冷却装置以及直接驱动式风力涡轮机的制作方法

本实用新型涉及一种用于冷却定子的定子绕组的冷却装置，一种包括这样的冷却装置的直接驱动式风力涡轮机，以及一种冷却定子绕组的方法。

背景技术：

在风力涡轮发电机中，必须要有某种方式来冷却电枢（通常是定子）的烫的线圈或绕组，因为绕组的电阻与其温度成正比，电阻越大，发电机的功率输出就越低。此外，定子与转子之间的气隙一般很小，使得绕组发出的热也可能被传递到磁体。磁体中的温度过高，可能导致磁体久而久之发生退化。因此，必须确保绕组温度保持在可接受的低水平。

绕组或线圈一般包括低电阻金属“圈”，两个半部沿着定子的长度延伸，而每个绕组的一半布置在平行的定子齿之间。在定子的任一端，绕组发生180°旋转。风力涡轮发电机一般实施为三相机器，即，绕组布置成三个一组的交错群组。因为每个绕组必须在定子的每一端发生180°旋转，所以三相的绕组的端部必须交错，并且交错的绕组端部用“绕组悬垂部”的形式延伸超出定子的外端。为了确保损失极小且相位平衡，绕组悬垂部一般用尽可能紧凑的方式实施。

在这样的发电机的一种冷却方法中，可以将诸如空气之类的气态冷却剂吹送到气隙中，在这里，气态冷却剂吸收绕组发出的热量。加温后的空气然后可以从发电机中排出。替代地，空气可以从气隙穿过定子主体中的通道进入定子内部。加温后的空气可以使用布置在定子内腔中的热交换器来冷却，或者通过任何其它适当的冷却技术来冷却，并且冷却后的空气可以再次被吹送到气隙中。

已知的冷却装置的一个问题是，绕组悬垂部难以冷却，因为任何被吹送或抽吸到气隙中的冷却气态都将实际上绕过这个区域。悬垂部的交错的绕组端部延伸到定子每一端之外的一定距离，并且绕组悬垂部中的180°旋转对任何气态冷却介质有效地形成屏障或阻挡。气态冷却剂在流往气隙的途中将始终遵循最容易的路径，因此就是在绕组悬垂部周围流动。这样会导致对绕组端部区域的冷却不足。结果是，绕组悬垂部的一个或更多个区域中的温度可能明显比定子齿之间的直的绕组区部的温度更烫。因为绕组端部的传导性会随其温度的升高而降低，所以发电机的热相关损失会因此增加。因此，发电机的功率输出实际上受到绕组悬垂部中的最热温度的限制。

技术实现要素：

因此，本实用新型的目的是提供一种冷却绕组悬垂部区域的改善的方式。

通过一种冷却装置，通过一种直接驱动式风力涡轮机，通过一种冷却定子绕组的方法，以及通过一种改造风力涡轮机的方法来实现这个目的。

根据本实用新型的冷却装置实施成冷却在发电机壳体中包围的定子的定子绕组，所述冷却装置包括：风扇装置，其实施成将气态冷却介质引导到腔中，所述腔由定子端面和所述发电机壳体限定；在定子端面中的旁路开口的装置，其中，旁路开口提供进入所述定子的内部的路径；以及歧管，其布置成在所述旁路开口上延伸并且至少部分地在所述定子绕组的绕组悬垂部上延伸，并且实施成导引冷却流通过所述绕组悬垂部进入所述定子内部。

根据本实用新型的直接驱动式风力涡轮机包括：外部转子和内部定子，其中，所述外部转子布置在可旋转的发电机壳体上；以及根据本实用新型的冷却装置，用于冷却所述定子绕组和绕组悬垂部。

根据本实用新型的冷却在发电机壳体中包围的定子的定子绕组的方法包括下面的步骤：在定子端面中提供多个旁路开口，其中，旁路开口提供用于气态冷却介质进入定子内部的路径；布置歧管使其在所述旁路开口上延伸并且至少部分地在所述定子绕组的绕组悬垂部上延伸；以及将气态冷却介质引导到由定子端面和所述发电机壳体限定的腔中，从而使得气态冷却介质从所述腔通过所述绕组悬垂部并且经由所述旁路开口进入所述定子内部。

根据本实用新型的改造风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机已经包括在发电机壳体中包围的定子以及用于冷却所述定子的定子绕组的气态冷却装置；所述方法包括下面的步骤：在定子端面的对应于最热的绕组悬垂部区域的区域中形成至少一个旁路开口；以及布置歧管使其在所述旁路开口上延伸并且至少部分地在所述绕组悬垂部上延伸。

根据本实用新型，冷却装置实施成冷却在发电机壳体中包围的定子的定子绕组，并且包括：风扇装置，用于将气态冷却介质引导到由定子端面和发电机壳体限定的腔中；在定子端面中的旁路开口的装置，其中，旁路开口为气流进入定子内部提供路径；以及歧管，其布置成在旁路开口上延伸，并且至少部分地在定子绕组的绕组悬垂部上延伸，其中，歧管实施成使冷却气流的一部分从腔偏转到定子内部。

在本实用新型的背景下，歧管可以理解成是罩盖或屏蔽物，其用于促进或强迫气流经过绕组悬垂部进入旁路开口中。歧管可以由任何合适的材料制成，例如纤维玻璃或塑料，因为这些材料很轻，而且相对轻松就能得到任何期望形状。为了用作冷却气流的导引件，歧管布置成绕组悬垂部区域周围的腔部分与腔的其余部分之间的“分隔物”或掩蔽物。歧管可以固定至定子端面以便限定一个包含旁路开口和绕组悬垂部区域的区域或空间。这个区域或空间基本上是封闭的，只有靠近绕组悬垂部的用于允许冷却气流进入这个空间的间隙或入口除外。根据本实用新型的冷却装置的一个优点是，歧管与旁路开口配合用于促进或强迫冷却气流的一部分通过问题存在的绕组悬垂部区域。因此，冷却气流可以有意地受到引导而通过绕组悬垂部区域。以此方式，可以在绕组悬垂部中维持有利的低温，从而使热相关损失尽量减小，使得发电机的功率输出可以相应增加。

根据本实用新型，直接驱动式风力涡轮机包括：外部转子和内部定子，其中，外部转子布置在可旋转的发电机壳体上；以及根据本实用新型的冷却装置，其实施成冷却定子的定子绕组。

根据本实用新型的直接驱动式风力涡轮机的一个优点是，它提供的功率输出高于带有常规冷却装置的相当的风力涡轮机。此外，这个功率输出的改进可以用相对低的成本和工作量实现。

根据本实用新型，冷却发电机壳体中包围的定子的定子绕组的方法包括下面的步骤：在定子端面中提供多个旁路开口，其中，旁路开口为气流进入定子内部提供路径；布置歧管使其在旁路开口上延伸，并且至少部分地在定子绕组的绕组悬垂部上延伸；以及将气态冷却介质引导到由定子端面和发电机壳体限定的腔中。

根据本实用新型的冷却定子绕组的方法的一个优点是，冷却气流的一部分可以有意地被迫通过相对热的绕组悬垂部，从而使得这个热的区域可以用有效的方式得到冷却。此外，可以用直接的方式实现冷却装置的效率的这种改善。

根据本实用新型，改造风力涡轮机的方法包括下面的步骤（风力涡轮机包括发电机壳体中包围的定子以及用于冷却定子的定子绕组的气态冷却装置）：在定子端面的对应于最热的绕组悬垂部区域的区域中形成至少一个旁路开口；以及布置歧管使其在旁路开口上延伸，并且至少部分地在定子绕组的绕组悬垂部上延伸，从而使得冷却气流从腔引导到定子内部。

根据本实用新型的改造风力涡轮机的方法的一个优点是，可以用相对少的工作量和低成本实现冷却效率的明显改善。已经配有合适的气态冷却装置的任何风力涡轮机可以用下面的方式来调适：在一个或两个定子端板中形成旁路开口，并且将歧管布置在这些旁路开口上。当在发电机操作期间激活气态冷却装置时，歧管下方的绕组悬垂部区域中的冷却效应提高，可以使发电机的效率提高。因此，这样的风力涡轮机提供的功率输出比使用常规冷却装置的相当的风力涡轮机提高。

从属权利要求提出本实用新型的尤其有利的实施例和特征，下面的描述中予以揭示。在适当的情况下，不同的权利要求类别的特征可以组合，以得到本文中未描述的更多实施例。

下文中可以假设发电机是风力涡轮发电机，尤其是一种直接驱动式发电机，其外部转子直接因为转子叶片的动作而旋转。此外，可以假设冷却装置使用的气体是空气，但是应当理解，可以使用任何合适的气体。下文中使用的“冷却气流”这个术语因此可以理解成冷却空气流。冷却气流可以吸收热源发出的热，加温后的空气随后可以从风力涡轮机中排出。同样，加温后的空气可以“再循环”，即，它可以被冷却，然后作为冷却气流再利用。

在直接驱动式风力涡轮机中，定子绕组布置在圆柱形的定子主体上，圆柱形的定子主体的直径可能是几米。定子内部基本上是空的，并且为各种部件尤其是冷却装置的部件提供空间。定子腔可以通过发电机的驱动端处的端板和非驱动端处的端板相对于外部封闭。

磁体（通常是永磁体）安装在外部转子的内表面上，并且通过狭窄的气隙从定子绕组隔开。如上文提到的，发电机的构造使得很难让冷却介质靠近热源，即绕组。在本实用新型的优选实施例中，冷却装置包括多条轴向冷却通道，其中，一条轴向冷却通道在布置在定子上的邻近绕组之间延伸。冷却气流可以沿着这些轴向冷却通道被引导，从而使得可以在热源附近吸收热。

在一个实施例中，冷却气流可以进入定子一端处的气隙，而加温后的空气可以从定子另一端处的气隙流出。然而，这样的实施方式可能导致对绕组的冷却不均匀。因此，在本实用新型的另一个优选实施例中，冷却装置包括多条径向通道，其中，一条径向通道从轴向冷却通道延伸到定子内部。在这个实施方式中，冷却气流可以在定子两端进入轴向冷却通道，并且加温后的空气可以从轴向通道进入定子内部，在定子内部，可以用合适的方式收集和处理加温后的空气。这个实施例确保对直的绕组区部的冷却更均匀。

冷却装置的效率将在一定程度上取决于冷却气流流过热绕组的速度。因此，在本实用新型的一个优选实施例中，冷却装置包括抽吸设备，其实施成抽取冷却气流使其流过定子绕组并且流入定子内部。抽吸设备可以包括一个或更多个风扇，所述风扇装置在定子内部以从径向冷却通道和轴向冷却通道抽取或抽吸加温后的空气。

如上文提到的，加温后的空气可以“再循环”并且作为冷却气流再利用。为此目的，在本实用新型的一个优选实施例中，冷却装置包括一个或更多个热交换器，其布置在定子内部，其中，热交换器实施成冷却被抽取到定子内部的加温后的气流。为了再利用冷却后的气流，在本实用新型的一个优选实施例中，风扇装置还实施成引导冷却后的气流流出定子内部进入DE腔和/或NDE腔。风扇装置可以包括几个风扇，其布置成引导冷却后的空气从定子内部流出。为此目的，可以将风扇或鼓风机单元安装至定子端板中形成的风扇出口开口。

在本实用新型的另一个优选实施例中，冷却装置实施成产生压力差，包括定子内部的相对欠压和腔中的相对超压。例如，可以通过如下方式实现这种效果：驱动鼓风机单元或风扇将冷却气流吹送到驱动端和/或非驱动端的腔中以便实施期望的更高压力。这样可以显著改善旁路开口/歧管装置的有效性。不管这个压力差是用哪种方式获得，空气穿过绕组悬垂部进入旁路开口的过程都将得到促进，只要腔中的压力高于定子内部的压力即可。

定子的内腔通常还容纳着一条通路，其用于接近发电机正面的驱动端，例如以允许技术员接近轴毂、转子叶片、叶距马达等等。如上所述，冷却气流发源于定子内腔中。然而，由于必须在定子腔中结合一个或更多个这样的接近通路，所以很难或不可能将冷却气流均匀地引导到热的绕组区域中。出于这个原因，常规的冷却装置的特征就是绕组和绕组悬垂部区域中的温度分布不均匀。

因此，在本实用新型的一个优选实施例中，在第一绕组悬垂部区域与第二绕组悬垂部区域之间的温差的基础上，确定定子的端面上的旁路开口的位置。例如，可以在端板的靠近维修舱口的区域中形成一个或更多个旁路开口。类似地，可以在端板的远离风扇出口开口的区域中形成一个或更多个旁路开口。旁路开口和歧管因此可以抵消必须考虑定子端板中的维护舱口而限制风扇出口开口的放置的负面效应。

在本实用新型的一个优选实施例中，在绕组悬垂部区域与轴向绕组区域之间的温差的基础上确定布置在端面中的旁路开口的数目。例如，可以在操作中的风力涡轮机的各种相关位置测量温度——例如在驱动端和非驱动端的绕组悬垂部中的各点。可以分析这些测量值以确定最热的绕组悬垂部区域，并且确定这些最热的区域与最冷的绕组悬垂部区域之间的温差。温差将代表冷却最热的绕组悬垂部区域以便达到接近于更冷的绕组悬垂部区域的温度所必需的额外工作量。

另外，可以在直的绕组区部中的定子主体上的几个点测量温度。这个信息可以用于确定是否可以节省一些现有的冷却能力，用于热的绕组悬垂部区域必需的额外冷却，或者是否应当提高冷却装置的能力。例如，现有的热交换器单元和/或现有的鼓风机单元可以更换成更强大的单元，以便提高冷却装置的冷却能力。

取决于发电机构造，定子内部可以仅容纳相对少量的鼓风机单元和/或热交换器。在这样的实施方式中，通过旁路开口和歧管的合适的装置，可以明显改善冷却装置的效率。在本实用新型的一个优选实施例中，因此，旁路开口的布置在整个端面的周边周围延伸。在这个实施例中，歧管可以用圆锥环或圈的形式来实施。

通过下面的详细描述配合附图考虑，本实用新型的其它目的和特征将变得明显。然而，应理解的是，图式只是为了图解说明目的设计的，而不是用于限定对本实用新型的限制。

附图说明

图1示出了带有根据本实用新型的冷却装置的第一实施例的直接驱动式风力涡轮机；

图2示出了图1的一部分的放大图；

图3示出了图1所示的冷却装置的另一个视图；

图4示出了根据本实用新型的冷却装置1的第二实施例；

图5示出了现有技术风力涡轮机的冷却装置。

各图中始终用相同的元件符号表示相同的物件。图中的物件未必是按比例绘制的。

具体实施方式

图1是根据本实用新型的直接驱动式风力涡轮机2的实施例的非常简化的图。吊篮安装在塔架顶上。带有转子叶片的轴毂安装至直接驱动式发电机，包括外部转子4和内部定子3。操作期间，使得外部转子4围绕旋转轴R旋转。内部定子3上的绕组30通过下面的方式得到冷却：将冷却气流AFx导引到转子4与定子3之间的气隙20中，然后通过定子绕组30将气流AFx抽取到定子3的内腔31中。这个内腔31在主轴周围围绕旋转轴R延伸。在这个实施例中，被抽取到内腔31中的加温后的空气AF'通过多个热交换器15得到冷却，然后通过多个风扇14从内腔31中吹出，风扇14将冷却后的气流AF引导回到定子3每一端的腔200R、200F中。图中示出了绕组悬垂部300延伸到非驱动端处的转子壳体40与发电机的制动盘41之间的腔200R中一段距离，并且延伸到驱动端处的转子壳体40与正面32F之间的腔200F中。在非驱动端，腔200R受到圆柱形的转子壳体主体40和制动盘41限界，并且通过合适的罩盖45或密封件45相对于吊篮或舱盖44密封。

为了确保冷却气流AF不是就在屏障状绕组悬垂部300周围流动，根据本实用新型的冷却装置1包括旁路开口10的装置与歧管11。在这个示例性实施例中，旁路开口10形成在定子的正面32F和定子的背面32R上。当冷却气流AF从定子内部31引导到腔200R、200F中且在气隙20的方向上引导时，定子内部31中的欠压起到抽取冷却气流AF的一部分AFy使其通过绕组悬垂部300H中的狭窄空间的作用。歧管11布置成确保加温后的空气然后通过旁路开口10直接流到定子内部31中。冷却气流AF的这个部分AFy有效地“绕过”气隙并且用较短的路线进入定子内部31。定子内腔31中的欠压可以是相对的，即，只要定子内部31中的压力低于腔200R、200F中的压力即可，冷却气流AF的一部分将受到推进而通过绕组悬垂部300中的空间，因为开口10提供了一条进入定子内部31的路径。压力差的实现可以是通过驱动多个风扇14将冷却后的空气AF吹送到腔200R、200F中。腔200F、200R中的相对较小的空间（因为存在歧管11而更进一步减小）能促进这样的压力差。

轴向冷却通道100和径向通道101（图2中示出）为冷却气流AF的一部分AFx提供了一条在绕组30旁边和进入定子内部31的路径。冷却气流部分AFx可以在任一端进入气隙20，并且可以沿着轴向冷却通道100行进，然后通过径向通道101进入定子内部31。在更早的阶段，可能已经获得了针对这种类型的发电机进行的温度测量的结果，以确定任何绕组悬垂部热点300H的位置和旁路开口10的必需的数量和位置，还有歧管11的尺寸和位置。也可能已经分析了温度测量值以确定有多少冷却能力可以改成用来冷却绕组悬垂部热点300H，和/或是否应当增加冷却装置1的冷却能力。

图2示出了图1的风力涡轮机2的定子3上的绕组装置30的一部分的放大图。图中示出了绕组30的并联布置，并且图解说明了绕组悬垂部300的复杂的交错形状。图中还示出了歧管11的存在配合定子正面32F或背面32R（该图适用于定子3的驱动端和非驱动端）中的旁路开口10如何用于抽取冷却气流AF的一部分AFy使其通过绕组悬垂部300中的狭窄的间隙，接着通过旁路开口10然后进入定子内部31。

图3示出了从发电机的非驱动端看的图1的冷却装置的视图。该图示出了两个歧管11，背面32R的左侧和右侧各一个。图中还示出了背面32R中的两个维护舱口33。因为风扇不能布置在那些位置，所以维护舱口33附近的绕组悬垂部区域300H中的温度高于其余绕组悬垂部区域中的温度。歧管11后方的这些“热点”绕组悬垂部区域300H用虚线表示。旁路开口10布置在背面32R中，也用虚线表示。旁路开口10与歧管11的组合确保冷却气流AF（通过风扇14的出口开口提供）受到推进而通过绕组悬垂部热点300H。在定子的正面端部，可以使用类似的布置。热点冷却的有效性可以通过下面的方式得到提高：确保定子内部31中的压力低于背面端部腔（或正面端部腔）中的压力。

图4示出了根据本实用新型的冷却装置1的第二实施例。这里，环状歧管11围绕整个绕组悬垂部300延伸，旁路开口10在定子的面各处基本上均匀地布置。这里，示出了背面32R。这个实施例可以有利于在整个绕组悬垂部上得到相对均匀的更高温度的定子设计。这个实施例可以用于定子3的任一端。替代地，在适当的情况下，这个实施例可以用于定子3的一端，而图1至图3中说明的实施例可以用于另一端。

当然，歧管可以有其它形式。例如，歧管可以实施成在定子正面端部32F或背面端部32R的圆周的任何部分上延伸。同样，旁路开口10可以像期望的一样小或一样大，这取决于通过绕组悬垂部区域的期望气流速度。任何合适数量的旁路开口可以提供在歧管下方，并且可以布置成任何合适的图案。

图5示出了现有技术的风力涡轮机5的非驱动端中的一个区域的放大图。图中示出了绕组悬垂部300延伸到转子壳体40与制动盘41之间的腔200R中，并且延伸到转子壳体40与轴毂界面42之间的腔200F中。冷却气流AF朝向绕组悬垂部300，但是在很大程度上绕过这些绕组悬垂部300，因为它将倾向于在到气隙20的途中采用绕组悬垂部300周围更容易的路径。结果是，绕组悬垂部300未被充分冷却，并且绕组悬垂部300与定子齿之间的更优地冷却的并联绕组布置之间可能形成明显温差。这个温差表明绕组悬垂部300以及绕组的其余部分未得到冷却。导体的最热温度决定了它将携带的电流，因此可以说现有技术的冷却装置在此方面效率不高。

虽然已经用优选实施例及其变体的形式公开了本实用新型，但应理解的是，可以对其进行许多另外的修改和变动，而并不背离本实用新型的范围。

为了清楚起见，应当理解，本申请通篇中使用“一”或“一个”并不排除复数，而且“包括”不排除其它步骤或元件。