DE102005060180A1

DE102005060180A1 - Elektrische Maschinen und Anordnungen mit einem jochlosen Stator mit modularen Blechstapeln

Info

Publication number: DE102005060180A1
Application number: DE102005060180A
Authority: DE
Inventors: Ronghai Qu; Patrick Lee Jansen; Bharat Sampathkumar Bagepalli; jr. Ralf James Carl; Aniruddha Dattatraya Gadre; Fulton Jose Lopez
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-06-22
Also published as: FR2883430B1; FR2883430A1; US7692357B2; US20060131985A1

Abstract

Eine elektrische Maschine (10) enthält einen Rotor (16) mit einem inneren Rotorabschnitt (18) und einem äußeren Rotorabschnitt (20) und einen doppelseitigen jochlosen Stator (22). Der jochlose Stator enthält modulare Blechstapel (30) und ist für einen radialen Magnetflussstrom konfiguriert. Der doppelseitige jochlose Stator ist konzentrisch zwischen dem inneren Rotorabschnitt und dem äußeren Rotorabschnittt der elektrischen Maschine angeordnet. Beispiele besonders nützlicher Ausführungsformen für die elektrische Maschine umfassen Windkraftanlagengeneratoren, Schiffantriebsmotoren, Schalt-Reluktanzmaschinen und doppelseitige Synchronmaschinen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein elektrische Maschinen mit radialem Fluss und insbesondere eine elektrische Maschine mit einem jochlosen Stator und modularen Blechstapeln.
Elektrische Maschinen, d.h. Generatoren und Motoren sind Vorrichtungen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt. Elektrische Maschinen zur Energieerzeugung, Übertragung und Verteilung erzeugen Energie für den Industrie-, Geschäfts- und Heimbedarf. Beispielsweise wird mit Windkraftanlagen kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie kann für spezifische Aufgaben (wie z. B. zum Mahlen von Korn oder Pumpen von Wasser) genutzt oder mittels eines Generators in Elektrizität umgewandelt werden. Eine Windkraftanlage enthält üblicherweise einen aerodynamischen Mechanismus zum Umwandeln der Luftbewegung in eine mechanische Bewegung, welche dann mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Mehrzahl der kommerziell verfügbaren Windkraftanlagen verwendet Getriebe, um die Rotorblätter mit den Generatoren zu verbinden. Der Wind dreht die Rotorblätter, welche eine Welle Drehung versetzen, welche in ein Getriebe führt, und dann mit einem Generator verbunden ist und Elektrizität erzeugt. Das Getriebe setzt die Drehzahl herauf. Der Nachteil eines Getriebes besteht darin, dass es die Zuverlässigkeit der Windkraftanlage verringert und das Geräusch und die Kosten vergrößert.
Ebenfalls sind kommerziell einige wenige Windkraftanlagen, die Direktantriebsgeneratoren nutzen, erhältlich. Aufgrund des Niedrigdrehzahlbetriebs (aufgrund des Fehlens eines Getriebes) haben diese Generatoren tendenziell einen großen Durchmesser. Die großen Durchmesser der Direktantriebsgeneratoren stellen erhebliche Transport- und Montageherausforderungen sowohl in den Fabriken als auch an den Installationsorten der Windkraftanlagen dar. Da sich die Windkraftanlagenindustrie weiter entwickelt und die Technologie verbessert, werden größere Nennleistungen erforderlich sein, um dem Druck auf die Energiekosten zu folgen. Standardmäßige Nennleistungen für Land-Turbinen werden mit 3 MW oder größer in den nächsten paar Jahren und für Offshore-Turbinen mit 5 MW oder größer erwartet.
Damit sich die Windkraftanlagen zu höheren Nennleistungen weiterentwickeln, beinhalten herkömmliche Lösungsansätze typischerweise eine Zunahme des Durchmessers oder der axialen (Stapel) Länge des Direktantriebsgenerators. Eine Vergrößerung des Durchmessers wird aus einer rein generatorelektromagnetischen Perspektive bevorzugt, ist jedoch aus Transport-, Rahmen- und Montageperspektiven insbesondere für Landturbinen nicht attraktiv. Eine Vergrößerung der axialen Länge der Generatoren unter Beibehaltung des Durchmessers auf weniger als etwa 4 m mindert das Problem des Landtransports, führt jedoch zu komplexen und teueren Rahmenstrukturen mit großen axialen Längen.
In einigen doppelseitigen Direktantriebskonfigurationen ist der Stator mittels Schrauben durch die Löcher in dem Sta torjoch befestigt. Das Statorjoch ist aus mechanischen Gründen nützlich, um alle Pole mechanisch miteinander zu verbinden und um den gesamten Stator an einem Rahmen zu befestigen. Der Nachteil dieser Konfigurationen besteht darin, dass das Statorjoch mehr Materialmasse in den Stator einbringt und zusätzlich Platz belegt, so dass der Durchmesser des inneren Luftspaltes aufgrund des beschränkten Gesamtaußendurchmessers des Generators reduziert wird. Der sich ergebende Generator ist schwer und teuer und erfordert teuere Kühlverfahren.

Daher besteht ein Bedarf nach Statorkonfigurationen, die zu einer kleineren Gesamtgröße für Generatoren/Motoren führen, weniger Material und weniger teuere Kühltechniken ohne Beeinträchtigung der Nennleistungen erfordern.

Kurzbeschreibung

Kurz gesagt enthält eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform einen Rotor mit einem inneren Rotorabschnitt und einem äußeren Rotorabschnitt und einen doppelseitigen jochlosen Stator. Der jochlose Stator enthält modulare Blechstapel und ist für einen radialen Magnetfluss ausgelegt. Der doppelseitige jochlose Stator ist ferner konzentrisch zwischen dem inneren Rotorabschnitt und dem äußeren Rotorabschnitt der elektrischen Maschine angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zur Wartung eines Generators für Windkraftanlagen geschaffen. Das Verfahren umfasst die Schritte der Entfernung eines Endringstückes von einem mehrteiligen Endring und die Entfernung eines Kernpaketes zur Wartung eines individuellen Blechstapels. Ein entfernbares Fenster ist in einem Statorrahmen für den Zugang zu dem Kernpaket vorgesehen. Der zu wartende Generator enthält einen Rotor mit einem inneren Rotorabschnitt und einem äußeren Rotorabschnitt und einem doppelseitigen jochlosen Stator. Der jochlose Stator enthält mehrere modulare Blechstapel und ist für einen radialen Magnetfluss ausgelegt. Der jochlose Stator enthält auch mehrteilige Endringe, welche im Wesentlichen den doppelseitigen jochlosen Stator zur Steigerung der mechanischen Steifigkeit umgeben. Die modularen Blechstapel sind als unterschiedliche Kernpakete angeordnet, wobei jedes Kernpaket einen oder mehrere modulare Blechstapel aufweist.

ZEICHNUNGEN

Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:

1 eine Schnittansicht einer Windkraftanlage mit einem exemplarischen Direktantriebs-Doppelseiten-Permanentmagnet-(PM)-Generator gemäß einer Ausführungsform darstellt;

2 eine perspektivische Vorderseitenendeansicht des Direktantriebs-Doppelseiten-Permamentmagnet-(PM)-Generators von 1 mit einem jochlosen Stator darstellt;

3 eine perspektivische Rückseitenendeansicht des Direktantriebs-Doppelseiten-Permamentmagnet-(PM)-Generators von 1 mit einem jochlosen Stator darstellt;

4 eine exemplarische Ausführungsform für den jochlosen Stator von 2 und 3 mit nur einem Blechstapel und in dessen Explosionsdarstellung darstellt;

5 eine weitere exemplarische Ausführungsform mit Endplatten des modularen Blechstapels mit ineinander greifenden Nuten darstellt;

6 eine weitere exemplarische Ausführungsform mit einem zwischen benachbarten Endplatten angeordneten Keil darstellt;

7 eine weitere exemplarische Ausführungsform darstellt, die in jedem modularen Blechstapel einen Scheinschlitz zeigt;

8 eine weitere exemplarische Ausführungsform des jochlosen Stators mit Endringen darstellt;

9 eine zerlegte Ansicht des jochlosen Stators 22 mit einigen exemplarischen Merkmalen aus den Konfigurationen in den 4–8 darstellt;

10 einen exemplarischen Magnetflussverteilungspfad für den jochlosen Stator darstellt;

11 eine schematische Ansicht der für eine Familie von Generatoren mit unterschiedlichen Durchmessern verwendbaren modularen Blechstapel darstellt;

12 eine Schnittansicht der exemplarischen Generatorkonfiguration darstellt, die die Statorseite und Rotorseite und eine Luftkühlungsanordnung zeigt;

13 eine weitere Kühlungstechnik mit Entlüftungslöchern in dem Keil darstellt;

14 einen Abschnitt eines exemplarischen Antriebsmotors mit einem modularen Blechstapel für den doppelseitigen jochlosen Stator darstellt;

15 einen exemplarischen modularen und jochlosen Stator für eine doppelseitige Wickelfeld-Synchronmaschine darstellt;

16 einen exemplarischen modularen und jochlosen Stator für eine Schalt-Reluktanzmaschine darstellt;

17 eine Schnittansicht des modularen und jochlosen Stators mit den vorstehenden Konfigurationen für den Zweck der Wartung und Montage darstellt; und

18 ein exemplarisches Verfahren für die Wartung der Blechstapel des modularen und jochlosen Stators der vorstehenden Ausführungsformen darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung umfasst unterschiedliche Ausführungsformen für modularpolige doppelseitige elektrische Maschinen mit jochlosen Statoren, die insbesondere für Direktantriebs-Windkraftanlagen und Schiffantriebsmotoren geeignet sind. Die hierin nachstehend beschriebenen unterschiedlichen Direktantriebs-Konfigurationen für Windkraftanlagen basieren auf doppelseitigen elektrischen Radialfluss-Synchronmaschinen. Obwohl Permanentmagnet-(PM)-Maschinen für den Zweck der Veranschaulichung beschrieben und dargestellt werden, können alternativ andere elektrische Maschinen, wie z. B. Wickelfeld-Synchronmaschinen oder Schalt-Reluktanzmaschinen verwendet werden. Diese Konfigurationen tragen zum Erzielen kosteneffektiver Windkraftanlagen mit größeren Nennleistungen (größer als 2,0 MW) bei und sind insbesondere für Landanwendungen geeignet, bei welchen der Außendurchmesser durch Transporteinschränkungen begrenzt sein kann. Obwohl insbesondere Leistungswerte größer als 2,5 MW angegeben werden, ist diese Erfindung gleichermaßen für Windkraftanlagen aller Größen einschließlich klein/mittel-großen Windkraftanlagen in dem 50 kW bis 500 kW-Bereich anwendbar und ebenso nützlich.

Von den Figuren ist 1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Windkraftanlagen 10 als einer exemplarischen elektrischen Maschine. Die Windkraftanlage 10 umfasst eine Gondel 12 und eine exemplarische Ausführungsform eines direkt angetriebenen doppelseitigen PM-Generators 14. Der PM-Generator 14 der Windkraftanlage 10 enthält wenigstens zwei (in 1 nicht dargestellte) und später unter Bezugnahme auf 2 diskutierte konzentrische Luftspalte, um dadurch effektiv den PM-Generator 14 in zwei konzentrische Generatoren umzuwandeln. Somit ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar, dass für dieselbe durch den Außendurchmesser und die axiale Länge definierte Gesamthüllkurve der PM-Generator 14 erheblich mehr Ausgangsleistung als ein einseitiger Generator erzeugen kann. In der Praxis kann somit ein einseitiger 2 MW Generator durch einen doppelseitigen Generator ersetzt werden, der 3 MW bis 3,6 MW für denselben Gesamtdurchmesser und dieselbe Länge erzeugen kann. In gleicher Weise könnte ein einseitiger 3 MW PM-Generator mit einem Durchmesser von 6 m durch einen doppelseitigen Generator mit derselben Länge mit nur 4,3 m Durchmesser ersetzt werden, und dadurch ein Landtransport des gesamten Generators als eine Einheit ermöglicht werden. Die jochlose Konfiguration dieser Generatoren erzielt kosteneffektive Windkraftanlagen mit vergrößerten Nennleistungen (größer als 2,5 MW) auf der Basis von Direktantriebs-Generatoren, die eine erwünschte physikalische Hüllkurve aufweisen.

Gemäß nochmaligen Bezuges auf 1 ist der PM-Generator 14 auf einem Gondelhauptrahmen 110 mittels einer Hauptwelle und einer Lagerungsanordnung 112 befestigt. Der Gondelhauptrahmen 110 ist auf einem Turm 140 über ein herkömmliches Gierlager und einen (nicht dargestellten) Getriebeantrieb befestigt. Detailliertere Merkmale des PM-Generators 14 werden hierin nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Eine Rotorblattnabe 116 verbindet die Rotorblätter 118 mit dem PM-Generator 14. Eine Rotornabenabdeckung 120 enthält die Rotorblätter 118 und andere Turbinenrotorkomponenten. Eine Gondelabdeckung 122 ist ebenfalls vorgesehen und schützt typischerweise die Komponenten innerhalb der Gondel gegenüber der Umwelt.

2 und 3 stellen die Vorderseitenende- bzw. Rückseitenendeansichten von einer Ausführungsform des modularpoligen Windkraftanlagengenerators 14 dar. Der Generator 14 in den 2 und 3 enthält einen Rotor 16 mit einem inneren Rotorabschnitt 18 und einem äußeren Rotorabschnitt 20 und einem doppelseitigen jochlosen Stator 22. Der jochlose Stator 22 ist ferner konzentrisch zwischen dem inneren Rotorabschnitt 18 und dem äußeren Rotorabschnitt 20 des Windkraftanlagengenerators 14 angeordnet. Das Joch oder Rückführungseisens eines Stators in einer herkömmlichen Maschine ist der Abschnitt aus Kernstahl, der dafür ausgelegt ist, die Umfangskomponente des Magnetflusses zu transportieren, der die Statorzähne verbindet. Der jochlose Stator 22 ist ohne Joch oder Rückführungseisenabschnitt zu sehen, weshalb die inneren und äußeren Rotorabschnitte 18 und 20 so ausgelegt sind, dass sie die Umfangskomponente des die Statorzähne verbindenden Magnetflusses transportieren. Der Stator 14 weist ferner einen (in 9 dargestellten) Statorrahmen 24 auf. Der jochlose Stator 22 ist zwischen zwei rotierenden Rotorabschnitten 18, 20 innerhalb bzw. außerhalb des Stators angeordnet. Die Rotorabschnitte 18, 20 sind als Permanentmagnetrotoren dargestellt, jedoch nicht darauf beschränkt. Der innere Rotorabschnitt 18 ist in Bezug auf den äußeren Rotorabschnitt 20 invertiert; d.h., der äußere Luftspalt 26 des äußeren Rotorabschnittes 18 weist nach innen, während der innere Luftspalt 28 des inneren Rotors 20 nach außen weist.

4 stellt eine Ansicht einer Wicklungsanordnung 60 für den jochlosen Stator 22 und dessen Explosionsdarstellung dar. Der Stator 22 enthält mehrere Wicklungsanordnungen 60, in welchen eine oder mehrere Spulen 32 um einen entsprechenden modularen Blechstapel 30 gewickelt sind. In einer Ausführungsform enthält jede entsprechende modulare Wicklungsanordnung 60 gemäß Darstellung in 4 (nicht-ferromagnetische) Schrauben 34 zum Verbinden des entsprechenden modularen Blechstapels 30 mit dem (in 9 dargestellten) Statorrahmen 24. In einer spezifischen Ausführungsform enthält jede modulare Wicklungsanordnung 60 einen I-förmigen Blechstapel 30. Halbgeschlossene (in 10 dargestellte) Schlitze 50 können durch die Bleche mit der "I-Form" gebildet werden. Obwohl zwei Schrauben in 4 dargestellt sind, können zusätzliche Schrauben für jeden Blechstapel 30 verwendet werden, um die mechanische Steifigkeit abhängig von Systemanforderungen zu erhöhen. Der jochlose Stator enthält typischer weise Endplatten 38 gemäß Darstellung in 4 und die Schrauben 34 der entsprechenden modularen Wicklungsanordnungen 60 können an den Endplatten 38 befestigt sein.

In einem Beispiel gemäß Darstellung in 5 enthalten die Endplatten 38 formschlüssige Nuten 40, um eine axiale Bewegung zwischen benachbarten modularen Blechstapeln zu verhindern. 5 stellt in Umfangsrichtung orientierte V-förmige modulare Endplatten 42 dar, welche (falls erforderlich) eine Scherung oder andere Lastübertragung zwischen benachbarten Kernstücken zulassen und die Übertragung von Drehmoment und anderen auf den (in 9 dargestellten) Statorrahmen 24 zu übertragenden Lasten zulassen.

Gemäß Darstellung in 6 kann der Stator 22 auch einen Keil 24 enthalten. Der Keil kann zwischen entsprechenden benachbarten Endplatten angeordnet sein. Die Keile, welche aus nicht-magnetischen Materialien bestehen können, verbessern die mechanische Steifigkeit.

Der Stator 22 enthält in einem weiteren Beispiel gemäß Darstellung in 7 wenigstens einen Scheinschlitz 46 in jeder entsprechenden modularen Wicklungsanordnung 60, um die Schrauben 14 für die Verbindung der entsprechenden modularen Wicklungsanordnung 60 mit dem (in 9 dargestellten) Statorrahmen 24 anzuordnen. Scheinschlitze sind sehr flache Schlitze und werden typischerweise verwendet, um ein Haftdrehmoment zu reduzieren. Es befinden sich keine Wicklungen in den Scheinschlitzen. Die Schrauben 34 in den Scheinschlitzen 46 benötigen in vorteilhafter Weise keinen zusätzlichen Raum. Die anderen Merkmale der Wicklungsanordnung 60 und der Endplatten 38 sind ähnlich den unter Bezugnahme auf 4 Beschriebenen.

Der Windkraftanlagengenerator 14 gemäß Darstellung in 8 kann Endringe 48 enthalten, die im Wesentlichen den doppelseitigen jochlosen Stator 22 umgeben, um die mechanische Steifigkeit zu erhöhen. In einem spezifischen Beispiel können zwei Endringe verwendet werden, um die mechanische Steifigkeit der Maschinen mit extrem großen und/oder langen Stapeln zu erhöhen. Jeder Endring kann optional als ein mehrteiliger Endring konfiguriert sein.

9 ist eine Zerlegungsansicht des Stators 22 und des inneren Rotorabschnittes 18 und äußeren Rotorabschnittes 20 und mit einem breiten Endring 48, um die mechanische Steifigkeit zu verbessern. 9 zeigt auch ein weiteres Verfahren zum Befestigen des Stators 22 an dem Statorrahmen 24 unter Verwendung von Schrauben 34.

Der jochlose Stator 22 gemäß Darstellung in der vorstehenden Ausführungsform ist für einen radialen Magnetfluss 48 gemäß Darstellung in 10 konfiguriert. In der in 10 dargestellten Ausführungsform sind die Permanentmagnete in einer solchen Weise angeordnet, dass der von einem inneren Magnetpol 52 und einem äußeren Magnetpol 54 bewirkte Magnetfluss den inneren Luftspalt 28 durchtritt, durch einen Statorblechstapel 30 (Statorzahn) wandert und durch den äußern Luftspalt 28 wandert und in das äußeren Rotorjoch 56 über die äußere Polkappe 82 und den Magnetpol 54 gelangt. Der Fluss 48 verläuft dann zu dem inneren Rotorjoch 58 gemäß Darstellung in 10 durch den benachbarten äußeren Magnetpol 54, die äußere Polkappe 82, den äußeren Luftspalt 26, den Statorzahn 30, den inneren Luftspalt 28, die innere Polkappe 80 und den inneren Magnetpol 52 zurück. Halbgeschlossene Schlitze 50, welche ebenfalls in 10 dargestellt sind, reduzieren die Luftspaltflusswelligkeit. In einer derartigen Magnetanordnung ist kein Statorjoch erforderlich. Die Rück-EMK wird in jede Spule induziert, wenn der Rotor aufgrund der Wechselstrom-Flussverknüpfung in jeder Spule rotiert. Daher wird elektrische Energie erzeugt.

Die in 11 als 60, 130 dargestellten modularen Wicklungsanordnungen können vorteilhaft so konfiguriert sein, dass sie eine Form besitzen, welche in einer Familie von Generatoren 14, 114 verwendbar sind, wobei wenigstens einige von der Familie von Generatoren (14, 114) andere Durchmesser 62, 64 als andere von der Generatorenfamilie aufweisen, wie es allgemein in 11 dargestellt ist. Der Generator 14 kann beispielsweise 96 Schlitze und der Generator 114 kann 90 Schlitze aufweisen, die sich aus unterschiedlichen Durchmessern ergeben. Somit macht es die modulare und jochlose Statorstruktur möglich, einen gemeinsamen Blechstapel (Wicklungsanordnung) für eine Familie von Generatoren zu verwenden. Da die Bleche modular sind, ist es auch möglich, den Luftspalt Zahn für Zahn einzustellen. Da der physikalische Luftspalt nun durch einen individuellen Blechstapel gesteuert werden kann, ist es vorteilhaft möglich, den lokalen Luftspalt durch Einstellung jedes Blechstapels anzupassen. Dieses ist ein erwünschtes Merkmal für Generatoren mit großen Durchmessern.

Wie es vorstehend festgestellt wurde, können unterschiedliche Kühlverfahren mit den unterschiedlichen Statorkonfigurationen gemäß vorstehender Feststellung verwendet werden. In einem Beispiel ist gemäß Darstellung in 5 und 6 ein axialer oder radialer Kühlluftkanal 66 zwischen benachbarten modularen Blechstapeln vorgesehen. Beispielsweise kann, wenn der Blechstapel von 5 und 6 in der Konfiguration von 2 und 3 verwendet wird, eine radiale Luftkühlung angewendet werden, indem Luft aus dem inneren Luftspalt 28 eingepumpt wird, die Luft radial durch die Spalte zwischen den Wicklungsanordnungen 60 hindurchtreten kann und dann aus dem äußeren Luftspalt 26 herausgesaugt wird.

In noch einem weiteren Beispiel zum Kühlen des Stators wird gemäß Darstellung in 9 die Luft axial von den (nicht dargestellten) inneren und äußeren Luftspalten aus eingepumpt. Die Luft kehrt sich dann um 360° an dem anderen Ende des Stators um und fließt durch die Löcher 68 in den Endring 48 und in den Spalten zwischen den Spulen 32 zurück und dann durch die Löcher 76 in dem Statorrahmen 24 heraus. Jeder von den Endringen 48 kann Kühlluftdurchtrittsöffnungen 68 enthalten. Die Pfeile zeigen allgemein die Luftströmungsrichtungen an. Für dieses Kühlverfahren werden keine Löcher in dem Rotorrahmen benötigt.

In einer weiteren Kühltechnik gemäß Darstellung in 12 enthält der Windkraftanlagengenerator eine Statorrahmenseite 70 und eine Rotorseite 72, und in einem Beispiel enthält der Generatorrotor 16 Lüftungsöffnungen 74, um einen Strom von Kühlluft axial aus der Rotorseite zu der Statorrahmenseite unter Aufnahme von Wärme auf dem Kupfer und Eisen bei ihrer axialen Bewegung strömen zu lassen. Jeder von den Endringen 48 kann Kühlluftdurchtrittsöffnungen 68 enthalten. In einem spezifischeren Beispiel weist jeder Keil 44 Kühlluftdurchtrittsöffnungen 78 gemäß Darstellung in 13 auf. Die durch die Pfeile dargestellte Luftströmungsrichtung kann auch umgekehrt werden.

Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung primär in Form von Windkraftanlagen beschrieben wurden, sind die Konzepte zusätzlich in weiteren Anwendungen nützlich, wobei ein Beispiel Schiffantriebsmotoren sind.

14 stellt eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Schiffes 210 dar, das einen exemplarischen doppelseitigen Schiffantriebsmotor 212, einen Propeller 234, eine Befestigungs- und Lagerungsanordnung 236 und eine Welle 238 aufweist. Der Schiffantriebsmotor 212 enthält einen Rotor 214 und einen doppelseitigen jochlosen Stator 222 mit dem modularen Statorblechstapel 230, der für einen radialen Magnetflussstrom konfiguriert ist. Der doppelseitige Blechstapel 230 ist konzentrisch zwischen den inneren und äußeren Abschnitten des Rotors 214 angeordnet. Viele von den spezifischen Stator- und Rotorkonstruktionsdetails, einschließlich der Kühltechniken sind ähnlich zu den Windkraftanlagen-Ausführungsformen und werden hier nicht wiederholt.

15 und 16 stellen Schnittansichten weiterer Beispiele von elektrischen Maschinen dar, welche vorteilhaft die modularen und jochlosen Statorkonfigurationen gemäß Beschreibung in Bezug auf die Windkraftanlagen-Ausführungsformen verwenden können. 15 stellt eine exemplarische doppelseitige Synchronmaschine 320 dar, in welcher der Stator 322 ähnlich dem Stator 22 der Windkraftanlagen-Ausführungsform ist, jedoch der Rotor 324 ein gewickelter Feldrotor bestehend aus Blechen 326 mit Spulen 328 auf jedem Pol 330 ist. 16 stellt einen exemplarischen doppelseitigen geschalteten Reluktanzmotor 420 dar. Wiederum ist der Stator 422 ähnlich dem Stator 22 der Windkraftanlagen-Ausführungsform modular und jochlos, während der Rotor ein Schalt-Reluktanzrotor 424 bestehend aus Blechen 426 ist. Viele der spezifischen Stator- und Rotorkonstruktionsdetails einschließlich der Kühltechni ken sind ähnlich zu den Windkraftanlagen-Ausführungsformen und werden hier nicht wiederholt.

17 stellt eine Schnittansicht des modularen und jochlosen Stators der vorstehenden Konfigurationen für den Zweck der Wartung und des Zusammenbaus dar. 17 stellt die als unterschiedliche Kernpakete 84 angeordneten Blechstapel dar, wobei jedes Kernpaket wenigstens eine oder eine modulare Wicklungsanordnung 60 aufweist. Ein Wartungsfenster 86, welches ein entfernbares Fester sein kann, ist in einem Statorrahmen 24 für den Zugang zu dem Kernpaket 84 vorgesehen. Einige Wicklungsanordnungen 60 können zu Kernpaketen 84 zusammengebaut werden, und dann auf den Teilstrukturen des Rahmens 24 angebracht werden. Die Kernpakete 84 können einzeln nach Bedarf entfernt werden. Das Wartungsverfahren wird hierin nachstehend detaillierter beschrieben.

Ein Verfahren zur Wartung des jochlosen Stators gemäß vorstehender Beschreibung ist als ein Flussdiagramm 500 in 18 dargestellt. Das Verfahren beinhaltet in einem Beispiel das Entfernen eines Teils des Endrings aus einem mehrteiligen Endring bei dem Schritt 510; und das Entfernen eines Kernpaketes zur Wartung eines individuellen Blechstapels bei dem Schritt 512. Zur Wartung individueller Blechstapel kann das Kernpaket mit der zu wartenden Wicklungsanordnung durch Abschrauben des Kernpaketes von dem Statorrahmen und Herausziehen aus dem Fenster in dem Statorrahmen entfernt werden. Das Verfahren enthält ferner einen Schritt 514 zum Entfernen des Kernpaketes nach der Wartung; und einen Schritt 516 zum Wiedereinsetzen des entfernten Teils des mehrteiligen Endrings an seiner Originalposition. Alternativ kann der Schritt 514 das Ersetzen des entfernten Kernpaketes durch ein neues Kernpaket beinhalten. Der Schritt 516 kann ebenfalls alterna tiv das Ersetzen des entfernten Teils des mehrteiligen Endrings durch ein neues Teil an dessen Originalposition umfassen. Die modulare Statorstruktur macht die Wartung eines individuellen Statorstapels vorteilhaft ohne Zerlegung des gesamten Generators möglich. Die modulare Konfiguration führt auch zu einer leichten Montage und geringen Arbeitskosten. Es dürfte sich für den Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass die jochlose modulare Struktur gemäß Beschreibung in verschiedenen Ausführungsformen hierin erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Statoren aufweist, die Joche enthalten.

Beispielsweise führt in den hierin beschriebenen Generatorkonfigurationen der jochlose modulare Stator zu einem kleineren Generator im Vergleich zu einem doppelseitigen Generator mit einem Statorjoch. Da das Statorjoch entfernt ist, kann der Durchmesser des inneren Luftspaltes für einen gegebenen konstanten äußeren Rotordurchmesser vergrößert werden. Daher kann der innere Rotor mehr Drehmoment und Energie erzeugen, was einen kürzeren Stapel für einen Generator mit vorgegebener Leistung ermöglicht. Und deshalb kann die Gesamtlänge des Generators kürzer sein. In einigen Ausführungsformen werden die äquivalenten Luftspalte sowohl für die inneren als auch äußern Luftspalte aufgrund der Verwendung halbgeschlossener Schlitze (10) verkleinert. Dieses ist vorteilhaft, da für eine gegebene Luftspaltflussdichte dünnere Permanentmagnete verwendet werden können.

Die hierin beschriebenen Konfigurationen sind ferner vorteilhaft, da sie zu einem kleineren Haftdrehmoment führen. Für halbgeschlossene Schlitze kann das Haftdrehmoment reduziert werden, indem die Größe der Schlitzöffnungen optimiert wird. In einer konventionellen großen Maschine mit offenen Schlitzen ist die Anzahl der Pole und Schlitze primär durch praktische Begrenzungen bezüglich der Schlitzöffnungen in der Struktur begrenzt. Für hierin beschriebene (10) halbgeschlossene Schlitzausführungsformen kann die Luftspaltflusswelligkeit wesentlich kleiner als die für offene Schlitze sein. Daher werden Rotorpolverluste aufgrund von Schlitzoberwellen reduziert.

Eine elektrische Maschine 10 enthält einen Rotor 16 mit einem inneren Rotorabschnitt 18 und einem äußeren Rotorabschnitt 20, und einen doppelseitigen jochlosen Stator 22. Der jochlose Stator enthält modulare Blechstapel 30 und ist für einen radialen Magnetflussstrom konfiguriert. Der doppelseitige jochlose Stator ist konzentrisch zwischen dem inneren Rotorabschnitt und dem äußeren Rotorabschnitt der elektrischen Maschine angeordnet. Beispiele besonders nützlicher Ausführungsformen für die elektrische Maschine umfassen Windkraftanlagengeneratoren, Schiffantriebsmotoren, Schalt-Reluktanzmaschinen und doppelseitige Synchronmaschinen.

Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden für den Fachmann auf diesem Gebiet viele Modifikationen und Änderungen ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen mit abdecken sollen, soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen.

10: Windkraftanlage
12: Gondel
14: Windkraftanlagengenerator
16: Generatorrotor
18: inner Rotorabschnitt
30: äußerer Rotorabschnitt
22: Jochloser Stator
24: Statorrahmen
26: äußerer Luftspalt
28: innerer Luftspalt
30: Modularer Statorstapel
32: Statorspule
34: Schrauben
38: Endplatten
40: Nuten
42: V-förmige um den Umfang herum orientierte Endplatten
44: Keil
46: Scheinschlitz
48: Magnetischer Fluss
50: Halbgeschlossene Schlitze
52: innere Magnetpole
54: äußere Magnetpole
56: äußeres Rotorjoch
58: inneres Rotorjoch
60: Wicklungsanordnung
62: Generatordurchmesser
64: Generatordurchmesser
66: Kühlluftkanal
68: Kühlkanalöffnungen
70: Statorrahmenseite
72: Rotorseite
74: Öffnungen
76: Löcher
78: Öffnungen
80: innere Polkappen
82: äußere Polkappen
84: Kernpakete
86: Wartungsfenster
110: Gondelhauptrahmen
112: Hauptschwelle und Lagerungsanordnung
114: Generator
116: Rotorblattnabe
118: Rotorblätter
120: Rotornabenabdeckung
122: Gondelabdeckung
130: Wicklungsanordnung
140: Turm
210: Schiff
212: Schiffantriebsmotor
214: Rotor
222: Jochloser Stator
230: Modularer Blechstapel
234: Propeller
236: Montage und Lageranordnung
238: Rahmenanordnung
320: Synchronmaschine
322: Jochloser Stator
324: Rotor
326: Rotorblech
328: Rotorspulen
330: Pole
420: Schalt-Reluktanzmotor
422: Jochloser Stator
424: Rotor
426: Blech
500: Exemplarisches Flussdiagramm für ein Verfahren für War
: tung/Zusammenbau eines jochlosen und modularen Stators
510–516: Schritte für Wartung/Zusammenbau eines jochlosen
: und modularen Stators

Claims

Generator (14) für eine Windkraftanlage (10), aufweisend: einen Rotor (16) mit einem inneren Rotorabschnitt (18) und einem äußeren Rotorabschnitt (20); und einen doppelseitigen jochlosen Stator (22), der modulare Blechstapel (30) aufweist und für einen radialen Magnetflussstrom konfiguriert ist, wobei der doppelseitige jochlose Stator konzentrisch zwischen dem inneren Rotorabschnitt und dem äußeren Rotorabschnitt des Windkraftanlagengenerators angeordnet ist.
Generator (14) nach Anspruch 1, wobei jeder von den modularen Blechstapeln (22) einen I-förmigen Blechstapel aufweist.
Generator (14) nach Anspruch 1, wobei der Stator (22) ferner einen Statorrahmen (70) aufweist und wobei jeder entsprechende modulare Blechstapel (30) Schrauben (34) zum Verbinden des entsprechenden modularen Blechstapels mit dem Statorrahmen aufweist.
Generator (14) nach Anspruch 3, welcher ferner Endplatten (38) aufweist und wobei die Schrauben (34) der entsprechenden modularen Blechstapel (30) an den Endplatten befestigt sind.
Generator (14) nach Anspruch 3, wobei die Endplatten (38) formschlüssige Nuten (40) aufweisen, um eine axiale Bewegung zwischen benachbarten modularen Blechstapeln (30) zu verhindern.
Generator (14) nach Anspruch 1, ferner mit einem Keil (44), der zwischen entsprechenden benachbarten Blechstapeln (30) angeordnet ist.
Generator (14) nach Anspruch 1, welcher ferner Endringe aufweist, die im Wesentlichen den doppelseitigen jochlosen Stator (22) zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit umgeben.
Generator (14) nach Anspruch 7, wobei jeder von den Endringen einen mehrteiligen Endring aufweist.
Generator (14) nach Anspruch 1, wobei der Generator einen Direktantriebs-Permanentmagnetgenerator aufweist.
Schiffantriebsmotor (212), aufweisend: einen Rotor (214) mit einem inneren Rotorabschnitt (18) und einem äußeren Rotorabschnitt (20); und einen doppelseitigen jochlosen Stator (222), der mehrere modulare Blechstapel (230) aufweist und für einen radialen Magnetflussstrom konfiguriert ist, wobei der doppelseitige jochlose Stator (222) konzentrisch zwischen dem inneren Rotorabschnitt und dem äuße ren Rotorabschnitt des Schiffantriebsmotors angeordnet ist.
Verfahren zum Warten eines Generators (14) für eine Windkraftanlage (10), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Entfernen eines Teils des Endrings von einem mehrteiligen Endring; und Entfernen eines Kernpaketes (84) zum Warten eines individuellen Blechstapels (30), wobei ein entfernbares Fenster (86) in einem Statorrahmen (24) für den Zugang zu dem Kernpaket vorgesehen ist, und wobei der Generator (14) aufweist: wenigstens einen Rotor (16) mit einem inneren Rotorabschnitt (18) und einem äußeren Rotorabschnitt (20); wenigstens einen doppelseitigen jochlosen Stator (22) mit mehreren modularen Blechstapeln (30) und für einen radialen Magnetflussstrom konfiguriert ist; und wenigstens zwei mehrteilige Endringe, die im Wesentlichen den doppelseitigen jochlosen Stator zum Erhöhen der mechanischen Steifigkeit umgeben, wobei die Blechstapel als unterschiedliche Kernpakete angeordnet sind, wobei jedes Kernpaket ein oder mehrere modulare Blechstapel enthält.