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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet elektrischer Maschinen, insbesondere Statoren für elektrische Maschinen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine und eine eine elektrische Maschine umfassende Windturbine.
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Stand der Technik
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Zum Optimieren der Leistung von elektrischen Maschinen ist es günstig, wenn zwischen dem Stator und dem Rotor ein kleiner mittlerer Luftspalt besteht. Um jedoch Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotor zu vermeiden, ist es erforderlich, alle Faktoren, die während der Herstellung oder des Betriebs eine Verkleinerung des Luftspalts verursachen können, zu berücksichtigen. Einer der Faktoren, die während des Betriebs eine Änderung des Luftspalts verursachen können, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Stator und dem Rotor.
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Bei einem direkt angetriebenen Windturbinengenerator mit einem Innenstator (mit Wicklungen) und einem Außenrotor (mit Permanentmagneten) ist zum Beispiel der Stator in der Regel wärmer als der Rotor, weil während des Betriebs in dem Stator mehr Verluste abgeführt werden als in dem Rotor. Die Temperaturdifferenz führt zu einer größeren Ausdehnung des Stators im Vergleich zum Rotor, was dann zu einem kleineren Luftspalt führt. Wenn der Statorkern nur an den Enden gestützt wird, liegt im mittleren Abschnitt eine größere Ausdehnung (und dadurch ein kleinerer Luftspalt) vor als an den beiden Enden.
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Deshalb wird der mittlere Nennluftspalt unter warmen Bedingungen normalerweise ausreichend groß eingestellt, um zu berücksichtigen, dass die Mitte des Kerns unter warmen Bedingungen einen kleineren Luftspalt als die Enden hat.
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Somit kann Bedarf an einer Art und Weise der Minimierung oder zumindest Verkleinerung des mittleren Luftspalts zwischen einem Rotor und einem Stator einer elektrischen Maschine bestehen.
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Kurzfassung der Erfindung
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Diesem Bedarf kann durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine eine Drehachse hat, die zwischen einem Antriebsende und einem Nichtantriebsende der elektrischen Maschine verläuft, wobei der Stator Folgendes umfasst: (a) einen röhrenförmigen Statorkörper, der mindestens eine Wicklung umfasst und bezüglich der Drehachse eine rotationssymmetrische Form aufweist, (b) ein erstes Trägerelement zum Stützen eines Antriebsendteils des Statorkörpers in einem vorbestimmten radialen Abstand von der Drehachse und (c) ein zweites Trägerelement zum Stützen eines Nichtantriebsendteils des Statorkörpers in dem vorbestimmten radialen Abstand von der Drehachse, wobei der röhrenförmige Statorkörper so geformt ist, dass sich bei Temperaturen, die einem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, ein radialer Abstand zwischen einem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse um ein vorbestimmtes Ausmaß von dem vorbestimmten radialen Abstand unterscheidet.
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Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Stator so geformt ist, dass der mittlere Abschnitt des Statorkörpers von dem Rotor weiter weg ist, wenn der Stator nicht in Betrieb ist, das heißt, der Stator nicht durch ihn durchfließende Ströme erwärmt wird. Dadurch bleibt Raum für eine Wärmeausdehnung bei Betriebstemperaturen ohne Gefahr zu laufen, dass der Luftspalt zu klein oder sogar geschlossen wird.
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Im vorliegenden Zusammenhang kann der Begriff „radialer Abstand zwischen einem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse“ insbesondere den radialen Abstand von der Drehachse zu der Fläche des Statorkörpers, die einem Rotor zugewandt sein soll, wenn der Stator in einer elektrischen Maschine angeordnet ist, bedeuten. Mit anderen Worten, der radiale Abstand, auf den oben Bezug genommen wird, wird von der gleichen Fläche aus gemessen, die den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator auf der Statorseite begrenzt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich bei Temperaturen, die einem Betriebszustand des Stators entsprechen, der radiale Abstand zwischen dem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse um weniger als ein vorbestimmtes Ausmaß von dem vorbestimmten radialen Abstand.
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Mit anderen Worten, bei Betriebstemperaturen liegt der radiale Abstand zwischen dem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse näher am vorbestimmten radialen Abstand oder entspricht diesem.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Querschnittsform des röhrenförmigen Statorkörpers bei Temperaturen, die dem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, im Wesentlichen eine Bogenform auf und bei Temperaturen, die dem Betriebszustand des Stators entsprechen, im Wesentlichen eine lineare Form.
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Mit anderen Worten, die Fläche des Stators, die dem Rotor zugewandt ist, ist bei Nichtbetriebstemperaturen gekrümmt und bei Betriebstemperaturen im Wesentlichen gerade.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegen Temperaturen, die dem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, unter 40°C, und Temperaturen, die dem Betriebszustand des Stators entsprechen, liegen über 60°C.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das vorbestimmte Ausmaß im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm.
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Diese Werte gelten für einen Stator für einen Windturbinengenerator nach dem Stand der Technik, bei dem der Durchmesser des röhrenförmigen Statorkörpers eine Größe von 10 m aufweisen kann.
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Bei anderen Generatorabmessungen sollte das vorbestimmte Ausmaß entsprechend eingestellt werden, um die vorteilhaften Auswirkungen der vorliegenden Erfindung, wie hierin dargelegt, zu erzielen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine Folgendes umfasst: (a) einen Stator gemäß dem ersten Aspekt oder irgendeiner der oben beschriebenen Ausführungsformen, und (b) einen Rotor, der zur Drehung bezüglich des Stators angeordnet ist.
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Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf dem gleichen Gedanken wie der oben beschriebene erste Aspekt und stellt somit eine elektrische Maschine mit einem erhöhten Wirkungsgrad aufgrund der Verkleinerung des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator während des Betriebs bereit.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Windturbine bereitgestellt, die eine elektrische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt umfasst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine ein direkt angetriebener Windturbinengenerator, der einen Innenstator und einen Außenrotor umfasst.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Gegenstände beschrieben worden sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Verfahrensansprüche beschrieben worden, während andere Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Vorrichtungsansprüche beschrieben worden sind. Ein Fachmann wird dem Obigen und der folgenden Beschreibung jedoch entnehmen, dass, wenn nicht anders angegeben, zusätzlich zu jeglicher Kombination von Merkmalen, die zu einer Gegenstandsart gehören, auch jegliche Kombination von Merkmalen, die andere Gegenstände betreffen, insbesondere Kombinationen von Merkmalen der Verfahrensansprüche und Merkmalen der Vorrichtungsansprüche, Teil der Offenbarung dieser Schrift ist.
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Die oben definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung gehen aus den im Folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispielen hervor und werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele erläutert. Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele ausführlicher beschrieben. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Stator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch. Es sei darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit den gleichen Bezugszahlen oder mit Bezugszahlen, die sich nur in der ersten Ziffer unterscheiden, versehen sind.
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1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Rotor 10 und einen Stator 20 umfasst, die auf einer Trägerstruktur 30 angeordnet sind. Die Zeichnung ist um die von der Antriebsendseite (DE-Seite) zur Nichtantriebsendseite (NDE-Seite) der Maschine verlaufende Drehachse A rotationssymmetrisch.
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Insbesondere umfasst der Rotor 10 einen Endteil 14 und einen zylindrischen Teil. Der Endteil 14 nimmt das Lager 32 auf der DE-Seite der Trägerstruktur 30 in Eingriff und bildet mit dem zylindrischen Teil im Wesentlichen einen rechten Winkel. Der zylindrische Teil umfasst eine Außenfläche 12 und eine Innenfläche 16. Mehrere Magnete 18 sind an der Innenfläche 16 zum Stator 20 weisend angeordnet. Der zylindrische Teil des Rotors 10 verläuft im Wesentlichen parallel zur Drehachse A.
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Der Stator umfasst einen röhrenförmigen Statorkörper 20 und mindestens eine Wicklung 22 und ist vorzugsweise als eine Schichtstruktur ausgebildet und an beiden Enden mittels jeweiliger Trägerelemente 24 und 26 an der Trägerstruktur befestigt. Eine (nicht gezeigte) drehbare Nabe ist mit dem Rotorendteil 14 verbunden und am Antriebsende DE mit einer (nicht gezeigten) Antriebseinheit, wie zum Beispiel einem Windturbinenschaufelrotor, verbunden. Die Antriebseinheit ist so mit dem Rotor 10 verbunden, dass eine Drehung der Antriebseinheit eine Drehung des Rotors 10 um den Stator 20 bewirkt und dadurch elektrische Ströme in den Wicklungen 22 des Stators 20 induziert.
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1 zeigt den röhrenförmigen Statorkörper 20 während des Betriebs der elektrischen Maschine, wobei die Temperatur des röhrenförmigen Statorkörpers 20 wesentlich höher (in der Regel ca. 60°C oder mehr) als in einem Nichtbetriebszustand ist. Wie in 1 gezeigt, ist die Fläche des röhrenförmigen Statorkörpers 20, die den Magneten 18 am Rotor 10 zugewandt ist, bei Temperaturen, die dem Betriebszustand entsprechen, im Wesentlichen gerade, so dass der Luftspalt zwischen dem Statorkörper 20 und den Rotormagneten 18 in der Axialrichtung im Wesentlichen gleichförmig ist. Mit anderen Worten, bei Statorbetriebstemperaturen und trotz der oben besprochenen Auswirkungen von Wärmeausdehnung ist der radiale Abstand zwischen der Trägerstruktur 30 und der (oberen) Fläche des röhrenförmigen Statorkörpers 20 in allen Axialpositionen zwischen der Antriebsendseite (am Trägerelement 24) und der Nichtantriebsendseite (am Trägerelement 26) des röhrenförmigen Statorkörpers im Wesentlichen gleich.
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Der im Wesentlichen gleichförmige Luftspalt wird durch derartiges Ausbilden des röhrenförmigen Statorkörpers erreicht, dass er die durch die gestrichelte Linie 21 gezeigte Form, das heißt, eine bogenförmige Gestalt, aufweist, wobei der mittlere Abschnitt des Statorkörpers (um ein vorbestimmtes Ausmaß) näher an der Drehachse A (und somit von den Rotormagneten 18 weiter entfernt) liegt als die Endabschnitte des Rotorkörpers. Die Differenz beim radialen Abstand am mittleren Abschnitt wird durch die Pfeile R1 und R2 angezeigt, so dass das vorbestimmte Ausmaß gleich R2 - R1 ist. Dieses vorbestimmte Ausmaß (oder die Differenz) hängt von der Größe und den Materialien, die beim Stator der elektrischen Maschine verwendet werden, ab. Bei einem modernen direkt angetriebenen Windturbinengenerator mit einem Statordurchmesser von bis zu ca. 10 m, kann die Differenz zwischen R1 und R2 in dem Bereich von 0,1 mm bis 5 mm liegen.
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Der Statoraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht Betrieb mit einem kleineren Luftspalt im Vergleich zu bekannten Statoraufbauten, die erfordern, dass dem Luftspalt eine Sicherheitsspanne zugefügt wird, um der Wärmeausdehnung des mittleren Abschnitts des Stators Rechnung zu tragen. Der kleinere Luftspalt führt wiederum zu einer effizienteren elektrischen Maschine.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und die Verwendung der Artikel „ein/e/er/es“ den Plural nicht ausschließt. Darüber hinaus können in Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Elemente kombiniert werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzumfang der Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollen.