CN1537201A - 带有环形发电机的风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有(环形)发电机的风力发电设备，所述发电机具有定子，在定子的内或外周上以互相隔开的关系设置有槽，以便容纳定子线圈。为了提供具有线圈的定子，所述线圈大大减小高负荷对发电机所产生的麻烦，定子线圈被不中断地连续贯穿缠绕。

Description

带有环形发电机的风力发电设备
技术领域
本发明涉及一种具有发电机的风力发电设备，所述发电机有一个定子，在所述定子的内周或外周上以互相隔开的关系设置有若干个槽，以便容纳定子线圈。这种风力发电设备是公知的，如由ENERCON生产和销售的风力发电设备。
背景技术
在发电机领域中，生产定子线圈的公知工艺包括使用所谓的型卷线圈。这些型卷线圈是定子线圈的各个线圈，所述各个线圈的形状适合定子槽和槽间隔，首先将所述各个线圈分别插入各个槽中，然后将它们连接在一起。
然而，可以理解的是，风力发电设备在其工作期间总是受到高能级的负荷。风力发电设备的功率输出随风速的增加而增加，但同时机械负荷也增加。也就是说，从机械和电力学方面看，风力发电设备上的应力同时有相当大的增加。在高风速时，该设备上的机械应力很高，并且同时产生大量的电能，因此，电力部件上的应力也很高。
在这种情况下，风力发电设备的发电机受到特别的应力，所述风力发电设备受到机械和电应力。该组合会引起某些问题，例如，如果由于产生了高电流，那么发电机区域的温度会很高，并且，由于机械应力，在各个部件之间的连接会受到振动的影响。如果还有热膨胀引起的小量的间隙或松动效果，那么，可导致机械负荷不足或者甚至是破坏。
若这种麻烦涉及定子线圈或其中的某一相，那么至少该相在电能生产方面不能使用。而且，由于断路而使该相作为操作无负荷模式时，还会在发电机中涉及其它的非对称负荷。在这方面，甚至还没有考虑因松动和可自由活动的部件如连接套筒而引起的机械破坏。
对于带有72个磁极、以六相配置而缠绕的发电机定子的情形，就会有通过864个连接定位而连接在一起的432个型卷线圈。这些连接定位通常为螺钉、夹紧件或焊接连接的形式。
由于考虑到统计学上的概率(不管多么小的程度)，大量的连接定位和负荷的持续变化意味着：即使很小心制造型卷线圈之间的连接，也会涉及一系列的麻烦。在这方面，前述情况仅考虑了一个定子。在大规模生产方面明显会展现这种问题发生的真实可能性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种带有一个线圈的定子，其中，可相当大地减少上述问题。
在本说明书的开始部分所提出的该种风力发电设备中，通过连续贯穿的定子线圈可实现该目的。这种设置尤其避免了定子线圈各个部分之间的连接装置。
在本发明的优选实施例中，所有相分别连续贯穿地缠绕在定子上。
为了能够补偿各个匝中电流位移效应，从至少两个导线束来产生该匝，其中，在每一个导线束中有多个互相绝缘的导线。这些导线束以预定的顺序被插入定子的槽中，并且该顺序还以预定的间隔改变，以便每一导线束通过该效果可尽可能均匀地被交替影响。有可能因为一个相的所有导线束的均匀影响而放弃补偿措施。
为了在线圈的生产期间有利于操纵定子，以及为了提供有利于工作生理条件的位置，定子被放置在支架装置上，其中，槽的高度为适合于生产线圈的工作高度，并且支架装置允许定子周向转动所希望的量。优选的是，使用电机驱动器来实现上述的转动。
在本发明的特别优选设计中，本发明还提供了至少一个挂架装置，用于支撑至少一个带有绕组线的线圈。该挂架装置使得有可能操纵如导线束形式的绕组线，根据本发明，导线束的长度为：相可被连续贯穿地缠绕在定子上。为此目的所需的导线束长度导致相当重的重量，所述重量不能够再由手工处理。
在特别优选的实施例中，两个带有绕组线的各个鼓筒可被成对操纵，以便以这种方式能够同时操纵两个导线束，并且挂架装置支撑三对带有绕组线的鼓筒，以便利用这种挂架装置，在定子上缠绕每相带有两个独立的导线束的三相系统。
在本发明的特别优选设计中，带有绕组线的鼓筒被设置为绕挂架装置的转动中心轴进行枢转。这种设置有可能补偿导线束的扭曲，由于在挂架装置上相应转动携带鼓筒，这会引起在固定装置上的定子不转动。
本发明进一步的有利实施例在从属权利要求中说明。
附图说明
参照附图，下面将详细描述本发明，其中：
图1为固定装置中环形发电机定子的简化视图；
图2为导线束的剖视图；
图3a示出了本发明带有插入导线束的部分定子槽；
图3b示出了本发明(备选)带有插入导线束的部分定子槽；
图3c示出了定子线圈的公知结构；
图3d示出了本发明定子线圈的结构；
图4为本发明的挂架装置的简化侧视图；
图5为挂架装置的前视图；和
图6示出了本发明用于生产定子线圈的定子和挂架装置的配置。
具体实施方式
在图1中，标号10表示具有槽12的定子，所述槽12在内周上沿轴向延伸。这是发电机的最常见的结构配置。转子(没有示出)位于定子10内。这种结构配置被称为内转子。换一种方案，在所谓的外部转子情形中，转子围绕着定子10，槽12可被设置在定子的外周上。在图中示出了放大的槽12。定子10被保持在固定装置14上，所述固定装置14放置在地上，并因此将定子10和尤其是槽12保持在一定高度处以形成一工作位置，所述工作位置适合工作生理条件。
由于这种环形发电机的定子10的直径为数米，因此很重，定子10可转动地被支撑在转动支架16上，并能够如沿箭头方向转动所希望的量，以便将待工作的槽12移动到所需的位置处。可以理解的是，利用驱动电机(没有示出)也可产生定子10的转动。
图2示出了包括多个独立导线22的导线束20，所述独立导线22以束的形式被安装在槽(图1中的标号12)中。在这种情况下，各个导线22通过涂层是互相绝缘的。
由各个导线22形成的导线束20具有以下优点：这些导线束的剖面形状不是固定的，而是可变的，以便一方面它们可穿过相对狭窄的槽开口，但另一方面，为了获得槽(图1的标号12)的充分填满因素，通过适当的变形，它们可最大程度地填满较宽的槽断面。
图3a示出了定子10内周的展开部分。这里，槽12被水平设置在另一个槽的旁边。这里以简化形式如圆形导线束20示出了安装在槽12中的导线束。这些导线束20其中每2个合并形成相的一匝。图中所示出的臂状物24连接各对导线束20。因此，如图中所示，相的两匝被插入每一个槽中。为了更易于观察视图，以向上方向对各个导线束标记数字1-4。为了区别这里所示的六相系统的各个相，在槽的下面通过标识符P1-P6对它们进行标识。
从图中可清楚地看出，导线束1和2总是形成第一匝，而导线束3和4总是形成第二匝，所述第二匝被插入相应的槽12中。
首先观看图3a的左侧，示出的相P1-P6以上升顺序相互并置，并且将导线束连续标有标号4、3、2、1。在带有相P6的槽12之后，从P1开始重新开始相的顺序。在图中所示的带有相P5的第二槽12中，导线束20的顺序被改变了。在其底部被设置在槽12中的第一匝还是包括导线束1和2，但现在它们的顺序已被互换。同样，第二匝还包括标记有3和4的导线束20，但它们的顺序也进行了互换。在其旁边所设置的相P6再次涉及已知的导线束的顺序。
在该图右侧部分再次示出了相P1-P6。除了相P5的导线束20互换外，所述导线束分别被标有1和2，及3和4，在这种情况下，还对相P3的导线束进行了互换。可以理解的是，在这种情况下，标有1和2的导线束20形成第一匝，并且标有3和4的导线束形成该相的第二匝，但是可以理解的是，在该匝内，导线束的位置被再次互换。
若已知磁场线不仅沿由槽12所横向限定的磁铁心26的纵向延伸，而且还穿过不同极性的两个磁铁心26之间的槽，那么这种互换的原因是很明显的。在槽12中取决于其位置，这将导致各个导线束20中外壳或电流位移作用。
若以给定的间隔互换导线束的位置，那么每一匝的两个导线束20相应地交替受到这种作用，以便利用涉及互换位置和其频率的适当选择，每一相的两个导线束20受到大致均匀一致的作用，以便不会从非均匀作用流中导致严重的补偿电流，并因此由发电机可传送最大可能的电流。
因此，图3b示出了带有其中插入定子线圈或定子导线的定子槽的图解，其中，可以看出，定子槽基本上填满线圈，及还有可能看到电流沿导线(箭头和箭尾)流动的方向。此外，为了更好地示出线圈方向的变化，与图3a相比，还改变了相的排列。然而，图3b的视图还清楚地表明：大于80％，优选地大于95％的定子槽总空间填有线圈，因而，定子槽的空气比率是极小的。
图3c尽管没有示出定子和其中插有线圈的槽，但示出了部分常规生产的线圈。在这种情况下，线圈由具有两匝41、42的型卷线圈40形成。为了提高图的清晰度，这些匝41、42以互相错开的关系示出。可以理解的是，在槽中(在本图中没有示出)，它们的设置方式是一匝精确地叠在另一匝上。
该图示出了每一个相的三个型卷线圈40。该间隔会引起：该相的型卷线圈之间的交替设置为定子的另一相的型卷线圈，但在该图中没有示出它们。每一相的型卷线圈40可通过焊接或螺丝夹连接或类似的装置互相连接在一起。
图3c示出的这些连接具有潜在的麻烦。
图3d示出了根据本发明的每一相的配置，所述相连续贯穿缠绕。在这种情况下，对应于图3b的视图，该图重新示出了每一相的部分线圈。在这种情况下，为了清楚地示出设计的特性，还以互相错开关系示出各个匝41、42。
在本实施例中可以看到，利用本发明消除了所示出的换接如图3b中的潜在的麻烦。因此，在各个线圈部分之间的换接处不再发生中断。
图4示出了用于导线束的挂架装置30的侧视图，所述导线束用作绕组线。L-形基架31使得整个挂架装置30被牢固地固定着。挂架板32通过旋转支架33被连接到基架31上。挂架臂34被固定到挂架板32上，所述挂架臂34从挂架板32的中心向挂架板32的外周伸出预定的距离，并从挂架板32大体水平向外伸出预定的长度。
带有用作绕组线的导线束的鼓筒36转动安装到这些挂架臂34的水平伸出部分上。
在挂架臂34的垂直部分和挂架臂34的水平伸出部分之间设置有旋转支架(没有示出)，所述挂架臂34的垂直部分平行于挂架板32延伸。旋转支架与驱动器35协同操作并允许挂架臂34的水平部分绕其纵轴与设置在其上的鼓筒36一起作旋转运动。这样，有可能抵消在线圈的导线束之间缠绕定子线圈时发生的扭曲效应。
图5示出了挂架装置30的前视图。图5示出的基架31自底部到顶部逐渐变细。设置有两个横向部分38、39，以提高结构的稳定性。
挂架板32转动设置在基架31上。设置在挂架板32上的三个挂架臂34分别相差相同的角度(120°)，固定到大体水平伸出的悬臂部分为用于导线束的两个独立的鼓筒36。由于挂架板32是可转动的支架，鼓筒36通过挂架臂34固定连接到所述挂架板32上，所以，该单元可由第二电机37转动。
在定子10上生产线圈的操作中，每一个导线束20被插入槽12中，线圈的头部弯向槽12的端部，并且线圈的头部穿过新的平行延伸槽12。导线束20接着以这种方式再次弯曲，以便将其插入槽12中。在槽12的出口，导线束20的线圈头部被再次弯曲，从而使其穿过下一个槽12。可以理解的是，在导线束20中还产生相应的扭曲，所述导线线束20穿过鼓筒36。
鼓筒36成对设置在挂架臂34的水平部分上。当该水平部分在驱动器35的作用下绕其纵轴转动时，鼓筒36也将转动。这样，有可能抵消由相应挂架臂34的转动所产生的导线束的扭曲。
第二驱动器37设置在基架31和挂架板32之间，并允许其上设置有挂架臂34的挂架板32和鼓筒36转动，以便实现定子架14上的定子10转动，从而避免导线束的扭曲。
图6示出了在挂架装置30和定子10之间没有导线束的简化形式，及两个挂架装置30和待缠绕的定子10的排列。定子10被存放在固定装置14上，并且可沿周向转动(箭头方向)。当每一个挂架装置30还可转动支撑鼓筒36时，它们可根据对应的转动执行或实现定子的转动。因此，规定两个挂架装置30中每一个都具有三对鼓筒的意思是指：有可能在定子上同时缠绕六相。
应该清楚，本发明不仅适用于用于风力发电设备的环形发电机，还基本适合任何同步发电机，其中，必须阐明本发明不涉及非常小规模的发电机，但涉及相当空间程度的发电机，在某些情况下，其通常具有数百千瓦(KW)或更大功率的连接负荷。对于风力发电设备的环形发电机，如典型的额定输出大于500KW，甚至早已试验额定功率大于4MW的发电机，该发电机在将来将被使用。上述的同步发电机的定子重量仅数吨，对于大于4MW的环形发电机的情形，在某些情况下，其重量甚至大于50吨。

Claims (23)

1.一种风力发电设备，其具有(环形)发电机，所述(环形)发电机有一个定子，槽以相互隔开的关系设置在定子的内或外周上，以便容纳定子线圈，其中，线圈不中断地连续贯穿地缠绕。
2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于：定子(10)具有至少两相线圈，优选为6-相线圈，所述线圈连续贯穿缠绕。
3.根据前述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于：每一相的各个线圈被设置在每一槽中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于：不同相的槽线圈被设置为相邻的关系。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于：每一相的线圈包括至少一个导线束，优选包括至少两个导线束，其中，所述导线束包括多个互相绝缘的导线。
6.根据权利要求5所述的风力发电设备，其特征在于：至少两个导线束以互相叠置关系被设置在槽中。
7.根据权利要求6所述的风力发电设备，其特征在于：在设置有多个导线束的槽中，上和下导线束的位置以预定的顺序互换。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于：被插入每一槽中两匝优选地对应于相同的相。
9.根据前述任一项权利要求所述的用于生产同步发电机定子的装置，其特征在于：用于定子的支架装置，其中，定子以立姿被保持在其上。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：至少一个驱动器用于沿其周边方向转动支架装置上的定子。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于：一挂架装置用于保持至少一个带有绕组线的鼓筒，挂架装置与支架装置(14)相分离。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：多个鼓筒成对设置，其中，鼓筒对以均匀的间隔关系被设置在抽象的圆上。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：挂架装置设置在定子每一侧上。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：若干对鼓筒与待缠绕在定子上的相的数目相等。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：挂架装置中的每一个支撑各个半个鼓筒。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：大体上垂直设置有挂架板，及挂架臂从挂架板的中心向外伸出，以用于容纳鼓筒。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于：用于挂架板的可转动支架。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：用于沿周边方向转动挂架板的驱动器。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的装置，其特征在于：鼓筒被安装在挂架臂(34)的大体水平伸出的部分上，并且水平伸出的部分适合绕其纵轴转动。
20.一种同步发电机，其包括转子和定子，其中，在定子的内或外周上具有以互相间隔关系设置的槽，用于容纳定子线圈，并且定子线圈连续贯穿所述槽。
21.根据权利要求20所述的同步发电机，其特征在于：定子线圈为至少2相，优选为6相特性，其中，不同相的线圈被设置在相邻的槽中，其中，每一线圈包括至少一个具有多个导线的导线束，并且每一线圈优选包括两个导线束，所述导线束在定子外周处的槽内的相互设置上有可能互换。
22.使用根据前述权利要求中任一项所述的同步发电机。
23.一种用于风力发电设备的环形发电机，其中，定子被固定到风力发电设备的发电机挂架上，而同步发电机的转子耦合到风力发电设备的转子上。
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Granted publication date: 20070425