专利名称：带改进的冷却装置的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力涡轮机，其包括:-风力涡轮机塔架；-设置在风力涡轮机上的机舱；-可转动地安装在机舱上的风力涡轮机转子轮毂，在所述风力涡轮机转子轮毂上安装有一块或多块风力涡轮机叶片；-与所述风力涡轮机转子轮毂连接的轴；以及-与所述的轴连接的发电机，所述发电机包括转子，该转子相对于定子可转动地设置，其中所述转子包括一个或多个超导体转子线圈，而所述定子包括一个或多个由导体材料制成的定子线圈，所述转子线圈和定子线圈被设置成具有相互作用的磁场，当所述转子转动时，在定子线圈中产生电流。
背景技术：
在最近的开发过程中，超导发电机已被应用到风力涡轮机中。超导体一般都比传统导体更轻和更小，由于能够降低重量或者产生更大的能量，超导体在风力涡轮机中的应用具有吸引力。美国公开号为US2009/0224550A1的申请文件公开了这种超导风力涡轮机的一个例子。比起传统的用于风力涡轮机的发电机，这种超导发电机拥有更高的效率和明显更低的损耗。传统发电机的一个众所周知的问题是，当风力涡轮机的负载变化时，传统发电机的绕组会承受温度周期变化，使绕组上、夹持结构上、封条上和衬垫上产生反复的热应力，导致发电机失灵。而超导发电机需要通过在定子上使用空气或水来冷却。如果不冷却发电机内部的这些部件，比如线圈，这些部件将因为温度上升而失去传导能力，这相应地会使风力涡轮机的效力和运行时间都降低。公开号为EP2395629A1的申请文件公开了一种叠层板形式的风力涡轮机定子铁芯，包括多个与定子铁芯成一体且处于定子铁芯内侧附近的冷却通道。所述的冷却通道连接至外部冷却单元，所述的外部冷却单元利用水释放来自定子线圈的热量，这些定子线圈位于定子铁芯外侧的轮齿之间。冷却流体通过互相连接的管道沿轴向循环地从一个冷却通道流到另一个冷却通道中；这种轴向循环使温度沿着流体流动方向上升到不可接受的程度，降冷却效果。公开号为US2009/0256433A1的申请文件公开了一种用于风力涡轮机的发电机，其包括叠层板形式的定子铁芯，并包括多个并包括多个形成在层叠板上的冷却通道。这些冷却通道连接到泵电路，该泵电路用于将变压器油从储存容器中抽出并送进冷却通道，变压器油随后会通过重力或导管回到所述储存容器中。在这种配置中，通过循环将冷却流体经储存容器流过定子铁芯，使得定子被冷却，所述的储存容器处在发电机机体底部。由于发电机内产生的热量不能流通至发电机机体外部。
公开号为US4146804A的申请文件披露了一种定子，其包含多个第一冷却通道，所述的第一冷却通道被安排至邻近于定子线圈，在定子铁芯和定子机座之间设有一个环状物。冷却剂从其中一个定子室的入口，经过第一冷却通道，被引导进其它定子室，再经所述的环状物被引导回出口。这种配置中的定子齿是不导电的齿，通过玻璃纤维板跟定子铁芯分开。分开的定子齿不能提供从定子线圈到所述环状物的有效的热传递路径。而且，由于冷却剂经过冷却通道和环状物直接从一个定子室被引导到其它定子室中，这种配置无法在冷却剂中产生充足的压力。研究表明，由于充当主要热源的定子线圈与冷却通道之间的距离，温度热点会在定子线圈中形成。为了消除生成在绕组中的热量，首先必须将这些热量从绕组传递到所述定子铁芯，然后在热量被传递到冷却通道之前，让它们穿过定子铁芯的一部分。所述的热点会降低发电机的效能和增加发电机的损耗；这就表示，为了避开热点和保持高效，通过绕组的电流须被降低。发明目的本发明的一个目的是提供克服上文引用的先前技术的缺点的装置，使定子线圈在运行时的冷却更有效。本发明的另一个目的是提供一种配置，能减少定子线圈的使用材料和降低定子线圈的重量，和/或增加输出功率。本发明的另一个目的是增加发电机中的冷却剂流量和减少沿流动方向的温度上升。
发明内容
本发明的目的通过风力涡轮机来实现，其包括:-风力涡轮机塔架；-设置在风力涡轮机上的机舱；-可转动安装在机舱上的风力涡轮机转子轮毂，所述风力涡轮机转子轮毂上安装有一块或多块风力润轮机叶片；-与所述风力涡轮机转子轮毂连接的轴，-与所述轴连接的发电机，所述发电机包括转子，所述转子相对于定子可转动地设置，其中所述转子包括一个或多个超导体转子线圈，而所述定子包括一个或多个由导体材料制成的定子线圈，所述转子线圈和定子线圈被安排成具有相互作用的磁场，当转子转动时，在定子线圈中产生电流，以及-所述定子线圈被安排在定子机壳里的定子室中，所述定子铁芯将定子室分隔成第一室和第二室，其中，定子铁芯和定子线圈的至少一部分通过至少一个第一种冷却通道热耦合，所述第一种冷却通道位于至少一个定子线圈的邻近处，其中至少一个第一种冷却通道在所述第一室和第二室之间提供流体传输，并且，至少第一种冷却通道用于引导冷却剂将热量从定子线圈中传导出。所述风力涡轮机的特征为定子线圈沿着定子铁芯的内边缘被设置，并且至少一个第二种冷却通道沿着定子铁芯的外边缘设置，而一个或多个相互连接的管道中的每一个管道都被连接到至少两个所述的冷却通道，一个或多个相互连接的管道被设置在所述的第一室或第二室中。这种配置会让冷却通道串行地相互连接，从而形成一个或多个回路,该回路增加了冷却剂的流通路径。这就使流量被控制，依次地冷却剂的压力也能控制。在一个实施例中，每个冷却通道的温度会上升0.43摄氏度；通过将多个冷却通道串行连接，使得达到发电机中可接受的最高温度值。将十五个冷却通道串行连接，可使温度上升3摄氏度，这还不包括第一室和第二室中的温度上升，第一室和第二室中的温度上升可能小于25%。这导致159摄氏度的热点，该热点要求发电机的绝缘材料为H级。所述的第一种冷却通道的位置邻近于所述定子线圈，这能提高冷却的效果，因为第一种冷却通道邻近于主要热源，该主要热源即定子线圈。通过将冷却通道安置于邻近定子线圈处，一般为铜的定子线圈的材料的最高热传导能力，可有效地使热量通过所述第一种冷却通道中的冷却剂被传递出去。由于导线电阻的温度依存性，降低70摄氏度的定子线圈温度能让铜损耗降低22%，这相当于提升了高温超导体(HTS)发电机0.7%的效能。通过生成穿过所述第一种冷却通道的紊流，冷却的效力可进一步增加，因为当所述流体穿过第一种冷却通道时，更多的热量会被转移到冷却剂中。这些第二种冷却通道同样会冷却所述定子线圈，从而使冷却的作用更大，因为冷却剂可以更有效地穿过定子室流通。该配置使得所述转子被定位在邻近于所述定子机壳内壳处，以便定子围绕着转子设置，这比起将转子围绕定子设置，更能使定子内生成的热量被有效地传递到周围环境中。该配置还可让定子机壳内壳比定子机壳外壳更薄且更加不同，因为定子机壳内壳只须关闭所述的定子室，而定子机壳外壳则保证定子线圈和定子铁芯处在定子室内适当的位置上。根据本发明的一个特定实施例，所述的第二种冷却通道与定子机壳外壳直接接触。该配置使得传递到定子铁芯中的热量通过第二种冷却通道被传递至冷却剂，从而进一步提高了冷却效果。在定子护铁中产生的热量或传递到定子护铁的热量可进一步被转移走，因为第二种冷却通道位于定子护铁和定子铁芯的邻近处。根据本发明的一个实施例，第一种冷却通道与第二种冷却通道通过至少一个相互连接的冷却通道传输流体。该配置可使第一种冷却通道将热量更快地从所述定子线圈中被引导出去，因为冷却剂被更快地从初级热源中被导出，离开所述定子室。这让定子线圈的冷却更有效。根据本发明的一个特定实施例，定子线圈被设置在转子壳体内的转子室中，所述的转子壳体通过转子-定子间隙与定子壳体分隔开。这提供了一种发电机装置，发电机具有带大面积热传递区域的定子，因为所述定子机壳外壳的大部分可被用来将热量从定子线圈里转移到周围的环境中。该配置也带来了更有效的冷却效果，因为冷却剂不仅在多种的冷却通道中流通，还可流至定子铁芯的末端。根据本发明的一个实施例，第一种冷却通道设置在定子铁芯的内边缘的至少一部分上，该定子铁芯的内边缘的至少一部分与定子线圈热耦合。这样的第一种冷却通道的配置，降低了所述定子线圈中的温度和在定子和转子之间间隙中的温度，从而提升了发电机的性能。通过降低定子和转子之间间隙中的温度，使更少的热量被传递到转子上，从而让转子特别是转子线圈上的冷却更有效。在一个实施例中，所述发电机可被配置成永磁同步发电机(PMG)，使用永久磁体代替线圈，并具有第一种冷却通道，其设置如上文所述。在这个实施例中，通过降低15摄氏度的磁体温度，该永磁同步发电机(PMG)的磁通量密度、反电动势和扭矩均可被提高1.5%。根据本发明的一个实施例，第一种冷却通道被设置在至少第一定子线圈和第二定子线圈之间，该第一定子线圈和第二定子线圈均被设置在第一定子线圈套件里。这种改进的冷却装置减少了定子线圈要用的材料，因为通过的电流会增加，且不导致所述发电机过热。根据本发明的一个特定实施例，所述的定子铁芯包括一个或多个定子齿，将定子线圈的第一套件和定子线圈的第二套件分开，其中，所述的第一种冷却通道设置在定子齿的至少一个侧面之上，定子齿与其中一副定子线圈套件热耦合。这种配置使得来自定子线圈套件的热量被直接传递到第一种冷却通道，从而更有效地将热量引导走，因为热量不必被转移通过所述定子铁芯的一部分。被热量传递所影响的区域，会随着第一种冷却通道沿着突出部的底部的延伸而增大，因此冷却效果也会增大。此种配置同样会让位于第一种冷却通道任意一侧上的两副定子线圈套件产生的热量，被转移到同一冷却通道，然后使这些定子线圈的冷却更有效。根据本发明的另一个特定实施例，所述的定子铁芯包括一个或多个突出部，将定子线圈的第一套件和定子线圈的第二套件分开，其中，第一种冷却通道至少设置在第一突出部和第二突出部之间的定子铁芯的底部，第一突出部和第二突出部都热耦合到定子线圈的其中一副套件上。这种配置能让来自定子线圈套件的热量直接被传递到第一种冷却通道里，从而使热量更有效地被导出，因为热量不必被传递经过所述定子铁芯的一部分。被热量传递所影响的区域，会随着第一种冷却通道沿着突出部的侧面的延伸而增大，因此冷却效果也会增大。根据本发明的一个特定实施例，所述的定子室至少局部地装有冷却剂，至少一种冷却通道会被用于将冷却剂从其中一个室引导到另一个室中，其中定子护铁至少部分浸在冷却剂里。这使所述的定子线圈，特别是定子线圈头(环)，被浸在冷却剂中，从而提供了很大的区域用于将热量从定子线圈传递到冷却剂。这使得定子线圈头有效地冷却，防止在定子线圈头中的形成热点。根据本发明的一个实施例，所述的冷却剂可以是变压器油，优选为硅树脂油。使用油冷却来冷却发电机定子的优点是，与使用空气冷却相比，实质冷却性能更好。这使发电机可采用更高的扭矩密度，让发电机能效降低，或者使得发电机拥有比使用空气冷却时更高的效率。实验表明，发电机的油冷却，特别是硅树脂油冷却，会比使用内部气体冷却或者外部的气体冷却或水冷却产生更高的效益。在一个实施例中，当发电机使用了 4A/mm2的电流密度和油冷却时，定子线圈中的热点约为159摄氏度，而相应的使用气体冷却的发电机所显示出的热点约为260摄氏度。
根据一个实施例，所述定子还包括入口和出口，它们经过导管被连接到定子冷却系统中，用于在定子室内部的冷却剂流通。所述的冷却系统使发电机内部的热量被传递到冷却剂流通到发电机外部，从而让热量转移到周边环境中。热交换器、冷却风扇、热交换板或散热片，或者任何它们的结合都可用于将热量从冷却剂中提取出来。定子线圈头直接被冷却剂冷却，该冷却剂由冷却泵流通，甚至通过冷却剂的自然流通，以保证良好的冷却。根据本发明的一个实施例，在定子线圈中产生的电流密度可为4A/mm2或更大。改进的冷却配置让定子线圈中的电流密度增加，直至因导线电阻的温度依存性而出现的铜损耗超过发电机效能的提升。降低10%的电流密度，让风力涡轮机整体的效能提闻大概1%。在一个实施例中，电流密度可从大约2.1kfxm2被提高到4A/mm2或更高。
本发明通过实施例并参照附图来进行描述，其中:图1展示了一台风力涡轮机；图2展示了轮毂、发电机的视图和到电网的连接；图3展示了发电机和定子冷却系统；图4展示了图3所示的定子的横截面；以及图5展示了图4所示的横截 面的放大部分；
具体实施例方式
权利要求
1.一种风力涡轮机(100)，其包括: -风力涡轮机塔架(101)； -设置在风力涡轮机(100)上的机舱(103)； -可转动地安装在机舱(103 )上的风力涡轮机转子轮毂(106 )，所述风力涡轮机转子轮毂(106)上设有一块或多块风力涡轮机的叶片(105)； -与所述风力涡轮机转子轮毂(106)连接的轴(115)； -与所述轴(115)连接的发电机(116)，所述发电机包括转子(203)，所述转子(203)相对于定子(204)可转动地设置，其中，所述转子(203)包括一个或多个超导体转子线圈，而所述定子(204)包括一个或多个导体材料的定子线圈(503)，所述转子线圈和定子线圈(503)被设置成具有相互作用的磁场，当所述转子(203)转动时，在定子线圈(503)中产生电流， -其中，所述定子线圈(503)设置在定子机壳(505)里的定子室(502)中，定子铁芯(504)将定子室(502)分隔成第一室(510)和第二室(511)，其中，定子铁芯(504)和定子线圈(503)的至少一部分通过至少一个第一种冷却通道(603)热耦合，所述的第一种冷却通道(603)位于至少一个定子线圈(503)的邻近处，其中至少第一种冷却通道(603，606)在所述的第一室(510)和第二室(511)之间提供流体传输，而至少第一种冷却通道(603，606)会被设置用于引导冷却剂(404)将热量从定子线圈(503)中导出； 其特征在于: -所述定子线圈(503)沿 着定子铁芯(504)的内边缘(608)设置，并且至少一个第二种冷却通道(606)沿着定子铁芯(504)的外边缘(607)被设置，以及 -一个或多个相互连接的管道(512)，每一个管道(512)都被设置为与至少两个所述的冷却通道(606 )连接，且被设置在所述的第一室(510 )或第二室(511)内。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，第二种冷却通道(606)与定子机壳外壳(601)直接接触。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，第一种冷却通道(603)与第二种冷却通道(606)经过至少一个相互连接的冷却通道传输流体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转子线圈被设置在所述的转子壳体内的转子室中，所述的转子壳体和定子机壳(505)通过转子-定子间隙(506)被分隔开。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，第一种冷却通道(603)被设置在定子铁芯(504)的内边缘(608)的至少一部分上，所述定子铁芯(504)的内边缘(608)的至少一部分与定子线圈(503)热耦合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，第一种冷却通道(603)设置在至少一个第一定子线圈(503’)和第二定子线圈(503’’，503’’’)之间，所述至少一个第一定子线圈(503’ )和第二定子线圈(503’’，503’’’)均被设置在定子线圈(503)的第一套件(604)里。
7.根据权利要求5或6所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，定子铁芯(504)包括一个或多个定子齿(607)，所述定子齿(607)将定子线圈(503)的第一套件(604)和定子线圈(503)的第二套件(604’)分开，其中，所述第一种冷却通道(603)被设置在定子齿(607)的至少一个侧面(610，610’)之上，所述定子齿(607)与定子线圈(503)的其中一副套件(604，604’ )热耦合。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述定子铁芯(504)包括一个或多个定子齿(607)，所述定子齿(607)将定子线圈(503)的第一套件(604)和定子线圈(503)的第二套件(604’)分开，其中，所述的第一种冷却通道(603)被设置在定子铁芯(504)的至少一个底部(611)上，所述定子铁芯(504)的至少一个底部(611)位于第一定子齿(607)和第二定子齿(607’ )之间,所述第一定子齿(607)和第二定子齿(607’ )均热耦合至定子线圈(503)的其中一副套件(604，604’)上。
9.根据上述任一项权利要求所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，定子室(502)至少局部地装有冷却剂(404)，至少一种冷却通道(603，606)被用于将冷却剂(404)从其中一个室(510，511)引导到另一个室(510，511)中，其中，所述的定子铁芯(504)至少部分地浸在冷却剂里。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述的冷却剂(404)是变压器油，优选为硅树脂油。
11.根据上述任一项权利要求所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述定子(204)还包括入口和出口，所述入 口和出口经过导管(403 )连接到定子冷却系统(400 )中，用于定子室(502)内部的冷却剂流通。
12.根据上述任一项权利要求所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，产生于定子线圈(503)中的电流密度为4A/mm2或更多。
全文摘要
本发明涉及一种风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架；设置在风力涡轮机上的机舱；可转动地安装在机舱上的风力涡轮机转子轮毂，所述转子轮毂上装设有一块或多块风力涡轮机的叶片；与所述风力涡轮机的转子轮毂连接的轴；与所述的轴连接的发电机，所述发电机包括转子，该转子相对于定子可转动地设置，其中所述转子包括一个或多个超导体转子线圈，所述定子包括一个或多个导体材料的定子线圈，所述的转子线圈和定子线圈被设置成具有相互作用的磁场，当所述转子转动时，在定子线圈中产生电流。定子铁芯和定子线圈的至少一部分通过第一种冷却通道热耦合，该第一种冷却通道沿着定子铁芯的内边缘设置。第二种冷却通道沿着定子铁芯的外边缘设置。冷却通道引导冷却剂将热量从定子线圈中导出。相互连接的管道与第一室或第二室中的至少两个第二种冷却通道连接。
文档编号H02K9/19GK103208883SQ20131011729
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月3日 优先权日2012年4月11日
发明者彼得·拉斯马森 申请人:远景能源(江苏)有限公司