DE102016107768A1

DE102016107768A1 - Mehrschichtige Zylinderstruktur

Info

Publication number: DE102016107768A1
Application number: DE102016107768.2A
Authority: DE
Inventors: Stuart Bradley
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2016-11-03
Also published as: US20160322880A1; BR102016009612A2; GB2537905A; FR3035753A1; CN106451839A; CA2928194A1; GB201507407D0

Abstract

Es ist eine mehrschichtige Zylinderstruktur (100) zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem beschrieben. Die Struktur enthält einen steifen Außenring (104), einen steifen Innenring (102), der zu dem steifen Außenring (104) konzentrisch und im Inneren desselben positioniert ist, und einen Dämpfungszwischenring (106), der zwischen dem steifen Außenring (104) und dem steifen Innenring (102) positioniert ist. Der Zwischenring (106) kann ein Polymer enthalten, und die steifen Ringe (102, 104) können ein Metall enthalten. Der steife Innenring (102) kann Ausnehmungen (408) zur Aufnahme von Statorkomponenten des Energieerzeugungssystems enthalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Energieerzeugung. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine mehrschichtige Zylinderstruktur zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Stromgenerator.
HINTERGRUND
Große Direktantriebs-Permanentmagnetgeneratoren werden verwendet, um Strom in Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, zu erzeugen. Diese Direktantriebs-Permanentmagnetgeneratoren enthalten sperrige und schwere Statorstrukturen oder -rahmen.
Die groß ausgelegten Statorrahmen müssen Betriebslasten, einschließlich Stößen, Torsion und Schwingungen, widerstehen. Herkömmliche Statoren sind zuweilen nicht in der Lage, die Eingangslasten in der erforderlichen Weise aufzunehmen und schwingen unerwünscht in Resonanz mit. Eine unerwünschte Resonanzschwingung kann insbesondere dann entstehen, wenn der Stator gar leicht fehlausgerichtet oder seine Masse falsch verteilt ist.
Die unerwünschte Resonanzschwingung kann wenigstens zu einer intermittierenden Lärmbelästigung für eine Umgebung, in der der Generator eingesetzt wird (z.B. ein städtisches Umfeld oder eine ländliche Region) führen und kann im Laufe der Zeit Generatorkomponenten und innere Generatorverbindungen beschädigen.
Versuche, um diese Probleme zu mindern, umfassen die Hinzunahme von Versteifungsmitteln oder Masse zu dem Stator in strategischer Weise, um die Statorfestigkeit und -steifigkeit zu erhöhen. Es kann ein relativ großes kreisförmiges Teil hinzugefügt werden, das z.B. einen Durchmesser von vielen Metern haben kann.
Ein Nachteil dieser Lösungsansätze liegt in hohen Ausgaben für Materialien und Teile (z.B. Versteifungsmittel oder Masse) bei der Herstellung oder Anschaffung. Eine Installation kann auch hinsichtlich der Werkzeugbereitstellung, Energie und Zeit kostspielig sein, da das neue Teil für eine Verbindung exakt neben existierenden Komponenten positioniert und abgestimmt werden muss. Eine zusätzliche Masse kann auch die nachfolgende Effizienz und Beweglichkeit des Systems reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bei den gegebenen vorstehenden Unzulänglichkeiten besteht ein Bedarf nach einem Stator oder einer dem Stator benachbarten Komponente zur Verwendung in einem Direktantriebs-Permanentmagnetgenerator oder anderen elektrischen Maschinentopologien, wie beispielsweise Synchronmaschinen, um eine unerwünschte Resonanz zu beseitigen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine mehrschichtige Zylinderstruktur zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem bereit. Die mehrschichtige Zylinderstruktur weist auf: einen steifen Außenring; einen steifen Innenring, der einen kleineren Durchmesser aufweist, im Innern des steifen Außenrings und konzentrisch zu diesem positioniert ist; und einen Dämpfungszwischenring, der zwischen dem steifen Außenring und dem steifen Innenring positioniert ist.
In der zuvor erwähnten mehrschichtigen Zylinderstruktur kann der Zwischenring ein Polymer enthalten.
Alternativ kann der Zwischenring ein Polymerharz enthalten.
Zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann wenigstens einer von dem steifen Außenring und dem steifen Innenring ein Metall enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann wenigstens einer von dem steifen Außenring und dem steifen Innenring Stahl enthalten.
Die mehrschichtige Zylinderstruktur einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner aufweisen: einen steifen inneren Ring, der benachbart zu dem steifen Innenring und in Kontakt mit diesem angeordnet ist; und einen inneren Dämpfungsring, der zwischen dem steifen inneren und dem steifen Außenring und in Kontakt mit diesen angeordnet ist.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten mehrschichtigen Zylinderstruktur kann der steife Innenring Ausnehmungen zur Aufnahme von Statorkomponenten des Energieerzeugungssystems enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der mehrschichtigen Zylinderstruktur einer beliebigen vorstehend erwähnten Art können die Ringe eingerichtet sein, um ein Flächenträgheitsmoment von mehr als etwa 2m⁴ zu erreichen, wobei das Flächenträgheitsmoment des Stators durch I_x = π/2(r_o ⁴ – r_i ⁴) dargestellt ist, worin r_i ein Innenradius ist, gemessen zwischen dem steifen Innenring und einer Mittellinie des Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems im zusammengebauten Zustand, und r_o ein Außenradius ist, gemessen zwischen dem steifen Außenring und einer Mittellinie des Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems im zusammengebauten Zustand, ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative können die Ringe derart eingerichtet sein, dass eine erste Resonanz und eine zweite Resonanz um mehr als etwa 60% des Wertes der ersten Resonanz voneinander getrennt sind.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem bereit. Das Permanentmanget-Energieerzeugungssystem weist auf: einen Rotor; einen Stator, der benachbart zu dem Rotor positioniert ist; und eine mehrschichtige Zylinderstruktur, die mit dem Stator verbunden ist. Die mehrschichtige Zylinderstruktur weist auf: einen steifen Außenring; einen steifen Innenring; und einen Dämpfungszwischenring zwischen dem steifen Außenring und dem steifen Innenring.
In dem zuvor erwähnten Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem kann der steife Innenring kleiner als der steife Außenring sein, innerhalb des steifen Außenrings und konzentrisch zu diesem positioniert sein. Ferner kann der Dämpfungszwischenring zwischen dem steifen Außenring und dem steifen Innenring und in Kontakt mit diesen positioniert sein.
In dem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Zwischenring ein Polymer enthalten, und wenigstens einer von dem steifen Außenring und dem steifen Innenring kann ein Metall enthalten.
Jedes beliebige vorstehend erwähnte Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem kann ferner aufweisen: einen steifen inneren Ring, der benachbart zu dem steifen Innenring und in Kontakt mit diesem positioniert ist; und einen inneren Dämpfungsring, der zwischen dem steifen inneren Ring und dem steifen Außenring und in Kontakt mit diesen positioniert ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Stator Statorzähne enthalten, und der steife Innenring kann Ausnehmungen zur Aufnahme der Statorzähne enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines beliebigen vorstehend erwähnten Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems können die Ringe eingerichtet sein, um ein Flächenträgheitsmoment oberhalb von etwa 2m⁴ zu erreichen, wobei das Flächenträgheitsmoment des Stators durch I_x = π/2 (r_o ⁴ – r_i ⁴) dargestellt ist, wobei r_i ein Innenradius ist, gemessen zwischen dem Innenring und einer Mittellinie des Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems im zusammengebauten Zustand, und r_o ein Außenradius ist, gemessen zwischen dem Außenring und einer Mittellinie des Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems im zusammengebauten Zustand.
Zusätzlich oder als eine Alternative können die Ringe derart eingerichtet sein, dass eine erste Resonanz und eine zweite Resonanz um mehr als etwa 60% des Wertes der ersten Resonanz voneinander getrennt sind.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Zylinderstruktur zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem bereit. Das Verfahren weist auf: Positionieren eines steifen Außenrings benachbart zu einem steifen Innenring und rings um diesen; und Einbringen eines Dämpfungsmaterials zwischen den steifen Außenring und den steifen Innenring.
Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner nach dem Positionieren und vor dem Einbringen ein Verbinden des steifen Außenrings und des steifen Innenrings miteinander aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Verfahren ferner ein Positionieren des steifen Außenrings und des steifen Innenrings in einer Zylindergussform vor dem Einbringen des Dämpfungsmaterials aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Verfahren ferner ein Positionieren eines steifen inneren Ringes benachbart zu und zwischen dem steifen Außenring und dem steifen Innenring aufweisen, und das Einbringen des Dämpfungsmaterials zwischen den steifen Außenring und den steifen Innenring kann ein Einbringen des Dämpfungsmaterials sowohl zwischen den steifen Innenring und den steifen inneren Ring als auch zwischen den steifen inneren Ring und den steifen Außenring aufweisen.
Somit erfüllt die vorliegende Technologie die vorstehend in Bezug genommenen Bedürfnisse durch ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Zylinderstruktur, die, wenn sie in einem statorbasierten Stromgenerator eingesetzt wird, die gesamte Statormasse darin reduziert, ein Flächenträgheitsmoment des Stators erhöht und die schwingungsabsorbierenden Eigenschaften erhöht.
Das Statorsystem der vorliegenden Technologie kann den vorerwähnten Betriebslasten, einschließlich Stößen, Torsionen und Schwingungen, widerstehen, wodurch Systemlärm beseitigt und wenigstens weitgehend reduziert wird.
Das Herstellungsverfahren enthält in einigen Ausführungsformen ein Erzeugen gewünschter Komponenten und innerer Komponentenverbindungen unter Verwendung beliebiger der hierin beschriebenen Aufspannvorrichtungen, Formen, Ausrichtungswerkzeuge und Formgebungswerkzeuge. Die neue Struktur wird hergestellt, indem die erforderlichen Komponenten erzeugt oder erhalten, diese für eine Verbindung geeignet ausgerichtet und sie in dem Stromgenerator in Stellung gesichert werden.
Mit der vorliegenden Technologie ist der Ausrichtungsteilprozess relativ einfach. Außerdem ist die resultierende Struktur im Vergleich zu herkömmlichen Systemen für geringfügige Fehlausrichtungen, die bei der Herstellung, dem Transport, der Installation, dem Einsatz oder bei einer Instandhaltung entstehen, toleranter.
Das Verfahren umfasst ein Hinzunehmen einer mehrere Ebenen aufweisenden, relativ leichten Tragstruktur zu oder benachbart zu aktiven Statorteilen (z.B. Zahnwindungen). Die Struktur weist in einer Ausführungsform einen mehrschichtigen Stahl-Polymer(z.B. Polyurethan)-Stahl-(S-P-S-)Zylinder oder eine andere steife-dämpfende-steife(S-D-S-)Ringanordnung auf, der bzw. die eine primäre Statorkomponente bildet.
Der Zylinder kann als mehrschichtig bzw. laminiert bezeichnet werden, weil der Innenring (z.B. aus Stahl) durch den benachbarten schwingungsdämpfenden Ring – z.B. aus Polyurethanharz – beschichtet bzw. laminiert wird. Der Dämpfungsring wird wiederum durch den äußeren harten oder steifen Ring, der z.B. Stahl enthält, bei der Herstellung darin gehalten und während des Betriebs geschützt.
In einer alternativen Ausführungsform enthält die Struktur einen Stahl-Polyurethan-Stahl-Polyurethan-Stahl-(S-P-S-P-S-)Zylinder oder eine andere steife-dämpfende-steife-dämpfende-steife(S-D-S-D-S-)Ringanordnung. In einer besonderen Implementierung enthält die Anordnung eine relativ dicke innere Stahlschicht und zwei dünnere Stahllaminatschichten, die durch relativ dickere Polymerabschnitte voneinander getrennt sind.
Der Zylinder erhöht ein Flächenträgheitsmoment des Statorteils des Stromgenerators, ohne eine große Masse zu dem statorbasierten Generator hinzuzufügen. Selbst relativ geringe Erhöhungen des Flächenträgheitsmomentes des Statorteils des Stromgenerators erhöhen deutlich die Statorsteifigkeit.
Weitere Merkmale und Vorteile sowie der Aufbau und die Funktionsweise verschiedener Ausführungsformen sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Die Technologie ist nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Derartige Ausführungsformen werden hierin lediglich für veranschaulichende Zwecke dargeboten. Weitere Ausführungsformen werden für Fachleute auf dem (den) relevanten Gebiet(en) basierend auf den hierin enthaltenen Lehren offenkundig sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen können Formen in verschiedenen Komponenten und Anordnungen von Komponenten einnehmen. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht, in denen überall gleiche Bezugszeichen entsprechende oder ähnliche Teile in den verschiedenen Figuren anzeigen können. Die Zeichnungen sind lediglich für die Zwecke der Veranschaulichung beispielhafter Ausführungsformen vorgesehen und sollen nicht in einem die Technologie beschränkenden Sinne ausgelegt werden. Bei der gegebenen folgenden befähigenden Beschreibung der Zeichnungen werden spezifische Aspekte der vorliegenden Technologie für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein.
1 zeigt eine Perspektivansicht einer Zylinderstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der Zylinderstruktur, geschnitten entlang der Linie 2-2 in 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht, ähnlich derjenigen nach 2, einer alternativen Zylinderstruktur.
4 zeigt eine Querschnittsansicht der Zylinderstruktur, geschnitten entlang der Linie 4-4 in 1.
5 zeigt eine Querschnittsansicht, ähnlich 4, unter Veranschaulichung der Zylinderstruktur, wie sie mit weiteren Teilen eines Statorsystems zusammengebaut ist.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das Schritte zur Herstellung der Zylinderstruktur gemäß der vorliegenden Technologie veranschaulicht.
7 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht, ähnlich 2, die eine Stufe der Herstellung der Zylinderstruktur, in der eine Gussform verwendet wird, veranschaulicht.
8 zeigt eine verbesserte Schwingungsantwortkurve von einem Betrieb der vorliegenden Technologie im Vergleich zu einer Kurve eines herkömmlichen Systems.
9 zeigt eine Querschnittsansicht, ähnlich 4, einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
10 zeigt eine Querschnittsansicht, ähnlich 5, der Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Während beispielhafte Ausführungsformen hierin mit anschaulichen Ausführungsformen für bestimmte Implementierungen beschrieben sind, sollte verstanden werden, dass die Technologie nicht darauf beschränkt ist. Fachleute auf dem Gebiet mit Zugriff auf die hierin gelieferten Lehren werden weitere Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb deren Umfangs und zusätzliche Gebiete erkennen, in denen die hierin beschriebene Zylinderstruktur von beträchtlichem Nutzen sein würde.
Zylinderaufbauübersicht – Fig. 1
Indem nun auf die Figuren und insbesondere die erste Figur eingegangen wird, zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Zylinderstruktur 100 zur Verwendung bei einem Statorsystem eines Stromgenerators. Der Stromgenerator kann z.B. ein Direktantriebs-Permanentmagnetgenerator (DA-PMG) sein.
Die Zylinderstruktur 100 enthält eine innere Komponente oder einen Innenring 102, eine äußere Komponente oder einen Außenring 104 und eine dazwischen liegende Komponente oder einen Zwischenring 106. Der Zwischenring 106 ist in größeren Einzelheiten in den 2 und 4 veranschaulicht.
Die Zylinderstruktur 100 weist ein im Wesentlichen zylindrisches oberes Profil auf. Obwohl die Struktur 100 andere Außendurchmesser 108 aufweisen kann, ohne von der vorliegenden Technologie abzuweichen, weist die Struktur 100 in einer Ausführungsform einen Außendurchmesser zwischen etwa 3 und etwa 6 Metern auf. In einer Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser zwischen etwa 4 und 5 Metern, und in einer weiteren Ausführungsform ist der Außendurchmesser größer als 4 Meter.
Während die Struktur 100 andere Höhen 110 haben kann, ohne von der vorliegenden Technologie abzuweichen, weist die Struktur 100 in einer Ausführungsform eine Höhe 110 zwischen etwa 1 und 3 Metern und eine Dicke zwischen etwa 30 mm und etwa 150 mm auf.
Während die Ringe der Zylinderstruktur 100 andere Dicken haben können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Technologie abzuweichen, weist der Innenring 102 in verschiedenen Ausführungsformen eine Dicke (202 in 2) zwischen etwa 10 mm und etwa 50 mm auf, während der Außenring 104 eine Dicke (204 in 2) zwischen etwa 10 mm und etwa 50 mm aufweist und der Dämpfungszwischenring 106 eine Dicke (206 in 2) zwischen etwa 10 mm und etwa 50 mm aufweist.
Die vorliegende Zylinderstruktur 100 ist eingerichtet (z.B. sind die Ringe bemessen und positioniert und das Material ist ausgewählt), um ein Flächenträgheitsmoment des Status zu vergrößern. Das Flächenträgheitsmoment des Status kann durch I_x = π/2(r_o ⁴ – r_i ⁴) dargestellt werden, worin r_i ein Innenradius, gemessen zwischen einer Mittellinie des Stators (und somit auch der Mittellinie der Ringe und des Rotors) und dem Innenring 102, ist (wobei der Innenradius r_i in 5 mit 522 bezeichnet ist) und r_o ein Außenradius ist, gemessen zwischen einer Mittellinie des Stators (und so auch der Mittellinie der Ringe und des Rotors) und dem Außenrotor (wobei der Außenradius r_o in 5 mit 524 bezeichnet ist).
Als ein Beispiel für ein vergrößertes Flächenträgheitsmoment des Stators ist die Zylinderstruktur 100 derart eingerichtet, dass das Flächenträgheitsmoment oberhalb von etwa 2m⁴ liegt.
Quergeschnittene Seitenansicht und eispielhafte Materialien – Fig. 2
2 stellt eine Querschnittsansicht der Zylinderstruktur, geschnitten entlang der Linie 2-2 in 1, bereit. Der Innen- und der Außenring 102, 104 nach 1 sind durch einen Zwischenring 106 voneinander getrennt veranschaulicht. Während die Ringe mit anderen Bezeichnungen bezeichnet sein können, können der Innen- und der Außenring 102, 104 zur Erleichterung der Beschreibung als harte oder steife Ringe des Zylinders 100 bezeichnet werden, die aus Stahl, einem anderen Metall, einer Legierung, etc. hergestellt sind. Der Zwischenring 106 kann als ein Dämpfungsring oder ein weicher Ring bezeichnet werden, der weicher oder weniger steif als der harte/steife Ring ist.
Die Zylinderstruktur 100 kann ein beliebiges von vielfältigen Materialien enthalten, ohne dass von der vorliegenden Technologie abgewichen wird. Die inneren und/oder äußeren Zylinderkomponenten 102, 104 können ein Metall, wie beispielsweise Stahl, ein anderes Metall oder eine Legierung oder ein Nichtmetallmaterial enthalten.
Jeder harte Ring 102, 104 kann sich auf eine oder mehrere andere Weisen als die Durchmesser unterscheiden – z.B. können sie verschiedene Höhen, Dicken aufweisen und/oder verschiedene Materialien (z.B. Metalle oder Verbundwerkstoffe) enthalten.
Die Zylinderstruktur 100 ist in einigen Ausführungsformen zur Verwendung mit einem Stromgenerator mit Innenrotor eingerichtet. In diesen Ausführungsformen ist der Innenring 102 mit Statorteilen (z.B. Statorzähnen) verbunden, die dem Innenrotor benachbart und gegenüberliegend angeordnet sind. Die Anordnung ist in 5 veranschaulicht und nachstehend weiter beschrieben. In dieser Anordnung sind das Material und die Größe (z.B. Dicke) des Innenrings derart gewählt, dass der Innenring 102 den durch den Stator-/Rotorfluss erzeugten elektromagnetischen Kreis bei der Stromerzeugung während eines Betriebs des Generators in der erforderlichen Weise vervollständigen würde. In dieser Ausführungsform kann der Außenring 104 aus einem ziemlich dünnen Abschnitt – von z.B. zwischen etwa 10–50 mm, wie vorstehend erwähnt – hergestellt sein.
In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform ist die Zylinderstruktur zur Verwendung mit einem (nicht im Detail veranschaulichten) Stromgenerator mit Außenrotor eingerichtet. In dieser Ausführungsform ist der Außenring 104 mit Statorteilen (z.B. Statorzähnen) verbunden, die dem Außenrotor benachbart und gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Fall sind das Material und die Größe (z.B. Dicke) des Außenrings derart ausgewählt, dass der Außenring 104 den durch den Stator-/Rotorfluss bei der Stromerzeugung während eines Betriebs des Generators erzeugten elektromagnetischen Kreis in der erforderlichen Weise vervollständigen würde. In diesem Fall kann der Innenring 102 ebenfalls aus einem ziemlich dünnen Abschnitt – von z.B. zwischen 10–50 mm, wie erwähnt, – hergestellt sein.
Der Zwischenring 106 kann beliebige von sehr vielfältigen Materialien enthalten, ohne dass von der vorliegenden Technologie abgewichen wird. In einer Ausführungsform enthält der Zwischenring 106 ein Polyurethanharz. Der Zwischenring 106 kann ein anderes Polymer enthalten und als ein Polymerring 106 bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform enthält der Zwischenring 106 wenigstens eines von einem elastischen Polymer, einem Thermoplasten, einem duroplastischen Material und einem elastischen Material.
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Zwischenring 106 eine gießbare Metallmatrix oder verformbare Materialien, wie beispielsweise FIBERCORE^TM-Edelstahl oder eine axial verformbare Laminierung. FIBERCORE^TM ist ein ultraleichter Verbundwerkstoff mit Edelstahl, der von der Fibretech Gesellschaft erhältlich ist.
Das Material des Zwischenlinks 106 ist in einer Ausführungsform kaltgeformt, wie beispielsweise ein Kaltpolymerisat.
Faktoren zur Verwendung bei der Auswahl oder Erzeugung eines Materials für die Struktur des Zwischenrings 106 umfassen die Steifigkeit, das Gewicht, die Festigkeit und die Dämpfung oder die Fähigkeit, Energie, einschließlich mechanischer Schwingungen oder Lärm, zu absorbieren.
Alternative Ausführungsform mit mehreren Polymerringen – Fig. 3
3 zeigt eine Querschnittsansicht, ähnlich derjenigen von 2, einer alternativen Zylinderstruktur 300. Die Ausführungsform veranschaulicht den alternativen Zylinder 300, der mehr als einen einzigen Dämpfungsring 306, 310 (z.B. aus Polymer) und mehr als zwei steife Ringe 302, 304, 308 (z.B. aus Stahl) aufweist.
Die Ringe können ausgewählt sein, um verschiedene Größen und Materialien zu haben, um ein gewünschtes Verhalten zu erzielen.
Eine Dicke 312 wird zwischen einer äußeren und einer inneren Oberfläche gemessen. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke zwischen etwa 30 mm und etwa 170 mm.
In einer Implementierung des alternativen Zylinders 300 ist der Innenring 302 relativ dick, und die anderen beiden harten Ringe 304, 308 sind dünner – z.B. relativ dünnere Stahllaminatschichten. Wie bei der ersten Ausführungsform nach 2, etc., müssen alle harten Ringe nicht gleich sein – z.B. können sie verschiedene Größen haben und unterschiedliche Metalle oder Verbundstoffe enthalten – und jeder Dämpfungsring muss nicht die gleiche Größe oder das gleiche Material haben.
Die Ringe der Zylinderstruktur 300 können andere Dicken haben, ohne dass von dem Umfang der vorliegenden Technologie abgewichen wird. In verschiedenen Ausführungsformen weist der Innenring 302 eine Dicke 316 zwischen etwa 10 mm und etwa 50 mm auf, während der Außenring 304 eine Dicke 318 zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm aufweist, der äußerste Dämpfungsring 306 eine Dicke 320 zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm aufweist, der innerste Dämpfungsring 310 eine Dicke 324 zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm aufweist und der harte Zwischenring 308 eine Dicke 322 zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm aufweist.
In einer Ausführungsform sollte ein Verhältnis der Dicke des Polymers zu dem Außenring 304 maximiert sein. Der Außenring 304 ist zum Schutz des Zylinders 300, einschließlich eines Schutzes speziell für den äußeren Dämpfungsring 306, erforderlich.
Quergeschnittene Draufsicht unter Veranschaulichung von Schwalbenschwanznuten – Fig. 4 und Fig. 8
4 zeigt eine Querschnittsansicht der Zylinderstruktur, geschnitten entlang der Linie 4-4 in 1. Die Ansicht zeigt den steifen Innenring 102, den steifen Außenring 104 und den dazwischenliegenden Dämpfungsring 106. Die Ansicht zeigt ferne, wie eine Innenwand des Innenrings 102 eine Verbindungsgestalt oder -struktur 402 aufweist, die in 1 nicht im Einzelnen veranschaulicht ist, die jedoch als dort effektiv vorhanden angesehen werden kann.
Die Verbindungsgestalt oder -struktur 402 ist, um ein Beispiel zu nennen, als eine Schwalbenschwanznut gestaltet. Andere mögliche Verbindergestalten 402 enthalten ebenfalls Nuten mit einem größeren inneren Körper und einer sich verengenden Öffnung enthalten, um darin ein zusammenpassendes Teil (z.B. Statorzähne) zu halten, wenn das zusammenpassende Teil in die Nut 402 eingeschoben wird.
Die Verbindungsgestalt oder -struktur 402 enthält in in Erwägung gezogenen Ausführungsformen eine mechanische Befestigungsstruktur, wie beispielsweise Schrauben oder eine Schweißnaht.
Zu Vergleichszwecken zeigt 9 einen Zylinder 900, der ein Einzelrahmenelement 902 anstelle mehrerer Ringe (z.B. der Ringe 102, 104, 106) enthält. Die Statorzähne aufnehmenden Schlitze 904 sind in dem Rahmen 902 ausgebildet. Diese Form wird weniger bevorzugt, weil die Vorteile, einen dazwischenliegenden Dämpfungsring (z.B. aus Polyurethanharz) zu haben, nicht erreicht werden.
Zu Vorteilen des Ersatzes des Stahlrahmens 902 durch die Ringe (z.B. die Ringe 102, 104, 106) gehören das Erhalten eines leichten Zylinders, da der (die) Dämpfungsring(e) (z.B. 106) und die harten Ringe (z.B. 102, 104) eine geringere kombinierte Masse als der Rahmen 902 aufweisen.
Quergeschnittene Draufsicht auf die installierte Zylinderstruktur – Fig. 5
5 zeigt eine Querschnittsansicht, ähnlich 4, die die Zylinderstruktur 100 veranschaulicht, wie sie mit anderen Teilen des Statorsystems 500 zusammengebaut ist. Das Statorsystem 500 enthält einen Stator 502, der Statorzähne 504 aufweist, die in den Statorzähne aufnehmenden Schlitzen 408 aufgenommen sind. Die Zähne 504 sind von Statorwindungen 506 umgeben.
Ein Rotor 510 ist dem Stator 502 gegenüberliegend angeordnet. Der Rotor 510 enthält rotorseitige Fluss auslösende Komponenten 512, wie beispielsweise Permanentmagnete oder ähnliches. Ein Fluss, der während eines Betriebs des Systems 500 erzeugt wird, ist durch das Bezugszeichen 514 angezeigt.
Zu Dimensionen des Statorsystems 500 und des Zylindersystems 100 gehört eine gesamte Zylinderdicke 520, die eine Summe der Dicken 202, 204, 206 ist, wie sie in 2 in Bezug genommen worden sind.
Es sind auch zwei Radien veranschaulicht, die zwischen dem jeweiligen Ring (z.B. der Außenoberfläche des Rings) und einer Mittellinie des Statorsystems 500 (und somit des Stators, des Rotors und deren laminierter Zylinderringe) gemessen werden.
Ein Innenradius 522 erstreckt sich zwischen der Mittellinie und einer inneren Oberfläche des Innenrings 102, und ein Außenradius 524 erstreckt sich zwischen der Mittellinie und einer äußeren Oberfläche des Außenrings 104.
Mit dem Innenradius 522, der durch r_i dargestellt ist, und dem Außenradius 524, der durch r_o dargestellt ist, kann ein Flächenträgheitsmoment des Stators durch I_x = π/2(r_o ⁴ – r_i ⁴) dargestellt werden. Das vorliegende Zylindersystem 100 ist dazu eingerichtet, dieses Flächenträgheitsmoment zu vergrößern. Die gleiche Beziehung und das gleiche Ziel gelten auch für andere Konfigurationen der Technologie, wie beispielsweise für den Zylinder 300, der in 3 veranschaulicht ist. In jedem Fall sind die Dimensionen mit einem Blick auf eine Erhöhung des Momentes, einschließlich der Ringdicken und der gesamten Radien, ausgewählt.
Für einen Vergleich zeigt 10 ein hergestelltes System 1000, das die Zylinderstruktur 900 nach 9 enthält.
Herstellung und beispielhaftes Gieß-/Ausrichtungssystem – Fig. 6 und Fig. 7
6 zeigt ein Flussdiagramm, das Schritte zur Herstellung der Zylinderstruktur gemäß der vorliegenden Technologie gemäß beispielhaften Ausführungsformen veranschaulicht. Die Schritte des Verfahrens können in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, und ein oder mehrere der Schritte können weggelassen werden, ohne dass von dem Umfang der vorliegenden Änderung abgewichen wird.
Ein Schritt 602 bei der Erzeugung des mehrschichten Zylinders gemäß der vorliegenden Technologie umfasst ein Erhalten oder Erzeugen eines relativ großen steifen Außenrings. In einer Ausführungsform wird der Außenring 104 unter Verwendung von Walzblechen erzeugt, wobei diese Praxis die Leichtigkeit und Wirtschaftlichkeit (z.B. hinsichtlich der Kosten) der Erzeugung des Außenrings 104 und der Struktur 100 vergrößern kann.
Der Außenring 104 kann entweder ein eisenhaltiges oder ein nicht eisenhaltiges Metall oder beides enthalten. Variablen zur Bestimmung, ob eisenhaltiges oder nicht eisenhaltiges Metall zu verwenden ist, umfassen die Kosten und technische Spezifikationen.
Ein weiterer Schritt 604 umfasst das Erhalten oder Erzeugen eines relativ kleineren steifen Innenrings 102 und dessen Positionierung im Inneren des Außenteils. Das Innenteil 102 wird einen Teil eines magnetischen Kreises des statorbasierten Stromgenerators bilden, in dem die mehrschichtige Zylinderstruktur eingesetzt wird, und ist bemessen, um einen einen Flusskreis vervollständigenden Fluss zu ermöglichen.
Bei einem nächsten Schritt 606 werden das innere und das äußere Teil 102, 104 zueinander ausgerichtet. Das Ausrichten enthält in einigen Ausführungsformen ein Verbinden der Ringe 102, 104, wenigstens vorübergehend, z.B. mit Schrauben oder durch Schweißung, miteinander. Das Ausrichten kann ferner unter Verwendung einer Aufspannvorrichtung zur Formgebung vorgenommen werden. In einer Ausführungsform wird eine Schweißung vorgenommen, um die Ringe 102, 104 vorübergehend benachbart zueinander zu positionieren. Es können Schrauben oder andere hinzugefügte mechanische Verbindungsteile zusätzlich oder anstelle der Schweißung hinzugefügt werden.
Im Schritt 608, oder als ein Teil des Schritts 606, werden das innere und das äußere Teil 102, 104 benachbart zu einer Dichtung positioniert, oder es wird eine Dichtung bis in die Nachbarschaft der Teile 102, 104 gebracht. Die Dichtung(en) 710 kann (können) beim Halten des Polyurethans, das der zu bildenden Zylinderstruktur 100 zugegeben werden soll, unterstützen.
In einem weiteren Schritt 610 werden die Teile in einer Gießform und/oder auf einem Tisch oder einer anderen Oberfläche platziert. Für Ausführungsformen, die Dichtungen einsetzen, kann der Betrieb ein Platzieren der Teile 102, 104 als solche mit Dichtungen auf der Stirnfläche an dem Tisch oder der Gießformbasis enthalten.
Der Innen- und der Außenring 102, 104 können hinsichtlich der Gießposition angepasst werden, insbesondere bevor die Ringe 102, 104 aneinander gesichert werden, jedoch auch weniger nach dem Sichern und nach dem Einbringen des Dämpfungsmaterials – z.B. eines Polyurethanharzes.
7 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht, ähnlich der Ansicht gemäß den 2 und 3, eines Formgebungs- oder Ausrichtungssystems 700. Das System 700 enthält eine Formungsaufspannvorrichtung, z.B. wenigstens eine Formgebungs- oder Ausrichtungsform 702. Die Form 702 enthält eine Basis 704 und eine innere und äußere aufrechte Stütze 706, 708.
In einer Ausführungsform wird anstelle einer Basis 704 der Tisch oder eine andere Oberfläche verwendet. Das System 700 kann eine oder mehrere Dichtungen 710 enthalten.
Die vorstehend erwähnten Schritte erzeugen einen ringförmigen Zwischenraum, in den im Schritt 612 ein Polyurethanharz oder ein anderes dämpfendes/schwingungsabsorbierendes Material eingegossen und aushärten gelassen wird. Das Dämpfungsmaterial ist in 7 mit dem Bezugszeichen 712 in Bezug genommen und ergibt einen Dämpfungsring – z.B. den Ring 106 nach 1 und 2.
Das Dämpfungsmaterial kann als ein Einfüllmaterial, z.B. Einfüllpolyurethanharz, bezeichnet werden. Dieses laminiert den Zylinder und ergibt den mehrschichtigen bzw. laminierten Zylinder, z.B. die mehrschichtige bzw. laminierte Zylinderstruktur 100.
Im Schritt 614 wird das Dämpfungsmaterial aushärten gelassen, beispielsweise kaltgehärtet. In dem Fall von Polymer kann gesagt werden, dass der Dämpfungsring Kaltpolymerisat enthält.
Im Schritt 616 kann der resultierende mehrschichtige Zylinder mit einer Statorstruktur verbunden werden. Ein Beispiel für die Kombination ist in 5 veranschaulicht.
Die gleiche allgemeine Technik wird verwendet, um die mehrere harte Ringe aufweisende Struktur 300, wie sie in 3 veranschaulicht ist, zu erzeugen.
Der mehrschichtige Zylinder (z.B. 100, 300) kann ohne spanende Bearbeitung erzeugt werden und erfordert keine maschinelle Bearbeitung, nachdem er geformt wurde. Mit dem hinzugefügten Dämpfungsmaterial ist die strukturelle Antwort unter Resonanzbedingungen begrenzt, was eine verringerte Schwingung und verringerten Lärm zur Folge hat.
Beispielhafte Schwingungsantwortkurve – Fig. 8
Eine beispielhafte Schwingungsantwortskurve 800 für ein System gemäß der vorliegenden Technologie ist in 8 veranschaulicht, wie beispielsweise für die mehrschichtige Zylinderstruktur 100, 300, die in einem Statorsystem 500 eingesetzt wird.
Eine Kurve gemäß einer anderen Technologie ist mit dem Bezugszeichen 802 bezeichnet.
Die Kurven 800, 802 sind über einer x-Achse mit der Eingangsfrequenz 804, die in das System eingegeben wird, gemessen z.B. in Hertz (Hz), und mit einer y-Achsen-Antwort 806 veranschaulicht, die zum Beispiel als Beschleunigung (z.B. in m/s²) gemessen wird.
Der (die) Ring(e) aus dem Dämpfungsmaterial und die harten Ringe können eingerichtet (z.B. mit einer Größe der Ringe, Anzahl der Dämpfungsringe, Anzahl der harten Ringe, etc.) sein, um eine gewünschte Steifigkeit, gewünschte Absorptionseigenschaften, etc. während eines Betriebs zu erreichen.
In einer Ausführungsform wird die Struktur (z.B. die Zylinderstruktur 100, 300) hergestellt, um eine gute Trennung zwischen der ersten und der zweiten Resonanz zu erreichen. Als ein quantitatives Beispiel kann die Trennung zwischen der ersten und der zweiten Resonanz als größer als 60% des Wertes der ersten Spitze quantifiziert werden.
Die Trennung ist in 8 anhand der Differenz zwischen den beiden Maximalpunkten der Antwort veranschaulicht.
Das Dämpfungsniveau ist folglich maximal, während die Steifigkeit beträchtlich erhöht ist, und dies ohne zusätzliche Masse.
Ausgewählte Vorteile der vorliegenden Technologie
Ein primärer Vorteil der Technologie liegt darin, dass das Statorsystem (z.B. das System 500 nach 5) steifer, robuster geschaffen ist und bessere Dämpfungseigenschaften als herkömmliche Statorstrukturen aufweist, ohne dass schwere Masse, Versteifungsmittel oder andere beträchtliche Elemente zu dem Stator hinzugefügt werden.
Die Statorsysteme gemäß der vorliegenden Technologie arbeiten somit sanfter und leiser unter Erzeugung von weniger Lärmbelästigung für die Umgebung, in der der Generator eingesetzt wird (z.B. ein städtisches Umfeld oder eine ländliche Gegend).
Ferner werden Generatorkomponenten und interne Generatorverbindungen aufgrund der Dämpfungsfunktionen der vorliegenden Technologie vor einer Beschädigung bewahrt, die ansonsten von unerwünschten Resonanzschwingungen im Laufe der Zeit entstehen würden.
Statorsysteme, die die vorliegende Technologie umfassen, sind auch für geringfügige Fehlausrichtungen oder Fehlverteilungen der Masse weniger anfällig. Sie absorbieren weiter Eingangslasten (Schwingungen, Stöße, etc.) und vermeiden eine unerwünschte Resonanzschwingungen, selbst wenn der Stator fehlausgerichtet oder seine Masse falsch verteilt ist oder wird.
Zu weiteren Vorteilen gehört das Vermeiden des Materials, der Arbeit, der Zeit und anderer relativ hoher Kosten, die mit in Erwägung gezogenen verbessernden Techniken, wie beispielsweise der vorerwähnten Zugabe einer schweren Masse (z.B. eines großen kreisförmigen Teils) zu dem Stator verbunden sind. Insbesondere ist die vorliegende Herstellungstechnik relativ kostengünstig im Vergleich zu herkömmlichen Bemühungen, die das Schwingungsproblem angehen.
Der mehrschichtige Zylinder (z.B. 100, 300) kann ohne spanende Bearbeitung erzeugt werden und erfordert keine maschinelle Bearbeitung, nachdem er geformt wurde. Mit dem zugegebenen Dämpfungsmaterial ist die Strukturantwort unter Resonanzbedingungen begrenzt, was eine verringerte Schwingung und einen verringerten Lärm zur Folge hat.
Die gemäß der vorliegenden Technologie erzeugten Systeme können wenigstens in einigen Ausführungsformen auch bei geringeren Kosten hergestellt werden, indem beispielsweise Material, Teile, Energie, Werkzeuge und zeitabhängige Kosten für die Gewinnung oder Herstellung und Installation relativ großer steifer Massen an einem bereits großen Statorrahmen vermieden werden. Und ohne die relativ große zusätzliche Masse und den bereits großen herkömmlichen Statorrahmen sind die resultierende Zylinderstruktur und das resultierende Statorsystem leichter, effizienter und beweglicher als andere Statorrahmen und Statorsysteme.
Die Verwendung von Blechen zur Herstellung von Walzblechen, um die harten Ringe – z.B. 102, 104, 302, 304, 308 – zu erzeugen, kann die Leichtigkeit und Wirtschaftlichkeit (z.B. hinsichtlich der Kosten) der Erzeugung der Struktur – z.B. der Struktur 100 oder 300 – erhöhen.
Einige herkömmliche Herstellungsprozesse zur Herstellung größerer Statorstrukturen umfassen eine mechanische Segmentierung, die relativ komplex, teuer und zeitaufwendig sowie platzintensiv sind, wie beispielsweise in einem getriebelosen Walzwerkantriebsprozess. Die vorliegende mehrschichtige Zylinderstruktur (z.B. 100, 300 gemäß den 1, 2, 3) oder das resultierende System (z.B. 500 nach 5) können viel einfacher und an einem lokalen Einsatzort unter Verwendung von z.B. plattenförmigen Elementen mit modularer Form hergestellt werden. Und ferner können Ringe der mehrschichtigen Zylinderstruktur, die sich mit der Technik ergibt, unter Verwendung von einfachen Formwerkzeugen und Schweißung oder Schrauben ausgerichtet werden.
Fazit
Alternative Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen, die von der Technologie weiterhin umfasst sein würden, können von Fachleuten auf dem Gebiet insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren geschaffen werden. Ferner sollte verstanden werden, dass die Terminologie, die verwendet wurde, um die Technologie zu beschreiben, in der Natur der Beschreibungswörter liegen soll, anstatt eine Beschränkung darzustellen.
Fachleute auf dem Gebiet werden ferner erkennen, dass verschiedene Anpassungen und Modifikationen der vorstehend beschriebenen bevorzugten und alternativen Ausführungsformen eingerichtet werden können, ohne dass von dem Umfang und Rahmen der Technologie abgewichen wird. Folglich sollte verstanden werden, dass die Technologie innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche anders in die Praxis umgesetzt werden kann, als dies hier speziell beschrieben ist.
Es ist eine mehrschichtige Zylinderstruktur 100 zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem beschrieben. Die Struktur enthält einen steifen Außenring 104, einen steifen Innenring 102, der zu dem steifen Außenring 104 konzentrisch und im Inneren desselben positioniert ist, und einen Dämpfungszwischenring 106, der zwischen dem steifen Außenring 104 und dem steifen Innenring 102 positioniert ist. Der Zwischenring 106 kann ein Polymer enthalten, und die steifen Ringe 102, 104 können ein Metall enthalten. Der steife Innenring 102 kann Ausnehmungen 408 zur Aufnahme von Statorkomponenten des Energieerzeugungssystems enthalten.

Claims

Mehrschichtige Zylinderstruktur zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem, die aufweist: einen steifen Außenring; einen steifen Innenring, der einen kleineren Durchmesser aufweist, im Innern des steifen Außenrings und konzentrisch zu diesem positioniert ist; und einen Dämpfungszwischenring, der zwischen dem steifen Außenring und dem steifen Innenring positioniert ist.
Mehrschichtige Zylinderstruktur nach Anspruch 1, wobei der Zwischenring ein Polymer oder ein Polymerharz enthält; und/oder wobei wenigstens einer von dem steifen Außenring und dem steifen Innenring ein Metall, vorzugsweise Stahl, enthält.
Mehrschichtige Zylinderstruktur nach Anspruch 1 oder 2, die ferner aufweist: einen steifen inneren Ring, der benachbart zu und in Kontakt mit dem steifen Innenring positioniert ist; und einen inneren Dämpfungsring, der zwischen dem steifen inneren Ring und dem steifen Außenring und in Kontakt mit diesen positioniert ist.
Mehrschichtige Zylinderstruktur nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei der steife Innenring Ausnehmungen zur Aufnahme von Statorkomponenten des Energieerzeugungssystems enthält.
Mehrschichtige Zylinderstruktur nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Ringe eingerichtet sind, um ein Flächenträgheitsmoment von mehr als etwa 2m⁴ zu erreichen, wobei: das Flächenträgheitsmoment des Stators durch I_x = π/2(r_o ⁴ – r_i ⁴) dargestellt ist; wobei r_i ein Innenradius ist, der zwischen dem steifen Innenring und einer Mittellinie des Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems im zusammengebauten Zustand gemessen wird; und wobei r_o ein Außenradius ist, der zwischen dem steifen Außenring und einer Mittellinie des Permanentmagnet-Energieerzeugungssystems im zusammengebauten Zustand gemessen wird.
Mehrschichtige Zylinderstruktur nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Ringe derart eingerichtet sind, dass eine erste Resonanz und eine zweite Resonanz um mehr als etwa 60% des Wertes der ersten Resonanz voneinander getrennt sind.
Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem, das aufweist: einen Rotor; einen Stator, der benachbart zu dem Rotor positioniert ist; und eine mehrschichtige Zylinderstruktur, die mit dem Rotor verbunden ist und aufweist: einen steifen Außenring; einen steifen Innenring; und einen Dämpfungszwischenring zwischen dem steifen Außenring und dem steifen Innenring.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Zylinderstruktur zur Verwendung in einem Permanentmagnet-Energieerzeugungssystem, wobei das Verfahren aufweist: Positionieren eines steifen Außenrings benachbart zu einem steifen Innenring und rings um diesen; und Einbringen eines Dämpfungsmaterials zwischen den steifen Außenring und den steifen Innenring.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner nach dem Positionieren und vor dem Einbringen ein Verbinden des steifen Außenrings und des steifen Innenrings miteinander aufweist; und/oder das ferner vor dem Einbringen des Dämpfungsmaterials ein Positionieren des steifen Außenrings und des steifen Innenrings in einer Zylinderform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei: das Verfahren ferner ein Positionieren eines steifen inneren Ringes benachbart zu dem steifen Außenring und dem steifen Innenring sowie zwischen diesen aufweist; und wobei das Einbringen des Dämpfungsmaterials zwischen den steifen Außenring und den steifen Innenring ein Einbringen des Dämpfungsmaterials sowohl zwischen den steifen Innenring und den steifen inneren Ring als auch zwischen den steifen inneren Ring und den steifen Außenring aufweist.