专利名称：用于电机的环形转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含一空心轴的用于一电机的环形转子。本发明主要应用于超大型电机，例如风电设备的无齿轮发电机。
背景技术：
无齿轮设备的功率等级越高，与有齿轮的风电设备相比就越具有竞争优势。无齿轮风电设备的转子支架(rotor hub)直接与同步发电机连接。这种设计的主要优点是结构比带发电机的风电设备简单得多，电机上需要设置的旋转组件也更少。这就降低了维护难度，提高了设备可用性。超大型风电设备通常工作转速很低。因此这类设备采用无齿轮方案时必须配备又大又重的发电机。这些电机的直径很容易就会超过細至5m的限值。用于无齿轮风电设备的发电机通常包括带空心轴的环形转子。举例而言，WO 2006/032969A2揭示过这类电机。该公开案提出了一种分为多个区段的转子，这些区段安装在转子的转子环上。由于风力发电机越来越大型化，这些设备的功率必然越来越大，安装起来也就越来越困难。此外，风力发电站及潮汐发电站的无齿轮涡轮在运输和物流方面的要求也很高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是简化大型电机的运输。本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有权利要求1所述特征的转子。本发明用以达成上述目的的另一解决方案为一种制造电机的方法，包括以下处理步骤i)为多个呈部分环形的转子段装配永磁体，ii)为多个呈部分环形的定子段装配线圈，iii)分别将一所述呈部分环形的转子段与一所述呈部分环形的定子段组装成一呈部分环形的电机元件，以及iv)将按照步骤iii)所制成的电机元件组装成一闭合环。从属权利要求涉及的是本发明的有利实施方式。本发明的核心理念是将电机(特别是永磁同步电机)的转子沿周向分割成多个呈部分环形的转子段。优选沿径向分割线实施这一分割，分割方式类似于将蛋糕分成蛋糕块。 将本发明的环形转子分成转子段后，空心轴转子的闭环形状就解体了。分解后转子的体积明显小于完整的环形转子。即使仅将转子分解成两个各呈180°圆弧的部分环形转子段，也会明显减小转子体积，这样就能通过公路运输来运送这样的转子。根据本发明的一种有利实施方案，每个转子段均具有至少一个永磁体。这就形成了永磁同步电机。在转子上用永磁体产生激励场的优点是，将单个转子段组装成环形转子时不必在各转子段之间建立电连接。永磁体可以粘合在转子段上，或者根据本发明的有利实施方案布置在位于转子段上的磁体槽(pouch)中。根据本发明的另一有利实施方案，所述转子在两个端面上各包括一个用于连接所述转子段的环形法兰，这样就不必在各转子段之间建立机械连接。这个法兰可以是例如风电设备的涡轮法兰。在此情况下，可以直接在组装地将呈部分环形的转子段逐个安装到涡轮法兰上。根据本发明的一种实施方式，所述转子段包括沿所述转子的轴向堆叠布置的部分环形磁钢片，这种实施方式有助于降低转子段的制造成本。所述转子由相互绝缘的磁钢片构成，这样可以减小转子内的磁滞损耗及涡流损耗。本发明所提出的转子实施方案既适用于内转子也适用于外转子。一般情况下需要将完整的发电机或完整的电动机运送到未来的使用地。有鉴于此，本发明的一种有利实施方案涉及的是一种电机，其包括一如前述实施方式中任一实施方式所述的转子和一沿周向分为多个呈部分环形的定子段的定子，其中，所述定子段与所述转子段数目相同。各定子段优选通过径向定向的分割线相互分开。通过这种结构就可以对电机进行成对的运送和安装，亦即，先将转子段和对应的定子段成对运往未来的使用地。 随后再将这些在本发明的后续处理过程中又被称作电机元件的转子段/定子段对组装为完整电机。特别是对于永磁电机而言，这种成对运送定子段和转子段的方式大大方便了对强永磁体的处理。永磁体的引力极大，因此在对配有永磁体的电机部件进行运输时必须遵循严格的安全规定。但将转子段与定子段联接后，永磁体已经与周围环境磁隔离，因而不再是一个很大的危险源。成对安装转子段和定子段还能大幅简化电机的安装。根据本发明的一种有利实施方案，针对所述电机的每个转子段均设有一个定子段且该定子段的圆弧形周边的圆心角与所述转子段的圆弧形周边的圆心角大体相同。通过这种方式产生的电机元件同样呈圆弧状，将这些电机元件组装后就会形成具有空心轴转子的电机。按本发明的方法制造电机时，先为呈部分环形的转子段装配永磁体，随后为呈部分环形的定子段装配用于产生电枢磁场的线圈。接着，分别将一个配有永磁体的转子段与一个配有线圈的定子段连接起来，从而制成前述同样呈部分环形的电机元件。其中，例如通过合适的连接件将定子段与转子段连接起来，使得定子段与转子段通过气隙相隔一定距离，电机组装完毕后，这个气隙将定子与转子隔开。接着就可以将电机元件运往未来的使用地，与现有技术中运送完整转子和完整定子的方式相比，这种电机元件的运送会简单得多。到达安装地后再将这种电机元件组装成闭合环。根据本发明的有利实施方案，将所述电机安装到实施为风力发电机的风电设备上时，可以将预装电机元件直接安装到风电设备的涡轮法兰上，从而直接在将转子安装到该法兰上的过程中形成转子的闭环形状。根据这种安装方式，每次均同时将一个转子段和一个定子段安装到法兰上。转子的永磁体在安装过程中同样被定子段遮蔽。在此情况下，定子段与转子段特别是被前述连接件隔开。由于磁引力很高而且定子与转子间的气隙很窄，因此现有技术很难将带永磁体的转子插入定子孔，而本发明的安装方法不存在这个问题。
借助于附图中所示的示例性实施例进一步详细地解释并说明本发明，其中图1为包括转子段和定子段的电机元件的第一实施方案；图2为包括转子段和定子段的电机元件的第二实施方案；图3为表面冷却式内转子发电机的区段的磁钢片构型；图4为内冷式内转子发电机的区段的磁钢片构型；图5为表面冷却式外转子发电机的区段的磁钢片构型；图6为内冷式外转子发电机的区段的磁钢片构型；以及图7为包括电机以及采用本发明实施方案的转子的风电设备。
具体实施例方式下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明。图1为包括转子段和定子段1、5的电机元件的第一实施方案。转子段1和定子段 5均呈180°圆弧状。将两个这种形状的转子段1接合后，就能产生一个完整的带空心轴的电机转子。也可以将两个这种形状的定子段5组合成一个闭合环，从而形成完整的电机定子。此处所示的电机是永磁同步电机。转子段1实施为内转子，相应配有永磁体。这些永磁体实施为埋设磁体(concealed magnet)，亦即，安插在分布于转子段1周边的凹槽中。可将永磁体沿轴向插入这些凹槽。此处所示的转子不受任何电激励作用，因此由两个这种区段构成的转子的结构也很简单。安装过程中不必在这两个转子段1之间建立电连接。定子段5上设有供用于产生旋转场的线圈插入的凹槽，图中未示出这些凹槽。首先，配有线圈的定子段5通过连接件6与配有永磁体的转子段1建立刚性连接， 其中，确保转子段1与定子段5之间形成可将这两个区段隔开的气隙。只有在这个包括转子段1和定子段5的电机元件与另一个相同样式的电机元件组装成完整电机的情况下才拆除连接件6。先将定子段5和转子段1分别安装在环形法兰上，再拆除连接件6。采用这种安装方式时，转子段1的永磁体在整个组装过程中都被定子段5遮蔽。这种安装方式可以防止异物被永磁体的强引力吸引，从而损伤电机甚至给安装操作人员造成伤害。这样就可以弃用用在大型常规发电机上的现有安装过程，现有安装过程必须在保持较窄气隙的情况下将完整的转子插入完整的定子，实际操作时非常困难。通过按上述方式将电机分解为定子段5和转子段1，本发明首次在IOrpm至15rpm 条件下将电机功率提高至现代风电设备所要求的5MW、8MW或10MW。这类电机的转子直径需要达到1 !至1細，这就基本上排除了通过公路来运输完整转子和完整定子的可能性。图2为包括转子段和定子段1、5的电机元件的第二实施方案。在图2及整个申请案中，作用相同的元件用相同参考符号表示。与图1所示电机元件不同的是，此处所示的电机元件仅形成120°圆弧。与此相应，要有三个转子段1才能接合成一个完整的转子。同样，完整的定子是由三个所示定子段 5构成。图2示出了环形法兰3，组装电机时将所述转子段安装到该环形法兰上。同样也为定子段5设置了相应的环形法兰。只有在将圆弧形电机元件形式的转子段1与定子段5全部安装到法兰上后，才拆除图1所示的连接件6，从而使电机能够进行旋转。图3为表面冷却式内转子发电机的区段的磁钢片构型。附图所示为转子的磁钢片 4，这些磁钢片沿轴向堆叠成前述转子段。这些磁钢片4中冲压形成多个孔，也就是用于容纳永磁体2的磁体槽。永磁体2可沿轴向插入这些磁体槽。图中还示出用于制造定子段的其他磁钢片8。这些磁钢片中冲压形成未来的凹槽。 这些其他磁钢片8还包括用于进行表面冷却的散热片10。图4为内冷式内转子发电机的区段的其他磁钢片构型。这些磁钢片包含用于进行内冷却的径向分布冷却槽9。图5和图6为用于外转子发电机的磁钢片构型。外转子同样可以结合采用图3、图 4所揭示的冷却方案和本发明的分段式设计。图7为风电设备7，其包括电机11和采用本发明实施方案的转子。这个电机实施为带空心轴的永磁同步电机。转子和定子均采用上述实施方式中的分段结构。这种直接驱动型风电设备采用的是超大型发电机，因此，只有将定子和转子分段后才能通过公路运输将电机11运送到风电设备的安装地。
权利要求
1.一种电机，包括一环形转子，其中，所述转子沿周向分为多个呈部分环形的转子段(1)，所述转子具有一空心轴，其中，可通过分离所述转子段(1)来分解所述转子的闭环形状，以及一定子，所述定子沿周向分为多个呈部分环形的定子段(5)，其中，所述定子段(5)的数目与所述转子段(1)的数目相同。
2.据权利要求1所述的电机，其中，每个转子段(1)均具有至少一个永磁体(2)。
3.据权利要求2所述的电机，其中，针对所述转子段(1)的每个永磁体( 均设有一用于布置所述永磁体O)的磁体槽。
4.据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，所述转子在两个端面上各包括一用于连接所述转子段(1)的环形法兰(3)。
5.据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，所述转子段(1)包括沿所述转子的轴向堆叠布置的部分环形磁钢片G)。
6.据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，所述转子实施为内转子。
7.据权利要求1至5中任一项权利要求所述的电机，其中，所述转子实施为外转子。
8.据权利要求7所述的电机，其中，针对所述电机的每个转子段(1)均设有一定子段 (5)且所述定子段的圆弧形周边的圆心角与所述转子段的圆弧形周边的圆心角大体相同。
9.据权利要求7或8中任一项权利要求所述的电机，其中，所述电机实施为用于一风电设备(7)、特别是一无齿轮风电设备的发电机。
10.一种风电设备(7)，包括一如权利要求7至9中任一项权利要求所述的电机。
11.一种制造一电机的方法，包括以下处理步骤i)为多个呈部分环形的转子段(1)装配永磁体0)， )为多个呈部分环形的定子段(5)装配线圈，iii)分别将一所述呈部分环形的转子段(1)与一所述呈部分环形的定子段( 组装成一呈部分环形的电机元件，以及iv)将按照步骤iii)所制成的电机元件组装成一闭合环。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将按照步骤iii)所装成的电机元件直接安装到一风电设备(7)的一涡轮的一法兰上，从而通过将所述电机元件安装在所述法兰上来实施所述步骤iv)。
13.根据权利要求11或12中任一项权利要求所述的方法，其中，制造所述转子段(1) 时，以冲压方式产生呈部分环形的磁钢片G)，将所述以冲压方式形成的磁钢片(4)沿所述转子的轴向进行堆叠布置。
全文摘要
本发明涉及一种带一空心轴的用于一电机的环形转子。为了能够对这种特定而言超大尺寸的电机进行运送，所述转子沿周向分为多个呈部分环形的转子段(1)。所述转子还具有一空心轴，其中，可通过分离所述转子段(1)来分解所述转子的闭环形状。
文档编号H02K1/27GK102474166SQ201080031773
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月13日
发明者安德烈亚斯·约克尔, 马丁·容格 申请人:西门子公司