DE102012202735B4 - Dynamoelectric machine with a single-layer break hole winding - Google Patents
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Abstract
Dynamoelektrische Maschine, insbesondere Windkraftgenerator – mit einem Rotor (108), der mit Permanentmagneten (110) magnetische Pole (107) ausbildet, und – mit einem Stator (101), in dessen Nuten (102) ein dreiphasiges Wicklungssystem (U, V, W) angeordnet ist, und der in Umfangsrichtung betrachtet mehrere Segmente (103) aufweist, die mechanisch zusammengesetzt den Stator (101) ergeben, mit folgenden Merkmalen: – jedes der Segmente (103) weist zumindest drei Spulen (106) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf, – das Wicklungssystem (105) ist als Einschicht-Bruchlochwicklung ausgebildet, – die Spulen (112) unterschiedlicher Segmente (103) weisen identische Spulenweite auf, wobei die Spulenweite die Entfernung der beiden Nuten (102) ist, in denen sich der Hin- bzw. Rückleiter einer Spule (112) befindet, – ein Segment (103) des Stators (101) erstreckt sich über sechs Nuten (102) oder ganzzahlige Vielfache davon, – zumindest ein Segment (103) des Stators (101) weist nur Spulen (106) zweier unterschiedlicher Phasen (U, V, W) auf.Dynamoelectric machine, in particular a wind power generator - with a rotor (108) which forms magnetic poles (107) with permanent magnets (110), and - with a stator (101) in whose slots (102) a three-phase winding system (U, V, W ) and which, viewed in the circumferential direction, has several segments (103) which, when assembled mechanically, result in the stator (101), with the following features: - Each of the segments (103) has at least three coils (106) or an integral multiple thereof - The winding system (105) is designed as a single-layer broken-hole winding, - the coils (112) of different segments (103) have identical coil widths, the coil width being the distance between the two grooves (102) in which the outward or . The return conductor of a coil (112) is located, - a segment (103) of the stator (101) extends over six slots (102) or integer multiples thereof, - at least one segment (103) of the stator (101) has only coils (106 ) betw egg of different phases (U, V, W).
Description
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.The invention relates to a dynamoelectric machine having a stator, which, viewed in the circumferential direction, has a plurality of segments, which mechanically produce a stator, with a three-phase winding system embedded in slots of the stator.
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.Large dynamoelectric machines, such. As wind and tide generators with stator diameter of more than two to three meters, u. a. the problem that the stator, possibly also the rotor can not be made in one piece or can not be transported in one piece. Therefore, it is necessary to manufacture the components in segmental construction. The winding, which is inserted in a segmented stator should therefore be self-contained. For manufacturing reasons, an overlap of individual coils beyond the segment boundary is not advantageous since the assembly then has to be carried out on site on the system and there the necessary electrical tests of the winding must be performed. This increases the installation effort considerably.
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.Therefore, all-hole windings with q = 1 are preferably used, since they are particularly well suited for the production, the coil width is constant and there is no overlap of the coils between the segments of the stator.
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.However, from an electromagnetic point of view, the problem arises here that harmonics of the air-gap field can not be reduced during operation of the dynamoelectric machine. These harmonics are u. a. responsible for the winding causing a comparatively large cogging torque. However, especially with slow-running generators, the cogging torque must be kept as low as possible.
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.In a full-hole winding with q = 1, harmonics lead to a considerable torque ripple, which leads to noise and vibrations in the stator and thus in the housing and the adjacent components.
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.The mentioned cogging torque can thus be reduced only on the rotor side with a q = 1 winding. In particular, in a basic form of a permanent magnet in the form of a cuboid, this is not so easy and readily possible. When using cuboid permanent magnets, there are known two methods that are preferably used in practice. On the one hand, a pole offset of the permanent magnets is selected, on the other hand a staggering of the permanent magnets on the rotor in the axial direction is brought about.
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.Another way to influence the cogging torque on the rotor side is to optimize the geometry of the permanent magnets. This method of reducing the cogging torque, in particular associated with the pole offset of the magnets or a staggering of the magnets on the rotor, reduces the cogging torque quite considerably. The disadvantage here, however, is that the rotor must be made asymmetrical and / or the permanent magnets must be reworked consuming.
Aus der
Die aufgeführten Möglichkeiten zur Reduktion der Rastmomente verursachen auf jeden Fall einen erhöhten Fertigungsaufwand bei der Herstellung der dynamoelektrischen Maschine in dieser Leistungsklasse.The listed options for reducing the cogging torque definitely cause an increased production cost in the production of the dynamoelectric machine in this performance class.
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.Based on this, the present invention seeks to provide a dynamoelectric machine, especially for the power class from a megawatt such. B. wind power generator, in which the cogging torque is reduced compared to conventional machines, with a simple manufacture of the rotor.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere Windkraftgenerator
- – mit einem Rotor, der mit Permanentmagneten magnetische Pole ausbildet, und
- – mit einem Stator, in dessen Nuten ein dreiphasiges Wicklungssystem angeordnet ist, und 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,
- – das Wicklungssystem ist als Einschicht-Bruchlochwicklung ausgebildet,
- – die Spulen unterschiedlicher Segmente weisen identische Spulenweite auf, wobei die Spulenweite die Entfernung der beiden Nuten ist, 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 des Stators weist nur Spulen zweier unterschiedlicher Phasen auf.
- - With a rotor that forms magnetic poles with permanent magnets, and
- - With a stator, in the grooves of a three-phase winding system is arranged, and viewed in the circumferential direction has a plurality of segments, which mechanically composite the stator, with the following features:
- Each of the segments has at least three coils or an integral multiple thereof,
- The winding system is designed as a single-layer break hole winding,
- The coils of different segments have identical coil widths, the coil width being the distance of the two slots in which the forward and return conductors of a coil are located,
- A segment of the stator extends over six slots or integer multiples thereof,
- - At least one segment of the stator has only coils of two different phases.
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. Due to the inventive design of the winding system of the dynamoelectric machine can now significantly reduce or even compensate for the cogging moments alone on the part of the stator. It thus eliminates a complex processing of the permanent magnets and / or the rotor, or the exact positioning of the permanent magnets on or in the laminated core of the rotor.
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.Advantageously, all coils of the winding system have the same coil width. This simplifies the assembly. Per segment, the winding is still self-contained, so that none of the coils has return and return conductors in different segments. This allows a winding unit - ie the coils of a segment - to be assembled, impregnated and mechanically and electrically tested in the factory.
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.A segment of the stator advantageously has at least six grooves or an integer multiple thereof, so that now with the respective coil width of the coil, a compact segment and thus transportable segment of a stator is provided. Mechanically, the segments are preferably connected to one another at their front sides and / or on the outer circumference by suitable connecting elements and thus form a stator of an external rotor or inner rotor generator. This mechanical connection of the segments with their respective adjacent segments fixes and positions the segments relative to one another such that a uniform mechanical air gap of the generator results without offset at the segment boundaries. In addition, this fixation is the additional mechanical stiffening of the entire stator, which is advantageous for short-term load or surges.
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.The respective phases of the segments are electrically connected by ring-shaped, mutually insulated electrical conductors on one end face of the stator. This electrical contact is made on site at the plant.
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.According to the invention, the reduction of the cogging torque u. a. achieved in that at least one segment of the stator has only two coils of the three-phase system U, V, W. The inventive arrangement of the windings, even in the segments whose coils have all three phases, a reduction of the cogging torques is created both by the structural design and by the resulting electromagnetic properties in the operation of the dynamoelectric machine.
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.In a particularly preferred embodiment, the rotor has only one permanent magnet per magnetic pole, viewed in the circumferential direction. Advantageously, of course, the magnetic poles extend in the axial direction of the rotor, so that viewed in the axial direction quite a plurality of magnets are arranged one behind the other in the axial direction.
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.It when the magnets are inserted into axial recesses of the laminated core of the rotor is particularly advantageous. This facilitates in particular the axial insertion and positioning of the permanent magnets. In this case, no provision should be made to fix the permanent magnets in operation on the rotor, for example by a bandage to absorb the centrifugal forces.
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.It is particularly advantageous if the usual, in large quantities - and accordingly low manufacturable permanent magnets, which are offered and manufactured in cuboid shape, can be used. Such a stator with its rotor is particularly suitable for large wind power generators whose generator diameter is two, three four or even more than five meters. These are in particular directly driven wind power generators, in which the wind turbine directly drives the rotor of the dynamoelectric machine without the need for an intermediate gearbox.
Selbstverständlich lässt sich der erfindungsgemäße Grundgedanke aber auch auf Windgeneratoren übertragen, die über ein Getriebe mit der Windturbine verbunden sind.Of course, the basic idea according to the invention can also be transferred to wind generators which are connected to the wind turbine via a gearbox.
Auch andere große dynamoelektrische Maschinen, wie z. B. Rohrmühlen, oder Unterwassergeneratoren lassen sich auf die erfinderische Art und Weise bezüglich der Rastmomente optimieren.Other large dynamoelectric machines, such. As tube mills, or underwater generators can be optimized in the inventive manner with respect to the cogging torques.
Die dynamoelektrische Maschine kann vorteilhafterweise als Außenläufer oder Innenläufer ausgeführt werden. Am erfindungsgemäßen Grundgedanken ändert sich damit jeweils nichts.The dynamoelectric machine can be advantageously designed as an external rotor or internal rotor. Nothing changes with the basic idea according to the invention.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Figuren näher dargestellt. Darin zeigen:The invention and advantageous embodiments of the invention are illustrated in more detail with reference to FIGS. Show:
Der Stator
In einer Statorbohrung befindet sich im Wesentlichen konzentrisch angeordnet ein Rotor
Diese Permanentmagnete
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
In axialer Erstreckung des Rotors
Die Nuten
Die Segmentgrenzen des Stator
Das Wicklungssystem
Das jeweilige Kontaktieren der Spulen
- 2p
- – die Anzahl der Polpaare,
- q
- – der Bruchlochwicklungsfaktor,
- N
- – die Anzahl der Nuten des Stators und
- m
- – die Anzahl der Phasen ist.
- 2p
- - the number of pole pairs,
- q
- The break hole winding factor,
- N
- - the number of slots of the stator and
- m
- - the number of phases is.
Dabei weisen zumindest einzelne Segmente
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spulen
Die elektrische Zuordnung der Spulen
Selbstverständlich ist die Erfindung, als auch die für Innenläufer getroffenen physikalische Aussagen auch auf Außenläufer zu übertragen. Dabei befindet sich der Stator
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete
Der Rotor
Die Rotorsegmente
Der Stator
Die Nuten
In einer weiteren Ausführungsform sind diese Nuten
Das Wicklungssystem
Um größere Segmente
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.In the drive train both in the version with internal and external rotor and a transmission can be interposed to u. a. To obtain the desired speed of the generator in nominal operation.
Der segmentierte Stator
Die Spulen
Das erfindungsgemäße Wicklungssystem
Vorteilhafterweise entsprechen sich die von den Segmenten von Stator
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