-
Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem Stator, der in Umfangsrichtung betrachtet, mehrere Segmente aufweist, die mechanisch zusammengesetzt einen Stator ergeben, mit einem dreiphasigen Wicklungssystem, das in Nuten des Stators eingebettet ist.
-
Große dynamoelektrische Maschinen, wie z.B. Wind- und Gezeitengeneratoren mit Statordurchmesser von mehr als zwei bis drei Metern, weisen u.a. das Problem auf, dass der Stator, gegebenenfalls auch der Rotor nicht aus einem Stück gefertigt werden bzw. nicht in einem Stück transportiert werden können. Dazu ist es deshalb notwendig, die Komponenten in Segmentbauweise zu fertigen. Die Wicklung, die in einem segmentierten Stator eingelegt wird, sollte demnach in sich abgeschlossen sein. Aus fertigungstechnischen Gründen ist eine Überlappung einzelner Spulen über die Segmentgrenze hinaus nicht vorteilhaft, da die Montage dann vor Ort auf der Anlage durchgeführt werden muss und dort auch die erforderlichen elektrischen Prüfungen der Wicklung durchgeführt werden müssen. Dies erhöht den Montageaufwand erheblich.
-
Deshalb werden bevorzugt Ganzlochwicklungen mit q = 1 eingesetzt, da diese für die Fertigung besonders gut geeignet sind, die Spulenweite konstant ist und es zwischen den Segmenten des Stators zu keiner Überlappung der Spulen kommt.
-
Es ergibt sich hier jedoch aus elektromagnetischer Sicht das Problem, dass im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine Oberwellen des Luftspaltfeldes nicht reduziert werden können. Diese Oberwellen sind u.a. dafür verantwortlich, dass durch die Wicklung ein vergleichsweise großes Rastmoment (cogging torque) verursacht wird. Insbesondere bei langsam laufenden Generatoren muss jedoch das Rastmoment so gering wie möglich gehalten werden.
-
Bei einer Ganzlochwicklung mit q = 1 führen Oberwellen zu einer erheblichen Drehmomentenwelligkeit, was zu Geräuschen und zu Vibrationen im Stator und damit im Gehäuse und den angrenzenden Bauteilen führt.
-
Das angesprochene Rastmoment kann bei einer q = 1-Wicklung somit nur auf der Rotorseite gesenkt werden. Insbesondere bei einer Grundform eines Permanentmagneten in Form eines Quaders ist dies nicht so einfach und ohne Weiteres möglich. Bei Verwendung quaderförmiger Permanentmagnete gibt es bekanntlich zwei Methoden, die in der Praxis bevorzugt eingesetzt werden. Zum einen wird ein Polversatz der Permanentmagnete gewählt zum anderen wird eine Staffelung der Permanentmagnete auf dem Rotor in axialer Richtung herbeigeführt.
-
Eine weitere Möglichkeit das Rastmoment auf der Rotorseite zu beeinflussen, ist die Optimierung der Geometrie der Permanentmagnete. Diese Methode der Reduzierung der Rastmomente, insbesondere verbunden mit dem Polversatz der Magnete oder einer Staffelung der Magnete auf dem Rotor, reduziert das Rastmoment ganz erheblich. Nachteilig dabei ist jedoch, dass der Rotor unsymmetrisch gefertigt werden muss und/oder die Permanentmagnete aufwändig nachbearbeitet werden müssen.
-
Die aufgeführten Möglichkeiten zur Reduktion der Rastmomente verursachen auf jeden Fall einen erhöhten Fertigungsaufwand bei der Herstellung der dynamoelektrischen Maschine in dieser Leistungsklasse.
-
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, insbesondere für die Leistungsklasse ab einem Megawatt wie z.B. Windkraftgenerator, bei der das Rastmoment gegenüber herkömmlichen Maschinen reduziert wird, bei einfacher Herstellung des Rotors.
-
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere Windkraftgeneratoren mit einem Stator, der in Umfangsrichtung betrachtet mehrere Segmente aufweist, die mechanisch zusammengesetzt den Stator ergeben, mit folgenden Merkmalen:
- – jedes der Segmente weist zumindest drei Spulen oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf,
- – in Nuten des Stators ist ein dreiphasiges Wicklungssystem (U, V, W) angeordnet,
- – einen Rotor, der mit Permanentmagneten magnetische Pole ausbildet,
- – das Wicklungssystem ist als Einschicht-Bruchlochwicklung ausgebildet, derart, dass die Rastmomente der dynamoelektrischen Maschine reduziert sind,
- – die Spulen unterschiedlicher Segmente weisen identische Spulenweite auf, wobei die Spulenweite die Entfernung der beiden Nuten darstellt, in denen sich der Hin- bzw. Rückleiter einer Spule befindet,
- – ein Segment des Stators erstreckt sich über sechs Nuten oder ganzzahlige Vielfache davon,
- – zumindest ein Segment weist nur Spulen zweier unterschiedlicher Phasen (U, V, W) auf.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wicklungssystems der dynamoelektrischen Maschine lassen sich nunmehr allein auf Seiten des Stators die Rastmomente erheblich reduzieren oder gar kompensieren. Es entfällt somit eine aufwändige Bearbeitung der Permanentmagneten und/oder des Rotors, bzw. die genaue Positionierung der Permanentmagnete auf oder im Blechpaket des Rotors.
-
Vorteilhafterweise weisen dabei alle Spulen des Wicklungssystems die gleiche Spulenweite auf. Das vereinfacht die Montage. Pro Segment ist dabei die Wicklung weiterhin in sich abgeschlossen, so dass keine der Spulen Hin- Und Rückleiter in unterschiedlichen Segmenten besitzt. Damit kann eine Wicklungseinheit – also die Spulen eines Segments – im Werk montiert, getränkt und mechanisch und elektrisch geprüft werden.
-
Ein Segment des Stators weist vorteilhafterweise zumindest sechs Nuten oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf, so dass nunmehr mit der jeweiligen Spulenweite der Spulen ein kompaktes Segment und damit transportfähiges Segment eines Stators geschaffen ist. Mechanisch werden die Segmente vorzugsweise an ihren Stirnseiten und/oder am Außenumfang durch geeignete Verbindungselemente miteinander verbunden und bilden somit einen Stator eines Außenläufer- oder Innenläufergenerators. Diese mechanische Verbindung der Segmente mit ihren jeweiligen Nachbarsegmenten fixiert und positioniert die Segmente zueinander derart, dass sich ein gleichmäßiger mechanischer Luftspalt des Generators ohne Versatz an den Segmentgrenzen ergibt. Außerdem dient diese Fixierung der zusätzlichen mechanischen Versteifung des gesamten Stators, was für kurzzeitige Last- oder Stromstöße vorteilhaft ist.
-
Elektrisch verbunden werden die jeweiligen Phasen der Segmente durch ringförmig verlaufende, gegeneinander isolierte elektrische Leiter an einer Stirnseite des Stator. Diese elektrische Kontaktierung erfolgt auf der Anlage vor Ort.
-
Erfindungsgemäß wird die Reduzierung der Rastmomente u.a. dadurch erreicht, dass zumindest ein Segment des Stators lediglich zwei Spulen des Dreiphasensystems U, V, W aufweist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Wicklungen, auch in den Segmenten deren Spulen alle drei Phasen aufweisen, wird sowohl durch den konstruktiven Aufbau als auch durch die daraus resultierenden elektromagnetischen Eigenschaften im Betreib der dynamoelektrischen Maschine eine Reduzierung der Rastmomente geschaffen.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor pro magnetischem Pol, in Umfangsrichtung betrachtet nur einen Permanentmagnet auf. Vorteilhafterweise erstrecken sich selbstverständlich die magnetischen Pole in axialer Richtung des Rotors, so dass in axialer Richtung betrachtet durchaus mehrere Magnete hintereinander in axialer Richtung angeordnet sind.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnete in axiale Ausnehmungen des Blechpakets des Rotors eingesetzt sind. Dies erleichtert insbesondere das axiale Einschieben und Positionieren der Permanentmagnete. In diesem Fall sind keine Vorkehrungen zu treffen, die Permanentmagnete im Betrieb am Rotor, beispielsweise durch eine Bandage zu fixieren um die Fliehkräfte aufzunehmen.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die gängigen, in großer Stückzahl – und dementsprechend günstig herstellbaren Permanentmagnete, die in quaderförmiger Form angeboten und hergestellt werden, einsetzbar sind. Ein derartiger Stator mit seinem Rotor eignet sich insbesondere für große Windkraftgeneratoren, deren Generator-Durchmesser zwei, drei vier oder gar über fünf Meter beträgt. Dabei handelt es sich insbesondere um direkt angetriebene Windkraftgeneratoren, bei denen die Windturbine den Rotor der dynamoelektrischen Maschine direkt antreibt, ohne dass eine Zwischenschaltung eines Getriebes notwendig wäre.
-
Selbstverständlich lässt sich der erfindungsgemäße Grundgedanke aber auch auf Windgeneratoren übertragen, die über ein Getriebe mit der Windturbine verbunden sind.
-
Auch andere große dynamoelektrische Maschinen, wie z.B. Rohrmühlen, oder Unterwassergeneratoren lassen sich auf die erfinderische Art und Weise bezüglich der Rastmomente optimieren.
-
Die dynamoelektrische Maschine kann vorteilhafterweise als Außenläufer oder Innenläufer ausgeführt werden. Am erfindungsgemäßen Grundgedanken ändert sich damit jeweils nichts.
-
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Figuren näher dargestellt. Darin zeigen:
-
1 einen Längsanschnitt einer Gondel einer Windkraftanlage,
-
2 ein Segment eines Stators, mit dem Ausschnitt des Rotors,
-
3 bis 5 jeweils verschiedene Wicklungspläne von Einschichtbruchlochwicklung mit unterschiedlichen Bruchlochwicklungsfaktoren,
-
6 Ausschnitt eines Querschnitts eines Außenläufergenerators,
-
7 einen Längsanschnitt einer Gondel einer Windkraftanlage mit einem Außenläufergenerator.
-
1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine nicht näher dargestellte Gondel einer Windkraftanlage, wobei in der Gondel ein Windkraftgenerator 100 angeordnet ist, der durch eine Windturbine 109 direkt über eine Welle 111 angetrieben wird. Der Windkraftgenerator 100 weist in einem Gehäuse 120 einen Stator 101 auf, der zu einem Rotor 108 gewandt Nuten 102 aufweist, in denen ein Wicklungssystem 105 eingebettet ist. Der Rotor 108 ist dabei einen Luftspalt 114 vom Stator 101 beabstandet.
-
Der Stator 101 ist, wie insbesondere 2 zu entnehmen, in Umfangsrichtung betrachtet aus Segmenten 103 aufgebaut, die über Statorverbindungselemente 104 und/oder über nicht näher dargestellte Flansche an den Stirnseiten des Stators 101, zusammengesetzt den Stator 101 ergeben. Auf das in den Nuten 102 befindliche Wicklungssystem 105 wurde in dieser Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die Wicklungssysteme sind den folgenden Figuren zu entnehmen.
-
In einer Statorbohrung befindet sich im Wesentlichen konzentrisch angeordnet ein Rotor 108, der in dieser Darstellung als Innenläufer ausgeführt ist und auf seiner dem Luftspalt 114 des Windgenerators 100 zugewandten Seite Permanentmagnete 110 aufweist. Die durch die Permanentmagnete 110 gebildeten Pole sind entweder – in Umfangsrichtung betrachtet – einstückig oder aus mehren einzelnen Magneten aufgebaut. Dies betrifft sowohl segmentierte als auch nicht segmentierte Rotoren – ebenso wie Innen- und Außenläufer. Diese ist ebenso bei außen- oder innenliegenden Permanentmagneten 110 anwendbar.
-
Diese Permanentmagnete 110 sind in axialer verlaufenden Taschen im Blechpaket des Rotors 108 angeordnet und werden als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet. In Umfangsrichtung betrachtet ist dabei pro magnetischem Pol 107 nur ein, insbesondere quaderförmiger, Permanentmagnet vorgesehen. Diese Magnete sind insbesondere aus ökonomischen Gründen vorteilhaft.
-
Ohne das Funktionsprinzip einzuschränken können diese Magnete auch an der Rotoroberfläche angeordnet werden. Dann sind sie durch geeignete Maßnahmen, Bandagen und/oder Kleber und/oder mechanische Halterungen am Blechpaket des Rotors 108 zu befestigen, um die Fliehkräfte aufnehmen zu können.
-
In axialer Erstreckung des Rotors 108 sind dabei durchaus mehrere Permanentmagnete 110 hintereinander angeordnet. Da die Reduzierung der Rastmomente allein durch das Wicklungssystem des Stators 101 erfolgt, sind Staffelungen der Permanentmagnete 110 oder Schrägungen der Permanentmagnete 110 im Rotor 108 nicht notwendig. Damit vereinfacht sich der Aufbau eines derartigen Rotors 108 erheblich, da nunmehr die Rastmomente durch das Wicklungssystem 105 des Stators 101 reduziert werden.
-
Die Nuten 102 eines Segments 103 des Stators 101 sind entweder – wie dargestellt parallelflankig ausgeführt, d.h. die Nutbreite ist konstant. In einer weiteren Ausführungsform sind diese Nuten 102 konisch ausgeführt, d.h. in Richtung des Nutgrundes vergrößert sich die Nutbreite. Dabei sind die Flanken der Zähne parallel. Bei Realisierung der zweiten Alternative sind die Hohlräume in Richtung Nutgrund verstärkt auszugießen, oder es können dort explizit Kühlkanäle vorgesehen werden.
-
Die Segmentgrenzen des Stator 101 verlaufen vorteilhafterweise innerhalb eines Zahnes, damit ist ein mechanischer Schutz des Wicklungssystems 105 während des Transports und der Montage gegeben.
-
Das Wicklungssystem 105 in den offenen Nuten kann dabei zusätzlich durch Nutverschlusselemente fixiert werden.
-
3 bis 5 zeigen nunmehr Wicklungspläne für eine Einschichtbruchlochwicklung mit unterschiedlichen Bruchlochwicklungsfaktoren, wobei über Segmentgrenzen hinweg keinerlei Spulenverbindungen vorgesehen sind. Mit „0“ ist dabei ein Rückleiter bezeichnet – mit „X“ ein Hinleiter der jeweiligen Spule. Die Bezeichnung der jeweiligen Phase U, V, W ist der 3 zu entnehmen – aber sinngemäß auf die Wicklungspläne der 4, 5 zu übertragen.
-
Das jeweilige Kontaktieren der Spulen 112 einer Phase erfolgt auf der Anlage vor Ort, wo der Stator 101 zusammengebaut wird. Diese Kontaktierung wird vorzugsweise auf einer Stirnseite des Blechpakets des Stators 101 beispielsweise durch eine Ringleitung 123 durchgeführt, die die Spulen 112 jeder Phase miteinander elektrisch verbindet. An der zweiten Stirnseiten befinden sich lediglich die Wickelköpfe.
-
3 zeigt einen Wicklungsplan mit dem Bruchlochwicklungsfaktor q = 0,9. Wobei grundsätzlich gemäß der mathematischen Beziehung 2p = N/(q·m),
- 2p
- – die Anzahl der Polpaare,
- q
- – der Bruchlochwicklungsfaktor,
- N
- – die Anzahl der Nuten des Stators und
- m
- – die Anzahl der Phasen ist.
-
Dabei weisen zumindest einzelne Segmente 103 lediglich zwei Phasen des Dreiphasensystems U, V, W auf. Der Stator 101 hat somit 54 Nuten. Der dazu korrespondierende Rotor 108 weist demnach zwanzig magnetische Pole 107 auf. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vorgefertigten Spulen in den Nuten, deren Stromdurchflutung X, O und deren Phasenkontaktierung wird die Drehmomentwelligkeit der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb erheblich reduziert.
-
4 zeigt einen Wicklungsplan mit dem Bruchlochwicklungsfaktor q = 1,2. Der Stator hat nunmehr 36 Nuten. Dabei weisen zumindest einzelne Segmente 103 lediglich zwei Phasen des Dreiphasensystems U, V, W auf. Der dazu korrespondierende Rotor 108 weist demnach zehn magnetische Pole 107 auf. Siehe auch 2, in der ein derartiger Generator beispielhaft gezeigt ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vorgefertigten Spulen 112 in den Nuten 102, deren Stromdurchflutung X, O und deren Phasenkontaktierung wird die Drehmomentwelligkeit der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb erheblich reduziert.
-
5 zeigt einen Wicklungsplan mit dem Bruchlochwicklungsfaktor q = 1,5. Der Stator hat nunmehr 18 Nuten. Dabei weisen zumindest einzelne Segmente 103 lediglich zwei Phasen des Dreiphasensystems U, V, W auf. Der dazu korrespondierende Rotor 108 weist demnach vier magnetische Pole 107 auf. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vorgefertigten Spulen 112 in den Nuten 102, deren Stromdurchflutung X, O und deren Phasenkontaktierung wird die Drehmomentwelligkeit der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb erheblich reduziert.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spulen 112 bzw. der Leiter der Spulen 112 wird unter Berücksichtigung einer einfachen Herstellung eines großen Stators 101 ein Generator mit vergleichsweise geringen Rastmomenten geschaffen.
-
Die elektrische Zuordnung der Spulen 112 an die jeweiligen Phasen – also die elektrische Verschaltung erfolgt auf einer Stirnseite des Stators 101. Dabei werden dort elektrisch voneinander isoliert Ringleitungen angebracht, die die jeweiligen Spulen 112 einer jeden Phase U, V, W miteinander kontaktieren.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung, als auch die für Innenläufer getroffenen physikalische Aussagen auch auf Außenläufer zu übertragen. Dabei befindet sich der Stator 101, wie insbesondere der 7 zu entnehmen ist, im Wesentlichen in axialer Verlängerung der Welle 111. Das Antriebsmoment wird von der Windturbine 109 und beispielsweise einer Welle 111 über geeignete mechanische Verbindungselemente an den als Außenläufer ausgebildeten Rotor 108 übertragen. Der Rotor 108 ist dabei Teil eines Hohlkörpers 106, der den Stator 101 umgibt. Dieser umgibt den Stator 101 radial, wobei zwischen Rotor 108 und Stator 101 ein Luftspalt 114 ist, über den Stator 101 und Rotor 108 elektromagnetisch wechselwirken.
-
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 110 ohne zusätzliches Blechpaket 116 – wie in 7 – direkt an dem Hohlkörper 106 angebracht. Die geschieht durch mechanische Halterungen und/oder stoffschlüssige Verbindungen, z.B. Klebung. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess des Außenläufers, da keine zusätzlichen Elemente im Hohlkörper 106 fixiert werden müssen.
-
Der Rotor 108 ist in dieser Ausführungsform segmentiert ausgebildet. Dabei bildet der segmentierte Hohlkörper 106 den magnetischen Rückschluss der Permanentmagnete 110. Die Anzahl der magnetischen Pole ist ungleich der Anzahl der diesem Rotorsegment 115 gegenüberliegenden Nuten. Dies reduziert ebenso die Rastmomente.
-
Die Rotorsegmente 115 sind durch geeignete Rotorverbindungselemente 122 miteinander mechanisch verbunden. Die Segmentgrenzen 119 verlaufen innerhalb von Pollücken 117 der magnetischen Pole 107.
-
Der Stator 101 ist, wie in 6 gezeigt, segmentiert aufgebaut. Jedes Segment 103 weist dabei sechs Nuten auf, die aus gründen der Übersichtlichkeit ohne das Wicklungssystem 105 dargestellt werden. Die in den Nuten 102 eingesetzten Wicklungssysteme sind den 3 bis 5 zu entnehmen.
-
Die Nuten 102 eines Segments 103 des Stators 101 sind wie dargestellt, parallelflankig ausgeführt, d.h. die Nutbreite ist über die radiale Nuthöhe betrachtet konstant.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind diese Nuten 102 konisch ausgeführt, d.h. in Richtung des Nutgrundes verjüngt sich die Nutbreite. Dabei sind dann die Flanken der Zähne parallel. Bei Realisierung der zweiten Alternative sind Hohlräume im Bereich der Nutöffnung, bei Einsatz rechteckförmiger Leiter – also in Richtung Luftspalt 114 verstärkt auszugießen, oder es können dort explizit Kühlkanäle vorgesehen werden, um die Leiter einer Spule 112 in der Nut zu halten.
-
Das Wicklungssystem 105 in den offenen Nuten kann dabei zusätzlich durch Nutverschlusselemente fixiert werden.
-
Um größere Segmente 103 zu realisieren, weisen diese dann zwölf Nuten auf, sodass sich sechs Spulen 112 in den Nuten dieses Segments 103 befinden.
-
In dem Antriebsstrang sowohl bei der Ausführung mit Innen- als auch Außenläufer kann auch ein Getriebe zwischengeschaltet sein, um u.a. die gewünschte Drehzahl des Generators im Nennbetrieb zu erhalten.
-
Der segmentierte Stator 101 wird, wie 7 prinzipiell dargestellt dabei beispielsweise durch geeignete mechanische Stützelemente 121 am Gehäuse 120 gehalten. Der Rotor 108 dieser Anordnung kann ebenso in Umfangsrichtung betrachtet einteilig oder segmentiert ausgeführt sein.
-
Die Spulen 112 sind vorzugsweise Formspulen, deren Windungen aus Flachdraht aufgebaut sind.
-
Das erfindungsgemäße Wicklungssystem 105 ist sowohl für Innen- als auch Außenläufer großer dynamoelektrischer Maschinen größer 1 MW und/oder Durchmessern größer 2 Metern geeignet. Besonders vorteilhaft ist dieses Wicklungssystem bei segmentierten Statoren 101 und/oder segmentierten Rotoren 108 einsetzbar.
-
Vorteilhafterweise entsprechen sich die von den Segmenten von Stator 101 und Rotor 108 aufgespannten Winkel 118, gemäß 6. Dies erleichtert den Transport – insbesondere, da nun Segmente von Rotor 108 und Stator 101 zusammen als eine Einheit transportierbar sind.