DE102009009894A1

DE102009009894A1 - Permanentmagneterregte Modulare Axialfeldsynchronmaschine - PMA

Info

Publication number: DE102009009894A1
Application number: DE200910009894
Authority: DE
Inventors: Dirk Hurrelmeyer
Original assignee: Hurrelmeyer Dirk Dipl-Wirtsch Ing
Current assignee: Hurrelmeyer Dirk Dipl-Wirtsch Ing
Priority date: 2009-04-11
Filing date: 2009-04-11
Publication date: 2010-10-28

Abstract

Der Anmelder beansprucht den Schutz seiner Erfindung in der folgenden Weise:
Jede elektrische Synchronmaschine, die über die folgenden Merkmale verfügt, ist eine Maschine im Sinne dieses Patents.
1. Axialfeldaufbau.
2. Modularer Aufbau der Leistungsspulen durch Mehrscheibigkeit und hohe Polteilung.
3. Verschaltung der Leistungsspulen in Dreiphasenwechselstromschaltung.
4. Erregung durch Permanentmagnete.
Merkmale des Standes der Technik
Stand der Technik sind gegenwärtig Synchronmaschinen mit Erregerwicklungen. Diese werden zur Windenergiewandlung nahezu stets mit einem Getriebe verkoppelt, weil die Konstruktion traditionell an die Frequenz von 50 Hz angepasst ist. Das hängt zusammen mit der ersten Anwendung der Synchrongeneratoren zur Beleuchtungsstromerzeugung. Um die Wahrnehmung der Beleuchtungsstärkeschwankung bei Glühlampen zu vermeiden, war die Wahl der Frequenz der Wechselspannung von 50 Hz (das Auge nimmt grenzwertig 18 Bilder pro Sekunde wahr) zweckmäßig. Die breite industrielle Anwendung setzte dann die traditionellen Normen. Eine weitere Grenze der Frequenz setzt die Fliehkraft, die den...

Description

Anwendungsgebiet
Die Permanentmagneterregte Modulare Axialfeldmaschine, im Folgenden mit PMA abgekürzt, wird bei der getriebelosen Windenergiewandlung eingesetzt. Konventionelle Generatoren in der Windenergienutzung, wie Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen und Gleichstrommaschinen werden im Sollwertbereich gehalten, indem der Repeller über eine Blattwinkelverstellung am Arbeitspunkt oder innerhalb des Arbeitsbereichs des Generators gehalten wird. Um das Windenergieangebot über das gesamte Spektrum der am Standort herrschenden Windstärken nutzen zu können, muss der Repeller jedoch stets im maximalen Leistungsbereich gehalten werden, während der Generator abhängig geregelt wird. Es arbeitet bei diesem Konzept der Repeller als Master und der Generator als Slave. Dazu muss der Generator in der Lage sein, auch höchste, aber kurzfristige Lasten des Repellers zu bewältigen. Um eine Anpassung über den gesamten Leistungsbereich zu gewährleisten und die Regelung zu vereinfachen, wird der Generator modular aufgebaut.
Stand der Technik
Stand der Technik sind gegenwärtig Synchronmaschinen mit Erregerwicklungen. Diese werden zur Windenergiewandlung nahezu stets mit einem Getriebe verkoppelt, weil die Konstruktion traditionell an die Frequenz von 50 Hz angepasst ist. Das hängt zusammen mit der ersten Anwendung der Synchrongeneratoren zur Beleuchtungsstromerzeugung. Um die Wahrnehmung der Beleuchtungsstärkeschwankung bei Glühlampen zu vermeiden, war die Wahl der Frequenz der Wechselspannung von 50 Hz (das Auge nimmt grenzwertig 18 Bilder pro Sekunde wahr) zweckmäßig. Die breite industrielle Anwendung setzte dann die traditionellen Normen. Eine weitere Grenze der Frequenz setzt die Fliehkraft, die den Draht bei Überdrehzahl aus den Nuten der Läufer in den Luftspalt austreiben kann. Zur Energiewandlung von Wasserkraft in niedrigen Staustufen entwickelte man nach dem gleichen prinzipiellen Aufbau Vielpolmaschinen, um ohne Getriebe auskommen zu können. Damit handelte man sich durch die den Fluss mindernde enge Nachbarschaft der vielen Pole und das viele verbaute Kupfer einen geringeren Wirkungsgrad ein. Dem Einsatz dieser traditionellen Maschinen zur Windenergiewandlung stehen heute bessere Alternativen gegenüber.
Nachteile des Standes der Technik
Der Nachteil des Standes der Technik ist zum Ersten die geringe Frequenz, ein Getriebe zur Erhöhung der Frequenz steigert die Störungsanfälligkeit und mindert die Rentabilität. Zum Zweiten ist die Empfindlichkeit gegen Überdrehzahlen durch Austrieb der Drähte aus den Nuten des Läufers und, falls Vielpolmaschinen Verwendung finden, der geringe Wirkungsgrad der Maschine zu nennen. Zudem fehlt dem Stand der Technik die Kühlungsmöglichkeit durch Zentrifugalkraft: der kompakte Kern bleibt mangelhaft gekühlt. Zuletzt wird hier die mangelnde Anpassbarkeit durch den nichtmodularen Aufbau genannt.
Lösung der Aufgabe
Als Maschinenkonzept ist die permanentmagneterregte Axialfeldmaschine in mehrscheibiger Ausführung die geeignete Wahl. Die Mehrscheibigkeit in Verbindung mit einer hohen Polteilung ermöglicht den inkrementellen Aufbau in modularen Leistungsspulen. Die Effizienz mindernde Erregerleistung entfällt durch Erregung durch Permanentmagnete. Damit entfällt auch die Blindleistungsbereitstellung durch das Netz. Im Ständer werden je drei Leistungsspulen (Tripel) von je einem Magneten im Läufer abgedeckt und im Dreieck verschaltet, dann gleichgerichtet und durch einen Halbleiter-Gleichstromschalter über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) angesprochen. Die Zusammenfassung in Leistungsspulpakete ermöglicht das Verschalten verschiedener Leistungsspultripel in Parallel- und Serienschaltungsweise. Dadurch können Strom und Spannung dem Sollbereich angenähert werden. Der modulare Aufbau ermöglicht nicht nur eine inkrementelle Anpassung an das Leistungsangebot des Repellers, sondern auch eine einfache Regelung durch Zusammenschalten von binär zusammengestellten Leistungsspulpaketen (Spulentripelanzahlen: 2⁰, 2¹, 2², 2³ ...). Das Ansteuern der Pakete durch SPS erfolgt über vergleichsweise wenige Ports durch Abfrage von Spannung und Strom und eine davon abhängige Entscheidung für die Kombination der Leistungsspulpakete zur entsprechenden Leistungsabnahme. Die Dreiphasenwechselstromverschaltung der Spulentripel verhindert Pendelungen. Die hohe Spitzenleistung erfordert eine Kühlung. Die Spülung wird durch Entlüftungsschlitze im Mantel der Maschine (radiales Entlüften) und einen Kühlluftzugang über die hohle, geschlitzte Welle des Generators (axiales Belüften) durch Zentrifugalkraft gewährleistet.
Vorteile der Erfindung

• Hochlastfähigkeit.
• Hohe thermische Belastbarkeit durch Zentrifugalkühlung.
• Hohe mechanische Belastbarkeit durch Fliehkräfte, weil sich keine Wicklungen im Läufer befinden.
• Sehr gute Anpassbarkeit an den Leistungsbereich des Repellers durch modularen Aufbau.
• Einfache, echtzeitnahe Regelung durch modularen Aufbau und hohe Taktfrequenz der SPS.
• Einfache Strom- und Spannungsstellung zur Anpassung an den Wechselrichtereingang.
• Hohe Relativgeschwindigkeit der Pole trotz Getriebelosigkeit der Anlage.
• Hoher Wirkungsgrad trotz hoher Polteilung.
• Möglichkeit des Inselbetriebs durch Bereitstellung eigener Erregerleistung.
• Pendelungsstabilität.

Claims

Der Anmelder beansprucht den Schutz seiner Erfindung in der folgenden Weise: Jede elektrische Synchronmaschine, die über die folgenden Merkmale verfügt, ist eine Maschine im Sinne dieses Patents. 1. Axialfeldaufbau. 2. Modularer Aufbau der Leistungsspulen durch Mehrscheibigkeit und hohe Polteilung. 3. Verschaltung der Leistungsspulen in Dreiphasenwechselstromschaltung. 4. Erregung durch Permanentmagnete. Merkmale des Standes der Technik Stand der Technik sind gegenwärtig Synchronmaschinen mit Erregerwicklungen. Diese werden zur Windenergiewandlung nahezu stets mit einem Getriebe verkoppelt, weil die Konstruktion traditionell an die Frequenz von 50 Hz angepasst ist. Das hängt zusammen mit der ersten Anwendung der Synchrongeneratoren zur Beleuchtungsstromerzeugung. Um die Wahrnehmung der Beleuchtungsstärkeschwankung bei Glühlampen zu vermeiden, war die Wahl der Frequenz der Wechselspannung von 50 Hz (das Auge nimmt grenzwertig 18 Bilder pro Sekunde wahr) zweckmäßig. Die breite industrielle Anwendung setzte dann die traditionellen Normen. Eine weitere Grenze der Frequenz setzt die Fliehkraft, die den Draht in den Nuten der Läufer in den Luftspalt austreibt. Zur Energiewandlung von Wasserkraft in niedrigen Staustufen entwickelte man nach dem gleichen prinzipiellen Aufbau Vielpolmaschinen, um ohne Getriebe auskommen zu können. Damit handelte man sich durch die den Fluss mindernde enge Nachbarschaft der vielen Pole und das viele verbaute Kupfer einen geringeren Wirkungsgrad ein. Dem Einsatz dieser traditionellen Maschinen zur Windenergiewandlung stehen heute bessere Alternativen gegenüber. Unabdingbare Merkmale der Erfindung Unabdingbar für die Erfindung sind Axialfeldaufbau, Vielpoligkeit, Erregung durch Permanentmagnete und Verschaltung der Leistungsspulen in Dreiphasenwechselstromschaltung. Hilfreiche Komponenten der Erfindung Das Verfahren wird durch den Aufbau des Generators in der Weise einer Zentrifugalpumpe zur Luftkühlung hilfreich unterstützt. Gegen Pendelungen werden die Leistungsspulen in Dreiphasenwechselstromschaltung verschaltet.