专利名称：电机，特别是发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机，特别是发电机。本发明还涉及用于这种电机的电枢和/或场磁体设置(field magnet arrangement)、具有这种电机的风力润轮机以及将这种电机作为发电机的使用。
背景技术：
电机的效率低下主要是由于能量作为热量耗散时的电磁损失(焦耳损失、铁损等)。例如在永磁体发电机中这些损失主要源自于定子导体中的铜损，从而导致电机线圈中的高温且特别是在延伸超出定子外边缘的且被空气环绕的端部绕组中的高温。在线圈中及在端部绕组中，焦耳损失被转换成热能，从而导致定子升温。焦耳损失随着线圈和端部绕组的长度而增加。定子绕组温度必须被保持足够低以便避免损害绝缘寿命，因此高效的冷却系统是非常重要的。因此，重要的是最小化绕组悬置长度(overhang length)，以便增加机器效率并且减小冷却系统尺寸。对于大型电枢，例如风力涡轮机的转子或定子，线圈绕组通常由于发电机的物理尺寸和感生的大电流的原因而非常厚且重。绕组能够由例如多股电线的粗电线制成，其之后缠绕在电枢(通常为定子)上。为此，电枢通常被制成具有沿外侧轴向设置的多个平行槽以用于容纳绕组。代替将电线缠绕在电枢上，还能够形成预成形绕组且该预成形绕组被插入或“落入”到电枢的槽中。这种预成形绕组通常包括闭合环路，其包括被保持在两个相邻定子或转子槽中的“离去”部分和“返回”部分。线圈包括串联或并联连接的多个这样的绕组，并且连接通常发生在电枢中绕组延伸超出槽的端部的一端处。如技术人员公知的，通过允许成股的多股电线从线圈的一个绕组延伸到该线圈的下一绕组，或者通过将线圈的绕组连接到围绕定子周向设置的母线，或者以任意其他适当的方式，线圈的相继绕组能够被连接。多相发电机具有与相相同数量的线圈。因此，绕组被置于槽中，使得用于线圈的一个具体绕组的“离去”和“返回”部分的槽包绕或侧面围住用于剩余线圈的“离去”和“返回”部分的多个槽。不同线圈的绕组必须在定子端部以某种方式叠置。因此，不同绕组类型具有不同的端部部分设计。第一绕组类型是笔直向前的闭合环路，并且这种绕组类型的端部部分包括180°折叠。第二绕组类型具有的端部部分不像第一绕组类型延伸超出定子端部那么远，而是在折回到自身之前产生近似45°的倾斜。第三绕组类型具有的端部部分同样不像第一绕组类型延伸超出电枢端部那么远，并且在折回到自身之前产生近似90°的倾斜。这些不同的端部部分或悬置部允许绕组以笔直向前的方式被置于电枢槽内。此外，还已知的是第一和第二端部部分具有90°倾斜并且第三端部部分不包括倾斜。允许绕组组件不复杂的这两种端部部分设计导致增加了悬置长度，这导致不理想地降低机器效率。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供具有改良的端部部分设计的电机。本发明的目标是通过根据权利要求I所述的电机、根据权利要求13所述的用于电机的电枢或场磁体设置、根据权利要求14所述的具有这种电机的风力涡轮机以及根据权利要求15所述的这种电机在风力涡轮机中的使用来实现的。 根据本发明，一种电机，特 别是发电机，其具有彼此被间隙分开的电枢和场磁体设置，其中电枢和/或场磁体设置包括多个线圈。用于发电机的电枢包括多个线圈，其中线圈根据这种绕组设置被设置或“缠绕”在电枢上。这里，术语“缠绕”按既定含义来使用，即使大型电枢的绕组通常过厚且过重而不易弯曲也是如此。每个线圈包括导电主体部分，其中线圈的主体部分通过导电端部部分被电连结。这些主体部分可以被插入到电枢和/或场磁体设置的槽内。端部部分不被容纳在槽中而是沿槽的方向延伸超出外边缘到达所谓的“悬置长度”的长度。场磁体设置也可以包括线圈。当电流流过线圈时这些线圈产生磁场，并且从而形成电磁场设置。这种实施例可以被用于发电机以及马达中。可替代地，场磁体设置可以包括永磁体，这通常是风力涡轮机的发电机中的情况。根据本发明，电枢的至少一个线圈的至少一个端部部分沿朝向场磁体设置背离电枢的方向倾斜，或者场磁体设置的至少一个线圈的至少一个端部部分沿朝向电枢背离场磁体设置的方向倾斜。这允许在没有弯曲的情况下减小悬置长度，特别是端部部分的长度。因此，悬置部能够被设计得更紧凑并且增加电机的效率。此外，能够减小电机的悬置长度，并且因而也减轻电机的重量。而且，因为减小了端部绕组中产生的焦耳损失，所以能够减小对电机的冷却。场磁体设置可以是转子或定子。因而，根据电机(例如发电机)的构造方式，电机的电枢能够是定子或转子。不过，通常，特别是在大型发电机中，定子被构造成是承载线圈绕组的电枢。因此，在下文中，但不以任何方式限制本发明地假定电机是发电机并且定子承载电枢线圈。此外，不以任何方式限制本发明地假定场磁体设置包括被安装在转子上的永磁体，不过本发明可以等同地应用到将永磁体安装到定子上的实现方式。这里，术语“转子的表面”意味着转子附接有永磁体的适当表面。对于转子在外侧包围定子的电机而言，永磁体通常将被安装在转子的内部表面上从而隔着间隙面对定子。对于转子在内侧且定子在外侧的电机而言，永磁体通常将被安装在转子的外部表面上从而隔着间隙面对定子。永磁体通常是矩形形状并且沿其长度在与转子旋转轴线平行的方向上附接在转子的表面上。根据本发明的风力涡轮机包括具有多个转子叶片的转子，该转子被连接到根据本发明的这种电机，即发电机。通常，转子和发电机可以由安装在风力涡轮机的塔的上端处的机舱来承载。方法包括将电机使用作为风力涡轮机的发电机。通过如下文所揭示的从属权利要求给出本发明的具体有利实施例和特征。其中，电机背景下所揭示的特征也可以被实现在电机的控制方法的背景下。
电机可以具有一相或更多相，并且因而具有一个或更多个线圈。在优选实施例中，电机包括具有至少一个端部部分的第一线圈、具有至少一个第二端部部分的第二线圈以及具有至少一个第三端部部分的第三线圈，其中仅第二端部部分朝向场磁体设置或朝向电枢倾斜。这通过针对端部部分使用最小的空间导致了优化的悬置设计。端部部分可以沿相同方向倾斜。在优选实施例中，电枢的线圈的至少另一个端部部分背离场磁体设置倾斜并且/或者场磁体设置的线圈的至少另一个端部部分沿背离电枢的方向倾斜。这允许电枢的线圈的相邻端部部分沿不同方向被装纳，即被装纳在背离场磁体设置的方向的空间内和朝向场磁体设置的空间内。例如，第一组端部部分可以背离场磁体设置倾斜，第二组端部部分可以朝向场磁体设置倾斜，并且第三组端部部分不倾斜。以此方式，以优化的方式使用空间，并且能够进一步减小悬置长度。因而，如果适用的话，还可以沿不同方向装纳场磁体设置的线圈的相邻端部部分，即在背离电枢的方向的空间内和朝向电枢的空间内装纳。端部部分可以倾斜不同的角度。当仅第二端部部分和仅第三端部部分相对于主体 部分倾斜相同角度量时可以实现电机的简单设计。此外，因为仅需要具有一种倾斜和不存在倾斜的线圈，所以这种电机易于制造。线圈的端部部分可以以不同角度倾斜。当第三端部部分倾斜的角度与第二端部部分倾斜的角度相同时可以实现非常紧凑的悬置设计，这是因为以此方式有效地使用了超出主体部分的空间以及在主体和旋转轴线之间的空间。可能的是每个端部部分均相对于其主体部分倾斜。因此，在优选实施例中，至少一个端部部分基本与其主体部分共线，即其在没有任何倾斜的情况下折回从而形成零度倾斜。这意味着一个端部部分不存在倾斜。这减少了端部部分所需的材料量并且导致了更轻的电机和更少的悬置损失。一个端部部分可以相对于主体部分倾斜0°至90°之间的角度，例如30°、45°或60°。因而，倾斜指向旋转轴线从而形成上倾。这还可以通过倾斜超过90°来实现，例如倾斜120°。在优选实施例中，至少一个端部部分相对于主体部分倾斜基本90°。易于通过弯曲来制造这种90°倾斜。因此，有助于这种电机的制造。此外，这种90°倾斜允许最紧凑地设置端部部分并且允许在具有最少悬置损失的情况下具有最短悬置长度。此外，其他端部部分可以相对于主体部分倾斜0°至-90°之间的角度。因而，倾斜沿朝向旋转轴线的方向指向，从而形成下倾。在优选实施例中，一个端部部分相对于主体部分倾斜基本-90°。因为仅需要端部部分具有90°倾斜，其中在将端部部分放置在定子和/或转子内之前使其简单地转180°从而形成-90°，所以也有助于制造。线圈的端部部分可以具有任意适当的形状。端部部分的一种简单且容易制造的形状是U形端部部分，其中U形端部部分的每个端部均被电连接到该线圈的主体部分。当电枢包括至少一个凹槽来装纳至少一个端部部分时能够获得具有改进效率的电机。在该凹槽中，装纳了具有上倾的端部部分。这允许电枢和场磁体设置之间的空气间隙被减小且因而能够增加电机的效率。通过将场磁体设置组装在电枢内部，或者通过围绕场磁体设置组装电枢，能够制造这种电机。当电枢具有第一端部和第二端部并且线圈被轴向地设置在电枢的外侧表面上以使得线圈延伸超出电枢的第一端部的一个端部部分沿朝向场磁体设置背离电枢的方向倾斜并且使得同一线圈延伸超出电枢的第二端部的另一个端部部分沿背离场磁体设置的方向倾斜或不倾斜时，这可有助于组装。例如，仅第一端部具有上倾，并且第二端部具有零度倾斜和/或具有下倾但不具有上倾。这允许将具有这种绕组设置的电枢或场磁体设置插入通过电机一端处的开口。因而，能够单独地制造电枢和场磁体设置。线圈的第二端部处的端部部分可以包括倾斜0°至90°之间的角度的端部部分以便有助于制造。在优选实施例中，第二端部具有相对于主体部分倾斜基本45°的端部部分。电机可以具有内部转子和外部定子。对于这种设计，集电环是必要的。优选地，电机配备有作为场磁体设置的外部转子和作为电枢的内部定子。因为外部转子能够配备有永磁体，所以能够实现电机的非常简单的设计，这是因为不必须集电环来给电磁体供电从而 产生发电机磁场。结合附图从下述具体描述中可以显而易见到本发明的其他目标和特征。不过应该理解，附图仅是图释性目的并且不作为对本发明限制的定义。
图I示出了风力涡轮机中的发电机的示意性图示；
图2示出了现有技术的定子节段；
图3至图6示出了根据本发明的绕组的端部部分的示意性图示；
图7示出了根据本发明的悬置设计的示意性图示；
图8示出了根据本发明的电机的第一示例的示意性图示，
图9示出了根据本发明的电机的第二示例的示意性图示，以及 图10示出了根据本发明的绕组的三种线圈序列的示意性图示。在附图中，自始至终，类似附图标记指代类似物体。附图中的物体不必要成比例绘制。
具体实施例方式图I示出了风力涡轮机5中的发电机4的非常简化的图示，该发电机4具有内部定子2和外部转子3。为了简化，仅示出了相关部件，并且例如变速箱、控制器等的其他部件没有被示出。施加在风力涡轮机5的叶片50上的压力导致毂51或整流罩绕旋转轴线A转动，因而导致发电机4的外部转子3旋转。通过具有永磁体12的场磁体设置来形成外部转子3。通过固定电枢来形成内部定子2，其中多个线圈(图中未示出)围绕内部定子2缠绕。发电机4作为感应发电机运转，其中在线圈中感生电流。这种发电机的运转原理对于技术人员而言是清楚的并且在此不需要被详述。由于大电流(例如针对2-10 MW风力涡轮机是200-500安培的范围内)的原因，绕组必须相应地形成所需尺寸。对于风力涡轮机定子，绕组通常由堆叠的金属棒或条制成且具有在20 mm X 100 mm范围内的横截面。这些金属条被保持在围绕定子2的外侧设置的定子槽6内，其能够长达3 m。通常，由于大尺寸(风力涡轮机定子2能够具有在3 m至7 m范围内或更大的直径)的原因，定子2通常包括一组定子节段2a。图2示出了定子的节段2a，其具有处于现有技术已知的绕组方案I’的绕组10’、20’、30’的设置。每个绕组10’、20’、30’均被示为折叠从而得到闭合环路的金属条。示出三种不同的绕组类型Wl’、W2’、W3’。绕组10’、20’、30’的序列形成线圈，其中如下文将要解释的，线圈序列依次包括不同的绕组类型W1’、W2’、W3’中的每一种。这里，通过绕组10’
的最远端部来限定悬置长度L’。图3至图6示出了根据本发明的实施例的不同绕组类型Wl、W2、W3的端部部分10C、20C、20C’、30C的示意性图示。端部部分10C、20C、20C’、30C相对于主体部分10A、10B、20A、20B、30A、30B突出超出槽6。端部部分IOC沿平行于旋转轴线A的主体部分10AU0B的方向的长度限定了悬置长度L。为了清晰起见，示出了各绕组本身，不过应该理解如图2所示不同类型的绕组将被放置在相邻的定子槽6内。第一绕组类型Wl基本上是笔直向前的闭合环路Wl，并且这种绕组类型Wl的第一端部部分IOC本质上以零度倾斜角度简单地折回到自身上。第二绕组类型W2具有第二端部部分20C，该第二端部部分20C不像第一绕组类型Wl延伸超出定子端部那么远。第二端部部分20C在折回到其自身上之前背离旋转轴线倾斜近似90°的上倾角度。根据图7和图8所示的实施例，根据图6的这种绕组类型W2代替了在根据图2的定子中使用的根据图4的绕组类型W2。第三绕组类型W3具有第三端部部分30C，该第三端部部分30C也不像第一绕组类型Wl延伸超出定子端部那么远。第三端部部分30C在折回到其自身上之前朝向旋转轴线倾斜近似90°倾斜的下倾角度。这些不同的端部部分或悬置部10C、20C、30C允许绕组10、20、30以笔直向前的方式被置于或落入到槽6内。例如，能够通过首先插入所有第三类型W3的绕组、之后插入所有第二类型W2的绕组并且最后插入所有第一类型Wl的绕组，来缠绕定子2。因为绕组端部的几何构造的原因，能够在不需提升或移动先前放置的绕组的情况下插入绕组。之后，特定线圈的绕组以预定序列被电连接，如根据图10的描述，例如通过将绕组10、20和30的导体连结到母线。而且，图7示出了图8所示的电机4的第二端部部分20C的示例。这种实施例还能够结合根据图4的端部部分20C’ 一同使用，其中该端部部分20C’如图9所示具有朝向旋转轴线A的45°弯曲。在图8中，例如针对风力涡轮机5的发电机，示出了电机4的部分截面的第一示例。电机4包括围绕定子2的外部转子3。外部转子3具有基本圆筒形形状。多个永磁体12面向定子2的外表面被设置在转子3的表面上。因而，永磁体12被设置在距转子3的旋转轴线A的距离d处。定子2具有比转子3小的直径。绕组的主体部分10A、10B、20A、20B、30A、30B沿基本与旋转轴线A平行的方向被插入到定子2的槽6中。因而，绕组的主体部分10A、10B、20A、20B、30A、30B基本平行于旋转轴线R且彼此平行。为了装纳背离旋转轴线A向外倾斜的第二端部部分20C，在转子3的每个端部7、 8处提供凹槽11。这允许将定子2和转子3之间的空气间隙保持得尽可能小以便减少空气间隙损失。能够通过在转子3内组装定子节段来制造这种电机4，这能够容易地具有若干米的直径。图9中示出了用作风力涡轮机5的发电机的电机4’的第二实施例。这里，转子3仅在第一端部7处设有凹槽11以用于装纳向上倾斜的端部部分20C。在电机的相对端部8上，端部部分10C、30C、20’C均向下倾斜，即朝向旋转轴线A倾斜。因此，在第二端部8处不必要有凹槽。因而，第二绕组设置在每个端部7、8处包括不同的悬置设计。这导致了定子2在第二端部8处与在第一端部7处相比具有较小半径。这允许定子2首先组装有所有绕组，之后通过简单地将其推动通过转子3的一端处的开口而插入到转子3内。之后，一旦定子2处于内部，则能够将制动盘52栓接在转子3上。因而，不必要在转子3内组装定子元件或者围绕完整的定子2组装转子3。图10的上部示出根据本发明的绕组方案I的三种线圈序列SI、S2、S3的示意性图示。图下部中所示的序列SI、S2、S3给出了绕组连接的次序。第一线圈Cl的第一线圈绕组序列SI顺序地包括第一绕组类型Wl的绕组、第二绕组类型W2的绕组和第三绕组类型W3的绕组。针对整个第一线圈Cl重复这种样式。第二线圈C2的第二线圈绕组序列S2顺序地包括第二绕组类型W2的绕组、第三绕组类型W3的绕组和第一绕组类型Wl的绕组。针对整个第二线圈C2重复这种样式。第三线圈C3的第三线圈绕组序列S3顺序地包括第三绕组类型W2的绕组、第一绕组类型W3的绕组和第二绕组类型的Wl绕组，并且，针对整个第 三线圈C3重复这种样式。在图的上部，箭头指示出在不同线圈C1、C2、C3中的电流流动方向(使得第一和第三线圈C1、C3的“离去”绕组部分占据包含第二线圈C2的“返回”绕组部分的槽的任一侧的槽；而第一和第三线圈Cl、C3的“返回”绕组部分占据包含第二线圈C2的“离去”绕组部分的槽的任一侧的槽)。因为每个线圈Cl、C2、C3包括其中绕组类型W1、W2、W3基本以相等频率出现的序列SI、S2、S3，所以线圈C1、C2、C3的总长度基本相等。以此方式，绕组设置减少或有效地消除了负载不平衡且同时减少了绕组所需的金属量。虽然这里绕组被示为闭合环路，不过绕组方案I的绕组也可以同样良好地被实现为在两个端部是开放的，并且可以通过定子的两个端部处的母线来产生连接。第二绕组类型W2可以包括端部部分20C，这两个端部部分20C朝外倾斜，即如图6所示背离旋转轴线A倾斜。可替代地，第二端部绕组类型W2可以包括在一个端部具有90°倾斜的第二端部部分20C’和在第二端部具有45°倾斜的第二端部部分20C’。因而，在第一端部7或两个端部7、8处的端部部分10C、20C、30C可以形成具有一系列向上/零度/向下或向下/零度/向上倾斜(例如90° /0° /-90° 或-90° /0° /90° )的绕组设置。虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，不过将理解，在不脱离本发明范围的情况下能够对其作出大量额外的改进和变型。例如，风力涡轮机的毂能够转动连接到变速箱的驱动轴，这能够被实现成以更适于生成用于电网的电力的速度转动发电机的定子。为了简明，应该理解，贯穿本申请使用“一”或“一种”并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。
权利要求
1.一种电机(4、4’)，特别是发电机，其具有彼此被间隙分开的电枢(2)和场磁体设置(3)，其中所述电枢(2)和/或所述场磁体设置(3)包括多个线圈(Cl、C2、C3)，其中每个线圈(C1、C2、C3)包括导电主体部分(10A、10B、20A、20B、30A、30B)，其中所述线圈(C1、C2、C3)的所述主体部分(10A、10B、20A、20B、30A、30B)由导电端部部分(10C、20C、30C)电连结，其中 所述电枢(2)的至少ー个线圈(C2)的至少ー个所述端部部分(20C)沿朝向所述场磁体设置(3)背离所述电枢(2)的方向傾斜，并且/或者 所述场磁体设置的至少ー个线圈的至少ー个所述端部部分沿朝向所述电枢(2 )背离所述场磁体设置(3)的方向倾斜。
2.根据权利要求I所述的电机(4、4’)，包括具有至少ー个第一端部部分(IOC)的第一线圈(Cl)、具有至少ー个第二端部部分(20C)的第二线圈(C2)以及具有至少ー个第三端部部分(30C)的第三线圈(C3)，其中仅所述第二端部部分(20C)朝向所述场磁体设置(3)或朝向所述电枢(2)傾斜。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的电机(4、4’)，其中 所述电枢(2)的线圈(C3)的至少另一端部部分(30C)背离所述场磁体设置(3)傾斜，并且/或者 所述场磁体设置(3)的线圈的至少另一端部部分沿背离所述电枢(2)的方向傾斜。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的电机(4、4’)，其中所述第二端部部分(20C)和所述第三端部部分(30C)相对于所述主体部分(10A、10B、20A、20B、30A、30B)倾斜相同角度量。
5.根据权利要求2-4中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述第三端部部分(30C)倾斜的角度等于所述第二端部部分(20C)倾斜的角度。
6.根据权利要求2-5中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述第一线圈(Cl)的所述第一端部部分(10C)基本与其主体部分(10A、10B)共线。
7.根据权利要求2-6中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述第二端部部分(20C)与其第二主体部分(20A、20B)之间相夹的角度包括基本上90°。
8.根据权利要求2-7中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述第三端部部分(30C)与其第三主体部分(30A、30B)之间相夹的角度包括基本上-90°。
9.根据前述权利要求中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述电枢(2)和/或场磁体设置(3)包括用于容纳至少ー个端部部分(20C)的至少ー个凹槽(11)。
10.根据前述权利要求中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述电枢(2)具有第一端部(7)和第二端部(8)，并且所述线圈(C1、C2、C3)被轴向设置在所述电枢(2)的外侧表面上以使得线圈(C2)的延伸超出所述电枢(2)的所述第一端部(7)的一个端部部分(20C)沿朝向所述场磁体设置(3)背离所述电枢(2)的方向倾斜，并且 使得相同线圈(C2)的延伸超出所述电枢(2)的所述第二端部(8)的另ー个端部部分(20C’ )沿背离所述场磁体设置(3)的方向倾斜或不存在傾斜。
11.根据权利要求10所述的电机(4、4’)，其中延伸超出所述电枢(2)的所述第二端部(8)的所述第二端部部分(20C’)与其主体部分(20A、20B)之间相夹的角度包括基本上45。。
12.根据前述权利要求中任ー权利要求所述的电机(4、4’)，其中所述场磁体设置(3)是外部转子并且所述电枢(2)是内部定子。
13.用于根据权利要求1-12中任ー权利要求所述的电机(4)的电枢(2)或场磁体设置(3)。
14.包括根据权利要求1-12中任ー权利要求所述的电机(4)的风カ涡轮机(5)。
15.根据权利要求1-12中任ー权利要求所述的电机(4)作为风カ涡轮机(5)的发电机(4)的使用。
全文摘要
本发明涉及电机(4、4’)，特别是发电机，其具有彼此被间隙分开的电枢(2)和至少一个场磁体设置(3)，其中电枢和/或场磁体设置包括多个线圈(C1、C2、C3)。每个线圈包括导电主体部分(10A、10B、20A、20B、30A、30B)，其中线圈的主体部分由导电端部部分(10C、20C、30C)电连结。电枢的至少一个线圈的至少一个所述端部部分沿朝向场磁体设置背离电枢的方向倾斜并且/或者场磁体设置的至少一个线圈的至少一个所述端部部分朝向电枢沿背离场磁体设置的方向倾斜。本发明还描述用于风力涡轮机(5)的电枢和/或场磁体设置、具有这种电机(4)的风力涡轮机(5)以及电机(4)作为发电机的使用。
文档编号H02K3/28GK102651582SQ20121004729
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者J.勒贝纳雷 申请人:西门子公司