帶有雙邊轉子的電機的制作方法

專利名稱：帶有雙邊轉子的電機的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及電機，更具體地涉及風力渦輪發電機和船舶推進電動機。
背景技術：
風通常被視為太陽能的一種形式。風是因太陽對大氣的不均勻加熱、地球表面的不規則性以及地球的自轉所造成的，風的流型被地球的地形、水體和植被所改變。用語“風能”或“風力”描述了風被用來產生機械動力或電的過程。
通常來說，風力渦輪用來將風中的動能轉化成機械動力。這種機械動力可用于特定的工作(例如磨谷物或者抽水)，或者可用發電機來將該機械動力轉化成電。風力渦輪通常包括空氣動力機構，其用于將空氣的運動轉化成機械動力，然后由發電機將該機械動力轉化成電力。發電機的功率輸出與風速的立方大致成比例。當風速加倍時，風力發電機的效率增加了幾乎八倍。
大部分可買到的風力渦輪采用齒輪傳動系來將渦輪葉片連接在風力發電機上。風使渦輪葉片轉動，渦輪葉片使軸自轉，軸裝在齒輪箱中并連接在風力發電機上并進行發電。齒輪傳動裝置旨在增加機械運動的速度。齒輪傳動裝置的缺點在于，它降低了風力渦輪的可靠性，并且增大了風力渦輪的噪聲和成本。
少數采用直接驅動式發電機的風力渦輪也是可買到的。直接驅動式發電機的大直徑提出了在工廠和在風力渦輪安裝現場的運輸和安裝方面的比較困難的挑戰。隨著風力渦輪行業的成熟和技術改進，需要較大的額定功率來繼續實現能耗的降低用于陸上渦輪機的標準額定功率預期在今后若干年內會達到超過3MW，而海上渦輪機預期會達到5MW或更大。
為了使風力渦輪發展至較高的額定功率，傳統的方法是增大直接驅動式發電機的直徑或軸向(層疊)長度。單純從發電機電磁的角度來看，增大直徑是優選的，但從運輸、框架和安裝的角度來看就沒有吸引力，尤其是對于陸上渦輪機而言。在保持直徑小于約4.1-4.3米的同時增大發電機的軸向長度緩解了陸上渦輪機的運輸問題，但會導致復雜和昂貴的框架結構以及較長的軸向長度。
因此，需要提供一種具有較大額定功率和較小直徑的成本效率合算的電機。

發明內容
簡而言之，根據本發明的一個實施例，提供了一種風力渦輪。該風力渦輪的發電機包括至少兩個同心的氣隙。發電機包括帶有內轉子邊和外轉子邊的至少一個雙邊轉子，以及帶有內定子鐵心和外定子鐵心的至少一個定子。該至少一個雙邊轉子同心地設在內定子鐵心和外定子鐵心之間。
根據本發明的另一實施例，提供了一種風力渦輪發電機。該風力渦輪發電機包括至少兩個同心的氣隙。發電機包括帶有內轉子邊和外轉子邊的至少一個雙邊轉子，以及帶有內定子鐵心和外定子鐵心的至少一個定子。該至少一個雙邊轉子同心地設在內定子鐵心和外定子鐵心之間。
根據本發明的另一實施例，提供了一種船舶推進電動機。該船舶推進電動機包括至少兩個同心的氣隙。電動機包括帶有內轉子邊和外轉子邊的至少一個雙邊轉子，以及帶有內定子鐵心和外定子鐵心的至少一個定子。該至少一個雙邊轉子同心地設在內定子鐵心和外定子鐵心之間。


通過參考附圖來閱讀以下詳細介紹，可以更好地理解本發明的這些和其它的特征、方面及優點，在附圖中類似的標號代表類似的部件，其中圖1顯示了包括示例性雙邊發電機的風力渦輪的剖視圖；圖2顯示了帶有雙邊轉子和定子的圖1示例性發電機的剖視圖；圖3顯示了圖2所示雙邊轉子和定子的三維視圖；圖4顯示了在圖2所示設置中帶有熱管和外冷卻通道的一個示例性實施例；圖5顯示了包括示例性雙邊船舶推進電動機的船舶的一部分的剖視圖；圖6顯示了圖5所示示例性電動機的剖視圖；和圖7顯示了帶有用于圖2所示雙邊發電機的齒輪箱的一個示例性實施例。
具體實施例方式
本發明包括了尤其適用于直接驅動式風力渦輪和船舶推進裝置的雙邊發電機和電動機的不同實施例。另外，這些實施例有益于一些齒輪傳動式電機。在下文中描述的這些不同構造是基于雙邊的、徑向磁通的、同步的電機。盡管出于說明目的而介紹和顯示了永磁(PM)電機，然而也可以使用其它的電機，例如繞組勵磁電機。這些構造有助于實現具有增大額定功率(＞2.0MW)的成本效率合算的風力渦輪，并且尤其有利于外徑會受到運輸限制條件的約束的陸上應用。
現在來看附圖，圖1是風力渦輪10的剖視圖的示意性圖示，其帶有直接驅動式雙邊PM發電機12的一個示例性實施例。風力渦輪10的PM發電機12包括至少兩個同心的氣隙(圖1中未示出，參考圖2在下文中論述)，從而有效地將PM發電機12轉化成兩個同心的發電機。因此，本領域的技術人員可以理解，對于由外徑和軸向長度所限定的相同總包跡而言，PM發電機12可比單邊發電機產生高很多的功率輸出。因此，在實踐中，對于相同的總直徑和軸向長度而言，2MW的單邊發電機可被能產生3-3.6MW的雙邊發電機取代。等效的是，具有6米直徑的3MW單邊PM發電機可被僅具有4.3米直徑的相同軸向長度的雙邊發電機取代，從而使整個發電機可作為一個單元而進行陸上運輸。
圖1所示的風力渦輪10的一個示例性實施例包括PM發電機12中的雙邊轉子86和定子88。定子88包括內定子鐵心90和外定子鐵心92，這些鐵心有助于形成所述至少兩個同心氣隙(如后圖所示)。定子88同心地安裝在固定框架34上。在一個示例中，PM發電機12還包括冷卻通道100，其用于冷卻內定子鐵心90和外定子鐵心92。在操作中，定子88的功率輸出由能夠進行全功率轉換的功率變換器(未示出)來供給和控制。定子88連接在固定框架34上，而框架34又安裝在主框架36上。主框架還通過傳統的偏航用軸承(yaw bearing)和齒輪傳動系統(未示出)而安裝在塔架38上。在更具體的示例中，冷卻通道100利用風來冷卻內定子鐵心90和外定子鐵心92。
圖1所示的風力渦輪10還包括連接在具有轉子轂蓋49的轉子葉片轂44上的轉子葉片42。轉子葉片轂44通過轉子軸46而連接在雙邊轉子86(其包括發電機轉子)上。雙邊轉子86連接在旋轉框架52上。雙邊轉子86還連接在固定轂56上。機殼蓋50通常可保護機殼內的部件。轉子葉片轂44還安裝在主固定轂和軸承組件56的主轉軸46(轉子軸)上的法蘭54上。該組件56將轉子葉片轂44連接在主框架36上。盡管顯示了兩個主軸承即前主軸承58和后主軸承60，然后其它的軸承構造、包括一個主軸承也是可以的。可通過旋轉框架和固定框架中(即PM發電機12與主軸承組件56之間)的進入孔或者通過主軸和軸承組件56來接近轉子葉片轂44。本領域的技術人員可以理解，主軸承和軸的直徑可根據用來接近轂的手段來設置，例如，較大直徑的主軸承(例如大約1.5米或以上的外徑)將有助于接近轂。使用低成本的、例如小于或等于約1.0米的小直徑軸承將可能需要通過進入孔來接近轂。
在安裝現場裝配風力渦輪10通常這樣來完成首先吊起主框架36，然后吊起PM發電機12(包括主軸和軸承組件56)，之后是渦輪機轉子轂44和葉片42。機殼蓋50在最后一個步驟中安裝，或者作為主框架36的一部分來安裝。
圖2是圖1所示PM發電機12的詳細視圖。圖2顯示了具有轉子86和定子88的PM發電機12，轉子86具有帶有其各自永磁體120和122的內轉子邊108和外轉子邊110，定子88具有帶有其各自繞組即內定子繞組116和外定子繞組118的內定子鐵心90和外定子鐵心92。如圖所示，內定子鐵心和外定子鐵心促使形成了兩個同心的氣隙94和96。另外，本領域的技術人員可以理解，軸向磁通的一部分可以在圖2所示的內轉子邊108和外轉子邊110之間被有利地分享。圖2還顯示了冷卻通道100，其在一個示例中可包括通過了旋轉框架52內的氣路通道103的第一冷卻通道102，以及第二冷卻通道104。本領域的技術人員可以理解，冷卻通道102和/或104還可選擇性地用作定子鐵心支撐件41。因此，在一個特定示例中，第一冷卻通道102使得風吹的冷卻空氣流經形成了定子鐵心支撐件41的冷卻通道102。
可在旋轉框架52內的氣路通道103與內冷卻通道102之間設置迷宮式密封106，以便為PM發電機12和框架件提供與環境隔開的保護。為了提供另外的與環境隔開的保護，PM發電機隔室可采用過濾空氣來加壓。
在圖3的詳細視圖中，轉子86顯示為同心地設在內定子鐵心90和外定子鐵心92之間。外定子鐵心92相對于內定子鐵心90倒置，即外定子鐵心92的氣隙面96朝內，而內定子鐵心90的氣隙面94朝外。內定子鐵心90和外定子鐵心92包括各自的磁心層組112、114，如圖3所示。定子88還包括多個定子繞組116、118，其被插入到形成于內定子鐵心90和外定子鐵心92的多個齒之間的狹槽中。PM電動機12還包括分別與內轉子邊108和外轉子邊110相關聯并且設置成接近于內定子鐵心90和外定子鐵心92的永磁體120、122。在一個示例中，如圖3所示，與雙邊轉子的各邊相關聯的永磁體120和122在角度上錯開，即它們可構造成是偏開的，從而極大地減小了因嚙合和繞組諧頻所造成的凈扭矩脈動，同時發電機的扭矩性能只有很小的降低。或者，永磁體120和122可在角度上對齊，但被磁化定向成使得磁通徑向地流過內磁體和外磁體之間的轉子鐵心，從而在氣隙中產生了接近平衡的電磁徑向力，并且還潛在地減小了出于結構原因所需的轉子鐵心厚度的量。
在一個示例中，圖3所示的冷卻通道包括金屬材料的同心環124。在一個示例中，金屬材料為鋼或鋁合金中的至少一種。金屬材料的其它非限制性示例包括鎂、鈦、延性鐵、白口鐵或灰口鐵。碳纖維也可用于同心環124中。本領域的技術人員還可以理解，金屬材料可制備成鑄件材料、成型材料、加工材料或不同的獨立件。
在一個具體示例中，冷卻通道還包括設在同心環124之間的傾斜翅片126。在一個更具體的示例中，傾斜翅片126由與同心環相同的材料制成，并且被插入和焊接在同心環之間。傾斜翅片126可以是擠出的角鋼條。熱量從內定子鐵心90和外定子鐵心92(以及各自的定子繞組)經由各自的相鄰環而被傳遞至傾斜翅片126中。或者，傾斜翅片126和同心環124可通過鑄造來制造。除了可將熱量傳遞至流動的周圍空氣中以外，傾斜翅片126還可提供徑向、周向和軸向上的優越剛度，這非常類似于輕重量的蜂窩結構。因此，同心環124的厚度可制成為比用于框架的單個環要薄很多和輕很多。另外，冷卻通道的剛度還減小了氣隙中的游動電磁力所造成的撓曲(因此還減小了振動和噪音)。在另一具體示例中，冷卻通道100包括在同心環124之間延伸的徑向翅片(未示出)。
在另一示例性實施例中，如圖4所示，PM發電機12還包括通常位于內定子鐵心90和外定子鐵心92內或圍繞著它們的熱管128，以及設置成大致相鄰于外定子鐵心92的冷卻通道130。熱管128將熱量從內定子鐵心90傳遞至冷卻通道130。熱管128可嵌入在鐵心中，或者處于內定子鐵心90的狹槽底部處，以便有效地將熱量從PM發電機12傳遞至冷卻通道130。這種設置的主要優點在于，風冷所需的管道和密封不太復雜，并且排除了液體冷卻所需的管道、泵、熱交換器和液體容器。本領域的技術人員容易理解，與液體冷卻類似的其它冷卻方法也是可行的。
與用于風力渦輪的單邊發電機相比，以上不同實施例中所述的雙邊發電機12提供了若干優點。最重要的優點包括，對于給定的額定功率而言可降低框架的質量，和/或可安裝在給定的運輸包跡內或更具流線型設計的發電機具有提高的額定功率。另外的優點例如包括，帶有雙邊轉子的實施例使得可分享兩個發電機轉子邊之間的磁通路徑。這使得可以減小對轉子軛架的凈活性材料要求，因此減少其質量和成本。另外，兩個同心氣隙中的徑向磁力作用于相反的方向上，從而抵消或至少部分地減小了沿著氣隙的各周向位置處的凈徑向磁力。這減小了轉子的徑向撓曲，并且還減小了振動和噪音。
盡管主要已在風力渦輪的方面介紹了本發明的實施例，然而本發明的概念可以用于其它應用中，其中一個示例是船舶推進電動機。圖5顯示了船舶510的一部分的剖視圖，其包括示例性的雙邊船舶推進電動機512、螺旋槳530、安裝和軸承組件532以及框架組件528。圖6顯示了圖5所示的示例性電動機的剖視圖，其中船舶推進電動機512包括帶有內轉子邊516和外轉子邊518的至少一個雙邊轉子514，以及帶有內定子鐵心522和外定子鐵心524的至少一個定子520，其中至少一個雙邊轉子同心地設在船舶推進電動機的內定子鐵心和外定子鐵心之間。許多具體的轉子構造細節與風力渦輪實施例相類似，在這里不再重復。圖6還顯示了至少一個冷卻通道526，其用于冷卻內定子鐵心和外定子鐵心。在一個典型的船舶推進用的實施例中，冷卻通道526采用液體來冷卻定子鐵心。所用液體通常是水-乙二醇和去離子水中的至少一種，但也可使用普遍用于冷卻電機的任何其它液體。冷卻通道526通常包括選自鋁、銅、不銹鋼及其任何組合的材料，并且可采用普遍用于冷卻電機的任何其它材料。可采用熱交換器(未示出)來將冷卻液體所吸收的熱量傳遞至周圍空氣中。圖6的這種冷卻通道也可用于風力渦輪實施例中。
在若干應用中，本領域的技術人員容易理解，帶有齒輪箱的中速電機可用于驅動和發電應用中。中速發電機的轉速在約150和1000轉/分鐘(rpm)之間。例如，連接在齒輪箱上的、具有大約10∶1的傳動比的中速發電機可用于風力發電機。在這種應用中，可能需要減小齒輪箱的體積，并具有較小前截面的流線型傳動系(包括發電機和齒輪箱的組件)。圖7顯示了示例性電機700的示意圖，其帶有上述風力渦輪的不同實施例中所述的雙邊發電機以及齒輪箱710。在一個具體示例中，發電機712的直徑與齒輪箱710的直徑相配。一般來說，對于小于約10的傳動比(可采用簡單的周轉齒輪構造)而言，用于兆瓦級風力渦輪的最佳尺寸的發電機直徑將遠遠大于齒輪箱的直徑。例如，連接在8∶1齒輪箱上的2.5MW風力發電機的最佳外徑是2.7米，而8∶1齒輪箱的直徑小于2米。與最佳尺寸的直接驅動式發電機相比，通過采用雙邊發電機，發電機的外徑可制作成與齒輪箱的外徑相配，同時使雙邊發電機的質量沒有顯著的增加。本領域的技術人員可以認識到，以上技術比帶有齒輪箱的單邊發電機具有顯著的優點。為了使單邊發電機的設計具有流線型，必須減小發電機直徑以便與齒輪箱相配，因此軸向長度將與最佳直徑同可相配于齒輪箱的機器直徑之比的平方成反比地增大。這種單邊機器將比等效的雙邊機器重很多和昂貴很多。
盡管在本文中只顯示和介紹了本發明的某些特征，然而本領域的技術人員可以進行多種修改和變化。因此可以理解，所附權利要求旨在覆蓋屬于本發明的精神實質內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種風力渦輪發電機(12)，包括帶有內轉子邊(108)和外轉子邊(110)的至少一個雙邊轉子(86)；和帶有內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)的至少一個定子(88)，其中，所述至少一個雙邊轉子(86)同心地設在所述風力渦輪發電機(12)的內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)之間。
2.根據權利要求1所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述風力渦輪發電機包括直接驅動式發電機(12)。
3.根據權利要求1所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述風力渦輪發電機還包括用于冷卻所述內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)的至少一個冷卻通道(100)。
4.根據權利要求3所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述至少一個冷卻通道(100)采用風來冷卻所述內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)。
5.根據權利要求3所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述至少一個冷卻通道(100)包括金屬材料的同心環(124)。
6.根據權利要求5所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述風力渦輪發電機還包括設在所述同心環(124)之間的傾斜翅片(126)。
7.根據權利要求3所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述至少一個冷卻通道(100)采用液體來冷卻所述內定子鐵心和外定子鐵心。
8.根據權利要求1所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述風力渦輪發電機還包括大致圍繞著所述內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)的至少一個熱管(128)；和設置成大致相鄰于所述內定子鐵心(90)或外定子鐵心(92)的至少一個冷卻通道(130)，其中，所述至少一個熱管(128)將熱量從所述內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)傳遞至所述至少一個冷卻通道(130)。
9.根據權利要求1所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述風力渦輪發電機還包括永磁體(120，122)，其分別與所述內轉子邊(108)和外轉子邊(110)相關聯并且設置成鄰近于所述內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)，其中所述永磁體(120，122)構造成為偏開的或對齊的，以便減小凈扭矩脈動。
10.根據權利要求1所述的風力渦輪發電機(12)，其特征在于，所述風力渦輪發電機(712)由齒輪箱(710)驅動。
11.一種風力渦輪(10)，包括風力渦輪發電機(12)，其包括帶有內轉子邊(108)和外轉子邊(110)的至少一個雙邊轉子(86)；和帶有內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)的至少一個定子(88)，其中，所述至少一個雙邊轉子(86)同心地設在所述風力渦輪發電機(12)的內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)之間。
12.根據權利要求11所述的風力渦輪(10)，其特征在于，所述風力渦輪發電機(12)包括直接驅動式發電機。
13.根據權利要求11所述的風力渦輪(10)，其特征在于，所述發電機(12)還包括永磁體(120，122)，其分別與所述內轉子邊(108)和外轉子邊(110)相關聯并且設置成鄰近于所述內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)，其中所述永磁體(120，122)構造成為偏開的或對齊的，以便減小凈扭矩脈動。
14.根據權利要求11所述的風力渦輪(10)，其特征在于，所述風力渦輪發電機(712)由齒輪箱(710)驅動。
全文摘要
可用于風力渦輪(10)和船舶推進用途的機器包括帶有兩個同心氣隙的雙邊發電機(12)或電動機(512)。在一個實施例中，該機器包括帶有內轉子邊(108)和外轉子邊(110)的雙邊轉子(86)；以及帶有內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)的定子(88)，其中雙邊轉子(86)同心地設在內定子鐵心(90)和外定子鐵心(92)之間。
文檔編號H02K1/20GK1716734SQ20051008226
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者P·L·揚森, J·P·萊昂斯, R·J·小卡爾, 曲榮海, J·M·福加蒂 申請人:通用電氣公司