ОПТИМИЗИРОВАННЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР БЕЗРЕДУКТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2017 года по МПК H02K7/18 H02K19/16 H02K5/04 H02K5/20 

Данное изобретение относится к синхронному генератору безредукторной ветроэнергетической установки. Кроме того, изобретение относится к безредукторной ветроэнергетической установке.

Ветроэнергетические установки широко известны, они генерируют электрическую энергию из энергии ветра. Для этого обычно применяется так называемая ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, как показано, например, на фиг. 1. Она имеет аэродинамический ротор, который приводится в действие ветром и вращается вокруг по существу горизонтальной оси и при этом приводит в действие генератор. Особенно надежные ветроэнергетические установки являются безредукторными, так что аэродинамический ротор непосредственно соединен с генератором, а именно с электродинамическим ротором генератора. При этом аэродинамический ротор и электродинамический ротор вращаются с одинаковой скоростью. Во избежание недоразумений только электродинамический ротор называется в последующем ротором,. Для этого, во всяком случае для ветроэнергетических установок с большими мощностями, находящимися в настоящее время в мегаваттном диапазоне, требуются соответствующие синхронные генераторы большого конструктивного размера, а именно, в частности, с большим диаметром воздушного зазора. Другими словами, диаметр воздушного зазора и тем самым конструктивный размер синхронного генератора тем больше, чем большую мощность должен генерировать синхронный генератор.

Однако величину генератора нельзя увеличивать произвольно. В частности, условия транспортировки по общественным дорогам ограничивают габаритные размеры генератора.

Наиболее мощная в настоящее время ветроэнергетическая установка мира, Е126 фирмы ENERCON, имеет диаметр воздушного зазора 10 м, и при этом проблема транспортировки решается тем, что как ротор, так и статор генератора разделен на четыре сектора, которые соединяются вместе лишь в месте установки ветроэнергетической установки или вблизи него. Однако такой способ может быть трудоемким и требует особых мер предосторожности для уменьшения опасностей возникновения ошибок, в частности, в месте разделения. Кроме того, желательно уменьшать стоимость монтажа.

Немецкое патентное ведомство в уровне техники обнаружило следующие документы: DE 44 02 184 A1, DE 196 36 591 A1, DE 199 23 925 A1 и DE 10 2004 018 758 A1.

Таким образом, в основу данного изобретения положена задача решения по меньшей мере одной из указанных выше проблем. В частности, должен быть предложен по возможности наиболее мощный генератор для безредукторной ветроэнергетической установки, который можно транспортировать с по возможности наименьшими проблемами и который можно устанавливать с по возможности наименьшими затратами при сооружении ветроэнергетической установки. Должно быть предложено по меньшей мере одно альтернативное решение.

Согласно изобретению, предлагается синхронный генератор в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Этот синхронный генератор безредукторной ветроэнергетической установки содержит наружный ротор и статор, вокруг которого вращается согласно своему назначению наружный ротор. Синхронный генератор имеет наружный диаметр генератора, и статор имеет наружный диаметр статора. Предлагается, что синхронный генератор выполнен так, что отношение наружного диаметра статора к наружному диаметру генератора больше 0,86. Таким образом, предлагается смещение воздушного зазора синхронного генератора для безредукторной ветроэнергетической установки возможно дальше наружу. Тем самым синхронный генератор выполнен, соответственно, так, что воздушный зазор лежит как можно дальше наружу и в соответствии с этим наружный ротор выполнен как можно более узким, так что это указанное отношение наружного диаметра статора к наружному диаметру генератора получается больше 0,86.

При этом следует учитывать, что наружный диаметр статора в синхронном генераторе с наружным ротором предлагаемого типа, в принципе соответствует диаметру воздушного зазора. При этом в принципе следует исходить из цилиндрического выполнения как статора, так и ротора и, в частности, воздушного зазора. При пренебрежении толщиной воздушного зазора диаметр воздушного зазора соответствует наружному диаметру статора.

Особенно предпочтительно воздушный зазор смещается наружу настолько, что отношение наружного диаметра статора к наружному диаметру генератора больше 0,9. Еще более предпочтительно синхронный генератор имеет такую конструкцию, что отношение наружного диаметра статора к наружному диаметру генератора больше 0,92.

Уже предложенное применение наружного ротора обеспечивает возможность такого предпочтительного соотношения. А именно, в соответствии с конструкцией полюсы ротора, соответственно, в их физическом выполнении полюсные наконечники ротора с соответствующими обмотками возбуждения, если применяется синхронный генератор с независимым возбуждением, уменьшаются в своем радиальном направлении до очень небольшого размера. За счет этого обеспечивается возможность смещения воздушного зазора как можно дальше наружу. Одновременно статор за счет этого получает пространство для предпочтительного выполнения обмоток статора. Дополнительное пространство внутри статора можно использовать, как будет пояснено ниже на основе некоторых примеров выполнения.

Согласно одному варианту выполнения предлагается, что статор имеет радиальную опорную конструкцию, которая проходит радиально внутрь и предназначена для крепления на осевом гнезде, проходящем в осевом направлении через статор. Тем самым предпочтительно используется пространство внутри статора для обеспечения стабильной конструкции статора. При этом за основу принимается гнездо для осевой цапфы, которое при установлении генератора согласно назначению проходит посредине через статор. Такое осевое гнездо является стабильным, в частности, трубчатым элементом, который неподвижно закреплен в опоре машины и может быть, например, литой ферромагнитной деталью. Таким образом, опорная конструкция проходит от листового пакета статора, который несет обмотку статора, по существу радиально от воздушного зазора внутрь к этому осевому гнезду, на котором она может быть неподвижно закреплена с помощью соответствующего кольцевого фланца.

Предпочтительно предлагается, что статор имеет радиальные и осевые охлаждающие каналы. Радиальные охлаждающие каналы предусмотрены для радиального подвода охлаждающего воздуха к статору, а именно, в частности, к листовому пакету статора. Осевые охлаждающие каналы затем направляют радиально подводимый охлаждающий воздух вдоль статора для его охлаждения, в частности, через листовой пакет статора и/или между полюсами ротора. В частности, охлаждающий воздух, который в достаточном количестве подается в радиальном направлении, разделяется для направления в осевом направлении, а именно, в осевом прямом направлении, которое во время эксплуатации ветроэнергетической установки согласно назначению направлено против ветра, и в обратном направлении, то есть в принципе в направлении ветра.

За счет этого также предпочтительно используется пространство внутри статора. При этом использование этого пространства обеспечивает возможность подвода большого объема охлаждающего воздуха. При его последующем разделении в прямом и обратном направлении он протекает, соответственно, от такого места разделения лишь по половине длины статора относительно радиального направления. В соответствии с этим, статор можно хорошо охлаждать, и исключаются длинные пути охлаждения, при которых охлаждающий воздух при достижении конца такого пути охлаждения нагревается уже настолько, что его охлаждающее действие значительно уменьшается.

Дополнительно к этому, предпочтительно подводить охлаждающий воздух по всей осевой протяженности статора. Тем самым радиальные охлаждающие каналы принимают ширину, которая соответствует длине статора. За счет этого обеспечивается возможность подвода большого объема охлаждающего потока при такой радиальной подаче, что приводит к предотвращению потерь потока охлаждающего воздуха.

Кроме того, предпочтительно выполнять опорную конструкцию так, что она при этом образует радиальные охлаждающие каналы. За счет этого можно использовать в принципе все пространство внутри статора для подвода охлаждающего воздуха. Для этого опорная конструкция может иметь лишь несколько проходящих по существу радиально опорных металлических листов. Предпочтительно применяются металлические листы, из которых некоторые проходят радиально и в осевом направлении, а другие - радиально и поперек продольной оси, а именно, оси вращения синхронного генератора. Эти металлические листы могут быть скомпонованы так, что они могут надежно нести статор, в частности, листовой пакет статора и одновременно направлять охлаждающий воздух радиально в направлении листового пакета статора. Если конструкция выполняется в целом так, что внутреннее пространство в статоре по существу находится в распоряжении для этого радиального подвода охлаждающего воздуха, то обеспечивается большой объем потока охлаждающего воздуха, который достигает небольшой скорости потока охлаждающего воздуха и, соответственно, необходимо предъявлять лишь не высокие требования относительно аэродинамики радиальных охлаждающих каналов.

Согласно другому варианту выполнения предлагается, что синхронный генератор герметично закрыт. В частности предлагается, что наружный ротор синхронного генератора герметично закрыт. За счет этого достигается компактная конструкция, которая является предпочтительной также при транспортировке. За счет предпочтительной конструкции, при которой воздушный зазор смещен как можно дальше наружу в радиальном направлении, может достигаться увеличение мощности генератора без увеличения наружных размеров. Таким образом, возможно увеличение мощности без увеличения общего размера генератора, так что его можно транспортировать в виде единого целого к месту установки. Таким образом, герметичное выполнение можно осуществлять уже в цехе изготовления, и генератор можно предпочтительно транспортировать в герметичном состоянии. За счет этого в целом облегчается сборка.

В частности, для этого ротор, а именно, наружный ротор может иметь колокол ротора, который окружает ротор в виде колокола. При этом для технического обслуживания синхронного генератора в колокол ротора предлагаются выполнять смотровые отверстия. Такие смотровые отверстия для ревизии являются отверстиями, которые, в частности, могут быть также открытыми на торцевой стороне колокола, с целью контролирования состояния синхронного генератора и возможно также выполнения небольшого ремонта или тому подобного.

Предпочтительно, синхронный генератор имеет независимое возбуждение. Таким образом, ротор, а именно, наружный ротор, имеет множество полюсов ротора с обмотками возбуждения, через которые проходит управляемый ток для возбуждения полюсов ротора и тем самым ротора. Эти полюсы ротора выполнены, в частности, в виде полюсных наконечников или сердечников полюсных наконечников с обмоткой возбуждения, которые опираются на опорное кольцо ротора. Таким образом, эта конструкция выполнена так, что она является особенно тонкой и имеет тем самым в радиальном направлении возможно меньшую толщину. За счет этого воздушный зазор может быть смещен как можно дальше наружу в радиальном направлении.

Предпочтительно, синхронный генератор выполнен в виде генератора с кольцевым ротором. Генератор с кольцевым ротором является генератором, в котором магнитно эффективная зона расположена по существу в кольцевой зоне концентрично вокруг оси вращения генератора. В частности, магнитно эффективная зона, а именно, ротора и статора, расположена лишь в радиально наружной четверти генератора. За счет этого выполнения в виде генератора с кольцевым ротором также обеспечивается возможность упрощения, соответственно, упрощается смещение воздушного зазора как можно дальше наружу в радиальном направлении.

Предпочтительно, предлагается медленно вращающийся синхронный генератор, который имеет по меньшей мере 48 статорных полюсов. Таким образом, также при небольшой скорости вращения можно генерировать переменный ток со сравнительно высокой частотой. В соответствии с этим, предпочтительно предлагается предусмотрение по меньшей мере 72 статорных полюсов, при этом еще более предпочтительным является применение еще больше статорных полюсов, в частности, по меньшей мере 192 статорных полюсов.

Дополнительно к этому, предпочтительно выполнять синхронный генератор в виде 6-фазного генератора, а именно, в виде генератора с двумя 3-фазными системами, которые смещены относительно друг друга, в частности, примерно на 30°. Такое выполнение является особенно предпочтительным для создания 6-фазного тока, который за счет этого хорошо подходит для выпрямления и уже в принципе обеспечивает незначительное наличие гармоник при выпрямлении.

Кроме того, предлагается предусмотрение для статора непрерывной обмотки, а именно, в частности, непрерывной линии или непрерывной цепи линии для каждой фазы. Таким образом, в случае 6-фазного генератора, то есть при два раза по 3 фазы, необходимо прокладывать в целом шесть цепей линии. Безразрывная прокладка таких шести цепей линии для всего статора, который может иметь предпочтительно наружный диаметр 4,5 м, является чрезвычайно трудоемкой, однако приводит к созданию очень надежного статора и тем самым также, соответственно, надежного генератора, поскольку можно отказаться от мест соединения, которые могут размыкаться во время работы.

Согласно другому варианту выполнения предлагается, что статор опирается на осевое гнездо, в частности, на гнездо для осевой цапфы. Это осевое гнездо, в частности, гнездо для осевой цапфы, проходит в осевом направлении через статор и наружный ротор, а именно, посредине вдоль оси вращения наружного ротора и тем самым одновременно вдоль средней оси статора. Кроме того, наружный ротор предпочтительно опирается на первый и второй соединенный с этим гнездом подшипник, при этом оба подшипника расположены в осевом направлении на стороне статора, в частности так, что один подшипник в осевом направлении расположен между другим подшипником и статором. Таким образом, ротор опирается на эти оба подшипника, так что в зоне статора он удерживается свободнонесущим образом.

Другими словами, статор с помощью этих двух расположенных на расстоянии друг от друга в осевом направлении подшипников закреплен неподвижно на гнезде, так что наружный ротор охватывает сверху статор и опирается на одной стороне статора на оба подшипника. Таким образом, образуется чрезвычайно стабильная и при этом сравнительно просто реализуемая конструкция. Применение двух подшипников, а именно, обоих на стороне статора, особенно хорошо пригодно для восприятия опрокидывающих сил, которые могут вводиться, в частности, за счет ветровой нагрузки на лопасти ротора через ступицу ротора в наружный ротор. Следует отметить, что один или оба подшипника могут быть расположены также на большем расстоянии от крепления статора на гнезде или от осевой цапфы. Возможно большее расстояние между обоими подшипниками также способствует восприятию опрокидывающих сил.

Предпочтительно, предлагается синхронный генератор, который характеризуется тем, что предусмотрен по меньшей мере один вентилятор (309), в частности, внутри опорной конструкции статора, для нагнетания охлаждающего воздуха через листовой пакет (658) статора радиально наружу. Таким образом, воздушный поток целенаправленно ориентирован наружу и может сначала охлаждать статор.

Согласно другому варианту выполнения предлагается, что наружный ротор имеет охлаждающие отверстия в направлении воздушного зазора, так что охлаждающий воздух от воздушного зазора (206) проходит дальше наружу через наружный ротор (304) и между полюсами ротора, в частности наконечниками (32А) полюсов ротора, вдоль обмоток возбуждения наружного ротора, с целью охлаждения тем самым наконечников полюсов ротора, в частности, их обмоток возбуждения.

Таким образом, по меньшей мере в соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения предлагается большой, медленно вращающийся синхронный генератор, который имеет ротор с независимым возбуждением. Он целенаправленно охлаждается с помощью по меньшей мере одного вентилятора в опорной конструкции своего статора. При этом охлаждающий воздух нагнетается вентилятором радиально наружу, то есть выталкивается наружу и тем самым охлаждает сначала статор, в частности листовой пакет статора, через который поток охлаждающего воздуха проходит наружу к воздушному зазору. Таким образом, поток охлаждающего воздуха проходит далее через воздушный зазор и при этом охлаждает статор и наружный ротор. Кроме того, часть охлаждающего воздуха, который уже по меньшей мере частично несколько нагрелся, проходит через отверстия в наружном роторе наружу. За счет этого могут достигаться и охлаждаться обмотки возбуждения наружного ротора, которые в остальном не находятся в непосредственном контакте с воздушным зазором.

За счет конструкции этого безредукторного, имеющего независимое возбуждение, медленно вращающегося генератора с наружным ротором, может достигаться такое охлаждение также наружного ротора. Конструкция с наружным ротором создает также в зоне полюсных наконечников ротора промежуточное пространство, которое обеспечивает возможность такого охлаждения.

Предпочтительно, синхронный генератор выполнен и имеет такие размеры, что наружный диаметр статора составляет по меньшей мере 4,4 м, предпочтительно по меньшей мере 4,5 м и, в частности, по меньшей мере 4,6 м, в частности, при наружном диаметре генератора 5 м. Таким образом, предлагается синхронный генератор, который при наружном диаметре 5 м обеспечивает возможность транспортировки по общественным дорогам и при этом имеет возможно больший наружный диаметр статора и тем самым может иметь возможно большую номинальную мощность.

Кроме того, предлагается ветроэнергетическая установка, которая имеет синхронный генератор, согласно по меньшей мере одному из указанных выше вариантов выполнения.

Ниже приводится в качестве примера более подробное пояснение изобретения на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - ветроэнергетическая установка, в изометрической проекции;

фиг. 2 - разрез генератора с внутренним ротором, на виде сбоку;

фиг. 3 - разрез генератора с наружным ротором, на виде сбоку;

фиг. 4 - генератор, согласно фиг. 3, в изометрической проекции;

фиг. 5 - генератор, согласно фиг. 4, в другой изометрической проекции;

фиг. 6 - генератор, согласно другому варианту выполнения изобретения, в изометрической проекции;

фиг. 7 - разрез генератора, согласно фиг. 6, в изометрической проекции;

фиг. 8 - генератор, согласно фиг. 7, в другой проекции;

фиг. 9 - разрез части генератора, в увеличенном масштабе;

фиг. 10 - разрез части генератора, в увеличенном масштабе;

фиг. 11 - часть наружного ротора, в сборке с частью внутреннего ротора;

фиг. 12 - разрез закрепленного на опорной конструкции генератора, на виде сбоку.

На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположен винт 106 с лопастями 108 винта и обтекателем 110. Винт 106 во время работы приводится ветром во вращательное движение и за счет этого приводит в действие генератор в гондоле 104.

На фиг. 2 показан генератор 201 с внутренним ротором и тем самым лежащим снаружи статором 204. Между статором 202 и ротором 204 находится воздушный зазор 206. Статор 202 опирается через колокол 208 статора на опору 210 статора. Статор 202 имеет листовые пакеты 212, на которых размещены обмотки, от которых показаны лобовые части 214 обмотки. Лобовые части 214 обмотки представляют в принципе провода обмотки, проложенные из одной статорной канавки в другую статорную канавку. Листовые пакеты 212 статора 202 закреплены на опорном кольце 216, который можно рассматривать также в качестве части статора 202. С помощью этого опорного кольца 216 статор 202 закреплен на статорном фланце 218 статорного колокола 208. За счет этого колокол 208 статора обеспечивает опору статора 202. Кроме того, в колоколе 208 статора могут быть предусмотрены вентиляторы для охлаждения, которые расположены в колоколе 208 статора. За счет этого можно нагнетать охлаждающий воздух также через воздушный зазор 206, с целью охлаждения тем самым зоны воздушного зазора.

Дополнительно к этому, на фиг. 2 показана наружная окружность 220 генератора 201. Лишь накладки 222 выступают за нее, что, однако, не создает проблем, поскольку они имеются не по всей окружности.

К опоре 210 статора примыкает лишь частично изображенная осевая цапфа 224. Через осевую цапфу 224 ротор 204 опирается на два подшипника 226 ротора, из которых показан лишь один. Для этого ротор 204 закреплен на участке 228 ступицы, который соединен с лопастями аэродинамического винта, так что лопасти винта, приводимые в движение ветром, могут вращать ротор 204 вокруг этого участка 228 ступицы.

При этом ротор 204 имеет сердечники полюсных наконечников с обмотками 230 возбуждения. В направлении воздушного зазора 206 на обмотках 230 возбуждения возможно распознать часть полюсного наконечника 232. На противоположной воздушному зазору 206 стороне, то есть в направлении внутрь, полюсный наконечник 232 с обмоткой возбуждения на нем, закреплен на опорном кольце 234 ротора, которое, в свою очередь, закреплено с помощью опоры 236 ротора на участке 228 ступицы. Опорное кольцо 234 ротора является в принципе имеющим форму боковой поверхности цилиндра, сплошным массивным участком. Опора 236 ротора усилена множество распорок.

На фиг. 2 показано, что радиальная длина ротора 204, а именно, от опорного кольца 234 ротора до воздушного зазора 206, значительно меньше радиальной длины статора 202, а именно, от воздушного зазора 206 до наружной окружности 220.

Кроме того, показана длина 238 расстояния, которое является примерно средним расстоянием гнезда 250 ротора до гнезда 252 статора. Длина 238 расстояния является мерой для оказания влияния воздушного зазора на конструкцию генератора за счет внешних сил. В этом показанном на фиг. 2 генераторе эта осевая длина расстояния является относительно большой и тем самым показывает, что необходима очень жесткая конструкция статора и ротора, с целью обеспечения также во время работы равномерного расстояния между статором и ротором.

Генератор 301 на фиг. 3 является генератором с наружным ротором. В соответствии с этим, статор 302 лежит внутри, а ротор 304 - снаружи. Статор 302 с помощью центральной опорной конструкции 308 статора опирается на опору 310 статора. Для охлаждения в опорной конструкции 308 статора предусмотрен вентилятор 309. Таким образом, статор 302 опирается посредине, что может сильно увеличивать стабильность. Кроме того, его можно охлаждать изнутри с помощью вентилятора 309, который может представлять также и другие вентиляторы. Доступ к статору 302 при этой конструкции осуществляется изнутри. С помощью вентилятора охлаждающий воздух выдувается наружу.

Ротор 304 имеет лежащее снаружи опорное кольцо 334 ротора, которое закреплено на опоре 336 ротора, которая может называться также колоколом 336 ротора, и удерживается им на участке 328 ступицы, который в свою очередь опирается через два подшипника ротора, из которых изображен один подшипник 326 ротора, на осевую цапфу 324.

На основании измененного расположения статора 302 и ротора 304 образуется воздушный зазор 306, который имеет больший размер, чем воздушный зазор 206 на фиг. 2 генератора 201 с внутренним ротором.

Дополнительно к этому, на фиг. 3 показано предпочтительное расположение тормоза 340, который через соединенный с ротором 304 тормозной диск 342 может при необходимости останавливать ротор 304.

На фиг. 3 показана также длина 338 расстояния, которое также представляет среднее расстояние между креплением 350 ротора и креплением 352 статора. В данном случае эта длина 338 расстояния значительно меньше по сравнению с осевой длиной 238 расстояния, которая показана на фиг. 2 для генератора с внутренним ротором. Осевая длина 238 расстояния на фиг. 2 также указывает среднее расстояние между обеими опорными конструкциями для статора 202, с одной стороны, и ротора 204, с другой стороны. Чем меньше такая осевая длина 238, соответственно, 338 расстояния, тем больше достигаемая стабильность воздушного зазора, в частности, также устойчивость на опрокидывание между статором и ротором.

Наружный диаметр 344 наружной окружности 320 у обоих показанных на фиг. 2 и 3 генераторов является одинаковым. Таким образом, наружная окружность 220 генератора 201 на фиг. 2 имеет также наружный диаметр 344. Несмотря на одинаковый наружный диаметр 344 в конструкции на фиг. 3, на которой показан генератор 301 с наружным ротором, может достигаться больший диаметр воздушного зазора 306 по сравнению с воздушным зазором 206 на фиг. 2.

На фиг. 4 показана в изометрической проекции принципиальная конструкция герметично закрытого генератора 401, согласно изобретению. Дополнительно к этому, на фиг. 4 показана опора 410 статора, в частности, его фланец. Эта опора 410 статора удерживает статор. Показанный опорный фланец 450 предусмотрен для крепления на машинной опоре, которая расположена в соответствии с назначением неподвижно в гондоле ветроэнергетической установки. Опора 410 статора удерживает статор генератора 401 и называется также гнездом для осевой цапфы, поскольку это гнездо для осевой цапфы закреплено одной своей стороной, а именно, опорным фланцем 450 на машинной опоре, а на другой, не изображенной на фиг. 4 стороне, неподвижно соединено с осевой цапфой. Такая осевая цапфа удерживает или обеспечивает опору аэродинамического винта.

Опору 410 статора, соответственно, гнездо 410 для осевой цапфы можно рассматривать в качестве части генератора 401.

На фиг. 4 показаны также тормоза 440, которые обозначают переход от наружного ротора 404 к лежащему внутри статору 402. При этом тормоза 440 закреплены на кольцевом диске 446 статора и там тормозят ротор 404 на его тормозном диске 446. Кольцевой диск 446 статора закреплен по существу на опорном фланце 450.

На фиг. 5 показана другая проекция генератора 401, которая показывает по существу герметично закрытый ротор 404. При этом в изометрической проекции показан дополнительно фланец 452 осевой цапфы 410 опоры 410 статора, соответственно, гнезда 410 осевой цапфы, на котором в соответствии с предназначением смонтирована осевая цапфа. Это поясняет также, что гнездо 410 для осевой цапфы, соответственно, опора 410 статора может рассматриваться в качестве части генератора 401, что относится не только к этому варианту выполнения, поскольку из фиг. 4 и 5 следует, что генератор 401 с этой опорой 410 статора образует в любом случае пространственно четко заданное устройство.

На фиг. 6 показан генератор 601, который выполнен аналогично генератору 401 и генератору 301. От показанного на фиг. 4 и 5 генератора 401 этот генератор 601 отличается по существу тем, что не изображена опора статора, соответственно, гнездо для осевой цапфы, которая в этом изображении не имеет значения. Дополнительно к этому, на фиг. 6 показано смотровое отверстие 656, через которое можно заглядывать в ротор 604, с целью обеспечения возможности выполнения технического обслуживания или проверки ротора 604. Через это смотровое отверстие 656 можно также, по меньшей мере частично, осматривать статор 602. Смотровое отверстие 656 показано на фиг. 6. Однако при необходимости с учетом влияния на показанное герметичное закрытие ротора 604 могут быть предпочтительно предусмотрены также другие смотровые отверстия 656. Для контролирования лишь одного статора 602 может быть достаточным одно смотровое отверстие 656, которое при необходимости может быть предусмотрено в соответствующем месте статора 602. Однако для осмотра ротора 604 предпочтительно предусматривать несколько таких смотровых отверстий 656.

На фиг. 7 показана часть конструкции лежащего внутри статора 602. Он имеет листовой пакет 658, который имеет обмотку, представленную лобовыми частями 660 обмотки. В направлении оси вращения статор 602 имеет радиальную опорную конструкцию 662. Радиальная опорная конструкция 662 содержит по существу два радиальных направляющих металлических листа, которые проходят радиально наружу и при этом расположены перпендикулярно оси вращения генератора 601. Эти радиальные направляющие металлические листы 664 могут закреплять статор 602, в частности листовой пакет 658 статора, с его обмотками на опоре статора, соответственно, на гнезде для осевой цапфы, таком как показано на фиг. 4 и обозначено ссылочной позицией 410. Одновременно направляющие металлические листы 664 могут направлять воздух в качестве охлаждающего воздуха к листовому пакету 658 статора.

Таким образом, можно охлаждать листовой пакет 658 статора, а также обмотки на листовом пакете 658 статора, которые представлены лобовыми частями 660 обмотки. Радиально снаружи к листовому пакету 658 статора примыкает ротор 604 со своими полюсными наконечниками 632. Между листовым пакетом 658 статора и полюсными наконечниками 632 образован воздушный зазор 606, который показан на фиг. 7 лишь в виде линии.

На фиг. 8 также показана в изометрической проекции конструкция статора 602 с его радиальной опорной конструкцией 662 с обоими радиальными направляющими металлическими листами 664. При этом изображены другие смотровые отверстия 656', которые также предусмотрены для осмотра и технического обслуживания как статора 602, так и ротора 604. При этом эти смотровые отверстия 656' расположены в радиальном металлическом листе 666 ротора и позволяют рассматривать полюсные наконечники 632 ротора и, в частности, расположенные на стороне машиной опоры лобовые части 660 обмотки.

При этом радиальный металлический лист 666 ротора выполнен так, что на него может опираться также тормозной диск 642.

На фиг. 9 и 10 показаны частично потоки охлаждения генераторов различного типа, а именно, генератора 901 с внутренним ротором на фиг. 9, и генератора 1001 с наружным ротором на фиг. 10. Показанная на фиг. 9 часть соответствует примерно показанной на фиг. 2 части генератора 201, при этом на фиг. 9 показан несколько другой вариант выполнения. Показанная на фиг. 10 часть соответствует примерно показанной на фиг. 3 части генератора 301, при этом на фиг. 10 показан несколько другой вариант выполнения.

Как показано на фиг. 9, радиальные потоки 970 охлаждающего воздуха проходят по существу по обе стороны, относительно изображения на фиг. 9, ротора 904 наружу вплоть до листового пакета 958 статора и к лобовым частям 960 обмотки. Осевой охлаждающий поток 972 образуется лишь в одном направлении и должен поэтому полностью охлаждать как листовой пакет 958 статора, так и полюсные наконечники 932 ротора в осевом направлении. Таким образом, путь охлаждения является относительно длинным, и подвод охлаждающего воздуха происходит по существу с помощью радиальных охлаждающих потоков 970.

В генераторе 1001 с наружным ротором с помощью радиальных охлаждающих потоков 1070 охлаждающий воздух подается в принципе по всей ширине статора 1002 на листовой пакет 1058 статора и от него, возможно, дальше через не изображенные охлаждающие каналы к полюсным наконечникам 1032 ротора. Охлаждающий воздух может охлаждать в двух направлениях в виде осевого охлаждающего потока 1072 ротор 1004 и статор 1002. Таким образом, обеспечивается возможность подвода большого количества охлаждающего воздуха, а именно, по всей ширине статора 1002 относительно изображения на фиг. 10, соответственно, по всей осевой длине статора 1002. При этом подаваемый радиально охлаждающий воздух радиальных охлаждающих потоков 1070 может разделяться, например, при достижении воздушного зазора 1006, так что необходимо охлаждать статор 1002 и ротор 1004 в осевом направлении лишь наполовину одним охлаждающим потоком. Таким образом, участок нагрева соответствующего охлаждающего потока уменьшается в два раза.

Сравнение фиг. 9 и 10 иллюстрирует также положение и потребность в пространстве лобовых частей 960 статора генератора 901 на фиг. 9 в случае внутреннего ротора и лобовых частей 1060 статора генератора 1001 на фиг. 10 для наружного ротора.

Показанные на фиг. 10 радиальные и осевые охлаждающие потоки 1070, соответственно, 1072 могут создаваться, например, с помощью вентилятора, такого как, например, вентилятор 309, который показан в генераторе 301 на фиг. 3. Такой вентилятор, причем может быть предусмотрено также несколько вентиляторов, может нагнетать охлаждающий воздух, например, между обоими радиальными направляющими металлическими листами 1064, так что охлаждающий воздух направляется между обоими радиальными направляющими металлическими листами 1064 радиально наружу. Кроме того, через другой подвод охлаждающего воздуха к статору может образовываться охлаждающий поток в радиальном направлении. Когда охлаждающий поток приходит к листовому пакету 1058 статора или к полюсным наконечникам 1032, соответственно, по существу в зону воздушного зазора 1006, то его можно перенаправить в осевом направлении. Для направления радиального охлаждающего воздуха 1070 через статор 1002 могут быть предусмотрены соответствующие распределенные охлаждающие каналы в листовом пакете 1058 статора. Охлаждающий воздух может проходить по существу в осевом направлении между полюсными наконечниками 1032, а также проходить в осевом направлении через воздушный зазор 1006. Частично осевое прохождение охлаждающего воздуха возможно также в частях листового пакета 1058 статора, а именно, в частности, в пазах под обмотку, если лежащие в них обмотки оставляют свободное пространство, например, через охлаждающие каналы, которые лежат в обмотках. Другой путь охлаждающего воздуха может проходить через охлаждающие каналы, которые проходят внутри листового пакета. Несмотря на это, следует отметить, что обозначенные стрелками радиальные охлаждающие потоки 1070 и осевые охлаждающие потоки 1072 следует понимать как схематичное изображение. Часть охлаждающего воздуха может проходить из воздушного зазора 1006 через отверстия в роторе 1004, а именно, наружном роторе 1004, радиально наружу и за счет этого лучше охлаждать наружный ротор 1004, при этом эти частичные потоки не изображены на фиг. 10.

На фиг. 11 схематично показаны в разрезе совместно часть полюсных наконечников 32А наружного ротора 4А и полюсных наконечников 32В внутреннего ротора 4В. Показанное расположение в такой компоновке не является частью действующей машины.

На фиг. 11 лишь иллюстрируется различие в расположении полюсных наконечников наружного ротора 4А синхронного генератора с независимым возбуждением и расположение полюсных наконечников внутреннего ротора 4В синхронного генератора. На фиг. 11 показан также воздушный зазор 6АВ в качестве ориентира. Внутренний ротор 4В проходит от воздушного зазора 6АВ внутрь, что приводит к тому, что полюсные наконечники 32В сходятся начиная от воздушного зазора. При этом промежуточные пространства 48В уменьшаются, и полюсные наконечники 32В сближаются. Тем самым ограничивается пространство для обмотки полюсных наконечников 32В, а также уменьшается пространство для возможных охлаждающих потоков. Следует отметить, что на фиг. 11 показан вид в осевом направлении, то есть вдоль оси вращения.

С другой стороны, полюсные наконечники 32а наружного ротора 4А расходятся радиально наружу, начиная от воздушного зазора 6АВ. Соответственно, между полюсными наконечниками возникает промежуточное пространство 48А. Этот эффект можно также использовать конструктивно, и обеспечивается возможность уменьшения радиальной протяженности полюсных наконечников ротора и тем самым, в принципе, радиальной протяженности ротора. Таким образом, в принципе для всех вариантов выполнения изобретения, обеспечивается возможность смещения воздушного зазора как можно дальше наружу, с целью увеличения, соответственно, оптимизации за счет этого при заданной конструктивной величине, в частности, заданном наружном диаметре генератора, его мощности.

В показанном на фиг. 11 наружном роторе 4А изображены промежуточные пространства 48А, которые также предлагаются для применения с целью направления охлаждающего воздуха.

На фиг. 12 схематично показан генератор, согласно одному варианту выполнения, в установленном состоянии. При этом предусмотрена машинная опора 1209, на которой закреплена опора 1210 статора, на которой в свою очередь закреплена осевая цапфа 1224. В генераторе 1201 на опоре 1210 статора закреплен статор 1202. Таким образом, машинная опора 1210, осевая цапфа 1224 и статор 1202 соединены с жестким и неподвижным элементом, не смотря на возможность азимутальной перестановки всей изображенной конструкции.

Лежащий снаружи наружный ротор 1204 через опору 1236 ротора закреплен на ступице 1228 ротора. Участок 1228 ступицы установлен с помощью первого и второго подшипников 1226, соответственно, 1227 ротора с возможностью вращения на осевой цапфе 1224. За счет большого осевого расстояния а между первым и вторым подшипниками 1226 и 1227 ротора обеспечивается большая устойчивость к опрокидыванию для ротора 1204.

Кроме того, показана осевая длина е расстояния, которая соответствует длине 338 расстояния на фиг. 3. Она обозначает среднее расстояние в осевом направлении от опоры 1236 ротора до гнезда 1252 статора. За счет предусмотрения генератора с наружным ротором и тем самым с лежащим внутри статором 1202, статор 1202 может быть неподвижно закреплен, при рассматривании в осевом направлении, посредине на опоре 1210 статора, так что показанная длина е расстояния является относительно малой. Вместе с большим расстоянием а и обусловленной им устойчивостью к опрокидыванию обеспечивается возможность достижения особенно стабильной структуры.

Дополнительно к этому, ротор 1204 имеет вращающийся тормозной диск 1242, который вращается вместе с ротором 1204 во время работы. Для торможения, соответственно, остановки предусмотрен соответствующий тормоз 1240.

Дополнительно к этому, на фиг. 12 показано, что имеется большое пространство для направления изнутри на статор 1202 охлаждающей среды, в частности, охлаждающего воздуха. Среди прочего, поток такой охлаждающей среды может проходить также внутри показанного гнезда 1252 статора к статору, в частности, в зоне обмоток 1230 статора. Кроме того, можно использовать радиально направляемый охлаждающий воздух для охлаждения роторных полюсов 1231 обмотки возбуждения. Таким образом, в принципе возможно увеличение по сравнению с независимо возбуждаемым генератором с внутренним ротором диаметра воздушного зазора при одинаковом общем наружном диаметре. Когда в генераторах с внутренним ротором отношение диаметра воздушного зазора к общему наружному диаметру ограничено значением ниже 0,86, то можно увеличивать это отношение при наружном роторе даже с независимым возбуждением. В этом случае может быть реализовано отношение от 0,86 до 0,94. Кроме того, при герметично закрытом выполнении имеется достаточное пространство для лобовых частей обмотки статора. При этом также при герметично закрытом выполнении обеспечивается хорошая доступность лобовых частей обмотки статора.

В генераторе с наружным ротором легко обеспечивается возможность прохождения потока воздуха по всей ширине листового пакета статора при подводе воздуха внутри наружных размеров.

С помощью независимо возбуждаемого генератора с наружным ротором, согласно изобретению, могут быть реализованы по сравнению с генератором с внутренним ротором при одинаковом диаметре воздушного зазора больший листовой пакет в полюсах, больше обмоток возбуждения и больше охлаждающего воздуха между листовыми пакетами полюсов.

Недостатки уровня техники, такие как небольшой диаметр воздушного зазора при сравнимых наружных размерах, затруднительная или невозможная доступность лобовых частей обмотки статора при герметично закрытой конструкции и ограниченные возможности воздушного охлаждения, могут быть по меньшей мере частично устранены с помощью предлагаемого изобретения. Таким образом, обеспечивается возможность достижения лучшего использования материала, лучшего охлаждения и как результат более высокой мощности генератора, соответственно, уменьшенной мощности потерь генератора.

Одновременно сохраняются небольшими транспортировочные размеры, в частности, возможно выдерживание максимальных транспортировочных размеров для транспортировки по общественным дорогам. Может быть достигнуто улучшение охлаждения генератора и как результат более высокая мощность генератора или по меньшей мере меньшая мощность потерь генератора.

В предлагаемом генераторе с наружным ротором с независимым возбуждением могут быть реализованы по сравнению с известными генераторами с внутренним ротором при одинаковом диаметре воздушного зазора больший листовой пакет, большая обмотка возбуждения и больше охлаждающего воздуха между полюсными пакетами, соответственно, полюсами.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронному генератору (301) безредукторной ветроэнергетической установки (100), содержащему наружный ротор (304) с независимым возбуждением, полюса которого выполнены в виде сердечников полюсных наконечников с обмотками возбуждения, и статор (302), при этом синхронный генератор (301) имеет наружный диаметр (344) ротора и отношение наружного диаметра статора к наружному диаметру генератора больше 0,86, в частности, больше 0,9 и, в частности, больше 0,92. Технический результат состоит в улучшении условий охлаждения и повышении мощности генератора. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Синхронный генератор (301) безредукторной ветроэнергетической установки (100), содержащий наружный ротор (304), имеющий независимое возбуждение, и статор (302), при этом синхронный генератор (301) имеет наружный диаметр (344) генератора, и статор (302) имеет наружный диаметр статора, и отношение наружного диаметра статора к наружному диаметру генератора больше 0,86, в частности, больше 0,9 и, в частности, больше 0,92, причем ротор (304) содержит полюса ротора, выполненные в виде сердечников полюсных наконечников с обмотками возбуждения.

2. Синхронный генератор (301) по п. 1, отличающийся тем, что статор (302) имеет радиальную опорную конструкцию (662), которая проходит радиально внутрь и предназначена для крепления на проходящем в осевом направлении через статор (302) осевом гнезде (307).

3. Синхронный генератор (301) по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что статор (302)

- имеет радиальные охлаждающие каналы для радиального подвода охлаждающего воздуха изнутри и

- имеет осевые охлаждающие каналы для направления в осевом направлении радиально подводимого охлаждающего воздуха для охлаждения статора, в частности так, что радиально подводимый охлаждающий воздух направляется через листовой пакет статора и/или через пакеты обмотки статора, и/или что радиально подводимый охлаждающий воздух разделяется и направляется в осевом направлении в прямом и обратном направлениях.

4. Синхронный генератор (301) по п. 3, отличающийся тем, что охлаждающий воздух подается радиально по всей осевой протяженности статора (302), и/или что радиальные охлаждающие каналы образованы с помощью радиальной опорной конструкции (662).

5. Синхронный генератор (301) по п. 1, отличающийся тем, что синхронный генератор (301), в частности наружный ротор (304), герметично закрыт, и/или что наружный ротор (304) имеет колокол ротора со смотровым отверстием (656) для технического обслуживания наружного ротора (304) и/или статора (302).

6. Синхронный генератор (301) по п. 1, отличающийся тем, что синхронный генератор (301) выполнен в виде кольцевого генератора, и/или имеет по меньшей мере 48 статорных полюсов, по меньшей мере 72 статорных полюса, в частности, по меньшей мере 192 статорных полюса, и/или выполнен в виде 6-фазного генератора (301), и/или что статор (302) имеет непрерывную обмотку (14).

7. Синхронный генератор (301) по п. 1, отличающийся тем, что статор (302) опирается на проходящее через статор (302) и наружный ротор (304) осевое гнездо, в частности гнездо (310) для осевой цапфы, и наружный ротор (302), опционально, опирается на первый и второй соединенный с гнездом подшипник, при этом оба подшипника расположены в осевом направлении на стороне статора, в частности так, что один подшипник в осевом направлении расположен между другим подшипником и статором.

8. Синхронный генератор (301) по п. 1, отличающийся тем, что наружный диаметр статора составляет по меньшей мере 4,4 м, предпочтительно по меньшей мере 4,5 м и, в частности, по меньшей мере 4,6 м, при этом наружный диаметр (344) генератора составляет, в частности, примерно 5 м.

9. Синхронный генератор (301) по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрен по меньшей мере один вентилятор (309), в частности, в опорной конструкции статора для нагнетания воздуха для охлаждения через листовой пакет (658) статора радиально наружу.

10. Синхронный генератор (301) по п. 3, отличающийся тем, что между наружным ротором (304) и статором (302) предусмотрен воздушный зазор (206), и наружный ротор (304) имеет охлаждающие отверстия к воздушному зазору, так что часть охлаждающего воздуха проходит от воздушного зазора (206) далее наружу через наружный ротор (304) и между полюсами ротора, в частности между полюсными наконечниками (32А) наружного ротора, вдоль обмоток возбуждения наружного ротора для охлаждения за счет этого полюсных наконечников ротора, в частности их обмоток возбуждения.

11. Ветроэнергетическая установка (100), содержащая синхронный генератор (301) по любому из пп. 1-10.