[发明专利]具有单匝波状绕组的发电机和风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及发电机并且涉及风力涡轮机。

背景技术

基于当今的直接驱动发电机中的技术，每个线圈由多于一个串联线匝组成，而且还可以将所选数目的线圈串联地连接。可以将两个上述可选数目（即线匝串联的数目和串联地连接的线圈的数目）选择为获得发电机的端电压，所述发电机本身可以是已经基于功率电子学/电网要求选择的。在所述的常规类型的绕组中，每个槽中的串联线匝由于串联的线匝之间的电压差而需要由所谓的匝线－匝线绝缘来相互电绝缘。

在具有常规多匝绕组的电机的槽中使用的上述的线匝－线匝绝缘导致不同的缺点：绝缘的不良热传递系数使得发电机中的主要热源（即绕组）非常难以通过相邻的叠片被冷却下来。在槽中使用要求的绝缘减少了用于活性材料（通常为铜）的槽空间，并从而减小了所谓的填充系数。这接着又减小了对于相同电流密度而言的输出转矩或减小了对于相同转矩而言的效率。用于常规类型的绕组的填充系数的典型值在70－80%的范围内。

因此，本发明的第一目的是提供一种槽填充系数增加的发电机。本发明的第二目的是提供有利的风力涡轮机。

由如权利要求1中所要求保护的发电机来解决第一目的。由权利要求12中所要求保护的风力涡轮机来解决第二目的。从属权利要求限定本发明的进一步发展。

发明内容

本发明的发电机包括至少一个磁极（pole）组。一个磁极组表示一个相。每个磁极组包括多个磁极。至少一个导体绕着特定磁极组的磁极转变方向，从而使得仅半个单匝被关联到每个磁极。优选地，并联连接的多个导体绕着磁极转变方向，从而使得每个导体的仅半个单匝被关联到每个磁极。

与包括多于一个串联线匝的常规线圈相比，本发明的发电机的槽中的被一起间隔开的导体之间的绝缘可以被显著降低。优选地，线匝－线匝绝缘（即槽中的串联线匝之间的绝缘）被移除或者仅存在并列导体之间的薄绝缘。这改进了槽填充系数从而产生了较高转矩或效率。此外，本发明的发电机提供了对例如永磁发电机进行更好冷却的可能性。本发明的发电机可以例如在直接驱动风力涡轮机应用中使用。

在本发明的发电机中，单匝波状绕组替换常规绕组。思想是例如三相或多相发电机中的每个相在每个磁极中具有单个去程（Go）或回程（Return）路径。在本发明的框架中，还将单个去程或回程路径指定为半个单匝。去程和回程路径或半个单匝可以形成波状结构。例如，单个去程路径本身可以由多个并联导体组成。并联导体在下一个磁极处返回，并且沿着例如发电机的定子的整个圆周继续这种方式的分布。这给出了在槽中具有较少绝缘的优点。由此，能够实现绕组的更好冷却并能够实现更高的槽填充系数。

发电机可以包括多个槽。有利地，在5个和25个之间、优选地在10个和20个之间的导体可以在每个槽中（例如在每个定子槽中）并联连接。假设将与用于常规多匝绕组相同的槽尺寸用于波状绕组，10至20个或在该范围内的并联导体将形成绕组以便减少接近和趋肤效应损耗。可以在分析上选择，或者可以通过模拟来获得或者可以在实验上获得将给出较低值的接近和趋肤效应损耗的并联导体的最佳数目。

导体可以从一个磁极移置到另一磁极。这改进了额外AC损耗（例如由于接近和趋肤效应而引起的损耗）的消除。可以在每个或每隔一个的绕组中部分地或完全移置导体。有利地，可以在特定磁极组的每个相邻磁极处或每隔一个相邻磁极处移置导体。优选地，磁极组中的磁极的数目可以是并联地连接的导体的数目的整数倍。为了完全地抵消额外AC损耗，可以使用完全移置，即在将磁极的数目选择为槽中并联导体的数目的整数倍时在每个磁极处移置每个并联导体。具有与所述的不同的磁极数目将仍是一个选择，但是由于接近效应而具有在某种程度上较高的相对AC损耗。

本发明的发电机可以每个磁极组包括偶数个磁极。在诸如用于直接驱动风力涡轮机的发电机的本发明的优选实施例中，磁极的数目等于或大于100。例如，发电机可以包括至少三个磁极组。此外，发电机可以是直接驱动发电机。通常，发电机可以包括定子和转子。定子可以包括所述至少一个磁极组。可替换地或另外地，所述转子可以包括所述至少一个磁极组。

在所提出的类型的单匝绕组中，磁极的数目可以等于每个相绕组的去程和回程路径的和。这意味着磁极的数目可以等于半个单匝的和。

本发明的风力涡轮机包括如前所述的本发明的发电机。本发明的风力涡轮机具有与本发明的发电机相同的优点。