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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für eine Windenergieanlage. Es sei jedoch betont, dass die elektrische Maschine auch in anderen Gebieten vorteilhaft verwendet werden kann ist und sowohl als Generator zur Stromerzeugung als auch als Motor zur Bewegungserzeugung eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Ein großer Teil der bestehenden Windenergieanlagen ist mit schnell drehenden Generatoren ausgestattet, wobei zur Übersetzung der relativ langsamen Umdrehungszahl des Windrades auf die Generatorumdrehungszahl mehrstufige Getriebe eingesetzt werden. Daneben werden auch Generatoren eingesetzt, die getriebelos mit dem Windrad gekoppelt sind. Um das Konzept des Direktantriebs zu verwirklichen, sind die Generatoren als vielpolige, langsam drehende, permanent erregte Synchronmaschinen ausgelegt.
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Diese Bauart fuhrt jedoch zu einer signifikanten Gewichtszunahme im Vergleich zu Anlagen mit Getriebe, da die Sekundärteile (Rotor bzw. Läufer) der Generatoren relativ grolle Durchmesser aufweisen und mittels massiver Verbindungselemente, wie z. B. Speichen, mit der Antriebswelle (Nabe des Windrades) verbunden sind. Der vielpolige Magnetkreis der direkt angetriebenen Maschinen weist einen deutlich größeren Umfang als ein Magnetkreis einer schnell drehenden 4- oder 6-poligen, doppelt gespeisten Asynchronmaschine auf. In der Folge treten deutlich größere Drehmomente auf, die von der Nabe zum Sekundärteil übertragen werden müssen. Ein Beispiel einer derartigen permanent erregten Synchronmaschine ist in der
US 2004/0155537 A1 gezeigt.
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Es ist somit wünschenswert, eine elektrische Maschine für eine Windenergieanlage anzugeben, bei der die Drehmomentübertragung verbessert wird und insbesondere Gewicht eingespart werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Maßnahme der Erfindung ist, ein magnetisches Getriebe baulich mit der elektrischen Maschine zusammenzufassen. Insgesamt weist die elektrische Maschine einen stillstehenden Ständer mit einer Ständerwicklung, einen rotierenden selbst- oder fremderregten Läufer und einen rotierenden magnetischen Modulator auf, der das vom Läufer erzeugte Magnetfeld moduliert. Auf diese Weise können Induktionsspannung und Frequenz in der Ständerwicklung deutlich erhöht werden. Der Modulator kann zwischen Ständer und Läufer angeordnet sein, d. h. Läufer-Modulator-Ständer. Alternativ ist auch eine Anordnung Läufer-Ständer-Modulator möglich. Die Getriebe-Generatoreinheit kommt dadurch mit nur drei funktionstragenden Komponenten aus.
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Der magnetische Modulator kann aus abwechselnd ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Komponenten bestehen. Bevorzugterweise besteht eine Tragstruktur bzw. ein Rahmen des Modulators aus einem nicht-ferromagnetischen Material, wie z. B. Aluminium. Die Tragstruktur kann beispielsweise mindestens zwei nicht-ferromagnetische Ringe aufweisen, die durch ebenfalls nicht nicht-ferromagnetische Streben verbunden sind. Zwischen die Streben können dann ferromagnetische Komponenten eingesetzt werden, vorzugsweise in Art einer Nut-Feder-Befestigung. Ein Modulator kann auch aus mehreren solchen Tragstrukturen bestehen, die miteinander verbunden, bspw. verschraubt sind.
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Eine weitere Maßnahme der Erfindung ist, dass Läufer einerseits und Modulator andererseits gegensinnig rotieren, was Induktionsspannung und Frequenz in der Ständerwicklung weiter erhöht. Zur Ermöglichung einer gegensinnigen Rotation kann ein Leistungsverzweigungsgetriebe mit zwei gegensinnig rotierenden Abtriebswellen vorgesehen sein. Eine Antriebswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes kann bspw. von einem Rotor einer Windenergieanlage o. ä. angetrieben werden. Dabei wird die hohe Kraftdichte der mechanischen Drehmoment- oder Leistungsübertragung mit der magnetischen gekoppelt. Die elektrische Maschine mit integriertem magnetischen Getriebe erfüllt in dieser Kombination eine Doppelfunktion: Zunächst dient das magnetische Getriebe zur Spannungs- und Frequenzerhöhung in den Spulenwicklungen der elektrischen Maschine (bei Betrieb als Generator) und damit auch zur Erzeugung elektrischer Energie mit sehr hohem Wirkungsgrad, da insbesondere die ohmschen Verluste deutlich reduziert werden können.
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Durch die gegenläufige Rotation und eine entsprechende Wahl der Anzahl und Anordnung ferromagnetischer und nicht-ferromagnetischer Modulatorkomponenten können Amplitude und Frequenz der Induktionsspannung in der Ständerwicklung des Generators sehr gezielt eingestellt werden. Hierbei können mechanisches und magnetisches Übersetzungsverhältnis so ausgelegt werden, dass die Gesamtkosten der Getriebe-Generatoreinheit möglichst gering sind, wobei dennoch ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Die Kombination von mechanischem Getriebe mit der elektrischen Maschine erlaubt zusätzlich, die Gehäusestruktur des Getriebes zu nutzen, um mindestens einen Teil des Drehmoments, der Gewichtskraft und weiterer Kräfte der elektrischen Maschine aufzunehmen. Dies führt zu Material- und Bauraumeinsparung. Die Kombination erlaubt auch, wenigstens eine Abtriebswelle des Getriebes über die elektrische Maschine zu lagern oder umgekehrt und so auf mindestens eine Lagerstelle in der kompletten Anordnung zu verzichten.
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Es ist vorteilhaft, zwischen einem Planetengetriebe und der elektrischen Maschine eine Kupplung einzusetzen, die zulässt, dass sich das Sonnenrad im Planetengetriebe optimal gegenüber der Verzahnung ausrichten kann. Zum Schutz des Antriebsstrangs im Falle eines Generatorkurzschlusses kann der magnetische Modulator bei entsprechender Auslegung auch als Rutschkupplung arbeiten und damit die Last auf den Antriebsstrang deutlich reduzieren. In diesem Fall gehen magnetisch leitenden Teile des magnetischen Modulators in die Sättigung, so dass das übertragbare Moment begrenzt wird.
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Es ist weiter vorteilhaft, zwischen Getriebe und elektrischer Maschine eine elektrische Isolierung einzusetzen, um das Getriebe vor Schäden durch sog. Lagerströme zu schützen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe geerdet werden, z. B. durch Schleifringe an den Abtriebswellen. Auf diese Weise kann das Potential so reduziert werden, dass keine Lagerströme mehr auftreten.
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Auf der nicht dem mechanischen Getriebe zugewandten Seite der Getriebe-Generatoreinheit wird zweckmäßigerweise eine Bremse angebracht, die zum Abbremsen der Anordnung dient.
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Eine Momentwelligkeit kann durch entsprechenden Betrieb des Generators reduziert werden, insbesondere durch die elektrische Beschaltung der Ständerwicklungen. Dies kann durch entsprechende Ansteuerung eines der Ständerwicklung nachgeschalteten Stromrichters (z. B. Gleichrichter mit Transistorschaltern) erfolgen. Dies führt zu geringeren Belastungen des kompletten Antriebsstrangs sowie zu geringeren Geräuschemissionen der Getriebe-Generatoreinheit.
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Es kann eine asymmetrische Leistungsverzeigung (z. B. 75:25) vorgesehen sein, wobei vorzugsweise eine Eingangsstufe der Leistungsverzweigungsgetriebeanordnung eine höhere Leistung überträgt als die zweite Stufe. Dadurch werden Übersetzungsverhältnisse, insbesondere größere Übersetzungsverhältnisse, ermöglicht, die für die Auslegung der Generatoren Vereinfachungen bedeuten.
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Das Prinzip der verwendeten elektrischen Maschine kann ein permanentmagneterregter (d. h. selbsterregter) und/oder ein elektrisch erregter (d. h. fremderregter) Generator in den verschiedenen Bauweisen, Radialflussgenerator und/oder Axialflussgenerator und/oder Transversalflussgenerator und/oder Generator mit Durchmesserwicklung und/oder supraleitender Generator sein.
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Insbesondere vorteilhaft ist eine Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zur Stromerzeugung in Kraftwerken, insbesondere in Windenergieanlagen aber auch in Wellen-Gezeiten-, oder Wasserkraftwerken.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Leistungsverzeigungsgetriebe in einer Längsschnittsansicht.
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2 zeigt die elektrische Maschine gemäß 1 in einer Querschnittsansicht.
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3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Leistungsverzeigungsgetriebe in einer Längsschnittsansicht.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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Die 1 bis 3, in welchen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Dabei zeigen die 1 und 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht und 3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Längsschnittsansicht.
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Die elektrische Maschine ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Sie weist in der gezeigten Ausführungsform eine Leistungsverzweigungsgetriebeanordnung 10 und eine integrierte Getriebe-Generatoreinheit 20 auf, welche die Funktion eines magnetischen Getriebes mit der Stromerzeugungsfunktion der elektrischen Maschine verbindet.
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Die Leistungsverzweigungsgetriebeanordnung 10 umfasst eine Antriebswelle 11, welche eine erste Planetengetriebestufe 12 antreibt. Die Antriebswelle 11 ist über einen Steg 11b mit Planetenrädern 12b der Planetengetriebestufe 12 verbunden. Ein Hohlrad 12c ist drehfest angeordnet, ein Sonnenrad 12a treibt eine Abtriebswelle 13 an.
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Mit der ersten Planetengetriebestufe 12 ist weiterhin eine zweite Planetengetriebestufe 14 verbunden, wobei ein Hohlrad 14c von der Antriebswelle 11 angetrieben wird. Planetenräder 14b der zweiten Planetengetriebestufe 14 sind drehfest angeordnet, ein Sonnenrad 14a treibt eine Abtriebswelle 15 an, welche hier als Hohlwelle ausgebildet ist.
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Die Leistungsverzeigungsgetriebeanordnung 10 ist so ausgebildet, dass während des Betriebs die beiden Abtriebswellen 13 und 15 gegensinnig rotieren.
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Im Folgenden soll nun die Funktionsweise zur Stromerzeugung erläutert werden, wobei die elektrische Maschine 20 gemäß 1 als Außenläufermaschine und die elektrische Maschine 20' gemäß 3 als Innenläufermaschine ausgebildet ist.
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Die elektrische Maschine weist in beiden Fällen einen rotierenden Läufer 21 und einen stehenden Ständer 22 auf. Der Läufer ist im gezeigten Beispiel fremderregt, d. h. mit einer Permanentmagnetanordnung 21b versehen, welche auf einem ferromagnetischen Trägerring 21a für den Magnetrückschluss angeordnet sind. Im Beispiel gemäß 1 weist der Läufer der Außenläufermaschine zehn Polpaare auf.
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Der Ständer 22 ist mit einer Anzahl von Ständerwicklungen ausgestattet, in welche durch die Rotation des Läufers 21 ein Strom induziert wird.
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Zwischen dem Läufer 21 und dem Ständer 22 ist ein magnetischer Modulator 23 angeordnet, welcher die magnetische Flussdichte zwischen dem Läufer 21 und dem Ständer 22 moduliert. Der magnetische Modulator 23 weist dazu eine Anzahl von ferromagnetischen Elementen 23a auf, wobei jeweils zwei benachbarte ferromagnetische Elemente 23a durch ein nicht-ferromagnetisches Element 23b getrennt sind. Die ferromagnetischen Elemente können beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen, wohingegen die nicht-ferromagnetischen Elemente 23b in einfachstem Fall aus Luft bestehen, jedoch auch aus nicht-ferromagnetischem Material, wie z. B. Aluminium, bestehen können.
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Eine Möglichkeit zur einfachen Bereitstellung eines bevorzugten magnetischen Modulators 23 besteht in der Bereitstellung eines nicht-ferromagnetischen Rahmens, beispielsweise aus Aluminium, in welchen die ferromagnetischen Elemente eingesetzt werden. Die Befestigung der ferromagnetischen Magnete 23a an einem solchen Rahmen kann beispielsweise in der Art einer Nut- und Federverbindung erfolgen, was die Befestigung vereinfacht. Der Rahmen kann käfigförmig ausgebildet sein und aus zwei Ringen bestehen, zwischen denen sich Streben axial erstrecken.
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Die Abtriebswelle 13 ist über einen Steg 13a in der Ausführungsform gemäß 1 mit dem magnetischen Modulator 23 und in der Ausführungsform gemäß 2 mit dem Läufer 21 verbunden. Die Abtriebswelle 15 ist über einen Steg 15a in der Ausführungsform gemäß 1 mit dem Läufer 21 und in der Ausführungsform gemäß 2 mit dem magnetischen Modulator 23 verbunden.
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Wie erläutert, rotieren die Abtriebswellen 13 und 15 gegensinnig, so dass in der Folge in beiden Ausführungsformen auch Läufer 21 und Modulator 23 gegensinnig (um eine gemeinsame Rotationsachse B) rotieren. Dies führt zu einer signifikanten Erhöhung der Induktionsspannung in den Ständer 22 durch die erhöhte Veränderungshäufigkeit der magnetischen Flussdichte. Dies erlaubt eine kompaktere Bauform für die stromerzeugenden Teile der elektrischen Maschine, insbesondere für den Läufer 21 und den Ständer 22, da eine häufige Veränderung der magnetischen Flussdichte nicht durch eine entsprechend hohe Anzahl von Polpaaren auf dem Läufer erzielt werden muss. Wie bereits erläutert, beinhaltet das Bereitstellen der gegensinnigen Rotation gleichzeitig eine Leistungs- bzw. Drehmomentverzweigung, so dass auch dadurch der notwendige Bauraum reduziert werden kann. Durch die Leistungsverzweigungsgetriebeanordnung 10 wird nämlich das auf die Antriebswelle 11 wirkende Drehmoment, welches beispielsweise von einem Rotor einer Windenergieanlage kommt, auf die beiden Abtriebswellen 13 und 15 aufgeteilt. Aufgrund der Leistungsverzweigung können die Stege 13a und 15a sowie die zugehörigen Abtriebswellen 13 und 15 entsprechend schwächer ausgebildet werden, was zu Material- und Kosteneinsparungen führt. Insgesamt kann somit eine kompakte, wenig Bauraum beanspruchende elektrische Maschine bereitgestellt werden, die dennoch eine hohe Leistungsdichte bietet.
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Die elektrische Maschine kann als Innenläufer- oder als Außenläufermaschine ausgebildet sein, wobei der magnetische Modulator zweckmäßigerweise zylinderförmig ausgebildet ist und zwischen Läufer und Ständer rotiert. Der Läufer und/oder Ständer kann ebenfalls zylinderförmig ausgebildet sein. Für die Stromerzeugung vorteilhaft ist ein möglichst großer Durchmesser, für die Kosten und den Bauraum ein möglichst kleiner Durchmesser.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0155537 A1 [0003]
