无传动装置的风能设备的发电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种无传动装置的风能设备(100)的发电机(1)，其具有定子(2)和电枢(4)，其中定子(2)和/或电枢(4)具有由铝制成的绕组(14，30)。
【专利说明】无传动装置的风能设备的发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无传动装置的风能设备的发电机以及一种具有这样的发电机的风能设备和一种用于架设风能设备的方法。
【背景技术】
[0002]无传动装置的风能设备通常是已知的。所述风能设备具有空气动力学的转子，所述空气动力学的转子由风驱动直接使得电动转子旋转，所述电动转子为了避免混淆也被称为电枢。空气动力学的转子和电枢在此刚性地耦联并且具有相同的转速。因为空气动力学的转子在现代风能设备中相对慢地旋转，例如在5转每分钟和25转每分钟之间的范围中，所以电枢也相应缓慢地转动。由于这个原因，现代的无传动装置的风能设备的发电机是具有大的直径的多极发电机。
[0003]这样大的发电机因此具有下述缺点:所述发电机由于其尺寸而难以操作、尤其是难以安装并且会因其尺寸而在运输时产生问题。所述发电机具有大型铜绕组进而也是非常重的。相应地,承载结构必须耗费地构成。
[0004]铜由于其良好的电特性当然尤其适合作为用于发电机中的电导线的材料。特别地，迄今为止不存在以足够的量存在的、具有如铜这样高的传导能力并且在此同时可相对无问题地加工以及在此基本上在整个温度范围上具有其特性的其它任何材料，所述温度范围在地面上在风能设备能够树立的位置处自然出现。通过高的传导能力因此可行的是，在相应的位置处相应小地构造发电机。
[0005]发电机中的结构尺寸目前尤其是受到运输限制。因此尤其是5m的发电机直径、即发电机的外直径是发电机运输的临界尺寸。相应地，气隙直径、即发电机在气隙的范围中的直径是相应小的。气隙位于定子和电枢之间并且其直径(在内电枢的情况下)比发电机的总直径小定子的两倍厚度，或者(在外电枢的情况下)比发电机的总直径小转子的两倍厚度。在此气隙直径完全决定性地确定发电机的效率和导电能力。换句话说，力求达到尽可能大的气隙直径。相应地，尽可能细长地构成位于外部的定子或者位于外部的转子，由此气隙直径在所给定的大约5m的外直径中能够尽可能大地设计。
[0006]一种可能性在于:沿着轴向方向扩宽发电机、即使得发电机更长。由此能够基本上在气隙直径相同的情况下使发电机的额定功率提高。当然沿着轴向方向的这样的延长具有稳定性问题。特别地，当发电机的位于气隙外部的部分尽可能细长地构成时，这样的更长地设计的发电机会快速地到达其稳定性极限。此外在此，绕组具有大的重量，但是基本上不会有助于机械稳定性。
【发明内容】
[0007]本发明因此基于下述目的:处理上述问题中的至少一个。特别地，应关于效率、稳定性和/或重量改进无传动装置的风能设备的发电机。至少应提出相对于迄今为止的解决方案的一个替选的设计方案。
[0008]根据本发明提出根据权利要求1所述的发电机。无传动装置的风能设备的这样的发电机具有定子和电枢。定子和/或电枢具有由铝制成的绕组。
[0009]也就是说根据本发明获悉:铝与铜相比虽然具有较差的传导能力，但是由于其相对低的重量在发电机的总设计理念中仍能够是有利的。
[0010]铝相对于铜的较差的传导能力必须首先借助相关的绕组的更大的横截面来应对，这首先引起更高的体积需求。但是与此相反，铝明显比铜轻，使得发电机即使在其整体中仍然是更轻的。通过更低的重量必要时也能够使对承载结构、即对风能设备整体的机械构造还有对发电机的机械构造的要求更低。由此又能够节省重量并且必要时重新赢得体积。
[0011]尤其是将使用由铝制成的绕组理解为:绕组由铝制成并且自然具有绝缘性能，尤其是绝缘漆等。但是基本上也可以考虑铝的合金，所述铝合金例如能够影响铝的一些特性、例如可加工性、尤其是柔性。关键的是，提供铝作为轻质电导体并且形成相应的绕组的大部分。这不取决于一些掺杂物，所述掺杂物几乎不改变铝的基本的传导能力和铝的基本的特定重量。铝对于绕组的重量和传导能力而言应是决定性的。
[0012]优选提出:发电机是外电枢。因此定子、即固定的部分在内部并且电枢围绕该定子旋转。这首先具有下述优点:基本上能够增大气隙直径，因为电枢与定子相比基本上需要更小的厚度。相应地，电枢在气隙和最大的外直径之间需要较少的空间，使得在外直径给定的情况下能够增大气隙直径。
[0013]此外需注意的是:在定子中通常设有叠片组，所述叠片组在气隙侧设有绕组。这样的定子叠片组能够在外电枢的情况下朝向内部、即朝向发电机的中心轴线基本上任意地加强并且设有冷却通道等。在此在外电枢的情况下用于定子的空间是充足的，使得通过设置外电枢类型的发电机实际上提供用于定子的大量空间。
[0014]至少如果电枢是他励的，那么该电枢完全不同地构造、即通常由已经装配有绕组的电枢极组装而成，所述电枢极在其背离气隙的一侧上连接在承载结构上、即气缸套上。在外电枢类型的发电机的情况下，极靴体因此从气隙起基本上略微星形地向外延伸。换句话说，可用的空间从气隙朝向承载结构增加。因此安置用于他励的绕组变得容易，因为在外电枢的情况下在此提供更多的空间。
[0015]因此使用铝与对于外电枢类型而言得出的附加的空间体积一起至少对于电枢的励磁绕组起积极的作用。
[0016]因此铝绕组能够以有利的方式设置用于电枢。所描述的提供附加的用于支撑定子的空间同样也能够用于在定子中设置铝绕组。定子为此例如能够通过沿着径向方向的增大实现附加的绕组空间。气隙直径不受此影响。甚至定子中的磁阻的可能的增加与气隙的磁阻相比可能也可以忽略。必要时，借助于更轻的电枢，所述电枢由于使用轻的铝比铜电枢更轻，可实现用于电枢的更刚性的结构，这可能实现气隙厚度的减小，由此可能减小磁阻。
[0017]优选提出一种气隙直径超出4.3m的发电机。由此表明:本发明涉及无传动装置的大型风能设备的发电机。本发明要求保护的不是具有铝绕组的发电机的发明。但是对于现代的无传动装置的风能设备的大型发电机而言使用铝绕组迄今为止在业内是不适合的，因为代替于此尝试以其它方式优化发电机。其中包括实现尽可能小的体积，这对于本领域技术人员而言迄今为止再次排除使用铝作为绕组材料。
[0018]根据另一个设计方案提出:外电枢用作为发电机类型，其中电枢沿着环周方向由多个电枢区段、尤其是由两个、三个或者四个电枢区段组装而成。特别地，电枢区段准备用于在设立风能设备时现场组装。然而优选的是，定子一件式地构成、尤其是所述定子具有用于每个相的连续的绕组。
[0019]通过使用铝作为绕组材料，电枢，至少他励的同步发电机的这样的电枢能够具有较小的重量从而有利于在其中组装转子的结构。在使用两个基本上分别半圆形的电枢区段时已经能够实现直径大于5m的发电机，而不超出5m的临界运输尺寸。在使用这样的外电枢的一件式的定子时，定子的大致相应于气隙直径的外直径大致为临界的运输尺寸、尤其是为5m。电枢在不再需要道路运输时才被现场组装。在该情况下发电机的、即电枢区段的精确的尺寸仅是一个较小的问题。此时元件的重量是更加决定性的。然而所述重量能够通过使用铝来降低。为了通过铝来代替铜实现相同的绝对传导能力，需要大致50%的更多的绕组体积，但是这仍仅是相应的铜绕组的一半重。当使用铝时，尽管体积增加，但是重量因此能够急剧下降。但是通过使用分割的电枢不再存在对于体积而言的上限，电枢能够大致更大地成形并且这(自相矛盾地)产生更轻的电枢，因为此时能够使用铝。
[0020]相应地，有利的是，发电机构成为他励的同步发电机，并且电枢具有由铝制成的励磁绕组。这如所描述的那样对于外电枢、尤其是分割的外电枢是尤其有利的，但是对于内电枢而目也能够是有利的。
[0021]优选地，发电机具有至少1MW、尤其是至少2MW的额定功率。该实施方式此外着重指出:本发明尤其是涉及一种兆瓦等级的无传动装置的风能设备的发电机。这样的发电机现今被优化从而迄今为止不考虑使用铝作为用于绕组的材料。但是已获悉的是:使用铝还是能够是有利的并且相对于铜不必是限制性的或者不利的。即使已经存在具有铝绕组的发电机，所述发电机也可能在特定的国家中在特定的时间由于原料短缺的原因而被开发，但是这丝毫不给出任何关于给兆瓦等级的无传动装置的风能设备的发电机装配铝绕组的暗示或者建议。
[0022]优选的是，发电机构成为环形发电机。环形发电机描述发电机的构型，其中磁有效的区域基本上在环形区域上围绕发电机的旋转轴线同心地设置。特别地，磁有效的区域，即电枢和定子的磁有效的区域仅设置在发电机的径向外部的四分之一中。
[0023]一个优选的实施方式提出:发电机构成为缓慢运转的发电机或者构成为具有至少48个、至少72个、尤其是至少192个定子极的多极的发电机。附加地或者替选地，有利的是，发电机构成为六相的发电机。
[0024]这样的发电机尤其是设置用于在现代的风能设备中使用。通过其多极性，所述发电机允许电枢以非常缓慢地运转的方式运行，所述电枢由于无传动装置而匹配于缓慢转动的空气动力学的转子并且借助于该转子可尤其良好地使用。在此需注意的是，在48个、72个、192个或者更多的定子极中，存在相应高的绕组耗费。特别地，如果这样的绕组是多极连续的，那么转换为铝绕组是巨大的开发步骤。待缠绕的定子体、即叠片组已经匹配于改变的空间需求。同样地，需重新学习用于这样的铝绕组的可操作性，并且必要时提供铝合金，所述铝合金简化这种改变的绕组。改变的定子关于其在风能设备中的固定、尤其是在相应的定子载体上的固定也需重新考虑。在此机械的和电的连接点改变，并且开启使整个承载结构匹配于减小的重量的可能性。特别是使用发电机因此不位于机器底座上或者固有的基座上的风能设备，在基本的发电机改变的情况下基本上导致风能设备的吊舱结构的完整的返工的必要性，或者具有更深远的后果。
[0025]同样提出一种风能设备，所述风能设备使用如至少根据上述实施方式中的一个所描述的那样的发电机。
[0026]同样提出一种用于架设这样的风能设备的方法。优选地，这包含安装具有带有可分割的外电枢的发电机的风能设备。为此提出:首先将发电机的定子安装在塔上，即安装在吊舱上或者吊舱的第一部分上。
[0027]电枢随后在现场或者与此同时地在设立地点在现场或者在设立地点附近、例如在微型工厂中组装。这样组装的电枢随后与已经安装的定子一起安装在塔上，使得已组装的电枢与定子一起基本上形成发电机。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]现在在下文中借助实施例示例性地详细阐述本发明。
[0029]图1示出风能设备的立体图。
[0030]图2示出内电枢类型的发电机的侧剖图。
[0031]图3示出外电枢类型的发电机的侧剖图。
[0032]图4示意性地示出内电枢类型的发电机的电枢的两个极靴。
[0033]图5示意性地示出外电枢类型的发电机的电枢的两个极靴体。
【具体实施方式】
[0034]图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风而进入转动运动从而驱动吊舱104中的发电机。
[0035]图2示出内电枢类型的发电机I，进而示出位于外部的定子2以及对此位于内部的电枢4。在定子2和电枢4之间存在气隙6。定子2经由定子罩8承载在定子载体10上。定子2具有叠片组12，所述叠片组容纳绕组，其中示出绕组头14。绕组头14基本上示出从一个定子槽离开进入到下一个定子槽中的绕组线。定子2的叠片组12固定在承载环16上，所述承载环也能够被视为定子2的部分。借助于该承载环16，定子2固定在定子罩8的定子法兰18上。在此之上，定子罩8承载定子2。除此之外定子罩8能够提供用于冷却的风扇，所述风扇设置在定子罩8中。由此用于冷却的空气也能够被挤压穿过气隙6，以便由此在气隙的区域中进行冷却。
[0036]图2此外示出发电机I的外环周20。仅操作连接板22伸出所述外环周，然而这是毫无问题的，因为该操作连接板不存在于整个外环周上。
[0037]在定子载体10上连接有仅部分示出的轴颈24。电枢2经由电枢支承件26支承在轴颈24上。为此电枢2固定在轮毂部段28上，所述轮毂部段也与空气动力学的转子的转子叶片连接，使得通过风来运动的转子叶片能够经由该轮毂部段28使电枢4转动。
[0038]电枢4在此具有带有励磁绕组30的极靴体。朝向气隙6在励磁绕组30上仍看到极靴32的一部分。极靴32与其所承载的励磁绕组朝向背离气隙6的一侧、即朝向内部固定在电枢承载环34上，所述电枢承载环又借助于电枢载体36固定在轮毂部段28上。电枢承载环34基本上是气缸套状的、连续的实心部段。电枢载体36具有多个支柱。
[0039]在图2中可看到，电枢4的径向的扩展、即从电枢承载环34到气隙6的扩展明显小于定子2的径向的扩展、即从气隙6到外环周20的扩展。
[0040]除此之外绘出承载长度238，所述承载长度大致描述从定子罩8到定子2的背离所述定子罩的端部、即绕组头14那里的轴向扩展。在该结构中，该轴向的承载长度是相对长的并且所述承载长度显示出定子2从定子罩8起必须自由承载多远。由于位于内部的电枢4，也就是说在背离定子罩8的一侧上不存在任何其它的对定子2的支撑或者支承可能性。
[0041]图3的发电机301是外电枢类型。相应地，定子302位于内部并且电枢304位于外部。定子302通过中央的定子承载结构308承载在定子载体310上。为了冷却在定子承载结构308中绘出风扇309。定子302因此居中地被承载，这能够大大提高稳定性。此外定子能够从内部起通过风扇309来冷却，所述风扇仅特征性地代表其它风扇。定子302在该结构中是从内部可接近的。
[0042]电枢304具有位于外部的电枢承载环334，所述电枢承载环固定在电枢载体336上并且通过该电枢载体承载在轮毂部段328上，所述轮毂部段又经由电枢支承件326支承在轴颈324上。
[0043]由于定子302和转子304的基本上调换的设置产生气隙306，所述气隙与内电枢类型的发电机I的图2的气隙6相比具有更大的直径。
[0044]图3此外还示出制动器340的有利的设置，所述制动器能够经由与电枢304连接的制动盘342在需要时固定电枢304。在制动器340拉紧的这种情况下，得到稳定的状态，其中电枢304沿着轴向方向保持在两侧上、即最终经由支承件326保持在一侧上并且经由拉紧的制动器340保持在另一侧上。
[0045]在图3中绘出承载长度338，所述承载长度同样示出定子承载结构308到电枢载体336的平均距离。在此，定子302的这两个承载结构和电枢304之间的距离相对于在图2中的内转子类型的发电机中示出的轴向的承载长度38明显减小。图2的轴向的承载长度38也给出在用于定子2的这两个承载结构和电枢4之间的平均距离。这样的轴向的承载长度38或338越小，所能实现的稳定性就越高、尤其是定子和电枢之间的倾覆稳定性也就越高。
[0046]外环周320的外直径344在图2和3的这两个所示出的发电机中是相同的。图2的发电机I的外环周20因此同样具有外直径344。尽管有相同的外直径344，但是在示出外电枢类型的发电机301的图3的结构中可行的是，相对于图2的气隙6实现气隙306的更大的气隙直径。
[0047]在图4中示出位于外部的定子402和位于内部的电枢404。图4极度示意地示出具有杆450和极靴452的两个极靴体432。在这两个极靴体432之间、尤其是在这两个杆450之间构成有绕组空间454。在其中设置励磁绕组430的导线。因为每个极靴体432承载励磁绕组430，所以绕组空间454基本上容纳两个励磁绕组430的电导线。
[0048]由于图4的极靴体432属于内电枢这一事实，极靴452的杆450聚合，由此绕组空间454变窄。由此在安置励磁绕组430时会产生问题。
[0049]在图5中示出位于内部的定子502和位于外部的电枢504。图5示出两个极靴体532的、然而一个外电枢的类似的示意图。在此可看出:杆550从极靴552起远离，使得绕组空间554扩宽从而实现用于励磁绕组530的导线的大量空间。
[0050]通过图5、尤其是相对于图4图解说明仅通过使用外电枢就能够实现明显增大的绕组空间554，这有利于使用铝作为用于绕组的材料。经由图解说明的绝对的绕组空间554相对于绝对的绕组空间454的增大，在图5中图解说明的外电枢中此外改进操作并且尤其改进安装。
[0051]除此之外，根据图4，邻接的、连接于杆450的连接空间456也变窄。为了图解说明以虚线进一步绘出杆450。尤其有问题的是，极靴体进而电枢的极总体上如何基本上单独地设置和安装。基本上存在于连接空间468中的空间因此难以使用。
[0052]与此相反，根据图5的相应的连接空间556与外电枢相比由于所述设置而增大。
[0053]因此提供一种解决方案，所述解决方案提出:在发电机中使用铝。这最初显示为过时的应急方案，本领域技术人员在铜可供使用时为了构造风能设备的现代的发电机可能不会米用该应急方案，但该应急方案被证实为有利的解决方案。如果是内电枢，那么在发电机中使用铝可能不那么有利。内电枢发电机在结构上受到其构型的限制。然而在外电枢发电机中发电机被不同地限定或者基本上不同地构成，这能够实现铝的应用并且甚至能够是有利的。
[0054]还要指出的是:在计算电枢时该电枢通常必须基于预设的气隙半径r。基于该气隙半径，内电枢朝向内部被限制，因为极的杆否则可能会在图4中示出的点P处相交，杆的延长部通过图4中的辅助线457来图解说明。由此内电枢的径向扩展被限制。在外电枢的情况下，不产生这种限制，因为杆朝向外部彼此分开，这通过辅助线557来图解说明，因此不会相交从而在其径向扩展方面不受限制。由此外电枢尤其好地适合于使用铝绕组，所述铝绕组需要更多的绕组空间。
[0055]已经提出:对于定子或者对于电枢或者对于这两者使用铝。在外电枢的结构中可实现更大的气隙直径，这允许或有利于使用铝。
[0056]其它的优点是:至少在外电枢的结构中，铝的成本是更低的并且有时也存在更好的材料可获得性。因此避免使用铜，至少在定子和电枢中避免使用铜。虽然基本上通过铜能够实现更高的体积效率，但是这不仅在铜材料的直接成本方面而且必要时在用于重的铜的结构和必要的承载结构的耗费方面要求更高的价格。
【权利要求】
1.一种无传动装置的风能设备(100)的发电机(I)，所述发电机具有定子(2)和电枢(4)，其中所述定子(2)和/或所述电枢⑷具有由铝制成的绕组(14，30)。
2.根据权利要求1所述的发电机(I)，其特征在于，所述发电机(I)是外电枢。
3.根据权利要求2所述的发电机(I),其特征在于,气隙直径(6)大于4.3m。
4.根据权利要求2或3所述的发电机(1)，其特征在于，所述电枢(4)沿着环周方向由多个电枢区段、尤其是由两个或四个电枢区段组装而成，其中所述电枢区段尤其是准备用于在设立所述风能设备(100)时在现场组装，其中所述定子(2)优选一件式地构成、尤其是具有连续的绕组(14)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的发电机(I)，其特征在于，所述发电机(I)构成为他励的同步发电机(I)，并且所述电枢(4)具有由铝制成的励磁绕组(30)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的发电机(1)，其特征在于，额定功率为至少500kW、至少一 MW、尤其是至少两MW。
7.根据上述权利要求中任一项所述的发电机(I)，其特征在于，所述发电机(I)构成为缓慢运转的发电机(I)和/或构成为具有至少48个、至少72个、尤其是至少192个定子极的多极的发电机⑴和/或构成为6相的发电机⑴。
8.一种风能设备(100)，所述风能设备具有根据上述权利要求中任一项所述的发电机⑴。
9.一种用于架设根据权利要求8所述的风能设备(100)的方法，所述方法包括下述步骤: -将发电机(I)的定子(2)安装在待架设的所述风能设备(100)的塔(102)上； -在设立地点现场或者在所述设立地点附近组装所述发电机(I)的电枢(4);以及-将这样组装而成的所述电枢(4)安装在所述塔(102)上，以便使其与已经安装的所述定子(2) —起形成所述发电机(I)。
【文档编号】F03D9/00GK104334873SQ201380027222
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年5月22日
【发明者】沃伊切赫·京格尔 申请人:乌本产权有限公司