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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von einem Generator, insbesondere betrifft einen Lufteinlassrahmen für einen Rotor. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Anmeldung noch einen Generatorrotor.
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STAND DER TECHNIK
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Generatoren sind mechanische Geräte, die Energie in anderen Formen, wie z.B. Windenergie sowie Wasserenergie, in elektrische Energie umwandeln und die Statoren und Rotoren als Hauptkomponenten umfassen. Generatoren funktionieren aufgrund des Prinzips, dass unter der Einwirkung einer Kraftquelle, wie z.B. Windkraft oder Wasserkraft, Rotoren sich derart drehen, dass Spulen magnetische Feldlinien schneiden, um Induktionsstrom zu erzeugen.
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In der Gegenwart sind in Rotoren von einigen Generatoren Windkanäle vorgesehen, um eine Wärmeableitung von Rotoren sowie Statoren durchzuführen. Aber ein Windkanalaufbau eines vorhandenen Rotors könnte wohl zu einem relativ großen Widerstand im Windpfad innerhalb des Rotors, zu einem relativ geringen bei sich erzeugten Durchfluss sowie zu einem Problem von aerodynamischem Lärm führen. In vielen Fällen sind zusätzliche Kühllüfter erforderlich, erst dann kann die Anforderung des Temperaturanstiegs des Generators sichergestellt werden, was zu erhöhten Investitionskosten sowie Betriebs- und Wartungskosten führt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Lufteinlassrahmen für einen Rotor und einen Generatorrotor bereitzustellen. Mittels des Lufteinlassrahmens und/oder des Generatorrotors kann die Vena Contracta-Erscheinung beim Lufteinlass erheblich verringert werden, wodurch der Luftstromdurchfluss in einem Windkanal innerhalb des Rotors bei weitem erhöht wird und somit das Problem von aerodynamischem Lärm gelöst wird und die Wärmeableiteffizienz des Rotors verbessert wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird die Aufgabe durch einen Lufteinlassrahmen für einen Rotor gelöst, der derart ausgebildet ist, dass er zumindest teilweise einen Lufteinlass des Rotors umschließen kann, wobei eine Innenfläche des Lufteinlassrahmens eine bogenförmige Ecke aufweist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff „eine bogenförmige Ecke“ eine Ecke ein, deren Oberfläche keine plane Fläche sondern eine gekrümmte Fläche ist, die beispielsweise eine ellipsoidische Fläche, eine sphärische Fläche sowie eine unregelmäßig gekrümmte Fläche und dergleichen sein kann.
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In einer bevorzugten Konzeption der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass die Innenfläche des Lufteinlassrahmens am Top und am Boden in Dickenrichtung jeweils eine bogenförmige Ecke aufweist. Die Vena Contracta-Erscheinung beim Lufteinlass kann weitergehend verringert werden, indem beide Ecken bogenförmig ausgebildet sind. In einem Ausführungsbeispiel kann die Innenfläche des Rahmens lediglich eine einzelne bogenförmige Ecke umfassen, oder beide Ecken werden abgerundet, sodass die gekrümmten Flächen der beiden Ecken miteinander fusionieren.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass die bogenförmige Ecke durch Abrunden einer Ecke mittels eine Form erhältlich ist. Verschiedene angemessene Verfahren, wie z.B. ein Schleif- und Abrundungsverfahren, ein Laserschneidverfahren, ein chemisches Ätzverfahren und dergleichen, können zur Formung einer bogenförmigen Ecke verwendet werden.
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In einer weiteren Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass der Lufteinlassrahmen aus einem Siliziumstahl hergestellt wird. Ein Lufteinlassrahmen mit hoher magnetischer Permeabilität und hoher Plastizität kann bereitgestellt werden, indem Siliziumstahl als Material für einen Lufteinlassrahmen verwendet wird.
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In einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass der Lufteinlassrahmen derart ausgebildet ist, dass er durch Schweißen, Kleben, Verschrauben mit dem Lufteinlass des Rotors verbindbar ist oder einstückig mit dem Lufteinlass geformt ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird die vorgenannte Aufgabe durch ein Metallblech für einen Generatorrotor gelöst, welches auf einer Seite nahe einer Drehwelle einen Lufteinlass aufweist, wobei der Lufteinlass eine bogenförmige Ecke aufweist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff „Metallblech“ ein metallisches Material wie z.B. ein Metallplattenmaterial, ein Metallscheibenmaterial und dergleichen ein, dessen Dicke kleiner als die Länge und die Breite ist.
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In einer bevorzugten Konzeption der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass das Metallblech eine Vielzahl von Lufteinlässen aufweist und jeder Lufteinlass am Top und am Boden in Dickenrichtung des Metallblechs jeweils eine bogenförmige Ecke aufweist. Der Lufteinlass kann ausgebildet werden, indem ein Metallblech unter Verwendung einer Form gestanzt und abgerundet wird.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ferner einen Generatorrotor mit einer Vielzahl von Metallblechen gemäß der vorliegenden Erfindung. Unter den vielen Metallblechen, die einen Rotor bilden, sind beispielsweise unterschiedliche Lufteinlassdimensionen aufweisende Metallbleche vorsehbar, um sicherzustellen, dass nach dem Stanzen der Metallbleche deren Lufteinlässe relativ gut aufeinander ausgerichtet werden können.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ferner eine Windkraftgenerator mit dem Generatorrotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ferner einen Generatorrotor mit einer Vielzahl von Metallblechen für den Generatorrotor, wobei die Metallbleche auf einer Seite nahe einer Drehwelle einen Lufteinlass aufweisen, wobei es zwischen benachbarten Metallblechen einen Spalt gibt, wobei der Lufteinlass eine bogenförmige Ecke aufweist, um eine Vena Contracta-Erscheinung an der Ecke des Lufteinlasses sowie an der Ecke des Spalts zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung besitzt mindestens folgende vorteilhafte Wirkungen: Durch Verwendung eines Lufteinlasses mit einer bogenförmigen Ecke kann die vorliegende Erfindung die Vena Contracta-Erscheinung beim Lufteinlass erheblich verringern, wodurch der Belüftungswiderstand innerhalb des Rotors verringert wird und der selbstangetriebene Durchfluss des Rotors erhöht wird. Zugleich kann wegen der Zunahme des Winddurchflusses eine relativ gute Kühlwirkung erzielt werden und gleichzeitig wird der aerodynamische Lärm reduziert. Ferner, weil der Winddurchfluss zunimmt, ist für den Rotor kein zusätzlicher Kühllüfter erforderlich mehr, sodass die Investitionskosten sowie die Betriebs- und Wartungskosten reduziert werden und die Zuverlässigkeit und die Stabilität des Systems erhöht werden.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Kombination mit konkreten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt das Prinzip, auf dem die vorliegende Erfindung beruht;
- 2 zeigt einen Ausschnitt eines Metallblechs für einen Generatorrotor gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 3a-3b zeigen eine schematische Darstellung der Luftstromströmung in einem Generatorrotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Es ist darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Baugruppen in den jeweiligen Figuren zum Zweck einer Veranschaulichung übertrieben dargestellt würden und nicht unbedingt massstabgerecht sind. In den jeweiligen Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Baugruppen mit einem identischen Bezugszeichen versehen.
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Sofern nicht anders angegeben, schließen in der vorliegenden Erfindung die Formulierungen „auf ... angeordnet wird“, „oberhalb ... angeordnet wird“, „über .... angeordnet wird“ nicht aus, dass dazwischen ein Zwischenmittel vorhanden ist. Außerdem geht es bei der Formulierung „auf oder oberhalb ... angeordnet wird“ lediglich um eine relative Positionsbeziehung zwischen zwei Komponenten; und in bestimmten Fällen wie z.B. nach Reversierung einer Produktrichtung kann sie ebenfalls zu „unter oder unterhalb ... angeordnet wird“ umgewandelt werden, und umgekehrt.
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In der vorliegenden Erfindung dienen die jeweiligen Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der Konzeptionen der vorliegenden Erfindung und sind nicht als einschränkend zu verstehen.
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In der vorliegenden Erfindung, sofern nicht anders angegeben, schließen Zählwörter „ein“, „eine“ nicht die Szene des Vorhandenseins von mehreren Elementen aus.
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Es ist dabei noch darauf hingewiesen, dass der Klarheit und der Einfachheit halber in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wohl nur ein Teil von Komponenten bzw. Baugruppen dargestellt werden. Jedoch kann der allgemeine Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass unter Heranziehung der Lehre aus dieser Erfindung bei Bedarf in einer spezifischen Szene benötigte Komponenten bzw. Baugruppen hinzugefügt werden können.
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Es ist dabei noch darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Ausdrücke „gleich“, „identisch“, „äquivalent“ oder dergleichen nicht bedeuten, dass Werte der Beiden absolut gleich sind; hingegen ist ein gewisser rationaler Fehler erlaubt. D.h. diese Ausdrücke schließen auch „im Wesentlichen gleich“, „im Wesentlichen identisch“, „im Wesentlichen äquivalent“ ein. Analog dazu beinhalten die Fachwörter, die Richtungen betreffen, nämlich „senkrecht zu“, „parallel zu“ und dergleichen, in der vorliegenden Erfindung gleichfalls die Bedeutungen von „im Wesentlichen senkrecht zu“, „im Wesentlichen parallel zu“.
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Darüber hinaus schränkt die Ziffern der Schritte der jeweiligen Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht die Reihenfolge für die Durchführung der Verfahrensschritte ein. Sofern nicht anders angegeben, können die jeweiligen Verfahrensschritte nach unterschiedlicher Reihenfolge durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Kombination mit konkreten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf folgendem Einblick des Erfinders: In bestehenden Rotoren geht es bei einem Lufteinlass um eine rechteckige Ecke, so dass ein Fluid beim Durchströmen solcher rechteckigen Ecken (oder als Wende genannt) einen Rücklaufunterdruckbereich 1 (oder als Detached-Eddy genannt) an den Ecken ausbildet, was zur Folge hat, dass im Strömungswegquerschnitt ein Kehlebereich, nämlich der schmalste Bereich im Querschnitt, ausgebildet ist, wo als Vene Contracta 2 genannt ist. Diesbezüglich wird auf 1 verwiesen. Wegen des Vorhandenseins der Wirbel an diesen Ecken kann die tatsächliche Breite des Strömungswegs des Rotors nicht ausgenutzt werden, was zu einem lokalen Widerstandverlust und einer Verringerung des Systemdurchflusses führt. Hingegen kann in der vorliegenden Erfindung durch Ausbilden eines Lufteinlasses mit einer bogenförmigen Ecke die Vena Contracta-Erscheinung erheblich verringert werden, wodurch der Luftdurchfluss in einem Windkanal erhöht wird.
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Der linke Teil in 2a zeigt einen Ausschnitt eines Metallblechs 100 für einen Generatorrotor gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der rechte Teil eine Querschnittansicht des Metallblechs 100 zeigt.
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Das Metallblech 100 ist z.B. kreisförmig und weist eine Vielzahl von Lufteinlässen 101 auf. Hierbei wird nur ein Teil des Metallblechs 100 dargestellt. Die Lufteinlässe 101 sind auf der Seite des Metallblechs 100 nahe der Drehwelle vorgesehen. Die Lufteinlässe weisen bogenförmige Ecken 102 auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff „eine bogenförmige Ecke“ eine Ecke ein, deren Oberfläche keine plane Fläche sondern eine gekrümmte Fläche ist, die beispielsweise eine ellipsoidische Fläche, eine sphärische Fläche sowie eine unregelmäßig gekrümmte Fläche und dergleichen sein kann. Die Lufteinlässe können ausgebildet werden, indem ein Metallblech unter Verwendung einer Form gestanzt wird und dann mittels der Form die jeweiligen Kanten der Lufteinlässe abgerundet werden. Material des Metallblechs kann geeignete Metalle oder Legierungen sein, vorzugsweise Siliziumstahl.
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3a-3b zeigen eine schematische Darstellung der Luftstromströmung in einem Generatorrotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 3a-3b gezeigt, wird innerhalb eines Generatorrotors 200 der Luftstrom in einem axialen Einlass 201 durch eine Belüftungsplattenrippe in einem Rotorbelüftungskanal gesaugt und in den Rotor eingeführt, anschließend wird der Luftstrom um 90 Grad in den radialen Belüftungskanal 202 umgelenkt. Aus 2b ist zu ersehen, dass wegen einer Ausgestaltung von erfindungsgemäßen bogenförmigen Ecken (siehe Kreis in 2b) Vena Contracta an Ecken erheblich verringert wird, wodurch die Breite des Belüftungskanals besser genutzt wird und die Strömungsverluste reduziert werden.
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Die vorliegende Erfindung besitzt mindestens folgende vorteilhafte Wirkungen: Durch Verwendung eines Lufteinlasses mit einer bogenförmigen Ecke kann die vorliegende Erfindung die Vena Contracta-Erscheinung beim Lufteinlass erheblich verringern, wodurch der Belüftungswiderstand innerhalb des Rotors verringert wird und der selbstangetriebene Durchfluss des Rotors erhöht wird. Zugleich kann wegen der Zunahme des Winddurchflusses eine relativ gute Kühlwirkung erzielt werden und gleichzeitig wird der aerodynamische Lärm reduziert. Ferner, weil der Winddurchfluss zunimmt, ist für den Rotor kein zusätzlicher Kühllüfter erforderlich mehr, sodass die Investitionskosten sowie die Betriebs- und Wartungskosten reduziert werden und die Zuverlässigkeit und die Stabilität des Systems erhöht werden.
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Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zwar in den vorliegenden Anmeldeunterlagen beschrieben, aber der Fachmann auf dem Gebiet kann verstehen, dass diese Ausführungsformen nur beispielhaft dargelegt sind. Unter der erfindungsgemäßen Lehre kann der Fachmann auf dem Gebiet auf viele Varianten, Alternativen sowie Weiterbildungen kommen, ohne über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinauszugehen. Der beigefügte Anspruchsatz zielt darauf, den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken und somit die Ansprüche per se sowie Verfahren und Strukturen im äquivalenten Umfang einzuschließen.
