专利名称：发电机、风力涡轮机和确定发电机的槽绝缘厚度的方法
技术领域：
本发明涉及发电机和风力涡轮机。其还涉及用于确定发电机的槽绝缘的厚度的方法。
背景技术：
基于当今的直接驱动发电机中的技术，每个线圈由多于一个串联线匝组成，而且还可以将所选数目的线圈串联地连接。可以将两个上述可选数目(即线匝串联的数目和串联地连接的线圈的数目)选择为获得发电机的端电压，所述发电机本身可以是已经基于功率电子学/电网要求选择的。在所述的常规类型的绕组中，每个槽中的串联线匝由于串联的线匝之间的电压差而需要被相互电绝缘。在具有常规绕组的电机的槽中使用的上述类型的绝缘导致不同的缺点绝缘的不良热传递系数使得发电机中的主要热源(即绕组)非常难以通过相邻的叠片被冷却下来。在槽中使用要求的绝缘减少了用于活性材料(通常为铜)的槽空间，并从而减小了所谓的填充系数。这接着又减小了对于相同电流密度而言的输出转矩或减小了对于相同转矩而言的效率。用于常规类型的绕组的填充系数的典型值在70 - 80%的范围内。对于不同的线匝而言，叠片与线匝之间的电压差根据从转换器端子开始的其距离 /顺序而不同。然而，由于多于一个线匝被放置在槽中，所以槽绝缘设计有均勻的厚度，并且是基于最坏情况的，即耐受最大电压差。此过程使得绝缘体积比理论上要求的要大。因此，本发明的第一目的是提供具有增加的填充系数的发电机。本发明的第二目的是提供有利的风力涡轮机。此外，本发明的第三目的是提供一种用于确定发电机的磁极 (pole)与导体之间的绝缘的厚度的方法。由如权利要求1中所要求保护的发电机来解决第一目的。由权利要求10中所要求保护的风力涡轮机来解决第二目的。由如权利要求11所要求保护的用于确定发电机的磁极与导体之间的绝缘的厚度的方法来解决第三目的。从属权利要求限定本发明的进一步发展。
发明内容
本发明的发电机包括表示一个相的至少一个磁极组。每个磁极组包括多个磁极。 每个磁极包括多个槽和多个定子齿。每个相借助于槽绝缘与相邻的齿绝缘。组装多个导体，使得每个导体绕着特定磁极组的磁极转变方向，从而使得仅半个单匝被关联到每个磁极。每个磁极包括磁极与关联的导体之间的槽绝缘。对于同一磁极组的至少两个不同磁极而言，槽绝缘具有不同的厚度。优选地，被并联地连接的多个导体绕着磁极转变方向，使得每个导体的仅半个单匝被关联到每个磁极。由于并联导体之间的电压差将是非常小的，所以并联导体之间的绝缘将小于常规串联导体。
此外，可以针对特定的磁极将该特定磁极与关联的导体之间的槽绝缘最优化。每个磁极可以包括叠片，例如，发电机的定子叠片的部分。与常规发电机相比，在槽或槽中的导体与定子叠片或磁极之间使用的所谓的槽绝缘被减小。通常，在本发明的发电机中，增加了槽填充系数。这导致较高的转矩或效率。此外，在可以在直接驱动风力涡轮机应用中使用的永磁发电机的情况下，本发明的发电机提供对永磁发电机进行更好冷却的可能性。在本发明的发电机中，单匝波状绕组替换常规绕组。思想是例如三相或多相发电机中的每个相在每个磁极中具有单个去程(Go)或回程(Return)路径。在本发明的框架中， 还将单个去程或回程路径指定为半个单匝。去程和回程路径或半个单匝可以形成波状结构。例如，单个去程路径本身可以由多个并联导体组成。并联导体在下一个磁极处返回，并且沿着例如发电机的定子的整个圆周继续这种方式的分布。这给出了在槽中具有较少绝缘的优点。由此，能够实现绕组的更好冷却并能够实现更高的槽填充系数。有利地，在5个和25个之间、优选地在10个和20个之间的导体可以并联连接。假设将与用于常规多匝绕组相同的槽尺寸用于波状绕组，10至20个或在该范围内的并联导体将形成绕组以便减少接近和趋肤效应损耗。可以在分析上选择，或者可以通过模拟来获得或者可以在实验上获得将给出较低值的接近和趋肤效应损耗的并联导体的最佳数目。导体可以从一个磁极移置到另一磁极。这改进了额外AC损耗(例如由于接近和趋肤效应而引起的损耗)的消除。可以在每个或每隔一个的绕组中部分地或完全移置导体。 有利地，可以在特定磁极组的每个相邻磁极处或每隔一个相邻磁极处移置导体。优选地，磁极组中的磁极的数目可以是并联地连接的导体的数目的整数倍。为了完全地抵消额外AC 损耗，可以使用完全移置，即在将磁极的数目选择为并联导体的数目的整数倍时在每个磁极处移置每个并联导体。具有与所述的不同的磁极数目将仍是一个选择，但是由于接近效应而具有在某种程度上较高的相对AC损耗。通常，发电机可以包括定子和转子。定子可以包括所述至少一个磁极组。可替换地或另外地，所述转子可以包括所述至少一个磁极组。在所提出的类型的单匝绕组中，磁极的数目可以等于每个相绕组的去程和回程路径的和。这意味着磁极的数目可以等于半个单匝的和。使得每个导体绕着特定的磁极组的磁极转变方向，从而使得仅半个单匝被关联到每个磁极的本发明的导体组装意味着在每个槽中存在每个导体的仅一个去程或回程路径。 如果多个导体被并联地连接和布置，则在每个槽中存在一个去程或回程导体组。这意味着叠片与相邻槽之间的电压差沿着槽高度几乎是均勻的。由此，可以基于具体地与每个槽中的导体组有关的电压差来针对该槽最佳地选择槽绝缘的要求厚度。此过程导致对于不同的槽而言具有从最大值布置到最小值的不同槽绝缘厚度。之间的槽绝缘的厚度可以取决于特定槽中的导体的组装。之间的槽绝缘的厚度还可以取决于特定磁极与关联的导体之间的电压差。每个磁极可以包括叠片。槽绝缘的厚度可以有利地取决于特定叠片与关联的导体之间的电压差。例如，发电机可以包括可以被接地的中性导体。中性导体可以具有与磁极相同的电压。有利地，槽绝缘可以遵循从最大值^smax到最小值Msmin的每个磁极组的不同磁极中的算术序列。例如，特定磁极组的相邻磁极之间的槽绝缘厚度的差α可以与关联到特定磁极的每个半个单匝中的电压\alf.a.turn成比例。优选地，特定磁极组的相邻磁极之间的槽绝缘
权利要求
1.一种发电机(76)，其包括表示一个相(1、2、3)的至少一个磁极组，每个磁极组包括多个磁极(4)，每个磁极(4)包括多个槽(19)和多个定子齿；每个相借助于槽绝缘与相邻的齿绝缘，其特征在于，组装多个导体(8)，使得每个导体(8)绕着特定磁极组的磁极(4)转变方向，从而使得仅半个单匝(8a、8b、8c、8d)被关联到每个磁极(4a、4b、4c、4d)，并且每个磁极(4)包括在所述磁极(4)与关联的导体(8 )之间的槽绝缘(61、62、63、64)，其中，对于同一磁极组的至少两个不同磁极(4)而言，所述槽绝缘(61、62、63、64)具有不同的厚度。
2.如权利要求1所述的发电机(76)，其特征在于，所述槽绝缘(61、62、63、64)的厚度取决于特定槽(19)中的导体(8)的组装和/或特定磁极(4)与关联的导体(8)之间的电压差。
3.如权利要求1或2所述的发电机(76)，其特征在于， 每个磁极(4)包括叠片。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的发电机(76)，其特征在于，所述发电机(76)包括被接地且具有与磁极(4)相同的电压的中性导体，并且所述槽绝缘(61、62、63、64)遵循从最大值^ismax至最小值M^lin的每个磁极组的不同磁极(4)中的算术序列。
5.如权利要求4所述的发电机(76)，其特征在于，特定磁极组的相邻磁极(4)之间的槽绝缘厚度(61、62、63、64)的差α与被关联到所述特定磁极(4a、4b、4c、4d)的每个半个单匝(8a、mK8C、8d)中的电压Vhalf. a.t■成比例。
6.如权利要求4或5所述的发电机(76)，其特征在于，特定磁极组的相邻磁极(4)之间的槽绝缘厚度(61、62、63、64)的差α是
7.如权利要求1至6中的任一项所述的发电机(76)，其特征在于，每个导体(8)的半个单匝的总数Nhalf.a.tum等于特定磁极组中的磁极(4)的数目。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的发电机(76)，其特征在于，第η个磁极与槽之间的槽绝缘的厚度化知是
9.如权利要求1至8中的任一项所述的发电机(76)，其特征在于， 所述发电机(76)是直接驱动发电机。
10.一种风力涡轮机，其包括如权利要求1至9中的任一项所述的发电机(76)。
11.一种用于确定发电机(76)的磁极(4)与导体(8)之间的绝缘的厚度的方法，所述发电机(76)包括表示一个相(1、2、3)的至少一个磁极组，每个磁极组包括多个磁极(4)，磁极(4)被槽(19)分开，其中，组装多个导体(8)，使得每个导体(8)绕着特定磁极组的磁极 (4)转变方向，从而使得仅半个单匝(8a、8b、8c、8d)被关联到每个磁极(4a、4b、4c、4d)，并且每个磁极(4a、4b、4c、4d)包括磁极(4)与关联的导体(8)之间的槽绝缘，其中，根据特定槽中的导体(8)中的电压来确定所述槽绝缘的厚度。
12.如权利要求11所述的方法，其中，针对每个磁极组来确定最大槽绝缘厚度Insmax 和最小槽绝缘厚度h^n。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，确定用于计算同一磁极组的相邻磁极(4) 之间的槽绝缘的厚度的差的线性比例。Ins - Ins
14.如权利要求13所述的方法，其中，用ff=^^——^来计算线性比例α，、Wf.iteii其中，Nhalf. a.turn是每个导体(8)的半个单匝(8a、8b、8c、8d)的总数。
15.如权禾Ij要求11至14中的任一项所述的方法，其中，用Irisn =Insifim +( —1) 来计算第η个磁极(4)与关联的导体(8)之间的槽绝缘的厚度其中，α是特定磁极组的相邻磁极(4)之间的槽绝缘厚度的差，η是自然数，且 Insfflin是最小槽绝缘厚度值。
全文摘要
本发明涉及具有单匝波状绕组的发电机、风力涡轮机和用于确定发电机的槽绝缘的厚度的方法。公开了一种包括表示一个相(1、2、3)的至少一个磁极组的发电机(76)。每个磁极组包括多个磁极(4)、多个槽(19)和多个定子齿。每个相借助于槽绝缘与相邻的齿绝缘。组装多个导体(8)，使得每个导体(8)绕着特定磁极组的磁极(4)转变方向，从而使得仅半个单匝(8a、8b、8c、8d)被关联到每个磁极(4a、4b、4c、4d)。每个磁极(4)包括磁极(4)与关联的导体(8)之间的槽绝缘(61、62、63、64)。对于同一磁极组的至少两个不同磁极(4)而言槽绝缘(61、62、63、64)具有不同的厚度。
文档编号H02K3/28GK102255414SQ20111013027
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者E.格罗恩达尔, H.斯蒂斯达尔, M.基米亚贝吉 申请人:西门子公司