具有增强结构的发电机的定子的制作方法

1.本发明涉及用于风力涡轮发电机的具有至少一增强结构的定子。此外，本发明涉及增强用于风力涡轮发电机的定子的方法。


背景技术：

2.发电机（诸如安装在风力涡轮中的发电机）通常包括相对于定子旋转的转子。
3.定子通常包括框架主体，其沿着纵向中央轴线延伸并且包括定子轭。端板可以被设置在轴向端处，所述轴向端也被分别称为驱动端和非驱动端。驱动端（de）是面向驱动装置（即，风力涡轮的带叶片的转子）的纵向端并且在轴向方向上与非驱动端（nde）间隔开。在制造和操作期间，端板机械地支撑定子框架主体。然而，在可再生能源需求不断增长的背景下，大小（即转子和定子的直径）不断增加。
4.风力涡轮应该在塔架头部内装纳的发电机具有最低可能重量和最小可能尺寸的情况下实现最高的可能电力输出。然而，对可再生能源（诸如风能）日益增长的需求，要求发电机的尺寸越来越大，并且因此也要求发电机定子的尺寸越来越大。
5.因此，需要为具有一个或更多个端板的风力涡轮发电机的大型定子提供稳健设计，该设计通过提供必要的机械支撑来允许更大的定子大小。


技术实现要素：

6.可能需要提供用于发电机的定子、特别地用于风力涡轮发电机的定子的增强物。
7.通过根据独立权利要求的主题来满足这种需要。从属权利要求描述了本发明的有利的实施例。
8.根据本发明的第一方面，提供一种用于风力涡轮发电机的定子，定子包括：在风力涡轮发电机的轴向方向上彼此间隔开的第一端板和第二端板；以及增强结构，其被成形为板并且被布置在第一端板和第二端板之间并被固定到第一端板和第二端板，其中增强结构被构造成联接第一端板和第二端板，使得在第一端板和第二端板之间可传递力。
9.根据本发明的另一方面，提供一种用于增强风力涡轮发电机的定子的方法，该方法包括：i)布置在风力涡轮发电机的轴向方向上彼此间隔开的第一端板和第二端板；ii)布置被成形为在第一端板和第二端板之间的板的增强结构；以及iii)将增强结构固定到第一端板和第二端板，其中增强结构联接第一端板和第二端板，使得在第一端板和第二端板之间可传递力。
10.在本文的上下文中，术语“定子”可以特别地表示发电机的不可动部分，如已经在上文描述的。定子具有环状或圆筒形结构，其例如包括磁性元件和/或线圈元件以用于产生电力。围绕对应于驱动装置（即转子）的旋转轴线的中央轴线，存在（例如，锥形）孔，其中存在足够的空间来容纳转子的轴和/或轴承。风力涡轮发电机可以被设计成具有围绕内定子旋转的外部转子或具有被定子围绕的内部转子。
11.在本文的上下文中，术语“轴向方向”可以特别地表示与涡轮（特别地风力涡轮）的
转子的旋转轴线的方向（基本）平行的方向。旋转轴线（因此轴向方向）与定子的端板所处的平面基本正交。
12.在本文的上下文中，术语“板”可以特别地表示平坦的、相对薄的材料件，例如呈一定厚度的片材的锻造、轧制或铸造金属（其他材料也是可能的）。在本文的上下文中，板可以具有在（几何）平面的两个维度（或方向矢量）上的主要延伸范围和沿着第三维度的厚度，该第三维度与所述平面正交，或者换言之平行于与所述平面的方向矢量正交的法向矢量。主要延伸范围通常比厚度大得多。虽然在其基本形式中，板可以关于主要延伸范围基本具有矩形形状，不过在本文的上下文中，板可以具有各种形式或形状，诸如“x”形形状、三角形形状、圆形形状等等。
13.本发明可以基于如下想法：当被成形为板的增强结构被联接到定子的端板时可以提供一种用于风力涡轮的大型高性能发电机的稳固定子，使得在端板之间可传递力。通常，由于不希望的振动和增加的不稳定性，定子的大小（即，直径）非常有限。本发明人现在已经发现，为了定子的稳健性和稳定性，在定子的端板之间传递力，而不是仅仅依靠框架主体，可能会非常有效。当组装风力涡轮发电机的定子时，增强结构可以被布置在定子的端板之间并且被固定到定子的端板。从而，由于显著增加了横向（或轴向）刚度，所以相比于常规定子，极大地增加了定子的整体稳健性。由于增强结构的形状被形成为板，所以因为薄板形增强结构仅在一侧具有较小重量并且明显增加了另一侧上的稳健性，所以实现了适当的重量/稳健性关系。
14.示例性实施例在下文中，将描述部件载架的示例性实施例。
15.根据本发明的实施例，板具有1毫米至50毫米、特别地5毫米至30毫米、进一步特别地8毫米至12毫米的厚度。不过，厚度可以根据特定需求而变化。与相应更薄的增强结构（即，具有较小厚度的增强结构）相比，更大的厚度具有如下优势：增强结构可以吸收和/或传递来自端板或在端板之间的更大的力。不过，具有较小厚度的增强结构可以重量更轻且因此有助于风力涡轮发电机的定子的轻质构造。
16.根据本发明的另外的实施例，增强结构具有第一端区段，其被固定到第一端板并且沿着在增强结构和第一端板之间的第一连接接头具有第一延伸长度。增强结构进一步具有第二端区段，其被固定到第二端板，并且沿着在增强结构和第二端板之间的第二连接接头具有第二延伸长度。此外，增强结构具有中央区段，其被形成在第一端区段和第二端区段之间并且具有小于第一最小延伸长度和第二延伸长度中的至少一者的最大延伸长度。连接接头限定了在增强结构和相应端板之间的接触面。连接接头可以通过板形增强结构的接触边缘邻接到要固定到其上的相应端板的表面上来形成。相应延伸长度可以在接触边缘处具有最大值。
17.根据本发明的另一实施例，第一端区段关于第一延伸长度（即沿着轴向方向）从第一连接接头朝向中央区段渐缩，并且第二端区段关于第二延伸长度（即沿着轴向方向）从第二连接接头朝向中央区段渐缩。换言之，增强结构的在相应连接接头处被连接到端板且直接接触端板的部分（或区段）具有比增强结构的中央区段基本更大的尺寸。这具有如下影响：力被有效地传递并且确保了抵抗变形或振动的横向刚度和稳健性。这可以与薄壁部件（如车身的片材金属）中的卷边（bead）类似。
18.在另一些实施例中，中央区段具有恒定最大延伸长度（即，沿着轴向方向）。描述地说，增强结构被基本成形为“x”形。
19.在本发明的又一实施例中，第一端板包括第一通风孔。在另一实施例中，第二端板也可以包括第二通风孔。第一通风孔（且如果提供的话，第二通风孔也）被构造成用于使得能够实现在轴向方向上通过第一通风孔的空气流动。在操作期间由于转子旋转且由于生成的电力而可能产生的热可以通过空气流动被输送。提供通风孔可以具有如下优点：可以使得能够实现空气流动，使得热空气被运走（即，运出定子的内部）并且更冷的空气可以流动到定子中。通风孔可以具有基本圆形形状，不过也可以例如是细长孔或槽。
20.根据另外的实施例，进一步包括至少一个分隔元件，其被布置在第一端板和第二端板之间并被固定到第一端板和第二端板，并且被联接到增强结构，特别地借助于螺栓和/或借助于焊接被联接，其中分隔元件被构造成用于形成第一隔室，从而形成通过第一端板的第一通风孔的空气通道。提供分隔元件也具有如下效果：也可以在第一端板和/或第二端板和/或两个增强结构之间传递力，并且因此甚至进一步增加定子的横向刚度和整体强度。
21.根据本发明的另外的实施例，分隔元件进一步被构造成用于形成第二隔室，从而在第一端板和第二端板之间形成另外的空气通道，其中所述另外的空气通道通过分隔元件与所述空气通道分隔开。形成用于形成空气通道的隔室具有如下技术效果：可以通过第一通风孔且（如果提供的话）通过第二通风孔建立有效空气流动。此外，通过形成第一隔室和第二隔室，可以在定子的同一区段内具有两个不同的空气流动。例如，可以使得能够实现在第一隔室内在轴向方向上从第一端板朝向第二端板的冷却空气流动，和在第二隔室内在轴向方向上从第二端板朝向第一端板的热空气流动，或者反之亦可。这可以有助于在操作期间有效地通风和/或冷却定子。
22.根据本发明的另外实施例，分隔元件被成形为平坦板，所述平坦板位于与第一端板和第二端板中的一者的平面基本正交的平面上，或者所述平坦板位于相对于第一端板和第二端板中的一者的平面成角度的平面上。换言之，分隔元件被布置在第一端板和第二端板之间，使得至定子的中央旋转轴线的径向距离沿着中央旋转轴线是恒定的，或者其中分隔元件被布置在第一端板和第二端板之间，使得至定子的中央旋转轴线的径向距离沿着中央旋转轴线是变化的。当分隔元件被成形为平坦板时，描述地说，在截面图中，多个分隔元件可以绘制一多边形。在另一实施例中，分隔元件被成形为弯曲板，类似于围绕中央旋转轴线的同心圆的一段。在这种情况下，描述地说，在截面图中，多个分隔元件可以绘制一个圆。
23.根据本发明的另外的实施例，增强结构被固定到第一端板和第二端板，特别地借助于螺栓和/或借助于焊接被固定到第一端板和第二端板。螺栓和焊接均提供在增强结构和端板之间的可靠且牢固的连接，这进而确保力的最佳传递和定子的寿命。
24.根据本发明的另外的实施例，定子包括5m至20m（米）、特别地8m至12m（米）的直径。在又一实施例中，增强结构包括轻质材料，特别地铝或碳纤维增强的聚合物。不过，诸如钢或类似合金的其他材料也是可能的。使用轻质材料有助于将发电机的整体重量保持较小。不过，使用诸如钢的材料可以有助于甚至进一步增加刚度。因此，使用的材料可以取决于定子的大小且因此相应所需的刚度。此外，可以根据操作环境选择材料。例如，对于海上风力涡轮而言，可以选择不易腐蚀的材料，诸如（纤维增强）聚合物。
25.根据本发明的另外的实施例，定子包括多个增强结构，特别地至少4个，进一步特
别地至少8个增强结构，其中所述多个增强结构中的增强结构围绕定子的中央旋转轴线在周向方向上径向地、特别地等角度地布置。描述地说，增强结构被布置成围绕定子的中央旋转轴线且在彼此之间具有相等角度，如径向发动机的气缸。
26.根据本发明的另外的实施例，定子进一步包括至少一个鼓风机装置，其被布置在两个增强结构之间并且被构造成产生空气流动、特别地冷却空气流动。在一些情况下，风力涡轮发电机会产生大量热，这会不足以仅通过提供通风孔而被耗散掉。因此，提供鼓风机装置具有如下技术效果：能够有效地防止在定子内的热累积及对发电机零件的相关是损坏，这是因为通过鼓风机装置产生了足够强的空气流动，使得热空气被吹出定子的内部。鼓风机装置也可以将空气从第一隔室吹向第二隔室，或者反之亦可。在另外的实施例中，鼓风机装置可以包括冷却单元以用于生成冷却空气，这可以主动地冷却定子的内部。
27.根据本发明的又一实施例，鼓风机装置被安装到分隔元件以用于在第一隔室和第二隔室中的至少一者中产生空气流动。描述地说，鼓风机装置可以被安装到分隔元件或者被悬置到分隔元件上，如豆荚（pod）一样，使得鼓风机装置被布置在第一隔室和第二隔室中的一者中。
28.根据本发明的另外的方面，描述了一种使用风力涡轮发电机的定子的方法，该定子特别地是具有大于8m的直径的定子，其中定子包括任意上述特征。
29.应该注意到，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考设备类型权利要求描述了另一些实施例。不过，除非另有指示，否则本领域的技术人员将从上述和下述描述中得出，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合，特别是设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任意组合也被认为被本文所公开。
30.本发明的上文限定的方面及另外的方面从下文将描述的实施例的示例是显而易见的并且参照实施例的示例进行解释。在下文中将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的示例。
附图说明
31.图1示出了根据本发明的示例性实施例的定子的三维图。
32.图2示出了根据本发明的示例性实施例的定子的另一三维图。
33.图3至图5示出了根据本发明的示例性实施例的定子的截面图。
34.图6示出了根据本发明的示例性实施例的定子的图5的截面a-a的截面图。
35.图7示出了根据本发明实施例的包括两个隔室的定子的一部分的截面图。
36.图8示出了根据本发明的示例性实施例的包括鼓风机装置的定子的切开图示。
37.图9示出了根据本发明的示例性实施例的定子的一部分的三维图的细节。
具体实施方式
38.附图中的图示是示意性的。应注意的是，在不同的图中，相似或相同的元件或特征设置有相同的附图标记。为了避免不必要的重复，已经关于先前描述的实施例被说明的元件或特征在说明书的之后位置不再被说明。
39.此外，诸如“前”和“后”、“上方”和“下方”、“左”和“右”等等之类的空间相对的术语
被用于描述如图中所图示的一元件相对于另一（多个）元件的关系。因此，空间相对术语可以适用于与图中描绘的取向不同的使用中的取向。显然，所有这种空间相对术语仅为便于描述而参考图中所示的取向，并且不一定是限制性的，因为根据本发明的实施例的设备在使用时可以呈现与图中所图示的取向不同的取向。
40.图1示出了根据本发明的示例性实施例的定子100的三维图。图2示出了根据本发明的示例性实施例的定子100的另一三维图，如在轴向方向上观察的。本质上，同样的元件被示于图1中。定子100可以包括例如11米或更大的大直径。用于风力涡轮发电机的定子100包括框架主体120、在风力涡轮发电机的轴向方向x（平行于中央旋转轴线a）上彼此间隔开的第一端板101和第二端板102以及增强结构103，该增强结构103被成形为板并且被布置在第一端板101和第二端板102之间并被固定到第一端板101和第二端板102。增强结构103被构造成联接第一端板101和第二端板102，使得可在第一端板101和第二端板102之间传递力。围绕旋转轴线a的孔被锥形地成形。定子100可以被可旋转的外部转子围绕以用于形成用于风力涡轮的发电机。
41.图3、图4和图5示出了根据本发明的示例性实施例的定子100的截面图。具体地，在图3中，能够看到增强结构103具有第一端区段106，所述第一端区段106被固定到第一端板101并且沿着在增强结构103和第一端板101之间的第一连接接头110具有第一延伸长度e1。增强结构103进一步具有第二端区段107，所述第二端区段被固定到第二端板102并且沿着在增强结构103和第二端板102之间的第二连接接头111具有第二延伸长度e2。此外，示出了中央区段108，其被形成在第一端区段106和第二端区段107之间并且具有最大延伸长度e3。如能够清楚看到的，最大延伸长度e3小于第一最小延伸长度e1和第二延伸长度e2。特别地，第一端区段106关于第一延伸长度e1从第一连接接头110朝向中央区段108渐缩，并且第二端区段107关于第二延伸长度e2从第二连接接头111朝向中央区段108渐缩。
42.此外，如图3至图5中所示，中央区段108具有恒定最大延伸长度e3。因此，增强结构103可以换言之被描述为基本具有“x”的形状。在未示出的一些实施例中，增强结构103可以包括（相对于第一端区段106和第二端区段107的尺寸）非常小的中央区段108或者可以根本不包括中央区段108（这会甚至更强调“x”的形状并且在一些情况下会是优选的）。如本文所述的x形形状特别利用了物理学并且有助于在第一端板101和第二端板102之间的力传递，使得确保横向刚度和抵抗变形或振动的稳健性。第一延伸长度e1和/或第二延伸长度e2相比于最大延伸长度e3可以均是其两倍的长度（或更长）。
43.如从图4能够看到的，除了增强结构103之外，在一些实施例中，定子可以进一步包括增强梁112和/或另外的增强梁113，其中增强梁112和另外的增强梁113被布置在第一端板101和第二端板102之间并固定到第一端板101和第二端板102并邻近增强结构103。增强梁112和另外的增强梁113进一步有助于定子100的横向刚度和整体稳健性，并且可以被构造成使得在第一端板101和第二端板102之间可传递力。优选地，增强梁112和另外的增强梁113被布置在相应增强结构103的相反径向侧面上。定子可以包括多个增强梁112和/或多个另外的增强梁113。
44.现在参考图5，示出了类似于上面所述那些实施例的本发明的实施例。然而，在这种情况下，定子进一步包括在第一端板101中的第一通风孔104。在一些实施例中，也可以提供在第二端板102中的第二通风孔109。第一通风孔104（以及，如果提供的话，第二通风孔
109）被构造成用于确保在轴向方向x上的空气流动。进一步示出了被布置在第一端板101和第二端板102之间并被固定到第一端板101和第二端板102的分隔元件105。分隔元件105形成第一隔室130，从而形成通过第一端板101的第一通风孔104的空气通道。分隔元件105进一步形成第二隔室140，从而在第一端板101和第二端板102之间形成另外的空气通道，其中所述另外的空气通道通过分隔元件105与（由第一隔室130形成的）空气通道分隔开。另外的通风孔114被设置在第一端板101和第二端板102中，如图5中所示。
45.如从图5中能够进一步得到的，分隔元件105被成形为平坦板，该平坦板位于相对于第一端板101和第二端板102中的一者的平面成角度的平面内。换言之，分隔元件105被布置在第一端板101和第二端板102，使得至定子100的中央旋转轴线a的径向距离沿着中央旋转轴线a（即，在轴向方向x上）变化。或者，又换言之，在截面图中，分隔元件105相对于与中央旋转轴线a平行的虚线成角度。
46.图6示出了根据本发明的另外示例性实施例的定子100的图5的截面a-a的截面图。如能够看到的，存在两个分隔元件105，在增强结构103的每个横向侧（指的是方向y）处布置一个。此外，增强结构具有厚度d，其可以例如是在从1毫米至50毫米的范围内。
47.图7示出了根据本发明的实施例的包括第一隔室130和第二隔室140的定子100的一部分的详细截面图。图7很好地示出了空气流动f1和另外的空气流动f2是由分隔元件105分隔开的单独空气流动。然而，为了提供有效的冷却和通风，第一空气流动f1和第二空气流动f2可以均在定子100的内部和外部之间、特别地在第一隔室130和第二隔室140之间循环，并且反之亦然。
48.图8示出了根据本发明的示例性实施例的包括鼓风机装置150的定子100的切开图示。图9示出了关于图8描述的实施例的细节。定子100包括多个增强结构103，即8个增强结构103，所述增强结构围绕定子100的中央旋转轴线a在周向方向上径向且等角度地布置。描述地说，增强结构103被布置成围绕定子100的中央旋转轴线a且在彼此之间具有相等角度，如径向发动机的气缸。鼓风机装置150均被布置在两个增强结构103之间并且被构造成用于产生空气流动f1，特别地冷却空气流动f1。
49.类似于图6中所示的多个增强结构103，同样地，鼓风机装置150也围绕定子100的中央旋转轴线a在周向方向上径向且等角度地布置。此外，鼓风机装置150均被安装到相应分隔元件105，如豆荚一样，使得它们被布置在由相应分隔元件105形成的相应第一隔室130中。
50.应该注意到，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。同样，与不同实施例相关描述的元件可以相结合。还应该注意到，权利要求中的附图标记不应解释为限制权利要求的范围。