DE102018201104A1 - Stator for electric machine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Stator für eine elektrische Maschine beschrieben, wobei die elektrische Maschine eine Drehachse (A) hat, die zwischen einem Antriebsende (DE) und einem Nichtantriebsende (NDE) der elektrischen Maschine verläuft. Der Stator umfasst (a) einen röhrenförmigen Statorkörper (20, 21), der mindestens eine Wicklung (22) umfasst und bezüglich der Drehachse (A) eine rotationssymmetrische Form aufweist, (b) ein erstes Trägerelement (24) zum Stützen eines Antriebsendteils des Statorkörpers (20) in einem vorbestimmten radialen Abstand von der Drehachse (A), und (c) ein zweites Trägerelement (26) zum Stützen eines Nichtantriebsendteils des Statorkörpers (20) in dem vorbestimmten radialen Abstand von der Drehachse (A), wobei der röhrenförmige Statorkörper (20) so geformt ist, dass sich bei Temperaturen, die einem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, ein radialer Abstand zwischen einem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers (20) und der Drehachse (A) um ein vorbestimmtes Ausmaß von dem vorbestimmten radialen Abstand unterscheidet. Ferner werden eine elektrische Maschine und eine Windturbine, die solch eine vorteilhafte Rotorstruktur umfassen, beschrieben. A stator for an electric machine is described, wherein the electric machine has an axis of rotation (A) which runs between a drive end (DE) and a non-drive end (NDE) of the electrical machine. The stator comprises (a) a tubular stator body (20, 21) comprising at least one winding (22) and rotationally symmetric about the axis of rotation (b), (b) a first support member (24) for supporting a drive end portion of the stator body (20) at a predetermined radial distance from the rotation axis (A), and (c) a second support member (26) for supporting a non-drive end portion of the stator body (20) at the predetermined radial distance from the rotation axis (A), the tubular stator body (20) is shaped such that at temperatures corresponding to a non-operating state of the stator, a radial distance between a central portion of the tubular stator body (20) and the rotation axis (A) differs by a predetermined amount from the predetermined radial distance. Further, an electric machine and a wind turbine comprising such an advantageous rotor structure will be described.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet elektrischer Maschinen, insbesondere Statoren für elektrische Maschinen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine und eine eine elektrische Maschine umfassende Windturbine.The present invention relates to the field of electrical machines, in particular stators for electric machines. Furthermore, the present invention relates to an electric machine and a wind turbine comprising an electric machine.
Stand der TechnikState of the art
Zum Optimieren der Leistung von elektrischen Maschinen ist es günstig, wenn zwischen dem Stator und dem Rotor ein kleiner mittlerer Luftspalt besteht. Um jedoch Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotor zu vermeiden, ist es erforderlich, alle Faktoren, die während der Herstellung oder des Betriebs eine Verkleinerung des Luftspalts verursachen können, zu berücksichtigen. Einer der Faktoren, die während des Betriebs eine Änderung des Luftspalts verursachen können, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Stator und dem Rotor.To optimize the performance of electric machines, it is favorable if there is a small average air gap between the stator and the rotor. However, in order to avoid contact between the stator and the rotor, it is necessary to take into account all factors which may cause the air gap to diminish during manufacture or operation. One of the factors that can cause a change in the air gap during operation is the temperature difference between the stator and the rotor.
Bei einem direkt angetriebenen Windturbinengenerator mit einem Innenstator (mit Wicklungen) und einem Außenrotor (mit Permanentmagneten) ist zum Beispiel der Stator in der Regel wärmer als der Rotor, weil während des Betriebs in dem Stator mehr Verluste abgeführt werden als in dem Rotor. Die Temperaturdifferenz führt zu einer größeren Ausdehnung des Stators im Vergleich zum Rotor, was dann zu einem kleineren Luftspalt führt. Wenn der Statorkern nur an den Enden gestützt wird, liegt im mittleren Abschnitt eine größere Ausdehnung (und dadurch ein kleinerer Luftspalt) vor als an den beiden Enden.For example, in a direct drive wind turbine generator having an inner stator (with windings) and an outer rotor (with permanent magnets), the stator is typically warmer than the rotor because more power dissipates during operation in the stator than in the rotor. The temperature difference leads to a larger expansion of the stator compared to the rotor, which then leads to a smaller air gap. If the stator core is only supported at the ends, there is a greater extent (and therefore a smaller air gap) in the middle section than at both ends.
Deshalb wird der mittlere Nennluftspalt unter warmen Bedingungen normalerweise ausreichend groß eingestellt, um zu berücksichtigen, dass die Mitte des Kerns unter warmen Bedingungen einen kleineren Luftspalt als die Enden hat.Therefore, the average nominal air gap under warm conditions is normally set sufficiently large to take into account that the center of the core has a smaller air gap under warm conditions than the ends.
Somit kann Bedarf an einer Art und Weise der Minimierung oder zumindest Verkleinerung des mittleren Luftspalts zwischen einem Rotor und einem Stator einer elektrischen Maschine bestehen.Thus, there may be a need for a manner of minimizing or at least reducing the mean air gap between a rotor and a stator of an electric machine.
Kurzfassung der ErfindungSummary of the invention
Diesem Bedarf kann durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.This need can be met by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described by the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine eine Drehachse hat, die zwischen einem Antriebsende und einem Nichtantriebsende der elektrischen Maschine verläuft, wobei der Stator Folgendes umfasst: (a) einen röhrenförmigen Statorkörper, der mindestens eine Wicklung umfasst und bezüglich der Drehachse eine rotationssymmetrische Form aufweist, (b) ein erstes Trägerelement zum Stützen eines Antriebsendteils des Statorkörpers in einem vorbestimmten radialen Abstand von der Drehachse und (c) ein zweites Trägerelement zum Stützen eines Nichtantriebsendteils des Statorkörpers in dem vorbestimmten radialen Abstand von der Drehachse, wobei der röhrenförmige Statorkörper so geformt ist, dass sich bei Temperaturen, die einem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, ein radialer Abstand zwischen einem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse um ein vorbestimmtes Ausmaß von dem vorbestimmten radialen Abstand unterscheidet.According to a first aspect of the invention, there is provided a stator for an electric machine, the electric machine having a rotation axis extending between a drive end and a non-drive end of the electric machine, the stator comprising: (a) a tubular stator body at least (b) a first support member for supporting a drive end portion of the stator body at a predetermined radial distance from the rotation axis; and (c) a second support member for supporting a non-drive end portion of the stator body at the predetermined radial distance from the rotation axis, wherein the tubular stator body is formed so that at temperatures corresponding to a non-operating state of the stator, a radial distance between a central portion of the tubular stator body and the rotation axis by a predetermined mtes extent differs from the predetermined radial distance.
Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Stator so geformt ist, dass der mittlere Abschnitt des Statorkörpers von dem Rotor weiter weg ist, wenn der Stator nicht in Betrieb ist, das heißt, der Stator nicht durch ihn durchfließende Ströme erwärmt wird. Dadurch bleibt Raum für eine Wärmeausdehnung bei Betriebstemperaturen ohne Gefahr zu laufen, dass der Luftspalt zu klein oder sogar geschlossen wird.This aspect of the invention is based on the idea that the stator is shaped so that the central portion of the stator body is farther away from the rotor when the stator is not in operation, that is, the stator is not heated by currents flowing through it. This leaves room for thermal expansion at operating temperatures without the risk of the air gap becoming too small or even closed.
Im vorliegenden Zusammenhang kann der Begriff „radialer Abstand zwischen einem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse“ insbesondere den radialen Abstand von der Drehachse zu der Fläche des Statorkörpers, die einem Rotor zugewandt sein soll, wenn der Stator in einer elektrischen Maschine angeordnet ist, bedeuten. Mit anderen Worten, der radiale Abstand, auf den oben Bezug genommen wird, wird von der gleichen Fläche aus gemessen, die den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator auf der Statorseite begrenzt.In the present context, the term "radial distance between a central portion of the tubular stator body and the axis of rotation" may in particular the radial distance from the axis of rotation to the surface of the stator body, which is to face a rotor, when the stator is arranged in an electric machine, mean. In other words, the radial distance referred to above is measured from the same area that defines the air gap between the rotor and the stator on the stator side.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich bei Temperaturen, die einem Betriebszustand des Stators entsprechen, der radiale Abstand zwischen dem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse um weniger als ein vorbestimmtes Ausmaß von dem vorbestimmten radialen Abstand.According to an embodiment of the invention, at temperatures corresponding to an operating state of the stator, the radial distance between the central portion of the tubular stator body and the axis of rotation differs less than a predetermined amount from the predetermined radial distance.
Mit anderen Worten, bei Betriebstemperaturen liegt der radiale Abstand zwischen dem mittleren Abschnitt des röhrenförmigen Statorkörpers und der Drehachse näher am vorbestimmten radialen Abstand oder entspricht diesem.In other words, at operating temperatures, the radial distance between the central portion of the tubular stator body and the axis of rotation is closer to or equal to the predetermined radial distance.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Querschnittsform des röhrenförmigen Statorkörpers bei Temperaturen, die dem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, im Wesentlichen eine Bogenform auf und bei Temperaturen, die dem Betriebszustand des Stators entsprechen, im Wesentlichen eine lineare Form.According to another embodiment of the invention, the cross-sectional shape of the tubular stator body at temperatures corresponding to the non-operating state of the stator, in Substantially an arc shape and at temperatures corresponding to the operating state of the stator, substantially a linear shape.
Mit anderen Worten, die Fläche des Stators, die dem Rotor zugewandt ist, ist bei Nichtbetriebstemperaturen gekrümmt und bei Betriebstemperaturen im Wesentlichen gerade.In other words, the surface of the stator facing the rotor is curved at non-operating temperatures and substantially straight at operating temperatures.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegen Temperaturen, die dem Nichtbetriebszustand des Stators entsprechen, unter 40°C, und Temperaturen, die dem Betriebszustand des Stators entsprechen, liegen über 60°C.According to another embodiment of the invention, temperatures corresponding to the non-operating state of the stator are below 40 ° C and temperatures corresponding to the operating state of the stator are above 60 ° C.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das vorbestimmte Ausmaß im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm.According to another embodiment of the invention, the predetermined amount is in the range of 0.1 mm to 5 mm.
Diese Werte gelten für einen Stator für einen Windturbinengenerator nach dem Stand der Technik, bei dem der Durchmesser des röhrenförmigen Statorkörpers eine Größe von 10 m aufweisen kann.These values apply to a stator for a wind turbine generator according to the prior art, in which the diameter of the tubular stator body may have a size of 10 m.
Bei anderen Generatorabmessungen sollte das vorbestimmte Ausmaß entsprechend eingestellt werden, um die vorteilhaften Auswirkungen der vorliegenden Erfindung, wie hierin dargelegt, zu erzielen.For other generator dimensions, the predetermined amount should be adjusted accordingly to achieve the beneficial effects of the present invention as set forth herein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine Folgendes umfasst: (a) einen Stator gemäß dem ersten Aspekt oder irgendeiner der oben beschriebenen Ausführungsformen, und (b) einen Rotor, der zur Drehung bezüglich des Stators angeordnet ist.According to a second aspect of the invention there is provided an electric machine, in particular an electric generator for generating electrical energy, the electric machine comprising: (a) a stator according to the first aspect or any of the embodiments described above, and (b) a rotor arranged for rotation with respect to the stator.
Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf dem gleichen Gedanken wie der oben beschriebene erste Aspekt und stellt somit eine elektrische Maschine mit einem erhöhten Wirkungsgrad aufgrund der Verkleinerung des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator während des Betriebs bereit.This aspect of the invention is based on the same idea as the first aspect described above, and thus provides an electric machine with increased efficiency due to the reduction of the air gap between the rotor and the stator during operation.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Windturbine bereitgestellt, die eine elektrische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt umfasst.According to a third aspect of the invention, there is provided a wind turbine comprising an electric machine according to the second aspect.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine ein direkt angetriebener Windturbinengenerator, der einen Innenstator und einen Außenrotor umfasst.According to another embodiment of the invention, the electric machine is a direct drive wind turbine generator comprising an inner stator and an outer rotor.
Es sei darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Gegenstände beschrieben worden sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Verfahrensansprüche beschrieben worden, während andere Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Vorrichtungsansprüche beschrieben worden sind. Ein Fachmann wird dem Obigen und der folgenden Beschreibung jedoch entnehmen, dass, wenn nicht anders angegeben, zusätzlich zu jeglicher Kombination von Merkmalen, die zu einer Gegenstandsart gehören, auch jegliche Kombination von Merkmalen, die andere Gegenstände betreffen, insbesondere Kombinationen von Merkmalen der Verfahrensansprüche und Merkmalen der Vorrichtungsansprüche, Teil der Offenbarung dieser Schrift ist.It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to various objects. In particular, some embodiments have been described with reference to method claims, while other embodiments have been described with reference to apparatus claims. However, it will be apparent to those skilled in the art from the foregoing and the following description that, unless otherwise indicated, in addition to any combination of features belonging to an item type, any combination of features pertaining to other items, in particular combinations of features of the method claims and Features of the device claims, part of the disclosure of this document is.
Die oben definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung gehen aus den im Folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispielen hervor und werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele erläutert. Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele ausführlicher beschrieben. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.The above-defined aspects and further aspects of the present invention will become apparent from the embodiments to be described hereinafter and will be explained with reference to the embodiments. In the following, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments. It is expressly understood, however, that the invention is not limited to the described embodiments.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Stator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.1 shows an electric machine comprising a stator according to an embodiment of the present invention.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch. Es sei darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit den gleichen Bezugszahlen oder mit Bezugszahlen, die sich nur in der ersten Ziffer unterscheiden, versehen sind.The illustration in the drawing is schematic. It should be noted that in different figures, similar or identical elements are provided with the same reference numerals or with reference numerals that differ only in the first digit.
Insbesondere umfasst der Rotor
Der Stator umfasst einen röhrenförmigen Statorkörper
Der im Wesentlichen gleichförmige Luftspalt wird durch derartiges Ausbilden des röhrenförmigen Statorkörpers erreicht, dass er die durch die gestrichelte Linie
Der Statoraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht Betrieb mit einem kleineren Luftspalt im Vergleich zu bekannten Statoraufbauten, die erfordern, dass dem Luftspalt eine Sicherheitsspanne zugefügt wird, um der Wärmeausdehnung des mittleren Abschnitts des Stators Rechnung zu tragen. Der kleinere Luftspalt führt wiederum zu einer effizienteren elektrischen Maschine.The stator assembly according to the present invention allows operation with a smaller air gap compared to known stator assemblies which require that a margin of safety be added to the air gap to account for the thermal expansion of the central portion of the stator. The smaller air gap in turn leads to a more efficient electric machine.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und die Verwendung der Artikel „ein/e/er/es“ den Plural nicht ausschließt. Darüber hinaus können in Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Elemente kombiniert werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzumfang der Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollen.It should be noted that the term "comprising" does not exclude other elements or steps, and the use of the articles "one or more" does not preclude the plural. Moreover, elements described in connection with various embodiments may be combined. It should also be noted that reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope of the claims.
Claims (8)
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