KR20180136519A - 코일 및 권선 구조, 및 풍력 발전 시스템의 발전기에 대한 스테이터, 및 스테이터를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

코일 및 권선 구조, 및 풍력 발전 시스템의 발전기에 대한 스테이터, 및 스테이터를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기어리스 풍력 발전 시스템(100)의 발전기(130)의 스테이터(132)에 대한 예비 형성된 코일에 관한 것이다. 예비 형성된 코일(10)은 전기 도체(26)를 포함하며, 상기 전기 도체(26)는 복수의 권선 및 제 1 단부(19) 및 제 2 단부(23)를 갖는다. 제 1 단부(19)는 연결 요소(30)에 연결하기 위한 제 1 연결 부분(18)을 가지며, 제 2 단부(23)는 다른 연결 요소(30)에 연결하기 위한 제 2 연결 부분(22)을 갖고, 전기 도체(26)는 알루미늄을 포함하거나 또는 실질적으로 알루미늄으로 이루어진다. 본 발명은 또한 다른 예비 형성된 코일(10)의 연결 부분(18, 22)에 예비 형성된 코일(10)의 연결 부분(18, 22)을 연결하기 위한 연결 요소(30)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 스테이터(132) 및 스테이터(132)에 대한 권선 구조 및 스테이터(132)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

코일 및 권선 구조, 및 풍력 발전 시스템의 발전기에 대한 스테이터, 및 스테이터를 제조하기 위한 방법
본 발명은 기어리스 풍력 발전 시스템의 발전기의 스테이터의 예비 형성된 코일에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 풍력 발전 시스템의 발전기의 스테이터의 권선 구조 및 스테이터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 스테이터를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
각각 복수의 권선을 갖는 복수의 스트랜드를 포함하는 기어리스 풍력 발전 시스템의 발전기의 스테이터는 알려져 있다. 이들 권선은 예를 들어 구리로 이루어진 절연된 와이어로 생성된다. 이를 위해, 스트랜드의 와이어는 스테이터의 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 래핑(wrapping)되므로, 스트랜드는 와이어의 연속적인 피스(piece)로 제조된다. 스테이터 베이스 본체는 스테이터 링으로도 언급된다. 스테이터의 이러한 래핑은 매우 비용이 들고, - 특히 굽힘 지점에서 - 래핑 중에 이미 와이어의 절연체 그리고 와이어의 무결성을 모니터링하기 위해 손으로 수행되어야 한다.
또한, 복수의 권선으로 예비 형성되는 도전성 재료에 대응하고 홈 내로 삽입되기 전에 사전 제작되는 예비 형성된 코일이 공지되어 있다. 공지된 예비 형성된 코일은 스테이터 베이스 본체를 통해 멀리 돌출하는 연결부를 포함하며, 개별 예비 형성된 코일이 납땜 또는 용접에 의해 이 연결부와 서로 연결되어, 전체 권선 구조의 원하는 전기적 연결이 이루어진다. 이러한 멀리 돌출하는 연결부가 필요한데, 왜냐하면 스테이터의 손상, 즉 홈의 영역에서 예비 형성된 코일이 너무 뜨거워지는 것[특히 스테이터 베이스 본체에 대한 절연체의 손상을 초래할 수도 있음]을 방지하기 위해서는, 납땜 또는 용접 중에 높은 열 발달로 인해 연결부가 홈으로부터 멀리 이격되어야 하기 때문이다. 따라서, 이러한 공지된 스테이터는 래핑된 스테이터와 비교하여 특히 큰 축 방향 깊이를 가지며, 이는 후속 작동에서 더 이상의 이점을 가져오지 않고 취급을 어렵게 만든다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 전술한 문제점 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 연속 스트랜드로 스테이터를 래핑하기 위한 방법보다 비용이 덜 들지만, 동시에 종래 기술에 공지된 바와 같이 스테이터의 지나치게 큰 축 방향 깊이를 필요로 하지 않는 해결책이 제안되어야 한다. 적어도 이전에 알려진 해결책에 대한 대안적인 해결책이 제안되어야 한다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술, 즉 US 2013/0200743 A1. US 2014/0265673 A1, DE 600 07 474 T2, WO 2014/087389 A1, US 2014/0070638 A1, EP 2 621 062 A1 및 US 2012/0263602 A1을 조사하였다.
본 발명에 따르면, 기어리스 풍력 발전 시스템의 발전기의 스테이터를 위한 예비 형성된 코일이 제안된다. 상기 예비 형성된 코일은 전기 도체를 포함한다. 상기 전기 도체는 복수의 권선으로 래핑되고, 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함한다. 상기 제 1 단부는 제 1 연결 부분을 포함하고, 상기 제 2 단부는 제 2 연결 부분을 포함한다. 상기 제 1 연결 부분 및 상기 제 2 연결 부분은 각각 다른 연결 요소에 연결되도록 구성된다. 또한, 전기 도체는 알루미늄을 포함하거나 또는 본질적으로 알루미늄으로 이루어진다.
이러한 맥락에서, 예비 형성된 코일은 사전 제작된 코일, 즉 미리 한정된 형상을 포함하는 미리 래핑된 코일로 이해되어야 한다.
본 발명에 의해, 연속되는 스트랜드로 스테이터를 비용 소모적으로 래핑하는 것은 필요하지 않고, 예비 형성된 코일이 사전 제작될 수 있다. 이 경우, 예비 형성된 코일에도 불구하고 축 방향으로의 과도한 깊이가 회피될 수 있는데, 왜냐하면 예비 형성된 코일은 본 발명에 따르면 알루미늄으로 형성되고, 이에 따라 알루미늄을 납땜 또는 용접할 때 요구되는 열이 더 적기 때문에 공지된 구리 권선에 비해 손상의 위험이 감소되므로, 예비 형성된 코일의 연결 부분과 연결 요소의 납땜 또는 용접은 스테이터 베이스 본체에 대해 본질적으로 작은 거리로 이격되어 이루어질 수 있기 때문이다.
따라서, 축 방향 깊이가 본질적으로 작고 단순히 예비 형성된 코일을 삽입함으로써 제조될 수 있는 스테이터가 구현될 수 있다.
바람직하게는, 발전기는 링 발전기로서 설계된다. 따라서, 로터 및 스테이터의 자기적 활성 영역, 즉 특히 스테이터 및 로터의 적층 철심은 로터와 스테이터를 분리시키는 에어갭(airgap) 주위의 환상 영역에 배치된다. 이 경우, 발전기는 평균 에어갭 반경의 적어도 50 %의 반경을 갖는 내부 영역에서 자기적으로 활성인 영역이 없다.
링 발전기는 또한 자기적 활성 부분, 다르게 표현하면 자기적 활성 영역의 반경 방향 강도, 즉 마그네트 휠의 내부 에지로부터 스테이터의 외측 에지까지 또는 스테이터의 내부 에지로부터 로터의 외측 에지까지의 반경 방향 두께의 반경 방향 강도가 외측 로터의 경우 에어갭 반경보다 작고, 이 경우 특히 발전기의 자기적 활성 영역의 반경 방향 강도는 에어갭 반경의 30 % 미만, 특히 25 % 미만이 됨으로써, 한정될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 링 발전기는 발전기의 깊이, 즉 축 방향 범위가 에어갭 반경보다 작고, 이 경우 깊이는 에어갭 반경의 30 % 미만, 특히 25 % 미만이 됨으로써, 한정될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 링 발전기는 다극성으로 설계되며, 즉 적어도 48 개, 96 개, 특히 적어도 192 개의 로터 자극을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 연결 부분은 각각 상기 전기 도체의 본질적으로 직선 섹션에 대응한다. 상기 연결 부분 중 적어도 하나는 코일 길이 방향 축 또는 상기 코일 길이 방향 축에 대한 평행선에 대해 각을 이룬다. 추가적으로 또는 대안적으로 상기 다른 연결 부분은 예비 형성된 코일의 길이 방향 축에 대해 평행하게 정렬되고, 이에 따라 각을 이루지 않는다.
따라서, 2 개의 연결부는 코일 길이 방향 축에 대해 또는 코일 길이 방향 축에 대한 평행선에 대해 서로 다른 각도로 배치된다. 바람직한 실시예에 따르면, 이러한 각도는 45 도 내지 90 도의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 60 도 내지 80 도의 범위에 있다.
일 실시예에 따르면, 예비 형성된 코일은 본질적으로 평행하게 길이 방향으로 연장되는 2 개의 레그를 포함하며, 각 레그는 적어도 80 cm, 적어도 100 cm 또는 적어도 120 cm의 길이를 갖는다. 이러한 레그는 예비 형성된 코일의 부분을 형성하며, 예비 형성된 코일의 이러한 부분은 나중에 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 완전히 삽입될 수 있다. 예비 형성된 코일의 제 1 측면 상에서 레그는 서로 연결되고, 이 경우 제 2 측면 상에 연결 부분이 배치된다. 스테이터의 각 홈에는 나중에 서로 다른 예비 형성된 코일의 2 개의 레그가 제공되어, 예비 형성된 코일의 연결 부분은 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 배치된 후에 서로 매우 근접하게 위치된다. 그러나, 연결 부분 중 적어도 하나를 다른 연결 부분에 대해 각을 이루게 함으로써, 연결 부분과 연결 요소의 전기적 연결이 가능한데, 왜냐하면 이들은 쉽게 접근 가능하기 때문이다. 이와 동시에 2 개의 접촉하는 연결부의 단락의 위험이 상쇄된다.
다른 실시예에 따르면, 도체는 복수의 층, 특히 2 개의 층을 포함한다. 층들은 연결 부분을 연결 요소와 연결함으로써 동시에 서로 연결되도록 구성된다. 이 경우, 특히 바람직한 실시예에 따르면, 상기 층들은 각각 알루미늄 플랫 바아, 알루미늄 스트립 또는 알루미늄 플랫 와이어로 형성된다.
특히 바람직하게는, 알루미늄 플랫 바아, 알루미늄 스트립 또는 알루미늄 플랫 와이어는 0.5 내지 1.0 cm의 높이 및 1.0 내지 3.0 cm의 폭을 갖는다.
따라서, 예비 형성된 코일을 제조하기 위해, 알루미늄 플랫 바아, 알루미늄 스트립 또는 알루미늄 플랫 와이어로 형성된 층들은 보다 넓은 측면으로 적층되어 스택되는 것이 바람직하다. 스택된 후, 스택된 층은 예비 형성된 코일의 원하는 형상으로 구부러지므로, 복수의 층으로부터 각각 복수의 권선, 예를 들어 2 회, 3 회, 4 회 또는 5 회의 권선이 생성된다.
이 경우 연결 부분을 연결함으로써 동시에 또한 서로 연결되는 복수의 층을 형성함으로써, 예비 형성된 코일을 간단하게 구부리는 것이 가능한데, 즉 전기 도체를 원하는 형상으로 유도할 수 있다. 따라서, 원하는 전기적 특성을 갖기 위한 전기 도체의 바람직한 큰 단면은, 구부림 가능성이 나쁜 일체형 전기 도체를 제공할 필요 없이, 층 형성을 통해 달성될 수 있다.
요약하면, 단일의 층을 갖는 전기 도체는 2 개의 층을 갖는 도체와 동일한 전기적 특성을 달성하기 위해서는 2 개의 층을 갖는 도체의 두께의 대략 두 배가 되어야 한다. 따라서, 비교적 편평한 플랫 와이어의 사용은 복수의 권선을 갖는 전기 도체로서 복수의 층으로 예비 형성된 코일의 형상을 제조하기에 유리한데, 왜냐하면 이는 비교적 구부리기가 더 쉽기 때문이다. 따라서 복수의 권선을 갖는 예비 형성된 코일은 특히 용이하게 제작될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 예비 형성된 코일은 기하학적 중심에 대한 적어도 외측 권선의 영역에서의 상기 외측 권선, 바람직하게는, 즉 외측에 위치하는 권선의 외측면의 외측 거리가 40 cm 초과, 50 cm 초과 또는 60 cm 초과인 형상을 포함한다. 따라서, 기하학적 중심은 먼저 코일에 의해 결정되고, 이 기하학적 중심으로부터 외측 권선, 즉 특히 그 외측에 위치하는 측면까지의 거리가 결정된다. 외측 권선의 영역에서 이는 40 cm 초과, 50 cm 초과 또는 60 cm 초과인 외측 거리로도 언급될 수 있는 기하학적 중심까지의 거리를 포함한다.
이 실시예에 따르면, 상기 전기 도체의 단부 중 적어도 하나는 20 cm 미만, 또는 특히 바람직하게는 10 cm 미만 또는 5 cm 미만인 외측 권선의 상기 언급된 영역에서의 적어도 하나의 지점까지의 거리를 갖는다. 따라서, 예비 형성된 코일은 연결 요소에 연결하기 위한 권선의 영역을 통해 매우 적은 양만큼만 돌출하는 단부를 포함하므로, 매우 편평한 스테이터, 따라서 적은 깊이를 갖는 스테이터가 구현될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 상기 예비 형성된 코일은 적어도 3 개의 상이한 형상 중 하나를 포함한다. 이 경우 3 개의 상이한 형상은, 제 1 형상에 따른 기하학적 중심에 대한 상기 제 1 형상에 따른 예비 형성된 코일의 상기 전기 도체의 상기 단부 중 적어도 하나의 거리가 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 상기 제 2 형상에 따른 상기 예비 형성된 코일의 상기 단부 중 적어도 하나의 거리와 상이하도록 선택된다.
따라서, 예를 들어, 제 1 형상에 따른 기하학적 중심에 대한 상기 제 1 형상에 따른 예비 형성된 코일의 제 1 단부의 거리는 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 상기 제 2 형상에 따른 상기 예비 형성된 코일의 제 1 단부의 거리와 상이하다.
추가적으로 또는 대안적으로, 제 1 형상에 따른 기하학적 중심에 대한 상기 제 1 형상에 따른 예비 형성된 코일의 전기 도체의 제 2 단부의 거리는 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 상기 제 2 형상에 따른 상기 예비 형성된 코일의 제 2 단부의 거리와 상이하다.
일 실시예에 따르면, 제 3 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 상기 제 3 형상에 따른 상기 예비 형성된 코일의 단부 중 적어도 하나의 거리는 제 1 형상 및 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일의 단부의 대응하는 거리와 상이하다. 따라서, 제 3 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 상기 제 3 형상에 따른 예비 형성된 코일의 제 1 단부의 거리는 제 1 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 제 1 형상에 따른 예비 형성된 코일의 제 1 단부의 거리 및 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일의 기하학적 중심에 대한 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일의 전기 도체의 제 1 단부의 거리와 상이하다. 이는 유사하게 제 2 단부에 대해서도 적용된다.
이를 통해, 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 예비 형성된 코일이 나중에 삽입될 때 예비 형성된 코일을 간단한 방식으로 연결하는 것이 가능한데, 왜냐하면 인접하는 제 1 단부 및 이에 따라 제 1 연결 부분 그리고 또한 제 2 단부 및 이에 따라 또한 제 2 연결 부분도 서로 다른 높이를 가지며 따라서 연결 부분에 의해 전기적 연결을 형성하기 위해 간단한 방식으로 접근 가능하기 때문이다.
추가의 실시예에 따르면, 상기 도체 또는 상기 예비 형성된 코일의 도체의 각 층은 절연되며, 이 경우 절연체는 바람직하게는 페인트 및/또는 분말 코팅에 의해 형성된다. 그러나, 연결 부분의 영역에서는 절연체가 도포되지 않거나 또는 제거되는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 예비 형성된 코일의 절연은 절연 층, 예를 들어 절연용 니스를 비-형성된 상태에서 도체 상에 단순히 도포함으로써 예비 형성된 코일을 제조하기 전에 이미 수행될 수 있으므로, 안전한 절연이 간단하게 형성될 수 있다.
예비 형성된 코일을 삽입하기 전에 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 홈 절연이 제공되는 경우에도, 예비 형성된 코일의 전기 도체의 절연은 바람직하게는 적층되어 구현되어 마찬가지로 도전성인 스테이터 베이스 본체에 대한 추가적인 절연으로서 작용을 한다. 따라서, 절연 권선으로도 언급되고 일반적으로 예비 형성된 코일이 홈 내로 삽입되기 전에 수행되는, 절연을 위해 예비 형성된 코일을 완전히 래핑하는 것이 생략될 수 있다. 이를 통해, 절연 권선이 작동 중 열 발산을 방해하기 때문에, 예비 형성된 코일의 열 발산이 향상된다.
또한, 본 발명은 이전에 설명된 실시예 중 하나에 따른 예비 형성된 코일의 연결 부분을 이전에 설명된 실시예 중 하나에 따른 다른 예비 형성된 코일의 연결 부분에 연결하기 위한 연결 요소에 관한 것이다. 연결 요소는 U 자형 알루미늄 시트에 해당한다. 바람직하게는, 연결 요소는 스탬핑을 통해 또는 레이저 절단을 통해 적어도 5 mm의 두께를 갖는 알루미늄 시트로 제조된다. 또한 연결 요소는 예비 형성된 코일 중 하나의 연결 부분을 도입하도록 바람직하게는 직사각형인 개구를 U 형상의 단부에 각각 포함한다.
연결 요소 덕분에, 예비 형성된 코일의 연결 부분은 간단한 방식으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 전기 도체 또는 전기 도체의 복수의 층에 본질적으로 대응하는 연결 부품은 연결 요소의 개구를 통해 도입되고, 연결 요소의 개구 주위의 영역에 용접되거나 또는 납땜되며, 이 경우 WIG 용접 방법이 특히 유리하게 적합하다.
연결 요소의 U 형상으로 인해, 복수의 연결 요소가 특히 공간 절약적인 방식으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 풍력 발전 시스템의 발전기의 스테이터를 위한 권선 구조를 포함한다. 권선 구조는 2 개의 예비 형성된 코일의 2 개의 연결 부분을 각각 전기적으로 연결하기 위해, 위에서 설명된 실시예 중 하나에 따른 복수의 예비 형성된 코일 및 위에서 설명된 실시예에 따른 복수의 연결 요소를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 예비 형성된 코일은 연결 요소를 통해 직렬로 연결되는데, 즉 서로 연결되어, 이로써 권선 구조의 스트랜드를 형성한다. 여기서, 예비 형성된 코일은 서로 연결되어, 권선 구조는 스테이터의 회전 시 차례로 반복되어 나란히 배치되는 6 개의 스트랜드를 포함하며, 이 경우 특히 제 1 스트랜드 및 제 2 스트랜드는 제 1 위상에 할당되고, 제 3 스트랜드 및 제 4 스트랜드는 제 2 위상에 할당되고, 제 5 스트랜드 및 제 6 스트랜드는 제 3 위상에 할당된다. 따라서, 6 개의 스트랜드가 제공되며, 이들 6 개의 스트랜드 각각은 연결 요소에 의해 직렬 연결된 예비 형성된 코일에 대응한다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 권선 구조는 복수의, 특히 2 개, 4 개, 6 개 또는 8 개의 병렬 연결되는 섹션 또는 세그먼트로 분할된다. 각 세그먼트는 바람직하게는 6 개의 상을 포함하며, 이 경우 권선 구조 내의 세그먼트의 동일한 위상은 병렬로 연결되거나 또는 접속된다. 이를 통해 세그먼트 개수에 따라 스트랜드에서 유도된 최대 전압의 감소가 이루어진다.
다른 실시예에 따르면, 연결 요소 및 예비 형성된 코일은 본질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는다. 이를 통해, 권선 구조의 작동 중에 발생되는 열에도 불구하고 연결은 납땜 또는 용접 시 그리고 냉각 후 인장으로 인해 다시 파열되지 않도록 보장된다.
다른 실시예에 따르면, 12 개의 나란히 위치되는 제 1 연결 부분의 그룹이 6 개의 연결 요소와 연결되어, 2 개의 연결된 제 1 연결 부분 사이에 5 개의 제 1 연결 부분이 위치한다. 회전 방향으로 3 개의 나란히 위치하는 중첩된 연결 요소가 상기 권선 구조의 중심에 대해 상이한 거리 또는 높이로 배치된다. 또한, 회전 방향으로 나란히 배치되는 제 1 연결 요소, 제 2 연결 요소 및 제 3 연결 요소가 회전 방향으로 나란히 배치되는 제 4 연결 요소, 제 5 연결 요소 및 제 6 연결 요소에 대해 180 도만큼 회전되어 배치된다.
또 다른 실시예에 따르면, 제 2 연결 부분은 또한 유사하게 서로 연결된다.
또한, 본 발명은 풍력 발전 시스템의 발전기의 스테이터를 포함한다. 스테이터는 스테이터 링으로도 언급되는 스테이터 베이스 본체를 포함하고, 바람직하게는 적층된 철로 제조된다. 스테이터 베이스 본체는 각각 서로 본질적으로 동일한 거리를 갖는 인접하는 홈을 포함한다. 또한, 스테이터는 홈 내로 삽입되는 위에서 설명된 실시예 중 하나에 따른 복수의 예비 형성된 코일을 포함한다. 또한, 스테이터는 위에서 설명된 실시예 중 하나에 따른 복수의 연결 요소를 포함하며, 상기 연결 요소에는 각각 2 개의 예비 형성된 코일의 2 개의 연결 부분이 용접 또는 납땜에 의해 연결된다. 스테이터는 바람직하게는 위에서 언급된 실시예의 권선 구조에 따라 구성된다.
또한, 본 발명은 스테이터, 특히 위에서 설명된 실시예에 따른 스테이터를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 상기 방법에 따르면, 특히 위에서 설명된 실시예 중 하나에 따른 예비 형성된 코일이 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 삽입되고, 예비 형성된 코일의 연결 부분이 각각 연결 요소의 개구 내로 도입된다. 여기서, 예비 형성된 코일 및 연결 요소는 알루미늄으로 형성되거나 또는 본질적으로 알루미늄으로 이루어진다.
바람직하게는, 연결 부분은 연결을 위한 개구의 영역에서 가열되어, 알루미늄은 액화되고, 냉각 후에 연결 부분과 연결 요소의 연결이 형성된다.
일 실시예에 따르면, 인접하는 예비 형성된 코일은 스테이터 베이스 본체의 홈 내로 차례로 삽입되고, 이 경우 미리 결정된 개수의 처음에 삽입될 예비 형성된 코일은 상기 홈 내로 부분적으로만 삽입되거나 또는 상기 홈의 전방의 영역에만 위치되고, 상기 미리 결정된 개수의 예비 형성된 코일은 미리 결정된 개수의 최후에 삽입될 예비 형성된 코일과 함께 오직 완전하게만 상기 대응하는 홈 내로 삽입된다.
이미 위에서 설명한 바와 같이, 2 개의 상이한 예비 형성된 코일의 레그가 홈 내로 삽입된다. 이를 통해, - 스테이터의 회전 방향으로 볼 때 - 하나의 동일한 예비 형성된 코일의 2 개의 레그 사이에 복수의 다른 예비 형성된 코일의 레그가 삽입된다. 따라서, 예비 형성된 코일은 스테이터 내로 삽입된 상태에서 중첩된다.
이러한 중첩을 통해, 통상적으로 스테이터 홈 내로 처음 삽입된 예비 형성된 코일은 최후에 도입될 예비 형성된 코일의 도입을 위해 다시 부분적으로 홈 외부로 구부러진다. 본 발명에 따른 제조 방법을 통해, 이러한 외부로의 굽힘은 이제 더 이상 필요하지 않게 되므로, 예비 형성된 코일의 절연체에 대한 손상이 발생하지 않거나 또는 예비 형성된 코일의 굽힘이 발생하지 않는다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 완성된 스테이터는 수지 배스(resin bath) 또는 액상 수지 내로 완전히 잠기고, 다시 수지로부터 제거되어, 스테이터에 부착된 수지를 경화시킨다. 이를 통해, 아직 절연되지 않은 모든 전도성 부품의 절연이 생성된다. 또한, 이에 따라 전체 구조가 안정성 측면에서 향상된다.
본 발명의 다른 실시예는 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명되는 실시예로부터 명백해질 것이다.
도 1은 풍력 발전 시스템을 도시한다.
도 2는 발전기의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 3은 예비 형성된 코일의 도면을 도시한다.
도 4는 스테이터에 대한 중심으로부터의 도면을 도시한다.
도 5는 연결 요소를 도시한다.
도 6은 스테이터의 구조의 예시적인 단면을 도시한다.
도 7은 스테이터 구조의 다른 예시적인 단면을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 개략도를 도시한다. 풍력 발전 시스템(100)은 타워(102) 및 타워(102) 상의 나셀(104)을 포함한다. 나셀(104) 상에는 3 개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 갖는 공기 역학적 로터(106)가 제공된다. 공기 역학적 로터(106)는 풍력 발전 시스템의 작동 시 바람에 의해 회전 운동되고, 따라서 공기 역학적 로터(106)와 직접적으로 또는 간접적으로 결합되는 발전기의 로터 또는 회전자를 또한 회전시킨다. 전기 발전기는 나셀(104)에 배치되어 전기 에너지를 발생시킨다. 로터 블레이드(108)의 피치 각은 각각의 로터 블레이드(108)의 로터 블레이드 루트 상의 피치 모터에 의해 변경될 수 있다.
도 2는 발전기(130)를 개략적으로 측면도로 도시한다. 이는 스테이터(132) 및 이에 대해 회전 가능하게 장착된 전기 역학적 로터(134)를 포함하며, 스테이터(132)가 저널(136)을 통해 기계 캐리어(138) 상에 고정된다. 스테이터(132)는 스테이터 캐리어(140)와, 발전기(130)의 스테이터 자극을 형성하고 스테이터 링(144)을 통해 스테이터 캐리어(140) 상에 고정되는 스테이터 적층 철심(142)을 포함한다.
전기 역학적 로터(134)는 로터 자극을 형성하고 로터 캐리어(148) 및 베어링(150)을 통해 저널(136) 상에서 회전축(152) 주위로 회전 가능하게 장착되는 로터 자극 슈(146)를 포함한다. 스테이터 적층 철심(142) 및 로터 자극 슈(146)는 수 밀리미터 두께, 특히 6 mm 미만의 좁은 에어갭(154)만큼만 떨어져 있지만, 수 미터의 직경, 특히 4 m 초과의 직경을 갖는다.
스테이터 적층 철심(142) 및 로터 자극 슈(146)는 각각 링을 형성하고 또한 모두 환상 형상이므로, 발전기(130)는 링 발전기이다. 정상적으로, 발전기(130)의 전기 역학적 로터(134)는 로터 블레이드의 러그(158)가 표시되어 있는 공기 역학적 로터의 로터 허브(156)와 함께 회전한다.
도 3은 예비 형성된 코일(10)의 예시적인 실시예의 도면을 도시한다. 예비 형성된 코일(10)은 2 개의 레그(12a, 12b)를 포함한다. 레그(12a, 12b)는 본질적으로 서로 평행하게 연장되고, 80 cm 초과의 길이를 갖는다. 2 개의 레그(12a, 12b)는 제 1 측면(14) 및 제 2 측면(16)에서 서로 연결된다. 레그(12a, 12b) 그리고 제 1 측면(14) 및 제 2 측면(16)은 기하학적 중심(17)을 갖는 형상을 형성한다.
예비 형성된 코일(10)의 제 2 측면(16)은 제 1 단부(19)에서 제 1 연결 부분(18)을 포함하고, 제 2 단부(23)에서 제 2 연결 부분(22)을 포함한다. 코일 길이 방향 축(24)에 대해 또는 코일 길이 방향 축(24)에 대한 평행선에 대해, 제 2 연결 부분(22)은 각을 이루고 제 1 연결 부분(18)는 각을 이루지 않는다.
예비 형성된 코일(10)은 알루미늄으로 제조된 연결 부분(18, 22) 및 도체(26)를 포함한다. 도체(26)는 4 개의 권선으로 형성되는 플랫 와이어의 2 개의 층으로 이루어진다. 2 개의 연결 부분(18, 22)은 나중에 알루미늄 플랫 와이어로도 언급되는 플랫 와이어의 2 개의 층을 연결하기 위해 사용된다.
따라서, 예비 형성된 코일(10)은 이들 2 개의 층 및 4 개의 권선으로 형성되어, 레그(12a, 12b)의 영역 및 제 1 측면(14)의 영역에서 구리 플랫 와이어의 8 개의 층이 적층되어 배치되거나 또는 스택된다.
또한, 기하학적 중심(17)에 대한 적어도 외측 권선의 영역(21)에서의 외측 거리(20)가 50 cm를 초과하도록 형상이 선택된다. 또한, 이 영역(21)에서의 지점(25)으로부터 단부(19)까지의 거리(27)는 10 cm 미만이다.
관통되는 연결 부분(18, 22)으로 인해, 제 2 측면(16)의 영역에서 또한 6 개의 층이 적층되어 배치된다. 알루미늄 플랫 와이어는 페인팅을 통해 절연되어 있다. 그러나, 도체(26)의 연결 부분(18, 22)의 영역에서는, 연결 부분(18, 22)이 나중에 용접 또는 납땜에 의해 서로 연결될 수 있도록 절연체가 제거되고, 연결 영역에 절연체의 잔여물이 남지 않는다.
도 4는 이미 스테이터 베이스 본체(29)의 홈(28)에 각각 삽입된 예비 형성된 코일(10) 상의 스테이터(132)의 중심으로부터의 측면도를 도시한다. 또한, 이 도면에서 알 수 있는 제 1 연결 부분(18)은 다른 평면에 배치되어 있다는 것을 알 수 있다.
예비 형성된 코일(10)의 연결은 연결 요소(30)에 의해 형성된다. 이러한 연결 요소(30)가 도 5에 도시되어 있다. 연결 요소(30)는 또한 연결 스트랩으로 언급될 수도 있다. 연결 요소(30)는 그 단부(34a, 34b)에 개구(36)를 포함하는 플랫 바아(32)를 각각 포함한다. 플랫 바아(32)는 U 자 형상을 나타내므로, 6개마다 하나씩의 제 1 연결 부분(18)과 6개마다 하나씩의 제 2 연결 부분(22)은 이러한 연결 요소(30)를 통해 서로 연결될 수 있고, 연결 요소(30)는 서로 연결되어서는 안 되는 다른 연결 부분(18, 22)과 접촉하지 않는다. 따라서, 연결 요소(30)는 절연되지 않는다.
제 2 연결 부분(22)에 연결되는 연결 요소(30)는 제 1 연결 부분(18)에 연결되는 연결 요소(30)의 개구(36)보다 서로 더 멀리 이격되는 개구(36)를 포함한다. 이는 스테이터(132)의 중심으로부터 제 2 연결 부분(20)이 제 1 연결 부분(18)보다 더 큰 반경으로 위치하기 때문이다.
도 6은 홈(28) 내로 예비 형성된 코일(10)이 삽입되어 있는 스테이터(132)의 구조의 예시적인 단면을 도시한다. 예비 형성된 코일(10)은 초기에는 연결 요소(30)에 의해 서로 분리 가능하게 연결된다. 이를 위해, 예비 형성된 코일(10)의 제 1 연결 부분(18)은 연결 요소(30)의 개구(36)를 통과한다.
또한, 인접하는 예비 형성된 코일(10)은 돌출하는 길이가 서로 다른 제 1 연결 부분(18)을 포함한다는 것을 알 수 있다. 이를 통해 연결 부분(18)의 높이의 톱니 형상의 프로파일이 형성된다.
도 7은 도 6과 본질적으로 동일한 도면을 도시한다. 그러나, 여기서 연결 요소(30)는 용접에 의해 연결 부분(18)에 연결된다. 용접 지점(38)은 또한 명확하게 식별될 수 있다.

Claims (16)

  1. 기어리스 풍력 발전 시스템(100)의 발전기(130)의 스테이터(132)를 위한 예비 형성된 코일에 있어서,
    전기 도체(26)
    를 포함하고,
    상기 전기 도체(26)는 복수의 권선 그리고 제 1 단부(19) 및 제 2 단부(23)를 포함하며, 상기 제 1 단부(19)에는 연결 요소(30)에 연결하기 위한 제 1 연결 부분(18)이 배치되고, 상기 제 2 단부(23)에는 다른 연결 요소(30)에 연결하기 위한 제 2 연결 부분(22)이 배치되며, 상기 전기 도체(26)는 알루미늄을 포함하거나 또는 본질적으로 알루미늄으로 이루어지는 것인, 예비 형성된 코일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(130)는 바람직하게는 적어도 4 m 또는 4.3 m의 에어갭(airgap) 직경을 갖는 링 발전기인 것인, 예비 형성된 코일.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연결 부분(18, 22)은 각각 상기 전기 도체(26)의 본질적으로 직선 섹션에 대응하고, 상기 예비 형성된 코일(10)의 상기 연결 부분(18, 22) 중 적어도 하나는 코일 길이 방향 축(24) 또는 상기 코일 길이 방향 축(24)에 대한 평행선에 대해 각을 이루고 그리고/또는 다른 연결 부분(18, 22)은 코일 길이 방향 축(24)에 대해 평행하게 정렬되는 것인, 예비 형성된 코일.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 형성된 코일(10)은 기하학적 중심(17)에 대한 적어도 외측 권선의 영역(21)에서의 상기 외측 권선의 외측 거리(20)가 40 cm 초과, 50 cm 초과 또는 60 cm 초과이고, 상기 전기 도체(26)의 단부(19, 23) 중 적어도 하나는 상기 영역(21)에서 적어도 하나의 지점(25)으로부터 20 cm 미만, 바람직하게는 10 cm 미만 또는 5 cm 미만만큼 이격되어 위치되는 적어도 하나의 형상을 포함하는 것인, 예비 형성된 코일.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 도체(26)는 복수의 층, 특히 2 개의 층을 포함하며, 상기 층들은 상기 연결 부분(18, 22)을 연결 요소(30)에 연결함으로써 서로 연결되도록 구성되고, 상기 층들은 바람직하게는 각각 알루미늄 플랫 바아, 알루미늄 스트립 또는 알루미늄 플랫 와이어로 형성되는 것인, 예비 형성된 코일.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 형성된 코일(10)은 적어도 3 개의 상이한 형상 중 하나를 포함하며, 제 1 형상에 따른 기하학적 중심(17)에 대한 상기 제 1 형상에 따른 예비 형성된 코일(10)의 상기 전기 도체(26)의 상기 단부(19, 23) 중 적어도 하나의 거리는 제 2 형상에 따른 예비 형성된 코일(10)의 기하학적 중심(17)에 대한 상기 제 2 형상에 따른 상기 예비 형성된 코일(10)의 상기 단부(19, 23) 중 적어도 하나의 거리와 상이하고, 제 3 형상에 따른 예비 형성된 코일(10)의 기하학적 중심(17)에 대한 상기 제 3 형상에 따른 예비 형성된 코일(10)의 상기 단부(19, 23) 중 적어도 하나의 거리는 상기 제 1 형상 및 상기 제 2 형상에 따른 상기 예비 형성된 코일(10)의 상기 단부(19, 23)의 대응하는 거리와 상이한 것인, 예비 형성된 코일.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 형성된 코일(10)의 상기 전기 도체(26) 또는 상기 전기 도체(26)의 각 층은 특히 페인트 및/또는 분말 코팅에 의한 절연체를 포함하며, 바람직하게는 상기 연결 부분(18, 22)의 영역에서는 상기 절연체가 도포되지 않거나 또는 상기 절연체가 제거되는 것인, 예비 형성된 코일.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 예비 형성된 코일(10)의 연결 부분(18, 22)을 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 다른 예비 형성된 코일(10)의 연결 부분(18, 22)에 연결하기 위한 연결 요소에 있어서,
    상기 연결 요소(30)는 바람직하게는 적어도 5 mm의 두께를 갖는 알루미늄 시트로부터 스탬핑되거나 또는 레이저 절단에 의해 절단되는 적어도 5 mm의 두께를 갖는 U 자형 알루미늄 시트에 대응하며, 상기 연결 요소(30)는, U 형상의 단부(34a, 34b)에, 각각 상기 예비 형성된 코일(10) 중 하나의 연결 부분(18, 22)을 도입하기 위한 개구(36)를 포함하는 것인, 연결 요소.
  9. 풍력 발전 시스템(100)의 발전기(130)의 스테이터(132)에 대한 권선 구조에 있어서,
    - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 예비 형성된 코일(10) 및
    - 각각 2 개의 예비 형성된 코일(10)의 2 개의 연결 부분(18, 22)의 전기적 연결을 위한 복수의 연결 요소(30)
    를 포함하는, 권선 구조.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 예비 형성된 코일(10)은 상기 권선 구조가 상기 스테이터(132)의 둘레에서 차례로 반복되어 나란히 배치되는 6 개의 스트랜드를 포함하는 방식으로 서로 연결되고, 특히 제 1 스트랜드 및 제 2 스트랜드는 제 1 위상에 할당되고, 제 3 스트랜드 및 제 4 스트랜드는 제 2 위상에 할당되고, 제 5 스트랜드 및 제 6 스트랜드는 제 3 위상에 할당되는 것인, 권선 구조.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 권선 구조는 복수의, 특히 2 개, 4 개, 6 개 또는 8 개의 세그먼트로 분할되고, 각 세그먼트의 동일한 스트랜드 및/또는 위상은 서로 병렬로 연결되는 것인, 권선 구조.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 요소(30) 및 상기 예비 형성된 코일(10)은 본질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 것인, 권선 구조.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    12 개의 나란히 위치되는 제 1 연결 부분(18)의 그룹이 6 개의 연결 요소(30)와 연결되어, 2 개의 연결된 제 1 연결 부분(18) 사이에 5 개의 제 1 연결 부분(18)이 위치하고, 둘레 방향으로 3 개의 나란히 위치하는 중첩된 연결 요소(30)가 상기 권선 구조의 중심에 대해 상이한 거리 또는 높이로 배치되고, 둘레 방향으로 나란히 배치되는 제 1 연결 요소, 제 2 연결 요소 및 제 3 연결 요소(30)가 둘레 방향으로 나란히 배치되는 제 4 연결 요소, 제 5 연결 요소 및 제 6 연결 요소(30)에 대해 180 도만큼 회전되어 배치되는 것인, 권선 구조.
  14. 풍력 발전 시스템(100)의 발전기(110)의 스테이터에 있어서,
    복수의 원주 방향의 홈(28)을 갖는 스테이터 베이스 본체(29), 특히 스테이터 링(144)으로서, 각각의 인접하는 홈(28)은 본질적으로 서로에 대해 동일한 거리를 갖는 것인 스테이터 베이스 본체,
    상기 홈(28) 내로 삽입되는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 예비 형성된 코일(10), 및
    제 8 항에 따른 복수의 연결 요소(30)로서, 특히 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 권선 구조를 형성하도록 연결되는 2 개의 예비 형성된 코일(10)의 2 개의 연결 부분(18, 22)이 상기 복수의 연결 요소에 각각 용접 또는 납땜에 의해 연결되는 것인 복수의 연결 요소
    를 포함하는, 스테이터.
  15. 스테이터(132), 특히 제 14 항에 따른 스테이터(132)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    바람직하게는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 예비 형성된 코일(10)이 스테이터 베이스 본체(29)의 홈(28) 내로 삽입되고, 상기 예비 형성된 코일(10)의 연결 부분(18, 22)이 각각 연결 요소(30)의 개구(36) 내로 도입되고, 상기 연결 부분(18, 22)은 상기 개구(36)의 영역에서 각각 가열되어, 알루미늄은 액화되고, 냉각 후에 상기 연결 요소(30)와 각각의 연결 부분(18, 22)의 연결을 생성하는 것인, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    나란히 인접하는 예비 형성된 코일(10)은 상기 스테이터 베이스 본체(29)의 상기 홈(28) 내로 삽입되고, 미리 결정된 개수의 처음에 삽입될 상기 예비 형성된 코일(10)은 상기 홈(28) 내로 부분적으로만 삽입되거나 또는 상기 홈(28)의 전방에 위치되고, 미리 결정된 개수의 최후에 삽입될 예비 형성된 코일(10)과 함께 오직 완전하게만 대응되는 홈(28) 내로 삽입되는 것인, 방법.
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