專利名稱：用于冷卻發(fā)電機(jī)的布局結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷卻發(fā)電機(jī)的布局結(jié)構(gòu)(或稱裝置)，其優(yōu)選用在風(fēng)力渦輪機(jī)中。
背景技術(shù)：
在風(fēng)力渦輪機(jī)中的發(fā)電機(jī)操作期間，磁場從轉(zhuǎn)子被感應(yīng)。該轉(zhuǎn)子包含永磁鐵或線 繞磁極，將磁場感應(yīng)到定子核心和定子線圈內(nèi)。這導(dǎo)致感應(yīng)電流產(chǎn)生，其在定子核心和定子 線圈中產(chǎn)生顯著的熱。額外的渦流有助于產(chǎn)生熱。當(dāng)導(dǎo)體暴露于因?qū)w和磁場力的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的變 化磁場中時，渦流被產(chǎn)生。渦流也會因磁場隨時間的變化而產(chǎn)生。這些渦流形成磁場，其相對置于定子組件和轉(zhuǎn)子組件之間的期望磁場。這導(dǎo)致渦 流損耗。該渦流損耗可以達(dá)到顯著水平，尤其是對于大型電機(jī)(如風(fēng)力渦輪機(jī)中的直接傳 動發(fā)電機(jī))而言。因此轉(zhuǎn)子效率被減少。進(jìn)一步地，由渦流產(chǎn)生的熱會導(dǎo)致定子組件中溫度上升。典型的定子包含堆疊疊層板，其由金屬制成。例如，這些疊層板是從一張鐵板中沖 出的。圖9示出了已知疊層板的形狀，其是發(fā)電機(jī)中的定子的一部分。疊層板LP的第一側(cè)被對準(zhǔn)到空氣間隙，該空氣間隙處于發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之 間。在第一側(cè)Sl處，有多個縫槽SL。這些縫槽優(yōu)選是從疊層板LP中沖出的。多個疊層板LP將被堆疊成使得這些縫槽SL在這堆疊層板LP內(nèi)形成通道CH。這 些通道CH支持定子線圈的金屬繞組MW。每一金屬繞組MW由導(dǎo)體CON形成，其被導(dǎo)體隔離物CONI圍繞。每一縫槽SL示出 了縫槽隔離襯SIL，以隔離金屬繞組MW。在縫槽SL的每一頂端上有凹進(jìn)部RC。該凹進(jìn)部RC被構(gòu)造成支持楔形件WDG。通 過該楔形件，插入的金屬繞組MW被保持就位。如果該電機(jī)正在工作，那么熱被產(chǎn)生。熱主要由定子的金屬繞組MW產(chǎn)生。由于存 在熱，因此金屬繞組麗的隔離可能被損壞，所以繞組的溫度需要被冷卻下來，以便實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的預(yù)定壽命。已知有各種布局結(jié)構(gòu)和方法被用來冷卻大型電機(jī)。非常常見的一種就是在電機(jī)內(nèi) 部循環(huán)像空氣一樣的氣態(tài)介質(zhì)。例如，這種氣態(tài)介質(zhì)由換熱器保持冷卻。這種方法的缺點(diǎn)在于需要大型的氣體到空氣或氣體到水的換熱器。進(jìn)一步地，還 需要額外的功率來循環(huán)冷卻介質(zhì)。另一種常見的方法是用液體冷卻劑在定子側(cè)面上循環(huán)，其中該定子側(cè)面并不鄰近 或面對空氣間隙。因此熱從金屬繞組通過傳導(dǎo)傳遞到疊層板以及從疊層板通過傳導(dǎo)傳遞到 冷卻介質(zhì)。這一方法的缺點(diǎn)在于由于疊層鐵具有中等的導(dǎo)熱率，因此在定子繞組和冷卻介質(zhì)之間將存在可觀的溫度梯度。因此它很難維持繞組的溫度低于所要求的最大值。另一種常見的方法是在中空銅棒中引入液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)。這些棒被安裝在定子線 圈的繞組之下，或者通過焊接將它們連接到堆疊疊層板的后側(cè)。這些銅棒超過疊層板的通 道。這一方法的缺點(diǎn)在于需要許多接縫用于電連接以及用于中空銅棒的連接。所以這 一方法僅僅被用于非常大的發(fā)電機(jī)。另一個缺點(diǎn)在于冷卻管被暴露于與線圈繞組相同的電磁場，因此將在由金屬制 成的冷卻管中感應(yīng)出電壓。文獻(xiàn)US 20050067904A中公開了另一種方法。這里，由鐵制成的定子疊層包括處 于定子側(cè)面上的C形縫槽，其指向遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的方向。冷卻管被插入所述縫槽中，而且這些管 被變形成配合到C形通道中。這一方法的缺點(diǎn)在于冷卻管的變形可能會導(dǎo)致這些管中出現(xiàn)小的裂縫。這些裂 縫可隨時間擴(kuò)大，例如由于腐蝕，環(huán)境影響或材料特性。因此這些裂縫隨后將會導(dǎo)致泄漏。這種方法的另一缺點(diǎn)在于，如果在大型電機(jī)中使用該方法，那么將增加冷卻管的 長度。在該例中，冷卻管被成形為像長的“蛇形線”。冷卻液在其流過長蛇形線期間被加熱。 因此定子的包含蛇形線主體部分的節(jié)段不會被充分地冷卻。進(jìn)一步地，例如，在由鐵制成的 定子疊層內(nèi)將出現(xiàn)溫度梯度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是要提供一種改善的用于發(fā)電機(jī)的冷卻布局結(jié)構(gòu)，尤其是用 于大型發(fā)電機(jī)(例如風(fēng)力渦輪機(jī)中的直接傳動發(fā)電機(jī))的冷卻布局結(jié)構(gòu)。這一目的是通過權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步地，本發(fā)明的構(gòu)型是從屬權(quán)利 要求的主題。所發(fā)明的布局結(jié)構(gòu)涉及發(fā)電機(jī)，其包含轉(zhuǎn)子和定子。定子包含至少兩個定子區(qū)段。 這些定子區(qū)段中的至少一個包含多個堆疊疊層板。這些堆疊疊層板在第一側(cè)包含多個縫槽 絕，而這些堆疊疊層板的第一側(cè)被對齊到轉(zhuǎn)子。這些縫槽支持定子線圈的金屬繞組。至少 一個中空冷卻管被部分地集成到定子區(qū)段的堆疊疊層板中，以便通過冷卻介質(zhì)冷卻它的疊 層板，其中冷卻介質(zhì)被設(shè)置成處于冷卻管中。該定子被劃分成區(qū)段。優(yōu)選地，該部分集成的冷卻管以如下方式設(shè)計，即允許至 少一個定子區(qū)段和專用的冷卻管的交換。由于冷卻管表面的主要部分被集成到定子中，因此冷卻管表面與定子區(qū)段呈緊密 接觸。因此該熱傳遞被增加。這確保了專用區(qū)段的最佳冷卻。由于冷卻管的位置以及由于用于冷卻管的材料，使得定子區(qū)段中的渦流在冷卻管 周圍被消除。由于減少或消除了渦流，因此只有很少的熱被產(chǎn)生。優(yōu)選地，部分集成的冷卻管在相對于第一側(cè)的第二側(cè)上穿透這些堆疊疊層板。因 此冷卻管與定子區(qū)段呈緊密接觸，以改善冷卻。優(yōu)選地，冷卻管被充注有冷卻介質(zhì)，同時冷卻管是冷卻系統(tǒng)的一部分。因此，冷卻 介質(zhì)被用于定子區(qū)段的主動冷卻。
優(yōu)選地，這些冷卻管被充注有液體冷卻，例如，如水。優(yōu)選是使用水，而防凍劑或油 可被加到水中。防凍劑例如為乙二醇，二甘醇或丙二醇。例如，礦物油、硅油或氟代烴油可 被用作油劑。因此，可用適當(dāng)?shù)囊后w冷卻介質(zhì)來確保期望的冷卻范圍。優(yōu)選地，冷卻介質(zhì)在冷卻管的分離的"冷"入口進(jìn)入冷卻管中，并在分離的“熱” 出口離開冷卻管。因此定子的冷卻可以被冷卻介質(zhì)的固定流動控制。優(yōu)選地，每一定子區(qū)段包括至少一個冷卻管，而每一冷卻管包含分離的冷入口和 分離的熱出口。優(yōu)選地，發(fā)電機(jī)包括一個常規(guī)冷卻裝置，例如，如換熱器。所有必須的冷卻管的每 一冷入口和每一熱出口被連接到這一常規(guī)換熱器。由于在冷卻管和換熱器之間形成了這一 短的連接管線，因此確保改善了發(fā)電機(jī)的冷卻。各個定子區(qū)段的冷卻并不會受到其他定子 區(qū)段的冷卻的影響。因此實(shí)現(xiàn)了每個單一區(qū)段的更均勻有效的冷卻。優(yōu)選地，發(fā)電機(jī)包含兩個或更多個冷卻裝置，例如，如換熱器。每一分離的冷卻裝 置經(jīng)由冷卻管的入口 /出口連接到專用定子區(qū)段。}因此，改善專用區(qū)段的冷卻被實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，該冷卻被分成多個較小的冷卻單元，因此減少了機(jī)械復(fù)雜性。優(yōu)選地，冷卻管由非磁性材料制成。由于(一個或多個)冷卻管并不形成疊層板 內(nèi)磁路的一部分，因此也減少了熱的產(chǎn)生。優(yōu)選地，冷卻管由金屬制成。因此它能被用來有效地將熱從疊層板傳遞到冷卻介 質(zhì)。優(yōu)選地，冷卻管由不銹鋼制成。因此，冷卻管是非常強(qiáng)健耐用的，而且避免了腐蝕。 因此，保證了整個發(fā)電機(jī)具有長壽命。優(yōu)選地，熱傳遞化合物被布置在所述冷卻管和所述堆疊疊層板之間。因此確保了 疊層板和冷卻系統(tǒng)之間最大的熱傳遞。優(yōu)選地，冷卻管示出了多個U形彎(hairpin bend)，其處于堆疊疊層板的縫槽或 通道中。它們被設(shè)計和構(gòu)造成使得由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)到冷卻管中的電壓被減少。因此僅有最少的過熱會出現(xiàn)在冷卻管中。優(yōu)選地，冷卻管是被用來支持定子區(qū)段元件的結(jié)構(gòu)的一部分。因此減少了用于機(jī) 械構(gòu)造和支承的裝置。尤其地，疊層板是通過冷卻管的幫助而被固定的。進(jìn)一步地，要保證這些結(jié)構(gòu)之間緊密的物理和/或熱連接，以最優(yōu)化熱傳遞。優(yōu)選地，冷卻管包含管上的螺紋部分。它們被用來施加螺栓，以擰緊定子各側(cè)。這 是一種將定子疊層板擰緊在一起的有效方法，而且還保證必須的這些螺栓可被重擰緊。優(yōu)選地，冷卻管包含一個或更多個支持凸緣，其例如通過焊接而被連接在所述管 上。因此，能在機(jī)器制造期間構(gòu)建支持結(jié)構(gòu)。


現(xiàn)在將在附圖的幫助下更詳細(xì)地描述本發(fā)明。這些附圖示出了一些示例，但并不 因此限制本發(fā)明布局結(jié)構(gòu)的范圍。圖1示出了本發(fā)明冷卻布局結(jié)構(gòu)的一部分，圖2以側(cè)視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的疊層板，圖3參考圖1和圖2示出了本發(fā)明布局結(jié)構(gòu)的一部分的3D視圖，
圖4示意性地圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選構(gòu)型，圖5示意性地圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選構(gòu)型，圖6和圖7示出了堆疊疊層板，它們在冷卻管的幫助下被固定，以被用在本發(fā)明的 布局結(jié)構(gòu)中，圖8圖解說明了冷卻管CP相對于疊層板的位置，和圖9示出了在介紹中描述的已知的疊層板。
具體實(shí)施例方式圖1示出了本發(fā)明冷卻布局結(jié)構(gòu)的一部分，多個疊層板LP被堆疊。每一疊層板LP 示出了多個縫槽SL。由于堆疊，這些縫槽SL形成了多個通道CH，它們被用來支持定子線圈 的金屬繞組MW。這些堆疊疊層板LP是定子區(qū)段的一部分。這些堆疊疊層板LP示出了第一側(cè)Si， 其與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子對齊。這些縫槽SL位于這個第一側(cè)Sl上。至少一個冷卻管CP被部分集成到堆疊疊層板LP中。部分集成的冷卻管CP在堆 疊疊層板LP的第二側(cè)S2上穿透疊層板LP。第二側(cè)S2與第一側(cè)Sl相對。熱傳遞化合物(這里未示出)被布置在冷卻管CP和堆疊疊層板LP之間。因此， 增強(qiáng)了堆疊疊層板的不規(guī)則表面和冷卻管之間熱界面的熱傳導(dǎo)率。這些組件之間的空氣間 隙被減少甚至被消除，因此改善了冷卻。該化合物可以是陶瓷、金屬、碳或液體。圖2以側(cè)視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的疊層板LP。疊層板LP而第一側(cè)Sl被對齊或?qū)?zhǔn)到空氣間隙，該空氣間隙處于發(fā)電機(jī)的定子 和轉(zhuǎn)子之間。第一側(cè)Sl包含多個縫槽Si。縫槽Sl可從一金屬片中沖制出。疊層板LP可 通過同樣方式制造。參見圖1，由于存在縫槽SL，因而多個堆疊疊層板LP將形成通道CH。這些通道CH 被用來支持定子線圈的金屬繞組MW。每一金屬繞組MW由導(dǎo)體CON形成，其被導(dǎo)體隔離物CONI圍繞。每一縫槽Sl示出 了縫槽隔離襯SIL，以隔離該捆金屬繞組MW。在每一縫槽SL的頂上有一凹進(jìn)部RC。該凹進(jìn)部RC被構(gòu)建成支持楔形件WDG。當(dāng) 電線圈的金屬繞組麗被插入時，它們通過WDG的幫助保持就位。多個冷卻管CP被部分地集成到(堆疊的)疊層板LP中和第二側(cè)S2上，其中所述 第二側(cè)S2與第一側(cè)Sl相對。優(yōu)選地，冷卻管CP的橫截面超過50%被集成到(堆疊的)疊層板LP中。圖2僅僅示出了該定子區(qū)段的一部分，其包括堆疊疊層板。堆疊疊層板被成形為 圓形。圖3參考圖1和圖2示出了本發(fā)明布局結(jié)構(gòu)的一部分的3D視圖。圖4示意性地圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選構(gòu)型。發(fā)電機(jī)(這里未示出)包含一個常規(guī)冷卻裝置，例如，如換熱器HX。該常規(guī)換熱器HX被連接到發(fā)電機(jī)的區(qū)段化定子的四個區(qū)段segl，seg2, seg3和 seg4。區(qū)段segl至seg4中的每一個示出了專用冷卻管的〃冷〃入口和〃熱〃出口，如圖中所示，它們被適當(dāng)?shù)剡B接。因此，避免了定子區(qū)段segl至seg4與換熱器HX之間長的 連接線。冷卻介質(zhì)被分入四個冷卻路徑引入，每個冷卻路徑專用于區(qū)段segl至seg4中的一個。
seg4。
卻管。

分開的冷卻介質(zhì)在其離開專用冷卻路徑后合并在一起。從換熱器HX來看，冷卻管被注意到是并聯(lián)的。圖5示意性地圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選構(gòu)型。發(fā)電機(jī)(這里未示出)包含多個四冷卻裝置，例如，如換熱器HXX。每一換熱器HXX被連接到發(fā)電機(jī)的區(qū)段化定子的專用區(qū)段segl，seg2, seg3和因此，多個四獨(dú)立冷卻回路被構(gòu)建，同時每一回路包含區(qū)段segl至seg4之一的冷優(yōu)選地，根據(jù)圖1和根據(jù)圖5的冷卻系統(tǒng)可被結(jié)合。舉例而言，如果定子被劃分成8個區(qū)段，那么冷卻系統(tǒng)可包含兩個冷卻裝置。每一 冷卻裝置可向4定子區(qū)段的冷卻管供應(yīng)冷卻介質(zhì)以及從4定子區(qū)段的冷卻管接收冷卻介 質(zhì)。圖6和圖7示出了堆疊疊層板LP，它們在冷卻管的幫助下被固定，以被用在本發(fā)明 的布局結(jié)構(gòu)中。圖8A示意性地圖解說明了冷卻管CP，其被布置在根據(jù)本發(fā)明的疊層板LP的縫槽 SL中。圖8B示意性地圖解說明了冷卻管CP，其被安裝在疊層板LP的表面上。這一構(gòu)型 以前是已知的。根據(jù)圖8A，冷卻管CP被集成作為疊層板LP的一部分。該冷卻管CP包含內(nèi)部周長 與一長度Li。長度L2表示兩個相鄰冷卻管CP之間的距離。如圖中所示，周長長度Ll基本上等 于長度L2。根據(jù)圖8B，冷卻管CP并沒有被集成作為疊層板LP的一部分，它們位于基本上處于 定子內(nèi)表面上的傳熱板HT上。板HT的最大寬度等于距離L2。與圖8B中圖解說明的相比，圖8A中圖解說明的示出了一種改善的冷卻效率。
權(quán)利要求
1.用于冷卻發(fā)電機(jī)的布局結(jié)構(gòu)，其用在風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)，其中，所述發(fā)電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子包含至少兩個定子區(qū)段，其中，所述定子區(qū)段中的至少一個包含多個堆疊疊層板(LP)，其中，所述堆疊疊層板(LP)在第一側(cè)包含多個縫槽(SL)，而所述堆疊疊層板的第一側(cè) (Si)與所述轉(zhuǎn)子對齊。其中，所述縫槽(SL)支持定子線圈的金屬繞組(MW)，其特征在于，至少一個中空冷卻管(CP)被部分地集成到定子區(qū)段的堆疊疊層板(LP)中，以通過冷 卻介質(zhì)冷卻其疊層板(LP)，冷卻介質(zhì)被置于冷卻管中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述部分集成的冷卻管(CP)以如下方 式設(shè)計，即使得定子區(qū)段和冷卻管(CP)的交換被允許。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述部分集成的冷卻管(CP)位于 所述堆疊疊層板(LP)的第二側(cè)上，而第二側(cè)(S》是與第一側(cè)(Si)相對的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻管(CP)包含用于 所述冷卻介質(zhì)的入口連接和出口連接，而且，所述冷卻介質(zhì)經(jīng)由所述入口連接以第一溫度進(jìn)入所述冷卻管(CP)，以及而且，所述冷卻介質(zhì)經(jīng)由所述出口連接以第二溫度離開所述冷卻管(CP)，所述第二溫 度比第一溫度熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于每個定子區(qū)段包含至少一個冷卻管 (CP)，其專用于該定子區(qū)段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)包含常規(guī)換熱 器，其通過各自的入口連接和出口連接連接到用于所述定子區(qū)段中的每一冷卻管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)包含多個換熱 器，同時每一換熱器通過各自的冷卻管入口連接和出口連接被連接到專用定子區(qū)段的冷卻 管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于熱傳遞化合物被布置在所 述冷卻管(CP)和所述堆疊疊層板(LP)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻管包含多個U形 彎，其在所述定子區(qū)段中被成形和布置成使得所述冷卻管(CP)中感應(yīng)的電壓被減少。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻管是支持結(jié)構(gòu) 的一部分，所述支持結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成支持所述定子區(qū)段的所述疊層板。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻管包含螺紋，其被構(gòu)造成 至少擰緊所述堆疊疊層板。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻管包含一個或更多個支持 凸緣，它們優(yōu)選被焊接到所述冷卻管。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)包含外部轉(zhuǎn)子和內(nèi)部定 子，或者所述發(fā)電機(jī)被用作風(fēng)力渦輪機(jī)的直接傳動發(fā)電機(jī)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻介質(zhì)是液體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻介質(zhì)是液體，和/或液體冷 卻介質(zhì)包括防凍劑或油。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻管(CP)由非磁 性材料制成，優(yōu)選地，由不銹鋼制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于冷卻發(fā)電機(jī)的布局結(jié)構(gòu)。該布局結(jié)構(gòu)涉及包含轉(zhuǎn)子和定子的發(fā)電機(jī)。定子包含至少兩個定子區(qū)段。定子區(qū)段中的至少一個包含多個堆疊疊層板(LP)。堆疊疊層板(LP)在第一側(cè)(S1)包含多個縫槽(SL)，而堆疊疊層板的第一側(cè)(S1)與轉(zhuǎn)子對齊?？p槽(SL)支持定子線圈的金屬繞組(MW)。至少一個中空冷卻管(CP)被部分地集成到所述定子區(qū)段的所述堆疊疊層板(1p)中，以通過冷卻介質(zhì)冷卻其疊層板(LP)，冷卻介質(zhì)被置于所述冷卻管中。
文檔編號H02K1/20GK102055256SQ20101054130
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者H·斯蒂斯達(dá)爾 申請人:西門子公司