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Die
Erfindung betrifft einen neuartigen Windkraftgenerator mit Außenläufer
und innen liegendem Stator mit einem feststehenden Achsrohr und
eine zugehörige effektive Innenkühlung nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die
Generatoren kleiner Windenergieanlagen mit einer Leistung bis etwa
20 kW werden bisher oft durch spezielle Modifikationen preiswerter
Standardmotoren realisiert. Wichtige technische Parameter, wie Wirkungsgrad
und Masse-Leistungs-Verhältnis, genügen daher
nicht den aktuellen Forderungen an Energie- und Materialeffizienz
moderner Energiewandler. Bei solcherart kleinen Windkraftgeneratoren wird
die maximal zulässige Wicklungstemperatur entsprechend
Wärmeklasse aufgrund unzureichender Kühlung bereits
bei geringen Verlusten erreicht. Oftmals muss deshalb die zugeführte
Windleistung durch geeignete Maßnahmen reduziert werden,
wodurch letztlich die abgegebene elektrische Leistung begrenzt wird.
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Es
sind eine Vielzahl von Kühleinrichtungen für Elektromotoren
oder Generatoren mit Außenläufern bekannt. Die
meist ungenügende Kühlung solcherart Konstruktionen
elektrischen Maschinen mit Außenläufer führt
in der Regel zu einer geringen Maschinenausnutzung. Die Vorteile
des Außenläufers, höhere Drehmomente
und größere Polzahlen durch einen großen
Luftspaltdurchmesser realisieren zu können gehen dadurch
teilweise wieder verloren.
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Es
sind darüber hinaus auch hochpolige Synchrongeneratoren
für getriebelose Windkraftanlagen mit Dauermagnetanordnungen
als Erregung bekannt. Problematisch ist hierbei immer die Kühlung der
aktiven Teile solcher Generatoren, da eine zu starke Erwärmung
der Dauermagnete zu Magnetisierungsverlusten führen kann.
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So
ist in der
DE 44 02
184 C2 ein Synchrongenerator beschrieben, welcher zur besseren
Kühlung mit zusätzlich angeordneten Kühlrippen
versehen ist, wobei die Kühlrippen des innenliegenden Ständers
dessen Oberfläche vergrößern. Diese Kühlrippen
liegen aber nicht im direkten unmittelbaren Kühlluftstrom.
Das Ständerblechpaket mit seiner eingelegten Wicklung in
dem der größte Teil der Verlustwärme
entsteht, sitzt auf dem Ständer. Die Kühlrippen
sind radial angeordnet. Die Verlustwärme gelangt hierbei
durch die Wärmeleitung vom Ständerblechpaket über
die Gehäusewand des Ständers in die Kühlrippen.
Hier soll durch die Verwirbelung der Luft im Windschatten des Generators
die Kühlwirkung erzeugt werden. Diese Kühlwirkung
ist allerdings so gering, dass der Generator nur bedingt elektrisch
hoch ausgenutzt werden kann. Bei bestimmten hohen Dauerbelastungen
ist dieser Generator schnell an der Leistungsgrenze und muss begrenzt bzw.
der Generator stillgesetzt werden.
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Aus
der
DE 196 36 591
C2 ist des Weiteren ein Synchrongenerator für
eine getriebelose Windenergieanlage bekannt, der in einem Turmkopf
montiert ist. Dieser Synchrongenerator besitzt einen Außenläufer
mit einer Dauermagnetanordnung, die eine hohe Polzahl realisiert.
Der Ständer ist gekennzeichnet durch ein innenliegendes
Ständerblechpaket mit einer Ständerwicklung. Der
Ständer ist auf einer mittig angeordneten massiven Welle
gelagert, welche sowohl die Generatorlast als auch die Windlasten aufnimmt
und diese in den Turmkopf ableiteten soll. Diese Bauweise erreicht
zwar eine gute Kühlung, hat aber den Nachteil, dass eine
kompakte Bauweise vor allem bei kleineren Windenergieanlagen nicht
möglich ist, da durch die mittig angeordnete Welle der
Außendurchmesser des Generators sich erheblich vergrößert.
Zudem ist der Turmschaft ebenfalls massiver auszuführen,
da die gesamte Konstruktion auf Grund des größeren
Durchmessers erheblich größeren Windlasten ausgesetzt
ist, die abgeleitet werden müssen.
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Aus
der
DE 21 04 961 A1 ist
ein weiterer offener Kühlluftkreislauf bekannt, wo in einem
drehbaren Gehäuse eines Außenläufermotors Öffnungen
so angeordnet sind, dass beim Drehen des Außenläufermotors
Kühlluft ein- und austritt, wobei diese zwischenzeitlich
seitlich am Stator vorbeiströmt. Hier wird zwar immer frische
kalte Kühlluft zugeführt, aber zur Erzeugung des
Kühlluftstromes sind aufwendige Beschaufelungen auf der
Eintrittsseite der Kühlluft am Gehäuse vorgesehen.
Hierbei erfolgt die Kühlung des Stators nur von seinen
beiden axialen Seiten, d. h. das Innere des Stators kann im Bereich
der Achse jedoch nicht ausreichend gekühlt werden. Damit
entsteht im Inneren eine Art warme Zone aus der die Wärme
nur schlecht abgeführt werden kann. Da aber bekanntermaßen
die meiste Wärme im Inneren des Stators entsteht, kann
bei dieser Kühlungsausführung schnell die thermische Belastungsgrenze
erreicht werden. Des Weiteren handelt es sich in diesem Fall um
eine direkt gekühlte Wicklung die nicht vor Umwelteinflüssen
geschützt ist. Weiterhin ist eine hohe Drehzahl der Maschine
notwendig um eine gute Kühlwirkung zu erzielen.
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In
der
CH 2 31 949 A1 ist
eine andere technische Lösung beschrieben, wo eine Kühlwirkung mittels
einer Art Ejektorwirkung hervorgerufen werden soll. Die Kühlluft
wird bei diesem Motor ebenfalls durch das Innere des Motors geführt.
Zusätzlich erfolgt die Kühlung noch über
das Gehäuse, dass von außen umströmt
werden soll. Da der Stator nicht mit der Gehäusewand verbunden
ist, sind auf der Innenseite des Gehäuses noch zusätzliche
Lüfterflügel angeordnet, die eine Luftumwälzung
im Inneren bewirken sollen. Die bereits erwärmte Luft strömt
noch durch eine angeordnete Hohlwelle, wobei die Kühlwirkung
damit verbessert werden soll. Allerdings wird die Kühlluft,
die durch die Hohlwelle strömt, erst entnommen nachdem
diese den Motor bereits einmal durchströmt hat, wodurch
sich die dadurch hervorgerufene Kühlwirkung nicht als sehr
effektiv und wirkungsvoll erweist. Des Weiteren handelt es sich
hier um eine direkt gekühlte Wicklung die nicht vor Umwelteinflüssen
geschützt ist.
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Aus
der
DE 31 02 333 ist
eine andere Ausführung einer elektrischen Maschine bekannt,
wo bei einem Außenläufermotor im Inneren des Ständers ebenfalls
eine Hohlwelle angeordnet ist, welche mit zur Wärmeabführung
aus dem Motorinneren genutzt wird. Dabei durchströmt die
Kühlluft zunächst ein in der Hohlwelle zusätzlich
angeordnetes Rohr, wird dann durch eine Wand, die die Hohlwelle
axial verschließt, umgelenkt und strömt entlang
der glatten Innenwand der Hohlwelle durch die Hohlwelle zurück und
wird anschließend durch ein scheibenartiges Gebilde, welches über
das Lagerschild gewölbt ausgeführt ist, umgelenkt
und umströmt auch dann noch außen den Läufer
und soll diesen kühlen. Diese mehrfach umgelenkte Kühlluftströmung
soll erreicht werden, indem der Läufer eine Ejektorwirkung
erzeugen soll. Diese mehrfach umgelenkte Kühlluftströmung
kann allerdings nur begrenzt eine effektive Kühlwirkung
entfalten. Zudem dürfte die Kühlluft sich zwischendurch
so erwärmen, dass eine optimale Kühlung am Läufer
nicht erreicht werden kann. In dieser Schrift ist auch eine Teillösung
beschrieben, wo die Hohlwelle zwar beidseitig axial offen ist und
von der Kühlluft durchströmt wird, ehe sie mittels
dem gewölbten scheibenartigen Gebilde umgelenkt und in Richtung
der Oberfläche des Läufers geführt wird. Das
scheibenartige Gebilde verschließt praktisch auf einer
Seite die Hohlwelle. Bei dieser Erfindung ist in einer speziellen
Ausbildung die Hohlwelle länger als der Ständer
ausgeführt. Dabei sind dann in der Hohlwelle unmittelbar
im Anschluss an den Sitz des Lagerschildes zusätzliche Öffnungen
angeordnet, durch die die Kühlluft radial nach außen
abgelenkt werden muss, um die Kühlluftströmung
entlang des Lagerschildes in Richtung der Oberfläche des
Läufers bewirken zu können. Diese Lösung
ist technisch relativ aufwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen neuartigen Windkraftgenerator
mit Außenläufer zu schaffen, der auf Grund einer
sehr intensiven Kühlung hoch ausgenutzt werden kann, damit
eine hohe Leistungsdichte des Windkraftgenerators bei gleichzeitig
minimalster sehr kompakter Bauweise ermöglicht, dessen
konstruktiver Aufbau aus wenigen Einzelkomponenten besteht und der
eine höhere thermische Belastung längere Zeit
aushalten kann und damit noch Energie erzeugen kann, wenn andere
Windkraftgeneratoren bereits stillgesetzt werden müssen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des 1. Patentanspruchs gelöst. Weitere zweckmäßige
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist der Windkraftgenerator mit
Außenläufer 1, wie an sich bekannt, mit
einer Innenkühlung versehen. Die Innenkühlung
erfolgt aber in neuartiger Art und Weise. Der innenliegende Stator 2 ist
auf einem feststehenden Achsrohr 3 angeordnet. Jeweils
seitlich über die massiv ausgeführten Lagerschilde 14 ist
der Außenläufer 1 auf dem Achsrohr 3 gelagert.
Die massiven Lagerschilde 14 sind aus stabilem massiven
Material in entsprechender Dicke oder durch andere konstruktive
Maßnahmen so ausgeführt, dass eine stabile Konstruktion
gewährleistet ist, insbesondere deshalb, weil am Lagerschild 14 oder
auf dem Mantel des Außenläufers 1 die
Rotorblätter direkt angeflanscht sind. In diesem Fall müssen
die Lagerschilde 14 auch die über die Rotorblätter
wirkenden Windlasten mit auf das feststehende Achsrohr 3 übertragen. Deshalb
haben die Rollkörper der Lager 13 innerhalb der
Lagerschilde 14 erhebliche Lasten aufzunehmen, weshalb
auch die Lager 13 entsprechend dimensioniert werden müssen.
Diese Kräfte sind wiederum durch das Achsrohr 3 aufzunehmen
und werden außen über den verlängert
ausgeführten, frei liegenden Schaft des Achsrohres 3 auf
der Abströmseite 16 abgeführt, indem
das massive feststehende Achsrohr 3 mit einer speziellen
Konstruktion wie zum Beispiel mit massiv ausgebildeten Rohrschellen
am Turmkopf der Windkraftanlage befestigt wird. Der Spinner 10 ist entweder
mit dem Lagerschild 14 oder mit dem Achsrohr 3 auf
der Einströmseite 15 mechanisch fest verbunden.
Auf Grund dieser Konstruktion und der gewählten Befestigungsmöglichkeit
am Turmkopf über das Achsrohr 3 oder über
einen auf dem Achsrohr hinter dem Lagerschild 14 angeordneten
Flansch auf der Abströmseite 16, ist das Achsrohr 3,
auf dem der Stator 2 aufgeschrumpft oder aufgepresst angeordnet
ist, ebenfalls mit größerer Materialstärke
ausgeführt. Das Achsrohr 3 ist auch durchgehend über
seine gesamte Länge sehr massiv ausgeführt und
besitzt keinerlei zusätzliche Öffnungen um Kühlluft
zu- oder abzuführen.
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Erfindungsgemäß ist
die Länge des feststehenden Achsrohres 3 mindestens
gleichlang oder länger als die Länge des Außenläufers 1 einschließlich
der beiden Lagerschilde 14. Es ist auch möglich, dass
das feststehende massiv ausgebildete Achsrohr 3 nur nach
einer Seite oder auch nach beiden Seiten verlängert ausgebildet
ist. Im Inneren des feststehenden Achsrohres 3 sind erfindungsgemäß mehrere
durchgehende Kühlkanäle 17 mit großer
Oberfläche und gleichzeitig hohem Kühlluftdurchsatz
angeordnet. Die im Stator 2 beim Generatorbetrieb entstehende
Verlustwärme wird sehr gut in das gut wärmeleitende
Material des Achsrohres 3 abgeführt. Dies ist
die zweite vorteilhafte Wirkung des durchgehend massiv ausgebildeten
Achsrohres 3. Da der Stator 2 direkt auf das Achsrohr 3 aufgeschrumpft oder
aufgepresst ist, entsteht ein flächig sehr guter Kontakt
zwischen dem Material des Ständerblechpakets 5 des
Stators 2 und dem massiven gut wärmeleitenden
Material des Achsrohres 3.
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Da
das Achsrohr 3 materialmäßig massiv ausgeführt
ist, kann es auch eine sehr große Wärmemenge aufnehmen
und kann diese optimal im Inneren des Achsrohres 3 verteilen.
Die sehr große Oberfläche im Inneren des Achsrohres 3 bewirkt,
dass die durch das beidseitig offene Achsrohr 3 strömende Kühlluft
maximal Wärme entziehen und abführen kann. Die
Wärme verteilt sich entlang des Achsrohres 3 bis
in den Bereich, wo der Windkraftgenerator mit dem Turmkopf der Windkraftanlage
befestigt ist. Da die kalte Kühlluft direkt zuerst durch
den elektromagnetisch aktiven Bereich des Stators 2 strömt, wird
dort in diesem Bereich das Achsrohr 3 auch sehr gut gekühlt.
In dem Bereich, in dem die durchströmende Kühlluft
bereits erwärmt ist und nicht mehr so viel Wärme
aufnehmen kann, kann durch eine axiale Verlängerung des
Bereiches des Achsrohres 3 mit vergrößerter
Oberfläche weiterhin eine optimale Kühlung erreicht
werden. Deshalb kann der Bereich des Achsrohres 3, der
in seinem Inneren eine vergrößerte Oberfläche
besitzt, auch am Ende des Ständerblechpakets 5 oder
auch am Ende des Lagerschildes 14 auf der Abströmseite 16 enden,
wobei in der Regel eine ausreichende Kühlwirkung bereits
realisiert werden kann. Er kann aber je nach Auslegung auch noch weiter
auf der Abströmseite 16 verlängert ausgebildet
sein, womit sich die Kühlung noch weiter optimieren lässt.
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Anstelle
der materialmäßig einteiligen Ausführung
des Achsrohres 3 mit innenliegenden Kühlkanälen 17 großer
Oberfläche kann das Achsrohr auch mit einer glatten Innenwand
ausgeführt sein. Bei dieser Ausführungsart ist
im Inneren des feststehenden Achsrohres 3 ein Kühlköper 6 mit
gleichfalls großer Oberfläche angeordnet. Dieser
kann wiederum bevorzugt eingeschrumpft oder eingepresst sein, damit
ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem gut
wärmeleitendem Material des Achsrohres 3 und dem
gut wärmeleitendem Material des Kühlkörpers 6 gewährleistet
ist. Auch hierbei kann die Länge des Kühlkörpers 6 gleich
oder größer sein als die Länge des Ständerblechpakets 5.
Es ist auch denkbar, den Kühlkörper 6 konstruktiv
so zu gestalten und in seiner Länge im inneren des Achsrohres 3 auszuführen, dass
der Kühlköper 6 die Funktion des Achsrohres 3 mit
realisiert, d. h. das dieser die erheblichen durch die Windlast
hervorgerufenen mechanischen Kräfte bis in den Bereich
(bis hinter das Lagerschild 14 auf der Abströmseite 16)
mit über seine inneren Kühlkörperrippen
oder Kühlkörperstege 9 ableitet, so das
die Materialstärke des Achsrohres 3 reduziert
werden kann. Wichtig ist die ausreichende mechanische Stabilität
dieses Achsrohr-Kühlkörperverbundes zur Ableitung
aller mechanischen Kräfte auf den Turmkopf der Windkraftanlage.
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Zur
Erhöhung des Kühlluftstromes und zur Verringerung
möglicher Geräusche ist auf der dem Spinner 10 zugewanden
Seite, d. h. auf der Einströmseite 15 im Inneren
des Spinners 10 eine Einströmdüse 11 angeordnet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung ist der Windkraftgeneratoren
mit Außenläufer und Innenkühlung als
ein Synchrongenerator ausgeführt, in dessen Außenläufer 1 zur
Erregung Dauermagnete 4 angeordnet sind.
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Zur
Verbesserung der Kühlluftströmung durch das Innere
des beidseitig offenen feststehenden massiven Achsrohres 3 durch
den Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung
ist am Ende des feststehenden Achsrohres 3 auf der Abströmseite 16 ein
Diffusor 12 angeordnet, wodurch die Austrittsgeschwindigkeit
und damit der Austrittsdruckabfall minimiert werden. Dies bewirkt
einen geringeren Gesamtdruckabfall im Kühlsystem, eine
Erhöhung der Kühlluftgeschwindigkeit und dadurch eine
Steigerung der Wirksamkeit des gesamten Innenkühlsystems.
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In
einer speziellen Ausbildung der Erfindung besteht der im Inneren
des Achsrohres 3 angeordnete Kühlköper 6 über
seine gesamte Länge aus untereinander verbundenen einzelnen
axialen Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstegen 9,
welche mit einer sehr großen Oberfläche bei gleichzeitig
hohem Kühlluftdurchsatz ausgebildet sind, d. h. der Kühlkörper 6 besteht
je nach Baugröße und Bauform aus einer bestimmten
Anzahl von untereinander verbundenen Einzelteilen. Diese lassen
sich zum Beispiel aus verschiedenen untereinander in ihrer Form
abgestimmten stranggezogenen Einzelteilen montieren.
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Eine
weitere Verbesserung des Geräusch- und Strömungsverhaltens
der durchströmenden Kühlluft beim erfindungsgemäßen
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung
kann erreicht werden, wenn axial außen auf dem Kühlköper 6 auf der
Einströmseite 15 zentrisch ein Kühlkörperkonfusor 7 angeordnet
ist, der die einströmende Luft, die je nach Windgeschwindigkeit
verschieden stark anliegen kann, in die Öffnungen des Kühlkörpers
leitet, nochmals beschleunigt und dadurch die Kühlwirkung noch
erhöht wird.
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Gleichfalls
sinnvoll ist es, wenn axial außen auf dem Kühlköper 6 auf
der Abströmseite 16 zentrisch ein Kühlkörperdiffusor 8 angeordnet
ist, der die Weiterführung der Kühlluft verbessert,
so dass ein Strömungsabriss vermieden wird.
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In
einer Ausführung des Windkraftgenerators mit Außenläufer
und Innenkühlung ist das feststehende Achsrohr 3 auf
der Einströmseite 15 bis in den Bereich des Spinners 10 verlängert
ausgebildet oder das Achsrohr 3 ist auf der Einströmseite 15 so
weit aufgeweitet, dass es gleichzeitig als Einströmdüse 11 ausgebildet
ist.
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Gleichfalls
ist es möglich zusätzlich beim erfindungsgemäßem
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung
für bestimmte Ausführungen oder ab bestimmten
Baugrößen im feststehenden Achsrohr 3 entweder
nur auf der Einströmseite 15 oder nur auf der
Abströmseite 16 oder bei Bedarf auch auf beiden
Seiten jeweils einen Fremdlüfter anzuordnen. Dadurch kann
die Kühlung unabhängig von dem anliegenden Wind
optimal gestaltet werden.
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In
einer besonderen Ausführung sind im Achsrohr 3 oder
im Kühlkörper 6 über den gesamten radialen
Querschnitt axial verlaufende Kühlkanäle 17 mit
großer Oberfläche bei gleichzeitig hohem Kühlluftdurchsatz
angeordnet. Dadurch kann der Wärmeübergang vom
gut wärmeleitendem Material des Achsrohres 3 oder
des Kühlkörpers 6 an die durchströmende
Kühlluft weiter optimiert werden.
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In
einer anderen Ausführung ist der Windkraftgenerator mit
Außenläufer und Innenkühlung über
einen Rohrflansch z. B. mit einem Turmkopf verbunden und befestigt.
Dabei muss nur das verlängerte feststehende Achsrohr 3 auf
der Abströmseite in den Rohrflansch eingesteckt werden
und der Rohrflansch ist zu spannen um den Windkraftgenerator zu befestigen.
Der Vorteil ist hier die einfache und sehr schnelle Montage und
Demontagemöglichkeit beim Aufbau und auch bei Wartungsarbeiten.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile dieses Windkraftgenerators
mit Außenläufer und der neuartigen Innenkühlung
sind die sehr kompakte Ausführung der Konstruktion auch
auf Grund der massiven Ausführung des feststehenden Achsrohres 3 und
der damit verbundenen sehr intensiven Kühlung der aktiven
Teile des Ständers. Im Ständer entsteht die meiste
Verlustwärme, die auf Grund der Konstruktion über den
Außenläufer 3 gar nicht bzw. nur in geringem Maße
aus dem Inneren des Generators abgeführt werden kann. Durch
die direkte Ankopplung des feststehenden massiv ausgeführten
Achsrohres 3 und die zusätzlichen erfindungsgemäß ausgebildeten
inneren Kühlkanäle mit großer Oberfläche
bei gleichzeitig hohem Kühlluftdurchsatz wird die Wärme
auf die durchströmende Kühlluft optimal übertragen.
Hier wird die natürliche Windströmung effektiv
ausgenutzt. Je größer die Windströmung
ist, umso höher ist die dem Windkraftgenerator entnehmbare
Leistung. Dies bewirkt mit höherer Windgeschwindigkeit
wird der Generator thermisch höher beansprucht. Aber gleichzeitig
wird durch die höhere natürlich anliegende Windströmung
auch der Durchsatz der Kühlluft mittels der Innenkühlung
durch das Achsrohr 3 aus gut wärmeleitendem Material
erhöht, was direkt die Wärme sofort am Entstehungsort
abführt und die Kühlung intensiviert. Dadurch
kann der Windkraftgenerator länger als bisher auch bei
relativ hohen Windgeschwindigkeiten Energie liefern. Diese konstruktive
Ausführung ermöglicht eine hohe Leistungsdichte des
Windkraftgenerators bei gleichzeitig minimalster sehr kompakter
Bauweise. Er besteht aus wenigen Einzelkomponenten, welche einerseits
leicht zu fertigen sind und andererseits auch schnell zu einer kompletten
Anlage zu montieren sind.
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Die
Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel
an Hand der 1 bis 3 näher
erläutert werden. In 1 sind die
wesentlichen Teile des neuartigen Windkraftgenerators mit Außenläufer 1 und
Innenkühlung gezeigt. In der Zeichnung nicht dargestellt
sind die Rotorblätter, welche am Lagerschild 14 oder
am Außenläufer 1 befestigt sind und die
Befestigungsvorrichtungen des Generators am Turmkopf einer Windkraftanlage,
der wiederum an einem Mast oder an anderen Konstruktionen befestigt
sein kann. Der Spinner 10 ist hier direkt mit dem Lagerschild 14 auf
der Einströmseite 15 verbunden. Der Spinner 10 und
die Einströmdüse 11 können auch
als ein einziges kombiniertes Bauteil ausgeführt sein.
Im Außenläufer 1 sind innen die Dauermagnete 4 zur
Erregung aufgeklebt. Um die auftretenden Windlasten und die daraus
entstehenden verschiedenen mechanischen Belastungen zuverlässig
beherrschen und übertragen zu können, sind die
beiden Lagerschilde 14 mit erhöhter Steifigkeit
als bislang üblich ausgeführt. Gleiches gilt für
die Lager 13, welche ebenfalls den mechanischen Belastungen
stand halten müssen. Diese Lager 13 tragen den
Außenläufer 1 auf einem durchgehend massiv
ausgebildeten feststehenden Achsrohr 3. Auf dem durchgehend
massiv ausgebildeten feststehenden Achsrohr 3 ist der Stator 2 direkt
aufgeschrumpft. Der Stator 2 besteht aus der Wicklung,
die in dem Ständerblechpaket 5 eingelegt ist.
Das Ständerblechpaket 5 ist auf Grund seines direkten
Schrumpfsitzes thermisch optimal mit dem massiven Achsrohr 3 verbunden.
Das Achsrohr 3 aus gut wärmeleitendem Material
trägt hier auf Grund seiner Wandstärke zur optimalen
Wärmeverteilung über den Kühlkörper 6 bei
und kann die in der Statorwicklung des Stators 2 entstehende
Verlustwärme, die beim Generatorbetrieb entsteht, abführen.
Innen im massiven Achsrohr 3 ist ein spezieller Kühlkörper 6 eingeschrumpft
bzw. eingepresst, der dadurch einen direkten Kontakt zur Innenmantelfläche
des Achsrohres 3 besitzt. Im Kühlkörper 6 sind
eine Vielzahl von Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstegen 9 ausgebildet,
so dass innen im Kühlkörper 6 eine sehr
große Oberfläche entsteht und weiterhin ein hoher
Kühlluftdurchsatz in den Kühlkanälen 17 gewährleistet
ist. Auch hier wird die Wärme sehr gut im gut wärmeleitendem
Material des Kühlkörpers 6 weitergeleitet.
Zur Verbesserung des Geräusch- und Strömungsverhaltens
der durchströmenden Kühlluft beim erfindungsgemäßen
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung
ist axial außen auf dem Kühlköper 6 auf
der Einströmseite 15 zentrisch ein Kühlkörperkonfusor 7 angeordnet,
der die einströmende Luft, die je nach Windgeschwindigkeit
verschieden stark anliegen kann, in die Öffnungen des Kühlkörpers 6 leitet,
nochmals beschleunigt und dadurch die Kühlwirkung verbessert. Axial
außen auf dem Kühlköper 6 auf
der Abströmseite 16 ist des Weiteren zentrisch
ein Kühlkörperdiffusor 8 angeordnet,
der eine optimale Weiterführung der Kühlluft ermöglicht,
so dass kein Strömungsabriss innerhalb des Achsrohres 3 erfolgen
kann.
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Das
durchgehend massiv ausgebildete feststehende Achsrohr 3 ist
in Richtung der Abströmseite 16 so verlängert
ausgebildet, dass auf dieser Seite ein längerer Bereich
des Außenmantels des Achsrohres 3 frei liegt.
In diesem frei liegenden Bereich ist der Windkraftgenerator mittels
entsprechend geeigneter Vorrichtungen, wie zum Beispiel mit massiven Rohrschellen
am Turmkopf der Windkraftanlage befestigt. Am Ende des Achsrohres 3 auf
der Abströmseite 16 ist außen noch ein
Diffusor 12 angeordnet und mit dem Achsrohr 3 verbunden.
Dieser Diffusor 12 dient zur Verbesserung der Kühlluftströmung durch
das Innere des beidseitig offenen, durchgehend massiv ausgebildeten,
feststehenden Achsrohres 3. Dadurch kann die Austrittsgeschwindigkeit
und damit der Austrittsdruckabfall minimiert werden. Dies bewirkt
einen geringeren Gesamtdruckabfall im Kühlsystem, eine
Erhöhung der Kühlluftgeschwindigkeit und dadurch
eine Steigerung der Wirksamkeit des gesamten Innenkühlsystems.
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Der
Effekt der Innenkühlung wird durch die zuströmende
Luft der anliegenden Windströmung bewirkt. Die Kühlluft
wird durch einen Teil der natürlichen auftreffenden Windströmung
gebildet und strömt in die Einströmdüse 11 des
Spinners 10. Hier wird diese mit Hilfe des Kühlkörperkonfusors 7 in
die Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstege 9 verteilt. Über
die große Oberfläche des Kühlkörpers 6 erfolgt ein
maximaler Wärmeübertrag vom Material des Kühlkörpers 6 an
die durchströmende Kühlluft. Nach dem Durchströmen
der Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstege 9 verlässt
die Kühlluft den Kühlkörper 6 strömt
durch den freien Teil des Achsrohres 3 und verlässt
durch den Diffusor 12 den Windkraftgenerator. Diese neuartige
Ausbildung der Innenkühlung bewirkt, dass je mehr Windströmung
den Generator antreibt, dieser mehr Energie bereitstellt und damit
der Generator höher belastet wird. Die dabei entstehende
höhere Verlustwärme im Stator 2 wird
aber gleichzeitig durch die Kühlluftströmung,
die proportional der anliegenden Windströmung steigt, aus
dem Inneren besser und effektiver abführt. Dieser Windkraftgenerator
kann also elektromagnetisch höher belastet werden als bislang
eingesetzte Generatoren und erheblich mehr Energie erzeugen als
bislang baugrößengleiche anders konstruierte Windkraftgeneratoren.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführung
eines durchgehend massiv ausgebildeten, feststehenden Achsrohres 3,
in welches ein Kühlkörper 6 eingeschrumpft
oder eingepresst angeordnet ist. Durch diese Befestigung entsteht
ein sehr enger Materialkontakt zwischen den beiden Einzelteilen,
so das ein sehr guter Wärmeübergang an die Trennflächen
der beiden Teile entsteht. Im Inneren des Kühlkörpers 6 sind
Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstege 9 in
einer speziellen Ausbildung mit sehr großer Oberfläche
so angeordnet, das axiale Kühlkanäle 17 entstehen.
Die Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstege 9 sind
hier mit einer gerippten Oberfläche versehen, so dass insgesamt
eine sehr große Oberfläche, an der die durchströmende
Kühlluft vorbeiströmen kann, im Inneren des Kühlkörpers 6 entsteht.
Dadurch kann die aus dem Stator 2 des Windkraftgenerators
stammende Verlustwärme über das gut wärmeleitende
Material des durchgehend massiv ausgebildeten feststehenden Achsrohres 3 und
das ebenfalls gut wärmeleitende Material des Kühlköpers 6 von
der durchströmenden Kühlluft aufgenommen werden.
Je größer die Oberfläche ist, um so größer
ist die Wärmeabgabe an die durchströmende Kühlluft,
deren Strömungsgeschwindigkeit von der Windstärke
des Windes abhängt der die Rotorblätter des Windkraftgenerators antreibt.
Es sind hierbei auch noch andere oberflächenvergrößernde
Ausführungen für die Ausbildung des Kühlkörpers 6 möglich.
Bevorzugt ist der Kühlkörper 6 aus einem
Stranggussprofil als einstückiges Einzelteil herstellbar.
Wichtig ist ein ausgewogenes Verhältnis der vergrößert
ausgebildeten Oberfläche des erfindungsgemäßen
Innenkühlluftsystems mit einem entsprechend darauf abgestimmten
maximalen Kühlluftdurchsatz.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes einstückiges
Achsrohr 3 mit im Inneren angeordneten Kühlkanälen 17.
Auch hier ist die Oberfläche zur guten Wärmeübertagung
erheblich vergrößert, d. h. es sind eine größere
Anzahl von Kühlrippen oder Kühlstege 9 ausgebildet.
Deren Oberfläche ist hier glatt, kann aber auch bei bestimmten
Ausführungen noch gerieft ausgeführt sein. Bei
der Dimensionierung ist hier darauf zu achten, dass die vergrößerte
Oberfläche in einem bestimmten Verhältnis zur Menge
der durchströmenden Kühlluft steht, damit eine
maximale Wärmeübertragung an die über
die aus eigener Kraft durchströmende Kühlluft überhaupt möglich
ist.
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Die
neuartige Innenkühlung ist einsetzbar für Windkraftgeneratoren
mit Außenläufer insbesondere für kleine
Windkraftanlagen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außenläufer
- 2
- Stator
- 3
- Achsrohr
- 4
- Dauermagnet
- 5
- Ständerblechpaket
- 6
- Kühlkörper
- 7
- Kühlkörperkonfusor
- 8
- Kühlköperdiffusor
- 9
- Kühlkörperrippen
oder Kühlkörperstege
- 10
- Spinner
- 11
- Einströmdüse
- 12
- Diffusor
- 13
- Lager
- 14
- Lagerschild
- 15
- Einströmseite
- 16
- Abströmseite
- 17
- Kühlkanäle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4402184
C2 [0005]
- - DE 19636591 C2 [0006]
- - DE 2104961 A1 [0007]
- - CH 231949 A1 [0008]
- - DE 3102333 [0009]
