DE102004035382A1

DE102004035382A1 - Modularer Generator für getriebelosen Antrieb von Rotoren mit geringer Drehzahl

Info

Publication number: DE102004035382A1
Application number: DE102004035382A
Authority: DE
Inventors: Udo Schmalfus
Original assignee: Schmalfuss Udo Dipl-Ing
Current assignee: Schmalfuss Udo Dipl-Ing
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Der erfindungsgemäße Generator ist gewichtsminimiert mit Verwenden dazu geeigneter moderner Werkstoffe und der damit möglichen Teileform nach biomechanischen Regeln und den entsprechenden Herstellverfahren. Daraus resultieren ökonomische Vorteile für den Hersteller, für den Betreiber und für das Energieangebot. Ziel ist das Erzeugen alternativer Energie zu günstigen Preisen ohne staatliche Subventionen. DOLLAR A Aus dem reduzierten Gewicht resultieren Kostenvorteile beim Transport, bei der Montage auf dem Turm einer Wind-Energie-Anlage oder im Turbinenhaus eines Aufwindkraftwerkes. Die Gewichtsminderung beträgt mindestens 50%. Die Eigenschaften moderner Chemiewerkstoffe sind konsequent genutzt. Damit ist das Weglassen klassischer Bauteile bei gleichzeitigem Verbessern der sekundär-elektrischen Eigenschaften der rotierenden Elektromaschine möglich geworden. Damit einhergehen verbesserte Wirkungsgrade dieser Generatoren. Das Problem der sog. "Lagerströme" mit den damit regelmäßig verbundenen Lagerschäden ist konstruktiv beseitigt. DOLLAR A Mit dem Entfall einer Vielzahl Teile sind die Ausfallgefahren deutlich reduziert. Damit verbunden sind Vorteile der Betriebssicherheit und der Lebensdauer des Generators.

Description

Stand der Technik
Windkraftmaschinen und Aufwindkraftwerke erzeugen Energie als hohes Drehmoment und geringer Drehzahl. Der Antriebsstrang dieser Maschinen zum Antrieb des Generators ist klassisch aufgebaut ab der Rotomabe mit Kupplungen, mehrstufigem Getriebe, Bremse und schließlich Generator.
Mit dieser Anordnung muss das Getriebe die Drehzahl auf eine für den Generator passende Drehzahl gebracht werden. Das Übersetzen in höhere Drehzahlen ist der umgekehrte Fall im Maschinenbau. Wird doch das Getriebe benutzt, um aus kleineren Motoren höhere Drehmomente zu erzeugen. Dieser "umgekehrte Fall" führt zu hohen inneren Widerständen im Getriebe. Es braucht hohe Momente, um Getriebe und Generator anlaufen zu lassen. Die dabei auftretenden Lastspitzen wirken als Schlag auf das Getriebe.
Hinzu kommt die fortwährende Belastung durch die Turbulenzen des Windes. Auch die Windböen äußern sich letztlich als Schlag auf den Antriebsstrang und schlussendlich auf das Getriebe aus.
Die hohe Anzahl ständig stehender Windkraftmaschinen zeigt als Schadensbild für die Betreiber und Versicherer Getriebeschäden Umgerechnet auf die erzeugte Energiemenge ist das wirtschaftlich nicht vertretbar, und es treibt den Preis für diese Energie hoch. Zudem kommt ein schlechtes Erscheinungsbild dieser Technik in die Öffentlichkeit.
Die Maschinenhersteller verwenden als Generatoren vorzugsweise handelsübliche Motoren. Diese sind ausgelegt auf 1500 oder 750 rpm. Daraus ergeben sich die Übersetzungen.
Die Getriebehersteller reagierten mit stabiler ausgelegten Getrieben, die dadurch nicht leichter wurden.
Im Zusammenwirken mit dem Installieren immer größerer Leistungen befinden sich heute Massen von ca. 250 Tonnen auf dem Turm. Diese Massen müssen kontrolliert bewegt sein. Dazu braucht es Antriebe und Bremsen, die das Regulieren auch mit der erforderlichen Schnelligkeit exakt ausführen. Der erforderliche Aufwand ist hoch. Zudem muss der Turm die gesamte Masse tragen, was diesen verteuert.
Das Montieren dieser Massen ist an Land mit hohem Aufwand verbunden. Teilweise werden die Komponenten auf dem Turm erst zur funktionierenden Einheit zusammengebaut. Mehrere Kräne höchster Ausladung und Hubhöhe sind häufig notwendig, Noch höher ist der technische und finanzielle Aufwand im Off-shore-Bereich. Die technischen Mittel sind verfügbar, aber die lange Bereitstellungszeit bis zum Abschluss der Montage verursacht hohe Kosten.
Treten Schadensfälle ein, dann stehen solche Anlagen Tage und Wochen, bis ein Aggregataustausch Erfolgt und die Maschine wieder ans Netz gehen kann.
Diese Schwierigkeiten und die mangelhafte technische Lösung des Übertragens des Drehmoments treten nicht nur bei großen Anlagen auf. Der Fehler ist prinzipiell und tritt daher bei allen Anlagen auf, gleich welcher Leistungsklasse.
noch Stand der Technik
Untersuchungen zeigen, dass zum Erzeugen einer Leistungseinheit eine bestimmte Masse zugeordnet werden kann. Die Lösung mit dem Getriebe im Antriebsstrang hat ein besonders hohes Leistungsgewicht. Hinzu kommt, dass vor und nach dem Getriebe jeweils eine nach dem Drehmoment ausgelegte Kupplung angeordnet ist. Das Gewicht dieser Kupplung, die Wellenzapfen gehören auch dazu, ist absolut totes Gewicht und muss bei anderen technischen Lösungen vollständig entfallen.
Die Entwicklung zu größeren Einheiten, zu größeren Generatorleistungen muss einher mit immer leichteren Komponenten, einschließend den Entfall entbehrlicher Komponenten.
Diese Gewichtsreduktion muss sich auch im Preis darstellen. Also durch geringeres Gewicht, geringeren technischen Aufwand, geringeren Transportaufwand, Reduktion der Montagezeiten, bessere Verfügbarkeit.
Aufwinrindkraftwerke arbeiten mit höheren Windgeschwindigkeiten und etwa 10-facher Drehzahl gegenüber den Windkraftmaschinen. Auch diese Drehzahlen verlangen normalerweise ein Getriebe, wenn mit den gleichen Generatoren gearbeitet werden soll.
Es erscheint sinnvoll, technisch, produktiv und finanziell, mit einer Konstruktion beide Anwendungen zu realisieren.
Das um den Faktor 10 geringere Drehmomente bei gleicher Leistung ermöglicht, mehrere Generatoren gleicher Baugrößen hintereinander anzuordnen und auf weitere Baugrößen zunächst zu verzichten.
Aufgabe:
Entwickeln und konstruieren eines Generators für getriebelosen Antrieb durch die Rotornabe einer Windkraftmaschine oder die Rotomabe einer Windturbine bei Äufwindkraftwerken.
Anforderungen:

– möglichst geringes Leistungsgewicht Richtwert 7,5 kg/kw
– beim Gewichtsvergleich mit Getriebe im Antriebsstrang ist dessen Gewicht mitsamt Kupplung einzubeziehen.
– einfaches und schnelles montieren und demontieren für Generatorwechsel und Inbetriebnahme (Anschluss ans Netz) innerhalb eines Arbeitstages.
– einfaches herstellen der elektrischen Anschlüsse für – Leistung – Überwachung – Regeln – Löschen – Fluten mit Schutzgas (CO² oder N).
– einfaches Andocken des Generators an die Rotornabe des Windrades oder der Windturbine, insbesondere ohne Fügearbeiten auf dem Turm.
– einfaches Andocken eines zweiten Generators an den ersten Generator oder direkt an die Rotornabe.
– beim Aneinanderdocken zweier Generatoren oder mehr müssen die Generatoren untereinander austauschbar sein. Jeder Generator ist an jeder Position einsetzbar
– es müssen Generatoren unterschiedlicher Leistung und unterschiedlicher Baugröße anzudocken sein. Der kleinste Generator ist dann am Ende des Antriebsstranges positioniert
– der Generator ist unbeschränkt transportfähig auf Straßen und Autobahnen.

Lösung der Aufgaben
Die Rotoren der Windkraftmaschinen drehen mit ca. 15 rpm rechnerisch. Daraus resultieren hohe Drehmomente und entsprechend dem betrachteten Radius die entsprechenden Umfangskräfte. Für diese Umfangskräfte ist erfindungsgemäß der ausreichende Querschnitt für nahezu alle Radien ermittelt worden und die in diesen Querschnitten auftretenden Spannungen. Es zeigt sich, dass mit leichten Werkstoffen, das sind Chemiewerkstoffe, Verbundkonstruktionen und Leichtmetall, also auch Aluminium geschäumt, Aluminiumlegierungen und Magnesium im Rotor ausreichend Gestaltfestigkeit erreicht wird. Entscheidend in den Rechenvorgängen ist, dass mit zunehmendem Radius der Umfang mit dem Faktor Pi zunimmt. Das entspricht der Gleichung U = 2R × Pi. Umlaufende scheibenförmige Rippen können so in ihrer Dicke von innen nach außen schmaler werden bei gleichzeitig von innen nach außen größer werdenden Aussparungen in diesen Scheiben. Diese Aussparungen sind sogleich auch Stützflächen der Formkerne, die das Innere des Rotors formen. Der äußerste Durchmesser des Rotorkörpers kann danach vergleichsweise dünn ausgeformt werden.
Dieser Außendurchmesser errechnet sich aufgrund einer elektrotechnischen Berechnung. Es wurde nun nicht nach dem kleinsten zulässigen Lager konstruiert, sondern zu einem möglichst großen Lager, denn alles was im Inneren weggelassen wird, ist überflüssiges Gewicht, tote Masse.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist das Einwirken von äußerer Wärme und Funktionswärme des Generators auf den Rotor. Bauteile mit einigen Metern Durchmesser bringen schon bei geringen Temperaturänderungen erhebliche Längenänderungen. Der mittlere Lagerdurchmesser der konischen Lager entspricht dem mittleren Abstand der Lager. Ausgehend von sphärischem Ausdehnungsverhalten fester Körper bei gleichmäßigem Er- und Durchwärmen bleibt das Lagerspiel über einen großen Temperaturbereich nahezu konstant.
Das ermöglicht auch, unterschiedliche Werkstoffe zu verwenden. Erfindergemäß kann der Generator also aus geschäumtem Aluminium, Magnesium und Chemiewerkstoffen gefertigt werden. Prozentual sind die Gewichtsunterschiede bemerkenswert. In der Absicht, möglichst leicht zu bauen, muss der absolute Wert gelten.
Zu berücksichtigen sind auch Kosten beim bearbeiten. Deshalb schied Magnesium aus, das bei vorzüglichen Materialwerten eben doch nur unter Schutzgas gegossen und bearbeitet werden kann. Chemiewerkstoffe liegen in den Festigkeitswerten nur wenig unter denen das Magnesium, bieten aber die Möglichkeit, über diverse Rezepturen des Eigengewicht und die Wärmeausdehnung zu beeinflussen. Einstellungen gegen Null sind möglich. Derartig gegossene Teile sind dann über den ganzen Betriebsbereich unveränderlich in ihren Dimensionen. Lagerspiel und Rotorspalt unterliegen dann keiner thermischen Änderung, die im Fall des Rotorspaltes die Leistung des Genarators beeinflussen können. Vorteilhaft ist das Gießen der Chemiewerkstoffe bei Raumtemperatur. Die Ansprüche an die Formwerkstoffe sind deshalb kleiner als bei Guß aus einer Schmelze. Bekannt sind Kokillen für Chemiewerkstoffe mit mehreren Tausend Abgüssen, wobei diese Kokille ebenfalls aus Chemiewerkstoffen besteht.

Das erfindungsgemäße Ziel, zum Reduzieren des Generatorgewichtes das größtmögliche, noch funktionierende Lager einzusetzen, verlangt den Gewichtsvergleich verschiedener Lagerarten. Wälzlager sind in diesen Größen entschieden zu schwer und auch zu teuer. Gleitlager sind in diesen Abmessungen und in der gewählten Form nicht handelsüblich.

Erfindungsgemäß erhalten Lagerzapfen der Rotorachse und Lagerbohrung im Lagerdeckel Lagerelemente.

Für den Lagerzapfen sind diese Elemente aus Stahlblech, das zweckentsprechend auch gehärtet sein kann. Eingelegt in die Form, sind die Lager nach dem Entformen der Teile funktionsgenau fertig. Es bedarf keiner Nacharbeit. Für die Lagerbohrungen sind die Lagersegmente aus Stahlblech mit einer dünnen Schicht Lagermetall plattiert. Die Verfahrensweise ist dann wie beim Lagerzapfen. Diese Lagerbohrung ist fertig und bedarf keiner Nacharbeit.

Lösung der Aufgaben

Rechnerisch ist dieses Gleitlager erheblich leichter und auch billiger, auch bei Verwenden von Werkzeugen oder Formen.

Die Gleitlager beider Lagerstellen haben eine Ölumlaufschmierung. Jede Lagerstelle verfügt über ein eigenes Schmiersystem (Hydraulikaggregat). Fällt ein System aus, so schaltet sich über sinnvoll angeordnete Rückschlagventile die verbleibende Pumpe in das ausgefallene System ein. Mangelschmierung und Lagerschäden sind so vermieden. Das sichert den Weiterbetrieb der Energieerzeugung.

Mit der kontinuierlichen Ölversorgung ist auch das Abführen der Lagerwärme realisiert. Aussenliegende, stark verrippte Ölbehälter kühlen das warme Öl ab.

Die Lippendichtungen, befestigt im Lagerdeckel, laufen auf einer Dichtfläche aus Edelstahlband auf dem Rotorkörperlagerzapfen. Das Band ist endlos geschweißt, die Schweißstelle poliert, und dann ebenfalls in die Form eingelegt und eingegossen. Nacharbeit ist nicht erforderlich.

In rotierenden elektrischen Maschinen, also auch im Generator, entstehen in allen Bauteilen durch Induktion Spannungen, Die damit fließenden Ströme fließen auch über die Lager einer solchen Maschine. In Chemiewerkstoffen aus denen Lagerdeckel und Rotorachse bzw. Rotorkörper hergestellt sind, ist keine Induktion möglich, kann folglich auch kein Strom fließen. Es fließt auch kein Strom über die Lager, die damit nicht isoliert einzubauen sind. Sie sind es durch Materialwahl.

Auch über das Statorgehäuse fließt kein Strom mehr. Die unterbundene Induktion reduziert das Erwärmen der Maschine. Gleichzeitig verbessert sich der Wirkungsgrad der Maschine. Umgesetzt auf die Lebensdauer einer solchen Maschine mit 25 Jahren ergibt sich ein beachtenswertes zusätzliches Ergebnis.

Das Drehmoment wird am Lagerzapfen stirnseitig in die Rotorachse bzw. in den Rotorkörper eingebracht. Dazu sind Taschen eingeformt. In diese Taschen passt der Kupplungskörper einer elastischen Kupplung. (Bild ). Der beschriebene Lagerdurchmesser ermöglicht einen großen Durchmesser für die Kupplung.

Auch hier reduzieren sich die Umfangkräfte auf beherrschbare Werte. Und sie sind verteilt auf eine Vielzahl Kupplungskörper. Der Kupplungskörper ist aus Chemiewerkstoff, vorzugsweise aus einem Elastomer. Um Gewicht zu sparen, bekommt jeder Kupplungskörper einen Kern, z. B. aus Holz oder wird hohl gefertigt. Um die Kupplungstaschen sind konzentrisch zwei Rohrstücke angeformt, in denen radiale Trennwände die Taschen bilden (Bild 1). Dieses Doppelrohr geht in die Rotorachse hinein, und leitet das Drehmoment über Scheiben und Stege zu den Magnetringen. Entsprechend der Belastung geht das Doppelrohr durch bis zur anderen Achsseite, oder beide Rohre vereinigen sich in der Achse. (Bilder 2,3+5). Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass das Drehmoment über die Länge der Achse von einem Ende zum anderen Ende geringer wird; einem vollen Körper stetig bei Stetiger Abnahme vom Stator, stufenweise entsprechend der im gegossenen Körper eingebauten Scheiben, Rippen oder Stege.

Ein einzeln stehender Generator hat eine Achse nach Bild 1. Ein Generator für ein Aufwindkraftwerk oder eine Windkraftmaschine hat an beiden Enden einen Ring Kupplungstaschen (Andockmöglichkeit). (Siehe Bild2)

Lösung der Aufgaben

Das Aufteilen des Eisenmantels für den Synchrongenerator bietet eine elegante Möglichkeit, über längenveränderliche Teile Generatoren verschiedener Leistungen zu bauen. Das Statorblechpaket besteht ohnehin aus einer Vielzahl Schichten Blech. Der gegossenen Rotorkörper kann durch sinnvolle Modellaufteilung ebenfalls in angepasster Länge gegossen werden. Über diese modulare Aufteilung sind effektiv Nachrüstungen vorhandener Maschinen rasch und ökonomisch zu realisieren.

Die Magnetringe auf dem Rotorkörper müssen zu einem Paket zusammengezogen werden.

Zu diesem Zweck sind zunächst Schrauben durch die Magnetringe möglich. Das führt zu Beeinträchtigungen der Magnetfelder des magnetischen Rückschlusses der einzelnen Magnete auf dem Magnetring. Nimmt man einen dickeren Magnetring mit erheblich größerem Gewicht in kauf, dann kann das so ausgeführte werden. Dies ist nicht dem Ziel entsprechend, Gewicht zu reduzieren. Innerhalb des Ringes, in Längsnuten des Rotorkörpers, sind Zuganker eingelegt, mit denen die Ringe zu einem Paket zusammengezogen sind (Bild 13).

Diese Paket ist leicht zu lösen für den Fall eines Schadens an einem Magnet oder Magnetring. Vorbeschriebene Lösung ist eine formschlüssige. Praktikabel ist auch eine kraftschlüssige Lösung. Zwischen zwei Magnetringen ist eine elastomere Schnur eingelegt. Diese Schnur wird mit den vorstehend beschrieben Zugankern oder mit Schrauben von Ring zu Ring. Gepresst entsprechend dem Rückstellvermögen, entsteht Reibschluss (Bild 12).

Auf dem Außenmantel des Rotorkörpers ist der Eisenmantel des Synchrongenerators zu befestigen. Vom Rotorkörper auf diesen Eisenmantel muß das Drehmoment zuverlässig übertragen werden. Der Eisenmantel ist als solcher komplett nicht zu montieren. Die wirksamen Magnetkräfte verhindern dies. Der Eisenmantel ist deshalb aufgeteilt in Ringe, die der Länge des Dauermagnetes entsprechen. Diese einzelnen Ringe lassen sich leichter auf den Rotorkörper aufschieben, der bereits vormontiert in einem Lagerdeckel und im Stator sich befindet. Für das Aufschieben der Magnetringe ist eine Fuge, ein Spiel nötig. Dieses Spiel ist zu überwinden. Dazu bedarf es eines Kuppelns. Zunächst geschieht das formschlüssig.

Nach Bild 6 und 7 kann ein handelsüblicher Zahnriemen zwischen Rotorkörper und Magnetring positioniert sein. Nach Bild 6 ein doppelt verzahnter Riemen, für den eine Verzahnung im Magnetring hergestellt wird. Die Verzahnung im Rotorkörper entsteht beim Gießen des Rotorkörpers. Formbestandteil ist ein Zahnriemen passender Länge. Wie bereits erwähnt, haben die Chemiewerkstoffe einen definierbaren Schwund. Das ist hier sehr vorteilhaft. Bei großen Durchmessern könnte ein zu hoher Schwund leicht den Zahneingriff reduzieren mit Gefahr der Überlastung der Zähne des Riemens.

Nach Bild 6 ist der einfach verzahnte Zahnriemen mit dem Rücken in den Magnetring eingeklebt. Solche Klebeverbindungen sind Stand der Technik. Das Herstellen des Zahnprofiles im Rotorkörper erfolgt gleich wie vorstehend beim doppelt verzahnten Zahnriemen. Nach Bild 8 und 9 sind elastomere Vielzahnprofile in den Magnetring eingespritzt, mit einer vollflächigen umlaufenden Schicht, in der eine Armierung eingelegt ist. Im Vergleich zu dem eingelegten Zahnriemen hat diese Kupplung im Magnetring einen Hinterschnitt. Die Lage der Zähne direkt übereinander ist unwesentlich. Die Lage des Zahns auf Lücke der gegenüber liegenden Zahnreihe ist ebenso praktikabel. Die eingelegten Fasern oder Gewebe, auch feine Drahtseile verbesseren die Belastbarkeit.

Lösung der Aufgaben

Im Bild 9 sind Zähne ohne und mit Hinterschnitt dargestellt. Diese sind zudem noch untereinander verbunden mit radialen Querverbindern.

Bild 10 zeigt ein Kuppeln mit geometrisch regelmäßigen Profilen, die absolut handelsüblich und preiswert sind. Die Schräglage des Rechteckprofiles ergibt sich aus oder folgt der Drehrichtung, in der Das Drehmoment eingebracht wird. Die lange Seite gibt dem Übertragen Elastizität durch zugestandenes Verformen.

Im Bild 11 sind weitere Profile dargestellt, sowie zwei Anwendungen dieser Profile. Beim Entscheid für das eine oder andere Profil muss immer das Beeinträchtigen des magnetischen Rückschlussfeldes durch die Aufnahme für das Profil beachtet werden.

Unter dem Gesichtspunkt minimalen Gewichtes für den Generator ist die Zahnriemenlösung nach Bild 7 die vorteilhafteste. Die Klebeverbindung mit einer Haltbarkeitsdauer von über 25 Jahren bei so unterschiedlichen Werkstoffen wie PU (Zahnriemen) und Magnetring mag niemand garantieren. Obendrein schwächen alle angeführten Profile des Magnetring bzw. ist das nötige Minimieren des Gewichtes nicht vollständig. Bild 12 zeigt im Inneren des Magnetringes zwei gegenläufige Gewinde. Eine Gewindetiefe von 2mm schwächt den magnetischen Fluß im Magnetring nicht. Und 2mm mehr in der Dicke sind für das Gewicht nicht kritisch. Auf diese Oberfläche ist ein Belag wie nach Bild 7 aufgespritzt (Gummispritzpressen). Die Verbindung Gummi-Stahl ist in Abermillionen Anwendungen täglich erprobt.

Die Absicht, Gewicht zu reduzieren, ließ das Generatorgehäuse zu einem Bauteil aus Profilblech werden. Zunächst ist es aus seewasserbeständigem Aluminium. Geformt als gerundetes Trapezblech, umspannt es den Stator. Über die Kontaktfläche Stator-Statorgehäuse wird dem Stator Wärme entzogen durch die bessere Leitfähigkeit des Aluminiums. Es entstehen aber auch Kanäle zwischen dem Stator und dem Statorgehäuse. An diesen Flächen wird Wärme direkt an die umgebende Luft abgegeben. Eine innere Umwälzung verstärkt diesen Effekt und verteilt die Wärme. Die innere Umwälzung isr realiesiert durch die innere Verrippung des Rotorkörpers. Die Rippen sind teilweise als Ventilatorblätter ausgeformt. Die Kanäle dem Statorblechpaket und dem Statorgehäuse nehmen auch die Zuganker auf, mit denen der gesamte Generator in üblicher Weise zusammengeschraubt wird.

Im Statorgehäuse ausgeschnittene Öffnungen nehmen die Kontakte auf für die Leistungsanschlüsse. Diese Anschlüsse sind von außen federbelastet. Nachdem der Generator vom Netzt genommen sit, sind die Kontakthebel hydraulisch zu lösen. Dazu wird die am Genarator befindliche Schmierölhydraulik verwendet. Dann kann der Generator getauscht werden.

Der Montagvorgang läuft sinngemäß umgekehrt. Dabei wird die Generatorhydraulik aktiviert und auf den Kontaktzylinder geschaltet. Nach dem Lösen des Sperrventiles steht Druck auf dem Hydraulikzylinder. Nun schließen die Kontakte, d.h. Öldruckfluss über eine fest eingestellte Drossel. Damit legen die Kontakte an. Fehlbedienungen sind bei dieser Schaltung nicht möglich.

Das Anliegen der Kontakte ist zweifach kontrolliert gesichert. Allein über diese Sicherung kann der Generator ans Netz gehen.

Die Drehzahlerkennung des Generators erfolgt berührungslos. Im Rotor ist ein Zahnband eingebaut mit 1000 Zähnen am Umfang. Abtasten mit einem induktiven Sensor. Ein zweiter Sensor kontrolliert die richtige Drehrichtung. Das erscheint überflüssig. Ist jedoch durch einen Funktionsfehler die falsche Drehrichtung erkannt, dann kann dieses Signal zum Gegensteuern verwendet werden.

Die Sensoren sind über Steckverbinder im Inneren des Generators nach Öffnen eines Kontrolldeckels binnen Minuten zu wechseln. Die Verbindung für diese Steuerleitungen zum Reglerschrank ist ebenfalls mit Steckverbindungen ausgeführt.

Lösung der Aufgaben

Diese Steckverbindung gilt auch für alle Überwachungen der Generatorfunktion und Generatorsicherung.

Aus Gründen der Funktionssicherheit sind alle Kontrollen und Überwachungen unabhängig von einander doppelt ausgeführt. Der Ausfall gekaufter Teile, z. B. Sensoren, steht preislich nicht im Verhältnis zu einem Generatorstillstandes mit Unterbrechung des Erzeugens elektrischer Energie.

Die Geschichte der Menschheit ist eine Energiegeschichte. Auch eine Geschichte steigenden Energiebedarfs. Die weltweite Energieproblematik ist gekennzeichnet durch steigenden Bedarf durch inner mehr Menschen und ständig schwindende Reserven fossiler Energieträger. Kernenergie in zunehmendem Maße stört das Energiegleichgewicht zwischen, Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung unseres Planeten.

Das Erhalten menschlichen Lebens hängt davon ab, ob es gelingt, den menschlichen Energiebedarf aus der einstrahlenden Sonnenenergie zu decken.

Jedes Detail, mit dem das Ernten dieser erneuerbaren Energie etwa leichter oder billiger wird, ist wertvoll. Richtig bewertet ist das besser als das Entdecken der Kernspaltung.

Der vorgestellte Generator wird mit einem geringeren Aufwand an Energie hergestellt als konventionelle Generatoren und die dazu im Betrieb nötigen Getriebe.

Der vorgestellte Generator wiegt weitaus weniger als der konventionelle Generator mit dem Vorgeschalteten, zum Betrieb nötigen Getriebe, sowie den dazugehörenden Kupplungen. Damit ist der Einsatz von Material gespart.

Der vorgestellte Generator ist einfach zu transportieren; auf dem LKW, weil keine Überbreite und kein Übergewicht.

Der vorgestellte Generator ist mit üblichen Hebezeugen an Land auf dem Turm einer Windkraftmaschine abzusetzen. In schwierigem Gelände oder im Off-Sore-Bereich kann der Hubschrauber eingesetzt werden. Die Grenzbelastung für dieses Fluggerät beträgt 25 Tonnen. In schwierigem Gelände sind keine Hubgeräte zu positionieren. Auf See ist der Einsatz der Schiffskräne bei Einbeziehen aller Kosten teurer als das Hubgerät.

Der vorgestellte Generator ist innerhalb eines Arbeitstages funktionsfähig angeschlossen. Das bedeutet auch, dass der Generator zu einer Inspektion rasch demontiert werden kann und umgehend durch einen Tauschgenerator zu ersetzen ist. Stillstandszeiten einer Windenergieanlage sind damit auf ein bislang unbekanntes Minimum reduziert.

Der Wegfall eines tonnenschweren Getriebes reduziert die Ausfallzeiten der Windenergieanlagen. Statistisch belegt ist die überwiegende Zahl der Schadensfälle ein Getriebeschaden.

Der vorgestellte Generator hat ein äußerst geringes eigenes Trägheitsmoment, und erzielt dadurch das geringe Gewicht des Rotors. Damit läuft die Windkraftmaschine früher an und erzeugt schon bei geringerer Windgeschwindigkeit Energie. Den gleichen Effekt hat die deutlich reduzierte innere Reibung des Generators gegenüber der inneren Reibung des Getriebes. Kann doch pauschal gesagt werden, dass 10-30% der eingeführten Energie im Getriebe verloren geht je nach Stufenzahl und Getriebeart.

Beim Nachrüsten bestehender Windkraftanlagen kann bei Wegfall des Getriebes ein Generator mit größerer Leistung installiert werden.

Lösung der Aufgaben

Der vorgestellte Generator hat nur ein bewegtes Teil gegenüber einer Vielzahl Teile bei Antrieb über ein Getriebe. Allein aus diesem Verhältnis lässt sich verbesserte Betriebssicherheit ableiten. Betrachtet man die Tragfähigkeit eines Turmes, dann kann an stelle eines Getriebes ein weiterer Generator aufgebaut sein, wenn der Rotor der Maschine das hergibt. Anders betrachtet kann der Turm leichter und damit billiger gebaut werden, wenn die zu tragende Masse deutlich reduziert wird. Mit dieser neuen Bauart Generator dürfte ein Anreiz entstehen, leistungsfähigere Rotorblätter zu schaffen und die Leistungen auf einer Windkraftmaschine problemlos bis 10MW zu erhöhen.

Der vorgestellte Generator ist aufgrund des geringen Leistungsgewichtes von unter 8kg/kw preiswert herzustellen. Das wird den mit Windenergie erzeugten Strom preiswerter machen. Dieser Generator ist damit auch ein Stück Zukunftssicherung.

1: Rotoraufbau, Fachwerk mit Zylindermantel
2: Kupplungselement als Zahnriemen o.ä. geformtes Teil
3: Magnetring od.Magnetzylinder (Magnetträger).
4: Klebefuge/Vulkanisationsfuge.
5: Dauermagnet
6: Elastomerer Spannring
7: Zuganker
8: Profil Kupplungselement
9: Rotornabe
10: Rotorkörper
11: Zugstränge i.Kupplungselement
12: Kupplungszahn/Kupplungsleiste
13: Profilzahn als Profilleiste
14: Querverbinder für Profilzähne
15: Außenrohr
16: Füllung
17: Innenrohr
18: Kupplungselement zur Kupplungsscheibe der Antriebsmaschine
19: Verbindungsstrang der Kupplungselemente

Ökonomische Vorteile

Reduzierter Materialeinsatz	= Schonen der Ressourcen
	= Geringerer Energieverbrauch für Produzieren und Transport.
	= Vereinfachtes Handling
	= Leichte und schnelle Montage.

Reduzierte Herstellkosten.

Geringere Ausfallzeiten weil getriebelos Vorteilhafter Einsatz bei Repowering, d.ist Umrüsten bestehender Anlagen mit Getrieben auf getriebelose Generatoren.

Reduziertes Gewicht je Leistungseinheit.

Reduzierte Kosten je erzeugte Energieeinheit.

Claims

Generator mit Rotor aus Chemiewerkstoff, funktionsbedingt ergänzt durch den Käfigläufer bei einer Drehstromasynchronmaschine oder den Eisenmantel, bestückt mit Dauermagneten für eine Drehstromsynchronmaschine.
Generator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper aus Verbundwerkstoff, das heißt aus Chemiewerkstoff mit Armierung, besteht. Funktionsbedingt ist auch dieser Rotor ergänzt wie die Maschine nach Anspruch 1.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; dass der Rotorkörper aus Leichtmetall besteht. Er ist, funktionsbedingt, ergänzt wie der Rotor nach Anspruch 1.
Generator nach Anspruch 1, dessen Rotorkörper aus hochfesten Verbundmaterialien Besteht, zusammengefügt als Klebe- oder Schmelzklebekonstruktion.
Rotorkörper nach Ansprüchen 1-4, wobei Rotorkörper und Rotorachse aus einem Stück gefertigt sind, das heißt, sie sind untrennbar miteinander verbunden.
Rotorkörper nach Ansprüchen 1-4, wobei der Rotorkörper mit der Rotorachse gefügt und dem technischen Zweck entsprechend befestigt ist nach den Regeln der Technik.
Rotoren nach Ansprüchen 5 und 6 mit dem Merkmal, dass beide Achsenden eine konische Lagerstelle haben.
Rotor und Rotorachse nach Ansprüchen 5 und 6 mit dem Merkmal, dass die das Drehmoment übertragenden Teile durchgehend oder teilweise durchgehend als Doppelrohr geformt, mit innerem Fachwerk resp. Räumlichen Verstrebungen verbunden sind.
Rotorachse und Rotorkörper nach den Ansprüchen 5,6 und 8 mit dem Merkmal, dass stirnseitig Kammern für den Kupplungskörper einer mechanischen Kupplung eingeformt sind.
Rotorachse und Rotorkörper nach den Ansprüchen 5,6 und 8 mit dem Merkmal, dass stirnseitig Bauteile und/oder Konturen einer hydrodynamischen Kupplung eingeformt sind.
Rotorachse und Rotorkörper nach den Ansprüchen 5,6 und 7 mit dem Merkmal, dass der mittlere Lagerabstand dem mittleren Lagerdurchmesser entspricht. Idealwert 1:1.
Rotorachse und Rotorkörper nach den Ansprüchen 5,6 und 7, dessen Lagerstellen mit gehärteten Stahlblechsegmenten belegt sind.
Rotorachse nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch Dichtungslaufflächen aus gehärtetem Bandstahl.
Rotorkörper und Rotorachse aus einem Stück in einem Arbeitsgang aus gleichem Material gegossen aus einer Schmelze oder mehreren Komponenten.
Rotor nach den Ansprüchen 1-6, dergestalt, dass zwischen Rotorkörper und Eisenmantel der Drehstrom-Synchronmaschine eine Kupplung eingebaut ist. Dazu ist der Eisenmantel in Magnetringe aufgeteilt.
Rotor nach Anspruch 15. Anstelle des formschlüssigen mechanischen oder elastischen Kupplungselementes sind zwischen den Magnetringen elastische Spannringe eingesetzt, durch die beim Spanndruck und Reibschluss zwischen den Magnetringen und dem Rotorkörper erzeugt wird.
Rotor nach Anspruch 15 und 16, wobei anstelle der Kupplungselemente btw. Spannringe mechanische Standardelemente wie Passfedern, Keile aller Art oder Zähne eingesetzt werden als formschlüssige Mitnahme.
Rotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenmantel bzw. die Magnetringe in die Form für den Rotorguss eingelegt werden und durch Gießen eingebunden sind, mit Hinterschnitten nach den Regeln der Technik.
Generator mit Lagerdeckeln aus Chemiewerkstoff.
Generator mit Lagerdeckeln aus Verbundwerkstoff, das ist eine Verbindung aus Chemiewerkstoff mit einer Armierung.
Generator mit Laderdeckeln aus Leichtmetall, auch aufgeschäumt.
Generator mit Lagerdeckeln mit belastungsabhängig, unsymmetrisch angeordneten Verrippungen und differenziert gestalteten Wanddicken, sowie unregelmäßig angeordnete Inspektionsöffnungen, vorzugsweise im unbelasteten Sektor.
Generator nach Ansprüchen 1-22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Generatoren axial nacheinander angeordnet sind zum realisieren großer Leistungseinheiten.
Generator mit einer hohlen Achse oder Rotorkörpern nach den Ansprüchen 1-6 u. 14.
Generator mit einer hohlen Achse oder Rotorkörper nach Anspruch 24 mit dem Merkmal, dass durch die hohle Achse eine zweite hohle Achse hindurchgeführt ist.
Generator mit hohler Achse oder hohlem Rotorkörper nach Anspruch 25 mit dem Merkmal, dass die durchgeführte Achse in der aufnehmenden Achse (Rotorkörper) frei durchgeführt ist.
Generator nach Anspruch 26 mit dem Merkmal, dass die durchgeführte Achse in der hohlen aufnehmenden Achse gelagert ist.
Durchgeführte Achse nach Anspruch 24-27, gekennzeichnet als Hohlwelle mit den gleichen Merkmalen.
Generator mit Rotorkörper nach den Ansprüchen 1-6, mit dem Merkmal, dass im Rotor die inneren Rippen als Lüfterflügel ausgebildet sind.
Generator mit Magnetringen nach Anspruch 15, mit dem Merkmal, dass das elastische Kupplungselement direkt in den Magnetring eingeformt ist.
Generator mit Magnetringen nach Anspruch 29, mit dem Merkmal, dass die einzelnen elastischen Kupplungselemente am Umfang miteinander verbunden sind.
Generator mit Magnetringen nach Anspruch 31, gekennzeichnet dadurch, dass bei Eingeformten Kupplungselementen eine umlaufende Elastomerschicht verstärkt ist durch Eingeformte Zugstränge als Armierung.
Magnetringe nach Ansprüchen 29, 30 und 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen mit geringen Vertiefungen, Rillen u.ä., Haftfläche bietet für aufzutragendes elastomeres Material.