DE102009041530A1

DE102009041530A1 - Axialfeld-Ringgenerator mit Magnetfeld-Lagestabilisierung

Info

Publication number: DE102009041530A1
Application number: DE102009041530A
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-04-07

Abstract

Der Bau von Generatoren großer Durchmesser ermöglicht bei gegebener Drehzahl für den aktiven Teil eine starke Reduzierung der Masse und Verbesserungen des Wirkungsgrades. Eine wirtschaftlich günstige Ausführung wird durch die mechanisch bedingte Forderung nach großem Luftspalt behindert. Um die Magnetkreisabmessungen und die Verluste zu begrenzen, wird der mit Permanentmagneten erregte Teil des Generators gegliedert und die einzelnen Erregersegmente mit einem eigenstabilen Magnetlager gekoppelt, Fig. 1.

Description

Stand der Technik
Die nach bisherigem Stand der Technik ausgeführten direkt gekoppelten Generatoren, zum Beispiel für Wind- oder Wasserkraftanwendung, werden bei stark begrenztem Durchmesser und demgemäß hoher Masse der aktiven Teile und zugleich bei vielfach sehr begrenztem Wirkungsgrad eingesetzt. Da bei gegebener Drehzahl die für die Umwandlung relevante Umfangsgeschwindigkeit niedrig ist, erfolgt die kraftbildende Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator bei hoher Umfangskraft. Deren Größe bestimmt für eine gegebene Magnetkreisauslegung, die meist durch die Kraftdichte beschrieben wird, die Höhe der aktiven Masse. Umgekehrt kann gezeigt werden, dass unter sonst gleichen Bedingungen sich eine Durchmesservergrößerung durch eine starke Verringerung der aktiven Masse umsetzen lässt.
Es gibt allerdings Gründe, weshalb Maschinen großen Durchmessers nicht denjenigen kleiner Durchmesser vorgezogen werden. Es handelt sich hierbei überwiegend um Gründe mechanisch konstruktiver Art. Hierzu zählt, dass befürchtet werden muss, dass mit steigendem Durchmesser und Beibehaltung des Konzeptes der geringer werdende Aufwand an aktivem Material durch größeren Anteil an mechanisch bedingter Masse ausgeglichen oder gar überkompensiert wird. Mit größeren Abmessungen wird zur Versteifung gegenüber Biegewirkungen und zum Ausgleich der Dehnung ein größerer Aufwand notwendig, der zum Teil stärker als linear anwächst. Auch die Magnetkreisabmessung gerät mit wachsenden mechanischen Problemen durch die Forderung nach Vergrößerung des Luftspalts unter Druck. Ein etwa proportional zum Durchmesser wachsender Spalt bedingt in aller Regel eine größere Polteilung und mit ihr wächst die radiale Abmessung und die Masse der Magnetkreisteile.
Bei Wind- und Wasserturbinen ist bekannt, dass die zunehmende Leistung nicht nur größere Flügel-Außendurchmesser bedingt, sondern dass mit größerem Durchmesser auch die Drehzahl abnimmt. Somit liegen für den Bau von neuen Anlagen großer Leistung gute Gründe vor, sich entweder mit der Frage stark erhöhter Umfangskräfte zu befassen oder aber eine Konzeptänderung mit der Hinwendung zu einer Durchmesservergrößerung vorzunehmen.
In DE 10 2007 016 879 A1 wurde ein Lösungsvorschlag für einen Ringgenerator axialer Bauart kombiniert mit einem geregelten Magnetlager beschrieben, der mehrere Vorteile aufweist. Die Generatoroptimierung ist dabei verbunden mit der in ihrer Länge etwa hälftigen Aufteilung der Flügelelemente. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit zu einem sehr großen Maschinendurchmesser und im Querschnitt des Magnetkreises folglich verhältnismäßig kleinen Abmessungen. Das Problem des vom Durchmesser abhängigen Luftspalts wird durch den Einsatz einer Lageregelung des Erregerteils umgangen.
Aus der Sicht eines sich schrittweise vollziehenden Übergangs zu größeren Leistungen erscheint eine Lösung wünschenswert, weil schneller zielführend, bei der auch Zwischengrößen für den Generator zwischen der jetzigen Kompaktausführung und jener mit etwa halbem Flügel-Außendurchmesser wählbar sind. Ein weiterer kritischer Punkt der genannten Anmeldung ist die Voraussetzung eines geregelten, elektrisch erregten Magnetlagers. Dies bedeutet einen nicht unbeträchtlichen elektrischen Aufwand, d. h. eine Vielzahl leistungselektronischer und elektronischer Schaltelemente sowie verlustbehaftete Schaltkreise im beweglichen Teil. Die MTBF-Zeiten einer größeren Ansammlung von Halbleiterschaltelementen erweisen sich durch ihre Vielzahl als gering, d. h. sie sind störanfällig. Anlagen dieser Art sind damit wartungsbedürftig, was ihr Einsatzprofil reduziert. Es soll jedoch hervorgehoben werden, dass der Gedanke einer mit der Durchmesservergrößerung verbundenen Massereduktion bei gleichzeitiger Wirkungsgraderhöhung in Verbindung mit der Luftspaltbegrenzung ein recht Erfolg versprechender Ansatz ist. Er sollte durch eine zusätzliche Modifizierung zu einem neuen Entwicklungsziel umgeformt werden.
Die Anwendung eines Axialfeldgenerators soll in der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung mit einem Durchmesser erfolgen, der deutlich größer als der Durchmesser gängiger Kompaktgeneratoren ist. Er soll im Falle von Windkraftanlagen zur Erzielung einer noch zweckmäßigen Ankopplung jedoch kleiner als der halbe Flügelaußendurchmesser sein. Der Verwirklichung eines wartungsarmen Einsatzes entsprechend wird der Generator durch ein von Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld erregt, und für das magnetische Stabilisierungslager wird dessen Erregung ebenfalls ohne stromführende Teile und damit verlustlos und ohne Regelung vorgenommen. Hierbei wird im Generator ein Spalt im Bereich von etwa 1 cm angestrebt, innerhalb dessen mit hohen Felddichten und hoher Umfangsgeschwindigkeit die Wechselwirkung zu hohen Leistungsdichten und hohem Wirkungsgrad führt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text und eine Anzahl textbezogener Bilder beschrieben.
Beschreibung
Der Einsatz von Permanentmagneten
Da Strömungsenergie nicht unmittelbar in elektrische Energie umgesetzt werden kann, erweist sich ein elektromechanischer Wandler als Stufe der Energieumsetzung als notwendig und wichtig. Sein Effizienzgrad ist durch drei Hauptgrößen der Wechselwirkung bestimmt. Sie lauten: Magnetfelddichte, Stromtragfähigkeit und mechanische Geschwindigkeit.
Die Anwendung von Permanentmagneten zur verlustlosen Erzeugung des Erregerfeldes spielt auch für die Erzeugung des magnetischen Feldes mit hoher Dichte eine wesentliche Rolle. Für die Erzeugung hoher Felddichten im Magnetlager liegt die Heranziehung von Permanentmagneten ebenfalls als zweckmäßig nahe.
Die Stabilisierung der Normalkraft
Ausgangspunkt ist die Vorstellung, dass eine mit einem großen Durchmesser ausgelegte Kombination aus Generator- und Magnetlager aus am Umfang gegliederten gleichartigen Einheiten besteht, deren magnetische Felder stromlos durch Permanentmagneten erregt werden, dass dabei die Elemente in radialer Richtung durch ein mechanisches Lager geführt sind und dass in axialer Richtung eine Führung durch magnetische Kräfte erfolgt. Die im Allgemeinen instabil wirkende Normalkraft beim Generator ist durch die Kombination mit dem Magnetlager zu stabilisieren. Die Feldanteile von Generator und Magnetlager sind, da von Permanentmagneten erzeugt, ungeregelt. Hinsichtlich der Richtung der Normalkräfte soll vorausgesetzt werden, dass diese parallel zur Drehachse des Generators verlaufen, so dass beim Generator von einem Axialfeldtyp gesprochen wird.
In 1 sind in einer Querschnittszeichnung zur Orientierung die Komponenten Generator und Magnetlager dargestellt. Der Generator besteht aus den Teilen, Stator ST und Erregerteil ET, die beide durch den mit y bezeichneten Spalt getrennt sind. Das feldführende Statorteil trägt die Wicklung W, während im Erregerteil seitlich überstehende Permanentmagneten Mg erkennbar sind. Zwischen den sich gegenüberstehenden Magnetkreisteilen, deren Berandung den Spalt y bildet, treten anziehende Kräfte der Größe F_G auf. Da diese Kraftwirkung nicht spalterhaltend ist, sind Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich. Sie bestehen nach 1 darin, dass das Erregerteil ET des Generators mit einem Magnetlagerteil Me von ML über eine mechanische Verbindung Vg gekoppelt ist. Das durch Permanentmagneten bestückte Erregerteil Me bewirkt an den Bauteilen V1 und V2 immer dann Kräfte, wenn im Generator Spaltabweichungen auftreten. Diese Kräfte sind groß genug, um eine Rückstellung des Spaltes auf den Nennwert in kurzer Zeit zu gewährleisten. Die in 1 für ML gezeichneten Feldlinien deuten die Kopplung zwischen Erregerteil Me und den schienenartigen Teilen Ms, die mit dem Statorteil des Generators verbunden sind, an. Die Breite b der Magnetlagerpole ist dabei nur wenig größer als der Nennwert des Luftspaltes y_n des Generators. Auch der Luftspalt δ_M soll in etwa gleiche Größe wie y_n besitzen. Das vom Magnetlager ML bereitgestellte Kraftpotential wirkt sich bei Verschiebungen in y-Richtung als Rückstellkraft in symmetrischer Form aus. Alle 4 Teilkräfte der Pole von ML wirken in gleicher Richtung.
Die wichtige Frage nach Verlauf und Größe der Kraft kann mit 1a weitgehend beantwortet werden. Dort ist in Gleichungsform angegeben, wie sich der Maximalwert der Kraft je Längeneinheit und der örtliche Verlauf darstellen. Die Herleitung der Gleichung erfolgt durch Ableitung des im Polraum auftretenden Inhaltes an magnetischer Energie. Sie führt auf einen annähernd sinusförmigen Verlauf der Kraft im Rahmen zweier Halbperioden und wird durch die Ausdehnung b der Polelemente bestimmt. Die Koordinate y_b stimmt mit der Richtung von y, dem Spalt des Generators, überein, kann jedoch über den durch Vg zu bestimmenden Nullpunkt einen Versatz aufweisen.
Der angegebene Größtwert der Kraft je Längeneinheit wird wesentlich durch den Term der räumlichen Energiedichte B²/2μ₀ und den Spalt δ_M bestimmt. Er erreicht für B = 1,5 T und δ_M = 1 cm für einen Pol den Wert 14,0 kN/m ≈ 1,4 t/m. Das bedeutet z. B. für eine vierpolige Einheit nach 1 je Schienenlänge von 1 m eine Rückstellkraft von etwa 5,6 t zur Stabilisierung der Normalkraft. Die Bemessung des Erregerteils Me hat so zu erfolgen, dass in den Spalten δ_M die Felddichte von 1,5 T als Mittelwert entsteht. Dies erfordert sowohl die Berücksichtigung eines Sammlereffektes zur Feldfokussierung als auch den Einsatz der notwendigen Magnetdicke, die größer als die beteiligten Luftspaltlängen im Umlauf sein muss.
2 zeigt in einer Diagrammdarstellung die Kennlinien der Normalkraft F_G des Generators sowie die Rückstellkennlinie F_M des Magnetlagers und die Verbindung beider. Die Normalkraft F_G des Generators ist bezogen auf die im Arbeitspunkt AP bei y/y_n = 1 auftretende Normalkraft F_G0. Sie verläuft von y = 0 ausgehend als fallende Kurve. Mit der Annahme, dass bei AP mit hoher Felddichte nahe der Sättigungsgrenze von etwa 1,8 T gearbeitet wird, ist bei einer Spaltabnahme auf y = 0 keine sehr weitgehende Erhöhung der Felddichte im leitfähigen Teil und damit auch keine große Kraftdichtesteigerung zu erwarten. Die ebenfalls eingezeichnete geknickte Gerade F'_G gilt als Näherung und stellt diesen Sachverhalt vereinfacht dar.
Auch wenn für durch Permanentmagneten erregte Magnetkreise die fallende Tendenz die Neigung der Kennlinie deutlich geringer ist als für elektrisch erregte Wandler, so ist die Instabilität dennoch unverkennbar. In 2 ist für die Verbindung mit dem Magnetlager ML angenommen, dass dessen Maximalkraft voll wirksam ist, wenn y/y_n = 2 beträgt und sich der Generatorspalt somit auf den doppelten Wert des Nennspaltes vergrößert hat. Der Nulldurchgang der F_M-Kennlinie von ML liegt bei etwa 0,8y/y_n. Die Größe des Maximalwertes von F_M beträgt 1,75F_G0. Die Addition der Kräfte, die der mechanischen Kopplung entspricht, zeigt die Kennlinienkombination F_G + F_M, Kurve a. Die resultierende Kennlinie weist nun die für stabiles Verhalten erforderliche positive Steifigkeit auf. Sie zeigt allerdings den Mangel einer starken Verschiebung des Arbeitspunktes zu AP'. Dieser wird zu sehr kleinen Luftspalten, im Beispiel zu etwa y = 0,2y_n verschoben, was unakzeptabel ist. Es zeigt sich darüber hinaus, dass das Stabilisierungsvermögen bei y = 0 auf eine Begrenzung der Kraft von etwa 0,4F_Go hinausläuft. Somit erscheint also die Verschiebung der Kombinationskennlinie in den Bereich kleiner Spalten als ungünstig. Wird der Einsatzpunkt der F_M-Rückstellkennlinie entsprechend der gestrichelten Kurve b zu größeren y-Werten des Generators verschoben, so wandert auch die Kombinationskennlinie nach rechts. Es kann somit erreicht werden, dass der Arbeitspunkt des Generators bei y = y_n beibehalten wird. Eine Vergrößerung der maximalen Rückstellkraft bei kleinen Spalten wird hierdurch nicht erzielt. Dies müsste durch eine Erhöhung des Maximalwertes von F_M bewirkt werden.
Es kann jedoch mit 2 darauf hingewiesen werden, dass eine durch das Magnetlager bewirkte resultierende Rückstellkraft von etwa 0,5F_G0 dazu ausreicht, eine schnelle Rückführung aus einer ausgelenkten Lage zu erreichen. Durch die noch zu beschreibende Unterteilung der Erregereinheit in einzelne Einheiten kleinerer Länge und deren Abfederung gegenüber dem Anlagenteil wird eine Beschleunigung der Rückstellung erzielt. Die Wirksamkeit der Stabilisierung wird hierdurch gegenüber wechselnden Kräften und gegenüber Störungswirkungen geometrischer Art verstärkt. Darüber hinaus ist offenkundig, dass das stromunabhängige, eigenstabile Magnetlager eine Rückstellwirkung besitzt, die auch gegenüber sich langsam ändernden, äußeren axial wirkenden Kräften herangezogen werden kann.
Im Zusammenhang mit 2 muss auch erwähnt werden, dass der Verlauf der resultierenden Kennlinie seitlich des Kraftnulldurchgangs auch dann als stabil wirkend anzusehen ist, wenn die Kennlinie ihren jeweiligen Größtwert bereits durchschritten hat. Die stabilisierende Wirkung tritt ein, solange der Kraftwert von Null verschieden ist. Für den Einsatz eines eigenstabilen Magnetlagers ist die Frage von Bedeutung, wie beim Auftreten größerer veränderlicher Kräfte sich die Kennlinie verändert, bzw. verschiebt, und wie sich dies auf den Arbeitspunkt auswirkt. Daran schließt sich dann die Frage nach geeigneten Gegenmaßnahmen an.
3 zeigt zur Klärung dieser Fragen eine Darstellung mit vereinfachter Generatorkennlinie F_G mit einem ähnlichen Verlauf wie in 2. Zusätzlich ist angenommen dass eine gegen die Normalkraft F_G wirkende äußere Kraft F_W existiert. Sie könnte ähnlich einer axialen Windkraftkomponente bei einer WKA auftreten und wäre als langsam veränderlich zu betrachten. In der Summe F_G + F_W tritt somit eine Reduktion des Höchstwertes der gemeinsamen Kräfte auf. Die Kennlinie F_M des Magnetlagers ist zunächst in ihrer Lage so gewählt, dass sie für F_W = 0 einen stabilen Arbeitspunkt des Generators bei y = y_n ermöglicht. Durch die Wahl F_Mmax = 2F_G0 beträgt der Größtwert der erzielten Rückstellkraft bei y = 0,2y_n nun 0,62F_G0. Die resultierende Kennlinie ist gegenüber derjenigen von 2 im Arbeitsbereich nun steiler. Das Ergebnis entspricht einer gedachten Feder größerer Steifigkeit. Unter Berücksichtigung der äußeren Kraft F_W tritt für die resultierende Kennlinie eine Absenkung ein, der auch eine Verlagerung nach rechts entspricht. Der Nulldurchgang verschiebt sich und mit ihm der Arbeitspunkt zu AP'. Dies ist für kurzzeitige Vorgänge kein Problem, stört das Betriebsverhalten jedoch bei längerer Dauer. Die Normalkraftänderung verbunden mit der Änderung der Felddichte hat Einfluss auf die bei gleichem Strom erzeugte Tangentialkraft.
3 zeigt, dass durch eine Verschiebung der Kennlinie F_M des Lagers nach links in Richtung kleineren Maschinenspalte, also zur Position F*_M auch die resultierende Kraftkennlinie sich entsprechend verändert und zwar so, dass ihr Nulldurchtritt wieder dem Arbeitspunkt AP entspricht.
Dem relativ langsam angenommenen Änderungsverhalten von F_W entsprechend, kann eine Nachführung durch ein langsam agierendes Stellverfahren für das Verbindungselement Vg von 2 erfolgen. Bereits kleine Beträge der Längsverschiebung haben entsprechend 3 eine große Wirkung zur Folge.
Das Verstellen des Generatorspalts durch Eingriff über das Verbindungselement Vg eignet sich auch zur Generatorentregung. Bereits für y = 2y_n sinkt der Magnetfluss auf Werte, die deutlich unter 50% des Nennwertes liegen.
Mit der Schnittdarstellung 4 wird gezeigt, wie sich für eine Maschine großen Durchmessers die bauliche Kombination mit dem Magnetlager grundsätzlich lösen lässt. Stator S und Erregerteil des Generators E sind über den Luftspalt y in Wechselwirkung und in jeweilige Konstruktionsbauteile Ks bzw. Et1 einbezogen. Die sich gegenüber stehenden Bauteilkombinationen sind mit ST und ET bezeichnet. Das Magnetlager ML befindet sich mit dem Schienenteil, das aus den beiden leitfähigen Teilen Ms1 und Ms2 besteht, in der Erregeranordnung befestigt, während das Erregerteil Me mit dem Statorteil ST verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt über ein mechanisches Stellglied Z, das z. B. ein Hydraulikzylinder sein kann, das Verbindungsteil T, das mechanisch geführt ist und die Verstellung von Me in y-Richtung ermöglicht. Mit dem Teil Ks' ist stellvertretend angedeutet, dass die Konstruktionsteile für alle Komponenten die sorgfältige Befestigung sowie ihre Montage und Auswechslung zu ermöglichen haben.
4 zeigt für die Ausführung des Magnetlagers eine Variante mit gegenüber 1 verdoppelter Polzahl. Die Formgebung ermöglicht, dass nun, mit praktisch gleicher Wirksamkeit, anstelle von vier Polen acht Pole zur Generierung von F_M zur Verfügung stehen. Hierzu muss gleiche Felddichte durch das Bauteil Me erzeugt werden, was dort zu größeren Abmessungen führt. Der Einsatz an aktivem Material vergrößert sich annähernd proportional zur erzeugten Kraft.
Das Statorteil ST ist durch ein weiteres Konstruktionsteil Kr mit der Anlage bzw. einem Gehäuseteil verbunden.
In 4 wird davon ausgegangen, dass der Stator im Wesentlichen als ringförmiges Bauteil angesehen werden kann, innerhalb dessen die mit Wicklung W bestückten Statorteile S am Umfang in einer symmetrischen Anordnung stehen. Sie können grundsätzlich auch Lücken aufweisen. Ihr Zusammenhalt wird durch das Konstruktionsteil Kr, das ebenfalls ringförmig zu denken ist, übernommen. Allerdings gilt für große Durchmesser auch, dass für Statorbauteile abschnittsweise ungekrümmte Komponenten eingesetzt werden können, wenn die Abweichungen von der Kreisform gering bleiben. Herstellungsprobleme lassen sich hierdurch vereinfachen. Es ist weiter angedeutet, dass von den Statorteilen, insbesondere der Wicklung W, Verbindungen über die Gehäuseteile nach außen führen, und dass z. B. zum mechanischen Stellelement Z eine Zuführung Zz zu berücksichtigen ist.
In 4 steht dem Erregerteil ET ein weiteres Bauteil RR, das als ringförmiges Konstruktionsteil anzusehen ist, gegenüber. Es sollte dabei erkennbar sein, dass ET nach innen eine Verlängerung bis zur Ankopplungsstelle A1 aufweist, wo es um dieses Zentrum drehbar gelagert ist. Die damit mögliche Spaltbewegung ist eine Kreisbahn um den großen Radius s. Bei großen Maschinendurchmessern ist anzunehmen, dass durch Biegung und Dehnung verursachte Positionsstörungen des Anlenkpunktes A1 entstehen. Die Übertragung der Axialkraft F_W erfolgt über die Feder oder das Feder-Dämpfelement Fd mit den Kopplungspunkten an RR und Aw1 in ET. Durch die erwähnte Gliederung in eine größere Zahl gleichartiger Elemente für die Erregung ET und die beschriebene elastische Ankopplung an das ringförmige Bauteil RR besteht in axialer Richtung die Möglichkeit, die in der Anlagenstruktur auftretenden betriebsbedingten Verformungen vom Spalt der Maschine weitgehend fernzuhalten. Dies gilt auch für Verformungen, die im Laufe einer Umdrehung, etwa aufgrund von Beanspruchungsschwankungen oder baulichen Besonderheiten, zustande kommen und somit verhältnismäßig schnell auftreten. Bei ausreichender Steifigkeit der Magnetstützkennlinie, kleiner Masse der beweglichen Erregerelemente und einer niedrigen Eigenfrequenz des Federelements Fd lassen sich die äußeren Einwirkungen vom Maschinenspalt isolieren. Mit Nennspalten im Bereich von 1 cm erscheinen so Maschinendurchmesser von 20 m und mehr ausführbar. Für den Bau von Synchronmaschinen mit Erregung durch Permanentmagneten lassen sich Polteilungen im Bereich von 10–15 cm anwenden, wodurch gegenüber konventionellen Maschinen große Vorteile für deren Massebegrenzung sichtbar werden.
5 zeigt eine Elementaufteilung des Erregerteils ET in Umfangsrichtung. Die Magnetkreisteile E und Ms sind von den Bauteilen Et1 umschlossen. Über die drehbar befestigte Anlenkstelle A1 an RR erfolgt die Übertragung der Umfangskräfte. Die Kraftübertragung in axialer Richtung erfolgt mit Hilfe der Feder Fd. Ihre Eigenfrequenz soll wie erwähnt deutlich niedriger als die Eigenfrequenz des Magnetlagers in Bezug auf die Teilmasse von ET sein. Es wird hierdurch erreicht, dass die Korrekturbewegungen am Spalt sehr schnell ablaufen können und auf kleine Ausschlagamplituden beschränkt bleiben. Dies ist die Voraussetzung, um kleine Nennspalte verwirklichen zu dürfen. Zusätzlich leitet sich daraus auch die Möglichkeit ab, auf der Anlagenseite und in dem Bauteil RR Bewegungen mit größeren Amplituden zuzulassen, die wiederum dort den zurückhaltenden Einsatz mechanisch notwendiger Komponenten ermöglichen.
Mit 4 wurde ersichtlich, dass zur Minimierung des Gesamtaufwandes auch der Materialeinsatz für das Magnetlager mit einzubeziehen ist. Durch die Ansprüche an die erzeugbare Maximalkraft von F_M wird ein zusätzlicher Materialanteil bestimmt. Es ist erkennbar, dass hierfür die Größe von F_G0, aber auch der Maximalwert von F_G, der in etwa mit 1,4F_G0 angesetzt ist, eine Rolle spielen.
Erwähnt sei, dass auch eine Verlegung der mechanischen Federebene und die begleitende Segmentierung zur Statorseite möglich sind, wobei dann die elektrischen Verbindungen flexibel auszuführen sind.
Wie 6 zeigt, sind dort zum Abbau von F_G0 zwei Generatorhälften mit je halber Leistung und je etwa halber Größe der Normalkraft vorgesehen. Bei gleicher Spaltgröße heben sich die Normalkräfte F_G1 und F_G2 durch ihre ungleiche Wirkungsrichtung gegenüber dem Erregerteil ET gegenseitig auf. Die beiden zugehörigen Statoren S1 und S2 mit ihren Wicklungen W1 und W2 sind an den jeweiligen Konstruktionsteilen K1 und K2 befestigt. In K1 ist das Bauteil Me gelagert, das in y-Richtung verschiebbar angenommen ist. Über das Stellelement Z, das über seine Verbindung Zz mit Energie versorgt und gesteuert wird, lässt sich der Kraftnullpunkt der Lagerkennlinie gegenüber dem Maschinenspalt verschieben. Die der Kraftübertragung dienenden Poleinheiten der Magnetkreisteile Ms1 und Ms2 stehen dem Bauteil Me gegenüber. Durch Bauteilgliederung mit dem Teil K1' auf der Statorseite und dem Teil Et2 auf der Erregerseite wird auf Montierbarkeit exemplarisch hingewiesen. Für das Bauteil Et1 ist der Anlenkungspunkt A1, ähnlich wie in 3, vorgesehen. Die Kraftkomponente F_W ist als langsam veränderliche Größe mit Hilfe der Feder Fd von RR auf ET übertragbar.
Bezüglich der nun erleichterten Bemessung für das Magnetlager ML zeigt Diagramm 7 zunächst, dass die resultierende Normalkraftkennlinie F_G1 + F_G2 den Bereich um den Arbeitspunkt stark entlastet. In den Spalt-Endbereichen bei Null und 2y_n gelten weiterhin hohe Anforderungen. Die negative Steilheit der Kennlinie ist hoch. Allerdings ist als sehr positiv zu buchen, dass die Absolutwerte von F_G durch Maschinenaufteilung halbiert wurden. Für die Überlagerung der Lagerkennlinie F_M entsteht erwartungsgemäß im Resultat keine AP-Verschiebung, wenn die Nulldurchgänge beider Kennlinien übereinstimmen. Es folgt somit ein symmetrischer Verlauf, dessen Maximalwert fast den Betrag F_G0 erreicht.
Die Aufbringung einer großen Axialkraft F_W bewirkt in der resultierenden Kennlinie eine Verschiebung nach rechts, die auch die beiden AP-Punkte der Maschinen G1 und G2 unsymmetrisch versetzen. Dies ist mit den Punkten AP' bezeichnet.
Mit dem Versatz der Lagerkennlinie F_M zur Position von F_M* kann die ungleiche Belastung der Generatoren beseitigt werden. Die resultierende Kennlinie F_G + F_W + F_M* zeigt die zurückgewonnene erhöhte Symmetrie. Der Maximalwert der Kennlinie verschiebt sich dabei asymmetrisch, jedoch mit durchaus hinnehmbaren Maximalwerten.
Unter Berücksichtigung der durch die Generatoraufeilung jeweils halbierten Normalkraft stellt auch der relativ hohe Maximalwert von F_Mmax = 2,25F_G0 letztlich eine Erleichterung für die Bemessung von ML dar. Verglichen mit der Anordnung nach 3 beträgt der dimensionierende Maximalwert nur noch 60%.
Dem steht auf der anderen Seite in Folge der verringerten Paketbreiten der Generatoren ein geringfügiger Nachteil gegenüber. Er drückt sich in einem leicht vergrößerten Wicklungsvolumen und in einer geringfügig erhöhten Magnetstreuung aus.
Das Integrationsmodell für die G/L-Kombination
Mit 8 wird auf die Integration der Generator/Magnetlageranordnung z. B. mit einer Horizontalwellen-WKA eingegangen. Schematisch ist in der skizzierten Anordnung ein mit F bezeichneter, vertikal stehender Flügel angedeutet, der einer nicht gezeichneten horizontalen Welle zugeordnet ist. Er ist mit der Nabe N verbunden, die seine Drehung um die vertikale Achse Av einstellbar ermöglicht. Die Nabe grenzt an das die Welle umgebende Gehäuse G, dessen Durchmesser D_c sich vom Nabendurchmesser D_N unterscheiden kann.
Das Rotorteil RR der G/L-Kombination ist mit Hilfe des schräg anschließenden und sternförmig verteilten Stützenverband Rn, der mit dem an der Nabe angrenzenden Teil Rk verbunden ist, rotierend befestigt. Er überträgt Umfangs- und Axialkräfte vom Nabenbereich zum Generator.
Von RR werden diese Kräfte über A1 und Fd an das Erregerteil ET weitervermittelt. Beiden Kräften stehen jeweils magnetisch erzeugte Gegenkräfte durch Wechselwirkung mit den Statorteilen gegenüber. In axialer Richtung ist es die Lagerkraft F_M, während die Umfangskomponente durch die im Stator erzeugten Ströme einen Gegenpart findet.
Über die Statorbefestigung, die aus einer Radialanordnung von Stützen Ss besteht, kann eine Verbindung mit dem feststehenden Gehäuse Gh oder anderen belastbaren feststehenden Konstruktionsteilen erreicht werden. Hier tritt die Gegenkraft zu der auf ET übertragenen Lagerkraft, also –F_M = +F_M auf, was zeigt, dass von der rotierenden Nabe N zum feststehenden Gehäuse Gh die Kraftübertragung ohne Berührung im Generatorbereich erfolgt. Die Zeichnung 8 soll darüber hinaus andeuten, dass die notwendigen Querschnitte im Vergleich zu den Flügeldimensionen großer Anlagen als begrenzt zu bezeichnen sind, und mit der Vorgabe D_G < 0,5D_S mit D_S dem Spitzendurchmesser des Flügelkreises die verursachte Widerstandserhöhung ebenfalls als sehr begrenzt anzusehen ist. Es ist naheliegend, in diesem Zusammenhang die Profilwahl für die Stützen Rn und Ss als schlank und widerstandsarm zu wählen, und auch die Abmessungen der Konstruktionsteile RR, der Verbindungselemente und des Konstruktionsteils RR strömungsgünstig zu bestimmen.
8 weist weiter darauf hin, dass die Abfuhr der insbesondere durch die Generatorteile entstehenden Leistungsverluste ohne temperaturbedingte Wicklungsschäden zu erfolgen hat. Hierzu sind verschiedene Verfahren mit unterschiedlichen Kühlungsintensitäten in Anwendung. Für das Beispiel einer offenen Luftführung im Strömungsfeld der Windkraftanlage folgt mit der mechanischen Abstützung nach 8 die radial gerichtete Anströmung der Generatorteile. Durch die teilweise radiale Luftführung im Rotorbereich von RR entstehen durch die Stützelemente Rn Antriebswirkungen für den axial ankommenden Luftstrom. Er wird leicht radial umgelenkt und aufgrund der entstehenden Druckunterschiede zur Durchströmung der Generatorbauteile angeregt. Die Kühlung im offenen Luftstrom setzt allerdings voraus, dass durch besondere Schutz- und Konservierungsmaßnahmen eine frühzeitige Alterung der Bauteile verhindert wird.
Mit den angedeuteten Maßnahmen kann festgestellt werden, dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, das beschriebene mechanische Stützkonzept mit einer forcierten Luftkühlung zu verbinden, ohne einen größeren Materialeinsatz hinzunehmen.
Die bei großen Anlagen vielfach angestrebte geschlossene Bauform, auf die mit 9 hingewiesen wird, erfordert für die Baugruppen ST und RR eine Umhüllung, die von einer nach Feuchtigkeit und Temperatur aufbereiteten Umluft durchströmt werden kann. Es liegt nahe, sie in einen feststehenden und beweglichen Teil zu gliedern und weitgehend die vorhandenen Stützen in die Umluftführung einzubeziehen. Nach 9 werden nun die Stützen im Querschnitt als widerstandsarme Profile so gewählt, dass sie in Längsrichtung den Luftdurchtritt ermöglichen. Im feststehenden Teil ist die Ummantelung der Stützen mit Us und im rotierenden Teil durch Ur bezeichnet. Die durch die Rotation von Rn erzeugte Drucksteigerung lässt sich zum Antrieb der Umluft und der Überwindung der Strömungswiderstände einsetzen. Im Wechselwirkungsbereich findet eine Wärmeaufnahme insbesondere an der Maschinenwicklung statt, wobei sich die Umluft erwärmt. Sie wird anschließend über die Hohlraumstützen Ss und Gehäuse Gh abgeleitet. Zur Intensivierung der Wärmeabgabe sind nach 9 zusätzliche Wärmeleitstrecken vorgesehen. Sie sind mit H1 und H2 bezeichnet und lassen sich z. B. durch heat pipes verwirklichen, die bei kleiner Temperaturdifferenz und kleinem Querschnitt große Wärmeströme transportieren können. Von ihnen wird die Wärme an die im äußeren Luftstrom liegende Umhüllung abgeführt, die eventuell durch Aufsetzen von Rippen eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Diese Wärmeabgabe erfolgt im Abströmbereich hinter dem Flügel und ist aufgrund der dort herrschenden Strömungsverhältnisse durch eine verhältnismäßig hohe Wärmeabgabezahl gekennzeichnet. Zwischen den feststehenden und rotierenden Umhüllungsteilen ist ein den Austritt erschwerender Hüllenrand im Stile einer großspaltigen Labyrinthdichtung vorgesehen. Er erhöht den Widerstand für den dort stattfindenden Luftaustritt der Innenströmung. Der Umluftstrom ist insgesamt unter leichtem Überdruck gehalten, so dass das Eintreten nicht aufbereiteter Luft in den Maschinenbereich verhindert wird. Innerhalb des Gehäuses erfolgt eine Luftaufbereitung nach erfolgter Durchströmung der Anlage.
Mit den schematisch ausgeführten Zeichnungen 8 und 9 wurde gezeigt, dass die für die Anlagenfunktion wichtigen Aufgaben der Maschinenabstützung und des Schutzes auch bei der gewählten externen Position mit begrenztem Mehraufwand lösbar erscheint. Es ist erkennbar, dass mit der Verwendung von Hohlraumstützen für Rn und Ss ein zweckmäßiger Ansatz zur Begrenzung der notwendigen mechanischen Komponenten der Anlage mit großem Maschinendurchmesser gegeben ist.
Anlagen mit vertikaler Welle
Anlagenleistungen im 10 MW-Bereich für Windkraft werfen erneut die Frage nach der Zweckmäßigkeit eines Übergangs auf die vertikale Welle auf. Neben aerodynamischen Zusammenhängen steht auch die Frage der sinnvollen Kombination mit der elektromechanischen Wandlerstufe an.
In der oben zitierten Patentanmeldung wurde darauf hingewiesen, dass mit der senkrechten Welle sich ein zweckmäßiger Ansatz für Teilung der Flügel in zwei gleichgroße Hälften anbietet und durch deren Abstützung sich weitere Vorteile ergeben. Mit der erreichten Beanspruchungssymmetrie und der Beschränkung der Flügelhöhe verringern sich die Biegewirkungen; es ergeben sich Möglichkeiten zum Einsatz widerstandsarmer Profile und verringerter Flügelmasse. Dies kann zur Steigerung der Einsatzgeschwindigkeit und deutlich erhöhter Leistungsdichte genutzt werden.
Aus Sicht der Anlagenkonzeption bietet sich nun an, die Traglast der Kraft erzeugenden Primärstufe im Mittel durch die Normalkraftwirkung des Axialfeldgenerators zu kompensieren und die erforderlichen Zusatzkräfte über das magnetische Lager auszugleichen. Den 10 und 11 liegt dieser Ansatz zu Grunde.
In 10 ist bezugnehmend auf 3 und mit vergrößerter Axialkraft F_A ein für das Magnetlager günstiger Ausgangspunkt entstanden. Es wurde vorausgesetzt, dass durch die Wahl des Generatordurchmessers und dessen hoher tangentialer Kraftdichte, mit einer Normalkraft F_G0 betrieben werden kann, die gleich der mittleren Beanspruchung durch die Anlagenmasse ist. Der in 10 gezeichnete Einsatz des Magnetlagers entspricht grundsätzlich der in 4 gewählten Lösung. Während das Statorteil ST mit der Turmkrone und deren Erweiterung TS der Anlage verbunden ist, steht das Erregerteil ET über die Feder Fd abgestützt mit dem Anlagenteller RP, an dem die geteilten Flügel F befestigt sind, in Verbindung. Der Einsatz eines zweistufigen Federsystems, bestehend aus Magnetstützung und mechanischer Feder, ermöglicht wie in der Fahrzeugtechnik bei deutlich gespreizten Eigenfrequenzen das Ausblenden von größeren Störamplituden der Anlagenseite für das Maschinenteil und damit die schnelle Korrektur am kleinen Spalt. 11 stellt für den geschilderten Betriebsfall die Kennlinien der Komponenten Maschine F_G und von Lager F_M sowie deren Kombination dar.
Im Vergleich zu 4 und einer dort relativ kleinen äußeren Kraft F_W besteht nun zur Stabilisierung der resultierenden Kennlinie eine deutlich günstigere Voraussetzung. Mit der Annahme F_A = –F_G0 kann die Kennlinie des Magnetlagers F_M so zugeordnet werden, dass der Arbeitspunkt erhalten bleibt. Auch mit der Annahme, dass der Maximalwert der Magnetlagerkraft nur das 1,4-fache von F_G0 beträgt, kann eine für den gesamten Auslenkungsbereich günstige resultierende Kennlinie erzeugt werden. Hierdurch ist ein verhältnismäßig begrenzter Materialeinsatz für das Stabilisierungslager gegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007016879 A1 [0004]

Claims

Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und axial eigenstabilem Magnetlager zur Energiewandlung bei horizontaler oder vertikaler Anlagenachse mit einem im Wesentlichen ringförmigen aus mehreren einzelnen Komponenten bestehenden wicklungstragenden Statorteil und einem bevorzugt mit energiestarken Permanentmagneten gebildeten segmentierten ringförmigen Erregerteil, die sich wechselwirkend an einem möglichst konstant zu haltenden Luftspalt gegenüberstehen und ein im Spaltraum wirksames Magnetlager, bestehend aus, mit einer Seite verbundenen, durch Permanentmagneten bestückten Erregerelementen und mit der anderen Seite verbundenen, magnetisch leitfähigen Schienenteilen als Rückschlusselemente, deren Wechselwirkung in der Überlagerung mit der Normalkraftwirkung des Generators und äußeren Kräften axialer Art zu Rückstellkräften führt, die eine Spaltbegrenzung auf den Bereich von etwa 1 cm bei Maschinendurchmessern von mehr als 20 m ermöglichen.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung des Erregerteils am Spalt begrenzter Länge zwischen Erregerteil und dem diesem zugeordneten Anlagenteil in axialer Richtung eine elastische Federverbindung eingesetzt wird, deren Eigenfrequenz niedriger liegt als die Eigenfrequenz der Magnetstützung und das Erregerteil des Generators segmentiert ist.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager zur Erzielung hoher Felddichten im Bereich des Erregerteils eine um mindestens den Faktor 2 größere Flussbreite als im Bereich der kraftbildenden Pole am Spalt aufweist, und die Magnetdicke in Flussrichtung deutlich größer ist als die Länge der im Feldbereich liegenden Spalte, und in Verschieberichtung die Polabmessung annähernd der Länge des Nennspaltes des Wandlers entspricht, und zur Felderregung Permanentmagnete mit hoher Remanenzinduktion Verwendung finden.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einsatz bei Anlagen mit schwankender äußerer Axialkraft und bei weitgehender Beibehaltung des Wandlerarbeitspunktes das am Statorteil befestigte Erregerteil des Magnetlagers von dort aus stellbar angeordnet ist.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur weitgehenden Entregung des Magnetfeldes im Maschinenspalt über den Stellmechanismus des Magnetlagers eine Spaltvergrößerung mindestens bis zum doppelten Nennspalt vollzogen wird.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einsatz bei Horizontalwellen-Anlagen der Wandlerdurchmesser größer als das den Maschinenraum umschließende Gehäuse ist und vom Flügeldurchmesser unabhängig gewählt werden kann.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung der Wandler/Lager-Kombination am Statorteil durch Stützen mit geringem Luftwiderstand gegenüber dem Anlagenteil erfolgt, während das Drehmoment über eine sternförmig und widerstandsarm angeordnete Stützenverbindung von der Antriebswelle her zugeleitet wird.
Kombination aus elektromagnetischem Axialfeldwandler und eigenstabilem Magnetlager nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente zur Führung eines Luftstroms zwischen Zentralgehäuse und der Wandler/Lager-Kombination herangezogen und hohl ausgeführt werden, ein weitgehend geschlossener Kreislauf für aufbereitete Umluft besteht, und Maßnahmen zur forcierten Wärmeabfuhr beim Generator sowie zur Luftaufbereitung getroffen sind.