DE102010040359A1

DE102010040359A1 - Electric generator and rotor blade assembly

Info

Publication number: DE102010040359A1
Application number: DE102010040359A
Authority: DE
Inventors: Evelin Sommer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-08
Also published as: WO2012031968A1

Abstract

Es wird ein Generator vorgeschlagen, der einen scheibenförmigen Stator parallel zwischen zwei ebenfalls scheibenförmigen flachen Rotoren vorsieht. Die Rotoren sind koaxial angeordnet und können unabhängig voneinander in gleicher Richtung oder gegenläufig gedreht werden. Weiterhin wird eine Rotorblattanordnung mit vertikaler Drehachse für Strömungskraftanlagen wie Windkraftanlagen offenbart, bei der mehrere Rotorblätter am äußeren Umfang eines geschlossenen Zylinders angebracht sind.A generator is proposed which provides a disk-shaped stator in parallel between two flat rotors, which are also disk-shaped. The rotors are arranged coaxially and can be rotated independently of one another in the same direction or in opposite directions. Furthermore, a rotor blade arrangement with a vertical axis of rotation for flow power plants such as wind power plants is disclosed, in which several rotor blades are attached to the outer circumference of a closed cylinder.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator für Windkraft- und andere Strömungskraftanlagen. Weiter betrifft die Erfindung eine Rotorblattanordung für Windkraft- und andere Strömungskraftanlagen.The invention relates to an electric generator for wind power and other flow power plants. Furthermore, the invention relates to a rotor blade arrangement for wind power and other flow power plants.

Stand der TechnikState of the art

Heutige Windkraftanlagen nutzen meist auf einem hohen Turm montierte Rotorköpfe mit vertikal angebrachten Rotorblättern. Die meisten Anlagen arbeiten nach dem Durchströmprinzip, also mit Rotorköpfen bzw. Turbinen, die von Luft oder anderen Fluiden durchströmt wird. Solche Anlagen erreichen derzeit Wirkungsgrade von etwa 40%. Ein Großteil der auftreffenden Strömungsenergie kann also damit nicht ausgenützt werden.Today's wind turbines mostly use rotor heads mounted on a high tower with vertically mounted rotor blades. Most systems operate on the flow principle, so with rotor heads or turbines, which is traversed by air or other fluids. Such plants currently achieve efficiencies of about 40%. A large part of the impinging flow energy can therefore not be exploited.

Selbstverständlich ist bei allen Generatoranlagen das Ziel, die genutzte Energie möglichst effizient in elektrischen Strom umzuwandeln. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass zeitweise nur sehr geringe Wind-/Strömungsgeschwindigkeiten vorhanden sein können oder dass in unterschiedlichen Höhen verschieden starke Strömungen bestehen können, oder dass Strömungen sogar in verschiedene Richtungen verlaufen können. Dies gilt sowohl für Windkraftanlagen wie auch für andere Anlagen, beispielsweise Gezeitenkraftwerke oder Wasserkraftwerke.Of course, the goal in all generator sets is to convert the energy used into electricity as efficiently as possible. It must also be considered that at times only very low wind / flow velocities can be present or that at different heights differently strong currents can exist, or that currents can even run in different directions. This applies to wind turbines as well as other plants, such as tidal or hydroelectric power plants.

Aus dem Stand der Technik sind Generatoren bekannt, bei denen statt Rotor und Stator zwei gegenläufige, koaxial ineinander angeordnete Rotoren verwendet werden, um die effektive Drehzahl des Generators zu erhöhen. Diese Generatoren können allerdings nur gegenläufig sinnvoll arbeiten. Darüber hinaus sind die dazugehörigen Antriebsrotoren bei Windkraftanlagen bei Verwendung dieser Generatoren in der Strömung meist hintereinander angebracht, so dass am zweiten Rotor nur noch eine abgeschwächte Strömung ausgenutzt werden kann. Eine solche Anlage ist beispielsweise in der Anmeldung DE 10 2008 053 012 beschrieben.Generators are known from the prior art, in which instead of rotor and stator two opposing coaxial rotors are used to increase the effective speed of the generator. However, these generators can only work in opposite directions. In addition, the associated drive rotors are usually mounted in wind turbines using these generators in the flow one behind the other, so that only a weakened flow can be exploited on the second rotor. Such a system is for example in the application DE 10 2008 053 012 described.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Generator offenbart, umfassend: mindestens einen flächigen feststehenden Stator; mindestens zwei scheibenförmige flächige Rotoren, wobei ein Rotor oberhalb und ein Rotor unterhalb des Stators im wesentlichen parallel zum Stator angebracht ist, wobei die Rotoren um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Rotoren gleichläufig oder gegenläufig antreibbar sind. Auf diese Weise könnenAccording to a first embodiment of the invention, there is disclosed a generator comprising: at least one flat fixed stator; at least two disc-shaped planar rotors, wherein a rotor is mounted above and a rotor below the stator substantially parallel to the stator, wherein the rotors are rotatably mounted about a common axis of rotation, wherein the rotors are drivable in the same direction or in opposite directions. That way you can

In einer Ausführungsform umfasst der Generator mindestens einen zusätzlichen flächigen Stator, der oberhalb und/oder unterhalb der Rotoren angebracht ist, wobei der mindestens eine zusätzliche Stator optional zuschaltbar ist. Jeder Rotor kann mit mindestens zwei Permanentmagneten versehen sein, und die Statoren bzw. der Stator können mit Wicklungen versehen sein, die zur Induktion einer elektrischen Spannung geeignet sind.In one embodiment, the generator comprises at least one additional planar stator, which is mounted above and / or below the rotors, wherein the at least one additional stator is optionally switchable. Each rotor may be provided with at least two permanent magnets, and the stators or the stator may be provided with windings which are suitable for the induction of an electrical voltage.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine vertikale Rotorblattanordnung offenbart, umfassend einen Zylinder, und mindestens zwei Rotorblätter, die senkrecht zur Kreisebene des Zylinders am Umfang des Zylinders angebracht sind. In einer Ausführungsform beträgt der Zylinderdurchmesser mindestens 2/3 des Gesamtdurchmessers der Anordnung. Der Zylinder kann als Hohlzylinder oder Vollzylinder ausgebildet sein. Die Rotorblätter können sich in einer beispielhaften Ausführungsform im wesentlichen über die gesamte Länge des Zylinders erstrecken. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Rotorblattanordnung ist jedes Rotorblatt über die Länge des Zylinders hinweg in mindestens zwei Teile geteilt, wobei die Rotorblattteile am Zylinderumfang versetzt angebracht sind. Alternativ kann auch der Zylinder in mindestens zwei Teile geteilt sein, die axial versetzt angeordnet sind. Die Rotorblätter können flach, gekrümmt oder als Kugelschalenabschnitt ausgebildet sein.According to a further embodiment of the invention, a vertical rotor blade assembly is disclosed, comprising a cylinder, and at least two rotor blades, which are mounted perpendicular to the circular plane of the cylinder on the circumference of the cylinder. In one embodiment, the cylinder diameter is at least 2/3 of the overall diameter of the assembly. The cylinder may be formed as a hollow cylinder or solid cylinder. The rotor blades may extend in an exemplary embodiment substantially over the entire length of the cylinder. According to a further embodiment of the rotor blade assembly, each rotor blade is divided over the length of the cylinder into at least two parts, wherein the rotor blade parts are mounted offset on the cylinder circumference. Alternatively, the cylinder may be divided into at least two parts, which are arranged axially offset. The rotor blades may be flat, curved or formed as a spherical shell section.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Strömungskraftanlage offenbart, welche einen Generator wie oben beschrieben und zwei Rotorblattanordnungen wie beschrieben umfasst, die so mit dem Generator verbunden sind, dass jeweils ein Rotor des Generators von einer Rotorblattanordnung angetrieben werden kann.According to a further embodiment, there is disclosed a turbofan plant comprising a generator as described above and two rotor blade assemblies as described which are connected to the generator so that each one rotor of the generator can be driven by a rotor blade assembly.

Mit solchen Rotorblattanordnungen, die vertikal nach dem Rückstromprinzip anstelle des Durchströmprinzips funktionieren, kann mit wesentlich kleineren Anlagen mehr Energie erzeugt werden. Schattenwurf und Geräuschkulisse werden durch die Bauweise reduziert.With such rotor blade assemblies, which operate vertically according to the backflow principle instead of the flow-through principle, more energy can be generated with much smaller plants. Shadow and background noise are reduced by the design.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher beschrieben. Dabei zeigtIn the following, exemplary embodiments of the description will be described in more detail with reference to the figures. It shows

1 einen Querschnitt eines Generators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 1 a cross section of a generator according to an embodiment of the invention,

2 einen Querschnitt eines weiteren Generators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit zusätzlichen Statoren, 2 a cross section of another generator according to an embodiment of the invention with additional stators,

3 eine beispielhafte Rotorblattanordnung gemäß der Erfindung im Querschnitt (3a) und Längsschnitt (3b); 3 an exemplary rotor blade assembly according to the invention in cross section ( 3a ) and longitudinal section ( 3b );

4 eine weitere beispielhafte Rotorblattanordnung mit dreigeteilten, versetzt angeordneten Rotorblättern in Schrägansicht, 4 Another exemplary rotor blade assembly with three-part, offset rotor blades in an oblique view,

5 eine weitere Rotorblattanordnung mit versetzten Zylinderabschnitten in Schrägansicht, und 5 another rotor blade assembly with offset cylinder sections in an oblique view, and

6 eine beispielhafte Windkraftanlage mit Turm und zwei getrennten Rotorblattanordnungen im Querschnitt. 6 an exemplary wind turbine with tower and two separate rotor blade assemblies in cross section.

Detaillierte Beschreibung beispielhafter AusführungsformenDetailed description of exemplary embodiments

In 1 ist ein Generator 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform im Querschnitt gezeigt. Rotoren und Statoren sind erfindungsgemäß scheibenförmig ausgestaltet. Im Beispiel ist ein feststehender Stator 2 in Form einer Fläche oder Scheibe zwischen zwei drehbaren scheibenförmigen Rotoren 4, 6 angeordnet. Die beiden Rotoren 4, 6 sind unabhängig voneinander drehbar und im wesentlichen parallel zum Stator 2 angeordnet. Ein Rotor 4 befindet sich oberhalb, der andere 6 unterhalb des Stators 2. Rotor und Stator haben einen geringen Abstand zueinander, berühren sich aber nicht. Die beiden Rotoren 4, 6 können mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in gleicher oder entgegengesetzter Richtung rotieren. Dabei sind die Rotoren im wesentlichen koaxial angeordnet. Die Antriebswellen 7, 8 der Rotoren 4, 6 können so ausgelegt sein, dass eine erste Welle 7 innerhalb der hohlen zweiten Welle 8 verläuft. Stator und Rotoren können von einem Generatorgehäuse 9 umgeben sein, wie es auch in der Figur beispielhaft gezeigt ist. An den Kontaktpunkten zwischen Stator und Welle oder zwischen erster und zweiter Rotorenwelle sind jeweils Lagerelemente 5 vorgesehen, die eine möglichst verlustfreie Rotation der Wellen/Rotoren ermöglichen, beispielsweise Radiallager beliebiger Ausführungsarten.In 1 is a generator 1 shown in cross section according to an exemplary embodiment. Rotors and stators are inventively disc-shaped. In the example is a fixed stator 2 in the form of a surface or disc between two rotatable disc-shaped rotors 4 . 6 arranged. The two rotors 4 . 6 are independently rotatable and substantially parallel to the stator 2 arranged. A rotor 4 is above, the other 6 below the stator 2 , Rotor and stator have a small distance to each other, but do not touch. The two rotors 4 . 6 can rotate at different speeds in the same or opposite direction. The rotors are arranged substantially coaxially. The drive shafts 7 . 8th the rotors 4 . 6 can be designed to be a first wave 7 inside the hollow second wave 8th runs. Stator and rotors can be powered by a generator housing 9 be surrounded, as it is also shown in the figure by way of example. At the contact points between the stator and shaft or between the first and second rotor shaft bearing elements are respectively 5 provided that allow the most lossless rotation of the waves / rotors, such as radial bearings of any embodiment.

Der Generator kann mit Schleifkontakten bzw. Bürsten versehen sein oder als bürstenloser Generator ausgelegt sein. Dabei kann die Spannung entweder im Rotor 4, 6 oder im Stator 2 indiziert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform wird durch die Rotoren ein Magnetfeld bereitgestellt, das beispielsweise durch Permanentmagnete erreicht wird, die in jeweils abwechselnd auf der kreisförmigen Rotorenfläche 4, 6 angeordnet sind. Dabei können auf beiden Seiten des Rotors Magnete angebracht sein oder in durchgehenden Öffnungen der Scheibe einzelne Magnete angebracht sein; ebenso können die Magnete nur auf einer Fläche des Rotors angebracht sein. In praktischen Ausführungsformen kann eine große Anzahl von Magneten verwendet werden, die entlang des Umkreises des Rotors angeordnet werden. Als Material können beispielsweise Ferritmagnete oder Selten-Erd-Magnete verwendet werden.The generator may be provided with sliding contacts or brushes or be designed as a brushless generator. The voltage can either be in the rotor 4 . 6 or in the stator 2 be indexed. In an exemplary embodiment, a magnetic field is provided by the rotors, which is achieved for example by permanent magnets, which in each case alternately on the circular rotor surface 4 . 6 are arranged. In this case, magnets may be mounted on both sides of the rotor or individual magnets may be mounted in through openings of the disc; Similarly, the magnets may be mounted only on one surface of the rotor. In practical embodiments, a large number of magnets may be used, which are arranged along the circumference of the rotor. As the material, for example, ferrite magnets or rare earth magnets can be used.

Als Alternative können anstelle von Permanentmagneten elektrisch angesteuerte Induktionsschleifen verwendet werden. Der Vorteil einer solchen Bauweise insbesondere bei großen Anlagen ist, dass eine kraftabhängige Steuerung möglich wird. So kann die Magnetfeldstärke bei geringen Windgeschwindigkeiten oder beim Anlaufen des Generators geringer gehalten werden und später erhöht werden. Auf diese Weise kann die gesamte Anlage variabel auf verschiedene Strömungskräfte angepasst werden, um beispielsweise den Anlaufwiderstand gering zu halten. Da die beiden Rotoren unabhängig voneinander sind, können die Magnetfeldstärken in diesem Fall auch für jeden Rotor getrennt angepasst werden. Bei Anlagen mit Permanentmagneten, insbesondere bei kleinen Anlagen, kann eine ähnliche Steuerung auf einfache Weise durch Regulierung des Abstands zwischen Rotor und Stator erreicht werden. Beispielsweise können die Rotoren in Axialrichtung beweglich eingebaut sein.Alternatively, electrically driven induction loops may be used instead of permanent magnets. The advantage of such a design, especially in large systems is that a force-dependent control is possible. Thus, the magnetic field strength at low wind speeds or when starting the generator can be kept lower and increased later. In this way, the entire system can be variably adapted to different flow forces, for example, to keep the starting resistance low. Since the two rotors are independent of each other, the magnetic field strengths in this case can also be adjusted separately for each rotor. In systems with permanent magnets, especially in small systems, a similar control can be achieved easily by regulating the distance between the rotor and stator. For example, the rotors may be movably mounted in the axial direction.

Der Stator 2 kann mit Wicklungen versehen sein, in denen beim Betrieb des Generators eine Spannung indiziert wird. Die Wicklungen können beispielsweise flach, parallel zur Rotorenebene eingebettete Kupfer- oder Aluminiumdrahtwicklungen sein, aber auch aufgedruckte Wicklungen auf der Plattenoberfläche des Stators. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Statorfläche mit regelmäßig angeordneten durchgehenden Öffnungen versehen sein, in die dann fertige Wicklungen eingesteckt werden können. So wird eine variable Bauweise erreicht, und Wicklungen können auf einfache Weise ersetzt oder verändert werden. In anderen Ausführungsformen kann der Stator mit einstückig ausgeformten oder befestigten Erhebungen versehen sein, um welche die Wicklungen verlaufen. Ebenso können Backlackdraht oder ähnliche Materialien verwendet werden, um eisenfreie selbsttragende Spulen in Scheibenform herzustellen. Der in den Spulen induzierte Strom kann durch einen Kommutator abgeleitet werden. Die übrigen Details einer Generatoranlage zur Nutzung induzierter Ströme und von Scheibenläufern sind im Fach bekannt und können hier auf übliche Weise angewandt werden.The stator 2 may be provided with windings in which a voltage is indicated during operation of the generator. For example, the windings may be flat, copper or aluminum wire windings embedded parallel to the rotor plane, but also printed windings on the stator plate surface. In an exemplary embodiment, the stator surface may be provided with regularly arranged through openings into which finished windings can then be inserted. Thus, a variable construction is achieved, and windings can be easily replaced or changed. In other embodiments, the stator may be provided with integrally formed or attached projections around which the windings pass. Also, baked enameled wire or similar materials can be used to make iron-free self-supporting coils in disc form. The current induced in the coils can be dissipated by a commutator. The remaining details of a generator plant for the use of induced currents and disc rotors are known in the art and can be applied here in the usual way.

In einer optionalen Ausführungsform kann der Stator 2 im Querschnitt isoliert werden, so dass die beiden Oberflächen des Stators elektromagnetisch voneinander abgeschirmt sind. In diesem Fall können sowohl auf der oberen als auch der unteren Oberfläche des Stators getrennte Wicklungen angeordnet sein. So wird auf beiden Seiten des Stators unabhängig voneinander eine Spannung induziert. Die entstehenden getrennten Generatorelemente, einmal mit Rotor 4 und einmal mit Rotor 6, können je nach Anwendung parallel oder in Reihe geschaltet werden. Auf ähnliche Weise könnten wahlweise auch die Rotoren 4, 6 eine isolierende Schicht einschließen. Dies kann je nach Aufbau des Generators dabei helfen, unerwünschte Wechselwirkungen wie Wirbelströme bei der Induktion durch unterschiedliche Drehrichtungen und Geschwindigkeiten der beiden Rotoren zu vermeiden.In an optional embodiment, the stator 2 be insulated in cross-section, so that the two surfaces of the stator are electromagnetically shielded from each other. In this case, separate windings may be disposed on both the upper and lower surfaces of the stator. Thus, a voltage is induced independently on both sides of the stator. The resulting separate Generator elements, once with rotor 4 and once with rotor 6 , can be connected in parallel or in series depending on the application. Similarly, the rotors could optionally be used 4 . 6 include an insulating layer. Depending on the design of the generator, this can help to avoid undesired interactions such as eddy currents during induction due to different directions of rotation and speeds of the two rotors.

2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators. In dieser Ausführungsform sind zwei zusätzliche Statoren 12, 13, jeweils oberhalb bzw. unterhalb der Rotor-Stator-Anordnung aus 1 gezeigt. Ebenso könnte auch nur einer der zusätzlichen Statoren 12 oder 13 vorhanden sein. Somit liegt nun die Rotorscheibe 4 zwischen den Statorflächen 2 und 12, während die Rotorscheibe 6 zwischen den beiden Statorflächen 2 und 13. Wie auch im ursprünglichen Fall aus 1 kann in den zusätzlichen Statoren durch die Drehung der Rotorscheiben eine Spannung induziert werden. Als optionale Variante könnten die zusätzlichen Statoren flexibel nach Bedarf zugeschaltet oder vom System getrennt werden, um die Spannungsausbeute abhängig von den ausgenutzten Strömungen zu verringern oder zu erhöhen. Auf diese Weise kann ohne wesentliche strukturelle Veränderung, nur durch die zusätzlichen Statoren, die Effizienz des Generators erhöht werden. 2 shows a further exemplary embodiment of a generator according to the invention. In this embodiment, there are two additional stators 12 . 13 , respectively above and below the rotor-stator assembly 1 shown. Similarly, just one of the additional stators 12 or 13 to be available. Thus now lies the rotor disk 4 between the stator surfaces 2 and 12 while the rotor disk 6 between the two stator surfaces 2 and 13 , As in the original case 1 can be induced in the additional stators by the rotation of the rotor disks, a voltage. As an optional variant, the additional stators could be flexibly connected as needed or disconnected from the system to reduce or increase the voltage yield depending on the flows utilized. In this way, without significant structural change, only by the additional stators, the efficiency of the generator can be increased.

Der erfindungsgemäße Generator könnte auch so ausgelegt sein, dass eine Spannung in Wicklungen der Rotoren induziert wird, während das Magnetfeld durch Permanentmagnete auf dem Stator aufgebaut ist. In diesem Fall sind allerdings Bürsten oder Schleifkontakte nötig, um die Spannung abzunehmen. Die vorstehenden Ausführungen zu Wicklungen und Magnetfeldmitteln sind hier genauso anwendbar. Eine weitere Option besteht in einem Aufbau, bei dem die Permanentmagnete gemeinsam mit den Wicklungen auf dem Stator vorgesehen sind, während die Rotoren als Feldschlußmittel, beispielsweise als massive Eisenscheibe, ausgelegt sind. Dazu kann die Rotorscheibe so strukturiert sein, dass sie auf der Kreisoberfläche mit regelmäßigen Erhöhungen versehen ist, so dass an diesen Stellen der Luftspalt zum Stator minimal ist und das Magnetfeld entsprechend gelenkt wird. Beispielsweise könnten radiale Streben in gleichmäßigen Abständen auf der Platte vorhanden sein, wobei die Zahl der Streben der Zahl der Permanentmagnete entspricht.The generator according to the invention could also be designed so that a voltage is induced in windings of the rotors, while the magnetic field is built up by permanent magnets on the stator. In this case, however, brushes or sliding contacts are needed to remove the tension. The above statements on windings and magnetic field means are equally applicable here. Another option consists in a structure in which the permanent magnets are provided together with the windings on the stator, while the rotors are designed as field closing means, for example as a massive iron disk. For this purpose, the rotor disk can be structured so that it is provided on the circular surface with regular elevations, so that at these points the air gap to the stator is minimal and the magnetic field is controlled accordingly. For example, radial struts could be evenly spaced on the plate, with the number of struts corresponding to the number of permanent magnets.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Generatoren können in allen Varianten mit beliebigen Anlagen installiert werden, bei denen zwei getrennte Rotorblattanordnungen vorhanden sind.The described generators according to the invention can be installed in all variants with any equipment in which two separate rotor blade assemblies are present.

Denkbar sind dabei sowohl horizontale als auch vertikale Rotorblattanordnungen. Die Rotorblattanordnungen können hintereinander im selben Strömungsweg oder in unterschiedlichen Strömungswegen angeordnet sein. Dabei ist jeweils eine Rotorblattanordnung für den Antrieb eines Rotors des Generators vorgesehen. Ob die Rotoren in gleicher oder gegenläufiger Richtung angetrieben werden, kann durch die Auslegung der Rotorblattanordnungen festgelegt werden. Beispielsweise könnten zwei separate, aber gleichartige Rotorblattanordnungen so angeordnet werden, dass die zweite Rotorblattanordnung genau umgekehrt angebracht wird. Auf diese Weise wird automatisch ein gegenläufiger Antrieb realisiert.Conceivable are both horizontal and vertical rotor blade assemblies. The rotor blade assemblies can be arranged one behind the other in the same flow path or in different flow paths. In each case, a rotor blade assembly for driving a rotor of the generator is provided. Whether the rotors are driven in the same or in the opposite direction can be determined by the design of the rotor blade assemblies. For example, two separate but similar rotor blade assemblies could be arranged so that the second rotor blade assembly would be mounted in exactly the opposite way. In this way, an opposing drive is automatically realized.

3 zeigt eine Rotorblattanordnung 20 mit vertikaler Drehachse gemäß der Erfindung im Querschnitt (3a) und Längsschnitt (3b). In diesem Beispiel sind drei Rotorblätter 24, 25, 26 in vorzugsweise gleichmäßigem Abstand an einem mittigen geschlossenen Zylinder 22 angebracht. Je nach Ausführungsform können auch nur zwei Rotorblätter oder aber mehr als drei Rotorblätter an dem Zylinder 22 angebracht sein. Es handelt sich um eine Rotorblattanordnung nach dem Widerstandsprinzip, wobei zusätzlich das Rückstromprinzip ausgenutzt wird. Einströmende Luft trifft auf das Rotorblatt 24, 25, 26, welches durch den Strömungsdruck nach dem Widerstandsprinzip bewegt wird; die Luft strömt jedoch auch an den Zylinderoberflächen entlang zurück und erzeugt dort einen Unterdruck bzw. Überdruck, der eine Drehung des Zylinders bewirkt. Die Rotorblätter können eine flache oder gebogene Form aufweisen, etwa in der Form von Zylinderabschnitten oder Kugelschalen. Die Drehachse steht üblicherweise vertikal in der Strömung, d. h. im Wind. 3 shows a rotor blade assembly 20 with a vertical axis of rotation according to the invention in cross-section ( 3a ) and longitudinal section ( 3b ). In this example, there are three rotor blades 24 . 25 . 26 in preferably uniform distance to a central closed cylinder 22 appropriate. Depending on the embodiment, only two rotor blades or more than three rotor blades on the cylinder 22 to be appropriate. It is a rotor blade assembly according to the resistance principle, wherein in addition the reverse flow principle is utilized. Inflowing air hits the rotor blade 24 . 25 . 26 , which is moved by the flow pressure according to the resistance principle; However, the air also flows back along the cylinder surfaces and generates there a negative pressure or overpressure, which causes a rotation of the cylinder. The rotor blades may have a flat or curved shape, such as in the form of cylindrical sections or spherical shells. The axis of rotation is usually vertical in the flow, ie in the wind.

Vorzugsweise beträgt der Zylinderdurchmesser etwa 2/3 des Gesamtdurchmessers der Rotorblattanordnung im Querschnitt, so dass die Rotorblätter 24, 25, 26 eine Breite von etwa 1/3 des Radius aufweisen, wie in 3a angedeutet ist. Auf diese Weise können die Rückstromkräfte an jedem einzelnen Blatt optimal genutzt werden. Der koaxiale Zylinder 22 kann massiv oder hohl gefertigt sein; dabei ist aus Gewichtsgründen ein Hohlzylinder bevorzugt. Je nach Aufbau der Gesamtkonstruktion kann jedoch auch ein höheres Gewicht im Innenbereich gewünscht sein, um den Schwerpunkt oder das Drehverhalten der Anlage zu beeinflussen. Dem Fachmann ist klar, dass der innere Aufbau des Zylinders je nach Anforderung beliebig gestaltet werden kann. So könnten Streben zur Verstärkung vorgesehen sein, der Zylinder kann an einem oder mehreren Punkten an der Welle am Rotorkopf befestigt sein, und der Zylinder kann oben und/oder unten offen oder geschlossen gefertigt sein.Preferably, the cylinder diameter is about 2/3 of the total diameter of the rotor blade assembly in cross section, so that the rotor blades 24 . 25 . 26 have a width of about 1/3 of the radius, as in 3a is indicated. In this way, the backflow forces can be optimally utilized on each individual sheet. The coaxial cylinder 22 can be made solid or hollow; For reasons of weight, a hollow cylinder is preferred. Depending on the structure of the overall construction, however, a higher internal weight may be desired in order to influence the center of gravity or the rotational behavior of the system. It is clear to the person skilled in the art that the internal structure of the cylinder can be designed as desired, depending on the requirements. For example, struts could be provided for reinforcement, the cylinder could be attached to the rotor head at one or more points on the shaft, and the cylinder could be made open and / or closed at the bottom or closed.

Wie ebenfalls aus 3 ersichtlich ist, können die Rotorblätter 24, 25, 26 gekrümmt sein oder ähnlich einem kugelschalförmigen Ausschnitt geformt sein. Vorteilhaft sind die Rotorblätter so angebracht, dass alle Krümmungen in dieselbe Richtung weisen. Auch bei ebenen Rotorblättern können die Ecken sowohl am äußeren Rand als auch im Kontaktbereich mit dem Zylinder abgerundet sein, um die Strömungseigenschaften zu verbessern. Diese Ausführungsform ist in 4 als gestrichelte Linie skizziert. Je nach Einsatzgebiet kann aber auch eine flache Form der Rotorblätter wünschenswert sein.Like also out 3 it can be seen, the rotor blades 24 . 25 . 26 be curved or shaped like a ball-shaped neckline. Advantageously, the rotor blades are so attached, that all curvatures point in the same direction. Even with flat rotor blades, the corners can be rounded both at the outer edge and in the contact area with the cylinder in order to improve the flow characteristics. This embodiment is in 4 sketched as a dashed line. Depending on the application, however, a flat shape of the rotor blades may also be desirable.

Die Rotorblätter können auf beliebige geeignete Weise mit dem Zylinder verbunden sein; so können sie beispielsweise mit dem Zylinder verschweißt, verschraubt oder gesteckt sein. Dem Fachmann sind entsprechende Fertigungsmethoden sowie passende Materialien bekannt, etwa Metalle oder Kunststoffe, die den wirkenden Strömungskräften standhalten können.The rotor blades may be connected to the cylinder in any suitable manner; For example, they can be welded, screwed or plugged into the cylinder. The person skilled in the corresponding production methods and suitable materials are known, such as metals or plastics that can withstand the acting flow forces.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotorblattanordnung können die Rotorblätter in vertikaler Richtung in mehrere Teile aufgeteilt sein, die um den Zylinder 22 herum leicht versetzt angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist in 4 skizziert. In diesem Beispiel ist jedes Rotorblatt 33, 34, 35 in drei Teile 33a, 33b, 33c, 34a, b, c, 35a, b, c dreigeteilt. Die versetzte Anordnung der Rotorblätter sorgt für eine gleichmäßigere Aufnahme der Strömungskräfte und damit für weniger Unwucht im Betrieb, so dass die Belastung der Bauteile wiederum wesentlich reduziert wird.In a further embodiment of the rotor blade arrangement according to the invention, the rotor blades can be divided in a vertical direction into a plurality of parts which surround the cylinder 22 are arranged slightly offset around. Such an arrangement is in 4 outlined. In this example, every rotor blade is 33 . 34 . 35 in three parts 33a . 33b . 33c . 34a , b, c, 35a , b, c divided into three parts. The staggered arrangement of the rotor blades ensures a more uniform absorption of the flow forces and thus less imbalance in operation, so that the load on the components is in turn substantially reduced.

In einer alternativen Ausführungsform sind nicht nur die Rotorblätter, sondern die gesamte Rotorblattanordnung inklusive dem mittigen Zylinder dreigeteilt und versetzt um die Drehachse herum angeordnet. An jedem Zylinderabschnitt sind daher Rotorblätter unterschiedlicher Breite angebracht. In 5 ist dieses Beispiel in Schrägansicht skizziert.In an alternative embodiment, not only the rotor blades, but the entire rotor blade assembly including the central cylinder are divided into three and offset around the axis of rotation around. Rotor blades of different widths are therefore attached to each cylinder section. In 5 this example is outlined in an oblique view.

Auch diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Strömungen besser aufgenommen und die Lasten besser auf die gesamte Anordnung verteilt werden. Sowohl bei der Ausführungsform aus 4 als auch bei der aus 5 können die Rotorblätter wiederum flach oder gekrümmt ausgebildet sein; ebenso können die Ecken abgerundet sein, was in den Figuren zur Vereinfachung nicht abgebildet ist.This arrangement also has the advantage that the currents are absorbed better and the loads are better distributed over the entire arrangement. Both in the embodiment of 4 as well as at the 5 in turn, the rotor blades may be formed flat or curved; Similarly, the corners may be rounded, which is not shown in the figures for simplicity.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Windkraftanlage mit einem Generator wie in 1 oder 2 sowie zwei Rotorblattanordnungen wie in 3 (oder folgende) ausgestattet sein. 6 zeigt eine solche Windkraftanlage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Zwei Rotorblattanordnungen mit vertikaler Drehachse sind übereinander an einem Turm bzw. Mast 50 befestigt. Im oberen Teil des Mastes befindet sich der Generator 1, der die Rotationsbewegung der beiden Rotorblattanordnungen durch Induktion in Strom umwandeln kann. Der Generator könnte ein Generator 1 gemäß der Erfindung sein, wie bei 1 und 2 beschrieben; aber auch jeder andere geeignete Generator kann alternativ eingesetzt werden. Aus dem Generator 1 verlaufen die beiden Antriebsachsen 7, 8 der Rotoren (nicht sichtbar), die jeweils mit einer Rotorblattanordnung 20 verbunden sind. Die Achsen können sich über die gesamte Länge der Rotorblattanordnung erstrecken oder nur an einem Teil davon befestigt sein. Die gezeigte Anlage ist getriebelos. Im gezeigten Beispiel ist in beiden Rotorblattanordnungen der Zylinder 22 als Hohlzylinder ausgestaltet, an dessen Außenumfang sich die Rotorblätter 24, 25 über die gesamte Länge erstrecken.According to one embodiment of the invention, a wind turbine with a generator as in 1 or 2 and two rotor blade assemblies as in 3 (or following). 6 shows such a wind turbine according to an exemplary embodiment of the invention. Two rotor blade assemblies with a vertical axis of rotation are superimposed on a tower or mast 50 attached. In the upper part of the mast is the generator 1 , which can convert the rotational movement of the two rotor blade assemblies by induction into electricity. The generator could be a generator 1 According to the invention as in 1 and 2 described; but any other suitable generator can alternatively be used. From the generator 1 the two drive axles run 7 . 8th the rotors (not visible), each with a rotor blade assembly 20 are connected. The axles may extend over the entire length of the rotor blade assembly or may be attached only to a portion thereof. The system shown is gearless. In the example shown, the cylinder is in both rotor blade assemblies 22 configured as a hollow cylinder, on the outer circumference, the rotor blades 24 . 25 extend over the entire length.

Die beiden frei laufenden Rotorköpfe 20 wirken bei diesem Aufbau gegenläufig, da der zweite Rotorkopf bzw. die zweite Rotorblattanordnung relativ zum ersten Rotorkopf einfach in umgedrehter Richtung angeordnet ist. Durch die gegenläufige Rotation neutralisieren sich die Massemomente, die im Normalfall durch einseitige Rotation auf die Gesamtkonstruktion statisch belastend wirken. Die gegenläufige Rotation der beiden übereinander angeordneten Rotorblattanordnungen in diesem Beispiel verbessert also die Statik der gesamten Anlage und sorgt durch geringere Materialbelastungen für weniger Ausfall.The two free-running rotor heads 20 act in opposite directions in this construction, since the second rotor head and the second rotor blade assembly is disposed relative to the first rotor head simply in the opposite direction. The opposing rotation neutralizes the moments of inertia, which normally act as static loads on one side of the overall structure. The opposite rotation of the two superimposed rotor blade assemblies in this example thus improves the statics of the entire system and ensures less material stress for less failure.

Jede der beiden übereinander angebrachten Rotorblattanordnungen ist in diesem Fall für den Betrieb von einem der beiden Rotoren zuständig. Ebenso ist aber denkbar, den erfindungsgemäßen Generator mit scheibenförmigen Statoren und Rotoren mit anderen Rotorblattanordnungen oder Turbinen zu kombinieren, z. B. mit Rotorköpfen mit horizontaler Achse. Genauso kann die erfindungsgemäße Rotorblattanordnung mit beliebigen Generatoren kombiniert werden, beispielsweise mit einem herkömmlichen Generator mit zwei gegenläufigen Rotoren ohne zusätzlichen Stator.Each of the two superposed rotor blade assemblies is in this case responsible for the operation of one of the two rotors. However, it is also conceivable to combine the generator according to the invention with disc-shaped stators and rotors with other rotor blade assemblies or turbines, for. B. with rotor heads with a horizontal axis. Likewise, the rotor blade assembly according to the invention with any generators can be combined, for example, with a conventional generator with two counter-rotating rotors without additional stator.

Es ist offensichtlich, dass die oben genannten Bauelemente sowohl für Windkraftanlagen wie auch für anderen Strömungskraftanlagen eingesetzt werden können. Beispielsweise können Gezeitenkraftwerke oder Meeresströmungskraftwerke mit erfindungsgemäßen Generatoren und/oder Rotorblattanordnungen ausgestattet werden. Aufgrund der vertikalen Drehachse spielt die Strömungsrichtung keine Rolle, was z. B. bei Gezeitenkraftwerken von Vorteil ist. Ebenso könnten verschiedene Strömungskräfte, etwa Windkraft und Meeresströmung oder Wellenkraft, kombiniert ausgenutzt werden, indem ein Teil der Anlage mit einem Rotorkopf oberhalb des Wasserspiegels und der andere Teil der Anlage unterhalb des Wasserspiegels angebracht wird. Bei Nutzung des erfindungsgemäßen Generators können trotzdem beide Strömungen mit einem einzigen Generator in elektrischen Strom umgesetzt werden. Da die beiden Rotoren unabhängig voneinander drehen, kann sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung zweier Strömungen unterschiedlich sein, ohne den Betrieb negativ zu beeinflussen.It is obvious that the above-mentioned components can be used both for wind turbines and for other flow power plants. For example, tidal power plants or ocean current power plants can be equipped with generators and / or rotor blade assemblies according to the invention. Due to the vertical axis of rotation, the flow direction does not matter what z. B. tidal power plants is advantageous. Likewise, various flow forces, such as wind and ocean currents or wave power, could be exploited in combination by attaching one part of the plant with one rotor head above the water level and the other part of the plant below the water level. When using the generator according to the invention, both flows can nevertheless be converted into electrical power with a single generator. Since the two rotors rotate independently, both the speed and the Be different direction of two flows without affecting the operation negatively.

Für den Fachmann sind weitere Variationen und Kombinationen aus den oben genannten Beispielen offensichtlich, die ebenfalls unter den Schutzbereich der Erfindung fallen.Other variations and combinations of the above examples will be apparent to those skilled in the art, which are also within the scope of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008053012 [0004]

Claims

Generator, comprising at least one flat fixed stator; at least two disc-shaped planar rotors, wherein a rotor is mounted above and a rotor below the stator substantially parallel to the stator, wherein the rotors are rotatably mounted about a common axis of rotation, wherein the rotors are drivable in the same direction or in opposite directions.

Generator according to claim 1, further comprising at least one additional planar stator, which is mounted above and / or below the rotors, wherein the at least one additional stator is optionally switchable.

Generator according to claim 1 or 2, wherein each rotor is provided with at least two permanent magnets.

Generator according to claim 1 or 2, wherein the stator is provided with windings, which are suitable for the induction of an electrical voltage.

Vertical rotor blade assembly comprising a cylinder, and at least two rotor blades, which are mounted perpendicular to the circular plane of the cylinder on the circumference of the cylinder.

Rotor blade assembly according to claim 5, wherein the cylinder is designed as a hollow cylinder.

Rotor blade assembly according to claim 5 or 6, wherein the rotor blades extend over substantially the entire length of the cylinder.

Rotor blade assembly according to one of claims 5 to 7, wherein each rotor blade over the length of the cylinder is divided into at least two parts, and wherein the rotor blade parts are mounted offset to the cylinder circumference.

Rotor blade assembly according to one of claims 5 to 8 wherein the rotor blades are flat, curved or formed as a spherical shell portion.

A turbofan having a generator according to any one of claims 1 to 4, and two rotor blade assemblies according to any one of claims 5 to 9 connected to the generator such that each rotor of the generator can be driven by a rotor blade assembly.