НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ СТАТОРА ГЕНЕРАТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, А ТАКЖЕ СТАТОР, ГЕНЕРАТОР И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ТАКОЙ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИЕЙ СТАТОРА
BEARING STRUCTURE OF STATOR OF GENERATOR OF WIND-DRIVEN POWER PLANT, AS WELL AS STATOR, GENERATOR AND WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH SUCH BEARING STRUCTURE OF STATOR

Данное изобретение касается несущей конструкции статора для генератора ветроэнергетической установки, в частности, многополюсного низкооборотного синхронного генератора с кольцевым якорем.
Вышеупомянутые несущие конструкции статоров и статоры широко известны.
При работе генератора ветроэнергетической установки из-за индуцируемого полем возбуждения напряжения происходит выделение тепла в генераторе, в частности, в области статорной обмотки. Поэтому для обеспечения выхода мощности и отказобезопасности генератора ветроэнергетической установки необходимо отводить тепло со статора. В уровне техники, в связи с этим уже предложены различные подходы. До сих пор перед предлагавшимися методами охлаждения стояла сложная задача, чтобы статор ветроэнергетической установки имел сравнительно большую глубину, а именно обычно 0,5 м или более, иногда даже 1,0 м или более.
Из уровня техники известны концепции охлаждения, при которых воздух в принудительной конвекции направляется в аксиальном направлении от одной торцевой стороны статора к другой торцевой стороне статора через каналы охлаждения. При этом из-за глубины статора возникает проблема, что воздух уже после входа в статор быстро нагревается, и затем самое позднее с середины статора (в аксиальном направлении) уже нагрет настолько, что больше невозможен эффективный отвод тепла, что ведет к неравномерному характеру изменения температуры внутри статора. Это может сопровождаться потерями мощности, а в худшем случае - нарушениями функционирования.
Предпринимались также попытки пропускать холодный воздух радиально изнутри через несущую конструкцию статора в область вблизи статорной обмотки статора, примерно в области середины статора (в аксиальном направлении). Воздух в таком случае должен был выходить из статора аксиально к обеим торцевым сторонам. Недостаток здесь заключается в том, что отведение нагретого воздуха, в частности, на обращенной к ступице ротора стороне статора, с которой воздух набегает на ветроэнергетическую установку, является сложным. Образуются циркуляционные потоки, которые приводят к тому, что уже предварительно нагретый воздух снова течет внутрь статора и снова течет через выемки для охлаждающей среды, что тоже ухудшает охлаждающую способность. Далее, из уровня техники известны многочисленные попытки по охлаждению статора генератора ветроэнергетической установки с использованием жидкостного контура охлаждения. При таком принципе охлаждения возможен сильный отвод тепла, однако, конструктивные издержки сравнительно высоки, и это требует особых мер предосторожности, поскольку этот жидкостной контур проходит в непосредственной близости от токопроводящих статорных обмоток.
В связи с вышеизложенным в основу изобретения положена задача, предложить улучшенную концепцию охлаждения для генераторов ветроэнергетических установок описанного вначале рода.
Данное изобретение решает лежащую в его основе задачу для несущей конструкции статора описанного вначале рода тем, что эта несущая конструкция статора обладает признаками, приведенными в независимом пункте 1 формулы изобретения. Несущая конструкция статора содержит первую несущую пластину, вторую несущую пластину и образованную между обеими несущими пластинами полость, которая открыта радиально наружу, а также размещенную между обеими несущими пластинами перегородку, которая делит полость на первую секцию полости и вторую секцию полости, в частности, таким образом, что никакой воздух не может течь непосредственно из первой секции полости во вторую секцию полости. Далее, несущая конструкция статора имеет несколько первых проточных каналов, которые тянутся от первой несущей пластины непосредственно во вторую секцию полости, и несколько вторых проточных каналов, которые тянутся от второй несущей пластины непосредственно в первую секцию полости.
Данное изобретение основано на подходе, при котором с помощью перегородки создается принудительный радиальный поток воздуха из секции полости наружу. Воздух может также втекать в секции полости только через соответствующие связанные с ними проточные каналы. То есть воздух, который снаружи несущей конструкции статора набегает на первую несущую пластину, через проточные каналы, при шунтировании первой секции полости, течет непосредственно во вторую секцию полости, откуда он течет радиально наружу из несущей конструкции статора. Далее, воздух, который радиально снаружи несущей конструкции статора набегает на несущую конструкцию статора, например, течет со стороны первой несущей пластины радиально внутрь в первую секцию полости, и затем непосредственно через вторые проточные каналы отводится в сторону второй несущей пластины, без возможности прохождения через вторую секцию полости.
Такой вариант выполнения несущей конструкции статора из двух частей дает следующий эффект: несущая конструкция статора монтируется в статоре так, что ее открытое радиально наружу поперечное сечение с пропусканием потока связано с открытыми зазорами, проходящими в аксиальном направлении через несущую конструкцию статора, что, по существу, определяет две предварительно задаваемые ветви потока через статор. Первая ветвь потока предназначена для воздуха, который набегает на статор с первой стороны и входит в вентиляционные пазы статора. Воздух по этим вентиляционным пазам пропускается вплоть до той области, в которой размещена несущая конструкция статора, там проникает в первую секцию полости несущей конструкции статора, и мимо второй секции полости выдувается из вторых проточных каналов. Вторая ветвь потока предназначена для воздуха, набегающего на статор с первой стороны, причем воздух через первые проточные каналы проникает в несущую конструкцию статора, попадает непосредственно во вторую секцию полости, а оттуда направляется радиально наружу в вентиляционные пазы статора, откуда он затем снова выходит с второй стороны статора. Таким образом, с помощью предлагаемой изобретением несущей конструкции статора постоянно подается свежий охлаждающий воздух как на первую торцевую сторону статора со стороны набегания, так и во внутреннюю область статора, в том месте, где установлена несущая конструкция статора. Благодаря этому достигается значительное улучшение охлаждающей способности.
Несущая конструкция статора предпочтительным образом модифицирована за счет того, что проточные каналы размещены с равномерным распределением по периметру. Благодаря этому обеспечивается более равномерное распределение воздуха по статору во встроенном состоянии несущей конструкции статора.
В одном предпочтительном варианте выполнения первые проточные каналы расположены со смещением относительно вторых проточных каналов в окружном направлении несущих пластин. Альтернативно или дополнительно - предпочтительно первые и вторые проточные каналы размещены на одном диаметре делительной окружности.
В одном предпочтительном варианте выполнения первые и вторые проточные каналы имеют одинаковую площадь проходного сечения. Благодаря этому сопротивление потоку, которое испытывает первый из частичных потоков при втекании в статор, равно сопротивлению потоку, которое испытывает второй частичный поток при вытекании из несущей конструкции статора. Это поддерживает одинаково интенсивное образование потока в первой и второй секциях полости и поддерживает равномерное охлаждение статора при встроенной несущей конструкции статора.
Предпочтительно первые и вторые проточные каналы ориентированы параллельно продольной оси несущей конструкции статора. Благодаря этому обеспечиваются благоприятные параметры впуска.
Предпочтительно перегородка с помощью нескольких распорок опирается на первую и вторую несущие пластины. Благодаря этому улучшается механическая стабильность несущей конструкции статора, а перегородка надежно удерживается в позиции между обеими несущими пластинами. Эти распорки предпочтительно выполнены с возможностью создания завихрений внутри первой и второй секций полости, так что происходит более интенсивное распределение воздуха в окружном направлении внутри несущей конструкции статора. Это также благоприятно влияет на охлаждающую способность.
Выше данное изобретение, согласно первому аспекту, было описано в отношении собственно несущей конструкции статора. Согласно второму аспекту, данное изобретение дополнительно касается статора для генератора ветроэнергетической установки, в частности, для многополюсного низкооборотного синхронного генератора с кольцевым якорем.
Для такого статора указанная вначале задача решается тем, что он имеет пакет активной стали статора и несущую конструкцию статора, в которой закреплен этот пакет активной стали статора, причем этот пакет активной стали статора имеет первую радиальную область для размещения статорной обмотки, и соседнюю с ней вторую радиальную область, которая имеет множество вентиляционных пазов, которые открыты к первой торцевой стороне статора и к противоположной ей второй торцевой стороне статора, причем несущая конструкция статора выполнена по любому из вышеописанных предпочтительных вариантов выполнения согласно первому аспекту, и вентиляционные пазы в этой области несущей конструкции статора связаны с полостью несущей конструкции статора с обеспечением прохождения текучей среды.
В отношении преимуществ и некоторых предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого изобретением статора здесь предлагается отсылка к приведенным выше вариантам выполнения по первому аспекту данного изобретения. Охлаждающий воздух может входить в статор либо через вентиляционные пазы, либо через первые проточные каналы. Тот воздух, который входит в статор через вентиляционные пазы, в области несущей конструкции статора вводится в первую секцию полости и через вторые проточные каналы выходит из статора. Тот воздух, который входит в статор с помощью первых проточных каналов, в области несущей конструкции статора вводится во вторую секцию полости, а из нее в вентиляционные пазы, так что он из этих вентиляционных пазов выходит из несущей конструкции статора.
Вентиляционные пазы предпочтительно прерваны перегородкой, которая, если смотреть в аксиальном направлении, размещена между первой и второй несущими пластинами несущей конструкции статора. Особенно предпочтительно, если перегородка вентиляционных пазов и перегородка несущей конструкции статора размещены в одной плоскости. Предпочтительно это достигается за счет того, что перегородка вентиляционных пазов выполнена как часть перегородки несущей конструкции статора. Введение перегородки в вентиляционные пазы в плоскости перегородки несущей конструкции статора обеспечивает заданный характер потока, поскольку предотвращает циркуляционные потоки.
Предпочтительно генератор выполнен как генератор с кольцевым якорем. В соответствии с этим магнитно-активные области якоря и статора, а именно, в частности, пакеты активной стали статора размещены в кольцевой области вокруг воздушного зазора, который разделяет якорь генератора и статор. При этом генератор во внутренней области радиусом по меньшей мере 50% от среднего радиуса воздушного зазора свободен от магнитно-активных областей.
Генератор с кольцевым якорем может также характеризоваться тем, что радиальная толщина магнитно-активных областей, или - иначе говоря - магнитно-активной области, а именно радиальная толщина от внутреннего края якоря с выступающими полюсами до внешнего края статора, и, соответственно, от внутреннего края статора до внешнего края якоря генератора в случае внешнего якоря, меньше, чем радиус воздушного зазора, в частности, радиальная толщина магнитно-активной области генератора составляет меньше 30%, в частности, меньше 25% от радиуса воздушного зазора. Кроме того, или, альтернативно, генератор с кольцевым якорем может быть охарактеризован тем, что глубина, а именно аксиальная протяженность генератора меньше, чем радиус воздушного зазора, в частности, что глубина составляет меньше 30%, в частности, меньше 25% от радиуса воздушного зазора.
Кроме того, или, альтернативно, генератор с кольцевым якорем предпочтительно выполнен многополюсным, и имеет по меньшей мере 48, 96 или по меньшей мере 192 полюса ротора.
Согласно изобретению, под низкооборотным генератором понимается генератор со скоростью вращения 50 об/мин или менее, предпочтительно 30 об/мин или менее.
Данное изобретение было описано выше в отношении несущей конструкции статора, а также статора согласно первому и второму аспектам данного изобретения. В третьем аспекте данное изобретение касается, далее, генератора ветроэнергетической установки, в частности, многополюсного низкооборотного синхронного генератора с кольцевым якорем.
Данное изобретение решает указанную вначале задачу для генератора вышеописанного рода тем, что этот генератор имеет якорь генератора, в частности, выполненный как внешний ротор; статор, вокруг которого этот якорь генератора установлен с возможностью вращения; и несущую конструкцию статора, на которой закреплен статор, причем несущая конструкция статора выполнена по любому из вышеописанных предпочтительных вариантов, и/или причем статор выполнен по любому из вышеописанных предпочтительных вариантов.
В отношении преимуществ этих предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого изобретением генератора здесь предлагается отсылка к приведенным выше вариантам выполнения по первому и второму аспектам данного изобретения.
Предлагаемый изобретением генератор предпочтительно модифицирован таким образом, что он имеет несколько вентиляторов для создания потока воздуха через внутреннюю часть генератора. Эти несколько вентиляторов предпочтительно рассчитаны на то, чтобы всасывать воздух из внутренней части генератора и выдувать из генератора наружу. Поскольку эти несколько вентиляторов выполнены как всасывающие вентиляторы по отношению к внутренней части генератора, то предотвращается нежелательное образование температурного напора во внутренней части генератора, и, соответственно, по меньшей мере ограничивается его вероятность.
В одном предпочтительном варианте выполнения генератор имеет первую сторону, обращенную к ступице ротора, и противоположную ей сторону, обращенную от ступицы ротора, причем эти несколько вентиляторов размещены на второй стороне генератора, и особенно предпочтительно - размещены стационарно.
В предпочтительных вариантах выполнения несущая конструкция статора предпочтительно смонтирована на цапфе оси или на машинной раме в гондоле ветроэнергетической установки, и указанные несколько вентиляторов тоже смонтированы на цапфе оси и/или на машинной раме.
Предпочтительно предусмотрено множество вентиляторов, которые размещаются равномерно по периметру генератора, чтобы воздух всасывать из внутренней части генератора. В результате этого всасывания с первой стороны генератора, т.е. со стороны ступицы ротора воздух набегает на генератор, через определенные, согласно данному изобретению, проточные каналы и вентиляционные пазы входит в статор и снова выходит через соответствующие проточные каналы и вентиляционные пазы.
Данное изобретение в следующем аспекте касается ветроэнергетической установки. Данное изобретение решает указанную вначале задачу для ветроэнергетической установки тем, что она содержит генератор по любому из вышеописанных предпочтительных вариантов выполнения.
Данное изобретение будет подробно рассмотрено ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие пример предпочтительного выполнения изобретения. На чертежах представлено следующее.
Фиг. 1 - ветроэнергетическая установка согласно данному изобретению,
Фиг. 2 - несущая конструкция статора согласно одному предпочтительному примеру выполнения для ветроэнергетической установки по Фиг. 1,
Фиг. 3 - первый схематичный вид в разрезе несущей конструкции статора по Фиг. 1,
Фиг. 4 - второй схематичный вид в разрезе несущей конструкции статора по Фиг. 2,
Фиг. 5 - схематичный вид в разрезе статора и генератора для ветроэнергетической установки по Фиг. 1, и
Фиг. 6 - фрагмент статора по Фиг. 5.
На Фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 размещен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и кожухом 110 обтекателя. Ротор 106 при работе приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор в гондоле 104.
На Фиг. 2 показана несущая конструкция 1 статора, предусмотренная внутри гондолы 104 ветроэнергетической установки 100 по Фиг. 1. Несущая конструкция 1 статора имеет первую несущую пластину 3 и вторую несущую пластину 5. Обе несущие пластины 3, 5 находятся на расстоянии друг от друга и имеют между собой полость 7. В полости 7 размещена перегородка 9, которая делит полость 7 на первую секцию 7a полости и вторую секцию 7b полости.
В первой несущей пластине 3 предусмотрено несколько первых проточных каналов 11, которые проходят из первой несущей пластины 3 непосредственно во вторую секцию 7b полости. Набегающий воздух попадает через первые проточные каналы 11 непосредственно во вторую секцию 7b полости, но не в первую секцию 7a полости.
Вторая несущая пластина 5 имеет несколько вторых проточных каналов 13, число которых предпочтительно соответствует количеству первых проточных каналов 11, которые размещены на одинаковом диаметре делительной окружности со смещением относительно первых проточных каналов 11 и с распределением по периметру. Вторые проточные каналы 13 проходят от второй несущей пластины 5 непосредственно в первую секцию 7a полости, так что воздух, который радиально снаружи втекает в первую секцию 7a полости, непосредственно через вторые проточные каналы 13 попадает к второй несущей пластине 5, но не во вторую секцию 7b полости.
Предпочтительно перегородка 9 размещена эквидистантно между первой и второй несущими пластинами 3, 5. Перегородка 9 предпочтительно с помощью нескольких распорок 15 опирается на первую и вторую несущие пластины 3, 5 и особенно предпочтительно способствует повышению жесткости механической структуры несущей конструкции 1 статора. Распорки 15 предпочтительно предназначены для того, например, чтобы с помощью предусмотренных в них выемок в соответствующих секциях 7a, 7b полости обеспечивать завихрения потока для того, чтобы поддерживать распределение вдоль периметра втекающего и, соответственно, проходящего воздуха.
1
2
1
2
1
На Фиг. 2 обозначены первая ветвь S потока и вторая ветвь S потока, которые указывают оба возможных пути транспортировки воздуха через несущую конструкцию статора. В соответствии с ветвью S потока воздух от первой стороны 25 (Фиг. 4) может набегать на первую несущую пластину 3, откуда он через первые проточные каналы 11 попадает непосредственно во вторую секцию 7b полости, чтобы оттуда выйти радиально наружу из несущей конструкции 1 статора. Однако, воздух может попадать только в первую секцию 7a полости, поскольку он радиально снаружи втекает в несущую конструкцию 1 статора соответственно ветви S потока. Из первой секции 7a полости воздух может тогда через вторые проточные каналы 13 выходить к второй несущей пластине 5 и из несущей конструкции 1 статора к второй стороне. В то время как по первой ветви S потока свежий набежавший воздух транспортируется непосредственно во вторую секцию полости и, тем самым, в правую половину несущей конструкции статора, аналогичным образом воздух, который уже течет через статор, направляется в то место несущей конструкции статора радиально в первую секцию 7a полости, откуда он затем, обходя вторую секцию 7b полости, непосредственно через вторые проточные каналы 13 может выйти из несущей конструкции статора. Холодный воздух должен, таким образом, в каждом случае пройти только через один участок статора в аксиальном направлении, при регулировании за счет геометрии несущей конструкции статора. Другие детали, в том числе и для условий при монтаже несущей конструкции статора можно видеть на следующих чертежах.
2
На Фиг. 3 схематично показано размещение несущей конструкции 1 статора на статоре 10. Статор 10 является частью генератора 50, который размещен внутри ветроэнергетической установки по Фиг. 1. На Фиг. 3 показана в разрезе несущая конструкция 1 статора в плоскости, в которой лежит вторая ветвь Sпотока.
Статор 10 рядом с несущей конструкцией 1 статора имеет множество вентиляционных пазов 17, расположенных в области 33 (Фиг. 6) магнитной спинки статора и проходящих, по существу, аксиально через статор 10. Рядом с вентиляционными пазами 17 статор 10 имеет статорную обмотку 19.
Статор 10 окружен воздушным зазором 21. Вокруг статора 10 размещен якорь 52 генератора со своей роторной обмоткой 51. Якорь 52 генератора широко известным образом связан со ступицей ротора.
2
2
2
Пазы 17 внутри статора 10 прерваны перегородками 23. Между вентиляционными пазами 17 и секциями 7a, 7b полости в области несущей конструкции 1 статора возникает соединение с обеспечением прохождения текучей среды. Таким образом воздушный поток S, который набегает на статор 10 с первой стороны 25 от ступицы ротора, может через вентиляционные пазы 17 проникать в статор 10 и принимать тепловую энергию статорной обмотки 19. При достижении перегородки 23 воздушный поток S отклоняется радиально внутрь в первую секцию 7a полости, откуда он может выйти из несущей конструкции 1 статора и из статора 10, и при этом уже нагретый в первой половине статора 10 воздух воздушного потока S не сможет дополнительно проходить еще и мимо участков статорной обмотки 19 на другой стороне перегородки 23. Предпочтительно перегородка 23 размещена в той же плоскости, что и перегородка 9 несущей конструкции 1 статора. Особенно предпочтительно, если перегородка 23 является продолжением перегородки 9.
1
1
Как явствует из Фиг. 4, плоскость которой лежит в плоскости сечения первой ветви Sпотока, подобный процесс направления воздуха совершается для правой на Фиг. 3 и Фиг. 4 половины статора 10. Воздух может входить в статор 10 вдоль ветви Sпотока, однако, через первые проточные каналы 11 внутри несущей конструкции 1 статора вводится непосредственно во вторую секцию 7b полости, не имея возможности перед этим течь в первую секцию 7a полости. Оттуда воздух принудительно попадает радиально наружу в вентиляционные пазы 17, а оттуда к второй стороне 27 статора 10, где он выходит из статора 10. Из-за перегородки 23 воздух не может течь обратно из секции 7b полости встречно желаемому направлению потока, т.е. к ступице ротора, что надежно предотвращает циркуляционный поток с нагретым воздухом.
1
2
Как можно видеть на Фиг. 3 и Фиг. 4, предпочтительно по меньшей мере один вентилятор 29 связан с генератором 50. Этот вентилятор 29 предпочтительно предназначен для того, чтобы всасывать воздух из внутренней части генератора 50, так что создается пониженное давление, которое всасывает воздух вдоль ветвей S и S потока в статор 10 от ступицы ротора, т.е. от первой стороны 25 статора 10. Свежий охлаждающий воздух подается на статорную обмотку, во-первых, со стороны 25 при входе в вентиляционные пазы, а во-вторых, непосредственно за перегородкой 23, так что обе области статорной обмотки 19 перед перегородкой 23 и за ней аналогичным образом могут обеспечиваться свежим охлаждающим воздухом. Указанный по меньшей мере один вентилятор 29 предпочтительно закреплен на цапфе 31 оси.
1
2
1
2
На Фиг. 5 в качестве примера представлено расположение обоих воздушных потоков S и S. Воздух вдоль воздушных потоков S и S завихряется в секциях 7a, 7b полости опционально с помощью распорок 15. В остальном в отношении структур, которые можно видеть на Фиг. 5, делается отсылка к соответствующим компонентам на Фиг. 3 и Фиг. 4.
2
И, наконец, на Фиг. 6 для полноты картины представлен фрагмент торцевой стороны 25 статора 10. Статор 10 имеет первую радиальную область 33 для размещения статорной обмотки и радиально внутри соседнюю с ней вторую область 35, в которой выполнены вентиляционные пазы 17. Через эти вентиляционные пазы 17 ветвь S потока входит в статор 10, чтобы затем согласно Фиг. 3 - Фиг. 5 проходить через статор 10 насквозь.
Как наглядно следует из вышеприведенных пояснений к Фиг. 1 - Фиг. 6, данное изобретение предоставляет возможность высоко эффективного охлаждения для статоров, которые из-за их глубины, предпочтительно 0,5 м или более, особенно предпочтительно 1,0 м или более, при обычных концепциях охлаждения достаточно охлаждались бы только со стороны набегания, но вследствие промежуточного нагрева воздуха на стороне стекающего потока имело бы место большее выделение тепла. Хотя концепция охлаждения на примере данного варианта выполнения была показана для генератора с внешним ротором, следует понимать, что данное изобретение может использоваться и для генераторов с внутренним якорем.