专利名称：带有双边叠片组的电机的制作方法
技术领域：
本申请包括涉及到与本申请同时提交的题为“带有双边定子的电机”的美国专利申请No.10/951335(代理人档案号No.148901-1)的主题，该申请通过引用结合于本文中。
本发明大体上涉及风力涡轮发电机和船舶推进电动机。
背景技术：
风通常被视为太阳能的一种形式，它是由太阳对大气的不均匀加热、地球表面的不规则性以及地球的自转所造成的。风的流型被地球的地形、水体和植被所改变。用语“风能”或“风力”描述了风被用来产生机械动力或发电的过程。
通常来说，风力涡轮用来将风中的动能转化成机械动力。这种机械动力可用于特定的工作(例如磨谷物或者抽水)，或者可用发电机来将该机械动力转化成电力。风力涡轮通常包括空气动力机构，其用于将空气的运动转化成机械动力，然后由发电机将该机械动力转化成电力。发电机的功率输出与风速的立方成比例。当风速加倍时，风力发电机的容量增加了几乎八倍。
大部分可买到的风力涡轮采用齿轮传动系来将涡轮叶片连接在风力发电机上。风使涡轮叶片转动，涡轮叶片使轴自转，轴装在齿轮箱中并连接在风力发电机上并进行发电。齿轮传动装置旨在增加机械运动的速度。齿轮传动装置的缺点在于，它降低了风力涡轮的可靠性，并且增大了风力涡轮的噪声和成本。
也可以买到一些采用直接驱动式发电机的风力涡轮。直接驱动式发电机的大直径提出了在工厂和在风力涡轮安装现场的运输和装配方面的比较困难的挑战。随着风力涡轮行业的成熟和技术改进，将需要更大的额定功率来继续实现能耗的降低。用于陆上涡轮机的标准额定功率预期在今后若干年内会达到3MW或更大，而海上涡轮机预期会达到5MW或更大。
为了使风力涡轮发展至较高的额定功率，传统的方法是增大直接驱动式发电机的直径或轴向(层叠)长度。单纯从发电机电磁的角度来看，增大直径是优选的，但从运输、框架和装配的角度来看就没有吸引力，尤其是对于陆上涡轮机而言。在保持直径小于约4米的同时增大发电机的轴向长度缓解了陆上涡轮机的运输问题，但会导致复杂和昂贵的框架结构以及较长的轴向长度。
因此，需要提供具有较大额定功率和较小直径的成本效率合算的风力涡轮。
发明内容
简而言之，根据本技术的一个实施例，风力涡轮发电机包括带有内转子铁心和外转子铁心的转子。根据本技术的某些方面，外转子铁心相对于内转子铁心是倒置的。该风力涡轮发电机还包括带有内定子边和外定子边的双边定子。该双边定子构造成可使所有或一部分磁通在内定子边和外定子边之间共享。
根据本技术的另一方面，提供了一种船舶推进电动机。该电动机包括带有内转子铁心和外转子铁心的转子，以及带有内定子边和外定子边的双边定子。内定子边和外定子边包括双边的叠片组。该双边定子同心地设置在电动机的内转子铁心和外转子铁心之间。
通过参考附图来阅读以下详细介绍，可以更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面及优点，在附图中类似的标号代表类似的部件，其中
图1显示了根据本技术某些方面所述的风力涡轮的剖视图，其包括示例性的直接驱动式双边永磁(PM)发电机；图2显示了图1所示直接驱动式双边磁通共享的PM发电机的剖视图；图3显示了带有空气冷却通道的图2所示直接驱动式PM发电机的特写图；图4显示了用于图1-3所示实施例的PM发电机的双边定子的剖视图；图5显示了图4所示双边定子的特写图；图6显示了双边定子和内、外转子的剖视图；图7显示了在某个瞬时双边定子和内、外转子中的磁通路径；图8显示了图2所示装置中的带有液体冷却通道的示例性实施例；和图9显示了根据本技术某些方面所述的示例性船舶推进电动机的一部分，其带有用于双边定子的双边叠片组。
图中各标号的含义如下10风力涡轮；12发电机；14转子；16外转子铁心；18外永磁体；20内转子铁心；22内永磁体；24双边定子；26外定子边；28外定子绕组(线圈)；30内定子边；32内定子绕组(线圈)；33固定轴；34固定框架；35固定框架的结构肋；36主框架；38塔架；42转子叶片；44转子叶片毂；46转子轴；48机壳(nacelle)；49转子毂盖；50机壳盖；52旋转框架；54毂法兰；56主轴和轴承组件；58前主轴承；60后主轴承；62外气隙；64内气隙；66双边叠片组；68轴向螺栓；69螺栓孔；70液体冷却通道；80主框架法兰；82芯板；84外密封件；86内密封件；88气室；89冷却管道；90从气室至定子和转子的冷却空气通道；92离开定子和转子的冷却空气通道；94穿过转子框架的冷却通道；96穿过定子框架的冷却通道；98用于冷却空气穿过转子框架的密封通道；100冷却空气入口；102冷却空气的排放口；104外定子齿；106内定子齿；108外定子线圈的固定楔；110内定子线圈的固定楔；112外定子绕组(线圈)之间的冷却空气通道；114内定子绕组(线圈)之间的冷却空气通道；116定子轭架；118PM磁极帽；130磁力线；140液体冷却管道；910船舶推进毂罩单元；912电动机；914转子；916外转子铁心；918外永磁体；920内转子铁心；922内永磁体；924双边定子；926外定子边；928外定子绕组(线圈)；930内定子边；932内定子绕组(线圈)；934螺旋桨；936安装和轴承组件；938框架组件；966双边叠片组。
具体实施例方式
本发明包括了尤其适用于直接驱动式风力涡轮和船舶推进装置的双边发电机的不同实施例。在下文中描述的用于风力涡轮的不同直接驱动式构造是基于双边的、径向磁通的、同步的电机。尽管出于说明目的而介绍和显示了永磁(PM)电机，然而也可以使用其它的电机如绕组励磁同步电机。这些构造有助于实现具有增大额定功率(＞2.0MW)的成本效率合算的风力涡轮，并且尤其有利于外径会受到运输限制条件的约束的陆上应用。
现在来看附图，图1是风力涡轮10的剖视图的示意性图示，其带有直接驱动式双边PM发电机12的一个示例性实施例。风力涡轮10的PM发电机12包括至少两个同心的气隙(图1中未示出，参考图2在下文中论述)，从而有效地将PM发电机12转化成两个同心的发电机。因此，本领域的技术人员可以理解，对于由外径和轴向长度所限定的相同总包迹而言，PM发电机12可比单边发电机产生高很多的功率输出。因此在实践中，对于相同的总直径和轴向长度而言，2MW的单边发电机可被能产生3-3.6MW的双边发电机取代。等效的是，具有6米直径的3MW单边PM发电机可被仅具有4.3米直径的相同轴向长度的双边发电机取代，从而使整个发电机可作为一个单元而进行陆上运输。
再次参见图1，PM发电机12通过主轴和轴承组件56而安装在机壳主框架36上。机壳主框架36又通过传统的偏动轴承(yaw bearing)和齿轮传动系统(未示出)而安装在塔架38上。下面将参考图2来说明PM发电机12的更多详细特征。转子叶片毂44将风力涡轮的转子叶片42与PM发电机12相连。转子毂盖49包含有风力涡轮的转子叶片42和其它涡轮转子部件。另外还设有机壳盖50，其通常可保护机壳内的部件不受外界影响。
图2显示了图1所示直接驱动式双边磁通共享的PM发电机的剖视图。PM发电机12包括转子14(发电机转子)，其包括带有外永磁体18的外转子铁心16和带有内永磁体22的内转子铁心20。外转子铁心16相对于内转子铁心20是倒置的。永磁发电机12还包括双边定子24，其包括带有外定子绕组(线圈)28的外定子边26和带有内定子绕组(线圈)32的内定子边30。本领域的技术人员容易理解，定子24同心地设置在外转子铁心16和内转子铁心20之间。这样，外定子边26和内定子边30促成了所述至少两个同心气隙62，64(内定子边30和内转子铁心20限定了内气隙64，而外定子边26和外转子铁心16限定了外气隙62)。在图2所示的特定实施例中，外定子边26和内定子边30通常由单个双边叠片组66构成，其通过轴向螺栓68而被轴向地螺栓接合在固定框架34上。位于叠片组66的两侧和轴向螺栓68的头部之间的钢制芯板82提供了轴向螺栓68对叠片组的均匀压缩。这样，双边定子24构造成可使磁通的至少一部分(在某些实施例中为全部)在内定子边26和外定子边30之间共享。
定位在固定框架34和转子14之间的可选外旋转密封件84提供了使双边定子24和转子14的部件免于环境影响的额外保护。可选的内密封件86提供了定子及转子部件与相应的框架结构34及52之间的密封。这些密封件最好是迷宫式密封或刷式密封。
在工作中，双边定子24的功率输出由能够进行完全动力转换的动力转换单元(未示出)来控制。定子24与固定框架34相连，框架34可包括结构加强件或肋条35。转子轴46在一端处通过旋转框架52连接在转子14上，而在另一端处连接在转子叶片毂的法兰54上，法兰54连接在涡轮转子叶片毂(图1中的标号44)上。旋转框架52也包括结构加强件或肋条53。发电机的转子轴46安装在轴承组件上，其由两个主轴承即前主轴承58和后主轴承60组成。尽管显示了两个主轴承，然而包括一个主轴承在内的其它轴承构造也是可以的。轴承安装在固定内轴33上，该内轴33通过主框架法兰80而安装在机壳主框架36上。本领域的技术人员可以理解，主轴承和轴直径的大小可根据用来接近毂的手段来设置；例如，较大直径的主轴承(例如约1.5米或以上)将有助于接近毂。使用低成本的、例如小于或等于约1.0米的小直径轴承将可能需要通过进入孔来接近毂。
图3是图2所示双边磁通共享的PM发电机12中的空气冷却设计的详细侧剖视图。如图所示，气室88连接在PM发电机12的固定框架34上。冷却管道90穿过气室88进入到定子和转子中。如后文所述的空气通道描述了冷却管道中的气流。冷却空气轴向穿过双边定子中的冷却管道。冷却管道可设于相应定子槽的至少两个相邻的定子线圈之间，用于传递冷却空气(如图6中的通道112和114所示)。冷却空气通道92显示了冷却空气从定子和转子中离开，进入穿过转子框架的冷却空气通道入口94以及穿过固定框架34的冷却空气通道入口。另外，可提供密封通道98用作供冷却空气穿过转子框架的通道。在上述设计中设有用于冷却空气的入口100和排放口102。应注意的是，包括与所示方向相反的气流的备选气流路径也是可以的。
图4是外定子边26和内定子边30绕固定框架34而设置的双边定子24的剖视图。图4还显示了前主轴承58和后主轴承60以及固定轴33。
图5是绕固定框架34设置的图4所示双边定子的特写图，其显示了外定子绕组(线圈)28、内定子绕组(线圈)32、轴向螺栓68和外定子齿104。图中还显示了空气冷却通道90，其允许冷却空气流入到双边定子和转子中。
图6是双边定子和内、外转子的剖视图。图中显示了带有外永磁体18的外转子铁心16和带有内永磁体22的内转子铁心20。标号106和104大体上分别表示内、外定子齿，并且外定子线圈的固定楔108和内定子线圈的固定楔110分别固定了外定子绕组(线圈)28和内定子绕组(线圈)32。如上文所述的双边定子促成了外气隙62和内气隙64。借助于设在定子轭架116中的多个轴向螺栓68，就可通过叠片组66的压缩来实现定子的结构完整性。螺栓体(轴)(未示出)及其至少一端与叠片及框架结构隔离，以避免感应电流而导致损耗和发热。在一个示例中，在每个凹槽内至少使用了一个螺栓；例如图6中所示的螺栓孔69。本领域中的技术人员应当理解，螺栓孔的位置是可以变化的。在一个特定示例中，螺栓孔的位置可与定子齿对齐。图中还显示了如上文所述的冷却空气通道，即位于外定子绕组之间的冷却空气通道112和位于内定子绕组之间的冷却空气通道114。
图7显示了在任意瞬时的共享磁通路径或磁力线130，其在双边定子和永磁体中径向流动，并且主要在PM发电机12的内、外转子铁心中周向地流动。如上所述，单个定子叠片组使磁通如图7所示地共享。
图8显示了带有用于在双边定子中进行液体冷却的示例性设计的定子和转子的截面。在一个示例中，液体冷却通道140(或冷却管道)可设在外定子齿104的附近。在一个示例中，液体冷却通道140设在形成于外定子齿104之间的凹槽底部。所用液体通常是水-乙二醇和去离子水中的至少一种，但也可使用常用于冷却电机的任何其它液体。冷却通道140可以是常用于制造冷却管的任何材料，例如但不限于铝、铜、不锈钢或其任何组合。冷却通道140可通过一组串联或并联的连接件而与一个或多个回路相连。可采用热交换器(未示出)来将冷却液体所吸收的热量传递至周围空气中。液体冷却是有利的，这是因为它提供了更紧凑的机器，它们可完全地封闭以便与环境间隔开。特别是，在上述液体冷却的例子中，净定子铁心的厚度比气冷或风冷设计中的更小。因此就增大了内气隙64(图2)的直径，从而对于同一总外径和轴向长度而言增大了PM发电机12的动力性能。
图8中还显示了磁极帽118，其分别连接在内永磁体22和外永磁体18的面向气隙的表面上。磁极帽优选由高电阻的铁磁体材料制成，例如软磁铁复合材料或粘合的叠片组。磁极帽提供了对永磁体的机械保护，减少了转子(磁铁)的损耗，并且还可在失效状态期间避免去磁化。磁极帽118的使用并不局限于液体冷却，而且还可在图1-7中所示的前一PM发电机中使用。
本领域中的技术人员应当理解，还可以等同地应用其它的冷却技术，例如但不局限于强制性空气冷却等。
对于风力涡轮而言，如上在不同实施例中描述的双边发电机12与单边发电机相比提供了若干优点。最显著的优点包括降低了制造和装配成本，减轻了定子质量，减小了机器外径(从而实现了陆上运输)，并且提高了径向磁力的平衡。
尽管主要已在风力涡轮的方面介绍了本发明的实施例，然而本发明的概念可以用于其它应用中，其中一个示例是船舶推进电动机。图9显示了船舶推进毂罩单元910的一部分的剖视图，其包括示例性的双边船舶推进电动机912、螺旋桨934、安装和轴承组件936以及框架组件938。船舶推进电动机912包括转子914，其包括带有外永磁体918的外转子铁心916和带有内永磁体922的内转子铁心920。电动机912还包括双边定子924，其包括带有外定子绕组928的外定子边926和带有内定子绕组932的内定子边930。该双边定子包括双边叠片组966，其同心地设置在船舶推进电动机的内转子铁心和外转子铁心之间。双边叠片组构造成可使磁通在内定子边和外定子边之间径向流动。如在风力涡轮构造中的那样，内定子边和内转子铁心限定了内气隙，而外定子边和外转子铁心限定了外气隙。
许多具体的转子构造细节与风力涡轮实施例中的类似，在这里不再重复。船舶推进电动机还可包括冷却管道，其通过传递如针对风力涡轮的图8所示的液体冷却介质来冷却电动机。冷却管道可以是位于双边定子中的轴向冷却管道，或者冷却管道可以定位在相应定子槽的至少两个相邻的定子线圈之间。在一个特定示例中，冷却管道可定位在双边定子的多个槽中。
尽管在本文中只显示和介绍了本发明的某些特征，然而本领域的技术人员可以进行多种修改和变化。因此可以理解，所附权利要求旨在覆盖属于本发明的精神实质内的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种风力涡轮(10)，包括风力涡轮发电机(12)，所述发电机包括至少一个带有内转子铁心(20)和外转子铁心(16)的转子(14)，其中所述外转子铁心(16)相对于所述内转子铁心(20)是倒置的；和至少一个带有内定子边(30)和外定子边(26)的双边定子(24)，其中所述至少一个双边定子(24)构造成可使至少一部分磁通在所述内定子边(30)和所述外定子边(26)之间共享。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述内定子边(30)和所述外定子边(26)包括双边叠片组(66)，其构造成可使磁通在所述内定子边(30)和所述外定子边(26)之间径向流动。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮，其特征在于，所述风力涡轮还包括用于为所述双边叠片组(66)提供压缩的多个轴向螺栓(68)。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述风力涡轮还包括冷却通道(70)，其通过传递冷却空气或液体冷却介质中的至少一种来冷却所述风力涡轮发电机(12)。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述内定子边(30)和内转子铁心(20)限定了内气隙(64)，而所述外定子边(26)与外转子铁心(16)限定了外气隙(62)，其中一部分冷却空气轴向地流经所述内、外气隙。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一个双边定子(24)同心地设置在所述风力涡轮发电机(12)的所述内转子铁心(20)和外转子铁心(16)之间。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述风力涡轮发电机(12)是直接驱动式永磁发电机。
8.一种用于风力涡轮(10)的发电机(12)，包括至少一个带有内转子铁心(20)和外转子铁心(16)的转子(14)；和至少一个带有内定子边(30)和外定子边(26)的双边定子(24)，所述内定子边和外定子边包括双边叠片组(66)，其中所述双边叠片组构造成可使磁通在所述内定子边和外定子边之间径向流动，和所述发电机是直接驱动式永磁发电机。
9.一种船舶推进电动机(912)，包括至少一个带有内转子铁心(920)和外转子铁心(916)的转子(914)；和至少一个带有内定子边(930)和外定子边(926)的双边定子(924)，所述内定子边和外定子边包括双边叠片组(966)，其中，所述至少一个双边定子同心地设置在所述电动机的内转子铁心和外转子铁心之间。
10.根据权利要求9所述的电动机，其特征在于，所述双边叠片组(966)构造成可使磁通在所述内定子边和外定子边之间径向流动。
全文摘要
一种电机，包括带有内转子铁心(20)和外转子铁心(16)的转子(14)，以及带有内定子边(30)和外定子边(26)的双边定子(24)。该双边定子(24)同心地设置在风力涡轮发电机(12)的内转子铁心和外转子铁心之间。双边定子构造成可使至少一部分磁通在内定子边和外定子边之间共享。该电机的特别有用的实施例的例子包括风力涡轮发电机(12)和船舶推进电动机(912)。
文档编号H02K1/27GK1756051SQ20051010768
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年9月27日
发明者P·L·詹森, J·P·莱昂斯, R·J·小卡尔, 曲荣海, J·M·福加蒂, B·S·巴格帕利, A·D·加德雷, J·加格, F·J·罗佩兹 申请人:通用电气公司