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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Konstruieren,
Herstellen und Zusammenbauen von Einrichtungen zur Erzeugung elektrischen
Stroms, und dabei speziell auf ein Verfahren zum Zusammenbauen eines
Ständers
eines Generators.
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Stand der
Technik
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Ein
betriebsfähiger
Generator besitzt einen ein Gehäuse
und einen Kern umfassenden Ständer, einen
Läufer,
mindestens eine (1) Spulenwicklung sowie eine Kupplung zum Verbinden
des Generators mit einer Drehvorrichtung oder einer Turbine.
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Der
Kern des Generatorständers
ist die größte Einzelkomponente
im Triebstrang eines Turbo-Generator-Satzes. Herkömmlicherweise
werden Ständerkerne
aus Tausenden von Schichten ziemlich dünner Stahlbleche hergestellt,
die so aufeinandergeschichtet, zusammengepresst und zusammengespannt
werden, dass die Form des Ständerkerns
(z. B. ein großer
Zylinder) entsteht. Das Zusammenspannen ist erforderlich, damit
der Ständerkern
seine geometrische Form beibehält
und den beim Betrieb des Generators auf den Ständerkern wirkenden elektromagnetischen
Kräften
widersteht. Schlecht zusammengespannte Blechpakete können beim
Betrieb des Generators zu Vibrationen einzelner Bleche führen, verursacht
durch magnetische Impulse oder durch elliptische Verformung des
Kerns. Außerdem kann
ein Luftspalt zwischen den Blechen zu hohem Wärmewiderstand und verschlechterter
Kühlwirkung führen. Oft
werden Füllkomponenten
in das Paket eingefügt,
um durch Wölbungen
von Blechen verursachte Hohlräume
zu schließen.
Darüber
hinaus wird durch die Füllkomponenten
sichergestellt, dass der Pressdruck über der gesamten Blechfläche gleichmäßig verteilt
ist.
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Typischerweise
wird der Ständerkern
unmittelbar am endgültigen
Montageort aus Stahlblechen zusammengebaut. Allerdings ergeben sich
aus den großen
Abmessungen des Ständerkerns
und der Notwendigkeit richtiger Pressung Fertigungsprobleme beim
Ständerkern,
dazu zählen
sehr großer Platzbedarf
und hohe Kran-Anforderungen. Herkömmlicherweise werden zum Bilden
der zylindrischen Form des Ständerkerns
zwei Montageweisen angewandt. Beim ersten Verfahren werden die Stahlbleche
direkt in einem Ständergehäuse aufgeschichtet.
Beim zweiten Verfahren werden die Stahlbleche zunächst in
einer externen Aufschichte-Halterung aufgeschichtet und zusammengespannt;
anschließend
wird dann der fertige Ständerkern
mithilfe eines starken Krans in das Ständergehäuse gehoben.
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Die
Herstellung von Ständerkernen
nach den herkömmlichen
Verfahren führt
zu großen
Herstellungs-Vorlaufzeiten und anderen verfahrensbedingten Herstellungsproblemen.
Beispielsweise muss das Gehäuse – wenn der
Kern direkt im Ständergehäuse aufgeschichtet
wird – zum
Montageort geliefert werden, bevor irgendwelche Montageschritte
erfolgen können.
Außerdem
werden Vorrichtungen zum zwischenzeitlichen Zusammenpressen und
Zusammenspannen der Stahlbleche in schrittweise wachsenden Paketlängen benötigt. Wenn
dagegen der Ständerkern
in einer externen Halterung hergestellt wird, muss das Gehäuse nicht
vor der Herstellung vor Ort eintreffen; allerdings erhöht die externe Halterung
ihrerseits die Herstellungskosten und erfordert zusätzlichen
Platz vor Ort. Darüber
hinaus benötigt
das Verfahren mit einer externen Halterung einen Kran hoher Tragfähigkeit
und ausreichender Höhe,
um den zusammengebauten Kern in das Ständergehäuse zu heben. Bei beiden herkömmlichen Herstellungsverfahren
werden zum Zusammenbauen des Blechpakets mehrere Tage benötigt.
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Zusätzlich zu
den Schwierigkeiten des Zusammenbauens können nach herkömmlichen
Verfahren zusammengebaute Ständerkerne
Probleme im Betrieb verursachen. Solche Kerne tendieren dazu, sich
im Einsatz zu setzen oder zu lockern. Um dieser Tendenz entgegenzuwirken,
sind während
des Zusammenbauens verschiedene Sicherungstechniken und große Spannkräfte erforderlich,
was Montagedauer und -kosten weiter erhöht. Außerdem werden schwere Stützteile
an den Enden des Kerns benötigt,
um das Blechpaket an seinem Ort zu halten, und es kann freier Zugang
für ein
späteres
Nachziehen nötig
sein.
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Es
ist auch wünschenswert,
die mit der Herstellung der zum Zusammenbauen eines Generators vor
Ort benötigten
Komponenten verbundenen Kosten klein zu halten. Die Fertigung von
Generatorkomponenten in großen
Stückzahlen
kann zu erhöhten Lagerkosten
und zu mehr Produktabfall führen.
Deshalb ist es notwendig, den Lagerbestand von Generatorkomponenten
besser zu steuern, um mit der Produktion großer Stückzahlen verbundene Herstellungs-
und Lagerkosten zu verringern.
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Es
besteht also immer noch Bedarf an einem verbesserten Verfahren zum
Zusammenbauen eines betriebsbereiten Ständers am Einsatzort oder einem anderen
Ort.
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Die
Patentschrift
DE-A-2621377 beschreibt eine
geschichtete Kerneinheit für
eine elektrische Maschine, bestehend aus einer großen Anzahl
von einzeln elektrisch isolierten Segmenten aus einem magnetischen
Material, die quer zur Achse der Einheit angeordnet und über die
axiale Länge
verteilt sind, und zwar in Form vormontierter Pakete zum Bilden
von mindestens zwei Untereinheiten.
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Die
Patentschrift
US-A-4542313 beschreibt eine
dynamoelektrische Maschine, die mehrere Gruppen zusammengesetzter
Bleche enthält,
von denen jede zwei gegenüberliegende
Stirnwände
hat, wobei mindestens eine der Stirnwände mehrere Positioniervertiefungen
und mit Distanzstücken
zusammenwirkende Nasen hat. Die Blechgruppen werden in der Maschine
zwischen zwei Endklemmen gesichert. Mehrere zwischen benachbarten
Gruppen sowie zwischen den Gruppen und den Klemmen fest einsetzbare
Distanzstücke
schaffen Luftkanäle
in der Maschine. Jedes der Distanzstücke besitzt einen Passteil,
der in eine der Positioniervertiefungen eingreifen kann, um das
Distanzstück
relativ zu einer Stirnwand zu positionieren. Wenn die Distanzstücke durch
die Positioniervertiefungen so positioniert sind, stoßen die
mit den Distanzstücken
zusammenwirkenden Nasen an die Distanzstücke, um nachteilige Vibrationsbewegungen
der Distanzstücke
beim Betrieb der Maschine zu verhindern.
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Die
Patentschrift
US-A-4352034 beschreibt einen
Ständerkern
für eine
dynamoelektrische Maschine, bestehend aus mehreren koaxial ausgerichteten
ringförmigen
Modulabschnitten mit durch diese hindurch verlaufenden axialen Kühlungswegen.
Die Module sind in gegenseitigen Abständen platziert, und es sind
Fluid-Verbindungsmittel
zwischen den ausgerichteten axialen Wegen in benachbarten Modulen
an ausgewählten
Stellen angeordnet, um Kühlströmungswege
zu schaffen, die sowohl in radialer als auch in axialer Richtung
verlaufen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung genügt
den oben beschriebenen Forderungen, indem sie ein Verfahren zum
Zusammenbauen eines Ständers
vor Ort darstellt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt es ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Ständers vor
Ort, bestehend aus folgenden Schritten: Platzieren eines Ständergehäuses am
Montageort; Aufschichten mehrerer Ständerkernmodule in dem besagten
Ständergehäuse; Zusammenspannen
der besagten mehreren Ständerkernmodule,
um einen Ständerkern
zu bilden, der eine Ständernut
besitzt; Befestigen des besagten Ständerkerns an dem besagten Ständergehäuse; und
Einbringen mehrerer Wicklungen in die entsprechenden Ständernuten,
um einen fertigen Generatorständer
herzustellen.
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Das
beschriebene Verfahren des Zusammenbauens benutzt – in verschiedenen
seiner Stufen – ein
Ständergehäuse, eine
Montagebasis, mehrere Ständerkernmodule,
mindestens eine (1) Passstange, mehrere Spulenwicklungen sowie mehrere Durchgangsbolzen.
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Bei
dem beschriebenen Verfahren des Zusammenbauens eines Ständers wird
der Ständer
vor Ort zusammengebaut, indem die Montagebasis in das Ständergehäuse platziert
wird, indem die mehreren Ständerkernmodule
als fertige Einheiten in das Ständergehäuse gebracht
werden, indem die Ständerkernmodule
mithilfe der Durchgangsbolzen zusammengespannt werden, so dass sie
einen Ständerkern
bilden, und indem die Passstange festgezogen wird, um den Ständerkern
am Ständergehäuse zu befestigen.
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Nachdem
der Ständerkern
vor Ort zusammengebaut ist, wird der Ständer durch Einbringen der mehreren
Spulenwicklungen in den Ständerkern
vervollständigt.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Herstellens der Wicklungen
die Anwendung einer Technik des schnellen Umwickelns vor Ort.
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Das
Zusammenbauverfahren der vorliegenden Erfindung erlaubt es einem
Monteur, einen Ständer
vor Ort zusammenzubauen, das heißt nahe der Stelle, wo der
Generator letztendlich betrieben werden wird. Ein Vor-Ort-Zusammenbauverfahren
für Ständer macht
das Transportieren vormontierter Ständer überflüssig. Infolgedessen werden
die Kosten für
die zugehörigen
Hebezeuge und den Transport sowie der Zeitaufwand zum Einladen,
Transportieren und Ausladen eines fertigen Ständers ebenfalls verringert.
Vor Ort erspart das Ständer-Zusammenbauverfahren
außerdem
die sehr großen
Hebezeuge, wie sie üblicherweise
zum Einsetzen vormontierter Ständer
an ihren Platz verwendet werden.
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Weitere
Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beruhen auf der
Möglichkeit
für den
Hersteller, Generatorkomponenten in speziellen Komponentenwerken
vorzufertigen. Dieser Ansatz ist nicht nur effizienter hinsichtlich
der Herstellungskosten, sondern ermöglicht es dem Hersteller auch, Generatorkomponenten
im Werk herzustellen und zu lagern. Somit können also Ständerkomponenten
für sofortige
Verwendung auf Lager gehalten werden. Damit kann ein Hersteller
einen Kundenauftrag über einen
Generator viel schneller ausführen
als bei einem vormontierten Generator, wobei zugleich die Wahrscheinlichkeit überhöhter Komponentenproduktion
gesenkt wird. In ähnlicher
Weise verkürzt
der "Ab Lager"-Ansatz der Vor-Ort-Zusammenbauverfahren der
vorliegenden Erfindung die gesamte Durchlaufzeit von der Erteilung
des Kundenauftrags bis zur endgültigen
Installation von Ständer
und Generator vor Ort.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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1 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Pakets von Blechen, welches eine einzelne zum Herstellen
eines Ständerkernmoduls
benutzte Lage bildet.
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2 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Ständerkernmoduls.
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3 zeigt eine Explosions-Schnittansicht eines
Ständers
während
der Zusammenbauens.
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4 zeigt einen Schnitt durch
einen fertig zusammengebauten Generator.
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5 zeigt ein Flussdiagramm
eines Verfahrens zum Zusammenbauen eines Generators, und zwar einschließlich des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Vor-Ort-Zusammenbauen des
Ständers.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
dieser Beschreibung steht "vor
Ort" allgemein für jeden
Zusammenbau-Ort, der sich nahe der Stelle befindet, wo der zusammengebaute
Generator letztendlich betrieben werden wird.
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Es
seien nun die Abbildungen betrachtet; in diesen bezeichnen gleiche
Nummern stets gleiche Elemente. 1 zeigt
eine beispielhafte Ständerkern-Platte 20 zur
Verwendung bei der Herstellung eines Ständerkerns gemäß der vorliegenden
Erfindung. Jede Kernplatte 20 ist aus einem Stück eisenhaltigen
Materials wie beispielsweise Stahlblech gestanzt und besitzt mehrere
Löcher 22,
Kerben 26 und Nuten 28. Die Kernplatten 20 sind
so am Umfang eines Kreises angeordnet, dass sie Ringe bilden, beispielsweise
den Ring 24. Jeder Ring 24 stellt eine einzelne
Schichtlage in einem mehrlagigen Ständerkernmodul dar. Im Beispiel
von 1 bilden neun Kernplatten 20 zusammen
einen einzelnen Ring 24; es kann jedoch jede andere geeignete
Anzahl von Platten passend zur Verwendung in einem Ständerkern
jedes gewünschten
Durchmessers geformt und angeordnet werden, ohne dass dabei der
Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
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Wie 2 zeigt, wird ein mehrlagiges
Ständerkernmodul 10 durch
Aufeinanderschichten mehrerer Ringe 24 gebildet. Die Ringe 24 werden
so geschichtet, dass die Löcher 22,
die Kerben 26 und die Nuten 28 jeder Kernplatte 20 passend
zu den jeweiligen Löchern 22,
Kerben 26 und Nuten 28 der Kernplatte 20 des
benachbarten Rings 24 ausgerichtet sind. Im Beispiel von 2 sind fünf Ringe 24 aufeinandergeschichtet,
um ein einzelnes Kernmodul 10 zu bilden; es kann jedoch
jede andere geeignete Anzahl von Lagen verwendet werden, ohne dass
dabei der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
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Jedes
Kernmodul 10 wird hergestellt, indem ein Stapel von Ringen 24 in
einer Modulhalterung zusammengespannt wird. Der zusammengespannte Stapel
von Ringen wird in eine Vakuumkammer gebracht, wo auf seine Außenflächen ein
Harz aufgebracht wird. Anschließend
wird die Kammer unter Druck gesetzt, damit das Harz tiefer zwischen
die Platten 20 eindringt. Dann wird der zusammengespannte
Stapel aus der Kammer entnommen und in einen Ofen gebracht. Der
Ofen wird geheizt, bis das Harz aushärtet und damit das Kernmodul 10 fertig gestellt
ist. Zum Schluss wird das fertige Kernmodul 10 aus der
Modulhalterung genommen. Die so hergestellten Kernmodule 10 stellen
Komponenten dar, die beim Generator-Zusammenbauverfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
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Die
beim Ständer-Zusammenbauverfahren der
vorliegenden Erfindung verwendeten Komponenten sind in den 3 und 4 (die zusammen betrachtet werden sollen)
gezeigt. 3 ist eine
Explosions-Schnittansicht eines Ständers während seines Zusammenbauens
vor Ort. Der Ständer 60 besteht aus
einem Ständergehäuse 50 und
einem Ständerkern 52.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ständer wird
der Ständer 60 unter
Verwendung mehrerer Kernmodule 10 zusammengebaut. Jedes
Kernmodul ist eine fertige Einheit, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren
hergestellt worden ist. Im Gegensatz zu manchen herkömmlichen
Verfahren zum Herstellen eines Ständers 60 wird der
Ständerkern 52 direkt
innerhalb des Gehäuses 50 zusammengebaut,
was die Verwendung einer getrennten externen Halterung am Zusammenbau-Ort überflüssig macht
und die Notwendigkeit eines Zusammenpressens des Stapels mit hohem
Druck verringert. Beim Zusammenbauen des Ständers ergeben sich durch eine
modulare Ständerkern-Konstruktion
zusätzliche
Vorteile. Beispielsweise werden die Kernmodule 10 vorgefertigt
und zum Zeitpunkt des Zusammenbauens des Ständers an den Ort des endgültigen Zusammenbauens
geliefert. Das bedeutet, dass die Module an einem anderen Ort unter
besser kontrollierten Bedingungen vorgefertigt werden können.
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Außerdem können zum
Heben der Kernmodule 10 in das Gehäuse viel schwächere Hebezeuge benutzt
werden als sie nötig
sind, um einen kompletten Ständerkern
in sein Gehäuse
zu heben. Aus diesen Vorteilen resultiert ein Ständerkern mit verbesserten Betriebseigenschaften,
unter anderem hinsichtlich Wärmeabfuhr
und Lockerung. Die Zeit für die
Endmontage kann von mehreren Tagen auf nur einen Tag verkürzt werden.
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Es
seien nun nochmals die 3 und 4 betrachtet; ein vollständig zusammengebauter
Generator 80 besitzt einen Ständer 60, einen Läufer 62 und mehrere
Spulenwicklungen 64. Wie in 4 gezeigt,
hat der Ständer 60 ein
Ständergehäuse 50 mit einem
Lagerträger 58 an
mindestens einem seiner Enden sowie einen Ständerkern 52 aus mehreren Ständerkernmodulen 10.
Die Passstange 66 verbindet den Ständerkern 52 mit den
Distanzringen 67 des Ständergehäuses 50,
richtet den Ständerkern 52 innerhalb
des Ständergehäuse 50 aus
und stützt
ihn im Ständergehäuse 50.
Eine herkömmliche
Vorrichtung wie etwa ein Federstab (nicht abgebildet) kann im Wesentlichen
parallel zur Passstange 66 platziert werden, um die Passstange 66 an
den Distanzringen 67 des Ständergehäuses 50 zu befestigen.
Um sie später
sicher mit dem Ständerkernmodul 10 zu
verbinden, kann die Passstange 66 eine Oberflächenform
haben, etwa eine halbrunde, die in die Kerbe 26 passt.
Die Passstange 66 richtet den Ständerkern 52 relativ
zum Läufer 62 und
zum Ständergehäuse 50 aus
und hält
ihn in dieser Stellung.
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Der
Läufer 62 besitzt
an mindestens einem seiner Enden eine Kupplung 68, um ihn beispielsweise
mit einer Drehvorrichtung oder einer Turbine (nicht abgebildet)
verbinden zu können.
Außerdem
wird der Läufer 62 drehbar
innerhalb des Ständers 60 festgehalten,
und zwar mithilfe des zwischen dem Läufer 62 und dem Lagerträger 58 sitzenden
Lagers 72. Die Anschlüsse 74 sind
elektrisch mit den Spulenwicklungen 64 verbunden. Ein Erreger
(nicht abgebildet) magnetisiert den Läufer 62 und induziert
ein magnetisches Feld in den Ringen 24, welches den elektrischen
Strom erzeugt, der dem Generator 80 über die Anschlüsse 74 entnommen
wird.
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5 zeigt ein Flussdiagramm,
das Schritte eines bevorzugten Ständer-Zusammenbauverfahrens
der vorliegenden Erfindung enthält. 5 zeigt außerdem Schritte,
die beim weiteren Zusammenbau eines vollständigen Generators möglich sind.
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Zuerst
wird das Ständergehäuse 50 in
eine erste Position gebracht, um Kernmodule 10 aufzunehmen,
wie in 3 gezeigt, und
zwar vorzugsweise vertikal stehend, relativ zu einer normalerweise
in der Nähe
befindlichen Montagefläche
oder -stelle, die ein Betonfundament sein könnte. Im Schritt 102 wird
die Montagebasis 56 in ein Ende des Ständergehäuses 50 eingesetzt
(d. h. in das untere Ende, falls das Ständergehäuse 50 in einer im
Wesentlichen vertikalen Stellung zusammengebaut wird). Die Montagebasis 56 wird
während
des Zusammenbaus dazu benutzt, die Kernmodule 10 in der
richtigen Lage innerhalb des Ständergehäuses 50 abzustützen. Nachdem
das Ständergehäuse 50 zusammengebaut
ist, werden im Schritt 104 mehrere Kernmodule 10 in
das Ständergehäuse 50 eingesetzt.
Die Anzahl der in die Ständerbaugruppe
eingesetzten Kernmoduls 10 variiert in Abhängigkeit
von der gewünschten
Ständerlänge und
der gewählten
Größe der Kernmodule.
Nachdem sämtliche
Kernmodule 10 korrekt im Ständergehäuse 50 platziert sind,
werden die Kernmodule 10 im Schritt 106 zusammengespannt.
Um die Kernmodule 10 zusammenzuspannen, können Durchgangsbolzen 65 durch
Löcher 22 axial
durch den Ständerkern 52 hindurch
geführt
werden; die Montagebasis 56 wird dann entfernt. Die Durchgangsbolzen 65 sind
mit herkömmlichen Spannteilen
versehen, welche angezogen werden, um den Ständerkern 52 fertig
zu stellen. Andere herkömmliche,
dem Fachmann bekannte Vorrichtungen können ebenfalls benutzt werden,
um die Kernmodule 10 zusammenzuspannen.
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Es
seien nun nochmals die 3 und 4 betrachtet; nachdem der
Ständerkern 52 fertiggestellt ist,
besitzt er eine Ständernut 57,
die durch das Ausrichten von in den Ringen 24 vorhandenen
Nuten 28 gebildet wird. Im Schritt 108 werden
Passstangen 66 wie in 3 gezeigt
neben den aufgeschichteten Ständerkernmodulen 10 eingeschoben.
Danach wird ein Federstab (nicht abgebildet) oder eine andere herkömmliche
Vorrichtung im Wesentlichen parallel zwischen jeder Passstange 66 und
den Distanzringen 67 des Ständergehäuses 50 platziert.
Die Passstangen 66 werden mithilfe einer herkömmlichen
Vorrichtung sicher am Ständerkern 52 befestigt.
Durch das Platzieren einer Federstange (nicht abgebildet) zwischen
der Passstange 66 und den Distanzringen 67 kann
eine Befestigung des Ständerkerns
52 am Ständergehäuse 50 erreicht
werden. Diese Anordnung erlaubt außerdem während des Betriebs des Generators 80 auftretende
radiale Vibrationen des Ständerkerns 52 des
Ständers 60.
Es ist offensichtlich, dass auch eine geeignete herkömmliche
Vorrichtung zum Befestigen des Ständerkerns 52 am Ständergehäuse 50 benutzt
werden kann.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
wird das Ständergehäuse 50 für die verbleibenden
Arbeiten des Zusammenbauens der Generatorbaugruppe in eine zweite
Lage, vorzugsweise horizontal, gebracht. Im Schritt 110 werden
mithilfe in der Technik bekannter Bewicklungsverfahren mehrere Spulenwicklungen 64 in
die Ständernut 57 eingebracht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Technik des schnellen Umwickelns vor Ort zum Herstellen
der Spulenwicklungen 64 benutzt. Anschließend wird
im Schritt 114 der Läufer 62 in
den Ständerkern 52 eingeschoben
und im Schritt 116 das Lager 72 zwischen dem Läufer 62 und
dem Lagerträger 58 platziert.
Danach werden Justierungen vorgenommen, um den Läufer 62, die Lager 72 und
den Lagerträger 58 auf den
Ständerkern 52 auszurichten
und damit korrekte Funktion und Abdichtung zu sichern. An diesem Punkt
ist der Generator 80 vollständig zusammengebaut und bereit,
mit beispielsweise einer Drehvorrichtung oder einer Turbine (beides
nicht abgebildet) verbunden zu werden.
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Der
Fachmann erkennt, dass die vorliegende Erfindung auch in bestimmten
anderen Formen in die Praxis umgesetzt werden kann, ohne dabei den
Geltungsbereich der beigefügten
Ansprüche
zu verlassen. Beispielsweise gibt es andere Verfahren zum Zusammenspannen
des fertigen Ständerkerns,
so etwa zwischen beiden Enden des Gehäuses eingesetzte Tellerfedern
und Keile zum Verblocken der Module gegeneinander.