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Die Erfindung betrifft Windenergieanlagengeneratoren, also Generatoren von Windenergieanlagen, sowie Nutenverschlusskeile für Nuten von Windenergieanlagengeneratoren.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Windenergieanlagengeneratoren einen Generatorstator, also einen Stator des Windenergieanlagengenerators, und einen Generatorrotor, also einen Rotor eines Windenergieanlagengenerators, aufweisen. Der Generatorrotor wird durch einen aerodynamischen Rotor mit Rotorblättern angetrieben und rotiert somit gegenüber dem Generatorstator.
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Der Generatorrotor sowie der Generatorstator weisen Wicklungen auf, die in Nuten des Generatorrotors und des Generatorstators angeordnet sind, um elektrische Energie aus der Rotationsenergie zu erzeugen. Die Wicklungen sind um Zähne herum, die jeweils zwischen zwei Nuten angeordnet sind, angeordnet.
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Zum Erzeugen elektrischer Energie wird beispielsweise mit den Wicklungen des Generatorrotors ein Erregerfeld erzeugt. Durch die Rotation des Rotors wird daraufhin elektrische Energie in die Wicklungen des Generatorstators erzeugt. Mit den Erregerwicklungen wird demnach ein Erregerfeld, nämlich ein magnetisches Feld, erzeugt, das zu einem magnetischen Fluss durch die Zähne des Rotors führt. Das magnetische Feld, das sich durch die Drehbewegung verändert, induziert dann in die Wicklungen des Stators eine Spannung, wobei auch hier eine Bündelung des magnetischen Flusses durch die Zähne des Stators erfolgt und den Induktionseffekt verstärkt.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Nutenverschlusskeile bekannt, die nach Einlegen der Wicklungen in die Nuten eingetrieben werden, um die Wicklungen sicher in den Nuten zu halten. Zum Halten der Nutenverschlusskeile in den Nuten weisen die Nutenverschlusskeile häufig Vorsprünge und die Zähne entsprechende Ausnehmungen auf. Es wurde vorliegend erkannt, dass diese Ausnehmungen jedoch den magnetischen Fluss durch die Zähne behindern, sodass der Wirkungsgrad derartiger Generatoren reduziert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zu finden, um den Wirkungsgrad von Windenergieanlagengeneratoren zu verbessern. Insbesondere ist es vor dem Hintergrund der Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad durch Behinderung des magnetischen Flusses in den Zähnen reduziert wird, weitere Aufgabe der Erfindung, den magnetischen Fluss in den Zähnen eines Generatorstators oder eines Generatorrotors so wenig wie möglich zu behindern, wenn die Nuten mit Nutenverschlusskeilen verschlossen werden sollen.
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Hierzu betrifft die Erfindung einen Windenergieanlagengenerator mit einer Rotationsachse, einem Generatorstator und einem Generatorrotor. Der Generatorrotor ist demnach eingerichtet, um die Rotationsachse zu rotieren. Der Generatorstator oder der Generatorrotor oder der Generatorstator und der Generatorrotor weisen Zähne auf, zwischen denen Nuten zur Aufnahme von Wicklungen gebildet sind. Vorzugsweise sind demnach abwechselnd Nuten und Zähne in Umfangsrichtung des Generatorstators oder des Generatorrotors gesehen angeordnet. Somit liegt jeder Zahn jeweils zwischen zwei Nuten.
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Einer, mehrere oder alle Zähne weisen ferner jeweils mindestens eine Ausnehmung zu jeweils jeder der beiden neben dem entsprechenden Zahn liegenden Nuten auf. Jeder Zahn bildet somit zwei Seitenflächen, die jeweils in Richtung auf eine der entsprechend benachbarten Nuten gerichtet sind. Die Seitenflächen können somit jeweils als Grenzfläche zwischen dem Zahn und einer Nut angesehen werden. Eine Ausnehmung kann auch als Vertiefung, Einkerbung und dgl. bezeichnet werden.
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Erfindungsgemäß sind die Ausnehmungen eines Zahns zu unterschiedlichen Nuten in unterschiedlichen Abständen zur Rotationsachse des Windenergieanlagengenerators angeordnet. Ein Zahn weist demnach beispielsweise eine Ausnehmung zu einer benachbarten Nut auf, die einen Abstand zur Rotationsachse aufweist, der unterschiedlich zum Abstand einer weiteren Ausnehmung des Zahns zur anderen benachbarten Nut ist.
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Somit ist gemäß einer ersten Ausführungsform zumindest ein Beginn einer ersten Ausnehmung eines Zahns zu einer Seite mit einer ersten Nut näher an der Rotationsachse als ein Beginn einer zweiten Ausnehmung auf der gegenüberliegenden Seite zur anderen Nut. Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen ein Beginn und ein Ende einer Ausnehmung zu einer ersten Nut in einem Zahn näher an der Rotationsachse als ein Beginn und ein Ende einer Ausnehmung auf der anderen Seite des Zahns zur zweiten Nut.
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Die Zähne und Nuten verlaufen somit parallel zur Rotationsachse. Jeder Zahn weist zwei Seitenflächen auf, die im Wesentlichen - bis auf die Ausnehmungen - jeweils eine Ebene beschreiben. Die Ebenen verlaufen jeweils parallel zur Rotationsachse und stehen im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse. Die Ausnehmungen verlaufen demnach ebenfalls parallel zur Rotationsachse in den Seitenflächen.
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Die Ausnehmungen können somit auch als eine Art Vertiefung in der Seitenfläche bezeichnet werden und weisen beispielsweise einen runden, wannenförmigen oder eckigen Querschnitt auf. Der Beginn einer Ausnehmung kann als der Bereich der Ausnehmung bezeichnet werden, bei dem, von der Rotationsachse radial nach außen gesehen, die Vertiefung in der ansonsten ebenen Seitenfläche beginnt und das Ende der Ausnehmung kann als der Bereich der Ausnehmung bezeichnet werden, bei dem, von der Rotationsachse radial nach außen gesehen, die Vertiefung endet und somit dem Übergang zur ebenen Seitenfläche entspricht.
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Der Beginn einer Ausnehmung kann somit als parallele Linie auf einer Seitenfläche zur Rotationsachse gesehen werden, die näher an der Rotationsachse liegt als das Ende der Ausnehmung, das ebenfalls als zur Rotationsachse parallele Linie gesehen werden kann. Zwischen diesen Linien weist die Seitenfläche demnach eine Ausnehmung auf. Vorzugsweise kann die Ausnehmung auch die Querschnittsform eines halben Tropfens aufweisen.
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Vorteilhafterweise sind somit zwar Einschnürungen durch die Ausnehmungen in den Zähnen des Generatorstators und/oder des Generatorrotors vorgesehen, wobei durch deren asymmetrische Anordnung die Einschnürung des magnetischen Flusses minimiert wird.
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Es ist somit dank der Ausnehmungen möglich einen Nutenverschlusskeil fest und somit sicher in einer Nut zu befestigen, da die Ausnehmungen dienen, um Vorsprünge des Nutenverschlusskeils aufzunehmen. Ein Nutenverschlusskeil wird somit in der Nut formschlüssig gegen ein Verrutschen in radialer Richtung gesichert. Gleichzeitig wird jedoch davon abgesehen, die Ausnehmungen symmetrisch im Zahn vorzusehen, sodass eine Engstelle, die durch in gleicher Höhe des Zahns angeordnete Ausnehmungen im Zahn verhindert wird, die entsprechend den Fluss stark einschnüren würde.
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Durch Versetzen der Ausnehmungen eines Zahns zueinander, also der asymmetrischen Anordnung der Ausnehmungen, erfolgt zwar auch eine geringe Einschnürung des magnetischen Flusses, der jedoch gegenüber der symmetrischen Anordnung der Ausnehmungen um im Wesentlichen 50 % reduziert ist. Die Feldlinien, die im Wesentlichen radial zur Rotationsachse verlaufen, können somit dank der Erfindung vorteilhaft durch den Zahn verlaufen.
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Zusätzlich bringen die Ausnehmungen in den Zähnen gegenüber Vorsprüngen in den Zähnen, die ebenfalls zur Sicherung eines Nutenverschlusskeils verwendet werden könnten und keine Einschnürung der Feldlinien verursachen würden, den Vorteil, dass die Nut an sich nicht verengt wird und somit vorgeformte Spulen in die Nuten eingesetzt werden können, die die Nuten vollständig ausfüllen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Zähne aus Metallblechpaketen hergestellt. Metallblechpakete entsprechen gestapelten Metallblechen, die insbesondere in axialer Richtung übereinander gestapelt sind. Durch die Metallblechpakete werden Wirbelstromverluste reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in Umfangsrichtung des Generatorstators und/oder des Generatorrotors gesehen jede zweite Ausnehmung mit dem gleichen Abstand von der Rotationsachse angeordnet. Das heißt, die Beginne jeder zweiten Ausnehmung weisen den gleichen Abstand von der Rotationsachse auf und die Enden jeder zweiten Ausnehmung weisen den gleichen Abstand von der Rotationsachse auf.
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Hierdurch lassen sich trotz der asymmetrischen Anordnung der Ausnehmungen die Bleche zum Bilden der Metallblechpakete für die Zähne durch dieselbe Stanzform erzeugen, sodass der Produktionsaufwand reduziert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Generatorstator Formspulen auf, die vorgeformt sind und in die Nuten des Generatorstators eingesetzt sind. Außerdem weisen die Zähne des Generatorstators die Ausnehmungen auf. Der Generator ist demgegenüber mit Polschuhen ausgestattet, die ebenfalls als Zähne bezeichnet werden, jedoch eine besondere Ausformung aufweisen und jeweils einen Polschaft und einen Polkopf umfassen. Bei den Polschuhen sind die Wicklungen im Bereich des Polschaftes angeordnet und werden allein aufgrund des Polkopfes, der gegenüber dem Polschaft breiter ist, in der Nut gehalten. Der Generatorrotor ist somit ausnehmungslos, also ohne die genannten Ausnehmungen ausgeführt.
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Eine derartige Anordnung dient einerseits, um ein Erregerfeld, das mit dem Generatorrotor zur Verfügung gestellt wird, dank der Polschuhe so zu erzeugen, dass die Feldlinien ideal auf den Generatorstator verteilt werden, wobei gleichzeitig Formspulen im Generatorstator eingesetzt werden können und die Wicklungen des Generatorrotors und des Generatorstators außerdem sicher in den Nuten gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jede Nut des Generatorstators und/oder jede Nut des Generatorrotors jeweils einen Nutenverschlusskeil auf.
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Außerdem betrifft die Erfindung einen Nutenverschlusskeil, insbesondere für einen Windenergieanlagengenerator nach einer der vorgenannten Ausführungsformen. Der Nutenverschlusskeil weist zwei Seitenflächen auf, und ist eingerichtet, mit den Seitenflächen zwischen zwei Zähnen, also in der Nut zwischen zwei Zähnen, eines Generatorstators und/oder eines Generatorrotors eines Windenergieanlagengenerators befestigt zu werden. Die Seitenflächen des Nutenverschlusskeils weisen jeweils einen Vorsprung auf, um in Ausnehmungen der Zähne eines Generatorstators und/oder eines Generatorrotors einzugreifen. Die Vorsprünge sind asymmetrisch an den Seitenflächen angeordnet.
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Somit dient der Nutenverschlusskeil zur sicheren Befestigung von Wicklungen eines Generatorrotors oder eines Generatorstators, wobei Ausnehmungen in den Zähnen des Generatorstators oder Generatorrotors dank des Nutenverschlusskeils so angeordnet sein können, dass diese unterschiedliche Abstände zur Rotationsachse des Windenergieanlagengenerators aufweisen. Dadurch ist ein verbesserter magnetischer Fluss, nämlich eine verringerte Einschnürung des magnetischen Flusses, in den Zähnen gegenüber herkömmlichen Zähnen bei herkömmlichen Windenergieanlagengeneratoren möglich. Der Nutenverschlusskeil ermöglicht es somit, einen Windenergieanlagengenerator mit einem vergleichsweise höheren Wirkungsgrad bereitzustellen, der zusätzlich die Wicklung sicher in der Nut hält.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Nutenverschlusskeil punktsymmetrisch. Das heißt, die Vorsprünge sind so angeordnet, dass der Nutenverschlusskeil eine punktsymmetrische Form, insbesondere im Querschnitt gesehen, aufweist. Der Nutenverschlusskeil kann somit unabhängig von seiner Ausrichtung in einer ersten Richtung, aber auch um 180 Grad gedreht, in einer zweiten Richtung in einen Generatorstator oder in einen Generatorrotor, nämlich in die Nuten des Generatorstators oder des Generatorrotors, eingesetzt werden. Bei der Montage der Nutenverschlusskeile muss somit nicht auf deren Ausrichtung geachtet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Nutenverschlusskeil elastisch und aus einem flexiblen Material hergestellt. Der Nutenverschlusskeil lässt sich daher leichter in die Nuten, insbesondere mit seinen Vorsprüngen in die entsprechenden Ausnehmungen der Zähne, die seitlich in einer Nut liegen, einsetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Nutenverschlusskeil mit einem Epoxidharz mit Metallbestandteilen, insbesondere Eisenpulver, hergestellt. Hierdurch wird ermöglicht, dass der magnetische Fluss insbesondere durch die mit den Vorsprüngen ausgefüllten Ausnehmungen unterstützt wird.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Sichern von Wicklungen in Nuten eines Windenergieanlagengenerators nach einer der vorgenannten Ausführungsformen mit einem Nutenverschlusskeil nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei in mindestens eine Nut eines Generatorstators und/oder eines Generatorrotors ein Nutenverschlusskeile eingebracht wird, sodass Vorsprünge des Nutenverschlusskeils in Ausnehmungen der beiden die Nut begrenzenden Zähne eintreten.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage mit einem Windenergieanlagengenerator gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen sowie mehreren Nutenverschlusskeilen nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei die Nutenverschlusskeile in Nuten des Generatorstators und/oder des Generatorrotors eingebracht sind, sodass Vorsprünge des Nutenverschlusskeils in Ausnehmungen der beiden die jeweilige Nut begrenzenden Zähne eintreten.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele.
- 1 zeigt eine Windenergieanlage,
- 2 einen Windenergieanlagengenerator,
- 3 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Windenergieanlagengenerators,
- 4 Nuten und Zähne eines Generatorstators und
- 5 einen Nutenverschlusskeil.
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1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer 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 einen Generator, der auch Windenergieanlagengenerator 130 genannt werden kann, schematisch in einer Seitenansicht. Der Windenergieanlagengenerator 130 weist einen Stator, der auch Generatorstator 132 genannt werden kann, und einen dazu drehbar gelagerten elektrodynamischen Rotor, der auch Generatorrotor 134 genannt werden kann, auf. Der Windenergieanlagengenerator 130 ist mit dem Generatorstator 132 über einen Achszapfen 136 an einem Maschinenträger 138 befestigt. Der Generatorstator 132 weist einen Statorträger 140 und Statorblechpakete 142 auf, die Statorpole des Generators 130 bilden und über einen Statorring 144 an dem Statorträger 140 befestigt sind.
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Der Generatorrotor 134 weist Rotorpolschuhe 146 auf, die die Rotorpole bilden und über einen Rotorträger 148 und Lager 150 auf dem Achszapfen 136 drehbar um die Drehachse, die auch Rotationsachse 152 genannt werden kann, gelagert sind.
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Die Statorblechpakete 142 und Rotorpolschuhe 146 trennt nur ein schmaler Luftspalt 154, der wenige Millimeter dick ist, insbesondere weniger als 6 mm, aber einen Durchmesser von mehreren Metern aufweist, insbesondere mehr als 4 m. Die Statorblechpakete 142 und die Rotorpolschuhe 146 bilden jeweils einen Ring und sind zusammen auch ringförmig, so dass der Generator 130 ein Ringgenerator ist. Bestimmungsgemäß dreht sich der Generatorrotor 134 des Windenergieanlagengenerators 130 zusammen mit der Rotornabe 156 des aerodynamischen Rotors, von dem Ansätze von Rotorblättern 158 angedeutet sind.
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3 zeigt den Windenergieanlagengenerator 130 in vergrößerter Darstellung ausschnittsweise in einer Frontansicht. Hierbei ist der Generatorstator 132 ausschnittsweise erkennbar. Der Generatorstator 132 weist Zähne 30 auf, zwischen denen Nuten 32 angeordnet sind. Die Zähne 30 weisen Seitenflächen 34 auf, die die Zähne 30 zu den Nuten 32 begrenzen.
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In jeder Seitenfläche 34 der Zähne 30 ist jeweils eine Ausnehmungen 36 angeordnet. Für jeden Zahn 30 gilt, dass seine beiden Ausnehmungen 36 einen unterschiedlichen Abstand 35 zur Rotationsachse 152 aufweisen.
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Außerdem ist ein Generatorrotor 134 vorgesehen, der Polschuhe 146 aufweist, um die Wicklungen 38 herumgewickelt sind. Jeder Polschuh 146 weist einen Polkopf 40 sowie einen Polschaft 42 auf. Die Wicklungen 38 des Generatorrotors 134 werden am Polschaft 42 fest in ihrer Position gehalten, da der Polkopf 40 breiter gegenüber dem Polschaft 42 ist und somit ein Abrutschen der Wicklungen 38 radial nach außen verhindert wird.
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4 zeigt den Generatorstator 132 weiter vergrößert, sodass lediglich noch drei Nuten 32 erkennbar sind. Gegenüber 3 sind nun im Schnitt exemplarisch dargestellte Formspulen 46 in die Nuten 32 dargestellt. Außerdem sind die Nuten 32 durch Nutenverschlusskeile 48 verschlossen. Hierbei weisen die Nutenverschlusskeile 48 Vorsprünge 50 auf, die in die Ausnehmungen 36 formschlüssig eingreifen.
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5 zeigt einen Nutenverschlusskeil 48 mit zwei Vorsprüngen 50 in vergrößerter Darstellung. Die Vorsprünge 50 sind an den Seitenflächen 52, 54 des Nutenverschlusskeils 48 asymmetrisch angeordnet.
