专利名称：定子装置、发电机和风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风力涡轮机的发电机的定子装置。本发明还 涉及一种发电机，例如包括这样的定子装置的用于风力涡轮机的直接 驱动发电机，以及一种包括这样的发电机的风力涡轮机。
背景技术：
每个风力涡轮机都包括发电机，例如大型直接驱动发电机，该发 电机具有发电机定子和发电机转子，用于产生电能。风力涡轮机竖立 在海岸上或近海中。特别是，当风力涡轮机竖立在近海中时，整个风 力涡轮机以及发电机都暴露于恶劣的环境条件中，例如潮湿、有盐颗 粒等。特别是当没有充分防护时，风力涡轮机发电机的定子部件由于 腐蚀而受到损害，并增加了在这种近海环境条件下发生电故障的危险。 因此，通常希望这样的发电机完全封闭。
不过，在特定情况下，将大型风力涡轮机发电机布置成不完全封 闭会比较方便。 一个示例是当发电机定位在位于风力涡轮机转子和支 柱之间的塔前部，从而位于支柱的上风侧时。在这种情况下，通向转 子轮毂的通道(例如用于维护)最好布置成穿过发电机的通路，这显 然与希望具有总体封闭的发电机相冲突。
另外，发电机定子包括一系列独立的定子段是有益的。分段定子 具有的优点是当发生故障时，可以更换各个受影响的定子段，其所需 的成本和工作只是更换整个定子所需的成本和工作的一小部分。不过，
在各定子段的运输和处理过程中，例如在风力涡轮机的竖立过程中， 定子段暴露于潮湿和有盐的环境条件中可能会引起单个定子段损坏。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种如开始所述的定子装置、发电机 和风力涡轮机，它优选是能够避免由于恶劣的环境条件而引起的定子 装置损坏。
根据本发明，该目的通过一种用于风力涡轮机的优选是直接驱动发电机的定子装置或定子来实现，该定子装置或定子包括多个定子段， 这些定子段基本形成发电机的定子，其中，每个定子段具有至少一个 定子绕组和/或一叠片组，其中，每个定子段优选是被完全模制或铸造 到具有电绝缘特性和/或防腐蚀特性和/或导热特性的材料内。通过优 选是完全使用具有全部三个所述特性的所述材料来模制或铸造每个定 子段，每个定子段的该至少一个定子绕组和/或该叠片组以及这些叠层 板将分别受到特别保护，以防腐蚀、潮湿、盐和尘土颗粒。这样就能 够避免由于恶劣外部环境条件所造成的定子段的损坏，特别是在运输、 处理和工作过程中。结果就是能够延长定子段的寿命。
具有多个被模制或铸造成并由此受到全面保护的定子段的定子装 置或定子的设计还能够允许不完全封闭的发电机，例如没有完全封闭 的大型直接驱动发电机。因此，发电机能够包括穿过该发电机的通路， 该通路的益处是便于维护风力涡轮机，特别是当发电机位于处在风力 涡轮机转子和支柱之间并处于风力涡轮机的支柱的上风侧时。
另外，具有独立定子段的定子装置或定子的模块化设计还能够在 单个定子段故障时只更换单个受影响的定子段，而不是更换整个定子 装置、定子或者甚至整个发电机。因此维护进一步得到简化。
优选是，每个定子段为环段形的段。这样，当独立的环段形段在 它们的侧面上相互连接时，它们形成环形定子装置或定子。该定子装 置或定子典型地布置成环绕风力涡轮机发电机的发电机转子或者布置 在该发电机转子的内部。
根据本发明的变体，具有电绝缘特性和/或防腐蚀特性和/或导热 特性的材料是树脂、铸造树脂、环氧树脂或环氧铸造树脂。还可以添 加材料到树脂中，通常用于铸造树脂改造，该添加材料例如是用于改
进导热性的二氧化硅(Si02)和/或用于避免树脂破裂的玻璃纤维。如
前所述，每个定子段优选被完全模制或铸造到相应材料中，以便完全 保护定子段免受恶劣的周围环境条件。
在本发明的另一种发展中，定子段包括至少用于冷却各自定子段 的冷却装置。优选是，冷却装置用于使模制或铸造成的定子段保持在 工作温度限制范围内，
根据本发明的一个实施例，定子段的冷却装置包括用于冷却介质 的至少一个导管。优选是，导管是集成在模制或铸造定子段中的夹套或管子。根据本发明的变体，冷却介质是通过导管引导或泵送的冷却 气体、冷却油或水。因此，定子段能够得到有效冷却。
根据本发明的另一种实施例，定子段的冷却装置包括各定子段的 外表面，该外表面具有散热特性。在本发明的一个变体中，外表面是 各定子段的模制或铸造材料的表面，特别是当模制或铸造材料具有导 热特性时。在本发明的另一变体中，外表面是具有散热特性的材料表 面，该材料表面附接(例如粘接)到各定子段的模制或铸造材料上。 该外表面可以是具有相对良好导热和散热特性的(例如金属板)表面， 例如铝，并与模制或铸造材料粘接。这样定子段也能够得到冷却。
根据本发明的又一种实施例，定子段的冷却装置包括至少一个导 热元件。优选是，导热元件布置成邻近于定子绕组，因此至少部分被 集成在定子段的模制或铸造材料中。根据本发明的变体，导热元件布 置成邻近于定子绕组的绕组头部，或者延伸穿过定子绕组的绕组头部 的开口，并通向各定子段的表面。优选是，导热元件是集成在各定子 段的模制或铸造材料中的铝铸造元件。这样就为工作中产生的热量(特 别是在绕组头部附近)提供了通向热沉的直接通路，因为该绕组头部 并不会因靠近叠片组的传热装置而受益。
根据本发明的另一种实施例，定子装置或定子包括至少一个换热 器，其中，定子段的冷却装置与换热器连接。例如，定子段的用于冷 却介质的导管、至少一个换热器和(优选是)至少一个泵是用于冷却 定子段(因此冷却整个定子装置或定子)的冷却介质的循环的一部分。
本发明的目的还通过一种包括前述定子装置的直接驱动发电机或 者通过包括前述定子装置或前述直接驱动发电机的风力涡轮机来实 现。
下面将参考附图更详细地介绍本发明，附图中 图1表示了风力涡轮机；
图2表示了图1的风力涡轮机的发电机的定子段或定子的轴向剖 视图3表示了图2的定子段沿箭头III的方向的剖视图4表示了用于风力涡轮机的发电机的定子的另一定子段的轴向剖视图；以及
图5表示了图4的定子段沿箭头V的方向的剖视图。
具体实施例方式
图1显示了风力涡轮机1。该风力涡轮机1包括竖立在海床上的 支柱2;机革3;以及轮毂4，该轮毂4有转子叶片5。如图1中所示 意的，发电机(在本发明实施例中为直接驱动发电机6)布置在机罩3 中并位于轮毂4和支柱2之间。直接驱动发电机6包括转子装置7和 定子装置8，该转子装置7与轮毂4连接，该定子装置8包括环形定子 9。直接驱动发电机6具有基本水平定向的中心轴线A。
环形定子9具有模块化设计，其包括多个(例如六个或者更多或 更少)环段(ring segment)形定子段10。在图2和图3中显示了这些 定子段IO之一的剖视图。
在本发明的当前实施例中，所示的环段形定子段10包括叠片组 ll或叠片封装ll;以及定子绕组12,与转子装置7—起用于发电。
在本发明实施例中，环段形定子段io被完全模制或铸造到具有电 绝缘特性和/或防腐蚀特性和/或导热特性的材料13中，以便保护环段 形定子段10 (特别是叠片封装11和定子绕组12)免受损坏和腐蚀， 特别是在恶劣的周围环境条件下。优选是，该材料13包括全部三个所 述特性。但是，材料13还可以根据环段形定子段10的应用范围而只 有一个或两个所述特性。合适的材料13是树脂，例如铸造树脂(casting resin)、环氧树脂以及环氧铸造树脂。在本发明的当前实施例中，模 制或铸造材料13是环氧铸造树脂。使用相应的模具或铸造模具来密封 环段形定子段IO。为了改进材料13和树脂的特性，可以向树脂中添加 材料，例如添加用于提高导热性的二氧化硅(Si02)和/或用于避免树 脂13破裂的玻璃纤维。
在本发明的当前实施例中，环段形定子段10还包括用于在工作过 程中冷却环段形定子段10的冷却装置。在本发明的第一实施例中，冷 却装置由具有散热特性的环段形定子段10的外表面构成。该表面例如 可以是模制或铸造成的环段形定子段10的外表面14，特别是当该材料 13具有足够好的导热特性时。另外地或者可选择地，该外表面可以是 与模制或铸造材料不同的材料表面15，该材料表面15具有散热特性，且附接在环段形定子段10的模制或铸造材料13上。合适的材料例如 是金属材料。在本发明的当前实施例中，铝片16与环段形定子段10 相接合，特别是与表面14的一部分接合。这样，在直接驱动发电机6 和定子9的工作过程中产生的热量通过模制或铸造材料13分别被传导 至表面14和/或铝片16和表面15，并由其散发至周围环境中。
在本发明的第二实施例中，用于冷却环段形定子段10的装置包括 至少一个导热元件。在本发明的当前实施例中，环段形定子段10包括 多个为铝铸造元件17形式的导热元件。各铝铸造元件17布置成邻近 于定子绕组12，优选是邻近于定子绕组12的绕组头部18，或者如本 例中那样延伸穿过定子绕组12的绕组头部18的开口。各铝铸造元件 17集成在模制或铸造材料13中，并通向环段形定子段10的表面，该 表面用作热沉(heat sink),并有散热特性。因此，铝铸造元件17优 选是通向表面14或铝片16和表面15。每个铝铸造元件17提供了用于 使工作过程中产生的热量通向外表面14或15的直接通路。铝铸造元 件17首要优选是邻近定子绕组12的绕组头部18,在该绕组头部处离 外表面的距离相对较远。
图4和5显示了另一种环段形定子段10，它属于另一未示出的风 力涡轮机的直接驱动发电机。图4和5中的环段形定子段10的部件与 图2和3中的环段形定子段10的对应部件具有相同的参考标号。
在图4和5的实施例中，用于冷却环段形定子段10的冷却装置包 括用于冷却介质的至少一个导管19，例如成夹套或管子的形式，该至 少一个导管19集成在模制或铸造材料13中。在本发明的当前实施例 中，环段形定子段10包括三个轴向延伸的导管，因此，导管19的中 心轴线C基本平行于发电机的中心轴线A。但是导管也可以有另外的路 线，例如曲折形路线等。在本例中，导管19有正方形截面，但是导管 19还可以有圓形、椭圆形或其它截面。当冷却介质(例如冷却气体、 冷却油或简单就是水)被引导通过导管19时，环段形定子段10可以 得到有效冷却。
优选是，全部环段形定子段10的全部导管19都以未示出的方式 连接至一闭路循环，该闭路循环除了导管19还包括连接导管、至少一 个换热器和至少一个泵(用于主动泵送冷却介质通过该导管)。
如上所述，在本发明的当前实施例中，定子9包括多个基本相同的环段形定子段10，当一个环段形定子段10的侧面20布置在另一环 段形定子段10的侧面20上并以此类推时，这些环段形定子段10基本 形成环形定子9。
根据图1，定子9环绕转子装置7布置。因此，位于定子9与转子 及转子装置7之间的气隙位于定子9以及定子9的各环段形定子段10 的内侧。
当图4和5的多个环段形定子段10布置成使得一个环段形定子段 IO的侧面20布置在另一环段形定子段10的侧面20上并以此类推时， 它们也基本形成环形定子或定子装置，其中，导管19布置在内侧。在 这种情况下，气隙位于定子或定子装置的外侧，因此定子或定子装置 布置在相应转子或转子装置的内侧。当导管位于环段形定子段的外侧 时，气隙位于定子或定子装置的内侧，因此定子或定子装置环绕相应 转子或转子装置布置。在本例中，环段形定子段的弯曲是变化的。
顺便说明，环段形定子段10可以包括作为冷却装置的至少一个导 管19、至少一个表面14、至少一个表面16和至少一个导热元件17。 然而，环段形定子段IO也可以只包括一个或两个或三个不同的冷却装 置。
权利要求
1.一种用于风力涡轮机(1)的发电机(6)的定子装置，包括多个定子段(10)，这些定子段基本形成发电机(6)的定子(9)，每个定子段(10)具有至少一个定子绕组(12)和/或一叠片组(11)，其中，每个定子段(10)被模制或铸造到具有电绝缘特性和/或防腐蚀特性和/或导热特性的材料(13)内。
2. 根据权利要求l所述的定子装置，其中每个定子段为环段形 的段(10)。
3. 根据权利要求1或2所述的定子装置，其中材料(13)是树脂、 铸造树脂、环氧树脂或环氧铸造树脂。
4. 根据权利要求3所述的定子装置，其中该树脂包括二氧化硅 和/或玻璃纤维。
5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的定子装置，其中定子段 (10)包括冷却装置("、15、 17、 19)，该冷却装置至少用于冷却各自的定子段(10)。
6. 根据权利要求5所述的定子装置，其中冷却装置(14、 15、 17、 19)包括用于冷却介质的至少一个导管(19)。
7. 根据权利要求6所述的定子装置，其中导管(19)是夹套或 管子。
8. 根据权利要求6或7所述的定子装置，其中冷却介质是冷却气 体、冷却油或水。
9. 根据权利要求5至8中任意一项所述的定子装置，其中定子段 (10)的冷却装置(14、 15、 17、 19)包括各定子段(10)的外表面 ("、l5)，该外表面具有散热特性。
10. 根据权利要求9所述的定子装置，其中该外表面是各定子段 (10 )的模制或铸造材料(l3 )的表面(l4 )。
11. 根据权利要求9或10所述的定子装置，其中该外表面是附接 到各定子段(10)的模制或铸造材料(13)上的具有散热特性的材料 的表面(16)。
12. 根据权利要求5至11中任意一项所述的定子装置，其中定子 段(IO)的冷却装置(14、 15、 17、 19)包括至少一个导热元件(17)。
13. 根据权利要求12所述的定子装置，其中导热元件(17)布置成邻近于定子绕组(12)。
14. 根据权利要求12或13所述的定子装置，其中导热元件(17) 布置成邻近于定子绕组(12)的绕组头部(18)，或者延伸穿过定子 绕组(12)的绕组头部(18)的开口，并通向各定子段(10)的表面。
15. 根据权利要求12至14中任意一项所述的定子装置，其中导 热元件(17)是集成在各定子段(10)的模制或铸造材料(13)中的 铝铸造元件(17)。
16. 根据权利要求5至15中任意一项所述的定子装置，包括至少一 个换热器，其中，定子段(10)的冷却装置(19)与换热器连接。
17. —种用于风力涡轮机的直接驱动发电机，包括转子装置(7) 和如权利要求1至16中任意一项所述的定子装置。
18. —种风力涡轮机，包括如权利要求1至16中任意一项所述的定 子装置(8)或者如权利要求17所述的直接驱动发电机(6)。
全文摘要
本发明涉及定子装置、发电机和风力涡轮机。具体地，本发明涉及一种用于风力涡轮机(1)的发电机(6)的定子装置，它包括多个定子段(10)，这些定子段基本形成发电机(6)的定子(9)，各定子段(10)有至少一个定子绕组(12)和/或一叠片组(11)，其中，各定子段(10)被模制或铸造到具有电绝缘特性和/或防腐蚀特性和/或高导热特性的材料(13)内。本发明还涉及一种具有这样的定子装置(8)的直接驱动发电机(6)以及一种具有这样的直接驱动发电机(6)的风力涡轮机(1)。
文档编号F03D9/00GK101557128SQ20091013432
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月10日 优先权日2008年4月10日
发明者H·斯蒂斯达尔 申请人:西门子公司