具有柔性线缆装置的定子组件、具有这种定子组件的发电机和风力涡轮机的制作方法

本发明涉及用于风力涡轮机的发电机的技术领域。具体地，本发明涉及一种定子组件，其包括多个定子节段，所述多个定子节段电连接以便发送由电线圈产生的电功率。本发明还涉及具有这种定子组件的发电机和风力涡轮机。

背景技术：

风力涡轮机可以在岸上或离岸架设。能够提供高达大约6mw的电功率的大型风力涡轮机通常离岸安装。特别是出于维护原因，采用自激发电机，其具有带有永磁体的转子组件。在不久的将来，能够提供大约超过10mw的电功率的风力涡轮机将是可用的。由于几个技术原因，能够提供超过10mw的电功率的发电机必须具有7m或更大的直径。

这种大型风力涡轮发电机通常被实现为具有内定子-外转子构造的自激发电机。由此，多个定子节段沿着周向方向彼此相邻地安装在定子框架结构的圆形外边缘处，每个定子节段包括若干电线圈或绕组。多个永磁体安装在转子框架组件的圆形内表面上，当沿定子节段移动时，所述永磁体产生通过每个电线圈的时间交变的磁通量，所述转子框架组件抗扭地连接到转子并且在操作中绕定子框架结构旋转。该时间交变的磁通量在每个电线圈中感生出电流。分别由多个定子节段中的每一个在每个电线圈中产生的电流被收集或汇总，并产生发电机的电功率输出。

借助于适当的电流传输装置收集在多个定子节段中产生的多个电流对于具有例如小于两米或三米的直径的小型或中型发电机是容易的。已知的电流传输装置包括用于将电流传导至发电机的电功率接口的若干大汇流条。然而，在较大的发电机中，显然更大的挑战是为定子组件提供适当的电流传输装置，因为较大的发电机不仅具有较大的空间尺寸，而且具有必须电连接到电功率接口的较大数量的定子节段。特别地，大量的定子节段需要多个电导体，这些电导体必须以紧凑方式安装在定子组件的定子框架结构中和/或定子框架结构处。

可能需要提供一种具有多个定子节段的定子组件，所述定子节段具有线缆装置，所述线缆装置可以以紧凑方式以低成本实现并且可以以容易且有效的方式安装到定子组件的定子框架结构。

技术实现要素：

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种定子组件，其包括（a）定子框架结构，其具有外环形框架，该外环形框架具有绕中心轴线同心延伸的圆形外边缘，中心轴线限定轴向方向，（b）多个定子节段，其沿着外边缘的周向方向安装在外边缘处，其中，每个定子节段包括一组电线圈、连接设备和定子线缆装置，定子线缆装置包括一组柔性电线缆，该一组柔性电线缆被布置成提供该一组电线圈中的每个电线圈与连接设备之间的电连接，以及（c）主线缆装置，其将每个定子节段的连接设备与电功率接口连接，以用于收集由定子节段产生的电功率。

本发明的这个方面基于这样的思想，即，与已知的汇流条结构相比，连接设备与柔性定子和主线缆装置的组合在安装和维护期间更容易且更灵活地操作，已知的汇流条结构尤其随着发电机尺寸的增加需要大量的刚性且重的材料，这不仅更昂贵，而且在构建整个定子组件时装配和操作也显著地更复杂。

多个定子节段可以沿着绕中心轴线的圆形圆周彼此相邻地布置。优选地，两个邻近的定子节段彼此相邻，使得整个圆周可以被利用，以借助于定子节段的电线圈或绕组“获取（pickingup）”由转子组件的永磁体产生的时间交变磁通量，该转子组件具有永磁体，该永磁体在操作中靠近定子节段的周向行（circumferentialrow）行进。

特别地，在所谓的直接驱动风力涡轮机中，该风力涡轮机在（i）从风中捕获机械能的转子和（ii）发电机之间没有齿轮箱，所述中心轴线可以对应于风力转子的旋转轴线或者可以与风力转子的旋转轴线对准。关于多个线缆装置与外环形框架之间的空间关系，中心轴线可以限定相应的布线组件与外环形框架（的轴向侧面）之间的（最短）距离的方向。

电功率接口可以是能够分别收集各个电流和各个电功率信号并将其发送到功率收发器的任何适当的电结构。特别地，电功率接口可以是（i）紧凑的电结构，其中，所有电线缆一起延伸，或者（ii）空间分布的结构，其中，布线组件被空间地组合在不同位置处。

功率收发器可以是功率转换器，其优选地通过变压器电连接在电功率接口和公用电网之间。为了提供与公用电网的ac频率匹配的ac功率信号，功率转换器可以包括发电机侧ac-dc转换器、中间dc桥和电网侧dc-ac转换器。ac-dc转换器和dc-ac转换器包括若干高功率半导体开关，其以已知的方式被布置成桥构造，用于由发电机提供的整个ac功率信号的每个相。通过以适当的开关模式控制高功率半导体开关，可以以已知的方式使输送到公用电网的功率信号的ac频率适应公用电网的（给定）ac频率。

定子节段可以包括用于支撑电线圈的多个定子齿。更具体地，电线圈可集中或分布在定子齿周围。

在本文献的上下文中，“径向”和“径向方向”指的是垂直于与“中心轴线”对准的“轴向方向”。在本文献中用于描述定子组件的几何结构的圆柱坐标系中，沿着中心线的“轴向方向”对应于“高度坐标”，并且“径向方向”对应于“中心轴线”与关注点之间的欧几里得距离。此外，“外”指的是径向外部，即具有较大欧几里得距离的位置，“内”指的是径向内部，即具有较小欧几里得距离的位置。

根据本发明的实施例，每个定子节段包括机械地连接到外边缘的安装板，并且每个定子的定子线缆装置被布置在对应的安装板上。

安装板可以特别地具有弧形形状，其在相对于中心轴线的径向平面中延伸并且在轴向方向上定位在定子节段的端部处。安装板被设计成允许例如借助于螺栓和螺母与环形框架的外边缘稳定地机械连接。在定子组件的组装期间，可以容易地将定子线缆装置的柔性电线缆被布置在安装板上，即被布置在安装板的表面上，其中，组装人员将能够容易地访问安装板表面。此外，考虑到其它限制，线缆的柔性使得能够相当容易地根据需要且尽可能地布置它们。

应当注意，在定子节段的相对端（如在轴向方向上所见）还可以设置另一安装板（具有或不具有线缆装置）。

根据本发明的另一实施例，每个定子节段的定子线缆装置由线缆保持器支撑，该线缆保持器附接到对应的安装板。

线缆保持器可以是例如夹子、钩子或支架，其使得定子线缆装置的线缆能够被容易地访问并且为定子线缆装置的线缆提供牢固的支撑。通过使用条带和/或粘合剂可以增加进一步的安全性。

根据本发明的另一实施例，每个定子节段的连接设备被布置在对应安装板的周向端部处。

换句话说，连接设备可以被布置在弧形安装板的端部处。

根据本发明的另一实施例，连接设备具有盒子或面板的形状。

根据本发明的另一实施例，连接设备包括连接到定子线缆装置的第一组端子和连接到主线缆装置的第二组端子。

就定子线缆装置和主线缆装置二者的线缆可以连接到相同的端子而言，第一和第二组端子可以是相同的。然而，优选的是，第一和第二组端子由分离的端子构成。在后一种情况下，可以在第一和第二组的对应端子之间提供连接。

根据本发明的另一实施例，第一和/或第二组端子包括插针、插座、夹子和插头中的至少一个。

根据本发明的另一实施例，主线缆装置包括柔性电线缆。

考虑到其它空间限制约束，柔性线缆允许更容易的安装。

根据本发明的另一实施例，主线缆装置由附接到外环形框架的线缆保持器支撑。

线缆保持器可以是例如夹子、钩子或支架，其使得主线缆装置的线缆能够被容易地访问并且为主线缆装置的线缆提供牢固的支撑。通过使用条带和/或粘合剂可以增加进一步的安全性。

在优选实施例中，安装板上的和外环形框架固定装置上的线缆保持器均可特别地由玻璃纤维复合材料或塑料材料制成。

根据本发明的另一实施例，每个定子节段的所述一组电线圈包括与三相电流的第一相相关联的第一电线圈、与三相电流的第二相相关联的第二电线圈以及与三相电流的第三相相关联的第三电线圈。

根据本发明的另一实施例，每个定子节段的所述一组电线圈中的每个电线圈包括通过柔性电线缆互连的多个子线圈。

通过将若干子线圈互连以由此形成完整的线圈，提供了关于定子节段上的线圈装置的设计的灵活性。

根据本发明的另一实施例，每个定子节段包括另一组电线圈和另一连接设备，并且定子线缆装置包括另一组柔性电线缆，该另一组柔性电线缆被布置成在该另一组电线圈中的每个电线圈与该另一连接设备之间提供电连接。

该另一组电线圈提供了单独的系统，该单独的系统可以独立于且并行于由（原始的）一组电线圈提供的系统产生电功率。在每个定子节段上具有两个或更多个系统提供了关于功率产生的增加的灵活性和稳定性，因为单独的系统可以鉴于其它条件而被打开或关闭，并且因为一个系统中的故障将不会阻止其它系统继续产生功率。

根据本发明的第二方面，提供了一种发电机，特别是用于风力涡轮机的发电机，所述发电机包括（a）根据前述权利要求中任一项所述的定子组件，和（b）转子组件，所述转子组件被构造和支撑成使得其能够绕中心轴线旋转，其中，所述发电机特别地具有内定子-外转子构造。

然而，应当注意，本发明同样适用于具有外定子-内转子构造的发电机。

所描述的发电机基于这样的思想，即，与已知的汇流条结构相比，连接设备与柔性定子和主线缆装置的组合在安装和维护期间在发电机的壳体内更容易且更灵活地操作，已知的汇流条结构是沉重的且不灵活的。具体地，电线缆可以弯曲成使得可以满足在发电机的壳体内为定子节段的电线缆给出的空间限制和/或约束。

为了清楚起见，应当注意，在所描述的（可选的）内定子-外转子构造中，包括电线圈的定子节段径向地沿向外定向。转子组件的磁体在正常操作期间在定子节段处产生时变磁场。由此，磁体可以特别地为永磁体，其被布置在转子组件的外壁的内侧。为了附接磁体，在该内侧处可以设置轴向定向的槽，使得磁体可以轴向地插入到这些槽中。此外，在定子节段和（永）磁体之间提供了气隙。定子组件和转子组件的机械稳定性必须足够高，以确保在任何时候都排除定子节段和（永）磁体之间的机械接触。作为永磁体的替代，也可以使用电激励磁体，而不偏离本发明的范围。

根据本发明的另一实施例，外环形框架具有大于4m的外直径，特别地大于8m，并且更特别地大于9m。

关于发电机的径向延伸范围或尺寸，应当清楚的是，发电机越大，电线缆装置必须越大，以便提供定子节段的可靠电接触。具体地，大的定子组件需要长的电线缆。在此上下文中，应该清楚的是，利用所描述的主线缆装置的（柔性）电线缆，沿着长的圆形外边缘布置的定子节段能够被以容易且可靠的方式电连接。

定子组件的外框架结构的径向外尺寸或者替代地转子组件的径向外侧可以限定所描述的发电机沿着分别垂直于中心轴线和旋转轴线的径向方向的几何尺寸。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于产生电功率的风力涡轮机，特别是离岸风力涡轮机，所述风力涡轮机包括（a）塔架，（b）转子，所述转子被布置在所述塔架的顶部处并且包括至少一个叶片，以及（c）如上所述的发电机，其中，所述发电机与所述转子机械地联接。

在本发明的另一方面，电线圈位于定子的定子槽中，并且包括相应的端部绕组。电线圈包括集中绕组结构，即，线圈的两个电导体通过一相应的端部绕组/通过相应的端部绕组（复数形式）彼此连接，并且位于相邻的定子槽中。集中绕组结构提供了紧凑的定子设计，减少了用于端部绕组的铜的量。替代地，电线圈包括分布绕组结构，即，线圈的两个电导体通过一相应的端部绕组/通过相应的端部绕组（复数形式）彼此连接，并且位于三相系统中的每个第四定子槽中。

注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中了解到，除非另外指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征的组合，也是本文档的公开内容的一部分。

本发明的上述方面和其它方面从下文描述的实施例的示例中是明显的，并且参考实施例的示例进行解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，明确地注意到，本发明不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的实施例的发电机的风力涡轮机。

图2示出了具有安装在外环形框架的外边缘处的多个定子节段的定子组件。

图3示出了定子节段。

图4示出了外环形框架。

图5示出了图3所示的定子节段的一部分的特写视图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同的图中，相似或相同的元件被提供有相同的附图标记或仅在第一位数字不同的附图标记。为了避免不必要的重复，已经参照前面描述的实施例说明了的元件或特征在说明书的稍后部分不再进行说明。

此外，空间相对性术语，例如“前”和“后”、“上”和“下”、“左”和“右”等用于描述元件与图中所示的另外的（一个或多个）元件的关系。因此，空间相对性术语可以应用于与图中示出的取向不同的使用中的取向。显然，所有此类空间相对性术语仅为了描述方便而指代图中所示的取向，并且不必是限制性的，因为根据本发明的实施例的装置在使用时可以采取与图中所示的取向不同的取向。

图1示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机180。风力涡轮机180包括安装在未示出的基座上的塔架182。机舱184被布置在塔架182的顶上。在塔架182和机舱184之间，提供了偏航角调节设备183，其能够使机舱184绕未示出的竖直轴线旋转，该竖直轴线与塔架182的纵向延伸范围基本对准。通过以适当的方式控制偏航角调节设备183，可以确保在风力涡轮机180的正常操作期间，机舱184总是与当前风向适当地对准。

风力涡轮机180还包括具有三个叶片192的转子190。在图1的透视图中，仅两个叶片192可见。转子190能够绕旋转轴线190a旋转。安装在轮毂194处的叶片192相对于旋转轴线190a径向延伸。

在轮毂194和每个叶片192之间，提供了相应的叶片调节设备193，以便通过使相应的叶片192绕未示出的轴线旋转来调节相应的叶片192的叶片桨距角，该轴线基本平行于叶片192的纵向延伸范围。通过控制叶片调节设备193，相应的叶片192的叶片桨距角可被调节成使得至少当风不太强时可从可用的风力中取得最大的功率量。然而，叶片桨距角也可被有意地调节到仅能够捕获减小的风力的位置。

整流罩结构195覆盖轮毂195。借助于也可表示为鼻锥体的整流罩结构195，诸如叶片调节设备193的功能元件将会得到保护，免受恶劣的外部环境影响。

在机舱184处提供了发电机100。根据电气工程的基本原理，发电机100包括定子组件110和转子组件120。如从图1中可以看出，发电机100位于机舱184的前端和轮毂194之间。

根据这里描述的实施例，发电机100被实现为所谓的内定子-外转子构造。附接到转子组件120的转子框架结构的永磁体122绕未示出的定子节段行进，所述定子节段附接在定子组件110的定子框架结构处。在定子节段与永磁体之间形成气隙，定子节段包括线圈或绕组，用于获取时间交变磁感应。

根据这里描述的示例性实施例，定子组件110具有大约10m的外直径，并且气隙具有10mm的尺寸。从这些尺寸中可以认识到，对于定子组件110和转子组件120两者而言，关于机械精度和稳定性存在极高的要求。此外，应当清楚的是，所有定子节段的整体的大尺寸空间布置需要合适的电布线或线缆装置，以用于将由定子节段（的线圈）产生的电功率发送到电功率收发器。根据这里描述的示例性实施例，该电功率收发器是下面更详细描述的功率转换器186。

转子190借助于可旋转轴196与转子组件110旋转地联接。示意性地示出的轴承组件198设置成将风力转子190和转子组件120二者保持就位。如从图1可见，轴196沿着旋转轴线190a延伸。旋转轴线190a与定子组件110的中心轴线相同。

提到的是，还存在位于发电机100内的未示出的轴承组件。该轴承组件在用虚线表示轴196的区域内支撑轴196。

还提到的是，风力涡轮机180是所谓的直接驱动风力涡轮机，其中，在转子190和转子组件110之间没有设置齿轮箱。然而，提到的是，发电机100也可以经由齿轮箱被间接地驱动，齿轮箱可以用于将风力转子190的转数通常转换成转子组件120的更高转数。

为了提供与公用电网匹配的ac功率信号，定子组件110的电输出借助于三相电线缆组件电连接到上述功率转换器186。相应的线缆用附图标记110a表示。功率转换器186包括发电机侧ac-dc转换器186a、中间dc桥186b和电网侧dc-ac转换器186c。ac-dc转换器186a和dc-ac转换器196c包括若干未示出的高功率半导体开关，其以已知的方式被布置成桥构造，用于由发电机100提供的ac电流的每个相。

风力涡轮机180还包括用于以高效率的方式操作风力涡轮机100的控制系统188。除了控制例如偏航角调节设备183之外，所示的控制系统188还用于以优化的方式调节风力转子190的叶片192的叶片桨距角。

图2示出了定子组件110，其具有沿外环形框架212的外边缘周向安装的多个定子节段230（更具体地六个定子节段）。每个定子节段包括两组电线圈（见下文）、两个连接设备232以及定子线缆装置（见下文），该定子线缆装置将其中一组电线圈与连接设备232中的相应一个连接。主线缆装置240将连接设备232连接到两个电功率接口250中的一个，以用于收集由定子节段产生的电功率。每个定子节段230上的两组电线圈提供两个单独的发电系统（每个具有三相）。可以提供多于两个发电系统，在这种情况下，将会提供附加的连接设备232。在所示实施例中，每个定子节段230的两个连接设备232设置在定子节段230的沿周向方向的相对端部处。在这些之间可以布置附加的连接设备232。主线缆装置240由三束柔性线缆形成，每束分开120°并且将四个相应的连接设备连接到功率接口250。

图3更详细地示出了定子节段330。如图所示，电线圈334集中在定子齿周围，并且在节段330的外表面上形成为多层网状结构。定子节段330包括安装板338，用于机械地连接（优选地借助于螺栓和螺母）到外环形框架212的外边缘。连接设备332被布置在安装板338的周向相对的端部处。此外，定子线缆装置336被布置在安装板338的表面处并且由线缆保持器337保持就位。如图所示，连接设备332包括若干个端子（对应于相加上地的数量），这些端子适合于连接到图2所示的主线缆装置240的对应柔性线缆。

图4以单独的视图示出了外环形框架412。如图所示，外环形框架412包括绕中心轴线同心地延伸的圆形外边缘413。在外环形框架412的表面上，布置了若干个线缆保持器414以支撑主线缆装置440的柔性线缆。

图5示出了图3所示的定子节段330的一部分和外环形框架512的对应部分的特写视图。这里，更详细地示出了属于定子线缆装置536的柔性线缆536a，定子线缆装置536由线缆保持器537保持就位或支撑。如图所示，每个线缆536a提供电线圈之一与连接设备532之一之间的连接。还示出了若干个柔性线缆535，其将子线圈互连以由此形成完整的电线圈。主线缆装置540的柔性线缆终止于板状连接器542（对应的系统的每个相有一个），该板状连接器具有设计成配合连接设备532中的对应端子的孔。在该实施例中，连接器542被螺母紧固到连接设备532。然而，也可以使用其它可行的方式来连接连接器542和连接设备532，例如夹子。

如上所示和所述，由于使用了柔性线缆，本发明的定子组件更易于安装和维护。此外，它比使用汇流条的传统定子组件更便宜且重量更轻。

在图2、图3和图5中，电线圈334位于定子的定子槽340中，并且包括相应的端部绕组339。电线圈334包括集中绕组结构，即线圈334的两个电导体通过一相应的端部绕组339/通过相应的端部绕组（复数形式）339彼此连接，并且位于相邻的定子槽340中。替代地（未示出），电线圈334包括分布绕组结构，即，线圈334的两个电导体通过一相应的端部绕组339/通过相应的端部绕组（复数形式）339彼此连接，并且位于三相系统中的每个第四定子槽340中。

注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。