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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator für eine Windenergieanlage, mit einem drehbar gelagerten Generatorrotor mit einer Rotationsachse und einem Generatorstator mit einer Statorlängsachse, wobei zwischen Generatorrotor und Generatorstator ein Luftspalt ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage mit selbigem.
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Windenergieanlagen sind allgemein bekannt. Sie werden genutzt, um Windenergie mittels eines elektrischen Generators in elektrische Energie zu wandeln. Kernelement für diese Aufgabe ist in Windenergieanlagen der Generator. Im Stand der Technik haben sich einerseits Windenergieanlagen etabliert, bei denen ein mehrstufiges Getriebe mit dem Generator gekoppelt ist, wobei das mehrstufige Getriebe eine Übersetzung der durch die Rotorblätter aufgenommenen Antriebsbewegung in eine höhere Drehzahl umsetzt. Diese Getriebe zeigen in hohen Belastungssituationen eine erhöhte Anfälligkeit für Störungen und Defekte. Windenergieanlagen mit getriebebehaftetem Antriebsstrang weisen üblicherweise einen Asynchrongenerator auf, der prinzipbedingt hohe Drehzahlen benötigt.
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Demgegenüber haben sich im Stand der Technik insbesondere von der Anmelderin getriebelose Windenergieanlagen etabliert, die einen langsam drehenden vielpoligen Synchrongenerator einsetzen. Getriebelose Anlagen werden typischerweise direkt innerhalb der Nabe auf einem feststehenden Achszapfen gelagert, wodurch äußere Belastungen über den Achszapfen und den Maschinenträger in den Turm abgeleitet werden.
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Langsam drehende, vielpolige Synchrongeneratoren sind wartungsfreundlich und zuverlässig, erfordern aber prinzipbedingt große Generatordurchmesser, um aufgrund der geringeren Drehzahlen dennoch ausreichend elektrische Energie zu erzeugen.
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Generatoren für Windenergieanlagen der vorbezeichneten Art weisen einen Generatorstator und einen relativ dazu umlaufenden Generatorrotor auf, auch als „Läufer“ bezeichnet. Die Erfindung betrifft sowohl Windenergieanlagen und Generatoren mit Innenläufern als auch Außenläufern, worunter verstanden wird, dass bei einem Innenläufer der Generatorrotor innen in einem ringförmigen Stator umläuft, während bei einem Außenläufer der Generatorrotor außen um den Stator umläuft. Der Generatorrotor weist eine Vielzahl von Polschuhen an einem sogenannten Rotorgurt auf. Die Polschuhe laufen relativ zu den Statorwicklungen bzw. Polen des Generatorstators um. Zwischen den Polschuhen und den Polen des Generatorstators ist ein Luftspalt ausgebildet. Über ein Erregerfeld im Generator wird im Generatorstator eine Spannung induziert. Die Ausbeute elektrischer Energie steigt mit reduziertem Luftspalt zwischen Generatorrotor und Generatorstator.
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In Windenergieanlagen der vorbezeichneten Art ist der Generatorstator zumeist mittels einer Tragstruktur mit dem Maschinenträger der Windenergieanlage verbunden. Der Generatorrotor ist drehbar auf einer stationären Aufnahme, vorzugsweise einem Achszapfen, gelagert. Erfährt der Achszapfen infolge äußerer Belastungen oder bedingt durch Materialermüdung bzw. Relaxationseffekte eine Biegung, neigt sich der Generatorrotor relativ zum Generatorstator um den Generatormittelpunkt. Durch diese Neigung verändert sich der Luftspalt zwischen den Polen des Stators und den Polschuhen des Rotors, sodass es zu einer Funktionsbeeinträchtigung kommen kann. Zur Vermeidung einer Veränderung des Luftspalts werden der Achszapfen und der Maschinenträger bzw. andere Tragstrukturen sehr steif ausgelegt, wodurch das Gewicht steigt und der Transport und die Montage erschwert werden.
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Generatoren von Windenergieanlagen der eingangs beschriebenen Art, die im Stand der Technik vorgefundenen Nachteile möglichst weitgehend zu überwinden. Der Erfindung lag insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Generator vorzusehen, welcher eine vordefinierte Neigung des Generatorrotors relativ zu dem Generatorstator zulässt, ohne dass die Funktion des Generators beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung löst die zugrundeliegende Aufgabe, indem sie einen Generator mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass der Luftspalt einen variierenden Durchmesser entlang der Statorlängsachse aufweist, welcher durch eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der Statorlängsachse beschrieben wird. Durch die Nichtlinearität des Luftspaltdurchmessers kann dieser gezielt an vordefinierte, üblicherweise im Betrieb auftretende Biegungen der stationären Aufnahme bzw. des Achszapfens angepasst werden. Demzufolge kommt es bei einer Biegung des Achszapfens und der damit einhergehenden Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator zu keiner signifikanten Veränderung des Luftspalts und damit zu keiner Funktionsbeeinträchtigung.
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Durch die Beschreibung des Luftspaltdurchmessers durch eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der Statorlängsachse kann der Luftspalt gekrümmt, abgerundet, gebogen oder auch in besonders kritischen Bereichen stark vergrößert ausgebildet sein.
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Die Statorlängsachse verläuft im Wesentlichen koaxial zur Rotorlängsachse und ist infolge einer Biegung einer stationären Aufnahme des Generatorrotors durch äußere Kräfte relativ zu der Statorlängsachse geneigt, wobei die Rotorlängsachse um einen Punkt geneigt wird, welcher im Zentrum des Generators liegt und somit den Generatormittelpunkt bildet.
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Die Erfindung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass der Luftspaltdurchmesser genau ein Maximum aufweist, welches nicht am Rand des Generators liegt, bezogen auf die Richtung der Generatorlängsachse. Somit ist zum einen die Oberfläche zwischen Rotor und Stator vergrößert, und ferner führt die Neigung des Rotors relativ zum Generatorstator nicht zu einer funktionsbeeinträchtigenden Reduzierung des Luftspalts, zugleich wird der Luftspalt des Generators aber auch nicht in unkritischen Bereichen überdimensioniert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Generator ein Innenläufergenerator, wobei der Generatorstator umfangsseitig konkav und der Generatorrotor umfangsseitig konvex ausgebildet sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird eine Ausgestaltung des Generatorrotors und Generatorstators vorgeschlagen, welche durch die Ausbildung eines gekrümmten Luftspalts, eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator ermöglicht, ohne dass der Luftspalt derart reduziert wird, dass sich der Generatorrotor und Generatorstator berühren und es zu einer Funktionsbeeinträchtigung führt.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Generator ein Außenläufergenerator, wobei der Generatorstator umfangsseitig konvex und der Generatorrotor umfangsseitig konkav ausgebildet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird eine Ausgestaltung des Generatorrotors und Generatorstators vorgeschlagen, welche durch die Ausbildung eines gekrümmten Luftspalts, eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator ermöglicht und sich die vorstehend beschriebenen Vorteile zu Nutze macht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind der Generatorstator und der Generatorrotor umfangsseitig sphärisch bezogen auf einen Punkt geformt, welcher auf der Statorlängsachse liegt, und bilden so einen umfangsseitig sphärisch gekrümmten Luftspalt um die Rotationsachse des Generators ohne das Wirken von äußeren Lasten auf die stationäre Aufnahme, aus. Der Luftspalt hat somit vorzugsweise eine konstante Breite zwischen Generatorrotor und Generatorstator.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der Generatorstator und der Generatorrotor umfangsseitig sphärisch bezogen auf den Momentanpol des Generatorrotors geformt.
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Neigt sich der Generatorrotor relativ zum Generatorstator, so bleibt der Luftspalt durch die sphärische Krümmung des Generatorrotors und Generatorstators um den Momentanpol, welcher vorzugsweise im Mittelpunkt des Generators liegt, im Wesentlichen konstant. Als im Wesentlichen konstant wird hier ein Bereich verstanden, in welchem sich der Luftspaltdurchmesser zwar verändert, die Änderung aber 50% oder weniger beträgt.
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Der Momentanpol des Generators, insbesondere des Generatorrotors, bezeichnet den Punkt, um welchen der Generatorrotor bzw. der Generatorrotor und die mit ihm gekoppelte Rotationsbaugruppe rotieren. Die Lage des Momentanpols ist von der konstruktiven Gestaltung und von der Lagerung der Rotationsbaugruppe und deren Tragstruktur abhängig.
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Der Achszapfen ist dabei so steif, dass die Lage des Momentanpols des Generators bzw. des Generators und der mit ihm gekoppelten Rotationsbaugruppe sowohl im Ruhebetrieb als auch unter Betriebslast und im Trudelbetrieb im Wesentlichen auf der Statorlängsachse liegt. Unter diesen Lastzuständen sind die Biegungen des Achszapfens folglich so gering, dass sie vernachlässigt werden können und die vorstehend beschriebene Neigung eine reine Verschränkung darstellt.
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Weiter bevorzugt weist der Generatorrotor eine Vielzahl von Polschuhen und der Generatorstator eine Vielzahl von korrespondierenden Polen auf, wobei die Polschuhe und die Pole umfangsseitig sphärisch gekrümmt um den Momentanpol des Generatorrotors ausgebildet sind. In jener Ausführung hat der Abstand zwischen den Polen und Polschuhen einen maßgeblichen Einfluss auf die Ausbeute der elektrischen Energie des Generators. Durch die sphärische Ausbildung bleibt der Luftspalt auch bei einer Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator und damit der Polschuhe relativ zu den Polen, im Wesentlichen konstant.
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Weiter vorzugsweise weist der Generatorrotor eine Mittenebene und einen Generatormittelpunkt auf, wobei die Statorlängsachse zu der Mittenebene orthogonal verläuft und der Generatormittelpunkt auf der Mittenebene liegt, wobei die Pole und die Polschuhe symmetrisch zu der Mittenebene ausgebildet sind. Diese Ausbildung ist insbesondere bei einer Lage des Momentanpols im Mittelpunkt des Generators vorteilhaft, da eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator in beide Drehrichtungen möglich ist, ohne dass sich der Luftspalt verändert.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Pole und die Polschuhe korrespondierend zu der Lage des Momentanpols asymmetrisch zu der Mittenebene ausgebildet. Bei einer unsymmetrisch ausgebildeten Rotationsbaugruppe, welche mit dem Generatorrotor verbunden ist, entspricht die Lage des Momentanpols nicht dem Mittelpunkt des Generators. Dem entsprechend sind die Pole und Polschuhe asymmetrisch zu der Mittenebene ausgebildet, um mit der Lage des Momentanpols korrespondieren zu können und weiterhin in vorteilhafter Weise eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator zu ermöglichen, ohne dass sich der Luftspaltdurchmesser verändert.
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Weiter bevorzugt weist der Generatorstator eine Statortiefe entlang der Statorlängsachse auf, und der Luftspaltdurchmesser variiert entlang der Statorlängsachse um weniger als die Statortiefe, insbesondere um weniger als ein Fünftel der Statortiefe. Somit wird der den Luftspaltdurchmesser des Generators in einem Maße variiert, welches zum einen funktional ist, zum anderen aber keine Überdimensionierung des Generators und damit der Gondel oder einer anderen Aufnahmeeinrichtung für einen Generator erfordert. Die entsprechende Ausbildung des Generators stellt somit einen guten Kompromiss zwischen einer kompakten Bauform und der erforderlichen Betriebssicherheit dar.
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Weiter vorzugsweise ist die Statortiefe kleiner als 2 m und der Luftspaltdurchmesser größer als 3 m, insbesondere größer als 4,5 m.
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Vorzugsweise ist der Generator ein Ringgenerator, dessen Luftspaltdurchmesser im Verhältnis zur Tiefe groß ist, wodurch mehr Pole und Polschuhe vorgesehen sind und die Ausbeute elektrischer Leistung gesteigert wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird das zugrundeliegende Problem durch eine Windenergieanlage mit einem Maschinenträger und einem mit dem Maschinenträger verbundenen Achszapfen und einer drehbar an dem Achszapfen gelagerten Rotationsbaugruppe mit einem mit der Rotationsbaugruppe wirkverbundenen Generator der vorstehend beschriebenen Art gelöst.
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Wie vorstehend beschrieben, erfährt die stationäre Aufnahme des Generators, hier der Achszapfen und der Maschinenträger, im Ruhebetrieb und Trudelbetrieb sowie unter Betriebslast Lasten, welche zu einer Biegung führen, wobei die Biegungen des Achszapfens so gering sind, dass sie vernachlässigt werden können und die Neigung eine reine Verschränkung darstellt.
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Indem die Windenergieanlage mit einem solchen erfindungsgemäßen Generator versehen wird, macht sie sich die entsprechenden Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen zu Eigen. Hinsichtlich der erreichten Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen wird somit auf die obigen Ausführungen des Generators verwiesen.
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Ferner betrifft die Erfindung bevorzugt eine Windenergieanlage, welche einen Synchrongenerator und weiter vorzugsweise einen Synchron-Ringgenerator aufweist. Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Windenergieanlage einen vielpoligen Synchron-Ringgenerator auf. Ein solcher vielpoliger Synchron-Ringgenerator einer getriebelosen Windenergieanlage weist eine Vielzahl von Statorpolen auf, insbesondere wenigstens 48 Statorzähne, häufig sogar deutlich mehr Statorzähne wie insbesondere 96 Statorzähne oder noch mehr Statorzähne. Windenergieanlagen mit Synchron-Ringgenerator weisen weiter vorzugsweise einen großen mittleren Luftspaltdurchmesser auf, wobei das arithmetische Mittel des Luftspaltdurchmessers über die Generatortiefe insbesondere größer als 3 m, ferner insbesondere größer als 4,5 m ist.
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Die Windenergieanlage hat vorzugsweise einen magnetisch aktiven Bereich des Generators, nämlich sowohl des Rotors als auch des Stators, der in einem ringförmigen Bereich um die Drehachse des Synchrongenerators angeordnet ist. Je nach Aufbau der erfindungsgemäßen Windenergieanlage kann eine Tragstruktur in dem inneren Bereich vorhanden sein, die aber in einigen Ausführungen axial versetzt ausgebildet sein kann.
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Der Generator ist vorzugsweise fremderregt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Generator ein langsam drehender Generator. Hiermit wird ein Generator mit einer Drehzahl von 100 Umdrehungen pro Minute oder weniger, vorzugsweise 50 Umdrehungen pro Minute oder weniger, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 35 Umdrehungen pro Minute verstanden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1: eine Windenergieanlage schematisch in einer perspektivischen Ansicht,
- 2: eine Gondel der Windenergieanlage gemäß 1 schematisch in einer teilgeschnittenen Ansicht,
- 3a: eine Prinzipskizze eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 3b: eine Prinzipskizze eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform im geneigten Zustand,
- 4a: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 4b: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform im geneigten Zustand,
- 5a: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den 1 und 2 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 5b: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den 1 und 2 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform im geneigten Zustand,
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1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator 1 (2) in der Gondel 104 an.
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Die Gondel 104 ist in 2 in einer Schnittansicht gezeigt. In der Gondel 104 ist ein Maschinenträger 116 in allgemein bekannter Weise angeordnet, der einen Achszapfen 114 trägt. Die Rotornabe 111 ist auf dem Achszapfen 114 gelagert und mit den Rotorblättern 108 verbunden. Die Rotornabe 111 ist mit dem Generator 1 wirkverbunden.
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Der Generator 1 weist einen Generatorstator 14 auf, der mittels einer Stator-Tragstruktur 24 an dem Maschinenträger 116 in der Gondel 104 befestigt ist. Der Generatorrotor 12 ist mittels einer Rotor-Tragstruktur 22 auf dem Achszapfen 114 gelagert und mit der Rotornabe 111 wirkverbunden.
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Weitere, von der Erfindung eingeschlossene Ausgestaltungsmöglichkeiten sehen beispielsweise vor, den Generator als Außenläufer vorzusehen, wobei der Generatorstator durch eine Tragstruktur an dem Achszapfen angeordnet und mit dem Maschinenträger verbunden ist und der Generatorrotor wirkverbunden mit der Rotornabe außen um den Generatorstator herum rotiert.
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Der Generatorrotor 12 weist eine Vielzahl von Polschuhen 16 in einem Rotorgurt entlang seines Umfangs auf. Der Generatorstator 14 weist ferner eine Vielzahl korrespondierender Pole 18 auf. Die Pole 18 des Generatorstators 14 sind dabei konkav und die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 konvex gekrümmt. Insbesondere sind sie sphärisch um den Mittelpunkt des Generators 1, welcher auf der Statorlängsachse 30 liegt, gekrümmt.
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Die 3a und 3b zeigen Prinzipskizzen des mit auf dem Achszapfen 114 drehbar gelagerten Generators 12. An dem Achszapfen 114 sind die Rotorblätter 108 in bekannter Weise drehbar gelagert. Erfährt der Achszapfen 114 eine Biegebelastung, wobei die Biegungen des Achszapfens 114 so gering sind, dass sie vernachlässigt werden können und die Neigung eine reine Verschränkung um den Generatormittelpunkt 34 darstellt, bleibt der Momentanpol 32 im Generatormittelpunkt 34 und die Dicke des Luftspalts am Generator 12 bleibt im Wesentlichen konstant.
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Die 4a und 4b zeigen einen Ausschnitt des Generators 1 für eine Windenergieanlage 100 gemäß den 1 und 2.
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Der Generatorrotor 12 ist mittels einer Tragstruktur 22 auf dem Achszapfen 114 gelagert und mit der Rotornabe 111 verbunden. Der Generatorstator 14 ist mittels einer Tragstruktur 24 mit dem Maschinenträger 116 der Windenergieanlage 100 verbunden.
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Der Momentanpol 32 des Generatorrotors 12 und der mit dem Generatorrotor 12 gekoppelten Rotationsbaugruppe liegt im Mittelpunkt des Generators 1. Die Pole 18 des Generatorstators 14 sind ebenso wie die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 um den Momentanpol gekrümmt. Der Generator 1 weist eine Mittenebene 34 auf, auf welcher der Generatormittelpunkt liegt und zu welcher die Statorlängsachse orthogonal verläuft.
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Die Pole 18 und die Polschuhe 16 sind symmetrisch zu der Mittenebene 34 ausgebildet. Die Pole 18 des Generatorstators 14 und die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 bilden einen Luftspalt konstanter Breite aus. Wie 3b zeigt, bleibt dieser Luftspalt bei einer Neigung des Generatorrotors 12 relativ zum Generatorstator 14 um den Mittelpunkt des Generators konstant.
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Die 5a und 5b zeigen eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators. Der Momentanpol ist dabei beabstandet zu dem Generatormittelpunkt auf der Statorlängsachse 30 angeordnet.
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Die Pole 18 des Generatorstators 14 sind ebenso wie die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 korrespondierend zu dem Momentanpol 32 asymmetrisch zu der Mittenebene 34 ausgebildet. Der Generator 1 weist eine Mittenebene 34 auf, auf welcher der Generatormittelpunkt liegt und zu welcher die Statorlängsachse 30 orthogonal verläuft.
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Die Pole 18 und Polschuhe 16 sind dabei korrespondierend zu dem Momentanpol 32, welcher hier auf der Statorlängsachse 30 liegt, ausgebildet.
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Wie 4b zeigt, bleibt der Luftspalt bei einer Neigung des Generatorrotors 12 relativ zum Generatorstator 14 um den Mittelpunkt des Generators 1 konstant. Durch die asymmetrische Ausbildung der Pole 18 und Polschuhe 16, ist eine Neigung des Generatorrotors 12 relativ zum Generatorstator 14 um den Mittelpunkt des Generators 1 möglich, obwohl der Momentanpol 32 und damit der Drehpunkt der Rotationsbaugruppe nicht in diesem Punkt liegt.
