[发明专利]在风力涡轮发电机中使用晶粒取向迭片

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机发电，具体涉及风力涡轮发电机。

背景技术

多种类型的发电机可以用于风力涡轮机进行发电。一种常用的发电机是旋转速度在1500转/分-3000转/分范围内的高速异步发电机。由于风力涡轮机的转子通常以20转/分的速度旋转，因此有必要使用变速箱将速度从20转/分提高到1500转/分。这样的变速箱容易出现故障而且使风力涡轮机的成本很高。

风力涡轮机使用的另一种发电机是低速直接驱动永磁发电机，其运行转速对应于转子叶片的转速。因此，当在风力涡轮机中使用低速直接驱动永磁发电机时不需要使用变速箱。用于风力涡轮机的低速直接驱动永磁发电机的额定输出功率在2-3MW时，直径为5-6米，重量为5吨。这样的发电机大小使其运输到安装位置很困难，特别是在离岸风力涡轮机的情况下。因此，如果出现故障，替换低速直接驱动永磁发电机是耗时和成本高的过程。

风力涡轮机的第一方面涉及发电机的效率。从而，因为功率输出增大，所以提高的功率效率可以提高风力涡轮机投资的收益率。

风力涡轮机的第二方面涉及发电机的可靠性。可靠性高的发电机系统提高风力涡轮机的可靠性，从而提高风力涡轮机的平均无故障时间(MTBF)。平均无故障时间的增长降低了维修成本并提高了单位时间的功率输出，这对风力涡轮机投资的收益率很重要。

风力涡轮机的第三方面涉及与将风力涡轮机部件运输到安装地点相关及与在故障时替换风力涡轮机部件相关的难点。

WO 00/60719公开了直接连接到风车的风轮主轴的低速发电机。发电机包括由多个定子模块组成的定子，定子模块具有多个单独的晶粒取向定子薄片，其可以单独地安装、修理和拆卸且相互独立。这表明安装风车方便、廉价，特别是在海上安装，因为发电机可以分为几个较小的单元运输，也便于在塔顶组装定子。通过发电机的后续修理和其他维护，可以不必使用大型起重机，使用一或二人操作的小型起重装置已经足够了。

发明内容

结合产生电功率的风力涡轮机可以实现本发明的一个或多个目的，风力涡轮机包括发电机和驱动发电机的风力涡轮机转子，其中发电机包括：

-包括至少两个定子极的发电机定子，其中每一极具有导线绕组，包括至少两个磁部件的发电机转子，其中发电机定子的至少一部分包含具有方向磁特性的金属，及

-其中所述发电机通过变速箱连接到风力涡轮机转子，其中在风力涡轮机运行期间变速箱用于相对于风力涡轮机转子的转速提高发电机的转速。

本发明特别有利于但是不限于通过在风力涡轮机的定子中应用具有方向磁特性的金属如铁来提高风力发电机功率效率。具有方向磁特性的金属可以是相当于称为晶粒取向定子薄片的晶粒取向铁迭片。具有方向磁特性的金属，如晶粒取向定子薄片，可以同时提高磁导率和降低铁损，从而提高发电机的效率。然而，效率的提高对于整个涡轮机只有0.3％-0.4％。使用晶粒取向迭片的额外投资约为5000欧元。

进一步的优点在于通过使用具有方向磁特性的金属减少铁损，减少定子和转子部件的发热，如作为转子的一部分的永磁体。通过降低永磁体的发热，可以避免磁体的磁场强度降低。磁体退化导致效率降低并最终要求替换退化的磁体，且有可能替换整个发电机。

此外，本发明特别有利于但不限于降低与以下问题相关的难度：将风力涡轮机的部件运输到安装位置，由于发电机尺寸减小在故障情况下替换风力涡轮机的部件。

在风力涡轮机运行期间发电机的预期转速是对应的风力涡轮机的转子转速的至少两倍，优选是风力涡轮机的转子转速的至少五倍，有可能是风力涡轮机的转子转速的至少十倍，甚至可能是风力涡轮机的转子转速的至少十五倍。

本发明的发电机可以是运行期间转速在30-1000转/的中速发电机，优选转速在45-750转/分的范围内，更优选转速在60-500转/分的范围内。当发电机的转速在30-1000转/分的范围内时，优点在于由于铁损低磁部件的发热保持较低。本发明的发电机可以是同步或异步发电机。

风力涡轮机的发电机包括具有多个定子环组件的定子环。定子环组件可以由具有方向磁特性的金属制成，如晶粒取向定子薄片。定子环由各个定子环组件构成有优点，这样可以利用具有方向磁特性的高磁导率金属。定子环可以通过堆叠多层定子环组件构成。

风力涡轮机的发电机转子可以包括至少两个永磁体磁部件，在未向风力涡轮机提供电功率期间磁体已经充分磁化。使用永磁体特殊的优点是发电机的输出功率能力独立于外部的电源。