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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorjochs einer elektrischen Maschine. Die Erfindung beschreibt ferner ein Rotorjoch; einen Generator; und eine Windturbine.
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Eine elektrische Maschine wie ein Windturbinengenerator kann eine große Anzahl von Magneten oder Magnetpolen umfassen. Bei einem Direktantriebsgenerator wird ein äußeres Rotorjoch verwendet, um eine Anordnung von Permanentmagneten zu tragen, die über einen schmalen Luftspalt zu einem inneren Stator nach innen gewandt sind. Die Permanentmagnete müssen an dem Körper des Rotorjochs starr befestigt sein. Während eines normalen Betriebs der elektrischen Maschine wirkt die resultierende Kraft auf einen Magneten, um ihn in die Richtung des Rotorjochs zu ziehen, d. h. weg von dem Stator. Diese resultierende Kraft ist die Summe der verschiedenen Kräfte, die auf den Magneten wirken. Unter bestimmten ungünstigen Bedingungen kann die resultierende Kraft, die auf einen Magneten wirkt, die Richtung umkehren, sodass der Magnet stattdessen zu dem Stator gezogen wird. Wenn der Betrag der Umkehrkraft ausreichend groß ist, kann sich der Magnet sogar von dem Rotorjoch lösen. Die großen resultierenden Kräfte können auch zu einer Verformung des Rotorjochs führen, was in einer signifikanten Verringerung des bereits sehr schmalen Luftspalts resultiert.
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Eine Art, die Magneten an das Rotorjoch zu sichern ist es, einen Magnet unter Verwendung einer Schraube oder eines Bolzens, die/der durch den Körper des Rotorjochs hindurchgeht und sich in den Körper des Magneten erstreckt, an dem Rotorjoch zu befestigen. Jedoch ist dieser Lösungsansatz notwendigerweise mit einer Verringerung der Leistung des Magnets assoziiert, da ein Teil des Magnetkörpers „geopfert” werden muss, um die Schraube oder den Bolzen aufzunehmen. Ferner sind die Magneten selbst im Allgemeinen nicht sehr dick, und das Ausmaß, in dem die Schrauben den Magneten durchdringen, sollte so niedrig wie möglich gehalten werden, sodass dieser Lösungsansatz nicht sehr verlässlich ist. Wenn er großen Magnetkräften ausgesetzt wird, kann ein Magnet von seiner/seinen Halteschraube(n) wegbrechen, was zu einem Versagen der elektrischen Maschine führt. Solche Magnetkräfte können während einer Kurzschlussbedingung entstehen oder im Fall eines sehr schmalen Luftspalts. In einer solchen Situation wirken die resultierenden Kräfte, um die Magneten zu den Statorwicklungen zu ziehen, im Gegensatz zu der normalen resultierenden Kraft, die wirkt, um den Magnet wie oben erklärt in die Richtung des Rotorjochs zu ziehen.
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In einem alternativen Lösungsansatz ist jeder Magnet oder Magnetpol an einer/einem breiteren Basis oder Träger angebracht und der Träger wird in eine Nut oder einen Schlitz eingeführt, die/der in dem Rotorjoch eingearbeitet ist. Der Schlitz ist geformt, um die Basis oder den Träger zu halten ohne jegliche Befestigungsmittel wie Schrauben und Bolzen zu benötigen. Stattdessen kann der Magnetpol an den Träger geklebt werden. Wenngleich dieser Lösungsansatz viele Vorteile aufweist, kann die Geometrie des bearbeiteten Rotorjochs unter den oben beschriebenen Extremsituationen zu Problemen führen. Der dünnere Rotorjochkörper (aufgrund des Entfernens von Material, um die Träger aufzunehmen) ist möglicherweise nicht stark genug, um Kräften zu widerstehen, die wirken, um die Magneten zu dem Stator zu ziehen. Als Resultat kann sich das Rotorjoch verformen. Sogar eine leichte Verformung kann genug sein, um in einem katastrophalen Versagen zu resultieren, beispielsweise wenn ein Magnet mit den Wicklungen kollidiert.
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Insbesondere im Fall von Windturbinengeneratoren an entlegenen Stellen wie Offshore-Windparks ist es wichtig, Ausfallszeiten zu vermeiden, die in einem Ertragsverlust resultieren, und es ist auch wichtig, Situationen zu vermeiden, die eine kostenintensive Wartung und Reparaturen erfordern.
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Es ist daher ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten Rotorjochentwurf bereitzustellen, der die oben beschriebenen Probleme vermeidet.
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Dieses Ziel wird das Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen eines Rotorjochs; durch das Rotorjoch nach Anspruch 5; durch den Generator nach Anspruch 11; und durch die Windturbine nach Anspruch 12 erreicht.
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Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren zum Herstellen eines Rotorjochs einer elektrischen Maschine die Schritte des Bestimmens einer nominalen Dicke für das Rotorjoch; des Bestimmens einer zusätzlichen Dicke für eine Rotorjochverstärkungsstruktur; des Bereitstellens einer Rotorwalze mit einer Wanddicke, die die nominale Jochdichte um die zusätzliche Dicke übersteigt; und des Entfernens von Material von der Rotorwalze, um ein Rotorjoch zu erhalten, das eine ringförmige Anordnung von Magnetschlitzen und Rotorjochverstärkungsstrukturen umfasst, worin eine Rotorjochverstärkungsstruktur zwischen angrenzenden Magnetschlitzen ausgebildet ist und sich von dem Rotorjoch nach außen erstreckt.
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Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, dass es verwendet werden kann, um ein Rotorjoch zu erhalten, das robuster ist als die in der Einführung beschriebenen bekannten Arten von Rotorjochen. Die durch die Verstärkungsstrukturen gebotene zusätzliche mechanische Stärke kann genug sein, um eine Verformung des Rotorjochs während des Betriebs der elektrischen Maschine zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, dass die Rotorjochverstärkungsstrukturen ohne jeglichen signifikanten zusätzlichen Aufwand bei dem Herstellungsprozess als ein Teil des Rotorjochs ausgebildet werden können.
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Gemäß der Erfindung wird das Rotorjoch zur Verwendung in einem Generator umgesetzt und umfasst eine ringförmige Anordnung von Magnetschlitzen. Das Rotorjoch gemäß der Erfindung ist durch eine ringförmige Anordnung von Rotorjochverstärkungsstrukturen gekennzeichnet, worin sich eine Rotorjochverstärkungsstruktur von der Oberfläche des Rotorjochs nach außen erstreckt und zwischen angrenzenden Magnetschlitzen ausgebildet ist, sodass eine maximale Rotorjochdicke eine nominale Rotorjochdicke um die zusätzliche Dichte einer Rotorjochverstärkungsstruktur übersteigt.
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Ein Vorteil des Rotorjochs gemäß der Erfindung ist, dass die Rotorjochverstärkungsstrukturen die mechanische Stärke des Rotorjochs im Vergleich zu einem Rotorjoch des Stands der Technik mit den gleichen Basisabmessungen signifikant erhöhen. Wie oben angezeigt, ist diese hinzugefügte Stärke in kritischen Situationen vorteilhaft, beispielsweise kann sie eine Verformung des Rotorjochs aufgrund einer Umkehr der Richtung der Kräfte, die auf die Magneten wirken, verhindern. Solch eine Kraftrichtungsumkehr kann auftreten, wenn der Luftspalt schmäler ist als er sein sollte (beispielsweise aufgrund von Herstellungstoleranzen oder einer Ovalisierung des Rotorjochs), sodass die Magnetpole anstatt zu dem Rotorjoch zu dem Stator gezogen werden. Die Verstärkungsstrukturen des erfindungsgemäßen Rotorjochs stellen genug zusätzliche Stärke bereit, um solchen Kräften zu widerstehen, wodurch eine Verformung des Rotorjochs und/oder ein Ablösen der Magnete verhindert werden.
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Gemäß der Erfindung umfasst der Generator ein solches Rotorjoch, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird. Der Generator wird bevorzugt zur Verwendung in einer Windturbine umgesetzt.
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Ein Vorteil des Generators gemäß der Erfindung ist, dass das robuste und stabile Rotorjoch sogar unter Umständen, die sonst ein Abschalten nach sich ziehen würden, und/oder Umständen, die erfordern würden, dass Wartungsvorgänge durchgeführt werden, weiter arbeiten kann. Beispielsweise sollte der Luftspalt zwischen Anker und Feld sehr schmal sein, üblicherweise nur in der Größenordnung von einigen wenigen Millimetern. Jedoch sollte er nicht zu klein sein; sonst können die Kräfte, die wirken, um die Magneten in die Richtung des Stators zu ziehen, stärker werden als die Kräfte, die in die Richtung des Rotorjochs wirken. Bei dem Generator gemäß der Erfindung behält das verstärkte Rotorjoch seine Form sogar unter solchen ungünstigen Bedingungen bei und der Generator kann weiter arbeiten. Ein weiterer Vorteil des Generators gemäß der Erfindung ist, dass das Reluktanz-Drehmoment des Generators wegen des hinzugefügten Materials der Rotorjochverstärkungsstrukturen erhöht wird. Die Erhöhung des Reluktanz-Drehmoments resultiert in einer günstigen Erhöhung des gesamten Drehmoments, was dadurch zu einem erhöhten Leistungsausgang des Generators führt.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Windturbine solch einen Generator und umfasst daher auch ein Rotorjoch, das auf die oben erklärte Weise verstärkt ist. Bevorzugt ist die Windturbine eine Direktantriebswindturbine, für die der Generator einen Außenrotor umfasst, d. h. einen Rotor, der direkt durch die Drehwirkung der Rotorblätter angetrieben wird. Der Außenrotor ist um einen stationären Stator angeordnet, der eine Anordnung von Wicklungen oder Spulen trägt.
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Ein Vorteil der Windturbine gemäß der Erfindung ist, dass sie sogar unter Umständen, die sonst eine Abschaltung erfordern würden, weiter Leistung liefern kann, wie oben beschrieben. Solch eine Windturbine kann daher beispielsweise einen verbesserten Beitrag zu dem Ertrag eines Windparks leisten.
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Ferner können die Wartungskosten günstig verringert werden, da die erfindungsgemäße Windturbine weniger anfällig für ein Versagen ist.
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Besonders vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche gegeben, wie in der folgenden Beschreibung aufgezeigt wird. Merkmale unterschiedlicher Anspruchskategorien können wie geeignet kombiniert werden, um hierin nicht beschriebene weitere Ausführungsformen zu ergeben.
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Der Rotorentwurf gemäß der Erfindung kann auf eine beliebige Art von elektrischem Motor oder Generator angewandt werden. Das Konzept ist sowohl auf rotierende als auch auf sich linear bewegende ebene Maschinen anwendbar. Im Folgenden kann, ohne die Erfindung auf jegliche Art einzuschränken, angenommen werden, dass der Rotor ein Außenrotor einer elektrischen Maschine wie eines Direktantriebswindturbinengenerators ist. Ein Rotorjoch mit Schlitzen oder Nuten, um die Anordnung von Permanentmagneten zu halten, kann in einer Anzahl von Arten hergestellt werden. Üblicherweise beginnt der Vorgang mit einer weichmagnetischen Stahlrotorwalze mit einer einheitlichen Dicke. Material kann durch Bearbeiten entfernt werden, beispielsweise unter Verwendung von einem oder mehreren geeigneten Fräswerkzeugen, um die Nuten oder Schlitze auszubilden. Im Folgenden, jedoch ohne die Erfindung auf jegliche Art einzuschränken, kann angenommen werden, dass das Rotorjoch unter Verwendung solche eines Fräsvorgangs erhalten wird, um die Magnethalteschlitze und Rotorjochverstärkungsstrukturen auszubilden.
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Bei dem Generator gemäß der Erfindung ist ein Permanentmagnet bevorzugt auf einen Träger montiert, der breiter ist als der Magnet selbst. Bevorzugt wird dieser Träger in einen entsprechend geformten Schlitz eingeführt, der aus der Rotorwalze gearbeitet ist. Daher wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Magnetschlitz ausgebildet, um in einer Ebene, die normal zu der Rotationsachse des Rotor ist, einen T-förmigen Querschnitt zu umfassen, sodass der Magnetschlitz geformt ist, um eine Magnetbasis aufzunehmen, deren Breite eine Magnetbreite übersteigt.
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Bei einer elektrischen Maschine wie einem Generator üben die Magneten gemäß den Regeln des Elektromagnetismus Kräfte und Drehmomente aufeinander aus. Die Kräfte, die auf einen Magnet wirken, sind eine Kombination von vielen getrennten Kräften, beispielsweise die Kräfte, die aus einem beliebigen magnetischen Material, wie dem Eisen des Rotorjochs und des Stators; aus Magnetfeldern, die durch den Magnet selbst und seine benachbarten Magnete erzeugt werden; und aus den Magnetfeldern, die aus den Strömen resultieren, die durch die Statorwicklungen hindurchgehen, entstehen. Die resultierende Kraft auf einen Magnetpol kann als die Summe der Kräfte, die auf ihn wirken, betrachtet werden. Üblicherweise ist diese resultierende Kraft positiv, mit einer Richtung zu dem Rotorjoch. Jedoch können die resultierenden großen Wicklungsströme in einer Kurzschlusssituation, die entstehen könnte, wenn die Statorwicklungen aufgrund eines Wandler-Kurzschlussfehlers kurzgeschlossen werden, darin resultieren, dass diese resultierende Kraft einen negativen Wert aufweist, sodass der Magnet stattdessen in die entgegengesetzte Richtung gezogen wird, d. h. zu dem Stator. Anders gesagt ändert die resultierende Kraft die Richtung und wirkt stattdessen, um den Magnet zu dem Stator zu ziehen. Diese Umkehr der Richtung der resultierenden Kraft kann auch im Fall eines ungünstig schmalen Luftspalts auftreten. Der Rotor einer großen elektrischen Maschine wie eines Direktantriebswindturbinengenerators ist unter diesen Umständen anfällig für eine Verformung, da die Kräfte, die auf die Magneten wirken, sehr groß sind, aber der Körper des Rotorjochs relativ dünn ist. Ferner ist jeder Magnet auf eine Weise an einen Träger gesichert, der durch das Rotorjoch gehalten wird, beispielsweise durch eine Haftschicht, und die resultierende Kraft, die auf einen Magnet wirkt, wirkt daher auch auf die Haftbindung. Eine Umkehr der Kraftrichtung übt eine ungünstige Last auf solch eine Haftbindung aus. Beispielsweise kann eine resultierende Kraft, die wirkt, um den Magnet zu dem Stator zu ziehen, stark genug sein, um zu verursachen, dass die Haftbindung versagt, sodass ein Magnet oder Magnetpol sich von dem Träger ablösen kann, an den er geklebt war.
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Eine Rotorjochverstärkungsstruktur wird entlang einer Region zwischen zwei angrenzenden Magnetschlitzen ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Länge einer Rotorjochverstärkungsstruktur einer Magnetschlitzlänge. Da sich ein Magnetschlitz im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Rotors erstreckt, erstreckt sich die Rotorjochverstärkungsstruktur bevorzugt auch im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Rotors.
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Ein leistungsstarker Generator ist durch ein günstig hohes Maschinendrehmoment gekennzeichnet. Das Reluktanz-Drehmoment ist ein Faktor, der zu dem allgemeinen Drehmoment beiträgt und ist proportional zu der Differenz zwischen den Feldinduktivitäten entlang der q- und d-Achsen (im Allgemeinen als Lq und Ld bezeichnet) einer geeigneten Transformation wie der dq0-Transformation oder Park-Transformation, wie einem Fachmann bekannt sein wird. Experimente und Berechnungen die im Verlauf der Erfindung durchgeführt wurden, zeigten, dass die Verstärkungsstrukturen des Rotorjochs aufgrund des zusätzlichen Materials zu einer Erhöhung des Reluktanz-Drehmoments beitragen.
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Daher umfasst das Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Schritt des Bestimmens einer Form einer Rotorjochverstärkungsstruktur auf der Grundlage eines gewünschten Reluktanz-Drehmoments einer elektrischen Maschine, die dieses Rotorjoch enthalten soll.
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Wenn die Feldinduktivität entlang der q-Achse erhöht wird, ist das Ergebnis eine Erhöhung des gesamten Drehmoments. Ferner wird die erhöhte q-Achsen-Feldinduktivität (Lq) den Spitzenkurzschlussstrom verringern, da der Großteil des Stroms in die Richtung der d-Achse strömt und in entgegengesetzter Richtung zu dem Magnet ist. Daher wirken die Verstärkungsstrukturen des Rotorjochs gemäß der Erfindung, um den Spitzenkurzschlussstrom zu beschränken, wodurch die Kurzschlusseigenschaft der Magneten verbessert wird, d. h. die Fähigkeit der Magneten, einer Entmagnetisierung aufgrund eines exzessiven Spitzenstroms zu widerstehen.
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Eine Rotorjochverstärkungsstruktur kann eine beliebige geeignete Form aufweisen. Bevorzugt umfasst sie ausreichend Material, um die gewünschte Leistungsverbesserung zu bieten, während sie eine Form aufweist, die relativ einfach ist. Der Schritt des Bestimmens einer Form einer Rotorjochverstärkungsstruktur auf der Grundlage eines gewünschten Reluktanz-Drehmoments kann ausgeführt werden, indem ein geeignetes numerisches Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) angewandt wird.
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Die Form der Rotorjochverstärkungsstruktur ist auch bevorzugt ausgewählt, um die Herstellungskosten günstig niedrig zu halten. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Rotorjochverstärkungsstruktur daher in einer Ebene, die normal zu der Rotationsachse des Rotors ist, einen dreieckigen Querschnitt. Diese Form ist besonders einfach zu fräsen, während sie ausreichend „feste Masse” bietet, um fähig zu sein, die gewünschte Leistungsverbesserung zu erbringen. Alternativ dazu kann eine Rotorjochverstärkungsstruktur einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Diese Form bietet eine festere Masse als die dreieckige Form. Eine andere mögliche Umsetzung ist es, eine dreieckige Form mit einer viereckigen Form zu kombinieren, was in einer Rotorjochverstärkungsstruktur mit einem trapezoiden Querschnitt resultiert, die eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche und schräge Seiten aufweist.
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Die zusätzliche Dicke für die Rotorjochverstärkungsstruktur kann in einer beliebigen geeigneten Weise bestimmt werden. Diese wird dann zu der nominalen Rotorjochdicke hinzugefügt, um die Wanddicke der Rotorwalze zu erhalten, aus der das Rotorjoch gearbeitet werden wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Dicke der Rotorjochverstärkungsstruktur auf der Grundlage der Höhe bestimmt werden, um die sich der Magnet von der Rotorjochoberfläche nach außen erstreckt. Daher umfasst die zusätzliche Dicke in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung maximal 100% einer solchen Magnethöhe.
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Das Volumen der Rotorjochverstärkungsstruktur wird auch in gewissem Ausmaß von ihrer Breite abhängen. Die Fähigkeit der Rotorjochverstärkungsstruktur, den Kräften, die wirken, um den Rotor zu verdrehen, entgegenzuwirken, hängen wiederum von ihrem Volumen ab. Die Rotorjochverstärkungsstruktur kann im Wesentlichen die Region zwischen zwei angrenzenden Magnetpolen „ausfüllen”, d. h. sie kann maximal so breit sein wie der Streifen zwischen zwei angrenzenden Magnetpolen. Alternativ dazu kann die Rotorjochverstärkungsstruktur schmäler sein als der Abstand zwischen angrenzenden Magnetschlitzen. Bevorzugt ist die Verstärkungsstruktur weder zu breit noch zu hoch, da sich ein Magnetlecken (und die allgemeine Leistung) verschlechtern kann, wenn die Verstärkungsstruktur zu nahe zu einem benachbarten Magnet und/oder zu nahe zu dem Luftspalt ist.
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Die Rotorjochverstärkungsstruktur kann einen symmetrischen Querschnitt aufweisen, wie in den oben angegebenen Beispielen. In diesen Umsetzungen sind sämtliche Magnetkräfte zwischen den Rotorjochverstärkungsstrukturen und den benachbarten Magneten auch symmetrisch und gleichen einander daher aus. Jedoch können die Anziehungskräfte zwischen einer Rotorjochverstärkungsstruktur und einem Magnet in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gut verwendet werden. Beispielsweise kann die Rotorjochverstärkungsstruktur einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen, sodass die Anziehungskräfte zwischen einer Rotorjochverstärkungsstruktur und einem Magnet nicht ausgeglichen werden. Während einer kritischen Situation, wie sie aus einem ungünstig schmalen Luftspalt wie oben beschrieben entstehen könnte, kann die resultierende Seitenkraft die Kraft verringern, die wirkt, um die Haftbindung zwischen einem Magnetpol und seinem Träger zu brechen, sodass die Haftschicht weniger anfällig ist, zu versagen.
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Indem die Parameter der Rotorjochverstärkungsstruktur wie oben beschrieben ausgewählt werden, kann eine optimale Auswahl von Höhe, Breite und Form ein Rotorjoch bereitstellen, das fähig ist, sämtlichen Kräften zu widerstehen, die sonst zu einer Verformung und einem Versagen der elektrischen Maschine führen würden. Die Auswahl der Parameter kann als ein Kompromiss betrachtet werden, da die gewünschten Verbesserungen zu Lasten einer dickeren Rotorwalze erhalten werden, die zu den allgemeinen Kosten des Generators beitragen kann. Jedoch können die Vorteile von erhöhter mechanischer Stärke, erhöhtem Reluktanz-Drehmoment, verlängerter Generatorlebensdauer usw. gegenüber dem Nachteil sämtlicher Kosten, die die dickere Rotorwalze und zusätzliche Bearbeitungsschritte betreffen, signifikant überwiegen.
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Andere Objekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden sich aus den folgenden ausführlichen Beschreibungen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erwägt werden, erschließen. Es soll jedoch verständlich sein, dass die Zeichnungen lediglich zum Zweck der Veranschaulichung und nicht als eine Definition der Beschränkungen der Erfindung entworfen sind.
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1 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 1;
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3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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5 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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6 veranschaulicht eine Stufe in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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7 veranschaulicht eine kritische Situation, die aus einem Rotorjoch gemäß dem Stand der Technik resultiert;
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8 veranschaulicht eine kritische Situation, die aus einem Rotorjoch gemäß dem Stand der Technik resultiert.
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In den Diagrammen verweisen gleiche Zahlen überall auf gleiche Objekte. Objekte in den Diagrammen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. In den meisten Diagrammen ist das Rotorjoch zum Zwecke der Einfachheit flach gezeigt. In Wirklichkeit weist ein Rotorjoch einer großen elektrischen Maschine – wie einem Windturbinengenerator – einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Metern auf.
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1 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Es kann angenommen werden, dass das Rotorjoch 1 der Außenrotor einer elektrischen Maschine ist. Hier wurde das Rotorjoch 1 bearbeitet, um T-förmige Schlitze auszubilden. Ein Magnetpol M ist an einen Träger 2 gesichert, der in einen T-förmigen Schlitz eingeführt werden kann. Eine Rotorjochverstärkungsstruktur 10 wurde zwischen jedem Paar angrenzender Magnetschlitze ausgebildet. In dieser Ausführungsform weist eine Rotorjochverstärkungsstruktur 10 eine dreieckige Querschnittsform auf. Es kann angenommen werden, dass jede Rotorjochverstärkungsstruktur 10 im Wesentlichen dieselbe Länge wie ein Magnetpol M aufweist. Beispielsweise kann das Rotorjoch selbst eine Axiallänge von etwa 1,0–2,0 m aufweisen und kann entworfen sein, um eine ringförmige Anordnung von etwa 100 Magnetpolen M zu tragen. Jeder Magnetpol M kann eine Länge aufweisen, die sich der Axiallänge des Rotorjochs annähert. Demgemäß kann jede Rotorjochverstärkungsstruktur 10 so lang sein wie ihre benachbarten Magnetpole M. Während des Betriebs wirkt eine Anzahl von Kräften auf jeden Magnetpol M. Das Diagramm zeigt eine erste Kraft FR, die wirkt, um einen Magnetpol M zu dem Rotorjoch 1 zu ziehen und eine zweite Kraft FS, die wirkt, um den Magnetpol M zu dem Stator (nicht gezeigt) zu ziehen. Die Kraft FS, die wirkt, um den Magnetpol M zu dem Stator zu ziehen, entsteht als ein Ergebnis von Strömen in den Statorwicklungen und während eines normalen Betriebs der elektrischen Maschine ist diese Kraft FS niedriger als die Kraft FR, die wirkt, um einen Magnetpol M zu dem Rotorjoch 1 zu ziehen, sodass eine resultierende Kraft FN, die auf einen Magnetpol M wirkt, auch in die Richtung des Rotorjochs 1 wirken wird. In diesem und den folgenden Diagrammen sind die Kraftvektoren stark vereinfacht und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet und dienen nur, um das zugrundeliegende Prinzip der Erfindung zu veranschaulichen.
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7 und 8 veranschaulichen, was während einer kritischen Situation geschehen kann, bei der die resultierende Kraft ihre Richtung verändert, sodass stattdessen eine umgekehrte resultierende Kraft FN' wirkt, um den Magnetpol M in die Richtung des Stators zu ziehen. Dies kann beispielsweise während einer Kurzschlusssituation auftreten. Die Ströme durch die Wicklungen können während solch eines Fehlers sehr groß sein, sodass die Kraft FS, die in die Richtung des Stators wirkt, jetzt signifikant größer ist als die Kraft FR, die in die Richtung des Rotorjochs 17 wirkt. 7 zeigt Magnetpole M, die unter Verwendung von Befestigungsmitteln 170 in den Körper des Rotorjochs 17 nach dem Stand der Technik geschraubt sind. Während des oben beschriebenen Fehlers kann die resultierende Nettokraft FN' so groß sein, dass sie einen Magnetpol M von seinem Befestigungsmittel 170 wegzieht. Das Ergebnis ist ein kostenintensives Versagen der elektrischen Maschine. 8 veranschaulicht eine ähnliche kritische Situation, die aus einem Rotorjoch 18 nach dem Stand der Technik entsteht, bei dem die Magnetpole M, die in T-förmige Schlitze eingesetzt sind, die in dem Körper des Rotorjochs 18 ausgebildet sind, an Träger 180 geklebt sind. Auch hier kann die resultierende Kraft FN', die während eines Kurzschlussfehlers auftritt, so groß sein, dass sie die Haftkraft, die den Magnetpol M an seinem Träger 180 hält, übersteigt, sodass der Magnetpol M von dem Träger 180 gezogen wird. Die in 7 und 8 beschriebenen Versagensfälle können auch auftreten, wenn der Luftspalt der elektrischen Maschine zu eng ist. In diesem Fall können die magnetischen Kräfte, die in die Richtung des Stators auf einen Magnetpol wirken, (im Bereich des engen Luftspalts) größer sein als die magnetischen Kräfte, die in die Richtung des Rotorjochs wirken. Solch ein enger Luftspalt kann als ein Ergebnis von Herstellungstoleranzen auftreten oder wenn das Rotorjoch beispielsweise leicht ovalisiert ist. Die Magnetpole in dem „flacheren” Teil des Rotorjochs werden immer dem erhöhten Zug in die Richtung des Stators ausgesetzt sein und können letztlich von ihrem Träger oder Befestigungsmittel wegbrechen. Wenn die Magnetpolkonstruktion des Rotorjochs 18 nach dem Stand der Technik stark genug ist, um einem Versagen zu widerstehen, kann die umgekehrte resultierende Kraft FN' stattdessen zu einer Verformung des Rotorjochs 1 führen. Dies kann aufgrund des dünneren Rotorjochkörpers geschehen, von dem Material entfernt wurde, um die Magnetpolträger 180 aufzunehmen.
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Die Rotorjochverstärkungsstruktur 10 des Rotorjochs 1 gemäß der Erfindung wirkt, um solch ungünstigen Kräften, die auf die Magnetpole M und/oder das Rotorjoch 1 wirken, zu widerstehen. Bei einem Kurzschlussfehler kann die Rotorjochverstärkungsstruktur 10 genug mechanische Stärke bereitstellen, um einer Verformung des Rotorjochs 1 zu widerstehen. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 1. Das Diagramm zeigt die nominale Rotorjochdicke hNR und die zusätzliche Dicke h10 für die Rotorjochverstärkungsstruktur 10. Eine optimale Querschnittsform wird bestimmt, um ein gewünschtes Reluktanz-Drehmoment und die gewünschte mechanische Stärke zu liefern. Dies kann erreicht werden, indem ein numerisches Verfahren wie FEM verwendet wird, um eine geeignete Höhe h10 der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 relativ zu der Höhe hM eines Magnetpols M und eine mittlere Breite w10 der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 zu bestimmen. Die Masse der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 bestimmt ihre Wirksamkeit beim Erreichen der oben genannten Ziele und hängt mit ihrem Volumen zusammen, das wiederum ein Ergebnis der (mittleren) Querschnittsfläche und der Axiallänge der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 ist. Die dreieckige Form der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 in dieser Ausführungsform ist im Allgemeinen am einfachsten zu bearbeiten, z. B. in einem Fräsvorgang.
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3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hier ist die Querschnittsform der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 rechteckig, daher stellt sie hinsichtlich jeglicher Einschränkungen in Bezug auf die maximale Höhe h10 für eine solche Struktur die größtmögliche Masse bereit.
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4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Hier ist die Querschnittsform der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 trapezoid. In einer abgeflachten Version der in 2 gezeigten Rotorjochverstärkungsstruktur 10 kann diese Umsetzung erreicht werden, indem eine Rotorjochwalze mit einer kleineren nominalen Dicke verwendet wird. Alternativ dazu kann unter Verwendung einer Rotorjochwalze mit derselben nominalen Dicke wie bei 2 die Rotorjochverstärkungsstruktur 10 stattdessen gefräst werden, um steilere schräge Seiten und eine flache Oberseite aufzuweisen.
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5 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Rotorjoch 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Hier ist die Querschnittsform der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 asymmetrisch. In dieser beispielhaften Ausführungsform resultiert die asymmetrische Form der Rotorjochverstärkungsstruktur 10 auf jeder Seite eines Magnetpols M in einer kleineren magnetischen Kraft F1, die zu der linken Seite des Diagramms wirkt und einer größeren Kraft F2, die zu der rechten Seite wirkt. Während eines Betriebs des Generators passiert der Magnetpol M aufeinanderfolgend Wicklungen, wobei jede Wicklung einen Wicklungsstrom I (als ein Vektor angezeigt, der aus der Seite herauskommt) trägt. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnet M und einem Ankerrückwirkungsfeld aufgrund des Wicklungsstroms I resultiert in einem tangentialen elektromagnetischen Kraft F0 mit einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Rotorjochs 1 und seiner Magnete M ist, und das Energie zwischen dem mechanischen und dem elektrischen System überträgt. Während einer kritischen Situation wie oben beschrieben, wie eines Kurzschlussfehlers, könnte die tangentiale elektromagnetische Kraft F0 so groß sein, dass sie eine Haftbindung zwischen einem Magnetpol M und Träger 2 schädigt. Jedoch mildert die Summe der Kräfte F1, F2 bei dem Rotorjoch 1 gemäß der Erfindung die Wirkung der tangentialen elektromagnetischen Kraft F0, sodass eine Haftschicht (oder ein anderes verbindendes Mittel), die den Magnetpol M an dem Träger 2 hält, keiner übermäßigen Belastung ausgesetzt ist. Diese Wirkung wird zusätzlich zu der Erhöhung der mechanischen Stärke des Rotorjochs 1 erreicht.
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6 veranschaulicht eine Stufe in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine zylindrische Rotorjochwalze 1B wird bearbeitet, um Magnetschlitze 11 und Rotorjochverstärkungsstrukturen 10 auszubilden. Das Diagramm zeigt, dass die anfängliche Dicke der Rotorjochwalze 1B die Summe aus einer nominalen Dicke hNR und einer zusätzlichen Dicke h10 umfasst. Die nominale Dicke hNR ist aus dem Rotorjoch 18 nach dem Stand der Technik von der oben in 8 beschriebenen Art bekannt. Die zusätzliche Dicke h10 gestattet die Herstellung eines verstärkten Rotorjochs 1 gemäß der Erfindung mit einer ringförmigen Anordnung von Rotorjochverstärkungsstrukturen 10, die die mechanische Stärke des Rotorjochs 1 erhöhen, indem sie ihm dabei helfen, während kritischer Situationen einer übermäßigen Belastung zu widerstehen, und die die Leistung der elektrischen Maschine aufgrund des erhöhten Reluktanz-Drehmoments verbessern.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in der Form von bevorzugten Ausführungsformen und Variationen daran offenbart wurde, wird verständlich sein, dass daran zahlreiche zusätzliche Modifikationen und Variationen ausgeführt werden könnten, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnten, anstatt eine dickere Rotorwalze zu fräsen, um die Rotorjochverstärkungsstrukturen auszubilden, diese zwischen angrenzenden Magnetschlitzen durch Schweißen oder anderes Sichern von angemessen geformten Elementen auf die Rotorjochoberfläche ausgebildet werden.
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Im Sinne der Klarheit soll verständlich sein, dass die Verwendung von „ein” oder „eine” überall in dieser Anmeldung eine Vielzahl nicht ausschließt und dass „umfassend” andere Schritte oder Elemente nicht ausschließt.
