WO2003073591A1

WO2003073591A1 - Synchrongenerator

Info

Publication number: WO2003073591A1
Application number: PCT/EP2002/002164
Authority: WO
Inventors: Jin Shen; Günther MECHLER; Juhani Mantere
Original assignee: Abb Research Ltd.
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchrongenerator mit einem Rotor (2) und einem Stator (3) für den Anschluss an eine Windturbine. Der Rotor (2) des erfindungsgemässen Synchrongenerator (1) weist ein Joch (4) auf, das als Zylinder ausgebildet ist. Der Zylinder ist auf der dem Stator (3) zugewandten Seite mit magnetischen Polen (5) bestückt. Der Stator (3) ist aus zwei oder mehr Modulen (6) zusammengefügt, die aus aufgestapelten Ringsegmenten (6R) aufgebaut sind. Der Rotor (2) des Synchrongenerators (1) kann aussen oder innen liegen. Der Stator (3) ist dazu jeweils umgekehrt positioniert.

Description

Synchrongenerator

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchrongenerator für eine Windturbinθ gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist eine Anordnung mit veränderbarer Geschwindigkeit zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Windenergie bekannt. Sie weist einen Synchrongenerator auf, dessen Rotor sich mit niedriger Geschwindigkeit dreht und unmittelbar mit einer Windturbine verbunden ist. Der Rotor des Synchrongenerators kann mit bis zu etwa 200 Umdrehungen pro Minute, je nach Nennleistung der Windturbine, gedreht werden. Die Windturbine kann sich ebenfalls mit variabler Geschwindigkeit drehen. Der Ausgang des Generators ist an einen Konverter angeschlossen, um einen Strom mit einer annähernd konstanten Frequenz von 50 Hz oder 60Hz zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchrongenerator aufzuzeigen, für dessen Herstellung vorgefertigte Bauelemente verwendet werden können, die sich leicht produzieren und transportieren lassen, und die bei Bedarf auch erst einen Zusammenbau an der Einsatzstelle erlauben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Synchrongenerator kann so ausgebildet werden, dass er einen innen liegenden Rotor und einen außen liegend Stator aufweist. Ebenso ist es möglich, die Anordnung von Rotor und Stator zu vertauschen. In beiden Fällen weist der Rotor ein Joch auf, das als Zylinder ausgebildet ist. Der Zylinder ist aus einem nicht magnetischen Material gefertigt. Ist der Rotor innerhalb des Stators angeordnet, so P T/EP02/02164

sind die Pole des Rotors auf der Außenfläche des Zylinders befestigt. Bei Verwendung eines außen liegenden Rotors sind die Pole auf der Innenfläche des Zylinders positioniert. Die Pole des Rotors werden durch Polelemente und Permanentmagnete gebilde- t. Die Polelemente haben einen etwa T-förmigen Querschnitt, wobei der Quersteg dem Stator zugewandt angeordnet ist. Die Polelemente sind dauerhaft mit der Außenfläche oder der Innenfläche des Jochs verbunden. Der Querschnitt ist bei allen Polelementen eines Rotors gleich groß. Die Polelemente sind massiv ausgebildet und aus einem Material gefertigt, das den magnetischen Fluss sehr gut leitet. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Polelemente haben den gleichen Abstand voneinander. Der Abstand ist bei allen unmittelbar benachbarten Polelementen gleich groß. Der Abstand zwischen den Polelementen ist so gewählt, dass in die Nut, die zwischen jeweils zwei Polelementen ausgebildet ist, immer ein Permanentmagnet gesteckt werden kann. Die Querschnitte der Permanentmagnete und Polelemente ist so aufeinander abgestimmt, dass sie einen engen Kontakt zueinander haben. Zudem sind die Permanentmagnete bereichsweise auf den Querstegen der Polelemente abgestützt, von denen sie dauerhaft in der jeweiligen Nut gehalten werden. Die Länge der Permanentmagnete ist an die Länge des Rotors angepasst. Zwei unmittelbar aufeinander folgende Permanentmagnete werden in Umfangsrichtung mit entgegengesetzter Orientierung magnetisiert. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, jeden Permanentmagneten aus mehreren Blöcken zusammenzusetzen, die in Richtung der Generatorachse aneinandergefügt werden. Die Zusammensetzung der Permanentmagnete aus Blöcken ist dann von Vorteil, wenn die Permanentmagnete nicht entsprechend der achsialen Rotorlänge an einem Stück gefertigt werden können.

Erfindungsgemäß wird der Stator aus zwei oder mehreren Modulen zusammengebaut. Für die Ausbildung dieser Module werden Ringsegmente verwendet, die einen Bogen zwischen 0° und 180° aufspannen. Die Ringsegmente werden aus Elektroblech gefertigt. Sie werden je nach dem, ob sie für die Fertigung eines außen oder innen liegenden Stators vorgesehen sind, mit nach innen oder außen weisenden Zähnen versehen, zwischen denen Lücken definierter Größe ausgebildet sind. Für die Ausbildung eines jeden Moduls werden so viele Ringsegmentbleche deckungsgleich aufeinander gestapelt, bis der Modul die gewünschte Höhe des Stators aufweist, wobei die Höhe parallel zur Längsachse des Stators gemessen wird. Jedes Modul wird mittels Klemmplatten zusammengehalten.

Durch die Klemmplatten und Ringsegmente sind Bolzen senkrecht hindurchgesteckt, die an den Enden der Module mittels Schraubenmuttern gehalten werden. Von diesen Modulen werden so viele hergestellt, dass sie zu einem Stator zusammengesetzt werden können. Die Zähne der Ringsegmente eines jeden Moduls liegen beim Stapeln genau übereinander und bilden so die Zähne des Stators. Um jeden zweiten Zahn herum bzw. in je zwei aufeinanderfolgenden Nuten, welche die Zähne voneinander trennen, wird je eine Wicklung ausgebildet. In die Nuten können auch vorgefertigte Wicklungen eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Synchrongenerator kann entweder gleich zusammengebaut oder in Form von Einzelteilen zu seiner Verwendungsstelle transportiert werden. Da sowohl die Module und die Wicklungen des Stators sowie das Joch, die Polelemente und die Permanentmagnete des Rotors vorgefertigt werden können, besteht die Möglichkeit, diese zunächst als Einzelteile oder teilweise montiert an die Verwendungsstelle des Synchrongenerators zu transportieren, um diesen dann dort zusammenzubauen. Diese Möglichkeit wird beispielsweise dann gewählt, wenn der Synchrongenerator auf Grund seiner Abmessungen zu groß oder auch zu schwer für einen Transport an die Verwendungsstelle ist.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 einen Synchrongenerator im Schnitt senkrecht zu seiner Längsachse ,

Fig. 2 einen Rotor mit Joch und außen angeordneten Polen,

Fig. 3 einen Stator im Schnitt senkrecht zu seiner Längsachse,

Fig. 4 eine Ringsegment für die Ausbildung eines Moduls für den Stator,

Fig. 5 ein aus Ringsegmenten aufgebautes Modul,

Fig. 6 Verbindungselemente der Ringsegmente,

Fig. 7 den Stator gemäß Fig. 3 im Schnitt parallel zu seiner Längsachse,

Fig. 8 eine vorgefertigte Wicklung für einen Stator,

Fig. 9 ein Synchrongenerator mit innen liegendem Stator,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der Permanentmagnete des Rotors,

Fig. 11 eine Schnitt durch den innen liegenden Stator,

Fig. 12 ein Zeigerdiagramm der Statorwicklungen,

Fig. 13 die elektrischen Verbindungen der Phasenwicklungen des Stators.

Der in Fig. 1 dargestellte Synchrongenerator 1 wird im wesentlichen durch einen innen liegenden Rotor 2 und einen außen liegenden Stator 3 gebildet. Der Rotor 2 weist ein Joch 4 auf, das als Zylinder ausgebildet ist. Der Zylinder 4 kann einteilig ausgebildet oder aus Ringelementen (hier nicht dargestellt) zusammengesetzt werden, die alle die gleichen Abmessungen aufweisen, und aufeinander gesetzt sind. Der Zylinder 4 ist, gleichgültig ob einteilig ausgebildet oder aus Ringeiementen zusammengesetzt, aus einem nicht magnetischen Material, beispielsweise aus austenitischem Stahl, gefertigt. Auf der Außenfläche des Zylinders 4 sind die Pole 5 des Rotors 2 angeordnet. Die Pole 5 des Rotors 2 werden durch Polelemente 9 und Permanentmagnete 11 gebildeten. Die Polelemente 9 haben, wie in Fig. 2 dargestellt, alle einen T-förmigen Querschnitt, der bei allen Polelementen 9 gleich groß ist, und sich zum Joch 4 hin etwas verjüngt. Die Querstege 9Q sind dabei immer dem Stator zugewandt. Die Polelemente 9 sind dauerhaft mit der Außenfläche des Jochs 4 verbunden. Sie sind massiv ausgebildet und aus einem Material gefertigt, das den magnetischen Fluss sehr gut leitet. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Polelemente 9 haben den gleichen Abstand voneinander. Der Abstand ist bei allen unmittelbar benachbarten Polelementen 9 gleich groß. Der Abstand zwischen den Polelementen 9 ist so gewählt, dass in die Nut 5N, die zwischen jeweils zwei Polelementen 9 ausgebildet ist, jeweils ein Permanentmagnet 11 eingesetzt werden kann. Die Querschnitte der Permanentmagnete 11 sind so gewählt, dass jede Nut 5N ausgefüllt ist. Die Permanentmagnete 11 sind auf den nach außen gerichteten Querstegen 9Q abgestützt, und werden von diesen dauerhaft in der jeweiligen Nut 5N gehalten. Die Länge der Permanentmagnete 11 ist an die Länge des Rotors 2 angepasst. Die Permanentmagnete 11 sind so in Umfangsrich- tung des Jochs 4 magnetisiert, dass die Magnetfelder zweiter unmittelbar benachbarter Permanentmagnete 11 einander entgegen gerichtet sind. Die Zahl der Polelemente 9 entspricht der Zahl der Pole des umlaufenden Magnetfeldes.

Jeder der in den Figuren 1 , 2 und 9 dargestellten Permanentmagnete 11 kann, wie Fig. 10 zu entnehmen ist, aus rechteckigen Blöcken 11 B zusammengesetzt werden, die aus dem gleichen Material gefertigt sind wie die Permanentmagnete 11. Die Blök- ke 11 B haben alle die gleiche Länge wie jeder der Permanentmagnete 11. Damit die Blöcke 11 B einen engen Kotakt zu den Polelementen 9 haben, ist jedes Polelement 9 an beiden seitlichen Begrenzungsflächen 9C und 9D stufenförmig ausgebildet. Die Blöcke 11 B, die unmittelbar an den Polelementen 9 angrenzen, liegen auf den Stufen auf. Mit Hilfe eines zusätzlichen Stegs 11 S, der zwischen den freien Enden von jeweils zwei unmittelbar benachbarten Polelementen 9 angeordnet ist, werden die Blöcke 11 in den Nuten 5N gehalten. Die Stege 11 S erstrecken sich über die gesamte Länge der Rotors 2.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Permanentmagnete 11 als flächige Bauelemente mit linearer Ausdehnung auszubilden, und auf den Außenflächen der Querstege 9Q der Polelemente (hier nicht dargestellt) zu befestigen. In diesem Fall bleiben die Nuten 5N frei. Auch hierbei sind die Permanentmagnete in radialer Richtung magnetisiert, wobei die Orientierung der Magnetisierung in benachbarten Polen entgegengesetzt ist.

Der Stator 3 ist aus Modulen 6 zusammengefügt. Für die Ausbildung eines jeden Moduls 6 werden Ringsegmente 6R verwendet, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Diese werden aus flächigen Bauelementen in Form von Elektroblechen (hier nicht dargestellt) hergestellt, die den magnetischen Fluss sehr gut leiten. Das in Fig. 3 gezeigte Ringsegment 6R ist so ausgebildet, dass es einen Bogen von 90° aufspannt. Es weist eine nach außen konvex gewölbte glatte Kante 6E auf, die mit 48 radial nach innen weisenden Zähnen 6Z versehen ist. Die Größe des Ringsegments 6R ist nicht auf diese Abmessungen beschränkt. Vielmehr kann auch ein Ringsegment 6R verwendet werden, das einen Bogen größer 0° und kleiner/gleich 180° aufspannt. Die zur Ausbildung eines Stators 3 verwendeten Ringsegmente 6R haben alle die gleichen Abmessungen. Die Größe des Außen- und des Innenradius eines jeden Ringsegments 6R wird immer von den gewünschten Abmessungen des zu fertigenden Stators 3 bestimmt. Die Ringsegmente 6R werden entweder aus den oben erwähnten flächigen Bauelementen (hier nicht dargestellt), ausgestanzt, oder mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten. Wenn die Ringsegmente 6R mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten werden, ist es auf einfache Weise möglich, die Kanten, Zähne und Ausnehmungen abzurunden, wie in Fig. 5 dargestellt. Hierdurch wird der Zusammenbau des Stators 3 erleichtert, da bei abgerundeten Kanten ein Verhaken der Ringsegmente 6R verhindert und das Ausbilden bzw. das Einsetzen von Wicklungen in den Stator 3 erleichtert wird. Die Zähne 6X, 6Z eines jeden Ringsegments 3 sind bis auf den jeweils letzten Zahn 6X am ersten und zweiten Ende eines jeden Ringsegments 6R gleich breit und gleich lang. Die beiden Zähne 6X an den Enden sind jedoch nur halb so breit, aber ebenso lang wie die übrigen Zähne 6Z. Die Länge der Zähne 6Z ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel etwas kleiner als die halbe Breite der Module 6. Sie kann bei Bedarf auch anders gewählt werden.

Zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Zählen 6Z, 6X ist eine rechteckige oder U-förmige Lücke 6L ausgebildet. Die Lücken 6L sind zwischen allen Zähnen 6Z des Ringsegments 6R gleich breit. Jedes Ringsegment 6R weist am ersten Ende an der Seitenkante 6C im Bereich 6F, der nicht mit Zähnen 6Z und Lücken 6L versehen ist, zwei untereinander angeordnete Verbindungselemente 6V auf, die einen vorgebbaren Abstand voneinander aufweisen. Die Verbindungselemente 6V können je nach Bedarf unterschiedliche Formen aufweisen. In Fig. 6 sind einige mögliche Formen für diese Verbindungselemente 6V dargestellt. Am zweiten Ende eines jeden Ringsegments 6R sind an der Seitenkante 6D zwei Ausnehmungen 6W versehen. Die Größe und der Abstand der beiden Ausnehmungen 6W ist gerade so gewählt, dass beim Zusammenfügen von zwei Ringsegmenten 6R die Verbindungselemente 6V eines Ringsegments 6 in die Ausnehmungen 6W des zweiten Ringsegments 6 eingefügt werden können.

Wie Figur 4 zu entnehmen ist, ist jedes Ringsegment 6 im Bereich 6F mit runden Durchlässen 6H, 6G versehen, die in definierten Abständen vom äußeren Rand 6E eines jeden Ringsegments 6R teilweise untereinander oder versetzt zueinander angeordnet sind. Die Durchlässe 6H, 6G können, wie hier gezeigt, unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bei der Herstellung der Ringsegmente 6R wird sichergestellt, dass alle Ringsegmente 6R immer an den gleichen Stellen mit Durchlässen 6H oder 6G versehen werden. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der Stators 3 aus vier Modulen 6 zusammengesetzt. Für die Fertigung eines jeden der Module 6 werden so viele Ringsegmente 6R deckungsgleich aufeinander gestapelt, dass jedes Modul 6 nach seiner Fertigstellung die gleiche Höhe wie der zu fertigende Stator 3 aufweist. Diese Höhe wird parallel zur Längsachse des Stators 3 gemessen.

Nachdem die Ringsegmente 6R für die vier Module 6 aufgestapelt sind, werden Bolzen 7A und 7B durch die Durchlässe 6H, 6G gesteckt. Zusätzlich wird an den Enden eines jeden Moduls 6 jeweils eine Klemmplatte 8 auf den Ringsegmenten 6R angeordnet, wie in den Figuren 1 und 3 für die vier Module 6 dargestellt. Die Klemmplatten 8 sind als Ringsegmente ausgebildet, und bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit nach innen weisenden Stegen 8S versehen. Die Länge eines jeden Stegs 8S ist so bemessen, das er bis zum Ansatz der Zähne 6Z, 6X reicht. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede Klemmelement 8 mit sechs Stegen 8S bestückt, wobei jeweils ein Steg 8S am Ende einer jeden Klemmplatte 8 angeordnet ist. Die Klemmplatten 8 können selbstverständlich auch mehr oder weniger Stege 8S aufweisen, die länger oder kurzer ausgebildet sind. Die Klemmplatten 8 und die Stege 8S sind an den gleichen Stellen mit Durchlässen 8H und 8G versehen wie die darunter angeordneten Ringsegmente 6R. Die Durchlässe 8H und 8G weisen auch die gleichen Durchmesser wie die entsprechenden Durchlässe 6H und 6G auf. Durch die Durchlässe 8H, 8G und die Durchlässe 6H und 6G werden Bolzen 7A und 7B gesteckt, wie in Fig. 7 dargestellt, deren Enden mit Schraubenmuttern (hier nicht dargestellt) an den beiden Enden der Module 6 befestigt sind.

Anschließend werden die vier Module 6 im Kreis angeordnet, derart, dass die Verbindungselemente 6V der Ringsegments 6 eines ersten Moduls 6 in die Ausnehmungen 6W der Ringsegmente 6R des unmittelbar angrenzenden Moduls 6 gesteckt werden können, so dass die Ringsegmente 6R von zwei unmittelbar aneinander grenzenden Modulen 6 spaltfrei zusammengefügt werden. Dabei bilden die halben Zähne 6X der Ringsegmente 6R des ersten Moduls 6 mit den halben Zähnen 6X der Ringsegmente 6R des zweiten Moduls 6 eine nahezu geschlossene Einheit. Die vier zu dem Stator 3 zusammengefügten Module 6 werden anschließend ver- presst. Ihre Außenkanten 6K werden gegebenenfalls über eine oder mehrere Schweißnähte (hier nicht dargestellt), die parallel zu Längsachse des gebildeten Stators 3 ausgerichtet sind, miteinander verbunden. Um die Stabilität des Stators 3 weiter zu erhöhen, können zusätzliche Klemmringe 10 definierter Breite um den Stator 3 gelegt werden, deren Längsachsen mit der Längsachse des Stators 3 zusammenfallen und in den Figuren 3 und 7 dargestellt sind. Die Klemmringe 10 sind offen und werden durch Bolzen 10B und Schrauben 10S zusammengehalten. Damit können die Innendurchmesser der Klemmringe 10 an den Außendurchmesser des Stators 3 angepasst werden.

Über den Verbindungsstellen von jeweils zwei Modulen 6 wird an den beiden Enden 3A und 3B des Stators 3 ein Verbindungsstück angeordnet, wie den Figuren 1 und 3 zu entnehmen ist. Jedes der Verbindungsstück 12 ist flächig ausgebildet und so dick, wie die beiden benachbarten Klemmplatten 8. Die Verbindungsstücke 12 sind an den gleichen Stellen mit Bohrungen versehen wie die beiden zusammengefügten Module 6. Mit durchgehenden Bolzen und Schraubenmuttern (hier nicht dargestellt) werden die Verbindungsstücke 12 so fest auf die Verbindungsstellen der zusammengefügten Module 6 gepresst, dass die Module 6 mit hinreichender Steifigkeit miteinander verbunden sind. An Stelle von einzelnen Verbindungsstücken 12 können auch Klemmplatten mit Verlängerungen verwendet werden. In diesem Fall wird bei jeweils zwei zu verbindenden Modulen eine Klemmplatte verwendet, die an dem Ende, das der Verbindungsstelle der beiden Module zugewandt ist, mit einer Verlängerung (hier nicht dargestellt) versehen ist, welche die Verbindungsstelle nach dem Zusammenfügen der Module überdeckt. Die Verlängerung ist ebenso wie das Verbindungsstück 12 ausgebildet. Nach dem Zusammenfügen der beiden Module wird diese Verlängerung der Klemmplatte, mittels Bolzen mit dem zweiten Modul verbunden, um die erforderliche Steifigkeit zwischen den beiden Modulen zu erreichen. P T/EP02/02164

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Durch das Stapeln der Ringsegmente 6R werden durch die deckungsgleich aufeinander gesetzten Zähne 6X, 6Z die Zähne 3P des Stators 3 gebildet. Um jeden zweiten dieser Zähne 3P wird eine Wicklung 3W ausgebildet, wobei jede dieser Wicklungen 3W durch die beiden angrenzenden Nuten 3N geführt ist. Es besteht andererseits auch die Möglichkeit, vorgefertigte Wicklung 3W zu verwenden. Eine solche Wicklung 3W ist in Fig. 8 dargestellt. Hierfür wird jede vorgefertigte Wicklung 3W in jeweils zwei durch einen Zahn 3P getrennte Nuten 3N eingesetzt, derart, dass der zwischen den beiden Nuten 3N liegende Zahn 3P im Inneren der vorgefertigten Wicklung 3W liegt. Auch hierbei ist nur jeder zweite Zahn 3P von einer vorgefertigten Wicklung 3W umgeben. Die Wicklungen 3W sind so ausgebildet, dass sie an den Zähnen 6Z anliegen und an den Enden 3A und 3B des Stators 3 geringfügig nach außen überstehen, wie in Fig. 7 dargestellt. Für die Ausbildung der Wicklungen 3W des Stators 3 können bei Bedarf isolierte Kabel (hier nicht dargestellt) verwendet werden, wenn der Synchrongenerator 1 beispielsweise in eine Windturbine eingebaut wird, die den korrosiven Einwirkungen von sehr feuchter und salzhaltiger Luft ausgesetzt ist. Nach dem Einfügen oder Ausbilden der Wicklungen 3W werden diese elektrische verschaltet. Dabei wird je ein Drittel der Wicklungen so miteinander elektrisch verbunden, daß drei zueinander symmetrische Phasenstränge entstehen. Nach dem Verschalten der Wicklungen ist der Stator 3 fertig gestellt. Nun kann der Rotor 2 in den Stator 3 eingesetzt werden. Der Abstand zwischen beiden ist gerade so groß, dass nur ein Ringspalt 23 von einigen Millimetern verbleibt.

Wie Fig. 9 zu entnehmen ist, kann der erfindungsgemäße Synchrongenerator 1 auch so ausgebildet werden, dass der Rotor 2 außen und der Stator 3 innen angeordnet ist. Der Rotor 2 weist auch bei einer solchen Ausführungsform ein Joch 4 auf, das als Zylinder ausgebildet ist. Der Zylinder 4 ist aus dem gleichen Material gefertigt, wie der in Fig. 2 dargestellte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Zylinder 4. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass der Rotor 2 invers ausgebildet ist, und die Pole 5 hierbei auf der Innenfläche des Zylinders 4 angeordnet sind. Die Pole 5 des Rotors 2 werden auch hierbei durch Polelemente 9 und Permanentmagnete 11 gebil- deten. Diese sind dauerhaft mit der Innenfläche des Jochs 4 verbunden. Der Querschnitt ist bei allen Polelementen 9 gleich groß. Die Polelemente 9 sind massiv ausgebildet und aus einem Material gefertigt, das den magnetischen Fluss sehr gut leitet. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Polelemente 9 haben den gleichen Abstand voneinander. Der Abstand ist bei allen unmittelbar benachbarten Polelementen 9 gleich groß. Der Abstand zwischen den Polelementen 9 ist so gewählt, dass in jede Nut 5N, die zwischen jeweils zwei Polelementen 9 ausgebildet ist, ein Permanentmagnet 11 gesteckt werden kann. Der Querschnitt der Permanentmagnete 11 ist so gewählt, dass jede Nut 5N ausgefüllt ist und die Permanentmagnete 11 auf den nach innen gerichteten Querstegen 9Q der Polelemente 9 abgestützt sind und in der jeweiligen Nut 5N dauerhaft gehalten werden. Die Länge der Permanentmagnete 11 ist an die Länge des Rotors 2 angepasst. Die Permanentmagnete 11 in den Nuten 5N werden in Umfangsrichtung mit entgegengesetzter Orientierung magnetisiert, damit die Magnetfelder zweiter unmittelbar benachbarter Permanentmagnete 11 einander entgegen gerichtet sind.

Der Stator 3 des in Fig. 9 dargestellten Synchrongenerators 1 ist auch hierbei aus vier Modulen 6 zusammengesetzt. Der Unterschied zu dem in Fig. 3 dargestellten Stator 3 besteht lediglich darin, das die Module 6, welche für die Ausbildung der Stapel 3L verwendet werden, invers ausgebildet sind. Sie sind mit radial nach außen weisenden Zähnen 6Z versehen. Zwischen jeweils zwei Zähnen 6Z ist auch hierbei jeweils eine Lücke 6L vorgesehen. Alle Lücken 6L sind gleich breit. Alle Zähne 6N sind gleich breit und gleich lang. Für die Fertigung des innen liegenden Stators 3 werden vier Module 6 verwendet. Um die Stabilität des innen liegenden Stators 3 zu erhöhen, ist wie Fig. 9 zeigt, ein Stützzylinder 15 vorgesehen. Dieser ist im Innern des Stators 3 angeordnet. Der Durchmesser des Stützzylinders 15 ist an den Innendurchmesser des Stators 3 angepasst. Im Inneren des Stützzylinders 15 sind wenigstens zwei Stützen 16 vorgesehen, wie an Hand der Figuren 9 und 1 1 zu sehen ist. Die Stützen 16 sind mit dem Stützzylinder 15 verbunden. Sie sind gleich lang und im Bereich der Längsachse des Stators 3 gegeneinander abgestützt und zudem hier miteinander verbunden. Der Stützzylinder 15 ist einseitig mit einer Ringplatte 15F versehen, die senkrecht zur Längsachse des Stators 3 ausgerichtet ist, und am ersten Ende 3A des Stators 3 die Funktion von Klemmplatten übernimmt. Am zweiten Ende 3B des Stators 3 ist als Gegenstück ein kurzer Zylinder 17 vorgesehen, der genau in den Stützzylinder 15 einge- passt ist. Der Zylinder 17 ist nach außen zu mit einer Ringplatte 17F versehen, die senkrecht zur Längsachse des Stators 3 ausgerichtet ist, und am Ende 3B die Funktion von Klemmplatten übernimmt. Durch die Ringplatten 15F und 17F sind an definierten Stellen Bolzen 18 gesteckt, welche die Module 6 senkrecht durchsetzen und an den Enden 3A und 3B des Stators 6 mit Schraubenmuttern 19 gehalten werden. In je zwei Nuten 3N, die durch einen Zahn 3P voneinander getrennt sind, wird eine Wicklung 3W ausgebildet oder eine vorgefertigte Wicklung 3W eingesetzt, die den jeweiligen Zahn 3P umschließt. Es wird jedoch auch hier nur jeder zweite Zahn 3P von einer Wicklung 3W umgeben. Nach dem Verschalten der Wicklungen ist der Stator 3 fertiggestellt, und kann innerhalb des ebenfalls fertig gestellten Rotors 2 angeordnet werden. Der Abstand zwischen beiden ist auch hierbei gerade so groß, dass nur ein Ringspalt 23 von einigen Millimetern verbleibt.

Um die Anteile der Oberwellen im Strom und in der Spannung des Synchrongenerators zu verringern, wird das Konzept der Bruchlochwicklungen (Fractional Windings) angewendet. Dabei ist der Wert von q nicht ganzzahlig, da er sich aus der Anzahl Z der Nuten 3N des Stators pro Anzahl X der Rotorpole 2P und der Phasenzahl m ergibt:

q = = a + — (a, b, c ganze Zahlen)

X - m c

Ist beispielsweise die Anzahl Z der Nuten 3N = 48, was N₁ = 24 Wicklungen entspricht, und die Anzahl X der Rotorpole 2P = 50 und die Zahl der Phasen m=3, dann ergibt

48 8 sich für die Zahl q = = — bzw. a=0, b=8. c=25. Die Vektoren des elektrischen

50 -3 25

Phasendiagramms in Fig. 12 zeigen die relative Phasenlage der induzierten Spannungen aller Statorwicklungen 3W für das aufgezeigte Beispiel. Jede Wicklung 3W hat eine unterschiedliche elektrische Phasenbeziehung zu den magnetischen Polen des Rotors. Werden die Spulenwicklungen 3W der Phase A miteinander so verschaltet wie in Fig. 13 dargestellt und wird diese Verschaltung auch analog für die Phase B und C durchführt, resultiert hieraus eine symmetrische Dreiphasenwicklungsanordnung für den Stator 3. Jede Phase besteht aus 8 Spulenwicklungen 3W. Die induzierte Spannung einer Phase entspricht der Vektorsumme der induzierten Spannungen dieser Spulenwicklungen 3W.

Claims

Patentansprüche

1. Synchrongenerator mit einem Rotor (2) und einem Stator (3) für den An- schluss an eine Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit magnetischen Polen (5) bestückter Zylinder (4) als Rotor (2) vorgesehen und der Stator (3) aus zwei oder mehr Modulen (6) zusammengefügt ist, und dass die Module (4, 6) aus aufgestapelten Ringsegmenten (4R, 6R) aufgebaut und der Rotor (2) innen und der Stator (3) außen oder beide umgekehrt positioniert sind.

2. Synchrongenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem innen liegende Rotor (2) die Pole (5) auf der Außenfläche des aus einem nicht magnetischen Material gefertigten Zylinders (4) angeordnet sind, dessen Länge an die Länge des Rotors (2) angepasst ist, und dass die Pole (5) aus Polelementen (9) und Permanentmagneten (11 ) zusammengefügt sind, und wenigstens die Polelemente (9) dauerhaft mit dem als Joch dienenden Zylinder (4) verbunden sind.

3. Synchrongenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem außen liegenden Rotor (2) die Pole (5) auf der Innenfläche des aus einem nicht magnetischen Material gefertigten Zylinders (4) angeordnet sind, dessen Länge an die Länge des Rotors (2) angepasst ist, und dass die Pole (5) aus Polelementen (9) und Permanentmagneten (11) zusammengefügt sind, und wenigstens die Polelemente (9) dauerhaft mit dem als Joch dienenden Zylinder (4) verbunden sind.

4. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Polelemente (9) und der Permanentmagnete (11) an die Länge des Rotors (2) angepasst ist, dass die Polelemente (9) einen nahezu T- förmigen Querschnitt aufweisen, der zum Zylinder (4) hin verjüngt ist, und der Quersteg (9Q) der Polelemente (9) dem Stator (3) zugewandt angeordnet ist, dass die Querschnitte aller Polelemente 9 eines Rotors (2) gleich groß sind, und dass die Po- lelemente (9) massiv ausgebildet und aus einem Material gefertigt sind, das den magnetischen Fluss sehr gut leitet.

5. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei unmittelbar benachbarte Polelemente (9) den gleichen Abstand voneinander aufweisen, und dass der Abstand zwischen zwei Polelementen (9) so gewählt ist, dass dazwischen eine Nut (5N) ausgebildet ist, in die ein Permanentmagnet 11 einfügbar ist.

6. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt eines jeden Permanentmagneten (11) an den Querschnitt der Nut (5N) angepasst und von den die Nut (5N) begrenzenden Polelementen (9) dauerhaft darin gehalten ist, und dass die Permanentmagnete (11) so in den Nuten (5N) angeordnet sind, dass die Magnetfelder zweiter unmittelbar benachbarter Permanentmagnete (11) einander entgegen gerichtet sind. ^ι

7. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Permanentmagnet (11) aus rechteckigen Blöcken (11 B) zusammengesetzt ist, und dass die Blöcke (11 B) aus dem gleichen Material wie der Permanentmagnet (11) gefertigt sind, und die gleiche Länge wie der Permanentmagnet (11) aufweisen.

8. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (11) als flächige Bauelemente mit linearer Ausdehnung ausgebildet und außen auf den Querstegen (9Q) der Polelemente (9) befestigt sind.

9. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (4) aus einem Stück gefertigt oder aus aufgestapelten Ringelementen zusammengebaut und aus einem austenitischen Stahl gefertigt ist.

10. Synchrongenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (6) aus einem Stapel von deckungsgleich aufeinander gesetzten Ringsegmenten (6R) besteht, dass jedes Ringsegment (6R) einen Bogen zwischen 0° und 180° aufspannt und der äußere und der innere Radius eines jeden Ringsegments (6R) an die Größe des Stators (3) angepasst ist.

11. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (6) für einen außen liegenden Stator (3) Ringsegmente (6R) mit radial nach innen weisenden, gleich großen Zähnen (6Z) aufweisen, dass zwischen jeweils zwei Zähnen (6Z) eine Lücke (6L) vorgesehen ist, dass alle Lücken (6L) gleiche Abmessungen aufweisen, und am Ende eines jeden Ringsegments (6) jeweils ein halber Zahn (6X) halber Breite vorgesehen ist, der mit dem halben Zahn des benachbarten Moduls einen ganzen Zahn bildet, und dass die Ringsegmente (6R) für einen innen liegenden Stator (3) invers zu den Ringsegmenten (6R) eines außen liegenden Stators (3) ausgebildet sind.

12. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 , 10 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ringsegment (6R) am ersten Ende (6A) an der Seitenkante (6C) zwei im Abstand untereinander angeordnete Verbindungselemente (6V) und am zweiten Ende (6B) an der Seitenkante (6D) zwei im Abstand untereinander angeordnete Ausnehmungen (6W) aufweist, deren Größe an die Größe der Verbindungselemente (6V) angepasst ist, und dass jeder halbe Zahn (6X) an den Enden (6A, 6B) eines jeden Ringsegments (6R) mit dem jeweils halben Zahn (6X) des unmittelbar angrenzenden Ringsegments (6) zu einer Einheit zusammenfügbar ist.

13. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Modul (6) eines jeden innen oder außen liegenden Stators (3) die Anzahl der aufgestapelten Ringsegmente (6R) durch die Höhe des Stators (3) bestimmt ist, und dass die Ringsegmente (6R) eines jeden Moduls ( 6) an beiden Enden eines jeden Moduls (6) mittels Klemmplatten (8) und senkrecht durch die Ringsegmente (6) und Klemmplatten (8) gesteckte Bolzen zusammengehalten sind.

14. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über jeder Verbindungsstelle zweier unmittelbar benachbarter Module (6) am ersten und am zweiten Ende des Stators (3) wenigstens ein Verbindungsstück (12) angeordnet und gegen beide Module (6) gepresst ist.

15. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem von jeweils zwei zu verbindenden Modulen (6) eine Klemmplatte (8) vorgesehen ist, die an dem Ende, das der Verbindungsstelle zugewandt ist, mit einer als Verbindungsstück (12) dienenden Verlängerung versehen ist, und dass die Verlängerung der Klemmplatte (8) des ersten Moduls (6) mittels Bolzen gegen beide Module (6) pressbar ist.

16. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der innen liegende Stator (3) mit einem Stützzylinder (15) versehen ist, der im Innern des Stators (3) angeordnet und dessen Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Stators (3) angepasst ist, dass der Stützzylinder (15) an einem Ende mit einer als Klemmplatte dienenden Ringplatte (15F) versehen ist, die das erste Ende (3A) des Stators (3) teilweise umschließt, dass am zweiten Ende des Stators (3) ein kurzer Zylinder (17) vorgesehen ist, der genau in den Stützzylinder (15) einfügbar und mit einer als Klemmplatte dienenden Ringplatte (17F) versehen ist, die das zweite Ende (3B) des Stators (3) teilweise umschließt, und dass durch Ausnehmungen in den Modulen (6) und den Ringplatten (15F, 17F) Bolzen (18) gesteckt sind, die an den Enden (3A, 3B) des Stators (3) mittels Schraubenmuttern (19) befestigt sind.

17. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet/dass um jeden zweiten Zahn (3P) des Stators (3) eine durch jede der beiden den Zahn (3P) begrenzenden Nuten (3N) geführte Wicklung (3W) ausgebildet ist, und dass jede Wicklung (3W) an den Enden in Form von Wickelköpfen in axialer Richtung nach außen übersteht.

18. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 16 , dadurch gekennzeichnet, dass um jeden zweiten Zahn (3P) des Stators (3) eine vorgefertigte Wicklung (2W, 3W) angeordnet ist, welche jede der beiden den Zahn (3P) begrenzenden Nuten (3N) durchsetzt, und dass jede Wicklung (3W) an den Enden in Form von Wickelköpfen in axialer Richtung nach außen übersteht.

19. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3W) des Stators (3) aus isolierten Kabeln gefertigt sind.