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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet elektrischer Maschinen, insbesondere Rotoren für elektrische Maschinen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine und eine eine elektrische Maschine umfassende Windturbine.
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Stand der Technik
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Zum Optimieren der Leistung von elektrischen Maschinen ist es günstig, wenn zwischen dem Stator und dem Rotor ein kleiner mittlerer Luftspalt besteht. Um jedoch Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotor zu vermeiden, ist es erforderlich, alle Faktoren, die während der Herstellung oder des Betriebs eine Verkleinerung des Luftspalts verursachen können, zu berücksichtigen. Einer der Faktoren, die während des Betriebs eine Änderung des Luftspalts verursachen können, sind die Biegemomente an der Maschine.
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Bei einem direkt angetriebenen Windturbinengenerator mit einem Innenstator (mit Wicklungen), einem Außenrotor (mit Permanentmagneten) und einem einzigen Lager auf der Antriebsendseite des Generators (das heißt, an dem Ende des Generators, das mit einem Windturbinenrotor verbunden ist) ist die durch Biegemomente am Antriebsende verursachte Luftspaltänderung zum Nichtantriebsende (das heißt, dem Ende des Generators, das nicht mit dem Windturbinenrotor verbunden ist) hin größer als am Antriebsende. Der Grund dafür ist der größere Abstand zwischen dem Lager und dem Nichtantriebsende.
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Der Nennluftspalt einer elektrischen Maschine ist normalerweise so eingestellt, dass er entlang einer Axialrichtung der Maschine konstant ist. Bei einer Maschine mit einem einzigen Lager auf der Antriebsendseite muss der Nennluftspalt ausreichend groß eingestellt werden, so dass er einer stärkeren Variation des Luftspalts zum Nichtantriebsende hin als am Antriebsende bei Beaufschlagung mit Biegemomenten am Antriebsende Rechnung trägt.
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Somit kann Bedarf an einer Art und Weise der Minimierung oder zumindest Verkleinerung des mittleren Luftspalts zwischen einem Rotor und einem Stator in einer elektrischen Maschine bestehen.
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Kurzfassung der Erfindung
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Diesem Bedarf kann durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Antriebsende und einem Nichtantriebsende bereitgestellt. Der beschriebene Rotor umfasst einen zylindrischen Teil, der zur Drehung um eine zwischen dem Antriebsende und dem Nichtantriebsende verlaufende Achse ausgeführt ist, wobei der zylindrische Teil eine erste Fläche umfasst, die so ausgeführt ist, dass sie zu einem Stator in der elektrischen Maschine weist, und wobei die erste Fläche eine konische Form aufweist, derart, dass der radiale Abstand von der ersten Fläche zu der Drehachse zu dem Nichtantriebsende hin größer als zu dem Antriebsende hin ist.
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Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass ein allmählich zunehmender radialer Abstand zwischen der Fläche des Rotors, die zu dem Stator in einer elektrischen Maschine weist, und der Drehachse (und dadurch zwischen der Fläche und dem Stator) zu dem Nichtantriebsende hin ermöglicht, den mittleren Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zu verkleinern. Insbesondere ermöglicht die konische Form der Rotorfläche, die zu dem Stator weist, das Vorsehen eines minimalen Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator an einer beliebigen Stelle entlang der Drehachse, wobei der minimale Luftspalt groß genug ist, zu gewährleisten, dass sich der Stator und der Rotor während des Betriebs nicht berühren. Der minimale Luftspalt ist zu dem Nichtantriebsende hin größer als am Antriebsende. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Auswirkung von an den Rotor angelegten Biegekräften am Antrieb keine Beschädigung der elektrischen Maschine verursachen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Rotor ferner einen Endteil, der zum Eingriff mit einem Lager am Antriebsende der elektrischen Maschine ausgeführt ist, wobei sich der Endteil senkrecht zur Drehachse erstreckt.
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Der Endteil kann insbesondere einen mit dem zylindrischen Teil an Antriebsende davon zusammenpassenden Boden bilden. Der Endteil kann integral mit dem zylindrischen Teil ausgebildet sein, oder er kann beispielsweise durch Schweißen daran befestigt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der zylindrische Teil ferner eine zweite Fläche, die so ausgeführt ist, dass sie von dem Stator in der elektrischen Maschine weg weist, wobei die zweite Fläche vorzugsweise parallel zur Drehachse verläuft.
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Mit anderen Worten, die zweite Fläche ist die Fläche, die der ersten Fläche gegenüberliegt. Wenn die erste Fläche zum Beispiel die Innenfläche des zylindrischen Teils ist, dann ist die zweite Fläche die Außenfläche des zylindrischen Teils und vice versa.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Fläche des zylindrischen Teils eine Innenfläche.
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Demgemäß ist der Rotor gemäß der vorliegenden Ausführung für eine elektrische Maschine mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, wie zum Beispiel bei einem direkt angetriebenen Windturbinengenerator, geeignet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Fläche (16) des zylindrischen Teils dazu ausgeführt, mehrere Magnete, insbesondere Permanentmagnete, zu halten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die Differenz zwischen dem radialen Abstand von der ersten Fläche zur Drehachse am Antriebsende und dem radialen Abstand von der ersten Fläche zur Drehachse am Nichtantriebsende zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 4 mm, insbesondere bei ca. 3 mm.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine Folgendes umfasst: (a) einen Stator, der mindestens eine Statorwicklung umfasst, und (b) einen Rotor gemäß dem ersten Aspekt oder irgendeiner der obigen Ausführungsformen, wobei der Rotor zur Drehung bezüglich des Stators angeordnet ist.
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Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf dem gleichen Gedanken wie der oben beschriebene erste Aspekt und stellt somit eine elektrische Maschine mit einem erhöhten Wirkungsgrad aufgrund der Gesamtverkleinerung des mittleren Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator bereit.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Windturbine bereitgestellt, die eine elektrische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt umfasst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine ein direkt angetriebener Windturbinengenerator, der einen Innenstator und einen Außenrotor umfasst.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Gegenstände beschrieben worden sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Verfahrensansprüche beschrieben worden, während andere Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Vorrichtungsansprüche beschrieben worden sind. Ein Fachmann wird dem Obigen und der folgenden Beschreibung jedoch entnehmen, dass, wenn nicht anders angegeben, zusätzlich zu jeglicher Kombination von Merkmalen, die zu einer Gegenstandsart gehören, auch jegliche Kombination von Merkmalen, die andere Gegenstände betreffen, insbesondere Kombinationen von Merkmalen der Verfahrensansprüche und Merkmalen der Vorrichtungsansprüche, Teil der Offenbarung dieser Schrift ist.
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Die oben definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung gehen aus den im Folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispielen hervor und werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele erläutert. Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele ausführlicher beschrieben. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch. Es sei darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit den gleichen Bezugszahlen oder mit Bezugszahlen, die sich nur in der ersten Ziffer unterscheiden, versehen sind.
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1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Rotor 10 und einen Stator 20 umfasst, die auf einer Trägerstruktur 30 angeordnet sind. Die Zeichnung ist um die von der Antriebsendseite (DE-Seite) zur Nichtantriebsendseite (NDE-Seite) der Maschine verlaufende Drehachse A rotationssymmetrisch.
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Insbesondere umfasst der Rotor 10 einen Endteil 14 und einen zylindrischen Teil. Der Endteil 14 nimmt das Lager 32 auf der DE-Seite der Trägerstruktur 30 in Eingriff und bildet mit dem zylindrischen Teil im Wesentlichen einen rechten Winkel. Der zylindrische Teil umfasst eine Außenfläche 12 und eine Innenfläche 16. Mehrere Magnete 18 sind an der Innenfläche 16 zum Stator 20 weisend angeordnet. Obgleich die Außenfläche 12 des zylindrischen Teils im Wesentlichen parallel zur Drehachse A verläuft, weist die Innenfläche 16 in dem Sinne eine konische Form auf, als der Abstand R1 von der Innenfläche 16 zur Trägerstruktur 30 an dem Ende der zylindrischen Struktur, das dem Antriebsende DE am nächsten ist, etwas kleiner als der Abstand R2 von der Innenfläche 16 zur Trägerstruktur 30 an dem Ende des zylindrischen Teils, das dem Nichtantriebsende NDE am nächsten ist, ist. In Abhängigkeit von der Größe der elektrischen Maschine kann die Differenz zwischen R1 und R2 im Bereich von 1 mm bis 10 mm liegen. Demgemäß ist die Größe des Luftspalts 19 zwischen den Magneten 18 und dem Stator 20 zu der NDE-Seite hin größer als auf der DE-Seite.
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Der Stator 20 umfasst mindestens eine Wicklung 22 und ist vorzugsweise als eine Schichtstruktur ausgebildet und an beiden Enden mittels jeweiliger Trägerelemente 24 und 26 an der Trägerstruktur befestigt. Eine (nicht gezeigte) drehbare Nabe ist mit dem Rotorendteil 14 verbunden und am Antriebsende DE mit einer (nicht gezeigten) Antriebseinheit, wie zum Beispiel einem Windturbinenschaufelrotor, verbunden. Die Antriebseinheit ist so mit dem Rotor 10 verbunden, dass eine Drehung der Antriebseinheit eine Drehung des Rotors 10 um den Stator 20 bewirkt und dadurch elektrische Ströme in den Wicklungen 22 des Stators 20 induziert.
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Während des Betriebs werden am Antriebsende Momente an den Rotor 10 angelegt. Dies verursacht ein gewisses Biegen des Rotors 10, was wiederum bewirken kann, dass Teile der Innenfläche 16 des zylindrischen Teils des Rotors 10 näher an den Stator 20 gelangen. Dieses Biegen hat mit zunehmender Nähe zu der Nichtantriebsendseite (NDE-Seite) des Rotors 10 eine größere Auswirkung. Aufgrund des leicht vergrößerten Luftspalts 19 zum Nichtantriebsende hin wird ein Kontakt zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 10 vermieden, während der Luftspalt 19 zum Antriebsende DE hin klein gehalten wird. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert, da der mittlere Luftspalt zwischen den Magneten 18 und dem Stator 20 klein gehalten wird. Gleichzeitig wird die Robustheit des Generators aufgrund des zunehmenden Luftspalts zum Nichtantriebsende hin gewährleistet, wobei die Auswirkung von Biegemomenten am Antriebsende am größten ist.
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Die beschriebene elektrische Maschine mit der oben beschriebenen vorteilhaften Rotorstruktur eignet sich besonders zur Verwendung in direkt angetriebenen Windturbinengeneratoren mit einem einzigen Lager auf der Antriebsendseite.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und die Verwendung der Artikel „ein/e/er/es“ den Plural nicht ausschließt. Darüber hinaus können in Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Elemente kombiniert werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzumfang der Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollen.
