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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetbaugruppe zur Anordnung auf einem Rotor eines elektrischen Generators, wobei die Magnetbaugruppe eine Mehrzahl von in einer Verbundeinrichtung in definierter Relativanordnung aufgenommenen Dauermagneten aufweist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Magnetbaugruppenverbund mit einer Mehrzahl von auf einer Rotorumfangsfläche angeordneten Magnetbaugruppen und einen Rotor für einen insbesondere in einer Windkraftanlage angeordneten elektrischen Generator, wobei der Rotor auf seiner Umfangsfläche einen Magnetbaugruppenverbund mit einer Mehrzahl von Magnetbaugruppen aufweist.
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Zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das in einem elektrischen Generator eine Stromerzeugung ermöglicht, werden regelmäßig Permanentmagnete eingesetzt, die in geeigneter Relativanordnung auf dem Polrad oder Rotor des Generators angeordnet werden. Da in der Regel die Abmessungen der Permanentmagnete fertigungsbedingt begrenzt sind, werden für leistungsstarke Generatoren die Permanentmagnete in Baugruppen zusammengefasst, welche als eine Montageeinheit ausgebildet auf dem Polrad oder Rotor befestigt werden.
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Aus der
EP 1 860 755 A2 ist die Ausführung einer Magnetbaugruppe für einen als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Generator bekannt, bei die Permanentmagnete auf einer den magnetischen Fluss leitenden metallischen Trägerplatte angeordnet sind, die auch zur Befestigung der Magnetbaugruppe auf der konvexen Umfangsfläche des Rotors dient, der in einem Stator rotiert. Zur Ausbildung eines unmittelbaren Körperkontakts zwischen einer planen Montagerückwand der Trägerplatte und der konvexen Umfangsfläche des Rotors ist die Umfangsfläche des Rotors mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen, die durch eine entsprechende spanende Bearbeitung der konvexen Umfangsfläche hergestellt werden müssen, um eine möglichst luftspaltfreie Kontaktierung der Trägerplatten mit dem ferromagnetischen Material des Rotors zu gewährleisten.
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Zusätzlich zu der Trägerplatte, auf der die Permanentmagnete zur Ausbildung der Magnetbaugruppe angeordnet sind, sind die Permanentmagnete mit einer Abdeckung versehen, die mit der Trägerplatte verschraubt ist. Zwischen der Abdeckung und den auf der Trägerplatte angeordneten Permanentmagneten ausgebildete Zwischenräume sind mit einem Füllmaterial, wie Kunstharz versehen, so dass ein Korrosionsschutz der Permanentmagnete erreicht werden kann.
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Abgesehen davon, dass bei der bekannten Magnetbaugruppenanordnung die Trägerplatten neben ihrer Trägerfunktion gleichzeitig einen Teil des im Wesentlichen vom Rotormaterial ausgebildeten magnetischen Jochs ausbilden und daher entsprechend bei der Auslegung zu berücksichtigen sind, tragen die Trägerplatten aufgrund ihrer unzusammenhängenden Anordnung auf der Umfangsfläche des Rotors nicht zur mechanischen Aussteifung des Rotorkörpers bei, sondern bilden lediglich eine Erhöhung der Rotormasse, die im Widerspruch steht zu einer grundsätzlich angestrebten Massereduktion für eine Begrenzung der dynamischen Belastung einer Windkraftanlage.
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Weiterhin wird es an der bekannten Magnetbaugruppe als nachteilig empfunden, dass ihre Herstellung aufgrund der mechanischen Kombination einer Mehrzahl voneinander unabhängigen Einzelkomponenten, wie Trägerplatte, Dauermagnete, Abdeckung sowie gegebenenfalls zusätzliche Erzeugung eines Korrosionsschutzes, eine Vielzahl von Herstellungs- und Montageschritten bedingt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetbaugruppe vorzuschlagen, die einfach herstellbar ist, und neben einer einfachen Montage einen dauerhaft funktionssicheren Betrieb eines mit derartigen Magnetbaugruppen versehenen Rotors eines elektrischen Generators ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Magnetbaugruppe die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
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Abweichend von einer Stahlplatte als Verbundeinrichtung zur Anordnung der Mehrzahl von Permanentmagnete in definierter Relativanordnung ist die Verbundeinrichtung der erfindungsgemäßen Magnetbaugruppe durch eine die Dauermagnete formschlüssig aufnehmende als Formkörper ausgebildete Kunststoffumhüllung ausgebildet, wobei der Formkörper sowohl ein die Dauermagnete umschließendes Gehäuse als auch eine an die Kontur einer durch die Umfangsfläche des Rotors gebildeten Montageebene angepasste Montagerückwand aufweist. Im Falle der Ausbildung des Generators als Innenläufer weist die Montagerückwand eine konkave Kontaktoberfläche zur Anordnung auf der konvexen Umfangsfläche des Rotors auf. Im Falle der Ausbildung des Generators als Außenläufer weist die Montagerückwand eine konvexe Kontaktoberfläche zur Anordnung auf der konkaven Umfangsfläche des Rotors auf.
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Die als Formkörper ausgebildete Verbundeinrichtung der erfindungsgemäßen Magnetbaugruppe ermöglicht somit nicht nur eine definierte Relativanordnung der Dauermagnete und Verbindung mit dem Rotor, sondern bildet gleichzeitig aufgrund der Ausgestaltung als Formkörper das Gehäuse der Magnetbaugruppe aus. Anders als bei der bekannten Magnetbaugruppe ist daher die Bereitstellung und mechanische Verbindung eines unabhängig von der Verbundeinrichtung ausgebildeten Gehäuses nicht mehr notwendig. Darüber hinaus ist gleichzeitig mit der aus einem Kunststoffmaterial gebildeten Umhüllung ein Korrosionsschutz gewährleistet, ohne dass hierzu besondere Maßnahmen ergriffen werden müssten.
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Schließlich entfällt auch die bei der bekannten Magnetbaugruppeanordnung zusätzliche Herstellungskosten verursachende spanende Bearbeitung der konvexen oder konkaven Umfangsfläche des Rotors zur Anpassung an die Montagerückwand der Trägerplatte. Vielmehr kann eine an die konvexe oder konkave Umfangsfläche angepasste, mit einer entsprechenden Kontur versehene Montagerückwand gleichzeitig mit der Herstellung der Kunststoffumhüllung durch die Verwendung eines geeigneten Formwerkzeugs zur Herstellung des Formkörpers erzeugt werden.
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Aufgrund der Ausgestaltung der Verbundeinrichtung aus einem Kunststoffmaterial ist die erfindungsgemäße Magnetbaugruppe abgesehen von den Dauermagneten metallfrei ausgestaltet und daher ohne Einfluss auf den magnetischen Fluss.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Formkörper zumindest eine integral ausgebildete Befestigungseinrichtung zur Befestigung auf der Umfangsfläche des Rotors auf, so dass eine unmittelbare Befestigung auf der Umfangsfläche ohne die Verwendung zusätzlicher Befestigungseinrichtungen erfolgen kann und lediglich noch ein Befestigungsmittel, wie insbesondere eine Befestigungsschraube zur Befestigung der Magnetbaugruppe auf dem Rotors erforderlich ist.
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Wenn der Formkörper zur Ausbildung der Befestigungseinrichtung zumindest einen seitlich am Formkörper angeordneten und an die Montagerückwand flächenbündig anschließenden Befestigungsfortsatz aufweist, kann die Befestigungseinrichtung in gleicher Weise an die Kontur der Umfangsfläche des Rotors angepasst werden, wie die Montagerückwand selbst.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Magnetbaugruppe weist die Befestigungseinrichtung eine Befestigungsbohrung mit einem Bohrungsabsatz zur formschlüssigen Aufnahme eines zur Aufnahme einer Befestigungsschraube als Bundhülse ausgebildeten Befestigungseinsatzes auf, derart, dass ein zur Anlage gegen die Umfangsfläche bestimmtes Krafteinleitungsende des Befestigungseinsatzes flächenbündig mit der Kontaktoberfläche der Montagerückwand angeordnet ist.
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Hierbei ermöglicht der formschlüssig in die Befestigungsbohrung eingesetzte Befestigungseinsatz durch die mittels der Befestigungsschraube aufgebrachte Vorspannkraft eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungseinsatz und der Umfangsfläche des Rotors, ohne dass die am Formkörper ausgebildete Befestigungseinrichtung mit der Vorspannkraft beaufschlagt würde. Vielmehr wird eine sichere Fixierung des Formkörpers auf der Umfangsfläche durch den zwischen dem Befestigungseinsatz und der Befestigungsbohrung ausgebildeten Formschluss erreicht, so dass insbesondere Setzerscheinungen, die zu einem Lösen des gegen die Umfangsfläche des Rotors anliegenden Kontakts der Montagerückwand führen könnten, vermieden werden können.
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Dieser bevorzugten Ausgestaltung liegt der Gedanke zugrunde, dass für eine Fixierung des Formkörpers, der bereits durch die Magnetkraft normal zur Umfangsfläche gehalten wird, in der durch die Umfangsfläche definierten Ebene allein der zwischen dem Befestigungseinsatz und der Befestigungsbohrung ausgebildete Formschluss ausreichend ist.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Formkörper einen Werkzeugsitz für eine Montage-/Demontageeinrichtung aufweist, so dass eine sichere Handhabung der Magnetbaugruppe mit niedrigen Handhabungs- oder Haltekräften möglich wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Ausbildung des Werkzeugsitzes an zwei einander gegenüberliegenden Seitenrändern des Formkörpers eine Griffeinrichtung ausgebildet ist.
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Wenn die Seitenränder zur Ausbildung der Griffeinrichtung als eine Griffkante eine zur Montagerückwand geneigte oder zurückspringende Wandoberfläche aufweisen, derart, dass die Montagerückwand eine gegenüber einer Frontwand des Formkörpers reduzierte Wandoberfläche aufweist, kann die Griffeinrichtung möglichst einfach realisiert werden.
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Eine Ausbildung der Befestigungseinrichtung und/oder Griffeinrichtung bereits bei der Herstellung des Formkörpers wird besonders einfach realisierbar, wenn die Befestigungseinrichtung und/oder Griffeinrichtung an zwei einander gegenüberliegende Seitenränder des Formkörpers ausbildenden Formkörpereinlegerteilen ausgebildet sind. Darüber hinaus können derart die Befestigungseinrichtung und/oder die Griffeinrichtung ohne eine wesentliche Erhöhung des zur Herstellung des Formkörpers benötigten Kunststoffmaterialvolumens erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Formkörper zur Identifikation der Polung der Magnetbaugruppe an zwei einander gegenüberliegenden Seitenrändern versetzt zueinander angeordnete Formvorsprünge aufweist, die es einerseits ermöglichen, die jeweilige Polung leicht an der Körpergeometrie zu erkennen und andererseits bei Ausgestaltung korrespondierender Geometrien einer Magnetbaugruppe mit einer Nord-Polung und einer Magnetbaugruppe mit einer Süd-Polung sicherzustellen, dass bei einer Montage der Magnetbaugruppen in einer Reihenanordnung zur Erzielung einer eng benachbarten Anordnung der Magnetbaugruppen zwangsläufig eine alternierende Anordnung von süd- und nordgepolten Magnetbaugruppen erfolgt. Kombinationsfehler bei der Anordnung der Magnetbaugruppen in einem Magnetbaugruppenverbund, derart, dass etwa zwei identisch magnetisierte Magnetbaugruppen unmittelbar zueinander benachbart sind, können somit ausgeschlossen werden.
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Vorzugsweise ist der Formkörper aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet, wobei in besonders bevorzugter Weise die Mehrzahl von Dauermagneten von zumindest einer Faserlage umhüllt ist, so dass zum einen eine besondere Aussteifung der Magnetbaugruppe erreicht wird und zum anderen die Möglichkeit besteht, bei der Herstellung der Magnetbaugruppe die Dauermagnete in ihrer Relativanordnung durch die umhüllende Faserlage gesichert als Paket in ein Formwerkzeug vor dem anschließenden Formfüllvorgang durch Einbringung eines Reaktionsharzes einzulegen.
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Der erfindungsgemäße Magnetbaugruppenverbund weist eine Mehrzahl von auf einer Umfangsfläche eines Rotors angeordneten erfindungsgemä-ßen Magnetbaugruppen auf, wobei die nebeneinander in einer Reihenanordnung angeordneten Magnetbaugruppen alternierende Polungen aufweisen, derart, dass jeweils zwischen Magnetbaugruppen mit einer Süd-Polung eine Magnetbaugruppe mit einer Nord-Polung angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt ist es, dass die Formkörper zur Identifikation der Polung der Magnetbaugruppen an zwei einander gegenüberliegenden Seitenrändern versetzt zueinander angeordnete Formvorsprünge aufweisen, derart, dass die Formvorsprünge an den Seitenrändern der Magnetbaugruppen mit Süd-Polung korrespondierend zu den Formvorsprüngen der Magnetbaugruppe mit Nord-Polung angeordnet sind, derart, dass bei einer linearen Reihenanordnung der Magnetbaugruppen in einer gemeinsamen Montagebene und zueinander parallelen Seitenrändern sich die Formvorsprünge längs den Seitenrändern in einer einander überdeckenden Relativanordnung befinden.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Rotor für einen insbesondere in einer Windkraftanlage angeordneten elektrischen Generator weist auf seiner Umfangsfläche einen Magnetbaugruppenverbund mit einer Mehrzahl von auf einer Umfangsfläche des Rotors angeordneten erfindungsgemäßen Magnetbaugruppen auf.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen mit einem Magnetbaugruppenverbund versehenen Rotor für einen als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Generator;
- 2 eine vergrößerte Teilansicht des in 1 dargestellten Rotors gemäß Ansicht II in 1;
- 3 eine isometrische Darstellung einer Magnetbaugruppe;
- 4 die in 3 dargestellte Magnetbaugruppe in Frontansicht mit Schnittdarstellung einer Befestigungseinrichtung;
- 5 eine in einem Formwerkzeug ausgebildete Magnetbaugruppe, umfassend Dauermagnete und Formkörpereinlegeteile;
- 6 die dem Formwerkzeug entnommene Magnetbaugruppe;
- 7 die in 5 dargestellten Formkörpereinlegeteile in Einzeldarstellung.
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1 zeigt einen Rotor 10, der in der vorliegenden Ausführungsform insbesondere zur Kombination mit einer Rotorblätter einer Windkraftanlage aufnehmenden Rotornabe dient und im Betrieb der Windkraftanlage relativ zu einem den Rotor 10 aufnehmenden Stator infolge des an den Rotorblättern erzeugten Auftriebs bewegt wird und in einer Wicklungsanordnung des Stators elektrischen Strom induziert.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Rotor 10 mit zwei ringförmig ausgebildeten Reihenanordnungen 11, 12 von Magnetbaugruppen 13, 14 versehen, die auf einer Umfangsfläche 15 des Rotors 10 montiert sind, wobei jeweils nur ein Abschnitt der kontinuierlich ausgebildeten Reihenanordnungen 11, 12 dargestellt ist.
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Wie aus der Darstellung einer Magnetbaugruppe 13 gemäß 3 ersichtlich, weist die Magnetbaugruppe 14 im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Dauermagnete 16 auf, die in einer Blockanordnung zusammengefasst sind und in der durch die Blockanordnung definierten Relativanordnung in einer als Formkörper 17 ausgebildeten Verbundeinrichtung aufgenommen sind. Zur Befestigung der Magnetbaugruppe 14 weist der Formkörper 17 eine Befestigungseinrichtung 18 auf, die vorliegend zwei an einander gegenüberliegenden Seitenrändern 19, 20 des Formkörpers 17 ausgebildete Befestigungsfortsätze 21, 22 aufweist, die mit ihrer Unterseite 23 flächenbündig an eine auf der Unterseite des Formkörpers 17 ausgebildete Montagerückwand 24 anschließen.
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Wie insbesondere 2 zeigt, die entsprechend Ansicht II in 1 zwei benachbart in der Reihenanordnung 12 auf der Umfangsfläche 15 des Rotors 10 angeordnete Magnetbaugruppen 13 und 14 zeigt, ist die von dem gehäuseartig die Dauermagnete 16 umschließenden Formkörper 17 ausgebildete Montagerückwand 24 mit einer konkaven Kontaktoberfläche 35 versehen, die in ihrer Kontur an die Kontur der Umfangsfläche 15 des Rotors 10 angepasst ist, derart, dass sich eine an die Umfangsfläche 15 angeschmiegte Anordnung der Montagebaugruppen 13, 14 ergibt.
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Wie in 1 dargestellt, bilden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Magnetbaugruppen 13, 14 die Befestigungsfortsätze 21, 22 gleichzeitig Formvorsprünge 25, 26 aus, die die mögliche Reihenfolge der Magnetbaugruppen 13, 14 in einer Reihenanordnung 11, 12 vorgeben und beispielsweise verhindern, dass zwei Magnetbaugruppen 13 oder zwei Magnetbaugruppen 14 in unmittelbarer Nachbarschaft in derselben Reihenanordnung 11, 12 angeordnet werden können. Hierzu sind, wie 1 zeigt, die Formvorsprünge 25 an den Magnetbaugruppen 13 und die Formvorsprünge 26 an den Magnetbaugruppen 14 an den zwei einander gegenüberliegenden Seitenrändern 19, 20 versetzt zueinander angeordnet, wobei sich die Magnetbaugruppen 13 von den Magnetbaugruppen 14 dadurch unterscheiden, dass die Formvorsprünge 25 der Magnetbaugruppen 13 die Länge l1 und die Formvorsprünge 26 der Magnetbaugruppen 14 die Länge l2 aufweisen.
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Im vorliegenden Fall sind die Dauermagnete 16 der Magnetbaugruppen 13, 14 so magnetisiert bzw. zueinander angeordnet, dass die Magnetbaugruppen 13 eine Süd-Polung und die Magnetbaugruppen 14 eine Nord-Polung aufweisen. Da die Magnetisierung der Dauermagnete 16 erst nach Herstellung der Magnetbaugruppen 13, 14 unmittelbar vor der Montage erfolgt, kann durch eine Zuordnung entsprechend den Formvorsprüngen 25, 26 ausgebildeter Kavitäten in einer die noch nicht magnetisierten Magnetbaugruppen 13, 14 zur Magnetisierung aufnehmenden Magnetisierungsanlage ein irrtümlich falsches Magnetisieren verhindert werden.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, weisen die Seitenränder 19, 20 eine zur Montagerückwand 22 geneigte Wandoberfläche 27 auf, derart, dass die Montagerückwand 22 eine gegenüber einer Frontwand 28 des Formkörpers 17 reduzierte Wandoberfläche aufweist. Durch die derartig geneigten Wandoberflächen 27 wird eine Eingriffseinrichtung 28 ausgebildet mit im Übergang von den Wandoberflächen 27 zur Frontwand 28 an den Seitenrändern 19, 20 ausgebildeten Griffkanten 29, die von einem geeigneten Werkzeug ergriffen werden können, um die Magnetbaugruppen 13, 14 definiert auf die Umfangsfläche 15 des Rotors 10 aufsetzen und entgegen der Wirkung der Magnetkräfte der Dauermagnete 16 von der Umfangsfläche 15 abheben zu können.
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Wie 4 zeigt, sind die Befestigungsfortsätze 21, 22 der Befestigungseinrichtung 18 jeweils mit einer Befestigungsbohrung 30 versehen, die einen Bohrungsabsatz 31 aufweist, der zur formschlüssigen Aufnahme eines zur Aufnahme einer Befestigungsschraube 32 als Bundhülse ausgebildeten Befestigungseinsatzes 33 dient. Der Befestigungseinsatz 33 weist ein zur Anlage gegen die Umfangsfläche 15 bestimmtes Krafteinleitungsende 34 auf, das flächenbündig mit der von der Montagerückwand 24 ausgebildeten Kontaktoberfläche 35 angeordnet ist. Hierdurch wird eine durch Einschrauben der Befestigungsschraube 32 in eine in einer Rotorwandung 36 ausgebildete Gewindebohrung 37 auf den Befestigungseinsatz 33 wirkende Vorspannkraft über den Befestigungseinsatz 33 direkt in die Rotorwandung 36 eingeleitet, ohne dass der Formkörper 17 mit der Vorspannkraft belastet wird.
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5 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus des in einem Formnest 43 eines Formwerkzeugs ausgebildeten Formkörpers 17 der Magnetbaugruppe 13, 14, wobei der Formkörper 17 aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildet ist und insbesondere im Fall des vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiels eine als Hülllage ausgebildete Faserlage 38 aufweist, die vorzugsweise eine textile Struktur aufweist. Die Faserlage 38, weist zwei überlappende Lagenenden 39, 40 auf und umschließt im Fall des vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiels nicht nur die Anordnung der vier Dauermagneten 16, sondern darüber hinaus auch zwei Formkörpereinlegeteile 41, 42, die in Einzeldarstellung in 7 gezeigt sind.
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Wie anhand der Darstellung in 5 nachvollziehbar, erfolgt zur Ausbildung des Formkörpers 17 zunächst ein Einlegen der in die Hülllage 38 eingeschlagenen Dauermagnete 16 in das Formnest 43, wobei im vorliegenden Fall die Formkörpereinlegeteile 41, welche vorzugsweise als vorausgehärtete Faserverbund-Teile ausgebildet sind, zusammen mit den Dauermagneten 16 von der Faserlage 38 umhüllt sind. Nach Verschließen des Formwerkzeugs erfolgt eine Evakuierung des Formnestes 43 und eine Injektion eines Reaktionsharzes in das beheizte Formwerkzeug. Das Reaktionsharz tränkt die Faserlage 38 und füllt das Formnest 43 vollständig aus, so dass die vom Formnest 43 vorgegebenen Geometrien am Formkörper 17 ausgebildet werden.
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Wie aus 6, die dem Formwerkzeug entnommene Magnetbaugruppe 13, 14 zeigt, ersichtlich, weist die derart hergestellte Magnetbaugruppe 13, 14 die Dauermagnete 16 zusammen mit den Formkörpereinlegeteilen 41, 42 in einem Faserverbundgehäuse mit definiert ausgebildeten Seitenrändern 19, 20 auf, die, wie vorstehend bereits erläutert, verschiedene Funktionen erfüllen, wie insbesondere die Ausbildung der Griffkanten 29 als auch die Ausbildung der Befestigungsfortsätze 21, 22, die im vorliegenden Fall gleichzeitig die Formvorsprünge 25, 26 ausbilden, welche eine Identifikation der Polung der Magnetbaugruppen 13, 14 ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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