CH695810A5 - Statorkernanordnung. - Google Patents

Description

  [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, wie Generatoren und betrifft insbesondere eine Statorkernanordnunq, bei welcher die Wicklungen in Schlitzen im Stator eingeleitet sind, wobei die Schlitze um einen inneren Kern angeordnet sind, und bei welcher Anordnung ein äussere Kern vorgesehen ist, um diese zu vervollständigen.

[0002] In elektrischen Maschinen müssen die Armaturwicklungen parallel zur Achse des Stators eingesetzt werden.

[0003] Bekannte Generatorwicklungen bestehen aus Stäben, welche an die Wicklungsenden gelötet werden, um Spulen zu schaffen. Diese vorgefertigten Stäbe werden durch die Bohrung des Stators eingeführt und in rechteckige Schlitze eines Kerns, welcher aus Lamellen besteht, gelegt. Bekannte Generatorwicklungen benötigen deshalb keine aufwändigen Werkzeuge für die Installation.

   Wenn diese Wicklungen aus Kabeln bestehen, müssen diese Kabel in gerade Abschnitte und Endstücke geformt werden. Dies erfordert hohe Kräfte, die auf die Kabel ausgeübt werden müssen, was wiederum im Allgemeinen schwere Werkzeuge erforderlich macht, welche zu gross sind, um in einfacher Weise durch die Bohrung einer konventionellen Maschine hindurchgeführt werden zu können.

[0004] Seit etwa 1959 bis 1965 hat General Electric Power Systems Lynn Works einen kabelgewickelten Generator entwickelt. Bei der Herstellung dieses Generators wurde eine Wickelmethode verwendet, bei welcher jedes Phasenwicklungsband durch einen Kern mit diskreten Kabelöffnungen gezogen wird.

   Dies machte erforderlich, dass das gesamte Kabel durch den Kern hindurchgezogen werden musste.

[0005] Im Jahr 1999 fertigte die Firma ABB einen "Powerformer", einen kabelgewickelten Hochspannungsgenerator, der in ähnlicher Art wie das Lynn-System hergestellt werden muss. Die Hauptunterschiede bestehen darin, dass der Kern einen Schlitz mit halbkreisförmigen Einbuchtungen aufweist, um die Kabel zu halten.

[0006] Es wäre wünschenswert, die Wicklungszeit zu verringern, indem während des Wicklungsprozesses, die Maschine besser zugänglich gemacht werden könnte.

   Auch wenn die Wicklungen aus Stäben oder vollständigen Spulen bestehen, wäre es wünschenswert, für die Montage einen besseren Zugang zu den Zähnen und insbesondere zu den Schlitzen zwischen diesen Zähnen zu haben.

[0007] Die Erfindung bietet eine Statorkernanordnung mit einem inneren Kern für elektrische Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, um Wicklungen, ausgehend von der konvexen Oberfläche des inneren Kerns, radial nach Aussen aufzubringen, anstatt die Kabel oder Stäbe durch Öffnungen im bereits montierten Stator einzuschieben, um diese in rechteckige Schlitze in einem aus Lamellen zusammengesetzten Kern platzieren zu können. Ausserdem gewährt die erfindungsgemässe Statorkernanordnung während des Montageprozesses einen besseren Zugang zur Maschine um die Wicklungszeit zu minimieren.

   Dazu ist ein innerer Kern vorgesehen, der Zähne aufnimmt, von denen jeder durch eine Mehrzahl Lamellen gebildet ist, und um welche die Wicklungen jeweils angeordnet werden. Ein äusserer Kern wird an den inneren Kern und die Zähne mit den darin angeordneten Wicklungen angebracht, um die Statoranordnung zu vervollständigen.

   Weil der äussere Kern angebracht wird, nachdem die Wicklungen fertiggestellt worden sind, wird eine volle Zugänglichkeit zwischen den Zähnen und den dazwischen angeordneten Wicklungen während des Montageprozesses ermöglicht.

[0008] Die Erfindung sowie deren Gegenstand und deren Vorteile sollen für das Verständnis im Folgenden anhand einer detaillierteren Beschreibung und mit Hilfe einer beispielhaften Ausführungsform näher erläutert werden.
<tb>Fig. 1<sep>zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht eines inneren Kerns / einer Trägerwelle gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;


  <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht einer Zahnanordnung, welche an den inneren Kern / an die Trägerwelle befestigt wird;


  <tb>Fig. 3<sep>zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht eines versteifenden Einsatzes zum axialen Einsetzen zwischen den Zähnen im erfindungsgemäss montierten Statorkern;


  <tb>Fig. 4<sep>zeigt eine perspektivische Ansicht mit einer Mehrzahl von Zähnen, die in eine äussere Peripherie des inneren Kerns / der Trägerwelle eingesetzt sind; und


  <tb>Fig. 5<sep>zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht des zusammengebauten Statorkerns mit einem äusseren Kern, welcher an der äusseren Peripherie der Zähne befestigt ist und ohne die dazugehörigen Wicklungen.

[0009] Die erfindungsgemässe Statoranordnung umfasst einen inneren Kern mit einer aus einem Rohrstück bestehenden Trägerwelle 10, an welcher gestapelte Zähne 12 befestigt sind. Eine beispielshafte Ausführungsform einer derartigen Trägerwelle 10 ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Das Rohrstück 10 besteht aus nicht-leitendem und nicht-magnetischem Material, wie beispielsweise Glasfaser- oder anderen Komposit-Materialien. Eine Mehrzahl gestapelter Zähne 12 wird an dem Rohrstück befestigt, wie nachstehend im Detail beschrieben.

   Zu diesem Zweck ist eine Mehrzahl erster Verbindungsstrukturen 14 vorgesehen, welche im Allgemeinen in axialer Richtung und an der Aussenfläche 16 entlang dem Rohrstück 10 liegen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen diese ersten Verbindungsstrukturen 14 aus schwalbenschwanzförmigen Schlitzen 14, welche in Längsrichtung in die Aussenfläche 16 des Rohrstücks eingearbeitet sind. Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 1 zwölf derartige schwalbenschwanzförmige Schlitze 14, die in das Rohrstück 10 eingearbeitet sind. Die Anzahl der in das Rohrstück eingearbeiteten Schlitze 14 hängt von der Anzahl der Zähne oder Zahnstrukturen 12 ab, welche in dem Rohrstück vorgesehen sind. Im Allgemeinen werden Gruppen von je sechs Zähnen gebildet und sind in einer typischen Anwendung 36 bis 42 Zähne, respektive Schlitze, in der endgültigen Anordnung vorgesehen.

   Das dargestellte Rohrstück mit nur zwölf Schlitzen dient also lediglich zur Veranschaulichung und es versteht sich, dass in den meisten Anwendungen, die Zahl der dargestellten ersten Verbindungsstrukturen, insbesondere der schwalbenschwanzförmigen Schlitze, ein Mehrfaches davon beträgt, und diese zur Aufnahme von Zähnen für die zu fertigende Anordnung vorgesehen sind.

[0010] Es wird deutlich, dass das Rohrstück, dank seiner Struktur und Zusammensetzung, während des Zusammenbaus, einen mechanischen Halt gibt und die Gesamtsteifigkeit der gesamten Wicklungs- und Kernstruktur erhöht. Das Rohrstück kann radial eingebohrte Lüftungsöffnungen oder axial verlaufende Kühlkanäle aufweisen.

   In einer alternativen Ausführungsform kann das Rohrstück aus einem soliden, d.h. unperforierten Stück bestehen, um die Aufnahme von separaten Kühlkreisen für den Stator und den Rotor zu erleichtern.

[0011] Wie oben beschrieben, sind vorgestapelte Zähne 12 an der Aussenflache 16 des Rohrstücks 10 befestigt. Eine beispielshafte vorgestapelte Zahnstruktur 12 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Zähne 12 gleichen bekannten Kernlamellenwerkstücken und sind unabhängig vom Rohrstück aus gestapelten Lamellen 18 vorgefertigt. Diese Anordnung kann entweder mit Hilfe von Kunstharz-Klebern oder mit Hilfe von in axialer Richtung liegenden, nicht-magnetischen Dübeln oder anderen Befestigungsmitteln (nicht dargestellt) erreicht werden. Diese Zahnstruktur 12 kann sich über die gesamte Länge der Maschine erstrecken oder nur einen Teil dieser Länge einnehmen.

   Wenn die Zahnstruktur nur einen Teil der Gesamtlänge der Maschine einnimmt, erweisen sich Versteiferelemente als sinnvoll. Diese werden in axialer Richtung zwischen die Zähne 12 eingefügt.

[0012] Ein beispielhaftes Versteiferelement 20 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Versteiferelement Zahnstücke 22, welche in axialer Richtung mit den vorgestapelten Zähnen 12 ausgerichtet werden, und kreisbogenförmige verbindende Stücke 24, welche sich zwischen den Zahnstücken 22 erstrecken, und radiale Befestigungsstücke 26, welche in die schwalbenschwanzförmigen Schlitze 14 einsetzbar sind oder anderweitig mit der Aussenfläche 16 des Rohrstücks 10 verbindbar sind. Diese Versteiferelemente 20 dienen dazu, die Zähne 12 miteinander zu verbinden und Bewegungen zwischen diesen Zähnen zu verhindern.

   In einer beispielhaften Ausführungsform sind diese Versteiferelemente 20 aus einem nicht-magnetischen Material gefertigt, um einen magnetischen Kurzschluss von Zahn zu Zahn zu vermeiden. Wenn jedoch die verbindenden Stücke 24 genügend klein sind, kann das Versteiferelement 20 auch aus einem magnetischen Material bestehen.

[0013] Wie oben erwähnt, sind die vorgestapelten Zähne 12 unabhängig vom Rohrstück 10 vorgefertigt. Ein Vorteil dieser separaten Fertigung besteht darin, dass die Form der Zähne der jeweiligen Anordnung gemäss ausgebildet werden kann. In der dargestellten Ausführungsform weisen die Zähne eine im Allgemeinen auseinander laufende Form auf, dessen kleinster Umfang an dem radial inneren Ende 28 des Zahnhauptkörpers 30 liegt und dessen grösster Umfang an dem radial äusseren Ende 32 des Zahnhauptkörpers 30 liegt.

   Als Folge davon, können die Zähne einen im Allgemeinen rechteckigen Spalt zwischen sich erzeugen. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform können die Zähne eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen oder können sich entgegen eine, in Fig. 2 dargestellte Richtung, laufende Richtung verjüngen, und/oder können einen oder mehrere Teilbereiche aufweisen, welche sich um einzelne Wicklungen legen können. Die Lamellen 18, aus denen die Zähne 12 gebildet sind, werden vorteilhafterweise aus einem zum Stanzen geeigneten Material gestanzt, um verschiedenste Formgebungen zu ermöglichen. Ebenso kann eine Vielzahl komplementärer Formen für die jeweils ersten und zweiten Verbindungsstrukturen 14, 34 des Rohrstückes 10 und dem radialen inneren Ende 28 des Zahns geschaffen werden.

   Die dargestellte Ausführungsform zeigt einen schwalbenschwanzförmigen Fortsatz 34 am radial inneren Ende 28 des Zahns, welcher in einen korrespondierenden schwalbenschwanzförmigen Schlitz 14 des Rohrstücks 10 einsetzbar ist. Es versteht sich, dass, obwohl die hier dargestellte schwalbenschwanzförmige Struktur bevorzugt wird, die Teile mit dem schwalbenschwanzförmigen Fortsatz und den schwalbenschwanzförmigen Schlitzen vertauscht sein können. Schwalbenschwanzförmige Schlitze und die dazugehörigen Fortsätze können auch alternierend über den Umfang angeordnet sein. Es können auch andere komplementäre geometrische Formen verwendet werden. Eine dritte, am radial äusseren Ende 32 des Zahns 12 vorgesehene Verbindungsstruktur 38 wird für die Verbindung mit einer äusseren Kernkomponente 42 verwendet.

   In der dargestellten Ausführungsform können schwalbenschwanzförmige Schlitze 36 in dem äusseren Kern vorgesehen sein. Dementsprechend weist die Verbindungsstruktur am radial äusseren Ende 32 jedes Zahns vorzugsweise einen korrespondierenden schwalbenschwanzförmigen Fortsatz 38 auf.

[0014] Fig. 4, in welcher die Lamellen, welche die Zähne 12 bilden, aus Klarheitsgründen nicht detailliert dargestellt sind, macht deutlich, dass während dem Wickelvorgang die Wicklungen (nicht dargestellt), zusammen mit anderen notwendigen oder wünschbaren Schlitzträgern, in die einzelnen Wicklungsschlitze 40, welche zwischen den Zähnen 12 liegen, eingelegt werden. Diese Wicklungen können aus Kabeln, Stäben oder vollständigen Spulen bestehen. Wenn erforderlich, können auch Kühlkanäle, Messinstrumente oder Ähnliches in diese Schlitze eingelegt werden.

   Wenn der Wicklungsprozess einmal beendet ist, wird der äussere Kern 42 montiert, um den Aufbau zu vervollständigen. Der äussere Kern 42 besteht, wie die Zähne 12, aus gestapelten, leitenden Lamellen 44, um die äussere Kernstruktur zu bilden. Der äussere Kern 42 kann um den Aussendurchmesser der Zähne montiert werden, entweder, wie in Fig. 5 dargestellt, mit Hilfe der schwalbenschwanzförmigen Verbindungsteile 36, 38, oder mit einer Schrumpfverbindung. In einer weiteren Ausführungsform kann der gewickelte innere Kern in einen vorgestapelten äusseren Kern und eine Rahmenanordnung eingebracht werden.

[0015] Ein wesentlicher Vorteil der oben beschriebenen inneren Kernanordnung besteht in der Möglichkeit, die Wicklungen in einen sich verjüngenden Wicklungsschlitz einzubringen und am äusseren Durchmesserende breitere Wicklungen anbringen zu können.

   Bekannte Konfigurationen erlauben lediglich, die Wicklungen parallel zur Maschinenachse einzuziehen, was zeitaufwändig ist, wenn breitere Wicklungen am äusseren Durchmesserende anzubringen sind. Weil die Zähne 12 und der äussere Kern 42 (Joch) unabhängige Komponenten sind, ist es darüber hinaus möglich, mit der vorliegenden Erfindung verschiedene Körnungsausrichtungen in diesen Komponenten zu schaffen, wobei damit Verluste gegenüber konventionellen Einbuchtungen bei Zähnen und Joch mit gleicher Körnungsausrichtung vermindert werden.

[0016] Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern diese, ohne erfinderisches Dazutun des Fachmanns und ohne den durch die Ansprüche geschützten Gegenstand zu verlassen, in vielfältiger Weise modifiziert werden kann,

   obwohl die Erfindung lediglich anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist.

Claims (15)

1. Eine Statorkernanordnung für eine elektrische Maschine, umfassend: einen inneren Kern (10) mit einer durch diesen führenden Bohrung und eine Vielzahl von ersten Verbindungsstrukturen (14), welche im Allgemeinen in axialer Richtung entlang der Aussenflache (16) des inneren Kerns (10) verlaufen; eine Mehrzahl von Zahnstrukturen (12), wobei jede dieser Zahnstrukturen aus gestapelten Lamellen (18) gebildet ist, und einen Hauptkörper (30), sowie eine zweite, an einem ersten Endbereich (28) des Hauptkörpers (30) ausgebildete Verbindungsstruktur (34) aufweist, welche zweite Verbindungsstruktur (34) komplementär zur ersten Verbindungsstruktur (14) geformt ist, sodass jede der Zahnstrukturen (12) an einer dazugehörigen ersten Verbindungsstruktur (14) des inneren Kerns (10) befestigbar ist, wobei jede dieser Zahnstrukturen (12) von diesem inneren Kern (10) radial nach Aussen ragt,

und damit dazwischenliegende, radial und axial ausgerichtete Schlitze (40) bildet, um Generatorwicklungen aufzunehmen; und einen äusseren Kern (42), welcher an zweiten Endbereichen (32) dieser Zahnstrukturen (12) befestigt ist.

2. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsstruktur (14) entweder einen geformten Fortsatz oder eine geformte Nut umfasst.

3. Anordnung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsstruktur (14) eine schwalbenschwanzförmige Nut aufweist und die zweite Verbindungsstruktur (34) einen schwalbenschwanzförmigen Fortsatz umfasst.

4. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstrukturen (12) in axialer Richtung eine Länge aufweisen, welche kleiner ist, als die Länge des inneren Kerns (10) in axialer Richtung.

5. Anordnung gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Zahnstrukturen (12) entlang jeder der ersten Verbindungsstrukturen (14) in axialer Richtung nebeneinander liegend an der Aussenflache (16) des inneren Kerns respektive Rohrstücks (10) vorgesehen sind.

6. Anordnung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Versteiferelement (20) umfasst, welches zwischen jeder der in axialer Richtung nebeneinander liegenden Zahnstrukturen (12) angeordnet ist.

7. Anordnung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteiferelement (20) aus einem nicht-magnetischen Material besteht.

8. Anordnung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteiferelement (20) eine Mehrzahl kreisbogenförmig voneinander beabstandete Zahnstücke (22) umfasst, welche Zahnstücke über verbindende Stücke (24) miteinander verbunden sind.

9. Anordnung gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes dieser Zahnstücke (22) ein Befestigungsstück an seinem radial inneren Ende aufweist, welches komplementär zur ersten Verbindungsstruktur (14) geformt ist.

10. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kern (10) aus einem nichtmagnetischen Kompositmaterial gefertigt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Kern (42) aus gestapelten Lamellen (44) gebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Statorkernanordnung nach Anspruch 1 umfassend: das Bereitstellen eines inneren Kerns (10) mit einer durch diesen führenden Bohrung und einer Mehrzahl erster Verbindungsstrukturen (14), welche im Allgemeinen in axialer Richtung, entlang einer Aussenflache (16) desselben verlaufen; das Befestigen von mindestens einer Zahnstruktur (12) an jede dieser ersten Verbindungsstrukturen (14), wobei jede dieser Zahnstrukturen (12) radial nach Aussen ragt, und damit dazwischenliegende, radial und axial ausgerichtete Schlitze (40) bildet, um Generatorwicklungsanordnungen aufnehmen zu können; das Ablegen mindestens einer Wicklungsanordnung in jeden dieser Schlitze (40); das Befestigen eines äusseren Kerns (42) an den radial äusseren Enden der Zahnstrukturen (12).

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Kern (42) aus vorgestapelten Lamellen (44) gebildet wird und der daran zu befestigende innere Kern (10) mit Zahnstrukturen (12) in den vorgefertigten äusseren Kern (42) eingefügt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Befestigen ein Montieren von mindestens zwei in axialer Richtung nebeneinander liegenden Zahnstrukturen (12), entlang jeder der ersten Verbindungsstrukturen (14) auf der Aussenflache (16) des inneren Kerns (10), umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieses das Anordnen eines Versteiferelementes (20) zwischen jede der in axialer Richtung nebeneinander liegenden Zahnstrukturen (12) umfasst.