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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu Herstellen einer Formspule zum Einsetzen in ein Statorblechpaket eines Synchrongenerators einer getriebelosen Windenergieanlage. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine solche Formspule und ein Wicklungspaket mit mehreren Formspulen. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Synchrongenerator mit solchen Formspulen bzw. mit einem solchen Wicklungspaket. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Windenergieanlage.
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Getriebelose Windenergieanlagen weisen sehr langsam drehende Generatoren auf. Als vorteilhaft haben sich hierbei langsam drehende Synchrongeneratoren erwiesen, insbesondere Ringgeneratoren. Dabei ist unter einem Ringgenerator ein Generator zu verstehen, bei dem die magnetisch wirksamen Elemente auf einem Ringbereich um die Drehachse des Generators angeordnet sind.
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Ein solcher Synchrongenerator weist einen Stator auf, der ein Blechpaket aufweist, in dem Wicklungen in Nuten aufgenommen sind. Im Betrieb des Generators werden in diesen Wicklungen Spannungen und damit Ströme erzeugt. Weil ein solcher Synchrongenerator für eine getriebelose Windenergieanlage sehr langsam drehend ist, z.B. etwa im Bereich von 15 U/min, weist er eine sehr hohe Anzahl von Statornuten und damit Statorpolen auf. Die Anzahl kann im Bereich von bspw. 48, 96, 192 oder noch höher liegen. Das Herstellen oder Bewickeln solcher Statoren kann somit sehr aufwändig sein.
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Ein Verfahren zum Bewickeln solcher Statoren, also das Bewickeln von Statorblechpaketen ist beschrieben in dem
US Patent 7,432,610. Dort werden in einem aufwändigen, gleichwohl sehr vorteilhaft etablierten Verfahren Kupferwicklungen für ein 6-phasiges System, nämlich zwei 3-phasige Systeme gewickelt. Dabei sind je Phase zwei Stränge aus vielen einzelnen Kupferdrähten vorgesehen, so dass bei dieser kontinuierlichen Wicklung, die dort beschrieben ist, insgesamt 12 Wicklungsstränge gewickelt werden müssen. Das Bewickeln eines solchen Statorblechpakets, das einen Durchmesser von etwa fünf Meter haben kann, kann für mehrere gut zusammenarbeitende Mitarbeiter mehrere Tage dauern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine verbesserte Lösung vorzuschlagen. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die das Fertigen eines solchen Synchrongenerators einer getriebelosen Windenergieanlage vereinfacht, möglichst auch kostengünstiger gestaltet. Zumindest soll zu bisher bekannten Lösungen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer Formspule gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein solches Verfahren zum Herstellen einer Formspule stellt eine Formspule her, die zum Einsetzen in ein Statorblechpaket eines Synchrongenerators einer getriebelosen Windenergieanlage vorbereitet ist.
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Um das durchgehende Drahtbündel des in
US Patent 7,432,610 beschriebenen Generators mit eingelegten Einzelspulen elektrisch abzubilden, nämlich mit Einzelspulen wie die vorgeschlagene Formspule, müssen die Einzelspulen miteinander verbunden werden, damit eine Reihenschaltung der Einzelspulen entsteht.
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Für den Fall eines 6-phasigen Systems umschließt eine solche Formspule sechs Statorpole bzw. Statorzähne. Sie liegt dann also in einer ersten und einer siebten Nut.
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Die Herstellung dieser Formspule erfolgt erfindungsgemäß nun so, dass zunächst aus einem Blech wenigstens eine flache Leiterbahn ausgeschnitten wird. Entsprechend ist diese Leiterbahn genauso flach wie das Blech, aus dem sie ausgeschnitten wurde. Die so ausgeschnittene Leiterbahn ist dann bspw. wie ein großes U oder ähnlich gestaltet, oder wie ein Teil, insbesondere eine Hälfte von einem U gestaltet. Im Falle dieser U-förmigen Ausgestaltung können die beiden Schenkel sehr lang und sehr nah aneinander liegen.
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Im nächsten Schritt erfolgt dann ein Abkanten der ausgeschnittenen Leiterbahnen so, dass ein erster Nutbahnabschnitt zum Einlegen in eine erste Nut des Blechpakets, ein zweiter Nutbahnabschnitt zum Einlegen in eine zweite Nut des Blechpakets und wenigstens ein die beiden Nutbahnabschnitte verbindender und außerhalb der Nuten anzuordnender Wickelkopfabschnitt entsteht. Das Abkanten erfolgt so, dass die beiden Nutbahnabschnitte im Grunde zueinander parallel verschoben werden. Durch das Abkanten kann also bspw. der eine Nutbahnabschnitt relativ zum anderen Nutbahnabschnitt angehoben werden. Durch ein Kippen der beiden Nutbahnabschnitte, nämlich durch entsprechendes Abkanten des Wickelkopfabschnitts entsteht eine Ausgestaltung, bei der, bezogen auf die Ebene des Ausgangsblechs, aus dem die Leiterbahn ausgeschnitten wurde, ein beabstandetes übereinander Anordnen dieser Nutbahnabschnitte resultiert. Diese beiden Nutbahnabschnitte bleiben dabei in ihrer Anordnung zueinander planparallel, die übereinander angeordnet sind. Im Vorgang des Abkantens können Zwischensituationen auftreten, bei denen die beiden Nutbahnabschnitte kurzfristig nicht planparallel zueinander sind, aber im Wesentlichen und besonders nach vollständigem Abkanten weisen diese beiden Nutbahnabschnitte die genannten Planparallelität zueinander auf.
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Im Falle einer Blechformspule mit zwei Windungen werden vorzugsweise insgesamt vier gelaserte und gekantete Bleche zu einer Spule verschweißt, die dann in das Blechpaket eingelegt wird.
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Diese beiden Nutbahnabschnitte können nun in die entsprechende Nut des Blechpakets eingesetzt werden. Im Falle des 6-phasigen Systems also in eine erste und siebte Nut.
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Diese beiden Nutbahnabschnitte sind nicht exakt planparallel, weil das Statorblechpaket eine Kreisform aufweist und die Formspule und damit die beiden Nutbahnabschnitte in radialer Richtung eingesetzt werden, werden hier aber zur Beschreibung Ihrer grundsätzlichen Anordnung zu einander als planparallel bezeichnet. Die Winkelabweichung zwischen den betreffenden Nuten wird bei der Herstellung der Blechformspule berücksichtigt.
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Jedenfalls ist die so hergestellte Formspule, entsprechend eine einstückige Konstruktion, die aus dem Blech ausgeschnitten und durch Abkanten in ihre Form gebracht wurde und dabei im Wesentlichen ein starres Bauteil darstellt. Zum Herstellen einer Gesamtwicklung werden nun viele solcher Formspulen hergestellt und miteinander verbunden. Dabei werden natürlich nur die Formspulen der jeweiligen Phase miteinander verbunden. Die nächste Formspule dieser Phase würde also in die 13. und 19. Nut eingesetzt werden und der erste Nutbahnabschnitt der einen dieser beiden Formspulen würde elektrisch mit dem zweiten Nutbahnabschnitt der zweiten dieser beiden Formspulen verbunden werden.
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Im Herstellungsprozess des Gesamtstators würde allerdings zunächst eine Formspule einer ersten Phase in eine erste und siebte Nut eingesetzt werden und als Nächstes eine Formspule einer nächsten Phase in die zweite und achte Nut eingesetzt werden. Auf diese Weise würden für das genannte 6-phasige System insgesamt sechs Formspulen eingesetzt, die mit ihren Nutbahnabschnitten dann entsprechend in der ersten bis zwölften Nut sitzen. Dann kann wieder mit einer Formspule der ersten Phase fortgesetzt werden, die entsprechend in die 13. und 19. Nut eingesetzt wird.
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Vorzugsweise erfolgt das Ausschneiden und Abkanten so, dass bei diesem sukzessiven Einsetzen von einer Formspule neben der anderen die Wickelkopfabschnitte auch nebeneinander angeordnet werden.
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Eine Möglichkeit ein solches Nebeneinander zu gewährleisten, wobei auch die Formspulen sukzessive nacheinander in die Nuten eingesetzt werden können, wie oben beschrieben wurde, ist durch eine entsprechende Formgebung. Eine Möglichkeit der Formgebung besteht darin, dass ein Teil des Wickelkopfabschnitts um eine Breite des ersten oder zweiten Nutbahnabschnitts versetzt ist. Insbesondere sind hierbei sowohl der erste als auch der zweite Nutbahnabschnitt gleich breit und auch dieser versetzte Abschnitt des Wickelkopfabschnitts ist ebenfalls so breit. Anschaulich gesprochen ergäbe sich eine Konstellation, bei der die erste Formspule im eingesetzten Zustand mit ihrem ersten Nutbahnabschnitt in die erste Nut eingesetzt ist. Aus der Nut heraus geht diese dann über in den versetzten Bereich des Wickelkopfabschnitts, der somit außerhalb des Statorblechpakets, im Falle eines Innenläufers, zur Außenseite des zu fertigenden Generators hochsteht. Dieser Abschnitt überragt also die Nutöffnungen in voller Breite des Nutbahnabschnitts bzw. in voller Höhe der Nut. Dieser überragende Abschnitt geht dann über in einen nicht versetzten Abschnitt, der übergeht in den zweiten Nutbahnabschnitt der dann in die siebte Nut geführt wird.
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Beim Einsetzen in einer zweiten Formspule mit ihrem ersten Nutbahnabschnitt in die zweite Nut überragt auch hier dieser versetzte Abschnitt des Wickelkopfabschnitts die Nutenöffnung des Stators. Damit überragt dieser Abschnitt auch den nicht versetzten Abschnitt des Wickelkopfabschnitts der ersten Formspule. Dadurch kann hier der nötige Kreuzungsbereich geschaffen werden, der nötig ist, um diese zweite Formspule von der zweiten zur achten Nut zu führen und damit den Abschnitt der ersten Formspule zu kreuzen, der zur sieben Nut verläuft.
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Auf diese Art und Weise können sukzessive die Formspulen wie oben bereits beschrieben eingesteckt werden. Durch die Herstellung aus dem Blech ist somit auch die Ausgestaltung dieser Wickelkopfabschnitte sehr flach möglich, so dass dieses sukzessive verschachtelte Einstecken möglich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, eine Formspule aus einem Blechstück zu fertigen. Dadurch kann auch ein stabiles Gebilde entstehen, das auch mechanisch stabil und belastbar sein kann. Dadurch können auch viele gleiche Formspulen mit nur sehr geringen Toleranzen zueinander gefertigt werden. Besonders der Übergang zwischen den Nutabschnitten über den Wickelkopfabschnitt kann durch diese Einstückigkeit sehr stabil ausgebildet sein.
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Dennoch kann die Formspule alternativ aus wenigstens zwei zusammengesetzten Blechabschnitten gefertigt werden, indem insbesondere ein Blechabschnitt einen ersten Nutbahnabschnitt und den Wickelkopfabschnitt umfasst und der zweite Blechabschnitt einen zweiten Nutbahnabschnitt. Diese einzelnen Blechabschnitte können dann, bspw. nach dem Abkanten, zusammengesetzt werden. Das kann bspw. durch Verschrauben oder Verschweißen erfolgen. In diesem Fall würden ein erhöhter Aufwand zum Zusammensetzten als auch etwaige Haltbarkeitsprobleme durch das Zusammensetzen in Kauf genommen werden, dafür kann sich die Herstellung der einzelnen Teile vereinfachen.
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Vorzugsweise weisen die Nutbahnabschnitte jeweils eine Bahnoberfläche auf. Diese Bahnoberfläche hat beim bzw. vor dem Ausschneiden aus dem Blech einen Teil einer Blechoberfläche des Blechs gebildet. Die Formspule ist nun so ausgebildet, dass sie zum Einsetzen in das Blechpaket, nämlich in die Nuten, in einer Richtung parallel zu dieser Bahnoberfläche vorbereitet ist. Die Oberfläche liegt jeweils an einer Seite der betreffenden Nut an oder verläuft zumindest im in die Nut eingesetzten Zustand parallel zu der Seite der Nut.
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Als Schritte zum Herstellen einer Formspule wird gemäß einer Variante vorgeschlagen:
- – Ausschneiden wenigstens einer ersten flachen Leiterbahn aus einem Blech mit einem ersten Nutbahnabschnitt zum Einlegen in eine erste Nut des Blechpakets,
- – Ausschneiden wenigstens einer zweiten flachen Leiterbahn aus einem Blech mit einem zweiten Nutbahnabschnitt zum Einlegen in eine zweite Nut des Blechpakets,
- – Abkanten der ersten und/oder zweiten ausgeschnittenen Leiterbahn so, dass ein abgekanteter Wickelkopfabschnitt entsteht, zum Verbinden des ersten und zweiten Nutbahnabschnitts.
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Demnach wird vorgeschlagen, jede Leiterbahn, die in eine Nut einzusetzen ist, separat aus dem Blech auszuschneiden. Für eine Formspule werden dann also wenigstens zwei solcher ausgeschnittenen Leiterbahnen benötigt. Es werden nun diese Leiterbahnen so abgekantet, dass ein abgekanteter Wickelkopfabschnitt entsteht, über den die Nutbahnabschnitte verbunden werden können. Eine Formspule wird dann aus wenigstens zwei solchen ausgeschnittenen und partiell abgekanteten Nutbahnabschnitten zusammengesetzt. Vorzugsweise können vier solcher Nutbahnabschnitte zusammengesetzt werden, so dass die Formspule nicht nur U-förmig, sondern auch Schlaufenförmig ausgebildet ist, so dass also zwei Nutbahnabschnitte jeweils in einer Nut liegen. Entsprechend sind die über den Wickelkopfabschnitt miteinander verbundenen Nutbahnabschnitte zueinander planparallel angeordnet, nämlich bestimmungsgemäß in unterschiedlichen Nuten und damit in unterschiedlichen Ebenen. Die so miteinander verbundenen Nutbahnabschnitte, also z.B. zwei oder vier, bilden die herzustellende Formspule, die entsprechend starr ausgebildet ist.
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Vorzugsweise weist jeder Nutbahnabschnitt einen Wickelkopfteilabschnitt auf. Jeweils zwei Nutbahnabschnitte werden im Bereich ihrer Wickelkopfteilabschnitte verbunden, insbesondere werden sie miteinander verschweißt. Dies erfolgt so, dass die beiden Wickelkopfteilabschnitte den Wickelkopfabschnitt bilden. Insbesondere sind die Nutbahnabschnitte mit ihren Wickelkopfteilabschnitten so ausgebildet, dass sich die beiden Wickelkopfteilabschnitte im Wesentlichen in einem Bereich berühren, in dem sie miteinander verschweißt werden, bevor die Nutbahnabschnitte bestimmungsgemäß in entsprechende zwei Nuten eingesetzt sind. Jeder Nutbahnabschnitt weist somit einen Nutschenkel auf, der in jeweils einer Nut verläuft, und wenigstens einen Wickelkopfteilabschnitt, der außerhalb der Nut verläuft.
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Es wird vorzugsweise erst versweißt und dann eingelegt.
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Das Ausschneiden und Abkanten schafft also Teilelemente, die in ihrer Form bereits an die Verwendung in dem Stator so angepasst sind, dass sie zusammen mit vielen anderen Nutbahnabschnitten, die ebenfalls jeweils in ihre Nuten eingesetzt sind, eine Wicklung des Stators ausbilden können.
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Nutbahnabschnitte werden hierbei miteinander verschweißt und als fertige Spule in jeweils 2 Nuten eingelegt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Blech, das das Ausgangsmaterial bildet, aus Aluminium gefertigt ist. Somit entsteht bei Verwendung eines solchen Aluminiumblechs eine Formspule und damit im Ergebnis eine Wicklung des Stators, die aus Aluminium gefertigt ist.
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Aluminium ist schlechter elektrisch leitfähig als Kupfer, so dass Kupfer üblicherweise gegenüber Aluminium bevorzugt wird. Außerdem sind bekannte Maschinen üblicherweise auf die Verwendung von Kupfer ausgelegt, denn im Nennbetrieb der Maschine ist ihre Temperaturentwicklung bekannt. Diese Kenntnis der Temperaturentwicklung beruht auf den bekannten elektrischen Eigenschaften, insbesondere dem zu erwartenden Strom und der sich daraus besonders in den Kupferwicklungen entwickelnden Wärme. Diese Wärme muss durch die Bauform des Generators abgeführt werden können. Durch Verwendung von Aluminium ist aufgrund des höheren spezifischen Widerstandes zunächst mit einer stärkeren Erwärmung zu rechnen, was gegen die Verwendung von Aluminium spricht. Insbesondere wären höhere Temperaturen zu erwarten, auf dessen Abführung die Maschine nicht ausgelegt ist.
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Hier wurde aber erkannt, dass durch die Verwendung der Bleche aus Aluminium ein sehr hoher Füllfaktor für die Nuten erreicht werden kann. Dieser Füllfaktor ist deutlich größer als bei Verwendung von Strängen aus Runddrähten, wie Kupferstränge aus Kupferrunddrähten, und dadurch kann sich im Ergebnis doch wieder eine ganz ähnliche elektrische Eigenschaft einstellen.
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Dabei ist das Gewicht eines solchen Generators mit Aluminiumwicklungen deutlich geringer als bei einer Verwendung von Kupfer, weil Kupfer zwar gleiche elektrische Leitfähigkeit mit weniger Querschnitt, also weniger Volumen erreichen kann, Kupfer dabei aber eine deutlich höhere spezifische Dichte hat. Durch den günstigen Füllfaktor durch das Vorsehen der vorgeschlagenen flachen Leiterbahnen kann in erster Näherung mit diesen Nutbahnabschnitten aus Aluminium in Nuten etwa derselben Größe ein ähnlicher ohmscher Gesamtwiderstand der Wicklung erreicht werden, wie bei der Verwendung von Kupferrunddrähten.
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Vorzugsweise erfolgt das Ausschneiden der Leiterbahnen oder Leiterbahnabschnitte mittels Wasserstrahlschneiden oder Lasern. Hierdurch kann eine Automatisierung erreicht werden und insoweit ist dieses Verfahren des Ausschneidens sehr gut auf die herzustellenden Leiterbahnabschnitte abgestimmt, weil von denen sehr viele mit gleicher Ausgestaltung hergestellt werden müssen. Bspw. werden in einem Beispiel für einen Stator mit 2 Windungen und 432 Nuten 216 Einzelspulen mit jeweils 4 Einzelblechen benötigt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Nutbahnabschnitte, zumindest ihre Nutschenkel, in mehrere parallele Leitungsabschnitte aufgetrennt werden. Entsprechend liegen mehrere Leitungsabschnitte nebeneinander, bezogen auf das Blech, aus dem sie ausgeschnitten werden, also bezogen auf diese flache Ausrichtung. Beim Einsetzen in die jeweiligen Nuten liegen diese Leitungsabschnitte aber übereinander, also von einer Nutbasis zu einer Nutöffnung liegen sie übereinander. Damit sind sie in radialer Richtung geschichtet und können somit Querströme in radialer Richtung verhindern, die durch Stromverdrängungseffekte im Betrieb des Generators auftreten können.
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Diese Aufteilung in mehrere parallele Leitungsabschnitte kann durch Wasserschneiden oder Lasern erfolgen und vorzugsweise wird dies vor dem Abkanten durchgeführt. Eine vorteilhafte Ausführungsform schlägt zudem vor, dass Zwischenräume zwischen den parallelen Leitungsabschnitten der aufgetrennten Nutbahnabschnitte ein elektrisches Isolationsmaterial erhalten.
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Nach Trennen, besonders durch Lasern oder Wasserschneiden, kann es sein, dass die Einzelbahnen nicht sehr stabil sind. Hier wird vorgeschlagen, zunächst vor dem Kanten einen Verguss zwischen den parallelen Leitungsabschnitten vorzusehen, der möglichst wärmeleitend sein sollte, damit das Teil beim nachfolgenden Kantprozess nicht oder möglichst wenig beschädigt wird. Der Vorteil der Blechspule ist unter anderem eine geometrisch möglichst exakte und identische Ausbildung der Wickelköpfe mit großer Oberfläche und damit guter Kühleigenschaft zu schaffen. Das kann durch einen solchen Verguss begünstig werden.
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Vorzugsweise reicht ein erster paralleler Leitungsabschnitt von einem ersten Nutbahnabschnitt zu einem zweiten Nutbahnabschnitt, wobei ein solcher Leitungsabschnitt seine relative Position in der jeweiligen Nut verändert, nämlich so, dass er von der einen Nut aus dem unteren Bereich oder Grundbereich in der anderen Nut zu einem oberen Bereich, also zum Öffnungsbereich hin geführt wird. Mit anderen Worten wird ein solcher paralleler Leitungsabschnitt im Wickelkopfbereich, der nämlich diese beiden Nutbahnabschnitte verbindet, entsprechend umgelenkt. Auch dies kann vorteilhaft in Bezug auf Berücksichtigung von Stromverdrängungseffekten sein.
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Vorzugweise weisen die parallelen Leitungsabschnitte eines Nutbahnabschnitts unterschiedliche Querschnitte auf. Somit entstehen dort partiell unterschiedliche Leitwerte in unterschiedlichen Positionen der betreffenden Nut. Auch hierdurch wird berücksichtigt, dass unterschiedlich starke Ströme auftreten können. Durch dieses Vorsehen der Formspulen durch Ausschneiden und Abkanten, können solche individuellen Leitungsquerschnitte für einzelne Leitungsabschnitte auf einfache und auch zuverlässige und reproduzierbare Weise vorgesehen werden.
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Innerhalb einer Formspule müssen die Einzelbahnen als elektrisch getrennte Einzelbahnen durchgezogen werden, auch im Bereich der Wickelköpfe. Beim späteren Verbinden der eingelegten Einzelspulen über Verbindungselemente können diese Verbindungselemente zwischen den Formspulen ohne Einzelbahnen ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird zudem eine Formspule vorgeschlagen, die nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen hergestellt wurde.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Wicklungspaket vorgeschlagen, das mehrere Formspulen gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufweisen.
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Vorzugsweise weist das Wicklungspaket mehrere Formspulen und jeweils einen Verbindungsabschnitt zwischen zwei Formspulen auf, wobei der Verbindungsabschnitt hergestellt ist durch Ausschneiden eines flachen Leitungsbereichs aus einem Blech, insbesondere auch aus einem Alublech, und Abkanten des flachen Leitungsbereichs so, dass er an zwei Nutbahnabschnitten zum Verbinden derselben angebracht werden kann. Dabei wird er durch das Abkanten so verändert, dass er mehrere Nuten zwischen den beiden Formspulen übergreifen kann. Insbesondere wird er einen Nutbahnabschnitt der ersten Formspule mit einem Nutbahnabschnitt der zweiten Formspule verbinden. Er übergreift dabei bspw. die 8. bis 12. Nut, wenn der eine Nutbahnabschnitt in der 7. und der andere Nutabschnitt der anderen Formspule in der 13. Nut angeordnet ist, wie es bei einem 6-phasigen System der Fall wäre.
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Vorzugsweise entspricht der Verbindungsabschnitt in seinem Aufbau dem Wickelkopfabschnitt.
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Ein Wicklungspaket, das auch einfach als Wicklung oder Gesamtwicklung des Stators bezeichnet werden kann, umfasst somit alle dafür nötigen Spulen. Im Fallen eines 6-phasigen Systems umfasst dieses Wicklungspaket also alle sechs Phasen. Dies gilt generell. Bei Verwendung des vorzugweise vorgeschlagenen Verbindungsabschnitts stellt sich ein bewickelter Stator also so dar, dass zu beiden Seiten des Statorblechpakets Wickelkopfabschnitte der Formspulen herausragen. Außerdem sind die Verbindungsabschnitte vorhanden, nämlich jeweils einer zwischen zwei Formspulen. Besonders in der Gesamtansicht des so bewickelten Stators sind diese Wickelkopfabschnitte von den Verbindungsabschnitten kaum zu unterscheiden. Die Hauptunterscheidung dürfte sich aus der Symmetrie ihres Auftretens in der Gesamtbewicklung ergeben.
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Erfindungsgemäß wird zudem ein Stator eines Generators einer getriebelosen Windenergieanlage vorgeschlagen, der einen Stator mit einem Statorblechpaket aufweist. In das Statorblechpaket ist ein Wicklungspaket gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt. Dies kann auch so beschrieben werden, dass Statorblechpaket mit einem Wicklungspaket gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen bewickelt ist.
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Insbesondere sind die Nuten des Statorblechpakets in ihrem Querschnitt rechteckig, insbesondere ohne Verengung der bestimmungsgemäß zum Luftspalt weisenden Öffnung. Durch diesen Vorschlag können die plattenförmigen Nutbahnabschnitte auf einfache Art und Weise in radialer Richtung eingeschoben werden. Es hat sich gezeigt, dass das Aufweiten der entsprechenden Nuten keinen nennenswerten Effekt auf das Verhalten, insbesondere magnetische Verhalten des Generators hat. Besonders eine befürchtete hohe Oberwelligkeit hat sich nicht eingestellt.
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Somit wurde erkannt, dass diese rechteckige Querschnittsform ohne Weiteres vorsehbar ist und dadurch kann erreicht werden, einen solchen Stator und damit entsprechenden Generator auf einfache Art und Weise herzustellen. Dies ermöglicht zudem auch die Umsetzung eines höheren Automatisierungsgrades beim Bestücken.
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Erfindungsgemäß wird zudem ein Synchrongenerator einer getriebelosen Windenergieanlage vorgeschlagen, der einen Stator gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufweist.
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Zudem wird eine Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator vorgeschlagen, wobei ein Synchrongenerator gemäß einer vorstehenden Ausführungsform verwendet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Ansicht.
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2 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Generator einer getriebelosen Windenergieanlage.
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3 zeigt schematisch einen Stator eines Generators einer getriebelosen Windenergieanlage in einer Seitenansicht.
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4 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Stators eines Generators einer getriebelosen Windenergieanlage mit zwei eingesetzten Formspulen.
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5 und 6 zeigen jeweils einen Nutbahnabschnitt einer ersten Schleife in einer perspektivischen Ansicht.
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7 zeigt die beiden Nutbahnabschnitte der 5 und 6 in einem zu einer ersten Schleife zusammengesetzten Zustand.
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8 und 9 zeigen einen dritten und vierten Nutbahnabschnitt einer Formspule.
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10 zeigt die beiden Nutbahnabschnitte der 8 und 9 in einem zu einer zweiten Schleife zusammengesetzten Zustand.
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11 zeigt eine Formspule, zusammengesetzt aus den vier Nutbahnabschnitten der 5, 6, 8 und 9.
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12 zeigt zwei über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbundene Formspulen jeweils gemäß 11.
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1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
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2 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Generator 1 mit einem Rotor 2 mit einem Rotorträger 4 und einem Rotorpolbereich 6, der sich durch einen Luftspalt 8 getrennt in dem Stator 10 des Generators 1 drehen kann. Der Stator 10 wird von einem Statorträger 14 gehalten, der, wie auch der Rotorträger 4, vorzugsweise sternförmig ausgebildet ist. An dem Stator 10 ist zudem beidseitig ein Wickelkopf 16 angedeutet. Als Wickelkopf wird insoweit der Bereich der Wicklung bezeichnet, der jeweils eine Verbindung zwischen einzelnen Nuten herstellt.
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3 zeigt einen unbewickelten Stator 10 in einer Seitenansicht, die auch als axiale Ansicht bezeichnet werden kann. Dort sind ebenfalls schematisch unbewickelte Nuten 12 dargestellt. Die Nuten 12 wechseln sich mit Zähnen 18 ab und die Zähne 18 werden, zusammen mit einem Basisbereich 20 durch Schichtung vieler einzelner Bleche, nämlich zu einem Statorblechpaket geschichtet, gebildet.
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4 zeigt nun in einem perspektivischen Ausschnitt ein Statorblechpaket 40, mit einer Vielzahl im Wesentlichen im Querschnitt rechteckiger Nuten bzw. Statornuten 42. In einige dieser Nuten 42 sind zwei exemplarischen Formspulen 44 eingesetzt und diese beiden Formspulen 44 sind mit einem Verbindungsabschnitt 46 verbunden.
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Die 4 ist eine veranschaulichende Darstellung und spiegelt nicht unbedingt die Reihenfolge der Bewicklung bzw. Bestückung des Statorblechpakets 40 dar. Die beiden gezeigten Formspulen 44 bilden Teil der Bewicklung einer von sechs Phasen. Beide Formspulen 44 sind jeweils aus vier Nutbahnabschnitten 48 zusammengesetzt. Jeweils zwei Nutbahnabschnitte bzw. ein Teil davon, nämlich die Nutschenkel 66, sind in einer der Nuten 42 aufgenommen. Für die Nutbahnabschnitte wird hier der Einfachheit halber dasselbe Bezugszeichen, nämlich 48, genommen, obwohl die Nutbahnabschnitte 48 sich aber in einigen Details unterscheiden, wie schon in 4 erkennbar ist.
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Jeder Nutbahnabschnitt 48 weist zumindest auch einen Wickelkopfteilabschnitt 50 auf, die jeweils außerhalb der Nuten 42 angeordnet sind. Jeweils zwei Wickelkopfteilabschnitte 50 sind zu einem Wickelkopfabschnitt 52 zusammengesetzt. Diese Zusammensetzung wird durch Verschweißung an der Schweißnaht 54 erreicht.
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Es ist zu erkennen, dass die Wickelkopfabschnitte 52 den Verbindungsabschnitt 46 sehr stark ähneln. Die beiden Unterschiede bestehen im Grunde nur darin, dass der Verbindungsabschnitt 46 an Verbindungsbeinen 56 jeweils an einen Nutbahnabschnitt befestigt, nämlich angeschweißt sind. Und im Ergebnis ergibt sich daraus auch als zweiter Unterschied, dass der Verbindungsabschnitt 46 keine Schweißnaht aufweist, wie die Schweißnaht 54 der Wickelkopfabschnitte 52.
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5 und 6 zeigen nun jeweils einen Nutbahnabschnitt 48. Die 5 weist dabei einen Wickelkopfteilabschnitt 50 sowie einen Anschlussbereich 58 auf. An dem Anschlussbereich 58 ist eine Verbindung zu einem Verbindungsabschnitt 46 herzustellen bzw. bei der letzten Formspule wird dort ein Anschluss zum elektrischen Anschließen des Generators vorsehbar sein.
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Der Nutbahnabschnitt 48 der 6 weist zwei Wickelkopfteilabschnitte 50 auf, die jeweils mit einem Wickelkopfteilabschnitt eines weiteren Nutbahnabschnitts zu verbinden sind, nämlich einmal mit dem der 5 und zum anderen mit dem der 8.
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7 zeigt dann die beiden Nutbahnabschnitte 48 der 5 und 6 zusammengesetzt. Sie sind dafür in ihren beiden Wickelkopfteilabschnitten 50 an der Schweißnaht 54 verschweißt. Entsprechend entsteht dort auch der Wickelkopfabschnitt 52.
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8 und 9 zeigen ebenfalls zwei Nutbahnabschnitte 48 und hier weist der Nutbahnabschnitt 48 der 8 zwei Wickelkopfteilabschnitte 50 auf und der Nutbahnabschnitt 48 der 9 weist nur einen Wickelkopfteilabschnitt 50 auf.
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10 zeigt die Verbindung dieser beiden Nutbahnabschnitte 48 der 8 und 9. Auch hier erfolgt die Verbindung bei der Schweißnaht 54, so dass ein stabiles Gesamtteil entsteht und auch der Wickelkopfabschnitt 52 entsteht.
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Diese beiden Teilformspulen 60 der 7 und 10 werden dann zu einer Formspule 44 zusammengesetzt, wie die 11 zeigt. Dazu muss die in 11 rechts dargestellte Schweißnaht 54 vorgenommen worden.
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Die Formspule 44 zeigt im Bereich ihrer drei Wickelkopfabschnitte 52, nämlich zwei im linken Bereich der 11 und einer im rechten Bereich der 11, zwei abgesenkte Bereiche 62. Dieser abgesenkte Bereich 62 ist in der 11 auf der linken Seite sehr gut zu erkennen und er ist in der rechten Seite nur schwer zu erkennen, weil er von einem Teil eines Nutbahnabschnitts abgedeckt wird. Dieser abgesenkte Bereich 62 wird durch einen Umlenkabschnitt 64 erreicht. Dieser Umlenkabschnitt 64 lenkt den betreffenden Nutschenkel 66 des betreffenden Nutbahnabschnitts 48 entsprechend nach unten ab. Als Nutschenkel 66 wird hierbei, und nicht nur bei der gezeigten Ausführungsform, der Teil des Nutbahnabschnitts bezeichnet, der als gerader Abschnitt in der jeweilige Nut liegt. Von hier aus lenkt der Umlenkabschnitt 64 den Nutbahnabschnitt im Grunde um eine Breite des Nutschenkels 66 nach unten ab.
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Der Zweck kann wohl am besten in der 4 erkannt werden. 4 zeigt zwei eingesetzte Formspulen 44, die beide zu derselben Phase gehören. Im vollständig bestückten bzw. bewickelten Zustand des Stators 40 liegen in demselben Bereich 6-mal so viele Formspulen 44. Liegt gemäß 4 die erste Formspule 44 in der ersten Nut N1 und der siebten Nut N7, läge eine Formspule 44, die hier nicht gezeigt ist, einer nächsten Phase in der zweiten Nut N2 und der achten Nut N8. Um diese Ausgestaltung zu realisieren, muss diese nicht gezeigte Formspule 44 die in der ersten und siebten Nut N1 und N7 gezeigte Formspule 44 bei dem abgesenkten Bereich 62 gekreuzt werden. Dies wird durch diese Absenkung des abgesenkten Bereichs 62 ermöglicht.
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Es ist erkennbar, dass somit zunächst alle Formspulen 44, also nicht nur die der ersten Phase, sondern aller Phasen, eingesetzt werden, um anschließend die Formspulen der jeweiligen Phasen durch die Verbindungsabschnitte 46 zu verbinden.
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Im Übrigen ist zur besseren Übersichtlichkeit in 12 die Anordnung der beiden Formspulen 44 zusammen mit dem Verbindungsabschnitt 46 ohne das Statorblechpaket 40 gezeigt.
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Die in den Figuren dargestellte Formspule, nämlich Blechspule, hat zwei Windungen. Sie besteht deshalb innerhalb einer Nut aus zwei Blechbahnen, z.B. zu je 6mm. Es kann auch eine Spule mit z.B. fünf Windungen in der beschriebenen Technik realisiert werden, indem in einer Nut fünf Blechbahnen je 3mm liegen.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist, statt Draht Blech zu verwenden und die gut automatisierbaren Verfahren Lasern, oder Wasserstrahlschneiden, Kanten und Schweißen zu verwenden.
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Es wurde auch erkannt, dass man mit Aluminium bei einer vorhandenen Nutengeometrie durch die Füllgradverbesserung denselben elektrischen Widerstand wie mit Runddrähten erreichen kann. Mit Blechspulen aus Kupfer könnte man insgesamt kleiner bauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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