WO2004017497A1 - Generator für den einsatz bei windkraftanlagen oder wasserkrafträdern - Google Patents

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Detlef Hummes
Werner Arend
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a generator, in particular for use in wind turbines or low-speed watercraft, consisting of at least one stator housing with wound toroidal cores and at least one rotor disk fitted with magnets on a drive shaft.
  • Wind turbines are becoming more and more popular for the generation of commercial electricity or, where appropriate, for the self-supply of companies, since these enable inexpensive electricity generation.
  • the wind turbines generally consist of a housing which can be pivoted through 360 ° and which is provided for receiving and mounting a rotor and is arranged on a mast.
  • the rotor is coupled to a gearbox or directly to a generator via a drive shaft. Because of the low rotor speeds, a gearbox is preferably used in order to obtain a higher output speed for driving the generator.
  • a permanent magnet-excited wind power generator is known from German Offenlegungsschrift 44 37 972, for outputs from 500 to 1000 kW, which is designed to be gearless and works with a static converter, the generator shaft serving as a shaft for the wind power rotor and the rotor being a linear Width ⁇ ratio greater than 1.
  • the standard design of the generator improves the efficiency while taking into account the usual ones Housing dimensions of a wind turbine are not possible because the generator is not optimized to improve performance and efficiency.
  • the invention has for its object to improve a generic generator in such a way that a higher efficiency can be achieved and a larger power range is possible.
  • the corresponding magnets and wound ring cores are each arranged in the axial direction lying on a circular ring, the mean radius of which is kept approximately the same.
  • an arrangement of magnets, in particular permanent magnets is selected in the radial direction with respect to the wound toroidal cores.
  • the present invention shows a constructive solution in which the magnets and wound toroidal cores are advantageously arranged lying in the axial direction. Both the permanent magnets and the ring cores are arranged on a circular ring, the mean radius of which is kept approximately the same in order to achieve good efficiency without magnetic losses.
  • This positional arrangement of the toroidal cores and magnets relative to one another, specifically in the form of a disc rotor, means that the individual toroidal cores and their coils can be adapted to the respective requirements without any problems, and there is also the possibility of adapting the permanent magnets.
  • Each two rotor discs and the centrally disposed between the rotor disks toroids form a generator assembly, can be formed on the existing drive shaft of the 'plurality of such rotor generator assemblies in an advantageous manner.
  • the neighboring generator arrangements can in principle have the same, but also different average radii and thus an aerodynamic shape of the housing can be selected.
  • the size of the wind turbine and thus that of the generator can be varied in accordance with the size of the rotor blade and the intended location, which size is possible, for example, by simply changing the mean radius of the winding arrangement and the rotor disks of the generator.
  • the performance of the generator is less dependent on its diameter, since an elongated design can be advantageously chosen for larger, powerful generators. In this way, particularly at low speeds, higher power and improved efficiency are obtained with multi-pole and multi-phase ring generators.
  • Another particular advantage of the generator according to the invention is that it does not have a cogging torque, as is the case, for example, with conventional permanent magnet generators. For this reason, the rotor blade can already be put into operation by low wind speeds due to the lack of cogging torque.
  • the generator according to the invention is an intermediate stand version, with an iron stator and several ring windings.
  • the inductor has two iron disks, which are equipped with rare earth magnets neodymium according to the selected number of poles. The magnetization is directed axially with alternating polarity. Because the gearbox is not used, the generator has a high number of poles and is designed as a disc rotor machine.
  • the magnetic flux starts from a first magnet in the axial direction through the air gap to the wound toroid and then in the tangential direction through this through the further air gap in the opposite magnet and is closed via the rotor disc as iron backflow.
  • the disc rotor generator according to the invention thus has an axial field profile in the air gap, compared to a conventional radial field profile in the air gap, the ring windings being provided with single-pole dynamo plate packs for accommodating three coils or, if appropriate, for one coil.
  • the magnets consist of individual, spaced-apart circular ring segments, which are subdivided according to the desired number of poles and are alternately assembled into a circular ring on the rotor disk.
  • the arrangement of the magnets on the rotor disk enables the number of poles to be adapted to the respective intended use and varied in sufficient form, so that generators designed for the special application can be manufactured inexpensively without major additional effort.
  • the armature of the disc rotor generator consists of two iron discs, which are arranged on the right and left in front of the ring winding and are equipped with a corresponding number of rare earth magnets neodymium in order to achieve an optimal improvement in efficiency.
  • the rotor disk is designed as an iron return disk in order to optimally influence the magnetic flux from the magnets via the ring windings.
  • stator laminations with windings are accommodated coaxially in a stator housing and that the stator laminations are fastened in the stator housing by means of radially aligned screw bolts.
  • the individual stator laminations with windings are arranged in a ring within the stator housing and screwed to the stator housing, whereby the modular design of the stator laminations means that individual ' stator laminations with windings can be exchanged quickly in the event of a technical defect.
  • the stator laminations are subdivided into individual interchangeable circular ring segments which, as said, are fastened next to one another in a ring shape within the stator housing.
  • the circular ring segments have chambers for one or three windings accordingly a single-phase or three-phase generator. It is particularly advantageous in the constructive design of the generator that the circular ring segments can be varied in width and height as well as their mean radius in accordance with the selected number of poles and can thus be optimally designed using the available installation space within the stator housing. This means, for example, that while maintaining an outer diameter, which is generally predetermined by the shape of the housing of the wind turbine, any number of poles and winding arrangement can be selected to achieve high performance. Magnetization takes place in the axial direction with alternating polarity.
  • the design of a generator according to the invention is therefore particularly suitable for wind turbines and watercraft, since it does not require a gearbox and can also be used at low speed due to the multi-pole design.
  • An increase in performance can be achieved by simply replacing individual ring windings and disc rotors.
  • the manufacturing costs are significantly reduced and the efficiency is improved, the individual sheet packs being individually replaceable, in particular due to the structural design, and the costs in a repair event are thus considerably reduced.
  • the lack of cogging torque is particularly worth mentioning, so that the wind turbines can be started even at low wind speeds.
  • FIG. 3 is a sectional side view of the stator housing with wound toroidal cores
  • Fig. 4 is a perspective view of a single laminated core with coil winding for receiving in the stator and
  • FIG. 5 is a perspective view of a further laminated core for accommodating three coil windings.
  • FIG. 1 shows a generator 1 according to the invention. a sectional side view, consisting of a plurality of rotor disks 2, which are held in a rotationally fixed manner on a drive shaft 3 and ring cores 4, which are accommodated together with the drive shaft 3 and the rotor disks 2 in a generator housing 5.
  • the drive shaft 3 is supported relative to the generator housing 5 via corresponding bearings, not shown, and is connected at one end directly to the rotor of the wind power plant which drives it and is not shown, while the opposite end of the drive shaft 5 protrudes as a stub shaft.
  • the generator housing 5 is shown in the form of a ring with a constant diameter, but there is the possibility that different designs are used.
  • the individual ring cores 4 consist of circular ring segments, as can be seen particularly in FIG. 3, which are joined to one another in a ring and screwed to the generator housing 5 by means of screw bolts 6, so that individual circular ring segments can be replaced at any time.
  • Circumferentially distributed magnets 7, in particular permanent magnets, are fastened on the rotor disks 2, specifically in such a way that the mean radius is approximately identical to that of the ring cores 4.
  • a total of 5 rotor disks 2 have been used, but there is the possibility that the number may be reduced or possibly increased depending on the overall length of the generator housing 5.
  • the magnets 7 of a rotor disk 2 are each fastened to their radial surfaces 8, 9, so that the entire generator 1 is designed as a disk rotor generator and the magnets 7 with their radial surfaces 10 lie opposite the radial surfaces 11 of the ring cores 4 with a sufficient air gap 12.
  • the magnetic flux of the invention Generator 1 thus runs between the magnets 7 and toroidal cores 4 in the axial direction, with iron inference taking place via the rotor disks 2 designed as iron disks.
  • the individual magnets 7 on both sides of the rotor disk are arranged with alternating polarity.
  • FIG. 2 shows a side view of a single rotor disk 2 with a plurality of magnets 7 distributed around the circumference, which also have an alternating polarity with respect to one another.
  • the rotor disk 2 is fastened in a rotationally fixed manner on a drive shaft 3 for the drive by the rotor blade (not shown).
  • the individual magnets 7 are fastened at a distance from one another on the rotor disk 2 and have an average radius which largely corresponds to the radius of the windings within the generator housing 5.
  • Permanent magnets made of rare earth magnets neodymium are preferably used as the material. In the exemplary embodiment shown, it is a six-pole rotor disk 2.
  • the magnets 7 can be attached to the rotor disks 2 in a particularly simple and easy-to-assemble manner, which in addition are easily attached to the drive shaft 3 during assembly of the generator 1 and are designed to be easily replaceable.
  • the generator 1 can thus be advantageously adapted to the requirement.
  • FIG. 3 shows a sectional side view of a generator housing 5 with coaxial internal ring cores 4, which in the exemplary embodiment shown consist of ring core segments and each carry 3 windings 13, 14, 15.
  • the generator 1 shown is thus provided as a three-phase generator, but there is no problem in producing a single-phase generator of the same type.
  • the individual toroidal segments are fastened through existing bores 16 of the generator housing 5 by means of screw bolts 17 which are screwed into a threaded bore 18 of the toroidal cores 4. This makes it possible in the simplest way to replace an individual toroidal segment in the event of a technical defect.
  • the ring cores 4 taking into account the resulting magnetic forces securely held within the generator housing 5.
  • FIG. 4 shows in a perspective view, for example, an individual toroidal core 4, which consists of dynamo-electric sheets and is joined to form a sheet stack, which is H-shaped and has an upper and lower recess 20 for receiving the windings 21.
  • a sheet stack which is H-shaped and has an upper and lower recess 20 for receiving the windings 21.
  • threaded bores 18 are provided, into which the screw bolts 17 are screwed for fastening to the generator housing 5.
  • a large number of these ring cores are assembled into a circle and fastened within the generator housing 5, as can be seen in FIG. 3.
  • FIG. 5 also shows a toroidal core segment 23 in a perspective view, which, however, has a total of six recesses 24 for receiving the windings and is therefore provided for a three-phase generator.
  • the circular ring segment 23 also consists of a large number of individual dynamo electric sheets which are joined to form a sheet stack. Due to the size of the circular ring segment 23, this is more rounded in the outer region and is therefore adapted to the inner diameter of the generator housing 5.
  • the circular ring segments 23 also have threaded bores 18 in their end faces 25, into which the screw bolts 17 are screwed for fastening to the generator housing 5. The fastening and arrangement of the circular ring segment 23 within the generator housing 5 can be seen from FIG. 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generator (1), insbesondere für den Einsatz bei Windkraftanlagen oder Wasserkrafträdern mit niedriger Drehzahl. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades und Leistungssteigerung wird erfindungs­gemäß ein Scheibenläufergenerator vorgeschlagen, bei dem die korrespondierenden Magnete (7) und bewickelten Ringkerne (4) in Axialrichtung auf jeweils einen Kreisring liegend angeordnet sind, deren mittlerer Radius annähernd gleichgehalten ist. Hierdurch kann die effektiv nutzbare Fläche für einen Magnetfluss bei einem Generator (1) wesentlich vergrößert und damit die Leistung bei niedrigen Drehzahlen erhöht werden. Der Aufbau des Generators (1) erfolgt zudem in einer Modulbauweise, die sehr montagefreundlich ist und einen erleichterten Austausch von defekten einzelnen Kreisringsegment (23) mit Wicklungen (13, 14, 15) jederzeit ermöglicht. Darüber hinaus kann durch Anpassung der Ringkerngröße und die der verwendeten Permanentmagnete eine weitere Leistungssteigerung erzielt werden, weil bevorzugt die Radialflä­chen der Magnete (7) und Ringkernwicklungen mit einer magnetischen Flussrichtung in Axialrichtung eingesetzt werden.

Description

Generator für den Einsatz bei Windkraftanlagen oder Wasserkrafträdern
Die Erfindung betrifft einen Generator, insbesondere für den Einsatz bei Windkraftanlagen oder Wasserkrafträdern mit niedriger Drehzahl, bestehend aus zumindest einem Statorgehäuse mit bewickelten Ringkernen und zumindest einer auf einer Antriebswelle befestigten mit Magneten bestückten Rotorscheibe.
Windkraftanlagen setzen sich zur gewerblichen Stromerzeugung oder gegebenenfalls zur Eigenversorgung von Unternehmen immer mehr durch, da diese eine kostengünstige Stromerzeugung ermöglichen. Im Jahr 2001 wurden in Deutschland beispielsweise insgesamt 2.079 Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung . von 2,659 Megawatt neu errichtet. Die Windkraftanlagen bestehen in der Regel aus einem um 360° verschwenkbaren Gehäuse, welches zur Aufnahme und Lagerung eines Rotors vorgesehen und auf einem Mast angeordnet ist. Der Rotor ist über eine Antriebswelle entweder mit einem Getriebe oder direkt mit einem Generator gekoppelt. Aufgrund der geringen Rotordrehzahlen wird bevorzugt ein Getriebe verwendet, um eine höhere Ausgangsdrehzahl zum Antrieb des Generators zu erhalten. Die Anpassung der üblichen niedrigen Drehzahl des Rotors an die höhere Generatordrehzahl über ein mechanisches Getriebe ist jedoch mit wesentlichen Nachteilen verbunden, beispielsweise unterliegt das Getriebe einem erhöhten Verschleiß und einem verminderten Wirkungsgrad sowie einem erhöhten Wartungsaufwand. Ferner ist das zusätzliche Gewicht zu berücksichtigen und die durch den Einsatz des Getriebes entstehenden Kosten.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 37 972 ist beispielsweise ein permanentmagneterregter Windkraftgenerator bekannt, und zwar für Leistungen von 500 bis 1000 kW, der getriebelos und mit einem statischen Umrichter arbeitend ausgebildet ist, wobei die Generatorwelle als Welle für den Windkraftrotor dient und der Läufer ein Längen-Breiteήverhältnis größer 1 aufweist. Obwohl eine direkte Koppelung zwischen Rotor und Windkraftgenerator vorliegt ist durch die standardmäßig vorgegebene Bauweise des Generators eine Verbesserung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung der üblichen Gehäuseabmessungen einer Windkraftanlage nicht möglich, da der Generator nicht für eine Leistungs- und Wirkungsgradverbesserung optimiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Generator dahingehend zu verbessern, dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann und eine größere Leistungsbandbreite möglich ist.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass die korrespondierenden Magnete und bewickelten Ringkerne in Axialrichtung auf jeweils einem Kreisring liegend angeordnet sind, deren mittlerer Radius annähernd gleich gehalten ist. Bei herkömmlichen Generatoranordnungen, wie sie beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 37 972 bekannt sind, wird eine Anordnung von Magneten, insbesondere Permanentmagneten in Radialrichtung zu den bewickelten Ringkernen gewählt. Demgegenüber zeigt die vorliegende Erfindung eine konstruktive Lösung auf, bei der die Magnete und bewickelten Ringkerne in vorteilhafter Weise in Axialrichtung liegend angeordnet sind. Sowohl die Permanentmagnete als auch die Ringkerne sind hierbei auf einem Kreisring angeordnet, deren mittlerer Radius annähernd gleichgehalten ist, um einen guten Wirkungsgrad ohne magnetische Verluste zu erzielen. Durch diese Lageanordnung der Ringkerne und Magnete zueinander, und zwar in der Form eines Scheibenläufers, können die einzelnen Ringkerne und deren Spulen den jeweiligen Anforderungen unproblematisch angepasst werden und ebenso besteht die Möglichkeit eine Anpassung der Permanentmagnete vorzunehmen. Ein besonderer Vorteil entsteht hierbei durch die Ausbildung von mehreren in Axialrichtung angeordneten Rotorscheiben, wobei zwischen jeweils zwei Rotorscheiben eine Statoranordnung mit gewickelten Ringkernen liegt. Jeweils zwei Rotorscheiben und die mittig zwischen den Rotorscheiben angeordneten Ringkerne bilden eine Generatoranordnung, wobei in vorteilhafter Weise auf der vorhandenen Antriebswelle des' 'Rotors mehrere derartige Generatoranordnungen ausgebildet sein können.
Unter Berücksichtigung der Form des Gehäuses der Windkraftanlage besteht femer die Möglichkeit, dass die benachbarten Generatoranordnungen prinzipiell gleiche aber auch unterschiedliche mittlere Radien aufweisen können und somit eine aerodynamische Form des Gehäuses wählbar ist. Bereits durch die mehrfache Anordnung der Generatoren mit mehreren nebeneinander liegenden Rotorscheiben und entsprechenden Ringkernen kann auch bei niedrig drehenden Rotorblättern unter Ausnutzung eines hohen Wirkungsgrades und Wegfall einer Getriebeanordnung eine hohe Stromleistung erzielt werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass entsprechend der Größe des Rotorblattes und dem vorgesehenen Standort die Größe der Windkraftanlage und damit die des Generators variiert werden kann, welche beispielsweise durch einfache Änderungen des mittleren Radius der Wickelanordnung und der Rotorscheiben des Generators möglich wird. Die Leistung des Generators ist insofern weniger von seinem Durchmesser abhängig, da eine längliche Bauweise für größere leistungsfähige Generatoren in vorteilhafter Weise gewählt werden kann. Besonders bei niedrigen Drehzahlen erhält man auf diese Weise bei mehrpoligen und mehrphasigen Ringgeneratoren eine höhere Leistung und einen verbesserten Wirkungsgrad.
Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Generator besteht darin, dass dieser kein Rastmoment, wie zum Beispiel bei herkömmlichen Permanentmagnet-Generatoren, aufweist. Aus diesem Grunde kann das Rotorblatt aufgrund des fehlenden Rastmomentes bereits durch geringe Windgeschwindigkeiten in Betrieb gesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Generator handelt es sich um eine Zwischenständerversion, mit einem Eisen behafteten Stator und mehreren Ringwicklungen. Hierdurch werden die bereits erwähnten unerwünschten Rastmomente vermieden und darüber hinaus eine einfache Montage und Demontage einzelner Generatorkomponenten ermöglicht. Der Induktor weist hierzu zwei Eisenscheiben auf, die entsprechend der gewählten Polzahl mit Seltenen- Erdenmagneten Neodym bestückt sind. Die Magnetisierung ist mit abwechselnder Polarität axial gerichtet. Aufgrund des Getriebeverzichtes ist der Generator hochpolig und als Scheibenläufermaschine ausgebildet. Der in den radialen Leiterteilen der gewickelten Ringkerne fließende Strom bewirkt zusammen mit dem axialen magnetischen Fluss die Entstehung von tangentialen Kräften, sodass ein elektromagnetisches Drehmoment auf beiden Seiten des Stators entsteht. Um eine größere Leistung zu erzielen können hierbei einzelne Ringwicklungen und Scheibenläufer hintereinander angeordnet werden, wobei die einzelnen axialen Ringwicklungen jeweils parallel geschaltet werden.
In weiterer Ausgestaltung des Generators ist hierbei vorgesehen, dass der magnetische Fluss von einem ersten Magneten in Axialrichtung ausgehend durch den Luftspalt zum bewickelten Ringkern und dann in tangentialer Richtung durch diesen hindurch über den weiteren Luftspalt in den gegenüber liegenden Magneten verläuft und über die Rotorscheibe als Eisenrückfluss geschlossen ist.
Der erfindungsgemäße Scheibenläufer-Generator weist somit einen axialen Feldverlauf im Luftspalt auf, gegenüber einem herkömmlichen radialen Feldverlauf im Luftspalt, wobei die Ringwicklungen mit einzelpoligen Dynamoblechpaketen zur Aufnahme von drei Spulen oder gegebenenfalls für eine Spule vorgesehen sind.
In weiterer besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magnete aus einzelnen beabstandeten Kreisringsegmenten bestehen, die entsprechend der gewünschten Polzahl unterteilt und alternierend zu einem Kreisring auf der Rotorscheibe zusammengesetzt sind. Durch die Anordnung der Magnete auf der Rotorscheibe kann die Polzahl dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst und in ausreichender Form variiert werden, sodass für den speziellen Einsatzfall konstruierte Generatoren ohne größeren Mehraufwand kostengünstig hergestellt werden können. Der Anker des Scheibenläufer- Generators besteht hierbei aus zwei Eisenscheiben, die rechts und links vor der Ringwicklung angeordnet sind und mit einer entsprechenden Anzahl von Seltenen Erdenmagneten Neodym bestückt sind, um eine optimale Verbesserung des Wirkungsgrades zu erzielen. Die Rotorscheibe ist als Eisenrückflussscheibe ausgebildet, um den Magnetfluss von den Magneten über die Ringwicklungen optimal zu beeinflussen.
In weiterer besonderer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Statorbleche mit Wicklungen koaxial in einem Statorgehäuse aufgenommen sind und dass die Statorbleche über radial ausgerichtete Schraubbolzen in dem Statorgehäuse befestigt sind. Die einzelnen Statorbleche mit Wicklungen werden innerhalb des Statorgehäuses ringförmig angeordnet und mit dem Statorgehäuse verschraubt, wobei durch die modulartige Bauweise der Statorbleche im Falle eines technischen Defektes ein schneller Austausch einzelner ' Statorbleche mit Wicklungen erfolgen kann. Zu diesem Zweck sind die Statorbleche in einzelne austauschbare Kreisringsegmente unterteilt, die wie besagt ringförmig innerhalb des Statorgehäuses nebeneinanderliegend befestigt sind. Hierbei weisen die Kreisringsegmente Kammern für eine oder drei Wicklungen entsprechend einem einphasigen oder dreiphasigen Generator auf. Besonders vorteilhaft bei der konstruktiven Ausgestaltung des Generators ist, dass die Kreisringsegmente entsprechend der ausgewählten Polzahl in der Breite und Höhe sowie ihrem mittleren Radius variierbar sind und somit unter Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums innerhalb des Statorgehäuses optimal gestaltet werden können. Dies bedeutet beispielsweise, dass unter Beibehaltung eines äußeren Durchmessers, der in der Regel durch die Gehäuseform der Windkraftanlage vorgegeben ist, jede beliebige Polzahl und Wicklungsanordnung zur Erzielung einer hohen Leistung wählbar ist. Eine Magnetisierung erfolgt hierbei in Axialrichtung mit abwechselnder Polarität.
Die erfindungsgemäße Ausführung eines Generators eignet sich daher besonders für Windkraftanlagen und Wasserkrafträder, da er kein Getriebe benötigt und auch bei niedriger Drehzahl aufgrund der hochpoligen Ausbildung eingesetzt werden kann. Eine Leistungssteigerung kann hierbei durch einfachen Austausch einzelner Ringwicklungen und Scheibenläufer erfolgen. Durch die vorgesehenen Maßnahmen werden hierbei die Herstellungskosten deutlich reduziert und der Wirkungsgrad verbessert, wobei insbesondere durch die konstruktive Ausbildung die einzelnen Blechpakete einzeln auswechselbar sind und damit die Kosten in einem Reparatürfälle erheblich herabgesetzt werden. Besonders erwähnenswert ist hierbei das fehlende Rastmoment, sodass die Windkraftanlagen auch bei niedriger Windgeschwindigkeiten in Gang gesetzt werden können.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellten erfindungsgemäßen Generator,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Rotorscheibe,
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht des Statorgehäuses mit gewickelten Ringkernen, Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht ein einzelnes Blechpaket mit Spulenwicklung zur Aufnahme in dem Statorgehäuse und
Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht ein weiteres Blechpaket zur Aufnahme dreier Spulenwicklungen.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Generator 1 in . einer geschnittenen Seitenansicht, bestehend aus mehreren Rotorscheiben 2, die auf einer Antriebswelle 3 drehfest gehalten sind und Ringkernen 4, welche zusammen mit der Antriebswelle 3 und den Rotorscheiben 2 in einem Generatorgehäuse 5 aufgenommen sind. Die Antriebswelle 3 ist über entsprechende nicht gezeigte Lager gegenüber dem Generatorgehäuse 5 abgestützt und einenends unmittelbar mit dem sie antreibenden und nicht dargestellten Rotor der Windkraftanlage verbunden, während das gegenüberliegende Ende der Antriebswelle 5 als Wellenstummel herausragt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Generatorgehäuse 5 ringförmig mit einem gleichbleibenden Durchmesser gezeigt, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass hiervon abweichende Bauformen eingesetzt werden. Die einzelnen Ringkerne 4 bestehen aus Kreisringssegmenten, wie insbesondere aus Figur 3 ersichtlich, die ringförmig aneinandergefügt und durch Schraubbolzen 6 mit dem Generatorgehäuse 5 verschraubt werden, sodass einzelne Kreisringsegmente jederzeit ausgetauscht werden können. Auf den Rotorscheiben 2 sind umfangsverteilte Magnete 7, insbesondere Permanentmagnete, befestigt, und zwar in der Weise, dass der mittlere Radius annähernd identisch, wie der der Ringkerne 4 ausgebildet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 5 Rotorscheiben 2 eingesetzt worden, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Anzahl verringert oder gegebenenfalls je nach Baulänge des Generatorgehäuses 5 vergrößert wird. Ebenso besteht die Möglichkeit, um eine aerσdynami- sehe Form des Generatorgehäuses 5 zu erzielen, dass ein Teil der Rotorscheiben 2 und Ringkerne 4 einen von den übrigen Ringkernen 4 und Rotorscheiben 2 abweichenden Durchmesser aufweist und somit ebenfalls einen abweichenden mittleren Radius. Die Magnete 7 einer Rotorscheibe 2 sind jeweils auf deren Radialflächen 8, 9 befestigt, sodass der gesamte Generator 1 als Scheibenläufergenerator ausgebildet ist und die Magnete 7 mit ihren Radialflächen 10 den Radialflächen 11 der Ringkerne 4 mit einem ausreichenden Luftspalt 12 gegenüberliegen. Der magnetische Fluss des erfindungsgemäßen Generators 1 verläuft zwischen den Magneten 7 und Ringkernen 4 somit in Axialrichtung, wobei über die als Eisenscheiben ausgebildeten Rotorscheiben 2 ein Eisenrückschluss erfolgt. Die einzelnen Magnete 7 zu beiden Seiten der Rotorscheibe sind mit wechselnder Polarität angeordnet.
Figur 2 zeigt in einer Seitenansicht eine einzelne Rotorscheibe 2 mit mehreren umfangsverteilten Magneten 7, die ebenfalls zueinander eine wechselnde Polarität aufweisen. Die Rotorscheibe 2 ist, wie bereits aus Figur 1 ersichtlich, drehfest auf einer Antriebswelle 3 für den Antrieb durch das nicht gezeigte Rotorblatt befestigt. Die Einzelmagnete 7 sind beabstandet zueinander auf der Rotorscheibe 2 befestigt und weisen einen mittleren Radius auf, der weitestge- hend dem Radius der Wicklungen innerhalb des Generatorgehäuses 5 entspricht. Als Material werden bevorzugt Permanentmagnete aus Seltenen Erdenmagneten Neodym verwendet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine sechspolige Rotorscheibe 2. Es besteht jedoch die Möglichkeit die Anzahl der Pole an die benötigte Leistung und Drehzahl des Generators 1 anzupassen. Die Magnete 7 können besonders einfach und montagefreundlich auf den Rotorscheiben 2 befestigt werden, welche darüber hinaus bei der Montage des Generators 1 problemlos auf der Antriebswelle 3 befestigt und leicht austauschbar ausgebildet sind. Durch Variation der Polzahl und der Anzahl der Ringkerne, wie sie beispielsweise aus Figur 3 ersichtlich sind, kann somit der Generator 1 in vorteilhafter Weise an die Anforderung angepasst werden.
Figur 3 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Generatorgehäuse 5 mit koaxial innenliegenden Ringkernen 4, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Ringkernsegmenten bestehen und jeweils 3 Wicklungen 13, 14, 15 tragen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um 9 Ringkernsegmente zu je drei Wicklungen 13, 14, 15. Der gezeigte Generator 1 ist somit als Drehstrom- generator vorgesehen, es besteht jedoch ohne Weiteres die Möglichkeit ein Einphasengenerator in der gleichen Bauart herzustellen. Die einzelnen Ringkernsegmente werden durch vorhandenen Bohrungen 16 des Generatorgehäuses 5 mittels Schraubbolzen 17 befestigt, welche in eine Gewindebohrung 18 der Ringkerne 4 eingedreht sind. Hierdurch besteht in einfachster Weise die Möglichkeit eines Austausches eines einzelnen Ringkernsegmentes im Falle eines technischen Defektes. Darüber hinaus werden die Ringkerne 4 unter Berücksichtigung der entstehenden magnetischen Kräfte sicher innerhalb des Generatorgehäuses 5 gehalten.
Figur 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht beispielsweise einen einzelnen Ringkern 4, der aus Dynamoelektroblechen besteht und zu einem Blechpaket zusammengefügt ist, welches H-förmig ausgebildet ist und eine obere und untere Ausnehmung 20 zur Aufnahme der Wicklungen 21 aufweist. In der leicht abgerundeten Stirnfläche 22 sind Gewindebohrungen 18 vorgesehen, in die die Schraubbolzen 17 zur Befestigung mit dem Generatorgehäuse 5 eingeschraubt werden. Eine Vielzahl diese Ringkerne wird zu einem Kreis zusammengefügt und innerhalb des Generatorgehäuses 5, wie aus Figur 3 ersichtlich, befestigt.
Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ebenfalls ein Ringkernsegment 23, welches jedoch insgesamt sechs Ausnehmungen 24 zur Aufnahme der Wicklungen aufweist und demzufolge für einen Drehstromgenerator vorgesehen ist. Das Kreisringsegment 23 besteht ebenfalls aus einer Vielzahl von einzelnen Dynamoelektroblechen, die zu einem Blechpaket zusammengefügt sind. Aufgrund der Größe des Kreisringsegmentes 23 ist dieses im Außenbereich stärker abgerundet und somit an den Innendurchmesser des Generatorgehäu- ses 5 angepasst. Die Kreisringsegment 23 weisen in ihren Stirnflächen 25 ebenfalls Gewindebohrungen 18 auf, in die die Schraubbolzen 17 zur Befestigung mit dem Generatorgehäuse 5 eingeschraubt werden. Die Befestigung und Anordnung der Kreisringsegment 23 innerhalb des Generatorgehäuses 5 ist aus Figur 3 ersichtlich.
Bezugszeichenliste
1 Generator
2 Rotorscheibe
3 Antriebswelle
4 Ringkern
5 Generatorgehäuse
6 Schraubbolzen
7 Magnet
8 Radialfläche
9 Radialfläche
10 Radialfläche
11 Radialfläche
12 Luftspalte
13 Wicklung
14 Wicklung
15 Wicklung
16 Bohrung
17 Schraubbolzen
18 Gewindebohrung
19 Ringkernsegment
20 Ausnehmung
21 Wicklung
22 Stirnfläche
23 Kreisringsegment
24 Ausnehmung
25 Stirnfläche

Claims

Patentansprüche
1. Generator (1 ), insbesondere für den Einsatz bei Windkraftanlagen oder Wasserkrafträdern mit niedriger Drehzahl, bestehend aus zumindest einem Statorgehäuse (2) mit bewickelten Ringkernen (4) und zumindest einer auf einer Antriebswelle (3) befestigten mit Magneten (7) bestückten Rotorscheibe (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass die korrespondierenden Magnete (7) und bewickelten Ringkerne (4) in Axialrichtung auf jeweils einem Kreisring liegend angeordnet sind, deren mittlerer Radius annähernd gleich gehalten ist.
2. Generator nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Antriebswelle (3) in Axialrichtung mehrere Rotorscheiben (2) vorgesehen sind und das zwischen jeweils zwei Rotorscheiben (2) eine Statoranordnung mit bewickelten Ringkernen (4) vorgesehen ist.
3. Generator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Rotorscheiben (2) und die mittig zwischen den Rotorscheiben (2) angeordneten Ringkerne (4) eine Generatoranordnung bilden.
4. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 , 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Generatorenanordnungen auf einer Antriebswelle (3) gleiche oder unterschiedliche mittlere Radien aufweisen.
5. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der magnetische Fluss von einem ersten Magneten (2) in Axialrichtung ausgehend durch den Luftspalt (12) zum bewickelten Ringkern (4) und dann in tangentialer Richtung durch diesen hindurch über den weiteren Luftspalt (12) in den gegenüber liegenden Magneten (7) verläuft und über die Rotorscheibe (2) als Eisenrückfluss geschlossen ist.
6. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bewickelten Ringkerπe (4) mehrerer axial nebeneinander liegender Generatoranordnungen parallel geschaltet sind.
7. Generator nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnete (7) aus einzelnen beabstandeten Kreisringsegmenten (23) bestehen, die entsprechend der gewünschten Polzahl unterteilt und alternierend zu einem Kreisring auf der Rotorscheibe (2) zusammengesetzt sind.
8. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, ' dass die Rotorscheiben (2) mit Permanentmagnet (7) aus Selten Erdenmagneten Neodym bestückt sind, wobei die Magnetisierung mit abwechselnder Polarität in Axialrichtung verläuft.
9. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotorscheibe (2) als Eisenrückflussscheibe ausgebildet ist
10. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Statorbleche mit Wicklungen koaxial in einem Stätorgehäuse (5) aufgenommen sind und dass die Statorbleche über radial ausgerichtete Schraubbolzen (17) in dem Statorgehäuse (5) befestigt sind.
11. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Statorbleche in einzelne austauschbare Kreisringsegment (23) unterteilt sind, die ringförmig innerhalb des Startorgehäuses (5) nebeneinander befestigt sind.
12. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise jedes Kreisringsegment (23) eine oder drei Wicklungen (13, 14, 15) für einen einphasigen oder dreiphasigen Generator (1 ) aufweist.
13. Patent nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kreisringsegment (23) entsprechend der ausgewählten Polzahl in der Breite und Höhe sowie ihrem mittleren Radius variierbar sind.
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