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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polschuh, insbesondere einen Polschuh eines Generators.
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Ein Polschuh ist ein Bauteil aus einem Material mit hoher Permeabilität wie zum Beispiel Eisen. Der Polschuh dient dazu, die magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten oder einer Wicklung in einer definierten Form heraustreten zu lassen und zu verteilen. Beispielsweise wird in einem Elektromotor das magnetische Erregerfeld durch einen Polschuh kreissegmentförmig auf den Anker verteilt. Dadurch wird der Verlauf der Flussdichte entlang des Ankerumlaufes homogenisiert. Dabei kann nicht nur der Stator Polschuhe besitzen, sondern auch der Anker von Gleichstrommotoren oder der Rotor (Läufer) von Turbogeneratoren. Die Polschuhe elektrisch erregter Wechsel-/Drehstrommaschinen sowie der Anker von Gleichstrommotoren werden dabei i. Allg. geblecht ausgeführt, um Wirbelstromverluste zu vermeiden.
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In Windenergieanlagen werden Drehstrom-Asynchron-Generatoren oder Drehstrom-Synchron-Generatoren eingesetzt, die jeweils Polschuhe im Rotor bzw. Stator aufweisen. Aufgrund der zunehmenden Größe der Generatoren von Windenergieanlagen und der damit einhergehenden steigenden Belastung stoßen die bekannten Ausführungsformen der Polschuhe in mechanischer und thermischer Hinsicht an ihre Belastungsgrenzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Polschuh, insbesondere eines Generators, insbesondere eines Generators einer Windenergieanlage, in mechanischer und bzw. oder thermischer Hinsicht weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Polschuh, insbesondere eines Generators, mit den Merkmalen nach Anspruch 1, Anspruch 5 und Anspruch 7, einem Generator mit den Merkmalen nach Anspruch 11 sowie eine Windenergieanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit wird ein Polschuh, insbesondere eines Generators, vorgesehen mit einem Polpaket, das geblecht ausgeführt ist, wenigstens einer Wicklung, die um das Polpaket herum angeordnet ist, und einem Körper, der das geblechte Polpaket in dessen Längsrichtung durchdringt und der mehrere quer gerichtete Eingriffsstellen, vorzugsweise höchstens drei quer gerichtete Eingriffsstellen, aufweist, in die jeweils ein Haltemittel eingreifen kann, um den Polschuh auf einem Untergrund, insbesondere dem Rotor oder Stator eines Generators, zu befestigen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anzahl der Befestigungsstellen des Polschuhs mit dem Untergrund reduziert werden kann. Diese Verbindungsstellen wirken sich störend auf den Untergrund aus, da dieser entsprechende Bohrungen, Bolzen, Schrauben oder dergleichen aufweisen muss. Auch wird die Ausgestaltung des Untergrunds durch die Vorgabe der Befestigungsstellen des Polschuhs eingeschränkt.
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Daher werden erfindungsgemäß vorzugsweise höchstens drei Eingriffsstellen in dem Polpaket des Polschuhs vorgesehen. Hierdurch kann der Untergrund freier gestaltet und der Polschuh mit weniger Aufwand dort montiert werden. Auch kann beispielsweise eine Kühlung im Untergrund besser auf den Polschuh wirken, da die Wärmeübertragung von weniger Befestigungsstellen gestört wird. Auch kann die Kühlung im oder unter dem Untergrund näher am Polschuh angeordnet werden, da sie durch weniger Befestigungsstellen weniger in ihrer Anordnung gestört wird. Dabei können vorzugsweise drei Eingriffsstellen in dem Polpaket vorgesehen sein, es können aber auch besonders bevorzugt lediglich zwei Eingriffsstellen oder eine einzige Eingriffsstelle vorgesehen sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die höchstens drei Eingriffsstellen an den Enden und gegebenenfalls in der Mitte des Polpakets vorgesehen. Hierdurch kann eine stabile Befestigung des Polpakets auch mit wenigen Eingriffsstellen und Befestigungsmitteln erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die höchstens drei Eingriffsstellen so vorgesehen, dass über die Flächen des Polschuhs zwischen den Eingriffsstellen Wärme von dem Polschuh an wenigstens einen Kühlbereich im Untergrund, insbesondere im Rotor oder Stator eines Generators, abgegeben werden kann. Auf diese Weise kann durch die Reduzierung der Eingriffsstellen des Polpakets im Zusammenspiel mit einer Kühlung im Untergrund eine verbesserte Kühlung des Polschuhs erreicht werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Haltemittel Schrauben, insbesondere der Stärke M24. Durch diese Schrauben kann auf einfache Weise eine Befestigung erfolgen. Auch kann durch die Verwendung stärkerer Schrauben wie beispielsweise M24-Schrauben eine sichere Befestigung erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Polschuh, insbesondere eines Generators, mit einem Polpaket, das geblecht ausgeführt ist, wenigstens einer Wicklung, die um das Polpaket herum angeordnet ist, und einem Isolationsmittel, welches zwischen dem Polpaket und der Wicklung angeordnet ist. Das Isolationsmittel erzeugt eine Klebeverbindung zwischen dem Polpaket und der Wicklung.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verwendung des Isolationsmittels als Klebeverbindung zu einem sicheren Halt der Wicklung gegenüber dem Polpaket führt, so dass beispielsweise bei dem Rotor eines Generators auftretende Fliehkräfte auf den Polschuh weniger zu einer Verschiebung der Wicklungen gegenüber dem Polpaket führen können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Isolationsmittel einen Faserverbundwerkstoff und bzw. oder einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) auf. Derartige Isolationsmittel sind flexibel, stabil und belastbar. Faserverbundwerkstoffe bzw. glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) sind nicht leitend und dienen damit der elektrischen Isolation. Sie sind thermisch gut leitend und können so bei der Verwendung als Isolationsmittel bei einem Polschuh die Wärme aus den Wicklungen in die Bleche weiterleiten, von wo die Wärme dann durch Kühlmaßnahmen abgeleitet werden kann. Ferner können Faserverbundwerkstoff bzw. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) durch Klebstoff getränkt oder mit Klebstoff beschichtet sein, um eine Klebeverbindung zwischen den Wicklungen und dem Blechpaket des Polschuhs herzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Faserverbundwerkstoff Meta-Aramidfasern auf. Derartige Fasern sind auch als Nomex oder Kevlar bekannt. Diese Fasern sind bei einem vergleichsweise geringen Gewicht und einer geringen Dicke sehr stabil im Vergleich zu Werkstoffen, die herkömmlich als Isolationsmittel eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Polschuh, insbesondere eines Generators, mit einem Polpaket, das geblecht ausgeführt ist, wenigstens einer Wicklung, die um das Polpaket herum angeordnet ist, und wenigstens einem Endstück, das an wenigstens einem Ende des Polpakets in dessen Längsrichtung zwischen Polpaket und Wicklung vorgesehen ist. Das Endstück weist abgerundete Kanten auf, um einen kantenfreien Übergang zwischen Endstück und Polpaket für die Wicklung zu schaffen.
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Vorteilhaft ist dabei, dass durch das abgerundete Endstück eine Beschädigung der Wicklungen und des Isolationsmittels an den Kanten des Polpakets vermieden werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist bzw. sind das Endstück und bzw. oder ein Seitenstück konkav, d. h. nach innen gewölbt, ausgebildet, um die Wicklung in der Senke der Konkavität aufzunehmen. Hierdurch wird ein Hochwandern der Wicklung z. B. durch angreifende Fliehkräfte vermieden bzw. reduziert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist bzw. weisen das Endstück und bzw. oder das Seitenstück wenigstens eine hervorstehende Kante auf, die parallel zu der Wicklung verläuft. Durch diese Kante kann alternativ oder zusätzlich ein Hochwandern der Wicklungen über die obere Kante des Polpakets hinaus vermieden werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Endstück auf einem Element aufgesetzt auf dem Polpaket vorgesehen. Durch dieses Element kann eine Verbindung zwischen dem äußersten Blech des Polpakets und einer Verbindung der Bleche in Längsrichtung erfolgen, die dann wiederum durch das Endstück glatt und bündig abgeschlossen werden kann, um gegenüber dem Isolationsmittel und der Wicklung eine glatte Oberfläche zu gewährleisten. Ferner wirkt das Endstück auch elektrisch isolierend, da es einen Abstand zwischen den Wicklungen und dem Polpaket definiert. Vorzugsweise ist durch das Endstück ein Abstand von 20 mm vorzusehen, um Kriechströme zu vermeiden.
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Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf folgende Figuren näher erläutert:
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Polschuhs in einem zusammengesetzten Zustand;
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Polschuhs in Form einer Explosionszeichnung;
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3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Polschuhs in Form einer Explosionszeichnung;
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4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Polschuhs in dem zusammengesetzten Zustand;
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5 zeigt eine erste perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs;
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6 zeigt eine zweite perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs;
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7 zeigt eine dritte perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs;
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8 zeigt eine vierte perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs;
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9 zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Kantenverrundung von vorne in einer ersten Ausführungsform;
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10 zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Kantenverrundung von hinten in der ersten Ausführungsform;
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11a zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Kantenverrundung 1 von vorne in einer zweiten Ausführungsform;
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11b zeigt eine Draufsicht auf eine Kantenverrundung 1 in der zweiten Ausführungsform;
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11c zeigt eine Vorderansicht auf eine Kantenverrundung 1 in der zweiten Ausführungsform; und
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11d zeigt eine Detailansicht einer Kantenverrundung 1 in der zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine perspektive Ansicht eines Polschuhs in einem zusammengesetzten Zustand. In dieser Darstellung ist der obere Bereich des Polpakets 4 zu erkennen, der von einer Wicklung 6 oder auch einer Vielzahl von Wicklungen 6 umschlossen wird. An den beiden Enden des Polpakets 4 sind die oberen Enden des jeweiligen Endstücks 1 zu erkennen. Der Polschuh ist auf einem Untergrund 9 befestigt dargestellt. Der Untergrund 9 kann beispielsweise der Rotor oder Stator eines Generators sein.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Polschuhs in Form einer Explosionszeichnung. 3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Polschuhs in Form einer Explosionszeichnung. 4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Polschuhs in dem zusammengesetzten Zustand.
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Das Innere des Polschuhs wird durch eine Vielzahl von Blechen gebildet, die zusammen den Eisenkern des Polschuhs in Form des Polpakets 4 bilden. Durch die geblechte Ausbildung des Polschuhs können Wirbelströme innerhalb des Polschuhs vermieden oder zumindest reduziert werden. Dabei werden die Bleche in der Längsrichtung A aneinander gefügt, um das Polpaket 4 zu bilden. An seiner oberen Kante, d. h. an seiner dem Untergrund 9 abgewandten Seite, ist das Polpaket 4 mit einem Vorsprung ausgestaltet, der über die Wicklungen 6 seitlich herüber ragt, um diese in radialer Richtung bzgl. des Untergrunds 9 zu halten.
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In der 2 ist ferner ein U-förmiges Seitenstück 5 gezeigt, das zwischen dem Polpaket 4 und den Wicklungen 6 vorgesehen werden kann. Das Seitenstück 5 ist U-förmig, d. h. mit zwei abgewinkelten Kanten oben und unten, ausgeführt, um ebenfalls über die Wicklungen 6 seitlich herüber zu ragen und diese in radialer Richtung bzgl. des Untergrunds 9 zu halten. Dabei ist lediglich die obere Kante des U-förmigen Seitenstücks 5 erforderlich, um radialen Fliehkräften entgegenzuwirken, weshalb das U-förmige Seitenstück 5 auf L-förmig ausgeführt sein könnte, d. h. mit einer abgewinkelten Kante oben.
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Somit kann ein solcher, über die Wicklungen 6 hinaus ragender Vorsprung entweder durch die obere Kante des Polpakets 4 oder durch die obere Kante des U-förmigen Seitenstücks 5 gebildet werden oder es können beide Elemente 4, 5 mit entsprechenden Vorsprüngen gemeinsam vorgesehen werden.
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Um das geblechte Polpaket 4 herum ist ein Isolationsmittel vorgesehen. Um das Isolationsmittel wird die Wicklung 6 angeordnet. Das Isolationsmittel isoliert das Polpaket 4 und die Wicklung 6 elektrisch gegeneinander. Ferner kann das Isolationsmittel zu einer guten Wärmeübertragung von den stromdurchflossenen Wicklungen 6 zu dem Polpaket 4 beitragen und als klebendes Isolationsmaterial die Stabilität der Wicklungen 6 gegenüber dem Polpaket 4 unterstützen, d. h. zusätzlich oder alternativ zu den oberen Kanten des Polpakets 4 und bzw. oder der oberen Kante des Seitenstücks 5 radialen Kräften entgegenwirken.
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Das Isolationsmittel ist in der Darstellung der 2 nicht dargestellt, doch entspricht seine Anordnung und Ausgestaltung der des U-förmigen Seitenstücks 5, um die Wicklung 6 vollständig gegenüber dem Untergrund 9 und dem Polpaket 4 zu isolieren, die Wärmeübertragung von den Wicklungen 6 zum Untergrund 9 und dem Polpaket 4 zu gewährleisten und die Stabilität der Wicklungen 6 gegenüber dem Polpaket 4 zu verbessern.
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An den beiden Enden des Polpakets 4 in Längsrichtung A, d. h. an dessen Stirnflächen, ist jeweils eine Anordnung verschiedener Elemente 1, 2, 3 vorgesehen, die mit Bezug zu den 5 bis 11d näher betrachtet und erläutert werden. Die Elemente 1, 2, 3 dienen dabei der Aufnahme und Führung der Wicklung 6 an dem jeweiligen Ende des Polpakets 4.
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Weiterhin weist der Polschuh einen Körper 7 auf, der beispielsweise als zylindrischer Bolzen 7 ausgebildet sein kann. Dieser Bolzen 7 wird in der Längsrichtung A durch die Bleche des Polpakets 4 hindurchgeführt, um die Bleche zusammenzuhalten. Dabei ragt der Bolzen 7 an den beiden Enden des Polpakets 4 über die Bleche hinaus, um in wenigstens eines der Elemente 1, 2, 3 einzugreifen, siehe 5 bis 11d. Der Bolzen 7 kann allerdings auch so ausgebildet sein, dass der mit den äußersten Blechen des Polpakets 4 an beiden oder wenigstens einem Ende bündig abschließt. Der Bolzen 7 soll daher im Folgenden als Längsbolzen 7 bezeichnet werden.
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In der Querrichtung des Polschuhs in Richtung des Untergrunds 9 sind Eingriffsstellen in dem Längsbolzen 7 vorgesehen. Hierzu weisen die entsprechenden Bleche des Polpakets 4 Aussparungen auf. In diese Eingriffsstellen des Längsbolzens 7 können Schrauben oder Bolzen 8 durch die Aussparungen des Polpakets 4 hindurch eingreifen, die wiederum auf dem Untergrund 9 vorgesehen sind. Diese quer zur Längsrichtung A eingreifenden Bolzen 8 sollen daher als Querbolzen 8 bezeichnet werden. Ist der Untergrund 9 beispielsweise der Außengurt 9 (Gurt 9) eines Rotors eines Generators, so kann der Polschuh durch die Querbolzen 8 auf diesem befestigt werden.
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Erfindungsgemäß weist der dargestellte Polschuh einen Längsbolzen 7 mit höchstens drei quer gerichteten Eingriffsstellen auf. Dabei können beispielsweise zwei Eingriffsstellen nahe den beiden Enden des Polschuhs derart angeordnet sein, dass die beiden Eingriffsstellen möglichst weit voneinander beabstandet sind und die Querbolzen 8 mit sicherem Halt in den Längsbolzen 7 eingreifen können. Gegebenenfalls kann ein dritter Querbolzen 8 in eine dritte Eingriffsstelle eingreifen, die ungefähr mittig in der Längsrichtung A im Längsbolzen 7 vorgesehen ist Auf diese Weise werden möglichst große Abstände zwischen den Querbolzen 8 ermöglicht. In diesen Zwischenräumen hat der Polschuh über die entsprechende Seite des Polpakets 4 einen direkten Kontakt mit dem Untergrund 9, so dass eine direkte Wärmeleitung von dem Polschuh in den Untergrund 9 erfolgt.
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Diese Wärme kann beispielsweise durch die stromdurchflossenen Wicklungen 6 hervorgerufen werden und dabei Ausmaße erreichen, dass diese Wärme möglichst gut abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und Beschädigung des Polschuhs zu vermeiden. Hierzu sind möglichst viele und durchgehende Kontaktflächen zwischen den Polpaket 4 und dem Untergrund 9 vorteilhaft, um die Wärme an den Untergrund 9 abzuführen. Dabei kann beispielsweise eine Kühlung in dem Untergrund 9 vorgesehen sein, die vorzugsweise direkt unter den Kontaktbereichen verläuft, d. h. die zwischen den Querbolzen 8 verläuft.
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Daher ist es vorteilhaft und erstrebenswert, den Polschuh mit möglichst wenig Querbolzen 8 auf dem Untergrund 9 befestigen zu können, da hierdurch die Bereiche vergrößert werden, in denen eine Kühlung im Untergrund 9 direkt an den Kontaktflächen zwischen Polpaket 4 und Untergrund 9 vorgesehen werden kann. Wurden beispielsweise bisher Polschuhe bei den Generatoren von Windenergieanlagen am Rotor mit zehn M12-Schrauben als Querbolzen 8 befestigt, so kann erfindungsgemäß die Befestigung durch lediglich beispielsweise drei Schrauben als Querbolzen 8 erfolgen, die jedoch zur Erreichung der gleichen Befestigungssicherheit als M24-Schrauben ausgeführt sein können. Diese Reduzierung der Querbolzen 8 ist jedoch lediglich dadurch bei gleichbleibender Stabilität der Befestigung möglich, weil die Bleche des Polpakets 4 durch den Längsbolzen 7 in der Längsrichtung A zusammengehalten werden.
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Ein solcher längs verlaufender Bolzen 7 wurde bisher nicht verwendet, da mittels der mehreren kleineren M12-Schrauben als Querbolzen 8 die stabile Befestigung des Polschuhs 4 auf dem Untergrund 9 auch ohne den Längsbolzen 7 möglich war. Wird jedoch die Befestigung des Polpakets 4 auf dem Untergrund 9 mit weniger Querbolzen 8 durchgeführt, so führt dies zu einer geringen Stabilität zwischen den einzelnen Blechen des Polpakets 4, die durch den Längsbolzen 7 wieder ausgeglichen wird. Dies bedeutet, dass durch die Anordnung des Längsbolzens 7 und der höchstens drei Querbolzen 8 eine vergleichbare Stabilität des Polpakets 4 gegenüber dem Untergrund 9 erreicht werden kann wie bisher mit beispielweise zehn kleineren Querbolzen 8, die über die Länge des Polpakets 4 verteilt angeordnet sind. Jedoch ermöglichen die hierdurch vergrößerten Freiräume zwischen den einzelnen wenigen Querbolzen 8 eine verbesserte Wärmeübertragung auf den Untergrund 9 und damit eine verbesserte Kühlungsmöglichkeit des Polpakets 4 und damit auch der Wicklungen 6.
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Um diese Wärmeleitung zwischen dem Polpaket 4 und dem Untergrund 9 zu verbessern, kann zwischen dem Polpaket 4 und dem Untergrund 9 ein Mittel zur Verbesserung der Wärmeleitung wie beispielsweise eine Wärmeleitpaste vorgesehen sein.
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Ferner ist zu beachten, dass herkömmlich die Bleche des Polpakets 4 über eine Schweißnaht an der Unterseite, d. h. der auf dem Untergrund 9 aufliegenden Seite des Polpakets 4, miteinander verbunden werden. Hierzu wird in den Blechen eine entsprechende Aussparung vorgesehen oder in die zusammengesetzten Bleche des Polpakets 4 eingebracht. In die Aussparung wird dann das Schweißmaterial eingebracht, d. h. aufgetragen. Wird diese Schweißnaht zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Längsbolzen 7 verwendet, so kann sich in dieser Aussparung zwischen dem Schweißmaterial und dem Untergrund 9 ein luftgefüllter Zwischenraum ausbilden, der die Wärmeleitung zwischen dem Polpaket 4 und dem Untergrund 9 verschlechtert. Daher ist insbesondere dieser Zwischenraum mit einem Mittel zur Verbesserung der Wärmeleitung wie beispielsweise einer Wärmeleitpaste auszufüllen, um eine thermisch isolierende Wirkung der in der Aussparung eingeschlossen Luft zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird bei dem Polschuh als Isolationsmittel ein Material verwendet, das einen Faserverbundwerkstoff oder einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) aufweist. Dieses Material kann mit einem Klebemittel versehen werden, um auf diese Art und Weise eine Klebeverbindung zwischen dem Polpaket 4 und der Wicklung 6 zu erzeugen. Dabei ist das Isolationsmittel derart vorzusehen, dass es zum einen die elektrische Isolation sowie eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem Polpaket 4 und der Wicklung 6 gewährleistet. Zum anderen soll gleichzeitig eine derartige Klebewirkung zwischen dem Polpaket 4 und der Wicklung 6 erreicht werden, dass die Wicklung 6 gegenüber dem Polpaket 4 nicht beweglich ist Eine derartige Relativbewegung kann z. B. beim Einsatz des Polschuhs im Rotor eines Generators durch die Fliehkräfte hervorgerufen werden. Hierdurch kann sich im schlimmsten Fall die Wicklung 6 zumindest teilweise vom Polpaket 4 in radialer Richtung, d. h. senkrecht zum Untergrund 9, lösen, wodurch der Polschuh seine Wirkung verliert bzw. in dieser zumindest reduziert wird und die Umgebung durch die gelöste Wicklung 6 beschädigt werden kann.
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Um ein solches Ablösen im Betrieb zu vermeiden, kann neben weiteren mechanischen Maßnahmen eine Klebeverbindung durch das Isolationsmittel erzeugt werden, dass dieser Fall des Ablösens auch bei starken Fliehkräften und anhaltendem Betrieb sicher vermieden oder zumindest dessen Eintrittswahrscheinlichkeit reduziert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, ein Isolationsmittel zu verwenden, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, um die Wärme der Wicklung 6, die durch den Erregerstrom hervorgerufen wird, bestmöglich über das Isolationsmittel an das Polpaket 4 zu übertragen, damit die Wärme von dort z. B. über den Untergrund 9 und dessen Kühlung aus dem Polschuh abgeführt werden kann. Hierzu kann optional auch eine Wärmeleitpaste oder dergleichen zwischen Polpaket 4 und Isolationsmittel und bzw. oder zwischen Isolationsmittel und Wicklung 6 vorgesehen werden.
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Erfindungsgemäß wird als Isolationsmittel ein Faserverbundwerkstoff verwendet, der beispielsweise aus Aramidfasern besteht Aramidfasern sind Fasern aus Aramiden oder aromatischen Polyamiden (Polyaramiden). Diese werden beispielsweise unter den Markennamen „Nomex” und „Kevlar” von der Firma DuPont vertrieben. Zu diesen Fasern gehören die Meta-Aramidfasern, die speziell für den Brandschutz eingesetzt werden.
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Eine Anwendung dieser Aramidfasern als Aramidpapier ist die Verwendung als Elektro-Isolation z. B. bei Elektromotoren oder als Lagenisolation in Transformatoren. Dieses Papier ist sehr dünn und gleichzeitig sehr stabil. Aufgrund seiner Papiereigenschaften kann es beispielsweise mit Harz wie z. B. Epoxidharz getränkt oder auch mit Klebstoff beschichtet werden, um eine klebende Oberfläche zu erhalten.
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Somit kann mittels eines Aramidpapiers ein Isolationsmittel geschaffen werden, welches bei geringer Dicke und geringem Gewicht hohe mechanische Belastungen aushalten kann und gleichzeitig klebend vorgesehen werden kann. Hierbei können durch die wechselnden Fliehkräfte, die auf die Wicklung 6 bei unterschiedlichen Generatorumdrehungsgeschwindigkeiten wirken können, Scherkräfte auftreten, die durch das Isolationsmittel aufgenommen werden können müssen.
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Dabei ist auch zu beachten, dass auf einem Polpaket 4 durch den Herstellungsprozess Schweißpickel auftreten können, die das Isolationsmaterial durchdringen und dadurch eine leitende Verbindung zwischen Polpaket 4 und Wicklung 6 herstellen können. Eine solche geringfügig leitende Verbindung kann zu Überschlägen zwischen Polpaket 4 und Wicklung 6 führen, die dann die Verbindung ausweiten würden, so dass die Isolation nicht mehr gegeben wäre. Daher ist als Isolationsmaterial ein Material wie beispielsweise das Aramidpapier vorteilhaft, dessen mechanische Stabilität bei einer geeigneten Dicke des Isolationsmaterials auch derartigen punktuellen und spitzen Belastungen wie Schweißpickel widerstehen kann.
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Die Herstellung eines Polschuhs mit einem Isolationsmittel, das ein harzgetränktes oder klebstoffbeschichtetes Aramidpapier aufweist, kann wie folgt erfolgen:
Zunächst ist das Polpaket 4 des Polschuhs aus Blechen herzustellen. Dabei können diese Bleche durch den Längsbolzen 7 oder auch über andere Maßnahmen und Mittel zusammengehalten werden. Als weiterer Schritt ist das Aramidpapier zuzuschneiden, um der Geometrie des Polpakets 4 und der Wicklung 6 angepasst zu sein. Dann ist das Aramidpapier mit dem Harz zu tränken oder mit einem Klebstoff zu beschichten und gegebenenfalls trocknen zu lassen, damit das Harz bzw. der Klebstoff in bzw. an dem Papier haften bleibt. Hierzu kann das getränkte Aramidpapier auch unter Erwärmung zusammengedrückt werden, um eine gewünschte Geometrie zu erhalten. Dabei kann durch das Zusammendrücken auch eine geringe Dicke des Aramidpapiers erreicht werden. Auch kann dem Aramidpapier hierdurch eine stabile Geometrie beispielsweise mit angewinkelten Kanten in Längsrichtung A gegeben werden, um ein U-förmiges Profil des Isolationsmittels zu erreichen, wodurch die Wicklung 6 in dem U-förmigen Isolationsmittel aufgenommen werden kann und so eine entsprechende Geometrie des Polpakets 4 und des Seitenstücks 5, d. h. mit hervorragenden Kanten zur Aufnahme der Wicklung 6, teilweise oder vollständig entfallen kann.
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Dann wird das Aramidpapier als Isolationsmaterial um die Flanken des Polpakets 4 gelegt. An den Enden des Polpakets 4 kann eine Isolation durch das Element 1 erfolgen. Dann wird die Wicklung 6 auf das klebende Aramidpapier herum gewickelt, so dass die Wicklungen an dem Aramidpapier anhaften, welches wiederum auf dem Polpaket 4 klebt.
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5 zeigt eine erste perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs. Es ist das Polpaket 4 dargestellt mit einer in Längsrichtung A verlaufenden Aussparung, in die der Längsbolzen 7 eingefügt werden kann (nicht dargestellt). Auf das Ende des Polpakets 4 ist ein erstes Element 3 angefügt, welches als Zusatzpaket 3 bezeichnet werden soll. Das Zusatzpaket 3 ist der Geometrie des Polpakets 4 angepasst ausgestaltet und stellt das äußerste Blech des Polpakets 4 dar. Das Zusatzpaket 3 weist jedoch gleichzeitig seitlich eine Aussparung derart auf, dass das Element 3, d. h. die Kantenverrundung 1 (siehe 8 bis 11d) über diese Kante des Zusatzpakets 3 herübergestülpt werden kann. In anderen Worten ist das Zusatzpaket 3 nicht an die Pfeilung des Polpakets 4 angepasst ausgeführt.
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6 zeigt eine zweite perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs. Auf das Zusatzpaket 3 ist ein zweites Element 2 angefügt, welches als Druckstück 2 bezeichnet werden soll. Das Druckstück 2 ist der Geometrie des Zusatzpakets 3 angepasst, wobei das Druckstück 2 im oberen Bereich kürzer als das Zusatzpaket 3 ausgestaltet ist, so dass das Zusatzpaket 3 über das Druckstück 2 hinausragend dargestellt ist. Hierdurch hebt sich das Druckstück 2 im oberen Bereich von dem darunterliegenden Zusatzpaket 3 ab, so dass die Kantenverrundung 1 sowohl seitlich als auch im oberen Bereich über das Druckstück 2 herüber gestülpt werden kann.
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7 zeigt eine dritte perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs. In dieser Darstellung ist der Längsbolzen 7 in die Aussparung eingefügt worden, die sowohl die Bleche des Polpakets 4 als auch das Zusatzpaket 3 und das Druckstück 2 in gleicher Weise durchdringt. Auf diese Weise werden die Bleche des Polpakets 4, das Zusatzpaket 3 und das Druckstück 2 durch den Längsbolzen 7 zusammengehalten. Dabei zentriert der Längsbolzen 7 das Zusatzpaket 3 und das Druckstück 2. Zur Sicherung des Aufbaus wird das Druckstück 2 mit dem Längsbolzen 7 verschweißt.
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8 zeigt eine vierte perspektivische Detailansicht eines Endes des Polschuhs. In dieser Darstellung ist das Ende mittels eines dritten Elements 1, welches als Kantenverrundung 1 bezeichnet werden soll, abgeschlossen. Durch diesen Abschluss mittels der Kantenverrundung 1 kann eine ebene und glatte Oberfläche des Polpakets 4 geschaffen werden, so dass auch an den beiden Enden des Polpakets 4 die Wicklungen 6 glatt und sicher anliegen können. Anders herum ausgedrückt verhindert die Kantenverrundung 1 eine Beschädigung der Wicklung 6, die durch scharfe Kanten oder Knicke im Untergrund unter der Wicklung 6, d. h. an den endseitigen Elementen 1, 2, 3 des Polpakets 4, auftreten könnten. Dabei wird beispielsweise die Schweißverbindung zwischen Druckstück 2 und Längsbolzen 7 durch die Kantenverrundung 1 abgedeckt.
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Auch kann das Isolationsmittel um die Enden des Polpakets 4 herum, d. h. über die Kantenverrundung 1, ausgeführt werden, so dass auch eine Beschädigung des Isolationsmittels durch eine glatte Kantenverrundung 1 vermieden werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Kantenverrundung 1 selbst aus einem isolierenden Material vorgesehen sein, so dass in diesem Bereich gegebenenfalls das Isolationsmittel weggelassen werden kann, um Material und Zeit bei der Herstellung zu sparen.
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9 zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Kantenverrundung 1 von vorne in einer ersten Ausführungsform. 10 zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Kantenverrundung 1 von hinten in der ersten Ausführungsform.
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Dabei ist zu erkennen, dass die Kantenverrundung 1 so ausgeführt ist, dass sie das Zusatzpaket 3 und das Druckstück 2 seitlich vollständig umschließen kann, um gegenüber dem Isolationsmittel und der Wicklung 6 eine ebene und glatte Oberfläche zu erzeugen. Ferner weist die Kantenverrundung 1 oben und unten hervorragende Kanten auf, um die Wicklung 6 in diesen Richtungen halten zu können, z. B. gegen im rotierenden Betrieb auftretende Fliehkräfte. Ferner weist die Kantenverrundung 1 eine Aussparung 1a auf, in der ein Band geführt werden kann, um das Ende der Wicklung 6 zu justieren.
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Erfindungsgemäß wird dabei die Kombination der Elemente 1, 2, 3, d. h. das Zusatzpaket 3, das Druckstück 2 und die Kantenverrundung 1, vorgesehen. Bisher war es bekannt, ein Kopfstück vorzusehen, um das Ende des geblechten Polpakets 4 abzuschließen. Dabei wurde bisher kein Längsbolzen 7 verwendet und stattdessen das geblechte Polpaket 4 mit mehreren kleineren Querbolzen 8 am Untergrund 9 befestigt.
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Wird nun erfindungsgemäß jedoch ein Längsbolzen 7 vorgesehen, um die Bleche des Polpakets 4 zusammenzuhalten und um als Befestigung für wenige aber stärkere Querbolzen 8 zu dienen, so kann der Längsbolzen 7 über das äußerste Blech des Polpakets 4 hinaus ragen und muss in diesem Fall dort fixiert werden. Wird auf diese Verlängerung des Polpakets 4 ein Endstück aufgesetzt, so werden Gewicht und Länge des Polschuhs unvorteilhaft erhöht. Beispielsweise würde ein Endstück mit einer Dicke von 26 mm auf das Ende des Polpakets 4 aufgesetzt werden.
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Daher wird erfindungsgemäß eine Kombination von mehreren Elementen 1, 2, 3 am Ende des Polpakets 4 als Endstück vorgesehen. Das Zusatzpaket 3 als äußerstes Blech des Polpakets 4 weist beispielsweise eine Dicke von 18 mm auf. Das Zusatzpaket 3 entspricht einem Blech des Polpakets 4 mit einer seitlichen Aussparung zur Aufnahme der Kantenverrundung 1. Das Druckstück 2 weist beispielsweise eine Dicke von 6 mm auf und dient der Fixierung des Längsbolzens 7. Die Kantenverrundung 1 weist beispielsweise eine Dicke von 3 mm auf und rundet das Ende des Polpakets 4 ab. Durch die Anordnung der Kantenverrundung 1 über das Druckstück 2 weist das erfindungsgemäße Kopfstück 1, 2 des Polpakets 4 eine Gesamtdicke von 9 mm auf.
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Durch diese Reduzierung der Dicke des Kopfstücks wird eine Materialersparnis gegenüber dem bisherigen Kopfstück erreicht, die sich auf das verwendete Kupfer auswirkt, da das bisherige Kopfstück aus Kupfer gefertigt wurde. Dabei kann pro Polschuh eine Materialersparnis bei dem betrachteten Polschuh eines Generators einer Windenergieanlage von 2,31 kg erreicht werden. Bei 72 Polschuhen können hierdurch 166,3 kg Kupfer eingespart werden.
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11a zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Kantenverrundung 1 von vorne in einer zweiten Ausführungsform. 11b zeigt eine Draufsicht auf eine Kantenverrundung 1 in der zweiten Ausführungsform. 11c zeigt eine Vorderansicht auf eine Kantenverrundung 1 in der zweiten Ausführungsform. 11d zeigt eine Detailansicht einer Kantenverrundung 1 in der zweiten Ausführungsform.
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In dieser zweiten Ausführungsform weist die Kantenverrundung 1 eine Einbauchung auf, d. h. die Kantenverrundung 1 ist konkav so ausgeführt, dass sie die Wicklung 6 in der Senke der Konkavität aufnehmen kann. Hierdurch kann einer Verschiebung der Wicklung 6 gegenüber der Kantenverrundung 1 entgegengewirkt werden, die durch die Fliehkräfte bei einer Drehung des Polschuhs, z. B. auf dem Rotor eines Generators, auftreten kann. Durch die Geometrie der Kantenverrundung 1 wird die Wicklung 6 auch dann, falls sich die Wicklung 6 durch Wärme ausdehnt und lockerer um das Polpaket 4 angeordnet ist als im abgekühlten und gespannten Zustand, in der Senke der konkaven Fläche gehalten.
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Dahingegen würde auf einer geraden Fläche die Gefahr bestehen, dass die Wicklung 6, beispielsweise durch sich wiederholendes Ausweiten bei Erwärmung und Verengen bei Abkühlung bei gleichzeitig auftretenden Fliehkräften, nach und nach von dem Polpaket 4 herunter wandern würde. Diesem Fall kann durch die konkave Ausgestaltung der Kantenverrundung 1 entgegengewirkt werden. Dabei ergänzt sich diese Ausgestaltung mit dem Verkleben der Wicklung 6 gegenüber dem Polpaket 4 durch das klebende Isolationsmittel und die U-förmige Ausformung des Seitenstücks 5, welches durch seine ebenfalls konkave Ausgestaltung eine vergleichbare Wirkung an den Seiten des Polschuhs aufweist wie die zuvor beschriebene konkave Ausgestaltung der Kantenverrundung 1 an den Enden des Polschuhs.
