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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringgenerator mit niedriger Drehzahl für Wasser- oder Windräder, bestehend aus einem Rotor als Ringelementekranz, gebildet durch modulare Rotorsegmente, kraftschlüssig verbunden mit einem antreibbaren Radkranz mit zentraler Drehachse und als Stator konzentrisch zugeordnete in Drehrichtung des Rotors ortsfeste sowie in Richtung der Rotorachse beweglich angeordnete Statorsegmente mit einem Durchlaufschlitz, gebildet durch beiderseitig des durchlaufenden Ringelementekranzes angeordneten Eisenjocheinheiten mit elektrischen Spulen.
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Anordnungen dieser Art sind nach der
DE 2017 010 937 A1 bekannt und dienen zur Stromerzeugung im getriebelosen Niedrigdrehzahlbereich von beispielsweise fünf Umdrehungen je Minute, dabei weisen sie zur Erreichung einer hohen Umlaufgeschwindigkeit bei geringer Drehzahl sehr große Durchmesser des Rotors auf, der als Polrad mit wechselnder Polung umlaufend über den gesamten Ringelementekranz mit Permanentmagneten verteilt bestückt ist.
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Der Rotor wird nur in Teilbereichen seines Umfanges von Statorsegmenten überdeckt, deren Anzahl sich nach der mechanischen Leistung der primären Rotationsmaschine richtet, die in elektrische Energie gewandelt werden soll.
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Bei dieser gattungsgemäßen Ausbildung bestehen wesentliche Nachteile, weil der gesamte Ringelementekranz mit Permanentmagneten bestückt werden muss, obwohl nur eine kleine Anzahl von ihnen zeitgleich beim Durchlaufen der Statorsegmente aktiv zur Stromerzeugung genutzt wird.
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Testreihen mit einem Rotordurchmesser von 2 Metern ergaben wegen der zu geringen Umlaufgeschwindigkeit einen Wirkungsgrad von nur ca. 70 % bei der Umsetzung von mechanischer in elektrische Energie. Dabei war ein sehr unruhiger Lauf durch starke Polrastmomente zu verzeichnen.
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Handelsübliche Generatoren kleinerer Bauart mit größeren Drehzahlen, hoher Umlaufgeschwindigkeit und einer großen Anzahl von Magnetfeldwechseln erreichen Wirkungsgrade von annähernd 90 %.
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Nachteilig führt eine erforderliche deutliche Vergrößerung des Ringelementekranz-Durchmessers mit daraus folgender höherer Umlaufgeschwindigkeit sowie einer größeren Anzahl von Magnetfeldwechseln zu einem noch größeren Verbrauch an Permanentmagneten.
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Wegen der Anziehungskraft der Permanentmagnete die besteht erschwerte Handhabung der mit ihnen bestückten Rotorsegmente bei Herstellung, Transport und Montage auf der Baustelle.
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Nachteilig muss der Ringelementekranz mit Schutzkapseln umbaut werden, damit ein magnetisches Anhaften eisenhaltiger Partikel aus Luft oder Wasser oder durch Bewurf mit beispielsweise Eisennägeln infolge von Vandalismus am Ringelementekranz ausgeschlossen ist.
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Nachteilig weisen die Statorsegmente einzeln mit elektrischen Spulen umwickelte Spulenzähne auf, was eine große Kupfermasse zur Folge hat mit großem Gewicht und hohen Investitionskosten.
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Das große Gewicht der Statorsegmente erschwert deren Transport und ihre Montage auf der Baustelle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Ringgeneratoren mit niedriger Drehzahl die Anzahl der Magnetfeldwechsel wesentlich zu erhöhen um dadurch den Wirkungsgrad des Ringgenerators zu verbessern und einen effektiven Materialeinsatz zu gewährleisten.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Rotorsegmente des Ringelementekranzes ferromagnetische Elemente aufweisen, denen zu beiden Seiten des Rotors in den Statorsegmenten Eisenjocheinheiten zugeordnet sind, mit denen mindestens ein Permanentmagnet verbunden ist und jede elektrische Spule gebildete Spulenzähne von mindestens zwei getrennten Eisenjocheinheiten gemeinsam umfasst, wobei die nebeneinander zugeordneten Eisenjocheinheiten jeweils mit einer gegenüberliegenden Eisenjocheinheit einen eigenen Magnetkreis bilden.
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Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die mit Permanentmagneten verbundenen Eisenjocheinheiten unter Ausnutzung eines eingesparten Spulenwickelraumes nebeneinander angeordnet von einer elektrischen Spule gemeinsam umfasst werden und sie damit vorteilhaft frequenzbestimmend für den Ringgenerator eine hohe Anzahl von Magnetfeldwechseln ohne Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit des Rotors bewirken, wobei im Ringelementekranz angeordnete ferromagnetische Elemente beim Durchlaufen eines Statorsegmentes den Zwischenraum zwischen den jeweiligen Spulenzähnen im Wechsel so schließen, dass ein magnetischer Kreis mit der gegenüberliegenden Eisenjocheinheit entsteht, dessen magnetisches Feld im ständigen Richtungswechsel induktiv auf die elektrische Spule wirkt und eine elektrische Wechselspannung erzeugt.
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Vorteilhaft bewirkt die Wicklung des Spulenstranges um mehrere Spulenzähne eine große Einsparung an Kupfergewicht und Investitionskosten gegenüber einer Umwicklung der Spulenzähne mit Einzelspulen, woduch ein resourcenschonender und effektiver Materialeinsatz gewährleistet wird. Vorteilhaft wird das Transport- und Montagegewicht der Statorsegmente minimiert.
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Der vom Ringgenerator erzeugte Wechselstrom wird beispielsweise im Bereich der erneuerbaren Energien üblicherweise von einem Umrichter / Wechselrichter zu netzfähigem Strom (50 Hz) verarbeitet, wobei der Wechselstrom zunächst in Gleichstrom umgewandelt werden muss.
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Vorteilhaft wirkt sich die höhere Frequenz des vom Ringgenerator erzeugten Wechselstroms glättend auf die Oberwelligkeit des gleichgerichteten Feldes aus, so dass der Einsatz von zu Verschleiß neigenden teuren Kondensatoren minimiert werden kann.
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Ferner wird hierbei ermöglicht, dass die Rotorsegmente keine Permanentmagnete sondern ferromagnetische Elemente aufweisen, die resourcenschonend und kostengünstig einen effektiven Materialeinsatz gewährleisten und dadurch den Bau von Ringelementekränzen größeren Durchmessers mit dadurch hoher Umfangsgeschwindigkeit sowie einer großen Anzahl von Magnetfeldwechseln ermöglichen.
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Vorteilhaft weisen die ferromagnetischen Elemente des Ringelementekranzes keine eigenen Magnetkräfte auf, wodurch vorteilhaft keine Zusatzkonstruktionen wie Schutzumhüllungen benötigt werden, da ein magnetisches Anhaften eisenhaltiger Partikel aus Luft oder Wasser oder durch Bewurf mit beispielsweise Eisennägeln infolge von Vandalismus am Ringelementekranz ausgeschlossen ist.
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Vorteilhaft zeichnen sich die Rotorelemente durch eine besonders einfache Handhabung bei Herstellung, Transport und Montage auf der Baustelle aus, da sie keine hinderlichen magnetischen Kräfte aufweisen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durchdie Merkmale der Ansprüche 2 bis 8 gekennzeichnet.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Gesamtdarstellung eines Generators mit Ringelementekranz als Rotor und ortsfesten Statorsegmenten.
- 2 eine Teiansicht eines Rotorsegmentes mit ferromagnetischen Elementen.
- 3 einen Querschnitt durch ein Rotorsegment in Schnittebene C-C der 5, bestehend aus Kunststoff mit darin eingebetteten ferromagnetischen Elementen.
- 4 den Querschnitt durch ein Rotorsegment in Schnittebene C-C der 5, bestehend aus ferromagnetischem Material mit erhaben ausgeformter Elementstruktur und einer Teilumhüllung aus Kunststoff.
- 5 eine Teilansicht eines Rotorsegmentes, kraftschlüssig verbunden mit einem Radkranz aus Winkel-Profilstahl.
- 6 einen Horizontalschnitt durch ein Statorsegment in Schnittebene B-B der 1, gebildet durch beiderseitig des Ringelementekranzes angeordneten Eisenjocheinheiten mit elektrischen Spulen und je einem verbundenen Permanentmagneten sowie die Darstellung eines Magnetkreises in der unteren Hälfte der Eisenjocheinheiten.
- 7 einen Horizontalschnitt durch zwei Eisenjocheinheiten mit Spulen und je einem verbundenen Permanentmagneten sowie den Ringelementekranz mit zwei ferromagnetischen Elementen in Schnittebene B-B der 1 und die Darstellung eines Magnetkreises in der oberen Hälfte der Eisenjocheinheiten.
- 8 eine Schnittdarstellun parallel zum ferromagnetische Elemente aufweisenden Ringelementekranz durch drei radial nebeneinander angeordnete Eisenjocheinheiten in Schnittebene E-E der 7 mit einer gemeinsam umfassenden elektrischen Spule.
- 9 eine Seitenansicht von drei radial nebeneinander angeordneten Eisenjocheinheiten mit jeweils einem verbundenen Permanentmagneten und einer gemeinsam umfassenden elektrischen Spule.
- 10 einen Horizontalschnitt durch zwei Eisenjocheinheiten mit Spulen und je zwei verbundenen Permanentmagneten sowie den Ringelementekranz mit zwei ferromagnetischen Elementen in Schnittebene B-B der 1 und die Darstellung eines Magnetkreises in der unteren Hälfte der Eisenjocheinheiten.
- 11 eine Schnittdarstellung parallel zum ferromagnetische Elemente aufweisenden Ringelementekranz durch drei parallel nebeneinander angeordnete Eisenjocheinheiten in Schnittebene E-E der 10 mit einer gemeinsam umfassenden elektrischen Spule.
- 12 eine Seitenansicht von drei parallel nebeneinander angeordneten Eisenjocheinheiten mit jeweils zwei verbundenen Permanentmagneten und einer gemeinsam umfassenden elektrischen Spule.
- 13 eine perspektivische Darstellung der Anordnung von ferromagnetische Elemente aufweisendem Ringelementekranz (Ausschnitt) sowie einander gegenüberliegenden Eisenjocheinheiten mit verbundenen Permanentmagneten und mit jeweils einer gemeinsam umfassenden elektrischen Spule.
- 14 eine Schnittdarstellung parallel zum ferromagnetische Elemente aufweisenden Ringelementekranz durch das Gehäuse eines Statorsegments in Schnittebene E-E der 6 mit drei im Gehäuse angeordneten Bündeln aus je drei Eisenjocheinheiten mit je einer gemeinsam umfassenden elektrischen Spule und Teilungswinkeln zur Schaltung eines elektrischen Drehfeldes,
- 15 ein mittelschlächtiges Wasserrad mit modularem integriertem Ringgenerator und breiten Rotorsegmenten mit vier Reihen ferromagnetischer Elemente nebeneinander.
- 16 eine Schnittdarstellung parallel zum ferromagnetische Elemente aufweisenden Ringelementekranz durch drei parallel nebeneinander angeordnete Eisenjochpaare in Schnittebene E-E der 6. wobei jedes Eisenjochpaar ist duch einen Permanentmagneten zu einer Einheit verbunden und drei Eisenjocheinheiten eine gemeinsam umfassende elektrische Spule aufweisen.
- 17 einen Horizontalschnitt durch zwei Eisenjocheinheiten in Schnittebene B-B der 1, bestehend aus je einem Eisenjochpaar mit Spule und je einem verbundenen Permanentmagneten sowie den Ringelementekranz mit zwei ferromagnetischen Elementen und die Darstellung eines Magnetkreises in der linken Hälfte der Eisenjocheinheiten.
- 18 einen Horizontalschnitt durch zwei Eisenjocheinheiten in Schnittebene B-B der 1, bestehend aus je einem Eisenjochpaar mit Spule und je einem verbundenen Elektromagneten sowie den Ringelementekranz mit zwei ferromagnetischen Elementen und die Darstellung eines Magnetkreises in der linken Hälfte der Eisenjocheinheiten.
- 19 eine Schnittdarstellung parallel zum Ringelementekranz durch drei parallel nebeneinander angeordnete Eisenjochpaare in Schnittebene E-E der 6. Jedes Eisenjochpaar ist duch einen Elektromagneten zu einer Einheit verbunden und drei Eisenjocheinheiten weisen eine gemeinsam umfassende elektrische Spule auf.
- 20 eine Gesamtdarstellung eines Generators mit Ringelementekranz als Rotor und ortsfesten Statorsegmenten am Beispiel eines offshore-Windrades.
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Bei den dargestellten Ausbildungen von Ringgeneratoren wird gewährleistet, dass eine vorteilhaft große Anzahl von Magnetfeldwechseln beim Durchlaufen eines Rotorsegmentes 1 durch einen Durchlaufschlitz zwischen Statorsegmenten 3 bewirkt und einen hohen Wirkungsgrad des Ringgenerators bei der Wandlung der mechanischen Energie einer primären Rotationsmaschine in elektrische Energie ergibt.
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In einer bevorzugten Ausführung wird eine große Anzahl von Magnetfeldwechseln vorteilhaft dadurch erreicht, dass im Statorsegment 3 Eisenjocheinheiten 7 direkt nebeneinander angeordnet sind und deren Spulenzähne 6 von einer elektrischen Spule 4 gemeinsam umfasst werden (8 und 13). Nach dem Stand der Technik werden Spulenzähne von Ringgeneratoren einzeln mit elektrischen Spulen umwickelt. Der gewonnene Spulenwickelraum ermöglicht es, die Eisenjocheinheiten 7 frequenzbestimmend so dicht nebeneinander zu positionieren, dass ihr Teilungswinkel auf 2/3 der Rotorteilung eingestellt werden kann, wodurch die Anzahl der Magnetfeldwechsel vorteilhaft um 50% erhöht wird.
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Mit den Eisenjocheinheiten 7 ist jeweils ein Permanentmagnet 8 verbunden und es entsteht ein Magnetkreis, sobald zwei ferromagnetische Elemente 5 des Rotorsegmentes 1 diesen schließen (6 und 7). Die ferromagnetischen Elemente 5 schließen vorteilhaft paarweise im periodischen Wechsel den unteren und den oberen Magnetkreis, wodurch in der Spule eine Wechselspannung induziert wird. In dieser bevorzugten Ausführung weist der Ringelementekranz aus Rotorsegmenten 1 ferromagnetische Elemente 5 auf, die vorteilhaft in eine tragende Kunststoffstruktur korrosionsgeschützt eingebettet sind (2 und 3), dabei bilden die Kunststoffoberflächen der Rotorsegmente 1 und der Statorsegmente 3 vorteihaft eine Gleitlagerführung (6). In dieser Ausführung werden aus Trafo-Kernblechen geschichtete Eisenwekstoffbleche als ferromagnetische Elemente 5 in die Rotorsegmente 1 eingesetzt (13).
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Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des Ringgenerators und der Anzahl von Magnetfeldwechseln kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass der Ringelementekranz aus Statorsegmenten 1 im Durchmesser vergrößert wird ( 15 und 20) und damit seine Umfangsgeschwindigkeit vorteilhaft ansteigt. Vorteilhaft sind Rotorsegmente 1 aus Kunststoff mit eingebetteten ferromagnetischen Elementen 5 mit geringen Investitionen in großer Zahl herstellbar, da auf Resourcen wie seltene Erden verzichtet werden kann und dadurch ein effektiver Materialeinsatz gewährleistet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird jeweils eine Eisenjocheinheit 7 mit zwei Permanetmagneten 8 verbunden (10) was vorteilhaft eine Erhöhung der Magnetfeldstärke bewirkt. Die Eisenjocheinheiten 7 werden parallel zueinander positioniert (11 und 12), was positiv das Wickeln der elektrischen Spulen 4 auf rechteckigen Spulenkörpern in der Serienvorfertigung begünstigt. Wegen des großen Durchmessers des Ringelementekranzes wird die Krümmung der Rotorsegmente 1 durch die enge Stellung der Eisenjocheinheiten 7 kompensiert.
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Die kompakte Anordnung von Eisenjocheinheiten 7 und elektrischen Spulen 4 erlaubt eine raum- und gewichtssparende Bauweise (14) des Statorsegmentes 3, was sich vorteilhaft auf Transport und Montage auf der Baustelle auswirkt und vorteilhaft einen effektiven Materialeinsatz gewährleistet.
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In einer Variante sind drei Eisenjochpaare parallel nebeneinader angeordnet ( 16 und 17) und jedes Eisenjochpaar ist bei Ausnutzung eines vorteilhaft besonders großen Zwischenraumes durch einen großen Permanentmagneten zu einer Eisenjocheinheit 7 mit hoher Magnetfelddichte verbunden, dabei weisen die drei Eisenjocheinheiten 7 eine gemeinsam umfassende elektrische Spule 4 auf.
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In einer weiteren Ausführungsform sind drei Eisenjochpaare parallel nebeneinader angeordnet (18 und 19) und jedes Eisenjochpaar ist bei Ausnutzung eines vorteilhaft vergrößerten Zwischenraumes durch einen großen Elektromagneten 9 zu einer Eisenjocheinheit 7 mit hoher Magnetfelddichte verbunden, dabei weisen die drei Eisenjocheinheiten 7 eine gemeinsam umfassende elektrische Spule 4 auf. Vorzugsweise kommt diese Variante bei Bauweisen in großer Skalierung (20) zum Einsatz, bei denen Permanentmagnete in der erforderlichen Größe praktisch nicht verfügbar oder sehr schwer zu handhaben beziehungsweise wirtschaftlich nicht vertretbar zu beschaffen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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