定子、发电机以及风力发电机组的制作方法

1.本实用新型涉及发电机技术领域，尤其涉及一种定子 、发电机以及风力发电机组。


背景技术：

2.对于采用成型线圈的中高压发电机，其绕组端部的散热能力是关键。为保证绕组端部良好的散热能力，可以在绕组端部灌注导热树脂，对绕组端部进行整体灌封。但是，导热树脂的散热能力有限，即使是导热系数较高的树脂，其导热系数也只能达到1 w/(m
·
k)~1.5 w/(m
·
k)，仍然无法满足绕组端部在较高电压等级下的散热需求。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例提供了一种定子 、发电机以及风力发电机组，能够满足中高压发电机在高功率下的散热需求。
4.第一方面，本实用新型实施例提供一种定子，该定子包括：铁芯；绕组，设置于铁芯，绕组在铁芯的轴向上的两端凸出铁芯设置并形成凸出部；灌封层，每个凸出部在轴向上背离铁芯的一侧包覆有灌封层，灌封层与铁芯之间间隔设置并形成有流体冷却通道。
5.在第一方面的一种可能的实施方式中，灌封层与铁芯之间的间隙大于200mm。
6.在第一方面的一种可能的实施方式中，灌封层与铁芯之间的间隙宽度与灌封层沿轴向的长度之间的比值大于1/8。
7.在第一方面的一种可能的实施方式中，铁芯在自身周向上间隔分布有多个安装槽，绕组包括多个线圈，每个安装槽内设置有线圈，线圈具有在铁芯的轴向上的两侧凸出铁芯设置的端部；端部上设置有第一防晕段以及与第一防晕段交叠设置的第二防晕段，第一防晕段沿轴向伸入安装槽内，第一防晕段的电阻率低于第二防晕段的电阻率；灌封层包覆第一防晕段与第二防晕段的交叠区。
8.在第一方面的一种可能的实施方式中，第一防晕段包括低阻带和/或低阻半导体防晕材料层，所述第二防晕段包括高阻带和/或高阻半导体防晕材料层。
9.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述灌封层包覆各所述线圈的端部在轴向上自所述交叠区向背离所述铁芯方向延伸的所有区域。
10.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述第二防晕段的长度大于80mm。
11.在第一方面的一种可能的实施方式中，第二防晕段包括依次交叠设置的多个子高阻防晕段，多个子高阻防晕段的电阻率在沿背离铁芯的方向上依次升高。
12.在第一方面的一种可能的实施方式中，各线圈的其中一个端部设置有导体连接线，灌封层包覆导体连接线。
13.在第一方面的一种可能的实施方式中，灌封层包括：环氧树脂、有机硅树脂或者聚氨酯。
14.第二方面，本实用新型实施例提供一种发电机，该发电机包括上文所述的定子。
15.第三方面，本实用新型实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括上文所述的发电机。
16.本实用新型实施例提供的定子，其绕组端部在轴向上背离铁芯的一侧包覆有灌封层，灌封层未与铁芯相连，而是与铁芯之间留有间隙，该间隙能够作为风冷散热通道，提高线圈端部的散热能力，满足其在较高电压等级下的散热需求。
附图说明
17.从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
18.图1为本实用新型实施例提供的定子结构示意图；
19.图2为图1中铁芯的结构示意图；
20.图3为图1中线圈的结构示意图；
21.图4为图1中沿o-o线的剖面图一；
22.图5为图1中沿o-o线的剖面图二。
23.附图标记说明：
24.100-定子；10-铁芯；11-安装槽；20-绕组；21-线圈；
25.21a-线圈的斜边端部； 21b-线圈鼻部；21c-交叠区；
26.21z-位于安装槽出口的线圈直线边；
27.21x-线圈斜边；211-第一防晕段；
28.212-第二防晕段；22-导体连接线。
具体实施方式
29.下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。
30.对于采用成型线圈的中高压发电机，绕组端部的散热能力是关键。为保证绕组端部良好的散热能力，可以在绕组端部灌注导热树脂，对绕组端部进行整体灌封。但是，导热树脂的散热能力有限，即使是导热系数较高的树脂，其导热系数也只能达到1 w/(m
•
k)~1.5 w/(m
•
k)，仍然无法满足中高压发电机工作在较高电压等级下的散热需求。
31.基于此，本实用新型实施例提供一种定子100，该定子100的绕组端部除灌注结构外，还设计有通风结构，能够对绕组端部进行通风散热，满足其在较高电压等级下的散热需求。
32.如图1-图4所示，本实用新型实施例提供的定子100包括铁芯10、绕组20和灌封层30。绕组20设置于铁芯10，绕组20在铁芯10的轴向上的两端凸出铁芯10设置并形成凸出部（即绕组端部）。每个凸出部在轴向上背离铁芯10的一侧包覆有灌封层30。
33.具体地，绕组20包括多个线圈21，铁芯10在自身周向上间隔分布有多个安装槽11，每个安装槽11内设置有线圈21，线圈21具有在铁芯10的轴向上的两侧凸出铁芯10设置的端部，多个线圈21的端部形成上述凸出部。
34.灌封层30可以是导热绝缘树脂，被灌封层30所包覆的绕组20，相当于是在绕组20自身绝缘结构的外部引入固体绝缘填充层，能够进一步提高绕组20外部绝缘层的电阻率和
导热率，使得绕组端部具有较好的绝缘性能和散热能力。
35.但是，由于灌封树脂是有机物，导热能力较差，一般是铜的1/100，严重影响散热，如果将线圈端部全部灌封的话，会将端部线圈之间的风道全部堵死，不利于线圈端部的通风散热。
36.其次，参看图4，线圈端部的通风通道主要在安装槽11出口位置，尤其安装槽11出口的线圈直线边21z通风量更佳，风路最为规矩，且无异形结构，风阻最小，相较之下，线圈斜边21x通风稍差。
37.因此，为了保留安装槽11出口的线圈直线边位置21z的通风通道，可使灌封层30与安装槽11的出口之间间隔设置并形成有流体冷却通道，即灌封层30在轴向上与铁芯10端部之间留有间隙，该间隙中有风穿过时，能够带走铁芯侧和绕组侧的热量。
38.如上所述，本实用新型实施例提供的定子100，其绕组端部在轴向上背离铁芯10的一侧包覆有灌封层30，灌封层30未与铁芯10连接，而是与铁芯10之间留有间隙，该间隙能够作为风冷散热通道，提高线圈端部的散热能力，满足其在较高电压等级下的散热需求。
39.为了保证风冷散热效果，灌封层与铁芯之间的间隙至少大于200mm，一般情况下，间隙越大则风冷效果越好。
40.对于被灌封层30包覆的线圈而言，其散热方式以热传导散热为主。为了保证风冷散热效果，灌封层30与铁芯10之间的间隙宽度与灌封层沿轴向的长度之间的比值应大于1/8，比值过小，容易使得热量累积在灌封层30散不出去，比值越大，说明风冷散热效果越好，容易将累积在灌封层30中热量散出去，本领域技术人员可以根据实际需要和试验数据确定风冷散热的比重，以确定灌封层30与铁芯10之间的间隙，此处不做限定。
41.根据本实用新型实施例，绕组端部被灌封层30包覆的部分线圈，由于其在自身绝缘结构的外部引入固体绝缘填充层，因此，能够消除该部分线圈周围的空气，避免空气电离，也就是说，可基于灌封层来解决线圈端部在较高电压等级下的防晕问题。
42.对于中高压发电机而言，定子线圈的防晕可分为安装槽部防晕和端部防晕，对于安装槽部防晕，线圈外侧包有低阻带，通过低阻带与铁芯相连接，增加其接触良好性，充分接触就可以让铁芯直线安装槽位置不出现槽放电，因此，安装槽部防晕的设计难度不是很大，仅是主绝缘厚度增强，以及低阻带即可满足场强要求。
43.但是线圈端部没有铁芯10，是与空气接触，线圈端部的导体部分电位依然是高电位，而且线圈端部存在着形变而引起的电场畸变，电场强度较高，容易发生电晕。
44.对于端部防晕，行业内一般低阻带加高阻带的防晕结构。
45.低阻带可沿轴向伸入铁芯10内，也可以理解为安装槽部线圈外侧的低阻带向端部外侧延伸，由于低阻带能够导电，根据法拉第电磁定律，通过包覆低阻带可将电场封闭屏蔽在低阻带内，低阻带表面均是等效接地，因此，线圈端部被低阻带包覆的部分不会发生电晕。
46.而在低阻带的末端，在线圈的斜边端部21a位置（参看图3），会有非常大的电场畸变，这个位置的电场强度非常大，会起电晕，所以一般在低阻带末端会进行重叠高阻带缠绕，这是因为高阻带是非线性半导电材料，在电压低的时候，导通量较少，在电压高的时候导通量较大，可以让表面电场呈现平缓的过渡，从而在低阻带末端到高阻带末端形成均匀的电场，达到防电晕的目的。
47.目前，在全球范围内，工程批量产品应用实践中，空冷下发电机的最高电压等级是24kv，氢冷是27kv，实验室试验样件可以做到30kv，所以当超过27kv以上时，采用现有低阻带加高阻带的防晕方式，就无法满足设计要求了，超过这个电压等级后，低阻带部分依然是接地电位，但低阻带和高阻带交叠位置无法满足电压下降梯度，没有办法将电压降下来。
48.基于此，参看图5，在本实用新型的一些实施中，可在线圈端部上设置有第一防晕段以及与第一防晕段交叠设置的第二防晕段，第一防晕段的电阻率低于第二防晕段的电阻率。
49.第一防晕段211和第二防晕段212包覆在线圈21的主绝缘层（图中未示出）外，该主绝缘层可包括云母带，例如，少胶云母带、中胶云母带或多胶云母带。主绝缘层的材料不受具体限制，主绝缘层的电阻率可低于第一防晕段211的电阻率。
50.第一防晕段211沿轴向伸入安装槽11内，第一防晕段211可包括低阻带和/或低阻半导体防晕材料层。该第一防晕段211可理解为安装槽部线圈外侧低阻带向端部延伸的部分，长度较短。低阻带可包括玻璃布和炭黑。具体地，低阻带可主要含铁石棉带和浸渍低阻半导体防晕材料的无碱玻璃纤维带。低阻带的电阻率可以在103ω
•
m至104ω
•
m的范围内。
51.第一防晕段211为低阻带时，能够导电，根据法拉第电磁定律，通过包覆低阻带可将电场封闭屏蔽在低阻带内，低阻带表面均是等效接地，因此，线圈端部被低阻带包覆的部分不会产生电晕。
52.而在第一防晕段211的末端，一般在线圈的斜边端部位置21a（参看图3），会有非常大的电场畸变，这个位置的电场强度非常大，会起电晕。可在第一防晕段211末端重叠缠绕第二防晕段212。第二防晕段212可包括高阻带和/或高阻半导体防晕材料层。高阻带可包括玻璃布或者纤维布、碳化硅或者其他半导体。
53.由于碳化硅等高阻材料具有非线形电阻特性，其电阻率随外施场强下降，即具有调节场强的能力，在电压低的时候，导通量较少，在电压高的时候导通量较大，可以让表面电场呈现平缓的过渡，从而在低阻带末端到高阻带末端（包含交叠区21c）形成均匀的电场，能够使线圈端部表面电位均匀分布，避免产生电晕。通常，高阻带的电阻率可以在108ω
•
m至10
12
ω
•
m的范围内。
54.但是，对于超高压发电机，比如，超过27kv这个电压等级后，低阻带部分依然是接地电位，但低阻带和高阻带交叠位置无法满足电压下降梯度，没有办法将电压降下来。为此，可在各线圈21的端部分别设置有灌封层30，灌封层30包覆第一防晕段211与第二防晕段212的交叠区21c，即，线圈端部的电场畸变程度较高的位置除交叠包覆低阻带和高阻带之外，还包覆有灌封层30。
55.由于灌封层30相当于是在线圈自身防晕结构的外部引入固体绝缘填充层，不仅能够提高线圈外部绝缘层的电阻率，而且能够消除线圈周围的全部空气，避免空气电离，因而在较高电压等级下也不会产生电晕。
56.为了同时达到既能通风冷却，又能防电晕的目的，发明人认为：
57.可保留安装槽11出口的线圈直线边位置21z的通风通道，使灌封层30与安装槽11的出口之间留有间隙，即不覆盖第一防晕段211的靠近安装槽11出口的部分，该间隙能够作为风冷散热通道，提高线圈端部的通风散热能力。进一步地，为了提高风冷散热所占的比例，可以适当增加灌封层30与铁芯10之间的间隙宽度，在保证防晕效果的前提下，将第一防
晕段211尽可能多地暴露在灌封层30外。
58.再次，考虑到线圈鼻部21b（参看图3）具有非常复杂的异形结构，导致线圈鼻部21b的电场分布也十分复杂，从设计原理来说，可通过将线圈鼻部21b灌封来解决其电晕问题，即将线圈端部全部灌封，灌封工艺也相对简单。
59.因此，在本实用新型的一些实施例中，可使灌封层30包覆各线圈的端部在轴向上自交叠区21c向背离铁芯10方向延伸的所有区域，如此，一方面，线圈端部在自交叠区21c向背离铁芯10方向延伸的所有区域均能够受到灌封层30的防晕保护，包括低阻带和高阻带的交叠区21c和线圈鼻部21b，在较高电压等级下均不会产生电晕；另一方面，线圈端部在安装槽11出口的线圈直线边21z和线圈斜边21x之间留有通风间隙，能够最大限度地、既解决防晕问题，又解决通风冷却问题。在一个实施例中，冷却气体流动方向如图4箭头所示，优选地，气流方向与线圈斜边21x在沿定子轴线（o-o线）剖面上的夹角范围为30度至80度，以保证风冷散热效果和电晕效果。
60.在一些可选地实施例中，参看图4和图5，第二防晕段212可在线圈端部呈局部包覆状态，第二防晕段212的长度可大于80mm，80mm约为第一防晕段211的长度范围，第二防晕段212的长度相对第一防晕段211较长时，能够有效抑制交叠区21c内的电场畸变强度。在一个实施例中，第二防晕段212的长度与第一防晕段211的长度比例值为1.2至2。
61.当然，第二防晕段212也可以在与第一防晕段211重叠后将线圈端部全部包覆起来，这样整个线圈端部可以均匀电场，不容易产生任何局部放电问题。
62.在一些可选地实施例中，第二防晕段212可包括依次交叠设置的多个子高阻防晕段，多个子高阻防晕段的电阻率在沿背离铁芯10的方向上依次升高，与仅使用一个高阻防晕段相比，这种分段防晕方式更加灵活，可使各防晕段之间的过渡更加缓和，线圈端部的表面电场也呈现平缓的过渡，避免产生电晕。
63.在一些可选地实施例中，各线圈21的端部上还可设置有与第二防晕段212交叠设置的第三防晕段，第三防晕段的电阻率低于第二防晕段212电阻率，也可以理解为低阻、高阻、低阻交替的布置形式。
64.由于被灌封层30包覆的线圈区域能够受到灌封层30的保护，因此，这部分区域对防晕层的要求可降低，并且，与高阻带相比，低阻带的价格更便宜，因此，在被灌封层30包覆的情况下，在高阻带之后继续采用低阻带的布置形式，能够在保证较高的防晕能力的同时，达到降低成本的目的。
65.在一些可选地实施例中，各线圈21的其中一个端部设置有导体连接线22，灌封层30包覆导体连接线22，能够提高导线连接线22位置在较高电压等级下的防晕能力。
66.根据本实用新型实施例，灌封层用树脂包括：环氧树脂、有机硅树脂或者聚氨酯。具体选用哪种树脂可以根据发电机的工作环境需求来确定，比如，对于工作在高温环境下的发电机，其灌封层可以选用有机硅树脂；对于工作在低温环境下的发电机，其灌封层可以选用聚氨酯树脂；对于工作在常温环境下的发电机，其灌封层可以选用环氧树脂。当然，也可以选用其他树脂，此处不做限定。
67.常见的用于发电机端部的灌封方式主要包括端部端口灌封和端部整体灌封。
68.端部端口灌封的位置为出铁芯槽口后的一小部分，约10mm-50mm高度范围内。
69.端部整体灌封的位置是沿轴向的端部整体。比如有的潜水艇电机、核潜艇电机、船
舰艇电机、水下或海底电机都有密封需求，一般都会浇筑或者灌封的密封处理。
70.与端部端口灌封和端部整体灌封不同，本技术是沿轴向的分段式灌封，
71.这种分段式灌封好处包括：
72.（1）降低材料用量，降低成本；
73.（2）端部灌封如果全部灌封，铁芯外径2米的定子，两个端部的灌封树脂用量预计超1吨，整台发电机一般才15-18吨附近，几乎达到了5%-7%的重量值，而分段灌封后，灌封重量占发电机总重就会下降，这对整机载荷设计有益，比如，对电机的强度要求降低，也不需要额外支撑结构。
74.（3）端部全部灌封，那么端部的冷却困难，通风量不足，导致端部发热严重，整台发电机温升较高，或者需要将铜电密选取十分低，而气体换热效率远高于有机材料，所以轴向留有风路空间，可以使发电机的热量更好的散出去，起到散热能力提升的作用。
75.本实用新型实施例还提供一种发电机，该发电机包括上文所述的定子。
76.本实用新型实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括上文所述的发电机。
77.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本实用新型实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本实用新型实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
78.以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路（asic）、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本实用新型实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom（erom）、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频（rf）链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
79.本实用新型实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型实施例的范围之中。

技术特征：
1.一种定子（100），其特征在于，包括：铁芯（10）；绕组（20），设置于所述铁芯（10），所述绕组（20）在所述铁芯（10）的轴向上的两端凸出所述铁芯（10）设置并形成凸出部；灌封层（30），每个所述凸出部在所述轴向上背离所述铁芯（10）的一侧包覆有所述灌封层（30），所述灌封层（30）与所述铁芯（10）之间间隔设置并形成有流体冷却通道。2.根据权利要求1所述的定子（100），其特征在于，所述灌封层（30）与所述铁芯（10）之间的间隙大于200mm。3.根据权利要求1所述的定子（100），其特征在于，所述灌封层（30）与所述铁芯（10）之间的间隙宽度与所述灌封层（30）沿所述轴向的长度之间的比值大于1/8。4.根据权利要求1所述的定子（100），其特征在于，所述铁芯（10）在自身周向上间隔分布有多个安装槽（11），所述绕组（20）包括多个线圈（21），每个所述安装槽（11）内设置有所述线圈（21），所述线圈（21）具有在所述铁芯（10）的轴向上的两侧凸出所述铁芯（10）设置的端部；所述端部上设置有第一防晕段（211）以及与所述第一防晕段（211）交叠设置的第二防晕段（212），所述第一防晕段（211）沿所述轴向伸入所述安装槽（11）内，所述第一防晕段（211）的电阻率低于所述第二防晕段（212）的电阻率；所述灌封层（30）包覆所述第一防晕段（211）与所述第二防晕段（212）的交叠区（21c）。5.根据权利要求4所述的定子（100），其特征在于，所述第一防晕段（211）包括低阻带和/或低阻半导体防晕材料层，所述第二防晕段（212）包括高阻带和/或高阻半导体防晕材料层。6.根据权利要求4所述的定子（100），其特征在于，所述灌封层（30）包覆各所述线圈（21）的端部在轴向上自所述交叠区（21c）向背离所述铁芯（10）方向延伸的所有区域。7.根据权利要求6所述的定子（100），其特征在于，所述第二防晕段（212）的长度大于80mm。8.根据权利要求6所述的定子（100），其特征在于，所述第二防晕段（212）包括依次交叠设置的多个子高阻防晕段，所述多个子高阻防晕段的电阻率在沿背离所述铁芯（10）的方向上依次升高。9.根据权利要求4所述的定子（100），其特征在于，各所述线圈（21）的其中一个端部设置有导体连接线（22），所述灌封层（30）包覆所述导体连接线（22）。10.根据权利要求1所述的定子（100），其特征在于，所述灌封层（30）包括：环氧树脂、有机硅树脂或者聚氨酯。11.一种发电机，其特征在于，包括根据权利要求1~10任意一项所述的定子（100）。12.一种风力发电机组，其特征在于，包括根据权利要求11所述的发电机。

技术总结
本实用新型公开一种定子、发电机以及风力发电机组，该定子包括：铁芯、绕组和灌封层；绕组设置于铁芯，绕组在铁芯的轴向上的两端凸出铁芯设置并形成凸出部；每个凸出部在轴向上背离铁芯一侧包覆有灌封层，灌封层与铁芯之间间隔设置并形成有流体冷却通道。本实用新型实施例提供的定子，在灌封层和铁芯之间留有风冷散热通道，能够提高线圈端部的散热能力，满足其在较高电压等级下的散热需求。在较高电压等级下的散热需求。在较高电压等级下的散热需求。


技术研发人员：李术林
受保护的技术使用者：北京金风科创风电设备有限公司
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/1