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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ständer einer dynamoelektrischen Maschine mit einem aus axial geschichteten Blechen aufgebauten Blechpaket, einem Wicklungssystem aus mehreren Spulen, die in Nuten des Blechpakets angeordnet sind wobei die Spulen konzentrisch ausgeführt sind und im Wickelkopfbereich an den axialen Stirnseiten den Blechpakets jeweils einen Spulenbogen bilden, derart, dass sich eine Drei-Ebenen-Einschichtwicklung ergibt.
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Dynamoelektrische Maschinen, wie Motoren oder Generatoren, besitzen jeweils einen oder mehrere Aktivteile, die magnetisch aktiv sind. Der Motor oder Generator weist beispielsweise einen Ständer und einen Läufer als Aktivteile auf. In den Ständern und/oder Läufern eines Motors oder Generators sind Spulen in ein Blechpaket eingelegt. Dabei ragen aus den Stirnseiten dieser zylindrischen Blechpakete oder Blechpaketabschnitte Spulen, die einen Wickelkopf des Ständers oder des Läufers bilden.
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Der Wickelkopf elektrischer Maschinen gehört zu den magnetisch inaktiven Teilen, die nicht zur Drehmomentbildung beitragen. Es ist daher erstrebenswert, die Leiterlänge der Spulen im Bereich des Wickelkopfes und die axiale Ausladung des Wickelkopfes möglichst gering zu halten, um unnötigen Platzbedarf, Gewicht und elektrische Verluste zu vermeiden.
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1 zeigt beispielhaft einen herkömmlichen Wickelkopf einer Drei-Etagenwicklung. Dies bedeutet, dass die hier gezeigten Spulen 1, 2 und 3 im Wickelkopf in drei Etagen bzw. drei Ebenen übereinander liegen. Diese drei Spulen ragen aus einem Blechpaket 4. Die Spulen 1, 2 und 3 sind in einem Längsschnitt, bezogen auf einen zugehörigen Ständer dargestellt. Das axial äußerste Ende jeder Spule in dem Wickelkopfbereich weist hier senkrecht nach unten, verläuft also parallel zur Stirnseite des Ständers.
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2 zeigt eine weitere Variante eines Wickelkopfes aus „Die Asynchronmaschine von W. Nürnberg; Springer-Verlag 1952" Seite 15. Auch hier treten die einzelnen Spulen 1', 2' und 3' zunächst senkrecht aus der Stirnseite 6 des Blechpakets 4, beispielsweise eines Ständers. Die erste Spule 1' ist, wie in Beispiel gemäß 1, senkrecht nach unten gebogen. Das Ende der Spule 1' verläuft also parallel zu der Stirnseite 6, die als Bezugsgröße betrachtet wird. Die zweite Spule 2' hingegen verläuft am Ende in einem 45°-Winkel zu der Stirnfläche 6. Sie besitzt dementsprechend eine Neigungslinie 7, die in 2 mit einem Pfeil angedeutet ist. Senkrecht zu dieser Linie 7 ist eine Neigungsebene 8 definiert, die am jeweils äußeren Ende der Spule verläuft. Das äußerste Ende der Spule 2’ verläuft somit parallel zu dieser Neigungsebene 8.
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Die dritte Spule 3' verläuft in dieser Schnittansicht geradlinig aus der Stirnseite 6 des Blechpakets 4 heraus. Die Neigungsebene dieser Spule 3' verläuft somit parallel zu der Stirnseite 6. Die Neigungsebene der ersten Spule 1’ hingegen steht in einem 90°-Winkel zur Stirnfläche 6.
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Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass der axiale Platzbedarf, insbesondere aufgrund der Spulen 3, 3’ vergleichsweise groß ist.
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Kennzeichnend für die klassische Ausführung der in 1 und 2 dargestellten Wickelköpfe ist, dass sie unterschiedliche axiale Ausladungen aufweisen. Aufgrund dieser axialen Ausladung dieser inaktiven Teile vergrößern sich insbesondere die axialen Abmessungen der dynamoelektrischen Maschine ohne eine Leistungserhöhung zu erhalten.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ständer einer dynamoelektrischen Maschine zu schaffen, und dabei insbesondere den Wickelkopfbereich kompakter zu gestalten. Dabei soll trotz des kompakten Wickelkopfes eine ausreichende Kühlung erreicht werden. Des Weiteren sollen die erforderlichen Isolationsabstände im Wickelkopfbereich eingehalten werden.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch Ständer oder Ständersegment einer dynamoelektrischen Maschine mit
- – einem aus axial geschichteten Blechen aufgebauten Blechpaket,
- – einem Wicklungssystem aus mehreren Spulen, die in Nuten des Blechpakets angeordnet sind und jeweils mehrere Teilleiter aufweisen, wobei die Spulen konzentrisch ausgeführt sind und im Wickelkopfbereich an den axialen Stirnseiten den Blechpakets jeweils einen Spulenbogen bilden, derart, dass sich eine Drei-Ebenen-Einschichtwicklung ergibt,
- – einer Neigungslinie der jeweiligen Spulen im Bereich ihres Spulenbogens,
- – einer oder mehrerer Spulen im Bereich ihres axialen Wendebereichs ihres Spulenbogens eine Kröpfung aufweisen.
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In vorteilhafter Weise kann durch den schrägen, insbesondere einen gestuften Verlauf der Teilleiter im axialen Wendebereich zumindest einer Spule Platz gewonnen werden, der sich z.B. für Verschaltungen der einzelnen Spulen einer Phase, insbesondere eine Ringleitung etc. im Bereich einer Stirnseite des Ständers ausnutzen lässt. Es reduziert sich dadurch auch die axiale Ausladung, was zu einem vergleichsweise kompakteren Wickelkopf führt. Durch Kröpfung zumindest einer Spule wird nunmehr der Wickelkopfbereich zusätzlich kompakter ausgestaltet, insbesondere wird ein größerer Abstand zu der um 45° abgewinkelten Spule, d.h. zu der Spule, deren Neigungslinie in einem Winkel von 45° zur Stirnfläche des Blechpakets steht, eingehalten.
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Damit wird erfindungsgemäß die axiale Ausladung der Spulen, also des gesamten Wickelkopfes verkürzt, ohne dass die einzuhaltenden Luftabstände zwischen den Spulen unterschritten werden.
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Dies ist insbesondere für die Isolationsfähigkeit der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb notwendig.
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Vorteilhafterweise weisen dabei die Spulen einen identischen Wickelschritt auf und sind somit einfacher herzustellen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, insbesondere mit einem segmentierten Ständer eignet sich dazu ein Wickelschritt, der dem dreifachen des Nutabstandes entspricht. D.h., Hin- und Rückleiter einer Spule weisen einen Abstand von drei Nuten auf.
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Ein Segment weist somit drei oder ganzzahlige Vielfache von drei Spulen auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Spulen im Ständer in Umfangsrichtung verteilt angeordnet, wobei die Neigungslinien benachbarter Spulen im Wickelkopfbereich unterschiedlich zueinander ausgerichtet sind. Dies hat den Vorteil, dass auch unter Einhaltung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecken der Ständer, insbesondere der Wickelkopfbereich kompakt gestaltet werden kann.
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Allgemein wird nunmehr durch die Gestaltung der drei Spulen mit ihrer konkreten Ausgestaltung des Wickelkopfbereich, insbesondere der Spulenbögen – stufige Teilleiterbögen und/oder gekröpfte Spulenbögen, insbesondere gekröpfte Teilleiterspulenbögen ein kompakter, axial vergleichsweise wenig ausladender Wickelkopfbereich geschaffen. Durch die stufige Anordnung der Teilleiterbögen verbessert sich durch die vergrößerte Oberfläche die Kühlwirkung im Bereich des Wickelkopfes. Speziell können die Neigungslinien dreier benachbarter Spulen z.B. die Winkel ihrer axialen Wendebereiche von ca. –45°, +45° und 90° gegenüber einer Stirnfläche des Blechpakets einnehmen. Dabei werden die Neigungslinien nicht zwangsweise exakt gemäß der Winkel ausgerichtet, sondern es wird die grundsätzliche erfindungsgemäße Anordnung angestrebt, die einen kompakten Wickelkopfbereich, als auch eine Ausreichende Kühlung gewährleistet. Damit sind durchaus Toleranzen von bis zu 10° vorgesehen. Damit werden die Spulen im Hinblick auf ihre Neigungslinien im Wickelkopfbereich nach einer vorgebbaren Abfolge angeordnet. Insbesondere werden die drei benachbarten Spulen die Phasen U, V und W eines Drehstromsystems zugeordnet werden.
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Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn pro Segment eines Ständers drei Spulen vorgesehen sind, so dass jede Spule eine Phase des Drehstromsystems aufweist. Bei Zusammenbauen des segmentierten Ständers werden nunmehr über die Segmentgrenzen hinweg die jeweiligen Phasen elektrisch miteinander verbunden und kontaktiert. Dabei gestattet nunmehr der kompakte Wickelkopfbereich die Anordnung von Ringleitungen, d.h. also elektrische Verbindungen gleicher Phasen in Umfangsrichtung über die Segmentgrenzen des Ständers hinweg. Diese werden vorzugsweise in den „gewonnenen Räumen“ des Wickelkopfbereichs angeordnet.
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Vor allem bei großen dynamoelektrischen Maschinen, d.h. bei einer Leistungsklasse größer 1 MW, werden insbesondere segmentierte Ständer eingesetzt, wie sie beispielsweise für Rohrmühlen oder Windkraftgeneratoren vorgesehen werden. Dabei sind insbesondere bei den direkt angetriebenen Windkraftgeneratoren segmentierte Ständer transportbedingt betrachtet von Vorteil. Die Kröpfung einer Spule im Wickelkopfbereich ist insbesondere an zumindest einem Wickelkopfbereich vorzusehen, da über eine Seite des Blechpakets des Ständers ein Läufer eingesetzt werden muss, um zusammen mit dem Ständer und den elektromagnetischen Wechselwirkungen generatorisch oder motorisch zu wirken.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wickelkopfes eines Ständers eignet sich für Innen- und Außenläufermaschinen.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigt:
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1 einen Wickelkopf einer Drei-Etagenwicklung mit nach unten geneigten Spulen gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen Wickelkopf einer Drei-Etagenwicklung mit unterschiedlich geneigten Spulen gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wickelkopfs einer Drei-Etagenwicklung mit unterschiedlich geneigten Spulen,
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4 eine Längsansicht eines Wickelkopfes einer Drei-Etagenwicklung mit unterschiedlich geneigten Spulen.
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3 zeigt in einer prinzipiell perspektivischen Darstellung einen Wickelkopfbereich 22 eines Ständers 15 einer dynamoelektrischen Maschine, die einen Außenläufer aufweist. Dabei ist der Wickelkopfbereich 22 der Teil des Wicklungssystems einer dynamoelektrischen Maschine, das axial an einer Stirnseite 13 aus einem Blechpaket 14 des Ständers 15 oder eines Ständersegments ragt.
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Der Ständer 15 weist dabei ein aus axial geschichteten Blechen 30 aufgebautes Blechpaket 14 auf. Das Blechpaket 14 weist Zähne 21 und Nuten 20 auf. In den Nuten 20 sind Spulen 10, 11 und 12 angeordnet. Dabei sind die Spulen 10, 11 und 12 als konzentrische Wicklungen mit einem Wickelschritt von drei Nuten ausgeführt, wobei jede dieser Spulen 10, 11, 12 aus mehreren Teilleitern 16 aufgebaut ist.
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Hin- und Rückleiter jeder dieser Spulen 10, 11 und 12 ist durch zwei Nuten 20 beabstandet, in denen jeweils die anderen Hin- bzw. Rückleiter der jeweils anderen Spulen liegen. Die Hauptisolierung 31 des jeweiligen Leiters ist dabei aus isolationstechnischen Gründen axial über die Stirnseite 13 des Blechpakets 14 geführt.
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Jede der Spulen 10, 11 und 12 tritt aus der Stirnfläche 13 des Blechpakets 14 des Ständers 15 axial aus, bildet im Wickelkopfbereich 22 einen Spulenbogen 17 und tritt wieder in das Blechpaket 14 ein. Der Spulenbogen 17 stellt somit den axialen Wendebereich des Hin- und Rückleiters einer Spule dar. Die Spulenbögen 17 weisen in ihren jeweiligen axialen Wendebereichen eine Neigungslinie 25, 26 und 27 auf. Diese Neigungslinien 25, 26, 27 verlaufen in vorbestimmten unterschiedlichen Winkel zur Stirnfläche 13 des Blechpakets 14. Dies wird später anhand von 4 näher ausgeführt.
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Jede Spule 10, 11 und 12 weist in ihrem innerhalb der Nut 20 verlaufenden Abschnitt eine Hauptisolierung 31 auf, die sich auch nach Verlassen der Nut 20 über einen vorgegebenen axialen Abschnitt noch fortsetzt. Im Wickelkopfbereich 22 wird die Isolation, insbesondere durch die Teilleiterisolierung und/oder die Isolierung des gesamten Leiters einer Spule 10, 11, 12 oder vorgegebene Abstände geschaffen, um dementsprechende Isolationsfähigkeit z.B. gegenüber dem geerdeten Blechpaket 14 zu erhalten.
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Eine Isolation der mit unterschiedlichen elektrischen Phasen U, V, W beaufschlagten Spulen 10, 11, 12 in dem weiteren Abschnitt des Wickelkopfbereichs 22 wird durch die Luftabstände der Spulen 10, 11, 12 und insbesondere durch die Teilleiterisolation gewährleistet.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ständer 15. Die Darstellung gemäß 3 kann jedoch auch ein Segment eines Ständers 15 darstellen. Der Ständer 15 ist damit letztlich durch gleichartige Segmente gemäß 3 in Umfangsrichtung aufgebaut. Jedes einzelne Segment weist somit Spulen mit unterschiedlichen Neigungslinien 25, 26 und 27 auf.
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4 zeigt in einem Ausschnitt einer Längsansicht den Wickelkopfbereich 22 mit drei unterschiedlichen ausgebildeten Spulenbögen 17 in ihrem axialen Wendebereich. Die Spule 10 weist unmittelbar nach Verlassen des Blechpakets 14 einen Verlauf der Neigungslinie 25 auf, die parallel zur Stirnfläche 13 ausgerichtet ist. Am Spulenbogen 17 der Spule 10 sind dabei die Teilleiter 16 bzgl. ihrer Teilleiterbögen 19 im axialen Wendebereich stufig angeordnet. Die Teilleiterbögen 19 schließen somit nicht bündig ab. Ein Einhüllende Gerade 28 verbindet die Scheitelpunkte der Teilleiterbögen 19.
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Dementsprechend ergibt sich eine einhüllende Gerade der Scheitelpunkte der Teilleiterbögen 19, die mit der Neigungslinie 25 einen Winkel von ca. 45 Grad einschließt.
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Die weitere Spule 11 weist einen Verlauf des Spulenendabschnitts und damit des Spulenbogens 17 auf, der durch die Neigungslinie 26 beschrieben wird. Die Neigungslinie 26 schließt mit der Einhüllenden Geraden 29 der Teilleiterbögen 19 der Spule 11 einen Winkel von ca. 45° ein. Die Neigungslinie 26 schließt mit der Stirnfläche 13 einen Winkel von ca. 45° ein.
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Auch dort sind die Teilleiter 16 derart angeordnet, dass ihrer Teilleiterbögen 19 im axialen Wendebereich stufig angeordnet sind. Die Teilleiterbögen 19 schließen somit nicht bündig ab. Letztlich bildet eine einhüllende Gerade 29 der axial äußeren Scheitelpunkte der Teilleiterbögen der Spule 11 in dieser konkreten Ausführungsform eine Parallele zur Stirnfläche 13.
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In der weiteren Spule 12 verläuft die Neigungslinie 27 senkrecht zur Einhüllenden 30 der Teilleiterbögen 19 dieser Spule 12, die wiederum einen Winkel von 45° bzgl. der Stirnfläche 13 aufweist. Diese 45° unterscheiden sich aber letztlich von der Neigungslinie 26 der Spule 11 dadurch, dass zwischen diesen beiden 45°-Winkeln eine Differenz von ca. 90° vorliegt.
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Ein weiteres Kennzeichen dieser Spule 12 ist, dass eine Kröpfung 23 des Spulenbogens vorliegt, derart, dass nach Austritt aus dem Blechpaket 14 der Verlauf der Spule 12 zunächst weg von einem Luftspalt 24 der dynamoelektrischen Maschine und danach eine erneute Zuwendung in Richtung Luftspalt 24 erfolgt. Der Verlauf dieser Spule 12 im Wickelkopfbereich kann auch als löffelförmig betrachtet werden.
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Der Luftspalt 24 einer dynamoelektrischen Maschine ist dabei zwischen dem Ständer 15 und einem nicht näher dargestellten Läufer 32, der wie in diesem Fall auch geblecht ausgeführt sein kann.
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Dabei sind aber dann die Teilleiter 16 dieser Spule 12 derart angeordnet, dass ihre Teilleiterbögen 19 im Wesentlichen übereinander liegen und keine Stufung wie bei den anderen Spulen 10, 11 vorhanden ist. Die Teilleiterbögen 19 schließen somit bündig ab.
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Da die stufige Anordnung der Teilleiterbögen 19 dieser Spule 12 fehlt und somit die damit verbundene Oberflächenvergrößerung die Kühlung beeinträchtigen kann, ist durch die Anordnung dieser Spule 12 im axialen Auslass des Luftspaltes 24 der Luftdurchsatz erhöht.
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Eine derartige Gestaltung, insbesondere der Spule 12 im Wickelkopfbereich ist dann notwendig, wenn der Luftspalt 24 zum axialen Läufereinbau, insbesondere zum axialen Einschub geeignet sein soll. Dies gelingt nur dann, wenn die lichte Weite 33, also der freie Durchmesser größer ist als der Durchmesser des einzubauenden Läufers 32.
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Insbesondere diese gekröpfte Spule 12 weist eine Neigungslinie 27 der Teilleiterbögen auf, die nahezu senkrecht zur Neigungslinie 26 der Spule 11 angeordnet ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau zumindest eines Wickelkopfbereichs eines Ständers 15 oder Ständersegments der dynamoelektrischen Maschine reduziert sich die axiale Ausladung des Wickelkopfes, was insbesondere für beengte Verhältnisse z.B. in Gondeln von Windkraftanlagen besonders vorteilhaft ist.
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Außerdem werden im Wickelkopfbereich durch die stufige Anordnung der Teilleiter der jeweiligen Spulen Freiräume 34, 35 geschaffen, die beispielsweise für Ringleitungen benutzt werden. Diese Ringleitungen verlaufen in Umfangrichtung und dienen der elektrischen Kontaktierung der Spulen einer Phase. Diese gewonnenen Freiräume 34, 35 sind ebenso auch für die Anordnung Kühlleitungen, beispielsweise für eine Flüssigkeitskühlung geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Die Asynchronmaschine von W. Nürnberg; Springer-Verlag 1952“ Seite 15 [0005]
