DE102010050545A9

DE102010050545A9 - Wechselstrom-Generator

Info

Publication number: DE102010050545A9
Application number: DE201010050545
Authority: DE
Inventors: Jens Lungwitz
Original assignee: AGENTUR ZWEITAKTER GmbH
Current assignee: AGENTUR ZWEITAKTER GmbH
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-11-22
Also published as: DE102010050545A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen vielpoligen Permanentmagnet-erregten Wechselstrom-Generator, bei welchem die Spulenkerne als Einzelkerne (13) ausgelegt sind, welche an ihren beiden Enden von gegensätzlich gepolten, durch einen Luftspalt (18) getrennten Permanentmagneten des Innenläufers (7) und Permanentmagneten des Außenläufers (8) flankiert sind und jedem Einzelkern (13) zwei Spulenträger (14) mit Spulen (10 und 11) in gleicher Wicklungsrichtung (19) im wirksamen Bereich des Kernkopfes angeordnet sind und der Stator (15) besteht in seinem Grundaufbau aus Einzelkernen (13) mit je zwei Nuten, welche auf einer Grundplatte als Stator (15) vorzugsweise angeordnet sind und diese Grundplatte des Stators (15) mit einem Lager (16) zur Aufnahme der Antriebswelle (2) in ihrem Zentrum ausgestattet ist und welche eine zylindrische Außenhülle (22) mit einem Oberlager (1) für den Rotor (4) trägt und den erfindungsgemäßen Generator umschließt und der Doppelläufer-Rotor (4) besteht aus einem Innen- und einem Außenläufer (5 und 6) mit Polen, die sich gegensätzlich gepolt gegenüberstehen, wobei die beiden Innen- und einem Außenläufer (5 und 6) auf einer Grundplatte als Rotor (4) miteinander und mit der Antriebswelle (2) fest verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen vielpoligen Permanentmagnet-erregten Wechselstrom-Generator.
Wie andere Generatoren auch besteht ein Wechselstromgenerator aus Stator und Rotor.
Immer kommt ein gemeinsamer Kern als Träger aller Induktionskomponenten zum Einsatz. Dies ist in soweit logisch, als das der magnetische Fluss immer den Weg des geringsten Widerstands wählt. So könnte der gesamte Kern auch aus Vollmaterial bestehen, wenn nicht Verluste im Eisen/(-Kern) in Folge der dynamischen Ummagnetisierung zu Materialproblemen, Gegenkräften und Veränderung der elektromechanischen/elektrischen Parameter führen würden. Diese Hysterese- und Wirbelstromverluste werden von der Frequenz der Ummagnetisierung beeinflusst, sind von Ausführung und Material des Kerns bestimmt, hängen aber auch maßgeblich von der Kernmasse ab.
Bekannt und üblich ist es, Wechselstromgeneratoren als Einphasen-Synchronmaschinen mit innen liegenden Polen auszuführen, dabei ist der Rotor magnetisch erregt.
Die Erregung erfolgt bei diesen Generatoren üblicherweise mittels starker Permanentmagneten.
Dabei rotiert das erregende Feld (Rotor) und induziert somit einen Strom in der um das rotierende Feld angeordneten stehenden Ständerwicklung (Stator).
Nachteilig bei Wechselstromgeneratoren gemäß des Standes der Technik ist eine erforderliche Umrichtung im Moment der Kern-Magnetisierung sowie bei geringeren Konstruktionsmaßen ein niedriges Pol-/Nutenverhältnis.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Grundlage der Lösung der Aufgabe der Erfindung ist der Ansatz zur radikalen Reduzierung der Kern-/Eisenmasse, und die symmetrische Kurzstrecken-Magnetisierung von Einzelkernen durch beidseitig flankierende Permanentmagnete gegensätzlicher Polung.
Der erfindungsgemäße Generator soll nachfolgend anhand der bis näher erläutert werden.
Dabei zeigt eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Generators, die Anordnung der Magnete (Pole) und Kerne (Nuten), die Darstellung eines Einzelkerns und die Feldlinien eines Einzelkerns und der flankierenden Magnete bei magnetischem Fluss ohne Umrichtung im Kern durch geraden, beidseitig gegenpolig flankierten Einzelkern. zeigt den Magnetischen Fluss an Beispielen von Außenschenkel- oder Klauenpolmaschine, Transversalfluss-/Longitudinalflussmaschine und Innenschenkelpolmaschine im Vergleich mit dem Generator gemäß der erfindungsgemäßem Lösung.
Erfindungsgemäß ist der vielpolige Permanentmagnet-erregte Wechselstrom-Generator mit kraftschlüssig gekoppeltem Innen- und Außen-Kombinationsläufer 5 und 6, welcher als Doppelläufer ausgeführt ist, ausgestattet und in einer Pol-Kern-Pol-Anordnung ausgeführt.
Dabei sind die Spulenkerne dieses Generators als Einzelkerne 13 ausgelegt. Diese Einzelkerne 13 werden an beiden Enden von gegensätzlich gepolten, durch einen Luftspalt 18 getrennten Permanentmagneten des Innenläufers 7 und Permanentmagneten des Außenläufers 8 flankiert.
Im angestrebten Leistungssegment des Generators und Einsatz zur Wandlung wechselnder Lasten in Kleinkraftwindanlagen soll den Einzelkernen 13 über die als Kühlkörper fungierende Statorgrundplatte die aus den Wirbelströmen resultierende Wärmeenergie entzogen werden.
Bis 2 kW ist die Ausführung als einphasiger Wandler im Wicklungsschema AaAaAa sinnvoll, darüber hinaus können produktionstechnisch sinnvolle, symmetrische Pol-Nutenverhältnisse in Kombination mit einfachen 3-Phasen-Wicklungsschemata ”AaBbCc” angewendet werden.
Die beiden Wicklungselemente eines Kerns sind im effektiven Bereich mit gleichem Wicklungssinn aufgebracht. Der mittlere Kernbereich wird mit der Statorgrundplatte verbunden. Bei allen erwarteten Vorteilen der dargestellten Konstruktion in Bezug auf Wirkungsgrad und Packdichte ist die konstruktionsbedingte Verbindungsart der Einzelkerne 13 im Rotorspalt 18 zwischen Außen- und Innenläufer 6 und 5 in einfacher Ausführung das größte Hindernis zur Umsetzung in höhere Leistungsbereiche.
Diese höheren Leistungsbereiche werden durch axiale Mehrfachanordnung von Generatorkomponenten auf einem Triebstrang erreicht.
Nachfolgend soll der Grundaufbau Kern und Spule näher erläutert werden.
Auf jedem Einzelkern 13 sind zwei Spulenträger 14 mit Spulen 10 und 11 in gleicher Wicklungsrichtung 19 im wirksamen Bereich des Kernkopfes angeordnet. Der Einzelkern 13) besteht vorzugsweise aus ferromagnetischem Vollmaterial.
Der Einzelkern 13 weist keinen üblichen ausgeprägten Ankerkopf auf, sondern ist vorzugsweise in einer durchgängigen, flachen Rechteckform mit den Seitenverhältnis B = 1 zu H = 10 ausgeführt.
Der Stator 15 besteht in seinem Grundaufbau vorzugsweise aus 12·n Einzelkernen 13 mit je zwei Nuten, welche auf einer Grundplatte als Stator 15 vorzugsweise verschraubt und vergossen sind.
Diese Grundplatte des Stators 15 ist mit einem Lager 16 zur Aufnahme der Antriebswelle 2 in ihrem Zentrum ausgestattet.
Diese Nuten sind ausgeformte Bereiche eines Kerns in einem Stator 15 zur Aufnahme einer Spule oder Wicklung.
Der Stator 15 weist eine, über den Durchmesser des Außenläufers reichende Grundplatte auf, welche eine zylindrische Außenhülle 22 mit einem Oberlager 1 für den Rotor 4 trägt und den erfindungsgemäßen Generator umschließt.
Der Doppelläufer-Rotor 4 besteht aus einem Innen- und einem Außenläufer 5 und 6 mit vorzugsweise jeweils 18·n Polen, die sich gegensätzlich gepolt gegenüberstehen. Die beiden Läufer 5 und 6 sind auf einer Grundplatte als Rotor 4 miteinander und fest mit der Antriebswelle 2 verbunden.
Vorzugsweise wird ein Pol-/Nutenverhältnis von 36:24 vorgeschlagen, welches sich in Versuchsreihen bereits bewährt hat.
Jedes andere technisch sinnvolle Pol-/Nutenverhältnis ist dem Schutzumfang der erfindungsgemäßen Lösung zuzurechnen, wobei die Anzahl der Pole ein Vielfaches von Drei betragen sollte, die Anzahl der Nuten ein Vielfaches von Zwei.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung kann der Rotor (4) in axialer Richtung beweglich ausgeführt sein und somit als Tauchrotor mit Kupplungsfunktion eingesetzt werden.
Bei Nutzung dieser Ausführungsform kann der Tauchrotor zur Reglung der Kraftabgabe genutzt werden. Diese Kupplungs- oder Reglungsfunktion kann auch durch Konstruktion mit in axialer Richtung beweglichem Stator 15 als Tauchstator mit Spannungsabgabe oder -abnahme über flexible Leitungen ausgeführt werden.
Dazu wird mit Hilfe eines hydraulischen Stellgliedes oder eines Fliehkraftreglers die Position des Stators 15 in axialer Richtung und somit der Deckungsgrad der Permanentmagnete zu den Kernelementen verändert. Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Generators als getriebelos gekoppelten Generator in einer Windkraftanlage kann so – anstatt üblicher Stall- oder Pitchregelungskonzepte am Rotor – die Leistungsabgabe bei wechselnden Windverhältnissen direkt im Generator geregelt werden. Insbesondere im Übergangsbereich von Leicht- zu Arbeitswind kann durch die Auskopplung des Tauchstators das notwendige Antriebsmoment reduziert werden. Um mit dem gleichen Stellglied eine Bremswirkung im Überlastbereich der Windkraftanlage zu erzielen, kann der Stator 15 klassisch in eine Bremsfläche auf der Grundplatte des Rotors gefahren werden oder eine zweite Spulenebene des Stators 15 wird in die Permanentmagnete des Doppelläufers gefahren, welche direkt mit einer elektrischen Last in Form eines Schwungmassenspeichers oder einer Widerstandsheizung verbunden ist. Den Auswirkungen der Lorentzkraft entsprechend wird der Triebstrang bei sinnvoller Nutzung der Bremsenergie abgebremst.
Bezugszeichenliste

1: Oberlager
2: Antriebswelle
3: Verschlussplatte
4: Rotor mit Grundplatte
5: Innenläufer
6: Außenläufer
7: Permanentmagnet Innenläufer
8: Permanentmagnet Außenläufer
9: Kernverbinder
10: Spule im Innenkreis eines Einzelkerns
11: Spule im Aussenkreis eines Einzelkerns
12: Luftspalt
13: Einzelkern
14: Spulenträger
15: Stator mit Grundplatte
16: Wellenlager
17: Generatorhülle
18: Luftspalt
19: Wicklungsrichtung
20: Feldlinien des Magneten
21: Feldlinien der Spule
22: Generatorhülle

Claims

Vielpoliger Wechselstromgenerator, dessen Rotor (4) aus einem, mit in radialer Flucht besetzten Permanentmagneten (7, 8) entgegen gesetzter Polung wechselnder Polpaare, auf kraftschlüssig gekoppelten Innen (5)- und Außen- (6) Kombinationsläufer als Doppelläufer besteht.
Generator nach Anspruch 1, bei welchem die Spulenkerne als Einzelkerne (13) ausgelegt sind, welche an ihren beiden Enden von gegensätzlich gepolten, durch einen Luftspalt (18) getrennten Permanentmagneten des Innenläufers (7) und Permanentmagneten des Außenläufers (8) flankiert sind und jedem Einzelkern (13) zwei Spulenträger (14) mit Spulen (10 und 11) in gleicher Wicklungsrichtung (19) im wirksamen Bereich des Kernkopfes angeordnet sind und der Stator (15) besteht in seinem Grundaufbau aus Einzelkernen (13) mit je zwei Nuten, welche auf einer Grundplatte als Stator (15) vorzugsweise angeordnet sind und diese Grundplatte des Stators (15) mit einem Lager (16) zur Aufnahme der Antriebswelle (2) in ihrem Zentrum ausgestattet ist und welche eine zylindrische Außenhülle (22) mit einem Oberlager (1) für den Rotor (4) trägt und den erfindungsgemäßen Generator umschließt und der Doppelläufer-Rotor (4) besteht aus einem Innen- und einem Außenläufer (5 und 6) mit Polen, die sich gegensätzlich gepolt gegenüberstehen, wobei die beiden Innen- und einem Außenläufer (5 und 6) auf einer Grundplatte als Rotor (4) miteinander und mit der Antriebswelle (2) fest verbunden sind.
Generator nach Anspruch 1 mit Spulen im Innenkreis (10) und Spulen im Außenkreis (11) ein und des selben Einzelkerns (13), welche in der gemeinsamen Kreisanordnung klauenartig zwischen den Permanentmagneten (7) des Innenläufers (5) und Permanentmagneten (8) des Außenläufers (6) positioniert an beiden Seiten der Einzelkerne (13) von gegensätzlich Polpaaren (7 + 8), in der Vielzahl wechselnder Polpaare (7 und 8) durch Drehung des Rotors (4) über die Antriebswelle (2) magnetisiert/erregt werden und dadurch in der Vielzahl der in Reihe geschalteten, in ihrer notwendigen Vielzahl mit wechselndem Wickelsinn gefertigten Spulen (10, 11) eine Wechselspannung induzieren.
Generator nach Anspruch 2, dessen Einzelkern (13) in einer durchgängigen, flachen Rechteckform mit den Seitenverhältnis B = 1 zu H = 10 ausgeführt ist.
Generator nach Anspruch 2, dessen Stator (15) aus 12·n Einzelkernen gebildet ist.
Generator nach Anspruch 2, dessen Doppelläufer-Rotor (4) aus einem Außen (6)- und einem Innenläufer (5) mit jeweils 18·n Polen besteht.
Generator nach Anspruch 1, der einen in axialer Richtung beweglichen Rotor (4) als Tauchrotor mit Kupplungsfunktion aufweist.
Generator nach den vorgehenden Ansprüchen, dessen Pol-Kern-Pol-Anordnung einen magnetischen Fluss ohne Umrichtung in Einzelkernen (13) in einem einzelnen Moment der wechselseitigen in ihrer Vielzahl wechselnden Magnetisierungen durch Drehung des Rotors (4), welcher aus kraftschlüssig gekoppelten Innen- (5) und Außenläufer (6) besteht, realisiert.
Generator nach den vorgehenden Ansprüchen, dessen Pol-Kern-Pol-Anordnung mit einer Vielzahl in radialer Richtung doppelt flankierter Kerne oder Nuten eines gemeinsamen Kerns mit jeweils einer einzigen Spule/Wicklung oder einer Konstruktion ringförmig angeordneter Einzelkerne (13) mit Spulen im Innenkreis (10) und Spulen im Außenkreis (11), respektive der Kombination von Einzelkernen (13) mit jeweils einer einzigen Spule/Wicklung ein hohe Pol-/Nutenanzahl bei geringem Durchmesser der Gesamtkonstruktion realisiert.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend einen axial verschiebbarem Stator (15), dessen Position über ein Stellglied veränderbar ist.
Verwendung eines Generators nach Anspruch 1, welcher ohne Kopplung der Welle (2) an ein kraftabgebendes Medium bei Anlegen einer Wechselspannung an die Gesamtwicklung als Antriebsmotor mit Kraftabgabe an die Welle (2) genutzt werden kann.
Verwendung eines Generators nach Anspruch 7, wobei der Tauchrotor zur Reglung der Kraftabgabe zu verwenden ist.
Verwendung eines Generators nach Anspruch 10, in Ausführung mit axial verschiebbarem Stator (15), dessen Position über ein Stellglied veränderbar – zur Reglung der Leistungsabgabe, -aufnahme oder zum Bremsen zu verwenden ist.