DE102017010937B4 - Ringgenerator - Google Patents

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Abstract

Ringgenerator mit niedriger Drehzahl für Wasser- oder Windräder, bestehend aus einem Rotor als Ringelementekranz, gebildet durch modulare Rotorsegmente (3) mit eingesetzten Permanentmagneten (14), kraftschlüssig verbunden mit einem biegesteifen Radkranz (1) mit zentraler Drehachse und als Stator konzentrisch zugeordnete in Drehrichtung des Rotors ortsfeste, in Richtung der Rotorachse beweglich angeordnete Statorsegmente (2) mit einem Durchlaufschlitz, gebildet durch beiderseitig des durchlaufenden Ringelementekranzes angeordnete elektrische Spulen (6), wobei beiderseitig des durch Rotorsegmente (3) gebildeten Ringelementekranzes (4) neben den durch ein Eisenjoch (5) verbundenen elektrischen Spulen (6) der Statorsegmente (2) Führungslager (7) mit einem Einschubelement (8) kraftschlüssig verbunden angeordnet sind, wobei jedes Einschubelement (8) in einem im Statorgehäuse (9) angeordneten Schacht (10) in Richtung der Rotorachse beweglich angeordnet ist, wobei mindestens ein Statorsegmentpaar (2) in spiegelbildlicher Anordnung der Rotorachse konzentrisch zugeordnet und mit einem in Drehrichtung des Ringelementekranzes (4) ortsfesten, in Richtung der Rotorachse pendelnd auslenkendem doppelachsigen Gelenk (11) beiderseitig anliegend kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Dicke eines Anlegeblechs (12) die Breite des Durchlaufschlitzes für den Ringelementekranz (4) bestimmt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringgenerator mit niedriger Drehzahl für Wasser- bzw. Windräder, bestehend aus einem Rotor als Ringelementekranz, gebildet durch modulare Rotorsegmente mit eingesetzten Permanentmagneten, kraftschlüssig verbunden mit einem biegesteifen Radkranz mit zentraler Drehachse und als Stator konzentrisch zugeordnete in Drehrichtung des Rotors ortsfeste, in Richtung der Rotorachse beweglich angeordnete Statorsegmente mit einem Durchlaufschlitz, gebildet durch beiderseitig des durchlaufenden Ringelementekranzes angeordnete elektrische Spulen.
  • Anordnungen dieser Art sind nach der EP 2 286 083 B1 bekannt und dienen zur Stromerzeugung im getriebelosen Niedrigdrehzahlbereich von z.B. fünf Umdrehungen je Minute, wobei große Rotordurchmesser von beispielsweise 2 Metern zur Ausführung kommen.
  • Dabei ist es schwierig, zwischen dem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und dem ortsfesten Stator einen möglichst geringen Luftspalt zu realisieren, weil beim Anlaufen der Maschine erhebliche magnetische Anhaftkräfte zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den eisernen Spulenzähnen des ortsfesten Stators wirksam werden.
  • Bei einer gattungsgemäßen Ausbildung nach der DE 10 2013 010 725 A1 bestehen wesentliche Nachteile, weil es bei gleichbleibender Position der Rollen bzw. Gleitelemente im Luftspalt zu erheblichen Wirkungsgradverlusten durch ständigen Reibungskontakt (rollend oder gleitend) zwischen Rotor und Stator kommt, wobei nachteilig hinzukommend erheblicher Verschleiß auftritt, der zu kurzen Wartungs- und Reparaturintervallen führt.
  • Die Anordnung der Rollen bzw. Gleitelemente in jedem einzelnen Rotorsegment erfordert hohe Investitionen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einfache Weise trotz Fertigungstoleranzen und Verformungen durch Witterungseinflüsse eines gattungsgemäßen Ringelementekranzes einen wirkungsgradgünstigen Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu gewährleisten und dabei einen Anhafteffekt des Rotors an den Spulenzähnen des Stators zu vermeiden.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die in Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmale der Erfindung dadurch, dass die an den Einschubelementen der Statorsegmente angeordneten Führungslager angepasst an die Drehzahl des Generators auf beiden Seiten des Rotors im Luftspalt zurückgezogen und dadurch der Anpressdruck der Führungslager an den Ringelementekranz des Rotors verringert wird , so dass bei Erreichen der Betriebsdrehzahl ein annähernd freier Rundlauf des Rotors praktisch ohne Reibungskontakt möglich ist, und zwar unter Anordnung eines besonders schmalen und wirkungsgradgünstigen Luftspaltes zwischen Rotor und Stator.
  • Die Aufhängung der Statorsegmente erfolgt in Drehrichtung des Rotors ortsfest und in Richtung der Rotorachse pendelnd beweglich, wodurch Spurtoleranzen des Rotor-Ringelementekranzes kompensiert werden.
  • Durch die in Patentanspruch 1 beschriebene spiegelbildliche Anordnung des Statorsegmentpaares mit zeitgleicher Überdeckung von Rotor-Permanentmagneten und Spulen-Eisenkernen zu beiden Seiten des Rotors wirken bei sehr geringem Luftspalt gleichgroße magnetische Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten im Rotor und den Spulen-Eisenkernen zu beiden Seiten des Rotors.
  • Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit lässt die Neigung zum Anhaften nach und bei Erreichen der Betriebsdrehzahl treten die Anhaftkräfte zwischen Permanentmagneten und Eisenkernen deutlich geringer in Erscheinung.
  • Vorteilhaft werden die Einschubelemente bei zunehmender Drehzahl und nachlassenden Polrastmomenten motorisch mit Sensorsteuerung (Patentanspruch 2) vom Polrad weg bewegt, wodurch der Reibungsdruck auf die Führungslager im Luftspalt abnimmt, wobei Reibung und Verschleiß minimiert werden und sich der Wirkungsgrad des Generators vorteilhaft erhöht, wenn die Betriebsdrehzahl erreicht ist.
  • Vorteilhaft kann die Position der Führungslager im Luftspalt nachgesteuert und optimiert werden.
  • Vorteilhaft ist an dieser Stelle ein besonders verschleiß- und wartungsarmer Betrieb der Maschine bei minimalem Luftspalt und hohem Wirkungsgrad möglich.
  • Wartungsarbeiten an den Lagern können auf ein Minimum beschränkt und bei laufendem Betrieb vorgenommen werden.
  • Vorteilhaft lassen sich die Einschubelemente (8) wahlweise mit unterschiedlichen Führungslagern (7) bestücken (auch nachträglich):
  • Rollenlager (Patentanspruch 3) sind die preiswerteste Variante und kommen aus Kostengründen bei der Fertigung kleiner Stückzahlen zum Einsatz. Beim Anfahren des Generators kommt es an den Rollen im Kontakt mit der härteren Oberfläche des Polrades zu Verschleiss durch Abrieb, der vorteilhaft durch Nachsteuern der Einschubelemente kompensiert werden kann.
  • Gleitlager (Patentanspruch 4) als Gleitplatten, bestehend aus einem Metallträger aus z.B. Bronze mit z.B. eingepressten PTFE-Gleitelementen („Teflon“) sind wegen ihrer flächigen Kraftübertragung sehr gut geeignet. Bei der Wahl entsprechend hochwertiger Produkte erzeugen diese Gleitplatten bei minimaler Reibung praktisch keinen Abrieb und sollen deshalb bevorzugt zum Einsatz kommen.
  • Magnetlagerführungen (Patentanspruch 5) sind aus Kostengründen vornehmlich für die Großserie vorgesehen.
  • Sie stellen ebenfalls eine wirkungsgradgünstige Lösung dar, weil praktisch keine Reibungsverluste auftreten wenn über eine mit der Polfrequenz des Rotors korrespondierende elektronische Steuerung der elektrischen Spulen in deren Eisenkern jeweils abstoßende Magnetkräfte zu den im Wechsel angeordneten Permanentmagneten (14) des Rotors erzeugt werden.
  • Diese Elektromagnete werden von den Einschubelementen (8) umhüllt und die Magnetspulen werden beim Anfahren des Generators extern mit Strom versorgt aus dem Netz oder von einer Batterie.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche des Drehlagers der Rotationsmaschine konstruktiv einen Teil der Stützkonstruktion (13) bildet und automatisch die exakte räumliche Zuordnung der Statorsegmente (2) zu den Rotorsegmenten (3) in radialer Richtung bewirkt.
  • Mit der Stützkonstruktion (13) kann der Maschinensatz auf der Baustelle (z.B. mittels Stehbolzen) schnell, exakt und funktionsgerecht ausgerichtet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass Schutzkapseln (15) dort positioniert werden, wo auf dem Ringelementekranz des Rotors keine Statorsegmente (2) angeordnet sind.
  • Alle Schutzkapseln sind baugleich und eignen sich zur Serienherstellung z.B. aus Kunststoff im Tiefzieh- oder Spritzgussverfahren.
  • Dadurch werden die eingesetzten Permanentmagnete (14) in Bereichen ohne Überdeckung mit Statorsegmenten (2) vor Vandalismus in Form von Bewurf mit z.B. Eisengegenständen geschützt, die durch Anhaften den Betrieb der Anlage behindern würden.
  • Vorteilhaft eignen sich insbesondere die Module von Rotor und Stator entsprechend der Patentansprüche 8 und 9 zur kostengünstigen Serienherstellung, da sämtliche Statorsegmente baugleich sind und ebenso sämtliche Rotorsegmente.
  • Vorteilhaft und zukunftsweisend wird in Patentanspruch 10 diamagnetisches Plattenmaterial in den Statorsegmenten den Rotor-Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet, da dieses Material auf Nord- wie Südpol gleichermaßen abstoßend wirkt und zusätzlich ein Anhaften der Permanentmagnete des Rotors am eisernen Spulenzahn des Stators verhindert.
  • Allerdings bleibt hierfür die technische Entwicklung abzuwarten, bis ein diamagnetisches Material mit genügend großer Feldstärke verfügbar ist.
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
    • 1 eine Systemdarstellung der Anordnung von Rotor und Stator auf einem Fundament installiert (Darstellung ohne Radarme). Vorteilhaft sind die Einschubelemente (8) mit den Führungslagern in Drehrichtung des Rotors vor und hinter dem Spulenpaar (6) des Stators angeordnet und verhindern ein Anhaften der Permanentmagnete (14) des Ringelementekranzes (4) an den Eisenkern der Spulen (6) des Stators (2) unter Beibehaltung eines besonders schmalen und wirkungsgradgünstigen Luftspaltes zwischen Ringelementekranz (4) und Stator (2). Vorteilhaft weist jedes Statorsegment (2) zwei elektrische Spulen (6) auf, was die Baugröße so kompakt gestaltet, dass die Handhabung von ein bis zwei Arbeitskräften vorteilhaft ohne zusätzliches Hebezeug geleistet werden kann. Die geringe Überdeckungsbreite (Baulänge) der einzelnen Statorsegmente (2) auf dem Ringelementekranz (4) in tangentialer Richtung wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf deren Anpassung an Fertigungstoleranzen und Verformungen des Ringelementekranzes (4) aus.
    • 2 eine Gesamtdarstellung eines oberschlächtigen Wasserrades mit integriertem getriebelosen Ringgenerator.
    • 3 eine Gesamtdarstellung eines oberschlächtigen Wasserrades mit integriertem getriebelosen Ringgenerator in der Schnittebene A-A.
    • 4 eine Ansicht des Kernelementes eines Rotorsegmentes (3) mit fixierten Permanentmagneten (14). An der linken Seite des Rotorsegmentes sind Zapfen zur verschiebungssicheren Verbindung der Elemente dargestellt.
    • 5 einen Querschnitt durch ein Rotorsegment (3) in Schnittebene E-E. Rotorsegment (3) als dreischichtiger Aufbau mit z.B. Kern aus Carbon Composite mit eingelegten Permanentmagneten (14) und beidseitigen Abdeckungen aus z.B. sehr dünnem Edelstahlblech. Zwischen Rotorsegment (2) und biegesteifem Radkranz (1) sind Zwischenlegscheiben zur Feinjustierung angeordnet. Zur Grobjustierung des Radkranzes (1) auf dem Holzarm des Wasserrades dienen Langlöcher mit Fixierschrauben.
    • 6 einen vergrößerten Ausschnitt des Ringelementekranzes (4), bestehend aus Rotorsegmenten (3), befestigt am biegesteifen Radkranz (1).
    • 7 eine vergrößerte Teilansicht eines oberschlächtigen Wasserrades mit integriertem getriebelosen Ringgenerator in der Schnittebene D-D (Sicht von der Seite). Der biegesteife Radkranz (1) ist mit den Holzarmen des Wasserrades verschraubt. Das Statorsegmentpaar (2) ist über ein Gelenk (11) kraftschlüssig mit der ortsfesten und biegesteifen Stützkonstruktion (13) verbunden, die im Betonfundament verankert ist und durch die Auflast durch das Wasserradlager zusätzlich stabilisiert wird.
    • 8 eine vergrößerte Teilansicht eines oberschlächtigen Wasserrades mit integriertem getriebelosen Ringenerator in der Schnittebene C-C (Sicht von oben). Das Drehlager der Rotationsmaschine ist konzentrisch mit der Stützkonstruktion (13) verschraubt; die Passung zwischen Statorsegment (2) und Ringelementekranz (4) in radialer Richtung erfolgt damit automatisch.
    • 9 eine vergrößerte Darstellung eines Statorsegmentes (2) als Systemdarstellung ohne Kabel in horizontaler Schnittebene C-C. Die Luftspalte zwischen Permanentmagnet (14) und den Spulenzähnen des geblechten Eisenjochs (5) zu beiden Seiten des Ringelementekranzes (4) sind minimiert. Das zweiachsige Gelenk (11) ist als Doppelscharnier ausgeführt. Das Anlegeblech (12) des Gelenkes (11) fixiert den Abstand der einander gegenüberliegenden Statorsegmente (2).
    • 10 eine perspektivische Darstellung der Anordnung von Ringelementekranz (4) (Ausschnitt) und den jeweils mit geblechtem Eisenjoch (5) verbundenen elektrischen Spulenpaaren (6).- Auf jeder Seite des Rotorsegmentes (3) ist ein klassischer Magnetkreis aufgebaut.
    • 11 eine vergrößerte Darstellung eines Statorsegmentes (2) als Systemdarstellung ohne Kabel in vertkaler Schnittebene F-F. Ausführung des zweiachsigen Gelenkes (11) als Doppelscharnier. Darstellung der Schächte (10), die das Statorgehäuse (9) durchdringen und der darin in Richtung der Rotorachse beweglichen Einschubelemente (8) mit Führungslagern (7), hier als Rollenlager ausgebildet gemäß Patentanspruch 3, und Antriebsmotor (M) als Teilskizze in Schnittebene X-X.
    • 12 und 13 perspektivische Darstellungen der Anordnung von Ringelementekranz (4) (Ausschnitt) und Statorsegmentpaar (2) mit komplettem Statorgehäuse (9). In Bild 12 gut erkennbar ist der vordere Schacht (10) im Statorgehäuse (9) sowie in Bild 13 das Einschubelement (8) mit Führungslager (7), hier als Rollenlager nach Patentanspruch 3 ausgebildet.
    • 14 eine vergrößerte Teilansicht eines oberschlächtigen Wasserrades mit integriertem getriebelosen Ringgenerator in der Schnittebene D-D (Sicht von der Seite). Angepasst an die hydraulische Leistung der Primärmaschine sind in diesem Fall zwei Statorsegmente (2) zur Energiewandlung angeordnet. Der verbleibende Bereich des Ringelementekranzes (4) ist von Schutzkapseln (15) überdeckt.
    • 15 eine Detailansicht zweier Schutzkapseln (15), von denen jede einen mit der tangentialen Abdeckbreite eines Statorsegmentes (2) identischen Abdecksektor aufweist. Die identischen Abdeckbreiten von Statorsegment (2) und Schutzkapsel (15) ermöglichen einen Rundumschutz der Permanentmagnete (14) bei freier Anordnung der Statorsegmente (2) auf dem Ringelementekranz (4) in Anzahl und Position, wobei die freibleibenden Bereiche des Rotors mit Schutzkapseln bestückt werden.
    • 16 eine Detailansicht einer Schutzkapsel (15) in der Schnittebene H-H. Die Schutzkapseln (15) bilden in Drehrichtung des Rotors eine bogenförmige Stützlinie mit festen Endpunkten; sie sind in Richtung der Rotorachse beweglich zueinander verbunden.
    • 17 eine Gesamtdarstellung eines mittelschlächtigen Wasserrades mit integriertem Ringgenerator. Die Statorsegmente (2) sind vorteilhaft im wasserführenden Bereich (unten links) des Wasserrades an einer Stützkonstruktion (13) angeordnet, wobei der Rest des Ringelementekranzes (4) im Bereich der Permanentmagnete von Schutzkapseln (15) überdeckt ist.
    • 18 eine Gesamtdarstellung eines tiefschlächtigen Wasserrades als Klappschaufel-Wasserrad mit integriertem Ringgenerator als Vertikalschnitt senkrecht zur Rotorachse, Schnittebene zwischen den beiden Schwimmkörpern eines Katamarans. Für Revisionszwecke und bei starker Treibgutdrift wird das Wasserrad durch vertikales Verfahren der biegesteifen Stützkonstruktion (13) aus dem Wasser gehoben. Die Statorsegmente (2) sind vorteilhaft im wasserführenden Bereich (unten) des Wasserrades auf der Stützkonstruktion (13) angeordnet, wobei der Rest des Ringelementekranzes (4) im Bereich der Permanentmagnete (14) von Schutzkapseln (15) überdeckt ist.
    • 19 eine Gesamtdarstellung eines langsam laufenden Windrades mit integriertem getriebelosen Ringgenerator. Bereiche des Ringelementekranzes (4), die nicht von den beiden Statorsegmenten (2) belegt sind, werden im Bereich der Permanentmagnete (14) von Schutzkapseln (15) überdeckt.

Claims (10)

  1. Ringgenerator mit niedriger Drehzahl für Wasser- oder Windräder, bestehend aus einem Rotor als Ringelementekranz, gebildet durch modulare Rotorsegmente (3) mit eingesetzten Permanentmagneten (14), kraftschlüssig verbunden mit einem biegesteifen Radkranz (1) mit zentraler Drehachse und als Stator konzentrisch zugeordnete in Drehrichtung des Rotors ortsfeste, in Richtung der Rotorachse beweglich angeordnete Statorsegmente (2) mit einem Durchlaufschlitz, gebildet durch beiderseitig des durchlaufenden Ringelementekranzes angeordnete elektrische Spulen (6), wobei beiderseitig des durch Rotorsegmente (3) gebildeten Ringelementekranzes (4) neben den durch ein Eisenjoch (5) verbundenen elektrischen Spulen (6) der Statorsegmente (2) Führungslager (7) mit einem Einschubelement (8) kraftschlüssig verbunden angeordnet sind, wobei jedes Einschubelement (8) in einem im Statorgehäuse (9) angeordneten Schacht (10) in Richtung der Rotorachse beweglich angeordnet ist, wobei mindestens ein Statorsegmentpaar (2) in spiegelbildlicher Anordnung der Rotorachse konzentrisch zugeordnet und mit einem in Drehrichtung des Ringelementekranzes (4) ortsfesten, in Richtung der Rotorachse pendelnd auslenkendem doppelachsigen Gelenk (11) beiderseitig anliegend kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Dicke eines Anlegeblechs (12) die Breite des Durchlaufschlitzes für den Ringelementekranz (4) bestimmt.
  2. Ringgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Einschubelement (8) im Schacht (10) durch einen elektrischen Stellmotor (M) angetrieben wird, der durch eine elektronische Schaltungsanordnung und Sensorik steuerbar ist.
  3. Ringgenerator nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ringelementekranz (4) weisenden, mit dem Einschubelement (8) kraftschlüssig verbundenen Führungslager (7) als Rollenlager ausgebildet sind.
  4. Ringgenerator nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ringelementekranz (4) weisenden, mit dem Einschubelement (8) kraftschlüssig verbundenen Führungslager (7) als Gleitlager ausgebildet sind, bestehend aus einem Metallträger mit Gleitelementebesatz.
  5. Ringgenerator nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ringelementekranz (4) weisenden, mit den Einschubelementen (8) kraftschlüssig verbundenen Führungslager (7) jeweils als elektrische Spule mit magnetisierbarem Kern ausgebildet sind, angeordnet in der Umhüllung des jeweiligen Einschubelementes (8) und verbunden mit einer Stromversorgung, die durch eine elektronische Schaltungsanordnung steuerbar ist.
  6. Ringgenerator nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass jedes Statorsegment (2) über ein Gelenk (11) mit einer konzentrisch zur Rotorachse angeordneten, ortsfesten und biegesteifen Stützkonstruktion (13) kraftschlüssig verbunden ist, passgenau zentriert durch das Drehlager der Rotationsmaschine.
  7. Ringgenerator nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorsegmente (3) im Bereich der Permanentmagnete (14) mit Schutzkapseln (15) überdeckt sind, und zwar dort, wo auf dem Ringelementekranz (4) keine Statorsegmente (2) angeordnet sind, wobei die Schutzkapseln (15) sich tangential in einer Bogenlinie gegeneinander abstützen, in Richtung der Rotorachse frei beweglich sind, und an den Kontaktflächen zu den Rotorsegmenten (3) mit Bürstendichtungen (16) versehen sind.
  8. Ringgenerator nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Statorsegmente (2) baugleich ausgestaltet sind und ein umhüllendes Statorgehäuse (9) aufweisen, wobei Hohlräume im Inneren mit geeigneter Füllmasse ausgefüllt sind.
  9. Ringgenerator nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorsegmente (3) baugleich ausgestaltet sind und eine Umhüllung aufweisen, wobei Hohlräume im Inneren mit geeigneter Füllmasse ausgefüllt sind, wobei die Rotorsegmente (3) eine kraftschlüssige Verbindung zum Radkranz (1) und untereinander aufweisen.
  10. Ringgenerator nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass in den an die Luftspalte zu den Permanentmagneten (14) des Ringelementekranzes (4) angrenzenden Gehäusedeckeln der Statorgehäuse (9) Elemente aus diamagnetischem Material angeordnet sind.
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