DE4229965A1

DE4229965A1 - Asynchrongenerator

Info

Publication number: DE4229965A1
Application number: DE4229965A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ing Heldt; Norbert Dipl Ing Stanke
Original assignee: WEIER ELEKTROMOTORENWERKE GmbH
Current assignee: WEIER ELEKTROMOTORENWERKE GmbH
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1994-03-10

Description

Die Erfindung betrifft einen Asynchrongenerator mit einem Ständer und mit einem im Hauptfeld des Ständers drehbaren Läufer.

Asynchrongeneratoren dieser Art werden u. a. in Windenergie anlagen eingesetzt, um die kinetische Energie der vom Wind gedrehten Rotorflügel in elektrische Energie umzuwandeln. Die dort eingesetzten Asynchrongeneratoren weisen üblicher weise eine Schutzart von IP 44 oder IP 54 auf und sind bis her im allgemeinen mit Käfigläufern ausgerüstet. Aufgrund wechselnder Windgeschwindigkeiten bzw. Änderungen der Wind richtung kommt es bei Windenergieanlagen jedoch häufig zu einem stoßartigen Anstieg des auf die Rotorflügel einwir kenden Winddrucks. Um eine gute Dynamik der Windenergiean lagen bei der Anpassung an schnell ansteigende Winddrücke zu erzielen und die dabei auftretende Beanspruchung der me chanischen Bauteile, insbesondere der Wellen und des Ge triebes, zu verringern, wäre es vorteilhaft, wenn der Schlupf zwischen der Läuferdrehzahl und der Drehzahl des Ständerdrehfelds vergrößert werden könnte. Eine Vergrö ßerung des Schlupfs hat jedoch immer eine proportionale Vergrößerung der Verlustleistung zur Folge, die im Läufer in Form von Wärmeenergie freigesetzt wird. Da aufgrund der hohen Schutzart nur ein begrenzter Wärmestrom über die Ge häuseoberfläche abgeführt werden kann, darf der Schlupf bei den bisher in Windenergieanlagen eingesetzten Asynchronge neratoren 2,5 bis 3% bei kleinen Maschinen und 0,5 bis 1% bei großen Maschinen nicht überschreiten, da höhere Schlupfwerte eine unzulässig große Erwärmung des Läufers, der Lager und anderer Bauteile zur Folge haben.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Asynchrongenerator der eingangs genannten Art zu ent wickeln, der im Betrieb einen größeren Schlupf zwischen der Drehzahl des Läufers und der des Ständerdrehfelds zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Läufer mindestens eine Wicklung aufweist, deren Enden über mindestens einen außerhalb des Hauptfelds angeordneten Wi derstand verbunden sind.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mindestens einen Teil des im Läufer induzierten Stroms aus dem Läufer heraus und über mindestens einen leicht zu kühlenden externen Wi derstand zu führen, wobei vorteilhafterweise der Widerstand der Wicklung im Läufer kleiner als der außerhalb des Haupt felds angeordnete Widerstand ist.

Die Wicklung des Läufers kann als eine Einphasen- oder Mehrphasenwicklung ausgebildet sein, wobei bei einer Mehr phasenwicklung mehrere außerhalb des Hauptfelds angeordnete Widerstände vorgesehen sind, die jeweils mit den Enden ei ner Phase verbunden sind.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfin dung ist der Widerstand starr mit dem Läufer verbunden und dreht sich zusammen mit diesem, jedoch außerhalb des Haupt felds des Ständers. Dadurch ist es möglich, auf Schleif ringe zu verzichten, die nicht nur die Herstellungskosten des Generators erhöhen, sondern aufgrund der erforderlichen Wartung auch Folgekosten verursachen. Zweckmäßig ist der Widerstand auf einem Trägerkörper oder Zusatzläufer ange ordnet und so ausgebildet, daß trotz auftretender Schwin gungen und Wärmedehnungen eine gute mechanische Stabilität erzielt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Widerstand als mindestens eine zur Drehachse des Läufers konzentrische Wicklung ausgebildet ist. Bei Läufern mit ei ner Mehrphasenwicklung werden die Widerstände zweckmäßig in axialer Richtung hintereinander auf einer die Drehachse des Läufers konzentrisch umgebenden Zylinderfläche angeordnet, wobei jeweils die Enden der einzelnen Widerstände einen Ab stand voneinander aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Widerstand im Kühlluftstrom eines mit dem Läu fer verbundenen Lüfters angeordnet ist. Zweckmäßig ist der Widerstand dabei unmittelbar hinter dem Lüfter zwischen diesem und einem den Ständer umgebenden Gehäuse angeordnet. Die vom Lüfter angesaugte Kühlluft wird dadurch zuerst am Widerstand vorbeigeführt, bevor sie die Kühlrippen des Ständergehäuses bestreicht.

Um eine möglichst große wärmeabfuhr am Widerstand zu ge währleisten und dessen Abmessungen gering zu halten, ist der Widerstand gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestal tung der Erfindung so ausgebildet, daß er zum einen eine geringe elektrische Leitfähigkeit und zum anderen eine im Verhältnis zu seinem Volumen große äußere Oberfläche auf weist, die zumindest zum überwiegenden Teil vom Kühlluft strom bestrichen wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Wider stand als langgestreckter Hohlkörper ausgebildet ist und bevorzugt aus einem zu einer Wendel gebogenem Rohr mit ei nem ringförmigen Querschnitt besteht.

Um eine gute Isolierung zwischen benachbarten Windungen des wendelförmig gebogenen Widerstands bzw. zwischen den Win dungen mehrerer hintereinander angeordneter wendelförmig ge bogener Widerstände zu gewährleisten, weisen diese einen Abstand voneinander auf und sind zweckmäßig mit einem iso lierenden Überzug versehen, der aus Lack, aus einer Pulver beschichtung oder aus einem Schrumpfschlauch bestehen kann.

Eine Modifikation bereits vorhandener Bauformen von Asyn chrongeneratoren unter Veränderung möglichst weniger Teile kann am vorteilhaftesten dadurch erreicht werden, daß die den Läufer treibende Generatorwelle durch eine etwas län gere Welle ersetzt wird, die außerhalb des Gehäuses einen Zusatzläufer trägt und die im Bereich zwischen dem Läufer und dem Zusatzläufer mindestens eine Längsnut aufweist, in welcher von den Enden der Läuferwicklung zum Widerstand führende Verbindungsleitungen eingebettet und unter dem am Stirnende des Gehäuses angeordneten Drehlager hindurchge führt sind. Anstelle einer Längsnut kann die Generatorwelle auch eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Ver bindungsleitungen aufweisen, die über jeweils mindestens eine radiale Ein- bzw. Austrittsöffnung innerhalb und außerhalb des Gehäuses von der Läuferwicklung bzw. vom Wi derstand her zugänglich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeich nungen beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiels nä her erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Asynchronmotor,

Fig. 2 eine räumliche Darstellung eines Zusatzläufers und

Fig. 3 eine Kabeldurchführung gemäß III in Fig. 2.

Der in der Zeichnung dargestellte Drehstromasynchrongenera tor (1) besteht im wesentlichen aus einem Ständer (2), ei nem innerhalb des Hauptfelds des Ständers (2) drehbaren Läufer (3), einem den Ständer (2) und den Läufer (3) umge benden Gehäuse (4), einer im Gehäuse (4) drehbar gelager ten, den Läufer (3) tragenden Generatorwelle (5), einem auf der Generatorwelle (5) drehfest angeordneten Lüfter (6) und einem zwischen dem Lüfter (6) und dem Gehäuse (4) angeord neten, drehfest mit der Generatorwelle (5) verbundenen Zu satzläufer (7), auf dessen äußerem Umfang drei Widerstände (8) angeordnet sind, die jeweils über mindestens drei Ver bindungsleitungen (9) mit den Enden einer dreiphasigen Wik klung (10) auf dem Läufer (3) verbunden sind.

Der Ständer (2) besteht aus einer Vielzahl von in Längs richtung der Generatorwelle (5) hintereinander angeordneten und gegeneinander isolierten Statorblechen (11), die mit Ausnehmungen zur Aufnahme der Ständerwicklungen (12) ver sehen sind. Der Ständer (2) ist in einer im wesentlichen zylindrischen Ausnehmung (13) des Gehäuses (4) eingesetzt.

Der im Hauptfeld des Ständers (2) rotierende Läufer (3) be steht im wesentlichen aus einer Vielzahl von in Längsrich tung der Generatorwelle (5) hintereinander angeordneten und gegeneinander isolierten Rotorblechen (15), welche Ausneh mungen zur Aufnahme der Läuferwicklungen (10) aufweisen und welche durch einen schmalen Luftspalt (16) von den Stator blechen (11) getrennt sind. Die Verbindung zwischen einem von den Läuferblechen (11) gebildeten Läuferblechpaket und der Generatorwelle (5) kann durch einen Schrumpfvorgang ausgeführt werden.

Das Gehäuse (4) besteht im wesentlichen aus einem an seinem äußeren Umfang mit Kühlrippen (18) versehenen Zylinderman tel (19), der an seinen Stirnseiten durch Lagerschilde (20, 21) verschlossen ist, in welche die Lageraußenringe der Drehlager (22, 23) für die Generatorwelle (5) eingesetzt sind.

Der zwischen dem vorderen Drehlager (23) und dem Lüfter (6) drehfest auf die Generatorwelle (5) aufgeschobene Zusatz läufer (7) weist einen Tragkörper (24) auf, auf dessen zy lindrischem Mantel (30) in gleichen Winkelabständen Halte stege (25) festgeschraubt sind, welche in radialer Richtung randoffene Ausnehmungen (26) aufweisen. In die in axialer Richtung hintereinander im Abstand angeordneten Ausnehmun gen (26) sind die drei Widerstände (8) eingelegt, die je weils als Rohr (27) ausgebildet und zu einer Wendel gebogen sind. Jede Wendel umfaßt dabei ca. zwei Rohrwindungen. Die drei Rohrwendeln sind in axialer Richtung hintereinander angeordnet, wobei jeweils zwischen benachbarten Windungen und zwischen den Enden zweier Wendeln Abstände freibleiben. Die gebogenen Rohre (27) weisen einen ringförmigen Quer schnitt auf und sind an ihren Stirnenden durch Anschluß klemmen verschlossen, an denen die Verbindungsleitungen (9) befestigt sind. Die Rohre (27) werden durch Sicherungsbügel (28) gehalten, die radial von außen her gegen die Rohre (27) anliegend mit den Haltestegen (25) verschraubt sind.

Der Tragkörper (24) ist unmittelbar hinter dem Lüfter (6) angeordnet und sowohl auf seiner dem Lüfter (6) zugewandten Stirnseite (29) als auch auf seinem die Haltestege (25) tragenden zylindrischen Mantel (30) mit Luftdurchtrittsöff nungen versehen, so daß der Kühlluftstrom des Lüfters (6) die Widerstände (8) ungehindert von allen Seiten bestrei chen kann, bevor er zu den Kühlrippen (18) des Gehäuses (4) geführt wird.

Die beiden Enden jedes Widerstands (8) sind durch jeweils eine Verbindungsleitung (9) mit den beiden Enden je einer Phase der Läuferwicklung (10) verbunden. Zur Aufnahme der Verbindungsleitungen (9) weist die Generatorwelle (5) min destens eine Längsnut (33) auf, in welcher jeweils drei ei ner Phase zugeordnete Verbindungsleitungen (9) aus dem Ge häuse (4) heraus und unter dem vorderen Drehlager (23) hin durch zum Zusatzläufer (7) geführt sind.

Im Bereich des vorderen Drehlagers (23) ist eine Hülse (34) auf die Generatorwelle (5) aufgeschrumpft, welche die Längsnut (33) in radialer Richtung verschließt. Die Hülse (34) gewährleistet, daß der Lagerinnenring (36) des das vordere Drehlager (23) bildenden Kugellagers auf seinem ge samten inneren Umfang aufliegt. Die äußere Mantelfläche der Hülse (34) bildet zudem durchgehende Anlageflächen für die in Ringnuten des inneren und äußeren Lagerdeckels (39, 40) eingelegten Dichtringe (41, 42) und stellt damit eine voll ständige Abdichtung des vorderen Drehlagers (23) sicher. Weiter bildet die Hülse (34) mit einer Ringschulter (35) bzw. mit ihrer vorderen Stirnfläche (45) ein axiales Widerlager für das Kugellager bzw. für den Tragkörper (24).

Die Verbindungsleitung (9) wird durch einen vom zylindri schen Mantel (30) umschlossenen Innenraum (50) des Zusatz läufers (7) bis zu einer Durchführung (51) geführt, durch die die Verbindungsleitung (9) zu den Widerständen (8) ge leitet wird. Diese Durchführung ist in einer den Mantel (30) des Trägers (24) durchdringenden Bohrung (52) befe stigt, in der sie in einer Muffe (53) geführt ist. In die ser Muffe (53) ist die Durchführung (51) mit einer Mutter (54) gehaltert. In den Innenraum (50) wird die Verbindungs leitung (9) durch einen Spalt (55) eingeleitet, der in ei ner Hülse (56) vorgesehen ist, mit der der Zusatzläufer (7) auf der Generatorwelle (5) befestigt ist. An dieser Hälse (56) ist der Trägerkörper (24) über die Stirnseiten (29) befestigt. In der Hülse (56) befindet sich der Spalt (55), der nach Befestigung der Hülse (56) unmittelbar in eine Längsnut (33) mündet. Auf diese Weise kann die Verbindungs leitung (9) durch den Spalt (55) in den Innenraum (50) mün den, durch den die Verbindungsleitung (9) in Richtung auf die Durchführung (51) geleitet wird. Die aus der Durchfüh rung (51) herausragende Verbindungsleitung (9) wird mit den Widerständen (8) verbunden.

Der Zusatzläufer (7) und der Lüfter (6) sind in radialer Richtung von einem zylindrischen Blechgehäuse (46) umgeben, das mit seinem hinteren offenen Stirnende von vorne über den Lüfter (6), den Zusatzläufer (7) und das Gehäuse (4) des Ständers (2) geschoben und mit Halteschrauben (47) am Gehäuse (4) befestigt ist. Das Blechgehäuse (46) ist auf seiner vorderen Stirnseite (49) mit Lufteinlaßöffnungen (48) versehen und dient dazu, den Kühlluftstrom vom Lüfter (6) an den Widerständen (8) vorbei zu den Kühlrippen (18) des Ständergehäuses (4) zu leiten.

Claims

1. Asynchrongenerator mit einem Ständer und mit einem im Hauptfeld des Ständers drehbaren Läufer, dadurch ge kennzeichnet, daß der Läufer (3) mindestens eine Wick lung (10) aufweist, deren Enden über mindestens einen außerhalb des Hauptfelds angeordneten Widerstand (8) verbunden sind.

2. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wicklung (10) als Einphasenwicklung ausgebildet ist.

3. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wicklung (10) als Mehrphasenwicklung ausgebildet ist.

4. Asynchrongenerator nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß für jede Phase mindestens ein Widerstand (8) vorgesehen ist, der jeweils mit den Enden der Phase verbunden ist.

5. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) der Wick lung (10) im Läufer (3) kleiner als der außerhalb des Hauptfelds angeordnete Widerstand (8) ist.

6. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) drehfest mit dem Läufer (3) verbunden ist.

7. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) auf einem Zusatzläufer (7) angeordnet ist.

8. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß der Ständer (2) von einem Ge häuse (4) umgeben ist und daß der Widerstand (8) außer halb des Gehäuses (4) angeordnet ist.

9. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) im Kühl luftstrom eines Lüfters (6) angeordnet ist.

10. Asynchrongenerator nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lüfter (6) drehfest auf einer den Läufer (3) tragenden Generatorwelle (5) angeordnet ist.

11. Asynchrongenerator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) zwischen dem Ge häuse (4) des Ständers (2) und dem Lüfter (6) angeord net ist.

12. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) min destens eine zur Drehachse (43) des Läufers (3) konzen trische Wicklung umfaßt.

13. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) eine im Verhältnis zu seinem Volumen große äußere Oberfläche aufweist.

14. Asynchrongenerator nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß der Widerstand (8) mindestens teil weise als Hohlkörper, vorzugsweise als Rohr (27) ausge bildet ist.

15. Asynchrongenerator nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß der Widerstand (8) einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

16. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) zu einer Wendel gebogen ist.

17. Asynchrongenerator nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wendel mehr als eine Windung auf weist.

18. Asynchrongenerator nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß einander benachbarte Windungen und/oder Wendeln einen Abstand voneinander aufweisen.

19. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) auf ei nem zylindrischen Mantel (30) eines Tragkörpers (24) angeordnet ist.

20. Asynchrongenerator nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß der Mantel (30) Luftdurchlaßöffnungen aufweist.

21. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) eine ge ringe elektrische Leitfähigkeit aufweist.

22. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) mit ei nem isolierenden Überzug versehen ist.

23. Asynchrongenerator nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß der Überzug aus Lack, aus einer Pul verbeschichtung oder aus einem Schrumpfschlauch be steht.

24. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzläufer (7) minde stens in radialer Richtung von einem Gehäuse (46) umge ben ist.

25. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Läufer (3) und dem Zusatzläufer (7) ein Drehlager (23) für die Ge neratorwelle (5) angeordnet ist.

26. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch mindestens zwei, vom Widerstand (8) zur Wicklung (10) des Läufers (3) führende Verbin dungsleitungen (9).

27. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 10 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorwelle (5) min destens eine Längsnut (33) aufweist.

28. Asynchrongenerator nach Anspruch 27, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (9) minde stens bereichsweise in der Längsnut (33) geführt sind.

29. Asynchrongenerator nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (9) in der Längsnut (33) unter dem Drehlager (23) der Gene ratorwelle (5) hindurchgeführt sind.

30. Asynchrongenerator nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnut (33) min destens im Bereich des Drehlagers (23) in radialer Richtung verschlossen ist.

31. Asynchrongenerator nach Anspruch 30, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längsnut (33) durch mindestens eine drehfest mit der Generatorwelle (5) verbundene Hülse (34) verschlossen ist.