-
Die Erfindung betrifft eine segmentierte elektrische Maschine, ein Segment der elektrischen Maschine und die Montage der segmentierten elektrischen Maschine.
-
Bei einer segmentierten elektrischen Maschine ist beispielsweise deren ringförmiger Stator segmentiert. Eine Segmentierung des Stators und/oder des Läufers ist insbesondere bei großen elektrischen Maschinen vorgesehen. Als Beispiel für derartige Maschinen seien Generatoren für Windkraftanlagen, Gezeitenkraftwerke, Ringmotoren für Erzmühlen, oder Antriebe für Baumaschinen wie Bagger genannt.
-
Bei segmentierten elektrischen Maschinen, beispielsweise direktgetriebenen Windgeneratoren, stellt sich die Frage, wie die Segmentteilung zu wählen ist, wie die Segmentgrenzen konstruktiv gestaltet werden und wie eine einfache Montage der segmentierten Maschinen, insbesondere auch auf der Baustelle, erfolgen können.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist eine verbesserte Montage der segmentierten elektrischen Maschine bzw. ein verbesserter mechanischer Aufbau der Maschine bzw. des Segmentes.
-
Eine Lösung der Aufgabe ist beispielsweise bei einem Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gegeben.
-
Bei einer segmentierten elektrischen Maschine kann die Teilung des Ständers nach konstruktiven und/oder logistischen Gesichtspunkten gewählt sein. Auch elektrische Gesichtspunkte können Berücksichtigung finden, wenn z. B. nach dem mechanischen Zusammenbau der Segmente eine Wicklung über eine Teilfuge hinweg elektrisch geschlossen wird. Hierfür sind die Segmente auszurichten und Teilfugen z. B. über isolierende Beilagen auszufüttern, um mechanische Schwingungen, beispielsweise von Zähnen, zu vermeiden.
-
In einer Ausführungsform werden die Segmente mit einer Einschichtwicklung mit konzentrischen Spulen so ausgeführt, dass ein elektrisches Schließen der Wicklung über die Teilfuge hinweg nicht mehr notwendig ist. Eine hoch präzise Ausrichtung der Segmente und ein Ausfüttern von Teilfugen kann dann u. U. nicht mehr erforderlich sein. Die Segmentierung und Segmentteilung des Ständers kann abhängig von der betrachteten Fragestellung, abhängig oder unabhängig vom Läufer betrachtet werden. Dabei bezieht sich die Teilung auf die 360 Grad eines Vollkreises.
-
Die Segmentierung von Ständer und Läufer kann beispielsweise unter Berücksichtigung einer einfachen Montage bzw. eines einfachen Transports gemeinsam betrachtet werden. Unter dem Gesichtspunkt einer einfachen Endmontage, ggf. auch auf einer Baustelle (z. B. der Aufstellungsort einer Erzmühle), können Ständer- und/oder Läufersegmente mit verschiedenen einzelnen oder zusammenwirkenden Eigenschaften ausgestattet sein.
-
Die Montage auf einer Baustelle betrifft dabei beispielsweise auch eine Windkraftanlage oder auch ein Gezeitenkraftwerk. In einem Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine wird der Stator der elektrischen Maschine in Segmenten an den Betriebsort der elektrischen Maschine transportiert und der Stator am Betriebsort aus Segmenten zusammengesetzt. Die Montage des Stators erfolgt also nicht mehr in einer Fabrik. Ebenso wie der Stator kann auch der Läufer der elektrischen Maschine an deren Betriebsort aus Segmenten zusammengesetzt werden.
-
Bei der segmentierten elektrischen Maschine kann es sich sowohl um einen Generator als auch um einen Motor handeln. Beispielsweise handelt es sich bei der elektrischen Maschinen um dreiphasige elektrische Maschinen für ein Drehstromnetz. Insbesondere bei großen Bohrungsdurchmessern ist eine Segmentierung des Ständers vorteilhaft. Zur Erzeugung eines kompletten Stators einer dynamoelektrischen Maschine sind mindestens zwei Segmente notwendig. In diesem Fall würde jedes Segment einen Kreisbogen von 180° aufspannen. In anderen Ausführungsformen kann der Stator bzw. auch der Läufer mehr als zwei Segmente aufweisen um zu den 360° einer Ringform zu gelangen.
-
Die Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Entsprechend werden auch immer höhere Anforderungen an die zur Energiewandlung eingesetzten Komponenten gestellt. Dies hat beispielsweise zur Folge, dass Generatoren für Windkraftanlagen ein immer größeres Bauvolumen erfordern.
-
Mit zunehmender Leistungsklasse werden getriebelose Windenergieanlagen wettbewerbsfähig im Vergleich zu Anlagen, bei denen ein mechanisches Getriebe zwischen den vom Wind angetriebenen Rotorblättern und einem Synchrongenerator geschaltet ist. Hauptvorteil einer solchen getriebelosen Konstruktion ist der im Vergleich zu Windkraftanlagen mit Getriebe deutlich einfachere Aufbau. Durch die Einsparung des Getriebes werden weniger rotierende Maschinenkomponenten benötigt. Hieraus resultieren ein verminderter Wartungsaufwand und eine erhöhte Verfügbarkeit der Anlage.
-
Insbesondere sehr große Windkraftanlagen arbeiten in der Regel mit vergleichsweise niedrigen Drehzahlen. Bei einer getriebelosen Ausführung müssen derartige Anlagen daher mit sehr großen und schweren Generatoren ausgestattet werden. Der Durchmesser dieser Maschinen überschreitet hierbei leicht 4 oder 5 m. Durch die zunehmende Größe der Windkraftgeneratoren, die die höheren Leistungen dieser Anlagen zwangsläufig mit sich bringen, wird deren Montage immer schwieriger. Getriebelose Turbinen von Windkraft- oder auch Gezeitenkraftwerken stellen jedoch auch große Herausforderungen hinsichtlich Transport und Logistik.
-
Generatoren für getriebelose Windkraftanlagen können mit einem ringförmigen Läufer mit einer Hohlwelle ausgeführt werden, wobei auch der Stator des Generators in Umfangsrichtung in mehrere Segmente unterteilt sein kann. Einzelne Segmente der elektrischen Maschine weisen einen im Wesentlichen kreisbogenförmigen Querschnitt auf, wobei durch Anfügen eines oder mehrerer weiterer Segmente ein Stator oder Läufer ausgebildet wird.
-
In einer Ausbildungsform kann die geschlossene Ringform durch Trennen der Segmente voneinander wieder aufgehoben werden, was eine Reparatur der elektrischen Maschine erleichtern kann.
-
In einer Ausgestaltung weist das Segment eines Stators für jede Phase eines Drehstromsystems mindestens eine innerhalb des Segmentes geschlossene erste Spule auf. Vorteilhaft umfasst jedes Segment des Stators pro Phase (U, V, W) eines Drehstromsystems mindestens eine innerhalb des Segmentes geschlossene erste Spule, so dass sich mit jedem Segment ein Drehfeld erzeugen lässt. Die Spulen der einzelnen Segmente sind vollkommen unabhängig voneinander bestrombar. Hierdurch wird die Montage der elektrischen Maschine deutlich vereinfacht. Es müssen keine elektrischen Verbindungen zwischen den Spulen der verschiedenen Segmente realisiert werden. Eine elektrische Überbrückung der einzelnen Segmentgrenzen ist danach nicht erforderlich.
-
Nachfolgend werden Variationen für Segmente und Montageverfahren der elektrischen Maschine beschrieben, welche einzeln oder gemeinsam bei einer elektrischen Maschine zur Realisierung kommen können:
- • Bei der Aufteilung in Segmente wird die Teilung von Läufer und Stator annähernd gleich gewählt, d. h., Stator und Läufer weisen die gleiche Anzahl von Segmenten auf;
- • jeweils ein Stator- und Läufersegment werden paarig an einen Montageort ausgeliefert bzw. dort angeliefert; wobei der Luftspalt zwischen dem Statorsegment und dem Läufersegment werksseitig, also vor der Auslieferung eingestellt und über eine Transportsicherung fixiert ist, wobei die Transportsicherung nach der Montage der Segmente entfernt werden kann;
- • dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Transportsicherung erst nach vollständiger Montage der elektrischen Maschine entfernt wird; eine Transportsicherung ist ein Sicherungselement, wobei zur Sicherung auch eine Vielzahl von Sicherungselementen eingesetzt werden können.
-
In einer Ausführungsform ist ein radial außen liegendes Segment (Stator beim Innenläufer, Läufer beim Außenläufer) in der Teilung geringfügig größer als das innen liegende Bauteil ausgeführt, wobei bei der Montage zur vollständigen Maschinen zunächst die außen liegenden Segmente an ihren Flanschflächen in Umfangsrichtung bündig miteinander verbunden werden. Hierdurch kann eine Dichtigkeit nach Außen sichergestellt werden. Der auf diese Weise montierte äußere Ring wird über seine stirnseitigen Flanschflächen zu einer Welle hin zentriert und dann an Flanschflächen mit einer Tragstruktur verschraubt. Weisen die inneren Segmente einen einheitlichen und definierten Abstand zu den äußeren Segmenten auf, liegen auch diese nach der Ausrichtung des äußeren Rings zentrisch zur Welle. Ist die Teilung der inneren Segmente geringfügig kleiner als die der äußeren Segmente, kann das Risiko reduziert werden, dass es beim Ausrichten der äußeren Segmente zum Klemmen der inneren Segmente kommt. Die nach der Ausrichtung verbliebenen geringen Spalte zwischen den in Umfangsrichtung liegenden Flanschflächen der inneren Segmente können mit Blechen ausgefüttert werden. Die Bleche können hierfür beispielsweise verschraubbar sein. Der innere Ring wird an seinen stirnseitigen Flanschflächen mit einer weiteren Tragstruktur verbunden, wobei zum Abschluss der Montage die Transportsicherungen im Luftspalt zwischen Stator und Läufer entfernt werden. Um eine Abdichtung außen liegender Flanschflächen zu erhöhen, kann eine Gummidichtung oder ähnliches in der Flanschfläche positioniert sein.
-
Nach einer Montage der Segmente können Teilfugen im Blechpaket des Ständers nicht mehr zugänglich sein, was bedeutet, dass eine Ausfütterung des Spaltes zwischen zwei Segmenten, wie sie an der Flanschfläche der Segmente vorgenommen wird, im Bereich des Blechpakets an der dem Luftspalt zugewandten Seite nicht mehr möglich erscheint. Um hier auf eine Abstützung verzichten zu können, können die beiden an den Segmentgrenzen liegenden Zähne breiter als im inneren Bereich des Segments ausgeführt werden. Dadurch erhalten sie eine höhere mechanische Festigkeit und es kann auf eine Ausfütterung verzichtet werden. Die Zahnbreite der äußeren Zähne ist so zu wählen, dass weiterhin ein symmetrisches Drehstromsystem in den unterschiedlichen Strängen der Ständerwicklung induziert wird, wobei die Zahnbreite nicht beliebig gewählt werden kann, wenn keine Unsymmetrie zulässig ist.
-
Um die mechanische Stabilität an den Segmentgrenzen zu erhöhen können an Stelle von geblechten Zähnen auch massive Platten verwendet sein, die eine höhere mechanische Festigkeit als eine geblechte Struktur aufweisen. Um Verluste durch Wirbelströme in diesen Platten zu vermeiden, sind diese vorzugsweise aus elektrisch nicht leitfähigem Material auszuführen (z. B. Kunststoff). Um den magnetischen Fluss auch in ”massiven” Randzähnen weiterhin möglichst gut zu führen, kann ein Material eingesetzt werden, welches eine relative Permeabilität größer als Eins aufweist (z. B. gefüllter Kunststoff).
-
Die Teilung von Ständer und Läufer in einzelne Segmente kann gleich ausgeführt werden. Auch kann ein werkseitig eingestellter und durch Sicherungselemente gesicherter Luftspalt zwischen Läufersegment und Statorsegment geringer eingestellt sein, als ein Bemessungsluftspalt für den Betrieb der elektrischen Maschine. Bei der Montage zur vollständigen Maschinen werden zunächst die außen liegenden Segmente an ihren Flanschflächen in Umfangsrichtung bündig miteinander verbunden. Dadurch kann eine Dichtigkeit nach Außen erzielt werden. Der auf diese Weise montierte äußere Ring wird über seine stirnseitigen Flanschflächen zur Welle zentriert und dann an den Flanschflächen mit der Tragstruktur verschraubt. Durch Vergrößern des Luftspaltes werden die innen liegenden Segmente radial in Richtung Maschinenachse zu bewegt bis diese an den Stirnflächen miteinander in Kontakt kommen. Die Anbindung an die Tragstruktur erfolgt im Anschluss analog zu der des Außensegments (Zentrierung über stirnseitige Flanschflächen).
-
Mit dem geschilderten Montagekonzepten und den dargelegten Ausführungsdetails lässt sich eine segmentierte elektrische Maschine (beispielsweise ein direktgetriebener Windkraftgenerator) außerhalb der eigentlichen Fertigungsstätte, also beispielsweise unmittelbar am Ort der Errichtung der Windturbine, montieren. Dabei könnte auch auf die bei segmentierten elektrischen Maschinen übliche aufwendige Ausrichtung der Ständer- und Läufersegmente zueinander verzichtet werden. Die Ausrichtung ist durch die Ausgestaltung der gelieferten Elemente bzw. durch die Distanzelemente, welche auch für den Transport hilfreich sind, bereits im Wesentlichen vorgegeben. Bei einer geeigneten Ausführung der Ständersegmente kann ferner auf eine Ausfütterung der Teilfuge zwischen den jeweiligen Segmenten im Blechpaketbereich verzichtet werden.
-
Eine Vereinfachung der Montage von Segmenten der elektrischen Maschine am Aufstellungsort der elektrischen Maschine ergibt sich durch den Einsatz der obig bereits beschriebenen Sicherungselemente. Diese Sicherungselemente können auch Funktionen als Distanzelemente bzw. Transportsicherung wahrnehmen. Als ein Segment der elektrischen Maschine wird auch eine Kombination aus Läufersegment und Statorsegment bezeichnet. Dieses Segment weist das Läufersegment, das Statorsegment und zumindest ein Sicherungselement auf. Ein derartiges Segment wird im Folgenden auch als Teilmaschinensegment bezeichnet. Das Sicherungssegment sichert die Position des Läufersegments zum Statorsegment. Diese Position kann beispielsweise derart sein, dass durch diese bereits der Luftspalt zwischen Stator und Rotor festgelegt ist. Das Sicherungselement dient beispielsweise als Transportsicherung oder auch als Sicherung bei der Montage, was insbesondere bei Synchrongeneratoren mit Permanentmagneten Vorteile hat.
-
Das Teilmaschinensegment ist in einer Ausgestaltung derart ausgebildet, dass das Statorsegment eine kleinere Teilung als das Läufersegment aufweist.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist das Läufersegment in einer kleinern Teilung als das Statorsegment ausgeführt, was insbesondere einen Innenläufer betrifft. Der umgekehrte Fall ist bei einem Außenläufer vorteilhaft.
-
Durch eine unterschiedliche Teilung lässt sich die Montage erleichtern, da mehr Montagefreiräume vorhanden sind um den inneren Teil der elektrischen Maschine zusammenzubauen und zu befestigen.
-
Ist in einer Ausgestaltung des Teilmaschinensegmentes durch das oder die Sicherungselement/e das Läufersegment und Statorsegment derart zueinander positioniert, dass deren Abstand die Luftspaltdicke der elektrischen Maschine im Betrieb ist, so kann diese bereits in der Fabrik festgelegt werden, ohne dass größere Sorgfalt bzgl. einer unzulässigen Abweichung während der Montage der Segmente darauf zu richten wäre.
-
In einer Ausgestaltung des Segmentes (Teilmaschinensegmentes) sind durch das Sicherungselement Läufersegment und Statorsegment derart zueinander positioniert, dass der Abstand von Statorsegment und Läufersegment kleiner der Luftspaltdicke der elektrischen Maschine ist. Dies erschließt während der Montage mehr Platz für dieselbige.
-
Um die mechanische Stabilität von Statorsegment und/oder Läufersegment zu verbessern kann ein Endzahn dieser Segmente mechanisch verstärkt sein. Dies gelingt beispielsweise dadurch, dass ein Endzahn eines Segmentes im Vergleich zu weiteren Zähnen desselben Segmentes verbreitert ist. Dies trifft insbesondere auf geblechte Läufersegmente bzw. Statorsegmente zu.
-
Ein Endzahn kann alternativ dazu auch aus vollem Material, also ungeblecht, ausgeführt sein, um damit die Stabilität zu erhöhen. Ein für einen derartigen Endzahn verwendetes Material ist vorteilhaft elektrisch isolierend und weist einen Stoff auf, welcher weichmagnetisch ist.
-
Die beschriebenen Ausführungsvarianten einer elektrischen Maschine befördern ein einfaches und kosteneffektives Verfahren zur Montage der elektrischen Maschine am Aufstellungsort der elektrischen Maschine. Dieser Aufstellungsort ist beispielsweise in der Nähe einer Windkraftanlage oder auch in der Gondel der Windkraftanlage selbst. Dies hat den Vorteil, dass der Kran der zur Aufstellung der Windkraftanlage verwendet wird nicht derart auszulegen ist, dass er das ganze Gewicht des Generators tragen muss. Es kann also ein schwächerer (kleinerer) Kran verwendet werden, da nur die leichteren Teilsegmente des Generators in die Gondel zu heben sind.
-
Gemäß des beschriebenen Verfahrens kann der Fertigungsort an dem Wicklungen in die Nuten eines Stators der elektrischen Maschine eingebracht werden weit (z. B. mehrere Kilometer) von dem Fertigungsort entfernt sein an dem der Stator der elektrischen Maschine in seiner gesamten zylindrischen. Form entsteht.
-
Ein mögliches Fertigungsverfahren weist beispielsweise folgende Schritte auf:
- • Fertigung von Statorsegmenten, welche Nuten aufweisen;
- • Einbringen von Wicklungen und/oder Spulen in die Nuten;
- • Transport des Segmentes, welches bereits Wicklungen und/oder Spulen aufweist;
- • Montage eines zylinderförmigen Stators mit den Statorsegmenten; und
- • Verschaltung der Wicklungen und/oder Spulen der Vielzahl von Statorsegmenten einer elektrischen Maschine.
-
Ein derartiges Verfahren kann natürlich auch verschieden Zwischenschritte aufweisen, wie z. B. das Verbinden bzw. das Lösen von Statorsegment und Läufersegment mittels einer Transportsicherung.
-
Beim Verfahren zur Montage einer segmentierten elektrischen Maschine können in einer weiteren Ausgestaltung außen liegende Segmente an ihren Flanschflächen in Umfangsrichtung miteinander zu einem äußeren Ring verbunden werden, bevor dies für innen liegende Segmente geschieht um einen inneren Ring auszubilden. Der montierte äußere Ring wird über seine stirnseitigen Flanschflächen in Bezug zu einer Welle zentriert und dann an Flanschflächen mit einer Tragstruktur verschraubt, wonach der innere Ring an seinen stirnseitigen Flanschflächen mit einer weiteren Tragstruktur verbunden wird.
-
Ist der Luftspalt des transportfertigen Teilmaschinensegmentes kleiner als der für den Betrieb der elektrischen Maschine vorgesehene Luftspalt, können durch Vergrößern des Luftspaltes die innen liegenden Segmente radial in Richtung Maschinenachse bewegt werden, bis diese an den Stirnflächen miteinander in Kontakt kommen. Zur Abdichtung von Flanschflächen können Gummidichtungen verwendet werden. Dies ist insbesondere bei radial außen liegende Flanschflächen vorteilhaft.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erstes Segment; und
-
2 eine Kombination aus zwei Segmenten.
-
Die Darstellung gemäß 1 zeigt ein Segment 1, welches ein Statorsegment 3 und ein Läufersegment 5 aufweist. Hieraus ergibt sich ein Maschinenteilsegment, welches sowohl einen Teil des Läufers wie auch einen Teil des Stators aufweist. Mittels von Sicherungssegmenten 7 ist das Läufersegment 5 bezogen auf das Statorsegment 3 positioniert. Durch die Positionierung ergibt sich ein Luftspalt 9. Maschinenteilsegmente können derart kombiniert werden, dass sich hieraus eine elektrische Maschine 20 ausbilden lässt.
-
Die Darstellung gemäß 2 zeigt eine Kombination aus zwei Maschinenteilsegmenten, wobei dieser einen Winkel von 180° abdecken. Zur Ausbildung der Gesamtmaschine werden zwei weitere Segmente benötigt, die gemäß 2 in ihrer Fortführung lediglich durch Strichlinierungen angedeutet sind.
-
Das Statorsegment 3 weist Zähne und Nuten auf. Zähne 11, 13 sind nach 2 angedeutet. Dabei weist ein Endzahn 11 eine größere Breite auf, als ein nachfolgender Zahn 13. In den Nuten 12 befinden sich bereits die Spulen bzw. Wicklungen des Statorsegmentes. Durch Aneinanderreihung der Statorsegmente 3 lässt sich ein Statorring 23 ausbilden. Die Aneinanderreihung der Läufersegmente 5 ergibt einen inneren Ring 24. Die Ringe 23 und 24 sind zu einer Achse 27 zentriert. Diese Zentrierung besteht auch zu einer Welle 25 in der elektrischen Maschine 20. Die Statorsegmente 3 des äußeren Rings 23 sind über Flansche und deren Flanschflächen 22 miteinander verbunden. Die äußeren Flansche können vorteilhaft durch eine Gummidichtung 29 abgedichtet sein.