DE10208588A1

DE10208588A1 - Windkraftgenerator

Info

Publication number: DE10208588A1
Application number: DE10208588A
Authority: DE
Inventors: Michael Ehrenberger
Original assignee: KBE Windpower GmbH
Current assignee: KBE Windpower GmbH
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator (1) bestehend aus einem mit Rotorblättern (4) versehenen, durch einen Luftstrom (22) um eine Rotorachse (14) drehend antreibbaren Rotor (3), einem Generator und einem die Rotorblätter (4) umlaufend umgebenden Mantelgehäuse (2), das zur Verbesserung des Wirkungsgrades eine aerodynamisch geformte Querschnittsform aufweist, wobei der Generator zum Erzeugen elektrischer Energie Statorwicklungen (25) und vom Rotor rotierend angetriebene, ein umlaufendes, magnetisches Wechselfeld erzeugende Magnetelement (29) aufweist. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit ist vorgesehen, daß die Statorwicklungen (25) des Generators im Mantelgehäuse (2) des Windkraftgenerators (1) angeordnet sind und, daß die Magnetelemente (29) im radial äußeren Bereich der Rotorblätter (4) des Rotors (3) angeordnet sind und zusammen mit dem Rotor (3, 43) umlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator bestehend aus einem mit Rotorblättern versehenen, durch einen Luftstrom um eine Rotorachse drehend antreibbaren Rotor, einem Generator und einem die Rotorblätter umlaufend umgebenden Mantelgehäuse, das zur Verbesserung des Wirkungsgrades eine aerodynamisch geformte Querschnittsform aufweist, wobei der Generator zum Erzeugen elektrischer Energie Statorwicklungen und vom Rotor rotierend angetriebene, ein umlaufendes magnetisches Wechselfeld erzeugende Magnetelemente aufweist.
Windkraftgeneratoren der gattungsgemäßen Art sind schon seit längerer Zeit bekannt. Solche Windkraftgeneratoren bestehen im wesentlichen aus einem Rotor, welcher mit mehreren Rotorblättern versehen ist. Durch diesen Rotor wird herkömmlicherweise zur elektrischen Energieerzeugung ein elektrischer Generator rotierend angetrieben, wobei zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines solchen Windkraftgenerators die Rotorblätter von einem umlaufenden Mantelgehäuse umgeben sind.

Es hat sich dabei gezeigt, wie insbesondere aus der US 4,132,499 ersichtlich ist, daß für bestimmte Querschnittsformen des Mantelgehäuses die Ausbeute aus der Windenergie erheblich verbessert werden kann. Die Querschnittsform des Mantelgehäuses ist dabei aerodynamisch ausgestaltet und ähnelt der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges. Dabei ist der Luftdurchlaßquerschnitt in Strömungsrichtung eines durch das Mantelgehäuse hindurchgeleiteten Luftstromes im Lufteintrittsbereich kleiner ausgebildet als im Luftaustrittsbereich des Mantelgehäuses. Aufgrund dieser Art "Trichterform" in Zusammenwirken mit der aerodynamischen Querschnittsform wird eine Beschleunigung eines durch das Mantelgehäuse hindurchgeleiteten Luftstromes erreicht, so daß auch die sich innerhalb des Mantelgehäuses befindlichen Rotorblätter mit einer höheren Drehzahl angetrieben werden bzw. sich schon bei geringeren Windgeschwindigkeiten beginnen zu drehen.

Mit der Ausgestaltung unterschiedlicher Querschnittsformen des Mantelgehäuses sowie einem zusätzlichen im Luftaustrittsbereich des Mantelgehäuses angeordneten sogenannten "Diffusor-Ring" befaßt sich beispielsweise auch die WO 00/50769, in welcher die unterschiedlichen Varianten von Querschnittsformen des Mantelgehäuses sowie unterschiedliche Anstellwinkel der vorgeschlagenen Querschnittsprofile zur Luftströmung dargestellt sind.

Da bei solchen Windkraftgeneratoren mit Mantelgehäuse die Rotordrehachse und auch die Drehachse des Generators zentral im Mantelgehäuse angeordnet sind, ist die Baugröße insbesondere des Generators beschränkt, da dieser den Luftdurchtrittsquerschnitt innerhalb des Mantelgehäuses nur möglichst geringfügig beeinflussen sollte, um eine möglichst homogene Luftströmung durch das Mantelgehäuse zu gewährleisten. Diese Beschränkung der Baugröße des Generators hat jedoch zur Folge, daß bei Überschreiten einer gewissen Nenndrehzahl, beispielsweise bei äußerst hohen Windgeschwindigkeiten, der Windkraftgenerator abgeschaltet werden muß, um insbesondere eine Überlastung des Generators zu vermeiden.

Desweiteren weisen solche Generatoren ein äußerst hohes Eigengewicht auf, was für deren Abstützung und Lagerung innerhalb des Mantelgehäuses problematisch ist. Aus der DE 201 15 330.0 ist ein Windkraftgenerator der gattungsgemäßen Art bekannt geworden, bei welchem unterschiedliche Konstruktionen des Mantelgehäuses vorgesehen sind. Um nun auch Generatoren mit äußerst hohem Gewicht innerhalb solcher Mantelgehäuse abstützen zu können, ist gemäß der DE 201 15 330.0 vorgesehen, den Generator samt Rotor auf einer separaten, das Mantelgehäuse durchdringenden Stützsäule zu lagern. Aufgrund des hohen Gewichtes jedoch muß diese Stützsäule insbesondere bei größer bauenden Windkraftgeneratoren auch entsprechend in seiner Querschnittsform größer dimensioniert sein. Dies wiederum kann zu einer erheblichen Störung der das Mantelgehäuse durchströmenden Luftströmung führen, wodurch der Wirkungsgrad wiederum verringert wird. Weiter ist die Leistungsfähigkeit der zentral angeordneten Generatoren aufgrund der beschränkten Baugröße insbesondere bei kleinerbauenden Windkraftgeneratoren beschränkt.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Windkraftgenerator derart zu verbessern, daß dessen Leistungsfähigkeit möglichst optimiert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Statorwicklungen des Generators im Mantelgehäuse der Windkraftturbine angeordnet sind und,
daß die Magnetelemente im radial äußeren Bereich der Rotorblätter des Rotors angeordnet sind und zusammen mit dem Rotor umlaufen und,
daß die Magnetelemente während ihres Umlaufes in den Statorwicklungen eine Wechselspannung induzieren.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Windkraftgenerators wird eine äußerst hohe Leistungsfähigkeit des Generators selbst erreicht. Desweiteren kann eine äußerst leichte Abstützung des Rotors erfolgen, da die einzelnen Generatorbestandteile gewichtsmäßig nicht auf einer zentralen Stütze mit entsprechendem großen Stützquerschnitt abgestützt werden müssen. Dieser kleinere Stützquerschnitt der Stützsäule verringert somit deren negative Beeinflussung der Luftströmung innerhalb des Mantelgehäuses, wodurch auch strömungstechnisch der Wirkungsgrad eines derart ausgestalteten Windkraftgenerators verbessert wird.

Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, die Statorwicklungen des eigentlichen elektrischen Generators im Mantelgehäuse des erfindungsgemäßen Windkraftgenerators anzuordnen. Für die elektromagnetische Induktion in den Statorwicklungen sind weiter die dazu notwendigen Magnetelemente im radial äußeren Bereich der Rotorblätter des Rotors angeordnet und laufen zusammen mit dem Rotor um. Aufgrund der Anordnung der Statorwicklungen innerhalb des Mantelgehäuses ist erfindungsgemäß der elektrische Generator in seiner Leistungsfähigkeit annähernd beliebig an die entsprechenden Dimensionen eines Windkraftgenerators anpaßbar. Diese Leistungsfähigkeit kann hierbei durch die vorgesehene Anzahl der Statorwicklungen sowie einer entsprechenden elektronischen Verschaltung dieser Statorwicklungen untereinander beeinflußt werden. Die Magnetelemente im äußeren Radialbereich der Rotorblätter sind dabei in möglichst geringem radialen Abstand zum Mantelgehäuse und damit zu den Statorwicklungen angeordnet, so daß auch eine optimale induktive Wirkung des durch die umlaufenden Magnetelemente bewirkten umlaufenden magnetischen Wechselfeldes zur Erzeugung einer möglichst hohen Wechselspannung in den Statorwicklungen insbesondere auch bei niedrigeren Drehzahlen erreicht wird.

Gemäß Anspruch 2 können die Statorwicklungen aus elektrischen Induktionsspulen bestehen, die im Mantelgehäuse radial ausgerichtet sind. In diesem Falle sind gemäß Anspruch 2 die vorgesehenen Magnetelemente ebenfalls derart radial ausgerichtet, daß ein radial wirkendes, umlaufendes Magnetfeld erzeugt wird. Die Magnetelemente sind dabei radial innerhalb der Statorwicklungen angeordnet.

Im Falle einer radialen Ausrichtung der Statorwicklungen können diese innerhalb des Mantelgehäuses gemäß Anspruch 3 radial verstellbar im Mantelgehäuse gelagert sein, so daß deren radialer Abstand zu den umlaufenden Magnetelementen des Rotors auf einen möglichst kleinen Wert einstellbar ist. Desweiteren sind durch diese radiale Verstellbarkeit der Statorwicklungen innerhalb des Mantelgehäuses Montageungenauigkeiten des Rotors bezüglich dessen konzentrischer Lagerung innerhalb des Mantelgehäuses ausgleichbar.

Gemäß Anspruch 4 können die Statorwicklungen alternativ zu Anspruch 2 und 3 aus elektrischen Induktionsspulen bestehen, die im Mantelgehäuse axial in Richtung der Rotorachse ausgerichtet sind. In diesem Falle sind auch die Magnetelemente axial ausgerichtet und erzeugen ein axial wirkendes, umlaufendes Magnetfeld. Dabei ragen die Magnetelemente vorzugsweise in den Bereich der Statorwicklungen in das Mantelgehäuse hinein.

Gemäß Anspruch 5 kann bei der Ausrichtung der Statorwicklungen entsprechend Anspruch 4 vorgesehen sein, daß diese Statorwicklungen jeweils aus zwei im Abstand voneinander, axial hintereinanderliegenden Induktionsspulen bestehen. Durch diese "Doppelanordnung" der Induktionsspulen wird der Wirkungsgrad bezüglich der erreichbaren, in den Induktionsspulen bzw. Statorwicklungen erzielten Betriebsspannung erheblich verbessert. Dazu sind gemäß Anspruch 5 die beiden Induktionsspulen über einen C-förmigen Magnetschlußkörper magnetisch gekoppelt. Die Magnetelemente sind desweiteren derart im Umfangsbereich des Rotors angeordnet, daß sie während ihres Umlaufes zwischen den beiden Induktionsspulen hindurchbewegt werden. Damit gewährleistet die Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 eine äußerst optimale induktive, elektromagnetische Kopplung zwischen den Magnetelementen und den Induktionsspulen, so daß hierdurch ein optimaler Wirkungsgrad erreichbar ist.

Gemäß Anspruch 6 kann eine elektronische Leistungsschaltung vorgesehen sein, über die unterschiedliche Gruppen von Statorwicklungen wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Durch diese Ausgestaltung können durch entsprechende Beschaltung der Statorwicklungen, insbesondere bei höheren Drehzahlen des Rotors, überhöhte, induzierte Spannungen verhindert werden, indem beispielsweise bei solchen höheren Drehzahlen des Rotors mehrere zueinander benachbarte Statorwicklungen parallel geschaltet werden. Auch ist eine Abschaltung einzelner Statorwicklungen vorgesehen, was insbesondere bei äußerst hohen Windstärke und damit auch hohen Drehzahlen des Rotors von Vorteil ist.

Gemäß Anspruch 7 können die Magnetelemente in den radial äußeren Endbereichen der einzelnen Rotorblätter des Rotors angeordnet sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine äußerst einfache Herstellung des Windkraftgenerators erreicht.

Dabei können gemäß Anspruch 8 die Magnetelemente auch einstückiger Bestandteil des jeweiligen Rotorblattes sein. Dies ist beispielsweise dadurch erreichbar, daß die Rotorblätter zumindest in ihren Endbereichen aus einem metallischen Werkstoff bestehen, welcher entsprechend magnetisierbar ist.

Um bei einer geringen Anzahl von Rotorblättern ein magnetisches Wechselfeld hoher Frequenz zu erreichen, können die Magnetelemente gemäß Anspruch 9 auch Bestandteil von mit den Rotorblättern verbundenen Ringsegmenten sein. Diese Ringsegmente können sich beispielsweise über einen Winkelbereich um die Drehachse des Rotors von etwa 10° erstrecken und jeweils beispielsweise 5 oder 6 Magnetelemente aufweisen.

Um eine annähernd beliebige Anzahl von Magnetelementen in Umfangsrichtung hintereinander anordnen zu können, insbesondere unabhängig von der Anzahl der Rotorblätter, kann gemäß Anspruch 10 vorgesehen sein, daß die Ringsegmente ein in Umfangsrichtung umlaufendes, die Rotorblätter miteinander verbindendes Ringelement bilden.

Gemäß Anspruch 11 kann der Rotor auf einer separaten, das Mantelgehäuse durchragenden Stützsäule drehbar gelagert sein. Diese Art der Lagerung ist äußerst einfach herstellbar, wobei gemäß Anspruch 12 der Rotor auf der Stützsäule sowohl axial als auch radial verstellbar ausgebildet sein kann. Durch diese Verstellmöglichkeit des Rotors auf der Stützsäule kann dieser äußerst präzise auf die axiale Lage der im Mantelgehäuse angeordneten Statorwicklungen ausgerichtet werden. Desweiteren ist auch eine präzise konzentrische Anordnung des Rotors innerhalb des Mantelgehäuses in einfacher Weise einstellbar.

Gemäß Anspruch 13 kann alternativ zur Lagerung des Rotors gemäß Anspruch 12 dieser Rotor einen umlaufenden, die radial äußeren Enden der Rotorblätter verbindenden Lagerring aufweisen, über den der Rotor im Mantelgehäuse drehbar gelagert ist. Durch diese Ausgestaltung kann die Stützsäule, welche gemäß Anspruch 12 vorgesehen sein kann, entfallen, so daß innerhalb des Mantelgehäuses optimale Strömungsbedingungen für den durch das Mantelgehäuse hindurchgeleiteten Luftstrom bestehen.

Zur Vereinfachung der Herstellung kann gemäß Anspruch 14 vorgesehen sein, daß die Statorwicklungen im Mantelgehäuse in einem ein- oder mehrteiligen Aufnahmegehäuse aufgenommen sind. Durch dieses separate Aufnahmegehäuse ist eine einfache Vormontage der Statorwicklungen in einfacher Weise durchführbar. Ist dieses Aufnahmegehäuse einteilig ausgebildet, so kann das Mantelgehäuse selbst gemäß Anspruch 16 in axialer Richtung im Bereich dieses Aufnahmegehäuses geteilt ausgebildet sein. Dies bedeutet, daß das Mantelgehäuse ausgehend vom Aufnahmegehäuse einen vorderen Abschnitt und einen hinteren Abschnitt bildet, welche zur Endmontage in einfacher Weise an das Aufnahmegehäuse angesetzt und mit diesem verbunden werden.

Desweiteren kann gemäß Anspruch 15 vorgesehen sein, daß das Aufnahmegehäuse eine umlaufende Ringkammer bildet, in welcher die Statorwicklungen elektromagnetisch abgeschirmt aufgenommen sind. Diese elektromagnetische Abschirmung besteht dabei nur nach außen hin. Zu den umlaufenden Magnetelementen ist diese Abschirmung unterbrochen, um eine möglichst optimale Spannungsinduktion in den Statorwicklungen zu erreichen. Die äußere Abschirmung durch das im wesentlichen eine umlaufende Ringkammer bildende Aufnahmegehäuse vermindert somit eine nach außen wirkende elektromagnetische Strahlung des Windkraftgenerators.

Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sowohl in induktiver als auch in strömungstechnischer Hinsicht ein Windkraftgenerator mit äußerst hohem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt. Durch die Anordnung der Statorwicklungen im Mantelgehäuse können diese beliebig elektronisch verschaltet sein, so daß insbesondere die maximal zulässige Spannungshöhe durch entsprechendes Verschalten dieser Statorwicklungen in einfacher Weise regel- oder steuerbar ist.

Außerdem besitzt ein solcher erfindungsgemäßer Windkraftgenerator eine äußerst hohe Leistungsfähigkeit, da für den eigentlichen elektrischen Teil für dessen optimale Auslegung genügend Bauraum zur Verfügung steht.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist dabei nicht auf die konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch weitere, nicht konkret als Ausführungsbeispiel beschriebene Ausführungsvarianten, welche insbesondere Inhalt der Ansprüche sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Windkraftgenerators mit im Mantelgehäuse integriert angeordneten, radial ausgerichteten Statorwicklungen;
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Windkraftgenerator aus Fig. 1;
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt III aus Fig. 2;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftgenerators mit axial ausgerichteten, im Mantelgehäuse integriert angeordneten Statorwicklungen;
Fig. 5 einen Vertikalschnitt des Windkraftgenerators aus Fig. 4;
Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt VI aus Fig. 5;
Fig. 7 den Rotor zusammen mit den Statorwicklungen des Windkraftgenerators aus Fig. 4 in perspektivischer Explosionsdarstellung;
Fig. 8 die Bestandteile des Aufnahmegehäuses für die Statorwicklungen aus Fig. 7 zusammen mit zwei Lagerringen in perspektivischer Explosionsdarstellung.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Windkraftgenerators 1, welcher aus einem von einem Mantelgehäuse 2 umschlossenen Rotor 3 gebildet wird. Dieser Rotor 3 weist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt fünf radial nach außen gerichtete Rotorblätter 4 auf, die an einer Lagernabe 5 (Fig. 2) feststehend montiert sind. Diese Lagernabe 5 ist drehfest mit einer Lagerwelle 6 verbunden, welche ihrerseits über zwei Wälzlager 7 und 8 in einem Lagerbock 9 drehbar gelagert ist.
Wie aus den Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die Lagernabe 5 frontseitig durch eine aerodynamisch abgerundet ausgebildete Verkleidungskappe 10 abgedeckt, welche drehfest mit der Lagernabe 5 verbunden ist und somit während der Rotation des Rotors 3 mitrotiert.
In axialer Richtung schließt sich an diese Verkleidungskappe 10 ein ebenfalls aerodynamisch ausgebildeter Gehäuseteil 11 an, der ortsfest und nicht drehbar mit dem Lagerbock 9 verbunden ist. Die Verbindung zwischen diesem Gehäuseteil 11 und dem Lagerbock 9 ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt.
Der Lagerbock 9 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, auf einer Lagerplatte 12 montiert, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel festsitzend mit einer vertikal verlaufenden Stützsäule 13 verschraubt ist. Zur konzentrischen Anordnung des Rotors 3 mit seiner Drehachse 14 innerhalb des Mantelgehäuses 2 kann der Lagerbock 9 über die Lagerplatte 12 sowohl in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Richtung auf der Stützsäule 13 verstellbar ausgebildet sein. Desweiteren kann auch eine Verstellbarkeit des Lagerbockes 9 zusammen mit dem Rotor 3 in Richtung der Drehachse 14 des Rotors 3 vorgesehen sein.
Wie weiter aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, durchragt die Stützsäule 13 vertikal nach unten verlaufend das Mantelgehäuse 2 und ist an ihrem unteren Ende mit einem Lagerflansch 15 versehen. Die Stützsäule 13 ist zwischen ihrem Lagerflansch 15 und dem eigentlichen Mantelgehäuse 2 von einem etwa rohrförmig ausgebildeten Standfuß 16 des Mantelgehäuses 2 umgeben, an dessen unterem Ende oberhalb des Lagerflansches 15 ein Montageflansch 17 vorgesehen ist. Der Lagerflansch 15 der Stützsäule 13 und der Montageflansch 17 des Standfußes 16 sind auf einem Ringlager 18 bzw. dessen Außenring 19 um eine vertikale Drehachse 20 drehbar gelagert befestigt. Zur Montage auf einem Untergrund weist das Ringlager 18 einen entsprechenden Innenring 21 auf, welcher mit dem Untergrund beispielsweise verschraubbar ist. Durch die gemeinsame Befestigung des Lagerflansches 15 und des Montageflansches 17 am Außenring 19 erfolgt eine gleichzeitige Drehung des gesamten Windkraftgenerators 1 um die vertikale Drehachse 20, so daß sich das Mantelgehäuse 2 zusammen mit dem konzentrisch im Mantelgehäuse drehbar gelagerten Rotor auf eine entsprechende Anströmrichtung eines Luftstromes einstellt.
Wie aus den Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, weist das Mantelgehäuse eine aerodynamische Form auf, die im Querschnitt (Fig. 2) im wesentlichen der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges entspricht. Im Betrieb stellt sich aufgrund des Ringlagers 18 der Windkraftgenerator 1 parallel zu einer anströmenden Luftströmung, welche in den Fig. 1 und 2 durch die Pfeile 22 angedeutet ist. Wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar ist, ist der Durchlaßquerschnitt des Mantelgehäuses im Bereich der Rotorblätter 4 am geringsten und in Strömungsrichtung der Pfeile 22 in Auslaßrichtung radial erweitert ausgebildet.
Durch diese aerodynamische Form und durch die Art "Trichterform" des Mantelgehäuses 2 wird im wesentlichen eine Beschleunigung der in Richtung der Pfeile 22 durch das Mantelgehäuse 2 hindurchströmenden Luft erreicht, wodurch der Wirkungsgrad im Bereich der Rotorblätter 4 erheblich verbessert wird. Diese Rotorblätter 4 liegen dabei in einem Strömungsbereich im Mantelgehäuse 2, in welchem die Luftströmung ihre maximale Durchströmgeschwindigkeit aufweist.
Zur weiteren Unterstützung dieser Beschleunigung der Luftströmung durch das Mantelgehäuse 2 hindurch ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel am ausgangsseitigen Ende ein radial größerer Diffusor-Ring 23 vorgesehen, der zwischen sich und dem Mantelgehäuse einen umlaufenden Spalt 24 bildet. Dieser Diffusor-Ring 23 ist ebenfalls in Strömungsrichtung 22 radial erweitert ausgebildet und weist ebenfalls eine aerodynamische Formgebung auf, die in ihrem Querschnitt ebenfalls der Querschnittsform eines Tragflügels ähnelt. Durch diesen Diffusor-Ring 23 wird eine weitere Beschleunigung der das Mantelgehäuse 2 durchströmenden Luftströmung 22 erreicht, so daß mittels dieses Diffusor-Ringes 23 eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Windkraftgenerators 1 bewirkt wird.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 im Mantelgehäuse gleichmäßig am Umfang verteilt mehrere Statorwicklungen 25 vorgesehen, die mit ihrer jeweiligen Längsmittelachse 26 (Fig. 2) bezüglich der Drehachse 14 des Rotors 3 radial ausgerichtet im Mantelgehäuse 2 integriert angeordnet sind. Diese Statorwicklungen 25 sind jeweils mit einem Induktionskern 27 versehen, mit dem die Statorwicklungen 25 axial in der Drehebene 28 der äußeren Enden der Rotorblätter 4 angeordnet sind. Zur Erzeugung elektrischer Energie während der Drehung des Rotors 3 mit seinen Rotorblättern 4 weisen beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Rotorblätter 4 in ihrem jeweiligen radial äußeren Endbereich ein Magnetelement 29 (Fig. 3) auf. Während der Rotation des Rotors 3 induzieren diese Magnetelemente 29 über den Induktionskern 27 in der jeweiligen ortsfest im Mantelgehäuse 2 angeordneten Statorwicklung 25 eine Wechselspannung, da mit Umlauf dieser Magnetelemente 29 ein umlaufendes Wechselmagnetfeld erzeugt wird.
Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Statorwicklungen 25 in einem Aufnahmegehäuse 30 angeordnet, welches beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem in Umfangsrichtung mehrteiligen, radial nach innen offenen, U-förmigen Aufnahmeprofil 31 sowie einer dieses Aufnahmeprofil 31 radial nach innen abdeckenden Abdeckplatte 32 besteht. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist diese Abdeckplatte 32 im Bereich der Induktionskerne 27 entsprechende Durchgangsbohrungen 33 auf, in welche die Induktionskerne 27 der jeweiligen Statorwicklung 25 radial hineinragen.
Die Abdeckplatte 32 bildet dabei zusammen mit der Innenwand 34 des Mantelgehäuses 2 eine gemeinsame innere Oberfläche, so daß auch im Bereich der Abdeckplatte 32 möglichst optimale Strömungsbedingungen für einen durch das Mantelgehäuse 2 hindurchgeleiteten Luftstrom bestehen. Die Induktionskerne 27 enden mit ihrer radial inneren Stirnfläche ebenfalls in der inneren Begrenzungsebene der Abdeckplatte 32 und weisen zu den radial äußeren Enden der Magnetelemente 29 der Rotorblätter 4 einen äußerst geringen radialen Abstand auf.
Zur Einstellung dieses radialen Abstandes und somit zur Einstellung eines möglichst geringen Induktionsspaltes zwischen den Induktionskernen 27 und den Magnetelementen 29 der Rotorblätter 4 können die Statorwicklungen 25 im Aufnahmegehäuse 30 auch radial verstellbar aufgenommen sein. Eine solche Verstellung kann beispielsweise über Distanzscheiben oder auch durch eine Schraubverstellung realisiert sein, was in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.
Durch diese Verstellmöglichkeit in radialer Richtung der Statorwicklungen 25 ist beim fertigmontierten Windkraftgenerator ein äußerst geringer Induktionsspalt zwischen den Induktionskernen 27 und den Magnetelementen 29 einstellbar, so daß eine möglichst optimale Induktionswirkung durch das umlaufende, von den Magnetelementen 29 bewirkte Wechselmagnetfeld in den Statorwicklungen 25 erreichbar ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, daß die innere Abdeckplatte 32 ebenfalls mehrteilig ausgebildet ist.
Zum Einsetzen des Aufnahmegehäuses 30 zusammen mit den Statorwicklungen 25 in das Mantelgehäuse 2 kann das Mantelgehäuse 2 im Bereich des Aufnahmegehäuses 30, insbesondere im Bereich der Drehebene 28 der Rotorblätter 4, geteilt ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine äußerst einfache Montage des Mantelgehäuses 2 und die Integration des Aufnahmegehäuses 30 im Mantelgehäuse 2 in der insbesondere aus Fig. 2 ersichtlichen Art und Weise erreicht.
Wie desweiteren aus Fig. 1 erkennbar ist, ist im Mantelgehäuse 2 eine äußerst große Anzahl an Statorwicklungen anordenbar, so daß der erfindungsgemäße Windkraftgenerator 1 äußerst leistungsfähig ist. Die einzelnen Statorwicklungen 25 können dabei über eine entsprechende elektronische Leistungsschaltung in unterschiedlicher Kombination in Reihe oder auch parallel zueinander verschaltet werden. Diese elektronische Leistungsschaltung ist dabei so ausgelegt, daß beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl oder in Abhängigkeit von der jeweils erzeugten Induktionsspannung ein solches Umschalten der Verschaltungsart zwischen den Statorwicklungen 25 erfolgen kann. Damit ist über die jeweilige Verschaltungsart der Statorwicklungen 25 untereinander eine Anpassung der Energieerzeugung an die Windstärke bzw. an die aus der Windstärke resultierenden Drehzahl des Rotors 3 in einfacher Weise durchführbar. Insbesondere kann durch diese Maßnahme eine Überlastung des Generators bei äußerst hohen Drehzahlen verhindert werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, daß einzelne Statorwicklungen ganz abgeschaltet werden.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftgenerators 40, dessen Mantelgehäuse 41 im wesentlichen identisch ausgebildet ist wie das Mantelgehäuse 2 des Windkraftgenerators 1. Auch dieses Mantelgehäuse 41 ist in Strömungsrichtung 22 eines das Mantelgehäuse 41 durchströmenden Luftstromes ausgangsseitig an seinem hinteren Ende mit einem Diffusor- Ring 42 versehen. Wie insbesondere auch aus Fig. 5 ersichtlich ist, weist auch das Mantelgehäuse 41 in seinem Querschnitt eine aerodynamische Form auf, welche der aerodynamischen Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist.
Der Windkraftgenerator 40 ist ebenfalls mit einem Rotor 43 versehen, der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls fünf Rotorblätter 44 aufweist. Desweiteren sind im Mantelgehäuse 41 mehrere Statorwicklungen 45 vorgesehen, welche mit ihrer jeweiligen Längsmittelachse 46 parallel zur Drehachse bzw. Längsmittelachse 47 des Rotors 43 im Umfangsbereich der äußeren Enden der Rotorblätter 44 im Mantelgehäuse 41 integriert angeordnet sind (siehe auch Fig. 5, 6 und 7).
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel des Windkraftgenerators 40 ist der Rotor 43 direkt im Mantelgehäuse 41 drehbar gelagert. Dazu ist der Rotor 43 mit einem umlaufenden Lagerring 48 versehen, wie dies insbesondere aus Fig. 7 ersichtlich ist. Dieser umlaufende Lagerring 48 ist mit den äußeren Enden der Rotorblätter 44 starr verbunden. Im Bereich der inneren Enden der Rotorblätter 44 ist desweiteren ein aerodynamisch geformter Strömungskörper 49 vorgesehen, durch dessen Formgebung der durch das Mantelgehäuse 41 hindurchströmende Luftstrom zur Verbesserung des Wirkungsgrades zusätzlich beschleunigt wird.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, weist der Lagerring 48 an seinem Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete, radial vorspringende Magnetelemente 50 auf, welche im Betrieb ein umlaufendes, magnetisches Wechselfeld erzeugen. Anstatt dieser einzeln am Außenumfang angeordneten Magnetelemente 50 kann auch ein vollständig umlaufender Magnetring vorgesehen sein, in welchen die Magnetelemente 50 eingesetzt sind oder welcher in Umfangsrichtung hintereinanderliegende, wechselseitig gepolt magnetisierte Bereiche aufweist.
Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 6 ersichtlich ist, bestehen die Statorwicklungen 45 jeweils aus zwei in Richtung ihrer Längsachse 46 hintereinander angeordneten Induktionsspulen 51 und 52. Diese Induktionsspulen 51 und 52 weisen zueinander einen axialen Abstand auf. Dieser Abstand ist derart gewählt, daß im montierten Zustand die Magnetelemente 50 zwischen den beiden Induktionsspulen 51 und 52 mit geringem Spiel hindurchbewegbar sind. Zur Verbesserung des magnetischen Flusses ist desweiteren ein C-förmiger Magnetschlußkörper 53 vorgesehen, auf welchen die beiden Induktionsspulen 51 und 52 aufgesetzt sind.
Wie weiter insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind zur drehbaren Lagerung des Rotors 43 mit seinem Lagerring 48 im Mantelgehäuse 41 zwei umlaufende Wälzlager 54 und 55 vorgesehen, welche auch in Fig. 8 dargestellt sind. Die Statorwicklungen 45 werden dabei zur Lagerung im Mantelgehäuse 41 in einem Aufnahmegehäuse 56 aufgenommen. Dieses Aufnahmegehäuse 56 besteht beispielsweise, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, aus zwei etwa halbzylindrisch ausgebildeten Aufnahmeprofilen 57 und 58, in welche die Statorwicklungen 45 vor deren Einbringen in das Mantelgehäuse 41 feststehend montiert werden. Desweiteren ist das Aufnahmegehäuse 56 mit einem vorderen Lagerring 59 und einem hinteren Lagerring 60 versehen, welche beispielsweise einstückig umlaufend ausgebildet sind. Diese Lagerringe 59 und 60 weisen zur Aufnahme der beiden Wälzlager 54 und 55 jeweils einen umlaufenden Lagersitz 66 bzw. 67 auf.
Diese Lagerringe 59 und 60 sind ebenfalls in Fig. 8 beispielhaft dargestellt. Durch diese Art der Lagerung des Rotors 43 am Aufnahmegehäuse 56 sind die Magnetelemente 50 des Rotors 43 in einfacher Weise präzise auf die jeweils gewählte Anordnung der Statorwicklungen 45 mit ihren beiden Induktionsspulen 51 und 52 ausrichtbar. Zur Montage der Aufnahmeprofile 57, 58 an den Lagerringen 59 und 60 sind an den Lagerringen 59, 60 entsprechende umlaufende Montagestege 68 und 69 vorgesehen.
Wie weiter insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist das Mantelgehäuse 41 etwa im axialen Bereich der Magnetelemente 50 geteilt ausgebildet, so daß das Mantelgehäuse 41 mit seinem vorderen Gehäuseabschnitt 61 und seinem hinteren Gehäuseabschnitt 62 auf das fertigmontierte Generatormodul stirnseitig aufsetzbar ist. Dieses Generatormodul besteht aus den in das Aufnahmegehäuse 56 eingesetzten Statorwicklungen 45, den fertig am Lagerring 48 des Rotors 43 montierten Wälzlagern 54, 55 sowie den in die beiden Aufnahmeprofile 57 und 58 eingesetzten Lagerringe 59 und 60. Die Verbindung zwischen den Lagerringen 59 und 60 sowie den fertig aufeinandergesetzten Aufnahmeprofilen 57 und 58 kann dabei durch entsprechende Schraubverbindungen (in der Zeichnung nicht dargestellt) erfolgen.
Wie aus Fig. 6 weiter ersichtlich ist, umschließen die Gehäuseabschnitte 61 und 62 das Aufnahmegehäuse 56 mit seinen Aufnahmeprofilen 57, 58 und den montierten Lagerringen 59 und 60 annähernd vollständig und bilden zusammen mit dem Lagerring 48 eine im wesentlichen homogene, annähernd spaltfreie Innenwand des Mantelgehäuses 41.
Das Mantelgehäuse 41 weist in seinem unteren Bereich ebenfalls einen im wesentlichen rohrförmig ausgebildeten Standfuß 63 auf, welcher über eine entsprechende Verschraubung seines unteren Montageflansches 64 auf dem Ringlager 18 um eine vertikale Drehachse 65 drehbar gelagert ist.
Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Windkraftgenerators 40 zeichnet sich durch einen äußerst hohen Wirkungsgrad aus, da insbesondere bezüglich der Luftströmung im Mantelgehäuse 41 keinerlei Störungen auftreten können, da bei diesem Ausführungsbeispiel eine Stützsäule wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 nicht vorgesehen ist. Desweiteren ist auch der elektromagnetische Wirkungsgrad deutlich besser, da die einzelnen Magnetelemente 50 zwischen den Induktionsspulen 51 und 52 hindurchgeführt werden und desweiteren diese Induktionsspulen 51 und 52 über den Magnetschlußkörper 53 elektromagnetisch optimal miteinander gekoppelt sind.
Insgesamt wird durch den erfindungsgemäßen Windkraftgenerator 1 bzw. 40 ein optimiertes System zur Verfügung gestellt, welches bei hoher Leistungsfähigkeit in einfacher Weise an entsprechende Betriebsbedingungen anpaßbar ist.

Claims

1. Windkraftgenerator (1, 40) bestehend aus einem mit Rotorblättern (4, 44) versehenen, durch einen Luftstrom (22) um eine Rotorachse (14, 47) drehend antreibbaren Rotor (3, 43), einem Generator und einem die Rotorblätter (4, 44) umlaufend umgebenden Mantelgehäuse (2, 41), das zur Verbesserung des Wirkungsgrades eine aerodynamisch geformte Querschnittsform aufweist, wobei der Generator zum Erzeugen elektrischer Energie Statorwicklungen (25, 45) und vom Rotor rotierend angetriebene, ein umlaufendes magnetisches Wechselfeld erzeugende Magnetelemente (29, 50) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Statorwicklungen (25, 45) des Generators im Mantelgehäuse (2, 41) des Windkraftgenerators (1, 40) angeordnet sind und,
daß die Magnetelemente (29, 50) im radial äußeren Bereich der Rotorblätter (4, 44) des Rotors (3, 43) angeordnet sind und zusammen mit dem Rotor (3, 43) umlaufen und,
daß die Magnetelemente (29, 50) während ihres Umlaufes in den Statorwicklungen (25, 45) eine Wechselspannung induzieren.

2. Windkraftgenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (25) aus elektrischen Induktionsspulen bestehen, die im Mantelgehäuse (2) radial ausgerichtet sind, und
daß die Magnetelemente (29) ein radial wirkendes, umlaufendes Magnetfeld erzeugen und,
daß die Magnetelemente (29) radial innerhalb der Statorwicklungen (25) angeordnet sind.

3. Windkraftgenerator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (25) im Mantelgehäuse (2) radial verstellbar gelagert sind.

4. Windkraftgenerator (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (45) aus elektrischen Induktionsspulen (51, 52) bestehen, die im Mantelgehäuse (41) axial in Richtung der Rotorachse (47) ausgerichtet sind und, die Magnetelemente (50) ein axial wirkendes, umlaufendes Magnetfeld erzeugen und radial bis in den Bereich der Statorwicklungen (45) in das Mantelgehäuse (41) hineinragen.

5. Windkraftgenerator (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (45) jeweils aus zwei im Abstand voneinander, axial hintereinanderliegenden Induktionsspulen (51, 52) bestehen und, daß die beiden Induktionsspulen (51, 52) über einen C-förmigen Magnetschlußkörper (53) magnetisch gekoppelt sind und, daß die Magnetelemente (50) während ihres Umlaufes zwischen den beiden Induktionsspulen (51, 52) hindurchbewegt werden.

6. Windkraftgenerator (1, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Leistungsschaltung vorgesehen ist, über welche die Statorwicklungen (25, 45) gruppenweise in Reihe oder parallel zueinander schaltbar sind.

7. Windkraftgenerator (1, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (29, 50) in den radial äußeren Endbereichen der Rotorblätter (4, 44) des Rotors (3, 43) angeordnet sind.

8. Windkraftgenerator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (29) einstückiger Bestandteil der Rotorblätter (4) sind.

9. Windkraftgenerator (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetelemente (50) Bestandteil von mit den Rotorblättern (44) verbundenen Ringsegmenten (48) sind.

10. Windkraftgenerator (40) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente ein in Umfangsrichtung umlaufendes, die Rotorblätter miteinander verbindendes Ringelement (48) bilden.

11. Windkraftgenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) auf einer separaten, das Mantelgehäuse (2) durchragenden Stützsäule (13) drehbar gelagert ist.

12. Windkraftgenerator (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) auf der Stützsäule (13) sowohl axial als auch radial verstellbar ist.

13. Windkraftgenerator (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (43) einen umlaufenden, die radial äußeren Enden der Rotorblätter (44) verbindenden Lagerring (48) aufweist, über welchen der Rotor (43) im Mantelgehäuse (41) drehbar gelagert ist.

14. Windkraftgenerator (1, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (25, 45) im Mantelgehäuse (2, 41) in einem ein- oder mehrteiligen Aufnahmegehäuse (30, 56) aufgenommen sind.

15. Windkraftgenerator (1, 40) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegehäuse (30, 56) eine umlaufende Ringkammer bildet, in welcher die Statorwicklungen (25, 45) elektromagnetisch abgeschirmt aufgenommen sind.

16. Windkraftgenerator (1, 40) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse (2, 41) im Bereich des Aufnahmegehäuses (30, 56) geteilt ausgebildet ist.