WO2009153187A2 - Vorrichtung für eine wind- oder wasserkraftanlage zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a generator, in particular a homopolar generator, for a device for generating electrical energy.
  • the generator is in particular part of a wind or hydroelectric power plant.
  • the impeller of a large wind turbine usually rotates at less than one revolution per second.
  • the impeller is coupled to a gearbox which drives a conventional synchronous or asynchronous generator at high speed.
  • the connection to a power supply network can be made directly or via frequency converter.
  • double-fed asynchronous generators are used in which the rotor is fed via slip rings from a frequency converter.
  • An alternative is to couple the synchronous generator directly to the impeller and equip the generator with a rotor of such a high number of poles that a frequency corresponding to the mains frequency can be provided. In this case, he can feed directly into the grid.
  • High-pole direct-drive wind generators with permanently excited rotors are realized.
  • a disadvantage of direct network connection is that the reactive power demand of the network can not be adjusted via a variable excitation of the rotor. This can be detrimental to grid stability, especially in offshore wind farms.
  • Direct-drive generators with grid connection via frequency inverters are also known.
  • US Pat. No. 7,049,724 B2 describes an electric machine or a generator with a disk-shaped rotor and a disk-shaped stator, in which a superconducting coil mechanically decoupled from the rotor is used.
  • the coil generates a magnetic flux which is conducted by means of poles of the rotor in the axial direction through the stator.
  • the disadvantage of this machine is that it reacts very vulnerable to axial forces. This vulnerability increases with increasing rotor diameter. It is therefore necessary to set correspondingly large tolerances, for example for the air gap between the poles of the rotor and the stator, whereby the efficiency of the machine is worse.
  • a mag- netic flux ⁇ generated by an exciter coil varies in amplitude between a minimum and a maximum value, but its direction does not reverse, so that its polarity remains constant.
  • the rotor of a homopolar machine has neither windings nor sliding contacts. The excitation coil is mechanically decoupled from the rotor completely and does not rotate with the rotor.
  • the homopolar machine is therefore particularly suitable for applications in which an electrical machine to work with a superconducting exciter coil, since the cooling of the excitation coil is much easier to handle than mitmit Schlierender coil.
  • a homopolar machine is very simple and robust and can generally be used as a motor or as a generator.
  • Energy comprises a generator, which is advantageously designed as a homopolar generator.
  • This includes a fixed annular stator with stator winding, a rotatable annular rotor of ferromagnetic material such as iron and a fixed annular excitation coil, wherein the stator and the exciting coil are arranged in the radial direction between a first and a second rotor portion.
  • a magnetic flux ⁇ generated by the excitation coil is conducted by the rotor and passes through the stator in the radial direction, perpendicular to the stator winding.
  • Both rotor sections have a plurality of poles which are radially aligned with the stator and guide the magnetic flux ⁇ . Between the poles of a rotor section are interpolar spaces. The poles of the two rotor sections lie opposite each other in the radial direction, the same applies to the pole interspaces.
  • the magnetic flux between opposing poles is considerably greater than between opposing pole gaps, so that the magnetic flux ⁇ is dependent on the location when the rotor is stationary in the circumferential direction of the rotor.
  • the magnetic flux ⁇ varies at a certain location in the circumferential direction of the rotor, i. For example, in the region of a certain portion of the stator winding, as a function of time, so that in the stator winding, a voltage is induced.
  • the excitation coil is fixed, ie not co-rotated, it can be advantageously designed as a superconducting coil, in particular as a high-temperature superconductor (HTSC). This affects the fact that the excitation coil causes no excitation power, so that the efficiency increases.
  • HTSC high-temperature superconductor
  • the system works with a fixed, known number of revolutions of the rotor, i. in the case of a wind turbine with a fixed number of revolutions of the impeller.
  • a certain number of poles dependent on the number of revolutions of the rotor is provided, so that the generator always provides the correct frequency.
  • Frequency converters are therefore not necessary, a gear is superfluous.
  • a variation of the excitation current can also cover the changing reactive power demand of the network to be supplied.
  • slip rings can be completely dispensed with.
  • the generator can be used, for example, in wind or hydroelectric plants, wherein the rotor of the generator is coupled directly to the impeller.
  • Figure 1 shows a wind turbine in back
  • FIG. 2 shows a detail of a longitudinal section through the rotor and stator
  • Figure 3 shows a detail of a cross section through parts of the generator
  • Figure 4 is a plan view of a stator winding in a schematic view.
  • FIG. 1 shows a wind turbine 10 in a rear view and a cross-sectional view with a device according to the invention, which includes a directly driven generator 20 for generating electrical energy.
  • the wind turbine 10 includes in the illustrated embodiment, an impeller 30 with three wings 31, wherein more or less wings can be provided.
  • the impeller 30 is fixedly connected to a rotor 40 of the generator 20, so that when the rotor 40 is rotated together with the blades 31 and the impeller 30 in rotation.
  • the rotor 40 is mounted for this purpose with its axis of rotation 50 in suitable bearings 60 which are housed in a housing 70.
  • a fastening device 71 which includes a stator 80 (not shown in FIG. 1) of the generator 20.
  • the stator 80 is disposed concentrically with the rotor 40 and secured to the housing 70 via the fastener 71, i. non-rotatably connected. Furthermore, a cryocooler 90 for cooling is provided for an exciting coil 100 concentric with the rotor 40 and the stator 80 (not shown in FIG. 1) of the generator 20. The entire construction is mounted on a mast 110.
  • Figure 2 shows a longitudinal section u.a. through the rotor 40 and the stator 80 in detail.
  • the attachment of the impeller 30 on the rotor 40 is not shown, but is done in a known per se such that the wind-driven wings 31 set the rotor 40 via the impeller 30 in rotation.
  • the generator 20 is designed as a homopolar generator.
  • the rotor 40 of the generator 20 comprises three rotor sections 41, 42, 43 and has an approximately U-shaped profile. Of the first 41 and the second rotor portion 42 are arranged spaced apart in the radial direction, wherein the radially outer first 41 and the radially inner second rotor portion 42 form the U-legs of the profile, while the third rotor portion 43, the sections 41, 42 connects.
  • the profile of the rotor 40 is shaped like a lying U, ie the U-legs are oriented in the axial or in the z-direction.
  • the stationary excitation coil 100 is arranged in the region of the third rotor section 43. Specifically, because the exciter coil 100 is fixed, it is convenient to use a superconducting exciter coil 100 because cooling is much easier to accomplish than with a co-rotating coil.
  • the excitation coil 100 is preferably a high-temperature superconductor. It is located in a cryostat 101 and is maintained at operating temperature by a cooling line 102.
  • the cooling line 102 is supplied by the cryocooler 90 shown in FIG.
  • the cooling can be done, for example, indirectly with liquid neon or hydrogen in a thermosyphone.
  • the superconducting exciting coil 100 can be operated with DC and caused in
  • annular excitation coil with a
  • Normal conductor such as a copper or aluminum conductor are operated at ambient temperature. Although this requires exciter power, it remains well below the power requirement for the rotor of a high-poled conventional synchronous machine. The efficiency of Homopolarmaschine is correspondingly higher. Eventually, such a normal conductor coil must, for example, be forcibly cooled with air via a fan or with a water circuit.
  • the exciting coil 100 generates a magnetic flux ⁇ , which is guided by the rotor 40 and the rotor sections 41, 42, 43, as symbolized by the arrows.
  • first 44 and second poles 45 are formed in the radial direction for guiding the magnetic flux ⁇ , which protrude in the radial direction from the rotor sections 41, 42.
  • first pole intermediate space 46 or a second pole gap 47.
  • the poles 44, 45 extend in the axial direction preferably over the entire region, which is determined by the depth of the stator, that is, by its extent in the axial direction.
  • first and second poles 44, 45 form a pole pair 48.
  • the first poles 44 and the first pole interspaces 46 of the first rotor section 41 have the same width w R.
  • the entire rotor 40 comprising the rotor sections 41, 42, 43 and the poles 44, 45 are integrally formed of solid iron to best suit the magnetic flux ⁇ conduct .
  • the fixed stator 80 comprises two three-phase stator windings 81, 82 and a stator core 83 made of iron iron for conducting the magnetic flux ⁇ , wherein the stator 80 and thus the stator windings 81, 82 in the radial direction between the rotor sections 41, 42 and between the U -Children are arranged. In the axial direction of the stator 80 and the exciter coil 100 are arranged side by side. By using two windings 81, 82, the output power of the generator 20 is doubled from a single winding. In general, two-, four- or multi-phase stator windings can be used. It is also conceivable to provide more or fewer than two windings.
  • the stator 80 is fastened to a part 72 of the housing 70 by means of a fastening device 71.
  • the fastening device 71 also fixes the cryostat 101 with the exciter coil 100 and the cooling line 102.
  • the fastening means 71 may be formed like a double-walled cylinder, with the stator 80 and the cryostat 101 being arranged and fixed between the cylinder walls.
  • the only moving part of the generator 20 is the rotor 40 comprising the rotor sections 41, 42, 43 and the poles 44, 45.
  • the stator 80 and, unlike synchronous generators, the excitation coil 100 are fixedly connected to the housing 70, can therefore do not rotate.
  • the stator 80 and / or excitation coil 100 could be fixed to another stationary part of the wind turbine 10, i. not rotatable or displaceable, be connected.
  • the mast 110 in question for example, the mast 110 in question.
  • the rotor 40 does not have any electrical components such as coils or the like. carries, can advantageously be dispensed slip rings, etc.
  • FIG. 3 shows a section through the rotor 40, the stator 80 and the stator windings 81, 82 corresponding to the line A-A indicated in FIG.
  • the poles 44, 45 of the rotor 40 are arranged on the stator 80 facing sides of the rotor sections 41, 42 and cause the magnetic flux ⁇ as indicated by the arrows, the stator 80 and the stator windings 81, 82 in the radial
  • the stator windings 81, 82 each have three phases u, v, w.
  • the magnetic flux ⁇ passing through the stator 80 is in the region between two opposite poles 44, 45, ie in the region of a pole pair 48, greater than in the region which lies between two opposite pole interstices 46, 47.
  • the generator 20 shown in Figures 2 and 3 may be in a specific embodiment, a 5MW generator 20 whose directly, ie driven without additional gear rotor 40 rotates regardless of the wind conditions with a fixed rotational frequency of 15 revolutions / minute.
  • a certain number of first 44 and second poles 45 is required. For example. for a frequency of 50 Hz 200 pole pairs 48, ie in each case 200 first and second poles 44, 45 are required. For a frequency of 60Hz, 240 pairs of poles are used accordingly.
  • the excitation coil generates a magnetic flux of IT in the air gaps.
  • the air gaps can be, for example 7mm or 12mm wide, with the width the air gap affects the ampere-turn number of the superconducting exciting coil 100 in such a way that a larger ampere-turn number is needed at a wider air gap to produce the magnetic flux of IT. Since this increases the cost of the system, the narrowest possible air gap is advantageous.
  • the width of the air gaps in turn depends essentially on the mechanical tolerances of rotor 40 and stator 80.
  • the rotor 40 of such a generator 20 has a diameter of the order of 10m. Excitation of the generator 20 is accomplished by a fixed, i. non-co-rotating HTS excitation coil 100 which is cooled to 27K using liquid neon and generates a magnetic flux density of IT in the air gaps.
  • FIG. 4 schematically shows a detail of a plan view of the stator 80 in the radial direction, for example, looking in the negative y-direction, in order to demonstrate the course of the stator windings 81, 82.
  • the plan view only the three-phase u, v, w having stator winding 81 can be seen, which has a meandering course, wherein the longer line sections in the axial direction (z-direction) are aligned.
  • the exciter coil 100 is not shown in FIG.
  • the electric machine according to the invention can also be operated as a motor, wherein the electric machine is designed in itself as the generator 20 described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Homopolargenerator für eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Der Generator ist insbesondere Teil einer Wind- oder Wasserkraftanlage und wird direkt, d.h. ohne zwischengeschaltetes Getriebe, von den Flügeln der Wind- oder Wasserkraftanlage angetrieben. Eine supraleitende Spule, die mechanisch vom Rotor entkoppelt ist, d.h. nicht mit dem Rotor mitrotiert, erzeugt einen magnetischen Fluss, der vom Rotor derart geleitet wird, dass er die Statorwicklung eines Stators in radialer Richtung durchsetzt. Der Rotor weist hierzu den Stator klauenförmig umgebende Rotorabschnitte auf, die den magnetischen Fluss leiten. An den Rotorabschnitten sind den magnetischen Fluss leitende Pole vorgesehen, die bewirken, dass der magnetische Fluss in Umfangsrichtung des Stators gesehen variiert. Bei konstantem Magnetfeld und rotierendem Rotor wird somit in den Stator wicklungen eine Spannung induziert. Der Rotor rotiert vorzugsweise mit konstanter Frequenz. Durch eine entsprechende Wahl der Polzahlen kann die Ausgangsfrequenz des Gen- erators an die Netzfrequenz angepasst werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung für eine Wind- oder Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft einen Generator, insbesondere einen Homopolargenerator, für eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei ist der Generator insbesondere Teil einer Wind- oder Wasserkraftanlage.
Das Flügelrad einer großen Windkraftanlage dreht sich üblicherweise mit weniger als einer Umdrehung pro Sekunde. Das Flügelrad ist bei vielen Windkraftanlagen an ein Getriebe gekoppelt, das einen herkömmlichen Synchron- oder Asynchron- generator mit hoher Drehzahl antreibt. Die Anbindung an ein Stromversorgungsnetz kann direkt oder über Frequenzumrichter erfolgen. Häufig werden doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren verwendet, bei denen der Rotor über Schleifringe von einem Frequenzumrichter gespeist wird.
Es ist vorteilhaft, den Generator direkt, d.h. ohne teures und störanfälliges Zwischengetriebe an das Flügelrad zu koppeln. Bspw. in US 7 154 191 B2 wird eine Windenergieanlage beschrieben, bei der das Flügelrad direkt mit dem Rotor verbunden ist. Der Rotor trägt Permanentmagnete, mit deren Hilfe ein variierender magnetischer Fluss erzeugt wird, der die Statorwicklungen eines Stators durchsetzt .Ein mit dem Flügelrad angetriebener Generator muss jedoch zur Anbindung an das Stromversorgungsnetz eine Frequenz von 50Hz bzw. 60Hz zur Verfügung stellen. Die wegen der niedrigen Drehfrequenz des Flügelrads niedrige Ausgangsfrequenz des Generators muss daher wieder über Frequenzumrichter auf 50Hz bzw. 60Hz gebracht werden. Eine Alternative besteht darin, den Synchrongenerator direkt mit dem Flügelrad zu koppeln und den Gene- rator mit einem Rotor mit so hoher Polzahl auszustatten, dass eine der Netzfrequenz entsprechende Frequenz bereitgestellt werden kann. In diesem Fall kann er direkt in das Netz einspeisen . Hochpolige direktgetriebene Windgeneratoren mit permanenterregten Rotoren sind realisiert. Nachteilig bei direkter Netzanbindung ist, dass der Blindleistungsbedarf des Netzes nicht über eine variable Erregung des Rotors angepasst werden kann. Insbesondere bei Offshore-Windanlagen kann dies nachteilig für die Netzstabilität sein. Direktgetriebene Generatoren mit Netzanbindung über Frequenzumrichter sind ebenfalls bekannt .
Durch Wicklungen über Schleifringe erregte hochpolige Synchrongeneratoren haben sich nicht durchgesetzt. Nachteilig ist der hohe Materialaufwand für die Vielzahl der Rotorspulen und der hohe Leistungsbedarf für die Erregung, der den Wirk- ungsgrad verschlechtert. Supraleitende Erregerspulen wurden vorgeschlagen, sie verringern die Erregerleistung erheblich. Der hohe Aufwand an Supraleitermaterial und kryogener Kühlung und Isolierung lassen diese Version ebenfalls als nicht wirtschaftlich erscheinen.
Bspw. in US 7 049 724 B2 wird eine elektrische Maschine bzw. ein Generator mit einem scheibenförmigen Rotor und einem scheibenförmigen Stator beschrieben, bei der eine supraleitende, mechanisch vom Rotor entkoppelte Spule verwendet wird. Die Spule erzeugt einen magnetischen Fluss, der mit Hilfe von Polen des Rotors in axialer Richtung durch den Stator geleitet wird. Nachteilig bei dieser Maschine ist, dass sie sehr anfällig auf axial wirkende Kräfte reagiert. Diese Anfälligkeit wird mit steigendem Rotordurchmesser größer. Es ist daher notwendig, entsprechend große Toleranzen anzusetzen, bspw. für den Luftspalt zwischen den Polen des Rotors und dem Stator, womit der Wirkungsgrad der Maschine schlechter wird.
Den bislang bekannten Methoden ist gemeinsam, dass teure, störanfällige Getriebe, Frequenzumrichter und/oder Schleifringe benötigt werden und dass hohe Material-, Wartungs- und Betriebskosten anfallen. Durch den Wegfall von Getriebe, Frequenzumrichter und Schleifringen würden sowohl eine höhere Zuverlässigkeit als auch weniger Wartungsaufwand erreicht. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Einsatz in Offshore-Windkraftanalgen, dessen Bedeutung in Zukunft deutlich zunehmen wird.
Zudem könnte bei Verwendung einer feststehenden, nicht rotierenden supraleitenden Spule erheblicher Aufwand für Material und Betrieb eingespart werden, wobei gleichzeitig die Komplexität der Anlage bzw. des Generators abnimmt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, robuste und wenig störanfällige Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die besonderen Vorteile einer Homopolarmaschine ausgenutzt, wie sie bspw. in DE 10 2004 014 123 Al beschrieben wird. Bei der Homopolarmaschine schwankt im Gegensatz zu Synchron- oder Asynchron- maschinen ein durch eine Erregerspule erzeugter magetischer Fluss Φ zwar in seiner Amplitude zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert, seine Richtung kehrt sich jedoch nicht um, so dass seine Polarität konstant bleibt. Der Rotor einer Homopolarmaschine weist weder Wicklungen noch Schleifkontakte auf. Die Erregerspule ist mechanisch vom Rotor vollständig entkoppelt und muss nicht mit dem Rotor mitrotieren. Die Homopolarmaschine ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen eine elektrische Maschine mit einer supraleitenden Erregerspule arbeiten soll, da die Kühlung der Erregerspule wesentlich leichter zu handhaben ist als bei mitrotierender Spule. Eine Homopolarmaschine ist sehr einfach und robust aufgebaut und kann generell als Motor oder als Generator eingesetzt sein .
Die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung elektrischer
Energie umfasst einen Generator, der vorteilhafterweise als Homopolargenerator ausgebildet ist. Dieser beinhaltet einen feststehenden ringförmigen Stator mit Statorwicklung, einen drehbaren ringförmigen Rotor aus ferromagnetischem Material wie bspw. Eisen und eine feststehende ringförmige Erregerspule, wobei der Stator und die Erregerspule in radialer Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Rotorabschnitt angeordnet sind. Ein von der Erregerspule erzeugter magnetischer Fluss Φ wird vom Rotor geleitet und durchsetzt den Stator in radialer Richtung, senkrecht zur Statorwicklung. Beide Rotorabschnitte weisen eine Vielzahl von Polen auf, die in radialer Richtung auf den Stator hin ausgerichtet sind und den magnetischen Fluss Φ leiten. Zwischen den Polen eines Rotorabschnitts befinden sich Polzwischenräume. Die Pole der beiden Rotorabschnitte liegen sich in radialer Richtung jeweils gegenüber, gleiches gilt für die Polzwischenräume .
Bei stromdurchflossener Erregerspule ist der magnetische Fluss zwischen sich gegenüberliegenden Polen erheblich größer als zwischen sich gegenüberliegenden Polzwischenräumen, so dass der magnetische Fluss Φ bei stehendem Rotor in Umfangs- richtung des Rotors gesehen abhängig vom Ort ist. Bei rotierendem Rotor dagegen variiert der magnetische Fluss Φ an einem bestimmten Ort in Umfangsrichtung des Rotor, d.h. bspw. im Bereich eines bestimmten Abschnitts der Statorwicklung, in Abhängigkeit von der Zeit, so dass in der Statorwicklung eine Spannung induziert wird.
Da die Erregerspule fest steht, d.h. nicht mitrotiert, kann sie vorteilhafterweise als supraleitende Spule, insbesondere als Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) ausgebildet sein. Dies wirkt sich darin aus, dass die Erregerspule keine Erregerleistung verursacht, so dass der Wirkungsgrad steigt.
Die Anlage arbeitet mit einer festen, bekannten Umdrehungs- zahl des Rotors, d.h. im Falle einer Windkraftanlage mit einer festen Umdrehungszahl des Flügelrads. Je nach Netzfrequenz wird eine bestimmte, von der Umdrehungszahl des Rotors abhängige Polanzahl vorgesehen, so dass der Generator immer die korrekte Frequenz zur Verfügung stellt. Frequenzumrichter sind daher nicht notwendig, ein Getriebe ist überflüssig.
Da im Unterschied zu Synchrongeneratoren nur eine einzelne, wenn auch größere Erregerspule vorgesehen ist, reduzieren sich die Material- und Betriebskosten zur Erzeugung des magnetischen Flusses Φ.
Über eine Variation des Erregerstroms kann auch der wechselnde Blindleistungsbedarf des zu speisenden Netzes gedeckt werden.
Da die Erregerspule nicht mitrotiert und auf dem rotierenden Rotor keine elektrischen Bauteile vorhanden sind, kann auf Schleifringe gänzlich verzichtet werden.
Der Generator kann bspw. in Wind- oder Wasserkraftanlagen zum Einsatz kommen, wobei der Rotor des Generators direkt mit dem Flügelrad gekoppelt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine Windenergieanlage in Rück- und
Querschnittsansicht,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch Rotor und Stator, Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch Teile des Generators, Figur 4 eine Draufsicht auf eine Statorwicklung in schematischer Ansicht.
Die Figur 1 zeigt eine Windkraftanlage 10 in einer Rückansicht und einer Querschnittsansicht mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen direkt angetriebenen Generator 20 zur Erzeugung elektrischer Energie beinhaltet. Die Windkraftanlage 10 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Flügelrad 30 mit drei Flügeln 31, wobei auch mehr oder weniger Flügel vorgesehen sein können. Das Flügelrad 30 ist fest mit einem Rotor 40 des Generators 20 verbunden, so dass bei Wind der Rotor 40 gemeinsam mit den Flügeln 31 und dem Flügelrad 30 in Rotation versetzt wird. Der Rotor 40 ist hierfür mit seiner Drehachse 50 in geeigneten Lagern 60 gelagert, die in einem Gehäuse 70 untergebracht sind. Ebenfalls angedeutet ist eine Befestigungseinrichtung 71, die einen Stator 80 (in Figur 1 nicht darge- stellt) des Generators 20 beinhaltet. Der Stator 80 ist konzentrisch zum Rotor 40 angeordnet und über die Befestigungseinrichtung 71 mit dem Gehäuse 70 fest, d.h. unverdrehbar verbunden. Weiterhin ist ein Kryokühler 90 zur Kälteerzeugung für eine zum Rotor 40 und zum Stator 80 konzentrische Erregerspule 100 (in Figur 1 nicht dargestellt) des Generators 20 vorgesehen. Die gesamte Konstruktion ist auf einem Mast 110 befestigt.
Die Figur 2 zeigt einen Längsschnitt u.a. durch den Rotor 40 und den Stator 80 im Detail. Die Befestigung des Flügelrads 30 am Rotor 40 ist nicht dargestellt, erfolgt aber auf an sich bekannte Weise derart, dass die durch Wind in Bewegung gesetzten Flügel 31 den Rotor 40 über das Flügelrad 30 in Rotation versetzen.
Der Generator 20 ist als Homopolargenerator ausgebildet. Der Rotor 40 des Generators 20 umfasst drei Rotorabschnitte 41, 42, 43 und weist ein annähernd U-förmiges Profil auf. Der erste 41 und der zweite Rotorabschnitt 42 sind in radialer Richtung beabstandet angeordnet, wobei der radial außen liegende erste 41 und der radial innen liegende zweite Rotorabschnitt 42 die U-Schenkel des Profils bilden, während der dritte Rotorabschnitt 43 die Abschnitte 41, 42 verbindet. Insbesondere ist das Profil des Rotors 40 wie ein liegendes U geformt, d.h. die U-Schenkel sind in axialer bzw. in z- Richtung orientiert.
In radialer Richtung zwischen den Rotorabschnitten 41, 42 bzw. zwischen den U-Schenkeln ist im Bereich des dritten Rotorabschnitts 43 die feststehende Erregerspule 100 angeordnet. Speziell aufgrund dessen, dass die Erregerspule 100 fest steht, bietet es sich an, eine supraleitende Erreger- spule 100 zu verwenden, da die Kühlung wesentlich einfacher zu bewerkstelligen ist als bei einer mitrotierenden Spule.
Die Erregerspule 100 ist bevorzugt ein Hochtemperatur- Supraleiter. Sie befindet sich in einem Kryostaten 101 und wird durch eine Kühlleitung 102 auf Betriebstemperatur gehalten. Die Kühlleitung 102 wird durch den in der Figur 1 dargestellten Kryokühler 90 versorgt. Die Kühlung kann bspw. indirekt mit flüssigem Neon oder Wasserstoff in einem Thermosyphon erfolgen. Die supraleitende Erregerspule 100 kann mit Gleichstrom betrieben werden und verursacht im
Unterschied zu herkömmlichen, Normaltemperaturleitern, keine Erregerleistung, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanlage steigt .
Alternativ kann die ringförmige Erregerspule auch mit einem
Normalleiter wie bspw. einem Kupfer- oder Aluminiumleiter bei Umgebungstemperatur betrieben werden. Dies erfordert zwar Erregerleistung, die aber weit unterhalb des Leistungsaufwands für den Rotor einer hochpoligen herkömmlichen Synchron- maschine bleibt. Der Wirkungsgrad der Homopolarmaschine ist entsprechend höher. Eventuell muss eine derartige Normalleiter-Spule bspw. mit Luft über einen Lüfter oder mit einem Wasserkreislauf zwangsgekühlt werden. Die Erregerspule 100 erzeugt einen magnetischen Fluss Φ, der vom Rotor 40 bzw. von den Rotorabschnitten 41, 42, 43 wie durch die Pfeile symbolisiert geleitet wird. An den Rotorabschnitten 41 bzw. 42 sind zum Leiten des magnetischen Flusses Φ in radialer Richtung erste 44 bzw. zweite Pole 45 angeformt, die in radialer Richtung von den Rotorabschnitten 41, 42 hervorstehen. Zwischen zwei ersten Polen 44 (bzw. zwischen zwei zweiten Polen 45) liegt ein erster Polzwischen- räum 46 (bzw. ein zweiten Polzwischenraum 47) . Die Pole 44, 45 erstrecken sich in axialer Richtung vorzugsweise über den gesamten Bereich, der von der Tiefe der Stators, d.h. von dessen Erstreckung in axialer Richtung vorgegeben wird. Gegenüberliegende erste und zweite Pole 44, 45 bilden dabei ein Polpaar 48. In Umfangsrichtung des Rotors 40 gesehen weisen die ersten Pole 44 und die ersten Polzwischenräume 46 des ersten Rotorabschnitts 41 die gleiche Breite wR auf. Gleiches gilt für die zweiten Pole 45 und die zweiten Polzwischenräume 47 des zweiten Rotorabschnitts 42. Vorzugsweise ist der gesamte Rotor 40 umfassend die Rotorabschnitte 41, 42, 43 und die Pole 44, 45 einstückig aus massivem Eisen ausgebildet, um den magnetischen Fluss Φ bestmöglich zu leiten .
Der feststehende Stator 80 umfasst zwei dreiphasige Statorwicklungen 81, 82 und einen Statorkern 83 aus geblechtem Eisen zum Leiten des magnetischen Flusses Φ, wobei der Stator 80 und damit die Statorwicklungen 81, 82 in radialer Richtung zwischen den Rotorabschnitten 41, 42 bzw. zwischen den U-Schenkeln angeordnet sind. In axialer Richtung sind der Stator 80 und die Erregerspule 100 nebeneinander angeordnet. Dadurch, dass zwei Wicklungen 81, 82 verwendet werden, verdoppelt sich die Ausgangsleistung des Generators 20 gegenüber einer einzelnen Wicklung. Generell können auch zwei-, vier- oder mehrphasige Statorwicklungen eingesetzt werden. Ebenso ist es denkbar, mehr oder weniger als zwei Wicklungen vorzusehen. Der Stator 80 wird mit Hilfe einer Befestigungseinrichtung 71 an einem Teil 72 des Gehäuses 70 befestigt. Die Befestigungseinrichtung 71 fixiert darüber hinaus auch den Kryostaten 101 mit der Erregerspule 100 und der Kühlleitung 102. Bspw. kann die Befestigungseinrichtung 71 ausgebildet sein wie ein doppelwandiger Zylinder, wobei der Stator 80 und der Kryostat 101 zwischen den Zylinderwänden angeordnet und befestigt sind.
Das einzige bewegte Teil des Generators 20 ist demnach der Rotor 40 umfassend die Rotorabschnitte 41, 42, 43 und die Pole 44, 45. Der Stator 80 und -im Unterschied zu Synchrongeneratoren- die Erregerspule 100 sind fest mit dem Gehäuse 70 verbunden, können daher nicht rotieren. Alternativ könnten der Stator 80 und/oder die Erregerspule 100 mit einem anderen feststehenden Teil der Windkraftanlage 10 fest, d.h. nicht dreh- oder verschiebbar, verbunden sein. Hierfür käme bspw. der Mast 110 in Frage.
Da der Rotor 40 keine elektrischen Bauteile wie etwa Spulen o.a. trägt, kann vorteilhafterweise auf Schleifringe etc. verzichtet werden.
Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch den Rotor 40, den Stator 80 und die Statorwicklungen 81, 82 entsprechend der in der Figur 2 angedeuteten Linie A-A. Die Pole 44, 45 des Rotors 40 sind auf den dem Stator 80 zugewandten Seiten der Rotorabschnitte 41, 42 angeordnet und bewirken, dass der magnetische Fluss Φ wie durch die Pfeile angedeutet den Stator 80 und die Statorwicklungen 81, 82 in radialer
Richtung, d.h. senkrecht zu den Statorwicklungen 81, 82 durchsetzt. Die Statorwicklungen 81, 82 weisen jeweils drei Phasen u,v,w auf. Zwischen den ersten Polen 44 und dem Stator 80 sowie zwischen den zweiten Polen 45 und dem Stator 80 befindet sich jeweils ein Luftspalt, der idealerweise möglichst klein ausfällt, d.h. in einer Größenordnung von 5- 15mm. Der den Stator 80 durchsetzende magnetische Fluss Φ ist im Bereich zwischen zwei sich gegenüberliegenden Polen 44, 45, d.h. im Bereich eines Polpaares 48, größer als in dem Bereich, der zwischen zwei sich gegenüberliegenden Polzwischenräumen 46, 47 liegt. Bei einer Rotation des Rotors 40 ausgelöst durch eine Bewegung der Flügel 31 variiert daher im Bereich der Statorwicklungen 81, 82 der magnetische Fluss Φ in Abhängigkeit von der Zeit, so dass in den Statorwicklungen 81, 82 eine Spannung induziert wird, die an nicht dargestellter Stelle abgegriffen werden kann.
Da die Oberflächen der Pole 44, 45 auf (gedachten) Zylinderoberflächen liegen und der magnetische Fluss Φ den Stator 80 in radialer Richtung durchsetzt, ist es vergleichsweise einfach, durch konstruktive Mittel wie Speichen und/oder Scheiben die radialen Abstände von der Drehachse des Rotors 40 einzustellen und damit die Luftspalte zwischen Rotor 40 und Stator 80 unabhängig von Magnet-, Wind- oder sonstigen Kräften genau einzuhalten. Dies ist vorteilhaft -insbesondere für Maschinen mit großem Durchmesser wie Windkraftanlagen- bspw. gegenüber dem in US 7 049 724 B2 beschriebenen Generator mit scheibenhafter Anordnung von Rotor und Stator bei axial gerichtetem magnetischen Fluss. Weitere Nachteile der in US 7 049 724 B2 beschriebenen Anlage wurden bereits erwähnt .
Der in den Figuren 2 und 3 gezeigt Generator 20 kann in einer konkreten Ausführung ein 5MW-Generator 20 sein, dessen direkt, d.h. ohne zusätzliches Getriebe angetriebener Rotor 40 unabhängig von den Windverhältnissen mit einer festen Drehfrequenz von 15 Umdrehungen/Minute rotiert. Je nach Frequenz des Netzes, in das die mit dem Generator 20 erzeugte elektrische Energie eingespeist werden soll, wird eine be-stimmte Anzahl von ersten 44 bzw. zweiten Polen 45 benötigt. Bspw. für eine Frequenz von 50Hz werden 200 Polpaare 48, d.h. jeweils 200 erste und zweite Pole 44, 45 benötigt. Für eine Frequenz von 60Hz werden dementsprechend 240 Polpaare ver-wendet. Die Erregerspule erzeugt in den Luftspalten einen magnetischen Fluss von IT. Die Luftspalte können bspw. 7mm oder 12mm breit sein, wobei sich die Breite der Luftspalte auf die Amperewindungszahl der supraleitenden Erregerspule 100 in der Art auswirkt, dass bei breiterem Luftspalt eine größere Amperewindungszahl benötigt wird, um den magnetischen Fluss von IT zu erzeugen. Da hiermit die Kosten der Anlage ansteigen, ist ein möglichst schmaler Luftspalt von Vorteil. Die Breite der Luftspalte hängt ihrerseits im Wesentlichen von den mechanischen Toleranzen von Rotor 40 und Stator 80 ab.
Durch die feste Umdrehungszahl und die darauf abgestimmte
Anzahl von Polpaaren wird vorteilhafterweise erreicht, dass die erzeugte elektrische Energie direkt in das Netz eingespeist werden kann, dass also keine Frequenzumrichter o.a. benötigt werden. Typischerweise weist der Rotor 40 eines solchen Generators 20 einen Durchmesser in einer Größenordnung von 10m auf. Die Anregung des Generators 20 erfolgt durch eine feststehende, d.h. nicht-mitrotierende HTSL- Erregerspule 100, welche mit Hilfe von flüssigem Neon auf 27K gekühlt wird und eine magnetische Flussdichte von IT in den Luftspalten erzeugt.
Die Figur 4 zeigt schließlich schematisch einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf den Stator 80 in radialer Richtung, bspw. mit Blickrichtung in negative y-Richtung, um den Verlauf der Statorwicklungen 81, 82 zu demonstrieren. In der Draufsicht ist lediglich die drei Phasen u,v,w aufweisende Statorwicklung 81 zu erkennen, die einen mäanderförmigen Verlauf hat, wobei die längeren Leitungsabschnitte in der axialen Richtung (z-Richtung) ausgerichtet sind. Die Erregerspule 100 ist in der Figur 4 nicht dargestellt.
Obige Beschreibung befasst sich mit einer Windkraftanlage. Die Vorrichtung ist jedoch ohne Weiteres bis auf Modifikationen in der Dimensionierung etc. auch in einer Wasserkraftanlage einsetzbar, bei der die Flügel 31 durch einen Wasserlauf angetrieben werden. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine auch als Motor betrieben werden, wobei die elektrische Maschine an sich ausgebildet ist wie der oben beschriebene Generator 20.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Generator (20), insbesondere Homopolargenerator (20), welcher umfasst:
- einen ringförmigen, feststehenden Stator (80),
- eine ringförmige, feststehende Erregerspule (100) und
- einen ringförmigen, drehbaren Rotor (40), welcher zumindest einen ersten (41) und einen zweiten Rotorabschnitt (42) aufweist, wobei
- der Stator (80), der Rotor (40) und die Erregerspule (100) konzentrisch angeordnet sind,
- der Stator (80) mindestens eine Statorwicklung (81, 82) aufweist,
- der Stator (80) und die Erregerspule (100) in radialer Richtung gesehen zwischen dem ersten (41) und dem zweiten Rotorabschnitt (42) angeordnet sind, und wobei der Rotor (40), der Stator (80) und die Erregerspule (100) derart angeordnet sind, dass der Rotor
(40) einen von der Erregerpule (100) erzeugten magnetischen Fluss Φ leitet und der magnetische Fluss Φ den Stator (80) in radialer Richtung, im Wesentlichen senkrecht zur Statorwicklung (81, 82) durchsetzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (41) und der zweite Rotorabschnitt (42) konzentrisch und in radialer Richtung beabstandet angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (80) und die Erregerspule
(100) in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (40) ein annähernd U- förmiges Profil aufweist, wobei der erste (41) und der zweite Rotorabschnitt (42) die U-Schenkel des Profils bilden und in axialer Richtung ausgerichtet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (41) und der zweite Rotorabschnitt (42) den Stator (80) klauenförmig umfassen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Rotorabschnit (41) eine Vielzahl von ersten Polen (44) und am zweiten
Rotorabschnit (42) eine Vielzahl von zweiten Polen (44) angeformt ist, wobei
- die Pole (44, 45) jeweils auf der dem Stator (80) zugewandten Seite des jeweiligen Rotorabschnitts (41, 42) angeordnet sind,
- sich erste (44) und zweite Pole (45) radial gegenüber liegen .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (40) zumindest umfassend die Rotorabschnitte (41, 42, 43) und die Pole (44, 45) einstückig aus massivem Eisen ausgebildet ist und den von der Erregerspule (100) erzeugten magnetischen Fluss Φ leitet.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Statorwicklungen (81, 82) vorgesehen sind und/oder dass jede Statorwicklung (81, 82) zumindest mehrphasig, insbesondere 3-phasig (u,v,w), ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (80) einen geblechten Statorkern (83) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (100) eine supraleitende Spule ist, insbesondere eine HTSL-Spule.
11. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (100) eine ringförmige Spule aus einem Normalleiter ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (100) mit Luft oder Wasser zwangsgekühlt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (40) mit einer festen Drehfrequenz rotiert.
14. Wind- oder Wasserkraftanlage umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Wind- oder Wasserkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flügelrad (30) oder Flügel (31) der Wind- oder Wasserkraftanlage (10) zum Antreiben des Rotors (40) mit dem Rotor (40) verbunden sind.
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