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Die
Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator einschließlich eines
Rotors.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf einen Generator niedriger Geschwindigkeit
mit einem Rotor, das heißt,
einen Generator, bei welchem eine Abtriebskraft auf ein Leistungsmittel
angewendet wird, und insbesondere auf ein rotierendes Leistungsmittel
wie beispielsweise eine Turbine, welche mechanisch verbunden ist,
um Rotation eines Rotors entweder durch Direktantrieb oder über eine
niedrige Getriebeübersetzung
zu verursachen.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Bereitstellen von großen Windturbinengeneratoren
und Meeresstromturbinengeneratoren, und insbesondere im Kontext
des Vorgenannten wird der Stand der Technik beschrieben, und werden
Beispiele der Erfindung gegeben. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
dass die Erfindung eine mögliche
Anwendung im Allgemeinen in elektrischen Generatoren findet, wo
Rotoren hohen Drehkräften
ausgesetzt sind.
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In
den meisten der ersten handelsüblichen Windturbinen
wurden elektrische Generatoren verwendet, die aus Induktionsmotoren
für allgemeine Zwecke
angepasst wurden. Es war herkömmliche Praxis,
den rotierenden Turbinenrotorschaft bei üblicherweise 50 U/min oder
weniger über
ein Mehrstufengetriebe zu verbinden, welches eine hohe Getriebeübersetzung
an einen Generator bereit stellt, der üblicherweise bei ungefähr 1.500
U/min dreht. Jedoch sind Mehrstufengetriebe komplex, schwer, kostenintensiv,
erfordern Wartung; und es traten Zuverlässigkeitsprobleme bei Windturbinenanwendungen auf.
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Da
die Windkraftindustrie gewachsen ist und die typischen Leistungsraten
von Turbinen gesteigert wurden, wurden neue Generatorarten entwickelt,
um die spezifischen Bedürfnisse
des Fachgebiets zu erfüllen.
In letzter Zeit sind Direktantriebsgeneratoren, bei welchen das
Getriebe vollständig überflüssig ist, aufgekommen
und haben einen wesentlichen Anteil des Marktes eingenommen. Diese
Generatoren sind gestaltet, um die erforderliche elektrische Ausgangsleistung
bereit zu stellen, wobei mit der gleichen Geschwindigkeit wie die
Turbine gedreht wird, wodurch das Getriebe unnötig wird. Dies vereinfacht
die mechanische Anordnung, wodurch potentiell Kosten und Wartungsausfallzeiten
reduziert werden.
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Bei
herkömmlichen
Direktantriebsgeneratoren mit üblicher
Gestaltung ist eine Turbine mit Flügeln großen Durchmessers, üblicherweise
2 oder 3 Flügeln,
axial beabstandet von und über
den Turbinenrotorschaft direkt verbunden mit einem Rotor kleineren
Durchmessers. Direktantriebsgeneratoren müssen einen großen Durchmesser
aufweisen, um die geringe Drehgeschwindigkeit der Turbine zu kompensieren
und eine geeignete Umfangsgeschwindigkeit des Generatorrotors zu
halten. Oft ist die Axiallänge
des Generators relativ gering. Direktantriebsgeneratoren sind somit
durch eine scheibenähnliche Erscheinung
gekennzeichnet.
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Es
besteht ein allgemeines Bedürfnis,
größere Turbinen
einzuführen,
um Kapazität
und Effizienz zu steigern, insbesondere im Bezug auf das Einführen von
großen
Windparks auf See. Bestehende Direktantriebsturbinen werden unmöglich, wenn
sie einfach ausgehend von bestehenden Gestaltungen vergrößert werden,
aufgrund von Problemen in Verbindung mit Herstellung, Gewicht und
Transport von Bestandteilen von solch extremen Abmessungen.
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Windturbinen
mit einer Nennleistung von 2 MW sind nun kommerziell erhältlich,
und sehr viel größere Generatoren
sind geplant, hauptsächlich
für den
aufstrebenden Seemarkt.
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Jedoch
würde zum
Beispiel ein 5 MW Direktantriebsgenerator einen Durchmesser von
ungefähr 15
Meter erfordern und wäre
extrem schwer.
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Es
entstehen mehrere Problembereiche aus der Größe und dem Gewicht dieser Generatoren. Diese
beinhalten:
- (i) das Erfordernis sehr großer Bohrmaschinenwerkzeuge
- (ii) Werkhallen mit hohem Dach und Schwerlastkrane sind erforderlich
- (iii) Transport großer
ausgelagerter Teile für
die Montage oder für
den fertiggestellten Generator. Dies ist für den Exportmarkt noch problematischer.
- (v) Installation an dem Mastkopf
- (vi) Das Mastkopfgewicht wirkt sich auf andere Aspekte der Windturbinengestaltung
aus.
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US-Patent
6064123 beschreibt einen alternativen Ansatz für Windturbinengeneratoren gegenüber der üblichen
Gestaltung einer geflügelten
Turbine großen
Durchmessers, welche axial von einem Rotor kleineren Durchmessers
mit oder ohne Getriebe dazwischen beabstandet ist. Im US-Patent
6064123 werden die mehreren großen
Windturbinenflügel, welche
normalerweise verwendet werden, um Leistung aus dem Wind zu gewinnen,
durch eine rotierbar befestigte zentrale Nabe, eine mit der Nabe
konzentrischen Felge und eine Vielzahl von Flügeln, die zwischen der Nabe
und der Felge angeordnet sind, ersetzt. Der Rotor des Generators
ist in dieser Turbinenstruktur beinhaltet, indem eine Vielzahl von
Magneten auf der Felge zum Erzeugen von Strom in dem Ständer angeordnet
ist. Diese Struktur bedeutet, dass der Rotorfelgendurchmesser gleich
dem Durchmesser der Flügelanordnung
ist.
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Obwohl
diese Struktur eine hohe Umfangsgeschwindigkeit im Vergleich zu
einer ähnlichen
herkömmlichen
Direktantriebsgestaltung ergibt, mit den damit verbundenen Vorteilen
von hoher Umfangsgeschwindigkeit, verschlimmert die extrem große Struktur
mit kombiniertem Zweck einige der oben genannten Probleme und erzeugt
selbst Probleme, und schafft es als Ergebnis nicht, viele der anderen
Vorteile, die eine herkömmliche
Direktantriebsgestaltung (zum Beispiel in der Verwendung von zwei
oder drei Flügeln)
kennzeichnen, zu ermöglichen
oder auszuschöpfen.
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US-Patent
US 1944239 A offenbart
einen Winddynamo, in welchem Rotor und Ständer auf gegenläufigen Radstrukturen
befestigt sind, welche Propellerblätter zum Antreiben der Räder aufweisen. Alternativ
kann ein einzelner, mit Propellerblatt ausgestatteter radartiger
Rotor mit einem stationären, sektorartig
geformten Ständer,
der angrenzend an die Radfelge angeordnet ist, zusammenwirken.
EP 0058791 A offenbart
einen Generator zur Verwendung mit einer Windturbine, in welchem
ein Rotor mit Kastenträgeraufbau
zum Drehen um eine vertikale Achse befestigt ist. Gegenüberliegende
Paare von Dauermagneten, die um den Rotorumfang befestigt sind,
grenzen einen Luftspalt ab, in welchen sich kernlose Ständerspulen
hinein erstrecken.
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Die
schweren Eisenkerne, die mit der herkömmlichen Gestaltung von Direktantriebsgeneratoren
verbunden sind, verschlimmern ebenfalls die Probleme, insbesondere
bezüglich
Gewicht, Leistungsfähigkeitsverlusten,
magnetischen Kräften
während
des Zusammenbaus und Luftspaltkräften.
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Wie
dem Durchschnittsfachmann offenbar wird, treten viele der oben genannten
Probleme ebenfalls in Bezug auf andere Situationen auf, wo große Rotoren,
und insbesondere große
Scheibenrotoren, üblicherweise
verwendet werden. Insbesondere treten ähnliche Probleme in Verbindung
mit der Gestaltung von Meeresstromturbinengeneratoren und Ähnlichem
auf.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen
Generator vorzusehen mit einem Rotor, welcher eine Struktur aufweist,
derart, dass einige oder alle der oben genannten Nachteile gemindert
werden.
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Es
ist eine bestimmte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Generator
bereit zu stellen, und insbesondere einen Generator niedriger Geschwindigkeit,
der direkt oder mit einer niedrigen Getriebeübersetzung von einer Wind-
oder Meeresstromturbine angetrieben wird, in welchem der Rotor in
großem Maßstab wirtschaftlich
hergestellt werden kann.
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Es
ist eine bestimmte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen
Generator mit einem Rotor bereit zu stellen, welcher verbesserte
Darstellung bezogen auf Größe zu Gewicht
und/oder Leistung zu Gewicht bietet.
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Dementsprechend
weist ein elektrischer Generator gemäß der Erfindung in ihrem weitesten
Sinn auf:
einen Rotor, welcher eine zentrale Nabe aufweist, eine
Felge, welche radial davon beabstandet ist und mit dieser im wesentlichen
konzentrisch ist, sowie eine Vielzahl gestreckter Spannungselemente,
die sich im Allgemeinen zwischen der Nabe und der Felge erstrecken,
die im wesentlichen unter Spannung gehalten werden, um so die Felge
im wesentlichen unter Druck zu halten, und eine Vielzahl magnetischer
Elemente, die im wesentlichen vollständig um die Felge angeordnet
sind und im Allgemeinen gleich davon beabstandet sind;
wenigstens
einen Ständer,
welcher mit diesem zusammenwirkend angeordnet ist, um elektrische
Energie aus mechanischer Energie zu erzeugen, die der Rotation des
Rotors zugeordnet werden kann;
und eine entfernt beabstandete
Wind- oder Meeresstromturbine;
wobei der Rotor befestigt ist,
um rotierbar in Bezug auf einen statisch befestigten Ständer durch
die entfernt beabstandete Turbine angetrieben zu werden.
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Die
Steifigkeit, die der Rotorstruktur gemäß der Erfindung durch eine
unter Druck gehaltene Felge und im Allgemeinen radiale, unter Spannung
gehaltene Streben oder Speichen verliehen wird, ist für den Rotor
ausreichend und bietet wesentliche Gewichtsreduzierung im Vergleich
zu herkömmlichen Annäherungen
für Rotoren.
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Die
Struktur eignet sich somit für
den Bau von Rotoren großer
Abmessung zur Anwendung in elektrischen Generatoren mit niedriger
Geschwindigkeit, wo der Rotor entweder direkt angetrieben wird oder über eine
niedrige Getriebeübersetzung
angetrieben wird, und zum Beispiel über ein Einstufengetriebe.
Die zuvor erwähnten
Probleme bei dem Bereitstellen von Mehrstufen-Hochübersetzungs-Getrieben
im Stand der Technik werden vermieden. Die Struktur eignet sich
somit insbesondere für
Rotoren, welche als Alternative zu den großen Scheibenrotoren dienen,
die herkömmlich
in Direktantriebsgeneratoren verwendet werden, wie beispielsweise
Wind- oder Meeresstromturbinen.
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Die
Struktur kann in Verbindung mit jeder geeigneten Gestaltung von
niedriger Geschwindigkeit und insbesondere bei Wind- oder Meeresstromturbinen
mit Direktantrieb verwendet werden, die aus Leistungsantrieben in
Form von geflügelten
Turbinen großen
Durchmessers bestehen, welche axial beabstandet sind von und über den
Turbinenrotorschaft mit der Nabe des Rotors auf herkömmliche
Weise wirksam verbunden sind, entweder zum Beispiel über ein
Einstufengetriebe niedriger Übersetzung oder
bevorzugter direkt über
eine mechanische Verbindung ohne Getriebe. Übliche Anwendungen werden unter
Bezugnahme auf Turbinen mit horizontaler Achse beschrieben, aber
die Erfindung ist nicht darauf begrenzt, wobei sie prinzipiell auf
Turbinen mit vertikaler Achse oder auf jede andere geeignete Turbinenanwendung
angewendet werden kann, wobei die Vorteile, die diese bietet, von
Bedeutung sein können.
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Die
Struktur unterscheidet sich von der in
US 6064123 offenbarten Alternative,
welche eine kreisförmige
Rotor-/Turbinenanordnung aufweist, aber in welcher der Generatormechanismus
mit den Turbinenflügeln
fest eingebaut ist. Dies bedeutet, dass der Rotorfelgendurchmesser
gleich dem Durchmesser der Flügelanordnung
ist, sodass es das System nicht ermöglicht, viele der anderen Vorteile
auszuschöpfen oder
zu ermöglichen,
die eine herkömmliche
Direktantriebsgestaltung (zum Beispiel in der Verwendung von zwei
oder drei Flügeln)
kennzeichnen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegende Erfindung
diese Vorteile auf vortreffliche Weise, und es wird eine Rotorstruktur
beschrieben, welche keine Flügel
oder andere Vorrichtungen beinhaltet, um Leistung aus Wind oder
Wasser zu gewinnen. Insbesondere sind keine Flügel auf den Spannungselementen
befestigt. Es handelt sich einzig um einen Rotor in Kombination mit
einem Ständer
und elektrischer Abnahme, was einen Generator bildet, der geeignet
ist, in Verbindung mit allen anderen Leistungsantriebsmitteln verwendet
zu werden, wie beispielsweise einer geflügelten Turbine, um Leistung
aus Wind- oder Wasserfluss zu gewinnen.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist eine Vielzahl von magnetischen Rotorelementen
auf der Felge angeordnet. Die magnetischen Elemente können auf
einer Innen- oder Außenfläche der
Felge angeordnet sein. Der Rotor weist eine Vielzahl magnetischer
Elemente auf, die im Wesentlichen vollständig um die Nabe herum angeordnet
sind und im Allgemeinen darauf gleich beabstandet sind. Dies kann
in Form einer Vielzahl einzelner Magnete sein, oder in Form von
unterschiedlich polarisierten Bereichen in einem größeren Magneten,
oder in Form von Spulen oder einer Kombination derselben.
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Die
Vielzahl magnetischer Elemente ist geeignet angeordnet und polarisiert,
um eine multipolare Verteilung eines magnetischen Flusses in dem
den Rotor umgebenden Raum zu erzeugen. Zum Beispiel können die
Magnete entlang der Felge auf einer äußeren oder inneren Fläche der
Felge angeordnet sein und radial, axial oder in einer Kombination
von beiden polarisiert sein, wobei die sich ergebende Flussverteilung
radiale und/oder tangentiale und/oder axiale Komponenten beinhaltet.
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Die
Strukturfelge des Rotors kann aus Gründen der Einfachheit kreisförmig sein,
oder kann polygonal sein, und insbesondere, obwohl nicht erforderlich,
polygonal mit einer großen
Anzahl von Seiten, um sich der Kreisförmigkeit anzunähern. Bezugnahmen
hierin auf kreisförmiges
Aussehen der Felge, oder auf einen Bogen der Felge oder auf eine
radiale Richtung sollten entsprechend ausgelegt werden, als ob sie
Bezugnahme auf den Umfang eines solchen Polygons oder eines Teils
desselben oder eine Richtung von der Mitte zur Kante desselben je
nach Fall beinhalten.
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Die
Felge kann eine Einzelkonstruktion oder von modularer Konstruktion
sein einschließlich
einer Vielzahl von Bogenabschnitten oder Seiten einer polygonalen
Felge, je nach Fall. Die Felge kann eine feste Konstruktion aufweisen
oder eine offene Rahmenkonstruktion, zum Beispiel in Form eines
Baugerippes oder einer ähnlichen
Struktur, sofern eine solche Struktur geeignet konstruiert ist,
um zu ermöglichen,
dass die Felge gemäß den Grundlagen
der Erfindung im Wesentlichen unter Druck gehalten wird.
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Die
Spannungselemente erstrecken sich im Allgemeinen radial von der
Nabe zu der Felge. Jedoch sind vorzugsweise die Spannungselemente nicht
direkt radial, sondern sind axial versetzt und tangential abgeschrägt. Diese
Anordnung ist bekannt und stellt eine verbesserte Übertragung
von Drehkraft innerhalb der Struktur bereit, wenn diese rotiert. Vorzugsweise
werden tangential abgeschrägte Spannungselemente
verwendet, welche so angeordnet sind, dass sie Drehkraft in jeder
Richtung widerstehen. Die Anordnung kann asymmetrisch sein, um Drehkraft
mehr in einer Richtung als einer anderen zu widerstehen. Wenn jedoch
die gesamte Struktur vorgespannt ist, ist eine symmetrische Gestalt
geeigneter und Drehkraft wird aufgrund von erhöhter Spannung in den Speichen übermittelt,
welche tangential in eine Richtung abschrägen, und reduzierter Spannung
in Speichen, welche tangential in die gegenüberliegende Richtung abgeschrägt sind.
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Die
Spannungselemente sind in einem radialen oder tangentialen Muster
im Allgemeinen in der Rotationsebene angeordnet. Jedoch sind die
Spannungselemente vorzugsweise in einem Ausmaß bezogen auf die Rotationsebene
in einer axialen Richtung abgeschrägt, was ermöglicht, dass die Struktur axialen
Kräften
widersteht.
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Vorzugsweise
weisen die rotormagnetischen Elemente eine Vielzahl von Magneten
auf, und insbesondere eine Vielzahl von Magneten in wechselnder multipolarer
Anordnung, welche vorzugsweise im Wesentlichen gleich um eine Fläche beabstandet sind,
und insbesondere eine Außenfläche der
Felge. Alternativ wird die Vielzahl von Magneten mit identischer
Polarisation angeordnet, um ein Feld magnetischer Pole von einer
Polarität
mit dazwischen folgenden Polen von umgekehrter Polarität zu erzeugen.
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Vorzugsweise
sind die Magneten Dauermagneten aus einem Material, welches eine
sehr hohe Koerzitivfeldstärke
aufweist. Geeignete Materialien sind dem Durchschnittsfachmann bekannt
und beinhalten Ferrit mit hoher Koerzitivfeldstärke, gesintertes Neodym-Eisen-Bor, Eisen-Bor und Ähnliches.
Zusätzlich
oder alternativ können
die Magneten als Nicht-Dauermagneten
bereit gestellt werden, zum Beispiel als Spulenwicklungen.
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Die
Magneten können
an der Felge auf jede geeignete Weise, zum Beispiel geklebt oder
in die Aussparungen in der Felge eingepasst, befestigt werden. In
dem letztgenannten Fall tragen magnetische Kräfte zum Halt bei und können alleine
ausreichend sein.
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Die
Felge muss geeignete Struktureigenschaften unter Druck aufweisen,
weist aber ebenfalls vorzugsweise ferromagnetische Materialien auf.
Vorzugsweise ist die Felge aus einem ferromagnetischen Material
hergestellt, welches gute Eigenschaften unter Druck aufweist, wie
beispielsweise magnetischem Stahl. Zusätzlich oder alternativ kann
die Felge einen Strukturbereich aufweisen, der aus einem Material
hergestellt ist, welches für
die Stärke
unter Druck gewählt
wurde, und einem magnetischen Element-Anbringbereich, welcher daran
befestigt ist, um eine Befestigung für die magnetischen Elemente
bereit zu stellen, und weist ein Material mit geeigneten ferromagnetischen
Eigenschaften auf.
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Die
gestreckten Spannungselemente weisen Streben, Speichen oder Ähnliches
auf, und sind in Form eines Materials, das stark unter Spannung
aneinandergefügt
wurde, wie ein Draht, Kabel oder Stangen, die unter Spannung verwendet
werden. Die Spannungselemente sind aus jedwedem Material, das geeignet
ist, vorgespannt zu werden und in der fertiggestellten Struktur
unter Spannung gehalten zu werden, um die Felge für Steifigkeit
unter Druck zu halten. Geeignete Materialien schließen Stahl,
Glasfaser, Kohlefaser, Kevlar oder andere hochfeste Fasern ein.
Die Nabe ist aus jedem geeigneten Strukturmaterial, wie beispielsweise
Stahl.
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Die
Erfindung stellt eine physikalische Struktur für einen Direktantriebsgenerator
von großem Durchmesser
bereit, welche nicht den zuvor aufgeführten Beschränkungen
unterliegt.
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Dementsprechend
weist der Generator wenigstens einen Rotor gemäß der Erfindung auf, welcher
so angeordnet ist, dass er mit wenigstens einem geeigneten Ständer zusammenwirkt,
um elektrische Energie aus mechanischer Energie aufgrund von Rotation
des Rotors zu erzeugen, wobei der Rotor befestigt werden kann, um
rotierbar bezogen auf einen statisch befestigten Ständer durch
eine entfernte, und insbesondere eine axial beabstandete Turbine angetrieben
zu werden.
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Die
Turbine stellt die Antriebsleistung für den Rotor bereit und weist
jedwede geeignete Antriebsmittel auf, in welchen Leistung durch
die Wirkung eines Fluidvorkommens darauf erzeugt wird. In Betrieb wir
die Turbine wirksam mit dem Rotor verbunden, um diesen zum Rotieren
zu bringen. Dies kann direkt oder indirekt über ein geeignetes Getriebe
oder ein anderes Übertragungssystem
sein.
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Vorzugsweise
ist der elektrische Generator ein Generator niedriger Geschwindigkeit,
bei welchem eine Antriebskraft von einem angetriebenen Leistungsmittel
geliefert wird, und insbesondere einem rotierenden Leistungsmittel,
welches wirksam mechanisch mit der Nabe verbunden ist, um Rotation eines
Rotors über
niedrige Getriebeübersetzung, zum
Beispiel in einem Verhältnis
zwischen 1:1 und 1:10, zu verursachen, welche in Form eines Einstufengetriebes
sein kann. Vorzugsweise ist der elektrische Generator ein Direktantriebsgenerator,
bei welchem eine Antriebskraft von einem angetriebenen Leistungsmittel
bereit gestellt wird, und insbesondere einem rotierenden Leistungsmittel,
welches direkt mechanisch mit der Nabe verbunden ist, um Rotation eines
Rotors (d. h., bei 1:1 Übersetzung)
zu verursachen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das
Bereitstellen von Windturbinengeneratoren und Meeresstromturbinengeneratoren
großer
Abmessungen.
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Alternative
Mittel des Verbindens weisen ein oder mehrere biegsame Spannungselemente
auf, die zwischen der Rotorfelge und jedem Flügel der Turbine angeschlossen
sind, zum Beispiel an Positionen, die zwischen der Turbinennabe
und Turbinenflügelspitze
liegen. Dadurch wird Kraft, die von den Flügeln ausgeübt wird, an den Rotor übertragen, ohne
hohe Biegemomente in den Flügeln
in der Nähe ihrer
Befestigung an der Turbinennabe zu verursachen. Es ist dann nicht
erforderlich, dass die Spannungselemente in der Generatorrotorstruktur
Drehkraft übertragen,
sodass sie im Betrieb weniger beansprucht werden. Das Leistungsantriebsmittel
ist eine fluidangetriebene Turbine, die angepasst ist, durch einen
Fluidstrom, der darauf auftritt, zum Rotieren gebracht zu werden,
und wirksam mit dem Rotor verbunden, so dass die Bewegung des fluidangetriebenen
Mittels Rotation des Rotors verursacht. Insbesondere weist das fluidangetriebene
Mittel einen fluidangetriebenen Drehkörper auf, welcher unter Wirkung
des Fluidvorkommens rotierbar ist. Vorzugsweise ist der fluidangetriebene
Drehkörper
eine Wind- oder Meeresstromturbine.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Generator ein direkt angetriebener Generator, so dass die
Wind- oder Meeresstromturbine oder ein anderer fluidangetriebener
Drehkörper
direkt mit dem Rotor verbunden ist, sodass Rotation des fluidangetriebenen
Drehkörpers
eine gleiche Rotation des Rotors vermittelt. Jede geeignete herkömmliche
Struktur kann verwendet werden. Zum Beispiel kann der Drehkörper eine
Vielzahl von Flügeln
aufweisen, die unter Wirkung des Fluidvorkommens rotierbar sind und
an einer Zentralachse befestigt sind.
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Vorzugsweise
ist die Turbine oder ein anderer fluidangetriebener Drehkörper koaxial
mit dem Rotor, insbesondere, wenn der Rotor direkt angetrieben ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Ständer
so konfiguriert, dass er seinen Sitz in der Nähe der Felge für wenigstens
einen Bogen derselben hat, und möglicherweise
für im
Wesentlichen den Gesamtumfang derselben. In einer bestimmten bevorzugten
Ausführungsform
umschließt
der Ständer den
Rotor für
wenigstens einen Bogen oder den Umfang, obwohl eine Alternativstruktur,
in welcher der Rotor den Ständer
rings umschließt,
vorgesehen werden kann.
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Vorzugsweise
erstrecken sich sowohl Rotor als auch Ständer rings um konzentrische
Trägerstrukturen,
im Wesentlichen für
den gesamten Umfang oder wenigstens einen Bogen desselben im Fall des
Ständers.
Insbesondere umschließt
der Ständer rings
den Rotor, obwohl eine alternative Struktur, in welcher der Rotor
rings den Ständer
umschließt,
vorgesehen werden kann.
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In
einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform wird eine Ständer-Trägerstruktur
bereit gestellt, welche rings die Rotorfelge umschließt. Insbesondere
trägt die
Trägerstruktur
eine Vielzahl von Ständerspulen,
die so angeordnet sind, dass sie eine Zylinderumgebung bilden, und
koaxial mit dem Rotor, und die Achse jeder Spule ist zu der Achse
des Rotors gerichtet. Der Rotor weist eine Vielzahl von Dauermagneten
auf, die rings um die Rotorfelge angeordnet sind und radial polarisiert
sind, um eine multipolare Verteilung des magnetischen Flusses zu
erzeugen, und die Ständerstruktur
trägt eine
Gruppe von Spulen, die gleichermaßen radial gerichtet sind, sodass
sich, wenn sich der Rotor dreht, die Flussverbindung mit jeder Spule
zyklisch ändert
und ein wechselndes EMF in jeder Spule induziert wird. In der Alternative
kann die Rotorfelge rings die Ständerstütze umschließen, wobei
Magneten innen auf der erstgenannten angeordnet sind und Ständerspulen außen auf
der letztgenannten.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wie oben beschrieben sind die Ständerspulen
rings um den Rotor auf einer Trägerstruktur
angeordnet. Jede geeignete Ständer-Trägerstruktur kann
vorgesehen werden. In geeigneter Weise kann die Ständer-Trägerstruktur
eine ähnliche
offene Struktur wie die des Rotors aufweisen, das heißt, eine
zentrale Nabe, eine kreisförmige
oder möglicherweise
polygonale Felge und sich radial erstreckende Spannungselemente,
die sich dazwischen erstrecken, und im Wesentlichen unter Spannung
gehalten werden, um die Felge im Wesentlichen unter Druck zu halten.
Rotor- und Ständerträger können dann
koaxial befestigt werden, um eine geeignete konzentrische und relativ rotierbare
Rotor- und Ständer-Anordnung
bereit zu stellen.
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Ein
ferromagnetischer Ständerkern
kann vorgesehen werden, um den Fluss zu verstärken, der von den Dauermagneten
bereit gestellt wird, wie es in Systemen gemäß dem Stand der Technik üblich ist, einschließlich Direktantriebsgeneratoren
für Windturbinen.
Jedoch erfahren der Rotor- und der Ständerkern dann eine große magnetische
Anziehungskraft. Normalerweise ist die magnetische Anziehungskraft die
größte Kraft,
die auf die Rotor- und
Ständer-Struktur,
wenn zusammengebaut, wirkt, und ihre Strukturgestaltung wird durch
das Erfordernis bestimmt, dieser Kraft zu widerstehen. Wenn der
Ständerkern
weggelassen wird, fehlt die Anziehungskraft, und es kann eine wesentlich
leichtere Struktur verwendet werden. Überraschenderweise hat sich
herausgestellt, dass dies eine ziemlich geeignete elektromagnetische
Leistung ergibt, wobei die relativ geringe Flussdichte in dem eisenfreien
Ständer
mehr als kompensiert wird durch die relativ hohe relative Geschwindigkeit
der Magneten an der Felge des Rotors von großem Durchmesser.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Ständeranordnung
demgemäss
kernfrei; das heißt,
in dem Ständer
ist kein Eisenkern vorgesehen. In alternativen Ausführungsformen
kann ein herkömmlicher
Eisenkern wünschenswert
bleiben.
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Mehrere
alternative elektromagnetische Topologien können verwendet werden und sind
dem Durchschnittsfachmann bekannt. Die Erfindung wird beschrieben
im Hinblick auf ihre Anwendung mit einem bestimmten Beispiel unter
Bezugnahme auf 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungsfiguren. Insbesondere
werden in allen Beispielen radial polarisierte Magneten verwendet,
es wird auf einen Eisenkern in dem Ständer verzichtet, und die Struktur der
Erfindung wird sowohl für
Rotor als auch Ständer verwendet.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung im Prinzip
gleichermaßen
auf andere magnetische Geometrien und/oder auf Ständeranordnungen
mit Eisenkern oder ohne Kern anwendbar ist, und dass ein Rotor gemäß der Struktur
der Erfindung zusammen mit jedem geeigneten Ständer verwendet werden kann,
wie zum Beispiel einem, der sich nur mit einem Bogen rings um den
Rotor erstreckt.
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Ein
bevorzugter elektromagnetischer Aufbau ist wie in 1 dargestellt.
In diesem Beispiel bildet ein ferromagnetischer Zylinder (1)
das Eisen der Rotorrückseite
und trägt
Dauermagneten aus Neodym-Eisen-Bor (2) an seiner Außenfläche. Diese können auf
jede geeignete Weise befestigt werden, zum Beispiel unter Verwendung
von Klebstoff, aber die magnetischen Kräfte alleine können ausreichend sein,
um die Magneten an ihrer Position zu halten. Die Magneten sind radial
polarisiert und erzeugen eine multipolare Verteilung des magnetischen
Flusses in dem Raum, welcher den Rotor umgibt. Die Ständerstruktur
trägt einen
Satz Kupferspulen (3), deren Achsen radial gerichtet sind,
auf einer nicht-magnetischen
Unterlagsschicht (nicht dargestellt). Klebstoff oder ein anderes
Fixiermittel kann verwendet werden, um diese an ihrem Platz zu befestigen.
Spulen können
in der Trägerstruktur
eingebettet sein. Dies bietet gute elektrische Isolierung.
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Wenn
sich der Rotor dreht, ändert
sich die Flussverbindung mit jeder Spule zyklisch und wechselndes
EMF wird in jede Spule induziert. Im Gegensatz zu Systemen gemäß dem Stand
der Technik ist aus den oben genannten Gründen kein Eisenkern vorgesehen.
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Herkömmlich wird
im Allgemeinen ein ferromagnetischer Ständerkern vorgesehen, um den Fluss,
der von den Dauermagneten bereit gestellt wird, zu verstärken. Es
wurde jedoch gemäß der Erfindung
herausgefunden, dass, wenn Dauermagneten mit ausreichender Koerzitivfeldstärke verwendet werden,
diese Verstärkung
nicht erforderlich ist und eine geeignete Flussverbindung selbst
ohne einen Kern auftritt. Weglassen des Kerns reduziert größtenteils
die magnetische Anziehungskraft, die auf den Träger wirkt, sodass eine wesentlich
leichtere Struktur verwendet werden kann und die Vorteile der offenen
Struktur der vorliegenden Erfindung vollständig ausgeschöpft werden
können.
Aus diesem Grund sind die Magneten (2) aus gesintertem
Neodym-Eisen-Bor hergestellt, um die notwendige Koerzitivfeldstärke bereit
zu stellen. In der bevorzugten Ausführungsform basieren sowohl
die Ständer-Trägerstruktur
als auch die Rotorstruktur auf den gleichen offenen Prinzipien von
Felge unter Druck mit sich radial erstreckenden Spannungselementen.
Drei mögliche Anordnungen
sind in 2 dargestellt.
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2(i) zeigt einen Ständer der Cantilever-Art. 2(ii) zeigt einen doppelseitigen Ständer. 2(iii) zeigt einen Ständer mit steifen Trägern.
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In
jedem Fall werden gleiche Bezugsziffern für gleiche Bestandteile verwendet.
Ein zentraler Schaft (6) mit Mittellinie (7) ist
dargestellt, auf welchem die Nabe (8) zur Rotation in Richtung
des Pfeils befestigt ist. Die Rotorbespeichung (11) erstreckt sich
zu einer Rotorfelge (12). Die Ständerbespeichung (14)
erstreckt sich zu einer Ständerfelge
(15), die mit der Rotorfelge (12) konzentrisch
ist. Ein Luftspalt (17) ist zwischen der Rotorfelge (12)
und der Ständerfelge
(15) angeordnet. Die Gestaltungen unterscheiden sich in
der Gesamtanordnung dieser gemeinsamen Bestandteile, und ebenfalls
darin, dass 2(ii) mit einem Lager (18)
ausgestattet ist, und 2(iii) steife
Ständerstützen (19)
beinhaltet, welche unter Druck gehalten werden.
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In 3 ist
eine Rotor- und Ständerstruktur gemäß der ersten
Anordnung aus 2 dargestellt, sowohl als Explosion
(3a) als auch in zusammengebauter
(3b) Ansicht. In 3 ist
die Rotor-Ständerstruktur
dargestellt, welche hier eine kreisförmige Felge (21) aufweist,
die durch Speichen (22), die mit einer zentralen Nabe (23)
verbunden sind, unter Druck gehalten wird. Dauermagneten (nicht
dargestellt) sind auf der in 1 angegebenen Weise
auf der Felge (21) befestigt.
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Eine
Ständeranordnung
ist dargestellt, welche ein Paar Felgen (24a), (24b)
aufweist, die mit Querstreben (25) verbunden sind, und
durch Speichen (26) unter Druck gehalten werden, die sich
unter Spannung zu einer zentralen Nabe (27) erstrecken.
Spulen (28) sind auf einer Innenfläche der ersten Felge (24a)
befestigt.
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Dies
ist nur ein Beispiel für
die Struktur, und andere Strukturen werden offensichtlich.
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In
den meisten bevorzugten Strukturen basieren sowohl die Ständerstruktur
als auch die Rotorstruktur des Generators auf einem oder mehreren äußeren kreisförmigen (oder
möglicherweise
polygonalen) Elementen, die unter Druck wirken, welche mit der zentralen
Nabe/Windturbinenrotoranordnung durch kreisförmige Reihen von Elementen
verbunden sind, die unter Druck ähnlich
wie die Speichen eines Fahrrads wirken. Die Ausführungsformen zeigen dies. Die
Spannungselemente sind in einem radialen oder tangentialen Muster
in der Rotationsebene angeordnet, und sind in axialer Richtung abgeschrägt, wodurch
den Ständer-
und Rotorstrukturen ermöglicht
wird, Drehkraft und jedweden axialen Kräften zu widerstehen. Wenn tangential
abgeschrägte
Spannungselemente verwendet werden, können diese angeordnet werden,
um Drehkraft in jeder Richtung zu widerstehen. In einigen Ausführungsformen
kann die Ebene, welche die Felge enthält, nicht zwischen den Ebenen
liegen, welche die Ringe enthält,
an welchen die Speichen mit der Nabe verbunden sind. In diesen Fällen ist
es notwendig, einen Satz Spannungselemente durch Druckelemente zu
ersetzen.
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Andere
Anordnungen, in denen die Grundlagen der Erfindung verwendet werden,
werden vorgesehen.