DE202016106526U1 - Elektrische Maschine, insbesondere Generator in einer Windkraftanlage - Google Patents

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Abstract

Elektrische Maschine, insbesondere Generator in einer Windkraftanlage (11), mit einem Rotor (3) und einem Stator (2), wobei die elektrische Maschine (1) mehrere Permanentmagnete (6) und bestrombare Spulen (7, 9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (3) axial versetzte Rotorstufen (9) und am Stator (2) axial versetzte Statorstufen (7) angeordnet sind, wobei die Rotorstufen (9) und die Statorstufen (7) fest am Rotor (3) bzw. Stator (2) angeordnet sind, dass jede Rotorstufe einer Statorstufe zugeordnet ist und in jeder Stator- und zugeordneter Rotorstufe Permanentmagnete (6) und/oder bestrombare Spulen (7, 9) angeordnet sind, wobei Spulen (7) in einer oder mehreren Rotor- bzw. Statorstufen zu- und abschaltbar sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator in einer Windkraftanlage, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • In der US 2013/0214541 A1 wird ein Generator in einer Windkraftanlage beschrieben, der aus zwei Einzelmaschinen besteht, welche mechanisch entkoppelt sind, jedoch über einen Rotor mit Permanentmagneten elektromagnetisch verbunden sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine elektrische Maschine so auszubilden, dass eine flexible Anpassung an unterschiedliche Last- oder Ausgangsbedingungen möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist Permanentmagnete und bestrombare Spulen im Rotor bzw. Stator auf. Die elektrische Maschine wird beispielsweise als Generator in einer Windkraftanlage eingesetzt. Der Generator wird in diesem Fall entweder in den Mast der Windkraftanlage integriert, wobei die Rotationsbewegung des Windrades der Windkraftanlage über ein Getriebe auf den Rotor des Generators übertragen wird. Gemäß einer weiteren Ausführung ist der Generator in eine Gondel der Windkraftanlage integriert, die ihrerseits Träger des Windrades ist. Die Gondel sitzt auf dem Mast auf und kann insbesondere um die Längsachse des Mastes rotieren. Vorteilhafterweise bildet der Rotor des Generators in der Gondel zugleich die Nabe des Windrades, so dass auf ein Getriebe zwischen Windrad und Generator verzichtet werden kann. Es kommen aber auch Ausführungen in Betracht, bei denen zwischen dem Windrad und dem Generator, der in der Gondel sitzt, ein Getriebe zwischengeschaltet ist.
  • Die elektrische Maschine weist am Rotor mehrere axial versetzte Rotorstufen und am Stator mehrere axial versetzte Statorstufen auf, wobei jede Rotorstufe einer Statorstufe zugeordnet ist. In jeder Rotorstufe und in jeder Statorstufe sind Permanentmagnete bzw. bestrombare Spulen angeordnet. Es kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen in einander zugeordneten Stator- und Rotorstufen jeweils bestrombare Spulen angeordnet sind als auch Ausführungen, bei denen in zugeordneten Stator- und Rotorstufen Permanentmagnete und bestrombare Spulen angeordnet sind.
  • Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind die Spulen in einer oder mehreren Rotor- bzw. Statorstufen zu- und abschaltbar ausgebildet. Diese Ausführung mit mehreren zu- und abschaltbaren Teilmaschinen ermöglicht es, die elektrische Maschine an sich ändernde Ausgangs- oder Lastbedingungen anzupassen. Bei maximaler Last sind sämtliche Stufen zugeschaltet, so dass entsprechend bei der Ausführung als Generator ein hohes Drehmoment für den Antrieb des Rotors erforderlich und entsprechend eine hohe Stromerzeugung gewährleistet ist. Bei reduzierter Last wird in einer oder werden in mehreren Stufen die Spulen abgeschaltet, so dass ein entsprechend reduziertes Drehmoment für den Antrieb des Rotors ausreicht, jedoch auch nur eine geringere elektrische Leistung produziert wird.
  • Umgekehrt wird bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Antriebsmotor bei reduzierter Stromzufuhr nur ein Teil der Spulen bestromt, wodurch ein entsprechend reduziertes mechanisches Drehmoment als Ausgangsleistung erzeugt wird. Bei entsprechend höherer elektrischer Leistung können die Spulen mehrerer Stufen oder sämtlicher Stufen bestromt werden, wodurch ein erhöhtes Drehmoment als mechanische Ausgangsleistung zur Verfügung steht.
  • Zumindest in einer Rotor- bzw. Statorstufe sind die Spulen zu- und abschaltbar, um auf wechselnde Last- oder Ausgangsbedingungen entsprechend reagieren zu können. Bevorzugt sind die Spulen in mehreren Rotor- bzw. Statorstufen zu- und abschaltbar ausgeführt, so dass ein stufenweises Zuschalten bzw. Abschalten der Spulen in einer oder mehreren Stufen möglich ist und auf unterschiedliche Lastbedingungen genauer reagiert werden kann.
  • Gegebenenfalls sind die Spulen in sämtlichen Stufen zu- und abschaltbar ausgeführt, auch wenn es vorteilhaft sein kann, dass zumindest in einer Stufe die Spulen nicht-abschaltbar ausgebildet sind, so dass in dieser Spule bei Drehung des Rotors Permanentstrom erzeugt wird oder bei einem Einsatz als Antriebsmotor zumindest diese Spulen bestromt werden, um ein mechanisches Drehmoment zur Verfügung zu stellen.
  • Sämtliche Stufen sind axial versetzt zueinander angeordnet. Die axial versetzten Rotorstufen sind drehfest und achsfest im Rotor angeordnet, entsprechend sind die Statorstufen drehfest und achsfest im Stator angeordnet. Dementsprechend ist sowohl die Winkellage als auch die axiale Position der Rotorstufen im Rotor fest vorgegeben und auch der Statorstufen im Stator fest vorgegeben. Zugeordnete Rotor- und Statorstufen befinden vorteilhafterweise sich axial auf gleicher Höhe.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind in den Rotorstufen ausschließlich Permanentmagnete und in den Statorstufen ausschließlich Statorspulen angeordnet. In dieser Ausführung bildet die elektrische Maschine einen Synchronmotor, dessen Erregerfeld von den Permanentmagneten im Rotor erzeugt wird. Durch Zu- bzw. Abschalten der Statorspulen in einer oder mehreren Statorstufen wird die elektrische und mechanische Leistung beeinflusst.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind in einem Teil der Statorstufen Permanentmagnete und im verbleibenden Teil der Statorstufen Statorspulen angeordnet. Im Rotor sind dagegen nur Rotorspulen, jedoch keine Permanentmagnete vorhanden. In den Rotorspulen der Stufe, die der Statorstufe mit Permanentmagneten zugeordnet ist, wird eine Spannung induziert, mit der die Rotorspulen der weiteren Rotorstufen beaufschlagt werden. Das in diesen Rotorspulen erzeugte elektromagnetische Feld induziert eine Spannung in den zugeordneten Statorspulen gleicher Stufe. Die Skalierbarkeit zur Anpassung an wechselnde Last- bzw. Ausgangsverhältnisse erfolgt durch Zu- und Abschalten der Statorspulen in einer oder in mehreren Stufen.
  • Es genügt, dass nur in einer Stufe statorseitig Permanentmagnete angeordnet sind und die Rotorspulen der zugeordneten Stufe die Rotorspulen der weiteren Stufen mit Strom versorgen. Gleichwohl ist es aber auch möglich, dass in mehreren Stufen Permanentmagnete im Stator vorhanden sind und die Rotorspulen der zugeordneten Stufen die Rotorspulen weiterer Stufen mit Strom versorgen.
  • Vorteilhafterweise ist den Rotorspulen, die den Statorstufen mit Permanentmagneten zugeordnet sind, ein Gleichrichter zur Erzeugung von Gleichstrom nachgeschaltet, mit dem die Rotorspulen der weiteren Stufen beaufschlagt werden.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die Rotorspulen, in denen ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, welches in den zugeordneten Statorspulen eine Spannung induziert, einen Eisenkern aufweisen. Der Eisenkern bündelt den magnetischen Fluss und erhöht die Induktivität sowie die magnetische Flussdichte.
  • Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist den Statorspulen, in denen eine Spannung induziert wird, ein Gleichrichter zur Gleichstromerzeugung nachgeschaltet. Der Gleichrichter kann Bestandteil einer Leistungselektronik sein, die an der elektrischen Maschine angeordnet ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einer elektrischen Maschine als Generator, der in der vorbeschriebenen Weise ausgeführt ist. Der Generator befindet sich entweder im Mast der Windkraftanlage oder in einer Gondel, die drehbar am Mast angeordnet ist und Träger des Windrades ist.
  • Es kann zweckmäßig sein, in den Teil der Windkraftanlage, der den Generator aufnimmt, eine oder mehrere Kühlöffnungen in die Mastwandung einzubringen, über die dem Generator ein Kühlluftstrom zugeführt wird. Hierdurch ist eine ausreichende Kühlung des Generators gewährleistet.
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • 1 einen Schnitt längs durch eine elektrische Maschine mit axial versetzten Rotorstufen und Statorstufen, wobei an jeder Rotorstufe Permanentmagnete und an jeder Statorstufe bestrombare Spulen angeordnet sind,
  • 2 einen Schnitt quer durch die elektrische Maschine aus 1,
  • 3 einen Schnitt längs durch eine elektrische Maschine in einer Ausführungsvariante, bei der der Rotor und der Stator ebenfalls axial versetzt angeordnete Stufen aufweisen, wobei an einer ersten Stufe statorseitig Permanentmagnete und rotorseitig Spulen und in den weiteren Stufen stator- und rotorseitig jeweils Spulen angeordnet sind,
  • 4 einen Schnitt quer zur Längsachse durch die elektrische Maschine gemäß 3,
  • 5 eine Windkraftanlage mit einer elektrischen Maschine gemäß 3 bzw. 4 als Generator, der im Mast der Windkraftanlage angeordnet ist.
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In den 1 und 2 ist in einer ersten Ausführungsvariante eine elektrische Maschine 1 dargestellt, die beispielsweise als Generator in einer Windkraftanlage eingesetzt werden kann. Die elektrische Maschine 1 ist als Innenläufer ausgebildet und weist einen außen liegenden Stator 2 und einen innen liegenden Rotor 3 auf, der über Lager 4 drehbar um die Motorlängsachse 5 gelagert ist.
  • Sowohl der Stator 2 als auch der Rotor 3 weisen axial versetzt angeordnete Stufen A, B, C, D und E auf, die jeweils drehfest und in Achsrichtung fest am Stator 2 bzw. am Rotor 3 angeordnet sind. Jede Stufe A bis E bildet eine Teilmaschine zur Erzeugung von Strom im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine bzw. zur Erzeugung von mechanischem Drehmoment im Betrieb als Antriebsmotor. Jede Rotorstufe weist über den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete 6 auf, jede Statorstufe weist über den Umfang verteilt mehrere Statorspulen 7 auf. Am Rotor 3 sind ausschließlich Permanentmagnete 6, am Stator 2 ausschließlich Spulen 7 angeordnet. Jeder Stufe A bis E sind den Permanentmagneten 6 des Rotors 3 Spulen 7 am Stator 2 zugeordnet.
  • Wie der Schnittdarstellung gemäß 2 zu entnehmen, sind die Spulen 7 in Umfangsrichtung überlappend gewickelt.
  • Die Spulen 7 sind zu- und abschaltbar ausgebildet. Es ist möglich, die elektrische Maschine 1 im Betrieb mit nur einer Stufe A oder mehreren Stufen bis hin zu einem Volllastbetrieb mit sämtlichen Stufen A bis E zu betreiben. Es ist insbesondere möglich, in einem Teillastbetrieb mehrere Stufen in Betrieb zu nehmen, wobei eine oder mehrere Stufen außer Betrieb sind. Die Inbetriebnahme bzw. Außerbetriebnahme einer Stufe erfolgt über den elektrischen Anschluss der Spulen 7 im Stator 2. Bei Außerbetriebnahme sind die Spulen abgeschaltet, bei Inbetriebnahme sind die Spulen zugeschaltet und mit einem Verbraucher oder einer Speichereinheit verbunden.
  • Hiermit ist es möglich, beispielsweise im Generatorbetrieb flexibel auf das jeweils anstehende Drehmoment am Rotor zu reagieren. Beispielsweise wird bei einem Einsatz in einer Windkraftanlage bei geringen Windgeschwindigkeiten nur eine Stufe oder eine Teilmenge der Stufen in Betrieb genommen. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit kann die Anzahl der in Betrieb genommenen Stufen bis zur Maximalanzahl sämtlicher Stufen gesteigert werden.
  • Die Stromanschlüsse der Spulen 7 werden vorteilhafterweise einem Gleichrichter zugeführt, um Gleichstrom zu erzeugen. Der Gleichrichter kann Teil einer Leistungselektronik sein, die an der elektrischen Maschine angeordnet ist.
  • Wie mit den Pfeilen 8 angedeutet, kann ein Kühlluftstrom durch die elektrische Maschine 1 hindurchgeführt werden, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.
  • In den 3 und 4 ist eine Ausführungsvariante einer elektrischen Maschine 1 dargestellt, die ebenfalls am Stator 2 und am Rotor 3 axial versetzte Stufen A bis E aufweist, die jeweils eine Teilmaschine bilden. Die erste Stufe A unterscheidet sich von den weiteren Stufen B bis E, die untereinander gleich ausgebildet sind. Die erste Stufe A weist statorseitig über den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete 6 auf, rotorseitig sind in der ersten Stufe A Rotorspulen 9 über den Umfang verteilt angeordnet. Die statorseitigen Permanentmagnete 6 erzeugen ein Erregerfeld, durch das bei Rotation des Rotors 3 um die Motorlängsachse 5 in den Rotorspulen 9 der ersten Stufe A eine Spannung induziert wird. Diese Spannung wird den weiteren Rotorspulen 9 der weiteren Stufen B bis E bei Bedarf zugeführt, so dass in diesen Rotorspulen 9 der Stufen B bis E ein Erregerfeld erzeugt wird und in den zugeordneten Statorspulen 7 der betreffenden Stufen B bis E eine Spannung induziert wird. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit weisen die Rotorspulen 9 der Stufen B bis E einen Eisenkern 10 (4).
  • Die Stufen B bis E sind zu- bzw. abschaltbar ausgebildet, indem die Statorspulen 7 dieser Stufen zu- bzw. abgeschaltet werden. Der Vorteil der Ausführung gemäß den 3 und 4 liegt darin, dass nur in der ersten Stufe A Permanentmagnete erforderlich sind.
  • Vorteilhafterweise ist der Rotorspule 9 der ersten Stufe A, in der bei Rotation des Rotors 3 eine Spannung induziert wird, ein Gleichrichter zur Erzeugung von Gleichstrom bzw. -spannung nachgeschaltet, die den weiteren, mit einem Eisenkern 10 versehenen Rotorspulen 9 der weiteren Stufen B bis E zugeführt wird. Auch den Statorspulen 7 der Stufen B bis E ist vorteilhafterweise ein Gleichrichter nachgeschaltet, der Teil einer Leistungselektronik sein kann, die an der elektrischen Maschine 1 angeordnet ist.
  • Die elektrische Maschine 1 wird von einem Kühlluftstrom gemäß den Pfeilen 8 in Achsrichtung durchströmt, um eine effektive Kühlung der Maschine zu gewährleisten.
  • In 4 ist eine Windkraftanlage 11 dargestellt, die einen Mast 12, eine Gondel 13 sowie ein Windrad 14 aufweist. In den Mast 12 der Windkraftanlage 11 ist eine elektrische Maschine 1 als Generator eingebaut, die der Ausführung gemäß den 3 und 4 entspricht.
  • Die Gondel 13 kann sich gegenüber der Längsachse des Mastes 12 verdrehen, um das Windrad 14 in eine optimale Position zur Windströmung zu bringen. Die Rotationsbewegung des Windrades 14 wird über ein Getriebe auf den Rotor 3 des Generators 1 übertragen.
  • In die Wandung des Mastes 12 sind Kühlöffnungen 15 eingebracht, über die ein Kühlluftstrom in das Innere des Mastes 12 zur Kühlung des Generators 1 gemäß den Pfeilen 8 eintreten kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013/0214541 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Elektrische Maschine, insbesondere Generator in einer Windkraftanlage (11), mit einem Rotor (3) und einem Stator (2), wobei die elektrische Maschine (1) mehrere Permanentmagnete (6) und bestrombare Spulen (7, 9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (3) axial versetzte Rotorstufen (9) und am Stator (2) axial versetzte Statorstufen (7) angeordnet sind, wobei die Rotorstufen (9) und die Statorstufen (7) fest am Rotor (3) bzw. Stator (2) angeordnet sind, dass jede Rotorstufe einer Statorstufe zugeordnet ist und in jeder Stator- und zugeordneter Rotorstufe Permanentmagnete (6) und/oder bestrombare Spulen (7, 9) angeordnet sind, wobei Spulen (7) in einer oder mehreren Rotor- bzw. Statorstufen zu- und abschaltbar sind.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rotorstufen ausschließlich Permanentmagnete (6) und in den Statorstufen ausschließlich Statorspulen (7) angeordnet sind.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teil der Statorstufen Permanentmagnete (6) und im verbleibenden Teil der Statorstufen Statorspulen (7) angeordnet sind.
  4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rotorstufen Rotorspulen (9) angeordnet sind, wobei die Rotorspulen (9), die den Statorstufen mit Permanentmagneten (6) zugeordnet sind, diejenigen Rotorspulen (9), die Statorstufen mit Statorspulen (7) zugeordnet sind, mit Strom versorgen.
  5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Rotorspulen (9), die den Statorstufen mit Permanentmagneten (6) zugeordnet sind, ein Gleichrichter zur Gleichstromerzeugung nachgeschaltet ist.
  6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Rotorspulen (9), die den Statorstufen mit Statorspulen (7) zugeordnet sind, einen Eisenkern (10) aufweisen.
  7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Statorspulen (7) ein Gleichrichter zur Gleichstromerzeugung nachgeschaltet ist.
  8. Windkraftanlage mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Generator.
  9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator in einen Mast (12) der Windkraftanlage (11) integriert ist.
  10. Windkraftanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator in eine Gondel (13) der Windkraftanlage (11) integriert ist, wobei die Gondel (13) Träger eines Windrades (14) ist.
  11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wandung des Teils der Windkraftanlage (11), der den Generator aufnimmt, mindestens eine Kühlöffnung (15) zur Kühlung des Generators eingebracht ist.
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