CN104979926B

CN104979926B - 外部转子构造

Info

Publication number: CN104979926B
Application number: CN201510159618.7A
Authority: CN
Inventors: E.莱马
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: EP2930824A1; CN104979926A; EP2930824B1; US9660492B2; JP2015202040A; US20150288232A1; CA2887076A1

Abstract

本发明涉及外部转子构造。本发明描述了用于风力涡轮发电机（1）的外部转子构造（2），该外部转子构造（2）包括多个转子外壳节段（20A、20B），其中转子外壳节段（20A、20B）被实现成保持多个磁极（21），且转子外壳节段（20A、20B）包括横向连接件（200）的横向连接接口（200A、200B），该横向连接件（200）用于将该转子外壳节段（20A、20B）沿其纵向长度（L_R）可拆卸地连接到多个相邻转子外壳节段（20A、20B）。本发明还描述了包括发电机（1）的风力涡轮机（10），该发电机（1）包括内部定子（3）和这种外部转子（2）。本发明还描述了在这种外部转子构造（2）上执行维护过程的方法。

Description

外部转子构造

技术领域

本发明描述了用于风力涡轮机的发电机的外部转子构造；风力涡轮机；以及用于在这样的外部转子构造上执行维护的方法。

背景技术

在诸如发电机的电力机器的“外部转子”设计中，转子绕内部定子自由旋转。外部转子的转子外壳（例如在直接驱动发电机中使用的）通常由滚轧且焊接的钢桶制成。机加工这样的转子外壳的复杂性和成本随转子大小而增加。必须建造定制机器以便能够处理大型外部转子，并且必须投入大量工作来确保重但相对薄壁的转子在处理期间不扭曲。如果转子外壳被制成整体式桶，则这样的扭曲或扁化是非常难以避免的，具体是因为在转子处于“水平”位置，即在其旋转轴线处于水平对齐的情况下实施一些发电机组装步骤。转子的自身重量会导致其在结构元件（例如前板）能够在最后的组装步骤中被固定之前在该位置扭曲。

与这样的外部转子设计相关联的另一问题是难以通达并更换有缺陷的磁极或者极片。在已知设计中，可能必要的是拆卸发电机的整个背板或背盘以便能够移除有缺陷的磁体。这样的维护过程是漫长的且昂贵的，并且发电机停机时间会是显著的。

这样的转子设计会遇到的另一问题是不均匀空气间隙的问题。这仅能例如通过调整多个定子节段之一的位置来在有限程度上解决。定子节段是圆筒形定子的一部分，例如十二分之一，并且通常承载被设置在定子齿之间且被安装到载架结构或底座框架的多个绕组。由于定子节段通常覆盖多个磁极，例如是1:8或者更大的比例，所以会难以或不可能通过调整一个定子节段的位置来校正（与仅仅一个或两个磁极相关的）局部空气间隙不一致。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于发电机的改进转子构造。

这个目标是通过根据本发明的外部转子构造、根据本发明的风力涡轮机以及根据本发明的在外部转子上执行维护过程的方法来实现的。

根据本发明，用于风力涡轮机的外部转子构造包括多个转子外壳节段，其中转子外壳节段被实现成保持多个磁极，并且其中每个转子外壳节段包括横向连接接口，该横向连接接口用于将该转子外壳节段沿着其纵向长度可拆卸地连接到相邻转子外壳节段。

根据本发明的外部转子构造的优点在于，转子外壳节段被可拆卸地连接到其相邻转子外壳节段，因此每当必要时就可以移除转子外壳节段。在磁极或者磁极片故障的情况下，能够在非常简便的过程中移除有缺陷的转子外壳节段，使得能够在其现场安装替换的转子外壳节段，或者能够在将转子外壳节段再次连接到外部转子构造之前更换有缺陷的磁极或极片。尤其在近海风力涡轮机的情况下，这种便利地通达到有缺陷的部件是一种重要的优势，因为风力涡轮机的停机时间能够保持最小，并且也能够理想地减少维护成本。

因为根据本发明的外部转子构造的每个转子外壳节段被实现成保持多个磁极，所以外部转子构造具有桶的外观，即基本直壁圆筒形形状，并且可以在下文中被称为"转子桶"。每个转子外壳节段可被看作是这种桶的板条，因为每个转子外壳节段具有对应于外部转子的长度的两条“长”边。这里且在下文中，术语"转子外壳节段"和"转子外壳区段"可以被理解为具有相同含义并且可以被互换地使用。

根据本发明，风力涡轮机包括发电机，该发电机包括内部定子和根据本发明的外部转子构造。

根据本发明的风力涡轮机的优点在于，能够以相对简便且不复杂的方式处理任意有缺陷的磁极或者磁极片或者其他的涉及转子部件的缺陷，使得能够快速修复缺陷。以此方式，例如由于有缺陷磁极或极片导致的风力涡轮机的停机时间能够保持为理想的最小值。

根据本发明，在根据本发明的外部转子构造上执行维护的方法包括步骤：将转子外壳节段从其相邻转子外壳区段拆除；将被拆除的转子外壳节段提升出所述外部转子以留下间隙；将替换的转子外壳节段降低到所述间隙内；以及将所述替换的转子外壳节段固定到所述相邻转子外壳节段。

根据本发明的方法的优点在于，能够在不需要拆卸发电机的大型部分的情况下现场实施方法步骤。从外侧通达到有缺陷的转子部件，这不同于必需拆解制动盘以便能够通达有缺陷的磁极片的现有技术构造。

在下文中，在不以任何方式约束本发明的情况下，可假定发电机是直接驱动风力涡轮机，并且也可以假定外部转子是发电机的领域并且承载永磁极，其中磁极能够是单个磁体或者能够包括一行磁极片。本发明的外部转子构造能够被用于承载永磁体领域的任意电动机器设计，而不论电力机器是直接驱动的还是包括齿轮箱。根据本发明的外部转子构造尤其良好地适合较大转子，例如近海风力涡轮机的直接驱动发电机的外部转子。

为此，外部转子的转子外壳节段优选地包括用于保持一个或更多个磁极的极保持器件。例如，极保持器件可以包括T形槽，其被实现成容纳磁极片的基板，使得能够沿着槽推动该极片直到其到达其指定位置。在3 MW直接驱动发电机中，外部转子可以包括100-140个这样的磁极，每个具有4-6个极片。在故障情况下，根据本发明的外部转子构造允许通过首先提升出适当的转子外壳区段且之后将磁极片滑出槽并更换有缺陷的磁极片从而相对容易地移除磁极片。

顶盖通常被用于保护风力涡轮机的各种零件。例如，顶盖能够被成形为配合在塔顶上从而封装偏航机构并保护其免受雨和灰尘的影响。在下文中，可以假定发电机被设置在毂和顶盖之间，该顶盖通常指的是保护其所封装的部件免受环境影响的壳体或者外壳。顶盖、诸如底座框架的支撑框架以及偏航机构可以被总体地称为“机舱”。诸如迷宫式密封件的密封件能够被设置在发电机和顶盖之间以允许转子旋转且同时防止湿气进入顶盖。

能够以任意适当方式实现横向连接接口。不过，优选地，横向连接接口被实现成形成在第一转子外壳区段和相邻第二转子外壳区段之间的匹配连接件。换言之，匹配连接件包括相邻转子外壳节段的互补成形的连接接口。优选地，匹配连接件的互补连接接口部分被实现成在其整个长度上匹配，例如当横向接口从转子外壳的前面延伸到后面时在转子外壳的长度上匹配。优选地，匹配接口具有不大于转子外壳节段的最大厚度的厚度。

在两个相邻转子外壳节段之间的匹配接口或连接件能够以任意适当方式被实现，例如使用燕尾接头或其他合适的齿形接头。不过，实现这样的接头会是相对昂贵的，因为这会需要对大量转子外壳节段的精密机加工。因此，在本发明的具体优选实施例中，横向连接接口包括第一转子外壳节段的外部凸缘和第二转子外壳节段的互补内部凸缘。优选地，互补凸缘中的至少一个沿着基本上转子外壳节段的整个长度延伸，即凸缘沿着转子外壳节段在前端和后端之间的部分延伸。优选地，两种凸缘均沿着转子外壳节段的长度延伸。

包括这种互补凸缘的匹配接口能够被适当地固定。一对凸缘能够在沿横向连接接口的长度的多个点处被螺栓连接或以其他方式被连接。在本发明的优选实施例中，横向连接接口包括多个紧固件，其被实现成将转子外壳节段固定到相邻转子外壳节段。例如，在具有大约4 m直径和1600 cm范围内的长度（从毂端至后端）的外部转子的情况下，可以使用大约5–7个紧固件来连接每个横向连接件的互补凸缘。紧固件优选地是凹头螺栓，并且凸缘优选地被制备成具有内螺纹和孔来容纳螺栓头。优选地，这样的紧固件具有不超过凸缘连接件的组合高度的总体长度，使得一旦紧固件被拧紧则没有任何紧固件的部分从转子的主体突出。

发电机领域的磁极能够以成行的磁极片的形式来设置，其中每行基本平行于发电机的旋转轴线。因此，在本发明的优选实施例中，转子外壳节段与发电机的旋转轴线对齐。不过，在一些发电机设计中，磁极片可以以交错或极偏移方式来设置，例如以便减少齿槽转矩。为此，可以机加工出用于磁极片的保持槽，使得极片的公共轴线相对于旋转轴线处于微小角度。因此，用于这种设计的分段式转子外壳可以以倾斜的转子外壳节段为基础。

转子外壳节段可以被实现成容纳一个或更多个磁极。因此，在本发明的优选实施例中，外部转子包括至少100个转子外壳区段。转子外壳节段的数量可以根据各种相关因素被选择，所述因素例如外部转子的尺寸、被容纳磁极的数量等等。

在直接驱动发电机中，转子将具有前端，也被称为驱动端，因为（叶片所附接的）毂在这一端被连接到转子。为了外部转子的稳定性，并且为了保护发电机内部的部件，发电机的驱动端优选地被前板封闭，该前板能够是平坦的或者锥形的，或者能够具有任意适当的形状。转子的相反端是后端或非驱动端。通常，制动板和制动机构被设置在非驱动端。制动板也可以被称为背板。因此，在本发明的进一步优选实施例中，转子外壳节段包括用于将该转子外壳节段固定到转子前板的前面板连接接口或前板连接接口和/或用于将该转子外壳节段连接到转子背板的后面板连接接口或背板连接接口。也可以使用如上所述的互补凸缘的设置来实现这些连接接口。替代性地，前板连接接口或背板连接接口可以包括被成形成分别装配在前板或背板的边缘上的单个凸缘。而且，能够使用任意适当的连接器件，例如通过使用如上所述的多个凹头螺栓或螺钉，将前板连接接口和背板连接接口固定到前板和背板。优选地，这些紧固件也不突出到转子的外表面之上。

如上所述，优选的是保持湿气和空气传播的颗粒不进入发电机内部，因为发电机内部的环境应该尽可能干净和干燥。因此，在本发明的进一步优选实施例中，连接接口能够被实现成包围密封件（例如，图3中的密封件5）以便防止湿气绕过或穿过连接接口。密封件能够以任意适当方式被实现。例如能够沿着连接接口的凸缘的内侧面施加薄的橡胶或硅树脂条，使得当凸缘被连接时密封件阻止空气和湿气经过连接接口。替代性地，转子外壳区段能够被机加工成获得可足以将空气传播的颗粒保持在外的紧密配合。外部转子构造可以被护罩或其他罩盖封装，所述护罩或其他罩盖阻止湿气和颗粒通过相邻转子外壳区段之间的任意间隙进入转子。

如背景技术中所述，大型外部转子对于满足转子和定子之间的均匀空气间隙的严格要求会产生困难。因此，在本发明的优选实施例中，外部转子构造包括空气间隙调节器件以便调节转子外壳节段相对发电机的空气间隙的位置。分段式构造使得其理想地易于通过调节一个或更多个转子外壳区段的位置来校正空气间隙不均性。例如，空气间隙调节器件能够包括在转子的驱动端和/或非驱动端处被置于转子外壳区段之间的一个或更多个垫片。垫片能够例如是薄的平坦的板材金属件。默认数量（例如一个或者两个）的垫片可以最初在每个转子外壳区段的每端处被放置就位。之后，如果必要的话，则能够通过移除一个或更多个垫片或者通过增加一个或更多个垫片来调节一个或更多个转子外壳区段的位置。每个垫片能够被制备成包括开口，紧固件能够穿过该开口，使得将转子外壳区段连结到前板或背板的紧固件也将垫片牢固地保持就位。以此方式，整个空气间隙被"划分"成每个极多个空气间隙，其中单个空气间隙部分的数量对应于转子外壳区段的数量。在为了获得定子和转子之间的均匀且一致的空气间隙的情况下，每个单个空气间隙部分能够独立于其他部分被调整。

外部转子的分段式设计使得其相对简单地通达发电机的有缺陷的部分，因为能够通过简单地移除相关紧固件并且将转子外壳节段提升出而移除转子外壳节段。因为转子外壳节段承载磁极，所以其将是非常重的。此外，处理永磁体会是危险的。因此，在本发明的进一步优选实施例中，风力涡轮机包括设置在风力涡轮机的顶盖内的起重机，该起重机被实现成在维护过程期间提升和降低外部转子的转子外壳区段。这样的起重机仅需要大到足以接触外部转子并且提升并操纵带有其磁极的转子外壳节段。起重机能够被永久地安装在顶盖内并且能够被实现成适当地伸长和收缩。起重机能够被实现成手动地或者被远程控制地操作。

根据本发明的外部转子的维护步骤能够如上所述，其步骤为拆卸转子外壳区段并且将其提升出外部转子（留下间隙）。优选地，根据本发明的方法包括如果可能的话则维修被拆卸转子外壳区段的磁极。例如，如果仅磁极片中的一个是有缺陷的，则可仅更换该有缺陷的磁极片就足够了。之后，转子外壳区段能够被降低回到恰当位置并且被固定，例如再次***紧固件并再次使其紧固。

附图说明

从结合附图考虑的下述详细描述中将显而易见到本发明的其他目标和特征。然而，应该理解的是，附图仅设计用于图释目的并且不作为对本发明限制的定义。

图1示出了穿过具有根据本发明的外部转子构造的实施例的发电机的横截面；

图2示出了根据本发明的外部转子构造的另一实施例中的一对相邻转子外壳区段；

图3示出在图2的转子外壳区段之间的匹配横向连接件的实施例；

图4示出了穿过具有根据本发明的外部转子构造的实施例的发电机的又一横截面；

图5示出了根据本发明实施例的风力涡轮机。

在附图中，贯穿始终同样的附图标记指代同样的物体。附图中的物体不必要成比例绘制。

具体实施方式

图1示出了穿过具有根据本发明的外部转子构造2的实施例的发电机1的横截面。附图示出了外部转子构造2包括紧密装配在一起的多个转子外壳区段20A、20B。在图的下部示出了多个相邻转子外壳区段20A、20B的放大图。通过使凸缘设置交替来实现结构稳定的构造。第一转子外壳区段20A具有一对外部凸缘200A，即形成转子2的外表面的一部分的凸缘。第二转子外壳区段20B具有一对内部凸缘200B，即形成转子2的内表面的一部分的凸缘。如图2和图3中将解释的，由一对相邻的互补凸缘200A、200B形成匹配横向连接件200。每个转子外壳区段20A、20B被机加工成容纳磁极，该磁极包括多个磁极片21，每个磁极片被安装在基板211上。这里，每个转子外壳区段20A、20B具有T形槽以便容纳平坦基板211。磁体210向内突出并且隔着狭窄空气间隙4面向发电机3的定子齿30和绕组31。

图2示出了穿过根据本发明的外部转子构造的另一实施例中的一对相邻转子外壳区段20A、20B的横截面。这里，附图示出了在被组装之前的转子外壳区段20A、20B。在这种示例性实施例中，在每个转子外壳区段20A、20B内形成燕尾槽25来保持磁极装置（未示出）。附图示出了横向凸缘200A、200B，随后其能够通过被***穿过对应衬套240的紧固件被连结。它们能够被攻螺纹以便匹配诸如安装螺栓的紧固件的螺纹。两个对应孔的组合深度使得紧固件将不会突出越过转子的内表面26和外表面27。图3示出在已经被固定在一起之后图2的转子外壳区段之间的匹配连接件200的实施例。附图示出了在凸缘200A、200B内的容纳凹头螺栓24的整个埋头螺纹孔240。螺栓24的长度小于转子外壳的厚度d_R，使得如上所阐述的，在任意部分均不延伸超出转子的内表面26和外表面27的情况下实现匹配连接件200。在这样的实现方式中，具有内部凸缘200B的转子外壳区段20B内的螺纹孔240可以仅部分地延伸到凸缘200B内，如图3所示。

图4示出了穿过具有根据本发明的外部转子构造2的实施例的发电机1的另一横截面。附图示出了绕发电机的旋转轴线R的内部定子3和外部转子2的设置以及在发电机1的前板220和背板230之间延伸的转子外壳区段20A、20B（其能够是任意类型）。为了将转子外壳区段连接到这些板220、230，每个转子外壳区段20A、20B在每个端部处具有凸缘部分，使得前凸缘或前面凸缘22F能够在发电机1的前端22处被固定到前板220，并且后凸缘或后面凸缘23F能够在发电机1的后端23处被固定到背板230。在这种示例性实施例中，使用如上所述的诸如凹头螺栓24的紧固件24来固定这些凸缘22F、23F。

在所示的示例性实施例中，空气间隙调整垫片40被示出在前板220和前端凸缘22F之间。垫片40的高度被选择成校正空气间隙4的不一致性（事先通过一些适当的测量技术被确定）。任意数量的这种垫片40能够根据需要被放置在前端凸缘22F或者后端凸缘23F下方。如果不再需要则在之后也能够非常容易地移除这些垫片。

图5示出了根据本发明实施例的风力涡轮机10。这里，在维护过程期间能够看到外部转子构造2。发电机停止，并且起重机6已经延伸穿过风力涡轮机10的顶盖11中的舱口12。维修技术人员（未示出）已经松开转子外壳区段20A的紧固件，并且起重机6已经将这个区段20A提升出外部转子2，从而留下间隙G。如果这是有缺陷的转子外壳区段20A，则其能够被修理，或者被相同类型的转子外壳区段20A更换。有缺陷的转子外壳区段可以是邻近于先前移除的区段的具有内部凸缘的区段。在这种情况下，在维护过程期间将移除和更换两个转子外壳区段以便通达有缺陷的区段。

虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，不过应该理解的是，在不背离本发明范围的情况下能够对其作出大量额外的改型和修改。

为了简明，应该理解，贯穿本申请使用“一”或“一种”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或者元件。

Claims

1.一种用于风力涡轮发电机（1）的外部转子构造（2），所述外部转子构造（2）包括多个转子外壳区段（20A、20B），其中转子外壳区段（20A、20B）被实现成保持多个磁极（21），并且其中转子外壳区段（20A、20B）包括横向连接件（200）的横向连接接口（200A、200B），所述横向连接件（200）用于将所述转子外壳区段（20A、20B）沿其纵向长度（L_R）可拆卸地连接到多个相邻转子外壳区段（20A、20B），

其中横向连接件（200）包括第一转子外壳区段（20A）的外部凸缘（200A）和第二转子外壳区段（20B）的内部凸缘（200B），并且

其中所述外部转子构造（2）还包括用于调节转子外壳区段（20A、20B）相对于所述发电机（1）的空气间隙（4）的位置的空气间隙调节器件（40），并且其中所述空气间隙调节器件（40）包括一个或更多个垫片，

其中所述空气间隙（4）被划分成多个空气间隙部分，并且所述空气间隙部分的数量对应于所述转子外壳区段的数量，并且

其中所述空气间隙调节器件（40）构造成独立于其他空气间隙部分来调整每个空气间隙部分，从而获得定子和转子之间的均匀且一致的空气间隙。

2.根据权利要求1所述的外部转子构造，其中所述横向连接接口（200A）被实现成形成所述第一转子外壳区段（20A）和相邻的所述第二转子外壳区段（20B）之间的匹配的横向连接件（200）。

3.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，其中凸缘（200A、200B）沿着转子外壳区段（20A、20B）的长度（L_R）延伸。

4.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，其中横向连接件（200）包括被实现成将转子外壳区段（20A、20B）固定到相邻转子外壳区段（20A、20B）的多个紧固件（25）。

5.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，其中转子外壳区段（20A、20B）与所述发电机（1）的旋转轴线（R）对齐。

6.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，其中转子外壳区段（20A、20B）包括用于保持一个或更多个磁极装置（21、210、211）的极保持器件（25）。

7.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，包括至少100个转子外壳区段（20A、20B）。

8.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，包括至少120个转子外壳区段（20A、20B）。

9.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，包括至少140个转子外壳区段（20A、20B）。

10.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，其中转子外壳区段（20A、20B）包括在转子外壳区段（20A、20B）和转子前板（220）之间的前板连接接口和/或在所述转子外壳区段（20A、20B）和转子背板（230）之间的背板连接接口。

11.根据权利要求1或2所述的外部转子构造，其中所述横向连接接口（200A、200B）包括被实现成防止湿气经过所述横向连接接口（200A、200B）的密封件（5）。

12.根据权利要求10所述的外部转子构造，其中所述前板连接接口和/或所述背板连接接口包括被实现成防止湿气经过所述前板连接接口和/或所述背板连接接口的密封件。

13.一种包括发电机（1）的风力涡轮机（10），所述发电机（1）包括内部定子（3）和根据权利要求1-12中任一项所述的外部转子构造（2）。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，包括被设置在所述风力涡轮机（10）的顶盖（11）内的起重机（6），所述起重机（6）被实现成用于在维护过程期间提升和降低所述外部转子构造（2）的转子外壳区段（20A、20B）。

15.一种在根据权利要求1-12中任一项所述的外部转子构造（2）上执行维护过程的方法，所述方法包括步骤：

将转子外壳区段（20A、20B）从其相邻转子外壳区段（20A、20B）拆除；

将被拆除的转子外壳区段（20A、20B）提升出所述外部转子构造（2）以留下间隙（G）；

将替换的转子外壳区段（20A、20B）降低到所述间隙（G）内；以及

将所述替换的转子外壳区段（20A、20B）固定到所述相邻转子外壳区段（20A、20B）。

16.根据权利要求15所述的方法，包括维修所述被拆除的转子外壳区段（20A、20B）的磁极（21）的步骤。