DE60204878T2 - Elektrischer generator und läufer - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator einschließlich eines Rotors.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Windturbinen mit einer Nennleistung von 2 MW sind nun kommerziell erhältlich, und sehr viel größere Generatoren sind geplant, hauptsächlich für den aufstrebenden Seemarkt.
  • Jedoch würde zum Beispiel ein 5 MW Direktantriebsgenerator einen Durchmesser von ungefähr 15 Meter erfordern und wäre extrem schwer.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung stellt eine physikalische Struktur für einen Direktantriebsgenerator von großem Durchmesser bereit, welche nicht den zuvor aufgeführten Beschränkungen unterliegt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise ist die Turbine oder ein anderer fluidangetriebener Drehkörper koaxial mit dem Rotor, insbesondere, wenn der Rotor direkt angetrieben ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2(i) zeigt einen Ständer der Cantilever-Art. 2(ii) zeigt einen doppelseitigen Ständer. 2(iii) zeigt einen Ständer mit steifen Trägern.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dies ist nur ein Beispiel für die Struktur, und andere Strukturen werden offensichtlich.
  • 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.
  • Andere Anordnungen, in denen die Grundlagen der Erfindung verwendet werden, werden vorgesehen.

Claims (16)

  1. Elektrischer Generator, welcher aufweist: einen Rotor, welcher eine zentrale Nabe (18, 23) aufweist, eine Felge (12, 21), welche radial davon beabstandet ist und mit dieser im wesentlichen konzentrisch ist, sowie eine Vielzahl gestreckter Spannungselemente (11, 22), die sich im Allgemeinen zwischen der Nabe (8, 23) und der Felge (12, 21) erstrecken, die im wesentlichen unter Spannung gehalten werden, um so die Felge (12, 21) im wesentlichen unter Druck zu halten, und eine Vielzahl magnetischer Elemente (2), die im wesentlichen vollständig um die Felge (12, 21) angeordnet sind und im Allgemeinen gleich davon beabstandet sind; wenigstens einen Ständer (6, 14, 15; 2428), 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.
  2. Elektrischer Generator gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl magnetischer Elemente (2) des Rotors um die Nabe (12, 21) desselben angeordnet ist und radial polarisiert ist.
  3. Elektrischer Generator gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl magnetischer Elemente (2) des Rotors um die Nabe (12, 21) desselben angeordnet ist und axial polarisiert ist.
  4. Elektrischer Generator gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die rotormagnetischen Elemente (2) eine Vielzahl von Dauermagneten aufweisen.
  5. Elektrischer Generator gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die rotormagnetischen Elemente (2) eine Vielzahl von Spulenwicklungen aufweisen.
  6. Elektrischer Generator gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die Spannungselemente (11, 22) des Rotors sich im wesentlichen radial von der Nabe (8, 23) zu der Felge (12, 21) erstrecken, aber axial versetzt sind und tangential abschrägen, um Axialkräften und Drehkraft zu widerstehen.
  7. Elektrischer Generator gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei der Ständer so konfiguriert ist, dass er seinen Sitz in der Nähe der Felge (12, 21) des Rotors für wenigstens einen Bogen derselben hat.
  8. Elektrischer Generator gemäß Anspruch 7, wobei der Ständer so konfiguriert ist, dass er seinen Sitz in der Nähe der Felge (12, 21) des Rotors für im wesentlichen den gesamten Umfang derselben hat.
  9. Elektrischer Generator gemäß Anspruch 8, wobei die Ständerwicklungen (3, 28) um den Umfang des Rotors auf einer Trägerstruktur angeordnet sind, welche eine zentrale Nabe (6, 27), eine kreisförmige oder polygonale Nabe (15; 24a, 24b, 25) und sich im wesentlichen radial erstreckende Spannungselemente (14, 26) aufweist, die sich dazwischen erstrecken und in Spannung gehalten werden, um die Felge im wesentlichen unter Druck zu halten, wobei die Rotor- und Ständerstützen koaxial befestigt sind, um eine konzentrische und relativ drehbare Rotor- und Ständeranordnung bereit zu stellen.
  10. Elektrischer Generator gemäß Anspruch 9, wobei die Ständerstruktur die Rotorstruktur vollständig umgibt, wobei eine Seite der Ständerstruktur auf einem rotierenden Lager befestigt ist.
  11. Elektrischer Generator gemäß Anspruch 9, wobei die Ständerstruktur sich der Rotorstruktur von einer Seite derselben auf Cantilever-Art nähert.
  12. Elektrischer Generator gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die Ständerwicklungen (3, 28) in Verbindung mit einem oder mehreren ferromagnetischen Ständerkernen vorgesehen sind, um den Fluss, der von den magnetischen Elementen bereitgestellt wird, zu steigern.
  13. Elektrischer Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Ständerwicklungen (3, 28) ohne ferromagnetischen Ständerkern oder -kerne vorgesehen sind.
  14. Elektrischer Generator in Übereinstimmung mit einem der vorausgegangenen Ansprüche, welcher einen niedrigtourigen Generator aufweist, in welchem die Turbine betriebsbereit mechanisch mit der Nabe verbunden ist, um eine Rotation des Rotors mit einer niedrigen Getriebeübersetzung zu verursachen.
  15. Elektrischer Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, welcher einen Direktantriebgenerator aufweist, in welchem die Turbine direkt mechanisch mit der Nabe verbunden ist, um Rotation des Rotors zu verursachen.
  16. Elektrischer Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, welcher einen Direktantriebgenerator aufweist, in welchem die Turbine direkt mechanisch mit der Felge verbunden ist, um Rotation des Rotors zu verursachen.
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