ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2014 года по МПК H02K1/30 

Изобретение относится к ветроэлектрическому генератору с внутренним охлаждающим контуром со статором, выполненным из листового металла, который имеет систему обмоток, которая на торцевых сторонах статора образует лобовые части обмоток, причем статор по меньшей мере в зоне своего листового пакета окружен охлаждающей оболочкой, причем постоянные магниты ротора размещены на выполненной как полый вал оболочке явнополюсного ротора (индуктора).

Ветроэлектрические генераторы требуют, как и другие динамоэлектрические машины, охлаждения своих активных частей. При этом особенно внутренняя полость ветроэлектрического генератора, то есть электрическая зона, подвергается опасности воздействия инородных тел или агрессивных сред, которые, в числе прочего, воздействуют на изоляцию или ухудшают электрическую прочность. Это приводит к негативному влиянию на режим работы или к отказу ветроэлектрического генератора. При этом в динамоэлектрических машинах в подобной внешней среде обычным является предусматривать замкнутый внутренний охлаждающий контур, который, при необходимости, охлаждается после нагревания внешним охладителем.

Из DE 19919040 С2 известна синхронная электрическая машина с явнополюсными роторами или цилиндрическими (неявнополюсными) роторами для крупных ветроэнергетических установок, в частности, в прибрежной зоне. Эта машина имеет статор и ротор, причем статор и ротор имеют соответственно охлаждающие каналы, которые выполнены как часть охлаждающего контура для охлаждающей среды для охлаждения статора и ротора. При этом каналы статора выполнены как пазы в статоре с перемычкой, ограничивающей каналы статора на внешней периферии статора, и охлаждающие каналы для дополнительной охлаждающей среды в корпусе статора направляются в винтовой и многоходовой форме вокруг корпуса статора. Таким способом охлаждающая среда отбирает тепло от ротора в зоне каналов ротора и отдает его к статору в зоне каналов статора.

Из DE 10107298 С1 известна замкнутая электрическая машина с поверхностным охлаждением с замкнутым внутренним охлаждающим контуром над телом ротора. При этом в роторе имеются каналы охлаждающей среды на различных частичных окружностях поперечного сечения тела ротора для различных направлений потока.

Исходя из этого в основе изобретения лежит задача создать динамоэлектрическую машину, в частности ветроэлектрический генератор, внутренняя полость которого замкнута и который несмотря на это имеет достаточно эффективное охлаждение. При этом особенно для медленно вращающихся ветроэлектрических генераторов должно предусматриваться достаточное охлаждение.

Решение этой задачи обеспечивается ветроэлектрическим генератором с замкнутым внутренним охлаждающим контуром со статором, выполненным из листового металла, который имеет систему обмоток, которая на торцевых сторонах статора образует лобовые части обмоток, причем статор по меньшей мере в зоне своего листового пакета окружен охлаждающей оболочкой, причем постоянные магниты ротора размещены на выполненной как полый вал оболочке явнополюсного ротора, причем оболочка явнополюсного ротора через несущие элементы на своих торцевых сторонах соединена с валом или хвостовиками вала без возможности проворачивания, причем полый вал в своей внутренности имеет по меньшей мере одну трубу, боковая поверхность которой проходит на эквидистантном расстоянии от оболочки явнополюсного ротора, и причем на торцевых сторонах ротора размещены вентиляторы.

При этом предпочтительным образом ветроэлектрический генератор приводится в действие только с одной ступенью редуктора при среднем числе оборотов. Это имеет большое преимущество, состоящее в том, что он по отношению к полностью безредукторному варианту обеспечивает возможность использования размещенных непосредственно на роторе вентиляторов, так что можно отказаться от внешних вентиляторов, которые требуют дополнительного привода и регулирования.

Посредством дополнительно размещенных внутри оболочки явнополюсного ротора труб создаются охлаждающие каналы, которые структурируют эффективность охлаждения и характеристику течения во внутренней полости ветроэлектрического генератора и таким образом ведут к эффективному охлаждению во внутренней полости ветроэлектрического генератора.

Предпочтительным образом вентиляторы на торцевых сторонах ротора выполнены не только как чисто радиальные вентиляторы, вентиляционные лопасти которых закреплены только на ступице, а более того вентиляционные лопасти или лопатки на осевом конце соединены между собой посредством несущего диска. Эти несущие диски соответствующего вентилятора берут на себя функции направления воздуха внутри замкнутой внутренней полости ветроэлектрического генератора, так что можно избежать аэродинамических «коротких замыканий». Тем самым гарантируется предписываемая характеристика охлаждающего потока.

На осевом конце ветроэлектрического генератора размещен, предпочтительно на В стороне, внешний, в частности, съемный теплообменник, в частности кольцевой радиатор, который встроен в поток охлаждающей среды таким образом, что поток охлаждающей среды внутреннего охлаждающего контура там охлаждается после нагревания. За счет такого размещения обеспечивается легкая доступность, так что замена или работы по техническому обслуживанию на таком теплообменнике могут быть легко выполнены.

Доступность отдельных компонентов ветроэлектрического генератора и/или его эксплуатационная надежность имеют чрезвычайное значение особенно при функционировании в прибрежной зоне.

Изобретение, а также другие предпочтительные выполнения изобретения более подробно поясняются на примерах выполнения, схематично представленных на чертежах, на которых показано следующее.

Фиг.1 - продольное сечение ветроэлектрического генератора.

Фиг.2 - поперечное сечение ветроэлектрического генератора.

Фиг.1 показывает в принципиальном изображении продольное сечение ветроэлектрического генератора 1 со стороной А и стороной В, причем сторона А ветряной турбины обращена к не показанной подробно ветроэнергетической установке. Механическая связь с ветряной турбиной осуществляется через вал или по меньшей мере хвостовик 7 вала непосредственно или через редуктор. Ветроэлектрический генератор 1 размещен в корпусе 2, который имеет впускное и выпускное отверстия 14, 15, которые служат для подачи или отвода охладителя охлаждающей оболочки 3, которая размещена между корпусом 2 и статором 4. Посредством этой охлаждающей оболочки 3 и текущей в охлаждающих каналах 17 охлаждающей среды от листового пакета статора 4 отводятся потери.

На торцевых сторонах листового пакета статора 4 сформированы лобовые части 10 обмоток, которые, ввиду их осевого вылета, должны фиксироваться элементами 16 жесткости, так что перемещения лобовых частей 10 обмоток, например, из-за электродинамических переходных процессов исключаются.

Ротор 5, который имеет оболочку 6 явнополюсного ротора, посредством несущих элементов 28, в особенности на осевых концах оболочки 6 явнополюсного ротора, соединен без возможности проворачивания с валом или хвостовиком 7 вала. Оболочка 6 явнополюсного ротора имеет полюса, которые образованы, в частности, постоянными магнитами 18. При этом каждый полюс, в зависимости от осевой длины ротора 5 и ширины полюса, имеет несколько расположенных друг за другом и/или рядом друг с другом постоянных магнитов 18. Кроме того, постоянные магниты 18 размещены в карманах оболочки 6 явнополюсного ротора или на ее поверхности и в этом случае удерживаются соответствующим приспособлением, например бандажом.

За счет электромагнитных взаимодействий с системой обмоток статора 4 вращательная энергия ветряной турбины преобразуется в электрическую энергию.

Оболочка 6 явнополюсного ротора в роторе 5 образует вместе с несущими элементами 28 полый вал, который в соответствии с изобретением используется для того, чтобы создать противоположное направление течения газообразного охладителя в замкнутой внутренней полости ветроэлектрического генератора 1.

Это обеспечивается за счет того, что внутри полого вала, то есть радиально внутри оболочки 6 явнополюсного ротора, размещены трубы 29, 33, которые создают заданные промежуточные полости внутри полого вала. Кроме того, эти трубы 29, 33 вместе с несущими элементами 28 служат увеличению жесткости всего полого вала, так что таким способом также подавляются механические колебания или недопустимые торсионные перемещения.

На торцевых сторонах ротора 5 размещены вентиляторы 24, 25, которые охлаждающему потоку внутри замкнутой динамоэлектрической машины придают достаточную скорость течения. Так, предусмотрен вентилятор 24 стороны А и вентилятор 25 стороны В. Вентилятор 24 стороны А предпочтительным образом закреплен на трубе 29, радиально ближе всего расположенной к оболочке 6 явнополюсного ротора, и создает таким образом, наряду с радиальным нагнетанием выходящего из полого вала потока охлаждающего воздуха, одновременно разделение проходящих там в противоположном направлении потоков охлаждающего воздуха в начале полого вала. Это, в частности, достигается тем, что вентилятор 24 стороны А имеет несущий диск 13, который обращен к ротору 5.

Вентилятор 25 стороны В также размещен на трубе 29 и/или на имеющемся там несущем элементе 28. Также вентиляционные лопасти этого вентилятора 25 закреплены на несущем диске 12, так что, наряду с нагнетанием потока охлаждающего воздуха в радиальном направлении, также гарантируется разделение обратно текущего потока охлаждающего воздуха из теплообменника 9.

Вентилятор 24 стороны А всасывает поток 30 охлаждающего воздуха из внутренней зоны полого вала, причем этот поток охлаждающего воздуха уже предварительно охлаждался посредством теплообменника 9. Теплообменник 9 размещен на экране 27 корпуса, который через подшипник 19 поддерживается на валу или хвостовике 7 вала. Через отверстия 20 экрана 27 корпуса и дополнительные отверстия 23 в несущих элементах 28 вентилятор 24 стороны А может всасывать этот поток охлаждающего воздуха через внутреннюю часть полого вала. Вентилятор 24 стороны А выталкивает теперь предварительно охлажденный поток 30 охлаждающего воздуха радиально в направлении лобовой части 10 обмотки, где он обтекает лобовую часть 10 обмотки и там отбирает тепло.

Затем поток 30 охлаждающего воздуха разделяется на два частичных потока. Один частичный поток 31 протекает через активную часть ротора 5, через возможно имеющиеся, по существу аксиально проходящие промежутки между полюсами и/или воздушный зазор 8. Другой частичный поток 32 посредством несущего диска 13 вентилятора 24 стороны А отклоняется в проходящий радиально внутри оболочки 6 явнополюсного ротора охлаждающий канал между оболочкой явнополюсного ротора и трубой 29 и там всасывается посредством вентилятора 25 стороны В. В конце активной части ротора 5 оба частичных потока 31, 32 объединяются и посредством вентилятора 25 стороны В усиливаются по скорости течения и отклоняются ко второй лобовой части 10 обмотки.

В последующем прохождении потока охлаждающего воздуха он протекает через направляющие элементы 11 или кольцевые магистрали и после прохождения через корпус 27 посредством кожуха 26 воздуховода направляется на смонтированный в экране корпуса теплообменник 9. После прохождения теплообменника 9 охлаждающий воздух через образованный трубами 29 и 33 воздушный канал внутри полого вала вновь всасывается вентилятором 24 стороны А. Таким способом этот внутренний охлаждающий контур замыкается.

За счет использования вентиляторов 24, 25 полный кпд ветроэлектрического генератора 1 повышается, так как не должно обеспечиваться никакое энергоснабжение для работы внешнего вентилятора.

За счет закрепленных на оболочке 6 явнополюсного ротора несущих элементов 28 хвостовика 7 вала возможно упрощенное направление воздуха посредством приваренных 21 или привинченных труб 29, 33, которые центрируются на несущих элементах 28. Кроме того, таким образом возникает обвод, за счет чего тепловые потери могут также отводиться за счет конвекции явнополюсного ротора. Несущие элементы 28 для протекания охлаждающего воздуха снабжены отверстиями 23.

Если охлаждающая оболочка 3 в другой форме выполнения в осевом направлении еще дальше, чем на фиг.1 выступает над лобовыми частями 10 обмоток, в особенности согласуется с длиной корпуса 2, то наряду с обтекающим охлаждающим воздухом внутри также лобовые части обмотки дополнительно охлаждаются, что приводит к разгрузке теплообменника 9.

На фиг.2 показано поперечное сечение ветроэлектрического генератора, который относительно ротора 4, корпуса 2, охлаждающей оболочки 3 и прохождения охладителя внутри ветроэлектрического генератора 1 выполнен так, как показано на фиг.1.

Различие имеется только в конструкции ротора 5, который, однако, также реализует принципиальную соответствующую изобретению идею циркуляции охладителя.

На фиг.1 показанные там несущие элементы 28 имеют отверстия 23, которые позволяют осуществлять соответствующую изобретению циркуляцию охладителя. Согласно фиг.2 оболочка 6 явнополюсного ротора, а также листовой пакет ротора и труба 29 поддерживаются имеющими звездообразную форму стойками 38, которые опираются на вал 39, который из соображений веса также выполнен полым.

Формирование канала охлаждения на осевой длине ротора 5 теперь гарантируется отверстиями 40 между стойками 38, оболочкой 6 явнополюсного ротора и трубой 29. При этом охлаждающий канал образуется посредством поверхности 41 вала 39 и внутренней стороны трубы 29. Другой охлаждающий канал, обтекаемый в процессе функционирования в противоположном направлении к этому охлаждающему каналу, образуется посредством внутренней стороны оболочки 6 явнополюсного ротора и внешней стороны трубы 29.

Предпочтительным образом стойки 38 в соответствующем канале выполнены таким образом, что при работе ветроэлектрического генератора 1 поддерживается течение охладителя. Это обеспечивается в особенности за счет того, что эти стойки 39 имеют конструкцию в форме лопасти вентилятора, которая поддерживает осевое течение. То есть по меньшей мере некоторые стойки 38 имеют радиально ниже трубы 29 другую форму, чем радиально выше трубы 29. Тем самым внутри ротора 5, то есть радиально внутри оболочки 6 явнополюсного ротора, поддерживается противоположное течение охладителя.

Изобретение относится к ветроэлектрическому генератору (1) с замкнутым внутренним охлаждающим контуром со статором (4), выполненным из листового металла, который имеет систему обмоток, которая на торцевых сторонах статора образует лобовые части (10) обмоток, причем статор (4) по меньшей мере в зоне своего листового пакета окружен охлаждающей оболочкой (3), причем постоянные магниты (18) ротора (5) размещены на выполненной как полый вал оболочке (6) явнополюсного ротора, причем оболочка (6) явнополюсного ротора через несущие элементы (28) на своих торцевых сторонах с валом (7) или хвостовиками вала соединена без возможности проворачивания, причем полый вал в своей внутренности имеет по меньшей мере одну трубу (29, 33), боковая поверхность которой проходит на эквидистантном расстоянии от оболочки (6) явнополюсного ротора, и причем на торцевых сторонах ротора (5) размещены вентиляторы (24, 25). Труба внутри полого вала размещена так, что внутри полого вала созданы охлаждающие каналы. Техническим результатом является обеспечение достаточного охлаждения. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ветроэлектрический генератор (1) с замкнутым внутренним охлаждающим контуром со статором (4), выполненным из листового металла, который имеет систему обмоток, которая на торцевых сторонах статора образует лобовые части (10) обмоток, причем статор (4) по меньшей мере в зоне своего листового пакета окружен охлаждающей оболочкой (3), причем постоянные магниты (18) ротора (5) размещены на выполненной как полый вал оболочке (6) явнополюсного ротора, причем оболочка (6) явнополюсного ротора через несущие элементы (28) на своих торцевых сторонах с валом (7) или хвостовиками вала соединена без возможности проворачивания, причем полый вал в своей внутренности имеет по меньшей мере одну трубу (29, 33), боковая поверхность которой проходит на эквидистантном расстоянии от оболочки (6) явнополюсного ротора, и причем на торцевых сторонах ротора (5) размещены вентиляторы (24, 25).

2. Ветроэлектрический генератор (1) по п.1, отличающийся тем, что труба (29) внутри полого вала размещена таким образом, что внутри полого вала создаются охлаждающие каналы, которые обеспечивают противоположное направление течения потока охлаждающего воздуха внутри полого вала.

3. Ветроэлектрический генератор (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что вентиляторы (24, 25) на соответствующих торцевых сторонах ротора (5) имеют вентиляционные лопасти, которые закреплены соответственно на несущем диске (12, 13), причем несущий диск (12, 13) берет на себя функцию направления воздуха.

4. Ветроэлектрический генератор (1) по п.1, отличающийся тем, что внутри полого вала находится другая труба (33), которая способствует повышению жесткости ротора (5) и/или дополнительному формированию охлаждающего канала.

5. Ветроэлектрический генератор (1) по п.2, отличающийся тем, что внутри полого вала находится другая труба (33), которая способствует повышению жесткости ротора (5) и/или дополнительному формированию охлаждающего канала.

6. Ветроэлектрический генератор (1) по п.3, отличающийся тем, что внутри полого вала находится другая труба (33), которая способствует повышению жесткости ротора (5) и/или дополнительному формированию охлаждающего канала.

7. Ветроэлектрический генератор (1) по п.1, отличающийся тем, что на одной стороне ветроэлектрического генератора (1) размещен, в частности, съемный теплообменник (9), который охлаждает после нагревания находящуюся во внутренней полости газообразную среду замкнутого охлаждающего контура.

8. Ветроэлектрический генератор (1) по п.2, отличающийся тем, что на одной стороне ветроэлектрического генератора (1) размещен, в частности, съемный теплообменник (9), который охлаждает после нагревания находящуюся во внутренней полости газообразную среду замкнутого охлаждающего контура.

9. Ветроэлектрический генератор (1) по п.3, отличающийся тем, что на одной стороне ветроэлектрического генератора (1) размещен, в частности, съемный теплообменник (9), который охлаждает после нагревания находящуюся во внутренней полости газообразную среду замкнутого охлаждающего контура.

10. Ветроэлектрический генератор (1) по п.4, отличающийся тем, что на одной стороне ветроэлектрического генератора (1) размещен, в частности, съемный теплообменник (9), который охлаждает после нагревания находящуюся во внутренней полости газообразную среду замкнутого охлаждающего контура.

11. Ветроэлектрический генератор (1) по п.5, отличающийся тем, что на одной стороне ветроэлектрического генератора (1) размещен, в частности, съемный теплообменник (9), который охлаждает после нагревания находящуюся во внутренней полости газообразную среду замкнутого охлаждающего контура.

12. Ветроэлектрический генератор (1) по п.6, отличающийся тем, что на одной стороне ветроэлектрического генератора (1) размещен, в частности, съемный теплообменник (9), который охлаждает после нагревания находящуюся во внутренней полости газообразную среду замкнутого охлаждающего контура.