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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in einer Anordnung in einem Rotor einer
elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und in
einem Verfahren zur Herstellung des Rotors einer elektrischen Maschine
nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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In
elektrischen Maschinen sind die Wicklungen in der Regel in den sich
in der Innenfläche
des Stators und der Außenfläche des
Rotors platzierten Nuten angeordnet. Die Nutenwicklung besteht aus Spulen,
die in den Nuten des Stators oder des Rotors platziert werden. Die
Spule besteht aus vielen leitenden Drahtlagen. Die Spulenseiten
sind durch die sich an den Enden der Nuten befindenden Spulenköpfe miteinander
verbunden.
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Die
Spulenköpfe
der Rotoren der elektrischen Maschine erfordern eine Verstärkungsstruktur gegen
Radialkräfte,
die beim Drehen des Motors erzeugt werden. Die Verstärkung wird
in der Regel durch Wickeln von Glasfasern, Kevlar- oder Kohlefaserband
oder Stahldraht um die Spulenköpfe
hergestellt. Bei Wickeln wird der Rotor um seine Drehachse gedreht
und Faser wird von der Zufuhrspule durch die Erwärmungsstufe und Führungsrolle
um die Spulenköpfe
herum gewickelt. Ein Stützzylinder
wird innerhalb der Spulenköpfe
installiert, um in der gewickelten Verstärkungsbindung eine Vorspannung
zu erzeugen. Vor dem Wickeln wird ein Randband installiert, so dass
sich das gewickelte Band nicht ausbreiten kann. Das Randband wird
oftmals durch Verharzen eines harten Rings aus Glasfaser hergestellt. Eine
Verstärkung
durch Wickeln wird in der Schrift
US
6 029 338 dargestellt.
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Das
Verstärken
durch Wickeln ist zeitaufwändig.
Die Fertigungszeit wird auch für
das Erhitzen, Erwärmen
oder Überziehen
mit Zinn beim Verstärkungsprozess
verbraucht. Aufgrund der Komplexheit ist die Verstärkung durch
Wickeln auch für Qualitätsschwankungen
empfindlich.
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Die
Beständigkeit
der Verstärkung
der Rotorspulenköpfe
wird wirklich in Situationen geprüft, in denen die Drehgeschwindigkeit,
die Masse des Spulenkopfs des Rotors oder der Durchmesser groß sind.
Zum Beispiel ist der erforderliche Drehgeschwindigkeitsbereich für Windenergiegeneratoren groß. Windgeschwindigkeit
kann in Windböen schnell
zunehmen, wobei dann die auf die Bindung gerichtete Kraft schnell
verdreifacht wird. Wenn die Last das Netz verlässt, kann die Drehgeschwindigkeit
des Rotors schnell auf 75–100%
der Nenngeschwindigkeit ansteigen.
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Die
Langlebigkeit großer
Geschwindigkeiten ist bei Verstärkungen
durch Wickeln ungünstig.
Die Wicklungsmaterialeigenschaften sind ein Grund dafür.
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Die
Schrift
GB 190521 A beschreibt
einen Rotor, bei dem die Endverbindungen der Wicklungen durch verlängerte Bereiche
von Nutenkeilen gestützt werden.
Die Enden der verlängerten
Teile sind nach oben gedreht, um einen zylindrischen Zapfen zu bilden.
Eine Scheibe oder Endplatte, in deren Fläche eine ringförmige Aussparung
oder eine Buchse zur Aufnahme des zylindrischen Zapfens ausgebildet
ist, ist am Rotor befestigt.
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In
der
US2005/0023928
A1 werden Spulenkopfsegmente eines Generatorerregerrotors
unter Verwendung einer Wickelkopfhalteanordnung festgehalten, die
ein Innenband und ein Außenband
enthält.
Das Innenband ist um mindestens einen Teil jedes der Spulenkopfsegmente
herum angeordnet und weist zwei Enden auf. Die Außenumfangsfläche des Innenbands
ist konisch zulaufend, so dass die Dicke des Innenbands zwischen
seinen Enden variiert. Das Außenband
ist um das Innenband herum angeordnet und weist auch zwei Enden
auf. Die Innenumfangsfläche
des Außenbands
ist auf umgekehrt zur Innenbandaußenfläche verlaufende Weise konisch
zulaufend, so dass die Außenbanddicke
zwischen seinen Enden variiert.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer
Anordnung und eines Verfahrens zur Verstärkung der Spulenköpfe eines Rotors
einer elektrischen Maschine. Um dies zu erreichen, ist die Erfindung
durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und
8 angeführten Merkmale
gekennzeichnet. Einige andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
weisen die in den abhängigen
Ansprüchen
angeführten
Merkmale auf.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung dreht
sich der Rotor einer elektrischen Maschine um seine Drehachse und
umfasst mindestens einen Rahmen und Spulen, die als Spulenköpfe vorragen. Vorspringende
Stangen ragen im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des Rahmens außerhalb der
durch die Spulenköpfe
gebildeten äußeren Ringfläche. Ein
Bindungsstreifen ist auf den vorspringenden Stangen aufgebracht,
und ein Bindungsstreifen kann auf die vorspringenden Stangen aufgeschoben werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine werden
als Spulenköpfe
vorspringende Spulen im Rahmen des Rotors installiert. Vorspringende
Träger, die
im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des Rahmens vorragen,
sind außerhalb
der von den Spulenköpfen
gebildeten äußeren Ringfläche installiert. Ein
Bindungsstreifen wird auf den vorspringenden Stangen angebracht,
indem der Rotor innerhalb des Bindungsbands aufgeschoben wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
die vorspringenden Stangen lange Nutenkeile. Die Nutenkeile ragen
vom Rahmen zumindest entlang dem isolierten Teil der Spulenköpfe vor,
so dass bei der Installation die Isolierung nicht beschädigt wird
und die Bindung in Position bleibt. Die Nutenkeile erreichen bei
der bevorzugten Lösung
fast die Spulenköpfe.
Die Nutenkeile fungieren als Gleitflächen und schützen die
Spulenkopfisolierungen während der
Installation der Bindung. Die Nutenkeile können zum Beispiel aus Glasfaser
hergestellt werden, die die erforderliche Beständigkeit, ausreichende Gleitflächeneigenschaften
und die erforderliche Temperaturbeständigkeit aufweist. Die Nutenkeile
können auch
als ein Isolierelement fungieren, wenn die Bindung aus einem leitenden
Material hergestellt ist.
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Der
Bindungsstreifen stützt
Radialkräfte, zum
Beispiel Zentrifugalkräfte,
die erzeugt werden, wenn sich der Rotor durch die vorragenden Stangen dreht.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform ist
der Bindungsstreifen selbstbefestigend, das heißt, die Bindung muss nicht
getrennt in Position verriegelt werden, obgleich die Struktur die
Verwendung einer axialen Verriegelung nicht ausschließt.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform ist
der Bindungsstreifen auf der Innenfläche konisch, so dass er bei
der Installation festgezogen wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform
ist die Bindung so bemessen, dass sie eine kontrollierte Umsetzung
in den Kupferstäben
der Spulenköpfe
erzeugt. Gleichzeitig wird eine Radialkraft von den Kupferstäben auf
den Bindungsstreifen gerichtet. Mit anderen Worten, die Kupferstäbe spannen
den Bindungsstreifen vor. In diesem Fall ist der Innendurchmesser
des Bindungsstreifens am breiteren Teil des Kegels gleich dem ursprünglichen
Durchmesser der äußeren Ringfläche der
Nutenkeile. Am schmalen Teil des Kegels ist der Innendurchmesser
der Bindung kleiner als der Durchmesser der äußeren Ringfläche der
Nutenkeile. Der größte Teil
der Spannung befindet sich am Ende des Bindungsstreifens, an dem sich
der schmalste Teil des Kegels befindet. Die größte Dicke des Bindungsstreifens
befindet sich am schmalsten Teil, und somit ist der Bindungsstreifen am
wichtigsten Ende, das heißt
an der äußersten Spitze
der Spulenköpfe,
am stärksten.
Das bevorzugte Konizitätsverhältnis beträgt 1:40
... 1:50.
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Der
Bindungsstreifen kann auch teilweise konisch sein, so dass sich
ein gerader Teil am breiteren Teil des Kegels befindet.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform kann
Qualitätsrisiken
bezüglich
der Verstärkung
der Spulenköpfe
stark vermindern. Ein Bindungsstreifen aus zum Beispiel Metall-
oder Kohlefaser wird getrennt hergestellt. Der abmessungsgenau hergestellte
Bindungsstreifen ermöglicht
eine Qualitätskontrolle
für beständigkeitskritische
Bindungen auf bessere Weise als durch Wickeln um die Spulenköpfe realisierte
Lösungen.
Der Bindungsstreifen kann vor der Installation mit zum Beispiel
Ultraschall auf verschiedene Weise untersucht werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung gestattet eine
Herstellung des Bindungsstreifens aus mehreren Materialien in Abhängigkeit
von der Anwendung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist der Rotor eines Windenergiegenerators. Bei einem
Durchgehen wird Belastung auf den Rotor gerichtet, und eine erfindungsgemäße Lösung verringert
stark die Gefahr einer Beschädigung
des Rotors bei übermäßiger Drehgeschwindigkeit.
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Dank
der Erfindung kann der Rotor schneller hergestellt werden. Das Auftragen
von Harz ist bei der Installation nicht erforderlich, und der Bindungsstreifen
muss nach der Installation nicht getrennt erhitzt oder erwärmt werden.
Die Installation kann bei normaler Werkstemperatur in den Fertigungsstätten durchgeführt werden.
Der Bindungsstreifen kann durch Anheben des Rotors am Ende der Welle
mit einem Kran und Schieben des Rotors in den Bindungsstreifen unter
Verwendung der Rotormasse installiert werden. Die vorspringenden
Stangen, zum Beispiel Nutenkeile, fungieren als Gleitflächen und
schützen die
Isolierung der Spulenköpfe
bei der Installation des Bindungsstreifens, wodurch eine gleichmäßige, kontinuierliche
Bewegung gestattet wird. Der Rotor wird mit einem Kran in den Bindungsstreifen
abgesenkt, bis der Bindungsstreifen die Rotormasse trägt. Bei
dieser Art von Installation sollte der Bindungsstreifen das Ende
der Spulenköpfe
erreichen oder sogar noch etwas weiter gehen, so dass die Spulenköpfe nicht
beschädigt
werden. Ein Bindungsstreifen, der eine konische Innenfläche aufweist,
wird während der
Installation festgezogen.
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Des
Weiteren wird dank der Erfindung das Kühlen der Spulenköpfe effektiver,
was besonders bei Hochleistungsmaschinen von Bedeutung ist. Der Bindungsstreifen
wird an den vorspringenden Stangen gestützt und liegt nicht direkt
auf den Spulenköpfen
auf. Kühlluft
kann unter dem Bindungsstreifen durch den durch zwei Nutenkeile,
die Bindung und die Spulenköpfe
gebildeten Luftkanal strömen.
Wenn sich der Bindungsstreifen dreht, fungieren die Nutenkeile als
Flügel
und machen die Luftbewegung effektiver. Der Bindungsstreifen muss
nicht massiv sein; er kann wie ein Netz mit mehreren Luftlöchern sein.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe bestimmter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben, darin zeigen:
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1 den
Schleifringgenerator mit Bindungsstreifen,
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2 eine
Seitenteilansicht des Rotorendes,
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3 einen
Axialschnitt vom Rotorende,
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4 eine
Seitenteilansicht des Rotorendes.
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1 zeigt
eine Anordnung zur Verstärkung der
Spulenköpfe
eines Rotors für
elektrische Maschinen. Die elektrische Maschine ist nur schematisch ohne
irgendwelche Details dargestellt. Die elektrische Maschine ist bei
der ersten Ausführungsform der
Erfindung ein Schleifringgenerator. Der Schleifringgenerator 1 enthält den Stator 2,
und die Wicklungen 3 sind innerhalb des Innenrings des
Stators platziert. Der Rotor 5 ist in einem Abstand vom
Luftspalt 4 innerhalb des Stators installiert. Der Rotor 5 dreht sich
auf der Welle 7, die durch die Lager 6 gestützt wird.
Die Schleifringeinheit 8 ist in einem getrennten Gehäuse angeordnet.
Die Bindungsstreifen 9, mit denen die Spulenköpfe verstärkt sind,
befinden sich an den Enden des Rotors 5.
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2 zeigt
eine Seitenteilansicht des Rotorendes. Die Spulen 15 ragen
vom Rahmen 13 als Spulenköpfe 11 vor. Außerhalb
der durch die Spulenköpfe 11 gebildeten äußeren Ringfläche 12 befindet sich
die vorspringende Stange, die zusätzliche Länge 17 des Nutenkeils 14,
der in Richtung der Längsachse
des Rahmens 13 fortgeführt
wird. Der konische Bindungsstreifen 9 ist am Nutenkeil 17 angeordnet. Der
Rand des Bindungsstreifens 9 trägt und stützt den Rahmen 13 des
Rotors. Der Bindungsstreifen 9 ist so bemessen, dass er
gegen die Nutenkeile 17 und die Spulenköpfe 11 drückt, so
dass sie sich leicht nach innen zur Welle 7 biegen. Die
Zentrierung erfolgt von innerhalb der Spulenköpfe 11 mit dem Zentrierring 10.
Der Zentrierring 10 zentriert die Spulenköpfe 11 auf
die Welle 7.
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3 zeigt
einen Axialquerschnitt des Rotorendes. Der massive Bindungsstreifen 9 wird
durch die zusätzliche
Länge der
Nutenkeile 17 gestützt.
Der Spalt zwischen zwei Nutenkeilen 17, dem Bindungsstreifen 9 und
den Spulenköpfen 11 bildet
einen Luftkanal 16, in dem Kühlluft unter dem Bindungsstreifen 9 strömen kann.
Der Zentrierring 10 wird durch die Welle 7 gestützt. Nur
ein Sektor der Spulenköpfe
und der Nutenkeile ist in der Figur dargestellt, aber sie können tatsächlich den
gesamten Ring umgeben.
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4 zeigt
eine Seitenteilansicht des Rotorendes. Die Spulen 15 ragen
als Spulenköpfe 11 vom Rahmen 13.
Außerhalb
der durch die Spulenköpfe 11 gebildeten äußeren Ringfläche 12 befindet
sich die vorspringende Stange, ein Stützteil 18, das in
Richtung der Längsachse
des Rahmens 13 installiert ist. Der konische Bindungsstreifen 9 ist
am Stützteil 18 angebracht.
Die Stützteile 18 fungieren
als Gleitflächen
und schützen
die Spulenkopfisolierungen bei der Installation des Bindungsstreifens 9.
Der Rand des Bindungsstreifens 9 trägt und stützt den Rahmen 13 des
Rotors. Der Bindungsstreifen 9 ist so bemessen, dass er
gegen die Stützteile 18 und
die Spulenköpfe 11 drückt, so
dass sie sich leicht nach innen zur Welle 7 biegen. Die
Zentrierung erfolgt von innerhalb der Spulenköpfe 11 mit dem Zentrierring 10.
Der Zentrierring 10 zentriert die Spulenköpfe 11 auf
die Welle 7.
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Obgleich
eine als ein Generator arbeitende Maschine oben beschrieben wird,
funktioniert die Erfindung auf ähnliche
Weise mit Motoren. Des Weiteren funktioniert die Erfindung in verschiedenen
Arten von elektrischen Maschinen und in verschiedenen Rotorlösungen,
wie zum Beispiel Gleichstrommaschinen und Spulenwicklungsrotoren.
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Oben
ist die Erfindung mit Hilfe bestimmter Ausführungsformen beschrieben worden.
Die Beschreibung sollte jedoch nicht als den Schutzbereich der Erfindung
einschränkend
betrachtet werden; die Ausführungsformen der
Erfindung können
innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche variieren.
- Teileliste: 1 Schleifringmotor; 2 Stator; 3 Wicklungen; 4 Luftspalt; 5 Rotor; 6 Lager; 7 Welle; 8 Schleifringeinheit; 9 Bindungsstreifen; 10 Zentrierring; 11 Spulenkopf; 12 äußere Ringfläche, 13 Rahmen; 14 Nutenkeil, 15 Spulen; 16 Luftkanal; 17 Nutenkeil; 18 Stützteil.