分段定子、发电机、风力涡轮机和定子段的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于发电机的分段定子，特别是用于风力涡轮机的发电机的分段定子。该风力涡轮机可以是直接驱动式风力涡轮机，即在轮毂和发电机之间没有齿轮箱，其中，其发电机包括这样的分段定子。本实用新型还涉及一种发电机，特别是用于风力涡轮机的发电机，该发电机包括定子；一种包括该发电机的风力涡轮机；一种构造成用于该定子中的定子段；以及一种制造该分段定子的方法。


背景技术：

2.诸如安装在风力涡轮机中的发电机之类的发电机通常包括相对于定子旋转的转子。
3.该定子通常包括框架主体，该框架主体沿纵向轴线纵向延伸，并且包括定子轭以及从该定子轭按照径向方向突出的多个齿。在该定子中，还限定了多个槽，每个槽通常由两个相邻的齿周向界定，并且在该定子轭和相应的齿径向端部之间径向延伸。每个槽收容至少一个线圈绕组的一部分。
4.在该技术领域中，还已知构建直接驱动式发电机，特别是待用于风力发电机组中的大型直接驱动式发电机，该直接驱动式发电机包括具有分段结构的定子。定子段可被布置成沿定子的周向方向覆盖例如30
°
、60
°
、90
°
、120
°
（或任何其他角度）的弧。这些定子段周向布置成形成定子（例如，定子可包括六个定子段，它们各自覆盖60
°
的弧）。这些段可被栓接到端板上，该端板是将这些段连接到支撑结构的大型垫圈状环。
5.分段部具有两个端线圈，当沿定子的周向方向从一侧到另一侧计数时，这两个端线圈是第一线圈和最后的线圈。
6.该过程的不便之处在于在每个段的周向端部处固定机械支撑件。根据线圈设计的拓扑结构，这些端线圈被放置在开放槽（具有一个齿）或封闭槽（具有两个齿）中。
7.如果端线圈槽是封闭的，则封闭槽的齿可具有全部或部分宽度，例如半个齿。这些齿的宽度越大，两个周向相邻的段的端线圈之间的距离就越大。
8.两个周向相邻的定子段之间的间隙会影响转矩谐波（torque harmonics）。减小该间隙会减小幅度。然而，机械和热性能决定了最小容许间隙。
9.因此，仍然需要提供一种分段定子，其可改善热性能并减小转矩谐波。该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本实用新型如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。


技术实现要素：

10.根据本实用新型的第一方面，一种用于发电机的分段定子，特别是用于风力涡轮机的发电机的分段定子，包括用于线圈绕组的多个齿和槽，其中，该齿沿定子的径向方向从定子的轭延伸。该定子包括至少第一定子段和第二定子段，该第一定子段在该定子的周向方向上具有第一端表面，该第二定子段在该定子的周向方向上具有第二端表面，其中，该第
一端表面和第二端表面彼此相邻布置，以形成该定子。该第一端表面包括在定子的周向方向上突出的第一突起以及处于该第一突起之间的第一凹部，形成第一齿的第一突起沿定子的径向方向从定子的轭延伸。该第二端表面包括在定子的周向方向上突出的第二突起以及处于该第二突起之间的第二凹部，该第二突起形成沿定子的径向方向从定子的轭延伸的第二齿。该第一突起与该第二凹部互补地成形，并且该第二突起与该第一凹部互补地成形。换句话说，第二端表面中的一个具有第一端表面的负形状。该第一突起和第二突起以交错的方式布置。
11.在第一方面的实施例中，该第一突起和第二突起在定子的轴向方向上交替地布置。
12.在第一方面的实施例中，如沿定子的径向方向观察，该第一齿和第二齿基本上具有矩形形状。在修改的实施例中，如沿定子的径向方向观察，该第一齿和第二齿可基本上具有三角形形状、梯形形状或圆形形状，例如凸形和凹形形状。
13.在第一方面的实施例中，该第一齿和第二齿在定子的周向方向上具有的宽度小于或等于第一段和第二段的其他齿的宽度，优选为该第一段和第二段的其他齿的宽度的一半。
14.根据本实用新型的第二方面，一种用于发电机的分段定子，特别是用于风力涡轮机的发电机的分段定子，包括多个齿和槽，其中，该齿沿定子的径向方向从定子的轭延伸。线圈绕组被布置在这些槽中。该定子由至少第一定子段和第二定子段构成，该第一定子段在该定子的周向方向上具有第一端表面，该第二定子段在该定子的周向方向上具有第二端表面，其中，该第一端表面和第二端表面彼此相邻布置，以形成该定子。该第一定子段包括处于第一端表面处的第一端线圈绕组，并且该第二定子段包括处于第二端表面处的第二端线圈绕组。带被缠绕在该第一端线圈绕组和第二端线圈绕组周围。
15.该第二方面的分段定子是第一方面的分段定子的替代实施例，并且基本上提供相同的优点。特别是在第二方面，可减小有害的转矩谐波，使得电气性能优异。
16.在第一方面或第二方面的实施例中，该第一定子段和第二定子段包括铁片的至少两个叠置件，它们在定子的轴向方向上一个叠置在另一个上，其中，间隔件被布置在这些铁片的叠置件之间。这些间隔件在铁片的叠置件之间提供轴向距离，使得可实现定子的空气冷却效果。
17.在第二方面的实施例中，该带被缠绕在该间隔件中的至少一个周围，使得该带通过该间隔件机械地支撑。
18.在第二方面的实施例中，该定子还包括布置在第一端表面和第二端表面之间的片材，其中，该带被缠绕在该片材周围。该片材提高了定子的机械耐久性。该片材也可具有板的形状，其可以是刚性的或半刚性的。
19.在第一方面或第二方面的实施例中，该定子还包括作为线圈绕组的集中线圈绕组（concentrated coil winding）。在集中线圈绕组中，槽的数量可等于极数。每个槽中可放置一个线圈绕组。发电机的输出电压可通过该集中线圈绕组最大化。
20.在第一方面或第二方面的实施例中，该第一定子段和第二定子段是叠层的（laminated）。这使得能够制造相对大的定子。在叠层结构中，多个定子段层在定子的轴向方向上一个叠置在另一个上。
21.根据本实用新型的第三方面，一种发电机，特别是用于风力涡轮机的发电机，包括根据第一方面或第二方面的定子以及转子，该转子可旋转地布置在该定子周围或内部，并且可包括至少一个永磁体。
22.根据本实用新型的第四方面，一种风力涡轮机包括该发电机，其中，该风力涡轮机可以是直接驱动式风力涡轮机，即在轮毂和该发电机之间没有齿轮箱。所述分段定子可被组装到通常用于这样的直接驱动式风力涡轮机中的相对大的定子。
23.根据本实用新型的第五方面，一种定子段被构造成用于根据第一方面或第二方面的定子中。该定子段在该定子的周向方向上包括端表面。该端表面包括在该定子的周向方向上突出的突起以及处于所述突起之间的凹部。所述突起与所述凹部互补地成形。所述突起形成沿定子的径向方向从定子的轭延伸的齿。
24.本实用新型的第六方面涉及一种制造根据第一方面的分段定子的方法。该方法包括以下步骤，即：将该第一端表面和第二端表面彼此相邻地布置，以形成所述定子，其中，所述线圈绕组已预先被放置在所述槽中。由此，所述定子段可以是中间产品，使得可通过该制造方法来降低成本。
25.需要注意的是，已参考不同的主题描述了本实用新型的实施例。特别地，一些实施例已参考装置类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置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何组合也被认为利用本申请公开。
附图说明
26.本实用新型的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本实用新型，但本实用新型并不限于这些实施例的示例。
27.图1示出了风力涡轮机；
28.图2示出了根据本实用新型的一个实施例的定子段的示意性平面图；
29.图3示出了根据本实用新型的一个实施例的定子段的沿图2中的剖面iii
‑
iii的示意性剖视图；以及
30.图4示出了根据本实用新型的另一个实施例的定子段的示意性平面图。
具体实施方式
31.附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。
32.图1示出了包括塔架20的风力涡轮机100，该塔架20被安装在未描绘出的基座上。机舱30被布置在塔架20的顶部上。
33.风力涡轮机100还包括轮毂50，其具有两个、三个或更多个叶片40（在图1中，仅两个叶片40是可见的）。叶片40相对于旋转轴线y径向延伸。
34.轮毂50可围绕旋转纵向轴线y旋转。当未不同地指定时，下文中的术语“轴向”、“径向”以及“周向”是参考旋转轴线y作出。
35.风力涡轮机100包括永磁发电机1。轮毂50直接地或借助于可旋转的主轴90与永磁发电机1旋转地耦接。设置了示意性地描绘的轴承组件80，以便将主轴90和轮毂50保持就位。可旋转的主轴90沿旋转轴线y延伸。
36.永磁发电机1包括定子20和转子60。转子60可绕旋转轴线y旋转并围绕定子20布置（或者可替代地，布置在定子20内），并且包括至少一个永磁体。定子20的轴向方向与旋转轴线y相同。
37.风力涡轮机100优选地是直接驱动式风力涡轮机，这意味着风力涡轮机100在轮毂50和发电机1之间不包括齿轮箱。
38.图2示出了根据本实用新型的一个实施例的分段定子20的定子段5、7的示意性平面图，并且图3示出了根据本实用新型的一个实施例的定子段7的沿图2中的剖面iii
‑
iii的示意性剖视图。旋转轴线y也与定子段5的轴向方向以及定子段7的轴向方向相同。
39.因此，定子20是所谓的分段定子，其可用于发电机1中，特别是用于风力涡轮机100的发电机1中。定子20包括用于线圈绕组4的多个齿2和槽3，其中，该齿2沿定子20的径向方向从定子20的轭22延伸。定子20包括至少第一定子段5和第二定子段7，该第一定子段5在定子20的周向方向上具有第一端表面6，该第二定子段7在定子20的周向方向上具有第二端表面8，其中，该第一端表面6和第二端表面8彼此相邻布置，以形成定子20。
40.第一端表面6包括在定子20的周向方向上突出的第一突起9以及处于其间的第一凹部10，并且每个第一突起9形成沿定子20的径向方向从定子20的轭22延伸的第一齿2a。
41.第二端表面8包括在定子20的周向方向上突出的第二突起11以及处于其间的第二凹部12，并且每个第二突起11形成沿定子20的径向方向从定子20的轭22延伸的第二齿2b。
42.第一突起9与第二凹部12互补地成形，并且第二突起11与第一凹部10互补地成形。换句话说，第二端表面8具有第一端表面6的负形状（negative shape）。第一突起9和第二突起11以互补梳的方式彼此接合（尽管在第一突起9和第二突起11之间通常没有机械接触）。第一突起9和第二突起11沿定子20的轴向方向y以交错的方式布置。
43.在图2和图3的实施例中，第一定子段5包括两个第一齿9和三个第一凹部10，而第二定子段7包括三个第二齿11和两个第二凹部12。一般而言，第一定子段5可包括n个第一齿9和n+1个第一凹部10，而第二定子段7可包括n+1个第二齿11和n个第二凹部12，其中，n是大于1、优选为大于2的整数。在修改的实施例中，第一定子段5可包括n个第一齿9和n个第一凹部10，而第二定子段7可包括n个第二齿11和n个第二凹部12，其中，n是大于1、优选为大于2的整数。
44.如图2中所示，第一突起9和第二突起11沿定子20的轴向方向y交替地布置，并且第一齿2a和第二齿2b如沿定子20的径向方向观察基本上具有矩形形状。在修改的实施例中，如沿定子20的径向方向观察，第一齿2a和第二齿2b可基本上具有三角形形状、梯形形状或圆形形状，例如凸形和凹形形状。
45.如图3中所示，第二齿2b（以及同样，第一齿2a，尽管未在图3中示出）在定子20的周向方向上具有的宽度小于或等于第二段7（以及同样，第一段5）的其他齿2的宽度，优选为第一段5和第二段7的其他齿2的宽度的一半。
46.第一定子段5和第二定子段7之间的间隙是设计参数（定子20的周向方向上的最小空隙）。该间隙可取决于齿9、11的宽度，例如上面提到的一半宽度，以及取决于段5、7之间在
定子20的周向方向上的最小空隙。
47.图4示出了根据本实用新型的另一个实施例的分段定子20的定子段5、7的示意性平面图。该分段定子20可用于发电机1中，特别是用于风力涡轮机100的发电机1中。定子20包括多个齿2和槽3，其中，该齿2沿定子20的径向方向从定子20的轭22延伸。线圈绕组4被布置在槽3中。定子20由至少第一定子段5和第二定子段7构成，该第一定子段5在定子20的周向方向上具有第一端表面6，该第二定子段7在定子20的周向方向上具有第二端表面8，其中，该第一端表面6和第二端表面8彼此相邻布置，以形成定子20。第一定子段5包括处于第一端表面6处的第一端线圈绕组4a，并且第二定子段7包括处于第二端表面8处的第二端线圈绕组4b。与图2和图3的实施例相反，在第一定子段5和第二定子段7的第一端表面6和第二端表面8处不存在半齿，而是槽。带13被缠绕在第一端线圈绕组4a和第二端线圈绕组4b周围，以将第一端线圈绕组4a和第二端线圈绕组4b保持就位。
48.片材14布置在第一端表面6和第二端表面8之间，其中，带13被缠绕在片材14周围，并且间隔件21使铁片的叠置件15、16、17、18、19保持分开。第一定子段5和第二定子段7之间的距离由片材14的厚度确定。片材14提高了定子20的机械耐久性。片材14也可具有板的形状，其可以是刚性的或半刚性的。
49.在图1至图4的实施例中，第一定子段5和第二定子段7包括铁片的至少两个叠置件15、16、17、18、19，它们在定子20的轴向方向y上一个叠置在另一个上（所谓的叠片式定子段，其由作为定子段层的铁片形成），其中，间隔件21可被布置在铁片的叠置件15、16、17、18、19之间。间隔件21在铁片的相邻叠置件15、16、17、18、19之间提供轴向间隙，从而导致用于定子20的空气冷却的径向布置的管道。
50.在图2和图3的实施例中，第一定子段5包括第一叠置件15、17、19，该第一叠置件15、17、19在定子20的周向方向上具有一定长度，使得形成第一凹部10。第一定子段5还包括第二叠置件16、18，该第二叠置件16、18在定子20的周向方向上具有一定长度，使得形成第一突起9。换句话说，每个轴向间隙被限定在限定第一凹部10中的一个的第一叠置件15、17、19与限定第一突起9中的一个的第二叠置件16、18之间。
51.在图4的实施例中，带13被缠绕在间隔件21中的至少一个周围，使得带13通过该间隔件支撑。
52.在图1至图4的实施例中，线圈绕组4可以是集中线圈绕组（分数槽设计拓扑）。
53.在图1至图4的实施例中，铁片的叠置件15、16、17、18、19不一定具有相等的轴向长度。此外，间隔件21可被省略。
54.应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。