DE10150766A1

DE10150766A1 - Linear generator e.g. for wind power plant, has moving magnetisable core on which coil(s) is arranged and shaped to enclose opening, so that gap is formed between its opposing ends in which stator lies

Info

Publication number: DE10150766A1
Application number: DE2001150766
Authority: DE
Inventors: Andreas Rudolph
Original assignee: INGBUERO fur ENERGIETECHNIK
Current assignee: INGBUERO fur ENERGIETECHNIK
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2001-10-13
Publication date: 2003-04-17

Abstract

The linear generator has at least one stator (6) on which several mutually isolated coils (stator coils) (3) with magnetisable cores (4) are mounted and at least one moving element (1) consisting of a magnetisable core on which at least one coil is arranged and shaped to enclose an opening, whereby a gap is formed between its opposing ends in which the stator lies.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lineargenerator zur Umwandlung einer linearen Bewegung in elektrische Energie. The invention relates to a linear generator for converting a linear Movement in electrical energy.

Das physikalische Grundprinzip des Lineargenerators ist bekannt. Transversal oszillierende mechanische Längsbewegungen werden in elektrischen Strom umgewandelt. Als magnetische Induktionsquellen werden Permanentmagnete oder Elektromagnete eingesetzt. Durch die transversal oszillierende Längsbewegung wird eine magnetische Flußänderung in einem magnetischen Kreis erzeugt. Innerhalb des magnetischen Kreises befindet sich eine Spule, in der eine durch die magnetische Flußänderung induzierte Spannung abgegriffen werden kann. The basic physical principle of the linear generator is known. transversal oscillating mechanical longitudinal movements are in electrical current converted. Permanent magnets are used as magnetic induction sources or electromagnets used. Due to the transversely oscillating Longitudinal movement becomes a magnetic flux change in a magnetic circuit generated. Inside the magnetic circuit is a coil in which tapped a voltage induced by the magnetic flux change can be.

Der Lineargenerator besteht aus einem bewegbaren Aktuator, der die transversal oszillierende Längsbewegung durchführt, und einen magnetisierbaren Stator, der ein Teil des magnetischen Kreises ist, der durch einen Spalt unterbrochen ist. Der Aktuator bewegt sich in dem Bereich des Spaltes und besitzt magnetische oder magnetisierbare Abschnitte, die den magnetischen Kreis schließen. Dabei befinden sich die Abschnitte in den Wendepunkten der Oszillationsbewegung jeweils in dem Bereich eines Spaltes, der durch zwei Pole des Stators gebildet wird und definieren damit einen Arbeitsbereich des Aktuators. The linear generator consists of a movable actuator, which transversely oscillating longitudinal movement, and a magnetizable Stator, which is part of the magnetic circuit passing through a gap is interrupted. The actuator moves in the area of the gap and has magnetic or magnetizable sections that make up the magnetic circuit conclude. The sections are located at the turning points of the Oscillatory movement in each case in the area of a gap which is defined by two poles of the Stator is formed and thus define a working area of the actuator.

Der in DE 198 57 433 offenbarte zylinderförmige Lineargenerator hat nach Fig. 1b einen kreisförmigen Querschnitt. Der Stator ist zweiteilig aufgebaut und weist einen radial außenliegenden Teil und einen radial innenliegenden Teil, das heißt den magnetischen Rückschluß, auf. Der radial außenliegende Teil und der radial innenliegende Teil sind durch einen Spalt getrennt. Der Aktuator liegt in dem Spalt und führt dort eine transversal oszillierende Längsbewegung aus. Der radial außenliegende Teil des Stators trägt eine ringförmige Spule. The cylindrical linear generator disclosed in DE 198 57 433 has a circular cross section according to FIG. 1b. The stator is constructed in two parts and has a radially outer part and a radially inner part, that is to say the magnetic yoke. The radially outer part and the radially inner part are separated by a gap. The actuator lies in the gap and executes a transversely oscillating longitudinal movement there. The radially outer part of the stator carries an annular coil.

WO 98/31090 offenbart einen Lineargenerator, bei dem ein beweglicher Magnet von zwei oder mehr Spulen eingeschlossen ist. Der Magnet bewegt sich linear oder im wesentlichen linear. Die Spulen sind so voneinander beabstandet, daß der Strom, der in der ersten Spule infolge der Bewegung des Magneten erzeugt wird, annähernd in Phase mit dem Strom ist, der in der zweiten Spule erzeugt wird. WO 98/31090 discloses a linear generator in which a movable magnet is enclosed by two or more coils. The magnet moves linearly or essentially linear. The coils are spaced apart so that the current generated in the first coil due to the movement of the magnet is approximately in phase with the current generated in the second coil becomes.

Diese und vergleichbare Lineargeneratoren sind somit kaum für Windkraftanlagen geeignet, bei denen sich die vom Wind beaufschlagten Teile der Windkraftanlage hin- und herbewegen und sich nicht drehen. Für derartige Windkraftanlagen werden somit Generatoren eingesetzt, bei dem ein Teil des Generators, zumeist der Anker, eine rotatorische Bewegung ausführt. Es ist also erforderlich, daß die mechanische Energie in eine Drehbewegung umgesetzt wird, da erst diese Drehbewegung zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Das ist jedoch mit einer erheblichen Verringerung des Wirkungsgrades derartiger Windkraftanlagen verbunden. These and comparable linear generators are therefore hardly suitable for Suitable wind turbines in which the parts of the Move the wind turbine back and forth and do not turn. For such Wind turbines are therefore used generators in which a part of the generator, mostly the anchor performs a rotational movement. So it is required that the mechanical energy is converted into a rotary motion because only this rotary motion can be used to generate electrical energy can. However, this is with a significant reduction in efficiency such wind turbines connected.

Die Erzeugung von elektrischem Strom durch Nutzung oszillierender Längsbewegungen ist besonders auch deswegen vorteilhaft, weil der überwiegende Teil der in der Natur vorkommenden Bewegungen lineare oder annähernd lineare Bewegungen oder Bewegungen mit einer flachen Ortskurve wie Wellenbewegungen sind. The generation of electrical power by using oscillating Longitudinal movements are particularly advantageous because the majority the movements occurring in nature are linear or approximately linear Movements or movements with a flat locus like Are wave movements.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dabei steht die Aufgabe, einen verbesserten Lineargenerator mit höherem Wirkungsgrad vorzuschlagen. Der Generator sollte insbesondere für Windkraftanlagen geeignet sein, bei denen sich die vom Wind beaufschlagten Teile der Windkraftanlage hin- und herbewegen und sich nicht drehen. It is therefore an object of the present invention to overcome the disadvantages described above to overcome the state of the art. The task here is one propose improved linear generator with higher efficiency. The Generator should be particularly suitable for wind turbines where there are move the wind turbine parts back and forth and don't turn.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 17. This object is solved by the features of claim 1. expedient Embodiments of the invention result from the features of Claims 2 to 17.

Nach Maßgabe der Erfindung ist somit ein Lineargenerator zur Umwandlung einer linearen Bewegung in elektrische Energie vorgesehen, der zumindest einen Stator, auf dem mehrere, gegeneinander isolierte Spulen (Statorspulen) mit magnetisierbarem Kern angeordnet sind; und zumindest einen Läufer umfaßt, der aus einem magnetisierbaren Kern besteht, auf dem zumindest eine Spule (Läuferspule) angeordnet ist, wobei der magnetisierbare Kern des Läufers derart geformt ist, daß er eine Öffnung umschließt, wobei zwischen seinen beiden, sich gegenüberliegenden Enden ein Spalt ausgebildet ist, in dem der Stator verläuft. According to the invention, a linear generator is therefore for conversion a linear movement in electrical energy is provided, at least a stator on which several coils (stator coils) isolated from one another magnetizable core are arranged; and includes at least one runner, which consists of a magnetizable core on which at least one coil (Rotor coil) is arranged, wherein the magnetizable core of the rotor is shaped such that it encloses an opening, with between its two, opposite ends a gap is formed in which the stator runs.

Der Stator ist säulenförmig aufgebaut. Auf der Säule sind die Generatorspulen parallel zueinander angeordnet. Bei einer senkrecht stehenden Säule sind die Generatorspulen somit übereinander, bei einer waagerecht stehenden Säule nebeneinander angeordnet. The stator has a columnar structure. The generator coils are on the column arranged parallel to each other. In the case of a vertical column, these are Generator coils thus one above the other, with a horizontal column arranged side by side.

Mittels des erfindungsgemäßen Lineargenerators wird somit die mechanische Bewegung des Läufers in elektrische Energie umgewandelt, die in den Generatorspulen induziert wird, wobei ein harmonischer oder pulsierender Wechselstrom erhalten wird. Dieser Wechselstrom kann mittels eines Gleichrichters in Gleichstrom umgewandelt werden und gegebenenfalls in ein lokales Netz eingespeist oder mittels eines Wechselrichters wieder in einen Wechselstrom umgewandelt werden. By means of the linear generator according to the invention, the mechanical Movement of the runner converted into electrical energy in the Generator coils is induced, being a harmonic or pulsating AC is obtained. This alternating current can be in using a rectifier Direct current can be converted and, if necessary, into a local network fed in or into an alternating current by means of an inverter being transformed.

Der durch die Stärke der Erregerspule und die relative Bewegung des Läufers in bezug auf den Stator in der Generatorspule induzierte Strom kann durch Änderung der Erregung manipuliert werden. Dies führt jedoch zu einer Verringerung des Bewegungswiderstandes. By the strength of the excitation coil and the relative movement of the rotor current induced with respect to the stator in the generator coil can be by Change in arousal can be manipulated. However, this leads to a Reduction of resistance to movement.

Der Lineargenerator ist zweckmäßigerweise als Hochpolgenerator ausgeführt, das heißt die Polabstände liegen relativ eng zusammen. The linear generator is expediently designed as a high-pole generator, that means the pole distances are relatively close together.

Der erfindungsgemäße Lineargenerator kann die in der Natur vorherrschenden linearen oder annähernd linearen Bewegungen direkt in elektrische Energie umwandeln. Demzufolge kann der Lineargenerator vorteilhaft bei Windkraftanlagen in Verbindung mit pendelnder Bewegung, Wellenkraftwerken in Verbindung mit auf dem Wasser schwimmenden Systemen, Wasserkraftwerken oder Gezeitenkraftwerken eingesetzt werden. Darüber hinaus kann er zum Abmessen kontinuierlicher Fallbewegungen, beispielsweise in Verbindungen mit Bremssystemen bei Fahrstühlen, eingesetzt werden. Weiterhin kann der Lineargenerator dazu verwendet werden, die Fallbewegung von Wasser auch bei geringem Gefälle in Elektroenergie umzuwandeln. Dies bietet die Möglichkeit, auch kleine Wasserkraftwerke ("Mikrowasserkraftwerke") zu errichten. The linear generator according to the invention can prevail in nature linear or nearly linear movements directly into electrical energy convert. As a result, the linear generator can be advantageous Wind turbines in connection with oscillating motion, wave power plants in Connection to systems floating on water, hydropower plants or Tidal power plants are used. In addition, he can Measure continuous falling movements, for example in connection with Brake systems for elevators are used. Furthermore, the Linear generator can also be used to make the falling movement of water converting a small gradient into electrical energy. This offers the opportunity also to build small hydropower plants ("micro hydropower plants").

Zweckmäßigerweise weist der magnetisierbare Kern des Läufers die Form eines Hufeisens, einer geöffneten Zange, eines offenen Ringes oder einer offenen Ellipse auf oder ist U-förmig. In dem Spalt zwischen den beiden Enden des magnetisierbaren Kerns verläuft der Stator. The magnetizable core of the rotor expediently has the shape a horseshoe, an open pair of pliers, an open ring or one open ellipse or is U-shaped. In the gap between the two ends of the The stator runs through a magnetizable core.

Die Läuferspule kann die Erregerspule bilden, während die Statorspulen die Generatorspulen bilden können. Die Läuferspule erzeugt dabei ein Magnetfeld, das in dem magnetisierbaren Kern des Läufers über den Spalt (Luftspalt) zum Stator fortgeleitet wird. The rotor coil can form the excitation coil, while the stator coils can Can form generator coils. The rotor coil generates a magnetic field that in the magnetizable core of the rotor via the gap (air gap) to Stator is forwarded.

Alternativ kann auch die Läuferspule die Generatorspule bilden, während die Statorspulen die Erregerspulen bilden können. Alternatively, the rotor coil can also form the generator coil, while the Stator coils that can form excitation coils.

Zweckmäßigerweise ist der Abstand zwischen benachbarten Statorspulen auf dem Stator identisch, wobei die Statorspulen fest miteinander verbunden sein können. Alternativ können benachbarte Spulen auch unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen, so daß über den Abstand der Spulen zueinander Geschwindigkeitsvarianten des Läufers ausgeglichen werden können. Der Stator kann stationär oder mit zumindest einem Freiheitsgrad beweglich sein. Der stationäre Stator (6) ist vorzugsweise auf festem Grund verankert. The distance between adjacent stator coils on the stator is expediently identical, it being possible for the stator coils to be firmly connected to one another. Alternatively, adjacent coils can also have different distances from one another, so that speed variants of the rotor can be compensated for by the distance between the coils. The stator can be stationary or movable with at least one degree of freedom. The stationary stator ( 6 ) is preferably anchored on a solid base.

Der Läufer führt zweckmäßigerweise eine pendelnde Bewegung entlang des Stators aus. Diese pendelnde Bewegung erfolgt mit konstanter Geschwindigkeit, gleichmäßiger Beschleunigung oder veränderlicher Beschleunigung. The runner expediently performs an oscillating movement along the Stator. This oscillating movement takes place with constant Speed, steady acceleration or variable acceleration.

Vorzugsweise umfaßt der Lineargenerator weiterhin ein Halte- und Führungssystem für die einzelnen, zum Teil beweglichen Komponenten des Generators. Dieses System sollte durch die Öffnung des Läufers verlaufen. Das Halte- und Führungssystem kann eine Einrichtung zur Kühlung des Lineargenerators und/oder eine Einrichtung zur Ableitung des in der Generatorspule erzeugten Stromes umfassen. The linear generator preferably further comprises a holding and Guide system for the individual, partly movable components of the generator. This system should run through the opening of the runner. The holding and Guide system can be a device for cooling the linear generator and / or a device for deriving the generated in the generator coil Include current.

Der Generator ist insbesondere für Windkraftanlagen geeignet, bei denen sich die vom Wind beaufschlagten Teile (Pendel) der Windkraftanlage hin- und herbewegen und sich nicht drehen. Jedes Pendel kann beispielsweise einen Läufer mit Erregerspule tragen, so daß in einem in bezug auf die Läuferspule stationären Stator aufgrund der Pendelbewegung Strom induziert wird. The generator is particularly suitable for wind turbines in which the parts (pendulum) of the wind turbine that are affected by the wind move around and don't turn. For example, each pendulum can have one Carrying runners with excitation coil so that one with respect to the rotor coil stationary stator is induced due to the pendulum current.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen In the following, the invention is based on exemplary embodiments with reference explained in more detail on the accompanying drawings, in which

Fig. 1a eine schematische Darstellung eines Läufers einer ersten Ausführungsform in Draufsicht; Figure 1a is a schematic representation of a rotor of a first embodiment in plan view.

Fig. 1b eine schematische Darstellung eines Lineargenerators der ersten Ausführungsform in Seitenansicht; FIG. 1b is a schematic representation of a linear generator of the first embodiment in side elevation;

Fig. 1c eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform in Seitenansicht; Fig. 1c is a schematic representation of the first embodiment in side view;

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform in Draufsicht; Figure 2a is a schematic representation of a second embodiment in plan view.

Fig. 2b eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform in Seitenansicht; Figure 2b is a schematic illustration of the second embodiment in side view.

Fig. 3a eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform in Draufsicht und Fig. 3a shows a schematic representation of a third embodiment in plan view and

Fig. 3b eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform in Seitenansicht zeigt. FIG. 3b shows a schematic representation of the third embodiment in side view.

Der in Fig. 1a gezeigte Läufer besteht aus einem zangenförmigen magnetisierbaren Kern 1 und einer Läuferspule 2. Durch die Zangenform des magnetisierbaren Kerns sind die Öffnung 7 und zwischen den Enden 1a, 1b des magnetisierbaren Kerns 1 der Spalt 8 gebildet. In diesem Spalt 8 verläuft, wie in Fig. 1b gezeigt ist, der Stator 6 auf dem die Statorspulen 3 mit magnetisierbaren Kernen 4 angeordnet sind. Durch die Öffnung 7 verläuft das Halte- und Führungssystem 5 für Stator 6 und Läufer sowie weitere Komponenten des Generators. Die auf dem Stator angeordneten Spulen 3 weisen jeweils den gleichen Abstand zu der benachbarten Spule 3 auf (Fig. 1c). The rotor shown in FIG. 1 a consists of a tong-shaped magnetizable core 1 and a rotor coil 2 . The pliers shape of the magnetizable core forms the opening 7 and the gap 8 between the ends 1 a, 1 b of the magnetizable core 1 . The stator 6, on which the stator coils 3 with magnetizable cores 4 are arranged, runs in this gap 8 , as shown in FIG. 1b. The holding and guiding system 5 for the stator 6 and rotor and other components of the generator run through the opening 7 . The coils 3 arranged on the stator are each at the same distance from the adjacent coil 3 ( FIG. 1c).

In Fig. 2a, 2b ist ein Lineargenerator gezeigt, der aus drei miteinander verbundenen Läufern und drei Statoren 6 besteht, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Abstände zwischen auf dem jeweiligen Stator 6 benachbarten Spulen 3 sind auf den drei Statoren 6 identisch, wobei jedoch die Spulen 3 der drei Statoren 6 versetzt zu den Spulen 3 der anderen Statoren 6 angeordnet sind, um einen dreiphasigen Strom zu erzeugen. Die Läuferspulen 2 dienen als Erregerspulen. Mit dieser Anordnung ist es möglich, durch Änderung des zeitlichen Verlaufs und der Amplitude der Erregerspannung einen netzsynchronen Strom zu erzeugen, ohne daß der Bewegungsablauf gestört wird. Jedoch bedingt die ungleichmäßige Kraftwirkung an den einzelnen Statoren 6 erhöhte Anforderungen an das Halte- und Führungssystem 5. In Fig. 2a, 2b, a linear generator is shown, consisting of three interconnected three rotors and stators 6, which are arranged in parallel. The distances between coils 3 adjacent on the respective stator 6 are identical on the three stators 6 , but the coils 3 of the three stators 6 are arranged offset from the coils 3 of the other stators 6 in order to generate a three-phase current. The rotor coils 2 serve as excitation coils. With this arrangement, it is possible to generate a network-synchronous current by changing the time profile and the amplitude of the excitation voltage without the movement sequence being disturbed. However, the non-uniform force effect on the individual stators 6 places increased demands on the holding and guiding system 5 .

Der in Fig. 3a, 3b dargestellte Lineargenerator umfaßt einen Stator 6 und drei Läufer mit zangenförmigen magnetisierbaren Kern 1. Die Läufer sind so angeordnet sind, daß der Stator 6 durch die Spalte 8 der drei Läufer verläuft. Der Abstand zwischen den Läufern ist kleiner als der Abstand zwischen zwei benachbarten Statorspulen 3, so daß bei synchroner Bewegung der drei Läufer ein dreiphasiger Strom induziert wird. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 magnetisierbarer Kern des Läufers
1a, 1b Enden des magnetisierbaren Kerns 1
2 Läuferspule
3 Statorspule
4 magnetisierbarer Kern der Statorspule
5 Halte- und Führungssystem
6 Stator
7 Öffnung
8 Spalt
The linear generator shown in FIGS . 3a, 3b comprises a stator 6 and three rotors with tong-shaped magnetizable core 1 . The rotors are arranged so that the stator 6 runs through the column 8 of the three rotors. The distance between the rotors is smaller than the distance between two adjacent stator coils 3 , so that a three-phase current is induced when the three rotors move synchronously. List of reference numerals used 1 magnetizable core of the rotor
1 a, 1 b ends of the magnetizable core 1
2 rotor coil
3 stator coil
4 magnetizable core of the stator coil
5 holding and guiding system
6 stator
7 opening
8 gap

Claims

1. A linear generator for converting a linear movement into electrical energy, comprising
at least one stator ( 6 ) on which a plurality of mutually insulated coils (stator coils) ( 3 ) with a magnetizable core ( 4 ) are arranged; and
at least one rotor which consists of a magnetizable core ( 1 ) on which at least one coil (rotor coil) ( 2 ) is arranged, the magnetizable core ( 1 ) of the rotor being shaped such that it encloses an opening ( 7 ), a gap ( 8 ) is formed between its two opposite ends ( 1 a, 1 b), in which the stator ( 6 ) runs.

2. Linear generator according to claim 1, characterized in that the magnetizable core ( 1 ) of the rotor has the shape of a horseshoe, an open pair of pliers, an open ring or an open ellipse.

3. Linear generator according to claim 1 or claim 2, characterized in that the rotor coil ( 2 ) form the excitation coil and the stator coils ( 3 ) form the generator coils.

4. Linear generator according to claim 1 or claim 2, characterized in that the rotor coil ( 2 ) form the generator coil and the stator coils ( 3 ) form the excitation coils.

5. Linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between adjacent stator coils ( 3 ) on the stator ( 6 ) is identical, the stator coils ( 3 ) being firmly connected to one another.

6. Linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that the stator ( 6 ) is stationary or movable

7. Linear generator according to claim 6, characterized in that the stationary stator ( 6 ) is anchored on a solid ground.

8. Linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor executes an oscillating movement along the stator ( 6 ).

9. Linear generator according to claim 8, characterized in that the oscillating movement of the runner at constant speed, uniform acceleration or variable acceleration takes place.

10. Linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a holding and guiding system ( 5 ).

11. Linear generator according to claim 10, characterized in that the holding and guiding system ( 5 ) extends through the opening ( 7 ) of the rotor.

12. Linear generator according to claim 10 or 11, characterized in that the holding and guiding system ( 5 ) comprises a device for cooling the linear generator.

13. Linear generator according to one of claims 10 to 12, characterized in that the holding and guiding system ( 5 ) comprises a device for deriving the current generated in the generator coil.

14. Linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises three rotors and three stators ( 6 ), the stators ( 6 ) being arranged parallel to one another.

15. Linear generator according to claim 14, characterized in that the distances between adjacent coils ( 3 ) on the stator ( 6 ) are identical, the coils ( 3 ) of a stator ( 6 ) offset from the coils ( 3 ) of the other stators ( 6 ) are arranged to generate a three-phase current.

16. Linear generator according to one of claims 1 to 15, characterized in that it comprises a stator ( 6 ) and three rotors, the rotors being arranged so that the stator ( 6 ) runs through the column ( 8 ) of the three rotors.

17. Linear generator according to claim 16, characterized in that the distance between the rotors is smaller than the distance between two adjacent stator coils ( 3 ).