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Die
Erfindung betrifft ein Segment für einen ringförmigen
Stator einer dynamoelektrischen Maschine. Die Erfindung kommt insbesondere
bei sehr großen elektrischen Maschinen zum Einsatz. Als
Beispiel für derartige Maschinen seien Generatoren für Windkraftanlagen,
Gezeitenkraftwerke, Ringmotoren oder Antriebe von Baumaschinen wie
Bagger genannt.
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Die
Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen gewinnt mehr und
mehr an Bedeutung. Entsprechend werden auch immer höhere
Anforderungen an die zur Energiewandlung eingesetzten Komponenten
gestellt. Dies hat beispielsweise zur Folge, dass Generatoren für
Windkraftanlagen ein immer größeres Bauvolumen
erfordern.
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Mit
zunehmender Leistungsklasse werden getriebelose Windenergieanlagen
wettbewerbsfähig im Vergleich zu Anlagen, bei denen ein
mechanisches Getriebe zwischen den vom Wind angetriebenen Rotorblättern
und einem Synchrongenerator geschaltet ist. Hauptvorteil einer solchen
getriebelosen Konstruktion ist der im Vergleich zu Windkraftanlagen
mit Getriebe deutlich einfachere Aufbau. Durch die Einsparung des
Getriebes werden weniger rotierende Maschinenkomponenten benötigt.
Hieraus resultieren ein verminderter Wartungsaufwand und eine erhöhte
Verfügbarkeit der Anlage.
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Insbesondere
sehr große Windkraftanlagen arbeiten in der Regel mit vergleichsweise
niedrigen Drehzahlen. Bei einer getriebelosen Ausführung müssen
derartige Anlagen daher mit sehr großen und schweren Generatoren
ausgestattet werden. Der Durchmesser dieser Maschinen überschreitet
hierbei leicht 4 oder 5 m.
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Durch
die zunehmende Größe der Windkraftgeneratoren,
die die höheren Leistungen dieser Anlagen zwangsläufig
mit sich bringen, wird deren Montage immer schwieriger. Getriebelose
Turbinen von Windkraft- oder auch Gezeitenkraftwerken stellen jedoch
auch große Herausforderungen hinsichtlich Transport und
Logistik.
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Generatoren
für getriebelose Windkraftanlagen sind häufig
mit einem ringförmigen Läufer mit einer Hohlwelle
ausgeführt. Eine derartige elektrische Maschine ist beispielsweise
aus der
WO 2006/032969
A2 bekannt. Diese Schrift offenbart einen Stator, der in
Umfangvorrichtung in mehrere Segmente unterteilt ist. Jedes Statorsegment
umfasst ein schwalbenschwanzförmiges Profil, das in ein
Fenster eines Statorringes eingreift. So wird jeder dieser Sektoren
in axialer Richtung ausziehbar, ohne dass der gesamte Stator abgenommen
werden muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Transport und Montage großer
elektrischer Maschinen zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Segment für einen ringförmigen
Stator einer dynamoelektrischen Maschine mit den Merkmalen nach
Anspruch 1 gelöst. Dieses Segment zeichnet sich dadurch
aus, dass
- – das Segment einen im Wesentlichen
kreisbogenförmigen Querschnitt umfasst,
- – durch Anfügen eines oder mehrerer weiterer Segmente
zu dem Stator ergänzt werden kann,
- – die geschlossene Ringform des Stators durch Trennen
der Segmente voneinander aufhebbar ist und
- – das Segment für jede Phase eines Drehstromsystems
mindestens eine innerhalb des Segmentes geschlossene erste Spule
aufweist, die unabhängig von weiteren Spulen der weiteren
Segmente zur Erzeugung eines ersten Polpaares eines Drehfeldes mit
einem Drehstrom bestrombar sind.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Segment weist einen kreisbogenförmigen
Querschnitt auf, d. h., es stellt einen Teilring des vollringförmigen
Stators dar. Verbindet man das Segment mit mindestens einem weiteren
Segment gleicher oder ähnlicher Bauart, so ergänzen
sich die Teilringe der einzelnen Segmente zu einem Vollring. Der
besagte Stator ist also auftrennbar. Seine hohlzylindrische Form
kann in Umfangsrichtung aufgetrennt werden, so dass beispielsweise
auch einzelne defekte Segmente der zusammengebauten dynamoelektrischen
Maschine zu Wartungs- oder Reparaturzwecken ausgebaut werden können.
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Von
besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass durch die Zerlegbarkeit
des ringförmigen Stators die Hohlzylinderform aufgehoben
werden kann. Zerlegt man den ringförmigen Stator in die
erfindungsgemäßen Segmente, so nimmt der so zerlegte Stator
ein deutlich geringeres Volumen ein als der komplett montierte ringförmige
Stator. Die Hohlzylinderform des Stators ist im zerlegten Zustand
aufgehoben. Hierdurch wird der Transport des Stators und damit der
dynamoelektrischen Maschine zu einem späteren Einsatzort
insbesondere bei sehr großen dynamoelektrischen Maschinen
enorm vereinfacht.
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Erfindungsgemäß umfasst
jedes Segment pro Phase (U, V, W) eines Drehstromsystems mindestens
eine innerhalb des Segmentes geschlossene erste Spule. Somit lässt
sich mit jedem Segment ein Drehfeld erzeugen. Die Spulen der einzelnen Segmente
sind vollkommen unabhängig voneinander bestrombar. Hierdurch
wird die Montage der elektrischen Maschine deutlich vereinfacht.
Es müssen keine elektrischen Verbindungen zwischen den
Spulen der verschiedenen Segmente realisiert werden. Eine elektrische Überbrückung
der einzelnen Segmentgrenzen ist nicht erforderlich.
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Eine
Verbindung der einzelnen Spulen über die Segmentgrenzen
hinweg würde es erforderlich machen, dass die hierfür
verwendeten Spulen nach dem eigentlichen Imprägnierprozess
der Wicklung der dynamoelektrischen Maschine noch nachträglich bei
der Montage von Hand isoliert werden müssen. Auch eine alternative
Vorgehensweise, bei der Halbspulen an den Segmentgrenzen nach dem
Aufbau zusammengelötet werden, bedeutet im Vergleich zu der
hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Lehre einen
sehr viel höheren Montageaufwand. Darüber hinaus
ist eine anschließende Trennung der Segmente, wie sie die
erfindungsgemäße Lösung auf sehr einfache
Art und Weise ermöglicht, nicht zerstörungsfrei
durchführbar. Das einzelne Segment kann als geschlossenes
Funktionselement montiert und zu Reparatur- oder Wartungszwecken
demontiert werden. Anstelle eines kompletten Ständers kann
für eine dynamoelektrische Maschine ein einzelnes Segment
als Ersatzteil vorgehalten werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann
es sich sowohl um einen Generator als auch um einen Motor handeln.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Segmentierung
des Ständers insbesondere bei sehr großen Bohrungsdurchmessern, unabhängig
davon, ob die Maschine in erster Linie für den motorischen
oder generatorischen Einsatz vorgesehen ist.
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Randeffekte
an den Grenzen der Segmente, an die die weiteren Segmente zur Erzeugung
des kompletten ringförmigen Stators angefügt werden müssen,
lassen sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch
reduzieren, dass das Segment für jede Phase des Drehstromsystems
mindestens eine innerhalb des Segmentes geschlossene zweite Spule
aufweist, die unabhängig von den weiteren Spulen der weiteren
Segmente zur Erzeugung eines zweiten Polpaares des Drehfeldes mit
dem Drehstrom bestrombar sind. Da die Spulen des Segmentes nicht über
die Segmentgrenzen hinaus reichen, sind Randeffekte im gewissen
Umfang bezüglich der magnetischen Feldverteilung unumgänglich. Diese
Randeffekte reduzieren sich jedoch mit der Anzahl der Spulen, die
pro Segment und Phase vorgesehen sind.
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Die
zweckmäßigerweise als Umfangswicklung ausgeführten
Wicklungen der Spulen sind in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
als Etagenwicklung angeordnet, so dass sich die Leiter der drei Spulen
eines Polpaares im Bereich der Wickelköpfe überlagern.
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Um
die Unterschiede in Streuung und Widerstand für die drei
Phasen des Drehstromsystems hierbei zu minimieren, alterniert in
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung die Phasenzuordnung eines im
Bereich der Wickelköpfe in radialer Richtung betrachtet außen
liegenden Leiters bei den Spulen des Segmentes.
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Eine
einfache Herstellung eines solchen Segmentes ist hierbei in vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung dadurch gegeben, dass die Etagenwicklung
als Einschicht-Etagenwicklung ausgebildet ist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bilden die Spulen
Spulengruppen, d. h., dass das Segment für jede Phase des
Drehstromsystems und jedes Polpaar mindestens zwei konzentrisch
zueinander angeordnete Spulen aufweist.
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Zur
Erzeugung eines kompletten Stators einer dynamoelektrischen Maschine
sind mindestens zwei Segmente einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
notwendig. In diesem Fall würde jedes Segment einen Kreisbogen
von 180°C aufspannen. Selbstverständlich ist auch
eine Ausführung einer derartigen dynamoelektrischen Maschine
denkbar und von der Erfindung umfasst, bei der mehr als zwei Segmente
zur Erzeugung des ringförmigen Stators aneinandergefügt
werden müssen.
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Vorteilhaft
ist ebenso eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine dynamoelektrische
Maschine mit mindestens zwei Segmenten einer der zuvor beschriebenen
Ausführungsformen als direkt angetriebener Generator für
eine Windkraftanlage oder ein Gezeitenkraftwerk ausgebildet ist.
Derartige Generatoren benötigen ein hohes Bauvolumen, um
aufgrund der niedrigen Drehzahlen, die sich mit den beschriebenen
Antriebskräften erzeugen lassen, eine hohe elektrische
Leistung zu liefern. Ebenfalls vorteilhaft ist der Einsatz einer
elektrodynamischen Maschine mit segmentiertem Ständer entsprechend
einer Ausführungsform der Erfindung in zahlreichen anderen Einsatzbereichen,
die ein großes Drehmoment und damit einen großen
Maschinendurchmesser erforderlich machen.
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Eine
Windkraftanlage mit einer dynamoelektrischen Maschine, deren Ständer
aus einzelnen teilringförmigen Segmenten einer der zuvor
beschriebenen Ausführungsformen gefertigt ist, lässt
sich sehr leicht an ihrem späteren Einsatzort montieren.
Die einzelnen Segmente des Stators können im Vergleich
zu einer kompletten dynamoelektrischen Maschine sehr viel besser
zum Aufbauort z. B. über die Straße, transportiert
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer Segmentes gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
3-dimensionale Ansicht eines Segments gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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3 eine
Windkraftanlage mit einer elektrischen Maschine und einem nach einer
Ausführung der Erfindung gestalteten Stator.
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1 zeigt
ein Schaltbild eines Segmentes 8 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Das Segment 8 umfasst
einen kreisbogenförmigen Querschnitt, was jedoch in der 1 aufgrund
der gewählten Darstellungsform nicht erkennbar ist. So spannt
das Segment 8 derart einen Halbkreis auf, dass dieser mit
einem weiteren Segment zu einem ringförmigen Stator, der
dreidimensional betrachtet eine hohlzylindrische Form aufweist,
kombiniert werden kann.
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Das
Segment 8 umfasst Nuten, in denen Spulen 1–6 zur
Erzeugung eines Drehfeldes angeordnet sind. Diese Spulen 1–6 sind
in Form einer Etagenwicklung angeordnet. So befindet sich an einer linken
Segmentgrenze 12 eine erste Spule 1 für
die Phase U, die sich im Bereich der Wickelköpfe teilweise
mit einer ersten Spule 2 für die Phase V und eine erste
Spule 3 für die Phase W überlappt. Der
Wickelkopf der ersten Spule 1 für die Phase U
ist hierbei, wie aus der gewählten Darstellung jedoch nicht
hervorgeht, in den in radialer Richtung nach außen weisenden
Bereich des Stators gekröpft. Die erste Spule 2 der
Phase V ist ebenfalls in radialer Richtung betrachtet nach außen
gekröpft – jedoch mit einem geringeren Kröpfungswinkel
als die erste Spule 1 der Phase U. Schließlich
ist die erste Spule 3 der Phase V ungekröpft ausgeführt.
Dies hat zur Folge, dass der Wickelkopf der ersten Spule 1 der
Phase U über dem Wickelkopf der ersten Spule 2 der
Phase W liegt, wobei letztgenannter wiederum über dem Wickelkopf der
ersten Spule 3 der Phase V angeordnet ist.
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Das
Segment 8 umfasst für jede Phase U, V, W des Drehstromsystems
darüber hinaus eine zweite Spule 4, 5, 6 und
eine dritte Spule, wobei die dritten Spulen nicht mit Bezugszeichen
versehen sind und an einer rechten Segmentgrenze 13 angeordnet sind.
Die zweiten Spulen 4, 5, 6 sind mit den
ersten Spulen 1, 2, 3 jeweils in Reihe
geschaltet. Analoges gilt für die dritten Spulen. Es ist
zu erkennen, dass die Phasenzuordnung der am stärksten
gekröpften Spule und somit der in radialler Richtung betrachtet
im Wickelkopfbereich außen liegenden Spule über
den Umfang des Segmentes 8 alterniert. So wird bei den ersten
Spulen 1, 2, 3 die am stärksten
gekröpfte Spule von der Phase U belegt. Mit der Phase V
wurde hingegen die ungekröpfte erste Spule 3 belegt,
deren Wickelkopf am meisten zum Statorinneren gewandt ist. Die Spulen 2, 5 der
Phase W liegen stets in der Mitte.
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Durch
die alternierende Phasenzuordnung der Spulen werden Unterschiede
in der Streuung und dem Widerstand der drei Phasen U, V, W minimiert.
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Das
dargestellte Segment 8 besitzt sämtliche notwendigen
Phasenanschlüsse U, V, W und darüber hinaus einen
Anschlusspunkt N für den Nullleiter. Das Segment 8 lässt
sich vollkommen autark bestromen. Eine Stromführung über
die Segmentgrenzen hinweg ist nicht erforderlich. Zur Erzeugung eines
vollständigen Stators kann schlicht ein weiteres Segment 8 der
gezeigten Bauform an die Segmentgrenzen des dargestellten Segmentes 8 angefügt werden.
Auch dieses weitere Segment ist unabhängig von dem hier
dargestellten Segment 8 bestrombar. Sollte eines der Segmente
einen Defekt haben, so ist dieses unabhängig von den weiteren
funktionstüchtigen Segmenten des Stators austauschbar.
Darüber hinaus lässt sich der Stator der dynamoelektrischen
Maschine im zerlegten Zustand sehr viel einfacher transportieren,
da der zerlegte Stator deutlich weniger Volumen einnimmt als der
montierte Stator. Seine hohlzylindrische Form ist durch Zerlegung
in die einzelnen Segmente aufhebbar.
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2 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht eines Segmentes 8 gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung. Auch hier ist zu
erkennen, dass die Spulen der einzelnen Phasen im Bereich der Wickelköpfe 7 übereinander
liegen. Es handelt sich also auch hier um eine Etagenwicklung, die
dadurch realisiert wird, dass die Wickelköpfe 7 einiger
Spulen abgekröpft werden. Bei dem in 1 gezeigten
Segment 8 ist eine Nut pro Pol und Strang vorgesehen. Hingegen
sind bei der Ausführung des Segmentes 8 gemäß 2 drei
Nuten pro Pol und Strang vorgesehen. So wird eine Spulengruppe durch
drei konzentrisch zueinander angeordnete Spulen 9, 10, 11 gebildet.
Auch hier werden die Unterschiede in Streuung und Widerstand für
die drei Phasen U, V, W dadurch minimiert, dass die Zuordnung der äußeren
Spulengruppe zu den Phasen alterniert.
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Die
Wicklung ist als Einschicht-Etagenwicklung ausgeführt.
Dies bedeutet, dass in jeder Nut genau ein Leiter angeordnet ist
und dass die Wickelköpfe 7 der Spulen bzw. Spulengruppen
etagenartig übereinander liegen.
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3 zeigt
eine Windkraftanlage mit einer elektrischen Maschine 14 und
einem nach einer Ausführung der Erfindung gestalteten Stator.
Die elektrische Maschine 14 ist als Hohlwellengenerator
ausgeführt. Auf ein Getriebe wurde hierbei verzichtet,
so dass der Stator der dynamoelektrischen Maschine 14 einen
sehr großen Durchmesser aufweist. Der Stator ist segmentiert
aufgebaut, so dass er durch Aneinanderfügen der einzelnen
Segmente am späteren Einsatzort montiert werden kann. Aufgrund
der vorteilhaften Ausgestaltung dieser Segmente, bei denen es sich
um eine Ausführung gemäß der vorliegenden
Erfindung handelt, gestaltet sich die Montage des Hohlwellengenerators
vergleichsweise einfach. Eine elektrische Verbindung der einzelnen
Segmente untereinander ist zur Bestromung der Spulen der Segmente nicht
notwendig. Hierdurch wird die Montage erheblich vereinfacht, da
elektrische Segmentverbindungen, die im Nachhinein auf der Baustelle
zwischen den Spulen der Segmente gezogen werden, noch aufwändig
isoliert werden müssten. Hingegen besteht der hier dargestellte
Generator aus einzelnen voll elektrisch funktionstüchtigen
Segmenten, bei denen diese Verbindung nicht benötigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/032969
A2 [0006]