沿发电机的轴向方向具有不同定子间隙的用于风力涡轮机的发电机.pdf

描述了一种用于风力涡轮机的发电机，其包括定子(2)、转子(3)和处于所述定子(2)的轴向相邻部段(7)之间的多个定子间隙(6)。相对于轴向纵截面，与所述发电机的径向方向相比，至少一个定子间隙(6)是倾斜的，并且所述发电机的所述径向方向与所述定子间隙(6)之间的所述倾斜在轴向方向上不同。替代地或附加地，所述定子(2)的轴向相邻部段(7)之间的定子间隙(6)的宽度(w1、w2)在轴向方向上不同。另外，还公开了包括发电机和风扇(4)的发电机组件(1)。

权利要求书1.  用于风力涡轮机的发电机，包括：-定子(2)，-转子(3)，-处于所述定子(2)的轴向相邻部段(7)之间的多个定子间隙(6)，其中a)相对于轴向纵截面，与所述发电机的径向方向相比，至少一个定子间隙(6)是倾斜的，并且其中所述发电机的所述径向方向与所述定子间隙(6)之间的所述倾斜在轴向方向上不同，并且/或者b)所述定子(2)的轴向相邻部段(7)之间的定子间隙(6)的宽度(w1、w2)在轴向方向上不同。2.  如权利要求1所述的发电机，其中，在情况a)中，所述发电机的中心区域中的所述径向方向与定子间隙(6)之间的角度(α1)小于所述发电机的轴向端部区域(A、B)中的所述径向方向与定子间隙(6)之间的角度(α2)。3.  如权利要求2所述的发电机，其中，所述发电机的中心区域中的所述径向方向与定子间隙(6)之间的角度(α1)小于所述发电机的驱动端部(A)的区域中的所述径向方向与定子间隙(6)之间的角度(α2)。4.  如权利要求2所述的发电机，其中，所述发电机的中心区域中的所述径向方向与定子间隙(6)之间的角度(α1)小于所述发电机的两个轴向端部(A、B)处的所述径向方向与定子间隙(6)之间的角度(α2)。5.  如权利要求1-4中任一项所述的发电机，其中，在情况b)中，所述发电机的中心区域中的轴向相邻部段(7)之间的定子间隙(6)的宽度(w1)小于所述发电机的轴向端部区域(A、B)中的轴向相邻部段(7)之间的定子间隙(6)的宽度(w2)。6.  如权利要求5所述的发电机，其中，所述发电机的中心区域中的定子间隙(6)的所述宽度(w1)小于所述发电机的驱动端部(A)的区域中的定子间隙(6)的所述宽度(w2)。7.  如权利要求5所述的发电机，其中，所述发电机的中心区域中的定子间隙(6)的所述宽度(w1)小于所述发电机的两个轴向端部(A、B)处的定子间隙(6)的所述宽度(w2)。8.  发电机组件(11、12)，包括如权利要求1-7中任一项所述的发电机和至少一个冷却风扇(4)，所述至少一个冷却风扇(4)在其启用状态中使空气流(F)穿过所 述转子(3)与所述定子(2)之间的转子定子间隙(5)以及穿过所述定子间隙(6)。9.  如权利要求8所述的发电机组件(11、12)，其中，所述转子定子间隙(5)中的空气流与倾斜定子间隙(6)中的空气流之间的角度＞90°。10.  如权利要求8所述的发电机组件(11、12)，其中，所述转子定子间隙(5)中的空气流与所述定子间隙(6)中的空气流之间的角度在所述发电机的轴向端部区域中＞90°而在所述发电机的中心区域中≤90°。

说明书沿发电机的轴向方向具有不同定子间隙的用于风力涡轮机的发电机
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机的发电机，其包括定子、转子和处于所述定子的轴向相邻部段之间的多个定子间隙。本发明还涉及发电机组件(arrangement)，其包括以上类型的发电机和至少一个冷却风扇，所述至少一个冷却风扇在其启用状态中使空气流穿过所述转子与所述定子之间的转子定子间隙以及穿过所述定子间隙。
背景技术
以上类型的发电机，其可以被实施为直接驱动发电机，是众所周知的。通常，这类发电机具有处于3米及更大范围内的直径，以处于高达16rpm范围内的旋转速度进行操作，并产生处于数兆瓦特范围内的电力。为了驱散由发电机产生的非需热量，可使冷却空气吹过定子间隙。
最近的研究活动已表明定子的温度在发电机的轴向方向上不同。具体而言，驱动端部处的温度高于其它部分。一般来说，定子中的较高温度造成较高的磁体温度，其进而造成较弱的磁特性。这意味着：为了产生相同的扭矩，由于较高的磁体温度而需要较高的电流。然而，较高的电流导致较高的DC绕组损失，其进而负面地影响年度发电量(AEP)。
还观察到：高温在寿命期间造成磁通损失。相对于发电机的轴向延伸方向的不同磁体温度在几年操作之后导致不均匀的磁通损失。不均匀的磁特性进而导致发电机的不平衡性能且伴随着增大的振动和疲劳。
发明内容
这些缺点可以由根据独立权利要求所述的主题得到克服。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，提供了一种如在首段中公开的发电机，其中
a)相对于轴向纵截面，与所述发电机的径向方向相比，至少一个间隙是倾 斜的，并且其中所述发电机的所述径向方向与所述定子间隙之间的所述倾斜在轴向方向上不同，并且/或者
b)所述定子的轴向相邻部段之间的定子间隙的宽度在轴向方向上不同。
换言之，提供了一种如在首段中公开的发电机，其中所述定子的轴向相邻部段之间的定子间隙的几何结构和/或尺寸在轴向方向上不同。
本发明的该方面基于以下构思：根据情况a)和/或b)改变定子间隙的几何结构和/或尺寸，也会改变沿着发电机的轴向延伸方向穿过定子间隙的空气流。通过该措施，相对于发电机的较冷部分，可以在较热部分中增大冷却空气的空气流。这样，可以避免以上提及的缺点。具体而言，可以防止或至少降低与发电机的不平衡性能以及增大的振动和疲劳相随的不均匀磁通损失以及不均匀磁特性。
根据本发明的再一实施例，在情况a)中，所述发电机的中心区域中的所述径向方向与定子间隙之间的角度小于所述发电机的轴向端部区域中的所述径向方向与定子间隙之间的角度。这样，发电机的轴向端部区域中的空气动力学阻力小于发电机的中心区域中的空气动力学阻力。相应地，与通过所述中心区域中的定子间隙的冷却空气相比，有更多冷却空气通过所述端部区域中的定子间隙。因此，与中心区域中的散热相比，在端部区域中散热较高。总而言之，可以获得在发电机的轴向延伸方向之上的平衡的或均匀的温度轮廓。
在此背景中，有益的是：所述发电机的中心区域中的所述径向方向与定子间隙之间的角度小于所述发电机的驱动端部的区域中的所述径向方向与定子间隙之间的角度。通常，大部分热量产生在发电机的驱动端部处。通过所提出的措施，与中心区域中的散热相比，驱动端部处的散热得到增大，因此在发电机的轴向延伸方向之上得到平衡/均匀的温度轮廓。
还有益的是：所述发电机的中心区域中的所述径向方向与定子间隙之间的角度小于所述发电机的两个轴向端部处的所述径向方向与定子间隙之间的角度。通过这些措施，可以在增大的热量产生于发电机的两个端部处的情况下，使温度轮廓平衡/均匀化。
根据本发明的再一实施例，在情况b)中，所述发电机的中心区域中的轴向相邻部段之间的定子间隙的宽度小于所述发电机的轴向端部区域中的轴向相邻部段之间的定子间隙的宽度。这是另一方式来改变空气动力学阻力从而改变发 电机的轴向延伸方向之上的散热。再次，可以获得在发电机的轴向延伸方向之上的平衡的或均匀的温度轮廓。情况b)的措施可以被采纳为独立于情况b)的措施或与它们结合。
在以上背景中，有益的是：所述发电机的中心区域中的定子间隙的宽度小于所述发电机的驱动端部的区域中的定子间隙的所述宽度。通过这些措施，可以在增大的热量产生于发电机的驱动端部处的情况下，使温度轮廓平衡/均匀化。
在以上背景中，还有益的是：所述发电机的中心区域中的定子间隙的宽度小于所述发电机的两个轴向端部处的定子间隙的所述宽度。通过这些措施，可以在增大的热量产生于发电机的两个端部处的情况下，使温度轮廓平衡/均匀化。
根据本发明的再一方面，提供了一种发电机组件，其包括以上类型的发电机和至少一个冷却风扇，所述至少一个冷却风扇在其启用状态中使空气流穿过所述转子与所述定子之间的转子定子间隙以及穿过所述定子间隙。这样，可以产生用于冷却发电机的空气流。
根据本发明的再一实施例，转子定子间隙中的空气流与倾斜定子间隙中的空气流之间的角度＞90°。这样，空气动力学阻力相对较低。
根据本发明的又一实施例，所述转子定子间隙中的空气流与所述定子间隙中的空气流之间的角度在所述发电机的轴向端部区域中＞90°而在所述发电机的中心区域中≤90°。这样，空气动力学阻力在发电机的轴向端部区域中相对较低，而在发电机的中心区域中相对较高。
必须指出的是：已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断出：除非另有指明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，关联于不同主题的特征之间的任意组合也视为被本文公开。
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。下面将参考实施例的示例详细描述本发明，但是本发明并不局限于所述实施例的示例。
附图说明
图1示出了具有倾斜定子间隙的一示例性发电机组件的示意性截面；
图2示出了在两个轴向端部处具有倾斜定子间隙的再一示例性发电机组件；
图3示出了定子间隙具有不同宽度的一示例性发电机组件的详情；并且
图4示出了风扇的配置的斜视图。
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，相似或相同的要素或特征被提供相同的附图标记或被提供只在第一位数内不同于相应附图标记的附图标记。为了避免不必要的重复，已经相对于前述实施例阐述过的要素或特征在以后的描述位置不再进行阐述。
图1示出了一示例性发电机组件11的示意性截面，所述示例性发电机组件11包括定子2、转子3和多个冷却风扇4。在它们的启用状态中，冷却风扇4使空气流F穿过所述转子3与所述定子2之间的转子定子间隙5以及穿过所述定子2的轴向相邻部段7之间的定子间隙6。另外，图1示出了轴承9、壳体8和发电机组件11的轴线x。
相对于所示轴向纵截面，与所述发电机组件1的径向方向(垂直于轴线x)相比，数个定子间隙5是倾斜的。此外，发电机组件11的所述径向方向与定子间隙6之间的倾斜度在轴向方向上不同。
具体地，在本示例中，发电机组件11的中心区域中的所述径向方向与定子间隙6之间的角度α1小于发电机组件11的轴向端部区域A中的所述径向方向与定子间隙6之间的角度α2。更具体地，发电机组件11的中心区域中的所述径向方向与定子间隙6之间的角度α1小于发电机组件11的驱动端部A(这里为其左侧)的区域中的所述径向方向与定子间隙6之间的角度α2。
图2示出了发电机组件12，其十分类似于图1中示出的发电机组件11。相比之下，发电机组件12的中心区域中的所述径向方向与定子间隙6之间的角度α1小于发电机组件12的两个轴向端部A、B处的所述径向方向与定子间隙6之间的角度α2。
在图1和2中，转子定子间隙5中的空气流F与定子间隙6中的空气流F之间的角度在发电机组件11、12的轴向端部区域A、B中＞90°，而在发电机组件11、12的中心区域中＝90°。
然而，还有可能的是：转子定子间隙5中的空气流F与定子间隙6中的空气流F之间的角度在发电机组件11、12的中心区域中＜90°，以便进一步增大 空气动力学阻力。还有可能的是：转子定子间隙5中的空气流F与倾斜定子间隙6中的空气流F之间的角度大体＞90°。这样，空气动力学阻力可以被保持得相对较低。
图3示出了发电机组件的详情，其中所述定子2的轴向相邻部段7之间的定子间隙6的宽度w1、w2在轴向方向上不同。
具体地，发电机组件的中心区域中的轴向相邻部段7之间的定子间隙6的宽度w1小于发电机组件的轴向端部区域A、B中的轴向相邻部段7之间的定子间隙6的宽度w2。更具体地，发电机组件的中心区域中的定子间隙6的宽度w1小于发电机组件的两个轴向端部A、B处的定子间隙6的所述宽度w2。
然而，还有可能的是：发电机组件的中心区域中的定子间隙6的宽度w1小于发电机组件的驱动端部A(这里为其左侧)的区域中的定子间隙6的所述宽度w2。
通过图1～3中提出的措施，相对于发电机组件11、12的较冷部分，可以在较热部分中增大冷却空气的空气流。这样，可以防止或至少降低与发电机的不平衡性能以及增大的振动和疲劳相随的不均匀磁通损失以及不均匀磁特性。具体地，通过改变定子间隙6的倾斜度和/或宽度w1、w2，根据发电机组件11、12的不同区域中的所需散热而改变空气动力学阻力。这样，特别地，在发电机组件11、12的驱动端部A处或两个端部A、B处，与其中心区域相比，可以增大散热。
图4示出了风扇4的配置的斜视图。六个风扇4配置在发电机/发电机组件1的第一轴向端部区域A中，并且六个风扇4配置在发电机/发电机组件1的第二轴向端部区域B中。在图4中，还在风扇4的入口处示出了可选的栅格。
还应指出的是：任何其它数量的风扇4及其任何其它配置也可以是可适用的。甚至还可能将风扇4配置在发电机外。在两种情况下，发电机组件11、12包括发电机自身和风扇4。如果风扇4配置在发电机内，则发电机和发电机组件1是相同的。
在图中示出的示例中，冷却空气仅在发电机/发电机组件11、12内循环。它借助于空气-液体热交换器得到冷却，其中热从冷却空气传递至冷却液体。该液体被输送至发电机外，并借助于管(未示出)被输送至外部热交换器。在风力涡轮机的情况下，该外部热交换器可以配置在机舱的顶部上。风经过机舱外的该外 部热交换器，并冷却液体。
在图中示出的示例中，风扇4和关联于每个风扇4的热交换器形成结构单元。然而，风扇4和热交换器还可被构建为分离的单元。另外，风扇4的数量和热交换器的数量不必是相同的。也可以存在更少或更多的热交换器。
还应该指出的是：本发明并不局限于通过液体冷却得到冷却的循环空气流。空气流也可以被引导穿过发电机。另外，应指出的是：本发明可以总体上适用于发电机。然而，它有益地适用于风力涡轮机应用。
最后，应当指出的是：术语“包括(包含)”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。还应指出的是：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。