WO2012122965A2 - Elektrischer generator für eine windkraftanlage - Google Patents

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    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine

Definitions

  • the invention relates to an electric generator for a wind turbine, in particular a réellepolgenerator for a gearless wind turbine.
  • wind turbines which are characterized by high efficiency even in different wind conditions. This condition can best be met with a gearless wind turbine with a synchronous generator.
  • the object of the invention is to provide an electric generator for a wind turbine available that meets a wide power demand and even with different wind conditions when used in a getrie ⁇ - laden wind turbine, a conversion of the offered wind energy into electrical energy with a high efficiency allows.
  • the electric generator is designed as réellepolma- machine, wherein the rotor of the generator directly, i. without
  • Interposition of a gearbox is connected to the rotor of the wind turbine and at the rotor shaft of the generator at least two sets of polrelienden magnet coils and / or permanent magnets for generating at least two separate excitation magnetic fields are arranged and to each field magnetic field, a separate stator with associated induction windings can be arranged.
  • three or more sets of pole-forming magnetic coils and / or permanent magnets are arranged on the rotor shaft of the generator, so that depending on the electrical power to be installed, one, two, three or more separate stators are to be arranged with associated induction windings, wherein a polrelienden Magnetspulen- or Permanent magnet set is assigned to generate a field magnetic field, a stator.
  • a generator according to the invention thus comprises a predetermined constant number of sets of pole-forming Solenoids and / or permanent magnets for generating a predetermined constant number of exciting magnetic fields and depending on power requirements one, two, three or more stators, wherein the number of stators limited to the number of sets of polbüdenden magnetic coils and / or permanent magnets to generate excitation magnetic fields is.
  • An associated stator with induction windings also surrounds the polbüdenden magnetic coils and / or permanent magnets in a known manner and also extends in the longitudinal axial direction along a predetermined longitudinal axial portion of the rotor shaft.
  • Each further sets of pile-forming solenoid coils and / or permanent magnet for generating each further excitation magnetic fields of the rotor shaft join in leksaxia ⁇ ler direction, you can according to need to be installed electric power, to be surrounded by stators of induction coils.
  • a set of pile-forming solenoid coils and / or permanent magnets for the generation ⁇ supply an excitation magnetic field and an associated stator with induction coils form a module of a generator according to the invention, which can produce a predetermined electrical power.
  • An electric generator may comprise a plurality of modules, depending on the size of the electrical power to be installed. The maximum number of modules which may include a generator, depends on the number of sets of pile-forming solenoid coils and / or permanent ⁇ magnets are arranged on the rotor shaft of the generator.
  • Solenoids can be used with the necessary excitation current. It is understood that the rotor of the wind turbine is interpreted or dimensioned so that the generated with the rotor mechanical power of the installed in the wind turbine electric power of the generator is adjusted. A power conversion of a wind turbine by adding or removing one or possibly more stators is possible, while of course, the rotor of Windkraftstromden new performance parameters is adjusted.
  • An existing wind turbine with an inventive electrical generator of this electrical ⁇ rule generator can be switched to a different power on demand as part of the power range, and only add the stators of the generator or to be removed and the rotor of the wind turbine is to be changed,
  • the electric generator can be designed as a synchronous generator, is suitable for use in a gearless wind turbine and allows the construction of wind turbines with high efficiency in different wind conditions.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a generator for a wind power station with two stators
  • Figure 2 a schematic representation of a generator for a wind turbine with a stator.
  • Figure 1 illustrates a trained as mecanical ⁇ tor for a gearless wind turbine.
  • a base plate 1 On a base plate 1 are a front and a rear bearing bracket 2 and 3 mounted with plain bearings 4 for supporting a rotor shaft 5.
  • the rotor head plate 6 At the through the front bearing bracket 2 by radical end of the rotor shaft 5 is directly without the interposition of a gearbox, the rotor head plate 6, to which the rotor blades of the wind turbine, not shown, mounted.
  • the bearing brackets 2 and 3 are on the rotor shaft 5 three sets 7 of pollagenden permanent magnet 7.1 rotationally symmetrical about the Rotorwe!
  • the illustrated in Figure 1 electric generator is designed to form a maximum of three generator modules.
  • three sets 7 polbil ⁇ dender permanent magnets 7.1 are arranged on the rotor shaft 5, which generate three independent exciter magnetic spring.
  • a stator 8 with induction coils.
  • a third stator can be retrofitted if necessary, if the generator is to be upgraded to its maximum capacity.
  • the individual generator modules have the same performance characteristics in order to enable rational production. Same
  • Figure 2 illustrates a likewise designed as êtpolmaschine
  • Synchronous generator for a gearless wind turbine in which three sets are arranged 7 of pollagenden magnet on the rotor shaft 5 as well as in the generator shown in Figure 1, wherein in contrast to the generator shown in Figure 1 only a set of 7 pol sometimesender magnets a stator. 8 is arranged and the pole-forming magnets for generating the field magnetic fields are formed on the one hand in a visible in Figure 2 set as permanent magnets 7.1 and the other in the other visible in Figure 2 set 7 of the polrelienden magnets as magnetic coils 7.2.
  • the solenoids 7.2 are contacted elec ⁇ tric for electrical power to the solenoid coils 7.2, not shown slip rings and brushes.
  • Solenoids 7.2 is that when not arranging a stator 8 to this set pollagender magnets in this no excitation current is fed, so that no exciting magnetic field is generated around the not surrounded with a stator set poling magnets.

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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

Elektrischer Generator für eine Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator für eine Windkraftanlage, insbe- sondere 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 Bedüfnts 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 Konzipie¬ rung 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 getrie¬ belosen Windkraftanlage eine Umwandlung der angebotenen Windenergie in elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
Nach der Konzeption der Erfindung ist der elektrische Generator als Innenpolma- schine 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 polbüdenden Magnetspulen und/oder Permanatmagneten zu Erzeugung von Erre- germagnetfeldern begrenzt ist.
Vorzugsweise ist jeweils ein Satz von polbildenden agnetspulen und/oder Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes in bekannter Weise polbil¬ dend rotationssymmetrisch um die Rotorwelle angeordnet, wobei sich die polbilden- den Magnetspulen und/oder Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregermag¬ netfeldes entlang eines vorbestimmten längsaxialen Abschnittes der Rotorwelle erstrecken. Ein zugehöriger Stator mit Induktionswicklungen umgibt die polbüdenden 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 längsaxia¬ ler 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 Erzeu¬ gung 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 Permanent¬ magneten, 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 po!bildenden
Magnetspulen mit dem notwendigen Erregerstrom verwendet werden. Es versteht sich, dass der Rotorder Wind kraftanlage 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 Windkraftanlageden 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 elektri¬ schen 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:
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Generators für eine Windkraftan- fage mit zwei Statoren und in
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Generators für eine Windkraftanlage mit einem Stator.
Figur 1 veranschaulicht einen als Innenpolmaschine ausgebildeten Synchrongenera¬ tor für eine getriebelose Wind kraftanlage. 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 Rotorwe!le 5 angeordnet, wobei in Figur 1 lediglich ein Satz 7 der polbil¬ denden Permanentmagnete 7.1 , nämlich der zur hinteren Lagerplatte 3 weisende Satz 7, sichtbar ist. Um den zur vorderen Lagerplatte 2 weisenden Satz 7 polbilden- der Permanentmagnete 7.1 sowie um den mittleren Satz 7 polbildender Permanentmagnete 7.1 ist jeweils ein Stator 8 mit Induktionsspulen angeordnet.
Der in Figur 1 veranschaulichte elektrische Generator ist zur Ausbildung von maximal drei Generatormodulen konzipiert. Dazu sind auf der Rotorwelle 5 drei Sätze 7 polbil¬ dender 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.
Figur 2 veranschaulicht einen ebenfalls als Innenpolmaschine ausgebildeten
Synchrongenerator für eine getriebelose Windkraftanlage, bei dem auf der Rotorwelle 5 ebenso wie bei dem in Figur 1 gezeigten Generator drei Sätze 7 von polbildenden Magneten angeordnet sind, wobei im Unterschied zu dem in Figur 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 Figur 2 sichtbaren Satz als Permanentmagnete 7.1 und zum anderen bei dem anderen in Figur 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 elek¬ trisch 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. Liste der verwendeten Bezugszeichen
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

Patentansprüche
1. Elektrischer Generator für eine Windkraftanlage, vorzugsweise für eine getriebelo- se 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 Permanentmagne- ten (7.1 ) zur Erzeugung von mindestens zwei getrennten Erregermagnetfeldern angeordnet sind und zu jedem Erregermagnetfeld ein separater Stator (8) mit zugehörigen Induktionswicklungen anordenbar ist.
2. 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 Abschnit- tes der Rotorwelle (5) erstreckt, so dass sich auch jedes Erregermagnetfeld nur über einen vorbestimmten längsaxialen Abschnitt der Rotorwelle (5) erstreckt.
3. 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 Stator 8 diesen Satz (7) in längsaxialer Richtung der Rotorwelle (5) vollständig überdeckt.
4. 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.
5. 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.
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