СЕГМЕНТНАЯ ПЛАСТИНА ДЛЯ ПАКЕТА ПЛАСТИН СТАТОРА, ПАКЕТ ПЛАСТИН СТАТОРА, А ТАКЖЕ ГЕНЕРАТОР И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ТАКИМИ СЕГМЕНТНЫМИ ПЛАСТИНАМИ
SEGMENT PLATE FOR STACK OF STATOR PLATES, STACK OF STATOR PLATES, AS WELL AS GENERATOR AND WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH SUCH SEGMENT PLATES

Данное изобретение касается сегментной пластины для пакета пластин статора генератора, с основной пластиной, которая имеет форму сегмента кольца, причем сегментная пластина имеет первый радиальный участок, в котором предусмотрены выемки для размещения статорной обмотки, а также имеет радиально соседний с первым радиальным участком второй радиальный участок, который образует сегмент магнитного ярма генератора. Данное изобретение касается также пакета пластин статора генератора ветроэнергетической установки, а также самого генератора ветроэнергетической установки и такой ветроэнергетической установки.
Ветроэнергетические установки широко известны. Они используются для того, чтобы преобразовывать энергию ветра в электрическую энергию с помощью электрического генератора. Для решения этой задачи центральным элементом в ветроэнергетических установках является генератор. Генератор содержит статор генератора и вращающийся относительно него ротор генератора, называемый также «якорем». Данное изобретение касается как ветроэнергетических установок и генераторов с внутренним якорем, так и генераторов с внешним якорем, причем следует понимать, что в случае внутреннего якоря ротор генератора вращается внутри в кольцевом статоре, тогда как в случае внешнего якоря ротор генератора вращается вокруг статора снаружи.
Статор генератора имеет статорную обмотку, в которой с помощью вращающегося ротора генератора индуцируется электрическое напряжение. Статорная обмотка уложена в пазах, которые в свою очередь предусмотрены в статоре, например, в стягивающем кольце сердечника статора.
Общеизвестно, что конструктивный узел, в котором располагается статорная обмотка, образован одним из нескольких пакетов пластин статора. Эти пакеты пластин статора образуются сегментными пластинами, которые укладываются рядом друг с другом в кольца и для образования шихтованных пакетов укладываются друг на друга.
Механическая нестабильность отдельных пластин при этом в уровне техники могла лишь частично компенсироваться тем, что эти пластины укладывались друг на друга в пакеты и соединялись друг с другом. На статоре до сих пор для фиксации пакетов пластин статора всегда должна предусматриваться опорная конструкция, как правило в виде сварной или литой конструкции, которая придает жесткость пакетам пластин статора.
Это обстоятельство обусловливает определенный объем собственного производства со стороны изготовителя ветроэнергетических установок, а также сравнительно высокие затраты и трудоемкость. Было признано, что здесь необходимы усовершенствования.
Немецкое патентное ведомство при проведенном поиске документов уровня техники выявило следующие публикации, раскрывающие ближайший уровень техники: DE 10 2008 063 783 A1 и EP 2 424 077 A2.
В основу данного изобретения положена, следовательно, задача, максимально преодолеть недостатки, выявленные в уровне техники. В частности, в основу данного изобретения положена задача, изыскать возможность снижения затрат на производство и эксплуатацию ветроэнергетических установок, не затрагивая механическую конструктивную целостность статора генератора ветроэнергетической установки.
Данное изобретение решает лежащую в его основе задачу за счет того, что предлагается сегментная пластина с признаками независимого пункта 1 формулы. В частности, данное изобретение предлагает, чтобы сегментная пластина имела соседний с вторым радиальным участком третий радиальный участок, который образует сегмент несущей структуры статора генератора. В частности, третий радиальный участок предназначен для того, чтобы в сочетании с третьими радиальными участками других сегментных пластин образовывать несущую структуру статора генератора. Данное изобретение при этом следует такому подходу, чтобы сделать излишней дополнительную внешнюю конструкцию благодаря тому, что пакеты пластин статора, выполненные из сегментных пластин, являются самонесущими, т.е. не требуют внешних монтажных деталей для обеспечения механической конструктивной целостности. Для этого сегментная пластина, прилегающая к области, которая должна формировать магнитное ярмо, расширяется радиально и имеет несущую структуру, повышающую стабильность шихтованного кольца, образованного из сегментных платин ярма.
Сегментная пластина согласно данному изобретению благоприятно модифицирована в отношении несущей структуры статора за счет того, что в третьем радиальном участке выполнено несколько стоек жесткости, причем стойки жесткости выполнены с возможностью восприятия сил сжатия, растяжения и касательных сил.
Далее, предпочтительно в третьем радиальном участке выполнено несколько проходных отверстий, которые приспособлены для проведения корреспондирующих стяжных элементов. Эти проходные отверстия расположены предпочтительно вдоль двух или более находящихся на расстоянии друг от друга линий дуги окружности, причем линии дуги окружности предпочтительно выполнены концентричными. Особенно предпочтительно в одном варианте выполнения с первой линией дуги окружности и второй линией дуги окружности располагать эти проходные отверстия на первой линии дуги окружности в окружном направлении со смещением относительно проходных отверстий на второй линии дуги окружности. Далее, предпочтительно эти проходные отверстия на своих соответствующих линиях дуги окружности расположены эквидистантно относительно друг друга. Такое расположение имеет следующее преимущество: сегментные пластины могут накладываться друг на друга с нахлестом, так что «места стыков» между сегментными пластинами, примыкающими друг к другу в плоскостях кольца, смещены относительно друг друга. В то же время такое эквидистантное, в частности, двухрядное или многорядное расположение проходных отверстий делает возможным аксиальное затягивание перекрывающих друг друга сегментных пластин. Созданное тем самым сцепление за счет трения между пластинами значительно повышает несущую способность пакетов пластин статора и способствует улучшению характеристик демпфирования акустических колебаний, которые производятся при эксплуатации ветроэнергетической установки.
Указанные стяжные элементы предназначены для того, чтобы прочно соединять друг с другом уложенные друг на друга сегментные пластины. Предпочтительно указанные стяжные элементы выполнены в форме резьбовых шпилек, болтов, натяжных тросов или т.п. Предпочтительно при затягивании с концевой стороны на стяжных элементах располагаются распределители давления, которые предназначены для того, чтобы, распределять зажимные усилия по как можно большей поверхности сегментных пластин. Эти элементы распределителя давления выполнены, например, в виде дисков, колец, сегментов колец, втулок или т.п. Далее, предпочтительно в третьем радиальном участке расположено несколько утонений материала или выемок между стойками жесткости. Эти утонения материала или, соответственно, выемки предпочтительно обеспечивают снижение веса.
Особенно предпочтительно, если стойки жесткости в третьем радиальном участке выполнены из материала такой же толщины, как и у основной пластины в первом и/или втором радиальных участках. Структура стоек жесткости получается предпочтительно посредством лазерной резки, водоструйной резки, чеканки или - особенно предпочтительно - штамповки.
Особенно предпочтительно такие выемки в первом радиальном участке, проходные отверстия и стойки жесткости в третьем радиальном участке выполнять соответственно путем штамповки основной пластины, причем в случае стоек жесткости области материала, соседние с выполняемыми стойками, вырубаются или удаляются чеканкой.
В одном предпочтительном варианте выполнения сегментной пластины стойки жесткости включают несколько первых стоек, которые ориентированы нерадиально. Под признаком «нерадиально» при этом понимается, что сегментная пластина изогнута вокруг средней оси, и указанные первые стойки соответственно образуют с проходящей через эту среднюю ось радиальной линией положения угол больше 0 градусов. Предпочтительно первые стойки ориентированы соответственно под знакопеременными углами нерадиально и образуют структуру фахверкового типа.
Далее, предпочтительно стойки жесткости включают несколько вторых стоек, которые ориентированы радиально. Такая радиальная ориентация при этом понимается по отношению к средней оси сегментной пластины.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения соседние первые стойки ориентированы относительно друг друга соответственно под углом, и проходные отверстия лежат каждое в точке пересечения направлений протяженности каждых двух соседних первых стоек. Другими словами, эти проходные отверстия лежат в вершине угла между соседними первыми стойками.
В другом предпочтительном варианте выполнения вторые стойки выполнены сужающимися в направлении средней оси или, соответственно, в направлении радиально внутренней стороны сегментной пластины.
Предпочтительно первые и вторые стойки выполнены таким образом, что по меньшей мере некоторые из первых и вторых стоек впадают друг в друга или пересекают друг друга. Таким образом реализуется плетеная несущая структура, которая объединяет в себе небольшой вес и высокую допустимую механическую нагрузку.
В частности, в тех вариантах выполнения, в которых между стойками выполнены выемки, эти стойки работают в то же время как ребра охлаждения, а выемки - как каналы охлаждения. Благодаря этому обеспечивается улучшенный отвод тепла из пазов, в которых размещена статорная обмотка, в направлении машинной рамы.
Данное изобретение было разъяснено выше со ссылкой на сегментную пластину. В другом аспекте данное изобретение касается пакета пластин статора для генератора ветроэнергетической установки. Данное изобретение решает лежащую в его основе задачу в отношении такого пакета пластин статора за счет того, что он выполнен с признаками независимого пункта 10 формулы изобретения. Данное изобретение предлагает, чтобы пакет пластин статора содержал множество сегментных пластин, причем несколько сегментных пластин расположены в одной плоскости рядом друг с другом так, что они вместе образуют кольцо из металлических пластин, и несколько сегментных пластин в этих образованных кольцах из металлических пластин уложены друг на друга таким образом, что вместе они образуют пакет пластин статора, причем этот пакет пластин статора имеет первый радиальный участок, в котором предусмотрено множество пазов для размещения статорной обмотки, причем эти пазы образованы предусмотренными в сегментных пластинах выемками, а также имеет соседний с первым радиальным участком второй радиальный участок, образующий магнитное ярмо генератора. Рядом со вторым радиальным участком пакет пластин статора имеет третий радиальный участок, который образует несущую структуру статора генератора.
Данное изобретение предусматривает также, что сегментные пластины выполнены согласно одному из вышеописанных предпочтительных вариантов осуществления.
После того, как данное изобретение было описано в отношении предлагаемого пакета пластин статора, в дальнейшем предлагается рассмотреть генератор согласно данному изобретению.
Генератор согласно данному изобретению решает обозначенную вначале основополагающую задачу тем, что он выполнен согласно признакам независимого пункта 12 формулы.
Данное изобретение предлагает, таким образом, генератор ветроэнергетической установки, в частности, медленно вращающийся синхронный кольцевой генератор, который имеет статор генератора, ротор генератора, установленный с возможностью вращения относительно этого статора, и машинную раму для закрепления статора генератора на ветроэнергетической установке, причем статор генератора содержит по меньшей мере один пакет пластин статора, в котором предусмотрено множество пазов, в которых размещена статорная обмотка. Статор генератора имеет по меньшей мере один пакет пластин статора, который выполнен согласно одному из вышеописанных предпочтительных вариантов осуществления и соответственно содержит предлагаемые изобретением сегментные пластины. Под медленно вращающимся генератором в смысле данного изобретения понимается генератор с номинальной частотой вращения 50 об/мин или менее.
И, наконец, данное изобретение касается в следующем аспекте ветроэнергетической установки, в частности, безредукторной ветроэнергетической установки, содержащей башню, гондолу, расположенную на этой башне поворотно, машинную раму, расположенную на гондоле, ступицу с несколькими роторными лопастями, в частности, тремя роторными лопастями, установленную поворотно на гондоле, и генератор для выработки электрической энергии, который имеет соединенный со ступицей ротор генератора и соединенный с машинной рамой статор генератора.
Предлагаемая изобретением ветроэнергетическая установка решает лежащую в основе изобретения задачу тем, что генератор выполнен согласно одному из вышеописанных предпочтительных вариантов осуществления.
Генератор предпочтительно выполнен как генератор с внутренним якорем или альтернативно как генератор с внешним якорем. Если генератор представляет собой генератор с внутренним якорем, то первый радиальный участок пакета пластин статора или, соответственно, сегментной пластины представляет собой радиально внутреннюю кольцевую область, тогда как третий радиальный участок представляет собой радиально внешнюю кольцевую область. В случае генератора с внешним якорем это обстоит совершенно иначе.
Данное изобретение в дальнейшем поясняется подробнее со ссылкой на прилагаемые чертежи на предпочтительном примере выполнения. На чертежах показано следующее.
Фиг. 1 ветроэнергетическая установка, схематичный вид в перспективе,
Фиг. 2 гондола ветроэнергетической установки по Фиг. 1 схематично, частично в разрезе,
Фиг. 3 в увеличенном масштабе фрагмент из Фиг. 2, и
Фиг. 4 схематичный вид сверху сегментной пластины для пакета пластин статора генератора ветроэнергетической установки по Фиг. 1 - Фиг. 3.
На Фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 установлен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и кожухом 110 обтекателя. Ротор 106 в рабочем режиме приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор 1 (Фиг. 2) в гондоле 104.
Гондола 104 показана на Фиг. 2 в разрезе. Гондола 104 поворотно смонтирована на башне 102 и общеизвестным образом приводится в действие посредством азимутального привода 112. В гондоле 104 тоже общеизвестным образом расположена машинная рама 110, которая несет на себе цапфу 114 оси.
Генератор 1 имеет статор 5 генератора, который посредством цапфы 114 оси закреплен на машинной раме 110 в гондоле 104. Данное изобретение не исключает другие возможные варианты осуществления, например, связать статор 5 генератора непосредственно с машинной рамой 110 или с соответствующим конструктивным узлом гондолы 104.
Генератор 1 по Фиг. 2 имеет ротор 3 генератора, который выполнен как внешний якорь. Альтернативно, рамками данного изобретения не исключаются возможные варианты осуществления ротора генератора, например, как внутреннего якоря.
Ротор 3 генератора без возможности проворачивания соединен со ступицей 106. Более детально конструкция статора 5 генератора показана на Фиг. 3. Статор 5 генератора содержит стягивающее кольцо 9 сердечника статора. Снаружи этого стягивающего кольца 9 сердечника статора вращается ротор 3 генератора, отделенный от него кольцевым зазором. Стягивающее кольцо 9 сердечника статора посредством двух опорных колец 7 закреплено в гнезде статора. Гнездо статора в свою очередь резьбовым соединением связано с цапфой 114 оси. Другие возможные варианты крепления статора 5 на машинной раме тоже подпадают под объем защиты данного изобретения.
Опорные кольца 7 представляют собой сравнительно тонкостенные пластины, которые, по существу, не оказывают влияния на несущую способность и механическую жесткость стягивающего кольца 9 сердечника статора. Вместо этого указанное стягивающее кольцо 9 сердечника статора рассчитывается как самонесущее.
Стягивающее кольцо 9 сердечника статора образовано из множества сегментных пластин 11, которые расположены рядом друг с другом с образованием колец 12 из металлических пластин и уложены друг на друга таким образом, что получается по меньшей мере один пакет 10 пластин статора.
Конструкция сегментной пластины согласно данному изобретению показана на Фиг. 4.
Показанная на Фиг. 4 сегментная пластина 11 имеет основную пластину 13. Сегментная пластина 11 сформирована в виде сегмента кольца, т.е. она проходит изогнуто по дуге окружности вокруг средней оси (не представлена). Сегментная пластина 11, на Фиг. 4 она показана как сегментная пластина внешнего якоря, имеет первый радиальный участок 15, в котором выполнено множество выемок 21. Эти выемки 21 предназначены для размещения статорной обмотки.
Рядом с первым радиальным участком 15 сегментная пластина 11 имеет второй радиальный участок 17, который образует сегмент магнитного ярма статора 5 генератора (Фиг. 1 - Фиг. 3).
Магнитное ярмо называют также магнитной спинкой якоря. Рядом со вторым радиальным участком 17 структура сегментной пластины 11 расширяется на третий радиальный участок 19. Третий радиальный участок 19 имеет множество проходных отверстий 23 для проведения стяжных средств, например, резьбовых шпилек, болтов, натяжных тросов и т.п.
В третьем радиальном участке 19 расположено множество стоек 24, 25 жесткости, которые усиливают сегментную пластину 11 и предназначены для того, чтобы в смонтированном состоянии усиливать пакет 10 пластин статора, а также стягивающее кольцо 9 сердечника статора, чтобы сделать их самонесущими. Стойки жесткости 24, 25 включают в себя множество первых стоек 24, которые ориентированы нерадиально. Первые стойки 24 образуют с соответствующими радиальными линиями R1, R2 положения угол α и, соответственно, угол β. Угол α по величине может быть равен углу β.
Вторые стойки 25, в отличие от первых стоек 24, ориентированы радиально. Предпочтительно вторые стойки 25 проходят в направлении (не представленной) средней оси, сужаясь. Среди первых стоек 25 имеются по меньшей мере несколько стоек 25b, которые выходят по меньшей мере в одну первую стойку 24, а также несколько стоек 25c, каждая из которых пересекает по меньшей мере одну первую стойку 24.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения стойки 24, 25 выполнены путем вырубки нескольких выемок 27 из основной пластины 13. Предпочтительно как выемки 21, так и проходные отверстия 23, и выемки 27 получаются при штамповке основной пластины 13.
Эти проходные отверстия 23 лежат предпочтительно в вершинах указанных углов α, β первых стоек 24 и, соответственно, ориентированы соосно в точках пересечения направлений протяженности каждых двух соседних первых стоек 24.
В то время, как показанный на Фиг. 1 - Фиг. 4 вариант выполнения явно ориентирован на генератор 1 с внешним якорем, следует понимать, что в духе данного изобретения в любом случае возможно использование также генераторов с внутренним якорем, при которых действуют те же принципы, что были описаны выше для генераторов с внешним якорем. Первый радиальный участок 15, имеющий выемки 21 для размещения статорной обмотки, расположен в этом случае, однако, не радиально снаружи, а радиально внутри на сегментной пластине 11. То же справедливо и для второго и третьего радиальных участков.