CN103609017B - 用于控制风能设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制风能设备的方法，所述风能设备具有发电机（1），所述发电机具有：定子（2）；磁极转子（4），所述磁极转子具有至少两个转子磁极（6），所述至少两个转子磁极分别具有磁极线圈（32，42）以用于产生在相应的转子磁极（6）中引导的磁场；并且具有在定子（2）和磁极转子（4）之间的气隙（8），所述方法包括下述步骤：‑分别控制穿过每个磁极线圈（32，42）的励磁电流，‑将励磁电流中的至少一个相对于励磁电流中的至少另一个改变和/或‑根据磁极转子（4）关于定子（2）的位置改变励磁电流中的至少一个。

Description

用于控制风能设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制风能设备的方法。此外，本发明涉及一种风能设备。

背景技术

风能设备通常是已知的并且图1示出风能设备的通常构造。空气动力学的转子根据规定通过风置于转动运动从而驱动发电机的电机转子。在此，本发明涉及一种风能设备，所述风能设备应用同步发电机。因此，同步发电机的磁极转子相对于同步发电机的定子转动。通过磁极转子相对于定子的转动，在定子中产生电流，使得风的动能转换成电能。

在磁极转子和定子之间是气隙，所述气隙在磁极转子和定子之间的磁回路中示出显著的磁阻。所述磁阻尤其与气隙的厚度相关并且气隙的厚度因此选择成尽可能小的。本发明尤其涉及无传动装置的风能设备，其中因此，磁极转子在没有中间接入的传动装置的情况下与空气动力学的转子连接并且以与空气动力学的转子一样的转速转动。对于大型的风能设备而言，通常的转速在此位于大约5至15转每分钟的范围中，所述风能设备具有大于1MW的额定功率。这种发电机在其气隙的区域中的直径——也称作气隙直径——通常为至少数米、即至少为2m或3m并且能够在迄今已知的设备中达到直至10m。气隙的厚度即使在这种大型的发电机中是小的并且通常具有仅几毫米。

定子和磁极转子的全部偏心距引起气隙的不同厚度。构件的、从而作为结果尤其磁极转子的、必要时还有定子的偏心距同样能够引起气隙在周向方向上的不同的厚度，即尤其在受到惯性力、重力和磁力的影响的情况下。

通过减小在特定区域中的气隙厚度，在该区域中，磁阻减小并且磁通量密度增大。这在那里又引起增大的径向的力密度并且能够引起气隙厚度的附加的减小，这也与分别相关的偏心距有关。因此，得出增强的效应。

在任何情况下避免磁极转子和定子的接触。因此，机械地加固所述磁极转子和定子，使得通过制造公差和安装公差以及通过材料弹性不可避免地引起的磁力能够被承载构造吸收。随着发电机的直径增大，由此引起的材料使用大大增多并且显著提高发电机质量。由此，对发电机自身、以及对承载发电机的构件、尤其是对机器承载件还有方位轴承出现高的材料成本，所述方位轴承必须支承包括机器支承件的发电机，以便能够实现风跟踪。

作为常规的现有技术参照文献DE 10 2006 056 893 A1并且参照C.Patsios,A.Chaniotis,E.Tsampouris和A.Kladas；“ParticularElectromagnetic Field Computation for Permanent Magnet GeneratorWind Turbine Analysis”，Magnetics，IEEE Transactions on，第46卷，第8期，第2751-2754页，2010年8月。

发明内容

因此，本发明基于下述目的，消除、至少减少上述问题。尤其地，实现下述可能性，实现发电机的重量减小和/或发电机的额定功率和重量之间的改进的关系。尤其地，应当实现重量节约。至少能够提出替选的解决方案。

根据本发明，提出一种用于控制风能设备的方法。因此，对下述风能设备进行控制，所述风能设备具有同步发电机，所述同步发电机具有定子和磁极转子，所述磁极转子具有至少两个转子磁极，所述至少两个转子磁极分别具有磁极线圈以用于产生在相应的转子磁极中引导的磁场。在定子和磁极转子之间构成气隙。分别对穿过每个磁极线圈的励磁电流进行控制。将励磁电流中的至少一个相对于励磁电流中的至少另一个改变。因此，磁极线圈获得不同的励磁电流。所述改变能够持久地、或仅暂时地进行。在暂时的改变的情况下，所述改变周期性地和/或根据其他参数或测量值来进行。附加地或替选地，励磁电流中的至少一个的改变能够根据磁极转子相对于定子的位置来进行。因此，提出励磁电流的单独的控制。通过所述单独的励磁电流控制尤其考虑不同的气隙厚度。尤其地，在所述转子磁极情况下在气隙的厚度大于平均气隙厚度时，磁极的励磁电流相对于平均励磁电流增大。反之，在下述磁极中提出较小的励磁电流，在所述磁极中，气隙厚度小于平均气隙厚度。

在气隙厚度较小的情况下，得出转子磁极和定子之间的较高的、吸引的力作用。通过如所描述的那样减小励磁电流对此进行抵抗。根据外部情况，这能够引起气隙厚度的增大。至少在这种厚度减小的气隙的区域中通过减小励磁电流来抵抗增大的负荷。

各个励磁电流的控制的具体类型也与不同的气隙厚度的出现的一个或多个原因相关。

优选地，励磁电流中的至少一个循环周期性地改变。所述励磁电流例如始终对磁极转子的特定的位置、即在相关的磁极的特定的位置中采用其最大值。如果例如仅仅存在重量相关的弹性变形，其中以水平轴线风能设备为出发点并且发电机的轴线也基本上是水平的，那么气隙在发电机的下部区域中、即在所谓的六点钟位置的区域中是最小的并且在发电机的上部区域中、即在所谓的十二点钟位置的区域中是最大的。这适用于内部转子并且反之适用于外部转子。这仅是对如下理想情况示例性的阐述，即在其他方面发电机并且尤其转子、即磁极转子最优地构成。所述描述也以转子的弹性变形为出发点。在该情况下，因此，相关的磁极的励磁电流在其六点钟位置中可以具有最小值并且在其十二点钟位置中可以具有最大值。电流的所提出的改变在该示例中能够连续地进行。所述示例——根据转子的具体的结构——能够在定性方面以相同的程度适用于其他的、必要时所有的转子磁极。在该情况下，每个励磁电流可以循环周期性地变化并且分别在相关的磁极的六点钟位置中具有其最小值并且在十二点钟位置中具有其最大值。

替选地或附加地，将激励电流中的至少一个相对于另一个激励电流异步控制。那么，所描述的循环周期性的改变例如能够在其适用于多个或所有转子磁极时表示所述异步控制的示例。如所描述的那样，在示例中，刚好位于六点钟位置的转子磁极的励磁电流具有其最小值并且在该时刻处于十二点钟位置的转子磁极的励磁电流具有其最大值从而可以相对于彼此异步地控制所述励磁电流。但是，也要考虑的是，出于不同的原因不同地控制不同的转子磁极的励磁电流，至少在其数量方面。也能够在定子恒定地变形的情况下设有循环周期性的改变。

附加地或替选地，励磁电流中的至少一个能够以恒定的补偿分量改变、即减小或增大。这种减小或增大一方面与应用的类型无关地理解为相对于关于所有转子磁极的平均励磁电流在数量上增大。附加地或替选地，但是，所述减小或增大也通过下述方式涉及结构的、控制技术的和/或线路技术的实施方案的可能性：结构、控制和/或线路分别提供平均的或标准的励磁电流并且此外分别对减小的或增大的励磁电流部分进行补充。因此，在结构上在转子磁极上存在补充的线圈，以便补充励磁电流以用于增大总励磁电流或者以便在符号相反时引起减小。在控制技术上，所述减小或增大例如能够通过相应地改变额定值来实现并且能够相应地在控制技术上识别。在线路技术上能够设有线路元件以用于补充或导出电流部分或以用于增强或减弱励磁电流。这仅是也能够组合的示例。

当磁极转子在相关的转子磁极的区域中具有变形和/或磁极转子在所述转子磁极的区域中具有相对于平均半径增大或减小的半径从而气隙在所述转子磁极的区域中的厚度减小或增大时，恒定的补偿分量例如是有利的。所述减小或增大的气隙厚度在该情况下环绕转子磁极。当在所述转子磁极中的气隙厚度减小的情况下，因此，始终在该转子磁极的区域中得出在磁极转子和定子之间的增大的力作用，这能够通过恒定的补偿分量来抵抗。这种变形在所述区域中对磁感应强度产生影响并且在此也能够通过所描述的恒定的补偿分量受到持久调整的作用。

设有恒定的补偿分量能够与动态可变的补偿分量、例如循环周期性的改变组合。

优选地，根据相关的转子磁极相对于定子的暂时的距离、尤其根据在相关的转子磁极的区域中的暂时的气隙厚度对至少一个转子磁极的励磁电流进行控制。迄今阐述的考虑也以控制和/或励磁电流的改变为基础，针对不同的气隙厚度的问题。但是，有利的是，直接考虑在相应转子磁极中的相应暂时的气隙厚度。所述考虑能够通过测量、尤其是连续的测量来进行。将连续的测量就此而言至少理解成在磁极转子旋转期间的多次测量。但是，气隙厚度也能够通过一次或多次提前测量来测定并且随后以计算的方式进行考虑。也就是说，所述气隙厚度一方面必要时能够被外插或内插并且另一方面由于之前所检测的关系分别根据磁极转子位置、即根据相关的转子磁极的相应的位置来计算。也能够例如以相似的方式考虑直接使用气隙厚度测量以用于控制励磁电流。例如，在一个、多个或分别每个转子磁极中，与气隙厚度相关的电压能够控制晶体管以用于控制或影响相应的转子磁极的励磁电流。

根据另一个实施形式提出，根据在相关的转子磁极的区域中的暂时的磁场、尤其是根据在相关的转子磁极的区域中的气隙中的磁场，对至少一个转子磁极的励磁电流进行控制。例如也能够设有测量装置，相应的控制机构对所述测量装置进行控制。例如，霍尔传感器的输出电压对晶体管的输入电压进行控制。同样能够以计算的方式使用磁场的这种值。同样或也能够补充地以计算的方式检测磁场的暂时值。对此，例如考虑状态观察器，以便仅提出示例。对相应的励磁电流的与气隙厚度相关的和磁场相关的控制也能够组合。优选地，在转子磁极的励磁电流改变的情况下，考虑控制和/或改变一个或多个相邻的转子磁极的转子电流。考虑基于下述内容：尤其在磁极转子具有多个转子磁极、例如72个转子磁极的情况下，这种相邻的转子磁极的励磁电流的改变能够影响也用于所述相邻的另外的转子磁极的气隙厚度。因此，整体考虑是优选的变型形式。整体考虑例如能够通过多参数调节来实现，即具有在调节中实现整体考虑的多个输入量和多个输出量的调节。

根据另一个设计方案，方法的特征在于，根据定子、磁极转子和/或气隙的提前检测的不对称性对励磁电流中的至少一个进行控制。不对称性能够提前通过测量同步发电机、例如几何形状的测量来实现。尤其地，提前测量能够通过测试过程或者在测试过程中进行，其方式在于，例如发电机在均匀地激励转子的情况下转动并且在此通过对在定子线圈中产生的电流进行测量并且将其与转子在定子中的相对位置相关联的方式被测量，并且/或者其中进行识别，是否存在相对于转子位置的关系。如果不对称性提前已知，那么尤其能够以上述方式均衡所述不对称性，其中能够停止对不对称性或其在运行中的影响进行连续的测量。因此，优选地相关地提前检测激励电流，因为也根据在运行期间永久监控的不对称性来控制不对称性。因此，优选地，提出组合的运行。

另一个设计方案的方法的特征在于，对至少一个励磁电流进行控制，使得至少部分地抵抗气隙厚度的循环周期性的改变和/或气隙厚度在周向方向上的改变。

气隙厚度的循环周期性的改变是周期性地在转子转动时出现的改变。这种循环周期性的改变尤其基于转子的不对称性。如果转子在一个部位上与在另外的部位上相比具有更大的直径，那么在此原则上气隙更小。

气隙厚度在周向方向上的改变是涉及气隙的绝对位置的改变。这种改变尤其由不对称的定子来决定。因此，提出对至少一个励磁电流进行控制，使得抵抗气隙厚度的所述改变中的至少一个。在此，对于循环周期性的改变，为了补偿，至少一个励磁电流的恒定的补偿电流部分能够是有意义的。在周向方向上的不对称性中，能够有意义的是，为了补偿而循环周期性地控制转子中的一个、多个或所有的励磁电流。

优选地提出，测量在至少一个转子磁极的区域中的气隙厚度和/或在至少一个转子磁极的区域中的气隙中的磁通量密度，并且根据至少一个测量的气隙厚度和/或根据至少一个测量的磁通量密度对励磁电流中的至少一个进行控制。由此，当前，相应的励磁电流能够根据直接的情形被设定并且匹配于当前测量的情形。在此，数值能够被在线测量并且经由计算机系统或微控制器被评估并且相关地协调地控制相应的励磁电流或励磁电流中的至少一个。优选地，测量值直接地作用于至少一个要控制的励磁电流。尤其地，对此能够设有模拟技术，在所述模拟技术中，例如根据测量的气隙厚度和/或根据测量的磁通量密度设定测量电流，所述测量电流直接地控制相应的励磁电流或所述励磁电流中的多个。这种控制例如能够借助于晶体管来进行。

优选地，至少一个转子磁极的励磁电流在气隙厚度在所述转子磁极的区域中增大时而增大并且/或者所述转子磁极的励磁电流在气隙厚度在所述转子磁极的区域中减小时而减小。由此，考虑下述知识：增大的气隙厚度能够引起减弱，这能够通过增大相关的励磁电流来至少部分地补偿。此外，通过增大在相关的区域中的励磁电流，增大转子和定子之间的磁吸引力，这必要时能够引起气隙厚度的减小。在气隙厚度的已知的减小的情况下，相应地提出相反的措施，即减小至少一个相关的励磁电流。

更优选地提出下述方法，在所述方法中，至少一个励磁电流的改变仅在相关的磁极线圈的一部分中进行和/或至少一个励磁电流改变成，使得相应的磁极线圈的一部分电接通或电关断。因此，磁极线圈基于：所述磁极线圈具有至少两个区域、即至少两个子线圈，所述子线圈中的至少一个设置用于基本励磁电流，所述基本励磁电流对于对气隙的不对称性等的可能的补偿不变化。至少一个另外的子线圈设置用于进行补偿的励磁电流分量。在最简单的情况下，在此，进行补偿的励磁电流分量接通或关断。优选地，所述进行补偿的励磁电流部分的峰值根据需要改变。为此，设有相应的线路，所述线路仅有效地与所述线圈部分连接。

此外，根据本发明，提出一种风能设备。这种风能设备包括同步发电机、定子、磁极转子和在定子和磁极转子之间的气隙。简化地也能够称作转子的磁极转子具有至少两个转子磁极，所述至少两个转子磁极分别具有磁极线圈以用于产生在相应的转子磁极中引导的磁场。此外，提出一种用于分别对穿过每个磁极线圈的励磁电流进行控制的控制装置。所述控制装置提供用于，将励磁电流中的至少一个相对于励磁电流中的至少另一个改变和/或根据磁极转子相对于定子的位置改变励磁电流中的至少一个。

同步发电机的磁极转子在同步发电机运行时在磁极转子中提供磁场，所述磁场在磁极转子转动时引起电压感应从而引起其电流。只要磁场没有借助于永磁体来提供，所述磁场通常通过直流电流来提供，所述直流电流流过转子磁极的磁极线圈从而产生相关的磁场。根据在其中运行相关的同步发电机的风能设备的运行状态，能够设有磁极转子的磁场的改变进而励磁电流的改变。但是，所述改变通常涉及整个磁极转子并且在已知的风能设备中，同步发电机在构造上也根本不设置用于对一个或多个励磁电流进行有差别的控制。

相反地，现在提出，将转子磁极的至少一个励磁电流相对于同一磁极转子的另一个转子磁极的另一个激励电流改变。因此，在磁极转子之内出现励磁电流的有差别的改变进而有差别的控制。所述控制能够考虑磁极转子之内的不对称性或磁极转子的不对称性并且在控制技术方面目的明确地作用。替选地或补充地，控制装置准备用于：根据磁极转子的位置改变励磁电流中的至少一个，尤其由此能够实现循环周期性的改变。这根本上不同于迄今已知的在任何情况下根据风能设备的运行状态、尤其是根据存在的风速对磁极转子的整个励磁电流的设定。这种根据磁极转子的位置进行的控制必须明显更快地进行并且此外——替选地或附加地——考虑另外的输入参数，至少一个另外的输入参数。

尤其地，控制装置准备用于：如在上文中结合用于控制风能设备的方法实施的那样对同步发电机进行控制。

优选地，对于磁极线圈中的多个、尤其对于每个磁极线圈设有至少一个单独控制机构以用于对相关的励磁电流进行改变、尤其是扼流。由此，能够单独地对多个、尤其是每个磁极线圈分别控制励磁电流。由此，总体上能够实现对磁极转子的或同步发电机的励磁电流相应有差别地控制进而对磁场有差别地控制。这种单独控制结构能够是开关，尤其是半导体开关，例如晶体管或晶闸管。

根据一个设计方案，风能设备包括至少一个用于测量在各个转子磁极的区域中的气隙厚度的距离测量机构和/或用于测量在各个转子磁极的区域中的气隙中的磁通量密度的通量密度测量机构，其中距离测量机构或通量密度测量机构与控制装置连接，使得能够根据测量的气隙厚度和/或根据测量的磁通量密度对至少一个励磁电流进行控制。因此提出，用于测量气隙厚度和/或气隙中的磁通量密度的测量机构与控制装置联接，使得气隙厚度或磁通量密度影响励磁电流控制装置。尤其地，进行控制，使得励磁电流在——例如与平均的气隙厚度相比——更大的气隙厚度的情况下增大。同样，相关的励磁电流在——例如与平均的磁通量密度相比——更弱的磁通量密度的情况下同样也能够增大。由此，能够以简单的方式使用以补偿的方式作用的励磁电流控制装置。

优选地，同步发电机构成为环形发电机。环形发电机是定子的和转子的以磁性方式作用的元件大致环形的、即沿着气隙构成的发电机。一个或多个磁场——根据观察方式——基本上在所述环的区域中、即在气隙的区域中构成并且磁场线因此基本上没有伸展穿过发电机的旋转中心。尤其地，一个优选的实施形式涉及具有至少20个、至少30个、尤其至少40个转子磁极的多极转子。这种环形发电机具有相对大的直径并且通常为其稳定性需要相应大的进而重的结构。所提出的发明完成下述可能性，通过目的明确的控制技术方面的作用至少部分地均衡可能的不对称性和/或取决于运行的变形。相应地，结构为了稳定转子或磁极转子能够更薄地构成，这能够实现材料节约。此外，在应用多极发电机的情况下，例如在磁极转子的每个磁极中出现对励磁电流控制的多种作用可能性。

此外，根据本发明提出一种同步发电机，所述同步发电机具有结合风能设备所描述的发电机特征、包括所应用的控制装置的特征并且优选地准备用于实施所描述的方法中的一个。也将用于风能设备的同步发电机的额定功率的大小视为其特征。优选地，这种同步发电机具有至少100kW、更优选地至少250kW、并且尤其至少500kW、更优选地至少1MW的额定功率。优选地，同步发电机设有为2MW的额定功率或大于2MW的功率。这种同步发电机能够设置用于应用在现代的风能设备中。

有利地，根据本发明的方法和/或根据本发明的风能设备和/或根据本发明的同步发电机与具有大于2米、尤其大于3米并且尤其优选地大于5米、例如为7米或10米的直径的气隙直径的同步发电机一起使用或作为所述同步发电机使用。在决定相应大的转子直径的这样大的气隙直径的情况下，传统的同步发电机的材料负荷是尤其大的，并且本发明因此实现相应的节约潜能。此外，在这样大的直径的情况下，通过控制励磁电流来考虑对当前的几何形状相应强的影响。

本发明尤其涉及同步发电机，在所述同步发电机中，借助于一个励磁电流或多个励磁电流在磁极转子中产生磁场。同样，本发明能够补充地用在同步发电机中，所述同步发电机具有带有永磁体的磁极转子。

附图说明

现在在下面参照附图示例性地根据实施例详细阐明本发明。

图1阐明发电机的定子和磁极转子的中心的偏心距的示例的示意剖面图。

图2阐明由于转子的偏心距引起的可能的不对称性的示意轴视图。

图3示出由于同步发电机的转子的偏心距所引起的不对称性的另一个示例的示意轴视图。

图4示意地示出在同步发电机中的磁力密度关于相应的气隙厚度的关系的示意轴视图。

图5示出风能设备的环形发电机的一部分的立体图。

图6在同步发电机的示意子视图中示意地示出在不同的磁极线圈中的励磁电流的控制的关系和作用。

图7示意地在解决方案的示例中示出单独的转子电流控制的仪器使用，所述解决方案应用磁极转子的相应的磁极的整个线圈。

图8示意地在仅将磁极转子的每个磁极线圈的一部分用于改变相关的励磁电流时示出执行转子电流控制。

图9示意地示出风能设备的立体图。

具体实施方式

下面根据一些示意图来阐述本发明。许多相似的元件在不同的视图中部分不同地示出。为了简化可视性，对相同的、但是必要时不相同的元件、尤其是功能相同的元件使用相同的附图标记。

在图1中作为环形发电机示出的同步发电机1具有定子2和转子4。转子4承载多个转子磁极6，仅示例性地示出所述转子磁极中的一些。在其外部环周通过转子磁极6确定的转子4和定子2之间存在气隙8，所述气隙的厚度δ能够发生改变。图1阐明性地并且示例性地示出定子中心12和转子中心14。理想地，这两个中心12和14应当相互重叠。然而，如果这两个中心没有相互重叠，那么由此能够产生不同的气隙厚度δ，如在图1中阐明的那样。中心的偏移能够称作偏心距Δ。为了能够考虑所述偏心距Δ的不同的方向，在图1中示例性地提出在第一方向上的偏心距Δ_x和在与第一方向垂直的第二方向上的偏心距Δ_y。转子4也能够称作磁极转子4。

图2阐明气隙厚度δ通过同步发电机的构件的、尤其是转子的偏心距所引起的改变。为了阐明，在图2中基本上仅示出气隙8，即转子4的外部限界和对定子2的内部限界。图2的示例示出在主要方向上的偏心距，即根据视图基本上向上和向下。由此造成气隙8的变化，所述变化造成在一个区域中的小的气隙厚度δ₁和在另一个区域中的大的气隙厚度δ₂。在图1中示出的偏心距能够导致通过偏心距所引起的变化。由于偏心距所引起的变形能够通过力的、例如惯性力、重力和磁力的影响而引起或增强。

图3示出由于偏心距在两个主要方向上出现的变形的不同的气隙厚度δ₁和δ₂的另外的示例。因此，转子4——通过夸大的视图阐明地——具有趋于正方形的变形。

在足够相同地对磁极转子的磁极线圈通电的情况下，在气隙中出现磁通量密度，所述磁通量密度也称作磁感应强度，所述磁感应强度与气隙δ的局部厚度相关。气隙的厚度的所述局部相关性的直接后果在气隙厚度非恒定的情况下是在构件的表面上的不同的径向力密度在此，——清楚指明地——描述面部段的径向力，所述面部段作为提出。因此，在气隙厚度较小的情况下，得出较高的力密度。

图4阐明在示意性地大大简化地示出的同步发电机1中的磁力F_mr。根据图4的视图，转子4以其转子中心14相对于定子中心12偏移，由此产生具有不同的气隙厚度δ的气隙8。气隙8对此夸大地示出，以便根据原理阐述不同的气隙厚度δ。图4以对磁极线圈均匀地通电为出发点，使得在几何形状对称的情况下也得出力密度的均匀的分布。然而，由于不同的气隙厚度，得出不同的大的径向力从而得出不同的大的径向力密度在图4中阐明贯穿力箭头16的相应长度的力。沿着力箭头16的箭头的虚线能够阐明不对称地围绕转子4构成的力场。通过夸大的视图，图4阐明：气隙厚度δ越小，磁力就越大。

在气隙厚度较小的情况下产生较高的径向的力密度的效应引起气隙8的厚度δ的差异的增大，所述差异参考图1至3阐明，即通过偏心距和弹性所引起的差异。在此，所述效应引起定子和磁极转子或转子上的未被补偿的磁力。从通过图4中的力箭头16阐明的径向的、磁力密度中通过将径向的磁力密度在整个面积上根据下式积分得出未被补偿的磁力F_mr：

$F_{mr}\underset{A}{\∫}\frac{{\mathrm{\δF}}_{mr}}{\mathrm{\δ}A}\mathrm{\δ}A$

为了介绍用于风能设备的同步发电机的大小，在图5中示出同步发电机1的一部分。图5的视图示出定子支架18，所述定子支架具有多个定子承载臂20并且从而看上去大概是星形的并且也称作星形的支架或以英语标记“star-carrier，星状支架”表示。图5也示出具有位于外部的定子2和位于内部的转子4、即所谓的内部转子的同步发电机1。气隙8在图5中虽然不可见，但是其大概的位置也在那里通过附图标记8示出。为了阐明同步发电机1的大小，示出人员22，所述人员从事于风能设备的安装。在工作筐的区域中，可能存在定子中心12还有转子中心14。示出的同步发电机1在气隙处例如具有10m的直径——也称作气隙直径——从而气隙厚度δ仅为几毫米。

因此清楚的是，虽然气隙的变化没有以如同根据图1至4的夸大的视图的数值推出的那样的量出现，气隙的厚度的例如为一毫米的变化仍然能够在气隙直径为10m的情况下根据涉及的构件的加固而出现，气隙的厚度的为1mm的变化在该实例中测量的情况下相应于气隙的直径的万分之一，即直径仅以0.01％变形。

为了避免磁极转子和定子的接触，机械地加固这两个构件，使得通过制造公差和安装公差以及通过材料弹性不可避免地引起的未被补偿的磁力能够由承载构造吸收。这种承载构造形成图5的定子支架18，所述定子支架也称作定子的发电机星形件。在此，图5示出名称为Enercon股份有限公司的E112的风能设备的定子的发电机星形件。

随着环形发电机的直径增大，由此产生的材料使用大大增多并且显著提高发电机质量。本发明意在减少环形发电机的所述缺点，尤其即在同步发电机进而风能设备整体的可靠性和安全性尽可能不减小的情况下减少材料的可能性。

为了抵抗不对称性和由此产生的结果和危险，根据各个局部的气隙厚度δ来控制所有的或一些磁极线圈的电流I，使得关于磁感应强度B的差异尽可能小。这在图6中示例性地在第一转子磁极30和第二转子磁极40上阐明。所述转子磁极30和40仅示例性且代表性地对其他的没有示出的磁极示出，尤其地，根据图6的视图在第一和第二转子磁极30、40之间也存在另外的转子磁极。尤其地，本发明还有图6的视图也涉及具有四极的转子4的同步发电机1。在这两个转子磁极30和40的每个之间构成气隙8，所述气隙具有不同的厚度，即在第一转子磁极30中的气隙厚度δ₁和在第二转子磁极40中的厚度δ₂。相应地，出现具有磁感应强度B₁或B₂的第一或第二磁场。转子磁极30和40中的每个分别具有磁极线圈32或42，所述磁极线圈包围相应的芯34或44，所述芯在相关的转子磁极30或40中引导磁场。磁场通过相应的励磁电流I1或I2产生，所述励磁电流流过磁极线圈32或磁极线圈42。

磁感应强度B₁或B₂与气隙厚度δ₁或δ₂相关并且此外能够通过相应地控制相应的励磁电流I1或I2受到影响。由此，根据本发明对磁感应强度B₁或B₂从而还对气隙厚度δ₁或δ₂产生影响。如果例如第一转子磁极30的气隙厚度δ₁小于第二转子磁极40的气隙厚度δ₂，那么提出，将励磁电流I1设定成小于励磁电流I2。优选地，进行设定，使得在两个转子磁极30和40中的磁感应强度是相等的，使得因此尽可能满足方程B₁＝B₂。

在图7中绘制技术应用的可能性。因此，在一些转子磁极上、优选在每个转子磁极上能够设置厚度传感器和/或磁场传感器，所述磁场传感器也称作“B”传感器。作为磁场传感器例如考虑霍尔探头。图7例如为第一转子磁极30示出磁场传感器50，所述磁场传感器测量磁场，即测量在所述第一转子磁极30中的气隙8中的磁感应强度。结果提供给控制单元52，所述控制单元也能够称作“控制器”。所述控制单元对磁场传感器50的结果进行评估并且将控制信号提供给执行机构54，所述执行机构能够构成为晶体管或者能够具有至少一个晶体管以作为用于实施电流控制的主要器件。控制信号能够传送占空比TV，所述占空比为电流控制提供脉冲-间隔比，即脉冲持续时间对周期的整个持续时间、即脉冲和间隔的总和的比。那么，执行机构54根据磁场传感器50的测量结果对流过第一转子磁极30的磁极线圈32的场电流I1进行控制。执行机构54对此能够经由直流端子56由直流电流供给。在转子4围绕其转子中心14转动期间，控制单元52附加地能够从转角传感器58获得关于转子4的当前转角的信息。由此，能够应用附加的信息，所述信息提前被记录并且与转子4的进而示例性示出的第一转子磁极30的绝对位置相关。也能够从转角传感器中推导出转子4的转速，并且在控制器中相应地设定控制。

例如，在控制单元52中执行的调整器的动态、即调整快速性与转速相关。此外，借助于分别测定的转角和磁场传感器50的——或厚度传感器的——结果能够记录转角相关的数值、尤其是转角相关的非对称性，以便对控制进行改进，尤其是随着转子4的执行的转动的数量的增大进行改进。

图8示出另外的实施形式，因此第一转子磁极30’具有磁极线圈32’，所述磁极线圈划分成第一线圈部分60和第二线圈部分62。恒定的电流部分I_C流过第一线圈部分60，并且可变的电流部分I_V流过第二线圈部分62。这两个电流一起形成总励磁电流I₁。根据所述设计方案，因此，仅可变的电流I_v由执行机构54’控制。由此，执行机构54的尺寸与当总电流I₁必须流过所述执行机构54’时相比能够更小地设计。同时，励磁电流I₁的过强的、尤其有缺陷地过强的变化通过恒定的电流部分I_C受到阻碍。在此也能够根据借助于磁场传感器50’对磁感应强度的测量并且在另外应用同样能够设计成微处理器并且称作控制器的控制单元52’的情况下进行控制。控制单元52’相应地将控制信号提供给执行机构54’。图8的控制单元52’也能够处理其他的信息，例如对转角传感器和/或提前确定的测量值或在运行过程中继续测定的测量值的测量。

因此，提出不同的变型形式，提出用于各个转子磁极或用于转子磁极组的个体化的励磁电流控制装置。能够考虑连接磁极转子的每个磁极的全部线圈或者磁极转子的每个磁极的部分线圈。为了控制，能够应用降压或升压变换器，所述降压或升压变换器例如能够形成图7的执行机构54或图8的执行机构54’。这种降压或升压变换器能够设为用于单个磁极或用于磁极组。优选地，提出应用计算单元和/或应用厚度传感器和/或感应传感器。优选地，此外，提出转角传感器。

图9示出风能设备的立体视图。所述风能设备具有吊舱，所述吊舱具有带有三个转子叶片的转子，所述吊舱以其位置可变的方式设置在塔上。根据本发明的同步发电机并且相应地同步发电机的根据本发明的控制装置位于吊舱中例如在毂或毂盖的区域中，所述毂或毂盖基本上表示风能设备的不带有转子叶片的转动部分。

Claims (17)

1.一种用于控制风能设备的方法，所述风能设备具有构成为环形发电机的同步发电机(1)，所述发电机具有：定子(2)；磁极转子(4)，所述磁极转子具有至少两个转子磁极(6)，所述转子磁极各自具有磁极线圈(32，42)以用于产生在相应的所述转子磁极(6)中引导的磁场；和在定子(2)和磁极转子(4)之间的气隙(8)，所述方法包括下述步骤：

-分别控制穿过每个磁极线圈(32，42)的励磁电流，

-将所述励磁电流中的至少一个相对于所述励磁电流中的至少另一个改变，其中关于相应的转子磁极单独地控制所述励磁电流中的至少一个，和/或

-根据所述磁极转子(4)关于所述定子(2)的位置改变所述励磁电流中的至少一个，其中关于相应的转子磁极单独地控制所述励磁电流中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，循环周期性地改变所述励磁电流中的至少一个和/或相对于另一个励磁电流非同步地控制所述励磁电流中的至少一个和/或以恒定的补偿分量减小或增大所述励磁电流中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据相关的所述转子磁极(6)相对于所述定子(2)的暂时距离对至少一个转子磁极(6)的励磁电流进行控制。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据在相关的所述转子磁极(6)的区域中的暂时磁场对至少一个转子磁极(6)的励磁电流进行控制。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述定子(2)、所述磁极转子(4)和/或所述气隙的提前测定的不对称性对所述励磁电流中的至少一个进行控制。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对至少一个励磁电流进行控制，使得至少部分地抵抗气隙厚度的循环周期性的改变和/或气隙厚度在周向方向上的改变。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

-测量在至少一个转子磁极(6)的区域中的气隙厚度和/或

-测量在至少一个转子磁极(6)的区域中的气隙中的磁通量密度并且

对所述励磁电流中的至少一个

-根据至少一个所测量的气隙厚度和/或

-根据至少一个所测量的磁通量密度

进行控制。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

当在所述转子磁极(6)的区域中的气隙厚度增大时，至少一个转子磁极(6)的励磁电流增大，和/或当在所述转子磁极(6)的区域中的气隙厚度减小时，所述转子磁极(6)的励磁电流减小。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

至少一个所述励磁电流的改变仅在相关的磁极线圈(32，42)的一部分中进行和/或至少一个励磁电流改变成，使得相应的磁极线圈(32，42)的一部分电接通或电关断。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据在相关的所述转子磁极(6)的区域中的暂时气隙厚度对至少一个转子磁极(6)的励磁电流进行控制。

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据在相关的所述转子磁极(6)和所述定子(2)之间的区域中的气隙中的暂时磁场对至少一个转子磁极(6)的励磁电流进行控制。

12.一种风能设备，包括

-构成环形发电机的同步发电机，所述发电机具有

-定子(2)，

-磁极转子(4)，所述磁极转子具有至少两个转子磁极(6)，所述至少两个转子磁极分别具有磁极线圈(32，42)以用于产生在相应的转子磁极(6)中引导的磁场，和

-在定子(2)和磁极转子(4)之间的气隙，

-控制装置，用于分别对穿过每个所述磁极线圈(32，42)的励磁电流进行控制，

-所述控制装置准备用于：

-将所述励磁电流中的至少一个相对于所述励磁电流中的至少另一个改变，其中关于相应的转子磁极单独地控制所述励磁电流中的至少一个，和/或

-根据所述磁极转子(4)关于所述定子(2)的位置改变所述励磁电流中的至少一个，其中关于相应的转子磁极单独地控制所述励磁电流中的至少一个，

其中在所述磁极线圈(32，42)的至少一个中设有用于对相关的励磁电流进行改变的单独控制机构。

13.根据权利要求12所述的风能设备，所述风能设备包括用于对各个转子磁极(6)的区域中的所述气隙厚度进行测量的至少一个距离测量机构和/或用于对各个转子磁极(6)的区域中的所述气隙中的磁通量密度进行测量的至少一个通量密度测量机构，其中所述距离测量机构或所述通量密度测量机构与所述控制装置连接，使得能够根据测量的气隙厚度和/或根据测量的磁通量密度来控制至少一个励磁电流。

14.根据权利要求12所述的风能设备，其特征在于，为所述磁极线圈(32，42)中的至少一个设有用于对相关的励磁电流进行扼流的单独控制机构。

15.根据权利要求12所述的风能设备，其特征在于，为每个磁极线圈(32，42)设有用于对相关的励磁电流进行改变的单独控制机构。

16.一种使用在风能设备中用于将通过风引起的转动运动转化成电能的、构成为环形发电机的同步发电机，包括：

-定子(2)，

-磁极转子(4)，所述磁极转子具有至少两个转子磁极(6)，所述至少两个转子磁极分别具有磁极线圈(32，42)以用于产生在相应的所述转子磁极(6)中执行的磁场，

-在定子(2)和磁极转子(4)之间的气隙，

-用于分别对穿过每个所述磁极线圈(32，42)的励磁电流进行控制的控制装置，并且其中

-所述控制装置准备用于：

-将所述励磁电流中的至少一个相对于所述励磁电流中的至少另一个改变，其中关于相应的转子磁极单独地控制所述励磁电流中的至少一个，和/或

-根据所述磁极转子(4)关于所述定子(2)的位置改变所述励磁电流中的至少一个，其中关于相应的转子磁极单独地控制所述励磁电流中的至少一个，

其中在所述磁极线圈(32，42)的至少一个中设有用于对相关的励磁电流进行改变的单独控制机构。

17.根据权利要求16所述的同步发电机，其特征在于，所述风能设备是根据权利要求12至15中的任一项所述的风能设备。