-
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Generator einer Windturbine, der eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Statorsegmenten umfasst, die eine allgemein ringförmige Struktur bilden, wobei jedes Statorsegment ein Basiselement und eine Mehrzahl von radialen Vorsprüngen aufweist, die von dem Basiselement radial nach außen vorstehen und dafür ausgelegt sind, leitfähige Wicklungen zu halten.
-
Heutzutage können elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren von Windturbinen, eine beträchtliche Größe mit Durchmessern bis zu mehreren Metern haben. Da es relativ schwierig ist, Bauteile dieser Größenordnung in einem Gießprozess in einem Stück zu fertigen, werden im Allgemeinen strukturelle Elemente wie Statoren aus kleineren Bauteilen zusammengesetzt. Die kleineren Bauteile sind in einer Gießform einfach herzustellen.
-
Die ringförmige Struktur eines herkömmlichen Stators, insbesondere für einen Generator einer Windturbine, wird üblicherweise aus einer Mehrzahl von Statorsegmenten aufgebaut, die durch Bolzen miteinander verbunden werden. Jedes Statorsegment weist ein Basiselement auf, das sich über einen Abschnitt der ringförmigen Struktur des Stators erstreckt. Eine Mehrzahl von radialen Vorsprüngen steht von dem Basiselement radial nach außen vor. Die radialen Vorsprünge sind dafür ausgelegt, leitfähige Wicklungen zu halten, die in Schlitzen oder Zwischenräumen angeordnet sind, welche durch aufeinander folgende radiale Vorsprünge definiert werden.
-
Es bedeutet eine technische Herausforderung, dem Stator, der aus miteinander verbundenen Statorsegmenten zusammengesetzt ist, eine genügende mechanische Stabilität zu verleihen, um Schäden an den Wicklungen durch mechanische Belastung, insbesondere Schwingungen, zu vermeiden.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator mit verbesserter mechanischer Stabilität bereitzustellen, insbesondere um durch Schwingungen verursachte Schäden an den Wicklungen zu minimieren.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Stator des vorgenannten Typs erfüllt, wobei mindestens zwei benachbarte Statorsegmente komplementär geformte Verbindungsabschnitte umfassen, die formschlüssig ineinandergreifen, wobei jeder Verbindungsabschnitt mindestens ein radiales Element umfasst, das radial nach außen vorsteht, sodass einer der radialen Vorsprünge des Stators von den radialen Elementen der ineinandergreifenden Verbindungsabschnitte gebildet wird.
-
Daher sind an den Verbindungsabschnitten der Statorsegmente ineinandergreifende Strukturen vorgesehen, die formschlüssig ineinandergreifen, um die Stabilität zu erhöhen. Jeder der benachbarten Verbindungsabschnitte umfasst mindestens ein radiales Element, sodass der radiale Vorsprung an der Verbindungsstelle durch die Anordnung von radialen Elementen an zwei verschiedenen Statorsegmenten entsteht, wenn der Stator zusammengesetzt wird. Jedes radiale Element weist eine Breite auf, die der Breite jedes der radialen Vorsprünge entspricht, die in regelmäßigen Abständen rund um den Umfang des Stators angeordnet sind.
-
Da die radialen Elemente, die den radialen Vorsprung an den Verbindungsabschnitten der miteinander verbundenen Statorsegmente bilden, dieselbe Breite aufweisen wie die übrigen radialen Vorsprünge, wird die Widerstandsfähigkeit der radialen Elemente, insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegen Schwingungen, verbessert. Daher sind die Statorwicklungen, die in Zwischenräumen an dem radialen Vorsprung, der durch die radialen Elemente der Verbindungsabschnitte gebildet wird, untergebracht sind, mechanisch gut geschützt, sodass Beschädigungen vermieden werden können.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst jeder Verbindungsabschnitt eine Mehrzahl von radialen Elementen. Die radialen Elemente jedes Verbindungsabschnitts sind in axialer Richtung relativ zueinander verschoben. Die radialen Elemente sind derart verschoben, dass an der Verbindungsstelle ein im Wesentlichen durchgängiger radialer Vorsprung gebildet wird, wenn die Verbindungsabschnitte formschlüssig ineinandergreifen.
-
Vorzugsweise weisen die Verbindungsabschnitte komplementär geformte Zahnprofile auf. Insbesondere können die Verbindungsabschnitte mit ineinandergreifenden Strukturen versehen sein, die formschlüssig ineinandergreifen, um so einen Formschluss bereitzustellen, der die miteinander verbundenen Statorsegmente mindestens in der axialen Richtung stabilisiert. Entsprechend wird die Stabilität des Stators, der die Anordnung von miteinander verbundenen Statorsegmenten enthält, verbessert.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die radialen Elemente in der axialen Richtung in einem solchen Abstand angeordnet, dass zwischen ihnen mindestens ein Luftkanal gebildet wird, wenn die Verbindungsabschnitte formschlüssig ineinandergreifen. Beim Betrieb des Stators kann ein gasförmiges Kühlmittel, insbesondere Luft, durch den Luftkanal strömen, um die Kühlung des Stators zu verbessern.
-
Jedes Statorsegment kann aus einer Mehrzahl von Lagen hergestellt sein. Die Lagen verringern die Hysterese und Wirbelstromverluste und tragen somit auch dazu bei, die Erwärmung des Stators bei Betrieb der elektrischen Maschine zu reduzieren.
-
Insbesondere können die Lagen Aluminium enthalten, um das Gewicht zu verringern und den Bau großer Statoren zu erlauben, die sich für den Einsatz in Generatoren von Windturbinen eignen.
-
Vorzugsweise wird der Stator in einer elektrischen Maschine eingesetzt, die als Motor oder Generator ausgelegt ist.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Windturbine mit einem Generator, der einen Rotor umfasst, welcher bezogen auf den Stator wie vorstehend beschrieben drehbar angeordnet ist. Insbesondere wird der radiale Vorsprung an der Verbindungsstelle der benachbarten Statorsegmente durch radiale Elemente gebildet, die sich an verschiedenen Statorsegmenten befinden. Der Stator ist aus den Statorelementen zusammengesetzt, welche jeweils Verbindungsabschnitte aufweisen, die formschlüssig ineinandergreifen. Daher weist der Stator eine erhöhte mechanische Stabilität auf, insbesondere eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Schwingungen, sodass die leitfähigen Wicklungen und die Isolierung, die in den Zwischenräumen zwischen den radialen Vorsprüngen untergebracht sind, gut geschützt sind.
-
Die erhöhte mechanische Stabilität erlaubt außerdem den Bau größerer Statoren. Der Stator kann mit großen Zwischenräumen ausgestattet werden, die große Spulen mit leitfähigen Wicklungen aufnehmen können. Dies wiederum erlaubt die Verwendung kostengünstiger leitfähiger Materialien für die Wicklungen, insbesondere von Aluminium, da die geringere elektrische Leitfähigkeit durch die Anordnung großer Spulen in den Zwischenräumen zwischen den radialen Vorsprüngen ausgeglichen werden kann.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Windturbine eine Rotornabe, an der eine Mehrzahl von Rotorblättern angebracht ist und die fest mit dem Rotor verbunden ist. Die Windturbine wird somit direkt angetrieben, d.h., sie umfasst kein Getriebe oder keinen Getriebekasten, das/der dafür vorgesehen ist, das auf den Rotor wirkende mechanische Drehmoment umzuwandeln. Direkt angetriebene Windturbinen zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, der so robust ist, dass der Wartungsaufwand reduziert wird. Die Windturbine ist besonders für die Aufstellung an schwer erreichbaren Standorten wie etwa der Küste vorgelagerte Windparks geeignet.
-
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben, wobei
-
1 einen Abschnitt des Stators gemäß dem bisherigen Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht darstellt;
-
2 einen Abschnitt des Stators gemäß einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht darstellt;
-
3 eine Draufsicht von zwei miteinander verbundenen Statorsegmenten gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
-
4 einen Abschnitt des Stators gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht darstellt;
-
5 eine Draufsicht von zwei miteinander verbundenen Statorsegmenten gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
-
Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt einen Abschnitt eines Stators 1 für eine elektrische Maschine gemäß dem bisherigen Stand der Technik in einer schematischen, perspektivischen Ansicht. Der Stator 1 ist aus Statorsegmenten 2 zusammengesetzt, wobei sich jedes Statorsegment 2 über einen Abschnitt der ringförmigen Struktur des Stators 1 erstreckt. Jedes Statorsegment 2 umfasst eine Mehrzahl von radialen Vorsprüngen 4, die sich von einem Basiselement 3 weg erstrecken. Die radialen Vorsprünge 4 sind in regelmäßigen Abständen rund um den Umfang des Stators 1 verteilt.
-
Jeder radiale Vorsprung 4 hat eine erste Breite B. Die Statorsegmente 2 sind miteinander durch Verbindungsabschnitte 5 von ebener Form verbunden, die im zusammengesetzten Zustand in der Umfangsrichtung gegeneinander liegen. Die Anordnung der Statorsegmente 2 ist mit einer Mehrzahl von (nicht dargestellten) Bolzen gesichert. Die Anordnung der radialen Vorsprünge 4 stellt eine Mehrzahl von Zwischenräumen 6 bereit, die rund um den Umfang des Stators 1 angeordnet sind. In den Zwischenräumen 6 sind (nicht dargestellte) Spulen mit leitfähigen Windungen angeordnet.
-
Das Funktionsprinzip von elektrischen Maschinen, die Statoren dieser Art enthalten, insbesondere von Generatoren oder Motoren, ist hinlänglich bekannt. Auf eine weitere Erläuterung wird daher verzichtet.
-
Der radiale Vorsprung 4 an den Verbindungsabschnitten 5 wird von radialen Elementen 7 gebildet. Die radialen Elemente 7 gemäß dem bisherigen Stand der Technik haben im Wesentlichen dieselbe Form wie die radialen Vorsprünge 4, weisen jedoch eine geringere zweite Breite D auf, die der Hälfte der ersten Breite B entspricht.
-
Da der radiale Vorsprung 4 an den Verbindungsstellen zwischen verschiedenen Statorsegmenten 2 aus zwei radialen Elementen 7 mit geringerer Breite B zusammengesetzt ist, kann es, insbesondere aufgrund von Schwingungen, zu mechanischen Ausfällen kommen. Insbesondere sind die in den Zwischenräumen 6 an den Verbindungsabschnitten 5 untergebrachten leitfähigen Wicklungen anfällig für Beschädigungen durch Schwingungen.
-
Eine Kraft F, die beim Betrieb der elektrischen Maschine auf den Stator 1 wirkt, ist durch ein Pfeilsymbol dargestellt. Die Kraft F wirkt in einer Umfangsrichtung, sodass es zu einer Biegung des radialen Elements 7 kommen kann.
-
Gemäß dem bisherigen Stand der Technik wird der radiale Vorsprung 4 an den Verbindungsabschnitten 5 von zwei radialen Elementen 7 gebildet, wobei jedes radiale Element 7 sich über die gesamte axiale Länge L des Stators 1 erstreckt. Die Verbindungsabschnitte 5 haben eine im Wesentlichen ebene Form und liegen gegeneinander, wenn die Statorsegmente 2 miteinander verbunden sind.
-
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 8. Der Stator 8 umfasst eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Statorsegmenten 9. Jedes Statorsegment 9 weist ein Basiselement 10 und eine Mehrzahl von radialen Vorsprüngen 11 auf, die von dem Basiselement 10 radial nach außen vorstehen. Die Anordnung der radialen Vorsprünge 11 definiert eine Mehrzahl von Zwischenräumen 12, die in regelmäßigen Abständen rund um den Umfang des Stators 8 verteilt sind. In den Zwischenräumen 12 sind leitfähige Wicklungen angeordnet.
-
Die Statorsegmente 9 sind durch Verbindungsabschnitte 13 miteinander verbunden, die aus komplementär geformten Zahnprofilen bestehen. Die Verbindungsabschnitte 13 greifen formschlüssig ineinander, wenn der Stator 8 zusammengesetzt ist. Jeder Verbindungsabschnitt 13 umfasst eine Mehrzahl von radialen Elementen 14, die in axialer Richtung relativ zueinander verschoben sind. Die Anordnung der radialen Elemente 14 ergibt den radialen Vorsprung 11 an den Verbindungsabschnitten 13, wenn der Stator 8 zusammengesetzt ist.
-
Wie am besten in der perspektivischen Ansicht von 3 veranschaulicht, sind die radialen Elemente 14 des Stators 8 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung über eine axiale Länge L des Stators 8 verteilt und in einem Abstand zueinander angeordnet, um zu Kühlzwecken Luftkanäle 15 zu bilden.
-
Das Statorsegment 9 besteht aus einer Mehrzahl von Lagen, die Aluminium enthalten.
-
4 und 5 veranschaulichen eine alternative, zweite Ausführungsform des Stators 8. Wesentliche Merkmale der ersten und der zweiten Ausführungsform entsprechen einander, insbesondere umfasst der Stator 8 der zweiten Ausführungsform Statorsegmente 9, die miteinander durch Verbindungsabschnitte 13 verbunden sind, welche Zahnprofile aufweisen wie vorstehend bereits unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben.
-
Allerdings passen die radialen Elemente 14 der zweiten Ausführungsform fest zusammen und bilden so eine durchgängige Struktur ohne dazwischen liegende Luftkanäle 15 oder Zwischenräume, wenn die Verbindungsabschnitte 13 ineinandergreifen.
-
4 zeigt einen Abschnitt des Stators 8 der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht. Die radialen Elemente 14 an den Verbindungsabschnitten 13 der verschiedenen Statorsegmente 9 liegen gegeneinander, wenn die Statorsegmente 9 miteinander verbunden sind. Die Statorsegmente 9 können durch geeignete Befestigungsmittel, insbesondere Bolzen, aneinander befestigt sein.
-
5 zeigt den Stator 8 der zweiten Ausführungsform in einer Draufsicht. Die radialen Elemente 14 sind in regelmäßigen Abständen über die axiale Länge L des Stators 8 verteilt. Wenn die Verbindungsabschnitte 13 formschlüssig ineinandergreifen, wird an der Verbindungsstelle der miteinander verbundenen Statorsegmente 9 eine durchgängige Struktur mit einer ersten Breite W1 gebildet.
-
Die Konfigurationen des Stators
8, die in den
2 bis
5 dargestellt sind, stellen eine erhöhte mechanische Stabilität bereit, wie folgendermaßen ersichtlich wird: Wie in
1 angegeben weist der radiale Vorsprung
4 gemäß dem bisherigen Stand der Technik eine verringerte zweite Breite D auf. Somit kann der radiale Vorsprung
4 gemäß dem bisherigen Stand der Technik als einfacher Holm mit einer Breite D und einer Länge L betrachtet werden. Somit berechnet sich ein Flächenträgheitsmoment J
12 wie folgt
-
Daher führt eine Erhöhung von D zu einem Holm mit erhöhter Widerstandsfähigkeit.
-
Wie am besten in 2 und 4 veranschaulicht, umfassen die erfindungsgemäßen radialen Elemente 14 dieselbe erste Breite B wie der radiale Vorsprung 11. Die mechanische Stabilität wird erhöht und Schäden, insbesondere Schäden an den leitfähigen Wicklungen, die in den Zwischenräumen 12 an den Verbindungsabschnitten 13 untergebracht sind, können vermieden werden. Die Erhöhung der mechanischen Stabilität ermöglicht den Bau großer Statoren, die für den Einsatz in Generatoren von Windturbinen geeignet sind.
-
Insbesondere kann ein durch die elektromechanische Kraft F bedingtes Biegen der radialen Elemente 14 in der Umfangsrichtung vermieden werden. Die Widerstandsfähigkeit der radialen Elemente 14 wird erhöht, sodass einem Abrieb der Wicklungen, die in den Zwischenräumen 12 an den Verbindungsabschnitten zwischen den verschiedenen Statorsegmenten 9 untergebracht sind, entgegengewirkt werden kann.
-
Darüber hinaus erlaubt die Erhöhung der mechanischen Stabilität die Verwendung von kostengünstigen, alternativen Materialien für die leitfähigen Wicklungen. Herkömmlicherweise wird für diese Zwecke Kupfer verwendet. Da die mechanische Stabilität des Stators 8 größer ist, können die Zwischenräume 12 eine größere Tiefe erhalten. Somit kann Aluminium als Material für die leitfähigen Wicklungen eingesetzt werden, da der erhöhte elektrische Widerstand durch größere Spulen ausgeglichen werden kann, die in den Zwischenräumen 12, die zwischen den radialen Vorsprüngen 11 vorgesehen sind, untergebracht werden.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform ausführlich beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt, aus denen der Fachmann auf diesem Gebiet der Technik weitere Abwandlungen herleiten kann, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
