一种多套绕组的电机导电环结构、定子及其风力发电机的制作方法

1.本发明属于风力发电机技术领域，具体涉及一种多套绕组的电机导电环结构、定子及其风力发电机。


背景技术：

2.众所周知，风力发电机是将风能转化为电能，是一种清洁可再生能源，在国家“碳达峰、碳中和”战略中发挥着越来越重要的作用。近年来随着风力发电技术快速发展，风力发电机单机功率持续增大，尤其针对海上风力发电机，单机功率即将突破20mw，常见的双套绕组已经无法满足功率增大的需求，四套及以上的多绕组风力发电机可有效解决超大功率电机带来的电流大、控制系统复杂、成本高等技术难点和制造瓶颈。
3.但是目前四套及以上绕组的发电机导电环结构较少，如中国专利cn206211689u公开了一种发电机定子及风力发电机，虽然其可实现分别位于四个象限的四个绕组单独运行，但是由于运行的绕组不是圆周均布，电机在运行中存在受力不均匀的现象，导致电机振动及噪声的产生，进而影响机组使用寿命。
4.其次，随着电机功率越来越大，机舱空间越来越小，发电机在机舱内部的空间布局越来越少，这就要求发电机结构越来越紧凑，如中国专利cn108155738b公开了一种端环结构单元、端环及发电机，其导电环从一个整圈布置，更改为两圈布置，虽然轴向高度降低(避免了多层轴向叠加)，大幅减少了占用发电机的轴向空间，但是其导电环使用数量较多，铜材使用量大、成本高，同时两圈布置的导电环，在外侧的导电环引出线需要通过焊接异形端子，从内侧的导电环之间穿过，操作不方便，并且存在绝缘破损带来短路的风险。
5.加之由于海上环境的恶劣，要求机组具有较高的可靠性、安全性，还应具备一定的冗余性设计，以降低运维成本，这就要求多套绕组能够独立工作，如其中一套发生故障，剩下的其它绕组仍然可以继续工作，待海上环境允许的情况下，再派运维人员进行故障修复，不至于整台机停止运行，从而可以减少损失。
6.综上所述，现有技术存在以下缺陷：1)电机导电环使用数量多，轴向高度尺寸大，引起机座长度需加大，导致电机机组重量大、成本高；2)导电环引出线结构异形，造成制造难度大，且存在短路风险；
7.3)多套绕组电机冗余设计单套独立运行绕组未均布，引起的整机振动大，噪声大等问题。
8.有鉴于此，本发明人提出一种多套绕组的电机导电环结构、定子及其风力发电机，以解决现有技术存在的问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多套绕组的电机导电环结构、定子及其风力发电机，该电机导电环结构采用整圆环 劣弧环结合的布置方式，且多个导电环集中布置在同心圆一层，减少了整圈导电环的使用数量，降低了导电环轴向高度，从
而降低整个发电机的轴向高度，减轻机组的重量，降低生产成本，同时同一层布置的导电环结构，可直接引入接线盒；另外本发明将多套绕组均分为相互独立的两组，这样当其中一组出现故障时，该组所对应的一侧变流器停止工作，另外一组则正常工作，由于剩余绕组均布在整个电机圆周，因此电机受力均匀，既降低了电机振动及噪音，又可保证其长时间稳定运行，从而大幅降低机组停机带来的经济损失。
10.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
11.一种多套绕组的电机导电环结构，所述导电环结构包括u相导电环组、v相导电环组和w相导电环组，且所述u相导电环组、v相导电环组和w相导电环组由外向内依次环形间距设置，且位于同一水平面上；
12.每个所述u相导电环组、v相导电环组和w相导电环组的结构布局相同，每个相导电环组均由2n个绕组整圆环和2n个绕组劣弧环组成，并且每2个绕组劣弧环形成的虚拟圆间距设置于2个绕组整圆环之间，同时多个所述绕组整圆环和多个所述绕组劣弧环均位于一个同心圆上，用于形成4n套绕组，所述4n套绕组均分为2n组，每组单独与外接变流器连接；
13.其中，所有n为大于等于1的整数。
14.进一步地，所述导电环结构中包含四套绕组，所述四套绕组分别标记为第一套绕组、第二套绕组、第三套绕组和第四套绕组，且所述第一套绕组和第二套绕组为一组，第三套绕组和第四套绕组为另一组。
15.进一步地，所述导电环结构以6点和12点连线将本体分为两半，并标记为第一半圆和第二半圆，所述每个相导电环组中的两个劣弧环分别位于第一半圆和第二半圆中；
16.其中，所述第二套绕组和第四套绕组位于第一半圆内，所述第一套绕组和第三套绕组位于第二半圆内，且第一套绕组和第二套绕组分别与外接第一变流器连接，且第三套绕组和第四套绕组分别与外接第二变流器连接。
17.进一步地，所述u相导电环组由第一套绕组1u环、第二套绕组2u环、第三套绕组3u环以及第四套绕组4u环组成，所述第一套绕组1u环和第四套绕组4u环为整圆环，第二套绕组2u环和第三套绕组3u环为劣弧环，且第二套绕组2u环与第三套绕组3u环形成的圆虚拟等距设置于第一套绕组1u环和第四套绕组4u环之间；
18.所述v相导电环组由第一套绕组1v环、第二套绕组2v环、第三套绕组3v环以及第四套绕组4v环组成，所述第一套绕组1v环和第四套绕组4v环为整圆环，第二套绕组2v环和第三套绕组3v环为劣弧环，且第二套绕组2v环与第三套绕组3v环形成的圆虚拟等距设置于第一套绕组1v环和第四套绕组4v环之间；
19.所述w相导电环组由第一套绕组1w环、第二套绕组2w环、第三套绕组3w环以及第四套绕组4w环组成，所述第一套绕组1w环和第四套绕组4w环为整圆环，第二套绕组2w环和第三套绕组3w环为劣弧环，且第二套绕组2w环与第三套绕组3w环形成的圆虚拟等距设置于第一套绕组1w环和第四套绕组4w环之间。
20.进一步地，所述第一套绕组、第二套绕组、第三套绕组和第四套绕组分别对应设置有一个接线盒；
21.其中，第一套绕组和第二套绕组对应的第一套绕组接线盒和第二套绕组接线盒分别通过电缆与第一变流器连接；第三套绕组和第四套绕组对应的第三套绕组接线盒和第四套绕组接线盒分别通过电缆与第二变流器连接。
22.进一步地，所述第一套绕组对应的线圈均匀布置在第二半圆中，所述第一套绕组的u相、v相和w相电流分别通过相应的第一套绕组1u环、第一套绕组1v环和第一套绕组1w引入至第一套绕组电缆接线盒中；
23.所述第二套绕组对应的线圈均匀布置在第一半圆中，所述第二套绕组的u相、v相和w相电流分别通过相应的第二套绕组2u环、第二套绕组2v环和第二套绕组2w环引入至第二套绕组电缆接线盒中；
24.所述第三套绕组对应的线圈均匀布置在第二半圆中，所述第三套绕组的u相、v相和w相电流分别通过相应的第三套绕组3u环、第三套绕组3v环和第三套绕组3w环引入至第三套绕组电缆接线盒中；
25.所述第四套绕组对应的线圈均匀布置在第一半圆中，所述第四套绕组的u相、v相和w相电流分别通过相应的第四套绕组4u环、第四套绕组4v环和第四套绕组4w环引入至第四套绕组电缆接线盒中。
26.进一步地，所述第一套绕组1u-1v-1w和第二套绕组2u-2v-2w对应的接线盒与第三套绕组3u-3v-3w和第四套绕组4u-4v-4w对应的接线盒关于6点和12点连线的连线对称设置。
27.进一步地，每个所述u相导电环组、v相导电环组和w相导电环组中的绕组整圆环与绕组劣弧环之间安装有若干个均匀布设的绝缘块。
28.另外，本发明还提供一种多套绕组的电机导电环结构组成的发电机定子，所述发电机定子包括定子铁心和定子线圈，所述定子线圈均匀分布在定子铁心中，所述导电环结构通过导电环支撑杆固定在定子铁心上，所述导电环结构的u相导电环组、v相导电环组和w相导电环组均焊接有引出端子，所述引出端子与电缆在接线盒内电性连接。
29.最后，本发明还提供一种基于上述多套绕组的电机导电环结构组成的发电机定子的风力发电机，所述风力发电机通过发电机定子上的导电环结构与变流器连接，发电机运行时，定子线圈产生的电流，通过导电环结构进行汇流，再经过引出端子由电缆汇入变流器，从而实现发电。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.1、本发明电机导电环结构采用绕组整圆环 绕组劣弧环结合的方式，大幅减少了绕组整圆环的使用，以四套绕组为例，导电环由现有技术的12个(4套uvw)绕组整圆环，变为6个绕组整圆环 6绕组劣弧环，导电环材料减少了25％以上，同时本发明导电环集中布置在同心圆的一层，降低了导电环结构的轴向高度，从而降低整个发电机的轴向高度，减轻机组重量，降低生产成本。
32.2、同一层布置的导电环结构，在导电环引出线设计中，可以直接引入接线盒，避免多层布置的导电环，下层导电环引出线需要穿过上层导电环之间，致使引出线端子为异性结构，本发明可降低引出线制造难度，避免绝缘失效引起发电机短路故障，保证发电机长时间稳定运行。
33.3、本发明将多套绕组(4n绕组)平均分成两组，在定子铁心的半个圆区域里的槽内均匀分布，机组正常功率运行的情况下，所有绕组均工作，电机圆周受力对称均匀，当其中一套绕组故障时，与该组连接的变流器停止工作，另外一组变流器正常工作，由于剩余绕组均布在整个电机圆周，因此电机受力均匀，不仅降低电机振动及噪音，而且能够保证长期稳
定运行。也就是说，本发明能够实现冗余设计，提高电机可靠性，特别是针对海上风电作业窗口期短，大幅降低机组停机带来的经济损失。
34.4、本发明多套绕组的导电环结构能够适应风力发电机单机功率20mw甚至以上，使海上风力发电机机组容量最大化，提高资源开发利用率以及收益最大化。
附图说明
35.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明多套绕组的电机导电环结构示意图；
38.图2是图1中a处局部放大结构图；
39.图3是图1中b处局部放大结构图；
40.图4是本发明多套绕组的电机导电环结构的发电机定子结构示意图；
41.图5是本发明应用多套绕组电机导电环结构的风力发电机原理结构示意图。
42.图中：1为定子铁心；2为定子线圈；3为导电环支撑杆；4为导电环结构；5为引出端子；6为电缆；7为变流器；4-1为u相导电环组；4-2为v相导电环组；4-3为w相导电环组；7-1为第一变流器；7-2为第二变流器；1u-1v-1w为第一套绕组；2u-2v-2w为第二套绕组；3u-3v-3w为第三套绕组；4u-4v-4w为第四套绕组；4-1-1为第一套绕组1u环；4-1-2为第二套绕组2u环；4-1-3为第三套绕组3u环；4-1-4为第四套绕组4u环；4-2-1为第一套绕组1v环；4-2-2为第二套绕组2v环；4-2-3为第三套绕组3v环；4-2-4为第四套绕组4v环；4-2-1为第一套绕组1v环；4-2-2为第二套绕组2v环；4-2-3为第三套绕组3v环；4-2-4为第四套绕组4v环。
具体实施方式
43.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
44.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
45.请参见图1～5所示，本发明提供一种多套绕组的电机导电环结构，该电机导电环结构4包括u相导电环组4-1、v相导电环组4-2和w相导电环组4-3，且u相导电环组4-1、v相导电环组4-2和w相导电环组4-3依次环形间距设置，且位于同一水平面上；每个u相导电环组(-1、v相导电环组4-2和w相导电环组4-3的结构布局都相同，即每个相导电环组均由2n(n为大于等于1的整数，下同)个绕组整圆环和2n个绕组劣弧环组成，并且每2个绕组劣弧环形成的虚拟圆间距设置于2个绕组整圆环之间，同时多个所述绕组整圆环和多个绕组劣弧环均位于一个同心圆上，用于形成4n套绕组，该4n套绕组分成2组，每组单独与外接变流器7连接。通过以上设置，本发明导电环具有以下三个优势：一是采用绕组整圆环 绕组劣弧环的
3v-3w和第四套绕组4u-4v-4w分别对应设置有一个接线盒；第一套绕组1u-1v-1w和第二套绕组2u-2v-2w对应的第一套绕组接线盒和第二套绕组接线盒分别通过电缆6与第一变流器7-1连接；第三套绕组3u-3v-3w和第四套绕组4u-4v-4w对应的第三套绕组接线盒和第四套绕组接线盒分别通过电缆6与第二变流器7-2连接。
51.具体的，本发明实施例第一套绕组1u-1v-1w对应的线圈均匀布置在第二半圆中，第一套绕组1u-1v-1w的u相、v相和w相电流分别通过相应的第一套绕组1u环4-1-1、第一套绕组1v环4-2-1和第一套绕组1w4-3-1引入至第一套绕组电缆接线盒中；第二套绕组2u-2v-2w对应的线圈均匀布置在第一半圆中，第二套绕组2u-2v-2w的u相、v相和w相电流分别通过相应的第二套绕组2u环4-1-2、第二套绕组2v环4-2-2和第二套绕组2w环4-3-2引入至第二套绕组电缆接线盒中；第三套绕组3u-3v-3w对应的线圈均匀布置在第二半圆中，第三套绕组3u-3v-3w的u相、v相和w相电流分别通过相应的第三套绕组3u环4-1-3、第三套绕组3v环4-2-3和第三套绕组3w环4-3-3引入至第三套绕组电缆接线盒中；第四套绕组4u-4v-4w对应的线圈均匀布置在第一半圆中，第四套绕组4u-4v-4w的u相、v相和w相电流分别通过相应的第四套绕组4u环4-1-4、第四套绕组4v环4-2-4和第四套绕组4w环4-3-4引入至第四套绕组电缆接线盒中。
52.通过以上设置，发电机运行时，第一套绕组1u-1v-1w与第二套绕组2u-2v-2w电流经过第一变流器7-1输入升压站，当第三套绕组3u-3v-3w与第四套绕组4u-4v-4w中任意一套或者两套发生故障时，发电机1/2功率运行；同样的原理，第三套绕组与3u-3v-3w第四套绕组4u-4v-4w电流经过第二变流器7-2输入升压站，当第一套绕组1u-1v-1w与第二套绕组2u-2v-2w中任意一套或者两套发生故障时，发电机1/2功率运行，由于剩余绕组均布在整个电机圆周，因此电机圆周均匀受力，降低了电机振动及噪音，并实现冗余设计。
53.优选的，所述第一套绕组1u-1v-1w和第二套绕组2u-2v-2w对应的接线盒与第三套绕组3u-3v-3w和第四套绕组4u-4v-4w对应的接线盒关于6点和12点连线的连线对称设置。
54.如图4、5所示，本发明还提供了一种具有多套绕组(如本实施例4套绕组)的导电环结构组成的发电机定子及由该发电机定子形成的风力发电机，该发电机定子包括定子铁心1和定子线圈2，定子线圈2均匀分布在定子铁心1中，导电环结构4通过导电环支撑杆3固定在定子铁心1上，导电环结构4的u相导电环组4-1、v相导电环组4-2和w相导电环组4-3均焊接有引出端子5，引出端子5与电缆6在接线盒内电性连接。风力发电机通过该发电机定子上的导电环结构4与变流器7连接，发电机运行时，定子线圈2产生的电流，通过导电环结构4进行汇流，再经过引出端子5由电缆6汇入变流器7，从而实现发电。
55.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
56.应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。