具有独立转子冷却设备的电机、发电机装备和风力发电设施的制作方法

本发明涉及一种电机，其具有定子和可相对于定子旋转的转子，其中，转子包括多个永磁体。此外，电机具有用于冷却转子的转子冷却设备，其中，转子冷却设备具有至少一个用于提供冷却空气流的冷却装置。此外，本发明涉及一种具有这种电机的发电机装备。最后，本发明涉及一种具有这种发电机装备的风力发电设施。

背景技术：

在此所关注的是用作发电机的永磁电机。例如，这种电机可能在风力发电设施中用作发电机。在电机运行期间可能有这样的情况，即电机高于额定转速运行。例如，当电机安装在风力发电设施中并且由于阵风引起高转速时，会导致这种情况。特别是，当电机设计为永磁同步电机时，磁极转子电压在高速时显著提高。在电机于输出侧与转换器或转换器装置连接时，这可能导致转换器中的损坏。当永磁体的温度低时尤其如此，因为在这种情况下磁极转子电压特别高。

在连接至转换器的电机的情况中，端电压可以至少部分地由弱磁(Feldschwaechung)来限制，这可以防止转换器上的损坏。此外，电机可以设计为，对于相同的功率产生较低的磁极转子电压。为此目的，电机或电机的定子可具有较低的匝数。通常，低的磁极转子电压会导致设计上的缺点。尤其是，会产生较低的功率因数。

永磁电机或发电机也可以在纯整流器上运行，而不是在完全受控的转换器上运行。这样成本通常更低。然而，这里存在的缺点是弱磁在运行点上是固定的，进而在运行期间不能改变。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种解决方案，显示永磁电机如何可以作为发电机可靠地运行。

该目的通过根据相应独立权利要求的特征的电机、发电机装备和风力发电设施来实现。本发明的有利改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的电机包括定子。此外，电机包括转子，该转子可相对于定子旋转并且包括多个永磁体。此外，电机包括用于冷却转子的转子冷却设备，其中，转子冷却设备具有至少一个用于提供冷却空气流的冷却装置。此外，转子冷却设备包括控制装置，该控制装置设计用于驱控至少一个冷却装置，以调节由冷却空气流提供的冷却功率。

电机设计为永磁电机。这意味着，电机的转子包括多个永磁体。此外，电机具有这样的定子，其可以包括例如相应的绕组。例如，电机可以设计为永磁同步电机。电机优选地可以用作发电机，例如用于风力发电设施中的发电机。电机还包括转子冷却设备，其用于在电机运行期间冷却转子。转子冷却设备包括至少一个冷却装置，通过该冷却装置提供冷却空气流以冷却转子。换句话说，通过至少一个冷却设备就冷却空气供应到转子。特别地，利用至少一个冷却装置产生内部循环空气流。因此，冷却空气流优选在电机的壳体内引导。通过冷却空气流提供冷却功率，该冷却功率作用在转子上或冷却转子。

根据本发明的一个基本方面，转子冷却设备具有控制装置，通过该控制装置可以控制至少一个冷却装置。以这种方式，可以调节作用在转子上的、利用至少一个冷却装置提供的冷却功率。特别地，可以独立于转子的转速来调节冷却功率。与已知的、例如包括在轴上布置有风扇的转子冷却设备相比，这允许与转子的转速无关地来设定冷却功率。例如可以如下地实现，即在转子的永磁体具有相对低的温度时，则不冷却或者以较小的程度内冷却他们。由此可以实现，加热了永磁体并且因此降低了磁极转子电压。以这种方式，即使在高于电机额定转速的转速下也实现了可靠运行，而不会产生威胁到电机或下游转换器的损坏。

在一个实施方式中，转子冷却设备包括具有作为至少一个冷却装置的风扇，该风扇具有用于输送冷却空气流的风扇轮和用于驱动风扇轮的风扇马达，其中，控制装置设计用于驱控风扇马达以调节冷却功率。因此，转子冷却设备可包括风扇作为至少一个冷却装置。利用该风扇可以输送冷却空气流。该风扇又包括风扇轮，其可由风扇马达驱动。风扇轮未连接到电机的轴。为了能够调节作用在转子上的冷却功率，控制装置能够驱控风扇马达。风扇马达优选地实施为电机。还可以提出，控制装置驱控单独的转换器，该转换器连接到风扇马达。例如，控制装置可以启用和/或停用风扇马达。还可以提出，控制装置可以设定风扇马达的转速。因此，可以控制冷却空气的体积流量并进而控制所提供的冷却功率。

在另一实施方式中，转子冷却设备具有作为至少一个冷却装置的、用于冷却冷却空气流的回冷器，其中，控制装置设计用于驱控回冷器以调节冷却功率。转子冷却设备可以具有作为至少一个冷却装置的回冷器。特别提出，冷却设备不仅包括风扇还包括回冷器作为冷却装置。借助于回冷器，例如可以再次冷却例如由转子加热的空气。回冷器可以设计为热交换器。热交换器可以由冷却介质穿流，通过该冷却介质可以冷却热交换器供应的冷却空气流。还可以提出，控制装置控制热交换器或回冷器，使得它不对冷却空气流进行冷却。在这种情况下，不能向热交换器供应冷却介质。可以借助于控制装置来驱控并进而影响回冷器，即通过回冷器将冷却空气流冷却到什么程度。为此，例如借助于控制装置来调节穿流回冷器的冷却剂的体积流量。这实现了对冷却空气流的温度的简单且可靠的调整。冷却剂的体积流量可以例如通过阀门完全截止。

优选地，冷却设备具有至少一个空气引导元件，该空气引导元件将由回冷器冷却的冷却空气流引导至转子。因此，由回冷器冷却的冷却空气可以直接被引导到转子。以这种方式，在转子的永磁体已经在电机运行期间升温的情况中，可以最佳地冷却转子的永磁体。还可以提出，由热交换器冷却的冷却空气流首先被引导到风扇然后再被引导到转子。为了减小电机的轴向长度，可能需要冷却空气在路过热交换器和如有可能的风扇后，在到达磁体之前被引导到至少一个定子绕组头上。电机可以具有壳体，至少一个空气引导元件布置在该壳体中。特别地，有多个空气引导元件设置在电机的壳体中。这些空气引导元件用于将冷却剂引导到转子。

在此，特别地提出，至少一个空气引导元件设计用于将冷却空气流在电机的径向方向上引导至转子的中心区域。因此，可以借助于风扇将冷却剂流从回冷器引导到转子。在此可以提出，在电机壳体与空气引导元件之间引导冷却剂流。特别地，冷却空气流应该在径向方向上的中间流到在转子上。因此，可以有效地冷却转子的永磁体。

在另一个实施方式中，电机具有至少一个冷却通道，该冷却通道将引导至转子的冷却空气流在电机的轴向方向上沿着转子引导。转子可以例如具有叠片组，永磁体保持在该叠片组上。在该叠片组中，可以设计有至少一个冷却通道。还可以提出，至少一个冷却通道由转子与定子之间的气隙形成。如已经说明的那样，来自热交换器的冷却空气流应该在中间被引导到转子。从那里，冷却空气流可以沿着电机的轴向方向从中心被向外引导到两侧。因此，转子中的永磁体可以从内部或中心向外冷却。随后，冷却空气然后可以返回到回冷器以相应地对冷却空气进行冷却。

对此可替换地还可以提出，通过至少一个空气引导元件将冷却空气流在径向方向上引导至转子的第一侧面区域。在此也可以设置有至少一个冷却通道，冷却空气流沿着转子沿轴向方向引导通过该冷却通道。因此，可以将冷却空气流例如从第一侧面区域引导到转子的相对置的第二侧面区域。在该设计中，可以实现对永磁体的有效冷却。

此外，有利的是，至少一个空气引导元件设计为，将冷却空气流从转子流引导到回冷器。如已经说明的那样，可以在轴向方向上沿着转子引导冷却空气流。此后，可以在回冷器的方向上引导冷却空气流。还可以提出，将冷却空气流从转子出发引导到定子的绕组头或定子的部分。因此，定子可以被至少部分地冷却。

控制装置优选地设计为，确定永磁体温度并根据永磁体温度来调节冷却功率。因此，可以根据永磁体的实际温度来调节借助转子冷却设备提供的冷却功率。在此可以提出，在永磁体具有相对低的温度是，则不会通过转子冷却设备来冷却或仅以较小程度冷却永磁体。这可以使得永磁体在电机运行期间升温，从而可以降低磁极转子电压。在永磁体已经在电机运行期间升温的情况中，则可以增加冷却功率以相应地冷却永磁体。因此，可以更好地使用磁体的磁流并且保护磁体免于退磁。

控制装置优选地设计为，确定转子的转速、施加到定子的端电压和/或流过定子的电流，并且基于一模型来确定永磁体的温度，该模型描述了与转速、端电压和/或电流相关联的永磁体的温度。永磁体的温度取决于转子的转速、可以分接到定子的端电压和/或流过定子绕组的电流。这些变量可以例如借助于相应的传感器测量并传输到控制装置。在控制装置中可以存储有模型，其根据测量到的转速、端电压和/或电流来描述永磁体的当前温度。在确定永磁体的温度时，还可以考虑电机附近的温度和/或电机的运行时间。这可靠地确定了永磁体的温度。对此可替换地可以提出，直接利用至少一个温度传感器来确定永磁体的温度。

根据另一实施方式，电机具有用于冷却定子的定子冷却设备。该定子冷却设备可以优选地通过水套冷却来提供。该水套冷却可以布置在定子的外侧并且至少在部分区域上围绕定子。可替换地，在定子的叠片组中和/或定子的外侧上可以布置有相应的冷却管。借助于定子冷却设备，可以在运行期间实现有效的定子冷却。

如已经说明的那样，电机优选地设计为永磁同步电机。此外，特别地提出，电机设计为中速旋转发电机或者作为这样的发电机运行。这尤其意味着发电机在200至700转/分钟的转速范围内运行。

特别地，水套冷却器与具有风扇的单独回冷器的组合是特别有利的，因为安装在轴上的风扇的输送量将不会提供足够高的内部空气流量。由于这种相对较低的额定转速，这些发电机通常具有大量的极。具有大量极的电机通常具有低定子磁轭高度，因此从定子到水套具有高导热性。这对定子的冷却具有有利的影响。

根据本发明的发电机装备包括根据本发明的电机和用于在发电机运行中转换由电机提供的电压的转换器装置。在电机的发电机运行中，提供交流电压。该交流电压可以通过转换器装置调整为网络的将被馈送到该网络的电源电压。借助于转换器装置，端电压也可以通过磁场削弱来限制。另外，只要永磁体的温度低于预定目标温度，就可以运行电机使得不会发生临界超速。例如，这可以通过限制转速来实现。

优选地，转换器装置包括整流器，其电连接到电机。为了补偿无功功率，可以将至少一个电容器连接到电机。使用整流器，可以首先对由电机提供的交流电压进行整流。随后，可以将整流过的电压转换为具有市电频率的交流电压。在这种情况下，可以提供额外的电容器以补偿无功功率并增加倾覆力矩。例如，电容器可以分别连接在各个相之间。通过电容器，可以减少损耗，因此例如可以提高转速。

根据本发明的风力发电设施包括根据本发明的发电机装备。特别是在风力发电设施中，由于阵风的原因会出现转速高于额定转速的情况。通过转子冷却设备可以防止永磁体过冷并因此导致高磁极转子电压。

参考根据本发明的电机提出的优选实施例及其优点相应地适用于根据本发明的发电机装备和根据本发明的风力发电设备。

附图说明

根据权利要求，附图和附图说明，本发明的其他特征将变得清楚明了。在说明书中上面提到的特征和特征组合，以及在附图的描述中和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以在相应指示的组合中使用，而且可以以其他组合或单独使用，而不离开本发明的范围。

现在将参考优选实施例并参考附图描述本发明。图中示出：

图1以剖面侧视图示出了根据现有技术的电机；

图2以剖面侧视图示出了根据本发明的实施方式的电机；和

图3示出了根据本发明的实施方式的发电机装备的示意图。

具体实施方式

在附图中，相同的和功能相同的元件具有相同的附图标记。

图1以剖面侧视图示出了根据现有技术的电机1。电机1包括定子2，定子2具有绕组。在此可以看到绕组的绕组头4。此外，电机1包括转子3，转子3可相对于定子2旋转。转子3包括多个永磁体5。电机1可以设计为永磁同步电机。电机1优选用作发电机，特别是用在风力发电站中。

电机1还包括定子冷却设备6，其用于冷却定子2。在此，定子冷却设备6包括水套冷却装置7，其在周侧围绕定子2。此外，电机1包括转子冷却设备8，其用于冷却转子3并且特别是用于冷却永磁体5。在此，转子冷却设备8包括两个风扇元件9，它们抗扭地与电机1的轴10连接。借助于风扇元件9，可以提供用于冷却转子3的冷却空气流。此外，转子冷却设备8包括多个空气引导元件11，其用于引导冷却空气流。此外，冷却空气流也被引导通过电机1的部分壳体12。在此，在壳体12的内部产生两个相反流向的冷却空气流，其由箭头13示出。

冷却空气流由相应的风扇元件9引导在定子2的端部绕组4和部分定子2旁边经过。随后，冷却空气流被引导通过通道14，其中，冷却空气流在通道14中沿着水冷装置7传导并因此被冷却。然后，冷却空气流在电机1的径向方向r上流过壳体12和空气引导元件11，然后偏转到电机1的轴向方向a上。此后，冷却空气流再次朝径向方向r偏转到转子3，使得冷却空气流流到转子3的中心区域15。在中心区域15中，转子3或转子3的叠片组具有沿径向方向r延伸的通道16。然后，冷却空气流从转子3的中间或中心区域15再次沿轴向方向a向外引导。为此，电机1具有冷却通道17，冷却空气流在轴向方向a上被引导通过冷却通道17。在此，该冷却通道17由定子2和转子3之间的气隙形成。可选地或另外地，可以在转子的叠片组中设置有用于在轴向方向a上引导冷却空气流的冷却通道。

图2以剖面侧视图示出了根据本发明的一个实施方式的电机1。电机1与根据图1的电机1的不同之处在于转子冷却设备8。在这种情况下，转子冷却设备8不具有连接到轴10的风扇元件9。在此，转子冷却设备8具有风扇18，风扇又包括风扇轮19和风扇马达20。此外，转子冷却设备8包括回冷器21，其例如可以设计为热交换器。风扇18和回冷器21是转子冷却设备8的可以提供冷却空气流的冷却装置23。

转子冷却设备8还包括控制装置22，通过该控制装置可以驱控风扇18的风扇马达20。借助于控制装置22，可以启动和停用风扇马达20。以这种方式，可以影响冷却空气流的体积流量。另外，风扇马达20的转速可以通过控制装置22来调节。此外，可以通过控制装置22来驱控回冷器21。以这种方式，可以影响冷却功率，借助该冷却功率由回冷器21来冷却冷却空气流。总之，可以通过风扇18和/或回冷器21的驱控来影响冷却空气流或内部空气。因此，可以调节通过冷却空气流冷却永磁体5的冷却功率。

在此，冷却空气流从转子3被引导经过绕组头4旁边直至冷却器21。在这可以冷却由转子3加热的冷却空气流。为了引导冷却空气流到回冷器21，设置有相应的空气引导元件11。然后，冷却空气流到达风扇18并且首先在轴向方向a上然后在径向方向r中沿着壳体12进行引导。此后，如前面结合图1所述，冷却空气流流到转子3的中心，以冷却转子，特别是永磁体5。

在根据图2的电机1中，由转子冷却设备8带来的冷却功率并不取决于电机1的转速。此外，转子冷却设备8的冷却功率在很大程度上不取决于定子冷却设备6。由于定子冷却设备6的水套冷却装置7与由转子冷却设备8提供的内部循环空气分离，定子2和转子3的升温可以在很大程度上彼此分开地控制。通过冷却定子2可以减少损耗。在此，通常期望尽可能好地冷却定子2。

转子冷却设备8对转子3的冷却可以根据永磁体5的当前温度来控制。例如，在永磁体5具有相对低的温度或低于预定的期望温度的温度时，则可以减少用于冷却永磁体5的内部空气。在此，这可以如下地实现：借助于控制装置22来控制风扇马达20，使得风扇马达20停用或者减小风扇马达20的转速。还可以提出，控制装置22控制回冷器21，使得由回冷器21提供并作用于冷却空气流的冷却功率减小。因此实现了永磁体5在运行期间明显升温并因此降低了磁极转子电压。如果永磁体5已经达到足够高的温度，则它们可以通过转子冷却设备8相应地冷却，以减少损耗。转子3中的这些损耗主要仅取决于转速。

现在可以如下地运行电机1：只要永磁体5具有相对低的温度就不会发生危险的转速过快。控制装置22可以根据永磁体5的当前温度来调节由转子冷却设备8提供的冷却功率。为此目的，控制装置22可以接收测量变量，其描述定子2上的端电压、流过定子2的绕组的电流和/或转子3的转速。可以确定和/或测量这些测量变量并将其传输到控制装置22。根据这些测量变量可以在一模型的基础上确定永磁体5的当前温度。或者，可以使用温度传感器来确定永磁体5的实际温度。通过降低由转子冷却设备8施加的冷却功率，可以使永磁体5升温并且可以运行电机1使其可以产生高转速。

当电机1连接整流器25运行时，这种效果特别有利。图3示出了发电机装备24的示意图。发电机装备24包括电机1，其中，电机1或定子2包括端子A、B和C。当电机1以发电机模式运行时，可以在端子A、B、C处分别分接出交流电压。

电机1连接到整流器25，其用于整流交流电压。整流器25设计为桥式整流器，并且包括六个二极管27。整流器25是转换器装置26的一部分，转换器装置还可以包括逆变器，通过该逆变器在整流器24的输出端的直流电压可以被转换成具有市电频率的市电电压。因此，市电电压可以馈入电网。此外，发电机装备24包括装置29，通过该装置可以检测转子3的转速。此外，发电机装备24包括三个电容器28，其中，各有一个电容器28连接在两个端子A、B、C之间。通过电容器28，可以实现无功功率的补偿和倾覆力矩的提高。

根据本发明的发电机组件24或根据本发明的电机1尤其可以用于风力发电站。由于阵风的原因，可能会出现超速。通过独立的转子冷却设备8可以防止永磁体5具有太低的温度并因此具有高的磁极转子电压。因此，可以防止整流器25的损坏。