NO337005B1

NO337005B1 - Elektrisk maskin

Info

Publication number: NO337005B1
Application number: NO20070246A
Authority: NO
Inventors: Jussi Huppunen; Panu Kurronen; Juha Pyrhönen
Original assignee: Switch Drive Systems Oy
Priority date: 2004-07-19
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2015-12-21
Also published as: KR20070033037A; EP1779494A1; US20070284959A1; CA2573089C; US7772738B2; EP1779494A4; KR101043795B1; CA2573089A1; NO20070246L; WO2006008331A1

Abstract

En elektrisk maskin som har en buet stator og en sylindrisk rotor anordnet inne i den og i hvilken fluksen strømmer i den radiale retning mellom statoren og rotoren som i tilfellet av en permanentmagnet radialfluks elektrisk synkronmaskin. Statoren til maskinen består av statorsegmenter (2) der hvert av disse har en selvstendig statorkjerne og vikling, og statorsegmentene er anordnet til å være fysisk atskilte fra hverandre slik at statoren består av statorsegmenter buet i samsvar med radius til rotoren og arbeider elektromagnetisk uavhengig lik en lineærmaskin, der hvert statorsegment har en statorkjerne og en vikling atskilt fra de andre statorsegmenter, og at den omfatter en overliggende bærerammekonstruksjon atskilt fra statorkjernene og bestående av flere langsgående ribber (41) og deler (42) mellom dem.

Description

Elektrisk maskin

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en maskin som arbeider som en permanentmagnet radialfluks elektrisk synkronmotor, som har en stator bestående av statorsegmenter som funksjonerer som lineærmaskiner.

I tidligere kjente vindkraftstasjoner driver en vindrotor en eller en sjelden gang to generatorer, vanligvis via et girsystem. Siden vindrotoren i større vindkraftanlegg vanligvis roterer ved 10-20 rpm, har girsystemet et utvekslingsforhold nær 100 for å gi generatoren en rotasjonshastighet på f.eks. 1500 rpm. I vindmøller levert med ett girs planetgirsystem, er utvekslingsforholdet nær 10, slik at generatoren vanligvis roterer ved 150-250 rpm. En annen type generator kjent i dag er den såkalte direktedrevne generator, som betyr at intet girsystem blir brukt i det hele tatt og vindrotoren er forbundet direkte til den elektriske maskins rotor.

En direkte dreven radialfluks generator er vist i publikasjon WO-A1-00/60719, som beskriver en vindkraftgenerator som kan bli koplet direkte til en vindrotoraksel. Generatoren har en stator bestående av et antall separate statormoduler, som kan bli montert, reparert og fjernet separat og uavhengig av de andre. Dette gir lettere installasjon av vindkraftstasjonen og spesielt generatoren, fordi statoren kan bli transportert og også montert på plass i mindre deler.

Publikasjon WO-A1-03/073583 viser en modulær synkron vindkraftgenerator som har en stator og rotor utstyrt med viklinger, der både rotoren og statoren består av separate moduler. I modulene, er både statoren og rotoren satt sammen av innbyrdes på hverandre satte segmentplater.

I den ovenfor nevnte publikasjon WO-A1-03/073583, er en fremgangsmåte til bygging av en kontinuerlig stator-ring beskrevet. I samsvar med kravet er statorringen delt i minst to deler. Fig. 4 illustrerer spesielt hvordan ringsegmentene er låst sammen for slik å danne en kontinuerlig ring. Ringsegmentene har i hver ende nøyaktig en halv tann, slik at disse sammen danner en hel tann. Med denne løsning kan vindkraftgeneratoren bli montert av segmenter på stedet og viklet med kabel, og derfor trengs nødvendigvis ikke et vanlig stort ingeniørarbeid.

Ytterligere eksempler på teknikkens stand er vist i DE 10131113 Al; US 5382859 A og JP 2001119872 A.

En ulempe med tidligere kjente vindkraftgeneratorer er deres forholdsvis komplekse og tunge konstruksjon. Videre, termisk utvidelse av den separate stator og rotormodul og andre liknende faktorer medfører vanskeligheter ved installering og drift av generatoren.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å overvinne ulempene med den kjente teknikk og å oppnå en løsning som bruker lineærmaskiner som er i prinsipp uavhengige og, når forbundet mekanisk i serie, danner en konstruksjon som ser ut som en tradisjonell segmentlignende konstruksjon, men som funksjonelt avviker betydelig fra maskinen ifølge patentsøknad WO 03/073583 som representerer en kontinuerlig statorkonstruksj on.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på et prinsipp hvorved statoren til elektriske maskiner består av to eller flere separate uavhengige segmenter som likner en lineær maskin, som ikke danner en kontinuerlig ring som ville være del av maskinens bærekonstruksjon. Derfor blir kreftene som opptrer i maskinen kompensert for av en spesiell bærestruktur. I tidligere kjente løsninger er statorkjernen montert av plater ved å laminere dem for å danne en kontinuerlig ringstruktur som funksjonerer som en "bue"

(arch) bærende del av de magnetiske krefter.

I samsvar med oppfinnelsen blir de lineære maskiner implementert ved bruk av for eksempel fem parallelle statorplatepakker, som danner den magnetiske krets til en lineærmaskin.

Lineærmaskinen ifølge oppfinnelsen er festet for eksempel med en T-stang til en bærende konstruksjon som bærer alle kreftene. I tidligere kjente løsninger er statorsegmentene montert ved å imbrikere dem for slik å danne en kontinuerlig ring, som er stort sett sveist ved sin ryggdel til rammekonstruksjonen til maskinen. Dermed danner statorpakken en "bue" (arch) som inngår ved bæringen av de magnetiske krefter.

Ettersom de magnetiske kjerner til lineære maskiner, til forskjell fra de magnetiske kjerner til ordinære maskiner, ikke er involvert i å bære de magnetiske krefter i den elektriske maskin, kan vi derfor montere hele statoren rundt en permanentmagnetrotor som allerede er magnetisert. Ettersom statoren på en måte består selvstendige lineærmaskiner, kan hver av disse bli deaktivert eller erstattet når det er ønskelig.

I tillegg, oppnås en lett konstruksjon og effektiv kjøling, og ulempene forårsaket av forskjeller i termisk utvidelse av separate statorsegmenter kan elimineres.

Trekkene til vindkraftgeneratoren ifølge oppfinnelsen er presentert i detalj i kravene nedenfor.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet i detalj med henvisning til et eksempel og de vedlagte tegninger, hvor:

Fig. 1 viser en direktedrevet vindkraftgenerator ifølge oppfinnelsen,

Fig. 2 viser en direktedrevet vindkraftgenerator ifølge oppfinnelsen i et tverrsnitt,

Fig. 3 viser en rotor,

Fig. 4 viser et statorsegment og den bærestruktur,

Fig. 5 viser en mulig magnetisk fluksbro,

Fig. 6 viser rammen til den magnetiske krets til statorpakken,

Fig. 7 viser permanentmagneter,

Fig. 8 viser et arrangement ifølge oppfinnelsen for implementering av viklingene til statorsegmentet til for eksempel en permanentmagnet radialfluks generator for slik å gjøre hvert segment uavhengig og for å tillate dem å bli plassert ved små avstander fra hverandre, og Fig. 9 viser et mulig annet alternativ for å implementere strukturen på endene av segmentet. Figur 1 og 2 viser en direktedrevet trefase generator som funksjonerer i hovedsak lik en permanentmagnet radialfluks elektrisk synkronmaskin og konstruert for bruk i en vindkraftstasjon, der de magnetiske fluksstrømmer i radialretningen mellom statoren og rotoren som i tilfellet av en permanentmagnet radialfluks elektrisk synkronmaskin, og hvor en utvendig buede stator består av segmenter som i praksis arbeider uavhengig og som, når ferdig viklet, kan bli kalt lineærmaskiner. Statoren omfatter for eksempel 12 lineærmaskiner forbundet den ene etter den andre i serie, og generatoren har et sylindrisk hus 8 utstyrt med endeplater 3, en stator 2 og en rotor 1 og en ytre kabling 7 og et kjølesystem 6 med rør arrangert i enden av generatoren. Rotoren 1 kan være koplet direkte til akselen (ikke vist) til en vindrotor.

Generatoren er permanentmagnet synkrongenerator i hvilken rotoren omfatter en sylindrisk ytre del 31 og i hvilken rammen har en cellestruktur, bestående av plateliknende endeplatedeler 32 og flensdeler 33 mellom seg, og en rørformet sentral aksel 34 for kopling til akselen til vindrotoren. Den sylindriske rotor 1 er anordnet inne i statoren og utstyrt med permanentmagneter 35 festet til sin overflate (fig. 7), så den behøver ikke være utstyrt med viklinger overhodet.

Statoren har et antall lineærmaskinsegmenter 2, for eksempel 12 segmenter (Fig. 4), hvert av segmentene er anordnet ved en liten avstand fra andre, og som har over dem en cellef ormet bærende rammekonstruksjon 40 bestående av et antall med perforerte ribber 41 som likner brobjelker lagt i lengderetningen av generatoren og deler 42 plassert mellom dem, hvor statorsegmentene er forsynt med suksessive statorviklingskjerner 43 forsynt med profilerte kopperviklinger 44 anordnet i hvert statorsegment, der kjernene har slisser 47 og slissekiler 48 for viklingene, og der statorpakkene således dannet er festet til rammen ved en enkel bevegbar tvangsinnretning, for eksempel med en T-stang som inngår i pakken og motdelen 46 anordnet i dens ramme (fig. 5 og 6).

I løsningen ifølge oppfinnelsen er en magnetisk fluksbro anordnet mellom segmentene for å forbinde de lineære maskiner langs den ovenfor beskrevne overliggende rammekonstruksjon til generatoren når nødvendig ved å feste en nedad åpnende langsgående U-kanal bjelke 51 til den overliggende rammekonstruksjon med en skrue 52, i hvilken kanalbjelken er det plassert en magnetisk fluksbrostang 53 (Fig. 5) som opprettholder et roterende felt selv over gapet mellom statorsegmentene. Diskontinuiteten mellom lineærmaskiner kan også bli lettet ved å bruke en konstruksjon som illustrert i figur 9, hvor jerndelen til den magnetiske krets er viklet 49 i begge ender av lineærmaskinen slik at reluktansen mellom maskinene blir redusert. Lineærmaskinene er således bedre koplet i serier og enheten begynner å likne en stor maskin med roterende felt.

I løsningen ifølge oppfinnelsen vist i fig. 8 fyller viklingen ved kanten av statorsegmentet 81 kun del av spalten 82. Dette kan bli arrangert for eksempel ved å etterlate den første og siste spalt 2 for hver fase U, V, W halvfylt, med andre ord, de siste spiraler, som skulle returnere fra den siste spalte tilbake til spaltene ved startenden, er etterlatt umonterte. Ved å bruke et halvspiral diamantviklingsarrangement 3, vil enden av vindingen være symmetrisk mellom ulike faser, og derfor skjer det ingen betydelige forskjeller i faseinduktans. Spiralenden kan lett bli formet i likhet med kantvis vikling, og ingen returledere trengs i de første slisser ved utgangsenden fra segmentet, plass blir således spart ved spiralenden; i tillegg inneholder viklingene ingen kryssende ledere, slik at spiralenden kan lages kort.

Løsningen ifølge oppfinnelsen reduserer intensiteten til det magnetiske felt i endeområdene til lineærmaskinene - en magnetisk diskontinuitet er til stede mellom maskinene - så endefenomener til de lineære maskiner er dempet ned.

Maskinen blir satt sammen som følger:

1. Lagre og plater blir montert på rotoren.

2. Permanentmagneter blir montert i rotoren, ved bruk av spesialverktøy ved hjelp av hvilke kreftene kan styres. 3. Statorsegmentene er omhyggelig plassert ett av gangen i posisjon nær rotoren, holder dem hydraulisk eller i på annen egnet kontrollert måte.

4. Bærekonstruksjonen til statoren er festet til endeskjold.

Denne konstruksjon og denne monteringsprosedyre gjør det mulig å bygge maskinen nesten hvor som helst. Ingen separat maskinfabrikk er nødvendig.

Det er åpenbart for fagmannen at forskjellige utførelser av oppfinnelsen ikke er begrenset til eksemplet beskrevet ovenfor, men at de kan varieres innenfor omfanget av kravene presentert nedenfor. I tillegg til et segment bestående av suksessive pakker, kan statorsegmentet også bli montert ut fra en enkelt del. I tillegg kan statoren til enkelte lineærmaskiner bli tatt av fra maskinen eller frakoplet for å deaktivere dem for eksempel under delbelastninger, i hvilket tilfelle vil maskinen arbeide uten ett eller flere segmenter.

Claims

1. Elektrisk maskin som har en buet stator og en sylindrisk rotor anordnet inne i den og i hvilken fluksen strømmer i den radiale retning mellom statoren og rotoren som i tilfellet av en permanentmagnet radialfluks elektrisk synkronmaskin,karakterisert vedat statoren til maskinen består av statorsegmenter (2) der hvert av disse har en selvstendig statorkjerne og vikling, og statorsegmentene er anordnet til å være fysisk atskilte fra hverandre slik at statoren består av statorsegmenter buet i samsvar med radius til rotoren og arbeider elektromagnetisk uavhengig lik en lineærmaskin, der hvert statorsegment har en statorkjerne og en vikling atskilt fra de andre statorsegmenter, og at den omfatter en overliggende bærerammekonstruksjon atskilt fra statorkjernene og bestående av flere langsgående ribber (41) og deler (42) mellom dem.

2. Elektrisk maskin som angitt i krav 1,karakterisert vedat bærerammekonstruksjonen er utstyrt med magnetiske fluksbroelementer (53) plassert mellom lineærmaskinene for å lette endefenomener til lineærmaskiner, eller den magnetiske krets er utvidet (49) i endene til lineærmaskinene for slik å produsere den samme effekt.

3. Elektrisk maskin som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat statorpakkene til lineærmaskinene er festet til rammen med en T-stang og dens motstykker.

4. Elektrisk maskin som angitt i krav 1,karakterisert vedat den har uavhengige segmenter som arbeider lik en lineærmaskin, som når forbundet mekanisk i serie danner en segmentert struktur.

5. Elektrisk maskin som angitt i krav 4,karakterisert vedat statoren består av uavhengige lineærmaskiner, der en eller flere av disse kan bli deaktivert, fjernet eller erstattet.

6. Elektrisk maskin som angitt i krav 1, der statoren består av et antall segmenter,karakterisert vedat statorviklingene i kantdelene av statoren fyller bare del av viklingsspalten.

7. Elektrisk maskin som angitt i krav 6,karakterisert vedat graden av spaltfylling i kantspalten eller kantspaltene er på det meste 50%.

8. Elektrisk maskin som angitt i krav 6,karakterisert vedat maskinen er en trefasemaskin der den første og siste spalt for hver fase (U, V, W) er kun delvis fylt.

9. Fremgangsmåte ved montering av en elektrisk maskin som arbeider i hovedsak lik en permanentmagnet radialfluks elektrisk synkronmaskin,karakterisert vedat maskinen blir montert som følger: a. lagre og plater blir montert på rotoren, b. permanentmagneter blir montert i rotoren, c. statorsegmentene blir plassert ett av gangen i posisjon nær rotoren, d. og bærekonstruksjonen til statoren blir festet til endeskjold.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9,karakterisert vedat statorsegmentene blir plassert ett av gangen inn i posisjon nær ved rotoren hydraulisk eller på annen egnet kontrollert måte og permanentmagnetene blir i rotoren ved å bruke spesialverktøy med hjelp av hvilke kreftene kan bli styrt.