CN101473510A - 在风力涡轮发电机中使用晶粒取向迭片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于发电的风力涡轮机。风力涡轮机包括发电机(105)和用于驱动发电机(105)的风力涡轮机转子(101)。发电机包括具有至少两个定子极(203)的发电机定子(201)和具有至少两个磁部件(211)的发电机转子(210)。发电机定子(201)的至少一部分包含具有方向磁特性的金属。为了相对于风力涡轮机转子(101)的转速提高发电机(105)的转速，发电机(105)通过变速箱(103)连接到风力涡轮机转子(101)。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮机发电，具体涉及风力涡轮发电机。
背景技术
多种类型的发电机可以用于风力涡轮机进行发电。一种常用的发电机是旋转速度在1500转/分-3000转/分范围内的高速异步发电机。由于风力涡轮机的转子通常以20转/分的速度旋转，因此有必要使用变速箱将速度从20转/分提高到1500转/分。这样的变速箱容易出现故障而且使风力涡轮机的成本很高。
风力涡轮机使用的另一种发电机是低速直接驱动永磁发电机，其运行转速对应于转子叶片的转速。因此，当在风力涡轮机中使用低速直接驱动永磁发电机时不需要使用变速箱。用于风力涡轮机的低速直接驱动永磁发电机的额定输出功率在2-3MW时，直径为5-6米，重量为5吨。这样的发电机大小使其运输到安装位置很困难，特别是在离岸风力涡轮机的情况下。因此，如果出现故障，替换低速直接驱动永磁发电机是耗时和成本高的过程。
风力涡轮机的第一方面涉及发电机的效率。从而，因为功率输出增大，所以提高的功率效率可以提高风力涡轮机投资的收益率。
风力涡轮机的第二方面涉及发电机的可靠性。可靠性高的发电机***提高风力涡轮机的可靠性，从而提高风力涡轮机的平均无故障时间(MTBF)。平均无故障时间的增长降低了维修成本并提高了单位时间的功率输出，这对风力涡轮机投资的收益率很重要。
风力涡轮机的第三方面涉及与将风力涡轮机部件运输到安装地点相关及与在故障时替换风力涡轮机部件相关的难点。
WO 00/60719公开了直接连接到风车的风轮主轴的低速发电机。发电机包括由多个定子模块组成的定子，定子模块具有多个单独的晶粒取向定子薄片，其可以单独地安装、修理和拆卸且相互独立。这表明安装风车方便、廉价，特别是在海上安装，因为发电机可以分为几个较小的单元运输，也便于在塔顶组装定子。通过发电机的后续修理和其他维护，可以不必使用大型起重机，使用一或二人操作的小型起重装置已经足够了。
发明内容
结合产生电功率的风力涡轮机可以实现本发明的一个或多个目的，风力涡轮机包括发电机和驱动发电机的风力涡轮机转子，其中发电机包括：
-包括至少两个定子极的发电机定子，其中每一极具有导线绕组，包括至少两个磁部件的发电机转子，其中发电机定子的至少一部分包含具有方向磁特性的金属，及
-其中所述发电机通过变速箱连接到风力涡轮机转子，其中在风力涡轮机运行期间变速箱用于相对于风力涡轮机转子的转速提高发电机的转速。
本发明特别有利于但是不限于通过在风力涡轮机的定子中应用具有方向磁特性的金属如铁来提高风力发电机功率效率。具有方向磁特性的金属可以是相当于称为晶粒取向定子薄片的晶粒取向铁迭片。具有方向磁特性的金属，如晶粒取向定子薄片，可以同时提高磁导率和降低铁损，从而提高发电机的效率。然而，效率的提高对于整个涡轮机只有0.3％-0.4％。使用晶粒取向迭片的额外投资约为5000欧元。
进一步的优点在于通过使用具有方向磁特性的金属减少铁损，减少定子和转子部件的发热，如作为转子的一部分的永磁体。通过降低永磁体的发热，可以避免磁体的磁场强度降低。磁体退化导致效率降低并最终要求替换退化的磁体，且有可能替换整个发电机。
此外，本发明特别有利于但不限于降低与以下问题相关的难度：将风力涡轮机的部件运输到安装位置，由于发电机尺寸减小在故障情况下替换风力涡轮机的部件。
在风力涡轮机运行期间发电机的预期转速是对应的风力涡轮机的转子转速的至少两倍，优选是风力涡轮机的转子转速的至少五倍，有可能是风力涡轮机的转子转速的至少十倍，甚至可能是风力涡轮机的转子转速的至少十五倍。
本发明的发电机可以是运行期间转速在30-1000转/的中速发电机，优选转速在45-750转/分的范围内，更优选转速在60-500转/分的范围内。当发电机的转速在30-1000转/分的范围内时，优点在于由于铁损低磁部件的发热保持较低。本发明的发电机可以是同步或异步发电机。
风力涡轮机的发电机包括具有多个定子环组件的定子环。定子环组件可以由具有方向磁特性的金属制成，如晶粒取向定子薄片。定子环由各个定子环组件构成有优点，这样可以利用具有方向磁特性的高磁导率金属。定子环可以通过堆叠多层定子环组件构成。
风力涡轮机的发电机转子可以包括至少两个永磁体磁部件，在未向风力涡轮机提供电功率期间磁体已经充分磁化。使用永磁体特殊的优点是发电机的输出功率能力独立于外部的电源。
可选地，风力涡轮机的发电机转子可以包括至少两个磁体磁部件，在向风力涡轮机提供电功率期间磁化磁体，并在不向风力涡轮机提供电功率的期间磁体逐渐消磁。
在另一可选实施例中，风力涡轮机的发电机转子可以包括至少两个电磁体磁部件，在向风力涡轮机提供电功率期间磁化电磁体。
可以使用各种类型的磁部件，即初步充分磁化磁部件，且在风力涡轮机连接到公共电网期间磁化磁部件。每一类型的磁部件在成本、效率和可靠性等方面优于其他类型的磁部件。
风力涡轮机可以包括变速箱，如两级变速箱。变速箱是两级变速箱有优点，因为两级变速箱与多级变速箱相比不复杂，因此更可靠。
风力涡轮机的发电机可以是同步发电机。在可选实施例中，风力涡轮机的发电机可以是异步发电机。
风力涡轮机可以包括至少两个频率变换器，其中至少两个定子极的每一个一对一地连接到对应的至少两个频率变换器。
可选地，风力涡轮机可以包括至少一个频率变换器，其中至少两个定子极连接到一个公共的频率变换器。
因此，定子极可以一对一地连接到对应的频率变换器或定子极连接到单一的频率变换器，其中每一种连接方法在成本、效率和可靠性方面优于其他方法。而且，定子极总数的一小部分，如两个、三个或更多，可以连接到一个频率变换器。
至少风力涡轮机的发电机转子的一部分可以包含具有方向磁特性的金属，如晶粒取向迭片。在发电机转子中使用晶粒取向迭片有优点，从而降低发电机转子中的磁损。
风力涡轮机可以是包括已经充分磁化的磁体的类型，磁体结构上与同步或异步感应发电机形成一体，磁体的磁性独立于同步或异步感应发电机的定子绕组。
可选地，风力涡轮机可以是包括由发电机磁化的磁体的类型。磁体结构上与同步或异步感应发电机形成一体，磁体的磁性依赖于同步或异步感应发电机的定子绕组。
风力涡轮机中可以使用不同类型的发电机，每一种发电机优于其他的发电机，如包括结构上与同步或异步感应发电机形成一体的磁体的发电机。
风力涡轮机的发电机定子的外直径可以在3-4米之间，优选在2-3米之间，更优选在1-2米之间。因为运输直径在1-2米之间的发电机比运输直径在5-6米之间的发电机的要求低，所以发电机定子的直径小如1-2米有优点。
发电机包括具有至少两个定子极的发电机定子，其中每一极具有导线绕组，还包括具有至少两个磁部件的发电机转子，其中发电机定子的至少一部包含具有方向磁特性的金属，所述发电机有利地用于包括变速箱的风力涡轮机，其中在风力涡轮机运行期间变速箱用于相对于风力涡轮机转子的转速提高发电机的转速。
附图说明
图1是包括风力涡轮机、变速箱102和发电机的风力涡轮机机舱的原理图。
图2是包括发电机转子和发电机定子的发电机原理图。
具体实施方式
图1是风力涡轮机的机舱100的原理图。风力涡轮机进一步包括通过低速主轴102连接到变速箱如两级变速箱103的风力涡轮机转子101。变速箱103将低速主轴102的低旋转速度转换为中速主轴104的中旋转速度。
中速主轴104连接到发电机105，用于将中速主轴104的转矩传递到发电机105。可以是同步发电机的发电机105产生电功率，电功率输入到频率变换单元106，频率变换单元将电功率输出到公用电网107。机舱100的部件由外壳108包围。
在运行期间低速主轴102的旋转速度可以在0-40转/分的范围内，具体取决于风速、风力涡轮机的大小和风力涡轮机是处于启动阶段还是正常运行状态。低速主轴102的典型转速是在8-22转/分的范围内。变速箱103转换低速主轴102的旋转速度，从而中速主轴104在运行期间的旋转速度在50-600转/分的范围内。因此，发电机105的旋转速度也在50-600转/分的范围内。本领域的技术人员已知在风力涡轮机中使用的转速工作在50-600转/分的发电机是中速发电机，而不应与用于风力涡轮机的转速在1500-3000转/分的高速发电机混淆。
用于风力涡轮机的其他类型的发电机，如低速直接驱动发电机，转速在运行期间工作在10-40转/分，且通常直接连接到风力涡轮机转子101，不需要通过变速箱。低速直接驱动发电机具有的定子直径比中速发电机大许多。例如，2-3MW和3-4MW的低速直接驱动发电机的定子直径分别在3-4米和5-6米的范围内，而2-3MW的中速发电机的定子直径只有1-2米。
直径在5-6米的范围内、重量为20吨的低速直接驱动发电机使将发电机送到安装地点的运输非常复杂，使替换发电机非常复杂，尤其在离岸风力涡轮机的情况下，因为需要具有相当载重能力的起重机用于吊装发电机。
图2是发电机105的原理图。中速主轴104连接到发电机转子210，用于将中速主轴104的旋转传送到发电机转子210。转子包括多个磁部件211。每一个磁部件211可能与其他部件相结合，如转子薄片金属或晶粒取向转子薄片金属，组成转子极212。磁部件211可以结合或安放在金属结构之中或之上，如转子薄片金属，金属结构与磁部件211结合组成转子极212。磁部件211或者转子极212可以通过安装在盘形转子支持环上得到支撑，支撑环优选由金属制成。优选转子薄片金属具有方向磁特性，如晶粒取向迭片，但是转子薄片金属也可以由不具有方向磁特性的转子薄片金属制成。磁部件的数量可以在8-80之间，优选在10-40之间，更优选在10-24之间。
磁部件211可以是永磁体或半永磁体，半永磁体在风力涡轮机运行期间磁化，即发电机105或公用电网107产生的电功率用于磁化半永磁体。此外，磁体211可以由超导线圈制造，或者由电磁铁构成，如通过来自公用电网或发电机105产生的电功率磁化的线圈。
发电机105的发电机定子201包括由定子环组件221构成的定子环220，定子环组件221由定子薄片构成，如晶粒取向迭片。单独的定子环组件221由边楞222表示。定子环220通过堆叠定子环组件221构成，如侧视图230所示。因此，定子环组件211的第一层231相对于定子环组件的第二层232有偏移。
发电机105的发电机定子201进一步包括至少两个定子极203，其中每一个定子极203具有绕组204。绕组204可以在定子环组件221的凹槽205中制造。每一定子极203包括至少两个凹槽205和至少一个凸齿206。发电机定子201的凸齿206建立到发电机转子210的磁部件211的磁连接。
每一个单独的定子环组件221包括一个或多个定子极203。为了说明的目的，图2表示包括一个定子极203的定子环组件221和包括两个定子极203b和203c的定子环组件221a。对于实际应用，最常见的是所有定子环组件221具有相同数量的定子极，例如图2所示的发电机定子201具有四个定子环组件221a，每一个定子环组件包括两个定子极203b和203c。可选地，图2所示的发电机定子201具有8个定子环组件，每一个定子环组件包括一个定子极203。边棱222a表示在发电机定子201包括八个定子环组件221的示意性情况下的额外边棱222a。
当定子201具有少量的凹槽绕组或不对称的凹槽绕组时，转子极212的数目可以不同于定子极203的数目。转子极的数量也可以等于定子极203的数量。
定子极203中的晶粒取向迭片的晶粒方向由箭头208指示。因此，箭头208表示定子极203a中磁损最小的方向。当磁部件221a的磁场方向231平行于晶粒方向208，且角230等于零时，定子极203a的凸齿206中的磁损最小。因此，当磁场方向231平行于晶粒方向208时，在具有晶粒方向208的凸齿206中的磁损最小。很明显，应当理解在凸齿206中磁场是在径向方向，而在定子环组件221的***磁场发生弯曲。但是，由于在定子环组件221的***的磁场密度低于凸齿206中的磁场密度，定子环组件221的***中的磁损仍然很低。
当发电机转子210旋转小角度230时，如5度，凸齿206中的磁部件211a的磁场方向231偏离晶粒方向208小角度230，如5度，导致了相比磁场方向231平行于晶粒方向208的情况，定子极203a中的晶粒取向迭片呈现磁损增加。但是，由于角230比较小(例如5度)，磁损增加不显著。
通过将发电机定子201的第一层分割为至少四个定子环组件221，实现了磁部件211a或另一磁部件211的磁场方向231与任何定子环组件221的晶粒方向208之间的偏离不超过最大角度230，从而磁损不会很大。为了更具体，最大角度230可以不大于20度，优选不大于15度，更优选不大于10度。
例如，通过将发电机定子201的每一层231分割为十五个定子环组件221，磁部件211a或任何其他磁部件211的磁场方向231与任何定子模块220的晶粒方向208之间的偏差不超过12度的最大角230。
在发电机105中使用晶粒取向定子薄片的优点在于比其他类型的发电机效率高，其他类型的发电机除了使用不具有方向磁特性的定子薄片其他均相同，其中发电机定子201分割为由具有方向磁特性的定子薄片制成的定子环组件211。因此，相对于不使用晶粒取向定子薄片提高磁导率的发电机，可以实现功率输出提高0.3％-0.4％。这样的功率输出提高可以补偿使用晶粒取向定子薄片带来的成本提高。
定子环组件221中的磁损取决于中速主轴的旋转速度。在中速主轴104的转速低于50转/分的范围内，由于定子薄片中的涡流小磁损也小，而在转速高于600转/分的范围内时，由于涡流增加磁损也有所增大。
由于定子薄片中的铁损，磁损不可避免地导致发热。在中速主轴在低于50转/分的范围内，由于铁损小发热也小，而在转速高于600转/分的范围内，由于铁损增大发热也相应的变大。
发电机定子201中产生的热量引起发电机转子210和磁体211发热。实际上，当使用永磁体211时，保持永磁体211的温度低于190摄氏度很重要，优选低于150摄氏度，更优选低于110摄氏度。温度高于特定的最大温度极限时，如300摄氏度的居里温度，永磁体的磁场将退化。但是，由于发电机运行在50转/分-600转/分的中速范围内，温度通常不会超过引起永磁体退化的温度，如超过190摄氏度。这种情况不同于旋转速度在1500转/分-3000转/分的高速发电机，其中高旋转速度可以在发电机转子210中产生高于190度的温度，这将破坏永磁体211的性能。
如果定子没有分割或仅分割为两个大小相等的定子环组件221，将不能实现使用具有方向磁特性的定子薄片金属获得的优点。因此，如果定子环220没有分割或只分割为两个大小相等的定子环组件221，磁部件211a或任何其他磁部件211的磁场方向与任意一个或两个定子模块220之间的最大偏移将达到90度。
通常，在磁场与定子薄片金属中的晶粒方向之间的90度的偏移将导致磁饱和度降低30％。因此，例如当角230等于零时，1.7特斯拉的磁场传递到定子极203上，当角230等于90度时，由于磁饱和只有1.2特斯拉的磁场传递到定子极203上。所以，如果定子模块不分割或仅分割为一分为二，当磁体211的磁场方向231平行于晶粒方向208时的理想磁特性的优点大于当磁体211的磁场方向231垂直于晶粒方向208时的非理想磁特性的偏移。
定子环组件211a包括在同一定子薄片金属中放置的两个定子极203b和203c，该金属的特征在于相同的晶粒取向208a。凸齿206中的磁部件211的磁场方向231与定子模块220的晶粒方向208a之间的偏离，在靠近定子环组件221a中心处小于靠近定子环组件221a边缘处。因此在凸齿206中靠近定子环组件221a边缘处的平均磁损大于在凸齿206中靠近定子环组件221a中心处的平均磁损。
各个定子极203的电输出，如三相输出，可以输入到各个频率变换器，用于将发电机105产生的电功率的频率和/或电压转换为适用于公共电网107的频率和电压。可选地，各个定子极203的电输出可以组合，例如在中心接线盒，且来自中心接线盒的组合电输出可以输入到用于转换频率和/或电压的中心频率变换器106。
Claims (16)
1、产生电功率的风力涡轮机，其包括发电机(105)和用于驱动发电机(105)的风力涡轮机转子(101)，其中发电机(105)包括：
-包括至少两个定子极(203)的发电机定子(201)，其中每一个定子极(203)具有导线绕组(204)；和包括至少两个磁部件(211)的发电机转子(210)，其中发电机定子(201)的至少一部分包含具有方向磁特性的金属，及
-其中，所述发电机(105)通过变速箱(103)连接到风力涡轮机转子(101)，其中变速箱(103)在风力涡轮机运行期间用于相对于风力涡轮机转子(101)的转速提高发电机(105)的转速。
2、根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中发电机(105)的预计转速在风力涡轮机运行期间是对应的风力涡轮机转子(101)转速的至少2倍，优选是风力涡轮机转子(101)转速的至少5倍，可能是风力涡轮机转子(101)转速的至少10倍，甚至可能是风力涡轮机转子(101)转速的至少15倍。
3、根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中发电机(105)是在运行期间转速在30-1000转/分的中速发电机，优选在45-750转/分内，或更优选在60-500转/分内。
4、根据权利要求1-3任一所述的风力涡轮机，其中发电机(105)包括具有多个定子环组件(221)的定子环(220)。
5、根据权利要求1-4任一所述的风力涡轮机，其中至少两个磁部件(211)是永磁体，所述磁体在未向风力涡轮机提供电功率的期间已经充分磁化。
6、根据权利要求1-4任一所述的风力涡轮机，其中至少两个磁部件(211)是在向风力涡轮机提供电功率的期间进行磁化的磁体，所述磁体在不向风力涡轮机提供电功率的期间逐渐消磁。
7、根据权利要求1-4任一所述的风力涡轮机，其中至少两个磁部件(211)是在向风力涡轮机提供电功率的期间进行磁化的电磁体。
8、根据权利要求1-7任一所述的风力涡轮机，其中变速箱(103)是两级变速箱。
9、根据权利要求1-8任一所述的风力涡轮机，其中发电机(105)是同步发电机。
10、根据权利要求1-9任一所述的风力涡轮机，其中风力涡轮机进一步包括至少两个频率变换器(106)，其中至少两个定子极(203)中的每一个一对一地连接到对应的至少两个频率变换器。
11、根据权利要求1-9任一所述的风力涡轮机，其中风力涡轮机进一步包括至少一个频率变换器(106)，其中至少两个定子极(203)中的每一个连接到一个公共频率变换器(106)。
12、根据权利要求1-11任一所述的风力涡轮机，其中发电机转子(210)的至少一部分包含具有方向磁特性的金属。
13、根据权利要求1-12任一所述的风力涡轮机，其中发电机(105)是包括已经充分磁化的磁体(211)的类型，所述磁体结构上与同步或异步感应发电机(105)形成一体，所述磁体磁性上独立于同步或异步感应发电机的定子绕组(204)。
14、根据权利要求1-12任一所述的风力涡轮机，其中发电机(105)是包括由发电机磁化的磁体(211)的类型，所述磁体结构上与同步或异步感应发电机(105)形成一体，所述磁体磁性上依赖于同步或异步感应发电机的任何定子绕组(204)。
15、根据权利要求1-14任一所述的风力涡轮机，其中发电机定子(201)的外直径在3-4米之间，优选在2-3米之间，更优选在1-2米之间。
16、发电机的用途，其中所述发电机包括具有至少两个定子极(203)的发电机定子(201)，其中每一个定子极(203)具有导线绕组(204)，还包括具有至少两个磁部件(211)的发电机定子(201)，其中在包含变速箱(105)的风力涡轮机中发电机定子(201)的至少一部分包含具有方向磁特性的金属，其中变速箱(105)在风力涡轮机运行期间用于相对于风力涡轮机转子(101)的转速提高发电机的转速。
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