EP3455923A1 - Läuferpol für einen generator einer windenergieanlage sowie windenergieanlagen-generator und verfahren zum herstellen eines läuferpols - Google Patents

Läuferpol für einen generator einer windenergieanlage sowie windenergieanlagen-generator und verfahren zum herstellen eines läuferpols

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EP3455923A1
EP3455923A1 EP17723040.6A EP17723040A EP3455923A1 EP 3455923 A1 EP3455923 A1 EP 3455923A1 EP 17723040 A EP17723040 A EP 17723040A EP 3455923 A1 EP3455923 A1 EP 3455923A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pole
intermediate layer
aluminum
rotor
rotor pole
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17723040.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen RÖER
Jan Carsten Ziems
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Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Wobben Properties GmbH filed Critical Wobben Properties GmbH
Publication of EP3455923A1 publication Critical patent/EP3455923A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • 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
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
    • H02K3/527—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to rotors only
    • 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
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/223—Heat bridges
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
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    • 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 present invention relates to a rotor pole of a generator of a wind power plant and to a wind turbine generator and to a method for producing a rotor pole.
  • Wind turbines in particular also gearless wind turbines, are known.
  • Wind turbines are powered by an aerodynamic rotor that is directly connected to a rotor of a generator.
  • the movement of the rotor in the generator converts the kinetic energy gained from the wind into electrical energy.
  • the rotor of the generator therefore rotates at the same slow rotational speed as the aerodynamic rotor.
  • the generator has a relative to the rated power, relatively large generator diameter, preferably of several meters, with a large air gap diameter.
  • the air gap is limited on the rotor side by rotor poles with Polvolen.
  • the Polune consist of a block of material or a plurality of punched Polvolblechen, which are stacked and welded together, for example, to the Polvolen.
  • the Polnbleche the Polwovene a Polschaft Symposium on the First Edition
  • a Polmaschine GmbH a Polmaschine GmbH
  • a Polmaschine GmbH a Polmaschine GmbH
  • a Polmaschine GmbH a Polmaschine GmbH
  • a Polmaschine GmbH a Polmaschine GmbH
  • a Polmaschine GmbH a Polmaschine GmbH
  • a Polmaschine GmbH a Polmaschine GmbH
  • Polkopf Suite a pole piece.
  • a pole piece is arranged with the pole end, which is opposite to the Polkopf Suite, at the yoke of the rotor.
  • This thickness is necessary in order to protect the windings from disturbances, such as sharp edges, in the contour of the pole packings welded together and to absorb tensile forces which are generated, for example, by copper wires.
  • Such fiber composites or glass fiber reinforced plastics have been proven and are now not only used for copper windings, but also for windings of aluminum wire.
  • a disadvantage of these fiber composites or glass fiber reinforced plastics, however, is that they ensure poor heat transfer from the winding to the spool core, especially since they are very thick.
  • glass fiber reinforced plastic or fiber composite material is very expensive, since this is expensive to manufacture.
  • an aluminum winding expands more strongly when heated in the direction of the depth of the generator than the pole core.
  • this greater elongation at elongation in soft, electrically good conducting aluminum can not be completely absorbed by a bias of the conductor material. Therefore, an adhesion of an aluminum winding with the fiber composite material or the insulating paper could be solved by heating compared to the pole core stronger elongation. By loosening the windings there would be the danger that the windings during operation of the generator are displaced from their predefined positions.
  • a solution should be proposed which reduces the risk of loosening the winding from the pole core.
  • a solution should also be proposed which allows heat generation in the windings to be better dissipated to the pole shank area or pole core and makes it possible to produce the rotor of a wind turbine generator more favorably than was hitherto known in the prior art.
  • At least should be proposed to previously known solutions an alternative solution.
  • German Patent and Trademark Office has in the priority application for the present application, the following prior art research: DE 10 2004 046 904 A1, DE 10 201 1 006 680 A1, DE 10 201 1 006 682 A1 and EP 1 517 426 B1.
  • a rotor pole for a generator of a wind energy plant.
  • the rotor pole has a Polcron, which is carried out laminated.
  • the pole package comprises a pole shank and a pole head. At least one aluminum coil is disposed around the pole shaft.
  • an intermediate layer is disposed between the pole shank and the aluminum winding, the intermediate layer being made of aluminum. This intermediate layer can also be called wound body.
  • Providing an intermediate layer with aluminum protects an aluminum winding sufficiently against interference contours of the winding core, which arise, for example, by welding the pole plates.
  • the heat transfer of aluminum is much better than glass fiber reinforced plastic or fiber composites, so that the heat development in the aluminum windings can be better derived to the Polkern or Polschaft. Incidentally, aluminum is much cheaper than fiber composite material.
  • the intermediate layer is made of aluminum sheet or extruded aluminum profiles.
  • Such aluminum sheets or extruded aluminum profiles are particularly easy to produce and are available in large numbers in different thicknesses and therefore inexpensive to procure.
  • aluminum can be brought into a desired shape for the intermediate layer in a simple manner, for example by laser cutting or punching, so that its processing is very favorable.
  • the intermediate layer is galvanically separated from the pole packet and / or from the winding, in particular by a lacquer layer or an insulating paper, preferably aramid paper.
  • a lacquer layer or an insulating paper preferably aramid paper.
  • the windings of a pole are provided with a lacquer layer and therefore insulated from the pole package, so that a current flow is prevented by the windings in the PolDP.
  • an insulating paper or a further lacquer layer on the intermediate layer makes it possible, even in the event that an insulating layer of the winding itself is damaged, that no current flows from the windings into the pole packet.
  • the intermediate layer of a pile packet comprises at least four parts. These four parts correspond to two side elements and two head elements.
  • the four parts are arranged around the pole shank of the Poluns so as to enclose the Polschaft of the Poluns preferably completely on its free sides.
  • the head elements are arranged on the end faces of the Poluns and the side elements on the sides of the Poluns formed by the layers of the sheets.
  • each of the side elements in each case has a web extending along the side element, which engages in a groove extending along the side of the pile packet formed by the layers of the metal sheets.
  • the side members On a connecting line between the end faces of the Polevers the side members are thus mounted relative to the sides of the Polvols displaceable by the tongue and groove connection.
  • the aluminum of the intermediate layer which is also heated, expands more than the PolDP, which is for example made of sheet metal plates.
  • the intermediate layer can advantageously expand comparatively more than the pole package without causing tension.
  • the tongue-and-groove or tongue-and-spring connection between the side elements and the pole packet is designed as a dovetail spring dovetail groove connection.
  • the spring or land is a dovetail spring and the groove is a dovetail groove.
  • the intermediate layer is advantageously connected to the pole packet in such a manner that lifting off of the intermediate layer from the pole shaft is prevented, wherein displacement on a connecting line between the ends of the pole packet is furthermore permitted.
  • the grooves and springs or webs are arranged so that the groove on one side of the Polvols, which is formed by the layers of the sheets, the same distance from the pole head as the groove on the other opposite side of the Polvols of opposite the Polkopf lying Polschaftfußende the Polvols.
  • grooves are thus arranged on both sides of the pole shaft, wherein the groove extends on one side in a substantially constant distance from the pole head.
  • the groove is spaced a distance from the Polschaftfußende, which corresponds to the distance of the groove on the other side to the pole head.
  • the side elements from the side having the web or the spring, seen from a concave bend ensures that the side elements after connecting to the Polschaft, in particular by inserting the designed as a dovetail web into the designed as a dovetail groove of the Polithers has a large contact surface as possible with the Polither.
  • a particularly good thermal conductivity is ensured so that heat which is generated in the aluminum windings is dissipated particularly well via the intermediate layer into the pole package.
  • each of the side elements is fastened in each case with a single screw on the pole piece.
  • the intermediate layer has a maximum thickness of less than 3 mm, preferably less than 2 mm.
  • the head elements each have a shape that corresponds to a semicircle or a semi-ellipse.
  • One of the side elements is then connected to the ends of the semicircle or half ellipse. The bending or the diameter of the semicircle or the semi-ellipse are further selected so as to avoid or counteract excessive plastic deformation of an aluminum coil.
  • the connecting regions of the side elements are formed with the head elements in order to ensure an edge-free transition between the side and head elements.
  • the winding is further protected against damage.
  • the edge shape of the edges of the side elements, which are not connected to the head elements adapted in the contact area with the pole head to the shape of the pole head. This makes it possible to improve the magnetic flux in the side elements.
  • the invention includes a wind turbine generator, in particular a wind turbine synchronous generator, wherein the wind turbine generator comprises a stator and a rotor.
  • the rotor has at least one rotor pole, preferably according to one of the aforementioned embodiments, with a pole package.
  • the pole package has a pole shank and at least one winding wound around the pole shank.
  • the wind turbine generator has an intermediate layer between the pole pack and the winding, which is made of or with aluminum.
  • the invention relates to a method for producing a rotor pole, in particular according to one of the aforementioned embodiments, wherein a Polb produced by stacking of sheets and a winding around the Polun in the region of a Polschafts of the Polithers around. Before arranging the winding, an intermediate layer with or made of aluminum is placed on the pole stack in the region of the pole shaft.
  • FIG. 1 shows a wind energy plant
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a generator
  • Fig. 6 is a dovetail groove of Polvols in an enlarged view
  • Fig. 7 is a plan view of an end portion of the intermediate layer
  • 8a and 8b is a plan view of the head elements of the intermediate layer in various forms.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a wind turbine according to the invention.
  • the wind energy plant 100 has a tower 102 and a nacelle 104 on the tower 102.
  • an aerodynamic rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 1 10 is provided at the nacelle 104.
  • the aerodynamic rotor 106 is set into rotary motion by the wind during operation of the wind turbine and thus also rotates a rotor or rotor of a generator which is coupled directly or indirectly to the aerodynamic rotor 106.
  • the electric generator is disposed in the nacelle 104 and generates electrical energy.
  • Fig. 2 shows a generator 130 schematically in a side view. It has a stator 132 and a rotatably mounted electrodynamic rotor 134 and is attached with its stator 132 via a journal 136 to a machine carrier 138.
  • the stator 132 has a stator support 140 and stator lamination stacks 142 which form stator poles of the generator 130 and are secured to the stator support 140 via a stator ring 144.
  • the electrodynamic rotor 134 has rotor poles 146, which are rotatably mounted on the axle journal 136 about the axis of rotation 152 via a rotor carrier 148, which can also be called a yoke or rotor yoke, and bearings 150.
  • the Statorblechwovene 142 and rotor poles 146 separates only a narrow air gap 154, which is a few millimeters thick, in particular less than 6 mm, but has a diameter of several meters, in particular more than 4 m.
  • the stator laminations 142 and the rotor poles 146 each form a ring and together are also annular, so that the generator 130 is a ring generator.
  • the electrodynamic rotor or rotor 134 of the generator 130 rotates together with the rotor hub 156 of the aerodynamic rotor 106, of which lugs of rotor blades 158 are indicated.
  • FIG. 3 shows a pole packet 10 of a rotor pole 146, the pole package 10 having a pole head 12 and a pole shank 14.
  • the Polschaft 14 has a Polschaftfußende 15.
  • the Polschaftfußende 15 serves to attach the rotor yoke 148.
  • the Polvol 10 is shown from the perspective on one of the end faces of the Polvols 10.
  • two dovetail grooves 16 are provided.
  • an intermediate layer 18 is arranged on one side of the pole shaft 14.
  • the intermediate layer 18 is made of aluminum and has a web 20, wherein the web 20 has a dovetail spring shape and engages in the dovetail groove 16. As a result, the intermediate layer 18 is held on the pole shaft 14 of the pole packet 10.
  • FIG. 3 only a portion of the intermediate layer 18 is shown for clarity.
  • the pole shank 14 is completely enclosed by the intermediate layer 18.
  • Fig. 4 shows the intermediate layer 18 of FIG. 3 opposite the rotor pole 146 isolated in the cutout.
  • the web 20 which can also be referred to as a spring and has a dovetail spring shape recognizable.
  • recognizable bar that the intermediate layer 18 has a concave bend. This ensures that after the connection of the web or the spring 20 with the groove 16, the intermediate layer 18 has the largest possible surface contact with the pole shaft 14 of the Polvols 10.
  • the intermediate layer 18 is adapted to the shape of the pole head 12 in the area 22. As a result, the magnetic flux in the intermediate layer 18 improves.
  • FIG. 6 shows the enlargement of a compound of the intermediate layer 18 with the PolDP 10 by the dovetail groove dovetail spring connection.
  • the distance 24 between the intermediate layer 18 and the pole shaft 14 is for example 0.1 mm. This ensures a very good heat conduction.
  • the depth 26 of the groove 16 and the height 26 of the spring 20 is for example 2 mm.
  • the width 28 of the groove 16 is at the narrowest point, for example, 2 cm.
  • FIG. 7 shows the plan view of three parts of a four-part intermediate layer 18, wherein the end region of the pole shaft 14 to the pole head 12 is also shown by way of example without pole head 12 here. Accordingly, two side elements 30, 32 of the intermediate layer 18 and a head element 34 of the intermediate layer 18 are shown. In connecting regions 36, 38 in each case between the ends of the head element 34 and one of the side elements 30, 32, the intermediate layer 18 has an edgeless transition.
  • FIGS. 8 a and 8 b show differently shaped head elements 34 of the intermediate layer 18.
  • the head element 34 has a semicircular shape with a radius 40.
  • the head element 34 has a rather semi-elliptical shape. Both forms, as shown in FIGS. 8a and 8b, of the head element 34 serve to later wind an aluminum winding around the pole shaft region 14 and the intermediate layer 18, so that a deformation of the winding, which is produced in particular from flat aluminum strip, is counteracted.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läuferpol für einen Generator (130) einer Windenergieanlage (100). Der Läuferpol umfasst ein Polpaket (10), wobei das Polpaket (10) vorzugsweise geblecht ausgeführt ist. Das Polpaket (10) weist einen Polschaft (14) und einen Polkopf (12) auf sowie wenigstens eine Aluminiumwicklung, insbesondere aus Aluminiumflachband, die um den Polschaft (14) herum angeordnet ist. Das Polpaket (10) weist ferner eine Zwischenschicht (18) auf, welche zwischen dem Polpaket (10) und der Aluminiumwicklung angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (18) mit Aluminium oder aus Aluminium gefertigt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Windenergieanlagen-Generator sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Läuferpols.

Description

Läuferpol für einen Generator einer Windenergieanlage sowie Windenergieanlagen- Generator und Verfahren zum Herstellen eines Läuferpols
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läuferpol eines Generators einer Windenergieanlage sowie einen Windenergieanlagen-Generator und ein Verfahren zum Herstellen eines Läuferpols.
Gemäß dem Stand der Technik sind Windenergieanlagen, insbesondere auch getriebelo- se Windenergieanlagen, bekannt. Windenergieanlagen werden durch einen aerodynamischen Rotor angetrieben, der unmittelbar mit einem Läufer eines Generators verbunden ist. Durch die Bewegung des Läufers im Generator wird die aus dem Wind gewonnene Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Der Läufer des Generators dreht sich demnach mit der gleichen langsamen Drehgeschwindigkeit wie der aerodynamische Rotor.
Zur Berücksichtigung einer solchen langsamen Drehzahl weist der Generator einen, bezogen auf die Nennleistung, verhältnismäßig großen Generatordurchmesser, vorzugsweise von mehreren Metern, mit einem großen Luftspaltdurchmesser auf. Der Luftspalt ist auf der Läuferseite durch Läuferpole mit Polpaketen begrenzt. Die Polpakete bestehen aus einem Materialblock oder aus einer Vielzahl von gestanzten Polpaketblechen, die aufeinander geschichtet und beispielsweise miteinander zu den Polpaketen verschweißt sind.
Gemäß dem Stand der Technik weisen die Polpaketbleche der Polpakete einen Polschaftbereich und einen Polkopfbereich auf, wobei der Polkopfbereich seitlich über den Polschaftbereich hinaus ragt. Der Polschaftbereich wird auch als Polkern und der Polkopfbereich wird auch als Polschuh bezeichnet. Üblicherweise wird ein derartiges Polpaket mit dem Polschaftende, das gegenüber dem Polkopfbereich liegt, am Joch des Läufers angeordnet.
Die hintereinander angeordneten Polschaftbereiche der Polpaketbleche der Polpakete werden mit einer Wicklung, die auch Läuferwicklung genannt werden kann, versehen und dieser Wicklung ein elektrischer Erregerstrom zugeführt. Dadurch wird mit den Polpaketen und den entsprechenden Wicklungen zusammen mit dem Erregerstrom eine magnetische Erregung erzeugt. Diese magnetische Erregung führt dazu, dass die Polpakete mit der Wicklung als magnetische Pole des Läufers des Generators, insbesondere eines Synchrongenerators, dienen. Hierbei ist es bekannt, einen Faserverbundwerkstoff oder einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder ein Isolationspapier zwischen der Wicklung und dem Polschaft anzuordnen. Dieser Faserverbundwerkstoff oder glasfaserverstärkter Kunststoff weist eine Dicke von mehreren Millimetern, z. B. 3 mm, auf. Diese Dicke ist nötig, um die Wicklungen vor Störungen, wie scharfen Kanten, in der Kontur der miteinander verschweißten Polpakete zu schützen und Zugkräfte, die beispielsweise durch Kupferdrähte erzeugt werden, aufzunehmen. Derartige Faserverbundwerkstoffe bzw. glasfaserverstärkte Kunststoffe haben sich bewährt und werden mittlerweile nicht nur für Kupferwicklungen, sondern auch für Wicklungen aus Aluminiumdraht verwendet. Nachteilig an diesen Faserverbundwerkstoffen bzw. glasfaserverstärkten Kunststoffen ist jedoch, dass diese eine schlechte Wärmeübertragung von der Wicklung zum Spulenkern gewährleisten, insbesondere da diese sehr dick sind. Außerdem ist glasfaserverstärkter Kunststoff bzw. Faserverbundwerkstoff sehr teuer, da dieser aufwändig herzustellen ist.
Weiterhin ist nachteilig, dass sich eine Aluminiumwicklung unter Erwärmung in Richtung der Tiefe des Generators stärker ausdehnt als der Polkern. Im Gegensatz zu einer Kupferwicklung kann diese stärkere Längenaudehnung bei weichem, elektrisch gut leitendem Aluminium nicht vollständig über eine Vorspannung des Leitermaterials aufgefangen werden. Daher könnte sich eine Verklebung einer Aluminiumwicklung mit dem Faserverbundwerkstoff oder dem Isolationspapier durch die im Vergleich zum Polkern stärkere Längenausdehung unter Erwärmung lösen. Durch ein Lösen der Wicklungen bestünde die Gefahr, dass die Wicklungen beim Betrieb des Generators aus ihren vordefinierten Positionen verdrängt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der genannten Probleme des Standes der Technik anzugehen. Insbesondere soll eine Lö- sung vorgeschlagen werden, die die Gefahr des Lösens der Wicklung vom Polkern vermindert. Insbesondere soll auch eine Lösung vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, dass Wärmeentwicklung in den Wicklungen besser zum Polschaftbereich oder Polkern abgeführt wird und die es ermöglicht, den Läufer eines Windenergieanlagen- Generators günstiger als es bislang im Stand der Technik bekannt war, herzustellen. Zumindest soll zu bisher bekannten Lösungen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden. Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung den folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2004 046 904 A1 , DE 10 201 1 006 680 A1 , DE 10 201 1 006 682 A1 und EP 1 517 426 B1.
Erfindungsgemäß wird ein Läuferpol für einen Generator einer Windenergieanlage vorge- schlagen. Der Läuferpol weist ein Polpaket auf, das geblecht ausgeführt ist. Das Polpaket umfasst einen Polschaft und einen Polkopf. Wenigstens eine Aluminiumwicklung ist um den Polschaft herum angeordnet. Ferner ist eine Zwischenschicht zwischen dem Polschaft und der Aluminiumwicklung angeordnet, wobei die Zwischenschicht mit Aluminium gefertigt ist. Diese Zwischenschicht kann auch Wickelkörper genannt werden. Eine Zwischenschicht mit Aluminium vorzusehen schützt eine Aluminiumwicklung in ausreichendem Maße vor Störkonturen des Wickelkerns, die beispielsweise durch Verschweißen der Polbleche entstehen. Außerdem ist die Wärmeübertragung von Aluminium wesentlich besser als von glasfaserverstärktem Kunststoff oder Faserverbundwerkstoffen, sodass die Wärmeentwicklung in den Aluminiumwicklungen besser zum Polkern bzw. Polschaft abgeleitet werden kann. Im Übrigen ist Aluminium wesentlich günstiger als Faserverbundwerkstoff.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus Aluminiumblech oder Aluminiumstrangpressprofilen gefertigt.
Derartige Aluminiumbleche oder Aluminiumstrangpressprofile lassen sich besonders leicht herstellen und sind in großer Anzahl in verschiedenen Dicken verfügbar und daher günstig zu beschaffen. Außerdem kann Aluminium in einfacher Art und Weise, beispielsweise durch Laserschneiden oder Stanzen, in eine gewünschte Form für die Zwischenschicht gebracht werden, sodass auch dessen Verarbeitung sehr günstig ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Zwischenschicht von dem Polpaket und/oder von der Wicklung galvanisch, insbesondere durch eine Lackschicht oder ein Isolationspapier, vorzugsweise Aramidpapier, getrennt. Zwar sind auch vorzugsweise die Wicklungen eines Pols mit einer Lackschicht versehen und daher gegenüber dem Polpaket isoliert, sodass ein Stromfluss von den Wicklungen in das Polpaket verhindert wird. Dennoch ermöglicht ein Isolationspapier oder eine weitere Lackschicht an der Zwischenschicht, dass auch im Falle, dass eine Isolationsschicht der Wicklung selbst beschädigt ist, kein Strom aus den Wicklungen in das Polpaket fließt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Zwischenschicht eines Polpakets mindestens vier Teile. Diese vier Teile entsprechen zwei Seitenelementen sowie zwei Kopfelementen. Die vier Teile sind derart um den Polschaft des Polpakets angeordnet, um den Polschaft des Polpakets vorzugsweise vollständig an seinen freien Seiten zu umschließen. Hierbei sind die Kopfelemente an den Stirnseiten des Polpakets und die Seitenelemente an den sich durch das Schichten der Bleche gebildeten Seiten des Polpakets angeordnet.
Hierdurch ist gewährleistet, dass bei jedweder Unregelmäßigkeit des Polpakets die Wicklungen eines Pols im gesamten Bereich des Polschafts geschützt sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jedes der Seitenelemente jeweils einen entlang dem Seitenelement verlaufenden Steg auf, der in eine Nut, die entlang der durch das Schichten der Bleche gebildeten Seite des Polpakets verläuft, eingreift. Auf einer Verbindungslinie zwischen den Stirnseiten des Polpakets sind die Seitenelemente gegenüber den Seiten des Polpakets somit durch die Nut-Feder-Verbindung verschiebbar gelagert.
Im Falle, dass sich nun die Wicklung im Betrieb erhitzt, dehnt sich das Aluminium der Zwischenschicht, das ebenfalls erhitzt wird, stärker aus als das Polpaket, welches beispielsweise aus Blechplatten gefertigt ist. Durch die Nut-Feder-Verbindung kann sich vorteilhafterweise die Zwischenschicht vergleichsweise mehr ausdehnen als das Polpaket, ohne dass Verspannungen entstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Nut-Feder- oder Steg-Feder-Verbindung zwischen den Seitenelementen und dem Polpaket als Schwalbenschwanzfeder- Schwalbenschwanznut-Verbindung ausgebildet. Demnach ist die Feder oder der Steg eine Schwalbenschwanzfeder und die Nut eine Schwalbenschwanznut. Hierdurch ist die Zwischenschicht vorteilhafterweise derart mit dem Polpaket verbunden, dass ein Abheben der Zwischenschicht vom Polschaft verhindert wird, wobei ein Verschieben auf einer Verbindungslinie zwischen den Enden des Polpakets weiterhin erlaubt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Nuten auf den gegenüberliegenden Seiten des Polpakets in unterschiedlichen Höhen des Polschafts gegenüber der Untersei- te des Pols, nämlich dem Polschaftfußende, der mit dem Läuferjoch verbindbar ist, angeordnet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise der Fluss des Magnetfelds durch das Polpaket nur geringfügiger gestört als im dem Fall, bei dem die Nuten auf gleicher Höhe vorgesehen wären.
Ferner sind die Nuten und Federn bzw. Stege so angeordnet, dass die Nut auf der einen Seite des Polpakets, die durch das Schichten der Bleche gebildet ist, den gleichen Ab- stand vom Polkopf hat wie die Nut auf der anderen gegenüberliegenden Seite des Polpakets vom gegenüber dem Polkopf liegenden Polschaftfußende des Polpakets.
Demnach sind also auf beiden Seiten des Polschafts Nuten angeordnet, wobei die Nut auf der einen Seite in einem im Wesentlichen konstanten Abstand vom Polkopf verläuft. Auf der anderen Seite des Polkopfs ist die Nut mit einem Abstand vom Polschaftfußende beabstandet, der dem Abstand der Nut auf der anderen Seite zum Polkopf entspricht. Hierdurch lassen sich identisch gefertigte Seitenelemente für beide Seiten des Polkopfes verwenden. Der Herstellungsaufwand für die Seitenelemente der Zwischenschicht wird somit reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Seitenelemente von der Seite, die den Steg oder die Feder aufweist, aus gesehen eine konkave Biegung auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Seitenelemente nach dem Verbinden mit dem Polschaft, insbesondere durch Einschieben des als Schwalbenschwanzfeder ausgebildeten Stegs in die als Schwalbenschwanznut ausgebildete Nut des Polpakets eine möglichst großflächige Kontaktierung mit dem Polpaket aufweist. Dadurch wird eine besonders gute Wärme- leitfähigkeit gewährleistet, sodass Wärme, die in den Aluminiumwicklungen erzeugt wird, besonders gut über die Zwischenschicht in das Polpaket abgeführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jedes der Seitenelemente jeweils mit einer einzigen Schraube am Polpaket befestigt. Hierdurch wird der sichere Halt der Seitenelemente an den Polpaketen verbessert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Zwischenschicht eine maximale Dicke von weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, auf. Durch die Verwendung einer dünnen Zwischenschicht von weniger als 3 mm oder sogar weniger als 2 mm ist eine hohe Kosteneinsparung gegenüber Faserverbundwerkstoffen als Zwischenschicht gewährleistet, wobei aufgrund der Verwendung von Aluminium als Zwischenschicht gleich- zeitig ein ausreichender Schutz der Wicklung gewährleistet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Kopfelemente jeweils eine Form auf, die einem Halbkreis oder einer Halbellipse entspricht. Mit den Enden des Halbkreises oder der Halbellipse ist dann jeweils eines der Seitenelemente verbunden. Die Biegung oder der Durchmesser des Halbkreises oder der Halbellipse sind ferner derart gewählt, um eine zu starke plastische Verformung von einer Aluminiumwicklung zu vermeiden bzw. dieser entgegenzuwirken.
Durch eine zu starke plastische Verformung der Wicklung würden in Biegestellung unvorteilhafte Leitungseigenschaften entstehen, die zu einem ungleichmäßigen Stromfluss in der Wicklung und damit zu Erhitzung an den Biegestellen führen könnten. Hierdurch könnte die Wicklung im Betrieb Temperaturen erreichen, die zu einer Zerstörung der Wicklung führen könnte. Daneben erlauben die halbrunden bzw. elliptischen Kopfstücke einen gleichförmigeren Wickelprozess, da beim Wickeln ein gleichmäßiger Zug durch eine Wickelmaschine ausgeübt wird, der beim Übergang vom Wickeln einer langen zu einer kurzen Seite oder umgekehrt zu vergleichsweise stärkerer Zugspannung führt und die Wicklungen daher an scharfen Ecken beschädigt werden könnten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verbindungsbereiche der Seitenelemente mit den Kopfelementen ausgebildet, um einen kantenfreien Übergang zwischen den Seiten- und Kopfelementen zu gewährleisten. Hierdurch wird die Wicklung weiter vor Beschädigungen geschützt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kantenform der Kanten der Seitenelemente, die nicht mit den Kopfelementen verbunden werden, im Kontaktbereich mit dem Polkopf an die Form des Polkopfs angepasst. Hierdurch wird ermöglicht, dass der Mag- netfluss in den Seitenelementen verbessert wird.
Ferner umfasst die Erfindung einen Windenergieanlagen-Generator, insbesondere einen Windenergieanlagen-Synchrongenerator, wobei der Windenergieanlagen-Generator einen Stator und einen Läufer aufweist. Der Läufer weist mindestens einen Läuferpol, vorzugsweise nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen, mit einem Polpaket auf. Das Polpaket weist einen Polschaft und mindestens eine um den Polschaft herum gewickelte Wicklung auf. Ferner weist der Windenergieanlagen-Generator eine Zwi- schenschicht zwischen dem Polpaket und der Wicklung auf, die aus oder mit Aluminium gefertigt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Läuferpols, insbesondere nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei ein Polpaket durch Aufeinanderstapeln von Blechen erzeugt und eine Wicklung um das Polpaket im Bereich eines Polschafts des Polpakets herum angeordnet wird. Vor dem Anordnen der Wicklung wird eine Zwischenschicht mit oder aus Aluminium auf das Polpaket im Bereich des Polschafts angeordnet.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage, Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Generators,
Fig. 3 zeigt ein Polpaket mit einer Zwischenschicht,
Fig. 4 eine Zwischenschicht,
Fig. 5 den oberen Teil einer Zwischenschicht am Polpaket,
Fig. 6 eine Schwalbenschwanznut des Polpakets in vergrößerter Ansicht, Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Endbereich der Zwischenschicht und
Fig. 8a und 8b eine Draufsicht auf die Kopfelemente der Zwischenschicht in verschiedenen Formen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 108 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln 108b der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden. Fig. 2 zeigt einen Generator 130 schematisch in einer Seitenansicht. Er weist einen Stator 132 und einen dazu drehbar gelagerten elektrodynamischen Läufer 134 auf und ist mit seinem Stator 132 über einen Achszapfen 136 an einem Maschinenträger 138 befestigt. Der Stator 132 weist einen Statorträger 140 und Statorblechpakete 142 auf, die Statorpole des Generators 130 bilden und über einen Statorring 144 an dem Statorträger 140 befestigt sind.
Der elektrodynamische Läufer 134 weist Läuferpole 146 auf, die über einen Rotorträger 148, der auch Joch oder Läuferjoch genannt werden kann, und Lager 150 auf dem Achszapfen 136 drehbar um die Drehachse 152 gelagert sind. Die Statorblechpakete 142 und Läuferpole 146 trennt nur ein schmaler Luftspalt 154, der wenige Millimeter dick ist, insbesondere weniger als 6 mm, aber einen Durchmesser von mehreren Metern aufweist, insbesondere mehr als 4 m.
Die Statorblechpakete 142 und die Läuferpole 146 bilden jeweils einen Ring und sind zusammen auch ringförmig, so dass der Generator 130 ein Ringgenerator ist. Bestim- mungsgemäß dreht sich der elektrodynamische Rotor oder Läufer 134 des Generators 130 zusammen mit der Rotornabe 156 des aerodynamischen Rotors 106, von dem Ansätze von Rotorblättern 158 angedeutet sind.
Fig. 3 zeigt ein Polpaket 10 eines Läuferpols 146, wobei das Polpaket 10 einen Polkopf 12 und einen Polschaft 14 aufweist. Der Polschaft 14 weist ein Polschaftfußende 15 auf. Das Polschaftfußende 15 dient zur Befestigung des Läuferjochs 148. Das Polpaket 10 ist aus der Sicht auf einer der Stirnseiten des Polpakets 10 dargestellt. Im Polschaft 14 sind zwei Schwalbenschwanznuten 16 vorgesehen. Im Bereich des Polschafts 14 ist eine Zwischenschicht 18 auf einer Seite des Polschafts 14 angeordnet. Die Zwischenschicht 18 ist aus Aluminium gefertigt und weist einen Steg 20 auf, wobei der Steg 20 eine Schwalbenschwanzfederform aufweist und in die Schwalbenschwanznut 16 eingreift. Hierdurch wird die Zwischenschicht 18 am Polschaft 14 des Polpakets 10 gehalten.
In Fig. 3 ist zur besseren Übersicht nur ein Teil der Zwischenschicht 18 dargestellt. Bei einem kompletten Läuferpol 146 gemäß einer Ausführungsform ist der Polschaft 14 vollständig von der Zwischenschicht 18 umschlossen. Fig. 4 zeigt die Zwischenschicht 18 aus Fig. 3 gegenüber dem Läuferpol 146 vereinzelt im Ausschnitt. Hier ist nun im Detail der Steg 20, der auch als Feder bezeichnet werden kann und eine Schwalbenschwanzfederform aufweist, erkennbar. Außerdem ist erkenn- bar, dass die Zwischenschicht 18 eine konkave Biegung aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, dass nach dem Verbinden des Steges bzw. der Feder 20 mit der Nut 16 die Zwischenschicht 18 größtmöglichen Flächenkontakt mit dem Polschaft 14 des Polpakets 10 hat. Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Polpakets 10 im Bereich des Übergangs zwischen dem Polschaft 14 und dem Polkopf 12 in vergrößerter Darstellung. In diesem Bereich ist die Zwischenschicht 18 an die Form des Polkopfes 12 im Bereich 22 angepasst. Hierdurch verbessert sich der magnetische Fluss in der Zwischenschicht 18.
Fig. 6 zeigt die Vergrößerung einer Verbindung der Zwischenschicht 18 mit dem Polpaket 10 durch die Schwalbenschwanznut-Schwalbenschwanzfeder-Verbindung. Der Abstand 24 zwischen der Zwischenschicht 18 und dem Polschaft 14 beträgt beispielsweise 0,1 mm. Hierdurch ist eine sehr gute Wärmeleitung gewährleistet. Die Tiefe 26 der Nut 16 bzw. die Höhe 26 der Feder 20 beträgt beispielsweise 2 mm. Die Breite 28 der Nut 16 beträgt an der schmälsten Stelle beispielsweise 2 cm. Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf drei Teile einer vierteiligen Zwischenschicht 18, wobei hier auch der Endbereich des Polschafts 14 zum Polkopf 12 exemplarisch ohne Polkopf 12 dargestellt ist. Demnach sind zwei Seitenelemente 30, 32 der Zwischenschicht 18 sowie ein Kopfelement 34 der Zwischenschicht 18 dargestellt. In Verbindungsbereichen 36, 38 jeweils zwischen Enden des Kopfelements 34 und eines der Seitenelementen 30, 32 weist die Zwischenschicht 18 einen kantenlosen Übergang auf.
Fig. 8a und 8b zeigen unterschiedlich geformte Kopfelemente 34 der Zwischenschicht 18. In Fig. 8a weist das Kopfelement 34 eine halbkreisförmige Form mit einem Radius 40 auf. In Fig. 8b weist das Kopfelement 34 eine eher halbelliptische Form auf. Beide Formen, wie in Fig. 8a und 8b dargestellt, des Kopfelements 34 dienen, um eine Aluminiumwick- lung später um den Polschaftbereich 14 sowie die Zwischenschicht 18 zu wickeln, sodass einer Verformung der Wicklung, die insbesondere aus Aluminiumflachband hergestellt wird, entgegengewirkt wird.

Claims

Ansprüche
1. Läuferpol für einen Generator (130) einer Windenergieanlage (100), umfassend ein Polpaket (10), wobei das Polpaket (10) einen Polschaft (14) sowie einen Polkopf (12) aufweist und das Polpaket (10) vorzugsweise geblecht ausgeführt ist, wenigstens eine Aluminiumwicklung, insbesondere aus Aluminiumflachband oder Aluminiumflachlackdraht, die um den Polschaft (14) herum angeordnet ist, und eine Zwischenschicht (18), welche zwischen dem Polpaket (10) und der Aluminiumwicklung angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (18) mit Aluminium oder aus Aluminium gefertigt ist.
2. Läuferpol nach Anspruch 1 , wobei die Zwischenschicht (18) aus Aluminiumblech oder Aluminiumstrangpressprofilen gefertigt ist.
3. Läuferpol nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenschicht (18) von dem Polpaket (10) und/oder von der Wicklung galvanisch, insbesondere durch eine Lackschicht oder ein Isolationspapier, vorzugsweise Aramidpapier, getrennt ist.
4. Läuferpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (18) eines Pols mindestens vier Teile, nämlich zwei Seitenelemente (30, 32) und zwei
Kopfelemente (34), umfasst, wobei die zwei Seitenelemente (30, 32) der Zwischenschicht (18) an den Seiten des Polpakets (10), die durch das Schichten der Bleche gebildet sind, und zwei Kopfelemente (34) der Zwischenschicht (18) an den Stirnseiten des Polpakets (10) angeordnet sind, und die vier Teile den Polschaft (14) des Polpakets (10) an seinen freien Seiten vorzugsweise vollständig umschließen.
5. Läuferpol nach Anspruch 4, wobei die Seitenelemente (30, 32) jeweils einen entlang des Seitenelements (30, 32) verlaufenden Steg (20) oder eine entlang des Seitenelements (30, 32) verlaufende Feder (20) aufweisen, die eingerichtet ist, in eine Nut (16), die entlang der durch das Schichten der Bleche gebildeten Seite Polschafts (14) verläuft, einzugreifen, wobei die Seitenelemente (30, 32) gegenüber den Seiten des Polpakets (10) in der Nut (16) auf einer Verbindungslinie zwischen den Stirnseiten des Polpakets (10) verschiebbar sind.
6. Läuferpol nach Anspruch 5, wobei der Steg oder die Feder (20) des Seitenelements (30, 32) eine Schwalbenschwanzfeder und die Nut (16) des Polpakets (10) eine Schwalbenschwanznut ist.
7. Läuferpol nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Stege (20) oder Nuten (16) auf den gegenüberliegenden Seiten des Polpakets (10), die durch das Schichten der Bleche gebildet sind, in unterschiedlichen Höhen (26) angeordnet sind.
8. Läuferpol nach Anspruch 7, wobei die Nuten (16) und Federn bzw. Stege (20) so angeordnet sind, dass die Nut (16) auf der einen Seite des Polpakets (10), die durch das Schichten der Bleche gebildet ist, im Wesentlichen einen Abstand (24) aufweist, der dem Abstand gleicht, den die Nut (16) auf der anderen gegenüberliegenden Seite des Polpakets (10), die ebenfalls durch das Schichten der Bleche gebildet ist, vom gegenüber dem Polkopf (12) liegenden Polschaftfußende (15) des Polpakets (10) aufweist.
9. Läuferpol nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Seitenelemente (30, 32) von der Seite mit dem Steg (20) aus gesehen eine konkave Biegung aufweisen.
10. Läuferpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenelemente (30, 32) jeweils mit einer einzigen Schraube am Polpaket (10) befestigt sind.
1 1. Läuferpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (18) eine maximale Dicke von weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, aufweist.
12. Läuferpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopfelemente (34) der Zwischenschicht (18) jeweils eine Form aufweisen, die einem Halbkreis oder einer Halbellipse entsprechen, und mit dessen bzw. deren Enden jeweils eines der Seitenelemente (30, 32) der Zwischenschicht (18) verbunden ist, wobei der Halbkreis oder die Halbellipse eine Biegung oder einen Radius (40) aufweist, der gewählt ist, einer starken plastischen Verformung der Aluminiumwindungen und/oder Beschädigung der Isolation entgegenzuwirken.
13. Läuferpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsbereiche (36, 38) der Seitenelemente (30, 32) mit den Kopfelementen (34) ausgebildet sind, einen kantenfreien Übergang zwischen den Seitenelementen (30, 32) und Kopfelementen (34) zu bilden.
14. Läuferpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kantenform der Zwischenschicht (18) im Kontaktbereich mit dem Polkopf (12) an die Form des Polkopfes (12) angepasst ist.
15. Windenergieanlagen-Generator, insbesondere Synchrongenerator einer Windenergieanlage (100), wobei der Generator (130) einen Stator (132) und einen Läufer aufweist und der Läufer mindestens einen Läuferpol, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweist, wobei der Läuferpol ein Polpaket (10) mit einem Polschaft (14) und einem Polkopf (12) aufweist und das Polpaket (10) vorzugsweise geblecht ausgeführt ist, und der Läuferpol wenigstens eine Aluminiumwicklung, insbesondere aus Aluminiumflachdraht oder Aluminiumflachlack draht, die um den Polschaft (14) herum angeordnet ist, aufweist, und eine Zwischenschicht (18) zwischen dem Polpaket (10) und der Wicklung angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (18) mit Aluminium oder aus Aluminium gefertigt ist.
16. Verfahren zum Herstellen eines Läuferpols nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei ein Polpaket (10) durch Aufeinanderstapeln von Blechen oder Gießen des Polpakets als ein Materialblock erzeugt und eine Wicklung um das Polpaket (10) herum angeordnet wird, wobei vor dem Anordnen der Wicklung eine Zwischenschicht (18) mit Aluminium auf einem Polschaft (14) des Polpakets (10) angeordnet wird.
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