EP2805406A2 - Segmentierte elektrische maschine mit einschichtbruchlochwicklung - Google Patents

Segmentierte elektrische maschine mit einschichtbruchlochwicklung

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EP2805406A2
EP2805406A2 EP13707822.6A EP13707822A EP2805406A2 EP 2805406 A2 EP2805406 A2 EP 2805406A2 EP 13707822 A EP13707822 A EP 13707822A EP 2805406 A2 EP2805406 A2 EP 2805406A2
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EP
European Patent Office
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stator
rotor
dynamoelectric machine
coils
winding
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13707822.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Brasas
Johannes Germishuizen
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2805406A2 publication Critical patent/EP2805406A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
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    • 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
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    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
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    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a dynamoelectric machine having a stator, which, viewed in the circumferential direction, has a plurality of segments, which mechanically produce a stator, with a three-phase winding system embedded in slots of the stator.
  • harmonics of the air-gap field can not be reduced during operation of the dynamoelectric machine.
  • These harmonics are responsible, inter alia, for causing the winding to produce a comparatively large cogging torque.
  • the cogging torque must be kept as low as possible.
  • a basic form of a permanent magnet in the form of a cuboid this is not so easy and readily possible.
  • cuboid permanent magnets there are known two methods, which are preferably used in practice. On the one hand, a pole offset of the permanent magnets is selected, on the other hand a staggering of the permanent magnets on the rotor in the axial direction is brought about.
  • Another way to influence the cogging torque on the rotor side is to optimize the geometry of the permanent magnets.
  • This method of reducing the cogging torque in particular associated with the pole offset of the magnets or a staggering of the magnets on the rotor, reduces the cogging torque quite considerably.
  • the disadvantage here, however, is that the rotor must be made asymmetrical and / or the permanent magnets must be reworked consuming.
  • the present invention seeks to ei ⁇ ne to create a dynamoelectric machine, especially for the power class from a megawatt, such as Windkraftgene ⁇ generator, in which the cogging torque is reduced compared to conventional machines, with a simple production of the rotor.
  • a dynamo ⁇ electric machine in particular wind power generators with a stator having viewed in the circumferential direction a plurality of segments, the mechanical composition of the stator result, with the following features:
  • each of the segments has at least three coils or an integral multiple thereof
  • the winding system is designed as a single-layer break hole winding, such that the cogging torques of the dynamoelekt ⁇ cal machine are reduced,
  • Coil width wherein the coil width represents the distance of the two grooves in which the forward or return conductor of a coil is located
  • a segment of the stator extends over six slots or integer multiples thereof
  • At least one segment has only coils of two different ⁇ Licher phases (U, V, W).
  • all coils of the winding system have the same coil width. This simplifies the assembly . Per segment, the winding is still closed off ⁇ so that none of the coil outward and return conductor has in different segments.
  • a winding unit - ie the coils of a segment - in the factory mon ⁇ benefits, soaked and mechanically and electrically tested
  • a segment of the stator advantageously has at least six grooves or an integer multiple thereof, so that now with the respective coil width of the coil, a compact segment and thus transportable segment of a stator is provided.
  • the segments are preferably joined at their end faces and / or on the outer circumference by suitable connecting elements to each other and thus bil ⁇ generators to a stator of an external rotor or internal rotor.
  • This mechanical connection of the segments fixed with IH ren respective neighboring segments and positioning the segments to each other so that a uniform mechanical air gap of the generator without an offset to the Seg ment ⁇ boundaries results.
  • this fixation is the additional mechanical stiffening of the entire stator, which is advantageous for short-term load or surges.
  • the respective phases of the segments are electrically connected by ring-shaped, mutually insulated electrical conductors on one end face of the stator. This electrical contact is made on site at the plant.
  • the reduction of the cogging torque is as ⁇ achieved among other things by that at least one segment of the stator comprises two coils of the single ⁇ Lich three-phase system U, V, W.
  • the rotor has only one permanent magnet per magnetic pole, viewed in the circumferential direction.
  • the magnetic poles extend in the axial direction of the rotor, so that viewed in the axial direction quite a plurality of magnets are arranged one behind the other in the axial direction. It is particularly advantageous if the magnets are inserted in axial recesses ⁇ From the laminated core of the rotor is. This simplifies in particular the axial insertion and positio ⁇ ne of the permanent magnets. In this case, no advantages to be taken precautions, the permanent magnets in operation at the Ro ⁇ tor, for example by a bandage to fix the centrifugal forces take.
  • the common perma ⁇ nent magnets which are offered and manufactured in cuboidal shape in large numbers - and correspondingly inexpensive, can be used.
  • Such a stator with its rotor is particularly suitable for large Windkraftge ⁇ generators whose generator diameter is two, three four or even over five meters. It is in particular direct drive wind turbine generators, in which the wind turbine drives the rotor of the dynamoelectric machine directly, without any intermediate connection of a Getrie ⁇ bes would be necessary.
  • the Grundge ⁇ thanks of the invention can also be transferred to wind generators, which are connected via a transmission to the wind turbine.
  • Other large dynamoelectric machines such as pipe ⁇ mills, or underwater generators can be applied to the inventive manner with respect to the cogging torque optimization ⁇ ren.
  • the dynamoelectric machine can be advantageously designed as an external rotor or internal rotor. None changes with the basic idea according to the invention.
  • FIGS. 3 to 5 each show different winding plans of single-layer break-hole winding with different break hole winding factors
  • FIG. 7 is a longitudinal gating a nacelle of a wind power plant with a ⁇ external rotor generator.
  • FIG. 1 shows, in a basic representation, a nacelle of a wind power plant not shown in more detail, a wind power generator 100 being arranged in the nacelle, which is driven by a wind turbine 109 directly via a shaft 111.
  • the wind power generator 100 has, in a housing 120, a stator 101 which, facing a rotor 108, has grooves 102 in which a winding system 105 is embedded.
  • the rotor 108 is an air gap 114 from the stator
  • the stator 101 is, as can be seen in particular FIG 2, constructed in the circumferential direction of segments 103, the stator 101 to ⁇ sammenform about Statoritatis institute 104 and / or not shown flanges on the front sides of the stator 101. On the in the grooves
  • a rotor 108 In a stator bore is located substantially concentrically arranged a rotor 108, which is designed in this illustration as an inner rotor and on its the air gap 114 of the wind generator 100 side facing permanent magnets 110 has.
  • the poles formed by the permanent magnets 110 are either - considered in circumferential direction - einstü ⁇ one piece or composed of several individual magnets constructed. This is meets both segmented and non-segmented Roto ⁇ ren - as well as internal and external rotors. This is also applicable to external or internal permanent magnets 110.
  • These permanent magnets 110 are arranged in the axial extending Ta ⁇ rule in the laminated core of the rotor 108 and are referred to as a buried permanent magnets. In the circumferential direction, only one, in particular ⁇ cuboid, permanent magnet is provided per magnetic pole 107. These magnets are beneficial ⁇ way in particular for economic reasons.
  • these magnets can also be arranged on the rotor surface. Then they are by appropriate measures, bandages and / or adhesive and / or mechanical mounts to the laminated core of the rotor 108 to be ⁇ consolidate to accommodate the centrifugal forces can.
  • a plurality of permanent magnets 110 are arranged one behind the other. Since the reduction in the cogging torque takes place solely through the winding system of the stator ⁇ 101, graduations, the Perma ⁇ nentmagnete 110 or chamfers of the permanent magnets 110 in the rotor 108 are not necessary. Thus, the structure of such a rotor 108 simplified considerably, since now the Rastmo ⁇ elements are reduced by the winding system 105 of the stator 101.
  • the grooves 102 of a segment 103 of the stator 101 are either designed parallel-sided as shown, ie the groove width is constant. In a further embodiment, these grooves 102 are conical, ie in the direction of the groove bottom, the groove width increases. The flanks of the teeth are parallel. Ternative in implementation of the second Al, the cavities in the direction of the groove base are reinforced pour, or it can there explicitly cooling channels vorgese ⁇ hen be.
  • the segment boundaries of the stator 101 advantageously extend within a tooth, so that a mechanical protection of the winding system 105 during transport and Mon ⁇ days is given.
  • the winding system 105 in the open grooves can be additionally fixed by Nutver gleich institute.
  • FIGS. 3 to 5 now show winding plans for a single-layer break-hole winding with different break hole winding factors, wherein no coil connections are provided across segment boundaries.
  • a return conductor is designated - with "X” a forward conductor of the respective coil.
  • the designation of the respective phase U, V, W can be seen in FIG. 3 - but analogously to the winding plans of FIGS. 4, 5.
  • the respective contacting of the coils 112 of a phase takes place on-site, where the stator 101 is assembled.
  • This contacting is preferably carried out on an end face ⁇ side of the laminated core of the stator 101, for example, by a ring line 123 which electrically connects the coils 112 of each phase.
  • On the second end faces are only the winding heads.
  • N the number of slots of the stator
  • the number of phases is. At least individual segments 103 have only two phases of the three-phase system U, V, W.
  • the stator 101 thus has 54 slots. Accordingly, the rotor 108 corresponding thereto has twenty magnetic poles 107.
  • the stator now has 36 slots. At least individual segments 103 have only two phases of the three-phase system U, V, W.
  • the corresponding rotor 108 accordingly has ten magnetic poles 107. See also FIG 2, in which such a generator is shown by way of example.
  • the inventive arrangement of vorgefer ⁇ tigten coils 112 in the grooves 102, the current flooding X, 0 and their phase contact the Drehmomentwellig- speed of the dynamoelectric machine is significantly reduced during operation.
  • the corresponding rotor 108 has four magnetic poles 107. Due to the inventive arrangement of the prefabricated coils 112 in the grooves 102, the current flooding X, 0 and their Pha sinktontakttechnik the torque ripple of the dynamo ⁇ electric machine is significantly reduced during operation.
  • the arrangement according to the invention of the coils 112 or the conductors of the coils 112 creates a generator with comparatively low cogging torques, taking into account a simple manufacture of a large stator 101.
  • the electrical assignment of the coils 112 to the respective phases - that is, the electrical interconnection takes place on one end face of the stator 101.
  • the stator 101 is located, such as in particular the figure refer 7, essentially in the axial extension of the shaft 111.
  • the driving torque is, for example, a shaft of the wind turbine 109 and 111 by suitable mechanical fasteners to the formed Au ⁇ humbler rotor 108 transfer.
  • the rotor 108 is part of a hollow body 106 which surrounds the stator 101. This surrounds the stator 101 radially, wherein between Ro ⁇ tor 108 and stator 101 is an air gap 114, via the stator 101 and rotor 108 interact electromagnetically.
  • the permanent magnets 110 without additional laminated core 116 - as shown in FIG 7 - mounted directly on the hollow body 106. This is done by mechani ⁇ cal brackets and / or cohesive connections, eg bonding. This simplifies the manufacturing process of the outer ⁇ runner, since no additional elements must be fixed in the hollow body 106.
  • the rotor 108 is segmented in this embodiment.
  • the segmented hollow body 106 forms the magnetic conclusion of the permanent magnets 110.
  • the number of magnetic poles is not equal to the number of this rotor segment 115 opposite grooves. This also reduces the cogging moments.
  • the rotor segments 115 are mechanically connected to one another by suitable rotor connection elements 122.
  • the segment boundaries 119 extend within pole gaps 117 of the magnetic poles 107.
  • the stator 101 is, as shown in FIG. 6, structured in a segmented manner.
  • Each segment 103 in this case has six grooves, which are shown for reasons of clarity without the winding system 105.
  • the winding systems used in the grooves 102 can be seen in FIGS. 3 to 5.
  • the grooves 102 of a segment 103 of the stator 101 are designed with parallel edges, ie the groove width is constant over the radial groove height.
  • these grooves 102 are conical, ie, in the direction of the groove bottom, the groove width tapers. In this case, then the flanks of the teeth are pa ⁇ rallel.
  • the winding system 105 in the open grooves can additionally be fixed by slot closure elements.
  • both in the version with external rotor mecanica also a gearbox may be vitechal ⁇ tet to obtain, inter alia, the desired speed of the generator during nominal operation.
  • the segmented stator 101 as shown FIG 7 is basically provided ⁇ kept, for example, by suitable mechanical support members 121 on the housing 120th
  • the rotor 108 ⁇ ser arrangement can be considered as one piece or in the circumferential direction be executed segmented.
  • the coils 112 are preferably form coils, whose turns are constructed of flat wire.
  • the winding system according to the invention 105 is greater than 1 MW and / or diameters suitable greater than 2 meters for both in ⁇ denominator and external rotor of large dynamoelectric machines. This winding system is particularly advantageous in the case of stators 101 and / or segmented rotors 108 can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere Windkraftgeneratoren mit einem Stator (101), der in Umfangsrichtung betrachtet mehrere Segmente (103) aufweist, die mechanisch zusammengesetzt den Stator (101) ergeben, mit folgenden Merkmalen: - jedes der Segmente (103) weist zumindest drei Spulen (106) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf, - in Nuten (102) des Stators (101) ist ein dreiphasiges Wicklungssystem (U,V,W) angeordnet, - einen Rotor (108), der mit Permanentmagneten (110) magnetische Pole (107) ausbildet, - das Wicklungssystem ist als Einschicht-Bruchlochwicklung ausgebildet, derart, dass die Rastmomente der dynamoelektrischen Maschine reduziert sind, - die Spulen unterschiedlicher Segmente (103) weisen identische Spulenweite auf, wobei die Spulenweite die Entfernung der beiden Nuten darstellt, in denen sich der Hin- bzw. Rückleiter einer Spule befindet, - ein Segment (103) des Stators (101) erstreckt sich über sechs Nuten (102) oder ganzzahlige Vielfache davon, - zumindest ein Segment (103) weist nur Spulen (106) zweier unterschiedlicher Phasen (U,V,W) auf.

Description

Beschreibung
Dynamoelektrische Maschine mit einer Einschichtbruchlochwick- lung
Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem Stator, der in Umfangsrichtung betrachtet, mehrere Segmente aufweist, die mechanisch zusammengesetzt einen Stator ergeben, mit einem dreiphasigen Wicklungssystem, das in Nuten des Stators eingebettet ist.
Große dynamoelektrische Maschinen, wie z.B. Wind- und Gezei¬ tengeneratoren mit Statordurchmesser von mehr als zwei bis drei Metern, weisen u.a. das Problem auf, dass der Stator, gegebenenfalls auch der Rotor nicht aus einem Stück gefertigt werden bzw. nicht in einem Stück transportiert werden können. Dazu ist es deshalb notwendig, die Komponenten in Segmentbau¬ weise zu fertigen. Die Wicklung, die in einem segmentierten Stator eingelegt wird, sollte demnach in sich abgeschlossen sein. Aus fertigungstechnischen Gründen ist eine Überlappung einzelner Spulen über die Segmentgrenze hinaus nicht vorteil¬ haft, da die Montage dann vor Ort auf der Anlage durchgeführt werden muss und dort auch die erforderlichen elektrischen Prüfungen der Wicklung durchgeführt werden müssen. Dies er- höht den Montageaufwand erheblich.
Deshalb werden bevorzugt Ganzlochwicklungen mit q=l einge¬ setzt, da diese für die Fertigung besonders gut geeignet sind, die Spulenweite konstant ist und es zwischen den Seg- menten des Stators zu keiner Überlappung der Spulen kommt.
Es ergibt sich hier jedoch aus elektromagnetischer Sicht das Problem, dass im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine Oberwellen des Luftspaltfeldes nicht reduziert werden können. Diese Oberwellen sind u.a. dafür verantwortlich, dass durch die Wicklung ein vergleichsweise großes Rastmoment (cogging torque) verursacht wird. Insbesondere bei langsam laufenden Generatoren muss jedoch das Rastmoment so gering wie möglich gehalten werden.
Bei einer Ganzlochwicklung mit q=l führen Oberwellen zu einer erheblichen Drehmomentenwelligkeit , was zu Geräuschen und zu Vibrationen im Stator und damit im Gehäuse und den angrenzenden Bauteilen führt.
Das angesprochene Rastmoment kann bei einer q=l-Wicklung so¬ mit nur auf der Rotorseite gesenkt werden. Insbesondere bei einer Grundform eines Permanentmagneten in Form eines Quaders ist dies nicht so einfach und ohne Weiteres möglich. Bei Ver¬ wendung quaderförmiger Permanentmagnete gibt es bekanntlich zwei Methoden, die in der Praxis bevorzugt eingesetzt werden. Zum einen wird ein Polversatz der Permanentmagnete gewählt zum anderen wird eine Staffelung der Permanentmagnete auf dem Rotor in axialer Richtung herbeigeführt.
Eine weitere Möglichkeit das Rastmoment auf der Rotorseite zu beeinflussen, ist die Optimierung der Geometrie der Permanentmagnete. Diese Methode der Reduzierung der Rastmomente, insbesondere verbunden mit dem Polversatz der Magnete oder einer Staffelung der Magnete auf dem Rotor, reduziert das Rastmoment ganz erheblich. Nachteilig dabei ist jedoch, dass der Rotor unsymmetrisch gefertigt werden muss und/oder die Permanentmagnete aufwändig nachbearbeitet werden müssen.
Die aufgeführten Möglichkeiten zur Reduktion der Rastmomente verursachen auf jeden Fall einen erhöhten Fertigungsaufwand bei der Herstellung der dynamoelektrischen Maschine in dieser Leistungsklasse .
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei¬ ne dynamoelektrische Maschine zu schaffen, insbesondere für die Leistungsklasse ab einem Megawatt wie z.B. Windkraftgene¬ rator, bei der das Rastmoment gegenüber herkömmlichen Maschinen reduziert wird, bei einfacher Herstellung des Rotors. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine dynamo¬ elektrische Maschine, insbesondere Windkraftgeneratoren mit einem Stator, der in Umfangsrichtung betrachtet mehrere Segmente aufweist, die mechanisch zusammengesetzt den Stator ergeben, mit folgenden Merkmalen:
- jedes der Segmente weist zumindest drei Spulen oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf,
- in Nuten des Stators ist ein dreiphasiges Wicklungssystem (U,V,W) angeordnet,
- einen Rotor, der mit Permanentmagneten magnetische Pole ausbildet,
- das Wicklungssystem ist als Einschicht-Bruchlochwicklung ausgebildet, derart, dass die Rastmomente der dynamoelekt¬ rischen Maschine reduziert sind,
- die Spulen unterschiedlicher Segmente weisen identische
Spulenweite auf, wobei die Spulenweite die Entfernung der beiden Nuten darstellt, in denen sich der Hin- bzw. Rück- leiter einer Spule befindet,
- ein Segment des Stators erstreckt sich über sechs Nuten oder ganzzahlige Vielfache davon,
- zumindest ein Segment weist nur Spulen zweier unterschied¬ licher Phasen (U,V,W) auf.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wicklungssystems der dynamoelektrischen Maschine lassen sich nunmehr allein auf Seiten des Stators die Rastmomente erheblich reduzieren oder gar kompensieren. Es entfällt somit eine aufwändige Be¬ arbeitung der Permanentmagneten und/oder des Rotors, bzw. die genaue Positionierung der Permanentmagnete auf oder im Blech- paket des Rotors.
Vorteilhafterweise weisen dabei alle Spulen des Wicklungssys tems die gleiche Spulenweite auf. Das vereinfacht die Monta¬ ge. Pro Segment ist dabei die Wicklung weiterhin in sich ab¬ geschlossen, so dass keine der Spulen Hin- Und Rückleiter in unterschiedlichen Segmenten besitzt. Damit kann eine Wicklungseinheit - also die Spulen eines Segments - im Werk mon¬ tiert, getränkt und mechanisch und elektrisch geprüft werden Ein Segment des Stators weist vorteilhafterweise zumindest sechs Nuten oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf, so dass nunmehr mit der jeweiligen Spulenweite der Spulen ein kompaktes Segment und damit transportfähiges Segment eines Stators geschaffen ist. Mechanisch werden die Segmente vorzugsweise an ihren Stirnseiten und/oder am Außenumfang durch geeignete Verbindungselemente miteinander verbunden und bil¬ den somit einen Stator eines Außenläufer- oder Innenläufer- generators . Diese mechanische Verbindung der Segmente mit ih- ren jeweiligen Nachbarsegmenten fixiert und positioniert die Segmente zueinander derart, dass sich ein gleichmäßiger mechanischer Luftspalt des Generators ohne Versatz an den Seg¬ mentgrenzen ergibt. Außerdem dient diese Fixierung der zusätzlichen mechanischen Versteifung des gesamten Stators, was für kurzzeitige Last- oder Stromstöße vorteilhaft ist.
Elektrisch verbunden werden die jeweiligen Phasen der Segmente durch ringförmig verlaufende, gegeneinander isolierte elektrische Leiter an einer Stirnseite des Stator. Diese elektrische Kontaktierung erfolgt auf der Anlage vor Ort.
Erfindungsgemäß wird die Reduzierung der Rastmomente u.a. da¬ durch erreicht, dass zumindest ein Segment des Stators ledig¬ lich zwei Spulen des Dreiphasensystems U, V, W aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Wicklungen, auch in den Segmenten deren Spulen alle drei Phasen aufweisen, wird sowohl durch den konstruktiven Aufbau als auch durch die daraus resultierenden elektromagnetischen Eigenschaften im Betreib der dynamoelektrischen Maschine eine Reduzierung der Rastmomente geschaffen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor pro magnetischem Pol, in Umfangsrichtung betrachtet nur einen Permanentmagnet auf. Vorteilhafterweise erstrecken sich selbstverständlich die magnetischen Pole in axialer Richtung des Rotors, so dass in axialer Richtung betrachtet durchaus mehrere Magnete hintereinander in axialer Richtung angeordnet sind . Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnete in axiale Aus¬ nehmungen des Blechpakets des Rotors eingesetzt sind. Dies erleichtert insbesondere das axiale Einschieben und Positio¬ nieren der Permanentmagnete. In diesem Fall sind keine Vor- kehrungen zu treffen, die Permanentmagnete im Betrieb am Ro¬ tor, beispielsweise durch eine Bandage zu fixieren um die Fliehkräfte aufzunehmen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die gängigen, in großer Stückzahl - und dementsprechend günstig herstellbaren Perma¬ nentmagnete, die in quaderförmiger Form angeboten und hergestellt werden, einsetzbar sind. Ein derartiger Stator mit seinem Rotor eignet sich insbesondere für große Windkraftge¬ neratoren, deren Generator-Durchmesser zwei, drei vier oder gar über fünf Meter beträgt. Dabei handelt es sich insbesondere um direkt angetriebene Windkraftgeneratoren, bei denen die Windturbine den Rotor der dynamoelektrischen Maschine direkt antreibt, ohne dass eine Zwischenschaltung eines Getrie¬ bes notwendig wäre.
Selbstverständlich lässt sich der erfindungsgemäße Grundge¬ danke aber auch auf Windgeneratoren übertragen, die über ein Getriebe mit der Windturbine verbunden sind. Auch andere große dynamoelektrische Maschinen, wie z.B. Rohr¬ mühlen, oder Unterwassergeneratoren lassen sich auf die erfinderische Art und Weise bezüglich der Rastmomente optimie¬ ren . Die dynamoelektrische Maschine kann vorteilhafterweise als Außenläufer oder Innenläufer ausgeführt werden. Am erfindungsgemäßen Grundgedanken ändert sich damit jeweils nichts.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin- dung werden anhand der Figuren näher dargestellt. Darin zeigen : FIG 1 einen Längsanschnitt einer Gondel einer Wind¬ kraftanlage,
FIG 2 ein Segment eines Stators, mit dem Ausschnitt des
Rotors ,
FIG 3 bis 5 jeweils verschiedene Wicklungspläne von Ein- schichtbruchlochwicklung mit unterschiedlichen Bruchlochwicklungsfaktoren,
FIG 6 Ausschnitt eines Querschnitts eines Außenläufer¬ generators,
FIG 7 einen Längsanschnitt einer Gondel einer Wind¬ kraftanlage mit einem Außenläufergenerator.
FIG 1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine nicht näher dargestellte Gondel einer Windkraftanlage, wobei in der Gondel ein Windkraftgenerator 100 angeordnet ist, der durch eine Windturbine 109 direkt über eine Welle 111 angetrieben wird. Der Windkraftgenerator 100 weist in einem Gehäuse 120 einen Stator 101 auf, der zu einem Rotor 108 gewandt Nuten 102 aufweist, in denen ein Wicklungssystem 105 eingebettet ist. Der Rotor 108 ist dabei einen Luftspalt 114 vom Stator
101 beabstandet.
Der Stator 101 ist, wie insbesondere FIG 2 zu entnehmen, in Umfangsrichtung betrachtet aus Segmenten 103 aufgebaut, die über Statorverbindungselemente 104 und/oder über nicht näher dargestellte Flansche an den Stirnseiten des Stators 101, zu¬ sammengesetzt den Stator 101 ergeben. Auf das in den Nuten
102 befindliche Wicklungssystem 105 wurde in dieser Darstel¬ lung aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die Wick- lungssysteme sind den folgenden Figuren zu entnehmen.
In einer Statorbohrung befindet sich im Wesentlichen konzentrisch angeordnet ein Rotor 108, der in dieser Darstellung als Innenläufer ausgeführt ist und auf seiner dem Luftspalt 114 des Windgenerators 100 zugewandten Seite Permanentmagnete 110 aufweist. Die durch die Permanentmagnete 110 gebildeten Pole sind entweder - in Umfangsrichtung betrachtet - einstü¬ ckig oder aus mehren einzelnen Magneten aufgebaut. Dies be- trifft sowohl segmentierte als auch nicht segmentierte Roto¬ ren - ebenso wie Innen- und Außenläufer. Diese ist ebenso bei außen- oder innenliegenden Permanentmagneten 110 anwendbar. Diese Permanentmagnete 110 sind in axialer verlaufenden Ta¬ schen im Blechpaket des Rotors 108 angeordnet und werden als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet. In Umfangsrichtung betrachtet ist dabei pro magnetischem Pol 107 nur ein, insbe¬ sondere quaderförmiger, Permanentmagnet vorgesehen. Diese Magnete sind insbesondere aus ökonomischen Gründen vorteil¬ haft .
Ohne das Funktionsprinzip einzuschränken können diese Magnete auch an der Rotoroberfläche angeordnet werden. Dann sind sie durch geeignete Maßnahmen, Bandagen und/oder Kleber und/oder mechanische Halterungen am Blechpaket des Rotors 108 zu be¬ festigen, um die Fliehkräfte aufnehmen zu können.
In axialer Erstreckung des Rotors 108 sind dabei durchaus mehrere Permanentmagnete 110 hintereinander angeordnet. Da die Reduzierung der Rastmomente allein durch das Wicklungs¬ system des Stators 101 erfolgt, sind Staffelungen der Perma¬ nentmagnete 110 oder Schrägungen der Permanentmagnete 110 im Rotor 108 nicht notwendig. Damit vereinfacht sich der Aufbau eines derartigen Rotors 108 erheblich, da nunmehr die Rastmo¬ mente durch das Wicklungssystem 105 des Stators 101 reduziert werden .
Die Nuten 102 eines Segments 103 des Stators 101 sind entwe- der - wie dargestellt parallelflankig ausgeführt, d.h. die Nutbreite ist konstant. In einer weiteren Ausführungsform sind diese Nuten 102 konisch ausgeführt, d.h. in Richtung des Nutgrundes vergrößert sich die Nutbreite. Dabei sind die Flanken der Zähne parallel. Bei Realisierung der zweiten Al- ternative sind die Hohlräume in Richtung Nutgrund verstärkt auszugießen, oder es können dort explizit Kühlkanäle vorgese¬ hen werden. Die Segmentgrenzen des Stator 101 verlaufen vorteilhafterweise innerhalb eines Zahnes, damit ist ein mechanischer Schutz des Wicklungssystems 105 während des Transports und der Mon¬ tage gegeben.
Das Wicklungssystem 105 in den offenen Nuten kann dabei zusätzlich durch Nutverschlusselemente fixiert werden.
FIG 3 bis 5 zeigen nunmehr Wicklungspläne für eine Ein- schichtbruchlochwicklung mit unterschiedlichen Bruchlochwick- lungsfaktoren, wobei über Segmentgrenzen hinweg keinerlei Spulenverbindungen vorgesehen sind. Mit „0" ist dabei ein Rückleiter bezeichnet - mit „X" ein Hinleiter der jeweiligen Spule. Die Bezeichnung der jeweiligen Phase U, V, W ist der Figur 3 zu entnehmen - aber sinngemäß auf die Wicklungspläne der Figur 4, 5 zu übertragen.
Das jeweilige Kontaktieren der Spulen 112 einer Phase erfolgt auf der Anlage vor Ort, wo der Stator 101 zusammengebaut wird. Diese Kontaktierung wird vorzugsweise auf einer Stirn¬ seite des Blechpakets des Stators 101 beispielsweise durch eine Ringleitung 123 durchgeführt, die die Spulen 112 jeder Phase miteinander elektrisch verbindet. An der zweiten Stirnseiten befinden sich lediglich die Wickelköpfe.
FIG 3 zeigt einen Wicklungsplan mit dem Bruchlochwicklungs- faktor q=0,9. Wobei grundsätzlich gemäß der mathematischen Beziehung 2p=N/ (q*m) , 2p - die Anzahl der Polpaare,
q - der Bruchlochwicklungsfaktor,
N - die Anzahl der Nuten des Stators und
m - die Anzahl der Phasen ist. Dabei weisen zumindest einzelne Segmente 103 lediglich zwei Phasen des Dreiphasensystems U, V, W auf. Der Stator 101 hat somit 54 Nuten. Der dazu korrespondierende Rotor 108 weist demnach zwanzig magnetische Pole 107 auf. Durch die erfin- dungsgemäße Anordnung der vorgefertigten Spulen in den Nuten, deren Stromdurchflutung X, 0 und deren Phasenkontaktierung wird die Drehmomentwelligkeit der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb erheblich reduziert.
FIG 4 zeigt einen Wicklungsplan mit dem Bruchlochwicklungs- faktor q=l,2. Der Stator hat nunmehr 36 Nuten. Dabei weisen zumindest einzelne Segmente 103 lediglich zwei Phasen des Dreiphasensystems U, V, W auf. Der dazu korrespondierende Ro- tor 108 weist demnach zehn magnetische Pole 107 auf. Siehe auch FIG 2, in der ein derartiger Generator beispielhaft gezeigt ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vorgefer¬ tigten Spulen 112 in den Nuten 102, deren Stromdurchflutung X, 0 und deren Phasenkontaktierung wird die Drehmomentwellig- keit der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb erheblich reduziert .
FIG 5 zeigt einen Wicklungsplan mit dem Bruchlochwicklungs- faktor q=l,5. Der Stator hat nunmehr 18 Nuten. Dabei weisen zumindest einzelne Segmente 103 lediglich zwei Phasen des
Dreiphasensystems U, V, W auf. Der dazu korrespondierende Ro¬ tor 108 weist demnach vier magnetische Pole 107 auf. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vorgefertigten Spulen 112 in den Nuten 102, deren Stromdurchflutung X, 0 und deren Pha- senkontaktierung wird die Drehmomentwelligkeit der dynamo¬ elektrischen Maschine im Betrieb erheblich reduziert.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spulen 112 bzw. der Leiter der Spulen 112 wird unter Berücksichtigung einer ein- fachen Herstellung eines großen Stators 101 ein Generator mit vergleichsweise geringen Rastmomenten geschaffen.
Die elektrische Zuordnung der Spulen 112 an die jeweiligen Phasen - also die elektrische Verschaltung erfolgt auf einer Stirnseite des Stators 101. Dabei werden dort elektrisch von¬ einander isoliert Ringleitungen angebracht, die die jeweili¬ gen Spulen 112 einer jeden Phase U, V, W miteinander kontaktieren . Selbstverständlich ist die Erfindung, als auch die für Innenläufer getroffenen physikalische Aussagen auch auf Außenläufer zu übertragen. Dabei befindet sich der Stator 101, wie insbesondere der Figur 7 zu entnehmen ist, im Wesentlichen in axialer Verlängerung der Welle 111. Das Antriebsmoment wird von der Windturbine 109 und beispielsweise einer Welle 111 über geeignete mechanische Verbindungselemente an den als Au¬ ßenläufer ausgebildeten Rotor 108 übertragen. Der Rotor 108 ist dabei Teil eines Hohlkörpers 106, der den Stator 101 um- gibt. Dieser umgibt den Stator 101 radial, wobei zwischen Ro¬ tor 108 und Stator 101 ein Luftspalt 114 ist, über den Stator 101 und Rotor 108 elektromagnetisch wechselwirken.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 110 ohne zusätzliches Blechpaket 116 - wie in FIG 7 - direkt an dem Hohlkörper 106 angebracht. Die geschieht durch mechani¬ sche Halterungen und/oder stoffschlüssige Verbindungen, z.B. Klebung. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess des Außen¬ läufers, da keine zusätzlichen Elemente im Hohlkörper 106 fi- xiert werden müssen.
Der Rotor 108 ist in dieser Ausführungsform segmentiert ausgebildet. Dabei bildet der segmentierte Hohlkörper 106 den magnetischen Rückschluss der Permanentmagnete 110. Die Anzahl der magnetischen Pole ist ungleich der Anzahl der diesem Rotorsegment 115 gegenüberliegenden Nuten. Dies reduziert ebenso die Rastmomente.
Die Rotorsegmente 115 sind durch geeignete Rotorverbindungs- elemente 122 miteinander mechanisch verbunden. Die Segmentgrenzen 119 verlaufen innerhalb von Pollücken 117 der magnetischen Pole 107.
Der Stator 101 ist, wie in FIG 6 gezeigt, segmentiert aufge- baut. Jedes Segment 103 weist dabei sechs Nuten auf, die aus gründen der Übersichtlichkeit ohne das Wicklungssystem 105 dargestellt werden. Die in den Nuten 102 eingesetzten Wicklungssysteme sind den Figuren 3 bis 5 zu entnehmen. Die Nuten 102 eines Segments 103 des Stators 101 sind wie dargestellt, parallelflankig ausgeführt, d.h. die Nutbreite ist über die radiale Nuthöhe betrachtet konstant. In einer weiteren Ausführungsform sind diese Nuten 102 konisch ausgeführt, d.h. in Richtung des Nutgrundes verjüngt sich die Nutbreite. Dabei sind dann die Flanken der Zähne pa¬ rallel. Bei Realisierung der zweiten Alternative sind Hohlräume im Bereich der Nutöffnung, bei Einsatz rechteckförmiger Leiter - also in Richtung Luftspalt 114 verstärkt auszugie¬ ßen, oder es können dort explizit Kühlkanäle vorgesehen werden, um die Leiter einer Spule 112 in der Nut zu halten.
Das Wicklungssystem 105 in den offenen Nuten kann dabei zu- sätzlich durch Nutverschlusselemente fixiert werden.
Um größere Segmente 103 zu realisieren, weisen diese dann zwölf Nuten auf, sodass sich sechs Spulen 112 in den Nuten dieses Segments 103 befinden.
In dem Antriebsstrang sowohl bei der Ausführung mit Innenais auch Außenläufer kann auch ein Getriebe zwischengeschal¬ tet sein, um u.a. die gewünschte Drehzahl des Generators im Nennbetrieb zu erhalten.
Der segmentierte Stator 101 wird, wie FIG 7 prinzipiell dar¬ gestellt dabei beispielsweise durch geeignete mechanische Stützelemente 121 am Gehäuse 120 gehalten. Der Rotor 108 die¬ ser Anordnung kann ebenso in Umfangsrichtung betrachtet ein- teilig oder segmentiert ausgeführt sein.
Die Spulen 112 sind vorzugsweise Formspulen, deren Windungen aus Flachdraht aufgebaut sind. Das erfindungsgemäße Wicklungssystem 105 ist sowohl für In¬ nen- als auch Außenläufer großer dynamoelektrischer Maschinen größer 1 MW und/oder Durchmessern größer 2 Metern geeignet. Besonders vorteilhaft ist dieses Wicklungssystem bei segmen- tierten Statoren 101 und/oder segmentierten Rotoren 108 ein- setzbar .
Vorteilhafterweise entsprechen sich die von den Segmenten von Stator 101 und Rotor 108 aufgespannten Winkel 118, gemäß FIG 6. Dies erleichtert den Transport - insbesondere, da nun Seg¬ mente von Rotor 108 und Stator 101 zusammen als eine Einheit transportierbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Dynamoelektrische Maschine, insbesondere Windkraftgenera¬ toren mit einem Stator (101), der in Umfangsrichtung betrach- tet mehrere Segmente (103) aufweist, die mechanisch zusammen¬ gesetzt den Stator (101) ergeben, mit folgenden Merkmalen:
- jedes der Segmente (103) weist zumindest drei Spulen (106) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf,
- in Nuten (102) des Stators (101) ist ein dreiphasiges Wick- lungssystem (U,V,W) angeordnet,
- einen Rotor (108), der mit Permanentmagneten (110) magnetische Pole (107) ausbildet,
- das Wicklungssystem (105) ist als Einschicht-Bruchlochwick- lung ausgebildet, derart, dass die Rastmomente der dynamo- elektrischen Maschine reduziert sind,
- die Spulen (112) unterschiedlicher Segmente (103) weisen identische Spulenweite auf, wobei die Spulenweite die Ent¬ fernung der beiden Nuten (102) ist, in denen sich der Hinbzw. Rückleiter einer Spule (112) befindet,
- ein Segment (103) des Stators (101) erstreckt sich über sechs Nuten (102) oder ganzzahlige Vielfache davon,
- zumindest ein Segment (103) des Stators (101) weist nur
Spulen (106) zweier unterschiedlicher Phasen (U,V,W) auf.
2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Rotor (108) vergra¬ bene Permanentmagnete (110) oder Oberflächenmagnete aufweist.
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass pro magnetischem Pol
(107) des Rotors (108) in Umfangsrichtung betrachtet zumindest ein Permanentmagnet (110) vorgesehen ist.
4. Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Permanentmagnete (110) quaderförmig ausgeführt sind.
5. Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nutenanzahl des Stators (101) vierundfünfzig (N=54) ist und der Rotor (108) zwanzig Pole aufweist, mit einem Bruchlochwicklungsfaktor von q=0,9.
6. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nutenanzahl des Stators (101) sechsunddreißig (N=36) ist, der Rotor (108) zehn magnetische Pole aufweist und der Bruchloch¬ wicklungsfaktor q=l,2 ist.
7. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nutenanzahl des Stators (101) achtzehn (N=18) ist, dass der Rotor (108) vier magnetische Pole aufweist und dass der
Bruchlochwicklungsfaktor q=l,5 ist.
8. Windkraftgenerator (100) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Windkraftgenerator (100) von einer Windturbine (109) direkt oder über ein Getriebe angetrieben wird.
9. Windkraftgenerator (100) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei dem Wind- kraftgenerator (100) um eine dynamoelektrische Maschine mit einem Außen- oder Innenläufer handelt.
10. Windkraftanlage mit einem Windkraftgenerator (100) nach Anspruch 8 oder 9.
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