冷卻裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明描述了一種用于冷卻定子的定子繞組的冷卻裝置;一種直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機;一種冷卻定子繞組的方法；以及一種改裝風(fēng)力渦輪機的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在風(fēng)力渦輪發(fā)電機中，一些冷卻電樞(通常為定子)的熱的線圈或繞組的方式是必要的，這是因為這些繞組的電阻與它們的溫度成比例，并且發(fā)電機的功率輸出隨著電阻增加而降低。此外，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙一般是非常小的，使得來自繞組的熱也可能被傳遞到磁體。磁體中過高的溫度能夠使這些磁體隨著時間的推移而惡化(deter1rate)。因此，有必要確保繞組的溫度被保持在低水平。
[0003]繞組或線圈一般包括低電阻金屬的“環(huán)路”，其中，兩個半體(halves)沿定子的長度延伸，并且其中，每個繞組半體布置在平行的定子齒部之間。在定子的每一端處，繞組經(jīng)歷180°的轉(zhuǎn)彎。風(fēng)力禍輪發(fā)電機一般被實現(xiàn)為三相機器(three-phase machine)，即，繞組以三相的交錯的組來布置。由于每個繞組在定子的每一端處必須經(jīng)歷180°的轉(zhuǎn)彎，所以針對三相的繞組的末端必須是交錯的，并且交錯的繞組末端延伸到定子在“繞組端部”中的外部末端之外。為了確保最小的損耗和平衡的相位(balanced phases)，繞組端部一般以盡可能緊湊的方式來實現(xiàn)。
[0004]在一種冷卻這樣的發(fā)電機的方法中，例如空氣之類的氣體冷卻劑能夠被吹到氣隙中，在那里，它從繞組吸收熱。然后，變暖的空氣能夠從發(fā)電機排出。可替代地，空氣能夠從氣隙穿過定子主體中的通道并且進(jìn)入到定子內(nèi)部中。所述變暖的空氣在再一次被吹到氣隙中之前能夠使用熱交換器或任何其他適當(dāng)?shù)睦鋮s技術(shù)來冷卻。
[0005]已知的冷卻裝置的一個問題在于氣體冷卻劑將總是依循最容易的路徑，并且這導(dǎo)致繞組端部的不充分的冷卻。之所以這樣的原因在于繞組端部延伸到發(fā)電機和發(fā)電機殼體之間的腔中。交錯的繞組末端延伸到定子的末端之外一定距離，并且最外部的繞組的180°轉(zhuǎn)彎有效地呈現(xiàn)為對任何氣體冷卻介質(zhì)的屏障或妨礙物。由于各種原因，繞組端部的外端和發(fā)電機殼體之間的腔是必要的，例如因為設(shè)計公差等，或較長的發(fā)電機殼體可以被設(shè)計成之后容納較長的定子，但最初收容較短的定子，使得腔最初相對大。在所述腔中，氣體冷卻劑在其到氣隙的路上將趨于僅圍繞繞組端部流動，從而有效地繞過緊湊的繞組端部。結(jié)果，繞組端部中的溫度能夠顯著地比定子齒部之間的繞組半體的溫度熱。如上文所指示，發(fā)電機的功率輸出受繞組中最熱的溫度限制。此外，繞組末端的傳導(dǎo)率隨著它們的溫度增加而降低，因此增加發(fā)電機的熱相關(guān)損耗。
[0006]因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種確保繞組端部以更高效的方式被冷卻的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]這個目的通過權(quán)利要求1的冷卻裝置、通過權(quán)利要求11的直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機、通過權(quán)利要求12的冷卻定子繞組的方法以及通過權(quán)利要求14的改裝風(fēng)力渦輪機的方法來實現(xiàn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)成冷卻包圍在發(fā)電機殼體中的定子的定子繞組的冷卻裝置包括:風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，其用于朝向定子繞組的繞組端部導(dǎo)引氣體冷卻介質(zhì)；以及減容裝置，其布置成減少所述繞組端部和發(fā)電機殼體的內(nèi)邊緣或角部之間的空間容積。
[0009]在本發(fā)明的背景下，發(fā)電機殼體的“內(nèi)邊緣”或“角部”可以被理解為是基本上圓筒形的殼體部分和鄰接的殼體末端件(例如，處于發(fā)電機的非驅(qū)動端處的制動盤)的結(jié)合部。通過此結(jié)合部形成的內(nèi)邊緣可以是基本上環(huán)狀或環(huán)形的，并且能夠形成剖切發(fā)電機殼體的徑向截面中的“角部”。根據(jù)本發(fā)明的冷卻裝置的一個優(yōu)點在于減容裝置迫使氣體介質(zhì)穿過繞組端部。雖然一些氣體冷卻劑仍可能圍繞繞組端部流動，但繞組端部和發(fā)電機殼體之間減少的空間容積意味著穿過繞組端部現(xiàn)在對氣體冷卻劑而言是更容易的選擇。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，所述直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機包括外部轉(zhuǎn)子和內(nèi)部定子，其中，所述外部轉(zhuǎn)子被布置在可旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機殼體上。所述直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機還包括根據(jù)本發(fā)明的冷卻裝置，其實現(xiàn)成冷卻定子的定子繞組。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機的一個優(yōu)點在于繞組端部能夠被更高效地冷卻，使得在繞組端部中的溫度以及在平行的繞組裝置中的溫度將被保持為有利的水平。能夠最小化繞組端部和平行的繞組裝置之間的溫度差，從而指示冷卻在以很高的效率程度執(zhí)行。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，冷卻包圍在發(fā)電機殼體中的定子的定子繞組的方法包括如下步驟，即:減少繞組端部和發(fā)電機殼體的內(nèi)角部或“內(nèi)邊緣”之間的空間容積；以及朝向繞組端部導(dǎo)引氣體冷卻介質(zhì)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的冷卻定子繞組的方法的一個優(yōu)點在于，利用非常少的額外努力，能夠顯著地增加氣體定子冷卻裝置的效率。不僅繞組半體(布置在定子上平行的定子齒部之間)被冷卻至期望的溫度，而且緊湊和屏障般的繞組端部也被冷卻。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，改裝風(fēng)力渦輪機(其具有包圍在發(fā)電機殼體中的定子和用于冷卻所述定子的定子繞組的氣體冷卻裝置)的方法包括將減容裝置布置在定子繞組的繞組端部和發(fā)電機殼體的角部之間的步驟。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的改裝風(fēng)力渦輪機的方法的一個優(yōu)點在于在繞組端部的冷卻方面已存在的冷卻裝置的冷卻效率能夠顯著地增加，這是因為所述減容裝置迫使氣體冷卻介質(zhì)穿過繞組端部。
[0016]本發(fā)明的特別有利的實施例和特征通過從屬權(quán)利要求給出，如在以下描述中披露的。視情況可以結(jié)合不同權(quán)利要求類別的特征，以給出本文未描述的另外的實施例。
[0017]下文中，在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，可以假定所述風(fēng)力渦輪機是具有外部轉(zhuǎn)子和內(nèi)部定子的直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機。在這樣的設(shè)計中，磁極被布置在外部轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)上，并且外部轉(zhuǎn)子本身有效地作為發(fā)電機殼體。所述風(fēng)力渦輪機包括安裝到輪轂的若干轉(zhuǎn)子葉片，并且所述輪轂被連接到轉(zhuǎn)子，使得所述輪轂和轉(zhuǎn)子作為一體旋轉(zhuǎn)。艙罩被安裝在發(fā)電機的非驅(qū)動端處以包圍機械裝置，例如，偏航驅(qū)動器、控制裝置和其他部件。轉(zhuǎn)子和艙罩之間的迷宮式密封允許轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時確保水分和大氣顆粒物不會進(jìn)入發(fā)電機。在特定條件下，必須停止風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子。因此，發(fā)電機殼體在非驅(qū)動端處一般包括制動盤。圓形的內(nèi)邊緣形成在圓筒形轉(zhuǎn)子殼體和基本上圓形的平坦制動盤的接合處。為了容納定子和其他發(fā)電機部件，轉(zhuǎn)子殼體尺寸設(shè)計成長于定子，即轉(zhuǎn)子殼體延伸到定子的外端及其繞組之外。如上所述，這在繞組端部和處于發(fā)電機的非驅(qū)動端處的轉(zhuǎn)子殼體/制動盤之間產(chǎn)生了腔或間隙。相似的腔或間隙出現(xiàn)在發(fā)電機的驅(qū)動端處。這些腔可具有不同的形狀，這是因為輪轂/轉(zhuǎn)子的過渡(transit1n)與轉(zhuǎn)子/艙罩的過渡一般在結(jié)構(gòu)上不同。在本發(fā)明的背景下，可以假定所述減容裝置減少處于繞組端部和發(fā)電機殼體的內(nèi)角部之間的這樣的腔。
[0018]在下文中，還可以假定所述風(fēng)力渦輪機包括氣體冷卻裝置，其用于將氣體冷卻劑至少從發(fā)電機的非驅(qū)動端導(dǎo)引到定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中。在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，可以假定所述氣體冷卻介質(zhì)包括空氣。如上文提到的，變暖的空氣在穿過氣隙之后能夠以某種適當(dāng)?shù)姆绞奖慌懦?，或者能夠被吸引到定子?nèi)部中，它能夠從所述定子內(nèi)部被排出，或它能夠在所述定子內(nèi)部中被冷卻，并且隨后，再一次被引導(dǎo)到氣隙中。
[0019]所述減容裝置能夠以任何合適的方式來實現(xiàn)。例如，它可從安裝到可用表面的支撐框架懸掛。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述減容裝置沿發(fā)電機殼體的內(nèi)表面布置。
[0020]所述減容裝置優(yōu)選地包括根據(jù)發(fā)電機殼體的環(huán)狀內(nèi)邊緣來設(shè)計尺寸的環(huán)狀體，例如，通過圓筒形的轉(zhuǎn)子殼體和基本上豎直的制動盤或背板來限定的環(huán)狀體。當(dāng)然，所述減容裝置不需要是不間斷的環(huán)狀體，而是能夠包括共同形成環(huán)狀形狀的兩件或更多件。
[0021]所述減容裝置的材料能夠在一個或多個期望的材料屬性的基礎(chǔ)上選擇。例如，所述減容裝置優(yōu)選為是輕的，使得它不會顯著地增加轉(zhuǎn)子的重量。在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施例中，所述減容裝置包括泡沫環(huán)。所述泡沫環(huán)能夠由具有高密度和僅非常小的孔(如果有的話)的任何類型的泡沫制成。這樣的泡沫環(huán)能夠通過沿腔區(qū)域的內(nèi)角部布置一個或多個泡沫條(由塊切割而成)來形成。泡沫材料能夠被粘合就位，使用雙面粘合帶或以任何其他合適的方式附接?？商娲?，所述泡沫環(huán)能夠通過例如沿轉(zhuǎn)子殼體和制動盤所形成的內(nèi)邊緣將聚氨酯泡沫直接噴射就位來制成。在它變硬之后，聚氨酯泡沫的環(huán)作用于減少所述腔的空間容積。
[0022]可替代地或此外，所述減容裝置包括剛性的環(huán)狀體。它能夠是能夠安裝就位的預(yù)形成環(huán)或若干預(yù)形成環(huán)段。例如，這樣的剛性體能夠由聚氨酯剛性泡沫或任何其他合適的材料形成。
[0023]如上所述，所述繞組端部延伸一定距離到處于發(fā)電機的每一端處的腔中。處于發(fā)電機的任一端處的腔的容積、繞組端部和轉(zhuǎn)子殼體之間的距離以及繞組端部和制動盤或轉(zhuǎn)子/輪轂接口之間的距離在很大程度上將取決于發(fā)電機的設(shè)計。因此，在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施例中，所述減容裝置的徑向截面的形狀基于繞組端部相對于其在腔中的位置的位置(“徑向截面”應(yīng)當(dāng)被理解為通過包含發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)軸線的平面所獲得的截面)。例如，減容裝置在非驅(qū)動端處可具有彎曲的徑向截面，使得它將另外的90°的內(nèi)邊緣或內(nèi)角部變換成圓整的邊緣。
[0024]用于直接驅(qū)動式發(fā)電機的定子具有大的內(nèi)部容積。由于結(jié)構(gòu)性原因，并且此外，為了允許冷卻裝置定位在所述定子內(nèi)部之內(nèi)，所述定子通常在驅(qū)動端和非驅(qū)動端二者處都被封閉。通常，一個或多個窄小空間(爬行空間，crawl space)也被設(shè)置在定子內(nèi)部中，使得技術(shù)人員能夠移動通過發(fā)電機并且到輪轂中，用于維護或檢修程序。處于定子背板/前板中的合適的大型開口提供了通向窄小空間的入口。這些開口的存在意味著用于將冷卻氣流導(dǎo)引到氣隙中的任何風(fēng)扇或風(fēng)機無法總是圍繞定子前板/背板對稱地布置。結(jié)果，繞組端部的一些區(qū)域比其他區(qū)域接收較少的冷卻氣流，并且“熱點”可在較少冷卻的區(qū)域中產(chǎn)生。因此，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述減容裝置根據(jù)第一繞組端部區(qū)域和第二繞組端部區(qū)域之間的溫度差來成形。第一繞組端部區(qū)域可以包括繞組端部靠近任何風(fēng)扇或風(fēng)機的部分，而第二繞組端部區(qū)域包括繞組端部遠(yuǎn)離風(fēng)扇或風(fēng)機并且因此沒有足夠冷卻的剩余部分。為了降低所述溫度差，所述減容裝置可包括槽或翅片(fins)，其布置成促使冷卻氣流的一部分朝向熱點區(qū)域流動。
[0025]所述冷卻氣流從繞組端部吸收熱，并且隨后穿過氣隙，在那里，它從定子主體上的繞組吸收更多熱。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述冷卻裝置包括吸引設(shè)備，其實現(xiàn)成吸引繞組之間的空氣通過定子主體中的通道，并且隨后，到定子的內(nèi)腔中。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，所述冷卻裝置包括布置在