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Patent Searching and Data


Title:
ELECTRIC MACHINE WITH HOUSING SEGMENTS AND STATOR SEGMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/087330
Kind Code:
A2
Abstract:
In summary, the invention relates to an electric machine having a housing, a stator which is arranged in the housing and a rotatable rotor arranged inside the stator, wherein the housing comprises at least two housing segments, and the stator comprises at least two stator segments, and a method for manufacturing such a machine. In order to provide an electric machine which has favourable transportation and installation properties together with a high output power and permits a precisely adjustable air gap to be made available despite customary fabrication tolerances of its components, it is proposed that it be possible to secure each of the stator segments individually to one of the housing segments by means of, in each case, at least one mechanically detachable connection.

Inventors:
SCHILLER CHRISTIAN (DE)
PETEREIT PETER (DE)
SCHAEFER RUEDIGER (DE)
Application Number:
PCT/EP2012/072585
Publication Date:
June 20, 2013
Filing Date:
November 14, 2012
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
Domestic Patent References:
WO2006008331A12006-01-26
Foreign References:
DE102007005131B32008-01-31
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrische Maschine umfassend

- ein Gehäuse,

- einen im Gehäuse angeordneten Stator und

- einen innerhalb des Stators angeordneten drehbaren Rotor, wobei das Gehäuse mindestens zwei Gehäusesegmente und der Stator mindestens zwei Statorsegmente umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass mittels jeweils zumindest einer mechanisch lösbaren Verbindung jedes der Statorsegmente einzeln an einem der Gehäusesegmente fixierbar ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,

wobei an einem der Gehäusesegmente mindestens zwei der Sta- torsegmente fixierbar sind.

3. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,

wobei ein jeweiliger Luftspalt zwischen den jeweiligen Sta- torsegmenten und dem Rotor derart mittels der jeweiligen Verbindung einstellbar ist, dass der Luftspalt für jedes der Statorsegmente gleich einem vorgebbaren Luftspalt ist.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,

wobei die Statorsegmente jeweils mindestens zwei Wicklungen umfassen, welche jeweils ein Teil einer Gesamtwicklung des Stators sind. 5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che mit einer Leistung von mehr als 10 MW.

6. Mühle mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, die zumindest ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten, mindes- tens zwei Statorsegmente umfassenden Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten drehbaren Rotor aufweist, wobei das Gehäuse zumindest aus zwei Gehäusesegmenten zusam¬ mengesetzt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne der Statorsegmen¬ te mittels zumindest jeweils einer mechanisch lösbaren Verbindung an einem der Gehäusesegmente fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

wobei ein jeweiliger Luftspalt zwischen den jeweiligen Statorsegmenten und dem Rotor mittels der jeweiligen Verbindung derart eingestellt wird, dass der Luftspalt für jedes der Statorsegmente gleich einem vorgebbaren Luftspalt ist. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,

wobei die Statorsegmente jeweils mindestens zwei Wicklungen umfassen, welche jeweils ein Teil einer Gesamtwicklung des Stators sind und

wobei jedes Statorsegment mittels Vakuum-Druck-Imprägnierung imprägniert wird.

Description:
Beschreibung

Elektrische Maschine mit Gehäuse- und Statorsegmenten Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten Stator und einem innerhalb des Stators angeordneten drehbaren Rotor, wobei das Gehäuse mindestens zwei Gehäusesegmente und der Stator min ¬ destens zwei Statorsegmente umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine.

Eine derartige elektrische Maschine bzw. ein derartiges Ver ¬ fahren kommen beispielsweise bei Rohrmühlen vor. Die zu deren Antrieb benötigten Motoren können besonders leistungsstark sein und Durchmesser von mehreren Metern aufweisen. Aus

Transportgründen bestehen solche Motoren oftmals aus mehreren kleineren Segmenten, welche dann vor Ort zusammengebaut werden und in zusammengebautem Zustand gleichzeitig das Gehäuse und den Stator bilden.

Aus der DE 10 2007 005 131 B3 ist ein Ringmotor einer Rohrmühle bekannt, der unter anderem aus mehreren Statorsegmenten und Gehäuseabdeckungen sowie einem Rotor besteht, wobei der Ringmotor zwischen dem Stator und dem Rotor einen Luftspalt aufweist. Die Statorsegmente weisen jeweils ein Wicklungssys ¬ tem auf und bilden gleichzeitig die Tragestruktur des Ringmo ¬ tors .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, welche bei hoher Ausgangsleistung günstige Transport- und Installationseigenschaften aufweist und trotz gewöhnlicher Fertigungstoleranzen ihrer Komponenten die Bewerkstelligung eines präzise einstellbaren Luftspalts erlaubt .

Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Maschine der ein ¬ gangs genannten Art dadurch gelöst, dass mittels jeweils zu ¬ mindest einer mechanisch lösbaren Verbindung jedes der Sta- torsegmente einzeln an einem der Gehäusesegmente fixierbar ist .

Diese Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Mühle gemäß An- spruch 6. Da Mühlenantriebe besondere Anforderungen an Leis ¬ tung, Drehmoment und Stabilität der Tragstruktur stellen, ist ein Einsatz der elektrischen Maschine dort besonders vorteil ¬ haft . Schließlich wird diese Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 7.

Erfindungsgemäß sind der Stator und das Gehäuse zwei getrenn- te Maschinenkomponenten, welche jeweils in Segmente unterteilt sind. Dies erlaubt die Konstruktion von besonders leis ¬ tungsstarken und großen elektrischen Maschinen durch Zusammensetzen der jeweiligen Segmente. Derart leistungsstarke Ma ¬ schinen werden beispielsweise bei Mühlenantrieben, insbeson- dere als Direktantrieb, eingesetzt.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Trennung des Stators vom Gehäuse derart, dass die elektrische Ma ¬ schinen Gehäusesegmente und separate Statorsegmente aufweist. Da insbesondere leistungsstarke Maschinen nicht in einem

Stück beziehungsweise in zusammengebautem Zustand transportiert werden können, da sie für einen Transport, beispiels ¬ weise mittels Krananlagen, über Brücken oder durch Tunnel, zu groß und zu schwer sind, bietet die Unterteilung in ein sepa- rates Gehäuse, bestehend aus mindestens zwei Gehäusesegmen ¬ ten, und einen separaten Stator, bestehend aus mindestens zwei Statorsegmenten, besondere Vorteile beim Transport.

Die mechanisch lösbare Verbindung dient unter anderem dazu, das erforderliche Gegendrehmoment des Motors vom Stator in die Tragstruktur des Gehäuses einzuleiten und kann insbesondere form- oder kraftschlüssig ausgeführt sein. Durch die Verbindung, beispielsweise in Form einer Schraubverbindung, ist eine Montage der Maschine relativ leicht zu bewerkstelli ¬ gen. Dabei können beispielsweise Statorsegmente derart ver ¬ wendet werden, dass sie vergleichsweise klein sind und in größerer Stückzahl hergestellt werden. Weiterhin kann die Verbindung zur Justage der Statorsegmente verwendet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Gehäusesegmente und Statorsegmente mit vergleichsweise groben Fertigungstoleran ¬ zen verwendet werden und die mechanisch lösbare Verbindung zum Ausgleich der Toleranzen dienen kann. Auch bei einer schwerkraftbedingten Verformung des Gehäuses ist dies ein vorteilhafter Aspekt, insbesondere bei großen und schweren Maschinen, da auch nachjustiert werden kann. Weiterhin können durch die größere Stückzahl der Statorsegmente sowie durch die großen Fertigungstoleranzen die Produktionskosten verrin- gert werden.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass bei einer erfin ¬ dungsgemäßen elektrischen Maschine einzelne defekte oder beschädigte Statorsegmente ohne großen Aufwand ersetzt werden können. Hierzu muss lediglich die Verbindung des betroffenen Statorsegments zu dem ihn tragenden Gehäusesegment gelöst werden, das defekte oder beschädigte Statorsegment entfernt werden und schließlich ein passendes Statorsegment wieder mittels zumindest einer mechanisch lösbaren Verbindung am Ge- häusesegment fixiert werden. Dadurch sind Wartungs- und Repa ¬ raturarbeiten kostengünstig und schnell durchführbar.

Zusätzlich können die jeweiligen Statorsegmente derartig ges ¬ taltet sein, dass sie jeweils elektrische Wicklungen oder Spulen umfassen und eine Imprägnierung der Wicklungen oder

Spulen erst nach ihrem Aufbringen auf den jeweiligen Statorsegmenten durchgeführt wird. Die Imprägnierung kann beispielsweise als Vakuum-Druck-Imprägnierung ausgeführt werden. Dies erlaubt zunächst die noch nicht imprägnierten Wicklungen auf dem jeweiligen Statorsegment aufzubringen, wobei durchaus eine Vielzahl von Wicklungen aufgebracht werden kann. Die Wicklungen können beispielsweise als Spulen-, Schleifen-, Stab- oder Zahnwicklungen ausgeführt werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei der Statorsegmente an einem der Gehäusesegmente fixierbar . Durch die Fixierung von mindestens zwei Statorsegmenten an einem Gehäusesegment ist es möglich, das Gehäuse vergleichs ¬ weise grobgliedrig auszuführen, so dass das Gehäuse in nur wenige Gehäusesegmente unterteilt ist. Dadurch wird die An ¬ zahl von Teilfugen zwischen den Gehäusesegmenten verringert. Da Gegendrehmomente zu Antriebsdrehmomenten der elektrischen Maschine das Gehäuse beanspruchen, trägt die Verringerung der Anzahl von Teilfugen entscheidend zur Stabilität der Maschine bei . Gleichzeitig wird ein relativ fein untergliederter Stator ermöglicht. Die schon erwähnte Justierung der Statorsegmente an den Gehäusesegmenten lässt sich genauer durchführen, da der Stator in feinere Statorsegmente unterteilbar ist. Ein weite ¬ rer Vorteil der feineren Unterteilung des Stators ist, dass derartige Statorsegmente in standardisierter Form hergestellt werden können und dank der höheren Stückzahl und dem geringeren Entwicklungs- beziehungsweise Anpassungsbedarfs die Her ¬ stellungskosten gesenkt werden können. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein jeweiliger Luftspalt zwischen den jeweiligen Statorsegmenten und dem Rotor derart mittels der jeweiligen Verbindung einstellbar, dass der Luftspalt für jedes der Statorseg ¬ mente gleich einem vorgebbaren Luftspalt ist.

Durch die mechanisch lösbare Verbindung zwischen den jeweiligen Statorsegmenten und den jeweiligen Gehäusesegmenten ist der Luftspalt für jedes einzelne Statorsegment separat ein ¬ stellbar. Insbesondere für große Maschinen, bei denen auf- grund ihres Eigengewichts Verformungen auftreten können, kann somit bei der Montage vor Ort eine präzise Einstellung des Luftspalts und gleichermaßen des Statorinnendurchmessers er ¬ folgen. Etwaige Verformungen können somit kompensiert werden. Gleichzeitig können großzügigere Fertigungstoleranzen für die Gehäusesegmente und die Statorsegmente gewählt werden, was die Herstellungskosten der Gehäusesegmente und der Statorseg ¬ mente verringert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Statorsegmente jeweils mindestens zwei Wicklungen, welche jeweils ein Teil einer Gesamtwicklung des Stators sind .

Durch das Aufbringen von mindestens zwei Wicklungen auf jedem Statorsegment wird die Herstellung des gesamten Stators ver ¬ einfacht. Oftmals wird bei der Herstellung von Statoren oder Statorsegmenten zunächst eine Spule gewickelt, gezogen und isoliert, beispielsweise durch eine Bandagierung. Anschlie ¬ ßend wird die Spule imprägniert und schließlich die isolierte und imprägnierte Spule in den Stator eingesetzt.

Die Vereinfachung liegt nun darin, dass das jeweilige Stator- segment zuerst mit mindestens zwei Wicklungen, beispielsweise mit 20 Wicklungen, versehen wird, welche schon eine isolie ¬ rende Bandagierung aufweisen können. Dadurch kann die Imprägnierung von mindestens zwei beziehungsweise mehreren Wicklun ¬ gen in einem einzigen Arbeitsschritt durch Imprägnieren des gesamten Statorsegments samt aufgebrachten Wicklungen erfolgen, was die Herstellung vereinfacht und kostengünstiger macht .

Vorteilhafterweise weist das Statorsegment samt Wicklungen hierzu eine solche räumliche Ausdehnung auf, dass es in einem einzigen Vorgang imprägniert werden kann, insbesondere durch das Einbringen in ein Gefäß zur Durchführung einer Vakuum- Druck-Imprägnierung. Die Imprägnierung von Statorsegmenten samt noch nicht imprägnierten Wicklungen ermöglicht eine ins- gesamt schnellere Imprägnierung der Wicklungen, insbesondere im Vergleich zur Imprägnierung von einzelnen Wicklungen bei der Herstellung von größeren Motoren. Der Vorteil wird insbesondere dann offenkundig, wenn eine elektrische Maschine besonders groß und leistungsstark ist. Beispielsweise können solche Maschinen etwa 600 Wicklungen aufweisen, welche bisher einzeln imprägniert wurden und erst danach zu einem Stator zusammengesetzt wurden. Nunmehr ist es möglich, die 600 Wicklungen auf 12 Statorsegmente zu vertei ¬ len, so dass auf jedes Statorsegment 50 Wicklungen kommen, welche jeweils in einem Arbeitsschritt zusammen imprägniert werden .

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die elektrische Maschine eine Leistung von mehr als 10 MW auf. Insbesondere bei großen Ringmotoren und bei Antrieben für Mühlen können solch leistungsstarke Maschine eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Antriebsleistung auch im Bereich von 20 MW bis 40 MW liegen.

Durch eine Imprägnierung mittels Vakuum-Druck-Imprägnierung können weiterhin große Spannungsstufen, beispielsweise von über 6 kV, zwischen einzelnen Wicklungen und einzelnen Statorsegmenten realisiert werden. Dies ist insbesondere bei hochpoligen und langsam laufenden Maschinen von Vorteil, wie sie zum Beispiel bei Generatoren und Kompressorantrieben sowie im Bergbau und in der Erzverarbeitung eingesetzt werden.

Im Übrigen kann die vorliegende Erfindung von rotatorischen elektrischen Maschinen auf lineare elektrische Maschinen, beispielsweise auf Linearsynchronmotoren, übertragen werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine elektrische Maschine gemäß Stand der Technik und

FIG 2 einen Ausschnitt einer Schemadarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine . Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine gemäß Stand der Tech ¬ nik. Ein Ringmotor 10 weist einen Stator 1 mit Statorsegmenten 4 sowie einen Rotor 2 auf, wobei ein Luftspalt 5 zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 angeordnet ist. Die Statorseg- mente 4 sind über Trennstellen 12 miteinander verbunden, wobei der Ringmotor 10 über zwei Auflageflächen auf einem Fundament 13 ruht. Die Statorsegmente 4 weisen ein Wicklungssys ¬ tem auf, welches Zähne 14, Nuten 15 und Zahnspulen 16 um- fasst .

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Schemadarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10. Mehrere Statorsegmente 4 sind jeweils mittels einer me ¬ chanisch lösbaren Verbindung an einem Gehäusesegment 3 fi- xiert. Dabei wird ein zylinderförmiges Gehäuse durch mehrere Gehäusesegmente 3 und ein zylinderförmiger Stator 1 durch mehrere Statorsegmente 4 gebildet, wobei anhand der Verbin ¬ dung ein gewünschter Statorinnendurchmesser eingestellt werden kann. Somit ist ein Luftspalt 5 zwischen dem Stator 1 und einem zylinderförmigen Rotor 2 einstellbar, wobei der einstellbare Abstand zwischen dem Rotor 2 und dem jeweiligen Statorsegment 4 mittels der mechanisch lösbaren Verbindung, beispielsweise in Form einer Schraubverbindung, wählbar ist und sinnvollerweise für jedes Statorsegment 4 gleich gewählt und eingestellt wird.

Die Gehäusesegmente 3 sind vergleichsweise robuste und große Bauteile, da sie das erforderliche Gegendrehmoment der elekt ¬ rischen Maschine 10 weiterleiten müssen, welches ihnen über die Verbindung von den Statorsegmenten 4 zugeleitet wird.

Auch aus Stabilitätsgründen setzt sich das Gehäuse aus vergleichsweise wenigen Gehäusesegmenten 3 zusammen, welche vergleichsweise groß gewählt werden, da Verbindungsstellen zwischen Gehäusesegmenten 3 die Tragestruktur schwächen.

Dagegen können die Statorsegmente 4 einerseits klein im Ver ¬ gleich zu den Gehäusesegmenten 3 gewählt werden, so dass mehrere Statorsegmente 4 jeweils an einem Gehäusesegment 3 fi- xiert sind. Da auf den jeweiligen Statorsegmenten 4 mehrere Wicklungen aufgebracht werden können, können die Statorsegmente 4 andererseits im Vergleich zu den Wicklungen groß aus ¬ geführt werden. Beispielsweise können mehrere Dutzend Wick- lungen oder Spulen auf ein Statorsegmente 4 aufgebracht wer ¬ den. Die Größe der jeweiligen Statorsegmente 4 samt den je ¬ weiligen aufgebrachten Wicklungen ist vorzugsweise derart bemessen, dass jeweils das gesamte Statorsegment 4 samt aufge ¬ brachten Wicklungen in einem einzigen Arbeitsschritt mittels Vakuum-Druck-Imprägnierung imprägnierbar ist, wofür es in für diesen Vorgang gängige Gefäße einführbar sein muss.

Für nicht dargestellte und hier aufgeführte Bezugszeichen siehe Figur 1.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Ma ¬ schine mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten Sta ¬ tor und einem innerhalb des Stators angeordneten drehbaren Rotor, wobei das Gehäuse mindestens zwei Gehäusesegmente und der Stator mindestens zwei Statorsegmente umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine.

Um eine elektrische Maschine zu schaffen, welche bei hoher Ausgangsleistung günstige Transport- und Installationseigen- schaffen aufweist und trotz gewöhnlicher Fertigungstoleranzen ihrer Komponenten die Bewerkstelligung eines präzise einstellbaren Luftspalts erlaubt, wird vorgeschlagen, dass mit ¬ tels jeweils zumindest einer mechanisch lösbaren Verbindung jedes der Statorsegmente einzeln an einem der Gehäusesegmente fixierbar ist.