DE102017205045A1

DE102017205045A1 - Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung

Info

Publication number: DE102017205045A1
Application number: DE102017205045.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Plett
Original assignee: Siemens Wind Power GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy GmbH and Co KG
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-09-27
Also published as: DE202017002133U1; CN207304209U

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100), aufweisend
ein Trägerelement (110), welches eine Mehrzahl von Nuten und eine Stirnfläche (118) aufweist,
zumindest eine Spule (120), welche aus einer Mehrzahl von Teilleitern (122) ausgebildet ist,
wobei die Spule (121) in den Nuten des Trägerelements (110) angeordnet ist,
wobei die Spule (120) einen Wickelkopfbereich (121) aufweist, welcher von der Stirnfläche (118) des Trägerelements (110) hervorsteht,
wobei die Teilleiter (122) mit einer einzigen Bandisolierung umhüllt sind,
wobei der Wickelkopfbereich (121) im Querschnitt eine V-Form aufweist, welche einen ersten Schenkel (151) und einen zweiten Schenkel (152) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Generatoren von Windkraftanlagen, weisen jeweils ein oder mehrere magnetisch aktive Elemente auf. Beispielsweise umfasst ein Generator einen Ständer und einen Läufer als magnetisch aktive Elemente.
In dem Ständer und/oder dem Läufer eines Generators können Spulen eingelegt beziehungsweise eingewickelt sein. Typischerweise befinden sich die Spulen dann in oder an einer Spulenträgervorrichtung. Die Spulenträgervorrichtung ist typischerweise als ein zylinderförmiges bzw. hohlzylinderförmiges Blechpaket ausgebildet. In der Regel ragen aus jeder der zwei Stirnflächen des zylindrischen oder hohlzylindrischen Blechpakets in Axialrichtung Spulen heraus und bilden einen Wickelkopf des Läufers beziehungsweise des Ständers. Das Blechpaket kann in Umfangsrichtung aus mehreren Segmenten bestehen, welche zu dem Zylinder bzw. dem Hohlzylinder zusammengesetzt sind.
4 zeigt einen beispielhaften Stator 400 gemäß des Standes der Technik. Der Stator 400 weist ein Statorkernsegment 410 auf, welches eine Stirnfläche 418 sowie eine erste Nut 411, eine zweite Nut 412, eine dritte Nut 413, eine vierte Nut 414, eine fünfte Nut 415 und eine sechste Nut 416 aufweist. Gemäß 4 sind die erste Spule 420, die zweite Spule 430 und die dritte Spule 440 in dem Statorkernsegment 410 angeordnet.
Die erste Spule 420 weist zwei parallele Spulenbereiche auf, wobei ein erster der zwei Spulenbereiche in der zweiten Nut 412 sowie ein zweiter der zwei Spulenbereiche in der fünften Nut 415 angeordnet sind. Ferner weist die erste Spule 420 einen die zwei parallelen Spulenbereiche verbindenden ersten Wickelkopfbereich 421 auf. Die erste Spule 420 ist aus einer Mehrzahl von ersten Teilleitern 422 ausgebildet. Die ersten Teilleiter 422 der ersten Spule 420 sind jeweils einzeln mit einer Isolierung umwickelt, so dass die Windungen der ersten Teilleiter 422 gegeneinander isoliert sind.
Die zweite Spule 430 weist ebenfalls zwei parallele Spulenbereiche auf, wobei ein erster der zwei Spulenbereiche in der dritten Nut 413 sowie ein zweiter der zwei Spulenbereiche in der sechsten Nut 416 angeordnet sind. Ferner weist die zweite Spule 430 einen die zwei parallelen Spulenbereiche verbindenden zweiten Wickelkopfbereich 431 auf. Die zweite Spule 430 ist aus einer Mehrzahl von zweiten Teilleitern 432 ausgebildet. Die zweiten Teilleiter 432 der zweiten Spule 430 sind jeweils einzeln mit einer Isolierung umwickelt, so dass die Windungen der zweiten Teilleiter 432 gegeneinander isoliert sind. Der zweite Wickelkopfbereich 431 ist unterhalb des ersten Wickelkopfbereiches 421 in einer Etagenwicklung angeordnet.
Die dritte Spule 440 weist ebenfalls zwei parallele Spulenbereiche auf, wobei ein erster der zwei Spulenbereiche in der ersten Nut 411 sowie ein zweiter der zwei Spulenbereiche in der vierten Nut 414 angeordnet sind. Ferner weist die dritte Spule 440 einen die zwei parallelen Spulenbereiche verbindenden dritten Wickelkopfbereich 441 auf. Die dritte Spule 440 ist aus einer Mehrzahl von dritten Teilleitern 442 ausgebildet. Die dritten Teilleiter 442 der dritten Spule 440 sind jeweils einzeln mit einer Isolierung umwickelt, so dass die Windungen der dritten Teilleiter 442 gegeneinander isoliert sind.
Der dritte Wickelkopfbereich 441 ist oberhalb des ersten Wickelkopfbereichs 421 in der Etagenwicklung angeordnet. Folglich ist der erste Wickelkopfbereich 421 zwischen dem zweiten Wickelkopfbereich 431 und dem dritten Wickelkopfbereich 441 in der Etagenwicklung angeordnet.
An der der Stirnfläche 418 gegenüberliegenden weiteren Stirnfläche (in 4 nicht dargestellt) weist die erste Spule 420, die zweite Spule 430 sowie die dritte Spule 440 jeweils einen weiteren Wickelkopfbereich auf. Die weiteren Wickelkopfbereiche sind jeweils identisch zu dem ersten Wickelkopfbereich 421, dem zweiten Wickelkopfbereich 431 und dem dritten Wickelkopfbereich 441 ausgebildet. Folglich sind die weiteren Wickelkopfbereiche auch in einer entsprechenden Etagenwicklung angeordnet.
Ein Bereich des ersten Wickelkopfbereichs 421 der ersten Spule 420 erstreckt sich in einem 45°-Winkel relativ zu der Stirnfläche 418 des Statorkernsegments 410. Anders ausgedrückt biegt sich der die erste Spule 420 nach deren Austritt aus der Stirnfläche 418 des Statorkernsegments 410 um 45° nach unten. Ferner erstreckt sich ein Bereich des zweiten Wickelkopfbereichs 431 der zweiten Spule 430 in einem 0°-Winkel, d.h. parallel zu der Stirnfläche 418. Anders ausgedrückt biegt sich der die zweite Spule 430 nach deren Austritt aus der Stirnfläche 418 des Statorkernsegments 410 um 90° nach unten.
Ferner erstreckt sich ein Bereich des dritten Wickelkopfbereichs 441 der dritten Spule 440 erstreckt sich in einem 90°-Winkel, d.h. senkrecht, zu der Stirnfläche 418. Anders ausgedrückt biegt sich der die dritte Spule 430 nach deren Austritt aus der Stirnfläche 418 des Statorkernsegments 410 nicht (d.h. um 0°) nach unten.
5 zeigt einen Ausschnitt des Statorkernsegments 410 aus 4 in einer Seitenansicht. Insbesondere ist in 5 ein Abschnitt der Stirnfläche 418 des Statorkernsegments 410 dargestellt.
Die erste Spule 420 ist aus ersten Teilleitern 422 ausgebildet, wobei die ersten Teilleiter 422 an einem Scheitelpunkt des ersten Wickelkopfbereichs 421 eine erste Endfläche 525 ausbilden. Die Endfläche 525 erstreckt sich entlang einer Richtung, welche in einem Winkel β zu der Stirnfläche 418 des Statorkernsegments 410 angeordnet ist. Der Winkel β umfasst einen Bereich 20°≤ β ≤ 70°, insbesondere β =45°.
Die zweiten Teilleiter 432 der zweiten Spule 430 bilden an einem Scheitelpunkt des zweiten Wickelkopfbereichs 431 eine zweite Endfläche 535 aus. Die zweite Endfläche 535 und die Stirnfläche 418 erstrecken sich derart zueinander, dass ein Winkel α zwischen der Stirnfläche 418 und der zweiten Endfläche 535 eingeschlossen ist. Der Winkel α ist kleiner als 90°, d.h. α < 90°.
Ferner ist die dritte Spule 440 aus dritten Teilleitern 442 ausgebildet, wobei die dritten Teilleiter 442 an einem Scheitelpunkt des dritten Wickelkopfbereichs 441 eine dritte Endfläche 545 ausbilden. Die dritte Endfläche 545 erstreckt sich entlang einer Richtung, welche in einem Winkel γ zu der Stirnfläche 418 angeordnet ist. Der Winkel γ ist größer als 0°, d.h. γ > 0°.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gleichzeitig den Kupferverbrauch in einer Spulenträgervorrichtung für einen Windturbinengenerator zu reduzieren und die Kühlung der Spulenträgervorrichtung für einen Windturbinengenerator zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einem Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung gemäß des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung beansprucht. Die Spulenträgervorrichtung weist auf ein Trägerelement, welches eine Mehrzahl von Nuten und eine Stirnfläche aufweist, und zumindest eine Spule, welche aus einer Mehrzahl von Teilleitern ausgebildet ist, wobei die Spule in den Nuten des Trägerelements angeordnet ist, wobei die Spule einen Wickelkopfbereich aufweist, welcher von der Stirnfläche des Trägerelements hervorsteht, wobei die Teilleiter mit einer einzigen Bandisolierung umhüllt sind, wobei der Wickelkopfbereich im Querschnitt eine V-Form aufweist, welche einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist, wobei der erste Schenkel sich parallel zu der Stirnfläche des Trägerelements erstreckt, und wobei zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel ein Winkel im Bereich von 80° bis 100°, insbesondere ein Winkel von 90°, ausgebildet ist.
Die Spulenträgervorrichtung kann einen Rotor, d.h. einen Läufer, oder einen Stator, d.h. einen Ständer, ausbilden.
Das Trägerelement kann als Blechbündel ausgebildet sein. Dabei kann das Trägerelement als Zylinder oder als Hohlzylinder mit einer Rotationsachse ausgebildet sein. Die Rotationsachse erstreckt sich in Längsrichtung des Zylinders bzw. des Hohlzylinders. Das Trägerelement weist in seiner äußeren Mantelfläche eine Mehrzahl von Nuten auf.
Die Nuten verlaufen parallel zueinander und weisen eine Erstreckungsrichtung auf. Die Erstreckungsrichtung der Nuten verläuft bevorzugt parallel zu der Rotationsachse. Jedoch können die Erstreckungsrichtung und die Rotationsachse ebenfalls einen Winkel zueinander aufweisen, welcher größer als 0° ist. Verläuft die Erstreckungsrichtung der Nuten nicht parallel zur Rotationsachse, so ist der Winkel zwischen Rotationsachse und Erstreckungsrichtung kleiner als 45°, insbesondere kleiner als 20°, weiter insbesondere kleiner als 10°, ferner insbesondere kleiner als 5°. Je größer der Winkel zwischen Rotationsachse und Erstreckungsrichtung der Nuten ist, desto länger sind die zwei parallelen Spulenbereiche der jeweiligen Spule, welche innerhalb einer Nut angeordnet sind. Somit ist die benötigte Länge der Spule von dem Winkel zwischen der Rotationsachse und der Erstreckungsrichtung abhängig.
Ferner weist das zylinderförmige bzw. hohlzylinderförmige Trägerelement eine bezüglich der Rotationsachse axiale Stirnfläche auf, welche jeweils von den Rändern der Mantelfläche des Zylinders begrenzt ist. Ist das Trägerelement ein Zylinder, ist die Stirnfläche eine Kreisfläche. Ist das Trägerelement dagegen ein Hohlzylinder, ist die Stirnfläche eine Ringfläche. Das Trägerelement weist zwei, insbesondere identische, Stirnflächen auf, deren Normale sich jeweils parallel zu der Rotationsachse erstreckt.
Bevorzugt ist die Spule als Einschichtwicklung in den Nuten angeordnet. Hierbei verläuft jeweils ein Spulenbereich der zwei parallelen Spulenbereiche in einer Nut. Beispielsweise, wenn drei Spulen vorgesehen sind, verläuft ein erster Spulenbereich der ersten Spule in einer ersten Nut, ein zweiter Spulenbereich der ersten Spule verläuft in der vierten Nut. Ferner verlaufen ein erster Spulenbereich der zweiten Spule in einer zweiten Nut, ein zweiter Spulenbereich der zweiten Spule in einer fünften Nut, ein erster Spulenbereich der dritten Spule in einer dritten Nut sowie ein zweiter Spulenbereich der dritten Spule in einer sechsten Nut. Diese Anordnung wiederholt sich nachfolgend um den gesamten Umfang des Trägerelements herum. Somit ist eine Verschachtelung der Spulenbereiche der drei Spulen ermöglicht.
Der Wickelkopfbereich einer Spule stellt ein magnetisch nicht aktives Element der Spulenträgervorrichtung dar. Der Wickelkopfbereich verbindet die zwei Spulenbereiche, welche in den Nuten des Trägerelements angeordnet sind. Der Wickelkopfbereich kann insbesondere als Etagenwicklung oder als Korbwicklung ausgebildet sein. Beispielsweise ist der Wickelkopfbereich als Etagenwicklung ausgebildet, bei welcher die Spulenkopfbereiche der einzelnen Spulen übereinander angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass der Wickelkopfbereich, insbesondere in Richtung der Rotationsachse, kompakter gestaltet werden kann als beispielsweise bei einer Korbwicklung.
Der Wickelkopfbereich jeder Spule steht von der Stirnfläche des Trägerelements hervor. Insbesondere tritt der Spulenbereich an der Stirnfläche aus der Nut hervor, in welcher er verläuft. Zunächst erstreckt sich der Spulenbereich parallel in Axialrichtung bezüglich der Rotationsachse. Anschließend geht der Spulenbereich in den Wickelkopfbereich über.
Die Teilleiter sind mit einer einzigen Bandisolierung umhüllt. Das Isolierband der Bandisolierung kann in Form von schmalen Bändern oder von breiten Bahnen ausgebildet sein. Ferner wird die Bandisolierung um alle Teilleiter einer Spule vollumfänglich herumgewickelt bis die erforderliche Stärke der zu erzeugenden Isolierung erreicht ist.
Es sind folglich alle Windungen der Teilleiter einer Spule gemeinsam mit der Bandisolation umhüllt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Spule einteilig ausgebildet ist. Ferner ist die V-Form auch in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel besonders stabil sowie mit einheitlichem Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Teilleiter ausgebildet. Ferner wird auch eine zusätzliche Bandisolierung zwischen den Windungen der Teilleiter in dem Übergangsbereich vermieden.
Eine Schnittfläche, welche senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung der Teilleiter verläuft, bildet die Querschnittsfläche des Wickelkopfbereichs.
Die V-Form ist durch den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel ausgebildet, wobei der erste Schenkel und der zweite Schenkel einen Winkel einschließen. Der erste Schenkel erstreckt sich dabei insbesondere parallel zur Stirnfläche. Der zweite Schenkel erstreckt sich bevorzugt senkrecht zur Stirnfläche. Somit weist die V-Form bevorzugt einen rechten Winkel zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel auf. Der Winkel zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel kann jedoch zwischen 70° und 110°, insbesondere zwischen 80° und 100°, weiter insbesondere zwischen 85° und 95°, betragen, weiterhin insbesondere etwa 90°.
Durch die V-Form des Wickelkopfbereichs ist insbesondere Kupfer einsparbar, wodurch das benötigte Volumen des Wickelkopfbereichs verkleinerbar ist. Hierdurch kann wiederum Platz für andere Komponenten des elektrischen Generators gewonnen werden. Gleichzeitig ist die Oberfläche des Wickelkopfbereichs vergrößerbar. Die vergrößerte Oberfläche des Wickelkopfbereichs ermöglicht eine verbesserte Kühlung, wodurch wiederum der Wirkungsgrad verbessert wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spule eine erste Spule, wobei die Spulenträgervorrichtung ferner eine zweite Spule und eine dritte Spule aufweisen kann, wobei der erste Wickelkopfbereich der ersten Spule, der zweite Wickelkopfbereich der zweiten Spule und der dritte Wickelkopfbereich der dritten Spule in Form einer Etagenwicklung angeordnet sind.
Die zweite Spule und/oder die dritte Spule können/kann wie die erste Spule aus einer Mehrzahl von Teilleitern ausgebildet sein. In den Nuten des Trägerelements sind die Spulenbereiche der ersten Spule, der zweiten Spule und der dritten Spule abwechselnd bzw. alternierend angeordnet. Insbesondere ist ein erster Spulenbereich der ersten Spule in einer ersten Nut angeordnet. Ein erster Spulenbereich der zweiten Spule ist in einer zweiten Nute angeordnet, welche angrenzend zur ersten Nut verläuft. Ein erster Spulenbereich der dritten Spule ist in einer dritten Nut angeordnet, welche sich angrenzend zur zweiten Nut erstreckt. An die dritte Nut grenzt eine vierte Nut an, in welcher ein zweiter Spulenbereich der ersten Spule angeordnet ist. Angrenzend daran ist eine fünfte Nut angeordnet, in welcher ein zweiter Spulenbereich der zweiten Spule verläuft. Ferner verläuft eine sechste Nut, in welcher ein zweiter Spulenbereich der dritten Spule angeordnet ist, angrenzend an die fünfte Nut. Somit erfolgt eine Verschachtelung der ersten Spule, der zweiten Spule und der dritten Spule. Daher weisen die erste Spule, die zweite Spule sowie die dritte Spule jeweils einen unterschiedlich geformten Wickelkopfbereich auf.
Jeder Wickelkopfbereich weist einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich auf. Der erste Bereich und der zweite Bereich erstrecken sich von der Stirnfläche zu dem dritten Bereich. Der erste Bereich und der zweite Bereich sind beabstandet zueinander und verlaufen zwischen der Stirnfläche und dem dritten Bereich im Wesentlichen parallel zueinander. Der dritte Bereich verbindet den ersten Bereich mit dem zweiten Bereich.
An dem Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich weist der erste Bereich eine erste Querschnittsfläche mit einer ersten Normalen auf. Entsprechend weist der zweite Bereich an dem Übergang zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich eine zweite Querschnittsfläche mit einer zweiten Normalen auf.
Insbesondere unterscheiden sich die Ausrichtungen der Querschnittsflächen bzw. deren ersten und zweiten Normalen des ersten Wickelkopfbereichs, die Ausrichtungen der Querschnittsflächen bzw. deren ersten und zweiten Normalen des zweiten Wickelkopfbereichs und die Ausrichtungen der Querschnittsflächen bzw. deren ersten und zweiten Normalen des dritten Wickelkopfbereichs voneinander.
Vorteilhaft kann durch die Etagenwicklung Bauraum eingespart und somit für andere Komponenten des elektrischen Generators genutzt werden. Auch kann der eingesparte Bauraum dafür genutzt werden, die Spulenträgervorrichtung kompakter zu gestalten und somit dne elektrische Generator zu verkleinern.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Bereiche des ersten Wickelkopfbereichs der ersten Spule und die Stirnfläche einen Winkel von 20° bis 70°, insbesondere einen Winkel von 45°, zueinander ausbilden, wobei die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Bereiche des zweiten Wickelkopfbereichs der zweiten Spule und die Stirnfläche einen Winkel von 0° (d.h. parallel zueinander ausgerichtet) ausbilden können, und wobei die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Bereiche des dritten Wickelkopfbereichs der dritten Spule und die Stirnfläche einen Winkel von 90° zueinander ausbilden können.
Die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Bereiche des dritten Wickelkopfbereichs der dritten Spule und die Stirnfläche sind parallel zueinander ausgebildet, d.h. der erste Bereich und der zweite Bereich erstrecken sich beispielsweise von der Stirnfläche aus entlang einer Erstreckungsrichtung, welche der Erstreckungsrichtung der Nuten des Trägerelements entspricht.
Die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Bereiche des zweiten Wickelkopfbereiches der zweiten Spule und die Stirnfläche sind senkrecht zueinander ausgebildet. Somit verlaufen der erste Bereich und der zweite Bereich ausgehend von der Stirnfläche in einem gebogenen Verlauf, wobei an deren Enden, bevor sich der dritte Bereich anschließt, die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Bereiche in einem 90°-Winkel zu der Stirnfläche vorliegen.
Somit ist bei der Etagenwicklung der erste Wickelkopfbereich der ersten Spule oberhalb des zweiten Wickelkopfbereiches der zweiten Spule und unterhalb des dritten Wickelkopfbereiches der dritten Spule angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders kompakt und platzsparend ausgebildete Etagenwicklung.
Entsprechend kann gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeder Teilleiter einzeln isoliert sein. Eine zu verwendende Isolierung kann in Form von schmalen Bändern oder in Form von breiten Bahnen um den zu isolierenden Teilleiter herumgewickelt werden. Mittels der Anzahl der Windungen der Isolierung kann die erforderliche Stärke der bereitzustellenden Isolierung beeinflusst werden. Vorteilhafterweise wird jeder Teilleiter mit einer identischen Isolierung in identischer Stärke umwickelt.
Dies hat den Vorteil, dass die Isolierung jedes Teilleiters bzw. jeder Windung des Teilleiters gleichmäßig ist und der Wirkungsgrad über den Querschnitt der Spule unverändert ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung kann der Wickelkopfbereich einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich aufweisen, wobei sich der erste Bereich von der Stirnfläche zu dem dritten Bereich erstreckt, wobei der zweite Bereich sich von der Stirnfläche zu dem dritten Bereich erstreckt, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich sich parallel zueinander erstrecken, wobei der dritte Bereich den ersten Bereich und den zweiten Bereich miteinander verbindet, und wobei der dritte Bereich eine der folgenden Geometrien aufweist: U-förmig, V-förmig, halbkreisförmig oder rechteckig.
Somit kann erreicht werden, dass der Wickelkopfbereich einer jeden Spule individuell an den vorhandenen Bauraum oder den gewünschten Platzbedarf anpassbar ist. Werden beispielsweise drei Spulen in Etagenwicklung angeordnet, können alle drei Wickelkopfbereiche identische Geometrien des jeweiligen dritten Bereichs aufweisen. Damit kann eine Außenkontur der Spulenträgervorrichtung einheitlich und ohne Vorstände und/oder Kanten ausgebildet werden.
Ist es jedoch wünschenswert die Spulenträgervorrichtung beispielsweise in einen komplexen und gleichzeitig engen Bauraum einzubringen, kann es vorteilhaft sein, jeden der dritten Bereiche und folglich auch jeden der drei dritten Bereiche der drei Wickelkopfbereiche, mit einer unterschiedlichen Geometrie auszubilden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Übergangsbereich zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel kreisförmig, oval, ellipsoid oder mit einem sich verändernden Radius ausgebildet.
Der Übergangsbereich verbindet den ersten Schenkel mit dem zweiten Schenkel. Dabei ist der Übergangsbereich ebenfalls wie der erste Schenkel und der zweiten Schenkel aus Windungen der Teilleiter aufgebaut und mit derselben Bandisolierung umhüllt. Die Bandisolierung umwickelt mit einer Wicklung den ersten Schenkel, den zweiten Schenkel und den Übergangsbereich.
Eine derartige Geometrie ermöglicht es vorteilhafterweise, den Teilleiter ohne Knicke auszubilden. Somit kann ein konstanter Stromfluss durch die Teilleiter ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Übergangbereich zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel kreisförmig ausgebildet sein, wobei der Radius des Übergangsbereichs kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm, weiter insbesondere kleiner als 2 mm, ist.
Ein Radius kleiner als 2 mm ermöglicht ein Ausbilden des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels in jeweils einer planaren Ebene. Somit können der erste Schenkel vorteilhafterweise parallel zu der Stirnfläche des Trägerelements und der zweite Schenkel senkrecht zu der Stirnfläche ausgebildet sein. Folglich ist die Fläche des Wickelkopfbereichs vergrößert. Hiermit kann die Kühlung erhöht und der Platzbedarf verringert werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung kann der erste Schenkel derart gekrümmt ausgebildet sein, dass eine erste Tangentialebene an dem ersten Schenkel sich parallel zu der Stirnfläche erstreckt, und der zweite Schenkel kann derart gekrümmt ausgebildet sein, dass eine zweite Tangentialebene an dem zweiten Schenkel sich in einem 90°-Winkel zu der ersten Tangentialebene erstreckt.
Die erste Tangentialebene und der erste Schenkel berühren sich in einem Endpunkt des ersten Schenkels, welcher nicht mit dem Übergangsbereich verbunden ist. Ferner berühren die zweite Tangentialebene und der zweite Schenkel sich in einem Endpunkt, welcher ebenfalls nicht mit dem Übergangsbereich verbunden ist.
Gemäß des beispielhaften Ausführungsbeispiels ist die erste Tangentialebene an dem ersten Schenkel parallel zur Stirnfläche ausgebildet und die zweite Tangentialebene ist senkrecht zur Stirnfläche ausgebildet.
Durch ein gleichzeitig gekrümmtes Ausbilden des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels zumindest im dritten Bereich des Wickelkopfbereichs wird der Wickelkopfbereich der Spule aus ausschließlich gekrümmten Flächen gebildet. Somit ist eine kontinuierliche Biegung der Teilleiter und der die Teilleiter umhüllenden Bandisolierung ermöglicht. Folglich kann der Wickelkopfbereich der Spule einfacher hergestellt werden und ein Brechen der Teilleiter und/oder der Bandisolierung kann unterdrückt werden.
Entsprechend kann gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Spulenträgervorrichtung als Ständer oder Läufer ausgebildet sein.
Der Ständer kann insbesondere ein Stator sein. Der Läufer kann insbesondere ein Rotor sein, insbesondere ein außenlaufender Rotor mit innenliegendem Stator. Ist die Spulenträgervorrichtung als Läufer oder als Rotor ausgebildet, kann ein elektrischer Generator kompakter und mit besserer Kühlleistung aufgebaut werden als ein herkömmlicher elektrischer Generator.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung kann die erste Spule eine Länge aufweisen, welche unterschiedlich zu einer Länge der zweiten Spule und/oder einer Länge der dritten Spule ist.
Weist die erste Spule eine unterschiedliche Länge zu der Länge der zweiten Spule und/oder dritten Spule auf, so kann der Wickelkopfbereich der ersten Spule, der Wickelkopfbereich der zweiten Spule bzw. der Wickelkopfbereich der dritten Spule an den vorhandenen Bauraum angepasst werden. Somit kann noch weiterer Bauraum, insbesondere für andere Komponenten, eingespart werden. Auch kann die Kühlung an individuelle Bedürfnisse angepasst werden.
Gemäß noch eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenträgervorrichtung beansprucht. Das Verfahren weist auf, Ausbilden eines Trägerelements mit einer Mehrzahl von Nuten und einer Stirnfläche, Ausbilden zumindest einer Spule aus einer Mehrzahl von Teilleitern, Anordnen der Spule in Nuten des Trägerelements, Ausbilden eines Wickelkopfbereichs, welcher von einer Stirnfläche des Trägerelements hervorsteht, Umhüllen der Teilleiter mit einer einzigen Bandisolierung, Ausbilden des Querschnitts des Wickelkopfbereichs als eine V-Form, welche einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist, Ausbilden des ersten Schenkels parallel zu der Stirnfläche des Trägerelements, und Ausbilden eines Winkels zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel im Bereich von 80° bis 100°, insbesondere von 90°.
Gemäß noch eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung werden die Spulen bei Betrachtung der jeweiligen Wickelkopfbereiche von oben (d.h. im Querschnitt) betrachtet:
Eine, mehrere oder alle Spulen weisen mit ihrem jeweiligen zugehörigen Wickelkopfbereich eine U-form, eine halbkreisform oder eine halbpolgyonform auf.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
Figurenliste
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.

1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Spulenträgervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Spulenträgervorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Spulenträgervorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
4 zeigt eine Spulenträgervorrichtung aufweisend eine Etagenwicklung gemäß des Standes der Technik.
5 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Spulenträgervorrichtung gemäß 4.
6 zeigt eine Schnittansicht durch einen dritten Bereich eines Wickelkopfbereichs gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Spulenträgervorrichtung 100 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Spulenträgervorrichtung 100 weist ein Trägerelement 110, eine erste Spule 120, eine zweite Spule 130 und eine dritte Spule 140 auf. Das Trägerelement 110 ist in 1 ausschnittsweise gezeigt. Das Trägerelement 110 weist eine Stirnfläche 118 auf, welche die zylindrische bzw. hohlzylindrische Mantelfläche des Trägerelements 110 abschließt. Im Fall eines zylinderförmigen Trägerelements 110 ist die Stirnfläche kreisförmig ausgebildet. Im Fall eines hohlzylinderförmigen Trägerelements 110 ist die Stirnfläche ringförmig ausgebildet.
Die erste Spule 120 ist aus Windungen von ersten Teilleitern 122 mit zwei parallelen Spulenbereichen ausgebildet, wobei jede der zwei Spulenbereiche in einer entsprechenden Nut des Trägerelements 110 angeordnet ist. Die erste Spule 120 weist ferner einen ersten Wickelkopfbereich 121 auf. Der erste Wickelkopfbereich 121 verbindet die zwei parallelen Spulenbereiche der ersten Spule 120 derart, dass eine geschlossen gewickelte erste Spule 120 ausgebildet ist.
Die zweite Spule 130 ist aus Windungen von zweiten Teilleitern 132 mit zwei parallelen Spulenbereichen ausgebildet, wobei jeder der zwei Spulenbereiche in einer entsprechenden Nut des Trägerelements 110 angeordnet ist. Die zweite Spule 130 weist ferner einen zweiten Wickelkopfbereich 131 auf, mittels welchem die zwei parallelen Spulenbereiche zu einer geschlossen gewickelten zweiten Spule 130 ausgebildet sind.
Die dritte Spule 140 ist aus Windungen von dritten Teilleitern 142 ausgebildet und weist einen dritten Wickelkopfbereich 141 auf. Die dritte Spule 140 ist mit der ersten Spule 120 und der zweiten Spule 130 zu einer Etagenwicklung angeordnet.
Die zweiten Teilleiter 132 der zweiten Spule 130 bilden an einem Scheitelpunkt des zweiten Wickelkopfbereichs 131 die zweite Endfläche 135 aus. Ebenfalls bilden die dritten Teilleiter 142 der dritten Spule 140 an einem Scheitelpunkt des dritten Wickelkopfbereichs 141 die dritte Endfläche 145 aus. Die zweite Endfläche 135 sowie die dritte Endfläche 145 sind jeweils planar und erstrecken sich in unterschiedlichen Winkeln relativ zu der Stirnfläche 118.
Demgegenüber weist der erste Wickelkopfbereich 121 im Querschnitt eine V-Form auf, welche in 1 als die erste Endfläche 125 bezeichnet ist. Die V-Form ist aus dem ersten Schenkel 151 und dem zweiten Schenkel 152 gebildet. Der erste Schenkel 151 erstreckt sich entlang einer ersten Richtung 161, welche parallel zu der Stirnfläche 118 verläuft. Der zweite Schenkel 152 erstreckt sich entlang einer zweiten Richtung 162. Die zweite Richtung 162 erstreckt sich senkrecht zur ersten Richtung 161 und folglich senkrecht zur Stirnfläche 118. Somit ist der zweite Schenkel 152 in einem 90°-Winkel zu dem ersten Schenkel 151 angeordnet. Der erste Wickelkopfbereich 121 ist in der Etagenwicklung oberhalb des zweiten Wickelkopfbereichs 131 und unterhalb des dritten Wickelkopfbereichs 141 angeordnet.
Gemäß des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels verbindet der Übergangsbereich 153 den ersten Schenkel 151 und den zweiten Schenkel 152 miteinander. Der Übergangsbereich 153 ist kreisförmig und weist einen kleinen, konstanten Radius, insbesondere einen Radius r ≤ 2 mm, auf.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass beim Ausbilden des ersten Wickelkopfbereichs 121 Kupfer gespart werden kann sowie Bauraum eingespart werden kann. Darüber hinaus kann die Oberfläche des ersten Wickelkopfbereichs 121 gegenüber einer planaren Ausgestaltung vergrößert werden. Folglich sorgt bei Umströmung des Wickelkopfbereichs 121 mit Kühlluft dessen vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Kühlung.
Der erste Wickelkopfbereich 121 weist einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich auf. Der erste Bereich erstreckt sich von der Stirnfläche 118 zu dem dritten Bereich. An dem Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich weist der erste Bereich eine erste Querschnittsfläche 127 auf.
Der zweite Wickelkopfbereich 131 weist ebenfalls einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich auf. Der erste Bereich erstreckt sich von der Stirnfläche 118 zu dem dritten Bereich. An dem Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich weist der erste Bereich eine zweite Querschnittsfläche 137 auf.
Ferner weist der dritte Wickelkopfbereich 141 einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich auf. Der erste Bereich erstreckt sich von der Stirnfläche 118 zu dem dritten Bereich. An dem Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich weist der erste Bereich eine dritte Querschnittsfläche 147 auf.
Die erste Querschnittsfläche 127 des ersten Wickelkopfbereichs 121 der ersten Spule 120 und die Stirnfläche 118 sind in einem 45°-Winkel zueinander angeordnet. Die zweite Querschnittsfläche 137 des zweiten Wickelkopfbereichs 131 der zweiten Spule 130 und die Stirnfläche 118 bilden einen 90°-Winkel zueinander aus, d.h. die zweite Querschnittsfläche 137 verläuft senkrecht zu der Stirnfläche 118. Die dritte Querschnittsfläche 147 und die Stirnfläche 118 bilden einen 0°-Winkel zueinander aus, d.h. sie verlaufen parallel zueinander.
2 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Spulenträgervorrichtung 200 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Spulenträgervorrichtung 200 weist eine erste Spule 220, eine zweite Spule 130, eine dritte Spule 140 sowie ein Trägerelement 110 auf. Die zweite Spule 130 sowie die dritte Spule 140 sind in 2 identisch zu der zweiten Spule 130 sowie der dritten Spule 140 in 1 ausgebildet. Auch das Trägerelement 110 ist in 2 identisch zu dem Trägerelement 110 in 1 ausgebildet.
Die erste Spule 220 in 2 ist wie auch die erste Spule 120 (in 1 gezeigt) aus Windungen von Teilleitern 222 aufgebaut. Der erste Wickelkopfbereich 221 weist im Querschnitt eine V-Form auf, welche in 2 als die erste Endfläche 225 bezeichnet ist. Die erste Endfläche 225 unterscheidet sich von der zweiten Endfläche 135 und der dritten Endfläche 145 derart, dass ihr Querschnitt nicht eben und rechteckig ist, sondern wie die erste Endfläche 125 (in 1 gezeigt), einen Querschnitt mit V-Form aufweist. Die erste Endfläche 225 in 2 weist den ersten Schenkel 251 und den zweiten Schenkel 252 auf. Der Übergangsbereich 253 verbindet den ersten Schenkel 251 und den zweiten Schenkel 252 miteinander. Der erste Schenkel 251 erstreckt sich entlang einer ersten Richtung 261 und der zweite Schenkel 252 erstreckt sich entlang einer zweiten Richtung 262. Die zweite Richtung 262 erstreckt sich senkrecht zur ersten Richtung 261. Die erste Richtung 261 verläuft parallel zur Stirnfläche 118. Folglich erstreckt sich die zweite Richtung 262 senkrecht zur Stirnfläche 118. Der Übergangsbereich 253 weist eine kreisförmige Geometrie mit einem konstanten Radius auf. Der Radius des Übergangsbereichs 253 ist größer als der Radius des Übergangsbereichs 153 (in 1 dargestellt). Folglich ist der Radius im Übergangsbereich 253 r > 2 mm.
3 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Spulenträgervorrichtung 300 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Spulenträgervorrichtung 300 weist eine erste Spule 320, eine zweite Spule 130, eine dritte Spule 140 sowie ein Trägerelement 110 auf. Das Trägerelement 110, die zweite Spule 130 und die dritte Spule 140 sind identisch zu dem Trägerelement 110, der zweiten Spule 130 und der dritten Spule 140 in 1 bzw. 2 ausgebildet.
Die erste Spule 320 ist aus Windungen von Teilleitern 322 aufgebaut. Der erste Wickelkopfbereich 321 weist im Querschnitt eine V-Form auf, welche in 3 als die erste Endfläche 325 bezeichnet ist. Die erste Endfläche 325 ist gekrümmt ausgebildet und weist einen ersten Schenkel 351, einen zweiten Schenkel 352 sowie einen Übergangsbereich 353 auf. Der erste Schenkel 351 ist vollständig gekrümmt und berührt eine erste Tangentialebene 361 an einem Endpunkt der ersten Endfläche 325. Die erste Tangentialebene 361 verläuft parallel zu der Stirnfläche 118. Der zweite Schenkel 352 ist ebenfalls gekrümmt ausgebildet und berührt eine zweite Tangentialebene 362 an einem weiteren Endpunkt der Endfläche 325, welcher am entgegengesetzten Ende der Endfläche 325 zu dem Endpunkt angeordnet ist. Die zweite Tangentialebene 362 ist senkrecht zur ersten Tangentialebene 361 und folglich senkrecht zur Stirnfläche 118 angeordnet. Der Übergangsbereich 353 ist ebenfalls gekrümmt ausgebildet und verbindet den ersten Schenkel 351 und den zweiten Schenkel 352 miteinander.
6 zeigt eine Schnittansicht durch einen dritten Bereich eines ersten Wickelkopfbereichs 121 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Wickelkopfbereich 121 weist zwölf Wicklungen der ersten Teilleiter 122 auf. Alle der zwölf Wicklungen der ersten Teilleiter 122 sind mit einer einzigen Bandisolierung 629 umhüllt. Die einzige Bandisolierung 629 umschließt den ersten Schenkel 152, den zweiten Schenkel 152 sowie den Übergangsbereich 153 vollumfänglich.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100), aufweisend ein Trägerelement (110), welches eine Mehrzahl von Nuten und eine Stirnfläche (118) aufweist, zumindest eine Spule (120), welche aus einer Mehrzahl von Teilleitern (122) ausgebildet ist, wobei die Spule (121) in den Nuten des Trägerelements (110) angeordnet ist, wobei die Spule (120) einen Wickelkopfbereich (121) aufweist, welcher von der Stirnfläche (118) des Trägerelements (110) hervorsteht, wobei die Teilleiter (122) mit einer einzigen Bandisolierung umhüllt sind, wobei der Wickelkopfbereich (121) im Querschnitt eine V-Form aufweist, welche einen ersten Schenkel (151) und einen zweiten Schenkel (152) aufweist, wobei sich der erste Schenkel (151) parallel zu der Stirnfläche (118) des Trägerelements (110) erstreckt, und wobei zwischen dem ersten Schenkel (151) und dem zweiten Schenkel (152) ein Winkel im Bereich von 80° bis 100°, insbesondere ein Winkel von 90°, ausgebildet ist.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Spule (120) eine erste Spule (120) ist, wobei die Spulenträgervorrichtung (100) ferner eine zweite Spule (130) und eine dritte Spule (140) aufweist, und wobei die erste Spule (120), die zweite Spule (130) und die dritte Spule (140) in Form einer Etagenwicklung angeordnet sind.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jeder Teilleiter (122, 132, 142) einzeln isoliert ist.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wickelkopfbereich (121) einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich aufweist, wobei sich der erste Bereich von der Stirnfläche (118) zu dem dritten Bereich erstreckt, wobei der zweite Bereich sich von der Stirnfläche (118) zu dem dritten Bereich erstreckt, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich sich parallel zueinander erstrecken, wobei der dritte Bereich den ersten Bereich und den zweiten Bereich miteinander verbindet, und wobei der dritte Bereich eine der folgenden Geometrien aufweist: U-förmig, V-förmig, halbkreisförmig oder rechteckig.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Übergangsbereich (153) zwischen dem ersten Schenkel (151) und dem zweiten Schenkel (152) kreisförmig, oval, ellipsoid oder mit einem sich verändernden Radius ausgebildet ist.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Übergangsbereich (153) zwischen dem ersten Schenkel (151) und dem zweiten Schenkel (152) kreisförmig ausgebildet ist, und wobei der Radius des Übergangsbereichs (153) kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm, weiter insbesondere kleiner als 2 mm, ist.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (300) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Schenkel (351) derart gekrümmt ausbildet ist, dass eine erste Tangentialebene (361) an dem ersten Schenkel (351) sich parallel zu der Stirnfläche (118) erstreckt, wobei der zweite Schenkel (352) derart gekrümmt ausgebildet ist, dass eine zweite Tangentialebene (362) an dem zweiten Schenkel (352) sich in einem 90°-Winkel zu der ersten Tangentialebene (361) erstreckt.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, welches als Ständer oder Läufer ausgebildet ist.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche , wobei die erste Spule (120) eine Länge aufweist, welche unterschiedlich zu einer Länge der zweiten Spule (130) und/oder einer Länge der dritten Spule (140) ist.
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei 0°, 45°, 90°
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit folgenden Merkmalen: ein Bereich des ersten Wickelkopfbereichs (421) der ersten Spule (420) erstreckt sich in einem 45°-Winkel relativ zu der Stirnfläche (418) des Statorkernsegments (410); ein Bereich des zweiten Wickelkopfbereichs (431) der zweiten Spule (430) erstreckt sich in einem 0°-Winkel, d.h. parallel zu der Stirnfläche (418); und ein Bereich des dritten Wickelkopfbereichs 441 der dritten Spule (440) erstreckt sich in einem 90°-Winkel, d.h. senkrecht, zu der Stirnfläche (418).
Windturbinengenerator mit einer Spulenträgervorrichtung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei Betrachtung des jeweiligen Wickelkopfbereichs (421, 431, 441) von oben eine, mehrere oder alle Spulen (420,430,440) mit ihrem jeweiligen zugehörigen Wickelkopfbereich (421, 431, 441) eine U-form, eine halbkreisform oder eine halbpolgyonform aufweisen.