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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine, die einen Stator mit einem Statorpaket, das eine Anzahl von benachbart angeordneten Metallplatten umfasst, und eine Kühleinrichtung in der Form mindestens eines Kühlrohres, das sich durch entsprechende Bohrungen innerhalb des Statorpaketes erstreckt, aufweist.
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Der Betrieb von elektrischen Maschinen, wie etwa Generatoren oder Ähnlichem, die eine entsprechende Statoranordnung aufweisen, wird von Wärmeverlusten bzw. Kupferverlusten begleitet. Um eine thermische Überhitzung zu vermeiden, welche zu einem verringerten Wirkungsgrad oder sogar zu einer Beschädigung oder einer Verkürzung der Lebensdauer, insbesondere der Isolationslebensdauer der elektrischen Maschine, führen kann, sind mit der Statoranordnung gewöhnlich Kühleinrichtungen vorgesehen.
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Ein bekannter Ansatz, um eine Statoranordnung mit einer geeigneten Kühlung zu versehen, ist die Verwendung eines flüssigen Kühlmediums, wie etwa Wasser, das zum Beispiel in entsprechenden Kühlrohren zirkuliert. Dabei sind die Kühlrohre gewöhnlich in jeweiligen Bohrungen in dem Statorpaket angeordnet. Die jeweiligen Kühlrohre sind an den Stirnseiten der Statoranordnung mit Kühlverteilern oder sogenannten Richtungsänderungsvorrichtungen verbunden. Ferner sind an den jeweiligen Stirnseiten des Statorpaketes entsprechende Kühlwassereinlässe und Kühlwasserauslässe vorgesehen. Das erwärmte flüssige Kühlmedium wird zu einem Wärmetauscher geleitet, um die überschüssige Wärme abzuleiten.
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Die Gesamtkonstruktion einer derartigen flüssigkeitsgekühlten Statoranordnung erfordert jedoch einen vergleichsweise großen Raum, insbesondere in radialer Richtung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Statoranordnung im Hinblick auf eine kompakte konstruktive Gestaltung zu verbessern.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Statoranordnung der eingangs beschriebenen Art erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bohrungen in einer einzigen Reihe mit einer definierten radialen Position bezüglich der Mittelachse des Stators angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, eine kompaktere konstruktive Gestaltung einer derartigen Statoranordnung, insbesondere des Statorpaketes, zu ermöglichen, indem das Statorpaket nur mit einer einzigen Reihe der entsprechenden Bohrungen versehen wird. Alle solchen Bohrungen sind an einer definierten radialen Position bezüglich der Mittelachse des Stators angeordnet, d. h. die entsprechenden Bohrungen sind entlang des Umfangs eines Ringes mit einem definierten Durchmesser an den Stirnseiten des Statorpaketes angeordnet. Auf eine solche Weise können die radialen Abmessungen des Stators verringert werden. Insbesondere vermeidet das erfindungsgemäße Prinzip radial mehrschichtige Anordnungen von entsprechenden Bohrungen.
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Die Anzahl und der relative axiale Abstand der jeweiligen Bohrungen hängen hauptsächlich von dem erforderlichen Umfang der Kühlung der jeweiligen elektrischen Maschine ab, welche die erfindungsgemäße Statoranordnung umfasst, und können daher für Statoranordnungen unterschiedlicher Größen variieren.
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Dasselbe gilt für den Durchmesser der jeweiligen Bohrungen, welcher auch den Durchmesser der entsprechenden Kühlrohre definiert. Die Bohrungen können dieselbe oder verschiedene Querschnittsabmessungen und/oder -flächen aufweisen.
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Vorzugsweise ragen die Einlässe und Auslässe des Kühlrohres bei mindestens einem Kühlverteiler axial aus dem Statorpaket heraus. Der Kühlverteiler dient als eine Verbindungsstelle der jeweiligen Kühlrohre, welche die Einlässe und Auslässe der jeweiligen Kühlrohre zusammenführt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Prinzips des Vorsehens der entsprechenden Bohrungen in nur einer einzigen Reihe mit einer definierten radialen Position bezüglich der Mittelachse des Stators kann der Kühlverteiler ebenfalls mit vergleichsweise reduzierten radialen Abmessungen konstruiert werden.
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Ein entsprechender Kühlverteiler ist fest an mindestens einer, vorzugsweise an beiden Stirnseiten des Statorpaketes angebracht.
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Der Kühlverteiler kann eine ringförmige Gestalt aufweisen, falls erforderlich, mit inneren unterteilten kanalartigen Strukturen. Alternativ dazu kann der Kühlverteiler eine ringsegmentförmige Gestalt aufweisen, d. h. es ist eine Anzahl von entsprechend geformten Kühlverteilern entlang des Umfangs der jeweiligen Stirnseiten des Statorpaketes befestigt.
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Dabei ist es möglich, dass die Kühlverteiler einander wenigstens teilweise überlappen. Überlappung bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung, dass die jeweiligen Kühlverteiler radial ineinandergreifen. Dadurch teilen alle Kühlverteiler dieselbe axiale Position. Somit sind die Kühlverteiler im Wesentlichen in derselben axialen Ebene angeordnet oder „vermischt“ und tragen damit zu einer kompakteren Konstruktion der Statoranordnung als Ganzes bei.
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Da es wünschenswert ist, dass das Kühlrohr Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufs ist, sind die Kühlverteiler auf eine entsprechende Weise angeordnet, sodass sie einen kontinuierlichen Strom des Kühlmediums durch das/die entsprechende(n) Kühlrohr(e) entlang des Statorpaketes und/oder durch dieses hindurch gewährleisten.
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Dabei kann das entsprechende Kühlrohr eine mäanderartige Form aufweisen, d. h. dem Verlauf einer gewundenen Linie folgen. Auf eine solche Weise kann die Kontaktfläche zwischen dem Kühlrohr und dem Statorpaket vergrößert werden, was zu einem verbesserten Wärmeaustausch bzw. zu verbesserten Kühleigenschaften führt.
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Um die Kühleigenschaften des Kühlrohres weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn das Kühlrohr aus einem Wärme leitenden Material, insbesondere Kupfer, hergestellt ist. Außerdem weist Kupfer ein relativ duktiles Materialverhalten auf, was in Anbetracht der oben erwähnten mäanderartigen Form des Kühlrohres zweckmäßig ist, da sogar kleine Krümmungsradien realisiert werden können. Natürlich kann das besagte Kühlrohr auch aus anderen Wärme leitenden Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel auch aus Aluminium oder graphitgefüllten Polymeren mit hohem Graphitanteil.
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Der Außenumfang des Kühlrohres kann wenigstens teilweise mit einer Schicht eines Wärme leitenden Materials versehen sein. Ebenso können die Kühleigenschaften der Kühleinrichtung, d. h. des Kühlrohres, weiter verbessert werden, da ein Wärmeaustausch der Kontaktfläche zwischen dem Außenumfang des Kühlrohres und dem jeweiligen Innenumfang der entsprechenden Bohrung begünstigt wird. Geeignete Wärme leitende Materialien können Wärme leitende Massen, Gele, Beschichtungen oder Ähnliches sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlrohr im hinteren Kern (Back Core) des Statorpaketes angeordnet. Daher weist das Kühlrohr in Abhängigkeit von einer Konfiguration der jeweiligen elektrischen Maschine, welche die erfindungsgemäße Statoranordnung umfasst, d. h. davon, ob die betreffende elektrische Maschine eine Konfiguration „Außenstator – Innenrotor“ oder eine Konfiguration „Außenrotor – Innenstator“ aufweist, eine radial innere oder äußere Position relativ zu den Statorwicklungen auf.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator, für eine Windenergieanlage mit Direktantrieb, welche eine Statoranordnung der oben beschriebenen Art umfasst. Die Windenergieanlage mit Direktantrieb kann bei Offshore-Anwendungen verwendet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich erläutert, wobei:
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1 eine Prinzip-Schnittansicht einer elektrischen Maschine zeigt, die eine erfindungsgemäße Statoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst;
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2 eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten elektrischen Maschine zeigt; und
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3 eine Draufsicht eines Abschnitts einer Statoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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1 zeigt eine Prinzip-Schnittansicht einer elektrischen Maschine 1, die eine erfindungsgemäße Statoranordnung 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst. Die elektrische Maschine 1 ist ein Generator, der in einer Windenergieanlage mit Direktantrieb (nicht dargestellt) installiert ist, welche in Offshore-Umgebungen Anwendung findet.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst die Statoranordnung 2, die die einen Stator 3 mit einem Statorpaket 4, das eine Anzahl von benachbart angeordneten Metallplatten 5 umfasst, aufweist. Der Stator 3 ist von einem Rotor 6 umgeben, der relativ zu dem Stator 3 drehbar ist, d. h. die elektrische Maschine 1 weist eine Konfiguration „Außenrotor 6 – Innenstator 3“ auf. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch auch für entsprechende elektrische Maschinen 1 mit einer Konfiguration „Außenstator 3 – Innenrotor 6“ geeignet.
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Um einer unerwünschten Erwärmung der Statoranordnung 2 bzw. der elektrischen Maschine 1 entgegenzuwirken, umfasst der Stator 3 eine Kühleinrichtung in der Form entsprechender Kühlrohre 7, die sich durch jeweilige axiale Bohrungen 8 innerhalb des Statorpaketes 4 erstrecken. Wie ersichtlich ist, sind die Bohrungen 8 und dementsprechend die Kühlrohre 7 im hinteren Kern (Back Core) des Statorpaketes 4 angeordnet.
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Die Kühlrohre 7 sind aus einem Wärme leitenden Material, wie etwa Kupfer, hergestellt. Ihre jeweiligen Außenumfänge sind mit einer Wärme leitenden Masse beschichtet. Die Kühlrohre 7 sind mittels einer Presspassung oder Ähnlichem mechanisch innerhalb der jeweiligen Bohrungen 8 befestigt.
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Kühlverteiler 9 sind an den jeweiligen Endplatten 10 fest angebracht (z. B. angeschweißt), die an den Stirnseiten des Statorpaketes 4 angeordnet sind. Die Kühlverteiler 9 bringen jeweilige Einlässe 11 und Auslässe 12 der Kühlrohre 7, die axial aus dem Statorpaket herausragen, zusammen, d. h. verknüpfen jeweilige Einlässe 11 und Auslässe 12 der Kühlrohre 7, um einen geschlossenen Kühlkreislauf innerhalb des Statorpaketes 4 herzustellen. Natürlich ist eine auslaufsichere Verbindung der jeweiligen Einlässe 11 und Auslässe 12, ebenso wie der jeweiligen Kühlverteiler 9, vorgesehen. Hierzu sind entsprechende Dichtmittel, wie etwa aus Gummi hergestellte O-Ringe (nicht dargestellt), vorgesehen.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Bohrungen 8 in einer einzigen Reihe angeordnet, die eine definierte radiale Position R bezüglich der Mittelachse 13 des Stators 3 aufweist. Auf diese Weise weist die Statoranordnung 2 relativ geringe radiale Abmessungen auf, die eine kompakte konstruktive Gestaltung der Statoranordnung 2 und der gesamten elektrischen Maschine 1 ermöglichen. Daher werden mehrschichtige Anordnungen jeweiliger Bohrungen 8 und Kühlrohre 7 mit unterschiedlichen radialen Positionen, die jeweiligen unterschiedlichen Niveaus entsprechen, mit dem erfindungsgemäßen Prinzip überwunden.
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Wie weiterhin aus 2 ersichtlich ist, weisen die Kühlverteiler 9 jeweils die Form eines entsprechenden Ringsegments auf, wobei die Kühlverteiler 9 einander in Umfangsrichtung teilweise überlappen, wobei die jeweiligen Kühleinrichtungen 9 dieselbe axiale Ebene teilen und mindestens teilweise in radialer Richtung alternierend ineinandergreifen. Wie ersichtlich ist, greifen entsprechende stufenartige Strukturen der jeweiligen Kühlverteiler 9 in radialer Richtung ineinander.
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Das heißt, die jeweiligen Kühlverteiler 9 können in der radialen Richtung teilweise übereinander angebracht sein, jedoch nicht in der axialen Richtung, was zu einer kompakteren konstruktiven Gestaltung der Statoranordnung 2 und der elektrischen Maschine 1 als Ganzes führt. Der Strom des flüssigen Kühlmediums (z. B. Wasser), das innerhalb der Kühlrohre 7 zirkuliert, ist durch die Pfeile 14 angegeben.
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Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können die jeweiligen Kühlverteiler 9 eine ringähnliche Form aufweisen, d. h. es ist ein einziger Kühlverteiler 9 an der jeweiligen Stirnseite des Statorpaketes 4 befestigt.
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2 zeigt außerdem die jeweiligen Statorzähne 15, welche Schlitze zur Aufnahme entsprechender Sätze von Statorwicklungen 16 bilden, während 1 lediglich die jeweiligen End- oder überhängenden Abschnitte der Statorwicklungen 16 zeigt.
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3 zeigt eine Draufsicht eines Abschnitts einer Statoranordnung 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Wie ersichtlich ist, bilden die jeweiligen Kühlrohre 7 einen geschlossenen Kühlkreislauf, der einem mäanderartigen Verlauf innerhalb des Stators 3 folgt. Die jeweiligen Abstände zwischen den parallel ausgerichteten Abschnitten der Kühlrohre 7 können variieren und werden hauptsächlich durch die jeweils gewünschte Kühlleistung bestimmt.
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Die Kühlrohre 7 können aus einem Stück hergestellt oder durch jeweilige separate Kühlrohrabschnitte mit einer mechanisch festen und auslaufsicheren Verbindung kombiniert sein.
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Wie ferner ersichtlich ist, ist das Kühlrohr 7 an ein entsprechendes Zuführungsmittel 17 angeschlossen, das dafür eingerichtet ist, eine Zuführung des jeweiligen flüssigen Kühlmediums zu gewährleisten, das durch die Kühlrohre 7 zirkuliert. Das Zuführungsmittel 17 kann einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) umfassen oder Teil eines solchen sein.
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Der Stator 3 kann in jeweilige Statorsegmente (nicht dargestellt) segmentiert sein, die dafür eingerichtet sind, den Stator 3 zu bilden, wenn sie zusammengebaut sind.