风力发电机的制作方法
【专利摘要】一种风力发电机，包括定子、转子和用于磁化风力发电机的转子的固定的超导线圈结构，转子具有能够连接至风力涡轮机的轴，风力发电机的定子包括用于从风力发电机产生电力的多相绕组。风力发电机为同步发电机，并且超导线圈结构包括设置为通过超导线圈磁化成具有相反极性的端部，并且转子包括在转子的表面中沿发电机的轴的方向延伸的磁极，磁极布置成使用超导线圈结构进行磁化，其中，每个转子磁极布置成在磁极的一端处向内延伸使得磁极的向内延伸端布置在超导线圈结构的端部附近以便磁化转子磁极，并且其中，转子磁极包括极靴，极靴形成为在定子与转子之间的气隙中提供正弦变化的气隙磁通。
【专利说明】
风力发电机
技术领域
[0001]本发明涉及风力发电机，并且更具体地涉及采用超导体来提供转子磁化的风力发电机。
【背景技术】
[0002 ]在旋转电机的领域中已知使用超导线材来在旋转电机上产生励磁。
[0003]JP55005043 A中提出了采用超导线圈来磁化转子的结构的一个示例。在该文献中，超导线圈围绕形成转子结构的感应芯。当直流电供给至线圈时，感应芯被磁化使得在感应芯的两端形成凸极。电机的定子包括位于定子的内部结构的两端处的对应磁极。定子端部被通以交流电来获得驱动电机的力。替代性地，当转子通过外力旋转时，通过使被磁化的转子磁极旋转实现在定子的两端中产生电压。
[0004]在文献US2004/0239201 Al中提出了使用超导线圈使电机旋转的另一示例，该文献公开了用于产生电力的方法和系统。此外，在该结构中，超导线圈保持固定并且转子在线圈内旋转。超导线圈在转子的端部产生磁极使得S极和N极位于转子的相反两端。
[0005]在以上文献中，与转子结构的长度相比，转子与定子之间的磁耦合相对较短。短的磁耦合进一步意味着定子与转子之间的能量传递不是最优的。在这些文献中，转子磁极在转子的整个纵向方向上并未处于转子的表面中。转子的这种特别的结构需要使用机械上和电学上特别构造和定尺寸的定子。
[0006]在以上示例中，超导线圈的固定和所需的低温工程的应用也是非常复杂的。
[0007]由于能够获得高功率范围和高效率，使用具有超导线圈的风力发电机是非常有吸引力的。然而，由于超导线圈的冷却成问题，以上示例不适于风力发电用途。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种风力发电机以克服以上问题。本发明的目的通过以独立权利要求所述的结构为特征的风力发电机来实现。本发明的优选实施方式公开在从属权利要求中。
[0009]本发明基于使用固定地位于旋转转子内的超导磁化结构的构思。超导线圈在固定芯的端部上产生相反的磁极。转子结构包括延伸穿过转子磁轭的转子磁极。每个转子磁极具有磁刷，磁刷靠近磁化芯端的端部绕行，使得磁极被磁化。转子的北极和南极在转子的相反两端径向向内地朝向固定芯延伸。由于磁极的磁化从转子内进行，磁极可以在转子磁轭的表面中沿转子的轴向方向纵向地延伸。
[0010]该转子结构的优点在于转子与定子之间的能量传递比先前已知结构好得多。这导致结构的效率更佳。此外，由于磁极以常规方式中安置在转子磁轭的表面中，因此定子结构可以是常规的并且不需要重新设计。本发明的风力发电机的另一优点在于转子磁极可以更自由地构造从而允许从定子产生具有低谐波含量的输出电压。此外，可以通过转子磁极设计减轻成问题的齿槽转矩现象。
[0011]超导线圈和线圈所缠绕的芯是可以容易地制造并且在使用时被冷却的单一体。当风力发电机定位于不易达的位置时，在可能的故障情形下，简单结构有助于维护。
[0012]根据实施方式，风力发电机的转子仅在转子的一端配备有轴承。在轴承仅位于驱动端一一即具有风力涡轮机的一端一一的情况下，非驱动端可以容纳转子的电力所需的接线和用于冷却剂的管道系统。此外，由于非驱动端可以不设置轴承，使发电机尤其是转子的维护更容易。
【附图说明】
[0013]下面将参照附图通过优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中:
[0014]图1示出了本发明的发电机的截面图；
[0015]图2示出了发电机的沿着图1的线A-a的截面图；
[0016]图3示出了发电机的沿着图1的线B-b的截面图；以及
[0017]图4a和图4b示出了本发明的发电机的磁极的俯视图和侧视图。
【具体实施方式】
[0018]图1示出了本发明的实施方式的风力发电机的截面图。沿为发电机的轴的方向的纵向方向将发电机切成两半。图1示出了发电机的定子11，其为发电机的最靠外部分。定子配备有定子绕组。本公开的发电机的定子绕组可以是任何已知类型的绕组。通常，定子绕组是多相绕组，优选地是三相绕组。由于本发明的风力发电机的转子结构形成可与永久磁化的磁极相比的磁极，定子绕组可以具有通常结合同步发电机使用的设计。更具体地，定子绕组在定子芯中形成为使得定子绕组的轴向长度与定子芯的长度相对应。因而定子绕组沿芯的轴向方向延伸定子芯的整个长度。
[0019]此外，图1示出了固定的磁化线圈15，该固定的磁化线圈15为超导线圈。线圈形成在具有端部13、14的芯结构上。芯结构为基本上柱形的结构，其中，端部13、14的直径较大。超导线圈15缠绕在两个端部之间的区域中。众所周知，超导线圈需要低温来产生超导效应。缠绕在芯结构中的线圈围绕以冷却装置16并且冷却介质通过发电机的非驱动端NDE供给至固定芯。超导线圈也通过发电机的非驱动端提供电力。
[0020]在本公开的发电机中，转子17在发电机的径向方向上定位于固定的定子结构11与固定的磁化卷筒12之间。由于磁化线圈位于转子结构内，转子是大体上中空的。大体上中空的转子结构包括使用超导线圈15磁化的磁极18。图1仅示出了具有相同极性一一即，磁极以类似方式被磁化一一的两个磁极。示出了图1的沿着线A-a的截面图的图2也示出了磁化为具有相反极性的另外两个磁极19。
[0021]对于使磁极磁化而言，每个磁极在发电机的一端处在转子结构内朝向芯结构的端部13、14延伸。如图1中可见的，磁极18在非驱动端中向内朝向芯结构的端部延伸。这些延伸形成磁刷20，利用超导线圈产生的磁化作用通过磁刷20引导至转子磁极使得转子磁极获得磁极性。图3示出了图1的沿着线B-b的另一截面图。线B-b在发电机的驱动端DE中并且穿过芯结构的端部14。在图2中，示出了磁极18在非驱动端中具有延伸部，而在图3中，显示了磁极19的磁刷。因而，具有不同极性的磁极在发电机的不同端具有磁刷并且由于图1的发电机包括两个磁极对，即，四个磁极，具有与所示磁极的极性相反的极性的磁极是不可见的。转子磁极的数量不限于示例。磁极的数量根据所需结构可以是八个或更多个。
[0022]延伸到转子结构内的磁刷大体靠近芯结构的端部。在端部与磁刷之间形成有气隙。为了保持小的气隙阻抗和高的磁路效率，气隙应尽可能小。根据发电机的尺寸，每个气隙的长度在Imm至3mm的范围内。向内延伸的磁刷20在转子旋转期间保持始终靠近磁化卷筒的端部，并且因此转子的磁极为永久被磁化的。
[0023]磁刷在端部的整个长度上都很靠近磁化线圈的端部。如图1中所示，距离从端部的内侧开始逐渐增大。
[0024]图2和图3进一步示出了发电机的磁极在磁极的具有磁刷的端部处更厚或更宽。图4a和图4b示出了不带极靴的磁极的俯视图和侧视图。可以看出，磁极朝向磁极的一端渐缩。磁极朝向其渐缩的端部为不具有磁刷一一即，朝向卷筒的端部延伸的延伸部一一的端部。渐缩形式确保磁通密度在磁极的整个长度上相等。本公开的磁极比已知的具有永磁体磁极或被磁化的磁极的发电机轻得多。这提供了磁极安装容易得多并且转子容许更高的旋转速度的优点。
[0025]如图2和图3中进一步可见的，磁刷优选地形成为具有弯曲形状使得芯结构的端部与磁刷之间的磁性接触区域较长。磁刷的弯曲形状基本上为圆的一部分使得从曲线的每个点至芯的端部的距离大致相等。
[0026]通过线圈形成的磁通从磁化线圈的芯流动至线圈结构的端部。磁通从端部传输至磁极，从磁极传输至定子芯，然后通过具有相反极性的磁极回到位于发电机的另一端处的磁刷，并且最终通过芯结构的另一端部回到磁化线圈的芯。
[0027 ]转子本体优选地由顺磁或抗磁材料制成。转子基本上为筒形环，铁的磁极通过层叠的极靴附接至筒形环。磁刷也可以由与磁极相同的材料制成。芯结构的端部也由铁制成或者在需要减小过度的铁损失的情况下由电工钢制成。由于转子的磁极不需要励磁绕组或阻尼条，极靴可以相当自由地形成。极靴与定子之间的气隙以获得磁通的最佳分布的方式形成。磁通分布通常是使得在定子中获得具有少谐波含量的正弦电压。在常规同步发电机中，气隙形状的优化因例如固定螺栓和阻尼条受到限制。根据本发明，转子极靴形成为使得由转子磁极产生的气隙磁通正弦地变化。因而每个极靴形成为使得极靴与定子内表面之间的距离在极靴的中心线上最短，并且该距离在远离所述中心线移动时大致对称地增大。
[0028]层叠的极靴或堆叠的极靴的使用还提供了改变轴向极靴宽度的可能性。此外，定子与转子之间的气隙也可以形成为略微变化。通过这样的改型，减轻了同步发电机中存在的齿槽转矩。本发明的发电机的转子磁极使得还能够使磁极略微偏斜从而使转子磁极与转子的轴的方向不完全对齐。磁极重量更轻并且磁极的附接很简单。
[0029]图1示出了固定的磁化芯如何在非驱动端中延伸的一个示例。延伸部产生了用于冷却超导线圈用的冷却剂且用于对线圈供电的路径。此外，转子结构在非驱动端中延伸。延伸的转子还使用轴承21抵靠芯结构的固定延伸部22进行支承。此外，由于超导线圈是固定的，其利用芯结构在非驱动端中的延伸部保持就位。固定的芯结构的延伸部优选地附接至定子机构。
[0030]在驱动端中，转子结构包括附接发电机的轴23的端环或类似的大致闭合的结构。轴还用轴承24支承。轴承组件也可以是如这里提供的一些其他类型。例如，轴承可以设计成在非驱动端中无轴承而在驱动端中有两个轴承。由于非驱动端没有轴承，系统的维护因更易触及发电机的转子而更容易。
[0031]由于磁化源大致远离磁极的表面定位，变频器的使用不会对磁化源产生与温度相关的问题。通常存在于变频器产生的电压中的较高谐波分量导致一些附加加热。由于固定的磁化线圈远离定子结构，温度上升不会影响超导线圈的冷却系统。
[0032]还已知永磁体磁极的操作取决于磁极的温度。在本发明中，磁化与磁极的温度完全独立。在永磁式发电机中，磁化作用因发电机变热而降低。这导致功率因数的降低。在本发明的发电机中，由于发电机的磁化可以通过控制超导线圈中的电流根据需要进行控制，因此不会遇到这样的问题。功率因数能够通过改变发电机中的超导线圈的电流来控制。通过增大功率因数，可以降低定子电流并且增大发电机的效率。这进一步导致产生的热损失减小。
[0033]根据本发明获得了尺寸小型化的功率相当大的发电机。例如，在15MW的额定功率和6千伏的额定电压的情况下，当马达的额定速度为2000rpm时，发电机的直径将为约182cm。线圈结构中的用于磁化的所需安培匝数在150kA的范围内。
[0034]本发明的风力发电机能够连接至用于使发电机的转子旋转以产生电力的风力涡轮机。涡轮机与发电机之间的连接是直接的或通过齿轮系统进行。与常用功率相关的发电机的紧凑结构使得风力发电厂需要的结构的尺寸也小型化。当与相同额定功率的永磁体发电机相比时，本发明的发电机所需的支承结构可以是更轻的。另一方面，本发明的发电机可以制成为大型的，使得发电机的额定旋转速度相对较低。如上面提及的，发电机的转子中的磁极的数量可以多。
[0035]当超导线圈以高温超导线圈的方式操作时，需要的温度为约20K。这使得能够使用低温冷却器来冷却超导线材。然而，低温超导方法结合本发明的使用也是合适的。用于高温超导线材的适合的材料包括MgB2材料和YBCO材料，然而可以使用任何合适的材料来产生超导线圈。
[0036]对本领域技术人员来说显而易见的是，本发明的构思能够以多种方式实施。本发明和本发明的实施方式不限于上述示例而是可以在权利要求的范围内改型。
【主权项】
1.一种风力发电机，包括具有定子芯的定子绕组、具有芯结构和轴的转子以及用于磁化所述风力发电机的所述转子的固定的超导线圈结构，所述轴能够连接至风力涡轮机，所述风力发电机的所述定子包括用于从所述风力发电机产生电力的多相绕组，所述多相定子绕组在所述定子芯中沿所述芯的轴向方向延伸达所述芯的整个轴向长度，其特征在于， 所述风力发电机是同步发电机，并且 所述超导线圈结构包括设置为被超导线圈磁化成具有相反极性的端部，并且 所述转子包括沿所述发电机的所述轴的方向在所述转子芯结构的表面中延伸的磁极，所述磁极设置成使用所述超导线圈结构进行磁化，其中，每个转子磁极设置成在所述磁极的一端向内延伸而使得所述磁极的向内延伸端设置在所述超导线圈结构的端部附近以便磁化所述转子磁极，并且其中，所述转子磁极包括极靴，所述极靴形成为在所述定子与所述转子之间的气隙中提供正弦变化的气隙磁通。2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述超导线圈为筒形并且沿所述风力发电机的纵向方向设置在所述风力发电机的所述转子内而使得所述超导线圈结构的所述端部位于所述发电机的相反两端。3.根据权利要求1或2所述的风力发电机，其特征在于，所述超导线圈包括缠绕在芯结构上的绕组，所述芯结构具有引导能够利用所述绕组产生的磁通的材料，其中，所述线圈结构的所述端部适于通过所述磁极的所述向内延伸端将磁通从所述芯结构引导至所述转子磁极。4.根据权利要求1或2或3所述的风力发电机，其特征在于，所述磁极的所述向内延伸端在所述线圈结构的所述端部的轴向长度内设置在所述端部附近。5.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述磁极的所述向内延伸端设置成仅在所述端部的轴向长度的范围内延伸到所述转子结构内。6.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述磁极的所述向内延伸端设置成延伸到所述转子结构内，使得从所述转子的所述延伸端至所述线圈结构的所述端部的距离基本上是恒定的并且延伸量从所述端部的内侧开始逐渐减小。7.根据前述权利要求1至6中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述磁极设置成从所述磁极的具有所述向内延伸端的一端向所述磁极的另一端渐缩。8.根据前述权利要求1至7中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述磁极的所述向内延伸端的下表面设置成具有弯曲表面。9.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述转子极靴由电钢片通过堆叠形成并且所述转子极靴形成为从所述发电机获得正弦输出电压。10.根据前述权利要求1至9中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述转子由附接所述转子磁极的筒形环状顺磁元件形成。11.根据前述权利要求1至10中的任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述转子由轴承进行支承，所述轴承仅位于所述风力发电机的所述驱动端。
【文档编号】H02K7/18GK105830323SQ201380081668
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2013年12月18日
【发明人】埃诺·西兰德
【申请人】Abb技术有限公司