CN103534911A - 发电机转子、装配方法以及相关的***工具 - Google Patents

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Abstract

发电机转子，其包括转子轮辋和多个永磁模块并且在转子轮辋的外部或内部圆周上布置多个锚使得所述锚大体上将永磁模块固定在转子上，其中永磁模块包括具有底面、两个轴向延伸的侧面和顶面的底座，并且一排或者多排磁体安装在所述顶面上，其中永磁模块的两个侧面中的每一个侧面包括轴向延伸的凹槽，并且其中所述锚具有大体上恰好适合于相邻永磁模块的轴向延伸的凹槽的形状。

Description

发电机转子、装配方法以及相关的***工具
本申请要求2011年05月11日递交的欧洲专利申请EP11382142和2011年09月29日递交的美国临时专利申请No61/540,844的优先权。
本发明涉及发电机转子，并且尤其涉及特别适合于风力涡轮机的发电机转子。
背景技术
已知的是具有带有永磁体的转子的发电机。这些发电机通常被认为是可靠的并且比其它的发电机布局要求更少的维修。
现代的风力涡轮机通常用于将电力供应至电网。这种风力涡轮机通常包括具有一转子毂和多个叶片的转子。转子被设定成在作用于叶片的风的影响下转动。转子轴的转动直接驱动（“直接地驱动”）或者通过使用变速箱驱动发电机转子。对于离岸风力涡轮机，通常选择采用永磁体的直接驱动***。
这样的直接驱动风力涡轮机发电机可以具有例如6-8米的直径和例如2-3米的长度。数百个磁体会需要用螺栓紧固或粘在转子的圆周上。很明显，这样的制造过程会是繁琐的。
而且，如果一个或者多个磁体被损坏并且需要更换，则接近这些磁体会是复杂的（尤其是大型的发电机），这样维修会变得非常昂贵。
然而这样的尺寸和类型的发电机不仅仅局限于风力涡轮机的技术领域。例如在蒸汽涡轮机和水力涡轮机中也可以找到相当大规模的发电机。
发明内容
在第一方面，本发明提供发电机转子，其包括转子轮辋和多个永磁模块，并且在转子轮辋的外部（或内部）圆周上布置多个锚使得所述锚大体上将永磁模块固定在转子上。所述永磁模块包括具有底面、两个轴向延伸的侧面和顶面的底座。一排或者多排磁体安装在所述顶面上，并且永磁模块的两个侧面中的每一个侧面包括轴向延伸的凹槽。所述锚具有大体上恰好配合在相邻永磁模块的轴向延伸的凹槽中的形状来大体上将永磁模块固定在转子上。
在本发明的这一方面，提供装配和维修都有改进的永磁发电机转子。对于修理和制造，磁体模块可以相对容易地***位置中或者移除。
在一些实施例中，每一个永磁模块包括单排磁体。在其它的实施例中，每一个永磁模块包括至少两排磁体。
在一些实施例中，锚可以是在永磁模块中具有对应凹槽的大体上T形的。T形锚和方形的凹槽可以很容易地加工/制造。
为了将磁体牢牢地固定在发电机转子上，永磁模块可以包括一个或者多个附装至底座元件的前面和后面用于将永磁体束缚至底座的带子。而且，永磁体可以覆盖有非磁材料，例如树脂或不锈钢。覆盖可以用于保护磁体不受腐蚀，然而覆盖可能引发寄生的电流和/或减少散热。
在一些实施例中，永磁模块可以具有大体上对应于发电机长度的一半的长度。两个永磁模块可以在彼此后边***。在这些实施例中，模块中的一个模块可以从转子的前方容易地取出（和引入），并且另外一个模块可以，例如在维修时，从后方容易地取出（和引入）。
在另一方面，本发明提供在大体上如前面所述的发电机转子的装配中使用的***工具。所述***工具可以包括具有多个引导元件的大体上弯曲的板，所述板的曲率对应于转子轮辋的曲率并且所述引导元件的形状大体上对应于锚的形状，两个相邻的引导元件限定了两者之间的***轨道。
使用根据这一方面所述的***工具，可以改进永磁模块的***（和取出）。当***永磁模块时，模块可以被吸引至另外一个已经安装的模块或者被另外一个已经安装的模块所排斥。***工具可以保证永磁模块的适当的校准和定位。
在又一方面，本发明提供装配大体上如前面所述的发电机转子的方法，所述方法包括将两个或者更多个锚松弛地附装至转子轮辋，在所述锚中的两个锚之间***永磁模块，并且将锚紧固地附装至转子轮辋。因此提供用于装配发电机转子的有利的方法。在一些实施例中，可以使用大体上如前面所述的***工具。
本发明的实施例的额外目的、优点和特征将在本领域的技术人员审阅说明书时变得明显，或可以通过实践本发明而被认识。
附图说明
本发明的具体实施例将在下文中参照附图以非限制性示例的方式说明，其中：
图1a和图1b示出根据本发明的实施例所述的发电机转子的截面图；
图1c示出可以在本发明的实施例中使用的锚；
图2a和图2b示出根据本发明的实施例所述的永磁模块的前视图和侧视图；
图3a至图3b示意性地示出根据本发明的实施例所述的发电机转子的装配方法；
图4a示出根据本发明的实施例所述的锚和永磁模块的前视图；
图4b和图4c示出永磁模块的又一些实施例。
具体实施方式
图1a示出根据本发明的实施例所述的发电机转子的圆形扇段的截面图。所述发电机转子包括转子轮辋10，多个永磁模块20布置在所述转子轮辋10上。所述永磁模块（以及发电机转子本身）从发电机转子的前面沿轴向方向延伸至发电机转子的后面。
在这个示例中，发电机包括布置在发电机转子外部的发电机定子。永磁模块因此布置在转子轮辋的***。
所述永磁模块中的每个都包括承载多个磁体22的底座21。在这个示例中，设有沿轴向方向延伸的单排磁体22。底座21的侧面包括凹槽，所述凹槽中配合有锚30。底座21可以例如由钢或者其它的导磁材料构成并且例如由一个整体件或者由多个薄片/片材压紧在一起构成。
为了装配发电机转子，所述锚可以使用例如带有头部36的螺栓35松弛地附装在转子轮辋的圆周上。然后，可以在两个相邻的锚之间***并且滑动永磁模块20。然后，为了将磁体模块固定就位，可以紧固螺栓35（从位置36a移至位置36b），从而所述锚将底座21的一部分固定在转子轮辋的***上。转子轮辋的内侧可以包括用于更好地紧固螺栓35的平坦的部分32。
在这个方面，提供在装配和维修方面有改进的永磁发电机转子。对于修理和制造，磁体模块可以相对容易地***和移除。
永磁模块20可以覆盖有不锈钢的薄板和/或例如涂覆有环氧树脂26。在可替代实施例中，永磁体可以根本不被覆盖。这些实施例可以通过使用磁体之间的自由空间提供磁体良好的冷却。有了覆盖物，永磁体可以更好地免遭其环境的侵害并且可以例如减少腐蚀的可能性和程度。然而，覆盖物会减少散热并且也会引起覆盖物中的寄生的电流。因此，一般可以使用非磁材料。
在图1a的示例中，每一个永磁模块承载单排的永磁体。图1b的示例在这个方面是不同的：每个模块20包括底座21，但是在底座的顶面上，设有四排22a、22b、22c和22d永磁体。永磁模块的宽度和磁体的排数可以有所变化。每个模块上具有更多数量的磁体减少了模块的数量并且可以简化装配程序。另一方面，更小的模块可以更容易制造。
具有斜边的磁体的形状较容易制造并且能感应大体上正弦曲线的电压并提供减小的齿槽扭矩。
在图1b的示例中，除了配合在永磁模块的凹槽中的锚30，可以沿模块的宽度和长度上设置若干个额外的螺栓25来将底座相对于转子轮辋更牢固地固定就位。
图1a和图1b中未示出的是中心转子结构，其支撑转子轮辋10。这样的转子结构可以采取合适的形式并且可以包括例如具有用于支撑转子轮辋的多个放射状延伸轮辐的毂，或者更坚实的转子。
图1c更清楚地示出图1a和图1b的示例中所使用的锚30。所述锚30可以大体上是T形的，其具有配合在永磁模块的对应的凹槽中的两个侧面延伸的锚定部分38。所述锚定部分38包括用于与模块的底座的接触面相接触的接触面38b。所述锚定部分38还包括协助引导和定位相对于锚的永磁模块的水平配合表面38a和竖直配合表面38c。
所述锚30还包括沿其长度的一个或者多个中心孔37。所述中心孔37用于容纳将锚固定至转子轮辋的螺栓35。当螺栓被紧固时，接触面38b压靠到永磁模块的对应的接触面26a（见图2a）上。
由于永磁模块通过其底座固定到转子轮辋上，因此在本发明的实施例中，在操作和装配中，都能大体上避免紧固件和永磁体之间的摩擦。
在可替代实施例中，发电机可以具有发电机转子布置在（围绕）发电机定子的外部的结构。在这种情况下，永磁模块和锚可以布置在转子轮辋的内圆周上。用于将锚固定至转子轮辋的螺栓可以因此从转子的外部放射状地向内延伸。
图2a和图2b示出根据本发明的实施例所述的永磁模块的前视图和侧视图。所述永磁模块包括底座21和一排永磁体22。在这个实施例中，永磁体22可以通过使用多套螺丝28安装在底座21上。此外，磁体可以粘到底座上。而且，带子27附装在模块的前面，在永磁体的顶部朝尾部延伸并且附装在模块的尾部（也见图2b）从而将永磁体束缚至底座。在可替代实施例中，只可以使用这些将磁体固定至底座的方法中的一个或者两个方法：在具体示例中，磁体可以粘至底座并且带子仅仅用于如果或者当胶在发电机的使用期中退化时。在另一示例中，磁体可以不用任何额外的紧固机构而粘至底座。因此可以避免磁体和紧固件之间的摩擦。
为了更容易并且更恰当地将磁体放置在底座的顶部，底座的顶面可以包括两个直立的引导29，在这两个直立的引导29之间可以放置磁体。
图2b示出在轴向截面中所见的一排磁体221至232。带子27可以用栓（或其他紧固件）27b固定在永磁模块的前面和后面。
图3a和图3b示意性地示出根据本发明的实施例所述的发电机转子的装配方法。在图3a中示意性地示出的方法中，当发电机定子已经布置在发电机转子周围时，永磁模块定位并且固定在转子轮辋上。
提供具有弯曲的板51的***工具50，所述弯曲的板51具有多个轴向延伸的引导元件52。引导元件52的形状可以大体上对应于已经附装在转子轮辋上的锚30的形状。在这个具体示例中，引导元件是大体上T形的。***轨道53被限定在两个相邻的引导元件52之间。
板51的曲率大体上对应于转子轮辋的曲率。***工具还具有带有安装孔的附装支架54。所述附装支架用于通过使用螺栓55将***工具安装到发电机定子上。为此安装孔相对于孔41定位在发电机定子上。
***工具也可以使用螺栓11附装至转子轮辋10。因此***工具相对于发电机部分牢固的定位。确定的是引导元件52大体上与锚30相对准。永磁模块20于是可以被引入***轨道53中并且可以沿***工具被滑动。这样，永磁模块20将***到两个锚之间的轨道中。锚和凹槽的配合表面和接触面确保恰当的相对位置。
在一些实施例中，可以使用液压致动器（未示出）来沿着***轨道和在锚30之间中移动永磁模块。一旦永磁模块就位，锚可以紧固地配合在转子轮辋上，从而将模块卡在位置上。
在一些实施例中，引导元件可以相对于锚30稍微地增大。一旦永磁模块定位，锚30就通过紧固螺栓（前面有描述）牢牢地固定在它们的位置上。为了更好地在装配中保证模块恰当的定位，***工具稍窄的***轨道53会有帮助。
永磁模块可以具有大体上对应于发电机轴向长度的长度；因此每一个永磁模块大体上横跨发电机的整个长度。在其它的实施例中，模块的长度可以大体上是发电机的轴向长度的一半；两个永磁模块横跨发电机的长度。在这些示例中，一个模块可以从发电机的前面***并且一个模块可以从发电机的后面***。类似的，在一些实施例中，锚可以横跨发电机的长度。在其它的实施例中，锚被分成不同的段，这些段一起横跨发电机的长度。
在图3b中，示出了使用稍微不同的***工具的大体上相似的装配方法。在这个示例中，在相对于彼此定位定子和转子之前将永磁模块固定到转子轮辋上。***工具60包括具有引导元件62的弯曲的板61和如前面的示例中所述的***工具之间限定的***轨道63。
在这个示例中，***工具60包括用于将***工具60附装到转子轮辋的内部的安装支架67。装配方法也类似于参照图3a所描述的方法。在图3b中示出了两个锚30a和30b之间限定的轨道33。
在图3a和图3b中，又一次示出了发电机定子设置在发电子转子外部的结构。清楚的是装配方法和***工具将类似于在发电子转子设置在发电机定子的外部的结构中。
图4a示出根据本发明的实施例所述的锚和永磁模块的截面图。在这个示例中，永磁模块20’的侧面上的凹槽26大体上是三角形的。类似于前面的示例，凹槽26包括接触面26a，所述接触面26a用于与锚30’的接触面38b相接触来将永磁模块锚定在转子轮辋上。
图4中所示的锚30’具有大体上等腰的梯形形状的截面。可以说两个锚定部分38从锚的中心部分延伸。锚定部分38包括接触面38b和配合面38a。所述锚还包括适用于配合例如螺栓的孔37。在可替代实施例中，所述锚可以具有大体上三角形的截面并且适应于永磁模块20’的相同的凹槽26。
图4b和图4c示出了可替代的永磁模块20’’和20’’’，其包括在其侧面上的轴向延伸的凹槽的可替代形状。结合这些模块可以使用适当形状的锚来将这些模块固定在沿着转子轮辋的外部圆周的位置中。清楚的是在不背离本发明的范围的情况下可以选择凹槽的更多的可替代形状。
虽然已经在本文中仅公开了本发明的多个特定实施例和示例，但是本领域的技术人员应理解，本发明能够有其它可替代的实施例和/或用法及其明显的修改方案和等同方案。此外，本发明覆盖所述的特定实施例的所有可能的组合。因而，本发明的范围应当不受特定实施例的限制，而是应当仅通过以下权利要求的公正阅读确定。

Claims (15)

1.发电机转子，其包括转子轮辋和多个永磁模块以及多个锚，所述锚布置在转子轮辋的外部或内部圆周上，使得所述锚大体上将永磁模块固定在转子上，其中
所述永磁模块包括具有底面、两个轴向延伸的侧面和顶面的底座，并且一排或者多排磁体安装在所述顶面上，其中
所述永磁模块的两个侧面每个都包括轴向延伸的凹槽，并且其中
所述锚具有大体上恰好配合在相邻永磁模块的轴向延伸的凹槽中的形状。
2.根据权利要求1所述的发电机转子，其中每个永磁模块都包括单排磁体。
3.根据权利要求1所述的发电机转子，其中每个永磁模块都包括至少两排磁体。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的发电机转子，其中所述锚大体上是T形的。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的发电机转子，其中在永磁模块中，永磁体被粘到底座元件的顶面上。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的发电机转子，其中在永磁模块中，永磁体通过螺栓紧固到底座元件的顶面上。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的发电机转子，其中所述永磁模块包括附装至所述底座元件的前面和后面的一个或多个带子，用于将永磁体束缚至所述底座。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的发电机转子，其中所述永磁体覆盖有非磁材料。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的发电机转子，其中所述永磁模块具有大体上对应于发电机长度的一半的长度。
10.用于在根据权利要求1至9中的任意一项所述的发电机转子的装配中使用的***工具，其包括具有多个引导元件的大体上弯曲的板，所述板的曲率对应于转子轮辋的曲率并且所述引导元件的形状大体上对应于锚的形状，两个相邻的引导元件限定它们之间的***轨道。
11.根据权利要求10所述的***工具，还包括用于将***工具附装至发电机定子和/或发电机转子的附装支架。
12.根据权利要求10或11所述的***工具，还包括用于沿***轨道移动永磁模块的致动器。
13.装配根据权利要求1至9中的任意一项所述的发电机转子的方法，其包括
将两个或者更多个锚松弛地附装至转子轮辋，
在所述锚中的两个锚之间***永磁模块，和
将锚紧固地附装至所述转子轮辋。
14.根据权利要求13所述的方法，其中***永磁模块包括将权利要求10至12中的任意一项所述的***工具附装至发电机，使得所述***工具的引导元件与所述发电机转子的锚相对准，并且
通过使所述永磁模块沿***工具的***轨道滑动来***永磁模块。
15.直接驱动风力涡轮机，其包括具有权利要求1至9中的任意一项所述的发电机转子的发电机。
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