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WO2014095322A2 - Stator mit blechpaket einer elektrischen maschine und verfahren zum aufbau - Google Patents

Stator mit blechpaket einer elektrischen maschine und verfahren zum aufbau Download PDF

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WO2014095322A2
WO2014095322A2 PCT/EP2013/075214 EP2013075214W WO2014095322A2 WO 2014095322 A2 WO2014095322 A2 WO 2014095322A2 EP 2013075214 W EP2013075214 W EP 2013075214W WO 2014095322 A2 WO2014095322 A2 WO 2014095322A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stator
laminated core
sheets
positioning means
stator frame
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/075214
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English (en)
French (fr)
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WO2014095322A3 (de
Inventor
Markus Wolf
Hüdai Demirhan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of WO2014095322A2 publication Critical patent/WO2014095322A2/de
Publication of WO2014095322A3 publication Critical patent/WO2014095322A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/028—Fastening stator or rotor bodies to casings, supports, shafts or hubs
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
    • H02K1/185—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to outer stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/24—Casings; Enclosures; Supports specially adapted for suppression or reduction of noise or vibrations

Definitions

  • the invention relates to a stator with laminated core for a large electric machine, e.g. a motor generator for a hydroelectric power plant.
  • the laminated core is located in a stator frame and forms together with this the stator of the electric machine.
  • the stator of a generator generally comprises a laminated core and a stator frame.
  • the laminated core is typically cylindrical in shape and comprises a stack of insulated steel sheets.
  • Each plate is a segment of a circular ring and has slots on the inner diameter to accommodate the stator winding and dovetail slots on the outer diameter.
  • the stator frame has a plurality of ledges connected thereto (e.g., by welding), each ledge having a dovetail profile to give the lamination stack the necessary structural support.
  • each individual lamination is manually loaded into the stator frame by hanging the dovetail slots of the louvers into the corresponding dovetail profiles of the lasts of the stator frame.
  • the sheet stack is compressed by means of long clamping bolts and fixed (pressed). These bolts are arranged parallel to the axis of the stator and extend in corresponding openings of the laminated core (see for example EP2237388A1). These bolts are usually electrically isolated to prevent shorting of the superimposed sheets. This prevents that eddy currents can form in the laminated core, which would reduce the efficiency of the electric machine.
  • the rotor Within the hollow cylinder formed by the laminated core rotates during operation of the electric machine, the rotor. It is located between the laminated core and the rotor of the so-called air gap. To ensure error-free operation, the air gap must be very homogeneous both in the axial direction and in the circumferential direction.
  • this object is usually achieved in that the dovetail bars are attached to the stator frame with high accuracy and high effort. Some of these also have to be reworked after attachment to the stator frame (see for example DE1958296). The exact alignment of the sheets is accomplished by the attached to the stator dovetail bars alone.
  • the clamping bolts have no function with respect to alignment of the sheets and the absorption of the tangential forces during operation and hold only the sheet stack in the axial direction together.
  • the known prior art has the following disadvantages.
  • the alignment of the dovetail bars on the stator frame or the subsequent processing of the same is extremely time consuming and costly. If errors are made, it may be that if it later turns out that the dimensional accuracy of the laminated core is not present, the laminated core must be removed in whole or in part, so that the dovetail bars can be corrected.
  • the inventors have recognized that, if the sheets which are usually punched are provided with means which allow an alignment of the stacked sheets to each other in the plane perpendicular to the stator axis with sufficient accuracy, the dimensional accuracy of the entire laminated core by itself results. Neither the sheets nor the positioning means are supported against the stator frame.
  • the inventors have recognized that in the positioning means according to the invention, an electrical connection between superimposed sheets may result, which may lead to undesirable losses due to eddy currents. It is obvious that in order to avoid this negative effect, the positioning means themselves are made electrically insulating with respect to the sheets.
  • the inventors have recognized, however, that if the positioning means are located on the radially outer edge of the sheets opposite the grooves for receiving the stator winding, the losses are very small and thus negligible. This can be dispensed with a complicated isolation of the positioning means. This is the case when the distance of the positioning means from the radially outer edge of the sheets is not more than 30% of the radial extent of the sheets, preferably not more than 20%.
  • the inventors have further recognized that a sufficiently accurate dimensional accuracy of the laminated core can only be achieved if the number of positioning means per sheet is at least 2. In order not to unnecessarily increase the manufacturing cost, the inventors have recognized that as the optimum in ensuring dimensional stability and minimizing the manufacturing cost, a number of the positioning means per sheet of 2 to 4 results.
  • the inventors have further recognized that the positioning accuracy in the xy direction (perpendicular to the stator axis) of the sheets to each other by the positioning means according to the invention to ensure the dimensional accuracy of the laminated core requires a tolerance not greater than ⁇ 0.02mm, preferably not greater than ⁇ 0.01 mm is. With these measures, the inventors achieve that the laminated core meets the Schlhalttechniksan petitionen. According to the fixation of the laminated core as a whole in the stator frame and the transmission of tangential forces during operation on the stator frame via a number of strips. These strips are inserted into corresponding axially parallel grooves of the laminated core and attached to the stator frame either with suitable claws or welded directly to the stator frame.
  • the solution according to the invention has several advantages over the prior art. On the one hand, clearly fewer strips are sufficient, since the laminated core in the embodiment according to the invention represents a sufficiently rigid body. In the known state of the art, each individual sheet segment must be held by at least one dovetail bar. Since the sheets are stacked in the manner of bricks, even the requirement arises that each sheet must be held by at least two dovetail grooves. The inventors have recognized that in the embodiment according to the invention, the minimum number of strips required is 3, namely for the entire laminated core (not per sheet). With a total of 3 strips in a 120 ° pitch, the laminated core can be fixed in the direction perpendicular to the axis, as a shift of Laminated core in this plane, then no longer possible.
  • each individual strip does not constitute a fixation of the laminated core in the radial direction.
  • the laminated core which heats up during operation, is not hindered by its thermal expansion in the radial direction.
  • stresses in the laminated core are avoided, which have led to considerable difficulties in the past. For example, it has been observed in some cases in the past that the sheet metal layers had deformed wavy by these thermal effects.
  • the independent method claim describes the structure according to the invention of a stator with a stator frame and a laminated core. Further advantageous embodiments of the structure according to the invention will become apparent from the dependent therefrom dependent claims.
  • FIGS. 2a, 2b, 2c each show a section through a part of a
  • Embodiments; and 3 shows a sheet according to the invention in plan view
  • Figures 4a, 4b each have a section through the junction between
  • FIG. 5 shows a section through a stator according to the invention in
  • FIG. 6 is a flowchart for a method according to claim 12.
  • FIG. 7 is a flowchart for a method according to claim 13.
  • the z-direction in this application refers to the axial direction of the stator, which coincides with the rotor axis. Perpendicular to this, the x-y plane, in which the sheets extend, spans.
  • a sheet 10 of a stator in plan view according to the prior art can be seen. It has rectangular recesses 1 1 for inserting the stator winding, openings 12 for performing the clamping bolts and dovetailed recesses 13 for hanging in the corresponding strips which are fixed to the stator frame.
  • FIGS. 2 a, 2 b and 2 c a section parallel to the axis of the stator is schematically illustrated by a region of a laminated core according to the invention which contains the means for positioning the metal sheets relative to one another.
  • the sheets are each designated 10.
  • the positioning means are realized by pins or projections 20 of the sheets, which engage in corresponding openings 21 of the respective overlying sheets.
  • the pins or projections can have any suitable shape in the sheet metal plane. Of course, the arrangement may as well be inverted in the vertical direction.
  • the uppermost layer of the laminated core is expediently made of sheets which have no pins or projections (not shown in the figure).
  • the pins or projections may be together with the sheet of one piece or be embedded in the sheets or glued or soldered.
  • the pins are markedly smaller than the corresponding openings drawn for better visibility. In reality, of course, the best possible fit must be sought in order to achieve the tolerances mentioned in claim 6.
  • the positioning means are realized by inserts 30 whose extent in the direction of the stator axis (z) is not more than twice the sheet thickness, if the inserts each penetrate exactly two sheets lying one above the other. If the inserts penetrate more than two sheets, then the expansion of the inserts in the z-direction must be adjusted accordingly.
  • the inserts in Figure 2b are located in corresponding recesses of two superimposed sheets. In the sheet plane, the inserts may have any suitable shape. It is conceivable that the deposits fulfill an additional functonality. You can e.g. be hollow and designed as cooling channels for the laminated core.
  • Figure 2c shows a particularly advantageous embodiment of the positioning means as rods or strips 40, which are located in the corresponding openings of the sheets.
  • the profile of the bars or strips in sheet metal plane can be of any suitable shape. Particularly useful and inexpensive are round rods.
  • the individual bars or strips can penetrate both in one piece the entire height of the laminated core, as itself also extend only over a portion of the height of the laminated core. In the latter case, the bars or strips can then be stacked in sections one above the other, it being expedient that not all joints of the superimposed bars or strips are at the same height or in the same sheet metal position, otherwise the positioning of the sheets relative to each other in this level is no longer guaranteed.
  • optionally provided in the upper pressure plates a recess which allows the sticks or strips in the pressed state of the laminated core over the top sheet metal layer beyond.
  • FIG. 3 shows a sheet metal 10 according to the invention with the openings 50 for the bars or strips of the positioning means according to the embodiment of FIG. 2c with round bars.
  • the openings are according to the invention in the region of the sheets with respect to the recesses 1 1 for inserting the stator winding. It can be seen that the distance of the openings 50 from the outer edge of the sheet (compared to the recesses 1 1) is not significantly less than 20% of the radial extent of the sheet.
  • the recess 51 serves to receive a bar, which causes the connection of the laminated core to the stator frame. This recess does not have to be provided in every sheet. However, it can also be provided several recesses 51 per sheet, depending on the design of the entire electrical machine requires.
  • the openings 12 in turn serve to carry out the clamping bolt.
  • FIG. 4 a shows a horizontal section through a connection point between a laminated core 60 according to the invention and the stator frame 61 in plan view shown.
  • the strip 62 is located in an axis-parallel groove, which are formed by the recesses 51 in the superimposed sheets.
  • the groove has a rectangular profile (claim 9).
  • the bar 62 is held by a bracket 63 which is fixed to the stator frame 61.
  • a direct attachment of the bar 62 on the stator frame, for example by welding is also possible. It is also conceivable to attach the strips to the frame by means of a mechanism that allows the strips with the help of eg adjusting screws relative to the laminated core align and fix.
  • FIG. 4 a shows a horizontal section through a connection point between a laminated core 60 according to the invention and the stator frame 61 in plan view shown.
  • the strip 62 is located in an axis-parallel groove, which are formed by the recesses 51 in the superimposed sheets.
  • the groove in the laminated core and the clamp 63 form a guide of the strip 62.
  • the bar can move in the radial direction. This is made possible by the rectangular profile of the groove.
  • the space available for this movement is determined by the gap between the bracket and the bar and between the laminated core and the bar.
  • the gaps will be designed according to the size of the expected thermal expansion of the laminated core during operation. But it can just as well be provided no gaps or only a gap on one side of the bar.
  • the column (s) are filled with an elastic material in order to avoid possible interfering vibrations and associated noises, and nevertheless to provide the required latitude for the thermal expansion.
  • FIG. 4b shows the same section as FIG. 4a, but the groove in the laminated core has a profile which has the tapering from outside to inside mentioned in claim.
  • the strip 62 then has a corresponding wedge-shaped profile.
  • the advantage of this embodiment is that in this way the laminated core can be fastened very easily (low tolerance requirements) and thereby securely on the stator frame. This embodiment is particularly suitable when thermal deformations during operation are not to be expected.
  • FIG. 5 shows a section in highly schematic representation through a stator according to the invention with the laminated core 60, the stator frame 61, the strips 62 and the clamps 63. It shows the holder of the Sheet metal package 60 in the stator frame 61 with only 3 strips 62.
  • the number of strips 62 and brackets 63 could be increased to 6 very easily, which could then be carried out correspondingly easier, since the forces distributed over more elements.
  • the optimum will certainly depend on the respective machine requirements and the overall design.
  • a major advantage of the solution according to the invention lies in the high flexibility and the associated increase in design flexibility.
  • FIG. 6 shows a flow diagram for the method of claim 12.
  • V1 designates the manufacture of the sheets.
  • V2 indicates the provision of the stator frame.
  • V3 denotes the stacking of the laminated core.
  • the positioning means are provided before V3. These are essentially openings in the sheets which are applied during punching or cutting of the sheets, and by further means e.g. Bolts, tenons or other inserts that engage in these openings. If these other means are firmly connected to the sheets (such as the pins or projections of Figure 2a), they will be conveniently fabricated together with the sheets. In the other case, these parts can also be manufactured at other times and places. However, they must be available together with the sheets at the time of laminating the laminated core (V3).
  • the positioning means are used which, according to the invention, are not supported directly on the stator frame, but instead hold metal sheets lying one above the other in position relative to the alignment in the x-y plane.
  • V4 denotes the pressing of the laminated core
  • FIG. 7 shows a flow diagram for the method of claim 13.
  • V1, V2 and V4 denote the same processes as in FIG. 6.
  • V3a denotes the stacking and alignment of a sub-stack of sheets and V3b the stacking-up of the remaining sheets to the complete stack of sheets.
  • FIG. 8 shows a flow diagram for the method of claim 13.
  • V1, V2, V3a and V3b denote the same operations as in Fig. 7.
  • V4a refers to the insertion of strips in radially outwardly located grooves of the laminated core and attaching them to the stator frame.
  • V4b denotes the pressing of the laminated core.
  • the operations V4a and V4b can also be done optionally in reverse order.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine große elektrische Maschine mit - einem Statorrahmen und einem Blechpaket bestehend aus einer Vielzahl von übereinandergestapelten Blechen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche relativ zueinander bezüglich der Ebene senkrecht zur Statorachse mit Hilfe von Mitteln in Position gehalten werden, die sich nicht unmittelbar gegenüber dem Statorrahmen abstützen, und dass das Blechpaket mit wenigstens 3 achsparallel verlaufenden Leisten am Statorrahmen zur Aufnahme von tangentialen Kräften gehalten wird.

Description

Stator mit Blechpaket einer elektrischen Maschine und Verfahren zum Aufbau
Die Erfindung betrifft einen Stator mit Blechpaket für eine große elektrische Maschine z.B. einen Motorgenerator für ein Wasserkraftwerk. Das Blechpaket befindet sich dabei in einem Statorrahmen und bildet zusammen mit diesem den Stator der elektrischen Maschine.
Statoren mit Blechpaketen für große elektrische Maschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In der US6448686B1 wird z.B. ausgeführt (Spalte 1 ab Zeile 9), dass der Stator eines Generators im Allgemeinen ein Blechpaket und einen Statorrahmen umfasst. Das Blechpaket hat typischerweise eine zylindrische Gestalt und umfasst einen Stapel von isolierten Stahlblechen. Jedes Blech ist ein Segment eines Kreisringes und hat Schlitze auf dem inneren Durchmesser, um die Statorwicklung aufzunehmen, und schwalbenschanzförmige Schlitze auf dem äußeren Durchmesser. Der Statorrahmen besitzt eine Vielzahl von Leisten, die mit diesem verbunden sind (z.B. durch Schweißen), wobei jede Leiste ein Schwalbenschwanzprofil aufweist, um dem Blechpaket den notwendigen konstruktiven Halt zu geben. Während dem Stapeln des Blechpakets wird jedes einzelne Blech manuell in den Statorrahmen eingelegt, indem die schwalbenschwanzformigenen Schlitze der Bleche in die entsprechenden Schwalbenschwanzprofile der Leisten des Statorrahmens eingehängt werden.
Nachdem das Blechpaket vollständig aufgestapelt worden ist, wird der Blechstapel mit Hilfe von langen Spannbolzen komprimiert und fixiert (gepresst). Diese Bolzen sind parallel zur Achse des Stators angeordnet und verlaufen in entsprechenden Öffnungen des Blechpaketes (siehe z.B. die EP2237388A1 ). Diese Bolzen sind in der Regel elektrisch isoliert, um ein Kurzschließen der übereinanderliegenden Bleche zu verhindern. Damit wird verhindert, dass sich Wirbelströme im Blechpaket bilden können, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine herabsetzen würden. Innerhalb des durch das Blechpaket gebildeten Hohlzylinders rotiert während dem Betrieb der elektrischen Maschine der Rotor. Dabei befindet sich zwischen dem Blechpaket und dem Rotor der sogenannte Luftspalt. Um einen fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten, muss der Luftspalt sowohl in Achsrichtung als auch in Umfangsrichtung sehr homogen sein. Dies kann nur erreicht werden, wenn das Blechpaket sehr genau aufgeschichtet wird. Das betrifft sowohl die Ausrichtung des Blechpakets in Achsrichtung als auch seine Rundheit. Außerdem werden während dem Betrieb hauptsächlich tangentiale Kräfte auf die Statorwicklung und damit auf das Blechpaket übertragen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Schwalbenschwanzleisten stellen die Verbindung des Blechpakets zum Stator her und müssen diese Kräfte während dem Betrieb aufnehmen.
Im bekannten Stand der Technik wird diese Aufgabe zumeist dadurch gelöst, dass die Schwalbenschwanzleisten mit hoher Genauigkeit und hohem Aufwand an den Statorrahmen befestigt werden. Diese müssen zum Teil auch noch nach der Befestigung am Statorrahmen nachbearbeitet werden (siehe z.B. die DE1958296). Dabei wird die genaue Ausrichtung der Bleche durch die an den Stator befestigten Schwalbenschwanzleisten allein bewerkstelligt. Die Spannbolzen haben keine Funktion bezüglich Ausrichtung der Bleche und der Aufnahme der tangentialen Kräfte während dem Betrieb und halten lediglich den Blechstapel in Achsrichtung zusammen.
Der bekannte Stand der Technik hat dabei die folgenden Nachteile. Die Ausrichtung der Schwalbenschwanzleisten am Statorrahmen bzw. die nachträgliche Bearbeitung derselben ist extrem zeit- und kostenintensiv. Werden hierbei Fehler gemacht, so kann es sein, dass wenn sich später herausstellt, dass die Maßhaltigkeit des Blechpaketes nicht gegeben ist, das Blechpaket ganz oder zum Teil entfernt werden muss, damit die Schwalbenschwanzleisten korrigiert werden können. Hinzu kommen noch die Kosten für die aufwändige Messtechnik zur Kontrolle der Maßhaltigkeit.
Die Erfinder beschreiten nun zur Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes und der Aufnahme der tangentialen Kräfte während des Betriebes einen vollständig anderen, neuen und zweckmäßigen Weg. Die Erfinder haben sich dabei von dem erfinderischen Gedanken leiten lassen, die genannte doppelte Funktion der aus dem Stand der Technik bekannten Schwalbenschwanzleisten zu separieren und jede der beiden Teilfunktionen aufeinander aufbauend auf neue Weise zu implementieren. Dabei wurde von den Erfindern die Aufgabe der Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes als primäre Aufgabe angesehen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Stator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe der Aufnahme der tangentialen Kräfte wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den zusätzlichen kennzeichnenden Merkmalen des abhängigen Anspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stators ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfinder haben erkannt, dass, wenn die Bleche, die in der Regel gestanzt werden, mit Mitteln versehen werden, die eine Ausrichtung der übereinandergestapelten Bleche zueinander in der Ebene senkrecht zur Statorachse mit hinreichender Genauigkeit erlauben, sich die Maßhaltigkeit des gesamten Blechpaketes dadurch von selbst ergibt. Dabei stützen sich weder die Bleche noch die Positionierungsmittel gegenüber dem Statorrahmen ab.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich bei den erfindungsgemäßen Positionierungsmitteln eine elektrische Verbindung zwischen übereinanderliegenden Blechen ergeben kann, was zu unerwünschten Verlusten durch Wirbelströme führen kann. Es ist naheliegend, dass zur Vermeidung dieses negativen Effektes die Positionierungsmittel selbst elektrisch isolierend bezüglich den Blechen ausgeführt werden. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass wenn sich die Positionierungsmittel am radial äußeren Rand der Bleche gegenüber den Nuten zur Aufnahme der Statorwicklung befinden, die Verluste sehr klein werden und damit vernachlässigbar sind. Damit kann auf eine aufwändige Isolation der Positionierungsmittel verzichtet werden. Das ist dann der Fall, wenn der Abstand der Positionierungsmittel vom radial äußeren Rand der Bleche nicht mehr als 30% der radialen Ausdehnung der Bleche, vorzugsweise nicht mehr als 20% beträgt. Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass eine ausreichend genaue Maßhaltigkeit des Blechpaketes nur erreicht werden kann, wenn die Anzahl der Positionierungsmittel pro Blech mindestens 2 beträgt. Um die Herstellungskosten nicht unnötig zu erhöhen, haben die Erfinder erkannt, dass sich als das Optimum bzgl. Sicherstellung der Maßhaltigkeit und Minimierung der Herstellungskosten eine Anzahl der Positionierungsmittel pro Blech von 2 bis 4 ergibt.
Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass die Positionierungsgenauigkeit in x-y- Richtung (senkrecht zur Statorachse) der Bleche zueinander durch die erfindungsgemäßen Positionierungsmittel zur Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes eine Toleranz erfordert, die nicht größer als ±0.02mm, vorzugsweise nicht größer als ±0.01 mm ist. Mit diesen Maßnahmen erreichen die Erfinder, dass das Blechpaket die Maßhaltigkeitsanforderungen erfüllt. Erfindungsgemäß erfolgt die Fixierung des Blechpaketes als Ganzes im Statorrahmen und die Übertragung der tangentialen Kräfte während des Betriebes auf den Statorrahmen über eine Anzahl von Leisten. Diese Leisten werden in entsprechende achsparallele Nuten des Blechpakets eingelegt und am Statorrahmen entweder mit geeigneten Klauen befestigt oder direkt an den Statorrahmen angeschweißt. Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Zum einen genügen deutlich weniger Leisten, da das Blechpaket in der erfindungsgemäßen Ausführung einen hinreichend starren Körper darstellt. Beim bekannten Stand der Technik muss jedes einzelne Blechsegment von mindestens einer Schwalbenschwanzleiste gehalten werden. Da die Bleche in der Art von Mauerziegeln übereinander geschichtet werden, ergibt sich sogar die Anforderung, dass jedes Blech von mindestens zwei Schwalbenschwanznuten gehalten werden muss. Die Erfinder haben erkannt, dass in der erfindungsgemäßen Ausführung die minimale Anzahl der benötigten Leisten 3 beträgt und zwar für das gesamte Blechpaket (nicht pro Blech). Mit insgesamt 3 Leisten in einer 120° Teilung kann das Blechpaket in der Richtung senkrecht zur Achse fixiert werden, da eine Verschiebung des Blechpaketes in dieser Ebene, dann nicht mehr möglich ist. Es können jedoch ebenso gut mehr als diese minimale Anzahl von Leisten verwendet werden, je nach den Erfordernissen des jeweiligen Maschinendesigns. Da die erfindungsgemäßen Leisten nicht mehr der Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Blechpaketes dienen, können sowohl die Leisten als auch die korrespondierenden Nuten im Blechpaket mit sehr viel geringeren Toleranzanforderungen gefertigt werden. Ein weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung mit einem rechteckigen Nutprofil liegt in der Tatsache, dass jede einzelne Leiste für sich keine Fixierung des Blechpaketes in radialer Richtung darstellt. Dadurch wird das Blechpaket, das sich während dem Betrieb erwärmt, nicht an seiner thermischen Ausdehnung in radialer Richtung gehindert. So werden Spannungen im Blechpaket vermieden, die in der Vergangenheit zu erheblichen Schwierigkeiten geführt haben. Zum Beispiel wurde in einigen Fällen in der Vergangenheit beobachtet, dass sich die Blechlagen durch diese thermischen Effekte wellenförmig verformt hatten.
Der unabhängige Verfahrensanspruch beschreibt den erfindungsgemäßen Aufbau eines Stators mit einem Statorrahmen und einem Blechpaket. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stators einer großen elektrischen Maschine werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 ein Blech in Draufsicht gemäß dem Stand der Technik; und Figur 2a, 2b, 2c jeweils einen Schnitt durch einen Teil eines
erfindungsgemäßen Blechpaketes in verschiedenen
Ausführungsformen; und Figur 3 ein erfindungsgemäßes Blech in Draufsicht; und
Figur 4a, 4b jeweils einen Schnitt durch die Verbindungsstelle zwischen
Blechpaket und Statorrahmen eines erfindungsgemäßen
Stators in Draufsicht in verschiedenen Ausführungsformen; und
Figur 5 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator in
Draufsicht; und
Figur 6 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren nach Anspruch 12; und
Figur 7 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren nach Anspruch 13; und
Figur 8 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren nach Anspruch 14
Soweit nicht anders genannt, bezeichnet die z-Richtung in dieser Anmeldung die Achsrichtung des Stators, die mit der Rotorachse zusammenfällt. Senkrecht dazu spannt sich die x-y-Ebene auf, in der sich die Bleche erstrecken.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Blech 10 eines Stators in Draufsicht gemäß dem Stand der Technik zu erkennen. Es besitzt rechteckige Aussparungen 1 1 zum Einlegen der Statorwicklung, Öffnungen 12 zum Durchführen der Spannbolzen und Schwalbenschwanzförmige Aussparungen 13 zum Einhängen in die entsprechenden Leisten, die am Statorrahmen befestigt sind.
In der Darstellung der Figuren 2a, 2b und 2c ist jeweils schematisch ein Schnitt parallel zur Achse des Stators durch einen Bereich eines erfindungsgemäßen Blechpaketes dargestellt, das die Mittel zur Positionierung der Bleche relativ zueinander enthält. Die Bleche sind jeweils mit 10 bezeichnet. In Figur 2a werden dabei die Positionierungsmittel durch Zapfen bzw. Vorsprünge 20 der Bleche realisiert, die in entsprechende Öffnungen 21 der jeweils darüber liegenden Bleche greifen. Die Zapfen bzw. Vorsprünge können dabei in der Blechebene eine beliebige geeignete Form haben. Natürlich kann die Anordnung genauso gut in vertikaler Richtung invertiert ausgeführt werden. Im dargestellten Beispiel wird die oberste Lage des Blechpaketes zweckmäßigerweise aus Blechen ausgeführt werden, die keine Zapfen bzw. Vorsprünge aufweisen (ist nicht in der Figur dargestellt). Die Zapfen bzw. Vorsprünge können dabei zusammen mit dem Blech aus einem Stück sein oder aber in die Bleche eingelassen oder aufgeklebt oder angelötet sein. In der Figur sind die Zapfen zur besseren Kenntlichkeit deutlich kleiner als die zugehörigen Öffnungen gezeichnet. In Realität muss natürlich eine möglichst gute Passung erstrebt werden, um die in Anspruch 6 genannten Toleranzen zu erreichen.
In Figur 2b werden die Positionierungsmittel durch Einlagen 30 realisiert, deren Ausdehnung in Richtung der Statorachse (z) nicht mehr als die doppelte Blechstärke beträgt, falls die Einlagen jeweils genau zwei übereinander liegende Bleche durchdringen. Durchdringen die Einlagen mehr als zwei Bleche, dann ist die Ausdehnung der Einlagen in z-Richtung entsprechend anzupassen. Die Einlagen in Figur 2b befinden sich in entsprechenden Aussparungen von zwei übereinander liegenden Blechen. In der Blechebene können die Einlagen eine beliebige geeignete Form haben. Es ist dabei denkbar, dass die Einlagen eine zusätzliche Funktonalität erfüllen. Sie können z.B. hohl und als Kühlkanäle für das Blechpaket ausgeführt sein.
Figur 2c zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Positionierungsmittel als Stäbe bzw. Leisten 40, die sich in den entsprechenden Öffnungen der Bleche befinden. Das Profil der Stäbe bzw. Leisten in Blechebene kann dabei von beliebiger geeigneter Form sein. Besonders zweckmäßig und kostengünstig sind Rundstäbe. Die einzelnen Stäbe bzw. Leisten können dabei sowohl in einem Stück die gesamte Höhe des Blechpakets durchdringen, als sich auch jeweils nur über einen Teil der Höhe des Blechpakets erstrecken. Im letzten Fall können die Stäbe bzw. Leisten dann in Teilstücken übereinander gestapelt sein, wobei es zweckmäßig ist, dass sich nicht alle Stoßstellen der übereinanderliegenden Stäbe bzw. Leisten auf derselben Höhe bzw. in derselben Blechlage befinden, da sonst die Positionierung der Bleche relativ zueinander in dieser Ebene nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem ist in dieser Ausführungsform gegebenenfalls in den oberen Pressplatten eine Aussparung vorzusehen, die ein Überstehen der Stäbe bzw. Leisten im gepressten Zustand des Blechpakets über die oberste Blechlage hinaus ermöglicht.
Neben den in den Figuren 2a, 2b und 2c gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionierungsmittel sind natürlich noch weitere Formen im Rahmen der Ansprüche 1 bis 6 denkbar. Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Blech 10 mit den Öffnungen 50 für die Stäbe bzw. Leisten der Positionierungsmittel gemäß der Ausführungsform aus Figur 2c mit Rundstäben. Die Öffnungen befinden sich erfindungsgemäß im Bereich der Bleche gegenüber den Aussparungen 1 1 zum Einlegen der Statorwicklung. Es ist zu erkennen, dass der Abstand der Öffnungen 50 vom äußeren Blechrand (gegenüber den Aussparungen 1 1 ) nicht deutlich weniger als 20% der radialen Ausdehnung des Bleches beträgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Öffnungen 50 den Rand der Bleche berühren, so dass die Öffnungen Teil der äußeren Blechbegrenzung sind (d.h. die Öffnungen sind nicht mehr vollständig vom Blech umgeben). Die Aussparung 51 dient zur Aufnahme einer Leiste, die die Verbindung des Blechpaketes mit dem Statorrahmen bewirkt. Diese Aussparung muss nicht in jedem Blech vorgesehen sein. Es können jedoch auch mehrere Aussparungen 51 pro Blech vorgesehen sein, je nachdem es die Auslegung der gesamten elektrischen Maschine erfordert. Die Öffnungen 12 dienen wiederum zum Durchführen der Spannbolzen.
In Figur 4a ist ein horizontaler Schnitt durch eine Verbindungsstelle zwischen einem erfindungsgemäßem Blechpaket 60 und dem Statorrahmen 61 in Draufsicht dargestellt. Die Leiste 62 befindet sich in einer achsparallelen Nut, die durch die Aussparungen 51 in den übereinanderliegenden Blechen gebildet werden. Die Nut besitzt ein rechteckiges Profil (Anspruch 9). Auf der Statorseite wird die Leiste 62 durch eine Klammer 63 gehalten, die am Statorrahmen 61 befestigt ist. Eine direkte Befestigung der Leiste 62 am Statorrahmen z.B. durch Schweißen ist ebenfalls möglich. Ebenfalls ist es denkbar die Leisten am Rahmen mit Hilfe einer Mechanik zu befestigen, die es erlaubt die Leisten mit Hilfe z.B. von Einstellschrauben relativ zum Blechpaket auszurichten und zu fixieren. In der Ausführungsform von Figur 4a ist zu erkennen, dass die Nut im Blechpaket und die Klammer 63 eine Führung der Leiste 62 bilden. In dieser Führung kann sich die Leiste in radialer Richtung bewegen. Dies wird durch das rechteckige Profil der Nut ermöglicht. Der Spielraum der für diese Bewegung zur Verfügung steht, wird über die Spalte zwischen Klammer und Leiste und zwischen Blechpaket und Leiste festgelegt. Zweckmäßigerweise werden die Spalte gemäß der Größe der zu erwartenden thermischen Ausdehnung des Blechpakets im Betrieb ausgelegt werden. Es können aber genauso gut gar keine Spalte oder nur ein Spalt auf einer Seite der Leiste vorgesehen sein. Ebenso ist es denkbar, dass der bzw. die Spalte mit einem elastischen Material ausgefüllt werden, um mögliche störende Vibrationen und damit verbundene Geräusche zu vermeiden, und trotzdem den benötigten Spielraum für die thermische Ausdehnung zur Verfügung zu stellen.
Figur 4b zeigt denselben Schnitt wie Figur 4a jedoch zeigt die Nut im Blechpaket ein Profil, das die in Anspruch 8 genannte Verjüngung von außen nach innen aufweist. Die Leiste 62 weist dann ein entsprechendes keilförmiges Profil auf. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass auf diese Weise das Blechpaket sehr einfach (geringe Toleranzanforderungen) und dabei sicher am Statorrahmen befestigt werden kann. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere dann an, wenn mit thermischen Verformungen im Betrieb nicht zu rechnen ist. In Figur 5 ist ein Schnitt in stark schematisierter Darstellung durch einen erfindungsgemäßen Stator mit dem Blechpaket 60, dem Statorrahmen 61 , den Leisten 62 und den Klammern 63 zu erkennen. Es zeigt die Halterung des Blechpaketes 60 im Statorrahmen 61 mit nur 3 Leisten 62. In der gezeigten Ausführungsform könnte die Anzahl der Leisten 62 und Klammern 63 sehr leicht auf 6 erhöht werden, die dann entsprechend leichter ausgeführt werden könnten, da sich die Kräfte auf mehr Elemente verteilt. Das jeweilige Optimum wird sicher von den jeweiligen Maschinenanforderungen und dem Gesamtdesign abhängen. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der hohen Flexibilität und der damit verbundenen Vergrößerung des Designspielraums.
In Figur 6 ist ein Ablaufdiagramm für das Verfahren von Anspruch 12 dargestellt. Mit V1 ist das Fertigen der Bleche bezeichnet. V2 bezeichnet das Bereitstellen des Statorrahmens. V3 bezeichnet das Aufschichten des Blechpakets. Erfindungsgemäß werden die Positionierungsmittel vor V3 bereitgestellt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Öffnungen in den Blechen, die beim Stanzen oder Schneiden der Bleche appliziert werden, und um weitere Mittel z.B. Bolzen, Zapfen oder andere Einlagen, die in diese Öffnungen eingreifen. Falls sich diese weiteren Mittel in fester Verbindung zu den Blechen befinden (wie z.B. die Zapfen bzw. Vorsprünge aus Figur 2a), so werden diese zweckmäßigerweise zusammen mit den Blechen gefertigt. Im anderen Fall können diese Teile auch zu anderer Zeit und anderen Orten gefertigt werden. Sie müssen jedoch zum Zeitpunkt des Aufschichtens des Blechpakets (V3) zusammen mit den Blechen verfügbar sein. In V3 werden die Positionierungsmittel eingesetzt, die sich erfindungsgemäß nicht unmittelbar am Statorrahmen abstützen, sondern jeweils übereinander liegende Bleche zueinander bezüglich der Ausrichtung in x-y-Ebene in Position halten. V4 bezeichnet das Pressen des Blechpakets.
In Figur 7 ist ein Ablaufdiagramm für das Verfahren von Anspruch 13 dargestellt. V1 , V2 und V4 bezeichnen dieselben Vorgänge wie in Figur 6. V3a bezeichnet das Aufschichten und Ausrichten eines Teilstapels von Blechen und V3b das Aufstapeln der restlichen Bleche zum kompletten Blechpaket.
In Figur 8 ist ein Ablaufdiagramm für das Verfahren von Anspruch 13 dargestellt. V1 , V2, V3a und V3b bezeichnen dieselben Vorgänge wie in Figur 7. V4a bezeichnet das Einfügen von Leisten in radial außen befindliche Nuten des Blechpaketes und das Befestigen derselben am Statorrahmen. V4b bezeichnet das Pressen des Blechpaketes. Die Vorgänge V4a und V4b können auch optional in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1 . Stator mit einem Statorrahmen und einem Blechpaket, welches mehrere Bleche enthält, wobei die Bleche in mehreren sich in x-y-Richtung erstreckenden Blechebenen angeordnet und die Blechebenen übereinander in z-Richtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Positionierungsmittel vorgesehen sind, mittels denen zumindest einige der übereinander gestapelten Bleche verschiedener Blechebenen in x-y- Richtung relativ zueinander in Position gehalten werden und sich die Positionierungsmittel nicht unmittelbar am Statorrahmen abstützen.
2. Stator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Positionierungsmittel zumindest ein Element umfasst, welches sich in z- Richtung zumindest von einem ersten zu einem zweiten der in Position zu haltenden Blechen erstreckt.
3. Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Positionierungsmittel vorgesehen ist, welches in zumindest zwei der in Position zu haltenden, übereinander gestapelten Blechen jeweils zumindest eine Öffnung umfasst sowie einen Bolzen, welcher jeweils übereinander angeordnete Öffnungen der übereinander gestapelten Bleche durchgreift.
4. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Positionierungsmittel vom radial äußeren Rand der Bleche nicht mehr als 30% der radialen Ausdehnung der Bleche, vorzugsweise nicht mehr als 20% beträgt.
5. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Positionierungsmittel pro Blech mindestens 2, vorzugsweise 2 bis 4 beträgt.
6. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionstoleranz der Positionierungsmittel in x-y-Richtung nicht größer ist als ±0.02mm, vorzugsweise nicht größer ist als ±0.01 mm.
7. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket an der radial äußeren Seite wenigstens 3 Nuten besitzt, die im Wesentlichen achsparallel verlaufen.
8. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die achsparallelen Nuten ein Profil aufweisen, das sich vom radial außen liegenden Rand her nach innen hin verjüngt.
9. Stator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die achsparallelen Nuten ein rechteckiges Profil aufweisen.
10. Stator nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den achsparallelen Nuten Leisten befinden, die am Statorrahmen befestigt sind.
1 1 . Stator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leisten am Statorrahmen mit Klammern gehalten werden.
12. Verfahren zum Aufbau eines Stators mit einem Statorrahmen und einem Blechpaket, enthaltend die Schritte: Fertigen der Bleche, Bereitstellen des Statorrahmens, Aufschichten des Blechpakets, Pressen des Blechpakets, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufschichten des Blechpakets Positionierungsmittel bereitgestellt werden, mit denen die Bleche relativ zu einander in x-y-Richtung in Position gehalten werden können, und dass beim Aufschichten des Blechpakets diese Positionierungsmittel eingesetzt werden frei von einer unmittelbaren Abstützung am Statorrahmen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorrahmen zunächst ein Teilstapel von mindestens zwei Lagen Blechen aufgestapelt wird, dessen Lage senkrecht zur Achse relativ zum Statorrahmen mit geeigneten Mitteln ausgerichtet wird. Danach wird das Blechpaket komplett aufgestapelt und gepresst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Pressen des Blechpaketes Leisten in radial außen befindlichen Nuten des Blechpaketes eingelegt werden und diese vor oder nach dem Pressen am Statorrahmen befestigt werden.
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