DE102011077554A1 - Permanent-magnet dynamo-electric machine e.g. direct drive wind turbine generator, has magnet unit which is provided with permanent magnet and magnetic flux-guiding element - Google Patents

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Abstract

The electric machine has an air gap which is formed between the stator and rotor. The rotor is mechanically coupled with a shaft (9). A supporting structure is provided with a magnet unit (4). The magnet unit is provided with a permanent magnet (5) and a magnetic flux-guiding element (6). The power of permanent-magnet dynamo-electric machine is set larger than 1MW.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte elektrische Maschine, insbesondere einen direkt angetriebenen Windkraftgenerator, mit einer Leistung größer 1 MW, mit einem Stator, einem Läufer und einem dazwischen befindlichen Luftspalt, wobei der Läufer mit einer Welle mechanisch gekoppelt ist und wobei der Läufer Permanentmagnete enthält. The invention relates to a permanent-magnet electric machine, in particular a directly driven wind power generator, with a power greater than 1 MW, with a stator, a rotor and an air gap therebetween, wherein the rotor is mechanically coupled to a shaft and wherein the rotor includes permanent magnets.

Permanenterregte elektrische Maschinen weisen auf ihrem Läufer Permanentmagnete auf, die aufgrund elektromagnetischer Wechselwirkungen mit dem Wicklungssystem eines Stators das Drehmoment an einer Welle bzw. elektrische Energie erzeugen. Bei diesen permanenterregten elektrischen Maschinen treten durch die dauernde konstante Erregung des Feldes durch die Magnete im Stillstand der elektrischen Maschine unter Umständen hohe Rastmomente auf. Permanently excited electrical machines have permanent magnets on their rotor, which generate the torque on a shaft or electrical energy due to electromagnetic interactions with the winding system of a stator. In these permanent-magnet electric machines, high permanent torques may occur due to the constant constant excitation of the field by the magnets when the electric machine is at a standstill.

Des Weiteren beeinflusst die Feldkurvenform im Luftspalt auch das Betriebsverhalten bei sich drehender Maschine, indem Pendelmomente und Spannungsharmonische erzeugt werden. Durch geeignete Gestaltung der Magnete und der Magnetanordnung, können diese Effekte vermindert werden. Dies gelingt unter anderem dadurch, dass beispielsweise die Magnete in ihrem axialen Verlauf geschrägt oder ein Versatz der Magnete in axialer Richtung ausgebildet wird. Furthermore, the field curve shape in the air gap also influences the operating behavior of a rotating machine by generating pendulum moments and tension harmonics. By suitable design of the magnets and the magnet arrangement, these effects can be reduced. This is achieved inter alia by the fact that, for example, the magnets beveled in their axial course or an offset of the magnets is formed in the axial direction.

Alternativ dazu kann von der Rechteckform der Magnete abgewichen werden und die Kontur der Magnete so gestaltet werden, dass ein verbessertes Feldspektrum bei gleichzeitig höherem Konturfeld entsteht. Beispielsweise ist eine sinusförmige Magnetkontur denkbar. Dies ist beispielsweise der US 7 425 785 B2 zu entnehmen. Alternatively, deviating from the rectangular shape of the magnets and the contour of the magnets are designed so that an improved field spectrum arises at the same time higher contour field. For example, a sinusoidal magnetic contour is conceivable. This is for example the US Pat. No. 7,425,785 B2 refer to.

Allerdings muss eine solche Kontur bedingt durch das Fertigungsverfahren der Permanentmagnete durch Schleifen erzeugt werden, da Permanentmagnete im Rahmen der Fertigung vorzugsweise in rechteckige Formen gepresst werden. However, such a contour must be generated due to the manufacturing process of the permanent magnets by grinding, since permanent magnets are preferably pressed in the context of manufacturing in rectangular shapes.

Das Schleifen der Permanentmagnete ist fertigungstechnisch sehr aufwändig und aufgrund des Materialverschnitts vor allem bei großen Maschinen sehr teuer. The grinding of the permanent magnets is very expensive to manufacture and very expensive due to the material bleeding, especially in large machines.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine permanenterregte elektrische Maschinen, insbesondere im höheren Leistungsbereich größer 1 MW mit einer Erregung durch Permanentmagnete zu schaffen, die bei vergleichsweise einfacher Fertigung vergleichbare Materialkennwerte, beispielsweise eine vergleichweise höhere Remanenz aufweist. Proceeding from this, the object of the invention is to provide a permanently excited electrical machine, in particular in the higher power range greater than 1 MW with excitation by permanent magnets, which has comparatively simple production comparable material characteristics, for example a comparatively higher remanence.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine, insbesondere direkt angetriebenen Windkraftgenerator, mit einer Leistung größer 1MW, mit einem Stator, einem Läufer und einem dazwischen befindlichen Luftspalt, wobei der Läufer mit einer Welle mechanisch gekoppelt ist, wobei der Läufer zumindest eine Tragkonstruktion mit wenigstens einer Magneteinheit aufweist, wobei die Magneteinheit zumindest einen Permanentenmagneten und zumindest ein magnetisches Flussleitelement umfasst. The solution of the object is achieved by a permanent-magnet dynamoelectric machine, in particular directly driven wind power generator, with a power greater than 1MW, with a stator, a rotor and an air gap therebetween, the rotor is mechanically coupled to a shaft, the rotor at least one Supporting structure having at least one magnet unit, wherein the magnet unit comprises at least one permanent magnet and at least one magnetic flux guide.

Erfindungsgemäß wird nunmehr aus einem Standard Monoblock, also einem Rechteckdesign eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Flussleitstück eine Magneteinheit gebildet. Das Feldspektrum dieser Magneteinheit weist eine vergleichweise höhere Amplitude des Grundfeldes gegenüber einem Standard-Monoblock-Recheckdesign eines Permanentmagneten auf. According to the invention, a magnet unit is now formed from a standard monoblock, that is to say a rectangular design of a permanent magnet with a magnetic flux guide. The field spectrum of this magnet unit has a comparatively higher amplitude of the basic field compared to a standard monoblock rectangle design of a permanent magnet.

Des Weiteren werden nunmehr, da die Permanentmagnete nicht direkt am Luftspalt der permanenterregten Maschine zwischen Stator und Läufer anliegen die Wirbelstromverluste in diesem Bereich reduziert. Wirbelstromverluste treten im oberflächennahen Bereich, also in dem an den Luftspalt angrenzenden Bereich verstärkt auf. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Magneteinheit werden diese Verluste nun nicht mehr im Magnetmaterial umgesetzt. Furthermore, now that the permanent magnets are not applied directly to the air gap of the permanent-magnet machine between the stator and rotor, the eddy current losses in this area are reduced. Eddy current losses occur in the near-surface region, ie in the area adjacent to the air gap reinforced. Due to the inventive design of the magnet unit these losses are no longer implemented in the magnetic material.

Diese Verluste würden zu einem verstärkten Wärmeeintrag in dem Magnetmaterial führen und dessen magnetische Eigenschaften verändern. Diese Verluste werden nunmehr in den Flussleitelementen aufgenommen und können von dort durch die im Luftspalt vorhandene Kühlung, insbesondere einen axial erzeugten Luftstrom abtransportiert werden, bevor das Magnetmaterial unzulässig stark erwärmt wird. Damit kann nunmehr ein kostengünstigeres Magnetmaterial mit geringerer Temperaturfestigkeit eingesetzt werden. Magnetmaterial mit niedrigerer Temperaturfestigkeit weist eine höhere Remanenz auf, sodass das Volumen des Magnetmaterials bei gleichem Luftspaltfeld verringert werden kann. These losses would lead to an increased heat input in the magnetic material and change its magnetic properties. These losses are now absorbed in the flux guide elements and can be removed from there by the cooling present in the air gap, in particular an axially generated air flow, before the magnetic material is excessively heated. Thus, now a cheaper magnetic material can be used with lower temperature resistance. Magnetic material with lower temperature resistance has a higher remanence, so that the volume of the magnetic material can be reduced at the same air gap field.

Um die Wirbelstromverluste im oberflächennahen Bereich, also in Richtung Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine weiter zu reduzieren, sind die Flussleitelemente geblecht ausgeführt. In order to further reduce the eddy current losses in the region near the surface, that is to say in the direction of the air gap of the dynamoelectric machine, the flux-conducting elements are laminated.

Vorteilhafterweise bilden erfindungsgemäße Magneteinheiten Teile von Außenläufern oder Innenläufern, wie sie insbesondere bei Windkraftanlagen größer 1 MW eingesetzt werden. Vorteilhafterweise sind dabei die Magneteinheiten mit einer unmagnetischen Hülle umgeben, so dass das Handling und die Montage der einzelnen Magneteinheit verbessert wird. Advantageously, magnet units according to the invention form parts of external rotors or internal rotors, as used in particular in wind power plants greater than 1 MW. Advantageously, the magnet units are surrounded by a non-magnetic shell, so that the handling and assembly of the individual magnet unit is improved.

Vorteilhafterweise ist bei einer Magneteinheit eine Kombination von geblechten Flussleitelementen und einer unmagnetischen Hülle im Rahmen der Fertigung und auch beim Handling auf der Anlage besonders vorteilhaft. Die Magneteinheit lässt sich kompakt ausführen, wenn eine Hülle, die sich radial an einer Tragkonstruktion abstützt einen Hohlraum bildet, der im Wesentlichen durch den Permanentmagneten oder die Permanentmagnete und das Flussleitelement eingenommen wird. Dabei werden eventuell vorhandene Hohlräume ausgegossen, ohne das eine aufwändige Verbindung zwischen Magnet und dem Flussleitstück zu erfolgen hat. Advantageously, in the case of a magnet unit, a combination of laminated flux-conducting elements and a non-magnetic shell is particularly advantageous in the context of production and also in handling on the system. The magnet unit can be made compact, when a shell, which is supported radially on a support structure forms a cavity which is occupied by the permanent magnet or the permanent magnets and the flux guide substantially. In this case, any existing cavities are poured out, without having to make a complex connection between the magnet and the flux guide.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind dem prinzipiell ausgeführten Darstellungsbeispielen zu entnehmen. Darin zeigen: The invention and advantageous embodiment of the invention are to be taken from the exemplary embodiments shown. Show:

1 eine prinzipielle Windkraftanlage, 1 a principal wind turbine,

2 eine Magneteinheit, 2 a magnet unit,

3 Magneteinheit mit Hülle, 3 Magnet unit with shell,

4 Magneteinheit mit Hülle eines Außenläufers. 4 Magnet unit with shell of an external rotor.

1 zeigt eine Windkraftanlage 3 mit einer Windturbine 2, die eine Welle 9 antreibt, an der wiederum nicht näher dargestellt ein Läufer einer permanenterregten Maschine mechanisch vorzugsweise direkt gekoppelt ist. Durch Drehung des Läufers in einem Stator wird dabei elektrische Energie erzeugt. Eine permanenterregte elektrische Maschine, insbesondere ein Windkraftgenerator 1 weist dabei auf seinem Läufer Permanentmagnete 5 auf. 1 shows a wind turbine 3 with a wind turbine 2 that a wave 9 drives, in turn, not shown in detail a rotor of a permanent-magnet machine is mechanically preferably directly coupled. By rotating the rotor in a stator while electrical energy is generated. A permanent-magnet electric machine, in particular a wind power generator 1 has permanent magnets on its rotor 5 on.

Erfindungsgemäß sind diese Permanentmagnete 5 quaderförmig ausgeführt und weisen zum Luftspalt der permanenterregten Maschine ein Flussleitelement 6 auf, das in Richtung Luftspalt bogenförmig ausgeführt ist. Speziell weist das Flussleitelement 6 eine sinusförmige Kontur in Richtung Luftspalt auf, so dass das Luftspaltfeld sinusförmig ausgebildet ist und somit der Anteil an Oberwellen reduziert wird. Der Verlusteintrag wird damit reduziert. Das nutzbare Grundfeld führt somit zu einer erhöhten Ausnutzung der dynamoelektrischen Maschine. Dies ist insbesondere für Großanlagen, beispielsweise Windkraftanlagen größer 1 MW besonders vorteilhaft. According to the invention, these are permanent magnets 5 executed cuboid and have the air gap of the permanent-magnet machine a flux guide 6 on, which is arc-shaped in the direction of the air gap. Specifically, the flux guide 6 a sinusoidal contour in the direction of the air gap, so that the air gap field is sinusoidal and thus reduces the proportion of harmonics. The loss entry is thus reduced. The usable basic field thus leads to an increased utilization of the dynamoelectric machine. This is particularly advantageous for large plants, for example wind turbines larger than 1 MW.

Um die Montage bzw. das Handling weiter zu vereinfachen, ist auf einer Tragkonstruktion 8 des Läufers eine Hülle 7 vorhanden, die das Flussleitelement 6 und den Permanentmagneten 5 aufweist. Die Magneteinheit 4, in diesem Fall bestehend aus einer Hülle 7, Flussleitelement 6 und Permanentmagnet 5 kann vorab hergestellt und somit einfach auf der Tragkonstruktion 8 angebracht werden. Dabei sind pro Magneteinheit 4 eine oder mehrere quaderförmige Permanentmagnete 5 vorgesehen – je nach Größe der Magneteinheit 4. To further simplify assembly and handling, is on a support structure 8th the runner's coat 7 present, which is the flux collector 6 and the permanent magnet 5 having. The magnet unit 4 , in this case consisting of a shell 7 , Flux guide 6 and permanent magnet 5 Can be pre-fabricated and thus easy on the supporting structure 8th be attached. Here are per magnet unit 4 one or more parallelepipedic permanent magnets 5 provided - depending on the size of the magnet unit 4 ,

Die Ausführungsformen der Magneteinheit 4 gemäß 2 und 3 sind insbesondere für Innenläufer geeignet. Dabei können die Innenläufer sowohl Teil eines direkt angetriebenen Windkraftgenerators als auch Teil eines über ein Getriebe angetriebenen Windkraftgenerators sein. The embodiments of the magnet unit 4 according to 2 and 3 are particularly suitable for internal rotor. In this case, the inner rotor can be both part of a directly driven wind power generator and part of a driven via a gear wind turbine generator.

4 zeigt einen Ausschnitt eines prinzipiell dargestellten Außenläufers, wobei die dem Luftspalt zugewandte Oberfläche des Flussleitelements 6 speziell der Kontur eines sinusförmigen Luftspaltfeldes angepasst ist. 4 shows a section of an outer rotor shown in principle, wherein the air gap facing surface of the flux guide 6 specially adapted to the contour of a sinusoidal air gap field.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Magneteinheiten 4 lassen sich nunmehr einfach herzustellende quaderförmige Permanentmagnete 5 verwenden, die zusammen mit den Flussleitelementen 6 insbesondere ein sinusförmige Luftspaltfeld schaffen und somit das nutzbare Grundfeld zu einer verbesserte Ausnutzung der Maschine führt. Auch bei den Magnetmaterialien kann erfindungsgemäß nunmehr auf kostengünstigeres Magnetmaterial zurückgegriffen werden. Dieses kostengünstigere Magnetmaterial weist zwar eine geringere Temperaturfestigkeit auf, die jedoch aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion der Magneteinheit keine negativen Auswirkungen hat. Due to the inventive design of the magnet units 4 can now be easily produced cuboid permanent magnets 5 use that together with the flux guides 6 In particular, create a sinusoidal air gap field and thus the usable basic field leads to improved utilization of the machine. Even with the magnetic materials can now be used according to the invention on cheaper magnetic material. Although this cheaper magnetic material has a lower temperature resistance, but due to the inventive design of the magnet unit has no negative impact.

Die Temperaturfestigkeit ist normalerweise bei Permanentmagneten notwendig, da im Bereich des Luftspaltes, also im oberflächennahen Bereich verstärkt Wirbelstromverluste auftreten. Diese Wirbelstromverluste verursachen erhöhte Temperaturen. Diese erhöhten Temperaturwerte beeinträchtigen die magnetischen Eigenschaften, sodass bei bis zum Luftspalt reichenden Magneten eine verbesserte Temperaturfestigkeit gefordert ist. Dies geht aber zu Lasten der Remanenz. Magnetmaterial mit niedriger Temperaturfestigkeit weist eine höhere Remanenz auf und kann somit, auch wenn das Gesamtmagnetvolumen der Magneteinheit reduziert wird, durch die höhere Remanenz vergleichbare magnetische Eigenschaften aufweisen. The temperature resistance is normally necessary for permanent magnets, since in the region of the air gap, ie in the near-surface region, increased eddy current losses occur. These eddy current losses cause elevated temperatures. These elevated temperature values affect the magnetic properties, so that up to the air gap reaching magnets improved temperature resistance is required. But this is at the expense of remanence. Magnetic material with low temperature resistance has a higher remanence and thus, even if the total magnetic volume of the magnet unit is reduced, can have comparable magnetic properties due to the higher remanence.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7425785 B2 [0004] US 7425785 B2 [0004]

Claims (5)

Permanenterregte dynamoelektrische Maschine, insbesondere direkt angetriebener Windkraftgenerator (1), mit einer Leistung größer 1 MW, mit einem Stator, einem Läufer und einem dazwischen ausgebildeten Luftspalt, wobei der Läufer mit einer Welle (9) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Läufer, zumindest eine Tragkonstruktion (8) mit wenigstens einer Magneteinheit (4) aufweist, wobei die Magneteinheit (4) zumindest einen Permanentenmagneten (5) und zumindest ein magnetisches Flussleitelement (6) umfasst. Permanent-magnet dynamoelectric machine, in particular directly driven wind power generator ( 1 ), with a power greater than 1 MW, with a stator, a rotor and an air gap formed therebetween, the rotor having a shaft ( 9 ) is mechanically coupled, wherein the runner, at least one support structure ( 8th ) with at least one magnet unit ( 4 ), wherein the magnet unit ( 4 ) at least one permanent magnet ( 5 ) and at least one magnetic flux guide element ( 6 ). Permanenterregte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinheit (4) ein abnehmbares Teil eines Außenläufers oder Innenläufers der elektrischen Maschine bildet. Permanent magnet dynamoelectric machine according to claim 1, characterized in that the magnet unit ( 4 ) forms a removable part of an external rotor or internal rotor of the electric machine. Permanenterregte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinheit (4) von einer unmagnetischen Hülle (7), zumindest in Umfangsrichtung umgeben ist. Permanent magnet dynamoelectric machine according to claim 1 or 2, characterized in that the magnet unit ( 4 ) of a non-magnetic envelope ( 7 ), at least in the circumferential direction is surrounded. Permanenterregte dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussleitelement (6) geblecht ausgeführt ist und sich zwischen Permanentmagnet (5) und Luftspalt befindet. Permanently excited dynamoelectric machine according to one of the preceding claims, characterized in that the flux guide element ( 6 ) is laminated and between permanent magnet ( 5 ) and air gap is located. Permanenterregte dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (5) quaderförmig ausgeführt ist. Permanently excited dynamoelectric machine according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet ( 5 ) is executed cuboid.
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