DE102013201861B3

DE102013201861B3 - Polelement für einen Rotor eines Synchrongenerators

Info

Publication number: DE102013201861B3
Application number: DE201310201861
Authority: DE
Inventors: Lijian Wu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2033-02-06

Abstract

Ein Polelement (115) für einen um eine axiale Achse (105) drehbaren Rotor (101) für einen elektrisch erregten Synchrongenerator (100) ist beschrieben, wobei das Polelement aufweist: einen Polkörper (119), um den in einem Radialbereich (318) ein elektrischer Leiter (117) wickelbar ist, um bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter ein magnetisches Feld in dem Polkörper (119) zu konzentrieren; und einen mit dem Polkörper verbundenen Polschuh (121), der ausgebildet ist, bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter (117) einen Polradfluss (125) in einem an den Polschuh angrenzenden Raumbereich (123) außerhalb des Polelements zu erzeugen, wobei eine an einer Radialposition (r1) des Radialbereichs betrachtete Querschnittsform des Polkörpers (619, 1219) eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante (622, 1222) und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante (624, 1224) aufweist, welche durch eine an einem axialen Endbereich des Polkörpers angeordnete Polkörperverbindungskante (620, 1220) verbunden sind, wobei eine an einer anderen (r2) zu dem Raumbereich außerhalb des Polelements hin gelegenen Radialposition betrachtete Querschnittsform des Polschuhs (621) eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante (626) und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante (628) aufweist, welche durch eine Polschuhverbindungskante (630) an einem axialen Endbereich des Polschuhs verbunden sind, wobei zumindest ein Teil der Polkörperverbindungskante (620, 1220) des Polkörpers in einem anderen axialen Bereich liegt als die Polschuhverbindungskante (630) des Polschuhs.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Polelement für einen Rotor für einen elektrisch erregten (Synchron)Generator und einen Rotor für einen elektrisch erregten (Synchron)Generator, welcher das Polelement aufweist.
Betreffende Technik
Eine Synchronmaschine, zum Beispiel ein Synchrongenerator oder Synchronmotor, umfasst einen Stator mit Statorwicklungen und einen Rotor, welcher entweder Permanentmagnete oder elektrisch erregte Magnete aufweist. Der Rotor mit Permanentmagneten benötigt keine elektrische Erregung und Energie, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, so dass eine Permanentmagnetmaschine eine höhere Effizienz haben kann. Das Magnetmaterial der Permanentmagneten kann jedoch relativ kostspielig sein. Daher kann eine alternative Synchronmaschine elektrisch erregte Magnete (Elektromagnete) aufweisen.
Die DE 10 2004 056 618 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Stators eines bürstenlosen Gleichstromelektromotors und einen nach dem Verfahren hergestellten Stator eines bürstenlosen Gleichstromelektromotors und insbesondere ein Herstellungsverfahren eines Stators eines bürstenlosen Gleichstromelektromotors, der die B-H Eigenschaft und die Kernverlusteigenschaften verbessert, durch schraubenförmiges Stapeln eines hinteren Jochs, das aus einem Siliziumstahlblech hergestellt ist und Einsetzen von Polen, die durch magnetisches Eisenpulver ausgebildet werden, in die innere Umfangsfläche des hinteren Jochs und einen Stator eines bürstenlosen Gleichstromelektromotors, der durch das Verfahren hergestellt wird.
Es ist jedoch beobachtet worden, dass herkömmliche elektrisch erregte Synchronmaschinen eine relativ geringe Effektivität und eine verbesserungswürdige Performanz zeigen.
Es mag einen Bedarf für ein Polelement für einen Rotor für eine elektrisch erregte Synchronmaschine (insbesondere Generator) und einen Bedarf für einen Rotor mit einem entsprechenden Polelement geben, mit welchem eine Synchronmaschine, welche elektrisch erregt ist, herstellbar ist, welche eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Effektivität und/oder verbesserte Performanz hat.
Der Bedarf wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst, welcher auf ein Polelement gerichtet ist, und durch den Gegenstand des abhängigen Anspruchs 9, welcher auf einen Rotor gerichtet ist.
Ferner stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine elektrisch erregte Synchronmaschine bereit, welche einen Stator mit Statorwicklungen umfasst, sowie den Rotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt ein Polelement für einen um eine axiale Achse drehbaren Rotor für einen elektrisch erregten Synchrongenerator, wobei das Polelement aufweist: einen Polkörper, um den in einem Radialbereich ein elektrischer Leiter wickelbar ist, um bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter ein magnetisches Feld in dem Polkörper zu konzentrieren; und einen mit dem Polkörper verbundenen Polschuh, der ausgebildet ist, bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter einen Polradfluss in einem an den Polschuh angrenzenden Raumbereich außerhalb des Polelements zu erzeugen, wobei eine an einer Radialposition des Radialbereichs betrachtete Querschnittsform des Polkörpers eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante aufweist, welche durch eine an einem axialen Endbereich des Polkörpers angeordnete Polkörperverbindungskante verbunden sind, wobei eine an einer anderen zu dem Raumbereich außerhalb des Polelements hin gelegenen Radialposition betrachtete Querschnittsform des Polschuhs eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante aufweist, welche durch eine Polschuhverbindungskante an einem axialen Endbereich des Polschuhs verbunden sind, wobei zumindest ein Teil der Polkörperverbindungskante des Polkörpers in einem anderen axialen Bereich liegt als die Polschuhverbindungskante des Polschuhs.
Das Polelement kann aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität gefertigt sein, wie etwa eine relative magnetische Permeabilität von zwischen 1000 und 100000 aufweisen. Aufgrund der hohen magnetischen Permeabilität kann das Polelement relativ durchlässig für magnetische Felder sein, um somit in einem von dem Polelement eingenommenen Raumbereich ein höheres magnetisches Feld zu erlauben bzw. zu konzentrieren, als in einem Luftraumbereich um das Polelement herum, wenn durch den elektrischen Leiter, welcher um den Polkörper (zumindest teilweise) gelegt bzw. gewickelt ist, ein elektrischer Strom fließt. Insbesondere kann ein elektrischer Stromfluss durch den elektrischen Leiter die Ausbildung eines magnetischen Feldes innerhalb des Polelements bewirken, insbesondere innerhalb des Polkörpers und auch innerhalb des Polschuhs, wobei das magnetische Feld aus dem Polschuh heraus in den an den Polschuh angrenzenden Raumbereich hinausreichen kann, welcher Raumbereich bei zusammengesetzter Synchronmaschine einen Luftspalt zwischen dem Rotor mit den Polelementen und den Stator bilden kann. Über den Raumbereich, welcher ein Magnetfeld aufweist, kann im Betrieb der eine Vielzahl von Polelementen aufweisende Rotor bei Drehung des Rotors aufgrund von Induktion eine Spannung in dem Stator bzw. den Statorwicklungen erzeugen. Im Betrieb kann insbesondere das mit dem elektrischen Leiter zumindest teilweise umwickelte Polelement induktiv mit den Statorwindungen gekoppelt sein.
In dieser Anmeldung beziehen sich eine axiale Richtung bzw. Achse, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung auf entsprechende Richtungen bzw. Achsen der zusammengesetzten Synchronmaschine bzw. des die Polelemente aufweisenden Rotors. Dabei rotiert der Rotor um eine axial ausgerichtete axiale Achse. Polelemente sind an dem Rotor in Umfangsrichtung bereitgestellt, wobei die Umfangsrichtung senkrecht zu der axialen Richtung und auch senkrecht zu der radialen Richtung ist. Der Rotor kann insbesondere als ein Innenrotor oder ein Außenrotor ausgebildet sein. Die radiale Richtung steht senkrecht sowohl auf der axialen Richtung als auch auf der Umfangsrichtung. Die radiale Richtung ist als eine Richtung senkrecht zu der axialen Achse und von der axialen Achse wegweisend definiert. Insbesondere kann für jede Umfangsposition eine radiale Richtung definiert werden.
Die Konstitutionen und die Ausgestaltungen bzw. Formen des Polkörpers und des Polschuhs werden in Bezug auf das oben definierte Koordinatensystem der zusammengesetzten Synchronmaschine definiert bzw. beschrieben. Es wird verstanden, dass die hier verwendeten Beschreibungen in dem Zylinderkoordinantensystem der Synchronmaschine den Geltungsbereich der Erfindung nicht beschränken.
Der Polkörper sowie auch der Polschuh können aus magnetisch hochpermeablem Material gefertigt sein. Insbesondere kann der Polkörper und/oder der Polschuh aus jeweiligen Stapeln von magnetisch permeablen Blechen gefertigt sein, bzw. aus einem Laminat derartiger Blechschichten. Der Radialbereich des Polkörpers, innerhalb dessen ein elektrischer Leiter um den Polkörper (zumindest teilweise) wickelbar ist, kann zum Beispiel durch eine erste radiale Position und eine zweite radiale Position definiert bzw. begrenzt sein.
Der Polradfluss wird auch als magnetischer Fluss außerhalb des Polschuhs (in dem an den Polschuh angrenzenden Raumbereich) bezeichnet und kann eine Stärke eines magnetischen Feldes in diesem Bereich definieren. Eine an der Radialposition des Radialbereichs betrachtete Querschnittsform des Polkörpers ist als eine Form eines (Quer)Schnitts des Polkörpers bei der Radialposition aufzufassen. Diese Querschnittsform kann als ein Umriss (bei der Radialposition) des Polkörpers aufgefasst werden, wobei der Umriss durch Punkte des Polkörpers definiert ist, welche alle denselben radialen Abstand von der axialen Achse aufweisen, und zwar den Abstand, welcher durch die Radialposition des Radialbereichs gegeben ist.
Diese Querschnittsform des Polkörpers (bzw. der Umriss des Polkörpers) weist somit eine erste sich axial erstreckende Polkörperkante und eine zweite sich axial erstreckende Polkörperkante auf, wobei die erste Polkörperkante und die zweite Polkörperkante insbesondere parallel zueinander sind. Die Querschnittsform bzw. der Umriss des Polkörpers weist ferner die Polkörperverbindungskante auf, welche (bei dem gleichen radialen Abstand wie die erste Polkörperkante und die zweite Polkörperkante) die erste und die zweite Polkörperkante miteinander verbindet. Die Polkörperverbindungskante kann somit derjenige Teil des Querschnitts bzw. des Umrisses des Polkörpers sein, welcher nicht parallel zu der axialen Richtung verläuft. Die Polkörperverbindungskante kann entlang irgendeiner (gekrümmten oder zumindest teilweise geradlinigen) Linie oder Kurve gebildet sein.
Die Querschnittsform des Polschuhs wird an einer anderen radialen Position bestimmt als an der, an der die Querschnittsform des Polkörpers betrachtet wurde. Und zwar liegt die andere Radialposition (von dem Polkörper aus gesehen) weiter zu dem Raumbereich außerhalb des Polelements hin (in welchem bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter das magnetische Feld erzeugt ist). Insbesondere liegt die andere Radialposition bei einem Innenrotor weiter von der axialen Achse entfernt als die Radialposition, bei welcher die Querschnittsform des Polkörpers bestimmt ist. Bei einem Außenrotor liegt im Gegensatz dazu die andere Radialposition näher an der axialen Achse als die Radialposition, bei der die Querschnittsform des Polkörpers definiert ist.
Die erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante kann insbesondere parallel zu der zweiten sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante orientiert sein und kann bei derselben anderen Radialposition bestimmt sein. Die die erste und die zweite Polschuhkante verbindende Polschuhverbindungskante kann irgendeine Kurvenform aufweisen, insbesondere eine gekrümmte Kurve und eine zumindest teilweise geradlinig verlaufende Kurve. Insbesondere kann die Polkörperverbindungskante in einem axialen Bereich liegen, welcher lediglich eine Axialposition umfasst oder die Polkörperverbindungskante kann in einem axialen Bereich liegen, welcher mehrere (zusammenhängende bzw. benachbarte) Axialpositionen aufweist.
Insbesondere kann die Polschuhverbindungskante in einem axialen Bereich liegen, welcher durch mehrere (benachbarte) Axialpositionen gegeben ist, insbesondere durch ein mathematisches Interval von Axialpositionen. Insbesondere kann die Polkörperverbindungskante vollständig in einem anderen axialen Bereich liegen als die Polschuhverbindungskante.
Insbesondere können sowohl die Polkörperverbindungskante als auch die Polschuhverbindungskante an zwei verschiedenen axialen Positionen liegen und können geradlinig sein und können insbesondere parallel zueinander sein. In diesem Fall können eine Querschnittsform des Polschuhs sowie auch eine Querschnittsform des Polkörpers rechteckig sein, wobei jedoch die beiden Rechtecke zumindest verschieden große axiale Ausdehnungen und/oder Umfangsausdehnungen haben können.
Insbesondere kann dadurch, dass zumindest ein Teil der Polkörperverbindungskante des Polkörpers in einem anderen axialen Bereich liegt als die Polschuhverbindungskante eine höhere Flussverbindung (flux linkage) erreicht werden mit geringerem Rotorkupferverlust. Der Polschuh kann an dem Polkörper angebracht sein, und der Polkörper kann an dem Rotorjoch fixiert sein, wenn die Synchronmaschine zusammengebaut ist. Ferner kann der elektrische Leiter als eine Feldwicklung an dem Polkörper vorhanden sein. Ein Gleichstrom kann durch die Feldwicklung injiziert bzw. geführt werden, um eine Flussdichte-Verteilung in dem Luftspalt zu erzeugen (zwischen dem Polschuh und der Statorwicklung bzw. den Statorwicklungen).
Der Fluss oder elektrische Strom der Feldwicklung kann zu einem Rotorwicklungsverlust führen, so dass in einem konventionellen System die Effizienz vermindert ist. Daher ist es wichtig, dass eine hohe Luftspaltflussdichte mit geringerem Rotorwindungs- oder Wicklungsverlust erreicht wird. Dies kann mit dieser Ausführungsform erreicht werden, da die axiale Länge des Polkörpers (lb) nicht unbedingt gleich der axialen Länge des Polschuhs (ls) ist oder sein muss. Somit muss gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die aktive Länge der Synchronmaschine, zum Beispiel die axiale Länge der Statorlamination, nicht notwendigerweise die axiale Länge des Polschuhs bestimmen, sondern der Polschuh kann eine davon verschiedene axiale Länge haben. Daher kann gemäß dieser Ausführungsform die Nebenbedingung, dass die axiale Länge des Polkörpers gleich der axialen Länge des Polschuhs ist, aufgehoben sein, wobei insbesondere die axiale Länge des Polkörpers größer oder kleiner als die axiale Länge des Polschuhs sein kann.
Wenn diese Nebenbedingung entfernt ist, kann die Querschnittsfläche A_pb des Polkörpers dadurch eingestellt werden, dass sowohl die Breite w (in Umfangsrichtung) als auch die axiale Länge des Polkörpers lb eingestellt werden. Somit bedeutet die Erhöhung der Querschnittsfläche A_pb des Polkörpers nicht notwendigerweise eine Reduzierung der Spaltfläche (zwischen benachbarten Polkörpern), wie es in den konventionellen Rotordesign der Fall war. Das optimale Design kann somit in einer flexibleren Art und Weise in einem größeren Bereich einer Konstruktionsweise gefunden werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine axiale Länge des Polschuhs und eine axiale Länge des Polkörpers verschieden. Damit kann einerseits eine Querschnittsfläche (an der anderen Radialposition) des Polkörpers relativ groß gewählt werden, und gleichzeitig die Spaltfläche (bei einer bestimmten Axialposition) relativ groß gewählt werden, ohne eine Kopplung dieser beiden Größen (bei Fordern von gleichen axialen Längen des Polschuhs und des Polkörpers) zu erfordern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Polelement wie oben definiert bereitgestellt, wobei bei ausgewähltem Polradfluss und ausgewählter Polkörperflussdichte im Polkörper ein Längenverhältnis zwischen der axialen Länge des Polkörpers und der axialen Länge des Polschuhs als eine Funktion von einem Flussverhältnis zwischen Polradfluss und Polkörperflussdichte bestimmt ist, wobei die ausgewählte Polkörperflussdichte insbesondere als eine Polkörperflussdichte an einem Kniepunkt einer Kurve ausgewählt ist, die eine Abhängigkeit zwischen magnetischer Erregung und magnetischem Fluss eines Materials des Polkörpers anzeigt, wobei der Polkörper insbesondere in magnetischer Sättigung betrieben werden kann.
Zum Beispiel kann ein gewünschter Polradfluss ausgewählt sein und die Polkörperflussdichte kann derart ausgewählt sein, dass sie bei dem verwendeten Polkörpermaterial einer Sättigungspolkörperflussdichte entspricht. Damit kann in einfacher Weise das Längenverhältnis bestimmt werden, was eine Herstellung bzw. Dimensionierung des Polelements vereinfachen kann. Betreiben des Polelements in Sättigung bezüglich der Polkörperflussdichte kann eine Effektivität der zusammengebauten Synchronmaschine verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Längenverhältnis um eine Abweichung größer als das Doppelte des Flussverhältnisses. Das Längenverhältnis kann insbesondere größer sein als das Doppelte des Flussverhältnisses. Insbesondere kann das Längenverhältnis gleich dem Doppelten des Flussverhältnisses sein, wenn ein Polelement mit relativ, verglichen mit einer Umfangsausdehnung, großer axialer Länge betrachtet wird.
Die Abweichung kann insbesondere eine Umfangsausdehnung des Polkörpers berücksichtigen. Die Abweichung kann insbesondere umso größer sein, je größer eine Umfangsausdehnung des Polkörpers ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Polelement wie oben ausgeführt bereitgestellt, wobei eine Gesamtheit der Polkörperverbindungskante des Polkörpers in einem anderen axialen Bereich liegt als die Polschuhverbindungskante des Polschuhs, wobei die Polkörperverbindungskante insbesondere vollständig gerade ist und weiter insbesondere senkrecht zu der ersten Polkörperkante orientiert ist, und/oder wobei die Polschuhverbindungskante insbesondere vollständig gerade ist und weiter insbesondere senkrecht zu der ersten Polschuhkante orientiert ist.
Gemäß dieser Ausführungsform kann sowohl die Querschnittsform des Polkörpers (bei der Radialposition) sowie auch die Querschnittsform des Polschuhs (bei der anderen Radialposition) eine Rechteckform sein, wobei jedoch axiale Ausdehnungen und/oder Umfangsausdehnungen der Rechteckformen verschieden sein können. Damit kann eine Herstellung des Polkörpers und/oder des Polschuhs vereinfacht werden, da sie aus einfachen geometrischen Strukturen erzeugbar sein können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Polkörperverbindungskante an zumindest einer Stelle (entlang der Polkörperverbindungskante) eine von einer Geraden abweichende Form auf. Damit ist eine größere Flexibilität zur Ausgestaltung der Polkörperverbindungskante ermöglicht, was insbesondere ein enges Anliegen des elektrischen Leiters an den Polkörper verbessern kann, um insbesondere eine Länge des elektrischen Leiters zur Bereitstellung der Wicklung bzw. der Spule relativ gering halten zu können, um einen elektrischen Widerstand möglichst gering halten zu können. Damit kann eine Effektivität verbessert werden und Verluste können reduziert werden.
Insbesondere kann eine Form des Rotorpolkörpers an Eigenschaften des elektrischen Leiters bzw. der Feldwicklung angepasst werden, um insbesondere eine höhere Flusskopplung (flux linkage) zu erreichen, mit geringerem Rotorwicklungsverlust. Ferner kann die Benutzung von Kupfer oder anderem Wicklungsmaterial reduziert werden, da die Länge des elektrischen Leiters verglichen mit einem konventionellen System verkürzt werden kann. Ferner kann die Effektivität der Synchronmaschine, welche mit einem das Polelement aufweisenden Rotor ausgestattet ist, erhöht werden, insbesondere kann der Rotor leichter hergestellt sein und die Kosten der Maschine können vermindert sein. Ferner kann eine von der Rotorwicklung erzeugte Wärme leichter abgeführt bzw. dissipiert werden, da die Spalten zwischen den Feldspulen größer sein können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polelement gemäß einer Ausführungsform bereitgestellt, wobei die Polkörperverbindungskante eine Mehrzahl von geraden Abschnitten aufweist, wobei angrenzende Abschnitte unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Hiermit kann eine teilweise Adaption der Form des Polkörpers an eine Form des elektrischen Leiters bzw. der Spule erreicht werden. Eine derartige Form des Polkörpers kann leicht in einer Herstellung sein.
Die Anzahl der geraden Abschnitte kann in Abhängigkeit des verwendeten elektrischen Leiters ausgewählt sein, so dass zum Beispiel umso mehr Abschnitte gewählt werden, je starrer/steifer bzw. je größere Querschnittsform der elektrische Leiter aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Polkörperverbindungskante eine sich kontinuierlich ändernde Krümmung auf. Die Krümmung (welche entlang der Polkörperverbindungskante betrachtet ist) muss daher nicht notwendigerweise konstant sein, kann jedoch abschnittsweise konstant sein. Damit kann eine höhere Flexibilität bei der Formgestaltung des Polkörpers erreicht werden, wodurch eine Adaption an eine Biegbarkeit des elektrischen Leiters verbessert werden kann bzw. um einen Kompromiss zwischen leichter Herstellbarkeit und Adaption an die Eigenschaften des elektrischen Leiters zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Polkörperverbindungskante eine Krümmung auf, wobei die Krümmung von der ersten Polkörperkante her bis in einen mittleren Bereich zwischen der ersten Polkörperkante und der zweiten Polkörperkante ansteigt und zur zweiten Polkörperkante hin wieder abnimmt, sodass eine Polkörperverbindungskante gebildet ist. Damit kann insbesondere ein Polkörper mit ovalem Querschnitt hergestellt werden. Damit kann ein Kompromiss zwischen einer Kreisquerschnittsform, welche einen kleinsten Umfang bei gegebener Fläche aufweist, und dem Erfordernis einer bestimmten axialen Länge bzw. eines bestimmten (Umfangs)Abstandes zwischen Polelementen zu erreichen, bereitgestellt sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Polelement bereitgestellt, wobei die Krümmung von der ersten Polkörperkante her bis zu einem ersten Zwischenpunkt konstant ist, wobei die Krümmung zwischen dem ersten Zwischenpunkt und einem zweiten Zwischenpunkt Null ist, wobei die Polkörperverbindungskante zwischen dem ersten Zwischenpunkt und einem zweiten Zwischenpunkt gerade ist, wobei die Krümmung von dem zweiten Zwischenpunkt her bis zu der zweiten Polkörperkante hin konstant ist. Damit kann insbesondere ein Polkörper mit einer Querschnittsform bereitgestellt werden, welche ein Rechteck mit abgerundeten Kanten darstellt. Bei konstanter Krümmung kann ein Kreissegment gebildet sein. Bei Krümmung Null kann eine gerade Linie gebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Polelement bereitgestellt, wobei eine Form der Polkörperverbindungskante in Abhängigkeit eines Materials und/oder einer Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des elektrischen Leiters bestimmt ist, wobei die Krümmung umso geringer gewählt ist, je größer die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters ist.
Somit kann eine Formgestaltung des Polkörpers unter Berücksichtigung von Eigenschaften des elektrischen Leiters optimal bestimmt werden, um insbesondere Effektivität der Synchronmaschine zu verbessern und/oder Kosten zu reduzieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Polelement bereitgestellt, wobei eine Form der Polkörperkante derart gewählt ist, dass sie einer Biegeform des elektrischen Leiters angepasst ist, sodass in dem axialen Endbereich der Polkörpers der Leiter gleichmäßig eng an dem Polkörper anliegt. Ein gleichmäßiges enges Anliegen an den Polkörper kann zum Beispiel gegeben sein, wenn ein Abstand des elektrischen Leiters von einer Oberfläche des Polkörpers entlang des elektrischen Leiters um weniger als zwischen 0% und 20% eines mittleren Abstandes des elektrischen Leiters von dem Polkörper abweicht.
Damit kann eine Länge des elektrischen Leiters vermindert werden, um einen Widerstand des elektrischen Leiters zu vermindern. Damit kann die Effektivität der Synchronmaschine, welche das Polelement aufweist, verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Polelement bereitgestellt, wobei der Polkörper ein Laminat aus in axialer Richtung gestapelten rechteckigen Blechschichten eines ferromagnetischen Materials umfasst, wobei die Blechschichten verschiedene Ausdehnungen in Umfangsrichtung aufweisen, wobei im axialen Endbereich des Polkörpers Blechschichten mit kleinern Ausdehnungen in Umfangsrichtung angeordnet sind als in anderen axialen Bereichen des Polkörpers.
Eine Blechschicht kann sich dabei in einer Ebene senkrecht zu der axialen Richtung bei einer bestimmten Axialposition erstrecken. Zur Fertigung des Polkörpers können dabei zum Beispiel Bleche von 3, 4, 5, 6, 7 oder noch mehr verschiedenen Querschnittsausdehnungen bzw. Umfangsausdehnungen verwendet werden, welche sämtlich gleiche radiale Ausdehnung aufweisen können. Damit kann eine Herstellung des Polkörpers vereinfacht werden, wobei gleichzeitig Verluste aufgrund einer gegenseitigen Isolierung der Blechschichten vermindert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt ein Rotor für eine elektrisch erregte Synchronmaschine, wobei der Rotor zumindest ein erstes und ein zweites in einer Umfangsrichtung beabstandetes Polelement gemäß einer der vorangehenden Ausführungsformen aufweist und ferner aufweist: ein Poljoch, was jeweils mit dem Polkörper des ersten Polelements und des zweiten Polelements verbunden ist, wobei jeweils der Polkörper radial zwischen dem jeweiligen Polschuh und dem Poljoch angeordnet ist; einen elektrischen Leiter, welcher zwischen dem Polkörper des ersten Polelements und dem Polkörper des zweiten Polelements angeordnet ist.
Der elektrische Leiter kann eine Wicklung bzw. eine Spule bilden. Das Poljoch kann einen Träger für den Polkörper und den damit verbundenen Polschuh bilden. Der Rotor kann als Außenrotor oder als Innenrotor ausgebildet sein. Durch einen Abstand in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Polelement und dem zweiten Polelement sowie durch eine Breite in Umfangsrichtung des Polkörpers kann eine Breite in Umfangsrichtung eines Spaltes zwischen dem ersten Polkörper und dem zweiten Polkörper bestimmt sein. Die Breite in Umfangsrichtung des Polkörpers wird auch als w bezeichnet und der Abstand zwischen dem ersten Polkörper und dem daran angrenzenden zweiten Polkörper (in Umfangsrichtung) wird auch als τp bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Längenverhältnis um eine Abweichung größer als das Doppelte des Flussverhältnisses, wobei die Abweichung mit steigendem Polabstand in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Polelement und dem zweiten Polelement steigt und mit steigender Polkörperflussdichte sinkt.
Entsprechend kann das Polelement in seiner Struktur bzw. Form und Konstitution ausgebildet sein. Damit kann in genauerer Weise die Länge des elektrischen Leiters bei der körperlichen Ausgestaltung des Polkörpers berücksichtigt werden, um somit Verluste zu verringern und eine Effektivität steigern zu können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Polkörper aus Eisen mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,1 Gew.-% und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,15 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% gefertigt, wobei der Polschuh und der Körper insbesondere miteinander verschweißt sind, wobei der Polschuh insbesondere ein Laminat aus Blechschichten eines ferromagnetischen Materials umfasst. Gemäß anderer Ausführungsformen sind Polelement bestehend aus Polkörper und Polschuh auf andere Weise hergestellt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen begrenzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 illustriert schematisch eine elektrisch erregte Synchronmaschine im Querschnitt, welcher in Axialrichtung betrachtet wird;
2 illustriert schematisch eine Seitenansicht eines Querschnitts einer elektrisch erregten Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang einer radialen Richtung betrachtet;
3 illustriert schematisch einen Rotorabschnitt in einer Querschnittsansicht, wobei zu Illustrationszwecken der Abschnitt des Rotors in ausgestreckter geradliniger Weise illustriert ist;
4 illustriert schematisch ein Polelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches an einem Rotorjoch angebracht ist;
5 illustriert in einer schematischen Seitenansicht das in 4 illustrierte Polelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 illustriert in einer schematischen perspektivischen Ansicht ein Polelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches an einem Rotorjoch angebracht ist;
7 illustriert in einer Seitenansicht (entlang der Radialrichtung gesehen) das in 6 illustrierte Polelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 und 9 illustrieren in perspektivischer Ansicht bzw. in Seitenansicht ein konventionelles Polelement, welches an einem Rotorjoch angebracht ist;
10 illustriert eine Abhängigkeit einer magnetischen Erregung und eines magnetischen Feldes bzw. eines magnetischen Flusses eines Materials, welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrachtet wird;
11 illustriert eine Querschnittsansicht eines Teils eines konventionellen Rotors in Radialrichtung gesehen;
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 und 20 illustrieren in schematischer Querschnittsansicht (in Radialrichtung gesehen) Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung von Polkörpern, welche mit einer Feldwicklung versehen sind;
21 illustriert Parameter zur Definition einer Form eines Querschnitts (bei einer bestimmten Radialposition genommen) eines Polkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
22 und 23 illustrieren schematisch Schritte eines Herstellungsverfahrens eines Polkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
24 illustriert einen aus Blechschichten, welche ein Laminat bilden, hergestellten Polkörper gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
In den Zeichnungen werden Elemente oder Strukturen, welche in Funktion oder Struktur ähnlich zueinander sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen, welche sich lediglich in den ersten beiden Ziffern (bei vierstelliger Bezugsnummer) bzw. in der ersten Ziffer (bei dreistelligen Bezugsziffern) unterscheiden.
1 illustriert eine elektrisch erregte Synchronmaschine 100 in einer Querschnittsansicht entlang einer Axialrichtung 105 gesehen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Synchronmaschine 100 umfasst einen Rotor 101 und einen Stator 103, wobei der Rotor 101 relativ zu dem Stator 103 um eine axiale Achse 105 rotierbar ist. Eine radiale Richtung ist durch Bezugsziffer 107 bezeichnet und eine Umfangsrichtung ist durch Bezugsziffer 109 bezeichnet.
Der Stator umfasst, wie etwa in der Seitenansicht der 2 der Synchronmaschine 100 illustriert ist, Statorwicklungen 111, welche mit einer Spannung beaufschlagt werden können. Der Rotor 101 der Synchronmaschine 100 umfasst ein Rotorjoch 113 (der Rotor 101 ist in der illustrierten Ausführungsform als ein Außenrotor konfiguriert), wobei an dem Rotorjoch 113 eine Mehrzahl von Polelementen 115 angebracht sind, wobei ein erstes Polelement 115a in der Umfangsrichtung 109 um einen Polabstand τp von einem zweiten Polelement 115b beabstandet ist. Die Polelemente 115a und 115b sind insbesondere bei einer selben Axialposition angeordnet an dem Rotorjoch 113. Die Polelemente 115 sind jeweils mit einer Feldwicklung 117 versehen, welche insbesondere jeweils um einen Polkörper 119 gewickelt sind. Das Polelement 115 umfasst neben dem Polkörper 119 einen Polschuh 121, welcher ausgebildet ist, in einem an dem Polschuh angrenzenden Raumbereich 123, welcher auch als ein Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator bezeichnet wird, einen Polradfluss 125 zu erzeugen, wenn durch die Wicklung 117 ein Gleichstrom fließt. Wie aus der Seitenansicht der 2 ersichtlich ist, hat der Polschuh 121 eine axiale Länge ls, welche größer ist als eine axiale Länge lb des Polkörpers 119.
Der Außenrotor 101 ist durch ein Lager 127 drehbar relativ zu dem Stator 103 gelagert. Es handelt sich insbesondere um einen Außenrotor mit genau einem Lager. In anderen Ausführungsformen können anderweitig oder auf andere Weise gelagerte Rotoren, wie etwa Außenrotoren oder Innenrotoren, verwendet werden. In den Figuren wird die radiale Richtung auch durch eine Koordinate r bezeichnet, die Umfangskoordinate als Θ und die Axialkoordinate durch z.
Zur Definition von verwendeten Bemaßungen illustriert 3 eine Querschnittsansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher in einer ausgestreckten Form illustriert ist anstatt in einer Form einer konstanten Krümmung. Der Polkörper 319a, 319b hat eine Breite w in Umfangsrichtung 309. Der Abstand zwischen dem ersten Polelement 315a und dem zweiten Polelement 315b beträgt τp in Umfangsrichtung 309. Eine radiale Höhe des Polkörpers 319 beträgt h (entlang der radialen Richtung r bzw. 307 gemessen). Der Polschuh 321 ist an dem Polkörper 319 angebraucht. Jeweils um einen Polkörper 319 ist eine Feldwicklung 317a, b gewickelt. Insbesondere ist um den Polschuh 319a eine Feldwicklung 317a gewickelt und um den zweiten Polschuh 319b des zweiten Polelements 315b ist eine zweite Feldwicklung 317b gewickelt. Bei Gleichstromfluss durch die Feldwicklungen 317a, 317b wird ein Polradfluss 325 in einem Raumbereich 323 angrenzend an den Polschuh 321 erzeugt.
Eine Ausführungsform eines Polelements, welches einen Polschuh 421 aufweist, welcher eine größere axiale Länge ls hat als der entsprechende Polkörper 419, welcher eine axiale Länge lb aufweist, ist in 4 in perspektivischer Ansicht und 5 in Seitenansicht illustriert. Je nach den Erfordernissen einer Größe eines zu erzeugenden Polradflusses und einer Größe eines magnetischen Flusses innerhalb des Polkörpers kann auch gemäß einer anderen Ausführungsform eines Polelements die axiale Länge ls des Polschuhs kleiner sein als die axiale Länge lb des Polkörpers, wie in 6 in perspektivischer schematischer Ansicht und in 7 als Seitenansicht illustriert ist.
Zum Vergleich ist in 8 und 9 ein konventionelles Polelement in perspektivischer Ansicht (8) bzw. in Seitenansicht (9) illustriert, welches einen Polschuh 821 aufweist und einen Polkörper 819, wobei eine axiale Länge lb des Polkörpers 819 gleich einer axialen Länge ls des Polschuhs 821 ist. In dem konventionellen Polelement 815 kann ein Strom in der Feldwicklung 817 zu einem Rotorwicklungsverlust führen, so dass eine Effektivität vermindert ist.
Es ist jedoch sehr wichtig, dass eine hohe Luftspaltflussdichte 825 mit einem geringeren Rotorwicklungsverlust erreicht wird. Wenn in dem konventionellen Polelement 815 der 8 und 9 die aktive Länge der Maschine festgelegt ist durch die axiale Länge des Polschuhs bzw. des Polkörpers (ls, lb), welche den gleichen Wert haben, kann ein Konflikt bestehen, Verluste zu verringern bzw. die Effektivität zu erhöhen. Unter der Annahme, dass der Radius des Rotors 101 sehr groß ist, kann die Krümmung vernachlässigt werden. Daher ist die Querschnittsfläche des Polkörpers Apb = w·lb, ist also insbesondere durch die Polkörperbreite w gegeben, wie in 3 illustriert ist. Die Schlitzfläche der Feldwicklung Aslot = h·(τp – w) ist durch (τp – w) bestimmt. Für einen größeren Fluss durch den Querschnitt des Polkörpers ist ein größeres w bevorzugt, weil das Eisenmaterial des Polkörpers eine gesättigte B-H-Kurve haben kann, wie etwa in 10 illustriert ist. Andererseits ist ein größeres (τp – w) bevorzugt, um einen Rotorwicklungsverlust zu vermindern. Somit sind diese zwei Ziele gegensätzlich zueinander und die magnetischen und elektrischen Schaltungen wetteifern um denselben Raum an dem Rotor.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entfernen diese Nebenbedingung, so dass der Polkörper nicht dieselbe axiale Länge haben muss wie der Polschuh. Durch Entfernen dieser Nebenbedingung kann die Querschnittsfläche A_pb des Polkörpers eingestellt werden, indem sowohl w als auch lb eingestellt werden. Somit bedeutet die Erhöhung der Querschnittsfläche A_pb des Polkörpers nicht notwendigerweise eine Verminderung der Schlitzfläche, wie es in dem herkömmlichen Rotordesign der Fall ist.
Unter Vernachlässigung der Länge des elektrischen Leiters an dem axialen Ende der Wicklung 117 kann der Widerstand der Feldspule bzw. Feldwicklung 117, 317, 417, 617 folgendermaßen berechnet werden:
wobei N die Anzahl von Wicklungen pro Feldwicklungsspule ist, ρ der spezifische Widerstand des Feldwicklungsmaterials, ksf der Schlitzfüllfaktor ist und wobei die Schlitzfläche gegeben ist durch: A_slot = (τ_p – w)h (2) wenn die Querschnittsfläche A_pd des Polkörpers bevorzugt ist, kann die Breite w des Polkörpers gegeben sein durch:
Gemäß der Gleichungen 1 bis 3 kann der Widerstand der Feldspule ausgedrückt werden durch:
Die axiale Länge lb des Polkörpers, um einen minimalen Widerstand R zu erreichen, kann durch Setzen der Ableitung gleich Null folgendermaßen gefunden werden:
Somit ist die optimale axiale Länge lb des Polkörpers:
Die optimale Polkörperbreite w kann gegeben werden durch:
Die Gleichung 6 zeigt, dass das optimale Design, um den minimalen Rotorwicklungsverlust zu erreichen, ist, die Polkörperbreite gleich der Rotorschlitzweite zu setzen, wenn die Endwicklung vernachlässigt ist. Somit kann die axiale Länge lb des Polkörpers gleich sein wie, größer sein als oder kleiner sein als die axiale Länge ls des Polschuhs, abhängig von der erforderlichen Querschnittsfläche des Polkörpers.
Unter der Annahme einer bevorzugten Luftspaltflussdichte von Bg, kann der Hauptfluss, welcher durch den Pol hindurchgeht, ausgedrückt werden durch: Φ = B_gτ_pl_s (7)
Weil das Eisenmaterial nicht linear sein muss und normalerweise eine gesättigte Flussdichte haben kann, kann ein Arbeitspunkt des Eisenmaterials normalerweise ausgewählt werden, um ungefähr um einen Kniepunkt 1031 gewählt werden, wie in 10 illustriert ist. Dabei zeigt 10 einen Graphen mit einer Abszisse 1033, welche die magnetische Erregung H anzeigt (bzw. die Größe eines Gleichstroms, welcher durch die Wicklung 117 fließt) und wobei eine Ordinate 1035 die magnetische Flussdichte bzw. das magnetische Feld B anzeigt, welches in dem Polkörper bei Stromfluss durch die Wicklung gebildet ist. Die Kurve 1037 zeigt die Abhängigkeit zwischen der magnetischen Erregung H und der magnetischen Flussdichte B des Materials an, welches zur Herstellung des Polkörpers verwendet wird. Das Bezugszeichen Bm zeigt den maximalen magnetischen Fluss und Bezugszeichen 1039 zeigt einen möglichen Arbeitspunkt an, welcher im Folgenden auch als Bpd bezeichnet wird. Gemäß anderen Ausführungsformen kann ein anderer Arbeitspunkt gewählt werden.
Um die gewünschte Flussdichte in dem Polkörper eines Wertes von Bpd zu erreichen, muss die Querschnittsfläche des Polkörpers folgendermaßen sein:
Somit muss die axiale Länge lb des Polkörpers (wenn der Polkörper in einem Radialschnitt eine rechteckige Querschnittsform hat) folgendermaßen gegeben sein:
Gemäß der Gleichung 6 ist die optimale axiale Länge des Polkörpers:
wobei λ das Verhältnis zwischen Polradfluss Bg und Polkörperflussdichte Bpd ist. Somit erfüllt die optimale axiale Länge lb des Polkörpers die folgende Beziehung:
Gleichung 11 zeigt, dass das optimale Axiallängenverhältnis zwischen dem Polkörper und dem Polschuh durch das Flussdichteverhältnis λ bestimmt ist. Die folgende Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit der optimalen axialen Länge des Polkörpers in Abhängigkeit von dem Flussdichteverhältnis λ: Tabelle 1

Flussdichteverhältnis λ Optimales Design

λ = 0.5 l_b = l_s

λ > 0.5 l_b > l_s

λ < 0.5 l_b < l_s
Zum Beispiel kann die gewünschte Luftspaltflussdichte 0,8 T gewählt sein. Die optimale axiale Länge lb des Polkörpers hängt dann von dem Material des Polkörpers ab:

(a) Wenn der Polkörper aus einem (Eisen-)Material gefertigt ist, welches eine maximale Flussdichte Bpd = 1,2 T hat, ist die optimale Länge des Polkörpers 0,8/1,2·2·ls = 1,33 ls. Somit wäre der Fall wie in 6 und 7 illustriert gegeben.
(b) Wenn der Polkörper aus einem (Eisen-)Material gefertigt ist, welches eine Maximalflussdichte Bpd = 2,0 T hat, ist die optimale axiale Länge des Polkörpers 0,8/2·2·ls = 0,8 ls. Somit wäre der Fall wie in 4 und 5 illustriert ist, gegeben.
(c) Wenn der Polkörper aus einem (Eisen-)Material gefertigt ist, welches eine Maximalflussdichte Bpd = 1,6 T hat, ist die optimale axiale Länge lb des Polkörpers 0,8/1,6·2·ls = ls.

In der vorangehenden Diskussion wurde der Einfluss des Endbereichs der Feldwicklung an dem Rotor vernachlässigt. Dieser Einfluss in dem Endbereich der Wicklung wird im Folgenden diskutiert.
Ein genaues Vorhersagen der Länge der Wicklung im Endbereich des Rotors ist nicht einfach. Die Länge pro Wicklung in dem Endbereich wird durch π·τp approximiert. Somit kann der Widerstand einer Feldspule folgendermaßen berechnet werden:
Ähnlich kann die optimale axiale Länge des Polkörpers wie folgt abgeleitet werden:
Demgemäß ist die optimale Polkörperbreite w:
Wenn das Flussdichteverhältnis λ ist, kann die optimale Polkörperbreite gegeben sein durch:
Aus Vergleichen der Gleichungen 13 bis 15 mit den Gleichungen 5 bis 6 und 10 kann geschlossen werden, dass der Einfluss der Endwicklung auf dem Rotor die optimale Polkörperbreite vermindert, aber die optimale axiale Länge des Polkörpers erhöht.
In der vorangegangenen Diskussion ist ein Krümmungseffekt aus Einfachheitsgründen vernachlässigt worden. Es ist jedoch für den Fachmann in der Technik leicht möglich, die optimale axiale Länge des Polkörpers abzuleiten, wobei der Krümmungseffekt berücksichtigt wird. In der Praxis kann der Polkörper aus einem festen Eisen hergestellt sein, wie etwa aus einem milden Stahl, weil er dann einfach herzustellen ist und einfach an dem Rotorgehäuse bzw. dem Rotorjoch befestigt werden kann. Der Polschuh kann bevorzugt unter Benutzung einer Laminierung hergestellt werden, um einen Eddy-Stromverlust zu vermindern. Der Polschuh kann an den Polkörper geschweißt werden. Andere Ausführungsformen ermöglichen auch eine andere Befestigungsart bzw. andere Herstellungsverfahren.
Unter Benutzung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche für elektrisch erregte Synchronmaschinen verwendet werden, kann ein Rotorwicklungsverlust signifikant reduziert werden, so dass die Effizienz verbessert werden kann.
Insbesondere kann der Polschuh derartig geformt sein, um einen Drehmomentrippel oder eine Drehmomentvariation zu vermindern. Insbesondere kann der Pol geneigt sein.
In einem Radialbereich 318, welcher in 3 illustriert ist, ist die Feldwicklung 317 um den Polkörper 319 gewickelt. An einer Radialposition r1 kann eine Querschnittsform des Polkörpers 319, 419, 619 betrachtet werden. Diese Querschnittsform weist eine entlang der Umfangsrichtung 309 sich erstreckende Kante 420 auf sowie auch eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante 422 und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante 424, welche parallel zueinander sind (siehe 4). Diese erste Polkörperkante ist zum Beispiel in 6 durch Bezugszeichen 622 bezeichnet und die zweite Polkörperkante ist durch Bezugszeichen 624 bezeichnet.
An einer anderen Radialposition r2 (siehe 3) kann eine Querschnittsform des Polschuhs 321 bzw. 421 bzw. 621 betrachtet werden. Diese Querschnittsform weist eine sich in der axialen Richtung erstreckende erste Polschuhkante 426, 626 und eine parallel dazu orientierte zweite Polschuhkante 428, 628 auf (siehe 4 und 6). Die erste Polkörperkante 422, 622 und die zweite Polkörperkante 424, 624 verbindet eine Polkörperverbindungskante 420,620. Die erste Polschuhkante 626 und die zweite Polschuhkante 628 verbindet eine Polschuhverbindungskante 630.
In den in den 2, 4, 5, 6, 7 illustrierten Ausführungsformen eines Polelements liegt die Polschuhverbindungskante (zum Beispiel die Polschuhverbindungskante 630, welche in 6 illustriert ist) vollständig in einem anderen axialen Bereich bzw. an einer anderen axialen Position als die Polkörperverbindungskante (zum Beispiel die in 6 illustrierte Polkörperverbindungskante 620).
In den folgenden Ausführungsformen des Polelements gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann nur ein Teil der Polschuhverbindungskante in einem anderen axialen Bereich liegen als die Polkörperverbindungskante.
Gemäß anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Polkörper einer Form einer Feldwicklung angeglichen bzw. adaptiert, so dass eine hohe Flusskopplung erreicht wird.
In einem konventionellen Polelement ist eine Querschnittsform des Polkörpers (wenn entlang einer radialen Richtung gesehen) rechteckig, wie in 11 illustriert ist. Bezugsziffer 1105 bezeichnet dabei die axiale Richtung z und Bezugsziffer 1109 bezeichnet die Umfangsrichtung Θ. Bezugsziffer 1107 bezeichnet dabei die radiale Richtung, welche senkrecht auf der Zeichenebene der 11 steht.
Der konventionelle Polkörper 1119 hat eine rechteckige Querschnittsform, welche nicht einer Form der Feldwicklung 1117 angepasst ist, so dass in einem Endbereich 1116 die Feldwicklung 1117 relativ weit von dem Polkörper beabstandet ist. Damit ist die Länge der Feldwicklung 1117 relativ groß, da es praktisch unmöglich ist, die Wicklung in dem Endbereich 1116 vollständig gerade auszuführen, um sich der Rechteckform des konventionellen Polelements anzupassen. In dem konventionellen Polelement entsteht ein Leerraum 1114. Zwischen der Feldwicklung 1117 und dem Polkörper 1119 in dem Endbereich 1116.
Um einen bevorzugten oder erforderlichen Fluss pro Pol Φ zu erreichen, wird die Querschnittsfläche des Polkörpers aufgrund der B-H-Kurve der bereits oben erwähnten 10 bestimmt, welche die Abhängigkeit zwischen der magnetischen Erregung H und dem magnetischen Feld bzw. der magnetischen Flussdichte B des Materials zeigt, welches für den Polkörper verwendet wird. Der Arbeitspunkt kann dabei zum Beispiel basierend auf dem Kniepunkt 1031 bestimmt werden. Unter der Annahme der maximalen Flussdichte Bm in dem Polkörper, sollte die Querschnittsfläche des Polkörpers Apb = Φ/Bm sein. Somit führt die Fehlanpassung der Querschnittsform des Polkörpers an die Form der Wicklung bzw. der Spule zu einer verlängerten Drahtlänge bzw. Wicklungslänge für dieselbe Querschnittsfläche des Polkörpers, Apb = Φ/Bm. Der größere Widerstand der Feldwicklung und ein größerer Rotorwicklungsverlust (Kupfer oder ein anderes Material) wird demgemäß erzeugt. Die kann die Effizienz des Generators vermindern und größere Kühlungsanstrengungen erfordern.
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 und 20 illustrieren schematisch Querschnittsansichten eines Polkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher in einem Polelement gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
In allen Ausführungsformen, welche in 12–20 illustriert sind, kann der Polschuh zum Beispiel eine rechteckige Querschnittsform haben. In anderen Ausführungsformen kann der Polschuh eine Form oder eine Querschnittsform aufweisen, welche verschieden von einer rechteckigen Querschnittsform ist.
Die Querschnittsansichten des Polkörpers, welche in 12–20 illustriert sind, ist an einer bestimmten Radialposition genommen, insbesondere an einer Radialposition, welche innerhalb des Radialbereichs 318 liegt, in welchem die Feldwicklung um den Polkörper gelegt ist bzw. angeordnet ist (siehe 3). Die in den 12–20 illustrierten Querschnittsformen des Polkörpers 1219 bis 2019 weisen eine erste sich in der axialen Richtung z erstreckende Polkörperkante 1222–2022 auf und eine zweite sich in der axialen Richtung z erstreckende Polkörperkante 1224–2024. Die erste Polkörperkante 1222–2022 und die zweite Polkörperkante 1224–2024 sind insbesondere parallel zueinander. In den axialen Endbereichen weisen die Querschnittsformen des Polkörpers 1219 bis 2019 (siehe 12–20) jeweils eine Polkörperverbindungskante 1220–2020 auf, welche die erste Polkörperkante 1222–2022 und die zweite Polkörperkante 1224–2024 miteinander verbindet. Unter der Annahme, dass die Querschnittsform des nicht illustrierten Polschuhs eine Rechteckform ist, liegt somit zumindest ein Teil der Polkörperverbindungskante 1220 bis 2020 in einem anderen axialen Bereich als die Polschuhverbindungskante (zum Beispiel Polschuhverbindungskante 630, welche in 6 illustriert ist) des in den 12–20 nicht illustrierten Polschuhs.
Die in 12 illustrierte Polkörperverbindungskante 1220 weist eine Krümmung auf, welche von der ersten Polkörperverbindungskante 1222 her bis zu einem ersten Zwischenpunkt 1241 konstant ist, wobei die Krümmung zwischen dem ersten Zwischenpunkt 1241 und einem zweiten Zwischenpunkt 1243 Null ist, wobei somit die Polkörperverbindungskante 1220 gerade ist. Ferner ist zwischen dem zweiten Zwischenpunkt 1243 und der zweiten Polkörperkante 1224 die Polkörperverbindungskante 1220 von konstanter Krümmung. Die gestrichelte Linie 1245 bis 2045 in 12 bis 20 zeigt jeweils eine Kante eines Querschnitts eines konventionellen rechteckigen Polkörpers. Somit kann für dieselbe Feldwicklung die Querschnittsfläche Apb signifikant erhöht werden. Zum Beispiel ist zu der 12 die Querschnittsfläche des Polkörpers von lb·w auf lb·w + ρw²/4 erhöht, wobei lb die axiale Länge des Polkörpers in der z-Richtung ist und wobei w die Breite des Polkörpers ist. Wie vorhergehend bereits erwähnt ist, ist die Flussdichte in dem Polkörper auf die maximale Flussdichte Bm aufgrund des verwendeten Herstellungsmaterials begrenzt. Somit ist der Fluss Φ = Apb·Bm, welcher erlaubt ist, durch den Polkörper hindurchzugehen, erhöht. Das Drehmoment des Generators oder des Motors kann demgemäß erhöht sein.
Eine alternative Weise, die Vorteile von Ausführungsformen gemäß der Erfindung zu schätzen, ist es, die Widerstände des vorgeschlagenen Designs mit den Widerständen eines konventionellen Designs zu vergleichen, während die Querschnittsfläche des Polkörpers konstant gehalten wird. 14 und 15 zeigen Ausführungsformen eines Polkörpers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die Querschnittsfläche gegenüber dem herkömmlichen Design konstant gehalten ist. Dabei zeigt die gestrichelte Linie 1545 die Form des herkömmlichen Polkörpers in Querschnittsansicht, wobei die Querschnittsflächen des Polkörpers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in 14 und 15 dieselbe Querschnittsfläche wie der herkömmliche Polkörper haben. Durch Vergleich der 14 und 15 auf der einen Seite mit der 11 auf der anderen Seite kann erkannt werden, dass die Länge der Wicklung in den Polkörpern der 14 und 15 viel kürzer ist als das in dem herkömmlichen Rotordesign gemäß 11. Zum Beispiel kann die mittlere Länge pro Windung der Feldwicklung in dem konventionellen Design gegeben sein durch:
Dabei ist lb die axiale Länge des Polkörpers, w ist die Breite des Polkörpers, Apb ist die Querschnittsfläche des Polkörpers, Apb = w·la und τρ ist der Polabstand.
Somit ist der Widerstand in der Feldspule im konventionellen Design gegeben:
wobei Ksf der Schlitzfüllfaktor ist, h die Schlitzhöhe ist und p der spezifische Widerstand des Wicklungsmaterials ist.
Wenn der Polkörper gemäß 14 gebildet ist, ist die Länge des geraden Teils des Polkörpers in der axialen Richtung lb = Apb/w auf Apb/w – πw/4 geändert worden, um dieselbe Querschnittsfläche beizubehalten. Damit kann die mittlere Länge pro Umdrehung der Feldwicklung in dem vorgeschlagenen Design gegeben sein durch:
Somit kann der Widerstand in einer Feldspule in einem Design gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben sein durch:
Ein Vergleich der Gleichungen A2 und A4 zeigt, dass der Widerstand der Feldwicklung in dem vorgeschlagenen Design kleiner ist als der in dem herkömmlichen Design, für eine feste Polkörperbreite und für eine feste Querschnittsfläche des Polkörpers. Damit wird weniger Feldwicklungsmaterial in dem vorgeschlagenen Design benötigt, als in dem herkömmlichen Design. Das vorgeschlagene Design kann ferner dadurch optimiert werden, dass die Polkörperbreite w optimiert wird. Die optimale Breite w, um einen minimalen Feldwicklungswiderstand zu erreichen, kann von Gleichung A4 abgeleitet werden und kann gegeben sein durch:
Dann können die Wicklungsmaterialmenge, der Widerstand und die Polkörperdimension basierend auf der optimalen Polkörperbreite bestimmt werden.
16–18 zeigen alternative vorgeschlagene Polkörperformen, welche sich an eine Form der Feldwicklung adaptieren. Die Form der Querschnittsform des Polkörpers, welche in 16 gezeigt ist, ist vollständig adaptiv an die Form der Feldwicklung 1617. 17 und 18 illustrieren Querschnittsformen des Polkörpers, welche partiell adaptiv sind an die Spulenform.
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass sowohl der Polkörper in seiner Form als auch die Spule bzw. die Wicklung in ihrer Form verändert bzw. geformt werden. Zum Beispiel ist es vorteilhaft als eine Polkörperform im Querschnitt eine Kreisform zu wählen, wie in 19 illustriert ist, da der Kreis einen kleinsten Umfang von allen Formen, welche eine selbe Fläche haben, zeigt. Es kann jedoch eine optimale Polanzahl für eine gegebene Dimension sein und eine gegebene Spezifikation vorliegen. Für diese bevorzugte Anzahl von Polen ist ein bestimmter Polabstand τρ bestimmt und damit kann es unmöglich werden, die Querschnittsform des Polkörpers als eine Kreisform zu wählen.
Als eine Option kann eine Form des Polkörpers als ein Oval gebildet werden, wie in 20 illustriert ist. 20 zeigt die erste Polkörperkante 2022 als eine Tangente in einem axial mittigen Bereich des Polkörpers. Auch die zweite Polkörperkante 2024 kann als eine Tangente in einem axial mittigen Bereich der Querschnittsform des Polkörpers angesehen werden. In diesem Fall sind die Ausdehnungen der ersten Polkörperkante 2022 und der zweiten Polkörperkante 2024 sehr gering, erlauben aber nichtsdestotrotz, die Polkörperverbindungskante 2020 als eine diese beiden Polkörperkanten verbindende Kante zu definieren.
Insbesondere kann der in 20 illustrierte Polkörper in Querschnittsform einen im axial mittleren Bereich geraden Abschnitt aufweisen und kann an den axialen Endbereichen zwei halbovale Teile aufweisen. In diesem Fall können Parameter a, b und c wie in 21 definiert sind, optimiert werden, um den Wicklungswiderstand innerhalb einer festen Querschnittsfläche des Polkörpers zu minimieren.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine bessere thermische Performanz sein. Wie in 20 gezeigt ist, kann der Spalt zwischen den Spulen sehr nützlich zum Fühlen der Spulen sein. Ein geringerer Widerstand kann auch weniger Wärme an dem Rotor erzeugen als in herkömmlichen Ausführungen.
Der Polkörper und der Polschuh können separate Komponenten sein, welche zusammengesetzt werden können, insbesondere unter Benutzung von Klebstoff, Verschraubung oder Verschweißung. Wie in 22 und 23 illustriert ist, kann der Polkörper 2219 festes Eisen sein oder festes Eisen umfassen. Der Polschuh 2221 kann aus festem Material einstückig gebildet sein oder laminiert sein.
Insbesondere kann der Polkörper gemäß 24 durch eine Laminierung gebildet sein. Die gewünschte Form wird in eine gestufte Kurve approximiert, so dass verschiedene Typen von Laminierung benutzt werden können, um den Polkörper zu bilden. Der in 24 in Querschnittsansicht illustrierte Polkörper 2419 ist durch eine Vielzahl von Blechschichten 2451 gebildet, welche in der axialen Richtung z übereinander gestapelt und verbunden sind. Dabei haben die Blechschichten 2421 verschiedene Ausdehnungen in Umfangsrichtung Θ, zum Beispiel die Ausdehnung 2453, Ausdehnung 2455 und die Ausdehnung 2457, wobei die Ausdehnung 2457 größer ist als die Ausdehnung 2455, welche wiederum größer ist als die Ausdehnung 2453. Blechschichten 2451 mit der größten Umfangsausdehnung 2457 sind in einem axial mittigen Bereich angeordnet und immer kleiner werdende Blechschichten hinsichtlich ihrer Ausdehnung in der Umfangsrichtung werden in den axialen Endbereichen angeordnet und miteinander verbunden.
Optimale Querschnittsformen des Polkörpers können insbesondere durch Simulation unter Verwendung von mathematischen oder physikalischen Gesetzen ermittelt werden.
Das Design des Polelements bzw. des Rotor kann insbesondere für einen Generator einer Windturbine, insbesondere direkt angetriebene Windturbine bzw. getriebeloses Windturbine, eingesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist eine getriebelose Windturbine mit einem Synchrongenerator bereitgestellt, der einen Rotor gemäß einer Ausführungsform aufweist. Der Synchrongenerator kann insbesondere einen Durchmesser von 3 m bis 5 m haben und ein Gewicht von zwischen 8 Tonnen und 20 Tonnen.

Claims

Polelement (115) für einen um eine axiale Achse (105) drehbaren Rotor (101) für einen elektrisch erregten Synchrongenerator (100), wobei das Polelement aufweist: einen Polkörper (119), um den in einem Radialbereich (318) ein elektrischer Leiter (117) wickelbar ist, um bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter ein magnetisches Feld in dem Polkörper (119) zu konzentrieren; und einen mit dem Polkörper verbundenen Polschuh (121), der ausgebildet ist, bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter (117) einen Polradfluss (125) in einem an den Polschuh angrenzenden Raumbereich (123) außerhalb des Polelements zu erzeugen, wobei eine an einer Radialposition (r1) des Radialbereichs betrachtete Querschnittsform des Polkörpers (619, 1219) eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante (622, 1222) und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polkörperkante (624, 1224) aufweist, welche durch eine an einem axialen Endbereich des Polkörpers angeordnete Polkörperverbindungskante (620, 1220) verbunden sind, wobei eine an einer anderen (r2) zu dem Raumbereich außerhalb des Polelements hin gelegenen Radialposition betrachtete Querschnittsform des Polschuhs (621) eine erste sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante (626) und eine zweite sich in der axialen Richtung erstreckende Polschuhkante (628) aufweist, welche durch eine Polschuhverbindungskante (630) an einem axialen Endbereich des Polschuhs verbunden sind, wobei zumindest ein Teil der Polkörperverbindungskante (620, 1220) des Polkörpers in einem anderen axialen Bereich liegt als die Polschuhverbindungskante (630) des Polschuhs, wobei bei ausgewähltem Polradfluss (Bg) und ausgewählter Polkörperflussdichte (Bpd) im Polkörper ein Längenverhältnis zwischen der axialen Länge (lb) des Polkörpers und der axialen Länge (ls) des Polschuhs als eine Funktion von einem Flussverhältnis (λ) zwischen Polradfluss (Bg) und Polkörperflussdichte (Bpd) bestimmt ist.
Polelement gemäß Anspruch 1, wobei eine axiale Länge (ls) des Polschuhs und eine axiale Länge (lb) des Polkörpers verschieden sind.
Polelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die ausgewählte Polkörperflussdichte als eine Polkörperflussdichte an einem Kniepunkt (1031) einer Kurve (1037) ausgewählt ist, die eine Abhängigkeit zwischen magnetischer Erregung (H) und magnetischem Fluss (B) eines Materials des Polkörpers anzeigt, wobei der Polkörper insbesondere in magnetischer Sättigung betrieben wird.
Polelement gemäß Anspruch 3, wobei das Längenverhältnis (λ) um eine Abweichung größer ist als das doppelte des Flussverhältnisses.
Polelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Polkörperverbindungskante (1620, 1720, 1820, 1920, 2020) an zumindest einer Stelle eine von einer Geraden abweichende Form aufweist.
Polelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Polkörperverbindungskante eine Mehrzahl von geraden Abschnitten (1718, 1818) aufweist, wobei angrenzende Abschnitte unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen.
Polelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Form der Polkörperverbindungskante derart gewählt ist, dass sie einer Biegeform des elektrischen Leiters (117) angepasst ist, sodass in dem axialen Endbereich (1116) der Polkörpers, der Leiter gleichmäßig eng an dem Polkörper anliegt.
Polelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Polkörper ein Laminat (2419) aus in axialer Richtung gestapelten rechteckigen Blechschichten (2451) eines ferromagnetischen Materials umfasst, wobei die Blechschichten verschiedene Ausdehnungen (2453, 2455, 2457) in Umfangsrichtung aufweisen, wobei im axialen Endbereich des Polkörpers Blechschichten mit kleinern Ausdehnungen in Umfangsrichtung angeordnet sind als in anderen axialen Bereichen des Polkörpers.
Rotor (101) für einen elektrisch erregten Synchrongenerator (100), wobei der Rotor zumindest ein erstes (115a) und ein zweites (115b) in einer Umfangsrichtung beabstandetes Polelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist und ferner aufweist: ein Poljoch (103), was jeweils mit dem Polkörper des ersten Polelements und des zweiten Polelements verbunden ist, wobei jeweils der Polkörper radial zwischen dem jeweiligen Polschuh und dem Poljoch angeordnet ist; zumindest einen elektrischen Leiter (117a, 317a), welcher zwischen der Polkörper des ersten Polelements und dem Polkörper des zweiten Polelements angeordnet ist.
Rotor gemäß Anspruch 9, wenn rückbezogen auf Anspruch 4, wobei die Abweichung mit steigendem Polabstand in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Polelement und dem zweiten Polelement steigt und mit steigender Polkörperflussdichte sinkt.