冷却和支撑特别是风力涡轮机应用的机电机器的定子节段的制作方法

本发明涉及用于电机的定子的定子节段的冷却支撑元件，该电机具体是发电机。此外，本发明涉及包括这种冷却支撑元件的定子节段。此外，本发明涉及包括所述定子节段的定子。此外，本发明涉及包括所述定子的电机，例如用于风力涡轮机的发电机。除此之外，本发明涉及用于制造这种冷却支撑元件的方法。

背景技术：
电机，例如用于风力涡轮机的发电机，可以由转子和定子构成。定子可以由叠片堆组成，其中一个或更多个线圈或绕组可以被设置在定子叠片堆的凹槽内。在这种电机中，当将机械能转换成电能时产生热量且反之亦然。在形成定子绕组的铜导体内通过焦耳损失以及在磁活性部件的铁部分中通过涡电流损失产生热量。产生的热量必须被移除以便避免热点、由于磁体温度增加导致的功率减小以及绝缘磨损。在常见系统中，定子叠片堆和附接的绕组通过在定子内部吹送空气来冷却。在定子外壳的轴向端部区段，绕组突出并形成半匝。绕组的突出半匝形成定子绕组的端部绕组。通过将空气吹送通过绕组，例如在转子和定子之间的空气间隙内或者通过定子外壳的径向延伸管道吹送空气，从而冷却定子绕组。已经使用被安装在每个节段的空气-空气热交换器来承担对节段的冷却。随着节段数量的增加，冷却需求增加并且因此增加定子和冷却部件的重量和几何复杂性。所述安装和空气管件还将具有构造问题，并且由于较大的维修需求而将不能实现发电机的预期使用寿命。在这样的系统中，定子叠片被焊接到底层T形条并且通过压力板固定在端部。定子堆具有多个轴向间隔件以便冷却且因此减少组装后节段的刚性。不均匀的冷却空气流动会产生于这样的冷却系统中，并且会导致与温度有关的不一致的机器性能，并且会进一步需要更大的风扇功率来处理特别是在端部绕组内的热点。此外，设置在定子堆内的轴向冷却通道会降低节段的结构完整性。因此，会需要用于从定子叠片堆耗散热量的改良系统。

技术实现要素：
可以通过根据独立权利要求的主题来满足这种需要。通过从属权利要求来描述本发明的有利实施例。根据实施例，提供用于电机的定子节段的冷却支撑元件，该电机具体是发电机。冷却支撑元件包括：具有上表面和下表面的第一板，其中所述第一板的上表面包括锚定器件，该锚定器件用于锚定可附接到所述冷却支撑元件的定子叠片堆；具有上表面和下表面的第二板，其中所述第二板的下表面包括入口和出口，其中所述第一板被附接到第二板以使得所述第一板的下表面面向所述第二板的上表面，其中隔离元件被置于所述第一板的下表面和所述第二板的上表面之间以便在所述第一板和所述第二板之间提供冷却通道，并且其中冷却流体可从所述入口通过所述冷却通道被引导到所述出口以便从所述定子叠片堆耗散热量。这种实施例是基于如下构思，即：可以使用支撑元件，定子叠片堆可以被安装在该支撑元件上，其中该支撑元件还提供冷却功能。根据这种实施例，引入了简单且高效的方法来支撑或安装定子叠片堆且同时冷却这个定子叠片堆。所述冷却支撑元件解决了定子节段的冷却问题，例如定子叠片堆和设置在定子叠片堆上的绕组的冷却问题，并且解决了定子节段生产所涉及的制造过程的问题。这里提出的冷却功能可以实现较冷的机器性能而不需要大型的空气-空气热交换器。所述冷却支撑元件可以提供与风力涡轮机冷却形成整体的定子冷却机构。在常见系统中的不均匀冷却空气流动会导致与温度有关的不一致机械性能并且会需要更大的风扇功率来解决尤其在端部绕组内的热点问题。设置在定子堆内的轴向冷却通道会减少节段的结构完整性，而通过这里描述的冷却支撑元件所提供的液体冷却会消除该问题。通过冷却通道的液体流动可以变化以便能够产生可变流动并且因此控制能够被集成以便根据机械功率输出来优化冷却（在存在或不存在无传感器控制的情况下）。所述冷却支撑元件可以被用于定子节段。因此可以用每个节段来制造并生产冷却支撑元件的冷却通道，并且在定子组装期间仅需要管件连接。作为冷却流体，可以使用水或任意其他流体，例如水或乙二醇混合物。乙二醇混合物是优选的，这是因为其在较低工作温度下具有防冻特性。基于冷却流体流动并且在具有优化通道高度和宽度的情况下，因此产生必要的对流系数。在本文中“定子叠片堆”可以指的是提供接收绕组的凹槽的定子部件。通过堆叠多个硅钢板元件薄片来形成该定子部件。在本文中“耗散热量”可以指的是可能在端部区段处出现的在定子节段内生成的任意热量可以从端部区段被耗散或导走。这里描述的冷却支撑元件可以用于风力涡轮机的发电机的定子。其还可以用于任意其他类型的电机，例如马达。根据另一实施例，第一板包括被附接在下表面的两个相对边缘上的侧条（sidebar），其中所述侧条适于闭合冷却通道。侧条可以用于在两侧上闭合冷却通道。此外，侧条可以用于将冷却支撑元件附接到相邻定子节段。根据另一实施例，T形条被附接到第二板的下表面以便加强冷却支撑元件。通过使用T形条，当叠片被堆叠在一起时可以实现节段的刚硬构造且可以解决节段完整性的使用寿命检查问题。T形条可以例如被焊接到第二板的下表面。将T形条附接到冷却支撑元件可以在节段的使用寿命方面具有影响，因为它们给支撑元件提供增强的刚性并且因此可以延长节段的使用寿命。根据另一实施例，隔离元件被附接到第二板的上表面。隔离元件可以例如被焊接到第二板的上表面。隔离元件可以是沿一个方向延伸的条的形式。根据另一实施例，隔离元件形成蜿蜒形冷却通道。通过提供蜿蜒形冷却通道，冷却流体可以在入口进入冷却支撑元件，该入口可以被设置在第二板的一个角隅。冷却流体可以从这个入口开始以蜿蜒形式在第一和第二板之间穿过冷却通道，并且可以在出口离开冷却通道，该出口被设置在例如第二板的与第一角隅相对的角隅处。根据另一实施例，锚定器件包括适于与定子叠片堆的对应凹槽或沟槽接合的沟槽或凹槽。通过使用键槽特征（沟槽或凹槽）来锚定定子叠片堆，可以避免焊接或螺栓连接定子叠片堆层。所述层可以在冷却支撑元件的一侧被插入键槽特征。根据另一实施例，提供电机（具体是发电机）的定子的定子节段。定子节段包括定子叠片堆和如上所述的冷却支撑元件。定子叠片堆可以被附接或安装在冷却支撑元件上。通过冷却支撑元件，可以为定子节段提供支撑结构以及冷却装置。被设置在定子叠片堆上的绕组可以被冷却，其中可以实现相对均匀的冷却。根据另一实施例，定子节段进一步包括两个定子压力板，其中所述两个定子压力板被设置在冷却支撑元件的两个相对轴向端部。在定子节段的前面处可以附接第一压力板，并且在定子节段的相对面处可以附接第二压力板。压力板可以用于加强且具体地紧固定子叠片堆。压力板可以通过使用梁被联接和紧固。任选地，压力板可以被液体冷却并且因此如果需要的话能够非常容易地控制端匝绕组温度。为此，可以在分隔块内经由入口和出口产生输入和输出连接，其中该分隔块将引导线性流动以便避免如果需要冷却压力板时由于弯曲和陡角产生的涡流和流动扰动。此外，流动的入口和出口将位于冷却通道下方，即：在第二板的下表面上。根据另一实施例，所述两个定子压力板各自包括用于导引（piloting）冷却支撑元件的导向直径（pilotdiameter）。导向直径可以是凹槽形式以便接收和引导冷却支撑元件。当添加定子叠片堆时这可以提供对容差需求的更好控制。根据另一实施例，定子叠片堆被设置在所述两个压力板之间并且被附接到冷却支撑元件。冷却支撑元件可以被用作堆叠筒以便使得能够连续堆叠，其能够被焊接或桩钉结合到压力板。根据另一实施例，所述两个压力板被连接到分隔块并且适于通过分隔块提供对定子节段的端部冷却。分隔块可以用于提供冷却流体，不仅是经由入口向冷却通道提供，而且附加地向压力板提供冷却流体。压力板可以例如经由作为压力板一部分的冷却管线被冷却并且因此可以实现对端部绕组的冷却。根据另一实施例，提供电机的定子，具体是发电机的定子。定子包括至少两个如上所述的定子节段。定子可以包括多于两个的定子节段。每个定子节段可以包括一个冷却支撑元件。根据另一实施例，提供电机，具体地用于风力涡轮机的发电机。电机包括转子和如上所述的定子。这样的电机或发电机可以是本领域已知的任意种类的电机或发电机。转子和定子可以以常规方式设置，其中定子可以包括具有根据如这里所述的实施例的冷却支撑元件的定子节段。应该理解的是，关于冷却支撑元件、定子节段、定子或电机的实施例描述所公开、描述、使用或提及的（单独的或任意结合的）特征还可以被（单独地或任意结合地）应用于、使用于或实施于用于制造冷却支撑元件的方法。根据另一实施例，提供用于制造电机的定子的定子节段的冷却支撑元件的方法，该电机具体是发电机。该方法包括：提供具有上表面和下表面的第一板，其中第一板的上表面包括锚定器件，该锚定器件用于锚定可附接到冷却支撑元件的定子叠片堆；提供具有上表面和下表面的第二板，其中第二板的下表面包括入口和出口；将第一板附接到第二板以便第一板的下表面面向第二板的上表面；并且将隔离元件置于第一板的下表面和第二板的上表面之间以便在第一板和第二板之间提供冷却通道，其中可从入口通过冷却通道将冷却流体引导到出口以便从定子叠片堆耗散热量。在本文中“附接”可以指的是使用任意种类的固定器件（例如螺栓或键槽特征）进行焊接或固定。还应该注意，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。具体而言，已经参考方法型权利要求描述了一些实施例，而参考设备型权利要求描述了另一些实施例。不过，除非另有提示，否则本领域的技术人员将从上述和下述描述中得出，除了属于一种主题类型的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合，具体是方法型权利要求的特征和设备型权利要求的特征之间的任意组合，也被认为由本申请所公开。从之后描述的实施例示例可以显而易见到本发明的上述方面和其他方面，并且参考实施例示例解释了各方面。在下文将参考实施例的示例更加具体地描述本发明，不过本发明不限于这些示例。附图说明现在参考附图描述本发明的实施例，本发明不限于所述附图。图1示出了根据实施例的冷却支撑元件；图2示出了根据实施例的冷却支撑元件的第一板；图3示出了根据实施例的冷却支撑元件的第二板；图4示出了根据另一实施例的冷却支撑元件；图5示出了图4的冷却支撑元件的放大部分；图6示出了根据实施例的压力板；图7示出了根据实施例的定子叠片堆；图8示出了根据实施例的定子节段；图9示出了图8的定子节段的另一视图；图10示出了图8和图9的定子节段的放大图；图11示出了根据实施例的冷却支撑元件内的冷却流体的流动；图12示出了根据另一实施例的冷却图解。具体实施方式附图中的图释是示意性形式。应该注意到，在不同附图中，类似或相同元件具有相同附图标记。图1示出了根据实施例的冷却支撑元件100。冷却支撑元件100能够用于电机（具体发电机）的定子的定子节段。冷却支撑元件100包括第一板101。第一板101具有上表面和下表面，其中第一板的上表面包括锚定器件（未示出），其用于锚定可附接到冷却支撑元件100的定子叠片堆（未示出）。冷却支撑元件可以用作定子叠片堆的支撑结构且同时用作定子叠片堆的冷却装置，具体地用于被设置在定子叠片堆内的绕组的冷却装置。冷却支撑元件100包括具有上表面和下表面的第二板102。第二板的下表面包括入口103和出口104。第一板101被附接到第二板102以使得第一板101的下表面面向第二板102的上表面。隔离元件105、106被置于第一板101的下表面和第二板102的上表面之间以便在第一板101和第二板102之间提供冷却通道。在一种构造中，如这里所示，隔离元件105的一部分邻接在冷却支撑元件的一个边缘上，并且隔离元件106的一部分邻接在冷却支撑元件的相对边缘上。冷却流体能够从入口103通过冷却通道被引导或穿行到出口104以便从定子叠片堆耗散热量。定子节段具有被特定设计和优化的冷却通道。由每个节段制造且产生通道，并且在定子组装期间仅需要管件连接。通道可以提供有水/乙二醇混合物流动并且具有优化的通道高度和宽度，以便产生必要的对流系数。在分隔块内能够产生输入和输出连接，该分隔块将引导线性流动以便避免在需要冷却压力板时由于弯曲和陡角导致的涡流和流动扰动。此外，流动的入口和出口将位于冷却通道下方，如图1所示。冷却支撑元件还可以用作堆叠筒以便使得能够连续堆叠，其能够被焊接或桩钉结合到压力板。在堆叠过程期间能够使用所需的堆叠压力。堆叠下方的条可以用于产生冷却通道轮廓，其能够基于进一步考量（例如仿真）被优化。因为包括多个弯曲和回转，所以通过所附的附图能够实现对流动轨迹的深刻理解。在下文中，将描述可能的制造方法。不过，应该意识到，还可以使用其他方法来制造这里描述的冷却支撑元件。示例性组装过程开始于图2，其中轧板101将形成冷却支撑元件的上部。这个第一板101稍后将形成在定子堆叠和组装期间使用的堆叠筒。在上冷却板101的端部处焊接薄条201以便包围流动通道。上冷却板可以是轧制片材金属。侧条201可以用作稍后用于定子节段间连接且还用于闭合将由上板和下板形成的冷却通道的侧条。第一板可以在轧制和焊接之后在其顶部上具有键槽切口以便沿径向和切向方向锚定定子组件。在图4中示出了键槽401。用于冷却支撑元件100的下板102还可以是如图3所示的轧制片材金属。不过，冷却通道的下部能够是用于电阻焊接的完整板或用于电弧焊接的多个板。端口连接件102、103将被焊接到板的下侧以用于冷却剂的入口和出口。不同的流动隔离件105、106将被焊接在下板的顶部上。这些独特的隔离件将反转和引导流动，如下文所示。T形条402可以被焊接在冷却支撑元件的下部102下方以便赋予定子组件必要的强度。图4和图5所示的最终组件400、500具有带驱动端部和非驱动端部开口的冷却通道。第一板101和第二板102将在周边焊接以便形成冷却通道。图4示出的冷却支撑元件能够用作定子堆叠过程的堆叠筒。叠片的堆叠过程将开始于：一个压力板600被放置且冷却支撑元件被焊接到该压力板。这将确保组装的垂直堆叠点。压力板能够由钢板或任意等价材料形成。此外，压力板包括导向直径602，其被机加工到板内以便导引堆叠筒。该导引将使得能够更好地控制容差累积并且还在定子节段的结构性链接中起作用。压力板包括用于绕组的指形件或齿。此外，它们包括孔604以用于固定冷却支撑元件且用于通过梁1010将两个压力板联接在一起，如图10所示，其示出了冷却支撑元件1000的放大图。叠片将被堆叠且在堆叠之间施加堆叠压力以确保较高的堆叠系数。叠片将被制造成具有如图7所示的桩钉孔703和/或燕尾键槽702。如果叠片被制造成具有堆叠螺栓孔，则长桩钉被用于引导堆叠并且即使在生产期间也能进行对叠片的最终紧固且控制堆叠压力。如果叠片被制成具有燕尾键，则上冷却通道将被制成具有燕尾键槽特征，其将用于将节段沿径向方向放置就位。图7示出了被隔离的叠片堆700。各叠片被冲压成在内直径具有桩钉孔和键槽或键。键特征将用于将叠片锚定在冷却通道内并且相比于焊接将产生对径向方向上的更佳控制。定子叠片堆700还提供齿或指形件以用于将被设置在堆上的绕组。如图8和图9所示的最终定子节段800、900进一步包括被设置在堆上的端部绕组801和绕组900。堆下方的冷却通道提供对于绕组及堆本身的冷却。对于桩钉连接的叠片堆而言，能够进行最终紧固和堆叠压力控制，而键式叠片堆将必须使用液压压力来控制堆叠压力。对于两种情况，桩钉孔和键的数量将由强度需求来确定。上述方法能够结合使用以便确保将维持风力涡轮机的使用寿命的刚硬节段构造。对齐的堆组件将具有用轧板、T形条和压力板形成的冷却入口、通道和出口。之后能够开始后续的缠绕。任选的分隔块能够延伸到压力板，其构思在于冷却定子绕组的端部以便冷却端部绕组。由于构造和液体冷却需求，所述冷却支撑元件使得能够产生定子节段的紧固组装，其总是更紧凑的且易于操作。堆叠过程可以确保刚硬组装过程和（如果提供螺栓孔则在一些情况下）在使用寿命期间对堆叠压力的连续监控。所述过程可以进一步确保定子叠片的径向偏转能够保持最小，这归因于在桩钉和键特征中所提供的径向约束。液体冷却本身可以使得能够具有更冷的机器性能，这归因于液体流动的较高对流系数。液体冷却可以仅需要散热器站（图12中的1201）和泵送站（图12中的1204-1207），其将比分布式空气-空气热交换器消耗更少的能量。当冷却介质（水）被添加了乙二醇以作为防冻剂时，机器可以进行冷启动。由于冷却设置的紧凑特性可以预期到实质性重量减小。优化的端部流动能够使得得到更冷的端部绕组且因此使得绝缘件具有更长使用寿命。由于液体冷却剂的高对流系数，冷却支撑元件具有较冷机器性能的优点。液体散热器的冷却需求更小并且所需的泵送功率将更小且因此发电机的总体系统效率将增加。由于较冷的机器性能，绝缘件和接地件的使用寿命会增加。泵送站和阀门设置中的流动控制可以使得能够进行可变功率点操作且因此可以以更小的功率输出来节约效率。使用液体冷却，发电机能够被设计成具有IP54或更高等级的TEWAC（全封闭水-空气冷却式）发电机，从而其能够承受更严酷的环境，例如盐雾、灰尘区域等等。冷却支撑元件还可以使得能够实现具有提供的键特征和桩钉的定子节段的刚硬构造。这可以使得能够实现定子堆的紧凑构造，准确对齐以便保持定子堆的外径，并且可以通过从负荷零件的热点移除大量焊点来增加发电机的使用寿命。其还可以使得能够通过在运转和使用寿命维护期间使用应变指示件来再次紧固螺栓从而保持跟踪节段堆叠压力的损失。冷却支撑元件还可以用作叠片堆叠过程中的堆叠筒并且还能够实现其上能够放置叠片堆的耐用构造。在图11中可以看见冷却通道内的冷却剂流动1100。通过冷却通道内的箭头示出了典型的冷却剂轨迹。在示例中，流动处于2.5升/秒。假定在具有优化冷却剂高度和宽度的情况下流动产生3500W/m2K的等价对流系数。能够使用通道内的更精细的流动分析和流动引导来弥补流动中的空位（流动弯曲和对齐之处）。如果存在增加对流系数的任何需求，则还可以将涡流发生器组装到通道组件内。预期在每个节段的入口和出口流动之间存在2℃至4℃范围内的非常小的温度增加。可以根据机器的最差情况效率来确定将使用的散热器的尺寸。如图12的图解1200所示，涡轮机外部的冷却剂散热器1201具有泵送站。散热器1201被联接到入流分隔块站1202和出流分隔块站1203。散热器给分隔块站1202提供冷却剂流动入口并且从分隔块站1203接收冷却剂流动。两个分隔块站均联接到多个泵送站1204-1207。每个泵送站能够给三个节段1208-1211提供冷却流体。相应节段中的每个节段被设置成如上所述的定子节段。因此，能够通过一个冷却剂散热器1201控制多个节段。根据这里描述的实施例，可以实现用于液体冷却的定子节段的机构和制造方法以及永磁体电机（具体地用于风力涡轮机应用）的组装。应该注意到，术语“包括”不排除其他要素或步骤，并且“一”或“一种”不排除多个。而且，与不同实施例相关的要素可以相结合。还应该注意到，权利要求中的附图标记不意味着限制权利要求的范围。