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Die Erfindung betrifft einen Stator mit Blechpaket für eine große elektrische Maschine z.B. einen Motorgenerator für ein Wasserkraftwerk. Das Blechpaket befindet sich dabei in einem Statorrahmen und bildet zusammen mit diesem den Stator der elektrischen Maschine.
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Statoren mit Blechpaketen für große elektrische Maschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In der
US6448686B1 wird z.B. ausgeführt (Spalte 1 ab Zeile 9), dass der Stator eines Generators im Allgemeinen ein Blechpaket und einen Statorrahmen umfasst. Das Blechpaket hat typischerweise eine zylindrische Gestalt und umfasst einen Stapel von isolierten Stahlblechen. Jedes Blech ist ein Segment eines Kreisringes und hat Schlitze auf dem inneren Durchmesser, um die Statorwicklung aufzunehmen, und schwalbenschanzförmige Schlitze auf dem äußeren Durchmesser. Der Statorrahmen besitzt eine Vielzahl von Leisten, die mit diesem verbunden sind (z.B. durch Schweißen), wobei jede Leiste ein Schwalbenschwanzprofil aufweist, um dem Blechpaket den notwendigen konstruktiven Halt zu geben. Während dem Stapeln des Blechpakets wird jedes einzelne Blech manuell in den Statorrahmen eingelegt, indem die schwalbenschwanzförmigenen Schlitze der Bleche in die entsprechenden Schwalbenschwanzprofile der Leisten des Statorrahmens eingehängt werden.
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Nachdem das Blechpaket vollständig aufgestapelt worden ist, wird der Blechstapel mit Hilfe von langen Spannbolzen komprimiert und fixiert (gepresst). Diese Bolzen sind parallel zur Achse des Stators angeordnet und verlaufen in entsprechenden Öffnungen des Blechpaketes (siehe z.B. die
EP2237388A1 ). Diese Bolzen sind in der Regel elektrisch isoliert, um ein Kurzschließen der übereinanderliegenden Bleche zu verhindern. Damit wird verhindert, dass sich Wirbelströme im Blechpaket bilden können, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine herabsetzen würden.
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Innerhalb des durch das Blechpaket gebildeten Hohlzylinders rotiert während dem Betrieb der elektrischen Maschine der Rotor. Dabei befindet sich zwischen dem Blechpaket und dem Rotor der sogenannte Luftspalt. Um einen fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten, muss der Luftspalt sowohl in Achsrichtung als auch in Umfangsrichtung sehr homogen sein. Dies kann nur erreicht werden, wenn das Blechpaket sehr genau aufgeschichtet wird. Das betrifft sowohl die Ausrichtung des Blechpakets in Achsrichtung als auch seine Rundheit. Außerdem werden während dem Betrieb hauptsächlich tangentiale Kräfte auf die Statorwicklung und damit auf das Blechpaket übertragen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Schwalbenschwanzleisten stellen die Verbindung des Blechpakets zum Stator her und müssen diese Kräfte während dem Betrieb aufnehmen.
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Im bekannten Stand der Technik wird diese Aufgabe zumeist dadurch gelöst, dass die Schwalbenschwanzleisten mit hoher Genauigkeit und hohem Aufwand an den Statorrahmen befestigt werden. Diese müssen zum Teil auch noch nach der Befestigung am Statorrahmen nachbearbeitet werden (siehe z.B. die
DE1958296 ). Dabei wird die genaue Ausrichtung der Bleche durch die an den Stator befestigten Schwalbenschwanzleisten allein bewerkstelligt. Die Spannbolzen haben keine Funktion bezüglich Ausrichtung der Bleche und der Aufnahme der tangentialen Kräfte während dem Betrieb und halten lediglich den Blechstapel in Achsrichtung zusammen.
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Der bekannte Stand der Technik hat dabei die folgenden Nachteile. Die Ausrichtung der Schwalbenschwanzleisten am Statorrahmen bzw. die nachträgliche Bearbeitung derselben ist extrem zeit- und kostenintensiv. Werden hierbei Fehler gemacht, so kann es sein, dass wenn sich später herausstellt, dass die Maßhaltigkeit des Blechpaketes nicht gegeben ist, das Blechpaket ganz oder zum Teil entfernt werden muss, damit die Schwalbenschwanzleisten korrigiert werden können. Hinzu kommen noch die Kosten für die aufwändige Messtechnik zur Kontrolle der Maßhaltigkeit. Die Erfinder beschreiten nun zur Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes und der Aufnahme der tangentialen Kräfte während des Betriebes einen vollständig anderen, neuen und zweckmäßigen Weg. Die Erfinder haben sich dabei von dem erfinderischen Gedanken leiten lassen, die genannte doppelte Funktion der aus dem Stand der Technik bekannten Schwalbenschwanzleisten zu separieren und jede der beiden Teilfunktionen aufeinander aufbauend auf neue Weise zu implementieren. Dabei wurde von den Erfindern die Aufgabe der Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes als primäre Aufgabe angesehen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Stator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe der Aufnahme der tangentialen Kräfte wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den zusätzlichen kennzeichnenden Merkmalen des abhängigen Anspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stators ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass, wenn die Bleche, die in der Regel gestanzt werden, mit Mitteln versehen werden, die eine Ausrichtung der übereinandergestapelten Bleche zueinander in der Ebene senkrecht zur Statorachse mit hinreichender Genauigkeit erlauben, sich die Maßhaltigkeit des gesamten Blechpaketes dadurch von selbst ergibt. Dabei stützen sich weder die Bleche noch die Positionierungsmittel gegenüber dem Statorrahmen ab.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich bei den erfindungsgemäßen Positionierungsmitteln eine elektrische Verbindung zwischen übereinanderliegenden Blechen ergeben kann, was zu unerwünschten Verlusten durch Wirbelströme führen kann. Es ist naheliegend, dass zur Vermeidung dieses negativen Effektes die Positionierungsmittel selbst elektrisch isolierend bezüglich den Blechen ausgeführt werden. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass wenn sich die Positionierungsmittel am radial äußeren Rand der Bleche gegenüber den Nuten zur Aufnahme der Statorwicklung befinden, die Verluste sehr klein werden und damit vernachlässigbar sind. Damit kann auf eine aufwändige Isolation der Positionierungsmittel verzichtet werden. Das ist dann der Fall, wenn der Abstand der Positionierungsmittel vom radial äußeren Rand der Bleche nicht mehr als 30% der radialen Ausdehnung der Bleche, vorzugsweise nicht mehr als 20% beträgt.
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Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass eine ausreichend genaue Maßhaltigkeit des Blechpaketes nur erreicht werden kann, wenn die Anzahl der Positionierungsmittel pro Blech mindestens 2 beträgt. Um die Herstellungskosten nicht unnötig zu erhöhen, haben die Erfinder erkannt, dass sich als das Optimum bzgl. Sicherstellung der Maßhaltigkeit und Minimierung der Herstellungskosten eine Anzahl der Positionierungsmittel pro Blech von 2 bis 4 ergibt.
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Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass die Positionierungsgenauigkeit in x-y-Richtung (senkrecht zur Statorachse) der Bleche zueinander durch die erfindungsgemäßen Positionierungsmittel zur Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes eine Toleranz erfordert, die nicht größer als ±0.02mm, vorzugsweise nicht größer als ±0.01mm ist.
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Mit diesen Maßnahmen erreichen die Erfinder, dass das Blechpaket die Maßhaltigkeitsanforderungen erfüllt. Erfindungsgemäß erfolgt die Fixierung des Blechpaketes als Ganzes im Statorrahmen und die Übertragung der tangentialen Kräfte während des Betriebes auf den Statorrahmen über eine Anzahl von Leisten. Diese Leisten werden in entsprechende achsparallele Nuten des Blechpakets eingelegt und am Statorrahmen entweder mit geeigneten Klauen befestigt oder direkt an den Statorrahmen angeschweißt. Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Zum einen genügen deutlich weniger Leisten, da das Blechpaket in der erfindungsgemäßen Ausführung einen hinreichend starren Körper darstellt. Beim bekannten Stand der Technik muss jedes einzelne Blechsegment von mindestens einer Schwalbenschwanzleiste gehalten werden. Da die Bleche in der Art von Mauerziegeln übereinander geschichtet werden, ergibt sich sogar die Anforderung, dass jedes Blech von mindestens zwei Schwalbenschwanznuten gehalten werden muss. Die Erfinder haben erkannt, dass in der erfindungsgemäßen Ausführung die minimale Anzahl der benötigten Leisten 3 beträgt und zwar für das gesamte Blechpaket (nicht pro Blech). Mit insgesamt 3 Leisten in einer 120° Teilung kann das Blechpaket in der Richtung senkrecht zur Achse fixiert werden, da eine Verschiebung des Blechpaketes in dieser Ebene, dann nicht mehr möglich ist. Es können jedoch ebenso gut mehr als diese minimale Anzahl von Leisten verwendet werden, je nach den Erfordernissen des jeweiligen Maschinendesigns. Da die erfindungsgemäßen Leisten nicht mehr der Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes dienen, können sowohl die Leisten als auch die korrespondierenden Nuten im Blechpaket mit sehr viel geringeren Toleranzanforderungen gefertigt werden. Ein weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung mit einem rechteckigen Nutprofil liegt in der Tatsache, dass jede einzelne Leiste für sich keine Fixierung des Blechpaketes in radialer Richtung darstellt. Dadurch wird das Blechpaket, das sich während dem Betrieb erwärmt, nicht an seiner thermischen Ausdehnung in radialer Richtung gehindert. So werden Spannungen im Blechpaket vermieden, die in der Vergangenheit zu erheblichen Schwierigkeiten geführt haben. Zum Beispiel wurde in einigen Fällen in der Vergangenheit beobachtet, dass sich die Blechlagen durch diese thermischen Effekte wellenförmig verformt hatten.
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Der unabhängige Verfahrensanspruch beschreibt den erfindungsgemäßen Aufbau eines Stators mit einem Statorrahmen und einem Blechpaket. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stators einer großen elektrischen Maschine werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein Blech in Draufsicht gemäß dem Stand der Technik; und
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2a, 2b, 2c jeweils einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Blechpaketes in verschiedenen Ausführungsformen; und
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3 ein erfindungsgemäßes Blech in Draufsicht; und
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4a, 4b jeweils einen Schnitt durch die Verbindungsstelle zwischen Blechpaket und Statorrahmen eines erfindungsgemäßen Stators in Draufsicht in verschiedenen Ausführungsformen; und
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5 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator in Draufsicht; und
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6 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren nach Anspruch 12; und
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7 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren nach Anspruch 13; und
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8 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren nach Anspruch 14
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Soweit nicht anders genannt, bezeichnet die z-Richtung in dieser Anmeldung die Achsrichtung des Stators, die mit der Rotorachse zusammenfällt. Senkrecht dazu spannt sich die x-y-Ebene auf, in der sich die Bleche erstrecken.
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In der Darstellung der 1 ist ein Blech 10 eines Stators in Draufsicht gemäß dem Stand der Technik zu erkennen. Es besitzt rechteckige Aussparungen 11 zum Einlegen der Statorwicklung, Öffnungen 12 zum Durchführen der Spannbolzen und Schwalbenschwanzförmige Aussparungen 13 zum Einhängen in die entsprechenden Leisten, die am Statorrahmen befestigt sind.
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In der Darstellung der 2a, 2b und 2c ist jeweils schematisch ein Schnitt parallel zur Achse des Stators durch einen Bereich eines erfindungsgemäßen Blechpaketes dargestellt, das die Mittel zur Positionierung der Bleche relativ zueinander enthält. Die Bleche sind jeweils mit 10 bezeichnet.
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In 2a werden dabei die Positionierungsmittel durch Zapfen bzw. Vorsprünge 20 der Bleche realisiert, die in entsprechende Öffnungen 21 der jeweils darüber liegenden Bleche greifen. Die Zapfen bzw. Vorsprünge können dabei in der Blechebene eine beliebige geeignete Form haben. Natürlich kann die Anordnung genauso gut in vertikaler Richtung invertiert ausgeführt werden. Im dargestellten Beispiel wird die oberste Lage des Blechpaketes zweckmäßigerweise aus Blechen ausgeführt werden, die keine Zapfen bzw. Vorsprünge aufweisen (ist nicht in der Figur dargestellt). Die Zapfen bzw. Vorsprünge können dabei zusammen mit dem Blech aus einem Stück sein oder aber in die Bleche eingelassen oder aufgeklebt oder angelötet sein. In der Figur sind die Zapfen zur besseren Kenntlichkeit deutlich kleiner als die zugehörigen Öffnungen gezeichnet. In Realität muss natürlich eine möglichst gute Passung erstrebt werden, um die in Anspruch 6 genannten Toleranzen zu erreichen.
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In 2b werden die Positionierungsmittel durch Einlagen 30 realisiert, deren Ausdehnung in Richtung der Statorachse (z) nicht mehr als die doppelte Blechstärke beträgt, falls die Einlagen jeweils genau zwei übereinander liegende Bleche durchdringen. Durchdringen die Einlagen mehr als zwei Bleche, dann ist die Ausdehnung der Einlagen in z-Richtung entsprechend anzupassen. Die Einlagen in 2b befinden sich in entsprechenden Aussparungen von zwei übereinander liegenden Blechen. In der Blechebene können die Einlagen eine beliebige geeignete Form haben. Es ist dabei denkbar, dass die Einlagen eine zusätzliche Funktonalität erfüllen. Sie können z.B. hohl und als Kühlkanäle für das Blechpaket ausgeführt sein.
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2c zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Positionierungsmittel als Stäbe bzw. Leisten 40, die sich in den entsprechenden Öffnungen der Bleche befinden. Das Profil der Stäbe bzw. Leisten in Blechebene kann dabei von beliebiger geeigneter Form sein. Besonders zweckmäßig und kostengünstig sind Rundstäbe. Die einzelnen Stäbe bzw. Leisten können dabei sowohl in einem Stück die gesamte Höhe des Blechpakets durchdringen, als sich auch jeweils nur über einen Teil der Höhe des Blechpakets erstrecken. Im letzten Fall können die Stäbe bzw. Leisten dann in Teilstücken übereinander gestapelt sein, wobei es zweckmäßig ist, dass sich nicht alle Stoßstellen der übereinanderliegenden Stäbe bzw. Leisten auf derselben Höhe bzw. in derselben Blechlage befinden, da sonst die Positionierung der Bleche relativ zueinander in dieser Ebene nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem ist in dieser Ausführungsform gegebenenfalls in den oberen Pressplatten eine Aussparung vorzusehen, die ein Überstehen der Stäbe bzw. Leisten im gepressten Zustand des Blechpakets über die oberste Blechlage hinaus ermöglicht.
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Neben den in den 2a, 2b und 2c gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionierungsmittel sind natürlich noch weitere Formen im Rahmen der Ansprüche 1 bis 6 denkbar.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Blech 10 mit den Öffnungen 50 für die Stäbe bzw. Leisten der Positionierungsmittel gemäß der Ausführungsform aus 2c mit Rundstäben. Die Öffnungen befinden sich erfindungsgemäß im Bereich der Bleche gegenüber den Aussparungen 11 zum Einlegen der Statorwicklung. Es ist zu erkennen, dass der Abstand der Öffnungen 50 vom äußeren Blechrand (gegenüber den Aussparungen 11) nicht deutlich weniger als 20% der radialen Ausdehnung des Bleches beträgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Öffnungen 50 den Rand der Bleche berühren, so dass die Öffnungen Teil der äußeren Blechbegrenzung sind (d.h. die Öffnungen sind nicht mehr vollständig vom Blech umgeben). Die Aussparung 51 dient zur Aufnahme einer Leiste, die die Verbindung des Blechpaketes mit dem Statorrahmen bewirkt. Diese Aussparung muss nicht in jedem Blech vorgesehen sein. Es können jedoch auch mehrere Aussparungen 51 pro Blech vorgesehen sein, je nachdem es die Auslegung der gesamten elektrischen Maschine erfordert. Die Öffnungen 12 dienen wiederum zum Durchführen der Spannbolzen.
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In 4a ist ein horizontaler Schnitt durch eine Verbindungsstelle zwischen einem erfindungsgemäßem Blechpaket 60 und dem Statorrahmen 61 in Draufsicht dargestellt. Die Leiste 62 befindet sich in einer achsparallelen Nut, die durch die Aussparungen 51 in den übereinanderliegenden Blechen gebildet werden. Die Nut besitzt ein rechteckiges Profil (Anspruch 9). Auf der Statorseite wird die Leiste 62 durch eine Klammer 63 gehalten, die am Statorrahmen 61 befestigt ist. Eine direkte Befestigung der Leiste 62 am Statorrahmen z.B. durch Schweißen ist ebenfalls möglich. Ebenfalls ist es denkbar die Leisten am Rahmen mit Hilfe einer Mechanik zu befestigen, die es erlaubt die Leisten mit Hilfe z.B. von Einstellschrauben relativ zum Blechpaket auszurichten und zu fixieren. In der Ausführungsform von 4a ist zu erkennen, dass die Nut im Blechpaket und die Klammer 63 eine Führung der Leiste 62 bilden. In dieser Führung kann sich die Leiste in radialer Richtung bewegen. Dies wird durch das rechteckige Profil der Nut ermöglicht. Der Spielraum der für diese Bewegung zur Verfügung steht, wird über die Spalte zwischen Klammer und Leiste und zwischen Blechpaket und Leiste festgelegt. Zweckmäßigerweise werden die Spalte gemäß der Größe der zu erwartenden thermischen Ausdehnung des Blechpakets im Betrieb ausgelegt werden. Es können aber genauso gut gar keine Spalte oder nur ein Spalt auf einer Seite der Leiste vorgesehen sein. Ebenso ist es denkbar, dass der bzw. die Spalte mit einem elastischen Material ausgefüllt werden, um mögliche störende Vibrationen und damit verbundene Geräusche zu vermeiden, und trotzdem den benötigten Spielraum für die thermische Ausdehnung zur Verfügung zu stellen.
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4b zeigt denselben Schnitt wie 4a jedoch zeigt die Nut im Blechpaket ein Profil, das die in Anspruch 8 genannte Verjüngung von außen nach innen aufweist. Die Leiste 62 weist dann ein entsprechendes keilförmiges Profil auf. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass auf diese Weise das Blechpaket sehr einfach (geringe Toleranzanforderungen) und dabei sicher am Statorrahmen befestigt werden kann. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere dann an, wenn mit thermischen Verformungen im Betrieb nicht zu rechnen ist.
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In 5 ist ein Schnitt in stark schematisierter Darstellung durch einen erfindungsgemäßen Stator mit dem Blechpaket 60, dem Statorrahmen 61, den Leisten 62 und den Klammern 63 zu erkennen. Es zeigt die Halterung des Blechpaketes 60 im Statorrahmen 61 mit nur 3 Leisten 62. In der gezeigten Ausführungsform könnte die Anzahl der Leisten 62 und Klammern 63 sehr leicht auf 6 erhöht werden, die dann entsprechend leichter ausgeführt werden könnten, da sich die Kräfte auf mehr Elemente verteilt. Das jeweilige Optimum wird sicher von den jeweiligen Maschinenanforderungen und dem Gesamtdesign abhängen. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der hohen Flexibilität und der damit verbundenen Vergrößerung des Designspielraums.
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In 6 ist ein Ablaufdiagramm für das Verfahren von Anspruch 12 dargestellt. Mit V1 ist das Fertigen der Bleche bezeichnet. V2 bezeichnet das Bereitstellen des Statorrahmens. V3 bezeichnet das Aufschichten des Blechpakets. Erfindungsgemäß werden die Positionierungsmittel vor V3 bereitgestellt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Öffnungen in den Blechen, die beim Stanzen oder Schneiden der Bleche appliziert werden, und um weitere Mittel z.B. Bolzen, Zapfen oder andere Einlagen, die in diese Öffnungen eingreifen. Falls sich diese weiteren Mittel in fester Verbindung zu den Blechen befinden (wie z.B. die Zapfen bzw. Vorsprünge aus 2a), so werden diese zweckmäßigerweise zusammen mit den Blechen gefertigt. Im anderen Fall können diese Teile auch zu anderer Zeit und anderen Orten gefertigt werden. Sie müssen jedoch zum Zeitpunkt des Aufschichtens des Blechpakets (V3) zusammen mit den Blechen verfügbar sein. In V3 werden die Positionierungsmittel eingesetzt, die sich erfindungsgemäß nicht unmittelbar am Statorrahmen abstützen, sondern jeweils übereinander liegende Bleche zueinander bezüglich der Ausrichtung in x-y-Ebene in Position halten. V4 bezeichnet das Pressen des Blechpakets.
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In 7 ist ein Ablaufdiagramm für das Verfahren von Anspruch 13 dargestellt. V1, V2 und V4 bezeichnen dieselben Vorgänge wie in 6. V3a bezeichnet das Aufschichten und Ausrichten eines Teilstapels von Blechen und V3b das Aufstapeln der restlichen Bleche zum kompletten Blechpaket.
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In 8 ist ein Ablaufdiagramm für das Verfahren von Anspruch 13 dargestellt. V1, V2, V3a und V3b bezeichnen dieselben Vorgänge wie in 7. V4a bezeichnet das Einfügen von Leisten in radial außen befindliche Nuten des Blechpaketes und das Befestigen derselben am Statorrahmen. V4b bezeichnet das Pressen des Blechpaketes. Die Vorgänge V4a und V4b können auch optional in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6448686 B1 [0002]
- EP 2237388 A1 [0003]
- DE 1958296 [0005]
