DE19715690A1 - Generator zur Erzeugung von Strom - Google Patents

Description

1. Generator zur Erzeugung von Strom,
dadurch gekennzeichnet, daß dieser Generator besonders für Windenergieanlagen oder andere Kraftquellen mit niedrigen und oder schwankenden Drehzahlen geeignet ist.

Der Generator Gleichstrom erzeugt ohne einen Komutator zu verwenden.

2. Generator

2.1. Mittlere oder große Windenergieanlagen, werden mit mehrstufigen Getrieben und mit mehreren Generatoren für verschiedene Drehzahlen und Windgeschwindigkeiten gebaut. Je nach der zur Verfügung stehenden Windenergie wird das Getriebe auf eine andere Übersetzung eingestellt und der zur Antriebsenergie = Drehmoment passende Generator zugeschaltet. Das heißt bei niedrigen Windgeschwindigkeiten verringert ein Getriebe durch verschiedene Verluste die Leistung der gesamten Anlage. Dadurch können niedrige Drehzahlbereiche nicht genutzt werden.

Diese Getriebe sind bei der Herstellung relativ teuer, da nur kleine Stückzahlen hergestellt werden. Die Herstellungskosten eines Getriebes heben deutlich den Gesamtpreis einer Windenergieanlage.

2.2. Dieser neue Generator ist aufgebaut wie folgt (siehe Zeichnung "Perspektivische Darstellung" und "Spulenkörper"). Es werden mehrere einzelne Spulen verwendet, die im Kreis angeordnet sind. Die gedachte Mittelachse der jeweils kreissegmentförmigen Spulenkörper ist quer zur Antriebsachse angeordnet, so daß in der Vorderansicht die gedachte Achse der einzelnen Spulenkörper mit der Mittelachse der Maschine als ein Punkt gesehen, ein gleichseitiges Dreieck ergeben. Die Anzahl der Spulen auf Läufer- und Statorseite beeinflussen die Frequenz des resultierenden Stromes. Die Dimensionierung der einzelnen Spulen, sowie die Leistungsfähigkeit der Gleichrichter beeinflussen die Stromstärke.

Der Strom in die Erregerspulen kann, wenn es sinnvoll erscheint, auch ohne Regelung einfließen, jedoch wird im Falle einer Windenergiemaschine eine fließende Abregelung der Stromstärke wichtig sein, um bei höheren Windgeschwindigkeiten die Abgabeleistung zu vermindern.

Jede Spule auf der Statorseite, hat mindestens einen, je nach der zu erwarteten Abgabeleistung, dimensionierte Gleichrichter nachgeschaltet (siehe Zeichnung "vereinfachtes Schaltschema"). Die Gleichrichter verhindern somit, daß Strom in die nichtangeregten Ständerspulen zurückfließt. Die Leitungen aller Ständerspulen werden nach den Gleichrichtern auf einen Leiter zusammengeschlossen.

Die Erregung der Läuferspulen kann mit Gleichstrom durch eine oder mehrere Strom durchflossene Läuferspulen erfolgen, oder auch nichtabregelbar durch Dauermagnete in den Generatorblechen auf der Läuferseite.

Der Strom für die Läuferspulen kann aus einer beliebigen Gleichstromquelle stammen, auch z. B. aus einem Akkumulator, den der Generator während des Betriebes wieder auflädt.

Die Anzahl der Spulen auf der Statorseite sowie auf der Läuferseite kann beliebig variieren. Wird eine Maschine gebaut, bei der Läufer und Stator die gleiche Anzahl von Spulen mit immer gleichen Winkelabstand zwischen den Spulen, dann wird ein einzelner Stromimpuls entstehen, und erst bis sich die Spulen wieder treffen der nächste Impuls.

Wird eine Maschine gebaut, die mit einer auf Ständer und Läufer unterschiedlichen Anzahl von Spulen ausgestattet ist, kann je nach Aufteilung (wie z. B. 15 Spulen auf Statorseite und 8 Spulen auf Läuferseite = 120 Impulse pro Umdrehung) eine geglättete Spannung durch Überlappung der einzelnen Amplituden entstehen, da eine Spule Strom produziert, eine die Stromproduktion beendet und ein weitere gerade damit beginnt Strom zu erzeugen. Die nachgeschalteten Gleichrichter glätten die abgegebene Spannung noch weiter (siehe Zeichnung "Darstellung der Stromimpulse").

Durch die Überlappung der Impulse wird sich eine Gleichspannung ergeben, die sich gut dazu eignet mit einem Wechselrichter elektronisch umgewandelt zu werden und bei ausreichender Leistung und der durch Wechselrichter einstellbaren Frequenz, auch in ein Wechselstromnetz eingespeist werden kann.

2.3. Dieser Generator eignet sich wie in Punkt 2.2 beschrieben speziell für Anwendungen wo eine langsame Antriebsquelle vorhanden ist. Speziell bei Windenergieanlagen oder auch freien Wasserrädern. Durch die speziellen Merkmale dieser Maschine können aufwendige Getriebe eingespart werden.

Für kleinere Anlagen steht ohne weitere Umformung Gleichstrom zur Verfügung, um z. B. Akkumulatoren zu laden. Bei großen Anlagen wird ein Wechselrichter nachgeschaltet und ein Netzanschluß hergestellt.

Claims (35)

1. Für einen Generator zur Erzeugung von Strom. Besondere Kennzeichen dieser Maschine sind,
   1. daß dieser Generator auf Grund seiner Konstruktion besonders für Antriebsquellen mit niedrigen und oder schwankenden Drehzahlen geeignet ist.
2. 2. Dieser Generator erzeugt Gleichstrom ohne einen Komutator zu verwenden.
3. 3. Die Läuferseite der Maschine wird mit Gleichstrom oder Permanentmagnet erregt.
4. 4. Beim Vorbeilaufen des Läufers wird in den Ständerspulen ein Magnetfeld aufgebaut.
5. 5. Die Anziehungskräfte zwischen Läufer- und Ständermagnetfeld versuchen die Drehbewegung des Läufers aufzuhalten. (Zeichnung 1).
6. 6. In der Ständerwicklung entsteht durch Induktion ein Stromfluß in der Spule.
7. 7. Es gibt innerhalb dieser Maschine keine die Richtung wechselnde Magnetfelder (Zeichnung 3).
8. 8. Auf der Ständerseite wird jeder Spule ein oder mehrere Stromrichtungsbegrenzer nachgeschaltet (Zeichnung 2).
9. 9. Die Kondensatoren verhindern ein Zurückfließen des Stromes in die nicht erregten Ständerspulen.
10. 10. Die Ständerspulen können nach den Kondensatoren auf einen Leiter zusammengeschlossen werden.
11. 11. Es werden mehrere voneinander unabhängige Spulen verwendet (Zeichnung 4).
12. 12. Die Spulen sollten mit magnetisch leitenden Material ausgefüllt sein.
13. 13. Die Spulenkörper können beliebig dimensioniert sein.
14. 14. Die Ständerspulen sind kreisförmig/radial um die Drehachse angeordnet (Zeichnung 4).
15. 15. Die Läuferspulen sind kreisförmig/radial um die Drehachse angeordnet.
16. 16. Die beiden Kreise von Ständer- und Läuferspulen liegen ineinander oder nebeneinander um die Drehachse.
17. 17. Ständerspulen und Läuferspulen stehen sich gegenüber.
18. 18. Die Pole der Spulen stehen sich berührungsfrei, mit möglichst kleinem Luftspalt gegenüber.
19. 19. Die Spulenkörper sind entlang der Achse des Kreises ausgerichtet.
20. 20. Die Feldlinien des Magnetfeldes in den Spulen, sind entlang der Achse des Kreises ausgerichtet.
21. 21. Die Anzahl der Spulen/Magnete auf der Läuferseite kann beliebig groß sein, jedoch größer gleich eins.
22. 22. Die Anzahl der Spulen auf der Ständerseite kann beliebig groß sein, jedoch größer gleich eins.
23. 23. Die Anzahl der Spulen auf Ständer und Läufer kann in beliebigen Kombinationen voneinander abweichen (z. B. fünfzehn auf Ständer, acht auf Läufer oder auch z. B. vier auf Ständer, drei auf Läufer).
24. 24. Die Anzahl der Spulen auf Läufer- und Statorseite beein­ flussen die Gleichstromimpulsfrequenz des resultierenden Stromes (Zeichnung 5).
25. 25. Es muß in mindestens eine Läuferspule erregt-werden.
26. 26. Der Erregerstrom kann in Stromstärke steuerbar sein.
27. 27. Der Erregerstrom kommt aus einer Gleichstromquelle.
28. 28. Der Erregerstrom kann aus einem Akkumulator stammen, den der Generator während des Betriebes auflädt.
29. 29. Die Spulen auf dem Ständer können größer/massiver sein als die Läuferspulen.
30. 30. Die Spulen auf Läufer oder Ständer können sich in Form voneinander unterscheiden (z. B. halbkreisförmig beim Läufer und U-förmig beim Ständer).
31. 31. Die Form der Spulenkörper kann beliebig gewählt werden (z. B. Halbkreis, U-förmig mit langen Schenkeln oder verlängerter Basis, halbes Rechteck mit langen- Schenkel oder langer Basis.
32. 32. Idealerweise, sollen die verwendeten Spulen kreissegmentförmig sein, um den Magnetfeldlinien kurze Wege zu ermöglichen (Zeichnung 6).
33. 33. Die Form der Pole von Läufer- und Ständerspulen soll am Luftspalt mit dem jeweils gegenüberliegenden Pol der anderen Spule übereinstimmen.
34. 34. Die Stromrichtung in den Spulen bleibt im Betriebszustand immer die gleiche.
35. 35. Die Spule kann aus einzelnen Leitern, oder aus Litzen, oder aus einem Zusammenschluß aus mehreren einzelnen, parallelen, voneinander isolierten Leitern bestehen.