DE102012220387A1

DE102012220387A1 - Polschuhanordnung für ein Maschinenelement einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102012220387A1
Application number: DE102012220387A
Authority: DE
Inventors: Silvio Semmer; Xavier Tourde; Adriana Cristina Urda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US9287740B2; US20130270951A1; CN103378664A; DE102012220381A1; CN103378663B; US9450459B2; CN103378664B; DE102012220382A1; CN103378663A; DE102012220373A1; US20130270950A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Maschinenelement (400) für eine elektrische Maschine beschrieben, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist und das Maschinenelement entweder den Rotor oder den Stator bildet. Das Maschinenelement (400) enthält gemäß einer Ausführungsform eine Trägerstruktur (510); ein Polschuhelement (101); und ein Distanzelement (512), welches zwischen der Trägerstruktur (510) und dem Polschuhelement (101) angeordnet ist; wobei das Distanzelement (512) aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von elektrischen Maschinen, welche ein Maschinenelement aufweisen, das Magnete aufweist, insbesondere Permanentmagnete, und welches einen Stator oder einen Rotor der elektrischen Maschine bildet, wobei der Rotor bezüglich des Stators rotierbar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Polschuhanordnung für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen ein Maschinenelement in Form eines Rotors oder eines Stators und eine elektrische Maschine.
HINTERGRUND
Eine elektrische Maschine ist ein elektromechanischer Wandler, welcher eine Energieumwandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie durchführt unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein elektrischer Motor (kurz Motor) oder ein elektrischer Generator (kurz Generator) oder ein Motor/Generator sein, welcher sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar ist. Beispielsweise ist ein elektrischer Generator ist ein elektromechanischer Wandler, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung. Ein elektrischer Motor ist ein elektromechanischer Wandler, welcher elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung. Eine elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator ist eine Anordnung, welche den stationären Teil einer elektrischen Maschine repräsentiert. Der Rotor kann einen Teil oder Teile der elektrischen Maschine repräsentieren, welche sich relativ zu der Statoranordnung bewegen, insbesondere relativ zu der Statoranordnung rotieren. Der Rotor kann daher Magnete enthalten, wie beispielsweise Permanentmagnete, welche relativ zu einer oder mehreren Spulen, die in dem Stator enthalten sind, rotieren. In einer Form rotiert der Rotor um den Stator.
In üblichen Systemen werden der magnetisierte Rotor und der gewundene Stator als unabhängige Komponenten produziert und dann zusammengesetzt. Die Magnete sind eingebettet in eine zylindrische Rotorstahlstruktur zum Beispiel durch Kleben. Topologien des Rotors zur Flusskonzentration werden üblicherweise für elektrische Maschinen mit kleinerer Leistung verwendet. Jedoch sind in üblichen Anordnungen Magnete und Eisenteile nahe bei einander angeordnet, um eine Flusskonzentration zu erzielen.
Daher kann es ein Bedürfnis geben an einem Maschinenelement eines elektromechanischen Wandlers mit welchem eine verbesserte Effizienz der elektrischen Maschine bereitgestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses Bedürfnis kann befriedigt werden durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform eines ersten Aspekts der hierin offenbarten Gegenstände wird ein Maschinenelement für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist und das Maschinenelement entweder den Rotor oder den Stator bildet, das Maschinenelement enthaltend: eine Trägerstruktur; ein Polschuhelement; und ein Distanzelement, welches zwischen der Trägerstruktur und dem Polschuhelement angeordnet ist; wobei das Distanzelement aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist.
Diesem Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände liegt die Idee zugrunde, dass durch Anordnen eines Distanzelements aus nicht-ferromagnetischem Material zwischen der Trägerstruktur und dem Polschuhelement eine Leckage von elektromagnetischem Fluss reduziert oder vermieden werden kann. Hierdurch kann die Effizienz der elektrischen Maschine erhöht werden.
Soweit nichts anderes gesagt ist, bezeichnet hierin der Begriff „Luftspalt“ den Luftspalt zwischen Stator und Rotor der elektrischen Maschine. Der Begriff „elektrische Maschine“ bezeichnet hierein einen elektromechanischen Wandler, welcher ausgebildet ist, um mechanische Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung.
Gemäß einer Ausführungsform definiert der Rotor eine axiale Richtung, die parallel zu einer Rotationsachse des Rotors verläuft und eine Umfangsrichtung, welche parallel ist zu einer Bewegungsrichtung bzw. einer Bewegung eines Punktes auf dem Rotor bei einer Rotation des Rotors um seine Rotationsachse.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Polschuhelemente aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise ferromagnetischem Stahl hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement eine Aufnahmefläche zum Aufnehmen eines Permanentmagneten und eine quer zu der Aufnahmefläche angeordnete Stirnseite auf, wobei das Distanzelement an der Stirnseite des Polschuhelements angeordnet ist. Durch das stirnseitige Anordnen des Distanzelements sind das Distanzelement sowie zugeordnete Befestigungselemente gut zugänglich (in axialer Richtung). Befestigungselemente können beispielsweise zum Befestigen des Distanzelementes an dem Polschuhelement oder zum Befestigen des Distanzelemente an der Trägerstruktur dienen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Polschuhelement eine der Stirnseite entgegengesetzt angeordnete weitere Stirnseite auf und das Distanzelement weist zwei Anschlagflächen auf, von denen eine erste Anschlagfläche an der Stirnseite des Polschuhelements angeordnet ist und von denen eine zweite Anschlagfläche an der weiteren Stirnfläche des Polschuhelements angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Distanzelement gemäß einer Ausführungsform ausgebildet, um mit beiden Stirnseiten an dem Polschuhelement befestigt zu sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement ein inneres Ende auf, welches ausgebildet ist um in einem montierten Zustand des Maschinenelements mindestens teilweise dem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüber zu liegen. Ferner weist gemäß einer Ausführungsform das Polschuhelement ein dem inneren Ende entgegengesetztes äußeres Ende auf und das innere Ende oder das äußere Ende weist einen Befestigungsteil auf, an welchem das Distanzelement angeordnet ist. Durch die Anordnung des Distanzelements auf dem äußeren Ende oder dem inneren Ende des Polschuhelements kann die erforderliche Materialmenge an nicht-ferromagnetischem Material für das Distanzelement gering sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Distanzelement einen Befestigungsabschnitt auf, der sich über das Polschuhelement hinaus erstreckt; und die Trägerstruktur ist an dem Befestigungsabschnitt befestigt. Auf diese Weise kann mit vergleichsweise geringem Materialeinsatz ein Abstand zwischen der Trägerstruktur und dem Polschuhelement hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement einen ersten Oberflächenabschnitt und einen dem ersten Oberflächenabschnitt abgewandten zweiten Oberflächenabschnitt aufweist, wobei das Distanzelement auf dem ersten Oberflächenabschnitt angeordnet ist und ein weiteres Distanzelement aus nichtferromagnetischem Material auf dem zweiten Oberflächenabschnitt angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Trägerstruktur ausgebildet, um eine Klemmkraft auf das Distanzelement und das weitere Distanzelement auszuüben, um durch die Klemmkraft das Polschuhelement zwischen dem Distanzelement und dem weiteren Distanzelement und bezüglich der Trägerstruktur zu fixieren. Gemäß einer Ausführungsform kann die Trägerstruktur eine Klemmvorrichtung aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement einen sich in axialer Richtung des Rotors erstreckenden Magnetaufnahmeabschnitt auf, in welchem das Polschuhelement eine erste Breite in einer Umfangsrichtung des Rotors bei einer ersten radial inneren Position aufweist und eine zweite Breite in der Umfangsrichtung bei einer zweiten radial äußeren Position aufweist, wobei in einer radialen Richtung des Rotors die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig übergeht; die zweite Breite kleiner als die erste Breite ist; und das Polschuhelement in der axialen Richtung neben dem Magnetaufnahmeabschnitt einen sich in der axialen Richtung erstreckenden Montageabschnitt aufweist, in welchem das Polschuhelement in der Umfangsrichtung eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite des Polschuhelements in dem Magnetaufnahmeabschnitt. Durch das Bereitstellen eines Montageabschnitts kann das Polschuhelement sicher an dem Distanzelement befestigt werden und dennoch kann der Magnetaufnahmeabschnitt für die Aufnahme von einem oder mehreren Permanentmagneten optimiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Maschinenelement eine Mehrzahl von dem Polschuhelement auf, wobei von der Mehrzahl der Polschuhelemente jeweils zwei Polschuhelemente einander gegenüberliegen und in einer Umfangsrichtung des Rotors mit Abstand voneinander angeordnet sind, in einer solchen Weise, dass zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegenden Polschuhen eine Vertiefung zum Empfangen einer Magnetbaugruppe gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Vertiefung in radialer Richtung zugänglich, d.h. die Magnetbaugruppe kann in radialer Richtung in die Vertiefung eingefügt werden, was die Montage erleichtert.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägerstruktur einen Umfangsrand auf, wobei der Umfangsrand eines der folgenden Merkmale aufweist: der Umfangsrand weist N geradlinig sich erstreckende Umfangsrandabschnitte auf, wobei N gleich der Anzahl der Polschuhelemente des Maschinenelements ist; oder der Umfangsrand hat eine kreisförmige Form. Wenn der Umfangsrand N geradlinig sich erstreckende Umfangsrandabschnitte aufweist, kann jeweils ein Distanzelement mit einer ebenen Montagefläche auf dem Umfangsrandabschnitt angeordnet und daran befestigt werden. Beispielsweise kann das Distanzelement gemäß einer Ausführungsform plattenförmig sein, was die Herstellungskosten reduziert und insbesondere in Kombination mit geradlinig sich erstreckenden Umfangsrandabschnitten eine sichere Befestigung des Distanzelement an der Trägerstruktur ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Permanentmagnet Teil einer Magnetbaugruppe. Gemäß einer Ausführungsform weist die Magnetbaugruppe zwei oder mehr separate Permanentmagnete auf. Die Permanentmagneten einer Magnetbaugruppe können aneinander durch geeignete Befestigungsmittel befestigt sein, was das Anordnen der Permanentmagneten in der Vertiefung erleichtert. Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetbaugruppe in die Vertiefung zwischen dem ersten Polschuhelement und dem zweiten Polschuhelement eingefügt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Magnetbaugruppe eine Form auf, die der Form der Vertiefung entspricht. Beispielsweise kann die Form der Magnetbaugruppe komplementär zu der Form der Vertiefung sein. Gemäß einer Ausführungsform erlauben die mindestens zwei Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe, die aneinander befestigt sind, eine Handhabung der mindestens zwei Permanentmagnete als ein einziges Stück. Gemäß einer Ausführungsform werden nicht einzelne Magnete, sondern Magnetbaugruppen, die zwei oder mehr einzelne Magnete enthalten, in die Vertiefung eingeführt. Gemäß einer Ausführungsform sind nicht alle Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe aneinander befestigt, sondern nur ein Teil der Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe ist aneinander befestigt und bildet ein Magnetmodul.
Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich eine Magnetbaugruppe in der Längsrichtung nur über einen Bruchteil der Länge der Vertiefung in der Längsrichtung. Mit anderen Worten sind in der Vertiefung zwei oder mehr Magnetbaugruppen in der Längsrichtung hintereinander angeordnet. Beispielsweise sind in der Längsrichtung der Polschuhelemente (z.B. in axialer Richtung) zwischen 5 und 20 Magnetbaugruppe angeordnet, abhängig von der Länge der elektrischen Maschine. Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Polschuhelement die Aufnahmefläche auf zum Aufnehmen des Permanentmagneten auf. Gemäß einer Ausführungsform ist die Aufnahmefläche zum Aufnehmen von mindestens einem Permanentmagneten, beispielsweise zwei oder mehr Permanentmagneten, vorgesehen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Aufnahmefläche eine ebene Fläche. Eine ebene Fläche kann ein spaltfreies Anliegen eines quaderförmigen Permanentmagneten erlauben. Gemäß einer Ausführungsform sind die Polschuhelemente ausgebildet, um eine quaderförmige oder abschnittsweise quaderförmige Vertiefung zu bilden, wobei die Quaderform eine rechtwinklige Quaderform ist. Diese Ausbildung der Polschuhelemente kann beispielsweise durch entsprechende geneigte Aufnahmeflächen realisiert sein. Innerhalb eines quaderförmigen Abschnitts der Vertiefung können beispielsweise mehrere Permanentmagnete angeordnet sein. Die quaderförmige bzw. abschnittsweise quaderförmige Vertiefung erlaubt die Verwendung von quaderförmigen Permanentmagneten, was die Herstellung und Montage der Permanentmagnete vereinfacht. Die quaderförmigen Permanentmagneten können eine Einheitsgröße aufweisen, wobei die quaderförmigen Permanentmagneten vorzugsweise zu einer Magnetbaugruppe zusammengesetzt und aneinander befestigt sind. In Verbindung mit den gestuften Polschuhelementen deren Breite zu ihrem radial äußeren Ende hin stufenförmig verringert ist, lassen sich so mit Permanentmagneten einheitlicher Größe vorteilhafte Formen von Magnetbaugruppen und zugehörigen Polschuhelementen realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Polschuhanordnung und insbesondere der Polschuh entlang einer Längsrichtung, die quer zu einer Rotationsebene des Rotors verläuft. Beispielsweise erstreckt sich der Polschuh in einer Ausführungsform parallel zu der Rotationsachse des Rotors. Gemäß einer anderen Ausführungsform erstreckt sich das Polschuhelement schräg zu der axialen Richtung, wobei das innere Ende des Polschuhelementes auf einer Zylinderfläche liegt, um eine zylindrische Innenfläche des Maschinenelements und damit einen zylindrischen Luftspalt zu definieren.
Gemäß einer Ausführungsform eines zweiten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, welche einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor bezüglich des Stators rotierbar ist und wobei entweder der Rotor oder der Stator durch ein Maschinenelement gemäß einer oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Rotor durch das Maschinenelement gebildet und der Rotor ist um den Stator rotierbar. Mit anderen Worten bildet das Maschinenelement gemäß einer Ausführungsform einen Außenrotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Generators. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor radial innerhalb des Stators rotierbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist die elektrische Maschine mindestens einen Permanentmagnet auf. Der Permanentmagnet ist beispielsweise ein Ferritmagnet. Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine ein Generator einer Windturbine.
Gemäß Ausführungsformen des zweiten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände ist die elektrische Maschine angepasst zum Liefern der Funktionalität von einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen und/oder zum Bereitstellen der Funktionalität, wie sie durch eine oder mehrere der vorstehend genannten Ausführungsformen erforderlich ist, insbesondere der Ausführungsformen des ersten Aspektes.
Gemäß einer Ausführungsform eines dritten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände wird eine Windturbine bereitgestellt, wobei die Windturbine eine elektrische Maschine gemäß einer oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen aufweist.
Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände ist die Windturbine angepasst zum Liefern der Funktionalität von einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen und/oder zum Bereitstellen der Funktionalität, wie sie durch eine oder mehrere der vorstehend genannten Ausführungsformen erforderlich ist, insbesondere der Ausführungsformen des ersten und/oder zweiten Aspektes.
Gemäß einer Ausführungsform eines vierten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände wird Verfahren zum Zusammensetzen eines Maschinenelements für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist und das Maschinenelement entweder den Rotor oder den Stator bildet, das Verfahren enthaltend: Bereitstellen einer Trägerstruktur; Montieren eines Polschuhelementes und eines Distanzelementes an der Trägerstruktur, in einer solchen Weise, dass das Distanzelement zwischen der Trägerstruktur und dem Polschuhelement angeordnet ist; wobei das Distanzelement aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise zunächst das Distanzelement an der Trägerstruktur montiert werden und anschließend das Polschuhelement an dem Distanzelement. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zunächst das Polschuhelement an dem Distanzelement montiert werden und anschließend das Distanzelement an der Trägerstruktur.
Gemäß Ausführungsformen des vierten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände ist das Verfahren angepasst zum Liefern der Funktionalität von einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen und/oder zum Bereitstellen der Funktionalität, wie sie durch eine oder mehrere der vorstehend genannten Ausführungsformen erforderlich ist, insbesondere der Ausführungsformen des ersten, zweiten und/oder dritten Aspektes.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände beschrieben, wobei die nachstehenden Ausführungsformen beliebig mit den vorstehenden Ausführungsformen kombinierbar bzw. auf die vorstehenden Ausführungsformen anwendbar sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierein offenbarten Gegenstände wird eine Polschuhanordnung für das Maschinenelement (z. B. einen Rotor) einer elektrischen Maschine bereitgestellt, insbesondere für ein Direktantriebs-Außenrotorgenerator-Konzept, bei welchem die elektrische Maschine ein Generator ist und den Stator und den Rotor umfasst, welcher um den Stator rotierbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Polschuhanordnung ein erstes Polschuhelement, welches aus ferromagnetischem Material gebildet ist, und ein zweites Polschuhelement, welches aus ferromagnetischem Material gebildet ist, wobei das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement an einer Trägerstruktur, beispielsweise an einer Rotorträgerstruktur, befestigt sind. Es versteht sich, dass die Begriffe „erstes Polschuhelement“ und „zweites Polschuhelement“ sich auf zwei beliebige einander in Umfangsrichtung gegenüberliegende Polschuhelemente der elektrischen Maschine beziehen können. Das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement erstrecken sich in axialer Richtung des Rotors und sind bezüglich einander in einer Umfangsrichtung des Rotors beabstandet in solch einer Weise, dass die Vertiefung gebildet ist zum Empfangen der Magnetbaugruppe. Jedes Polschuhelement hat in der Umfangsrichtung eine erste Breite bei einer ersten radial inneren Position und hat in der Umfangsrichtung eine zweite Breite bei einer zweiten radial äußeren Position, wobei in der radialen Richtung die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig übergeht, und wobei die zweite Breite kleiner ist als die erste Breite.
Der Begriff „Trägerstruktur“ kann in diesem Zusammenhang auf eine Struktur eines Maschinenelements, beispielsweise eines Rotors Bezug nehmen, an welcher alle notwendigen Elemente befestigt sind. Der Begriff „Polschuhelement“ bezieht sich allgemein auf magnetische Elemente, welche eine Flussverteilung des von den Magneten bereitgestellten Flusses liefern. Die Polschuhelemente können Stahlstäbe, beispielsweise Stahlrotorstäbe sein, welche die Magneten und den magnetischen Fluss aufnehmen können. In üblichen Systemen ist ein Polschuh angeordnet als ein separates Element zwischen Magneten, wobei der Polschuh an der Rotoroberfläche befestigt ist mit Spalten zwischen den Polschuhen und den Magneten. Durch Verwenden der hierin beschriebenen Polschuhanordnung kann eine verbesserte Verteilung des magnetischen Feldes, welches durch den Rotor fließt, erzielt werden, während ebenso eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Magneten geliefert wird. Pole zwischen den Polschuhelementen können durch die Magnete geliefert sein.
Ausführungsformen der hierin beschriebenen Polschuhanordnung mit stufenförmig sich verändernden Breiten basieren auf der Idee, dass unter Verwendung der beschriebenen Anordnung eine verbesserte Montage des außenliegenden Maschinenelements erreicht werden kann, da die Magneten in das Maschinenelement eingefügt werden können, nachdem der Rotor und der Stator zusammengesetzt worden sind. Die Basis der beschriebenen Anordnung ist es, die Konstruktion der Oberflächen montierten Permanentmagnet-Topologie-Maschinenelemente zu modularisieren, während auch die Flusskonzentration oder Verteilung verbessert wird. Selbst wenn jedoch das Maschinenelement ein innenliegendes Maschinenelement bildet, wird jedenfalls die Montage des Permanentmagnets (der Permanentmagnete) durch Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände, welche ein Einfügen des Permanentmagnets in das Maschinenelement in der radialen Richtung ermöglichen, erleichtert.
Durch Verwenden der beschriebenen Anordnung kann eine vollständig modulare Maschinenelementoberfläche bereitgestellt werden, wobei die gesamte Oberfläche des Maschinenelements aus separaten Komponenten hergestellt ist. Da gemäß einer Ausführungsform alle Komponenten, z.B. Polschuhelemente und Magnete von außen zugänglich sind, kann eine Wartung und Reparatur des Maschinenelements insbesondere von Magneten, die versagt haben, leichter sein.
Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände sind das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement an der Trägerstruktur durch Bolzen fixiert. Die Trägerstruktur kann verschiedene Teile aufweisen, an welchen die Polschuhelemente fixiert sein können. In einer anderen Ausführungsform ist das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement an der Trägerstruktur durch Kleben oder Bolzen oder eine andere Befestigungsmaßnahme fixiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das ferromagnetische Material magnetischer Stahl. Die Zusammensetzung des magnetischen Stahls kann variieren, solange der magnetische Stahl eine ferromagnetische Charakteristik liefert zum Aufnehmen des Flusses der Magnete.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Teil von jedem Polschuhelement, welches an einem radial nach innen gerichteten Ende des Maschinenelements angeordnet ist, als ein Laminierungsstrukturteil ausgebildet sein.
Eine Laminierungsstruktur kann verwendet werden zum Reduzieren von Wirbelstromverlusten, welche in solch einem Maschinenelement auftreten können. Insbesondere dieser Teil der Polschuhelemente kann aus laminierten Stahlblechen gefertigt sein. Der Rest der Polschuhelemente kann in der Form einer massiven Struktur sein. Dies kann eine gute Stabilität der Polschuhelemente und eine gute Verteilung des Flusses liefern. Die Laminierung kann in axialer oder Umfangsrichtung vorliegen, entsprechend dem dem Maschinenelement gegenüberliegenden weiteren Maschinenelement, welches beispielsweise ein Stator sein kann, wenn das Maschinenelement einen Rotor der elektrischen Maschine bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das Laminierungsstrukturteil in einem Querschnitt senkrecht zu der axialen Richtung des Rotors eine Trapezform.
Allgemein kann das Polschuhelement gemäß einer Ausführungsform einen radial inneren Teil aufweisen, welcher das innere Ende des Polschuhelements umfasst, und wobei der radial innere Teil in seinem Querschnitt trapezförmig ist, in einer Weise, dass die Breite des radial inneren Teils in einer Richtung radial nach außen abnimmt. Der Begriff „Breite des Polschuhelements“ bezieht sich hier und allgemein hierin auf die Abmessung des Polschuhelements in Umfangsrichtung.
Dadurch, dass sie in ihrem radial inneren Teil in einer Ebene senkrecht zu der axialen Richtung des Rotors den trapezförmigen Querschnitt haben, können die Polschuhelemente nahe zueinander angeordnet werden, wobei die Spitzen der Trapeze aneinander anstoßen können. Gemäß anderer Ausführungsform können die Spitzen der Trapeze benachbarter Polschuhelemente mit Abstand voneinander angeordnet sein. Wenn die Magnetbaugruppe eine rechteckige Form aufweist, kann ein Luftspalt erreicht werden zwischen dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, dem Magnet und den Polschuhelementen. Mit anderen Worten ist in diesem Fall die Magnetbaugruppe mit Abstand von dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator angeordnet. Dies kann die Flussverteilung verbessern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine nichtferromagnetische Abdeckung an der Magnetbaugruppe befestigt.
Die Abdeckung kann Schutz für die Permanentmagnete liefern und kann ferner eine Befestigung der Permanentmagnete liefern. Ferner kann die Abdeckung eine Befestigung zum Eliminieren der Vibration in der radialen Richtung aufgrund von Magnetteiltoleranzen liefern. Die Abdeckung kann ein nichtmagnetischer Stahl oder Aluminium sein, platziert an dem äußeren Umfang der Magnetbaugruppe. Die Abdeckung kann eine Schicht von weichem oder dämpfendem Material (wie Schaum oder Gummi) aufweisen, die zwischen der Abdeckung und der Magnetbaugruppe platziert ist. Durch Schieben der Abdeckung von dem äußeren Umfang in die radiale Richtung kann das flexible oder weiche Material es der Abdeckung erlauben, sich soweit nach unten zu bewegen, wie benötigt wird aufgrund der Toleranzen der Permanentmagnete oder der Magnetbaugruppen.
Allgemein hierin werden die Begriffe „nichtmagnetisch“ und „nicht-ferromagnetisch“ synonym verwendet, d.h. der Begriff „nichtmagnetisch“ ist stets als „nicht-ferromagnetisch“ zu lesen.
Die Abdeckung kann an die Polschuhelemente geschraubt sein. Dies kann ebenfalls helfen, die Magnetbaugruppen an Ort und Stelle zu halten.
Ferner kann das Dämpfungsmaterial zusätzlich zu der mechanischen Dämpfung als eine Dichtung dienen, um auszuschließen, dass Partikel, Feuchtigkeit oder salzige Luft, Wasser oder jede andere Art von Flüssigkeiten oder Schmutz in die elektrische Maschine eindringt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Endplatten an den axialen Enden des Maschinenelements (z. B. des Rotors) angeordnet.
Die Polschuhelemente können unter einem Winkel zwischen den Endplatten angeordnet sein, um einen Versatz (Skewing) zu erlauben. Die Endplatten können aus nichtmagnetischem Material gefertigt sein zum Vermeiden eines Kurzschlusses der Magnete. Die Endplatten können verwendet werden zum Befestigen der Polschuhelemente an dem Maschinenelement (z.B. an dem Rotor).
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, umfassend einen Stator und einen Rotor wie oben beschrieben, wobei der Rotor bezüglich des Stators rotierbar ist und einer von dem Rotor und dem Stator durch ein Maschinenelement gemäß einer oder mehrerer der hierin offenbarten Ausführungsformen gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist das Maschinenelement außenliegend angeordnet, d.h. das Maschinenelement bildet einen außenliegenden Rotor oder einen außenliegenden Stator. Wie allgemein üblich bedeutet „außenliegend“ in diesem Zusammenhang, dass das Maschinenelement radial außerhalb des weiteren Maschinenelements angeordnet ist.
Eine Ausführungsform der bereitgestellten elektrischen Maschine basiert auf der Idee, dass in das Maschinenelement Magnete eingefügt werden können, nachdem der Rotor und der Stator zusammengefügt worden sind. Dies kann erreicht werden durch die außenliegende Anordnung der Polschuhelemente, welche eine Öffnung der Vertiefung zu der Außenseite des Maschinenelements hin liefern zum Einfügen der Magnetbaugruppen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierein offenbarten Gegenstände wird eine Windturbine zum Erzeugen von elektrischer Leistung bereitgestellt. Die bereitgestellte Windturbine umfasst einen Turm, einen Windturbinenrotor, welcher an einen oberen Teil des Turms angeordnet ist und welcher mindestens ein Blatt aufweist, und eine elektrische Maschine in Form eines Generators wie hierein beschrieben, wobei der Generator mechanisch mit dem Windturbinenrotor gekoppelt ist, beispielsweise ohne Zwischenschaltung eines Getriebes (Direktantriebsgenerator).
Beim Entwurf einer Windturbine ist es vorteilhaft, die Masse in einem oberen Bereich des Turms, d.h. insbesondere die Masse der Gondel und des Generators, klein zu halten. Auf diese Weise können die Kosten für den Transport sowie für Fundamente und den Turm relativ niedrig sein. Ein niedriges Gewicht des Generators kann bei einer vorgesehen Nennleistung des Generators beispielsweise durch Permanentmagnete erreicht werden, die seltene Erden enthalten (Seltene-Erd-Magneten). Jedoch sind Seltene-Erd-Magneten teuer und üben sehr hohe Magnetkräfte aus. Ein Austausch der Seltene-Erd-Magneten ist bei einem konventionellen Generator nach einer Installation des Generators in einer Windturbine kaum möglich.
Ein Generator gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände löst oder mindert einige der Probleme von konventionellen Generatoren für Windturbinen. Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände ist der mindestens eine Permanentmagnet ein Ferritmagnet. Obwohl dadurch bei gleicher Nennleistung die Masse des Generators höher als bei konventionellen Generatoren mit Seltene-Erd-Magneten sein kann, ist der Generator preiswerter in der Herstellung und das Preisniveau der Ferrit-Magnete ist konstanter als das der Seltene-Erd-Magneten. Ferner können die Magnete leicht ausgetauscht werden, selbst wenn der Generator bereits in der Windturbine installiert ist. Insbesondere für den Außenläufer (d.h. einen Generator mit außenliegenden Rotor) kann ein Austausch auf einfache Weise erfolgen, beispielsweise mit einem kleinen Kran in der Gondel. Somit kann ein Einbau oder ein Austausch defekter Magnete selbst dann erfolgen, wenn der Generator bereits in der Windturbine installiert ist. Ein weiterer Vorteil der Ferritmagnete ist, dass die Magnettemperatur unproblematischer als bei Seltenen-Erd-Magneten ist und damit die Kühlung des Generators erleichtert wird.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Ferritmagnete in Form einer Magnetbaugruppe in dem Generator montiert. Generell ist es kostengünstig und effizient, die Permanentmagnete in einer Standardgröße herzustellen und in einer Baugruppe anzuordnen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine ein direkt angetriebener Generator einer Windturbine mit außenliegendem Rotor.
Es muss angemerkt werden, dass Ausführungsformen mit Bezug auf verschiedene Gegenstände beschrieben wurden. Insbesondere wurden einige Ausführungsformen beschrieben mit Bezug auf Ansprüche vom Vorrichtungstyp, während andere Ausführungsformen beschrieben wurden mit Bezugnahme auf Ansprüche vom Verfahrenstyp. Jedoch wird ein Fachmann von der vorstehenden und der nachstehenden Beschreibung entnehmen, dass solange nicht anders angegeben zusätzlich zu jeder Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Gegenständen gehört, auch jede Kombination zwischen Merkmalen, welche sich auf verschiedene Gegenstände beziehen, insbesondere zwischen Merkmalen der Ansprüche vom Vorrichtungstyp und Merkmale der Ansprüche vom Verfahrenstyp als mit diesem Dokument offenbart angesehen werden.
Die oben definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden offenkundig von den Beispielen der Ausführungsformen, die hier nachfolgend beschrieben werden sollen und welche erläutert sind mit Bezugnahme auf die Beispielausführungsformen. Die Erfindung wird hierin nachfolgend detaillierter beschrieben werden mit Bezugnahme auf Beispielausführungsformen, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
2 zeigt eine Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
3 zeigt eine Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
4 zeigt ein Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
5 zeigt ein Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
6 zeigt ein Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
7 zeigt ein Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
8 zeigt ein weiteres Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
9 zeigt ein Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
10 zeigt eine Trägerstruktur gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
11 zeigt eine weitere Trägerstruktur gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
12 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Polschuhelementes gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
13 zeigt eine Magnetbaugruppe gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
14. zeigt einen Teil einer elektrischen Maschine gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch. Es wird angemerkt, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit denselben Bezugszahlen versehen sind.
1 zeigt eine Polschuhanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Die Polschuhanordnung kann beispielsweise verwendet werden für einen Rotor einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator aufweist und den Rotor, welcher um den Stator rotierbar ist. Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Rotor innerhalb des Stators rotierbar angeordnet sein, wobei in diesem Fall gemäß einer Ausführungsform der außen liegende Stator die Polschuhanordnung 100 aufweist. Alternativ kann auch der innenliegende Rotor oder ein innenliegender Stator die Polschuhanordnung 100 aufweisen. Die Polschuhanordnung umfasst ein erstes Polschuhelement 101 und ein zweites Polschuhelement 102. Beide Polschuhelemente können aus ferromagnetischem Material, wie ferromagnetischem Stahl hergestellt sein. Die Polschuhelemente können den Fluss einer Magnetbaugruppe 103 aufnehmen. Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine, wie sie mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben ist, ein Generator. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Maschinenelement, wie es mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben ist, ein Rotor. Es versteht sich jedoch, dass dies lediglich exemplarisch ist und dass gemäß anderer Ausführungsformen die elektrische Maschine ein Motor und/oder das Maschinenelement ein Stator sein kann.
Die Polschuhelemente 101, 102 sind an dem Rotor befestigt zum Beispiel an einer Rotorträgerstruktur (nicht dargestellt). Die Polschuhelemente erstrecken sich in einer Längsrichtung 151, beispielsweise in axialer Richtung, wie in 3 gesehen werden kann, wo das Polschuhelement 101 einer Polschuhanordnung 300 in einer axialen Ansicht dargestellt ist. Die Polschuhelemente 101, 102 sind bezüglich einander in einer Umfangsrichtung des Rotors beabstandet in einer Weise, so dass eine Vertiefung gebildet ist zum Aufnehmen der Magnetbaugruppe 103. Die Form der Vertiefung kann der Form der Magnetbaugruppe 103 entsprechen. Beispielsweise kann die Kontur der Magnetbaugruppe 103 komplementär zu der Kontur der Vertiefung sein. Jedes Polschuhelement hat eine erste Breite in der Umfangsrichtung bei einer ersten radial inneren Position und hat eine zweite Breite in der Umfangsrichtung bei einer zweiten radial äußeren Position. In anderen Worten werden die Polschuhelemente dünner zu dem radial äußeren Ende des Rotors hin. Jedoch sind in jedem Fall die inneren Breiten größer als die äußeren Breiten. Die Übergänge zwischen den Breiten sind gemäß einer Ausführungsform in Stufen gebildet. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Übergang zwischen der ersten Breite und der zweiten Breite kontinuierlich erfolgen. Beispielsweise kann das Polschuhelement gemäß einer Ausführungsform einen konischen Querschnitt aufweisen.
Die größte Breite des Polschuhelements ist bei einer Position nahe dem Luftspalt 104 zwischen dem Rotor und dem Stator 106 (oder dem magnetischen Luftspalt der elektrischen Maschine). Die kleinste Breite des Polschuhelements ist bei einer Position nahe dem Äußeren 105 (Luft) des Rotors. Beispielsweise kann das Polschuhelement 101, 102 die größte Breite an seinem inneren, dem Luftspalt 104 zugewandten Ende und die kleinste Breite an seinem äußeren, dem inneren Ende entgegengesetzten Ende aufweisen.
2 zeigt eine Polschuhanordnung 200 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform kann der in Umfangsrichtung breiteste Teil der Polschuhelemente 101, d.h. der Teil 201, welcher auch dem magnetischen Luftspalt der elektrischen Maschine am nächsten ist, quer zu der Längsrichtung (beispielsweise senkrecht zu der Längsrichtung) einen Querschnitt in der Form eines Trapezes aufweisen, welches sich in Richtung von dem Luftspalt weg in seiner Breite verjüngt, wie in 2 dargestellt. Dieser Teil 201 des Polschuhelements 101 kann aus einer Laminierungsstruktur hergestellt sein. Dies kann den Vorteil des Reduzierens von Wirbelstromverlusten liefern. Wie in 2 dargestellt, können die Laminierungen umfänglich angeordnet sein, d.h. die Abfolge der verschiedenen Schichten der Laminierung findet in einer Umfangsrichtung 149 statt.
3 zeigt eine Polschuhanordnung 300 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Entsprechend einer Ausführungsform ist in 3 eine axiale Anordnung der Laminierungen dargestellt, d.h. die Abfolge der Schichten in dem Teil 301 des Polschuhelements 101, welches dem Luftspalt gegenüberliegt, findet in der Längsrichtung 151 statt. Gemäß einer Ausführungsform sollte die Anordnung der Laminierungen der Anordnung des Stators entsprechen.
4 zeigt ein Maschinenelement 400 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände, welches beispielsweise in Form eines Rotors vorliegen kann.
Wie in 4 dargestellt, können an den axialen Enden des Rotors 400 (beispielsweise an den Stirnflächen der Polschuhelemente 101) Endplatten 401, 402 angeordnet sein, z.B. in der Form einer Frontplatte und einer Rückplatte. Die Polschuhelemente 101 können an dem Rotor befestigt sein durch angeschweißt sein oder angeschraubt sein an die Endplatten.
Eine Mehrzahl von Polschuhelementen 101 kann auf der Rotorstruktur angeordnet sein, wobei sich jedes zwischen den Endplatten erstreckt und zu dem nächsten Polschuhelement beabstandet ist zum Bilden einer Vertiefung für die Magnetbaugruppen.
5 zeigt ein Maschinenelement 500 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände, welches beispielsweise in Form eines Rotors vorliegen kann. Wie in 5 dargestellt, können die Magnetbaugruppen 103 in die Vertiefungen, die von den Polschuhelementen bereitgestellt sind, eingefügt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die radial äußere Oberfläche des Rotors 500 folglich mit Magnetbaugruppen bedeckt. Die Magnetbaugruppen können mit einem nichtmagnetischen Material, welches einen Schutz liefert, abgedeckt sein. Das nichtmagnetische (nicht-ferromagnetische) Material kann beispielsweise eine Abdeckung gemäß Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände sein.
6 zeigt ein Maschinenelement 400 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Das Maschinenelement 400 weist gemäß einer Ausführungsform eine Trägerstruktur 510 auf, welche gemäß einer Ausführungsform eine Rotorträgerstruktur eines Rotors einer elektrischen Maschine ist. Das Maschinenelement 400 weist ferner ein Polschuhelement 101 auf. Das Polschuhelement ist gemäß einer Ausführungsform aus ferromagnetischem Material, beispielsweise ferromagnetischem Stahl, gebildet. Gemäß einer Ausführungsform weist das Maschinenelement 400 ein Distanzelement 512 auf, welches zwischen der Trägerstruktur 510 und dem Polschuhelement 101 angeordnet ist. Gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände ist das Distanzelement aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet. Beispielsweise kann das Distanzelement aus einem nicht-ferromagnetischen Stahl, beispielsweise nicht-ferromagnetischem Edelstahl, gebildet sein. Das Distanzelement 512 aus dem nicht-ferromagnetischen Material verhindert eine Leckage von elektromagnetischem Fluss. Auf diese Weise kann die Effizienz der elektrischen Maschine gesteigert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement 101 eine Aufnahmefläche 124 zum Aufnehmen eines Permanentmagneten auf. Ferner weist das Polschuhelement 101 eine quer zu der Aufnahmefläche 124 angeordnete Stirnfläche 514 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist das Distanzelement 512 an der Stirnfläche 514 der Polschuhelemente 101 angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Distanzelement 512 durch geeignete Befestigungsmittel, wie beispielsweise Bolzen 516, an dem Polschuhelement 101 befestigt. Gemäß einer Ausführungsform können die Bolzen 516 zusammen mit Bolzen-Extendern 518 verwendet werden. Die Bolzen-Extender 518 sind hierbei Unterlegteile, durch welche sich die Bolzen 516 hindurcherstrecken, wodurch ein längerer Bolzen 516 zur Befestigung des Distanzelementes 512 an dem Polschuhelement 101 verwendet werden kann. Ein längerer Bolzen kann günstigere Eigenschaften aufweisen als ein vergleichsweise kürzerer Bolzen. Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Bolzen-Extender 518 zwischen einem Bolzenkopf des Bolzens 516 und dem Distanzelement 512. Gemäß anderen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Bolzen-Extender weggelassen sein.
Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände können die Bolzen 516 allgemein Gewindebolzen sein, welche ein Gewinde aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement 101 Gewindelöcher auf, in welche die Gewindebolzen einschraubbar sind, um das Distanzelement 512 an dem Polschuhelement 101 zu befestigen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Distanzelement 512 an der Trägerstruktur 510 durch geeignete Befestigungsmittel befestigt. Beispielsweise kann die Trägerstruktur 510 an dem Distanzelement 512 mittels eines Bolzens 516, der gemäß einer Ausführungsform ein Gewindebolzen sein kann, befestigt sein. Der Gewindebolzen 516 zur Befestigung des Distanzelementes 512 an der Trägerstruktur 510 kann in ein geeignetes Gewindeloch, beispielsweise in der Trägerstruktur 510, eingeschraubt sein (nicht dargestellt). Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Mutter 520 vorgesehen, in welche der Gewindebolzen 516 eingeschraubt ist. Für die Bolzenverbindung zur Befestigung des Distanzelementes 512 an der Trägerstruktur 510 können Bolzen-Extender vorgesehen sein, die ähnlich ausgebildet sein können, wie die Bolzen-Extender 518, die mit Bezug auf die Bolzen 516 zur Befestigung des Distanzelementes 512 an dem Polschuhelement 101 beschrieben wurden.
Es versteht sich, dass die Bolzen 516 und die Bolzen-Extender 518 auf ihren jeweiligen Einsatzzweck und Einsatzort abgestimmt sein können. Beispielsweise kann die Länge und der Durchmesser der Bolzen auf den jeweiligen Verwendungszweck, beispielsweise zum Befestigen des Distanzelementes 512 an der Trägerstruktur 510 oder zum Befestigen des Distanzelementes 512 an dem Polschuhelement 101, angepasst sein. Die Bolzen-Extender können die Bolzenlebensdauer verlängern. Gemäß anderer Ausführungsformen können die Bolzen jedoch ohne Bolzen- Extender verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die mit den Bolzen 516 hergestellte Bolzenverbindung durch ein Vorspannen der Bolzen und einen dadurch erzeugten Reibschluss zwischen einander gegenüberliegenden Befestigungsflächen (beispielsweise zwischen der Stirnfläche 514 des Polschuhelements 101 und der gegenüberliegenden Anschlagfläche 524 des Distanzelementes 512 oder zwischen entsprechenden gegenüberliegenden Anschlagflächen der Trägerstruktur 510 und des Distanzelementes 512) hergestellt. Hierbei können die Kontaktoberflächen, beispielsweise die Stirnfläche 514 des Polschuhelements und/oder die Anschlagfläche 524 des Distanzelementes 512, mit einer geeigneten Beschichtung beschichtet sein, um einen ausreichenden Reibungskoeffizienten sicherzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Distanzelement 512 einen Befestigungsabschnitt 522 auf, der sich über das Polschuhelement 101 hinaus erstreckt und an dem die Trägerstruktur 510 befestigt ist. Hierbei kann das Distanzelement an jeder geeigneten Position an dem Polschuhelement 101 befestigt sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement 101 an jeder Stirnfläche 514 ein separates Distanzelement 512 auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Distanzelement 512 mit zwei Bolzen 516 an dem Polschuhelement 101 befestigt. Zwei Bolzen je Distanzelement 512 verhindern ein Drehen des Polschuhelements 101 bezüglich des Distanzelementes 512. Auf diese Weise wird die räumliche Lage des Polschuhelements 101 bezüglich der Trägerstruktur 510 sicher fixiert. Die zwei Bolzen pro Distanzelement 512 liefern auch eine Ausfallsicherheit im Fall eines Versagens von einem der Bolzen: Falls einer der Bolzen 516 bricht, kann der andere Bolzen 516, welcher demselben Distanzelement 512 zugeordnet ist, das Polschuhelement 101 halten, bis die elektrische Maschine bzw. der Rotor 400 gestoppt ist.
Ein separates Distanzelement 512 für jede Stirnfläche 514 des Polschuhelements 101 spart gegenüber einer einstückigen Distanzelementstruktur Material während der Herstellung und erleichtert die Handhabung während des Zusammenbaus des Maschinenelements 400.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Distanzelement 512 zwei Anschlagflächen aufweisen, von denen jede an einer Stirnfläche 514 des Polschuhelements 101 befestigt ist (nicht dargestellt in 6).
Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen ist die Montage des Maschinenelementes modular, flexibel und erfordert nicht eine spezifische Montagereihenfolge. Beispielsweise können die Polschuhelemente 101 an die Distanzelemente 512 montiert werden und danach können die Distanzelemente 512 an die Trägerstruktur 510 montiert werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform werden die Distanzelemente 512 zuerst an der Trägerstruktur 510 montiert und danach werden die Polschuhelemente 101 an dem Distanzelement 512 montiert. Die Reihenfolge, in welcher die Teile montiert werden, kann von den Montagebedingungen abhängen.
7 zeigt ein Maschinenelement 410 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Das Maschinenelement 410, welches in 7 dargestellt ist, enthält Merkmale, die bereits mit Bezug auf das Maschinenelement 400 in 6 beschrieben wurden. Die detaillierte Beschreibung dieser Merkmale wird folglich bezüglich der Beschreibung von 7 weggelassen. Vielmehr werden mit Bezug auf 7 die Unterschiede des Maschinenelements 410 bezüglich des Maschinenelements 400 aus 6 hervorgehoben und beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement 101 ein inneres Ende 120 auf, welches ausgebildet ist, um in einem montierten Zustand des Maschinenelements mindestens teilweise dem Luftspalt 104 der elektrischen Maschine gegenüberzuliegen. Ferner weist das Polschuhelement 101 ein dem inneren Ende 120 entgegengesetztes äußeres Ende 122 auf. Gemäß einer Ausführungsform weist das äußere Ende 122 einen Befestigungsteil 526 auf, an welchem das Distanzelement 512 angeordnet ist. Die Befestigungsteile 526 können durch stirnseitig angeordnete Polschuherweiterungen 527 des Polschuhelements 101 gebildet sein. Das Distanzelement 512 kann an dem Polschuhelement 101 bzw. an dessen Befestigungsteil 526 mittels eines geeigneten Befestigungsmittels, beispielsweise einer Bolzen-verbindung aufweisend einen Bolzen 516 und einen Bolzen-Extender 518, wie mit Bezug auf 6 beschrieben, befestigt sein.
Das Befestigungsteil 526 des Polschuhelements 101 ist gemäß einer Ausführungsform konform zu der Anschlagfläche 524 des Distanzelementes 512 ausgebildet. Beispielsweise kann die Anschlagfläche 524 des Distanzelementes 512 gemäß einer Ausführungsform eine ebene Fläche sein. In diesem Fall weist vorzugsweise auch das Befestigungsteil in seiner dem Distanzelement 512 gegenüberliegenden Oberfläche eine ebene Fläche auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Anschlagfläche 524 des Distanzelementes 512 bogenförmig ausgebildet sein und das Befestigungsteil kann eine entsprechend komplementäre Bogenform an seiner dem Distanzelement 512 gegenüberliegenden Oberfläche aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist das Distanzelement den sich über das Polschuhelement hinaus erstreckenden Befestigungsabschnitt 522 auf, an welchem die Trägerstruktur 510 befestigt ist durch ein geeignetes Befestigungsmittel. Beispielsweise kann der Befestigungsabschnitt 522 an der Trägerstruktur 510 angeschweißt sein. Hierbei weisen die Trägerstruktur und der Befestigungsabschnitt 522 gemäß einer Ausführungsform zusammenpassende Oberflächenformen ihrer einander gegenüberliegenden Oberflächenabschnitte auf.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Befestigungsabschnitt 526 in seiner dem Distanzelement 512 gegenüberliegenden Oberfläche eine rechteckige Form aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Distanzelement 512 an dem Befestigungsteil 526 beispielsweise mittels eines einzigen Bolzens oder mittels zweier Bolzen befestigt sein. Andere Befestigungsmittel sind selbstverständlich ebenso möglich. Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Trägerstruktur 510 an dem Polschuhelement vorbei zu dem Befestigungsabschnitt 522 des Distanzelementes 512. Gemäß einer Ausführungsform ist hierbei die Trägerstruktur 510 mit Abstand 528 von dem Polschuhelement 101 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Abstand 528 zwischen der Trägerstruktur 510 und dem Polschuhelement 101 beispielsweise mindestens 50 mm, um eine Leckage von elektromagnetischem Fluss zu der Trägerstruktur 510 hin zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Eine Schweißverbindung zwischen dem Distanzelement 512 und der Trägerstruktur 510 kann eine reduzierte Größe des Distanzelementes 512 zulassen, insbesondere in Kombination mit weiteren in 7 dargestellten Ausführungsformen. Jedoch erfordert diese Lösung eben die Schweißverbindung zwischen dem Distanzelement 512 und der Trägerstruktur 510. Die Bereitstellung der Befestigungsteile 526 an dem Polschuhelement 101 kann das Herstellen bzw. das mechanische Bearbeiten der Polschuhelemente 101 komplexer machen. Abhängig von dem Raum, welcher zwischen den Distanzelementen 512 für das Positionieren der Polschuhelemente 101 verbleibt, kann die in 7 dargestellte Lösung eine spezifische Montagereihenfolge der einzelnen Elemente des Maschinenelements 410 erfordern.
8 zeigt ein weiteres Maschinenelement 420 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
In dem Maschinenelement 420 in 8 ist die Trägerstruktur 510, das Distanzelement 512 und das Polschuhelement 101 analog zu den betreffenden Elementen des Maschinenelementes 410 in 7 ausgebildet mit der Ausnahme, dass in dem Maschinenelement 420 in 8 das innere Ende 120 des Polschuhelements 101 den Befestigungsteil 526 aufweist, an welchem das Distanzelement 512 angeordnet ist. Die Beschreibung von Merkmalen, die bereits mit Bezug auf 7 diskutiert wurden, wird daher bei der Beschreibung von 8 weggelassen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Bolzenverbindung, welche den Bolzen 516 und den Bolzen-Extender 518 aufweisen kann, mit Abstand 530 von der Trägerstruktur 510 angeordnet, um eine Leckage von elektromagnetischem Fluss zu der Trägerstruktur 510 hin zu reduzieren oder zu vermeiden. Gegenüber der in 7 dargestellten Lösung können die Polschuhelemente 101 bei dem in 8 dargestellten Maschinenelement 420 verlängert sein, um genügend Raum für das Herstellen der Bolzenverbindung bereitzustellen. Abhängig von den tatsächlichen Abmessungen kann das Maschinenelement 420, welches in 8 dargestellt ist, eine flexible Montagereihenfolge der einzelnen Elemente erlauben: Beispielsweise können die Polschuhelemente an den Distanzelementen 512 befestigt werden und dann können die Distanzelemente 512 an die Trägerstruktur 510 montiert werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Distanzelemente 512 zuerst an die Trägerstruktur montiert werden und dann können die Polschuhelemente 101 an das Distanzelement 512 montiert werden. Die Reihenfolge, in welcher die Teile montiert werden, kann von den Montagebedingungen abhängen.
9 zeigt ein Maschinenelement 430 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Ein Polschuhelement 101 des Maschinenelements 430 weist an seinen stirnseitigen Enden (in axialer Richtung) Polschuherweiterungen 527 auf. Das Polschuhelement 101 weist einen ersten Oberflächenabschnitt 532 und einen dem ersten Oberflächenabschnitt 532 abgewandten zweiten Oberflächenabschnitt 534 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist das Distanzelement 512 auf dem ersten Oberflächenabschnitt 532 angeordnet und ein weiteres Distanzelement 536 aus nicht-ferromagnetischem Material ist auf dem zweiten Oberflächenabschnitt 534 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform sind die Oberflächenabschnitte 532, 534 von der Polschuherweiterung 527 gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Trägerstruktur ausgebildet, um eine Klemmkraft auf das Distanzelement 512 und das weitere Distanzelement 536 auszuüben, um durch die Klemmkraft das Polschuhelement 101 zwischen dem Distanzelement 512 und dem weiteren Distanzelement 536 zu fixieren und damit das Polschuhelement 101 bezüglich der Trägerstruktur 510 zu fixieren. Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägerstruktur zur Ausübung der Klemmkraft eine Klemmvorrichtung 538 auf, wobei die Klemmvorrichtung 538 gemäß einer Ausführungsform einen Gewindebolzen 540, welcher sich durch ein Gewindeloch in der Trägerstruktur 510 erstreckt, aufweist. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Kontermutter 542 vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform weist die Klemmvorrichtung 538 der Trägerstruktur 510 Klemmteile 539 auf, welche jeweils auf einer abgewandten Seite des Distanzelementes 512 und des weiteren Distanzelementes 536 angeordnet sind.
Um einen Kontakt des Polschuhelements 101 mit der Trägerstruktur 510 sicher zu vermeiden, kann ein radiales Distanzelement 544 vorgesehen sein, welches sich in einer radialen Richtung 125, d.h. in einer Richtung von dem äußeren Ende 122 zu dem inneren Ende 120 des Polschuhelements, erstreckt. Gemäß einer Ausführungsform bilden das Distanzelement 512, das weitere Distanzelement 536 und das radiale Distanzelement 544 eine zumindest auf drei Seiten geschlossene Box zur Aufnahme des Polschuhelements 101. Gemäß einer Ausführungsform kann das Polschuhelement 101 im Bereich der Distanzelemente 512, 536 und 544 eine Polschuherweiterung aufweisen, in welcher das Polschuhelement eine größere Breite in Umfangsrichtung als in einem Mittelbereich 548 aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Befestigung des Polschuhelementes 101 an der Trägerstruktur 510 somit durch Reibschluss des Polschuhelements 101, der Distanzelemente 512, 536 und der Klemmteile 539 des Trägerelements unter Wirkung der von der Klemmvorrichtung 538 ausgeübten Klemmkraft.
Das Klemmen des Polschuhelements zwischen dem Distanzelement 512 und dem weiteren Distanzelement 536 hat den Vorteil, dass der Materialverbrauch an nicht-ferromagnetischem Material für das Distanzelement 512 und das weitere Distanzelement 534 relativ gering ist.
10 zeigt eine Trägerstruktur 510 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände, wobei die Trägerstruktur gemäß einer Ausführungsform eine Endplatte des Maschinenelements aufweist oder durch eine Endplatte gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägerstruktur 510 die Form eines N-Ecks auf, mit N geradlinig sich erstreckenden Umfangsabschnitten 550, wobei N gleich der Anzahl der Polschuhelemente des Maschinenelements ist. Beispielsweise kann die Trägerstruktur 510, wie sie in 10 dargestellt ist, als Trägerstruktur für die Maschinenelemente 410 in 7 oder für das Maschinenelement 420 in 8 verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform werden in einem solchen Fall die Befestigungsabschnitte 522 der Distanzelemente 512 auf den Umfangsrandabschnitten 550 angeordnet.
11 zeigt eine weitere Trägerstruktur gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Trägerelement 511 einen Umfangsrand 552 mit einer kreisförmigen Form auf.
Auf dem Umfangsrand 552 können entsprechend geformte Befestigungsabschnitte 522 der Distanzelemente 512 angeordnet werden, beispielsweise der Distanzelemente 512 der Maschinenelemente 410 von 7 oder 420 von 8.
Gemäß einer Ausführungsform sind an der Trägerstruktur 510, 511 eine Mehrzahl von Polschuhelementen 101, wie sie hierin beschrieben sind, angeordnet (in 10 u. 11 nicht dargestellt), wobei sich jeweils zwei Polschuhelemente gegenüberliegen und in einer Umfangsrichtung des Rotors mit Abstand voneinander angeordnet sind in einer solchen Weise, dass zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegenden Polschuhelementen eine Vertiefung zum Empfangen einer Magnetbaugruppe ausgebildet ist.
12 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Polschuhelementes 101 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Das Polschuhelement weist einen sich in axialer Richtung erstreckenden Magnetaufnahmeabschnitt 554 auf, in welchem das Polschuhelement 101 eine erste Breite in einer Umfangsrichtung des Rotors bei einer ersten radial inneren Position 132 aufweist und eine zweite Breite in der Umfangsrichtung bei einer zweiten radial äußeren Position 136 aufweist, wobei in einer radialen Richtung 125 des Rotors die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig übergeht und eine Stufe 140 bildet, wobei die zweite Breite kleiner als die erste Breite ist. Gemäß einer Ausführungsform weist der Magnetaufnahmeabschnitt 554 zwei oder mehr Aufnahmeflächen 124 auf, die in der radialen Richtung 125 durch die Stufen 140 getrennt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Polschuhelement 101 in der Längsrichtung 151 des Polschuhelements (z.B. in einer axialen Richtung des Polschuhelements) neben dem Magnetaufnahmeabschnitt 554 einen sich in der axialen Richtung erstreckenden Montageabschnitt 556 auf, in welchem das Polschuhelement in der Umfangsrichtung eine Breite 558 aufweist, die größer ist als die Breite 138 des Polschuhelements in dem Magnetaufnahmeabschnitt 140. Der Montageabschnitt wird hierin auch als Polschuherweiterung bezeichnet.
Die Magnetaufnahmeabschnitte 556 erleichtern eine Montage des Polschuhelementes an den Distanzelementen 512, 536, 544, wie sie hierin beschrieben sind. Gemäß einer Ausführungsform liefern die Magnetaufnahmeabschnitte 556 die Befestigungsteile 526, wie sie hierin beschrieben sind.
13 zeigt eine Magnetbaugruppe 103 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Die Magnetbaugruppe 103, wie sie beispielhaft in 13 dargestellt ist, ist aus einer Mehrzahl von einzelnen Permanentmagneten 601 bis 604 konstruiert, welche die Kontur der Vertiefung bilden. Vorzugsweise sind die Einzelmagnetstücke (Permanentmagnete) nicht größer als 25 cm in der Kantenlänge.
In dem in 13 dargestellten Beispiel besteht die Magnetbaugruppe 103 aus 15 Teilen. Die Magnetstücke (Permanentmagnete) haben exakt dieselben Abmessungen. Dies kann den Vorteil liefern, dass das Design modular ist und die verschiedenen Magnetstücke einfach gehandhabt werden können. Die Magnetstücke können verschiedene Materialien aufweisen. Zum Beispiel können die Magnetstücke 601, die näher an dem Luftspalt sind, eine höhere Koerzitivfeldstärke aufweisen, um besser einem Endmagnetisierungsfeld zu widerstehen, welches den Magneten im Fall eines Kurzschlusses gegenübersteht. Die anderen Magnetstücke 602, 603 und 604 können eine geringere Koerzitivfeldstärke aufweisen. Wie hierin beschrieben, können die Magnetbaugruppen gemäß einer Ausführungsform eine Mehrzahl von aneinander befestigten Ferritmagneten aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform sind nicht alle Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe aneinander befestigt, sondern nur ein Teil der Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe ist aneinander befestigt und bildet ein Magnetmodul. Beispielsweise können die in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Magnete z.B. die Magnete 601 aneinander befestigt sein, um ein Magnetmodul der Magnetbaugruppe zu bilden. Die Unterteilung einer Magnetbaugruppe in Magnetmodule, in denen die Permanentmagnete miteinander verbunden sind (aneinander fixiert sind) kann je nach Größe und Gewicht der Magnetmodule erfolgen. Selbstverständlich können auch alle Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe bezüglich einander fixiert sein, z.B. aneinander befestigt sein.
14 zeigt einen Teil einer vollständigen elektrischen Maschine 700 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände in Form eines Generators, insbesondere eines Windturbinengenerators. Der Rotor 710 ist um den Stator 720 rotierbar angeordnet. Der Stator ist mit einer Welle 706 verbunden und weist eine Spulenanordnung 705 auf, wobei Luftspalte 704 zwischen den Spulen gebildet sind. Der Rotor 710 bildet ein Maschinenelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Ein Luftspalt 104 ist zwischen dem Rotor 710 und dem Stator 720 gebildet. Ferner ist ein Luftspalt 702 durch die Polschuhelemente 101, 102 und die Magnetbaugruppe 103 gebildet. Auf den Seiten der Polschuhelemente, welche entgegengesetzt zu der Magnetbaugruppe 103 liegen, kann jeweils eine weitere Magnetbaugruppe 103 angeordnet sein. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Luftspalte 702 und 704 nicht mit dem Luftspalt 104 zwischen dem Rotor 710 und dem Stator 720 verwechselt werden dürfen. Sofern hierin an anderer Stelle auf einen „Luftspalt“ Bezug genommen wird, ist stets der Luftspalt zwischen Rotor und Generator gemeint, sofern nicht wie im Fall der Luftspalte 702 und 704 etwas anderes gesagt ist.
Zu dem Rotoräußeren 105 hin, welches Luft sein kann, kann eine Abdeckung 701 oben auf der Magnetbaugruppe 103 angeordnet sein. Dies kann einen Schutz gegen Kontamination liefern. Gemäß einer Ausführungsform ist die Abdeckung 701 aus einem nichtmagnetischen Material gebildet. Dies kann eine Leckage von magnetischem Fluss reduzieren. Um Vibrationen zu reduzieren, kann ein Dämpfungsmaterial 703 zwischen der Abdeckung 701 und der Magnetbaugruppe 103 angeordnet sein.
Das Maschinenelement 710 weist ein erstes Polschuhelement 101 und ein zweites Polschuhelement 102 auf, welches mit Abstand von dem ersten Polschuhelement 101 angeordnet ist in einer solchen Weise, dass zwischen dem ersten Polschuhelement 101 und dem zweiten Polschuhelement 102 eine Vertiefung 148 zum Aufnehmen von mindestens einem Permanentmagnet 501 gebildet ist. Jedes Polschuhelement weist ein inneres Ende 120 und ein äußeres Ende 122 auf. Das Maschinenelement enthält ferner den mindestens einen Permanentmagnet 501 in der Vertiefung 148. Gemäß einer Ausführungsform sind in der Vertiefung eine Mehrzahl von Permanentmagneten angeordnet, wie in 14 dargestellt, in welcher ein Teil der Permanentmagnete mit 501 gekennzeichnet ist. Gemäß einer Ausführungsform bilden die Permanentmagnete 501 die Magnetbaugruppe 103, welche in der Vertiefung angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Magnetbaugruppe 103 eine äußere Form auf, welche der Form der Vertiefung entspricht, so dass die Magnetbaugruppe 103 in die Vertiefung 148 einsetzbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform und wie 14 dargestellt, kann der Permanentmagnet 501, auf den in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, stets ein Permanentmagnet einer Magnetbaugruppe 103 sein.
Die hierin beschriebenen Polschuhanordnungen und Magnetbaugruppen können die folgenden Vorteile liefern: Es ist kein Rückeisenpfad benötigt; stattdessen kann eine nichtmagnetische Abdeckung mit einem Dämpfungseffekt verwendet werden. Kein Fronteisenpfad wird benötigt, was in einem Luftspalt zwischen den Polschuhen in einer Umfangsrichtung resultiert. Ein modulares Magnetmoduldesign kann erreicht werden unter Verwendung derselben geometrischen Abmessungen der Magnetstücke. Dies kann auch zu einer einfachen Montage führen aufgrund des puzzleähnlichen Designs, wo alle Magnetmodule zwischen zwei Rotorpolschuhelementen eingefügt sind. Die Modularität des Designs kann ferner eine Montage von der Seite (Luft) erlauben, was die Transportkosten reduzieren kann. Ferner sind der Service und die Wartung des Rotors leichter, aufgrund des leichteren Zugangs zu den Magnetmodulen und den Polelementen. Das modulare Design erlaubt auch eine Zwischenaustauschbarkeit im Fall eines fehlerhaften Magnetmoduls oder Polschuhelements. Da mechanische und elektromagnetische Strukturfunktionalität kombiniert sind, kann eine optimierte Verwendung von Material und eine kompakter elektrische Maschine erzielt werden.
Die hierin gegebenen Abmessungen sollen lediglich exemplarisch mögliche Abmessungen für die betreffenden Elemente angeben. Es versteht sich, dass diese beispielhaften Abmessungen stets den Anforderungen und der Größe der elektrischen Maschine angepasst werden sollten und somit die beispielhaften Abmessungen erheblich überschritten oder unterschritten werden können.
Es sollte ferner angemerkt werden, dass die Begriffe „aufweisend“ und „umfassend“ nicht andere Elemente oder Schritte ausschließen und das „ein“ oder „eines“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche limitierend ausgelegt werden sollen.
Zusammenfassend wird gemäß einer Ausführungsform ein Maschinenelement 400 für eine elektrische Maschine beschrieben, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist und das Maschinenelement entweder den Rotor oder den Stator bildet. Das Maschinenelement 400 enthält gemäß einer Ausführungsform eine Trägerstruktur 510; ein Polschuhelement 101; und ein Distanzelement 512, welches zwischen der Trägerstruktur 510 und dem Polschuhelement 101 angeordnet ist; wobei das Distanzelement 512 aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist.

Claims

Maschinenelement (400, 410, 420, 430, 500) für eine elektrische Maschine (700), wobei die elektrische Maschine (700) einen Stator (720), einen Rotor (710) und einen Luftspalt (104) zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist und das Maschinenelement (400, 410, 420, 430, 500) entweder den Rotor oder den Stator bildet, das Maschinenelement enthaltend: eine Trägerstruktur (401, 402, 510, 511); ein Polschuhelement (101, 102); ein Distanzelement (512), welches zwischen der Trägerstruktur (510, 520) und dem Polschuhelement (101, 102) angeordnet ist; wobei das Distanzelement (512) aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist.
Maschinenelement nach Anspruch 1, wobei das Polschuhelement (101, 102) eine Aufnahmefläche (124) zum Aufnehmen eines Permanentmagneten (501, 601–604) und eine quer zu der Aufnahmefläche (124) angeordnete Stirnseite (514) aufweist; das Distanzelement (512) an der Stirnseite (514) des Polschuhelements (101) angeordnet ist.
Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Polschuhelement (101, 102) ein inneres Ende (120) aufweist, welches ausgebildet ist um in einem montierten Zustand des Maschinenelements mindestens teilweise dem Luftspalt (104) der elektrischen Maschine (700) gegenüber zu liegen; das Polschuhelement (101, 102) ein dem inneren Ende (120) entgegengesetztes äußeres Ende (122) aufweist; und das innere Ende (120) oder das äußere Ende (122) einen Befestigungsteil (526) aufweisen, an welchem das Distanzelement (512) angeordnet ist.
Maschinenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Distanzelement (512) einen Befestigungsabschnitt (522) aufweist, der sich über das Polschuhelement (101, 102) hinaus erstreckt; und die Trägerstruktur (400, 401, 510, 511) an dem Befestigungsabschnitt (522) befestigt ist.
Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Polschuhelement (101, 102) einen ersten Oberflächenabschnitt (532) und einen dem ersten Oberflächenabschnitt (532) abgewandten zweiten Oberflächenabschnitt (534) aufweist; das Distanzelement (512) auf dem ersten Oberflächenabschnitt (532) angeordnet ist und ein weiteres Distanzelement (536) aus nicht-ferromagnetischem Material auf dem zweiten Oberflächenabschnitt (534) angeordnet ist; und die Trägerstruktur (400, 401, 510, 511) ausgebildet ist, um eine Klemmkraft auf das Distanzelement (512) und das weitere Distanzelement auszuüben, um durch die Klemmkraft das Polschuhelement (101, 102) zwischen dem Distanzelement (512) und dem weiteren Distanzelement (536) und bezüglich der Trägerstruktur (400, 401, 510, 511) zu fixieren.
Maschinenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polschuhelement (101, 102) einen sich in axialer Richtung des Rotors erstreckenden Magnetaufnahmeabschnitt (554) aufweist, in welchem das Polschuhelement (101, 102) eine erste Breite in einer Umfangsrichtung des Rotors bei einer ersten radial inneren Position (132) aufweist und eine zweite Breite in der Umfangsrichtung bei einer zweiten radial äußeren Position (136) aufweist, wobei in einer radialen Richtung (125) des Rotors die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig übergeht; die zweite Breite kleiner als die erste Breite ist; und das Polschuhelement (101, 102) in der axialen Richtung neben dem Magnetaufnahmeabschnitt (554) einen sich in der axialen Richtung erstreckenden Montageabschnitt (556) aufweist, in welchem das Polschuhelement (101, 102) in der Umfangsrichtung (149) eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite des Polschuhelements (101, 102) in dem Magnetaufnahmeabschnitt (554).
Maschinenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Maschinenelement eine Mehrzahl von dem Polschuhelement (101, 102) aufweist, von denen jeweils zwei Polschuhelemente einander gegenüberliegen und in einer Umfangsrichtung (149) des Rotors mit Abstand voneinander angeordnet sind, in einer solchen Weise, dass zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegenden Polschuhelementen (101, 102) eine Vertiefung (148) zum Empfangen einer Magnetbaugruppe (103) gebildet ist; und optional die Trägerstruktur (400, 401, 510, 511) einen Umfangsrand aufweist, wobei der Umfangsrand eines der folgenden Merkmale aufweist: der Umfangsrand weist N geradlinig sich erstreckende Umfangsrandabschnitte (550) auf, wobei N gleich der Anzahl der Polschuhelemente des Maschinenelements ist; oder der Umfangsrand (552) hat eine kreisförmige Form.
Elektrische Maschine (700), enthaltend: einen Rotor (710); und einen Stator (720); wobei entweder der Rotor oder der Stator durch ein Maschinenelement (400, 410, 420, 430, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist; wobei optional die elektrische Maschine (700) mindestens einen Permanentmagnet (501, 601–604) aufweist und der Permanentmagnet optional ein Ferritmagnet ist; wobei optional die elektrische Maschine (700) ein Generator einer Windturbine ist.
Windturbine enthaltend eine elektrische Maschine (700) nach Anspruch 8.
Verfahren zum Zusammensetzen eines Maschinenelements (400, 410, 420, 430, 500) für eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator (720), einen Rotor (720) und einen Luftspalt (104) zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist und das Maschinenelement entweder den Rotor oder den Stator bildet, das Verfahren enthaltend: Bereitstellen einer Trägerstruktur (400, 401, 510, 511); Montieren eines Polschuhelementes (101, 102) und eines Distanzelementes (512) an der Trägerstruktur (400, 401, 510, 511), in einer solchen Weise, dass das Distanzelement (512) zwischen der Trägerstruktur (400, 401, 510, 511) und dem Polschuhelement (101, 102) angeordnet ist; wobei das Distanzelement (512) aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist.