DE102009026195B4

DE102009026195B4 - Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung

Info

Publication number: DE102009026195B4
Application number: DE102009026195.8A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Burkhardt Thomas; Dipl.-Ing. Martin (FH) Eckart; Dipl.-Ing. Heyde Michael; Prof. Dr.-Ing. Michalke Norbert; Sören Miersch
Original assignee: Hochschule fur Technik und Wirtschaft Dresden Fakultat Elektrotechnik
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2029-07-18
Also published as: DE102009026195A1

Abstract

Windkraftgenerator mit Außenläufer und innerer Kühlung und innen liegendem Stator und einem feststehenden Achsrohr mit massiven Lagerschilden und direkt angeflanschtem feststehendem oder mitlaufendem Spinner,
wobei
der Stator (2) auf einem durchgehend massiv ausgebildeten, feststehenden Achsrohr (3) angeordnet ist,
die Länge des feststehenden Achsrohres (3) länger als die Länge des Außenläufers (1) ist, dass feststehende Achsrohr (3) nach einer Seite oder nach beiden Seiten verlängert ausgebildet ist,
im Inneren des feststehenden Achsrohres (3) mehrere durchgehende Kühlkanäle (17) mit großer Oberfläche angeordnet sind,
oder im Inneren des feststehenden Achsrohres (3) ein Kühlköper (6) mit großer Oberfläche angeordnet ist,
wobei die Länge des Kühlkörpers (6) gleich oder größer ausgebildet ist als die Länge des Ständerblechpaketes (5),
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der dem Spinner (10) zugewandten Seite des Achsrohres (3) im Inneren des Spinners (10) eine Einströmdüse (11) angeordnet ist.

Description

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 ( DE 196 36 591 C2 ).
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.
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.
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.
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.
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 und welcher über ein Achsrohr gelagert ist. 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 auf Grund mehrerer durchgehender Kühlkanäle, welche mit einer großen Oberfläche versehen sind, 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.
Aus der DE 21 04 961 A 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.
In der CH 2 31 949 A 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.
Aus der DE 31 02 333 A1 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.
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.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 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.
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.
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.
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.
Zur Erhöhung des Kühlluftstromes und zur Verringerung möglicher Geräusche ist auf der dem Spinner 10 zugewandten Seite, d. h. auf der Einströmseite 15 im Inneren des Spinners 10 eine Einströmdüse 11 angeordnet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 wärmeleitenden Material des Achsrohres 3 oder des Kühlkörpers 6 an die durchströmende Kühlluft weiter optimiert werden.
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.
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.
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 in das gut wärmeleitende Material des Kühlkörpers 6 weitergeleitet. Zur Verbesserung des Geräuschund 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.
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.
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.
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 dass 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, umso 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.
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.
Die neuartige Innenkühlung ist einsetzbar für Windkraftgeneratoren mit Außenläufer insbesondere für kleine Windkraftanlagen.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Windkraftgenerator mit Außenläufer und innerer Kühlung und innen liegendem Stator und einem feststehenden Achsrohr mit massiven Lagerschilden und direkt angeflanschtem feststehendem oder mitlaufendem Spinner, wobei der Stator (2) auf einem durchgehend massiv ausgebildeten, feststehenden Achsrohr (3) angeordnet ist, die Länge des feststehenden Achsrohres (3) länger als die Länge des Außenläufers (1) ist, dass feststehende Achsrohr (3) nach einer Seite oder nach beiden Seiten verlängert ausgebildet ist, im Inneren des feststehenden Achsrohres (3) mehrere durchgehende Kühlkanäle (17) mit großer Oberfläche angeordnet sind, oder im Inneren des feststehenden Achsrohres (3) ein Kühlköper (6) mit großer Oberfläche angeordnet ist, wobei die Länge des Kühlkörpers (6) gleich oder größer ausgebildet ist als die Länge des Ständerblechpaketes (5), dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Spinner (10) zugewandten Seite des Achsrohres (3) im Inneren des Spinners (10) eine Einströmdüse (11) angeordnet ist.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkraftgenerator als ein Synchrongenerator ausgeführt ist und im Außenläufer (1) zur Erregung Dauermagnete (4) angeordnet sind.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des feststehenden Achsrohres (3) auf der Abströmseite (16) ein Diffusor (12) angeordnet ist.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlköper (6) über seine gesamte Länge aus untereinander verbundenen axialen Kühlkörperrippen oder Kühlkörperstegen (9) mit großer Oberfläche besteht.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass axial außen auf dem Kühlköper (6) auf der Einströmseite (15) ein Kühlkörperkonfusor (7) angeordnet ist.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass axial außen auf dem Kühlköper (6) auf der Abströmseite (16) ein Kühlkörperdiffusor (8) angeordnet ist.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Achsrohr (3) auf der Einströmseite (15) bis in den Bereich des Spinners (10) verlängert ausgebildet ist oder das Achsrohr (3) auf der Einströmseite (15) aufgeweitet ist und gleichzeitig als Einströmdüse (11) ausgebildet ist.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im feststehenden Achsrohr (3) auf der Einströmseite (15) oder auf der Abströmseite (16) oder auf beiden Seiten ein Fremdlüfter angeordnet ist.
Windkraftgenerator mit Außenläufer und Innenkühlung nach Anspruch 1, 3, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass am verlängerten feststehenden Achsrohr (3) auf der Abströmseite ein Rohrflansch zur Befestigung angeordnet ist.