Обмотка генератора ветроэнергетической установки, а также способ соединения плоских ленточных проводников
Изобретение относится к области электротехники, в частности к обмотке генератора. Обмотка включает многочисленные катушки, намотанные из плоского ленточного проводника, каждый из которых имеет два конца. Плоские ленточные проводники прорезаются на предварительно определенную длину в продольном направлении так, что образуются по меньшей мере два частичных концевых элемента, имеющих одинаковую ширину. При этом частичные концевые элементы изгибаются так, что частичные концевые элементы перекрываются внахлест по меньшей мере на одном соединительном участке, причем соединительные участки двух концов перекрываются внахлест на общем соединительном участке и там соединяются. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к обмотке генератора ветроэнергетической установки и к способу изготовления соединений плоских ленточных проводников, которые предпочтительно применяются для обмотки.
Из уровня техники известны ветроэнергетические установки, в частности, также безредукторные ветроэнергетические установки. Ветроэнергетические установки приводятся в действие аэродинамическим винтом, который непосредственно соединен с ротором генератора. В результате движения ротора генератора получаемая от ветра кинетическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Соответственно этому, ротор генератора вращается с такой же медленной скоростью вращения, как аэродинамический винт.
Ввиду такой медленной скорости вращения, генератор имеет, в расчете на номинальную мощность, сравнительно большой диаметр генератора, предпочтительно в несколько метров, с большим диаметром воздушного зазора. Воздушный зазор на стороне ротора ограничен полюсами ротора с полюсными пакетами. Полюсные пакеты состоят из сплошного блока материала или из многочисленных выштампованных листов полюсного пакета, которые наслоены друг на друга и, например, сварены между собой с образованием полюсных пакетов.
Согласно уровню техники листы полюсного пакета в полюсных пакетах имеют область сердечника полюса и область наконечника полюса. Полюсные пакеты снабжены обмоткой, которая также может называться обмоткой ротора, и на эту обмотку подается электрический ток возбуждения. В результате этого в полюсных пакетах и в соответствующих обмотках вместе с током возбуждения создается магнитное возбуждение. Это магнитное возбуждение приводит к тому, что полюсные пакеты с обмоткой служат в качестве магнитных полюсов ротора генератора, в частности, синхронного генератора.
При изготовлении вокруг сердечника полюса каждого полюсного пакета наматываются многочисленные витки, предпочтительно из алюминиевой плоской проволоки или медной плоской проволоки, и тем самым образуют катушку. Концы многочисленных катушек соединяются друг с другом, чтобы сформировать соответствующий полюс генератора с синхронной подачей тока. Проводники из алюминиевой плоской проволоки или медной плоской проволоки также в общем могут быть обобщены термином плоский ленточный проводник или плоский проволочный проводник.
Кроме полюсной обмотки из плоской проволоки, имеются также обмотки из плоской ленты. Для соединения плосколенточных катушек применяется стандартизированный способ холодной сварки под давлением.
То есть, плоский ленточный проводник, который находится в намотанном состоянии катушки, которая также может называться плосколенточной катушкой, всей своей шириной приводится в соединение с плоским стержнем, и холодной сваркой под давлением соединяется со стержнем в многочисленных местах. Многочисленные соединения на каждый конец плосколенточной катушки нужны, чтобы обеспечивать достаточно низкое сопротивление соединения так, чтобы в области соединения не выделалось никакое чрезмерное тепло, которое разрушает соединение.
Полученные холодной сваркой под давлением соединения выполняются при высоком давлении и ниже температуры кристаллизации отдельных деталей. Тем самым этот способ соединения является особенно предпочтительным, поскольку не требуются никакие высокие температуры, чтобы - например, как при сварке - изготовить соединение с кинематическим замыканием.
Однако качество контактирования зависит от тщательности предварительной обработки мест контакта, и тем самым требуется трудоемкая предварительная подготовка для соединения. Кроме того, необходимо непосредственное испытание качества контактирования после изготовления, так как контактирование при сформированном холодной сваркой под давлением соединении довольно часто оказывалось полученным с недостаточным качеством. Исправление в случае плохого контактирования, например, после завершенного изготовления генератора, оказывается очень затруднительным. Например, начало катушки при намотке следующей обмотки становится перекрытым, и поэтому уже более недоступным для позднейшего контроля.
Сварные соединения, при которых требуется нагревание с выделением большого количества тепла, которое затруднительно ограничивать в предварительно определенной области соединения, непригодны для соединения плоских ленточных проводников или катушек из плоской ленты, поскольку выделение тепла, например, может приводить к разрушению конструкционных деталей, которые находятся в окружающей область соединения зоне.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в устранении недостатков уровня техники. В частности, должна быть обеспечена возможность соединения двух плоских ленточных проводников, которое имеет высокое качество, которое может достигаться с незначительной предварительной обработкой, и которое может создаваться без нагревания горючим газом, например, как при сварке.
Германским ведомством по патентам и товарным знакам в отношении приоритетной заявки по настоящей заявке выявлен следующий уровень техники: DE 41 26 019 A1, DE 10 2012 208 550 A1, AT 84635 B, US 3,467,931 A и EP 2 863 402 A1.
Согласно изобретению, предложена обмотка генератора ветроэнергетической установки, которая изготовлена с плосколенточными катушками из плоских ленточных проводников. Обмотка предпочтительно представляет собой обмотку электрического якоря, который также называется ротором, генератора. Каждый плоский ленточный проводник, который намотан с образованием плосколенточной катушки, имеет два конца. Плоский ленточный проводник является протяженным в длину, предпочтительно выполнен из меди или алюминия, и имеет поперечное сечение. Поперечное сечение плоского ленточного проводника при этом имеет высоту, которая является значительно меньшей, чем ширина. Так, ширина предпочтительно соответствует по меньшей мере десятикратной высоте.
Кроме того, соединяются по меньшей мере два конца двух различных плоских ленточных проводников. Для этого концы в каждом случае, если смотреть от данного конца, разрезаются или просекаются по меньшей мере до предварительно определенной длины так, что на конце плоского ленточного проводника образуются по меньшей мере два частичных концевых элемента. Частичные концевые элементы в каждом случае имеют по существу одинаковую ширину. Кроме того, частичные концевые элементы изгибаются таким образом, что частичные концевые элементы перекрываются внахлест по меньшей мере на одном соединительном участке. На перекрывающихся соединительных участках обоих концов, которые размещены перекрывающимися внахлест на общем соединительном участке, предпочтительно предусматривается сквозное отверстие через все частичные концевые элементы обоих соединительных участков на обоих концах, причем частичные концевые элементы обоих концов, в частности, посредством сквозного отверстия, соединяются друг с другом на общих соединительных участках.
Соответственно этому, соединительные участки концов соединяются посредством единственного общего соединительного участка, например, со сквозным отверстием, которое может быть использовано для заклепывания, свинчивания или для соединения иным образом. Кроме того, обеспечивается достаточно низкое сопротивление благодаря перекрыванию внахлест и контакту частичных концевых элементов на общем соединительном участке. Тем самым многократное соединение, как при холодной сварке под давлением, не требуется.
Согласно первому варианту исполнения, частичные концевые элементы первого конца плоского ленточного проводника и частичные концевые элементы второго конца второго плоского ленточного проводника размещены перекрывающимися внахлест на общем соединительном участке так, что в каждом случае между двумя частичными концевыми элементами первого конца размещается частичный концевой элемент другого конца.
Тем самым возможна особенно благоприятная электрическая проводимость с незначительным сопротивлением от одного конца плоского ленточного проводника до другого конца другого плоского ленточного проводника. Зона контакта благодаря размещенным чередующимися частичным концевым элементам различных концов, то есть, в наслоенном друг на друга состоянии, выбирается по возможности обширной.
Согласно дополнительному варианту исполнения, все частичные концевые элементы изгибаются так, что частичные концевые элементы перекрываются внахлест на одном соединительном участке, для чего каждый частичный концевой элемент имеет изгиб под углом 180 градусов. При этом линия изгиба имеет угол больше нуля относительно продольной оси так, что соединительный участок находится сбоку рядом с плоским ленточным проводником. Таким образом, частичные концевые элементы являются отвернутыми вбок. В результате этого изгибания частичных концевых элементов соединительный участок создается особенно простым путем, а именно, наклонным заворачиванием частичного концевого элемента. Угол изгиба на 180 градусов может быть получен просто и точно.
Согласно дополнительному варианту исполнения, линия изгиба частичного концевого элемента имеет 45-градусный угол относительно продольной оси частичного концевого элемента так, что частичные концевые элементы пролегают под 90-градусным углом, то есть, продольные оси частичных концевых элементов в каждом случае пролегают под прямым углом, и изгибаются на угол изгиба 180 градусов. В частности, для соединения смежных плоских ленточных проводников тем самым формированием общего соединительного участка между соседними плоскими ленточными проводниками можно создавать соединения без применения дополнительных материалов, таких как используемые согласно уровню техники стержни или соединительные стержни. Соответственно этому, сами частичные концевые элементы заменяют соединительные стержни. В остальном соединение двух концов плоских ленточных проводников и поэтому двух соседних катушек возможно тем самым формированием единственного соединения.
Согласно дополнительному варианту исполнения, через частичные концевые элементы на общем соединительном участке сверлением или штамповкой создается сквозное отверстие. Частичные концевые элементы обоих концов тогда свинчиваются винтом через общее сквозное отверстие.
Согласно альтернативному варианту выполнения относительно приведенного последним варианта выполнения было создано сквозное отверстие за счет того, что частичные концевые элементы на соединительном участке, по меньшей мере частично, были приведены в контакт друг с другом, и на соединительном участке через подлежащие соединению заготовки перемещался вперед вращающийся нережущий инструмент во время вращения в осевом направлении.
Для создания сквозного отверстия использовалось нережущее сверло, которое предпочтительно представляет собой термическое сверло. Вследствие трения в контакте с частичными концевыми элементами инструмент расплавляет материал частичных концевых элементов так, что они после выведения инструмента из сквозного отверстия соединяются между собой при затвердевании материала частичных концевых элементов.
Подобное соединение имеет то преимущество, что тепло, необходимое для расплавления материала частичных концевых элементов, то есть, алюминия и/или меди, создается непосредственно на соединительном участке вследствие трения. Тем самым соседние компоненты не повреждаются пламенем, какое, например, требуется при сварке. Тем самым для соединения не нужно применять традиционный способ сварки, например, способ сварки в среде защитного газа.
Кроме того, изобретение относится к способу соединения плоских ленточных проводников, причем два конца двух плоских ленточных проводников соединяются исполнением следующих этапов. Плоские ленточные проводники предпочтительно сначала наматывались вокруг сердечника роторного полюса на роторе ветроэнергетической установки. Прежде всего каждый плоский ленточный проводник в каждом случае на конце одно- или многократно прорезается по меньшей мере до предварительно определенной длины в продольном направлении проводника так, что получаются по меньшей мере два, предпочтительно по меньшей мере шесть или по меньшей мере восемь, частичных концевых элементов по существу с одинаковой шириной. Соответственно этому частичные концевые элементы имеют такую же толщину, как сам плоский ленточный проводник. После этого частичные концевые элементы изгибаются таким образом, что они, по меньшей мере на одном соединительном участке, взаимно перекрываются внахлест. Соответственно этому каждый плоский ленточный проводник имеет соединительный участок. Тогда соединительные участки двух плоских ленточных проводников размещаются перекрывающимися внахлест на одном общем соединительном участке. На общем соединительном участке тогда предпочтительно создается сквозное отверстие, которое проходит через все частичные концевые элементы обоих концов. Сквозное отверстие служит для соединения частичных концевых элементов.
Согласно одному варианту выполнения способа, создается сквозное отверстие, за счет того, что через все частичные концевые элементы продвигается вперед нережущий вращающийся инструмент, тогда как материал частичных концевых элементов вследствие трения между материалом частичных концевых элементов и инструментом расплавляется. При затвердевании после выведения инструмента образуется неразъемное соединение.
Другие варианты осуществления показаны с помощью примеров выполнения, более подробно поясненных на Фигурах, на которых. показано:
Фиг. 1 - ветроэнергетическая установкуа,
Фиг. 2 - схематический вид сбоку генератора,
Фиг. 3 - плоский ленточный проводник, который соединен с плоскими стержнями, выполненных холодной сваркой (уровень техники),
Фиг. 4 - плоский ленточный проводник с изогнутыми частичными концевыми элементами,
Фиг. 5 - два плоских ленточных проводника с соединенными концами, и
Фиг. 6 - сквозное отверстие на общем соединительном участке, которым соединены частичные концевые элементы двух концов.
Фиг. 1 показывает схематическое изображение ветроэнергетической установки 100 согласно изобретению. Ветроэнергетическая установка 100 имеет колонну 102 и гондолу 104 на колонне 102. На гондоле 104 предусмотрен аэродинамический винт 106 с тремя лопастями 108 винта и коком 110. Аэродинамический винт 106 при работе ветроэнергетической установки приводится во вращательное движение под действием ветра и тем самым вращает также ротор, или якорь, генератора, который непосредственно или косвенно связан с аэродинамическим винтом 106. Электрический генератор размещен в гондоле 104 и вырабатывает электрическую энергию. Углы наклона лопастей 108 винта могут изменяться с помощью приводов наклона у оснований 108b лопастей винта для каждой из лопастей 108 винта.
Фиг. 2 схематически показывает генератор 130 в виде сбоку. Он имеет статор 132 и смонтированный вращающимся в нем электродинамический ротор 134, и закрепленный с его статором 132 осевыми шейками 136 на станине 138 машины. Статор 132 имеет опору 140 статора и листовые пакеты 142 статора, которые образуют полюса статора генератора 130 и закреплены статорным кольцом 144 на опоре 140 статора.
Электродинамический ротор 134 имеет полюса 146 ротора, которые посредством опоры 148 ротора, которая также может называться ярмом или ярмом ротора, и подшипника 150 может вращаться на осевых шейках 136 вокруг оси 152 вращения. Листовые пакеты 142 статора и полюса 146 ротора разделены только узким воздушным зазором 154, который имеет толщину в несколько миллиметров, в частности, менее 6 мм, но имеет диаметр в несколько метров, в частности, более 4 м.
Листовые пакеты 142 статора и полюса 146 ротора в каждом случае образуют кольцо и совместно также являются кольцеобразными так, что генератор 130 представляет собой кольцевой генератор. По определению, электродинамический ротор, или якорь, 134 генератора 130 вращается вместе с втулкой 156 аэродинамического винта 106, причем намечены основания лопастей 158 винта.
Фиг. 3 показывает конец 10 плоского ленточного проводника 12, из которого в виде намотанной в якоре 134 катушки вместе с дополнительным намотанным в виде катушки плоским ленточным проводником 12, может быть сформирована обмотка якоря 134, также называемого ротором. Плоский ленточный проводник 12 на соединительном участке 14 соединен холодной сваркой под давлением с двумя стержнями или плоскими стержнями 16. Плоские стержни 16 протягиваются к дополнительному концу 10 другого плоского ленточного проводника 12 (здесь не изображен), который также соединен холодной сваркой под давлением с плоскими стержнями 16. Это соединение известно из уровня техники.
В отличие от уровня техники, Фиг. 4 показывает конец 10 плоского ленточного проводника 12, который согласно изобретению имеет многочисленные частичные концевые элементы 18, а именно, ровно восемь частичных концевых элементов 18. Частичные концевые элементы 18 были сформированы тем, что плоский ленточный проводник 12 был многократно прорезан вдоль его продольного направления 20. Разрезы 22 находятся между частичными концевыми элементами 18 и пролегают по меньшей мере на длину 23 в плоский ленточный проводник 12, если смотреть от его конца 10. В данном случае были выполнены семь разрезов или прорезей 22, чтобы получить восемь частичных концевых элементов 18.
Частичные концевые элементы 18 после этого были отогнуты в каждом случае вдоль линии 24 изгиба всякий раз на 180 градусов. При этом линия 24 изгиба имеет угол 25 по существу 45 градусов относительно продольной оси 26 конца 10 проводника 12. Частичные концевые элементы 18 перекрываются внахлест на соединительном участке 28, причем отдельные выступающие над соединительным участком 28 частичные концевые элементы 18 были отделены. На соединительном участке 28 было образовано сквозное отверстие 30, чтобы соединить плоский ленточный проводник 12 с дополнительным плоским ленточным проводником 12.
Фиг. 5 показывает два плоских ленточных проводника 12 в схематическом изображении, которые в продольном направлении 20 являются протяженными на значительно меньшую длину, чем плоские ленточные проводники 12, которые намотаны в виде катушки вокруг полюсного пакета полюса 146 ротора. В данном случае изображение показывает только схематический вид соединения плоских ленточных проводников 12. Плоские ленточные проводники 12 имеют общий соединительный участок 31, на котором они соединены друг с другом. Общий соединительный участок 31 образован перекрывающимся размещением двух соединительных участков 28, как они показаны в Фиг. 4 в отношении отдельного плоского ленточного проводника 12. Оба конца 10 на верхнем участке так, как в увеличенном виде показано в Фиг. 4, прорезаны и отогнуты. Кроме того, общий соединительный участок 31 представлен в увеличенном виде в Фиг. 6.
Фиг. 6 показывает, что частичные концевые элементы 18 данного соединительного участка 28 двух плоских ленточных проводников 12 попеременно наслоены друг на друга на общем соединительном участке 31. Тогда частичные концевые элементы 18 соединяются на общем соединительном участке 31, для чего было создано сквозное отверстие 30, а именно, отверстие, для чего сквозь соединительный участок 28 продавливалось вращающееся нережущее сверло. При этом материал частичных концевых элементов 18 расплавлялся, и материал различных частичных концевых элементов 18 вследствие расплавления растекался друг в друга. После этого теперь нережущее сверло выводилось, оставляя сквозное отверстие 30, и частичные концевые элементы 18 соединяются между собой по краю 32 сквозного отверстия 30.
Кроме того, согласно дополнительному, здесь не изображенному примеру исполнения, в сквозное отверстие 30 еще вставляется винт, и затягивается гайкой, чтобы сформированное здесь соединение с кинематическим замыканием дополнительно зафиксировать еще и механически.
Генератор ветроэнергетической установки имеет, например, номинальную мощность >1 МВт, диаметр >3 м и/или вес >5 тонн.
1. Обмотка генератора (130) ветроэнергетической установки (100), в частности ротора (134), причем обмотка включает несколько катушек, которые в каждом случае намотаны из плоского ленточного проводника (12), причем плоские ленточные проводники (12) в каждом случае имеют два конца (10), и по меньшей мере два конца (10) двух плоских ленточных проводников (12) соединены друг с другом соединением, причем соединение создается тем, что плоские ленточные проводники (12) в каждом случае, если смотреть от соответствующего конца (10), прорезаются или штампуются по меньшей мере с достижением предварительно определенной длины (23) плоского ленточного проводника (12) в продольном направлении (12) так, что образуются по меньшей мере два частичных концевых элемента (18) плоского ленточного проводника (12), которые соответственно имеют по существу одинаковую ширину, и частичные концевые элементы (18) изгибаются таким образом, что частичные концевые элементы (18) одного и того же плоского ленточного проводника (12) перекрываются внахлест по меньшей мере на одном соединительном участке (28), причем соединительные участки (28) соединенных концов (10) перекрываются внахлест на общем соединительном участке (31).
2. Обмотка по п. 1, причем частичные концевые элементы (18) первого конца (10) плоского ленточного проводника (12) и частичные концевые элементы (18) второго конца (10) второго плоского ленточного проводника (12) на общем соединительном участке (31) размещены перекрывающимися внахлест так, что в каждом случае между двумя частичными концевыми элементами (18) первого конца (10) плоского ленточного проводника (12) размещается частичный концевой элемент (18) другого конца (10).
3. Обмотка по п. 1 или 2, причем частичные концевые элементы (18) конца (10) плоского ленточного проводника (12) изогнуты, за счет того, что каждый частичный концевой элемент (18) имеет угол изгиба 180 градусов, и линия (24) изгиба имеет угол (25) более 0 градусов относительно продольной оси (26) так, что соединительный участок (14, 28) предпочтительно находится сбоку рядом с плоским ленточным проводником (12).
4. Обмотка по п. 3, причем линия (24) изгиба частичного концевого элемента (18) имеет 45-градусный угол (25) к продольной оси (26) частичного концевого элемента (18) так, что частичные концевые элементы (18) проходят под углом (25) в 90 градусов.
5. Обмотка по одному из предшествующих пунктов, причем формируется сквозное отверстие (30) через частичные концевые элементы (18) посредством сверления или штамповки, и частичные концевые элементы (18) обоих концов (10) свинчиваются винтом через сквозное отверстие (30).
6. Обмотка по одному из предшествующих пунктов, причем сквозное отверстие (30) сформировано через все частичные концевые элементы (18) на общем соединительном участке (31), за счет того, что частичные концевые элементы (18), по меньшей мере частично, приводятся в контакт друг с другом на общем соединительном участке (31), и вращающийся нережущий инструмент перемещается вперед на общем соединительном участке (31) через все подлежащие соединению частичные концевые элементы (18) во время вращения в осевом направлении.
7. Генератор ветроэнергетической установки по меньшей мере с одной обмоткой по одному из пп. 1-6.
8. Способ соединения двух концов (10) двух плоских ленточных проводников (12), в частности, для изготовления обмотки по одному из пп. 1-6, причем соединение создают посредством следующих этапов:
- прорезания или выштамповки каждого плоского ленточного проводника (12), при рассматривании от соответствующего конца (10), по меньшей мере с достижением предварительно определенной длины (23) плоского ленточного проводника (12) в продольном направлении (20) так, что образуются по меньшей мере два частичных концевых элемента (18) плоского ленточного проводника (12), которые соответственно имеют по существу одинаковую ширину,
- изгибания частичных концевых элементов (18) таким образом, что частичные концевые элементы (18) одного и того же плоского ленточного проводника (12) перекрываются внахлест по меньшей мере на одном соединительном участке (28),
- размещения соединительных участков (28) двух концов (10) на общем соединительном участке (31), и
- соединения частичных концевых элементов (18) на общем соединительном участке (31).
9. Способ по п. 8, причем частичные концевые элементы (18) первого конца (10) плоского ленточного проводника (12) и частичные концевые элементы (18) второго конца (10) второго плоского ленточного проводника (12) размещают перекрывающимися внахлест на общем соединительном участке (31) так, что в каждом случае между двумя частичными концевыми элементами (18) первого конца (10) размещается частичный концевой элемент (18) другого конца (10).
10. Способ по п. 8 или 9, причем частичные концевые элементы (18) конца (10) плоского ленточного проводника (12) изгибают, за счет того, что каждый частичный концевой элемент (18) изгибается на угол изгиба, составляющий 180 градусов, и линия (24) изгиба имеет угол (25) больше 0 градусов относительно продольной оси (26) так, что соединительный участок (28) предпочтительно образуется сбоку рядом с плоским ленточным проводником (12).
11. Способ по п. 10, причем линия (24) изгиба частичного концевого элемента (18) имеет 45-градусный угол (25) относительно продольной оси (26) частичного концевого элемента (18) так, что частичные концевые элементы (18) проходят под 90-градусным углом (25).
12. Способ по одному из пп. 8-11, причем сквозное отверстие (30) формируют через все частичные концевые элементы (18) на соединительном участке (31) сверлением или штамповкой, и частичные концевые элементы (18) обоих концов (10) свинчиваются винтом через сквозное отверстие (30).
13. Способ по одному из пп. 8-11, причем на общем соединительном участке (31) через частичные концевые элементы (18) формируют сквозное отверстие (30), за счет того, что все частичные концевые элементы (18) на общем соединительном участке (31), по меньшей мере частично, приводят в контакт друг с другом, и вращающийся нережущий инструмент перемещается вперед на общем соединительном участке (31) через подлежащие соединению частичные концевые элементы (18) во время вращения в осевом направлении.
