Узел листового пакета

Изобретение относится к узлу листового пакета электрического генератора, в частности генератора безредукторной ветроэнергетической установки, а также к способу изготовления узла листового пакета. Технический результат - улучшение отвода тепла узла листового пакета. Узел листового пакета электрического генератора, в частности генератора безредукторной ветроэнергетической установки, содержит по меньшей мере один листовой пакет, по меньшей мере одну расположенную вокруг листового пакета обмотку. Между листовым пакетом и обмоткой расположено электрическое изоляционное средство. Изоляционное средство содержит композиционный материал для пропускания возникающего в обмотке тепла. При этом изоляционное средство содержит керамические частицы. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Данное изобретение относится к узлу листового пакета электрического генератора, в частности генератора безредукторной ветроэнергетической установки. Дополнительно к этому, данное изобретение относится к электрическому генератору, в частности, безредукторной ветроэнергетической установки, а также к ветроэнергетической установке. Кроме того, данное изобретение относится к способу изготовления узла листового пакета.

Полюсный наконечник обычно служит для направления магнитного поля и обеспечения выхода и распределения линий магнитного поля заданным образом. При этом такой полюсный наконечник состоит из материала с высокой магнитной проницаемостью. В электрических машинах, например в электрическом генераторе ветроэнергетической установки, полюсные наконечники расположены в статоре и/или в роторе генератора. Под полюсным наконечником в дальнейшем понимается листовой пакет полюсного наконечника, который для предотвращения или по меньшей мере для уменьшения вихревых токов выполнен из множества отдельных, изолированных друг от друга металлических пластин. То же относится к листовым пакетам статора, а именно, в частности, к перегородкам в статоре между канавками, в которых расположена обмотка.

Одна возможность увеличения мощности генератора безредукторной ветроэнергетической установки состоит в увеличении тока возбуждения, т.е. тока, который проходит через обмотку возбуждения и создает при этом магнитное поле. Это приводит к высокой температурной нагрузке расположенных на отдельных листовых пакетах полюсного наконечника обмоток и изоляции и может приводить поэтому к повреждениям за счет перегрева листового пакета полюсного наконечника. Для предотвращения таких повреждений для генераторов известно воздушное охлаждение, водяное охлаждение или комбинированное воздушно-водяное охлаждение. Такие известные решения имеют частично небольшую охлаждающую мощность или же за счет конструктивных изменений генератора являются очень дорогими и требующими больших затрат труда. В частности, расположение охлаждения на роторе синхронного генератора с явнополюсным ротором, применяемым в безредукторной ветроэнергетической установке, связано с большими конструктивными затратами. При этом катушки возбуждения распределены по окружности на отдельных сердечниках катушек.

Таким образом, задачей данного изобретения является устранение, по меньшей мере уменьшение по меньшей мере одной из указанных выше проблем. В частности, должна обеспечиваться возможность улучшенного отвода тепла узла листового пакета электрического генератора, в частности, безредукторной ветроэнергетической установки. По меньшей мере, должно быть предложено одно альтернативное решение.

Для решения этой задачи согласно изобретению предлагается узел листового пакета электрического генератора согласно пункту 1 формулы изобретения.

Такой узел листового пакета электрического генератора, в частности генератора безредукторной ветроэнергетической установки, имеет по меньшей мере один листовой пакет, в частности листовой пакет полюсного наконечника, по меньшей мере одну расположенную вокруг листового пакета обмотку и расположенное между листовым пакетом и обмоткой электрическое изоляционное средство. При этом изоляционное средство имеет для пропускания возникающего в обмотке тепла композиционный материал. Под композиционным материалом понимается в последующем материал из двух или более соединенных друг с другом материалов. При этом композиционный материал может содержать волоконный композиционный материал, который состоит из принимающей матрицы, а также усиливающего волокна. В качестве волокна можно применять, например, стекловолокно, арамидное волокно или природное волокно, такое как целлюлозное волокно. При этом волокна предпочтительно имеют форму плоской текстильной ткани, т.е. в виде нетканого материала. В качестве альтернативного решения волокна могут иметь также форму плетения или укладки. Матрица может содержать, например, термореактивный пластик, такой как искусственные смолы, эластомеры или термопластичные пластмассы. Предпочтительно, применяются эпоксидные смолы или полисилоксаны.

Узел листового пакета содержит листовой пакет и другие элементы. Листовой пакет может быть листовым пакетом полюсного наконечника ротора или листовым пакетом статора. Все пояснения, которые приводятся в связи с полюсными пакетами полюсных наконечников ротора, справедливы по смыслу также для листовых пакетов статора и наоборот.

Примером такого композиционного материала является пропитанная смолой бумага. При этом смола предпочтительно находится в так называемом В-состоянии, т.е. в состоянии, в котором материал, например, уже был подвергнут воздействию тепла, однако не был подвергнут заключительной обработке. Таким образом, смола еще способна вступать в реакции, и ее можно подвергать соответствующей дальнейшей обработке.

Кроме того, композиционный материал может содержать композиционный материал из частиц. Под композиционным материалом из частиц понимается в последующем композиционный материал, в матрице которого расположены частицы других элементов. Такие элементы могут быть, например, керамическими частицами, частицами тугоплавких или других металлов или частицами твердых сплавов.

Предпочтительными при применении такого изоляционного средства из композиционных материалов являются высокая электрическая изоляционная способность, а также хорошая теплопроводность.

Предпочтительно, изоляционное средство имеет бумагу, в частности арамидную бумагу, и другой расположенный на бумаге пропитанный смолой слой материала, в частности стеклохолст. При этом бумага и пропитанный в смоле слой материала образуют совместно композиционный материал. Такие изоляционные средства являются электрически не проводящими и служат тем самым для электрической изоляции. В противоположность этому они являются хорошо теплопроводными и могут тем самым по меньшей мере частично отводить возникающее в обмотке тепло, например, в листовой пакет. За счет дополнительного нанесения, например, пропитанного смолой стеклохолста предотвращаются, по меньшей мере уменьшаются, включения воздуха. При этом хорошее впитывающее действие холста создает оптимальное капиллярное действие, т.е. заполнение полых пространств. Дополнительно к этому, повышается прочность композиционного материала, а также создается прочное (внутреннее) клеевое соединение между изоляционной бумагой и примыкающим листовым пакетом.

За счет применения композиционного материала часть матрицы может проникать в небольшие поры и стыки, в частности в поры и стыки на поверхности листового пакета. За счет этого там предотвращаются включения воздуха и тем самым улучшается перенос тепла от обмотки в листовой пакет. За счет применения композиционного материала обеспечивается возможность создания достаточного количества матрицы, которое не может быть обеспечено с помощью лишь изоляционной бумаги.

Такой холст может иметь различные волокна. Предпочтительно, применяется стекловолокно. В качестве альтернативного решения можно применять также волокна из целлюлозы, полиамида, сложных полиэфиров, арамида и т.п. За счет применения такого холста можно удерживать очень небольшую общую толщину композиционного материала. Такой холст имеет толщину в диапазоне от нескольких микрон до 50-100 мкм. Такой тонкий материал приводит к повышению теплопроводности по сравнению с более толстыми материалами.

В качестве альтернативного решения в качестве изоляционного средства можно применять лак, на котором расположен лишь пропитанный смолой холст. При этом можно отказаться от бумаги. При этом предпочтительно, что за счет этого уменьшается толщина материала и тем самым повышается теплопроводность.

В другом предпочтительном варианте выполнения узла листового пакета согласно изобретению изоляционное средство содержит керамические частицы. Такие керамические частицы добавляются в материал матрицы в виде наночастиц. Керамические частицы поддерживают электрическую изоляцию, а также перенос тепла от обмотки, например, в листовой пакет. Керамические частицы улучшают также процесс заливки.

Такой снабженный керамическими частицами материал матрицы, в частности смола, наносится, например, на бумагу для повышения теплопроводности. При этом керамические частицы могут быть образованы, например, из оксида алюминия, карбида кремния, оксида циркония, диоксида кремния и т.п.

В качестве альтернативного решения или дополнительно к керамическими частицам в смолу может добавляться слюда, такая как, например, настоящая слюда, хрупкая слюда или искусственная слюда.

Согласно одному варианту выполнения предлагается, что по меньшей мере один листовой пакет имеет полностью или частично окружающее листовой пакет охлаждающее тело, при этом охлаждающее тело расположено между листовым пакетом и обмоткой. При этом образуется плотный тепловой контакт между охлаждающим телом и источником тепла, т.е. обмоткой, и источник тепла охлаждается непосредственно. Таким образом, тепло отводится перед возникновением перегрева с целью предотвращения за счет этого повреждений изоляции и обмотки. Тепло, которое возникает в листовом пакете, такое как, например, за счет вихревых токов и потерь в железе, может также попадать в охлаждающее тело и отводиться простым образом.

Предпочтительно, изоляционное средство расположено между обмоткой и охлаждающим телом. За счет этого охлаждающее тело, которое выполнено, например, из алюминия, электрически изолируется от обмотки, а тепло может направляться от обмотки в охлаждающее тело.

Такое охлаждающее тело предпочтительно выполнено с гладкой поверхностью. За счет этого можно отказаться в изоляционном средстве от слоя материала, такого как, например, бумага, и применять, например, пропитанный смолой холст.

В другом предпочтительном варианте выполнения узла листового пакета согласно изобретению охлаждающее тело имеет вводы, при этом вводы полностью или частично интегрированы в листовой пакет. Такая интеграция осуществляется, например, тем, что углы листового пакета снабжаются выемками и вводы предусмотрены в этих выемках, и тем самым эффективно используется сэкономленное за счет выемок место. Таким образом, вводы могут занимать место углов, соответственно, кромок листового пакета полюсного наконечника и тем самым могут быть интегрированы в форму узла листового пакета.

Предпочтительно, изобретение относится к электрическому генератору, в частности, безредукторной ветроэнергетической установки, содержащему ротор и статор. При этом ротор и/или статор имеет по меньшей мере один узел листового пакета. Ротор имеет роторный пояс и/или статор имеет статорный пояс, которые имеют каждый охлаждающий канал для транспортировки охлаждающей среды, в частности охлаждающей жидкости. При этом понятие роторный пояс обозначает окружное опорное кольцо ротора с заданным радиусом, которое несет листовые пакеты, а именно в данном случае листовые пакеты полюсных наконечников. Понятие статорный пояс обозначает соответственно окружное опорное кольцо статора с заданным радиусом, которое может называться также статорным кольцом.

При этом создаваемое преимущественно обмоткой тепло направляется, по меньшей мере частично, через изоляционное средство в листовой пакет и оттуда в охлаждающий канал. При этом через такой охлаждающий канал проходит поток охлаждающей жидкости, в частности воды с долей гликоля. При этом охлаждающий канал является частью замкнутого охлаждающего циркуляционного контура, в котором снова охлаждается нагретая от листового пакета за счет отвода тепла охлаждающая жидкость.

Согласно другому варианту выполнения ротор и/или статор электрического генератора содержит каждый по меньшей мере два листовых пакета. При этом каждый листовой пакет имеет охлаждающее тело или одно из охлаждающих тел, при этом все охлаждающие тела функционально соединены друг с другом по меньшей мере через один охлаждающий канал. При этом охлаждающее тело находится между листовым пакетом и обмоткой и тем самым непосредственно охлаждает листовой пакет.

Предпочтительно, ротор электрического генератора имеет аварийное воздушное охлаждение. При этом, например, в статорном куполе с помощью вентилятора в генератор нагнетается воздух, который может направляться, среди прочего, для охлаждения через воздушный зазор генератора между ротором и статором. При этом вентилятор в нормальном рабочем состоянии может работать возможно медленней. При отказе регулярной охлаждающей системы вентилятор включается на большую скорость вращения с целью подачи больше охлаждающего воздуха.

Дополнительно к этому, согласно изобретению предлагается ветроэнергетическая установка, содержащая электрический генератор согласно изобретению. При этом ветроэнергетическая установка содержит один соединенный по меньшей мере с одним охлаждающим каналом насос и радиатор, в частности наружный радиатор для обратного охлаждения охлаждающей среды. При этом насос нагнетает охлаждающую среду через охлаждающий циркуляционный контур. За счет этого охлаждающая среда направляется предпочтительно в противоточный охладитель, в котором охлаждающая среда охлаждается и через вводы снова нагнетается обратно в охлаждающий канал.

Предпочтительно, наружный радиатор расположен так, что он охлаждается естественным набеганием воздуха. Такой наружный радиатор находится в или на гондоле ветроэнергетической установки, предпочтительно по меньшей мере на одной наружной стороне гондолы или на или в обтекателе. При этом наружный радиатор предпочтительно имеет ребристые трубы или аналогичные ребрам охлаждающие элементы, которые имеют достаточно большую поверхность для обеспечения требуемого отвода тепла.

В качестве альтернативного решения можно применять для охлаждения также искусственный поток воздуха, например, с помощью вентилятора.

Кроме того, предлагается способ изготовления узла листового пакета согласно изобретению. При этом способ содержит следующие стадии:

- расположения композиционного материала на листовом пакете полюсного наконечника,

- расположения обмотки вокруг нанесенного композиционного материала,

- обработки композиционного материала, так что он проникает в выемки листового пакета и/или обмотки,

- затвердевания композиционного материала,

так что композиционный материал полностью или частично образует изоляционное средство для переноса тепла и электрической изоляции между листовым пакетом и обмоткой. При этом композиционный материал наматывают в предварительно нагретом состоянии на листовые пакеты, а затем предпочтительно весь генератор пропитывают, например, в смоле. За счет этого исключаются, по меньшей мере уменьшаются, включения воздуха. Генератор и/или ванна, в которой он пропитывается, имеет при этом температуру предпочтительно примерно 120-160°С, в частности примерно 150°С.

Предпочтительно, композиционный материал имеет пропитанную смолой бумагу и/или пропитанный смолой холст. За счет этого улучшаются свойства текучести смолы.

В другом предпочтительном варианте выполнения в композиционный материал добавляют керамические частицы. Они предпочтительно вводятся в смолу после или перед расположением композиционного материала на листовом пакете, предпочтительно намазываются аналогично пасте. За счет этого исключаются, по меньшей мере уменьшаются включения воздуха. Или же керамические частицы добавляются в композиционный материал заранее, в частности, вместе с матрицей.

Согласно другому варианту выполнения композиционный материал подвергают затвердеванию посредством тепловой обработки, предпочтительно посредством темперирования. В качестве альтернативного решения композиционный материал можно подвергать затвердеванию с помощью воздействия света.

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

фиг. 1 - ветроэнергетическая установка;

фиг. 2 - пример выполнения двух узлов листового пакета;

фиг. 3 - часть фиг. 2, в увеличенном масштабе;

фиг. 4 - разрез части фиг. 2.

На фиг. 1 в сильно упрощенном виде показана ветроэнергетическая установка, которая обозначена в целом позицией 100. Башня 12 несет гондолу 16 (альтернативно гондола может называться также машинным отделением). Гондола 16 установлена на верхней части башни 12 с применением азимутального подшипника (не изображен) так, что с помощью азимутальных приводов (также не изображены) можно осуществлять следование за направлением ветра. Переход между гондолой 16 и башней 12 закрыт юбкой 14 гондолы и тем самым защищен от влияния погодных условий.

Гондола 16 содержит также ступицу (не изображена), на которой установлены роторные лопасти 24. С помощью роторных лопастей 24 приводится во вращение ступица (вместе с обтекателем, передней частью гондолы 16). Это вращательное движение передается на ротор генератора, так что ветроэнергетическая установка 10 при достаточной скорости ветра создает электрическую энергию.

На фиг. 2 схематично показаны два узла листового пакета, а именно два узла 1 полюсного наконечника, содержащих каждый листовой пакет, а именно листовой пакет 11 полюсного наконечника, и обмотку 4, которые расположены на роторе 2. При этом от ротора 2 показана лишь часть. Ротор 2 имеет опорное кольцо, которое называется роторным поясом 3 и несет листовые пакеты 11 полюсных наконечников. Роторный пояс содержит не изображенный здесь охлаждающий канал. Для иллюстрации обозначено направление теплопроводности 5. В соответствии с этим возникающее в обмотке 4 тепло направляется через листовой пакет 11 полюсного наконечника в роторный пояс 3. Для отвода тепла применяется расположенный в роторном поясе 3 охлаждающий канал. Через охлаждающий канал проходит поток охлаждающей среды, который является частью охлаждающего циркуляционного контура. Оттуда нагретая охлаждающая среда нагнетается в противоточный охладитель и после переноса тепла снова нагнетается в охлаждающий канал.

На фиг. 3 показана часть фиг. 2, обозначенная позицией В, которая иллюстрирует в увеличенном масштабе зону узла 1 полюсного наконечника между полюсным пакетом 11 полюсного наконечника и обмоткой 4. Между обмоткой 4 и листовым пакетом 11 полюсного наконечника показан композиционный материал 10 в качестве примера изоляционного средства, которое имеет бумагу 7, холст 9 и смолу 8. При этом отдельные компоненты объединены в один конструктивный элемент, который может быть нанесен в виде пленки при установке узлов листовых пакетов, таких как узел 1 полюсного наконечника. При этом можно видеть, что смола 8 проникает в промежуточные пространства обмотки 4 и тем самым предотвращает, по меньшей мере уменьшает, включения воздуха. Также выравнивается поверхность листового пакета 11 полюсного наконечника, который состоит из отдельных листов полюсного наконечника (здесь не изображены).

На фиг. 4 показана часть узла 1 полюсного наконечника. На фиг. 4 показаны отдельные листы 6 полюсного наконечника, соответственно листовые пластины 6 листового пакета 11 полюсного наконечника. Дополнительно к этому, показаны обмотка 4, а также бумага 7, холст 9 и смола 8. Периметр листового пакета 11 полюсного наконечника и тем самым поверхности, показанные в разрезе на фиг. 4, не имеет за счет отдельных листовых пластин 6 гладкую поверхность. Между листами 6 полюсного наконечника могут возникать стыки или поры за счет неровностей кромок или же за счет небольшого смещения, за счет чего существует опасность включений воздуха и тем самым опасность плохой теплопроводности. Поэтому применяется бумага 7 и холст 9. Они имеют большую впитывающую способность, за счет чего достигается улучшенное капиллярное действие и прием большого количества смолы и доставки в показанном месте использования с целью проникновения в стыки и поры и предотвращения или уменьшения включений воздуха. В частности, холст может принимать и поставлять большое количество смолы.

На фиг. 3 и 4 показаны схематично соответствующие части из фиг. 2. Между фиг. 2, 3 и 4 могут возникать отклонения в деталях.

1. Узел (1) листового пакета электрического генератора, в частности генератора безредукторной ветроэнергетической установки (100), содержащий:
- по меньшей мере один листовой пакет (11),
- по меньшей мере одну расположенную вокруг листового пакета (11) обмотку (4),
- расположенное между листовым пакетом (11) и обмоткой (4) электрическое изоляционное средство,
при этом изоляционное средство содержит для пропускания возникающего в обмотке тепла композиционный материал (10),
при этом изоляционное средство содержит керамические частицы.

2. Узел (1) листового пакета по п.1, отличающийся тем, что изоляционное средство содержит бумагу (7), в частности арамидную бумагу, и дополнительный, расположенный на бумаге (7), пропитанный смолой (8) слой (9) материала, в частности, стеклохолст.

3. Узел (1) листового пакета по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один листовой пакет (11) имеет полностью или частично окружающее листовой пакет (11) охлаждающее тело, при этом охлаждающее тело расположено между листовым пакетом (11) и обмоткой (4).

4. Узел (1) листового пакета по п.3, отличающийся тем, что изоляционное средство расположено между обмоткой (4) и охлаждающим телом.

5. Узел (1) листового пакета по любому из пп.3 или 4, отличающийся тем, что охлаждающее тело имеет вводы, при этом вводы полностью или частично интегрированы в листовой пакет.

6. Электрический генератор безредукторной ветроэнергетической установки, содержащий ротор (2) и статор, при этом ротор (2) и/или статор имеет по меньшей мере один узел (1) листового пакета по любому из пп.1-5, и ротор (2) имеет окружное опорное кольцо (3) и/или статор имеет окружное опорное кольцо, которое имеет, соответственно, охлаждающий канал для транспортировки охлаждающей среды, в частности, охлаждающей жидкости.

7. Электрический генератор по п.6, отличающийся тем, что ротор (2) и/или статор электрического генератора содержит каждый по меньшей мере по два листовых пакета (11), при этом каждый листовой пакет (11) имеет, соответственно, охлаждающее тело, причем охлаждающие тела функционально соединены друг с другом по меньшей мере через один охлаждающий канал.

8. Электрический генератор по любому из пп.6 или 7, отличающийся тем, что ротор (2) имеет аварийное воздушное охлаждение.

9. Ветроэнергетическая установка (100), содержащая электрический генератор по любому из пп.6-8, функционально соединенный по меньшей мере с одним охлаждающим каналом насос и радиатор, в частности, наружный радиатор для обратного охлаждения охлаждающей среды.

10. Ветроэнергетическая установка по п.9, отличающаяся тем, что наружный радиатор расположен так, что он охлаждается естественным набеганием воздуха.

11. Способ изготовления узла (1) листового пакета по любому из пп.1-5, содержащий стадии:
- расположения композиционного материала (10) на листовом пакете (11),
- расположения обмотки (4) вокруг композиционного материала(10),
- обработки композиционного материала (10), так что он проникает в выемки листового пакета (11) и/или обмотки (4),
- затвердевания композиционного материала (10),
так что композиционный материал (10) полностью или частично образует изоляционное средство для переноса тепла и электрической изоляции между листовым пакетом (11) и обмоткой (4),
причем в композиционный материал (10) добавляют керамические частицы.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что композиционный материал (10) имеет пропитанную смолой бумагу (7) и/или пропитанный смолой холст.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что композиционный материал (10) подвергают затвердеванию посредством тепловой обработки, предпочтительно посредством темперирования.