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Generator mit Verschiebeanker
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Die Erfindung betrifft einen Generator mit Verschiebeanker.
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Der Anker ist ein am Umfang vielpolig magnetisierter Zylinder, Die
Pole wechseln in Drehrichtung hintereinander regelmäßig als Nordpol und Südpol ab.
Die Ausführung ist entweder ein am Umfang vielpoliger Dauermagnet; ein Eisen- oder
Stahlzylinder, der achsial ringsum mit Stab-Dauermagneten bestückt ist, wobei Eisen
oder Stahl gleichzeitig als Rückschluß dient; oder ein Zylinder aus nichtmagnetischem
Material mit Eisenrückschluß-Einlage zwischen den Stab-Dauermagneten. Die Stab-Dauermagnete
liegen befestigt in flachen Achsialnuten mit gleichmäßiger Umfangsteilung und sind
zur Achse des Ankers diametral magnetisiert.
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Die Ankerwelle ist als Spindel mit Steilgewinde ausgearbeitet.
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Auf der Ankerwelle dreht sich der Anker mit und fährt spiralförmig,
leistungsabhängig und selbständig in den Stator ein und aus. Gleichzeitig wird eine
Druckfeder auf der Ankerwelle gespannt oder entspannt. Dabei werden jeweils nur
soviele Magnetlinien im Stator geschnitten, wie sie der geregelte Betrieb erfordert.
Der Generator ist besonders geeignet, um aus Wind elektrischen Strom zu gewinnen.
Zudem ist er als Erregergenerator für größere Windkraftwerke, für die Nutzung von
Wasserkräften sowie für alle anderen Antriebsmaschinen mit fester oder veränderlicher
Drehzahl und Leistung geeignet.
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Der Generator ist eigenerregt. Damit wird er unabhängig von einem
öffentlichen Netz, einer Batterie oder einer getrennten Erregermaschine, von Regelmechanismen,
die sonst zwischen Erregung und Generator liegen. Die Leistungsregelung geht elastisch
und progressiv, in jeweiliger Abhängigkeit vom stark schwankenden Leistungsangebot
des Windes. Die Regelung erfolgt bis zur Auslegeleistung von der getriebenen Seite,
also vom Generator aus. Uberleistungen werden von der Antriebsseite aus verhindert.
Der Generator hat weder Kohlebürsten noch Schleifringe. Die Leistungsübertragung
vollzieht sich elastisch und unmittelbar. Das Übersetzungsverhältnis zwischen
Antrieb
und Generator ist gering, Die Nenndrehzahl und damit die höchstmögliche Auslegedrehzahl
des Propellers wird unabhängig von der jeweiligen Leistung voll gefahren. Um schnell
auf Nenndrehzahl zu kommen, ist die Anfangserregung gering.
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Die Regelung geht auf kürzestem Weg bei geringstem Einsatz von Teilen
vor sich. Aus seinem einfachen Aufbau ergibt sich Wartungsarmut und hohe Lebensdauer.
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Generatoren für die verschiedenen Zwecke mit Eigen- oder Fremderregung
sind bekannt. Dazu zählen: eigenerregte Generatoren mit Dauermagnet (Dynamos), Generatoren
mit nachgeschalteter Erregermaschine, mit Batterie- oder Netz-Erregung und Asynchron-GeneratorenO
Eigenerregte Generatoren mit Dauermagneten (Dynamos) haben, auf Nennleistung eines
Windkraftwerkes ausgelegt, einen so hohen Anfangswiderstand, daß sie nicht anfahren.
Generatoren mit nachgeschalteter Erregermaschine sind unwirtschaftlich0 Generatoren
mit Batterieerregung sind nicht nur unwirtschaftlich, sondern nach längerer Windflaute
infolge der selbständigen Batterieentleerung nicht sofort einsatzbereit. Bedingt
durch die fehlende Erregung geht das Kraftwerk dann auf Durchgangsdrehzahl - sofern
nicht eine automatische Bremse oder Sperre das verhindert. Dies aber stellt einen
zusätzlichen Faktor der Unwirtschaftlichkeit dar.
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Netz erregte Generatoren empfangen ihren Erregerstrom entweder über
Gleichrichter oder sie arbeiten als Asynchron-Generatoren. Neben dem Vorhandensein
des Netzes als Voraussetzung dieser Betriebsart ist die zweite Abhängigkeit die
Einwilligung der Elektro-Versorgungs-Unternehmen. Asynchron-Generatoren beziehen
aus dem Netz eine Scheinleistung und geben auf das Netz eine Wirkleistung. Damit
dient das Netz als Speicher. Das Elektro-Versorgungs-Unternehmen muß jedoch die
Vorhaltung leisten. Bei Netzausfall treten ähnliche Schwierigkeiten auf wie bei
einer leeren Erregerbatterie.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vielzahl der Nachteile
bekannter Generatoren zu beseitigen und einen Generator für die breite Windkraftnutzung
zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Generator mit Verschiebeanker
gelöst, Der Anker ist ein am Umfang vielpolig magnetisierter Dauermagnet oder ein
Stahlzylinder, der achsial ringsum mit Stab-Dauermagneten bestückt ist. Die Ankerwelle
ist als Spindel mit Steilgewinde ausgearbeitet. Auf der Ankerwelle dreht sich der
Anker mit und fährt spiralförmig, leistungsabhängig und selbständig in den Stator
ein und aus.
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Gleichzeitig wird eine Druckfeder auf der Ankerwelle gespannt oder
entspannt. Dabei werden jeweils nur soviele Magnetlinien im Stator geschnitten,
wie sie der geregelte Betrieb erfordert.
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Die Verschiebung des Ankers wird erreicht durch eine im Steilgewinde
der Anker-Gewindespindel gleitende Mutter. Diese ist in die Stirnseite des Ankers
eingeschraubt, oder mit dem Anker aus einem Stück. Die Mutter nimmt den Anker in
jeder Bewegung mit. Der Ankerhub ist gleich der Ankerlänge. Die Druckfeder ist auf
der einen Seite in einem Federteller zentriert. Der Federteller drückt gegen den
Wellenbund der Ankerwelle. Das andere Druckfederende lastet zum Ausgleich der Spiralbewegung
des Ankers über einem Drucklager auf der Anker-Stirnseite.
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Die Zentrierung der Druckfeder erfolgt am Anker auf dem Mutteransatz.
Bei voller Eintauchtiefe des Ankers in den Stator wird bei Nenndrehzahl die Auslegeleistung
und die höchste Spannkraft der Druckfeder erreicht.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß sich der Generator selbständig und auf kürzestem Weg leistungsabhängig regelt.
Er ist von jeder Fremderregung unabhängig, sei es von einer getrennten Erregermaschine,
von einem öffentlihen Netz, von einer Batterie oder zusätzlichen Regelgliedern zwischen
Generator und Erreger stromquelle.
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Er regelt sich progressiv und elastisch und kann als Erregerstromgenerator
für ein größeres Windkraftwerk dienen, dem er bereits ohne sonstige Zwischenglieder
geregelten Strom liefert. Durch die Druckfeder ist eine elastische Umwandlung der
stoßweisen mechanischen Energie der Windböen in elektrischen Strom gegeben. Dies
wirkt sich schonend und die Lebensdauer erhöhend auf alle Anlagenteile des Windkraftwerkes
aus. Durch die progressive Regelung ist die höchstmögliche Ausnutzung böiger Winde
gewährleistet0 Die Regelung fährt mit dem Winddiagramm synchron.
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Zudem eignet er sich für die Nutzung von Wasserkräften. Dabei wird
nur die Wassermenge an der Turbine von Null- auf Auslegeleistung geregelt. Der Generator
paßt sich dieser Regelung selbständig an.
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Das gleiche gilt für alle anderen Antriebsmaschinen mit fester oder
veränderlicher Drehzahl. Der Generator hat Ölschmierung.
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Propellerwelle, Getriebe und Generator können auch eine ölgeschmierte
Wartungseinheit bilden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Zusammengebauter Generator mit den Teilen: 1. Ankerwelle mit Steilgewinde 2o Wellenbund
3. Federteller 4. Druckfeder 5. Ankerwicklung 6. Achsiallager 7. Mutter mit Steilgewinde
8. Dauermagnet 9. Anker 10. Zentrier- und Gleitbuchsen A= Ausgangsstellung des Ankers
bei Arbeitsbeginn E= Endstellung des Ankers bei Höchstleistung0
Es
besteht der Zusammenhang zwischen Nenndrehzahl, Leistung, Eintauchtiefe des Ankers
in den Stator und Spannkraft der Druckfeder. Diese sind aufeinander abgestimmt0
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Stromerzeugung zu steigern: 1) Vergrößerung des
Magnetfeldes gegenüber dem Stator bei gleichbleibender Drehzahl, 2) Steigerung der
Drehzahl gegenüber dem Stator bei unverändertem Magnetfeld.
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In beiden Fällen werden mehr Magnetlinien pro Sekunde geschnitten.
In beiden Fällen vergrößert sich aber auch die Umfangskraft am Anker. Sie ist wirksam
im Spalt zwischen Anker und Stator. Die Erhöhung der Umfangskraft bewirkt das Vorschrauben
des Ankers in den Stator0 Arbeitsbeginn: Bei Arbeitsbeginn steht der Anker mit seinem
Gesamtmagnetfeld vor dem Stator. Mit geringer Drehzahl beginnt zunächst ein schwacher
Strom in der Statorwicklung zu fließen. Dieser geringe Stromfluß ermöglicht das
leichte und schnelle Hochfahren des Propellers auf Nenndrehzahl.
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Nach dem Anfahren auf Nenndrehzahl bleibt diese über den gesamten
Regelbereich bis zur Höchstleistung gleich groß, ohne Rücksicht auf das Leistungsangebot.
Da aber das Leistungsangebot schwankt, wird die Nenndrehzahl durch den Anker mit
seinem Magnetfeld gehalten, Abweichungen von der Nenndrehzahl sind Beschleunigungen
oder Verzögerungen. Beschleunigungen entstehen durch Leistungssteigerungen, Verzögerungen
durch Leistungsverminderungen. Leistungssteigerung versucht, sich in höherer Ankerdrehzahl
auszuvirken. Da aber dann pro Sekunde mehr magnetische Linien geschnitten werden,
wird die Umfangskraft größer und der Anker vorgeschraubt; damit wird das Magnetfeld
gegenüber dem Stator vergrößert. Die Vergrößerung des Magnetfeldes gegenüber dem
Stator verhindert aber die Drehzahlerhöhung gegenüber der Nenndrehzahl; gleichzeitig
wird die Feder gespannt0
Der Anker ist zwischen zwei Kräften gehalten.
Die Hauptkraft ist an seinem Umfang das Ergebnis aus Magnetfeld und Umfangsgeschwindigkeit.
Dieser hält die Druckfeder beim jeweiligen Regelstand das Gegengewicht. Die Kurve
des Leistungsanstiegs entspricht der Kurve im Druckverlauf der Feder. Geringe Leistung
bedeutet geringe Federspannung. Höchstleistung entspricht der voll gespannten Feder.
Der Anker dreht sich gemeinsam mit der Ankerwelle. Bei Leistungsänderung wandert
er gleichzeitig vor oder zurück. Versucht der Propeller, infolge höherer Leistungsaufnahme
seine Nenndrehzahl zu überschreiten, so beginnt sich die Ankerwelle mit dem Gewindeteil
in den Anker hineinzuschrauben. Dabei wird der Anker aber weiter in den Stator gezogen
und gleichzeitig die Druckfeder gespannt. Jetzt wird die Statorwicklung einem größeren
Magnetfeld ausgesetzt; es wird also mehr Strom erzeugt. Dies hindert den Propeller,
seine Nenndrehzahl zu überschreiten.
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Der Anker wandert um die gewünschten und abgestimmten Beträge stufenlos
bis zum Anschlag in den Stator. Er spielt im Regelbereich hin und her. Er wählt
selbständig die Nenndrehzahl und die leistungsabhängige Stellung gegenüber dem Stator.
Voll in den Stator eingefahren, erbringt er bei der Nenndrehzahl die Auslegeleistung,
die der Höchstleistung entspricht. Das Wandern des Ankers nach vorn wird bewirkt
durch die steigende Umfangskraft bei Leistungszunahme. Zum Geringeren hilft hier
auch seine Massenträgheit mit. Leistungsverminderung kehrt die Vorgänge um.
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Die Drehzahl versucht, unter die Nenndrehzahl zu sinken und damit
die Umfangsgeschwindigkeit des Ankers zu verringern.
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Dadurch werden aber weniger Magnetlinien pro Sekunde geschnitten.
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Die Umfangskraft am Anker läßt nach, die Feder schiebt ihn aus dem
Stator in Richtung Ausgangsstellung. Das wirksame Magnetfeld gegenüber dem Stator
verkleinert sich, die Umfangskraft verringert sich0 Dies geschieht solange, bis
das Kräftegleichgewicht am Anker bei gleicher Nenndrehzahl wieder erreicht ist.
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Die Vorgänge vollziehen sich gleichzeitig und gehen spielend ineinander
über. Bei plötzlichem Leistungsabbruch ist, unabhängig von der Regelstrecke, die
Feder immer so gespannt, daß sie den Anker auf seine Ausgangsstellung vor die Statorwicklung
schiebt.