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項所述的發(fā)電機(76)，其特征在于，所述導(dǎo)體(8)被從一個磁極(4a、4b、4c、4d)移置到另一個磁極(4a、4b、4c、4d)。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)電機(76)，其特征在于，在特定磁極組的每個相鄰磁極(4)處或每隔一個相鄰磁極(4)處移置導(dǎo)體(8)。
7.如權(quán)利要求2至6中任一項所述的發(fā)電機(76)，其特征在于，所述發(fā)電機包括多個槽并且磁極組中的磁極(4)的數(shù)目是所述槽中并聯(lián)連接的導(dǎo)體 (8)的數(shù)目的整數(shù)倍。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的發(fā)電機(76)，其特征在于， 所述發(fā)電機(76)每個磁極組包括偶數(shù)個磁極(4)。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的發(fā)電機(76)，其特征在于， 所述發(fā)電機(76)包括至少三個磁極組。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的發(fā)電機(76)，其特征在于， 所述發(fā)電機(76)是直接驅(qū)動發(fā)電機。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的發(fā)電機(76)，其特征在于， 所述發(fā)電機(76 )包括定子，所述定子包括至少一個磁極組。
12.一種包括如權(quán)利要求1至11中的任一項所述的發(fā)電機(76)的風力渦輪機(71)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有單匝波狀繞組的發(fā)電機和風力渦輪機。公開了一種包括表示一個相的至少一個磁極組的發(fā)電機(76)。每個磁極組包括多個磁極(4)。至少一個導(dǎo)體(8)繞著特定磁極組的磁極(4)轉(zhuǎn)變方向，從而使得僅半個單匝(8a、8b、8c、8d)被關(guān)聯(lián)到每個磁極(4a、4b、4c、4d)。
文檔編號F03D9/00GK102255411SQ20111013027
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者格羅恩達爾 E., 斯蒂斯達爾 H., 基米亞貝吉 M. 申請人:西門子公司