WO2004042227A1 - Synchronmaschine mit permanenterregtem axialfeld in windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Synchronmaschinen mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK), als neuartige Generatortypen mit spezifischer, modularer Bauweise und Anordnung, werden in Windkraftanlagen verwendet mit dem Vorteil der einfachen Konstruktion und einer effizienteren Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie.

Description

SYNCHRONMASCHINE MIT PΞRMANENTERREGTEM AXIALFELD IN WINDKRAFTANLAGE

BESCHREIBUNG Vor allem Windkraftanlagen haben in den letzten zwei Dekaden im Bereiche der alternativen, bzw. erneuerbaren Energie einen enormen Auftrieb erfahren und eine Trendwende zeichnet sich auch in der nahen Zukunft nicht ab. Auch die Grossen der Anlagen mit Bezug auf die zu erbringende Leistung dürften noch nicht an die Grenzen gestossen sein. Während für die kleinen Leistungen

Synchrongeneratoren verwendet werden, werden in der Regel für Anlagen im Leistungsbereich von mehr als 5 - 10 kW Asynchrongeneratoren eingesetzt mit dem Nachteil ihrer leistungsabhängigen Grosse und ihrer aufwändigen Regelungstechnik. Entsprechend ihren äusseren Dimensionen sind die Gondelgrössen zu bemessen, so dass am Ende ein Gebilde mit der Ausdehnung eines kleineren Einfamilienhauses zur Aufnahme von Generator und der Technik notwendig wird. Hinzu kommt, dass die Asynchrongeneratoren eine schlechtere Energiebilanz aufweisen und weniger verschleissfest sind als Synchrongeneratoren. Sie sind zudem auch anfälliger gegen Korrosion, z.B. salzhaltige Luft bei den Offshore- Anlagen.

Bei den Synchrongeneratoren kann das Erregerfeld durch Elektromagnete oder durch Permanentmagnete erzeugt werden, wobei die permanent erregten Generatoren gegenüber den elektrisch erregten Magneten wiederum den Vorteil bieten, dass Schleifringe, Bürsten und Hilfswicklungen entfallen und sie aus diesem Grunde auch viel weniger Wartungsaufwand erfordern. Bei den konventionellen Permanentmagneten wirkt sich das grössere Anlαufmoment (durch das „Zusammenkleben" von den Polen der Magnete mit dem Anker) nachteilig auf. Auch bei diesen sind die extensiven Wicklungsköpfe an den Enden räumlich ungünstig, die ausserdem noch durch den zusätzlichen elektrischen Widerstand die Verluste vergrössern. Bei einer neuartige Generation von permanent erregten Synchrongeneratoren handelt es sich um eine sog. SPARK (Synchronmaschine mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung). Die Permanentmagnete in der SPARK bestehen aus NdFeB und zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Sie haben zudem eine geringere (Material-) Dichte und sind weniger spröde als die üblichen SmCo-Magnete. Die generellen Vorteile der Verwendung von Synchronmaschinen mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung sind: a) die alternierende, axiale Anordnung von Rotoren und Statoren hintereinander auf einer Welle; b) das Fehlen eines „Initialstosses" zum Anlaufen des Rotors, so dass auch geringere Windstärken den Rotor in Drehung versetzen können; c) das Fehlen eines periodisch variierenden Drehmomentes durch Fehlen des magnetischen Widerstandes, der bei konventionellen Generatoren durch die Dreiphasenwicklungen auftritt; d) die durch das Fehlen der endständigen Wickelköpfe bestehende Möglichkeit die Anzahl von Rotoren und Statoren beliebig zu verändern, i.e. den Generator an die geforderte

Leistung anzupassen, bzw. e) eine beliebige Anzahl von SPARK-Einheiten seriell hintereinander zu schalten (modulare Bauweise), so dass eine Aufrüstung zu grösserer Leistung durch Zuschαltung eines Moduls bei gleichzeitiger Verlängerung der Rotorblätter auch nachträglich möglich ist; f) durch die Zuschaltung eines Moduls in Umkehrschaltung kann die Drehgeschwindigkeit der Generatorwelle auf einfache Weise konstant gehalten werden; dieses zugeschaltete Modul funktioniert so als Bremse; g) dass bei geeigneter Anordnung der Energiezusammenführung von den einzelnen Elemente (z.B. SPARK) durch einen einfachen Umrichter auch mehrere Element als Bremse genutzt werden können. h) Windkraftanlagen, die mit Synchronmaschinen mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung ausgestattet sind, sind zudem praktisch wartungsfrei, weil der Generaforfeil ein in sich geschlossenes System darstellt. Die Erfindung besteht in der Konstruktion von Windkraffanlagen, in welchen die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mittels einer (oder mehreren) Synchronmaschine(n) mit permanent-erregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK) erfolgt, gemäss Figur 1. Die SPARK's (2,3 und 4) werden dabei als Einheiten (Module) gebaut, so dass die Welle (5) an einem Ende mit Nocken versehen ist und am anderen mit Nuten. Diese Einheiten werden auf der drehbaren Tragbühne (6) in einem Abstand hintereinander fixiert, so dass die durch klimatische oder betriebsabhängige Temperaturveränderungen bedingten Verlängerungen oder Verkürzungen der Welle (5) kompensiert werden. Der Rotor (1 ) wird mit der ersten Einheit (4) fest verbunden. Die Energieleitungen (8) werden von jedem einzelnen SPARK in die Energiezentrale (9) geleitet, in der auch die entsprechenden Steuerungen angebracht sind, die die Energie in der vom Anwender gewünschten Form verfügbar machen.