DE10354953A1

DE10354953A1 - Generator, insbesondere für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE10354953A1
Application number: DE10354953A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dantlgraber
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen langsam drehenden Generator, bei dem eine Vielzahl von Generatoreinheiten koaxial angeordnet sind. Der Stator und der Rotor einer jeden Generatoreinheit hat eine Vielzahl von Rotoren, wobei die Pole axial beabstandeter Generatoreinheiten in Drehrichtung versetzt angeordnet sind, so dass diese in Drehrichtung des Generators aufeinander folgende Pole bilden. Somit lässt sich bei einer geringen Polzahl je Generatoreinheit eine induzierte Spannung des Generators erreichen, die in ihrem Verlauf der bei einem Generator mit einer hohen Polzahl entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf langsam drehende Generatoren, insbesondere für Windkraftanlagen.
Für Windkraftanlagen gelangen beispielsweise Synchrongeneratoren mit einem Rotor und einem Stator zum Einsatz, bei denen durch die Drehung des Rotors im Stator ein Drehfeld entsteht, das in den Strängen der Statorwicklung phasenverschobene Spannungen induziert, so dass dem Stator ein Drehstrom entnommen werden kann.
Derartige Generatoren haben eine hohe Nenndrehzahl, so dass es in der Vergangenheit notwendig war, die niedrige Drehzahl des Windrades mittels Getriebe auf die höhere Nenndrehzahl des Synchrongenerators zu übersetzen.

Da Getriebe störanfällig sind, wurden Generatoren mit großer Polzahl und entsprechend niedrigen Nenndrehzahlen entwickelt, die direkt vom Windrad angetrieben werden, wie es beispielsweise in den Druckschriften DE 101 37 270 A1 und DE 100 11 929 A1 gezeigt ist. Durch einen derartigen Aufbau kann auf ein Getriebe verzichtet werden.

Von Nachteil ist bei diesen direkt durch das Windrad angetriebenen Generatoren, dass diese bedingt durch die große Polzahl einen großen Durchmesser und ein hohes Gewicht aufweisen. Auch der Fertigungsprozess gestaltet sich aufwändig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile beim Stand der Technik zu beseitigen und eine langsame drehende Maschine mit geringer Größe und hoher Leistungsdichte vorzusehen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ferner sollen die Energieausbeute hoch, die Kosten niedrig, die Zuverlässigkeit hoch und der Wartungsaufwand gering sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen langsam drehenden Generator mit einer Vielzahl von koaxial angeordneten Generatoreinheiten, die jeweils einen Stator und einen Rotor aufweisen, sind diese Generatoreinheiten mit einem solchen Versatz angeordnet, dass in Drehrichtung aufeinanderfolgen Pole die Pole axial beabstandeter Generatoreinheiten sind. Somit lässt sich zwischen zwei Spannungen, die durch aufeinanderfolgende Pole einer Generatoreinheit induziert werden, eine weitere Spannung durch einen Pol einer axial beabstandeten Generatoreinheit induzieren. Auf diese Weise entspricht die Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen langsam drehenden Generators der Ausgangsspannung eines Generators nach dem Stand der Technik mit höherer Polzahl. Im Ergebnis lassen sich mit der vorliegenden Erfindung der Durchmesser und das Gewicht des Generators verringern.

Vorzugsweise schließen in Drehrichtung aufeinanderfolgende Pole der Generatoreinheiten den gleichen Winkelschritt zwischen sich ein, wodurch eine Ausgangsspannung mit vorteilhafter Periodizität abgesichert wird.

Durch einen Winkelabstand zwischen den Polen einer Einheit, die gleich dem Produkt aus Winkelschritt und Anzahl der Einheiten ist, wird eine gleichmäßige mechanische Belastung aller Generatoreinheiten sichergestellt.

Von besonderem Vorteil ist ein Generator mit acht Generatoreinheiten und acht Polen je Rotor der Generatoreinheiten. Im Ergebnis lässt sich durch einen derartigen Generator ein Verhalten erreichen, dass ähnlich dem eines Generators mit 64 Polen an einem Rotor ist.

Ferner wird bevorzugt, dass eine Beaufschlagung durch die Pole der jeweiligen Generatoreinheiten in Abhängigkeit von Ihren axialen Positionen im Verhältnis zu einer ersten Generatoreinheit erfolgt und dass eine Beaufschlagung durch einen zweiten Pol einer ersten Generatoreinheit erst erfolgt, nachdem im Anschluss an die Beaufschlagung durch einen ersten Pol der ersten Generatoreinheit eine Beaufschlagung durch einen jeweiligen Pol der zweiten bis achten Generatoreinheit erfolgt ist. Auf diese Weise lässt sich neben einem günstigen elektrischen Verhalten eine gleichmäßige mechanische Belastung erzielen.

Der erfindungsgemäße langsam drehende Generator ist vorzugsweise eine Radialflussmaschine mit Oberflächenmagneten am Rotor, wodurch eine einfache Rotorgestaltung umsetzbar ist.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend wird die vorliegende Zeichnung anhand von Zeichnungen beschrieben, in denen
1 einen schrägen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Windkraftanlage zeigt, bei der die Struktur der Rotoren in besonderem Maße erkennbar ist, und
2 einen schrägen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Windkraftanlage zeigt, bei der die Struktur der Statoren in besonderem Maße erkennbar ist.
Im folgenden erfolgt die detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.
Die 1 und 2 zeigen eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen langsam drehenden Maschine, die als ein Ringgenerator ausgebildet ist.
Auf einer nicht dargestellten und durch ein Windrad der Windkraftanlage angetriebenen Längsachse sind in einer Längsrichtung A acht Rotoren 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 angeordnet, die in 1 als Polräder ausgebildet sind. Jeder dieser Rotoren 10 bis 80 weist acht Rotorpole 11 bis 18 auf. Die Rotoren tragen die Erregerwicklungen (nicht gezeigt), die über Schleifringe mit Gleichstrom versorgt werden. Der Gleichstrom kann über Gleichrichter vom Netz bezogen werden. Alternativ dazu kann die Erregerstromversorgung auch durch einen mit der Generatorwelle verbundenen Erregersatz zur Eigenerregung vorgenommen werden.
An der Oberfläche der Rotoren können entsprechend einer weiteren Alternative Dauermagneten vorgesehen sein, wodurch eine Radialflussmaschine mit Oberflächenmagneten vorliegt.
Entlang des Außenumfangs von jedem Rotor ist jeweils ein Stator 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180 vorgesehen. Jeder Stator hat acht Statorpole 111 bis 119, die einem jeweiligen der Rotorpole 11 bis 18 gegenüberliegen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf acht Rotorpole und acht Statorpole beschränkt, sondern kann auf eine beliebige Anzahl von Rotor-Stator-Kombinationen angewendet werden, sofern zumindest zwei Rotoren und zwei Statoren, d.h. zwei Getriebeinheiten, vorliegen. Der Stator und der Rotor haben vorzugsweise die gleiche Polzahl, so dass z.B. die niedrigere Leistungsdichte einer geschalteten Reluktanzmaschine vermieden werden kann.
In den Nuten zwischen den Statorpolen 111 bis 119 von jedem der Statoren 110 bis 180 ist eine Drehstromwicklung untergebracht.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Erregerwicklungen im Rotor und Drehstromwicklungen im Stator begrenzt, sondern kann auch eine beliebige Gestaltung von Rotor und Stator angewendet werden, sofern im Rotor oder Stator eine Spannung induziert werden kann.
Die in 1 gezeigte Ausführung wird wie folgt betrieben: Der Rotor wird durch das Windrad angetrieben, so dass durch jeden Rotor gegenüber jedem Stator ein Drehfeld erzeugt wird, durch das in den Strängen der Ständerwicklung Spannungen durch Induktion erzeugt werden.
Die benachbarten Rotorpole der acht Rotoren 10 bis 80 sind bei Betrachtung in Drehrichtung B der Rotoren nicht hintereinander angeordnet, sondern weisen in Umfangsrichtung einen Versatz a1 bis a8 zwischen Mittellinien der Rotorpole auf. Dieser jeweilige Versatz a1 bis a8 ist so gewählt, dass die Summe der jeweiligen Versatzgrößen a1 bis a8 den Abstand der Mittellinien zwischen zwei benachbarten Rotorpolen auf einem Rotor ergibt. Vorzugsweise sind die Versatzgrößen a1 bis a8 gleich groß. Der Versatzgrößen a1 bis a8 lassen sich als Winkelschritte ausdrücken, was bei 8 Polen einen jeweiligen Winkel vom 5,625° ergibt, der an Versatz zwischen benachbarten Rotoren und der zwischen dem ersten Rotor 10 und dem achten Rotor 80 vorliegt.
Durch diesen Versatz zwischen den Rotoren und aufgrund einer entsprechenden Verschaltung der Ständerwicklungen ist mit der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ein Betriebsverhalten ähnlich dem einer Windkraftanlage mit Ringgenerator und 64 Polen am Rotor erzielbar. Da die Anzahl der Pole in Bezug auf eine Rotor-Stator-Einheit gegenüber dem Stand der Technik stark verringert ist und dennoch ein Antrieb direkt vom Windrad möglich ist, ergeben sich eine wesentlich kleinere Bauform, ein geringerer Fertigungsaufwand, ein kleineres Gewicht, eine erhöhte mechanische Stabilität und eine geringe Störanfälligkeit.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine radial gegenüberliegende Anordnung von Rotor und Stator beschränkt, sondern kann auch bei Axialflussmaschinen (Axial Flux Permanent Magnet Machine), beispielsweise mit Toruswicklung oder Doppelstator und Doppelrotor, geschalteten Reluktanzmaschinen und anderen langsam drehenden Generatoren, insbesondere bei Windkraftanlagen, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf einen langsam drehenden Generator, bei dem eine Vielzahl von Generatoreinheiten koaxial angeordnet sind. Der Stator und der Rotor einer jeden Generatoreinheit hat eine Vielzahl von Rotoren, wobei die Pole axial beabstandeter Generatoreinheiten in Drehrichtung versetzt angeordnet sind, so dass diese in Drehrichtung des Generators aufeinanderfolgende Pole bilden. Somit lässt sich bei einer geringen Polzahl je Generatoreinheit eine induzierte Spannung des Generators erreichen, die in ihrem Verlauf der bei einem Generator mit einer hohen Polzahl entspricht.

Claims

Langsam drehender Generator, beispielsweise für Windkraftanlagen, mit einer Vielzahl von koaxial angeordneten Generatoreinheiten, die jeweils einen Rotor (10, 20) und einen Stator (110, 120) mit einer Vielzahl von Polen (111–118, 121–128) haben, wobei Pole (11, 21) axial beabstandeter Generatoreinheiten in Drehrichtung versetzt angeordnet sind, so dass diese in Drehrichtung aufeinanderfolgende Pole des Generators bilden.
Generator nach Anspruch 1, wobei die Pole axial beabstandeter Generatoreinheiten in Drehrichtung versetzt angeordnet sind, so dass in Drehrichtung aufeinanderfolgende Pole der Generatoreinheiten jeweils den gleichen Winkelschritt (a1–a8) zwischen sich einschließen.
Generator nach Anspruch 2, wobei der Winkelabstand (b) zwischen den Polen einer Einheit gleich dem Produkt aus Winkelschritt und Anzahl der Einheiten ist.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei acht Generatoreinheiten koaxial angeordnet sind und der Rotor jeder Generatoreinheit acht Pole aufweist.
Generator nach Anspruch 4, wobei die Verschaltung der Pole in einer solchen Weise ausgeführt ist, dass nach der Beaufschlagung durch einen ersten Pol der ersten Generatoreinheit eine Beaufschlagung durch einen sich in Drehrichtung anschließenden zweiten Pol der ersten Generatoreinheit erst dann erfolgt, wenn eine Beaufschlagung durch einen Pol der jeweiligen sich anschließenden zweiten bis achten Generatoreinheit erfolgt ist.
Generator nach Anspruch 5, wobei der Generator eine Radialflussmaschine ist.