EP2399028A2 - Magnetring eines vielpoligen generators einer windenergieanlage - Google Patents

Magnetring eines vielpoligen generators einer windenergieanlage

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Publication number
EP2399028A2
EP2399028A2 EP09755908A EP09755908A EP2399028A2 EP 2399028 A2 EP2399028 A2 EP 2399028A2 EP 09755908 A EP09755908 A EP 09755908A EP 09755908 A EP09755908 A EP 09755908A EP 2399028 A2 EP2399028 A2 EP 2399028A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic
magnet
guide
magnet system
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09755908A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Bodenstein
Detlef Lange
Dieter Rupprich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGT NEW GLOBAL TECHNOLOGY GMBH
Original Assignee
Avantis Ltd Hong Kong
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Avantis Ltd Hong Kong filed Critical Avantis Ltd Hong Kong
Publication of EP2399028A2 publication Critical patent/EP2399028A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2791—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
    • H02K7/1838—Generators mounted in a nacelle or similar structure of a horizontal axis wind turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention is directed to a magnet system of a multi-pole generator, in particular a wind turbine or wind turbine, comprising a magnetic ring with a carrier on the outer circumference or inner circumference strung together single permanent magnets are arranged in regularly changing polarity orientation.
  • wind turbines or wind turbines of recent type are in development, in which the generator is an integral part of the Windradrotornabe and in this case an internal stator interacts with an external rotor.
  • a generator is described in DE 102 39 366 Al.
  • a plurality of permanent magnets must be arranged on the inside thereof. This is not unproblematic, especially in the case of the large dimensions of a generator of a wind energy plant or of a wind power plant.
  • the permanent magnets have a high magnetic force and must be accurately placed in the vicinity of metals. Small carelessness can lead to the fact that adjacent permanent magnets attract and then are no longer detachable from each other or together also attach to an adjacent metal, from which they are also no longer solvable.
  • EP 1 845 604 A2 For smaller motors it has been proposed in EP 1 845 604 A2 to use as a mounting aid a carrier device made of plastic in the form of a tubular carrier sleeve as a lost aid.
  • the individual permanent magnets On the outside of this carrier sleeve, the individual permanent magnets are placed separately by plastic segments and glued and then pushed together with the carrier sleeve in the return tube or the return ring of the external rotor or generator. Subsequently, the carrier sleeve is then removed mechanically by unscrewing to the surface of the permanent magnets, so that only remain between the ⁇ inzelpermanentmagneten existing plastic segments.
  • Such a method is applicable to small engines, but not to wind turbine generators that can have a diameter of several meters.
  • the excitation system of a multi-pole generator comprises a plurality of rows of annularly arranged individual permanent magnets, which are composed to reduce eddy current losses corresponding to the total axial length and thus the power of the generator to form a magnetic system to a magnetic wheel.
  • This magnetic wheel has along its circumference a plurality of magnetic segments with alternating polarity orientation, so that in the assembly position of the individual magnetic rings to the magnetic wheel homopolar magnetic segments of adjacent rows exert a repulsive force effect on each other.
  • the adjacent rows of the annularly arranged Einzelpe.mmanentmagnete have in addition due to the magnetic forces endeavor to align themselves with a stable north-south position and thus show a tendency to twist against each other.
  • the invention has for its object to provide a mounting option that allows in montagejon simple and inexpensive way to equip an external rotor or an inner rotor of a generator of a wind turbine with a variety of closely spaced individual permanent magnets.
  • this object is achieved in that the outer or the inner peripheral surface of the carrier has receiving elements on or in each of which a clip-like holding element is arranged, wherein each two spaced-apart holding elements between them a Einzelpermanentmagneten on the carrier hold on and / or set.
  • the invention thus provides, in a simple and cost-effective manner, a means of mounting single permanent magnets by which they can be mounted on the rotor, i. on the outer rotor or inner rotor, a generator of a wind turbine or wind turbine can be arranged.
  • the invention provides in principle ago that initially individual magnetic rings are produced, which are then subsequently joined together to form a magnetic wheel, wherein the magnetic wheel is then subsequently inserted into the Polradgephase the generator.
  • a clamp system in which clamp-like holding elements are inserted into the carrier, which subsequently forms the return ring of the rotor, and in each case receive a single permanent magnet and hold it against the carrier.
  • This is a simple installation option which prevents the single permanent magnets from bonding to each other or to the metal return ring or support in any position other than intended.
  • the individual permanent magnets can each be inserted in a simple manner between two Gareleniente from the side.
  • the holding elements consist for example of zinc die-casting and provide the necessary mechanical stability of the individual permanent magnets on the carrier.
  • the individual permanent magnets can be encapsulated with an adhesive or an adhesive, which then causes the necessary vibration resistance of the magnetic ring or of the individual permanent magnets arranged on a circular path.
  • an anaerobic adhesive which also enters small capillary openings, so that here a good connection between the brackets and the Einzelpermanentmagneten, but also between the Einzelpermanentmagneten and the carrier paths of a positive adhesive compound is formed.
  • a single individual permanent magnet has, for example, a length of 100 mm, whereby the axial extension of a single magnetic ring is essentially determined.
  • the magnets can be arranged from magnet ring to magnet ring relative offset from one another, so that the eddy current losses are reduced by the combination of relatively small rods and the staggered arrangement.
  • each retaining element mechanically separates adjacent individual permanent magnets from one another and prevents them from lying directly against each other.
  • adjacent holding elements are arranged at such a distance and the Einzelpermanentmagnete are dimensioned such that in each case a Einzelpermanentmagnet inserted laterally in the axial direction of the carrier in the formed between adjacent holding elements intermediate space is.
  • the Einzelpermanentmagnete should be made relatively small, it makes sense to combine each a plurality of homopolar aligned, juxtaposed individual permanent magnets to form a magnetic segment, which the invention also provides.
  • the carrier is or forms a return ring, which the invention also provides.
  • a particularly suitable material from which individual permanent magnets can be made are the rare earth metals.
  • the invention is therefore further characterized in that the Einzelpermanentmagnete are made of a rare earth metal.
  • a particularly favorable arrangement and alignment of the individual permanent magnets with respect to the magnetic wheel axis can be achieved according to another embodiment of the invention in that the receiving elements obliquely inclined running, in particular at an angle of 6 ° to 20 °, are formed.
  • the simple mounting method or simple mounting option according to the invention further characterized by the fact that individual magnetic rings assembled by stacking to the magnetic wheel become.
  • the invention is therefore further distinguished by the fact that a plurality of magnetic rings are joined together laterally in the axial direction coaxially adjacent to a magnetic wheel.
  • the carrier in particular in each of its side surfaces, at regular or irregular angular intervals along its circumference or the holding elements guide holes or
  • Guide element is inserted with a first guide portion, wherein a second guide portion of the respective
  • Guide element is inserted into a corresponding guide hole of an adjacent magnetic ring.
  • Guide elements are thus auf Anlagenbar adjacent magnetic rings and to arrange exactly aligned with each other.
  • Forming compound when pressing each other adjacent magnetic rings of an anaerobic curing adhesive Forming compound when pressing each other adjacent magnetic rings of an anaerobic curing adhesive.
  • Oxygen is extracted, leaving a high-strength
  • the invention provides in an expedient development that the guide holes or bores at all magnet rings or carriers or return rings at the same U ⁇ ifangsposition or angular position with respect to along the circumference arranged Einzelpermanentmagneten and / or magnet segments are formed.
  • the second guide section of the guide elements it is furthermore expedient for the second guide section of the guide elements to be laterally offset relative to the first guide section.
  • the invention provides in a development that the offset between the first guide portion and the second guide portion of the respective guide element is formed such that in the assembly position of the magnetic wheel, the individual permanent magnets and / or the magnetic segments of the same polarity orientation with respect to the magnetic wheel axis in the axial direction from magnetic ring to magnetic ring at an angle of 6 ° to 20 ° are arranged substantially obliquely or staggered manner.
  • the lateral offset between the first guide section and the second guide section of the guide elements can be substantially smaller than a circular ring section which is in each case swept by a magnet segment. This measure also causes a longer life and a more favorable electromechanical performance of the generator.
  • the invention further provides that the magnetic wheel is composed of a plurality of mutually stacked and formed by means of the guide elements to each other formed magnetic rings.
  • the invention also provides that the magnetic wheel by means of a shrink-adhesive connection material and / or non-positively along a circumferential
  • Receiving surface is connected to a Polradgephaseuse.
  • the receiving surface of the Polradgekoruses can both an inner circumferential surface and formed on the outside of the pole wheel
  • a magnet system with magnet segments curved in space or at an angle to the magnet system axis can also be provided by virtue of the fact that the guide holes formed in one side surface of a respective magnet ring are in the same direction as in a side surface of an adjacent magnet ring Reference to the arranged around the circumference of the magnetic rings magnetic segments are formed offset.
  • the offset between the guide holes of the two mutually adjacent magnet rings is formed such that in the assembled position of the magnet system or the magnet wheel, the magnet segments with the same polarity orientation of the individual Magnet rings with respect to the magnetic ring axis in the axial direction at an angle of 6 ° to 20 ° are arranged substantially obliquely.
  • the advantageous effect described above can also be achieved by designing the offset between the guide holes of the two magnet rings adjacent to one another such that in the assembled position of the magnet system or the magnet wheel the magnet segments with the same polarity alignment of the individual magnet rings with respect to the magnet ring axis
  • the offset between the guide holes of the two magnetic rings adjacent to each other in the circumferential direction of the magnetic rings is substantially smaller than a circular section of a respective magnet segment.
  • a return ring can be mounted on the outer circumference or the inner circumference of the respective magnet rings.
  • the magnet segments are electrically conductive, it comes in these during operation of the generator to eddy current losses.
  • the eddy current losses are higher, the larger the pole face of a single magnet segment.
  • the individual magnet segments can each have a plurality of, preferably three, single-pole aligned single permanent magnets, which are fastened by means of holding elements to and / or in a return ring of a respective magnetic ring. As a result, there are essentially no gaps between the individual magnet segments.
  • the respective single permanent magnets are made of a rare earth metal.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a plan view of a magnetic ring
  • 2 is an enlarged view of the detail A of FIG. 1
  • FIG. 3 is a perspective schematic representation of several magnetic rings prior to assembly to a magnetic wheel
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a magnetic ring composed of a plurality of magnetic rings
  • Fig. 7 shows an alternative embodiment of a
  • Fig. 8 is a return ring.
  • a wind turbine or wind turbine essentially comprises a rotor with hub and rotor blades and a nacelle surrounding the generator.
  • the conversion of the mechanical power generated by means of the rotor blades into electrical power takes place, for example, by means of a multi-pole generator, preferably a synchronous generator, which is operated at the rotational speed of the rotor and accommodated in the nacelle.
  • a multi-pole generator comprises a stator or stator with windings and a rotor surrounding the stator or Rotor (external rotor) or a runner or rotor (inner rotor) surrounded by the stand.
  • an external rotor which forms a magnetic system 1 shown in Fig. 9, which comprises a plurality of magnetic rings 2, 2a - 2j, 2 ', 2a', 2b ', 2c', which are assembled into a magnetic wheel 10, which inside is installed on a receiving surface 14 in a Polradgetude 11.
  • Each magnetic ring 2, 2a-2j, 2 ', 2a', 2b ', 2c' has a plurality of individual permanent magnets 4, 4 'arranged around the circumference of the respective magnetic ring, with three individual permanent-magnet magnets 4, 4 arranged side by side and aligned in the same pole 'form a magnetic segment 3, 3'.
  • the magnet segments 3, 3 'in turn are arranged side by side with alternating polarity orientation, as can be seen from FIG.
  • the south pole S and. the north pole N is aligned in each case in the radial direction, so that alternately in the circumferential direction in each case a magnetic segment 3 with external north pole region and internal south pole region and a magnet segment 3 'with external south pole region and internal north pole region follow one another.
  • Each magnet segment 3, 3 ' in turn, consists of a plurality of individual permanent magnets 4, 4', which are arranged side by side, each having the same polarity, in order to reduce the eddy current losses, which would otherwise be very high for large pole surfaces.
  • magnetic segments 3, 3 'with a different number of individual permanent magnets 4, 4' are also conceivable.
  • the single permanent magnets 4, 4 ' are made of a rare earth metal, in particular, made of a high-permeability sintered metal powder using these metals.
  • the return ring 5a is composed of individual metal segments 16, which adjacent to one another form the annular return ring 5a.
  • the individual metal segments 16 can be connected to one another via connecting straps and welded together. In particular, these are frictionally pressed together when the yoke ring 5a is inserted with the individual permanent magnets 4, 4 'inserted into the Polradgephaseuse 11 and then compressed along the receiving surface 14 on cooling of the heated Polradgephaseuses 11, as explained below.
  • each of these groove-shaped slots 12 a is a cross-section double-T-shaped Retaining element 6 used with the function of a clip. Between each two holding elements 6, a single permanent magnet 4, 4 'is then arranged in each case and fixed by the holding elements 6 on the inner side of the return ring 5a.
  • the holding elements 6 have a very small thickness extension, so that only an extremely narrow gap exists between adjacent individual permanent magnets 4, 4 '.
  • the return ring 5a has such a thickness or thickness that no magnetic force is detectable on its outer side when applied on its inner side Einzelpermanentmagneten 4, 4 ', and thus no magnetic force acts to the outside.
  • the receiving elements 12 can, as indicated in FIG. 7 by the holding elements 6 inserted therein, be inclined slightly inclined with a pitch of 6 ° -20 °. Also, the receiving elements 12 may be formed rail-shaped.
  • the D ' dimensioning of yoke ring 5a, the magnet segments 3, 3' and the individual permanent magnets 4, 4 ' is coordinated so that uniformly distributed around the inner circumference of the yoke ring 5a around an even number of magnet segments 3, 3', wherein then each magnet segments 3, 3 'with the same or identically aligned polarity are diametrically opposed.
  • the procedure is now that between the individual holding elements 6, first the magnetic segments 3 with the same polarity orientation on the inside of the return ring 5a are arranged and then the magnetic segments 3 'are inserted with the opposite polarity only in the interstices then existing.
  • the yoke ring 5a is thin-walled and composed of individual sheet metal segments 16.
  • Fig. 9 equipped with a magnetic wheel 10 Polradgetude 11 eleven magnetic rings 2 - 2j lined up to form the magnetic wheel 10.
  • the respective adjacent magnetic rings additionally due to the magnetic forces of the magnet segments 3, 3 'with the same polarity or the same polarity orientation on the effort to align themselves to a stable north-south position, ie so far to rotate relative to each other so that each attractive Magnet segments 3, 3 'of unequal Polarticiansauscardi abut each other.
  • the magnetic rings 2, 2 ', 2a' - 2c ', 2a - 2j must be guided during their assembly to a magnetic wheel 10 and held in their relative position to each other.
  • a plurality of guide holes 7 are formed uniformly along the circumference in each return ring 5a of each magnet ring in each of the two side surfaces 8a, 8b.
  • the guide holes 7 may be formed either at regular or irregular angular intervals along the circumference in the respective side surface 8a, 8b. It is only important that in the installed state adjacent to each other arranged magnetic rings 2 formed guide holes 7 in the assembly position of the respective magnetic rings to each other corresponding to, ie aligned or with a bridged by a guide element 9 offset from each other, are aligned or alignable.
  • a respective guide hole 7, which may also be a blind bore in the assembly of the magnetic wheel 10 is in each case a rod-shaped or rod-shaped guide member 9 is inserted with its first guide portion 9a.
  • a second guide section 9b of the guide element 9 then protrudes this guide hole 7 of the magnetic ring 2 and serves to guide a Kirstapelnden on the respective magnetic ring further magnetic ring.
  • the second guide portion 9b is inserted into a guide hole 7 of the magnet ring to be stacked, for example the magnet ring 2a, so that the magnetic ring 2a to be stacked can be pressed against the magnet ring 2 without the two magnetic forces acting as a result Magnet rings 2, 2a to each other.
  • the attachment of the mutually adjacent magnetic rings 2, 2 ', 2a' - 2c ', 2a - 2j takes place by means of a material connection to the corresponding side surfaces 8a, 8b, which include the side surfaces of the return ring 5a and the individual permanent magnets 4, 4'.
  • at least one of the adjoining side surfaces 8a or 8b of a magnetic ring is coated with an anaerobic adhesive before the stacking of the individual magnetic rings, which forms the integral connection to the applied magnetic ring 2, 2 '.
  • the adhesive is an anaerobic adhesive in the form of a one-component adhesive that cures under oxygen exclusion.
  • the hardener component contained in the adhesive remains inactive as long as it is in contact with the oxygen in the air.
  • the curing takes place very rapidly, especially with simultaneous metal contact. Due to the capillary action of the liquid adhesive even the smallest gaps in the joint area are filled.
  • the cured adhesive is then anchored in the surface roughness of the side surfaces 8a, 8b of the magnet rings which are to be connected to one another.
  • the curing process is initiated by the contact of the adhesive with the metal surfaces of the two side surfaces 8a, 8b of the mutually adjacent metal rings, so that the metal surfaces thus act as a catalyst.
  • an activator on at least one of the two adjacently disposed side surfaces 8a, 8b before coating with the anaerobically hardening adhesive the magnetic rings to be connected are applied.
  • the application of an activator is recommended because such passive materials have little or no catalytic effect necessary for curing the anaerobic adhesive. Even with metals with high passive properties, such as chrome and stainless steel, it is advisable to use an activator to avoid false bonding.
  • An adhesive bond of this kind additionally seals the connection point against corrosive media.
  • such an anaerobic adhesive has good resistance to mechanical vibration and good resistance to dynamic fatigue life.
  • the guide holes 7 formed in the side surfaces 8a, 8b of a respective magnetic ring 2, 2 ', 2a-2j, 2a'-2c' are at the same initial position with respect to the magnet rings around the circumference of a magnetic ring Magnet segments 3, 3 'formed.
  • a magnet wheel 10 layered or stacked from a plurality of magnetic rings is formed with magnetic elements 3, 3 'arranged parallel to the magnetic ring axis or magnetic wheel axis or magnetic system axis, wherein magnetic segments of the same polarity orientation are lined up in line.
  • the Halteele ' ments 6 thus form a from Einzelpermanentmagnet 4, 4' to Einzelpermanentmagnet 4, 4 'abutting magnetic rings straight and parallel to the Magnetradlteilsachse extending line, as for a consisting of eleven magnetic rings 2 - 2j magnetic wheel 10 of the magnetic system 1 in FIG 9 is shown.
  • the second guide section 9b adjoins the first guide section 9a of the respective guide element 9 is formed laterally offset in the circumferential direction of the respective magnetic rings.
  • Such a guide element 9 is shown in Fig. 4.
  • the offset between the first guide portion 9a and the second guide portion 9b of the guide member 9 is formed such that in the assembly position of a magnetic wheel 10, the magnetic segments 3, 3 'and / or the Einzelpermanentmagnete 4, 4' of the individual Magnetri.nge in the direction of the magnetic ring axis in the axial direction from magnet ring to magnet ring are offset from one another in each case.
  • the offset between the first guide portion 9a and the second guide portion 9b of the respective guide member 9 may be formed such that in the assembly position of the magnetic wheel 10, the magnet segments 3, 3 'of the same polarity alignment of the individual magnet rings with respect to the magnet ring axis in the axial direction Staggered arranged staggered.
  • the orientation of the receiving elements 12 determines this.
  • the offset between the first guide section 9a and the second guide section 9b of the guide element 9 in the circumferential direction of the magnet rings may in this case be substantially smaller than a circular section of a respective magnet segment 3.
  • the offset between the guide holes 7 in the mutually facing side surfaces 8a, 8b adjacent magnetic rings may in turn be designed such that in the assembly position of the magnetic wheel 10, the magnetic segments 3, 3 'with the same polarity orientation of magnetic ring to magnetic ring with respect to the magnetic ring axis in the axial direction are arranged at an angle of 6 ° to 20 ° substantially obliquely.
  • the offset between the guide holes 7 each adjacent magnetic rings is formed such that in the assembled position of the magnetic wheel 10, the magnet segments 3, 3 'the same polarity alignment of magnetic ring to magnetic ring with respect to the magnetic ring axis in the axial direction stepped manner are arranged.
  • the offset between the guide holes 7 of adjacent magnetic rings in the circumferential direction of the magnetic rings may be substantially smaller than a circular portion of a respective magnet segment.
  • the relative position of the Einzelpermanentmagnete 4, 4 'to each other from magnet ring to magnet ring by the corresponding design of the guide holes 7 in the respective side surfaces 8a, 8b and the design of the guide elements 9 set variable.
  • the individual permanent magnets 4, 4 'of magnetic ring to magnetic ring to be arranged offset from one another in each case and for the retaining elements 6 likewise to have a step-shaped offset from magnetic ring to magnetic ring.
  • the individual magnet segments 4, 4 'linearly arranged in a row to each other, so that the juxtaposed holding elements 6 then form a continuous line in the magnetic wheel 10, the obliquely inclined, with an angle of 6 ° - 20 ° or else straight, that are aligned parallel to the magnetic wheel axis passing through the Magnetradachse.
  • the embodiments described above relate to a magnet system 1 of an external rotor.
  • the invention provides a magnetic rotor 1 of the external rotor type comprising a magnet wheel 13 which is composed of individual magnet rings 2, 2 ', 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2a'. - 2c 'with several magnetized magnet segments 3, 3 'of alternating polarity built-up magnetic wheel 10 and which can be used in a generator of a wind turbine.
  • the magnet wheel housing 11 with magnet wheel 10 inserted therein comprises magnetic system 1 thus consisting of individual, possibly electrically isolated magnet rings due to the connection by means of an adhesive, which are stacked according to the axial total length of the magnetic wheel 10 into a package and a thin-walled yoke ring 5a for guiding form the magnetic field lines and for shielding to the outside.
  • the package also receives its mechanical strength by means of brackets or struts or guide elements 9, which are preferably welded in magnetically unloaded zones.
  • the ring-shaped magnetic wheel 10 consisting of a plurality of magnetic rings is connected to the pole wheel housing 11 shown in FIG. 6 in the manufacture of the pole wheel 13, wherein the magnetic wheel 10 is mounted inside the pole wheel housing 11.
  • the Polradgefelduse 11 may consist of a magnetically ineffective material for reasons of weight saving.
  • a receiving surface 14 is formed in the inner periphery of the Polradgeprocessuses 11.
  • the receiving surface 14 may for example be a minimum depression or groove, which corresponds to the geometric dimension of the magnetic wheel 10 to Training a connection with the Polradgepatuse 11 is adjusted.
  • the Polradgepiece 11 is slightly heated to the Polradgephaseuse 11 and the magnetic wheel 10 can add.
  • the Polradgeprocessuse 11 is heated to a temperature at which the
  • the magnetic wheel 10 is then arranged in or on the receiving surface 14 formed in the inner circumferential surface of the pole wheel housing 11.
  • the pole wheel housing 11 is cooled or the pole wheel housing is allowed to cool, so that the pole wheel housing 11 is shrunk onto the magnet wheel 10.
  • Shrinking is thus based on the principle of thermal expansion, in which the two parts to be joined are not accurate, but the Polradgepatuse 11 slightly too small or the magnet wheel 10 are slightly too large, so that both parts at normal temperature, ie usually room - or ambient temperature, can not be connected.
  • the heated object expands and then shrinks again on cooling.
  • the pole wheel housing 11 shrinks during its cooling and is pressed onto the magnet wheel 10.
  • the cooling of the pole wheel housing 11 can take place, for example, at ambient temperature.
  • the outer peripheral surface of the magnetic wheel 10, ie the outer side of the return ring 5a, is coated with an adhesive 15.
  • the receiving surface 14 of the Polradgeophuses 11 may be coated with an adhesive.
  • both the outer peripheral surface of the magnetic wheel 10 and the receiving surface 4 of the Polradgeophuses 11 with an adhesive.
  • the coating of the outer circumferential surface of the magnetic wheel 10 or the receiving surface 4 of the pole wheel housing 11 or both surfaces together can be carried out at various times during the implementation of the joining process for connecting these two components. For example, the coating may be carried out prior to heating the pole wheel housing 11, before arranging the magnet wheel 10 or before cooling the pole wheel housing 11.
  • the adhesive used in the coating is also an anaerobic adhesive in the form of a one-component adhesive which cures at room temperature with exclusion of oxygen.
  • the hardener component contained in the liquid adhesive remains inactive as long as it is in contact with the oxygen in the air.
  • the Polradgefelduse 11 from a non-metallic material ie a first passive material for bonding
  • a first passive material for bonding consists of an activator can be applied to the receiving surface 14 of the Polradgephaseuses 11 before coating with the 'anaerobic curing adhesive 15.
  • the outer peripheral surface of the magnetic wheel 10 has a layer of non-metallic material, this surface can also be coated with an activator.
  • the application of an activator is recommended because passive materials have little or no catalytic effect, but this is necessary for the curing of the anaerobic adhesive. Even with metals with high passive properties, such as chrome and stainless steel, it is advisable to use an activator to avoid false bonding.
  • An adhesive bond of this type additionally seals the connection point of the pole wheel housing 11 and the magnetic wheel 10 against corrosive media.
  • such an anaerobic curing adhesive 15 has good resistance to mechanical vibration and good resistance to dynamic fatigue life.
  • the method may have an additional step, in which prior to arranging the magnetic wheel 10, the outer peripheral surface of the magnetic wheel 10, ie the outer surface of the return ring 5a, or the receiving surface 14 of the Polradgephinuses 11 by sand or shot blasting is roughened. It is also conceivable, both surfaces by means Sanding or sandblasting. As a result of this measure, the adhesion of the adhesive 15 and the load capacity of the connection formed between the pole wheel housing 11 and the metal wheel formed from return rings 5a improve.
  • the above-described method thus combines, upon cooling of the pole wheel housing 11, a bonding operation and a pressing operation, which together and at the same time exert their effect for producing the connection of the pole wheel housing 11 and the magnetic wheel 10.
  • the pole wheel housing 11 cools, it encloses the magnetic wheel 10 with a slight pressure in the manner of a frictional connection, the adhesive connection causing a material closure.
  • a recessed formed with a side edge receiving surface 14 also contribute positively locking shares.
  • the surface between the outer periphery of the magnetic wheel 10 and the receiving surface 14 of the Polradgephinuses 11 adhesive 15 is removed from the contact with oxygen, whereby it can harden and a high-strength compound in the form of a Stoff gleiches in the joint.
  • the individual permanent magnets 4, 4 'and the individual magnet segments 3, 3' of the magnet wheel 10 are pressed against one another and / or against the retaining elements 6.
  • the individual metal segments 16 of the carrier 5 are pressed or pressed against each other. All these elements thus possibly additionally form a connection with one another in the manner of a frictional connection.
  • a method for producing a pole wheel 13 of the external rotor type by means of a "shrink-bonding connection", the material-locking and frictional connections between the pole wheel housing 11 and the magnetic wheel 10 and between the individual magnet segments 3, 3 'and / or the individual permanent magnets 4, 4 'and the holding elements 6 of the magnet wheel 10.
  • a "shrink-bonding connection” By means of the "shrink-bonding connection", there is a clear improvement against occurring shearing forces and bending moments, whereby the connected components are connected almost inseparably over the entire length.
  • a pole wheel 13 of the external rotor type having a magnetic wheel 10 having a plurality of magnetized magnet segments 3, 3 'of alternating polarity orientation and a pole wheel housing 11 manufactured according to this method can be used in a generator of a wind energy plant.

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Abstract

Bei einem Magnetsystem (1) eines vielpoligen Generators, insbesondere einer Windenergieanlage oder Windkraftanlage, umfassend einen Magnetring (2, 2', 2a' - 2c', 2a - 2j) mit einem Träger (5) auf dessen Außenumfang oder Innenumfang aneinandergereiht Einzelpermanentmagnete (4, 4') in sich regelmäßig ändernder Polaritätsausrichtung angeordnet sind, soll eine Montagemöglichkeit bereitgestellt werden, die es ermöglicht, in montagemäßig einfacher und günstiger Art und Weise einen Außenläufer oder einen Innenläufer eines Generators einer Windkraftanlage mit einer Vielzahl von nahe beieinander angeordneten Einzelpermanentmagneten auszustatten. Dies wird dadurch erreicht, dass die Außen- oder Innenumfangsfläche des Trägers (5) Aufnahmeelemente (12) aufweist, in oder an welchen jeweils ein klammerartiges Halteelement (6) angeordnet ist, wobei jeweils zwei beabstandet zueinander angeordnete Halteelemente (6) zwischen sich einen Einzelpermanentmagneten (4, 4') an dem Träger (5) festhalten und/oder festlegen.

Description

Magnetring
Die Erfindung richtet sich auf ein Magnetsystem eines vielpoligen Generators, insbesondere einer Windkraftanlage oder Windenergieanlage, umfassend einen Magnetring mit einem Träger auf dessen Außenumfang oder Innenumfang aneinandergereiht Einzelpermanentmagnete in sich regelmäßig ändernder Polaritätsausrichtung angeordnet sind.
Seit einiger Zeit sind Windkraftanlagen oder Windenergieanlagen neueren Typs in der Entwicklung, bei welchen der Generator integraler Bestandteil der Windradrotornabe ist und hierbei ein innenliegender Stator mit einem Außenläufer zusammenwirkt. Ein solcher Generator ist in der DE 102 39 366 Al beschrieben. Zur Ausbildung eines solchen Außenläufers müssen an dessen Innenseite eine Vielzahl von Permanentmagneten angeordnet werden. Dies ist insbesondere bei den großen Dimensionen eines Generators einer Windenergieanlage oder einer Windkraftanlage nicht unproblematisch. Die Permanentmagnete weisen eine hohe magnetische Kraft auf und müssen in der Umgebung von Metallen genau platziert werden. Kleine Unachtsamkeiten können dazu führen, dass benachbarte Permanentmagnete sich anziehen und dann nicht mehr voneinander lösbar sind oder sich gemeinsam auch an einem angrenzenden Metall festsetzen, von welchem sie ebenfalls nicht mehr lösbar sind.
Für kleinere Motoren ist in der EP 1 845 604 A2 vorgeschlagen worden, als Montagehilfe eine Trägereinrichtung aus Kunststoff in Form einer rohrförmigen Trägerhülse als verlorenes Hilfsmittel zu verwenden. Außenseitig auf diese Trägerhülse werden die Einzelpermanentmagnete durch KunststoffSegmente getrennt aufgesetzt und verklebt und dann zusammen mit der Trägerhülse in das Rückschlussrohr oder den Rückschlussring des Außenläufers oder Generators eingeschoben. Anschließend wird die Trägerhülse dann mechanisch durch Ausdrehen bis auf die Oberfläche der Permanentmagnete beseitigt, so dass nur noch die zwischen den Ξinzelpermanentmagneten bestehenden Kunststoffsegmente stehen bleiben. Ein solches Verfahren ist für kleine Motoren anwendbar, aber nicht bei Generatoren von Windkraftanlagen, die einen Durchmesser von mehreren Metern aufweisen können.
Weiterhin umfasst das Erregersystem eines vielpoligen Generators mehrere Reihen ringförmig angeordneter Einzelpermanentmagnete, die zur Verminderung von Wirbelstromverlusten entsprechend der axialen Gesamtlänge und somit der Leistung des Generators zur Ausbildung eines Magnetsystems zu einem Magnetrad zusammengesetzt sind. Dieses Magnetrad weist entlang seines Umfangs mehrere Magnetsegmente mit wechselnder Polaritätsausrichtung auf, so dass in der Zusammenbauposition der einzelnen Magnetringe zu dem Magnetrad gleichpolig ausgerichtete Magnetsegmente benachbarter Reihen eine abstoßende Kraftwirkung aufeinander ausüben. Die benachbarten Reihen der ringförmig angeordneten Einzelpe.rmanentmagnete haben zusätzlich infolge der Magnetkräfte das Bestreben, sich auf eine stabile Nord-Süd- Position auszurichten und zeigen somit die Tendenz, sich gegeneinander zu verdrehen. Daher erfordert die Herstellung eines solchen Magnetsystems mit einem aus mehreren Reihen ringförmig angeordneter Einzelpermanentmagnete hergestellten Magnetrad und insbesondere die genaue Ausrichtung der einzelnen Magnetreihen zueinander einen hohen Fertigungsaufwand. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Montagemöglichkeit bereitzustellen, die es ermöglicht in montagemäßig einfacher und günstiger Art und Weise einen Außenläufer oder einen Innenläufer eines Generators einer Windkraftanlage mit einer Vielzahl von nahe beieinander angeordneten Einzelpermanentmagneten auszustatten.
Bei einem Magnetsystem der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Außen- oder die Innenumfangsflache des Trägers Aufnahmeelemente aufweist, an oder in welchen jeweils ein klammerartiges Halteelement angeordnet ist, wobei jeweils zwei beabstandet zueinander angeordnete Halteelemente zwischen sich einen Einzelpermanentmagneten an dem Träger festhalten und/oder festlegen.
Mit der Erfindung wird somit auf einfache und kostengünstige Weise eine Möglichkeit zur Montage von Einzelpermanentmagneten bereitgestellt, mit welcher diese am Rotor, d.h. am Außenläufer oder Innenläufer, eines Generators einer Windenergieanlage oder Windkraftanlage, angeordnet werden können. Hierbei sieht die Erfindung vom Grundsatz her vor, dass zunächst einzelne Magnetringe hergestellt werden, die dann anschließend zu einem Magnetrad zusammengefügt werden, wobei das Magnetrad dann anschließend in das Polradgehäuse des Generators eingefügt wird.
Zur Herstellung der einzelnen Magnetringe ist ein Klammersystem vorgesehen, bei welchem klammerartige Halteelemente in den Träger, der nachher den Rückschlussring des Rotors bildet, eingesetzt werden und zwischen sich jeweils einen Einzelpermanentmagneten aufnehmen und an dem Träger festhalten. Dies ist eine einfache Montagemöglichkeit, die verhindert, dass die Einzelpermanentmagnete an einer anderen als der vorgesehenen Position miteinander oder mit dem metallischen Rückschlussring oder dem metallischen Träger in anhaftende Verbindung treten. Die Einzelpermanentmagnete lassen sich jeweils auf einfache Art und Weise zwischen zwei Halteeleniente von der Seite her einschieben. Die Halteelemente bestehen beispielsweise aus Zinkdruckguss und sorgen für die notwendige mechanische Stabilität der Einzelpermanentmagnete auf dem Träger. Anschließend können die Einzelpermanentmagnete mit einer Klebemasse oder einem Klebemittel vergossen werden, welche (s) dann die notwendige Vibrationsfestigkeit des Magnetringes bzw. der auf einer Kreisbahn angeordneten Einzelpermanentmagnete bewirkt. Hierbei bietet sich insbesondere die Verwendung eines anaeroben Klebemittels an, das auch in kleine Kapillaröffnungen eintritt, so dass hier eine gute Verbindung zwischen den Klammern und den Einzelpermanentmagneten, aber auch zwischen den Einzelpermanentmagneten und dem Träger Wege einer formschlüssigen KlebstoffVerbindung ausgebildet wird. Ein einzelner Einzelpermanentmagnet weist beispielsweise eine Länge von 100 mm auf, wodurch auch die axiale Erstreckung eines einzelnen Magnetringes im Wesentlichen bestimmt ist. Wie sich im Zusammenhang mit den weiteren Unteransprüchen noch ergeben wird, können die Magnete von Magnetring zu Magnetring relativ versetzt zueinander angeordnet sein, so dass durch die Kombination der relativ kleinen Stäbe und die versetzte Anordnung die Wirbelstromverluste vermindert werden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprüchen . So zeichnet sich die Erfindung weiterhin dadurch aus, dass jedes Halteelement benachbarte Einzelpermanentmagnete mechanisch voneinander trennt und deren unmittelbares Aneinanderliegen verhindert.
Um die gewünschte einfache Montage besonders vorteilhaft realisieren zu können, ist gemäß Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass benachbarte Halteelemente derart beabstandet angeordnet sind und die Einzelpermanentmagnete derart dimensioniert sind, dass jeweils ein Einzelpermanentmagnet seitlich in Axialrichtung des Trägers in den zwischen benachbarten Halteelementen ausgebildeten Zwischenraum einschiebbar ist.
Da die Einzelpermanentmagnete relativ klein ausgebildet sein sollen, bietet es sich an, jeweils mehrere gleichpolig ausgerichtete, nebeneinander angeordnete Einzelpermanentmagnete zu einem Magnetsegment zusammenzufassen, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Um nicht zu viele Bauteile zu verwenden und ggf- als verlorene Hilfsmittel anschießend wieder beseitigen zu müssen, ist es von weiterem Vorteil, wenn der Träger ein Rückschlussring ist oder ausbildet, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Ein besonders geeignetes Material, aus dem sich Einzelpermanentmagnete herstellen lassen, sind die Metalle der Seltenen Erden. Die Erfindung zeichnet sich daher weiterhin dadurch aus, dass die Einzelpermanentmagnete aus einem Metall der Seltenen Erden hergestellt sind. Eine besonders günstige Anordnung und Ausrichtung der Einzelpermanentmagnete in Bezug auf die Magnetradachse lässt sich gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass die Aufnahmeelemente schräg geneigt verlaufend, insbesondere unter einem Winkel von 6° bis 20 °, ausgebildet sind.
Um aus den Einzelmagneten insgesamt ein Magnetrad herstellen zu können, das der Auslegung des Generators entsprechend die notwendige Anzahl an Einzelpermanentmagneten zur Verfügung stellt, zeichnet sich die einfache Montagemethode oder einfache Montagemöglichkeit gemäß der Erfindung weiterhin dadurch aus, dass einzelne Magnetringe durch Aufeinanderstapeln zu dem Magnetrad zusammengesetzt werden. Die Erfindung zeichnet sich daher weiterhin dadurch aus, dass mehrere Magnetringe seitlich in axialer Richtung koaxial aneinander anliegend zu einem Magnetrad zusammengefügt sind.
Hierbei ist dann erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass der Träger, insbesondere in jeder seiner Seitenflächen, in regelmäßigen oder unregelmäßigen Winkelabständen entlang seines Umfangs oder die Halteelemente Führungslöcher oder
Führungsbohrungen aufweisen, in die jeweils ein
Führungselement mit einem ersten Führungsabschnitt eingesetzt ist, wobei ein zweiter Führungsabschnitt des jeweiligen
Führungselements in ein korrespondierendes Führungsloch eines benachbarten Magnetrings eingesetzt ist. Mit Hilfe der
Führungselemente sind somit benachbarte Magnetringe aufschichtbar und exakt zueinander ausrichtbar anzuordnen.
Mit der Erfindung wird auf einfache und kostengünstige Weise auch eine Möglichkeit bereitgestellt, mittels welcher der Zusammenbau eines aus mehreren aufeinander gestapelten Magnetringen bestehenden Magnetrades unter Einhaltung einer vorgegebenen Ausrichtung der Einzelpermanentmagnete und der Magnetsegmente benachbarter Magnetringe zueinander möglich ist. Dadurch, dass Führungselemente in Führungslöchern von zueinander benachbarten Magnetringen eingesetzt werden, wird die Ausrichtung der Magnetringe zu- und untereinander gewährleistet. Eine Aufbringung einer radialen Kraftkomponente ist beim Zusammenbau der einzelnen Magnetringe nicht erforderlich, weil die Führungselemente ein Verdrehen der Magnetringe unterbinden. Es reicht allein eine axiale Kraftkomponente beim Zusammenbau aus, die der Magnetkraft der einzelnen sich gegeneinander abstoßenden Einzelpermanentmagnete oder Magnetsegmente entgegen wirkt, weil die benachbart zueinander angeordneten Magnetringe mittels der Führungselemente aufeinander ausgerichtet sind und aufgrund dieser Führung eine Fehlausrichtung der Magnetringe untereinander nicht möglich ist.
Zur Steigerung der Belastbarkeit und der Dauerfestigkeit des Magnetsystems sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung benachbarte Magnetringe mittels einer Stoffschlüssigen
Verbindung an ihren aneinanderliegenden Seitenflächen miteinander verbunden, wobei sich die Stoffschlüssige
Verbindung beim Aufeinanderpressen zueinander benachbarter Magnetringe aus einem anaerob härtenden Klebemittel bildet.
Während der Herstellung des Magnetrads werden die einzelnen
Magnetringe aufeinander gedrückt, wodurch dem Klebemittel
Sauerstoff entzogen wird, so dass sich eine hochfeste
Verbindung in der Fuge zwischen benachbarten Magnetringen ausbildet.
Bei in Bezug auf das anaerob aushärtende Klebemittel passiven Materialien der miteinander zu verklebenden Seitenflächen der Magnetringe, die keine katalytische Wirkung aufweisen, ist es weiterhin von Vorteil, wenn sich die stoffschlüssige Verbindung beim Aufeinanderpressen benachbarter Magnetringe aus einem anaerob härtenden Klebemittel und einem Aktivator bildet.
Um neben einem Magnetsystem mit parallel zur Magnetsystemachse verlaufenden Magnetsegmenten gleicher Polaritätsausrichtung auch ein Magnetsystem mit räumlich gekrümmten oder schräg zur Magnetsystemachse angeordneten Magnetsegmenten bereitzustellen, sieht die Erfindung in zweckmäßiger Weiterbildung vor, dass die Führungslöcher oder -bohrungen bei allen Magnetringen oder Trägern oder Rückschlussringen an gleicher Uπifangsposition oder Winkelposition in Bezug zu längs des Umfangs angeordneten Einzelpermanentmagneten und/oder Magnetsegmenten ausgebildet sind. Hierbei ist es dann weiterhin zweckmäßig, wenn der zweite Führungsabschnitt der Führungselemente seitlich versetzt zu dem ersten Führungsabschnitt ausgebildet ist.
Um die Laufruhe des Generators zu erhöhen und Drehmomentschwankungen sowie das Rastmoment zu reduzieren, sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass der Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt und dem zweiten Führungsabschnitt des jeweiligen Führungselements derart ausgebildet ist, dass in der Zusammenbauposition des Magnetrads die Einzelpermanentmagnete und/oder die Magnetsegmente gleicher Polaritätsausrichtung in Bezug auf die Magnetradachse in axialer Richtung von Magnetring zu Magnetring unter einem Winkel von 6° bis 20° im Wesentlichen schräg verlaufend oder treppenförmig versetzt angeordnet sind. Hierbei kann in Ausgestaltung weiterhin der seitliche Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt und dem zweiten Führungsabschnitt der Führungselemente im Wesentlichen kleiner sein als ein jeweils von einem Magnetsegment überstrichener Kreisringabschnitt. Diese Maßnahme bewirkt ferner eine höhere Lebensdauer und ein günstigeres elektromechanisches Betriebsverhalten des Generators.
In Ausgestaltung sieht die Erfindung weiterhin vor, dass das Magnetrad aus mehreren, aneinanderliegend aufgeschichteten und mittels der Führungselemente zueinander ausgebildeten Magnetringen zusammengesetzt ist.
Schließlich sieht die Erfindung auch noch vor, dass das Magnetrad mittels einer Schrumpf-Klebe-Verbindung stoff- und/oder kraftschlüssig längs einer umlaufenden
Aufnahmefläche mit einem Polradgehäuse verbunden ist. Durch diese Maßnahme lässt sich das fertig hergestellte Magnetrad in montagemäßig einfacher und günstiger Art und Weise in eine oder auf eine Aufnahmefläche eines Polradgehäuses aufbringen und dadurch dann das Magnetsystem herstellen, das im
Zusammenhang mit einem Generator bei einer Windkraftanlage oder Windenergieanlage Verwendung findet. Die Aufnahmefläche des Polradgehäuses kann sowohl eine innere Umfangsflache als auch eine auf der Außenseite des Polrades ausgebildete
Umfangsflache sein.
Ein Magnetsystem mit räumlich gekrümmten oder schräg zur Magnetsystemachse verlaufenden Magnetsegmenten lässt sich auch dadurch bereitstellen, dass die in einer Seitenfläche eines jeweiligen Magnetringes ausgebildeten Führungslöcher zu den in einer Seitenfläche eines benachbarten Magnetringes in Bezug zu den rund um den Umfang der Magnetringe angeordneten Magnetsegmenten versetzt ausgebildet sind.
Im Hinblick auf eine Erhöhung der Laufruhe bei gleichzeitiger Reduzierung der Drehmomentschwankungen und des Rastmoments ist es auch möglich, dass der Versatz zwischen den Führungslöchern der beiden zueinander benachbarten Magnetringe derart ausgebildet ist, dass in Zusammenbauposition des Magnetsystems oder des Magnetrads die Magnetsegmente mit gleicher Polaritätsausrichtung der einzelnen Magnetringe in Bezug auf die Magnetringachse in axialer Richtung unter einem Winkel von 6° bis 20° im Wesentlichen schräg verlaufend angeordnet sind.
Die vorstehend beschriebene, vorteilhafte Wirkung kann auch dadurch bewirkt werden, dass der Versatz zwischen den Führungslöchern der beiden zueinander benachbarten Magnetringe derart ausgebildet ist, dass in der Zusammenbauposition des Magnetsystems oder des Magnetrads die Magnetsegmente mit gleicher Polaritätsausrichtung der einzelnen Magnetringe in Bezug auf die Magnetringachse in axialer Richtung treppenförmig versetzt angeordnet sind und der Versatz zwischen den Führungslöchern der beiden zueinander benachbarten Magnetringe in Umfangsrichtung der Magnetringe im Wesentlichen kleiner ist als ein Kreisabschnitt eines jeweiligen Magnetsegments .
Um die Magnetfeldlinien der einzelnen Magnetsegmente der jeweiligen Magnetringe zu leiten und um das MagnetSystem magnetisch abzuschirmen kann ein Rückschlussring auf dem Außenumfang oder dem Innenumfang der jeweiligen Magnetringe angebracht sein. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Magnetringe in Zusammenbauposition einen Außenläufer oder einen Innenläufer des Generators der Windenergieanlage bilden.
Da die Magnetsegmente elektrisch leitfähig sind, kommt es in diesen im Betrieb des Generators zu Wirbelstromverlusten. Die Wirbelstromverluste sind umso höher, je größer die Polfläche eines einzelnen Magnetsegments ist. Um diese Wirbelstromverluste zu minimieren, können die einzelnen Magnetsegmente jeweils mehrere, vorzugsweise drei, gleichpolig ausgerichtete Einzelpermanentmagnete aufweisen, die mittels Halteelementen an und/oder in einem Rückschlussring eines jeweiligen Magnetringes befestigt sind. Dadurch entstehen im Wesentlichen keine Lücken zwischen den einzelnen MagnetSegmenten.
Zweckmäßigerweise sind die jeweiligen Einzelpermanentmagnete aus einem Metall der Seltenen Erden hergestellt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhaft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf einen Magnetring, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A aus Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivisch schematische Darstellung mehrerer Magnetringe vor dem Zusammenbau zu einem Magnetrad,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Führungselements,
Fig. 5 in schematischer Perspektivdarstellung ein aus mehreren Magnetringen zusammengesetztes Magnetrad,
Fig. 6 ein Polradgehäuse mit einer Aufnahmefläche für ein Magnetrad,
Fig. 7 eine alternative Ausführungsform einer
Magnetanordnung in Teilansicht und in
Fig. 8 einen Rückschlussring.
Eine Windenergieanlage oder Windkraftanlage umfasst im Wesentlichen einen Rotor mit Nabe und Rotorblättern und eine Maschinengondel, die den Generator umgibt. Die Umwandlung der mittels der Rotorblätter erzeugten mechanischen Leistung in elektrische Leistung erfolgt beispielsweise mittels eines vielpoligen Generators, vorzugsweise eines Synchrongenerators, der mit der Drehzahl des Rotors betrieben wird und in der Maschinengondel untergebracht ist. Ein solcher vielpoliger Generator weist einen Ständer oder Stator mit Wicklungen und einen den Ständer umgebenden Läufer oder Rotor (Außenläufer) oder einen vom Ständer umgebenen Läufer oder Rotor (Innenläufer) auf.
Im Ausführungsbeispiel ist ein Außenläufer dargestellt, der ein in Fig. 9 dargestelltes Magnetsystem 1 ausbildet, das mehrere Magnetringe 2, 2a - 2j, 2', 2a', 2b', 2c' umfasst, die zu einem Magnetrad 10 zusammengesetzt sind, welches innenseitig auf einer Aufnahmefläche 14 in ein Polradgehäuse 11 eingebaut ist. Jeder Magnetring 2, 2a - 2j, 2' , 2a', 2b', 2c' weist eine Vielzahl an rund um den Umfang des jeweiligen Magnetringes angeordneten Einzelpermanentmagneten 4, 4' auf, wobei jeweils drei nebeneinander angeordnete und gleichpolig ausgerichtete Einzelpermanentrαagnete 4, 4' ein Magnetsegment 3, 3' ausbilden. Die Magnetsegmente 3, 3' ihrerseits sind mit abwechselnder Polaritätsausrichtung nebeneinander angeordnet, wie dies der Fig. 2 zu entnehmen ist. Hierbei sind der Südpol S und . der Nordpol N jeweils in radialer Richtung ausgerichtet, so dass abwechselnd in Umfangsrichtung jeweils ein Magnetsegment 3 mit außenliegendem Nordpolbereich und innenliegendem Südpolbereich und ein Magnetsegment 3' mit außenliegendem Südpolbereich und innenliegendem Nordpolbereich aufeinander folgen. Jedes Magnetsegment 3, 3' wiederum besteht aus mehreren Einzelpermanentmagneten 4, 4' , die mit jeweils gleich ausgerichteter Polarität längsseitig nebeneinander angeordnet sind, um die Wirbelstromverluste zu reduzieren, die bei großen Polflächen ansonsten sehr hoch wären. Im Ausführungsbeispiel ist ein Magnetsegment 3, 3' jeweils aus drei Einzelpermanentmagneten 4, 4' zusammengesetzt. Denkbar sind aber auch Magnetsegmente 3, 3' mit einer davon abweichenden Anzahl an Einzelpermanentmagneten 4, 4'. Die Einzelpermanentmagnete 4, 4' sind aus einem Metall der Seltenen Erden hergestellt, insbesondere aus einem hochpermeablen gesinterten Metallpulver unter Verwendung dieser Metalle hergestellt.
Zur Leistungsoptimierung eines einen Läufer mit einem Magnetrad 10 aufweisenden Generators sind die Lücken zwischen den benachbarten Einzelpermanentmagneten 4, 4' jeweils möglichst klein gehalten. Zu diesem Zweck sind die
Einzelpermanentmagnete 4, 4' innenseitig in einen einen
Rückschlussring 5a ausbildenden Träger 5 eingesetzt, wobei der mit den Einzelpermanentmagneten 4, 4' ausgestattete
Rückschlussring 5a dann jeweils einen Magnetring 2, 2' , 2a' -
2c', 2a - 2j ausbildet.
Der Rückschlussring 5a ist aus einzelnen Metallsegmenten 16 zusammengesetzt, die aneinanderliegend den kreisringförmigen Rückschlussring 5a ausbilden. Die einzelnen Metallsegmente 16 können über Verbindungslaschen miteinander verbunden und miteinander verschweißt sein. Insbesondere werden diese kraftschlüssig dann zusammengepresst, wenn der Rückschluss- ring 5a mit den darin eingesetzten Einzelpermanentmagneten 4, 4' in das Polradgehäuse 11 eingesetzt und dann längs der Aufnahmefläche 14 bei Erkalten des erwärmten Polradgehäuses 11 zusammengepresst wird, wie dies nachstehend erläutert ist.
Um die einzelnen Einzelpermanentmagnete 4, 4' während der Montage mit einem möglichst geringen Abstand zueinander an dem Rückschlussring 5a anordnen zu können, ist dieser mit Aufnahmeelementen 12 in Form von in axialer Richtung verlaufenden nutenförmigen Schlitzen 12a versehen, die gleichmäßig über seine Innenumfangsflache verteilt mit einem der Breite eines Einzelpermanentmagneten 4, 4' entsprechenden Abstand ausgebildet sind. In diese nutförmigen Schlitze 12a wird jeweils ein querschnittlich Doppel-T-förmiges Halteelement 6 mit der Funktion einer Klammer eingesetzt. Zwischen jeweils zwei Halteelementen 6 ist dann jeweils ein Einzelpermanentmagnet 4, 4' angeordnet und von den Halteelementen 6 an der Innenseite des Rückschlussrings 5a festgelegt. Hierbei weisen die Halteelemente 6 eine ganz geringe Dickenerstreckung auf, so dass zwischen aneinander angrenzenden Einzelpermanentmagneten 4, 4' lediglich eine äußerst schmale Lücke besteht. Der Rückschlussring 5a weist eine solche Stärke oder Dicke auf, dass auf seiner Außenseite bei auf seiner Innenseite aufgebrachten Einzelpermanentmagneten 4, 4' keine Magnetkraft mehr feststellbar ist, und somit keine Magnetkraft nach außen wirkt. Zur Herstellung des Rückεchlussringes 5a oder der Metallsegmente 16 wird vorzugsweise ein Stahlmaterial mit einem möglichst hohen Eisenanteil und einem geringen Anteil an Legierungselementen verwendet .
Die Aufnahmeelemente 12 können wie dies in Fig. 7 durch die darin eingesetzten Halteelemente 6 angedeutet ist, leicht schräg mit einer Steigung von 6° - 20° geneigt ausgerichtet sein. Auch können die Aufnahmeelemente 12 schienenförmig ausgebildet sein.
Die D'imensionierung von Rückschlussring 5a, den MagnetSegmenten 3, 3' und den Einzelpermanentmagneten 4, 4' ist so aufeinander abgestimmt, dass sich um den Innenumfang des Rückschlussringes 5a herum gleichmäßig verteilt eine gerade Anzahl an Magnetsegmenten 3, 3' ergibt, wobei sich dann jeweils Magnetsegmente 3, 3' mit gleich oder identisch ausgerichteter Polarität jeweils diametral gegenüberliegen. Beim Zusammenbau wird nun so vorgegangen, dass zwischen den einzelnen Halteelementen 6 zunächst die Magnetsegmente 3 mit gleicher Polaritätsausrichtung innenseitig am Rückschlussring 5a angeordnet werden und anschließend erst in die dann bestehenden Zwischenräume die Magnetsegmente 3' mit der entgegengesetzt ausgerichteten Polarität eingeschoben werden. Hierbei bilden die Halteelemente 6 zwischen jeweils aneinanderliegenden Einzelpermanentmagneten 4, 4' Trennwände und Führungsschienen aus, so dass sowohl bei sich abstoßender gleich ausgerichteter Polarität als auch bei sich anziehender Polarität ein jeweiliger Einzelpermanentmagnet 4, 4' sicher zwischen zwei Halteelementen 6 geführt in axialer Richtung des Rückschlussringes 5a in seine jeweils vorgesehene Position eingeschoben werden kann.
Der Rückschlussring 5a ist dünnwandig ausgebildet und aus einzelnen Blechsegmenten 16 zusammengesetzt.
Mehrere der aus jeweils einem Rückschlussring 5a mit darin eingesetzten Einzelpermanentmagneten 4, 4' bestehenden Magnetringen 2, 2', 2a - 2j, 2a', 2b', 2c' werden entsprechend der jeweils gewünschten und vorgesehenen Leistung des damit ausgestatteten Generators oder Polrades zu einem Magnetrad 10 zusammengesetzt. Hierzu werden die einzelnen Magnetringe 2, 2' , 2a' - 2c' , 2a - 2j in axialer Richtung des Magnetrades 10 Stück für Stück seitlich aneinandergesetzt, bis die gewünschte Anzahl an Magnetringen vorhanden ist. Bei dem in Fig. 9 dargestellten, mit einem Magnetrad 10 ausgestatteten Polradgehäuse 11 sind elf Magnetringe 2 - 2j zur Ausbildung des Magnetrades 10 aneinandergereiht. In der Zusammenbauposition der einzelnen Magnetringe zu dem Magnetrad 10 liegen dabei zumindest bereichsweise gleichpolige Magnetsegmente 3, 3' und somit sich abstoßende Pole der Einzelpermanentmagnete 4, 4' in axialer Richtung des Magnetrades 10 aneinander. Während des Zusammenbaus des Magnetrads 10 kommt es daher infolge der gleichpolig aneinanderliegenden Magnetsegmente 3, 3' zueinander benachbarter Magnetringe 2, 2' , 2a - 2 j, 2a' - 2c' zu einer abstoßenden Kraftwirkung in axialer Richtung, d.h. in Richtung parallel zur Magnetringachse oder Magnetradachse. Hierbei weisen die jeweils aneinanderliegenden Magnetringe zusätzlich infolge der Magnetkräfte der Magnetsegmente 3, 3' mit gleicher Polarität oder gleicher Polaritätsausrichtung das Bestreben auf, sich auf eine stabile Nord-Süd-Position auszurichten, d.h. sich relativ zueinander so weit zu verdrehen, dass jeweils sich anziehende MagnetSegmente 3, 3' ungleicher Polaritätsausrichtung aneinanderliegen. Damit dies nicht möglich ist, müssen die Magnetringe 2, 2' , 2a' - 2c', 2a - 2j während ihres Zusammenbaus zu einem Magnetrad 10 geführt und in ihrer relativen Position zueinander gehalten werden. Zu diesem Zweck sind in jedem Rückschlussring 5a eines jeweiligen Magnetringes mehrere Führungslöcher 7 in jeder der beiden Seitenflächen 8a, 8b gleichmäßig entlang des ümfangs ausgebildet. Die Führungslöcher 7 können entweder in regelmäßigen oder in unregelmäßigen Winkelabständen entlang des Umfangs in der jeweiligen Seitenfläche 8a, 8b ausgebildet sein. Wichtig ist nur, dass die in im Einbauzustand benachbart zueinander angeordneten Magnetringen 2 ausgebildeten Führungslöcher 7 in der Zusammenbauposition der jeweiligen Magnetringe zueinander korrespondierend, d.h. fluchtend oder mit einem durch ein Führungselement 9 überbrückten Versatz zueinander, ausgerichtet oder ausrichtbar sind. In ein jeweiliges Führungsloch 7, bei dem es sich auch um eine Sackbohrung handeln kann, wird beim Zusammenbau des Magnetrads 10 jeweils ein stangen- oder stabförmiges Führungselement 9 mit seinem ersten Führungsabschnitt 9a eingesetzt. Ein zweiter Führungsabschnitt 9b des Führungselements 9 steht dann aus diesem Führungsloch 7 des Magnetringes 2 hervor und dient der Führung eines auf den jeweiligen Magnetring aufzustapelnden weiteren Magnetringes. Dazu wird der zweite Führungsabschnitt 9b in ein zu dem Führungsloch 7 korrespondierendes Führungsloch 7 des aufzustapelnden Magnetringes, beispielsweise des Magnetringes 2a, eingesetzt, so dass der aufzustapelnde Magnetring 2a ausgerichtet gegen den Magnetring 2 gedrückt werden kann, ohne das infolge der wirkenden Magnetkräfte eine Verdrehung beider Magnetringe 2, 2a zueinander eintritt. Somit sind zueinander benachbarte Magnetringe, beispielsweise die Magnetringe 2 und 2a, mittels der Führungselemente 9 aufschichtbar und zueinander ausrichtbar .
Die Befestigung der zueinander benachbarten Magnetringe 2, 2', 2a' - 2c', 2a - 2j erfolgt dabei mittels einer stoffschlüssigen Verbindung an den entsprechenden Seitenflächen 8a, 8b, die die Seitenflächen des Rückschlussringes 5a und der Einzelpermanentmagnete 4, 4' umfassen. Zu diesem Zweck wird vor dem Aufstapeln der einzelnen Magnetringe zumindest eine der aneinander angrenzenden Seitenflächen 8a oder 8b eines Magnetringes mit einem anaerob härtenden Klebemittel beschichtet, der die stoffschlüssige Verbindung zu dem daran anliegenden Magnetring 2, 2' ausbildet. Das Klebemittel ist ein anaerob härtendes Klebemittel in Form eines Einkomponentenklebstoffs, der unter Sauerstoffausschluss aushärtet. Die im Klebemittel enthaltene Härterkomponente bleibt inaktiv, solange sie mit dem Sauerstoff der Luft in Berührung steht. Sobald das Klebemittel vom Sauerstoff abgeschlossen wird, was bei dem Aufeinanderstapeln und anschließenden Aufeinanderpressen von aneinanderliegenden Seitenflächen 8a, 8b zweier Magnetringe der Fall ist, erfolgt die Aushärtung sehr schnell, insbesondere bei gleichzeitigem Metallkontakt. Durch die Kapillarwirkung des flüssigen Klebemittels werden sogar die kleinsten Zwischenräume im Fügebereich ausgefüllt. Das ausgehärtete Klebemittel ist danach in den Rauhtiefen der zu verbindenden Seitenflächen 8a, 8b der zueinander benachbarten Magnetringe verankert. Der Aushärtungsvorgang wird durch den Kontakt des Klebemittels mit den Metalloberflächen der beiden Seitenflächen 8a, 8b der zueinander benachbarten Metallringe initiiert, so dass die Metalloberflächen demnach als Katalysator wirken.
Für den Fall, dass die Seitenflächen 8a, 8b der Magnetringe aus einem nichtmetallischen Material, also einem für die Verklebung passiven Material, bestehen, kann vor dem Beschichten mit dem anaerob härtenden Klebemittel ein Aktivator auf zumindest eine der beiden angrenzend zueinander angeordneten Seitenflächen 8a, 8b der miteinander zu verbindenden Magnetringe aufgebracht werden. Die Aufbringung eines Aktivators empfiehlt sich deshalb, weil solche passiven Materialien nur eine geringe oder überhaupt keine katalytische Wirkung besitzen, die für das Aushärten des anaeroben Klebemittels notwendig ist. Auch bei Metallen mit hohen passiven Eigenschaften, wie zum Beispiel Chrom und Edelstahl, empfiehlt sich der Einsatz eines Aktivators, um Fehlklebungen zu vermeiden. Eine Verklebung dieser Art dichtet zusätzlich die Verbindungsstelle gegen korrosive Medien ab. Darüber hinaus weist ein solches anaerob härtendes Klebemittel eine gute Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen und eine gute Beständigkeit bei dynamischen Dauerlasten auf.
Bei Verwendung eines anaerob härtenden Klebemittels mit oder ohne Aktivator ist gewährleistet, dass der Härteprozess der Verbindung zwischen den jeweiligen Magnetringen erst nach Kontakt zweier Magnetringe einsetzt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die in den Seitenflächen 8a, 8b eines jeweiligen Magnetringes 2, 2' , 2a - 2j, 2a' - 2c' ausgebildeten Führungslöcher 7 bei allen Magnetringen an gleicher ümfangsposition in Bezug zu den rund um den Umfang eines Magnetringes angeordneten MagnetSegmenten 3, 3' ausgebildet. Dadurch entsteht dann ein aus mehreren Magnetringen geschichtetes oder gestapeltes Magnetrad 10 mit parallel zur Magnetringachse oder Magnetradachse oder Magnetsystemachse angeordneten Magnetsegrαenten 3, 3', wobei Magnetsegmente gleicher Polaritätsausrichtung in Linie aneinandergereiht sind. Die Halteele'mente 6 bilden folglich eine von Einzelpermanentmagnet 4, 4' zu Einzelpermanentmagnet 4, 4' aneinander anliegender Magnetringe gerade und parallel zur Magnetradlängsachse verlaufende Linie aus, wie dies für ein aus elf Magnetringen 2 — 2j bestehendes Magnetrad 10 des Magnetsystems 1 in Fig. 9 dargestellt ist.
Um ein Magnetradsystem 10 mit räumlich gekrümmten und schräg zur Magnetradachse verlaufenden MagnetSegmenten 3, 3' bereitzustellen, wie dies in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, ist in einem zweiten Äusführungsbeispiel vorgesehen, dass der zweite Führungsabschnitt 9b zu dem ersten Führungsabschnitt 9a des jeweiligen Führungselements 9 in Umfangsrichtung der jeweiligen Magnetringe seitlich versetzt ausgebildet ist. Ein solches Führungselement 9 ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist der Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt 9a und dem zweiten Führungsabschnitt 9b des Führungselements 9 derart ausgebildet, dass in der Zusammenbauposition eines Magnetrades 10 die Magnetsegmente 3, 3' und/oder die Einzelpermanentmagnete 4, 4' der einzelnen Magnetri.nge in Richtung der Magnetringachse in axialer Richtung von Magnetring zu Magnetring jeweils gegeneinander versetzt angeordnet sind. Hierbei kann der Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt 9a und dem zweiten Führungsabschnitt 9b des jeweiligen Führungselements 9 derart ausgebildet sein, dass in der Zusammenbauposition des Magnetrades 10 die aneinander zugeordneten Magnetsegmente 3, 3' gleicher Polaritätsausrichtung der einzelnen Magnetringe in Bezug auf die Magnetringachse in axialer Richtung treppenförmig versetzt angeordnet sind. Ob die zwischen den Einzelpermanentmagneten 4, 4' durch die Halteelemente 6 gebildete Trennungslinie parallel oder schräg, insbesondere unter einem Winkel von 6° - 20° zur Magnetradachse oder Magnetringachse, verläuft, wird dabei von der dies bestimmenden Ausrichtung der Aufnahmeelemente 12 bestimmt. Der Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt 9a und dem zweiten Führungsabschnitt 9b des Führungselements 9 in Umfangsrichtung der Magnetringe kann hierbei im Wesentlichen kleiner als ein Kreisabschnitt eines jeweiligen Magnetsegments 3 sein. Alternativ ist es aber auch möglich, die nutenförmigen Schlitze 12 schräg geneigt auszubilden und durch entsprechende geometrische Ausbildung der Einzelpermanentmagnete 4, 4' eine entsprechend schräg ausgerichtete Anordnung der Einzelpermanentmagnete 4, A' zu erhalten.
Ein Magnetrad 10 mit räumlich gekrümmten und schräg zur Magnetsystemachse verlaufenden Seitenkanten/Seitenflächen der Magnetsegmente 3, 3' kann auch mit einem stabförmigen Führungselement 9 ohne versetzte erste und zweite Führungsabschnitte 9a, 9b bereitgestellt werden, in dem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels die in einander zugeordneten Seitenflächen 8a, 8b eines jeweiligen Magnetringes ausgebildeten Führungslöcher 7 in Bezug zu den rund um den Umfang der Magnetringe jeweils angeordneten Magnetsegmenten 3 versetzt ausgebildet sind, d.h. auf jeder der beiden Seitenflächen 8a, 8b eine andere Relativposition zu den Aufnahmeelementen 12 aufweisen. Der Versatz zwischen den Führungslöchern 7 in den einander zugewandten Seitenflächen 8a, 8b benachbarter Magnetringe kann wiederum derart ausgebildet sein, dass in der Zusammenbauposition des Magnetrades 10 die Magnetsegmente 3, 3' mit gleicher Polaritätsausrichtung von Magnetring zu Magnetring in Bezug auf die Magnetringachse in axialer Richtung unter einem Winkel von 6° bis 20° im Wesentlichen schräg verlaufend angeordnet sind. Alternativ ist es aber auch wiederum denkbar, dass der Versatz zwischen den Führungslöchern 7 jeweils benachbarter Magnetringe derart ausgebildet ist, dass in Zusammenbauposition des Magnetrades 10 die Magnetsegmente 3, 3' gleicher Polaritätsausrichtung von Magnetring zu Magnetring in Bezug auf die Magnetringachse in axialer Richtung treppenförmig versetzt angeordnet sind. Der Versatz zwischen den Führungslöchern 7 benachbarter Magnetringe in Umfangsrichtung der Magnetringe kann im Wesentlichen kleiner als ein Kreisabschnitt eines jeweiligen Magnetsegments sein.
Insgesamt bestehen somit zur Ausrichtung der Einzelpermanentmagnete 4, 4f und der MagnetSegmente 3, 3' sowohl jeweils in einem einzelnen Magnetring als auch in ihrer Ausrichtung von Magnetring zu Magnetring bei zu einem Magnetrad 10 zusammengefügten Magnetringen verschiedene konstruktive Möglichkeiten. Um die Einzelpermanentmagnete 4, 4' auf dem jeweiligen Träger 5 senkrecht zum Seitenrand des ringförmigen Trägers 5 oder parallel zur Magnetringachse auszurichten, besteht die Möglichkeit, die Aufnahmeelemente 12 und damit die darin geführten und gehaltenen Halteelernente 6 entsprechend auszurichten. Zwischen zwei Halteelemente 6 können dann rechteckige, quaderförmige Einzelpermanentmagnete 4, 4' von der Seite eingeschoben werden. Wenn beabsichtigt ist, schräg geneigt angeordnete Einzelmagnetsegmente 4, 4' auf einem Träger 5 anzuordnen, so kann dies dadurch geschehen, dass die Aufnahmeelemente 12 des Trägers 5 und folglich die darin oder daran angeordneten Halteelemente 6 mit einer entsprechenden Neigung von 6° - 20° in Bezug auf die durch den Magnetringmittelpunkt verlaufende Magnetringachse oder Magnetradachse ausgebildet und angeordnet werden. Zwischen zwei Halteelementen 6 lässt sich dann ein in der Aufsicht parallelogrammförmiger Quader eines Einzelpermanentmagneten 4, 4' anordnen. Bei aneinanderliegenden Magnetringen lässt sich die Relativposition der Einzelpermanentmagnete 4, 4' zueinander von Magnetring zu Magnetring durch die entsprechende Ausbildung der Führungslöcher 7 in den jeweiligen Seitenflächen 8a, 8b sowie die Ausgestaltung der Führungselemente 9 variierbar festlegen. So ist es möglich, dass die Einzelpermanentmagnete 4, 4' von Magnetring zu Magnetring jeweils versetzt zueinander angeordnet sind und die Halteelemente 6 ebenfalls einen stufenförmigen Versatz von Magnetring zu Magnetring aufweisen. Es ist aber auch möglich, die Einzelmagnetsegmente 4, 4' linienförmig in einer Reihe zueinander anzuordnen, so dass die aneinandergereihten Halteelemente 6 dann im Magnetrad 10 eine durchgehende Linie ausbilden, die schräg geneigt, mit einem Winkel von 6° - 20° oder aber auch gerade, d.h. parallel zur durch den Magnetradmittelpunkt verlaufenden Magnetradachse, ausgerichtet sind. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Magnetsystem 1 eines Außenläufers. Der Fachmann wird aber erkennen, dass mittels leichter Modifikation die vorstehend beschriebenen Merkmale auch auf einen Innenläufer, insbesondere einen Innenläufer eines Generators einer Windenergieanlage, übertragbar sind, wobei dann der Rückschlussring nicht mehr den Außenumfang, sondern den Innenumfang eines Magnetringes abschirmt und zu diesem Zweck im Wesentlichen auf dem Innenumfang eines jeweiligen Magnetringes ausgebildet ist.
Zur Erhöhung der magnetischen Polfühligkeit, die in Kombination mit einem genuteten Anker einer Maschine entsteht, muss ein Ankerblechpaket so geschichtet werden, dass die Nuten schräg zur Mittelachse stehen. Das erschwert die Verwendung von Wicklungen aus Rahmenspulen, die zur Maximierung der Ausnutzung der Maschine notwendig sind. Um einen ungeschrägten Anker verwenden zu können, muss aber das Magnetsystem 1 oder ein Magnetrad 10 geschrägt sein, was bei Verwendung einfacher rechteckiger Magnetsegmente 3, 3' nicht möglich ist. Der gleiche Effekt lässt sich aber erzielen, wenn statt gerader Führungselemente 9 Sprünge oder Stufen aufweisende Führungselemente oder solche mit versetzten Führungsabschnitten 9a, 9b verwendet werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. So entsteht ein Magnetsystem 1 mit treppenförmig versetzten Magnetringen 2' , 2a' - 2c' was elektrisch der Schrägung gleich kommt und in Fig. 7 schematisch dargestellt ist.
Insgesamt wird durch die Erfindung ein ein Polrad 13 umfassendes Magnetsystem 1 vom Typ eines Außenläufers bereitgestellt, das ein aus einzelnen Magnetringen 2, 2', 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2a' - 2c' mit mehreren magnetisierten Magnetsegmenten 3, 3' abwechselnder Polarität aufgebautes Magnetrad 10 umfasst und das bei einem Generator einer Windenergieanlage verwendet werden kann.
Auch wenn das beschriebe Magnetsystem Ähnlichkeiten mit an sich bekannten Vorrichtungen aufweisen mag, so ist es hier besonders bedeutsam, dass ein derartiges Magnetsystem auch im Bereich von hoch belasteten Bauteilen einer Windenergieanlagen zur Anwendung kommt und dabei mit Erfolg verwendet werden kann.
Das das Polradgehäuse 11 mit darin eingesetztem Magnetrad 10 umfassende Magnetsystem 1 besteht somit aus einzelnen, aufgrund der Verbindung mittels eines Klebstoffes ggf. gegeneinander elektrisch isolierten Magnetringen, die entsprechend der axialen Gesamtlänge des Magnetrades 10 zu einem Paket aufgestapelt werden und einen dünnwandigen Rückschlussring 5a zur Führung der Magnetfeldlinien und zur Abschirmung nach außen bilden. Das Paket erhält seine mechanische Festigkeit auch mittels Halterungen oder Streben oder Führungselementen 9, die vorzugsweise in magnetisch unbelasteten Zonen eingeschweißt werden.
Das aus mehreren Magnetringen bestehende ringförmige Magnetrad 10 wird bei der Herstellung des Polrades 13 mit dem in Figur 6 dargestellten Polradgehäuse 11 verbunden, wobei das Magnetrad 10 in dem Polradgehäuse 11 innen liegend angebracht wird. Das Polradgehäuse 11 kann aus Gründen der Gewichtseinsparung aus einem magnetisch unwirksamen Material bestehen. Im Innenumfang des Polradgehäuses 11 ist eine Aufnahmefläche 14 ausgebildet. Die Aufnahmefläche 14 kann beispielsweise eine minimale Vertiefung oder Auskehlung sein, die an die geometrische Abmessung des Magnetrades 10 zur Ausbildung einer Verbindung mit dem Polradgehäuse 11 angepasst ist.
Zur Herstellung des Polrades wird - in einem ersten Schritt - das Polradgehäuse 11 leicht erwärmt, um das Polradgehäuse 11 und das Magnetrad 10 fügen zu können. Das Polradgehäuse 11 wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der sich der
Innendurchmesser des Polradgehäuses 11, insbesondere der
Durchmesser der Aufnahmefläche 14, auf einen Durchmesser ausdehnt, der größer als der Außendurchmesser des Magnetrades
10 ist.
In einem dem Erwärmen des Polradgehäuses 11 folgenden Schritt wird dann das Magnetrad 10 in der oder an der in der Innenumfangsflache des Polradgehäuses 11 ausgebildeten Aufnahmefläche 14 angeordnet.
In einem darauf folgenden Schritt wird das Polradgehäuse 11 abgekühlt oder man lässt das Polradgehäuse abkühlen, so dass das Polradgehäuse 11 auf das Magnetrad 10 aufschrumpft. Dem Aufschrumpfen liegt somit das Prinzip der Wärmeausdehnung zugrunde, bei dem die miteinander zu verbindenden beiden Teile nicht passgenau, sondern das Polradgehäuse 11 geringfügig zu klein oder das Magnetrad 10 geringfügig zu groß angefertigt sind, so dass beide Teile bei Normaltemperatur, d.h. in der Regel Raum- oder Umgebungstemperatur, nicht miteinander verbunden werden können. Durch Erwärmung dehnt sich der jeweils erwärmte Gegenstand aus und schrumpft anschließend wieder bei Abkühlung. So schrumpft das Polradgehäuse 11 bei seiner Abkühlung und wird auf das Magnetrad 10 gepresst. Das Abkühlen des Polradgehäuses 11 kann beispielsweise bei Umgebungstemperatur stattfinden. In einem Schritt des Verfahrens wird die Außenumfangsflache des Magnetrades 10, d.h. die Außenseite des Rückschlussringes 5a, mit einem Klebemittel 15 beschichtet. Alternativ kann aber auch die Aufnahmefläche 14 des Polradgehäuses 11 mit einem Klebemittel beschichtet werden. Denkbar ist es ferner auch, sowohl die Außenumfangsflache des Magnetrades 10 als auch die Aufnahmefläche 4 des Polradgehäuses 11 mit einem Klebemittel zu beschichten. Das Beschichten der Außenumfangsfläche des Magnetrads 10 oder der Aufnahmefläche 4 des Polradgehäuses 11 oder beider Flächen gemeinsam kann dabei zu den verschiedensten Zeitpunkten während der Durchführung des Fügeverfahrens zur Verbindung dieser beiden Bauteile durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Beschichten vor dem Erwärmen des Polradgehäuses 11, vor dem Anordnen des Magnetrades 10 oder vor dem Abkühlen des Polradgehäuses 11 erfolgen.
Das beim Beschichten verwendete Klebemittel ist ebenfalls ein anaerob härtendes Klebemittel in Form eines Einkomponentenklebstoffs, der unter Sauerstoffausschluss bei Raumtemperatur aushärtet. Die im flüssigen Klebemittel enthaltene Härterkomponente bleibt inaktiv, solange sie mit dem Sauerstoff der Luft in Berührung steht. Sobald das Klebemittel 15 vom Sauerstoff abgeschlossen wird, was bei dem Fügen oder Aufschrumpfen des Polradgehäuses 11 auf das Magnetrad 10 der Fall ist, erfolgt die Aushärtung sehr schnell, insbesondere bei gleichzeitigem Metallkontakt. Durch die kapillare Wirkung des flüssigen Klebemittels 15 werden sogar kleinste Zwischenräume im Fügebereich ausgefüllt. Das ausgehärtete Klebemittel ist danach in den Rauhtiefen der zu verbindenden Teile verankert. Der Aushärtungsvorgang wird durch den Kontakt des Klebemittels 15 mit den Metalloberflächen von Polradgehäuse 11 und Magnetrad 10 initiiert, so dass diese Metalloberflächen demnach als Katalysator wirken. So können metallische Werkstoffe miteinander verklebt werden.
Für den Fall, dass das Polradgehäuse 11 aus einem nichtmetallischen Material, also einem für die Verklebung zunächst passiven Material, besteht, kann vor dem Beschichten mit dem' anaerob härtenden Klebemittel 15 ein Aktivator auf die Aufnahmeflache 14 des Polradgehäuses 11 aufgebracht werden. Sollte die Außenumfangsflache des Magnetrads 10 eine Schicht eines nichtrαetallischen Materials aufweisen, so kann auch diese Fläche mit einem Aktivator beschichtet werden. Die Aufbringung eines Aktivators empfiehlt sich deshalb, weil passive Materialien nur eine geringe oder überhaupt keine katalytische Wirkung besitzen, die für das Aushärten des anaeroben Klebemittels aber notwendig ist. Auch bei Metallen mit hohen passiven Eigenschaften, wie zum Beispiel Chrom und Edelstahl, empfiehlt sich der Einsatz eines Aktivators, um Fehlklebungen zu vermeiden. Eine Verklebung dieser Art dichtet zusätzlich die Verbindungsstelle von Polradgehäuse 11 und Magnetrad 10 gegen korrosive Medien ab. Darüber hinaus weist ein solches anaerob härtendes Klebemittel 15 eine gute Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen und eine gute Beständigkeit bei dynamischen Dauerlasten auf.
Unabhängig davon, ob ein Aktivator verwendet wird oder nicht, kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt aufweisen, bei dem vor dem Anordnen des Magnetrades 10 die Außenumfangsflache des Magnetrades 10, d.h. die Außenfläche des Rückschlussrings 5a, oder die Aufnahmefläche 14 des Polradgehäuses 11 mittels Sand- oder Kugelstrahlens aufgerauht wird. Denkbar ist aber auch, beide Flächen mittels Sand- oder Kugelstrahlens aufzurauhen. Durch diese Maßnahme verbessert sich die Haftung des Klebemittels 15 und die Belastbarkeit der zwischen dem Polradgehäuse 11 und dem aus Rückschlussringen 5a gebildeten Metallrad ausgebildeten Verbindung.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kombiniert beim Abkühlen des Polradgehäuses 11 folglich einen Klebevorgang und einen Pressvorgang, die gemeinsam und gleichzeitig ihre Wirkung zur Herstellung der Verbindung von Polradgehäuse 11 und Magnetrad 10 entfalten. Beim Abkühlen des Polradgehäuses 11 umschließt dieses das Magnetrad 10 mit einer leichten Pressung nach Art eines Kraftschlusses, wobei die Klebeverbindung einen StoffSchluss bewirkt. Hierbei kann eine vertieft mit einem Seitenrand ausgebildete Aufnahmefläche 14 auch noch Formschlussanteile beitragen. Jedenfalls wird dadurch dem zwischen der Außenumfangs fläche des Magnetrades 10 und der Aufnahmefläche 14 des Polradgehäuses 11 befindlichen Klebemittel 15 der Kontakt mit Sauerstoff entzogen, womit es aushärten kann und eine hochfeste Verbindung in Form eines StoffSchlusses in der Fuge entsteht. Durch das Abkühlen des Polradgehäuses 11 und das damit verbundene Umschließen des Magnetrades 10 werden die Einzelpermanentmagnete 4, 4' und die einzelnen Magnetsegmente 3, 3' des Magnetrades 10 gegeneinander und/oder gegen die Halteelemente 6 gedrückt. Ebenso werden die einzelnen Metallsegmente 16 des Trägers 5 gegeneinander gepresst oder gedrückt. Alle diese Elemente bilden somit ggf. untereinander zusätzlich eine Verbindung nach Art eines Kraftschlusses aus. Beim Abkühlen des Polradgehäuses 11 und Aufschrumpfen auf das Magnetrad 10 wird somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Polradgehäuse 11 und dem Magnetrad 10 und eine zumindest kraftschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen MagnetSegmenten 3, 3' oder den Einzelpermanentmagneten 4, 4' des Magnetrades 10 oder zwischen diesen Elementen und den jeweils anliegenden Halteelementen 6 hergestellt und so zusammen mit dem Polradgehäuse 11 das Magnetsystem 1 ausgebildet.
Um einem Überschuss an verwendetem Klebemittel 15 aus wirtschaftlichen Aspekten zu begegnen, empfiehlt es sich, das aus der zwischen dem Magnetrad 10 und dem Polradgehäuse 11 ausgebildeten Verbindungsfuge austretende Klebemittel 15 abzusaugen und wiederzuverwenden.
Insgesamt wird somit ein Verfahren zur Herstellung eines Polrades 13 vom Typ eines Außenläufers mittels einer „Schrumpfklebeverbindng" bereitgestellt, das stoffschlüssige und kraftschlüssige Verbindungen zwischen dem Polradgehäuse 11 und dem Magnetrad 10 und zwischen den einzelnen MagnetSegmenten 3, 3' und/oder den Einzelpermanentmagneten 4, 4' und den Halteelementen 6 des Magnetrades 10 aufweist. Mittels der „Schrumpfklebeverbindung" ergibt sich eine deutliche Verbesserung gegen auftretende Scherkräfte und Biegemomente, wobei die verbundenen Bauteile auf der gesamten Länge fast unlösbar miteinander verbunden sind.
Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Polrad 13 vom Typ eines Außenläufers mit einem Magnetrad 10 mit mehreren magnetisierten Magnetsegmenten 3, 3' abwechselnder Polaritätsausrichtung und einem Polradgehäuse 11 kann bei einem Generator einer Windenergieanlage Verwendung finden.
Auch wenn das beschriebe Verfahren Ähnlichkeiten mit an sich bekannten Verfahren aufweisen mag, so ist es hier besonders bedeutsam, dass ein derartiges Verfahren zur Herstellung einer Klebe- und Schrumpfverbindung auch im Bereich von hoch belasteten Bauteilen einer Windenergieanlagen zur Anwendung kommen und dabei mit Erfolg verwendet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetsystem (1) eines vielpoligen Generators, insbesondere einer Windenergieanlage oder Windkraftanlage, umfassend einen Magnetring (2, 2', 2a - 2j, 2a' - 2c' ) mit einem Träger (5) auf dessen Außenumfang oder Innenumfang aneinandergereiht Einzelpermanentmagnete (4, 4' } in sich regelmäßig ändernder Polaritätsausrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Außen- oder die Innenumfangsflache des Trägers (5) Aufnahmeelemente (12) aufweist, in oder an welchen jeweils ein klammerartiges Halteelement (6} angeordnet ist, wobei jeweils zwei beabstandet zueinander angeordnete Halteelemente (6) zwischen sich einen Einzelpermanentmagneten (4, 4') an dem Träger (5) festhalten und/oder festlegen.
2. Magnetsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement (6) benachbarte Einzelpermanentmagnete (4, 4' ) mechanisch voneinander trennt und deren unmittelbares Aneinanderliegen verhindert.
3. Magnetsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Halteelemente (6) derart beabstandet angeordnet und die Einzelpermanentmagnete (4, 4') derart dimensioniert sind, dass jeweils ein Einzelpermanentmagnet (4, 4') seitlich in Axialrichtung des Trägers in den zwischen benachbarten Halteelementen (6) ausgebildeten Zwischenraum einschiebbar ist.
4. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere gleichpolig ausgerichtete, nebeneinander angeordnete Einzelpermanentmagnete (4, 4') ein Magnetsegment (3, 3') ausbilden.
5. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) einen
Rückschlussring (5a) ausbildet.
6. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, dass die Einzelpermanentmagnete (4, 4') aus einem Metall der Seltenen Erden hergestellt sind.
7. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente (12) schräg geneigt verlaufend, insbesondere unter einem Winkel von 6° - 20°, ausgebildet sind.
8. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetringe (2, 2', 2a - 2j, 2a' - 2c') seitlich in axialer Richtung koaxial aneinander anliegend zu einem Magnetrad (10) zusammengefügt sind.
9. Magnetsystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) , insbesondere in jeder seiner beiden Seitenflächen (8a, 8b) , in regelmäßigen oder unregelmäßigen Winkelabständen entlang seines Urafangs oder die Halteelemente (6) Führungslöcher (7) oder Führungsbohrungen aufweisen, in die jeweils ein Führungselement (9) mit einem ersten Führungsabschnitt (9a) eingesetzt ist, wobei ein zweiter Führungsabschnitt (9b) des jeweiligen Führungselements (9) in ein korrespondierendes Führungsloch (7) oder eine Führungsbohrung eines benachbarten Magnetringes (2'f 2a'
- 2b' , 2a - 2j} eingesetzt ist.
10. Magnetsystem (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet;, dass benachbarte Magnetringe (2, 2', 2a'
- 2c' , 2a - 2j ) mittels einer Stoffschlüssigen Verbindung an ihren aneinanderliegenden Seitenflächen (8a, 8b) miteinander verbunden sind, wobei sich die Stoffschlüssige Verbindung beim Aufeinanderpressen zueinander benachbarter Magnetringe (2, 2' , 2a' - 2c', 2a
- 2j) aus einem anaerob härtenden Klebemittel bildet.
11. Magnetεystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die stoffschlüssige Verbindung beim Aufeinanderpressen benachbarter Magnetringe (2, 2' , 2a' - 2c', 2a - 2j } aus einem anaerob härtenden Klebemittel und einem Aktivator bildet.
12. Magnetsystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungslocher oder - bohrungen (7) bei allen Magnetringen (2, 2', 2a' - 2c', 2a - 2j ) oder Trägern (5) oder Rückschlussringen (5a) an gleicher Umfangsposition oder Winkelposition in Bezug zu längs des Urαfangs angeordneten Einzelpermanentmagneten (4, 4') und/oder MagnetSegmenten (3, 3') ausgebildet sind.
13. Magnetsystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass' der zweite Führungsabschnitt (9b) der Führungselemente (9) seitlich versetzt zu dem ersten Führungsabschnitt (9a) ausgebildet ist.
14. Magnetsystem {1) nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet., dass der Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt (9a) und dem zweiten Führungsabschnitt (9b) derart ausgebildet ist, dass in der Zusammenbauposition des Magnetrades (10} die Einzelpermanentmagnete (4, 4'} und/oder die Magnetsegmente (3, 3' ) gleicher Polaritätsausrichtung in Bezug auf die Magnetradachse in axialer Richtung von Magnetring (2) zu Magnetring (2', 2a' - 2c', 2a - 2j) unter einem Winkel von 6° bis 20° im Wesentlichen schräg verlaufend oder treppenförmig versetzt angeordnet sind.
15. MagnetSystem (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Versatz zwischen dem ersten Führungsabschnitt (9a) und dem zweiten Führungsabschnitt (9b) der Führungselemente (9) im Wesentlichen kleiner ist als ein jeweils von einem Magnetsegment (3, 3') überstrichener Kreisringabschnitt.
16. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetrad (10) aus mehreren, aneinanderliegend aufgeschichteten und mittels der Führungselemente (9) zueinander ausgerichteten Magnetringen {2, 2a - 2j, 2', 2a' - 2c') zusammengesetzt ist.
17. Magnetsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetrad (10) mittels einer Schrumpf-Klebe-Verbindung stoff- und/oder kraftschlüssig längs einer umlaufenden Aufnahmefläche
(14) mit einem Polradgehäuse (11) verbunden ist.
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