DE102011014094A1

DE102011014094A1 - Elektrischer Generator für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011014094A1
Application number: DE201110014094
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Andreu Kostakis
Original assignee: Uni Wind GmbH
Current assignee: Uni Wind GmbH
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2012122965A3; WO2012122965A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator für eine Windkraftanlage, insbesondere einen Innenpolgenerator für eine getriebelose Windkraftanlage. Nach der Konzeption der Erfindung sind an der Rotorwelle (5) des Generators mindestens zwei Sätze (7) von polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagneten (7.1) zur Erzeugung von mindestens zwei getrennten Erregermagnetfeldern angeordnet, wobei zu jedem Erregermagnetfeld ein separater Stator (8) mit zugehörigen Induktionswicklungen anordenbar ist. Bevorzugt sind an der Rotorwelle (5) des Generators drei oder mehr Sätze (7) von polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagneten (7.1) angeordnet, so dass je nach der zu installierenden elektrischen Leistung eins, zwei, drei oder mehr separate Statoren (8) mit zugehörigen Induktionswicklungen angeordnet werden können. Der erfindungsgemäße Generator umfasst damit eine vorbestimmte konstante Anzahl von Sätzen (7) von polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagneten (7.1) und je nach Leistungsbedarf ein, zwei, drei oder mehr Statoren (8), wobei die Anzahl der Statoren (8) auf die Anzahl der Sätze (7) von polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagneten (7.1) begrenzt ist. Der erfindungsgemäße Generator ist modular aufgebaut und kann für Windkraftanlagen unterschiedlicher Leistungen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator für eine Windkraftanlage, insbesondere einen Innenpolgenerator für eine getriebelose Windkraftanlage.
Die effektive Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie erfordert Windkraftanlagen, die sich auch bei unterschiedlichen Windverhältnissen durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen. Diesem Bedüfnis kann mit einer getriebelosen Windkraftanlage mit Synchrongenerator am besten entsprochen werden. Zunehmend besteht für Windkraftanlagen das Bedürfnis, diese für ein breites Leistungsspektrum zur Verfügung zu haben. Oft richtet sich jedoch bei der Konzipierung einer Windkraftanlage deren Leistung nach der Leistung der für Windkraftanlagen am Markt angebotenen elektrischen Generatoren. Insbesondere bei kleinem elektrischen Leistungsbedarf stößt die Konzipierung einer angepassten Windkraftanlage auf das Problem eines geeigneten elektrischen Generators.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen elektrischen Generator für eine Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, der einem breiten Leistungsbedarf gerecht wird und auch bei unterschiedlichen Windverhältnissen beim Einsatz in einer getriebelosen Windkraftanlage eine Umwandlung der angebotenen Windenergie in elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
Nach der Konzeption der Erfindung ist der elektrische Generator als Innenpolmaschine ausgebildet, wobei der Rotor des Generators direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Getriebes, mit dem Rotor der Windkraftanlage verbunden ist und an der Rotorwelle des Generators mindestens zwei Sätze von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung von mindestns zwei getrennten Erregermagnetfeldern angeordnet sind und zu jedem Erregermagnetfeld ein separater Stator mit zugehörigen Induktionswicklungen anordenbar ist.
Bevorzugt sind an der Rotorwelle des Generators drei oder mehr Sätze von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten angeordnet, so dass je nach der zu installierenden elektrischen Leistung eins, zwei, drei oder mehr separate Statoren mit zugehörigen Induktionswicklungen anzuordnen sind, wobei einem polbildenden Magnetspulen- oder Permanentmagnetsatz zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes ein Stator zugeordnet ist. Ein erfindungsgemäßer Generator umfasst damit eine vorbestimmte konstante Anzahl von Sätzen von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung einer vorbestimmten konstanten Anzahl von Erregermagnetfeldern und je nach Leistungsbedarf ein, zwei, drei oder mehr Statoren, wobei die Anzahl der Statoren auf die Anzahl der Sätze von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanatmagneten zu Erzeugung von Erregermagnetfeldern begrenzt ist.
Vorzugsweise ist jeweils ein Satz von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes in bekannter Weise polbildend rotationssymmetrisch um die Rotorwelle angeordnet, wobei sich die polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes entlang eines vorbestimmten längsaxialen Abschnittes der Rotorwelle erstrecken. Ein zugehöriger Stator mit Induktionswicklungen umgibt die polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagnete ebenfalls in bekannter Weise und erstreckt sich in längsaxialer Richtung ebenfalls entlang eines vorbestimmten längsaxialen Abschnittes der Rotorwelle.
Jeweils weitere Sätze von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung jeweils weiterer Erregermagnetfelder schließen sich in längsaxialer Richtung der Rotorwelle an. Sie können, je nach Bedarf der zu installierenden elektrischen Leistung, von Statoren mit Induktionswicklungen umgeben sein.
Ein Satz von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes und ein zugehöriger Stator mit Induktionsspulen bilden einen Modul eines erfindungsgemäßen Generators, der eine vorbestimmte elektrische Leistung erzeugen kann. Ein elektrischer Generator kann mehrere Module umfassen, je nach der Größe der zu installierenden elektrischen Leistung. Die maximal mögliche Anzahl der Module, die ein Generator umfassen kann, richtet sich nach der Anzahl der Sätze von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten, die an der Rotorwelle des Generators angeordnet sind.
Bei der Ausbildung der Sätze von polbildenden Magnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung der Erregermagnetfelder ist es vorteilhaft, mindestens einen Satz mit Permanentmagneten auszubilden, wobei dann mindestens um diesen Satz ein Stator angeordnet sein sollte. Bei Drehung der Rotorwelle kann dann die in diesem Stator induzierte Spannung zur Speisung der polbildenden Magnetspulen mit dem notwendigen Erregerstrom verwendet werden.
Es versteht sich, dass der Rotor der Windkraftanlage so auszulegen bzw. zu dimensionieren ist, dass die mit dem Rotor erzeugbare mechanische Leistung der in der Windkraftanlage installierten elektrischen Leistung des Generators angepasst ist.
Eine leistungsmäßige Umrüstung einer Windkraftanlage durch Hinzufügen oder Entfernen eines oder ggf. auch mehrerer Statoren ist möglich, wobei dabei natürlich auch der Rotor der Windkraftanlage den neuen Leistungsparametern anzupassen ist.
Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

• ein elektrischer Generator kann für Windkraftanlagen unterschiedlicher Leistungen eingesetzt werden,
• eine bestehende Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Generator kann bei Bedarf im Rahmen des Leistungsbereiches dieses elektrischen Generators auf eine andere Leistung umgestellt werden, wobei lediglich die Statoren des Generators hinzuzufügen oder zu entfernen sind und der Rotor der Windkraftanlage zu verändern ist,
• die Modulbauweise des elektrischen Generators emöglicht eine effektive und kostengünstige Fertigung von elektrischen Generatoren unterschiedlicher Leistung und
• der elektrische Generator kann als Synchrongenerator ausgebildet sein, ist für den Einsatz in einer getriebelosen Windkraftanlage geeignet und ermöglicht den Bau von Windkraftanlagen mit einem hohen Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Windverhältnissen.

Die Ziele und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in:
1: eine schematische Darstellung eines Generators für eine Windkraftanlage mit zwei Statoren und in
2: eine schematische Darstellung eines Generators für eine Windkraftanlage mit einem Stator.
1 veranschaulicht einen als Innenpolmaschine ausgebildeten Synchrongenerator für eine getriebelose Windkraftanlage. Auf einer Grundplatte 1 sind eine vordere und eine hintere Lagerhalterung 2 und 3 mit Gleitlagern 4 zur Lagerung einer Rotorwelle 5 montiert. An dem durch die vordere Lagerhalterung 2 durchgreifenden Ende der Rotorwelle 5 ist direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes die Rotorkopfplatte 6, an der die nicht dargestellten Rotorblätter der Windkraftanlage montiert werden, angebracht. Zwischen den Lagerhalterungen 2 und 3 sind auf der Rotorwelle 5 drei Sätze 7 von polbildenden Permanentmagneten 7.1 rotationssymmetrisch um die Rotorwelle 5 angeordnet, wobei in 1 lediglich ein Satz 7 der polbildenden Permanentmagnete 7.1, nämlich der zur hinteren Lagerplatte 3 weisende Satz 7, sichtbar ist. Um den zur vorderen Lagerplatte 2 weisenden Satz 7 polbildender Permanentmagnete 7.1 sowie um den mittleren Satz 7 polbildender Permanentmagnete 7.1 ist jeweils ein Stator 8 mit Induktionsspulen angeordnet. Der in 1 veranschaulichte elektrische Generator ist zur Ausbildung von maximal drei Generatormodulen konzipiert. Dazu sind auf der Rotorwelle 5 drei Sätze 7 polbildender Permanentmagnete 7.1 angeordnet, die drei voneinander unabhängige Erregermagnetfeder erzeugen. Um zwei Sätze 7 der polbildenden Permanentmagnete 7.1 sind je ein Stator 8 mit Induktionsspulen angeordnet. Von den drei möglichen Modulen des Generators sind damit zwei Module ausgebildet. Ein dritter Stator ist bei Bedarf nachrüstbar, wenn der Generator auf seine maximale Leistung aufgerüstet werden soll. Bevorzugt weisen die einzelnen Generatormodule gleiche Leistungskennwerte auf, um eine rationelle Fertigung zu ermöglichen. Gleiche Leistungskennwerte der einzelnen Generatormodule sind jedoch keine notwendige Bedingung zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Lösung.
2 veranschaulicht einen ebenfalls als Innenpolmaschine ausgebildeten Synchrongenerator für eine getriebelose Windkraftanlage, bei dem auf der Rotorwelle 5 ebenso wie bei dem in 1 gezeigten Generator drei Sätze 7 von polbildenden Magneten angeordnet sind, wobei im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Generator nur um einen Satz 7 polbildender Magnete ein Stator 8 angeordnet ist und die polbildenden Magnete zur Erzeugung der Erregermagnetfelder zum einen bei einem in 2 sichtbaren Satz als Permanentmagnete 7.1 und zum anderen bei dem anderen in 2 sichtbaren Satz 7 der polbildenden Magnete als Magnetspulen 7.2 ausgebildet sind. Die Magnetspulen 7.2 sind zur elektrischen Stromversorgung der Magnetspulen 7.2 über nicht dargestellte Schleifringe und Bürsten elektrisch kontaktiert. Der Vorteil einer Ausbildung der polbildenden Magnete als Magnetspulen 7.2 liegt darin, dass bei Nichtanordnung eines Stators 8 um diesen Satz polbildender Magnete in diese kein Erregerstrom eingespeist wird, so dass um den nicht mit einem Stator umgebenen Satz polbildender Magnete auch kein Erregermagnetfeld erzeugt wird.
Bezugszeichenliste

1: Grundplatte
2: vordere Lagerhalterung
3: hintere Lagerhalterung
4: Gleitlager
5: Rotorwelle
6: Rotorkopfplatte
7: Satz polbildender Magnete
7.1: polbildende Permanentmagnete
7.2: polbildende Magnetspulen
8: Stator

Claims

Elektrischer Generator für eine Windkraftanlage, vorzugsweise für eine getriebelose Windkraftanlage, bei der der Rotor (6) der Windkraftanlage direkt an der Rotorwelle (5) des Generators angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rotorwelle (5) des Generators rotationssymmetrisch mindestens zwei Sätze (7) von polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagneten (7.1) zur Erzeugung von mindestens zwei getrennten Erregermagnetfeldern angeordnet sind und zu jedem Erregermagnetfeld ein separater Statur (8) mit zugehörigen Induktionswicklungen anordenbar ist.
Elektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagnete (7.1) rotationssymmetrisch um die Rotorwelle (5) angeordnet sind, derart, dass sich jeder Satz an Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagneten (7.1) zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes entlang eines vorbestimmten längsaxialen Abschnittes der Rotorwelle (5) erstreckt, so dass sich auch jedes Erregermagnetfeld nur über einen vorbestimmten längsaxialen Abschnitt der Rotorwelle (5) erstreckt.
Elektrischer Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein ggf. um einen Satz (7) an polbildenden Magnetspulen (7.2) und/oder Permanentmagnete (7.1) angeordneter Statur 8 diesen Satz (7) in längsaxialer Richtung der Rotorwelle (5) vollständig überdeckt.
Elektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass entweder nur Sätze (7) an polbildenden Magnetspulen (7.2) oder nur Sätze (7) an polbildenden Permanentmagneten (7.1) zur Erzeugung von Erregermagnetfeldern an einer Rotorwelle (5) angeordnet sind.
Elektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Satz (7) an polbildenden Permanentmagneten (7.1) zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes auf einer Rotorwelle (5) angeordnet ist.