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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Elektromaschinen und genauer auf einen doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator.
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Hintergrund
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Viele Elektromaschinen, wie beispielsweise Elektromotoren und Elektrogeneratoren, weisen einen Stator und einen Rotor auf, der relativ zu dem Stator um eine Rotordrehachse dreht. Der Stator kann Statorstromleiter aufweisen und der Rotor kann Rotorstromleiter aufweisen. Wenn eine Antriebsmaschine den Rotor relativ zu dem Stator dreht, können die Rotorstromleiter zum Erzeugen eines Magnetflusses elektrisch erregt werden. Der Magnetfluss kann von dem Rotor zu dem Stator fließen. Solche Elektromaschinen können den Magnetfluss zum Übertragen von Leistung zwischen dem Stator und dem Rotor verwenden, was eine Spannung in den Statorstromleitern erzeugt. Im Fall von Axialfluss-Elektromaschinen kann der Magnetfluss über eine axiale Lücke zwischen dem Rotor und dem Stator fließen. Die Spannung in den Statorstromleitungen kann zum Liefern eines Stroms zum Versorgen einer Verbraucherlast verwendet werden.
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Bei einigen Anwendungen kann die Antriebsmaschine einer Elektromaschine bei variablen Drehzahlen arbeiten. Beispielsweise kann eine Verbraucherlast mit Leistung von einer Windmaschine versorgt werden, wie beispielsweise einer Windturbine, deren Drehzahl sich mit ändernden Windbedingungen ändern kann. Änderungen der Drehzahl der Antriebsmaschine können Schwankungen oder Änderungen in der Ausgabe der Elektromaschine bewirken. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, die Schwankungen oder Änderungen der Ausgabe zu verhindern, um zu verhindern, dass sie die Leistung der elektrisch angetriebenen Vorrichtungen auf der Verbraucherseite beeinflussen.
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Wenigstens ein System wurde zum Schaffen eines Generators entwickelt, der bei einer variablen Drehzahl angetrieben werden kann. Das
US-Patent Nr. 6,278,211 von Sweo („Sweo”) offenbart eine bürstenlose, doppelt gespeiste Induktionsmaschine mit dualen Käfigrotoren. Der erste und der zweite Käfigrotor sind auf einer Drehwelle montiert, wobei der erste Rotor innerhalb eines ersten ringförmigen Stators angeordnet ist. Stromleiter in dem ersten und dem zweiten Käfigrotor sind durch mehrere zwischen den Rotoren angeordnete Verbindungsstromleiter derart miteinander verbunden, dass die Stromleiter in dem ersten Käfigrotor mit den Stromleitern in dem zweiten Käfigrotor in einer umgekehrten Phasenreihenfolge verbunden sind. Die Maschine kann zur Verwendung bei Generatoranwendungen geeignet sein, die eine elektrische Ausgabe mit fester Frequenz erfordern, wenn sie bei einer variablen Drehzahl angetrieben werden, oder bei Motoranwendungen, die einen Betrieb mit einer begrenzt variablen Drehzahl erfordern, wenn sie mit einem Wechselstromnetz verbunden sind. Leider kann die Größe der Maschine bei Sweo für bestimmte Anwendungen ungeeignet sein. Auch kann die Maschine bei Sweo unter den gleichen oder ähnlichen Nachteilen leiden, die Radialfluss-Elektromaschinen inherent sind.
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Die vorliegende Offenbarung ist auf das Überwinden eines oder mehrerer der oben geschilderten Probleme gerichtet.
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Zusammenfassung
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Ein Aspekt der vorliegend offenbarten Ausführungsformen kann auf einen doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator gerichtet sein. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann eine zum Liefern von mechanischer Energie ausgebildete Antriebsmaschine aufweisen. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann auch eine mit der Antriebsmaschine gekoppelte Rotoranordnung aufweisen, wobei die Antriebsmaschine zum Drehen der Rotoranordnung ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann ferner einen Stator aufweisen. Der doppelt gespeiste Axialflussinduktionsgenerator kann ferner ein mit der Rotoranordnung und dem Stator gekoppeltes Leistungselektronikmodul aufweisen, wobei das Leistungselektronikmodul parallel zu der Antriebsmaschine geschaltet ist und zum Unterstützen des Umwandelns der mechanischen Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann ferner eine mit dem Leistungselektronikmodul gekoppelte Energiespeichervorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, den Änderungen des Leistungsbedarfs gerecht zu werden.
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Ein anderer Aspekt der vorliegend offenbarten Ausführungsformen kann auf ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Leistung für eine Verbraucherlast gerichtet sein. Das Verfahren kann das Bestimmen eines Leistungsbedarfs für die Verbraucherlast umfassen. Das Verfahren kann auch das Bestimmen einer Betriebsdrehzahl einer zum Drehen der Rotoranordnung relativ zu einem Stator ausgebildeten Antriebsmaschine umfassen. Das Verfahren kann ferner das Berechnen eines Erregungsniveaus für die Rotoranordnung umfassen, die der Rotoranordnung erlaubt, einen Strom eines Axialflusses zu liefern, der eine Spannung in dem Stator erzeugt, die geeignet ist, dem Leistungsbedarf gerecht zu werden. Das Verfahren kann ferner das Erzeugen des Erregungsniveaus in der Rotoranordnung durch Einleiten von Strom in die Rotoranordnung unter Verwendung eines parallel zu der Antriebsmaschine geschalteten Leistungselektronikmoduls umfassen.
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Ein anderer Aspekt der vorliegend offenbarten Ausführungsformen kann auf ein Elektrosystem gerichtet sein. Das Elektrosystem kann einen doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator aufweisen, der zum Liefern von elektrischer Leistung zu einer Verbraucherlast ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann eine zum Liefern von mechanischer Energie ausgebildete Antriebsmaschine aufweisen. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann auch eine mit der Antriebsmaschine gekoppelte Rotoranordnung aufweisen, wobei die Antriebsmaschine zum Drehen der Rotoranordnung ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann ferner einen Stator aufweisen. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann ferner ein mit der Rotoranordnung und dem Stator verbundenes Leistungselektronikmodul aufweisen, wobei das Leistungselektronikmodul parallel zu der Antriebsmaschine geschaltet ist und zum Unterstützen des Umwandelns der mechanischen Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator kann ferner eine mit dem Leistungselektronikmodul gekoppelte Energiespeichervorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, den Änderungen des Leistungsbedarfs gerecht zu werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung eines Elektrosystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen elektrischer Leistung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Ein beispielhaftes Elektrosystem 10 ist in 1 gezeigt. Das Elektrosystem 10 kann einen doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12, eine Versorgungsleitung 14, eine Verbraucherlast 16 und eine Verbindung, wie beispielsweise eine interaktive Leitungsverbindung 17 aufweisen. Ein oder mehrere elektrische Stromleiter 18 können den doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 mit der interaktiven Leitungsverbindung 17 und somit mit der Verbraucherlast 16 verbinden, wobei der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 zum Versorgen der Verbraucherlast 16 mit elektrischer Leistung ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 kann eine Antriebsmaschine 20, eine Welle 22, eine Rotoranordnung mit einem proximalen Rotor 24 und einem distalen Rotor 26, einen Stator 28, ein Leistungselektronikmodul 30 und eine Energiespeichervorrichtung 32 aufweisen, wobei ein oder mehrere elektrische Stromleiter 18 diese miteinander verbinden.
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Die Antriebsmaschine 20 kann jede geeignete Hauptantriebsquelle aufweisen, die zum Versorgen des doppelt gespeisten Axialflussinduktionsgenerators 12 mit mechanischer Energie ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Antriebsmaschine 20 eine Windturbine, eine Verbrennungskraftmaschine oder jede andere zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung geeignete Vorrichtung aufweisen. Die mechanische Bewegung kann eine Drehung der Welle 22 umfassen, die mit der Antriebsmaschine 20 drehbar gekoppelt sein kann.
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Der proximale Rotor 24 kann eine mit einem proximalen Bereich der Welle 22 gekoppelte Scheibe oder Platte aufweisen. Aufgrund des Koppelns kann eine Drehung der Welle 22 durch die Antriebsmaschine 20 eine Drehung des proximalen Rotors 24 bewirken. Der proximale Rotor 24 kann auch eine proximale Rotorwicklung 34 und einen proximalen Rotoranschluss 36 aufweisen. Die proximale Rotorwicklung 34 kann eine oder mehrere Windungen eines in der Form einer Spule gewickelten elektrischen Stromleiters aufweisen. Der proximale Rotor 24 kann mehrere solche Wicklungen aufweisen, die voneinander räumlich versetzt sein können und von denen jede eine individuelle Phase einer Mehrphasenwicklung bilden kann. Die proximalen Rotorwicklungen 34 können aus Kupfer oder jedem anderen geeigneten elektrischen Stromleiter bestehen. Der proximale Rotoranschluss 36 kann mit der proximalen Rotorwicklung 34 gekoppelt sein und kann eine oder mehrere Stellen aufweisen, an denen eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann.
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Der distale Rotor 26 kann eine mit einem distalen Bereich der Welle 22 gekoppelte Scheibe oder eine Platte aufweisen. Aufgrund des Koppelns kann eine Drehung der Welle 22 durch die Antriebsmaschine 20 auch eine Drehung des distalen Rotors 26 bewirken. Der distale Rotor 26 kann auch eine distale Rotorwicklung 38 und einen distalen Rotoranschluss 40 aufweisen. Die distale Rotorwicklung 38 kann eine oder mehrere Windungen eines in der Form einer Spule gewickelten elektrischen Stromleiters aufweisen. Der distale Rotor 26 kann mehrere solche Wicklungen aufweisen, die voneinander räumlich versetzt sein können und von denen jede eine individuelle Phase einer Mehrphasenwicklung bildet. Die distalen Rotorwicklungen 38 können aus Kupfer oder jedem anderen geeigneten elektrischen Stromleiter bestehen. Der distale Rotoranschluss 40 kann mit der distalen Rotorwicklung 38 gekoppelt sein und kann eine oder mehrere Stellen aufweisen, an denen die elektrische Verbindung hergestellt werden kann.
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Der Stator 28 kann eine in einem Gehäuse (nicht gezeigt) oder in jeder anderen geeigneten Aufnahme montierte stationäre Scheibe oder Platte aufweisen. Der proximale Rotor 24 und der distale Rotor 26 können immer relativ zu dem Stator 28 drehen, wenn die Antriebsmaschine 20 die Welle 22 dreht. Der Stator 28 kann einen zentralen Durchlass 42 aufweisen, durch den die Welle 22 verlaufen kann. Man beachte, dass die durch den zentralen Durchlass 42 definierte Oberfläche berührungslos zu der Welle 22 sein kann. Man beachte auch, dass zum Lager der Welle 22 eine Lageranordnung 44 in den zentralen Durchlass 42 eingesetzt sein kann, während der Welle 22 erlaubt ist, sich relativ zu dem Stator 28 zu drehen. Der Stator 28 kann ferner eine Statorwicklung 46 und einen Statoranschluss 48 aufweisen. Die Statorwicklungen 46 können eine oder mehrere Windungen eines in der Form einer Spule gewickelten elektrischen Stromleiters aufweisen. Der Stator 28 kann mehrere solche Wicklungen aufweisen, die voneinander räumlich versetzt sein können und von denen jede eine individuelle Phase einer Mehrphasenwicklung bildet. Die Statorwicklungen 46 können aus Kupfer oder jedem anderen geeigneten elektrischen Stromleiter bestehen. Der Statoranschluss 48 kann mit der Statorwicklung 46 gekoppelt sein und kann eine oder mehrere Stellen aufweisen, an denen die elektrische Verbindung hergestellt werden kann.
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Der Stator 28 kann eine proximale Oberfläche 50 und eine distale Oberfläche 52 aufweisen. Die proximale Oberfläche 50 kann einer distal zugewandten Oberfläche des proximalen Rotors 24 zugewandt sein. Die proximale Oberfläche 50 und die distal zugewandte Oberfläche des proximalen Rotors 24 können durch eine proximale Luftlücke 54 getrennt sein. Ähnlich kann die distale Oberfläche 52 einer proximal zugewandten Oberfläche des distalen Rotors 26 zugewandt sein. Die distale Oberfläche 52 und die proximal zugewandte Oberfläche des distalen Rotors 26 können durch eine distale Luftlücke 56 getrennt sein.
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Das Leistungselektronikmodul 30 kann jede geeignete Vorrichtung aufweisen, die zum Liefern und/oder zum Umwandeln von elektrischer Energie geeignet ist. Beispielsweise kann das Leistungselektronikmodul 30 einen oder mehrere Halbleiter, magnetische Bauteile, Kondensatoren, Steuerelektroniken und/oder andere Zubehörbauteile aufweisen und/oder verwenden. Das Leistungselektronikmodul 30 kann parallel zu der Antriebsmaschine 20 geschaltet sein. Das Leistungselektronikmodul 30 kann einen Leistungselektronikmoduleingangsanschluss 58 zum Aufnehmen von elektrischer Leistung aus der Energiespeichervorrichtung 32, einen Leistungselektronikmodulausgangsanschluss 60 zum Leiten von elektrischer Leistung zu dem proximalen Rotor 24 und dem distalen Rotor 26 und einen anderen Leistungselektronikausgangsanschluss 62 zum Leiten von elektrischer Leistung zu der Verbraucherlast 16 aufweisen. Man beachte, dass die Energiespeichervorrichtung 32 eine Batterie oder jede andere Energiequelle aufweisen kann und einen Energiespeichervorrichtungsausgangsanschluss 63 aufweisen kann. Gemeinsam können das Leistungselektronikmodul 30 und die Energiespeichervorrichtung 32 als eine ununterbrechbare Leistungsquelle wirken. Zusätzlich oder alternativ kann die von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 und/oder dem Leistungselektronikmodul 30 erzeugte elektrische Leistung die elektrische Leistung aus der Versorgungsleitung 14 ersetzen oder ergänzen.
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Das Leistungselektronikmodul 30 kann auch eine zum Steuern und Einstellen der von dem Leistungselektronikmodul 30 gelieferten elektrischen Leistung ausgebildete Steuerung aufweisen. Die Steuerung kann einen einzigen Mikroprozessor oder mehrere Mikroprozessoren aufweisen. Zahlreiche handelsüblich erhältliche Mikroprozessoren können zum Ausführen der Funktionen der Steuerung ausgebildet sein. Man sollte beachten, dass die Steuerung leicht einen zum Steuern zahlreicher energiebezogener Funktionen geeigneten allgemeinen Leistungseinheitsmikroprozessor verkörpern kann. Verschiedene andere bekannte Schaltkreise können der Steuerung zugeordnet sein, wie ein Leistungszufuhrschaltkreis, ein Signaleingabeschaltkreis, ein Solenoidantreiberschaltkreis, ein Kommunikationsschaltkreis und ein anderer geeigneter Schaltkreis.
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Die Verbraucherlast 16 kann eine oder mehrere mit dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 und/oder der Versorgungsleitung 14 verbundene und von diesen Strom ziehende Vorrichtungen aufweisen. Die Verbraucherlast 16 kann einen Verbraucherlasteingangsanschluss 64 aufweisen, durch den elektrische Leistung aufgenommen werden kann. Ein oder mehrere elektrische Stromleiter 18 können durch Verbinden des Verbraucherlasteingangsanschlusses 64 mit dem Statoranschluss 48 die Verbraucherlast 16 mit dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 verbinden. Ein oder mehrere elektrische Stromleiter 18 können auch den proximalen Rotoranschluss 36 mit dem distalen Rotoranschluss 40, das Leistungselektronikmodul 30 mit dem proximalen Rotoranschluss 36 und dem distalen Rotoranschluss 40, das Leistungselektronikmodul 30 mit dem Statoranschluss 48 und dem Verbraucherlasteingangsanschluss 64 und das Leistungselektronikmodul 30 mit der Energiespeichervorrichtung 32 verbinden. Man beachte, dass ein oder mehrere Stromleiter 18 ein oder mehrere elektrische Leitungen für die dreiphasige elektrische Leistungsübertragung aufweisen können, die die Art der durch den doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 und/oder erzeugten elektrischen Leistung sein kann, die durch die Versorgungsleitung 14 zugeführt wird und von der Verbraucherlast 16 verbraucht wird.
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Das Leistungselektronikmodul 30 kann mit einem Antriebsmaschinendrehzahlsensor 66 verbunden sein. Der Antriebsmaschinendrehzahlsensor 66 kann zum Erfassen einer Drehzahl der Antriebsmaschine ausgebildet sein, die in Umdrehungen pro Minute der Welle 22, des proximalen Rotors 24 oder des distalen Rotors 26 ausgedrückt werden kann. Der Antriebsmaschinendrehzahlsensor 66 kann an der oder in der Nähe der Antriebsmaschine 20, der Welle 22, des proximalen Rotors 24 oder des distalen Rotors 26 montiert sein.
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Das Leistungselektronikmodul 30 kann mit einem oder mehreren Strom- oder Spannungssensoren kommunizieren. Ein Verbraucherlastsensor 68 kann die von der Verbraucherlast 16 verbrauchte Menge an Strom, Spannung oder Leistung erfassen. Man beachte auch, dass der Verbraucherlastsensor 68 zum Überwachen der an der Verbraucherlast 16 aufgenommenen und/oder angeforderten elektrischen Leistung verwendet werden kann. Der Verbraucherlastsensor 68 kann mit dem Verbraucherlasteingangsanschluss 64 verbunden sein. Ein Versorgungsleitungssensor 70 kann mit der Versorgungsleitung 14 verbunden sein und kann zum Erfassen des Stroms oder der Spannung in der Versorgungsleitung 14 ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Versorgungsleitungssensor 70 auch mit der interaktiven Leitungsverbindung 17 verbunden sein. Das Leistungselektronikmodul 30 kann zum Steuern des doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerators 12 die Informationen verwenden, die es von dem Antriebsmaschinendrehzahlsensor 66, dem Verbraucherlastsensor 68 und/oder dem Versorgungsleitungssensor 70 empfängt. Die Sensoren können auch für die Energiespeichervorrichtung 32 verfügbar sein, um ihre Spannung, Temperaturen und/oder Ladezustand, beispielsweise im Fall von Batterien, zu erfassen.
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Ein Verfahren 72 zum Steuern des Betriebs des doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerators 12 ist in 2 gezeigt. Das Verfahren 72 kann damit beginnen, dass die Antriebsmaschine 20 die Welle 22 dreht (Schritt 74). Das Leistungselektronikmodul 30, das den Verbraucherlastsensor 68 und/oder den Versorgungsleitungssensor 70 verwendet, kann die Art und/oder die Menge der elektrischen Leistung bestimmen, die der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 der Verbraucherlast 16 zuführen sollte (Schritt 76). Um dies auszuführen, kann das Leistungselektronikmodul 30 die Leistungsbedarfe der Verbraucherlast 16 mit der der Verbraucherlast 16 durch die Versorgungsleitung 14 zugeführten elektrischen Leistung vergleichen, wie sie durch den Versorgungsleitungssensor 70 angezeigt wird. Falls die von der Verbraucherlast 16 angeforderte elektrische Leistung die durch die Versorgungsleitung 14 zugeführte elektrische Leistung übersteigt, kann das Leistungselektronikmodul 30 den Unterschied erkennen, dass er die Art und/oder die Menge der elektrischen Leistung anzeigt, die der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 für die Verbraucherlast 16 erzeugen sollte.
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Um die erforderliche Menge an elektrischer Leistung zu erzeugen, kann das Leistungselektronikmodul 30 wenigstens zwei Faktoren berücksichtigen. Ein Faktor kann die Antriebsmaschinendrehzahl sein. Ein anderer Faktor kann das Niveau (die Größe und/oder die Frequenz) der Erregung der proximalen Rotorwicklung 34 und/oder der distalen Rotorwicklung 38 sein. Die Antriebsmaschinendrehzahl und das Niveau der Erregung der proximalen Rotorwicklung 34 und der distalen Rotorwicklung 38 können die Flussrate des Magnetflusses von dem proximalen Rotor 24 zu dem Stator 28 und/oder von dem distalen Rotor 26 zu dem Stator 28 beeinflussen. Der Magnetfluss kann in der Statorwicklung 46 eine Spannung erzeugen und daher kann die Art und/oder die Menge der zu der Verbraucherlast 16 durch den doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 zugeführten elektrischen Leistung von der Flussrate des Magnetflusses abhängen. Im Wesentlichen kann durch das Erregen der proximalen Rotorwicklung 34 und der distalen Rotorwicklung 38 während der Drehung des proximalen Rotors 24 und des distalen Rotors 26 die mechanische Energie von der Antriebsmaschine 20 in dem Stator 28 in elektrische Energie gewandelt werden. Somit können die Antriebsmaschine 20, der proximale Rotor 24, der distale Rotor 26, der Stator 28, das Antriebselektronikmodul 30 und die Energiespeichervorrichtung 32 als ein Wandler zum Wandeln von mechanischer in elektrische Energie arbeiten.
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Falls die Drehzahl der Antriebsmaschine ansteigt, während das Erregungsniveau das gleiche bleibt, wird die Flussrate des Magnetflusses demzufolge genauso wie die Spannung und/oder die Frequenz in der Statorwicklung 46 und die dem Verbraucher 16 zugeführte elektrische Ausgabe ansteigen. Eine Abnahme der Drehzahl der Antriebsmaschine unter den gleichen Bedingungen wird den gegenteiligen Effekt haben, d. h., eine geringere Spannung und/oder Frequenz wird in der Statorwicklung 46 erzeugt und weniger elektrische Leistung wird der Verbraucherlast 16 zugeführt. Ähnlich wird, falls das Erregungsniveau der proximalen Rotorwicklung 34 und/oder der distalen Rotorwicklung 38 ansteigt, während die Drehzahl der Antriebsmaschine die gleiche bleibt, die Flussrate des Magnetflusses demzufolge genauso wie die Spannung in der Statorwicklung 46 und die der Verbraucherlast 16 zugeführte elektrische Ausgabe ansteigen. Eine Abnahme in dem Erregungsniveau unter den gleichen Bedingungen kann den gegenteiligen Effekt haben, d. h., eine geringere Spannung wird in der Statorwicklung 46 erzeugt und weniger elektrische Leistung kann der Verbraucherlast 16 zugeführt werden. Ein Anstieg sowohl der Drehzahl der Antriebsmaschine als auch des Erregungsniveaus kann die Menge an zugeführter elektrischer Leistung erhöhen, während eine Abnahme von beiden den gegenteiligen Effekt haben kann.
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Das Leistungselektronikmodul 30 kann die Drehzahl der Antriebsmaschine unter Verwendung des Antriebsmaschinendrehzahlsensors 66 bestimmen (Schritt 78). Basierend auf der bestimmten Drehzahl der Antriebsmaschine kann das Leistungselektronikmodul 30 das zum Erzeugen der in Schritt 76 bestimmten elektrischen Leistung erforderliche Erregungsniveau berechnen (Schritt 80). Das Leistungselektronikmodul 30 kann dann einen Strom in die proximale Rotorwicklung 34 und/oder die distale Rotorwicklung 38 leiten, die zum Erzeugen des in dem Schritt 80 berechneten Erregungsniveaus ausgebildet sind (Schritt 82). Entsprechend kann die Verbraucherlast 16 die elektrische Leistung aufnehmen, die sie benötigt.
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Das Leistungselektronikmodul 30 kann Änderungen, wie beispielsweise Änderungen der Drehzahl der Antriebsmaschine und/oder Änderungen des Leistungsbedarfs der Verbraucherlast überwachen (Schritt 84). Um die Änderungen der Drehzahl der Antriebsmaschine zu erfassen, kann das Leistungselektronikmodul 30 weiter die Antriebsmaschine 20 unter Verwendung des Antriebsmaschinendrehzahlsensors 66 überwachen. Zusätzlich oder alternativ kann das Leistungselektronikmodul 30 zum Erfassen von Änderungen der Erfordernisse der elektrischen Leistung der Verbraucherlast die Verbraucherlast 16 unter Verwendung des Verbraucherlastsensors 68 weiter überwachen. Zusätzlich oder alternativ kann das Leistungselektronikmodul 30 zum Erfassen von Änderungen der durch die Versorgungsleitung 14 zugeführten elektrischen Leistung die Versorgungsleitung 14 unter Verwendung des Versorgungsleitungssensors 70 überwachen. Solange wie keine Änderungen erfasst werden (Schritt 86, NEIN), kann das Leistungselektronikmodul 30 den doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 in seinem momentanen Betriebszustand halten und das Verfahren 72 kann enden (Schritt 88). Falls eine Änderung erfasst wird (Schritt 88, JA), kann das Leistungselektronikmodul 30 zu dem Schritt 76 zurückkehren. Man beachte auch, dass, selbst falls Änderungen nicht erfasst werden, das Leistungselektronikmodul 30 zu dem Schritt 76 zurückkehren kann, was dem Leistungselektronikmodul 30 erlaubt, Änderungen kontinuierlich zu überwachen und Einstellungen vorzunehmen, falls gewünscht.
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Während eine Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine die Art und/oder die Menge der von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 erzeugten elektrischen Leistung ändern kann, kann das Leistungselektronikmodul 30 zum Reduzieren oder Beseitigen der Effekte der Änderung wirken, falls diese unerwünscht sind. Die Effekte der Änderung können unerwünscht sein, wenn beispielsweise die Verbraucherlast 16 eine gleichbleibende Art und/oder Menge an elektrischer Leistung erfordert. In solchen Fällen kann, wenn das Leistungselektronikmodul 30 eine Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine in Schritt 84 erfasst, das Leistungselektronikmodul 30 zu dem Schritt 76 des Verfahrens 72 zurückkehren. Beim Ausführen des Schritts 76 kann das Leistungselektronikmodul 30 bestimmen, dass sich der Bedarf der Verbraucherlast 16 an elektrischer Leistung nicht geändert hat. Das Leistungselektronikmodul 30 kann beim Bestimmen der Drehzahl der Antriebsmaschine in dem Schritt 78 das Erregungsniveau berechnen, das zum Erzeugen der erforderlichen elektrischen Leistung bei der bestimmten Drehzahl der Antriebsmaschine erforderlich ist (Schritt 80). Da sich die Drehzahl der Antriebsmaschine geändert hat, während sich der Bedarf der Verbraucherlast 16 an elektrischer Energie nicht geändert hat, kann das Leistungselektronikmodul 30 zum Kompensieren der Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine das Erregungsniveau einstellen, und somit die von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 erzeugte elektrische Leistung im Wesentlichen konstant halten.
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In anderen Fällen können sich die Bedarfe an elektrischer Leistung der Verbraucherlast 16 ändern und, um weiter den elektrischen Leistungsbedarfen gerecht zu werden, kann das Leistungselektronikmodul 30 in Abhängigkeit davon, ob die Bedarfe an elektrischer Leistung ansteigen oder fallen, das Erregungsniveau einstellen, um zu verhindern, dass die Verbraucher zu viel oder zu wenig elektrische Leistung erhalten. Wenn beispielsweise die durch die Versorgungsleitung 14 gelangende elektrische Leistung abnimmt, kann die Verbraucherlast 16 zusätzliche elektrische Leistung von dem doppelt gespeisten Axialflussinduktionsgenerator 12 benötigen, um den Verlust von elektrischer Leistung aus der Versorgungsleitung 14 auszugleichen. Das Leistungselektronikmodul 30 kann die Abnahme der elektrischen Leistung aus der Versorgungsleitung 14 unter Verwendung des Versorgungsleitungssensors 70 erfassen. Entsprechend kann das Leistungselektronikmodul 30 zu dem Schritt 76 zurückkehren. Beim Vergleichen der abgenommenen elektrischen Leistung aus der Versorgungsleitung 14 mit den Leistungsdarfen der Verbraucherlast 16 kann das Leistungselektronikmodul 30 bestimmen, dass die elektrische Leistung, die die Verbraucherlast 16 von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 benötigt, angestiegen ist. Nach dem Bestimmen der Drehzahl der Antriebsmaschine in dem Schritt 78 kann das Leistungselektronikmodul 30 das erforderliche Erregungsniveau berechnen (Schritt 80). Als Antwort auf die Abnahme der von der Versorgungsleitung 14 zugeführten elektrischen Leistung kann das zum Ausgleichen erforderliche Erregungsniveau erhöht werden. Somit kann das Leistungselektronikmodul 30 zum Erhöhen der in der Statorwicklung 76 erzeugten Spannung mehr Strom in die proximale Rotorwicklung 34 und/oder die distale Rotorwicklung 38 einspeisen und den der Verbraucherlast 16 zugeführten Strom erhöhen. Das Antriebselektronikmodul 30 kann ähnliche Schritte als Antwort auf einen gestiegenen Leistungsverbrauch bei der Verbraucherlast 16 ausführen.
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Wenn die durch die Versorgungsleitung 14 gelangende elektrische Leistung ansteigt, kann die Verbraucherlast 16 weniger elektrische Leistung von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 benötigen, um ihren Bedarfen gerecht zu werden. Das Leistungselektronikmodul 30 kann den Anstieg der elektrischen Leistung aus der Versorgungsleitung 14 unter Verwendung des Versorgungsleitungssensors 70 erfassen. Entsprechend kann das Leistungselektronikmodul 30 zu dem Schritt 76 zurückkehren. Beim Vergleichen der gestiegenen elektrischen Leistung aus der Versorgungsleitung 14 mit den Bedarfen der Verbraucherlast 16 kann das Leistungselektronikmodul 30 bestimmen, dass die elektrische Leistung, die die Verbraucherlast 16 von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 benötigt, abgenommen hat. Nach dem Bestimmen der Drehzahl der Antriebsmaschine in dem Schritt 78, kann das Antriebselektronikmodul 30 das erforderliche Erregungsniveau berechnen (Schritt 80). Als Antwort auf den Anstieg der elektrischen Leistung aus der Versorgungsleitung 14, kann das erforderliche Erregungsniveau zum Ausgleichen verringert werden. Das Leistungselektronikmodul 30 kann ähnliche Schritte als Antwort auf einen abgenommenen Leistungsverbrauch bei der Verbraucherlast 16 ausführen.
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Obwohl die vorhergehenden Beispiele isolierte Änderungen des Elektrosystems 10 beschreiben, sollte es sich verstehen, dass sich die Drehzahl der Antriebsmaschine, die Zufuhr an elektrischer Leistung aus der Versorgungsleitung 14 und/oder die Leistungsbedarfe der Verbraucherlast 16 bei einigen Fällen gleichzeitig ändern können und sich in unterschiedlichen Richtungen (d. h. Anstieg oder Abnahme), und in ändernden Größen ändern können. In jedem Fall kann das Leistungselektronikmodul 30 die Änderungen erfassen und durch Ausführen des Verfahrens 72 das Niveau (der Größe und/oder der Frequenz) der Erregung der proximalen Rotorwicklung 34 und der distalen Rotorwicklung 38 einstellen, um den Fluss der von dem doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerator 12 als Antwort auf eine Änderung zugeführten elektrischen Leistung einzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann das Leistungselektronikmodul 30 als Antwort auf die Änderungen entweder mehr oder weniger elektrische Leistung über den Antriebselektronikmodulausgangsanschluss 62 der Verbraucherlast 16 zuführen. Ferner kann das Leistungselektronikmodul 30 dazu beitragen, Leistung von der Antriebsmaschine 20 und von/zu der Energiespeichervorrichtung 32 entsprechend dem Bedarf der Verbraucherlast 16 und/oder der Versorgungsleitung 14 liefern. Somit kann das Leistungselektronikmodul helfen, sicherzustellen, den Leistungsbedarfen der Verbraucherlast 16 selbst unter variablen oder Übergangsbetriebszuständen gerecht zu werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Ein doppelt gespeister Axialfluss-Induktionsgenerator 12 und ein Verfahren 72 zum Erzeugen von elektrischer Leistung können bei den meisten Bauarten von Elektrosystemen 10 nützlich sein. Beispielsweise können der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 und das Verfahren zum Liefern von elektrischer Leistung zur Verwendung in einem Stromnetz, einer Anlage und/oder einer Maschine geeignet sein. Prozesse und Verfahren gemäß den offenbarten Ausführungsformen können eine effiziente Weise zum Ergänzen oder Ersetzen von elektrischer Leistung schaffen, die normalerweise aus einer Versorgungsleitung 14 empfangen wird, um dazu beizutragen, sicherzustellen, dass eine Verbrauchelast 16 die elektrische Leistung erhält, die sie benötigt.
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Das Elektrosystem 10 kann während des Betriebs Änderungen erfahren. Solche Änderungen können als eine Folge der Änderungen der Betriebsdrehzahl einer Antriebsmaschine 20 des doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerators 12, Änderungen der Bedarfe an elektrischer Leistung der Verbraucherlast 16 und/oder Änderungen der von der Versorgungsleitung 14 zugeführten elektrischen Leistung auftreten. Solche Änderungen können unerwünschte Schwankungen in der der Verbraucherlast 16 zugeführten elektrischen Leistung bewirken. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 kann die Änderungen durch Überwachen von sich selbst und des Elektrosystems 10 unter Verwendung von einem oder mehreren Sensoren 66, 68 und 70 und Einstellen seines Betriebs zum Reduzieren oder Beseitigen der unerwünschten Schwankungen kompensieren. Daher kann der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator die gesamte Qualität der der Verbraucherlast 16 zugeführten elektrischen Leistung selbst unter Übergangsbetriebszuständen verbessern.
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Das Verbessern des Betriebs unter Übergangszuständen kann von besonderer Bedeutung auf dem Gebiet der Windenergie sein. Windturbinen können als Antriebsmaschinen zum Liefern von mechanischer Energie verwendet werden und diese mechanische Energie kann in elektrische Energie gewandelt werden. Die Windturbinen können jedoch bei variablen Drehzahlen arbeiten, wobei die Drehzahl von den Windbedingungen abhängig sein kann. Da der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 Änderungen der Drehzahl der Antriebsmaschine erfassen und kompensieren kann, kann der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator 12 dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Leistungsqualität bei der Verbraucherlast 16 trotz der Änderungen der Windbedingungen beibehalten werden kann. Entsprechend kann der doppelt gespeiste Axialflussinduktionsgenerator 12 sehr gut für Windenergieanwendungen geeignet sein.
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Außerdem kann die Anordnung eines Leistungselektronikmoduls 30 des doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerators 12 dem Leistungselektronikmodul 30 erlauben, nicht nur die von dem doppelt gespeisten Axialflussinduktionsgenerator 12 erzeugte elektrische Leistung zu steuern, sondern auch zusätzliche elektrische Leistung zu der Verbraucherlast 16 zu liefern. Das Antriebselektronikmodul 30 kann zusätzliche elektrische Leistung zu der Verbraucherlast 16 als eine Folge seiner parallelen Anordnung bezüglich der Antriebsmaschine 20 liefern. Insbesondere da das Leistungselektronikmodul 30 mit einem proximalen Rotor 24, einem distalen Rotor 26 und dem Verbraucher 16 funktionsfähig verbunden sein kann, kann das Leistungselektronikmodul 30 in der Lage sein, nicht nur den proximalen Rotor 24 und den distalen Rotor 26 zu erregen, sondern auch elektrische Leistung direkt zu der Verbraucherlast 16 zu liefern, womit der Bedarf an mehreren Leistungselektronikmodulen beseitigt wird. Dies kann die Grundfläche des doppelt gespeisten Axialfluss-Induktionsgenerators verringern, während durch das Beseitigen fremder Bauteile auch die Kosten verringert werden.
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Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten System und Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich werden Fachleute andere Ausführungsformen des offenbarten Systems und Verfahrens beim Studieren der Beschreibung erkennen. Die Beschreibung und Beispiele sollen lediglich als beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Schutzbereich der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben wird.
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Zusammenfassung
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DOPPELT GESPEISTER AXIALFLUSS-INDUKTIONSGENERATOR
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Ein doppelt gespeister Axialfluss-Induktionsgenerator (12) kann eine zum Liefern von mechanischer Energie ausgebildete Antriebsmaschine (20) aufweisen. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator (12) kann auch eine mit der Antriebsmaschine (20) gekoppelte Rotoranordnung (24, 26) aufweisen, wobei die Antriebsmaschine (20) zum Drehen der Rotoranordnung (24, 26) ausgebildet ist. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator (12) kann ferner einen Stator (28) aufweisen. Der doppelt gespeiste Axialfluss-Induktionsgenerator (12) kann ferner ein Leistungselektronikmodul (30) aufweisen, das mit der Rotoranordnung (24, 26) und dem Stator (28) gekoppelt ist, wobei das Leistungselektronikmodul (30) parallel zu der Antriebsmaschine (20) geschaltet ist und zum Unterstützen des Wandelns der mechanischen Energie in elektrische Energie sowie zum Übertragen von Leistung zwischen der Antriebsmaschine (20) und einer Energiespeichervorrichtung (32) ausgebildet ist. Die Energiespeichervorrichtung (32) kann mit dem Leistungselektronikmodul (30) gekoppelt sein und kann ausgebildet sein, Leistungsbedarfsänderungen gerecht zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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