ГЕНЕРАТОР ДЛЯ БЕЗРЕДУКТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
GENERATOR FOR DIRECT DRIVEN WIND POWER PLANT

Изобретение относится к генератору для безредукторной ветроэнергетической установки и к ветроэнергетической установке с таким генератором и способу возведения ветроэнергетической установки.
Безредукторные ветроэнергетические установки, в целом, хорошо известны. Они имеют аэродинамический винт, который, приводимый в движение ветром, непосредственно приводит в движение электродинамический ротор, непосредственно приводимый в движение ветром, который называется ротором, чтобы избегать неопределенности. Аэродинамический винт и ротор жестко соединены и вращаются с одинаковой скоростью. Поскольку аэродинамический винт в современных ветроэнергетических установках вращается относительно медленно, например, в диапазоне 5-25 об/мин, ротор также вращается соответственно медленно. По этой причине генератор в современной безредукторной ветроэнергетической установке является многополюсным генератором большого диаметра.
Недостатком этого типа большого генератора является то, что с ним трудно обращаться вследствие его размера и особенно трудно собирать. Его транспортировка может быть проблематичной вследствие его размера. Они имеют медные обмотки больших размеров, которые также делают их очень тяжелыми. Поддерживающие структуры должны быть спроектированы, соответственно, сложными.
Однако медь не имеет себе равных в качестве материала для электрической проводки в генераторе благодаря своим хорошим электрическим свойствам. В частности, не было другого материала, доступного в достаточных количествах, который предлагает высокий уровень электропроводности меди и с которым также относительно легко работать. Она также поддерживает свои свойства на протяжении всего температурного диапазона, встречаемого естественным образом на Земле, где ветроэнергетические установки могут быть сооружены или расположены. Ее высокая электропроводность означает, что возможно сооружать соответственно небольшие генераторы в подходящих местах.
Для настоящего времени характерен транспорт, который ограничивает размер генераторов. Особенно диаметр генератора, т.е. внешний диаметр генератора, равный 5 м, что является критичным размером для транспортировки генераторов. Соответственно, диаметр воздушного зазора, т.е. диаметр генератора в области воздушного зазора, соответственно, является небольшим. Воздушный зазор располагается между статором и ротором, и его диаметр приблизительно вдвое больше толщины статора - в случае внутреннего ротора, или вдвое больше толщины ротора - в случае ротора внешнего типа - меньше, чем общий диаметр генератора. Диаметр воздушного зазора весьма существенно влияет на эффективность и электрические характеристики генератора. Другими словами, необходимо стремиться к наибольшему возможному диаметру воздушного зазора. Соответственно, внешний статор или внешний ротор должен быть спроектирован, чтобы быть настолько тонким, насколько возможно, чтобы предоставлять возможность диаметру воздушного зазора в указанных внешних диаметрах около 5 м быть настолько большим, насколько возможно.
Возможно расширять генератор в осевом направлении, т.е. делать его длиннее. Посредством этого номинальная мощность генератора может быть эффективно увеличена с помощью того же диаметра воздушного зазора. Однако расширение его таким способом в осевом направлении ведет к проблемам с устойчивостью. В частности, если часть генератора за пределами воздушного зазора должна быть спроектирована настолько тонкой, насколько возможно, этот тип генератора с более длинной конструкцией может быстро достигать своих пределов устойчивости. Кроме того, обмотки являются очень тяжелыми, но, по существу, не могут содействовать механической устойчивости.
Целью этого изобретения является, поэтому, устранение, по меньшей мере, одной из вышеупомянутых проблем. Генераторы для безредукторных ветроэнергетических установок должны быть улучшены относительно рабочих характеристик, устойчивости и/или веса, в частности. Как минимум, должна быть предложена альтернативная конструкция для предыдущих решений.
В соответствии с изобретением предлагается генератор согласно п. 1 формулы изобретения. Этот тип генератора для безредукторной ветроэнергетической установки характеризуется статором и ротором. Статор и/или ротор имеют алюминиевые обмотки.
В соответствии с изобретением было признано, в частности, что алюминий несомненно является более плохим проводником, чем медь, но на основе его сравнительно низкого веса может, однако, быть выгоден для общей конструкции генератора.
Худшая электропроводность алюминия в сравнении с медью должна, прежде всего, быть компенсирована большим поперечным сечением соответствующих обмоток, что, изначально, приводит в результате к более высоким требованиям к объему. В отличие от этого, однако, алюминий значительно легче меди, так что генератор фактически легче в целом, несмотря на это. Этот более низкий вес может также накладывать меньшие запросы на требования к поддерживающим структурам, т.е. к механической структуре ветроэнергетической установки в целом, а также к механической структуре генератора. Это, в свою очередь, экономит вес и возможно объем.
Использование обмоток, изготовленных из алюминия, означает, в частности, что обмотки изготовлены из алюминия и демонстрируют естественные изолирующие свойства, в частности, изоляционный лак или т.п. Однако, в принципе, также существуют алюминиевые сплавы, которые принимаются в рассмотрение, которые, например, могут влиять на некоторые из характеристик алюминия, такие как его применимость, в частности, его гибкость. Решающим является то, что алюминий доступен как легковесный электрический проводник и формирует большую часть каждой обмотки. Не является проблемой наличие нескольких добавок или примесей, которые едва изменяют основную электропроводность или основной удельный вес алюминия. Алюминий должен быть решающим фактором для веса и электропроводности обмоток.
Предпочтительно предлагается то, что генератор должен иметь ротор внешнего типа. Это означает, что статор, а именно неподвижная часть, является внутренним, а ротор вращается вокруг него. Первым преимуществом этого является то, что диаметр может быть увеличен в принципе, поскольку, в принципе, ротору не нужно быть таким толстым, как статор. Соответственно, ротор требует меньше пространства между воздушным зазором и максимальным внешним диаметром, так что диаметр воздушного зазора может быть увеличен для данного внешнего диаметра.
Также необходимо учесть, что статоры зачастую проектируются с пластинчатыми сердечниками, которые снабжаются обмотками на стороне воздушного зазора. Такой пластинчатый сердечник статора может, в случае ротора внешнего типа, быть укрупнен во внутреннем направлении настолько, насколько требуется, т.е. по направлению к центральной оси генератора, и спроектирован с охлаждающими каналами и т.п. Здесь, в случае ротора внешнего типа присутствует обширное пространство для статора, так что проектирование генератора внешнего типа де-факто создает много пространства для статора.
Ротор, по меньшей мере, если он возбуждается независимо, конструируется полностью по-другому, а именно он, как правило, состоит из полюсов ротора, полностью оснащенных обмотками, которые соединяются на стороне, противоположной от воздушного зазора по отношению к поддерживающей структуре, а именно рубашке цилиндра. Если генератор имеет ротор внешнего типа, основные части полюсных наконечников проходят от воздушного зазора наружу, в слегка звездообразной формации наружу. Другими словами, доступное пространство увеличивается от воздушного зазора до поддерживающей структуры. Размещение обмоток для независимого возбуждения, следовательно, упрощается, поскольку доступно больше пространства, если используется ротор внешнего типа.
Следовательно, использование алюминия с дополнительным пространством для ротора внешнего типа объединяется с положительным эффектом, по меньшей мере, для обмоток возбуждения ротора.
Алюминиевые обмотки могут, следовательно, быть спроектированы для ротора полезным образом. Описанное дополнительное пространство для поддержки статора может аналогично быть использовано, чтобы предоставлять возможность использования алюминиевых обмоток в статоре. Статор может, например, предоставлять дополнительное пространство под обмотку для этого посредством увеличения в радиальном направлении. На диаметр воздушного зазора это не влияет. Даже возможное увеличение в магнитном сопротивлении в статоре может быть допустимо по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора. Если необходимо, более легкий ротор, который легче, чем медный ротор, вследствие использования легкого алюминия, может предоставлять возможность достижения более жесткой структуры для ротора, которая может предоставлять возможность уменьшения воздушного зазора, тем самым, предоставляя возможность снижения магнитного сопротивления.
Предпочтительно, предлагается генератор с диаметром воздушного зазора свыше 4,3 м. Это демонстрирует, что настоящее изобретение касается генераторов более крупных безредукторных ветроэнергетических установок.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления предлагается, что ротор внешнего типа используется в качестве типа генератора, в соответствии с чем ротор состоит из нескольких сегментов ротора в круговом направлении, в частности из 2, 3 или 4 сегментов ротора. В частности, сегменты ротора готовы к сборке на месте, когда ветроэнергетическая установка сооружается. Предпочтительно, однако, статор будет спроектирован как единое целое, а именно с непрерывной обмоткой для каждой фазы.
Используя алюминий в качестве материала обмотки, роторы, по меньшей мере, роторы в синхронном генераторе с независимым возбуждением, весят меньше и, следовательно, упрощают структуру, в которой собирается ротор. Даже используя два практически полукруглых сегмента ротора, генератор с диаметром более 5 м может быть изготовлен без превышения критического транспортного размера, равного 5 м. При использовании цельного статора такого ротора внешнего типа внешний диаметр статора, который соответствует приблизительно диаметру воздушного зазора, приблизительно равен критическому транспортному размеру, а именно 5 м. Ротор затем собирается на месте, когда дорожный транспорт больше не требуется. В этом случае точный размер генератора, а именно сегмента ротора, представляет лишь незначительную проблему. Теперь вес элемента является гораздо более важным. Однако вес может быть уменьшен посредством использования алюминия. Для того чтобы реализовать такую же абсолютную электропроводность с помощью алюминия вместо меди, требуется примерно на 50% больший объем обмотки, однако она при этом весит как половина соответствующей медной обмотки. Помимо увеличения в объеме, использование алюминия предоставляет возможность значительного снижения веса. Посредством использования сегментированного ротора больше не существует верхнего ограничения для объема, ротор может быть изготовлен более крупным, и это ведет - парадоксально - к ротору более легкого веса, поскольку теперь может быть использован алюминий.
Соответственно, преимущественно генератор проектируется как синхронный генератор с независимым возбуждением, и ротор имеет обмотки возбуждения, изготовленные из алюминия. Это, как описано, представляется особенно полезным для ротора внешнего типа, в частности, для сегментированного ротора внешнего типа, но может также быть полезно для внутреннего ротора.
Предпочтительно, генератор будет иметь номинальную мощность, по меньшей мере, 500 кВт, по меньшей мере, 1 МВт, в частности, по меньшей мере, 2 МВт. Этот вариант осуществления также подчеркивает, что изобретение, в частности, относится к генератору для безредукторной ветроэнергетической установки мегаваттного класса. Такие генераторы в настоящее время оптимизируются, а до настоящего времени алюминий не рассматривался в качестве материала для обмоток. Однако было признано, что использование алюминия может быть полезным и не должно быть ограничивающим или невыгодным по сравнению с медью. Даже если уже существуют генераторы с алюминиевыми обмотками, которые могли быть разработаны в отдельных странах в отдельные времена вследствие нехватки сырьевых материалов, это не дает никаких указаний или предложений для оснащения генератора в безредукторных ветроэнергетических установках мегаваттного класса алюминиевыми обмотками.
Предпочтительно, генератор проектируется как кольцевой генератор. Кольцевой генератор является формой генератора, в которой магнитноэффективная область размещается практически концентрически на кольцевой области вокруг оси вращения генератора. В частности, магнитноэффективная область, а именно ротора и статора, размещается только в радиально внешней четверти генератора.
Предпочтительный вариант осуществления предлагает то, что генератор проектируется как генератор с малым числом оборотов или как многополюсный генератор, по меньшей мере, с 48, по меньшей мере, 72, особенно, по меньшей мере, 192 полюсами статора. Дополнительно или альтернативно, благоприятно делать генератор шестифазным генератором.
Такой генератор должен быть спроектирован, в частности, для использования в современных ветроэнергетических установках. То, что он является многополюсным, означает, что он предоставляет возможность ротору работать с очень низкой скоростью, которая адаптируется к медленно вращающемуся аэродинамическому винту вследствие отсутствия зубчатых передач и особенно предпочтительно для использования с ним. Следует отметить, что наличие 48, 72, 192 или более обмоток статора влечет за собой соответственно высокую стоимость для обмоток. В частности, если такая обмотка является отчасти непрерывной, переход на алюминиевые обмотки является огромным шагом в развитии. Основные части статора, которые уже должны быть обмотаны, а именно пластинчатые сердечники, должны быть приспособлены к измененному требованию к пространству. Аналогично, податливость алюминия для таких обмоток должна быть повторно изучена, и если необходимо, должны быть разработаны алюминиевые сплавы, чтобы упрощать такие модифицированные обмотки. Модифицированный статор также должен быть пересмотрен с точки зрения его крепления в ветроэнергетической установке, в частности, к соответствующей опоре статора. При реализации, точки как механического, так и электрического соединения могут быть изменены, и это открывает возможность приспособления всей поддерживающей структуры к уменьшенному весу. В частности, использование ветроэнергетической установки, в которой генератор не располагается на основании машины или своем собственном фундаменте, в основном, ведет к необходимости полной повторной разработки конструкции гондолы ветроэнергетической установки, в случае фундаментальной модификации генератора, или имеет другие далеко идущие последствия.
Аналогично предлагается ветроэнергетическая установка, которая использует генератор, аналогичный описанному в соответствии, по меньшей мере, с одним из вышеупомянутых вариантов осуществления.
Также предлагается способ сооружения такой ветроэнергетической установки. Предпочтительно, сборка включает в себя ветроэнергетическую установку с генератором с отделяемыми внешними роторами. С этой целью предлагается сначала устанавливать статор генератора на башню, а именно на гондолу или на первую часть гондолы.
Ротор затем собирается на месте или в то же время поблизости от места, например на "мини-заводе". Ротор, собранный таким способом, затем устанавливается на башню с предварительно собранным статором, так что собранный ротор и статор, в сущности, формируют генератор.
Изобретение будет сейчас объяснено более подробно со ссылкой на примерные варианты осуществления.
Фиг. 1 показывает ветроэнергетическую установку в общем виде.
Фиг. 2 показывает генератор с ротором внутреннего типа в боковом разрезе.
Фиг. 3 показывает генератор с ротором внешнего типа в боковом разрезе.
Фиг. 4 схематично показывает двухполюсные наконечники ротора генератора с ротором внутреннего типа.
Фиг. 5 схематично показывает двухполюсные наконечники ротора генератора с ротором внешнего типа.
Фиг. 1 показывает ветроэнергетическую установку 100 с башней 102 и гондолой 104. Винт 106 с тремя лопастями 108 винта и обтекателем 110 втулки располагается на гондоле 104. Винт 106 приводится в действие ветром во вращательное движение и, тем самым, приводит в действие генератор в гондоле 104.
Фиг. 2 показывает генератор 1 с ротором внутреннего типа и с ним внешний статор 2 и внутренний ротор 4. Между статором 2 и ротором 4 находится воздушный зазор 6. Статор 2 поддерживается посредством колокола 8 статора на опоре 10 статора. Статор 2 имеет пластинчатые сердечники 12, которые включают в себя обмотки, бобины 14 для намотки которых показаны. Бобины 14 для намотки, в сущности, показывают обмоточные провода, которые выходят из одного паза статора и идут в следующий паз статора. Пластинчатые сердечники 12 статора 2 присоединяются к опорному кольцу 16, которое также может быть видно как часть статора 2. За счет этого опорного кольца 16 статор 2 устанавливается на один фланец 18 статора колокола 8 статора. Выше колокол 8 статора поддерживает статор 2. Кроме того, колокол 8 статора может предоставлять возможность предоставления охлаждающих вентиляторов, которые размещаются в колоколе 8 статора. Они предоставляют возможность нагнетания воздуха для охлаждения через воздушный зазор 6 для того, чтобы охлаждать область воздушного зазора.
Фиг. 2 также показывает внешнюю окружность 20 генератора 1. Из нее выступают только лапки 22 для удерживания, что, однако, является непроблематичным, поскольку они не присутствуют поверх всей окружности.
Частично показанная осевая шейка 24 прикрепляется к опоре 10 статора. Ротор 2 устанавливается на осевую шейку 24 через крепление 26 ротора. С этой целью ротор 2 прикрепляется к секции 28 втулки, которая также присоединяется к лопастям винта аэродинамического винта, так что лопасти винта, перемещаемые посредством ветра, могут вращать ротор 4 над этой секцией 28 втулки.
Ротор 4 также имеет основные части полюсных наконечников с обмотками 30 возбуждения. Часть полюсного наконечника 32 на обмотках 30 возбуждения может быть видна из воздушного зазора 6. На сторонах, противоположных воздушному зазору 6, т.е. на внутренней стороне, полюсный наконечник 32 с обмоткой возбуждения, которую он поддерживает, присоединяется к опорному кольцу 34 ротора, которое присоединяется вокруг него посредством опоры 36 ротора, прикрепленной к секции 28 втулки. Опорное кольцо 34 ротора является, в основном, непрерывной, сплошной секцией в форме рубашки цилиндра. Опора 36 ротора имеет многочисленные подпорки.
Можно видеть на фиг. 2, что радиальная протяженность ротора 4, а именно от опорного кольца 34 ротора до воздушного зазора 6, значительно уже, чем радиальная протяженность статора 2, а именно от воздушного зазора 6 до внешней окружности 20.
Кроме того, начерчена длина 38 груза, которая приблизительно описывает осевую протяженность колокола 8 статора до конца статора 2, повернутого от него, а именно бобины 14 обмотки. В этой структуре эта осевая длина груза является относительно длинной и показывает, как далеко статор 2 должен поддерживать себя за пределами колокола 8 статора. Благодаря внутреннему ротору 4 нет больше опоры или монтажного пространства для статора на стороне, отвернутой от колокола 8 статора.
Генератор 301 на фиг. 3 имеет ротор внешнего типа. Соответственно, статор 302 является внутренним, а ротор 304 является внешним. Статор 302 поддерживается центральной опорной структурой 308 статора на креплении 310 статора. Вентилятор 309 начерчен в опорной структуре 308 статора для охлаждения. Статор 302, следовательно, устанавливается центрально, что может значительно увеличивать устойчивость. Он может также охлаждаться изнутри посредством вентилятора 309, который является лишь примером для дополнительных вентиляторов. Статор 302 доступен изнутри этой структуры.
Ротор 304 имеет опорное кольцо 334 для ротора внешнего типа, которое присоединяется к опоре 336 ротора и поддерживается посредством нее на секции 328 втулки, которая устанавливается, в свою очередь, на подшипник 326 ротора на осевой шейке 324.
Вследствие, в сущности, обращенного размещения статора 302 и ротора 304 существует воздушный зазор 306 с большим диаметром, чем воздушный зазор 6 на фиг. 2 генератора 1 с ротором внутреннего типа.
Фиг. 3 также показывает благоприятное размещение тормоза 340, который может быть присоединен к ротору 304 посредством тормозного диска 342, присоединенного к ротору 304, если необходимо. В этом случае затянутый тормоз 340 дает в результате устойчивое состояние, в котором ротор 304 удерживается в осевом направлении с двух сторон, а именно с одной стороны в конце над подшипником 326 и с другой стороны над присоединенным тормозом 340.
На фиг. 3 также начерчена осевая длина 338 груза, которая также имеет среднее расстояние от опорной структуры 308 статора до опоры 336 ротора. Здесь расстояние между 2 опорными структурами статора 302 и ротора 304 значительно уменьшено по сравнению с осевой длиной 38 груза, показанной в генераторе с ротором внутреннего типа на фиг. 2. Осевая длина 38 груза на фиг. 2 также представляет среднее расстояние между двумя опорными структурами для статора 2 с одной стороны и ротора 4 с другой стороны. Чем меньше такая осевая длина 38 или 338 груза, тем больше устойчивость, которая может быть достигнута, в частности устойчивость к опрокидыванию между статором и ротором.
Внешний диаметр 344 внешней окружности 320 идентичен в обоих генераторах, показанных на фиг. 2 и 3. Внешняя окружность 20 генератора 1 на фиг. 2, следовательно, также показывает внешний диаметр 344. Несмотря на этот одинаковый внешний диаметр 344, в структуре на фиг. 3, которая показывает генератор 301 с ротором внешнего типа, возможно добиваться большего диаметра воздушного зазора для воздушного зазора 306 по сравнению с воздушным зазором 6 на фиг. 2.
На фиг. 4 показаны внешний статор 402 и внутренний ротор 404. Фиг. 4 показывает очень схематично основные части 432 двух полюсных наконечников с одним валом 450 и полюсным наконечником 452. Между двумя полюсными наконечниками 432, в частности, между двумя валами 450 существует пространство 454 для обмотки. Кабели для обмоток 430 возбуждения должны быть уложены внутрь него. Поскольку основная часть 432 каждого полюсного наконечника поддерживает обмотки 430 возбуждения, пространство 454 для обмотки должно, в сущности, принимать кабели от двух обмоток 430 возбуждения.
На основе того факта, что основные части 432 полюсных наконечников на фиг. 4 принадлежат внутреннему ротору, валы 450 полюсных наконечников 452 заканчиваются вместе, таким образом, пространство 454 для обмотки становится меньше. Это может вести к проблемам в размещении обмоток 430 возбуждения.
На фиг. 5 показаны внутренний статор 502 и ротор 504 внешнего типа. Фиг. 5 показывает аналогичный схематичный чертеж двух основных частей 532 полюсных наконечников, но, тем не менее, одного ротора внешнего типа. Здесь может быть видно, что валы 550 проходят от полюсных наконечников 552, так что пространство 554 для обмотки расширяется и, следовательно, формирует много пространства для укладки кабелей для обмоток 530 возбуждения.
Фиг. 5, особенно в сравнении с фиг. 4, иллюстрирует, что только с помощью ротора внешнего типа может быть создано значительно большее пространство 554 для обмотки, что благоприятствует использованию алюминия в качестве материала для обмоток. Использование иллюстрированного увеличения в абсолютном пространстве 554 для обмотки по сравнению с абсолютным пространством 454 для обмотки, с помощью ротора внешнего типа, как иллюстрировано на фиг. 5, также улучшает обслуживание и, в частности, сборку.
Кроме того, в соответствии с фиг. 4, пространство 456 для примыкающего соединения, присоединенное к валам 450, также сужается. В иллюстративных целях валы 450 также начерчены штрихами. Особенно проблематично то, как основные части полюсных наконечников и, таким образом, полюс ротора в целом, в основном, предоставляются и устанавливаются индивидуально. Поэтому пространство, в сущности, доступное в пространстве 456 для соединения, может быть трудно использовать.
Напротив, соответствующее пространство 556 для соединения больше в соответствии с фиг. 5 вследствие размещения в качестве ротора внешнего типа.
Следовательно, найдено решение, которое предлагает использование алюминия в генераторах. То, что изначально кажется как устаревшее обходное решение, которое специалист с доступом к меди отвергнет при конструировании современного генератора в ветроэнергетической установке, представляется полезным решением. Использование алюминия в генераторах может быть менее полезным, если используется внутренний ротор. Генераторы с внутренним ротором структурно ограничены своей конструкцией. Однако в генераторах с ротором внешнего типа технические условия генераторов задаются по-другому или конструируются фундаментально по-другому, что предоставляет возможность использования алюминия и является даже преимущественным.
Также следует отметить, что при вычислении ротора вычисление должно обычно быть основано на предварительно определенном радиусе r воздушного зазора. На основе этого радиуса воздушного зазора внутренний ротор внутренне ограничивается, поскольку полюсные валы, протяженность которых показана разметочными линиями 457 на фиг. 4, будут в противном случае встречаться в точке P, показанной на фиг. 4. Это ограничивает радиальные размеры внутреннего ротора. Если используется ротор внешнего типа, эти ограничения не существуют, поскольку валы расходятся наружу, как иллюстрировано разметочными линиями 557, следовательно, не встречаются и, следовательно, не ограничиваются в своих радиальных размерах. Таким образом, ротор внешнего типа особенно хорошо подходит для использования с алюминиевыми обмотками, которые требуют больше пространства для обмотки.
Предлагается использование алюминия для статора или ротора или для обоих элементов. В конструкции ротора внешнего типа допустим больший диаметр воздушного зазора, что предоставляет возможность и благоприятствует использованию алюминия.
Дополнительные преимущества заключаются в том, что стоимость алюминия ниже, и иногда обеспечивается лучший доступ к материалу, по меньшей мере, в конструкции ротора внешнего типа. Следовательно, допускается не использовать медь, по меньшей мере, в статоре или роторе. Хотя более высокий коэффициент заполнения объема может быть достигнут, в принципе, с помощью меди, это повышает цену, как при прямых затратах на медный материал, так, возможно, и в единицах стоимости конструкции и необходимой опорной структуры для тяжелой меди.