Windkraftanlage Die Erfindung betrifft Windkraftanlagen zur Erzeugung
elektrischer Energie, insbesondere für die Versorgung von Einzelhäusern mit Lichtstrom,
in Verbindung mit einer Akkumulatorenbatterie, wie sie unter der Bezeichnung »Windlader«
bereits in verschiedenen Ausführungen bekannt sind. Diese »Windlader« bestehen in
der Regel aus einem verhältnismäßig kleinen schnelläufigen Windrad, das über ein
Zahnradgetriebe einen kleinen Gleichstromgenerator antreibt. Es sind auch bereits
Windkraftanlagen bekannt, die mit selbsttätig von einer Anlaufstellung über eine
Vollast- zu einer Drosselstellung vollverstellbaren Flügeln zur Erleichterung des
Anlaufs und als Drehzahlbegrenzung ausgerüstet sind. Ferner werden auch bereits
Windlader mit direkt angetriebenem, verhältnismäßig langsam laufendem Gleichstromgenerator
hergestellt. Diese letztere Bauart zeichnet sich infolge Fortfalls jedes mechanischen
Getriebes zwischen Windrad und Generator durch erhöhte Betriebssicherheit aus; sie
enthält in dem Kommutator des Gleichstromgenerators jedoch ebenfalls ein Bauglied,
das durch die ständige Bürstenreibung gewisse mechanische Verlustarbeit und vor
allem eine unvermeidbare Abnutzung im Dauerbetrieb verursacht. Schließlich sind
auch Generatoren in Form von permanentmagnetisch erregten Wechselstrommaschinen
mit am stillstehenden-Gehäuse angeordneter Hauptstromwicklung an sich bekannt.Wind power plant The invention relates to wind power plants for generation
electrical energy, especially for supplying individual houses with luminous flux,
in connection with an accumulator battery, as it is called "wind charger"
are already known in various designs. These "wind loaders" consist in
usually from a relatively small, high-speed wind turbine that has a
Gear drive drives a small DC generator. There are already
Wind turbines known that with automatically from a start-up position via a
Full load to a throttle position fully adjustable wings to facilitate the
Start-up and are equipped as a speed limiter. Furthermore, are also already
Wind loader with directly driven, relatively slow running direct current generator
manufactured. This latter design is characterized by the omission of any mechanical
Transmission between wind turbine and generator due to increased operational reliability; she
but also contains a component in the commutator of the direct current generator,
that due to the constant brush friction certain mechanical loss work and before
mainly causes unavoidable wear and tear in continuous operation. Finally are
also generators in the form of AC machines with permanent magnets
with the main current winding arranged on the stationary housing is known per se.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Windlader mit größtmöglicher Betriebssicherheit,
gutem Anlaufverhalten und zugleich wirtschaftlicher Herstellungsmöglichkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe soll durch die Vereinigung folgender für sich bekannter Merkmale an
einer derartigen Windkraftanlage gelöst werden: a) schnelläufiges Windrad
mit
selbsttätig von einer Anlaufstellung über die Vollast- zu einer Drosselstellung
verschwenkbaren Flügeln, b) unmittelbar mit dem Windrad gekuppelter Generator und
c) Verwendung einer permanentmagnetisch erregten Wechselstrommaschine mit am stillstehenden
Gehäuse angeordneter Hauptstromwicklung.The object of the invention is to provide a wind charger with the greatest possible operational safety,
to create good start-up behavior and at the same time economical production possibility.
This task is to be achieved by combining the following characteristics which are known per se
such a wind turbine can be solved: a) high-speed wind turbine
with
automatically from a start-up position via full load to a throttle position
pivotable blades, b) generator coupled directly to the wind turbine and
c) Use of a permanent magnet excited alternating current machine with the stationary
Housing arranged main current winding.
Bei einem solchen Aufbau ermöglicht die Ausbildung als schnelläufiges
Windrad mit nur wenigen (zwei bis drei) vollverstellbaren Flügeln mit besonderer
Aufstellung einen Betrieb mit sehr hoher Schnellaufzahl (u/v etwa zwischen 8 und
Io) bei verhältnismäßig großem Anlaufdrehmoment, so daß. der direkt angetriebene
Generator auch ohne Übersetzungsgetriebe mit einer ausreichenden Drehzahl betrieben
werden kann. Durch die Verwendung einer vielpoligen permanentmagnetisch erregten
Wechselstrommaschine mit stillstehender Hauptstromwicklung wird dabei das Anlaufverhalten
infolge Fortfalls jeglicher Bürstenreibung noch weiter verbessert und zugleich eine
größtmögliche Betriebssicherheit der ganzen Anlage erzielt, bei der es im elektrischen
Generator keinerlei aufeinander gleitende Teile gibt.With such a structure enables the training as a fast-moving one
Wind turbine with only a few (two to three) fully adjustable blades with special
Set up a company with a very high number of speeds (u / v between 8 and
Io) at a relatively high starting torque, so that. the directly driven one
Generator operated with sufficient speed even without a transmission gear
can be. By using a multi-pole permanent magnet excited
AC machine with the main current winding at a standstill is the starting behavior
as a result of the absence of any brush friction even further improved and at the same time a
The greatest possible operational safety of the entire system is achieved with the electrical
Generator does not have any parts sliding on each other.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Windladers sind die Flügel
radial beweglich mit Hilfe von Lenkerparallelogrammen an der Nabe befestigt und
mit einem zusätzlichen, aus Hebeln und Stoßstangen bestehenden Verstellgestänge
versehen, das den Flügeln bei einer radialen Verstellung unter Wirkung der Zentrifugalkraft
selbsttätig eine sich umkehrende Schwenkbewegung von der Anlauf- über die Vollast-
zur Drosselstellung erteilt. Diese Ausgestaltung ermöglicht durch die reibungsarme
Art der Flügelaufhängung an der Nabe eine besonders betriebssichere, rein mechanische,
selbsttätige Einstellung der Flügel auf ihre verschiedenen Steigungswinkel.In a preferred embodiment of the wind loader, the blades are
radially movable with the help of handlebar parallelograms attached to the hub and
with an additional adjustment rod consisting of levers and bumpers
provided that the wings in a radial adjustment under the action of centrifugal force
automatically a reversing swivel movement from the start-up to the full load
granted for throttle position. This configuration is made possible by the low-friction
Type of wing suspension on the hub a particularly reliable, purely mechanical,
automatic adjustment of the wings to their different pitch angles.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Flügel zweckmäßig
mit zwei vorgespannten, verschieden starken Rückführfedern versehen, die durch ein
erst bei Vollaststellung der Flügel einsetzendes Wirksamwerden der härteren Feder
eine stark abgestufte Kennlinie ergeben. Hierdurch wird erreicht,, daß die Flügel
unter Überwindung der anfänglich sehr kleinen Federrückstellkräfte schon bei einer
verhältnismäßig niedrigen Drehzahl aus der Anlaufstellung in die Vollaststellung
schwenken und in dieser während eines größeren Drehzahlbereichs von z. B. Ioo bis
300 U/min stehenbleiben, bis die Zentrifugalkraft den Wert der zweiten Stufe der
Federkennlinie erreicht und anschließend bei weiterer Drehzahlerhöhung ein selbsttätiges
Zurückdrehen der Flügel auf kleinere Leistung, d. h. in Drosselstellung, bewirkt.In a further embodiment of the invention, the wings are useful
provided with two pre-tensioned, differently strong return springs, which by a
The harder spring only takes effect when the wings are at full load
result in a strongly graduated characteristic. This achieves, that the wings
while overcoming the initially very small spring return forces with one
relatively low speed from the start-up position to the full load position
pivot and in this during a larger speed range of z. B. Ioo to
300 rpm stop until the centrifugal force has reached the value of the second stage
Spring characteristic reached and then an automatic with further increase in speed
Turning the wings back to lower power, d. H. in throttle position causes.
Die Magnete und/oder die Spulen des Generators können gegebenenfalls
in an sich bekannter Weise in radialer oder axialer Richtung verstellbar angeordnet
werden, um die Induktion zu verändern, wobei. es besonders zweckmäßig ist, die Verstellung
selbsttätig unter dem Einfluß der Drehzahlinderung erfolgen zu lassen. Durch diese
Maßnahme ist es möglich, die Anlage mit völlig oder doch nahezu ausgeschalteter
Erregung anlaufen zu lassen, die erst beim Erreichen einer zur Leistungsabgabe ausreichenden
Drehzahl ihren vollen Wert erreicht und beim Überschreiten der Vollastdrehzahl zur
Spannungsbegrenzung wieder verringert wird.The magnets and / or the coils of the generator can optionally
arranged adjustable in a known manner in the radial or axial direction
be to change the induction, being. it is particularly useful to adjust
to take place automatically under the influence of the speed reduction. Through this
It is possible to measure the system with completely or almost completely switched off
To let excitement start, which only when reaching a sufficient for power output
Speed reaches its full value and when the full load speed is exceeded
Voltage limit is reduced again.
Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, zur Umwandlung des erzeugten
Wechselstromes in speicherfähigen Gleichstrom einen an sich bekannten, zugleich
als Rückstromschutz für die Batterie wirkenden Trockengleichrichter zu verwenden.
Durch ein solches keinerlei Abnutzung unterliegendes Gerät wird der in den Generatorspulen
erzeugte Wechselstrom mit einem annehmbaren Wirkungsgrad in speicherfähigen Gleichstrom
umgeformt und zugleich jede Entladung der Batterie über die Generatorwicklung mit
Sicherheit verhindert: In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
in vier Abbildungen dargestellt. Von diesen zeigt im einzelnen Abb. I einen aus
zweiflügeligem Windrad und direkt angetriebenem Generator mit Mastaufhängung und
Windfahne bestehenden Kopfteil eines Windladers im Längsschnitt, Abb. 2 die drei
hauptsächlichen Flügeleinstellungen an einem Schnitt entsprechend der Linie II-II
in Abb. I, Abb. 3 den Anschluß des stärkeren Regelfedersatzes an den Flügellagerkörpern
als Teilansicht in Richtung des Pfeiles III und Abb. 4 den Spannungsverlauf des
Generatorstromes über der Drehzahl des neuen Windladers in Form eines Schaubildes.Finally, it is within the scope of the invention to convert the generated
Alternating current in storable direct current a known per se, at the same time
to use as reverse current protection for the battery acting dry rectifier.
Such a device, which is not subject to any wear and tear, becomes the one in the generator coils
generated alternating current with an acceptable efficiency in storable direct current
transformed and at the same time with every discharge of the battery via the generator winding
Safety prevented: The drawing shows an exemplary embodiment of the invention
shown in four figures. Fig. I shows one of these in detail
double-bladed wind turbine and directly driven generator with mast suspension and
Wind vane existing head part of a wind charger in longitudinal section, Fig. 2 the three
main wing settings on a cut corresponding to the line II-II
in Fig. I, Fig. 3 the connection of the stronger control spring set to the sash hinge
as a partial view in the direction of arrow III and Fig. 4 the voltage curve of the
Generator current versus the speed of the new wind charger in the form of a graph.
Gemäß der Abb. I sind die Windradflügel I um ihre Längsachsen :2 schwenkbar
in Lagerkörpern 3 gehaltert, die ihrerseits durch je zwei Lenker und 5 radial beweglich
mit einem Nabengehäuse 6 verbunden sind. Die Lagerkörper 3 werden bei stillstehendem
Windrad durch verhältnismäßig weiche vorgespannte Federn 7 in einer der Drehachse
8 zunächst gelegenen Lage gehalten, bei der die Flügel I mit Hilfe von am Flügelschaft
angeordneten Hebeln 9 und zu einem Lenkerstern Io verlaufenden Stoßstangen II in
ihrer in Abb. 2 mit A bezeichneten Anlaufstellung stehen. Sobald das Windrad eine
gewisse Umlaufgeschwindigkeit erreicht hat, bewegen sich die Flügel i mit den Lagerkörpern
3 zusammen infolge der Zentrifugalkraft unter Überwindung der sehr kleinen Vorspannung
der Federn 7 ein Stück weit in radialer Richtung nach außen, bis ein weiterer, erheblich
stärkerer und ebenfalls vorgespannter Federsatz 12, 12' zum Tragen kommt. Die Teilverstellung
der Flügel von der Anlauf- bis zur Vollaststellung bleibt nämlich auf die Federn
12, 12' ohne Einfluß, weil deren gegen Anschläge 40, 40' abgestützte Anschlußlaschen
37 mit Langlöchern 38 an die Lagerkörper 3 angeschlossen sind, wobei die Anschlußbolzen
39 in den Langlöchern 38 gleiten können. Bei dieser Teilbewegung nach außen werden
die Flügel i durch die Stoßstangen ii selbsttätig in die Vollaststellung B verschwenkt,
in der
sie während des Normalbetriebes verbleiben. Überschreitet
die Windraddrehzahl infolge erhöhter Windgeschwindigkeit ihren durch die Vorspannung
der Regelfedern 12, 12' bestimmbaren Normalwert, bewegen sich die Flügel mit ihren
Lagerkörpern unter zusätzlicher Spannung auch der stärkeren Federn 12, 12' noch
weiter nach außen und werden dabei durch das Zusammenwirken der Bewegungen der Lenker
4, 5 und der Stoßstangen II gemäß Abb. 2 so weit in Richtung auf die Drosselstellung
C verschwenkt, bis sich durch die damit verbundene Drosselung der Leistungsaufnahme
aus dem Wind ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen den Zentrifugal- und den Federkräften
an den Flügeln bildet. Die inneren Lenker 5 der Lagerkörper 3 sind durch Ansätze
13 und eine in Achsrichtung beweglich angeordnete Doppelbundmuffe 14 so miteinander
gekuppelt, daß sich die Flügel stets gleichmäßig nach außen bzw. innen bewegen müssen.
Zum willkürlichen An- und Abstellen der Anlage kann der Lenkerstern Io mit Hilfe
einer in der Windradwelle 15 längs verschieblich geführten Steuerstange 16 entgegen
der Kraft einer vorgespannten Rückführfeder 17 über ein aus Winkelhebel 18, Hubring
I9, Stoßstange 2o, Doppelhebel 21 und Zugglied 22 bestehendes Bediengestänge von
Hand im Sinne des Doppelpfeiles 23 bewegt werden, wobei die Flügelblätter zwischen
der Anlaufstellung A und der Drosselstellung C verschwenkt werden.According to Fig. I, the wind turbine blades I are pivotable about their longitudinal axes: 2
supported in bearing bodies 3, which in turn are radially movable by two links and 5 each
are connected to a hub shell 6. The bearing body 3 are at a standstill
Wind turbine by relatively soft pretensioned springs 7 in one of the axis of rotation
8 initially located position in which the wing I with the help of on the wing shaft
arranged levers 9 and to a handlebar star Io extending bumpers II in
their start-up position indicated by A in Fig. 2. As soon as the wind turbine
has reached a certain rotational speed, the wings i move with the bearing bodies
3 together as a result of the centrifugal force overcoming the very small bias
of the springs 7 a little way outward in the radial direction until another, considerably
stronger and also pretensioned spring set 12, 12 'comes into play. The partial adjustment
the wing from the start-up to the full load position remains on the springs
12, 12 'without influence, because their connection lugs supported against stops 40, 40'
37 are connected to the bearing body 3 with elongated holes 38, the connecting bolts
39 can slide in the elongated holes 38. During this partial movement outwards
the wings i automatically pivoted into the full load position B by the bumpers ii,
in the
they remain during normal operation. Exceeds
the wind turbine speed due to the increased wind speed due to the preload
the control springs 12, 12 'determinable normal value, the wings move with their
Bearing bodies under additional tension and the stronger springs 12, 12 'still
further outwards and are thereby due to the interaction of the movements of the handlebars
4, 5 and the bumpers II according to Fig. 2 so far in the direction of the throttle position
C pivoted until the associated throttling of the power consumption
from the wind a new state of equilibrium between centrifugal and spring forces
forms on the wings. The inner links 5 of the bearing body 3 are through approaches
13 and a double collar sleeve 14 arranged movably in the axial direction with one another
coupled so that the wings must always move evenly outwards or inwards.
The handlebar star Io can be used to switch the system on and off at will with the help of
a control rod 16 guided in a longitudinally displaceable manner in the wind turbine shaft 15
the force of a pre-tensioned return spring 17 via an angle lever 18, lifting ring
I9, bumper 2o, double lever 21 and tension member 22 existing operating linkage from
Hand in the sense of double arrow 23 are moved, with the blades between
the start-up position A and the throttle position C can be pivoted.
Die Windradwelle 15 ist in den beiden Kugellagern 24, 24' im Gehäuse
25 gelagert, das zugleich die stillstehenden Wicklungen 26 des Generators mit verhältnismäßig
großem Durchmesser trägt. Der als Außenläufer ausgebildete Generator wird durch
Permanentmagnete 27 erregt. Diese können entweder entsprechend der Zeichnung am
umlaufenden Nabengehäuse angebracht sein und auf die stillstehende Hauptwicklung
wirken oder - unter Anbringung am stillstehenden Gehäuse - auf besondere, nur zur
Erzeugung des Erregerstromes für die Hauptmaschine dienende Spulen am Nabengehäuse
einwirken, von denen über einen mit umlaufenden Trockengleichrichter die Hauptmaschine
erregt wird. Ein Pol des in der stillstehenden Wicklung 26 der Hauptmaschine induzierten
Wechselstromes wird vorzugsweise durch eine zugleich als Halterung für den Schwenkkopf
dienende isolierte Spitzenlagerung 29, 30 auf ein isoliertes Kabel 31 und der andere
Pol in einem Stützlager 32, 33 auf das Mastrohr 34 übertragen. Zur Umwandlung des
Wechselstromes in Gleichstrom wird zweckmäßig ein. in der Zeichnung nicht dargestellter
Trockengleichrichter bekannter Bauart benutzt, der, zugleich als Stromventil wirkend,
eine mit der Windkraftanlage zusammenarbeitende Akkumulatorenbatterie beim Ausbleiben
der Ladespannung gegen Entladung über den Generator schützt. Die Permanentmagnete
27 sind in axialer Richtung verstellbar am Nabengehäuse 6 angeordnet. Sie stehen
dabei z. B. über Stoßstangen 35 mit den Lenkern. 4 in solcher Wirkungsverbindung,
daß sie bei in Anlaufstellung A befindlichen Flügeln in der gestrichelten Lage 27',
bei Betriebsstellung der Flügel in der ausgezogenen Lage für volle Erregung und
beim Verschwenken der Flügel in Richtung auf die Drosselstellung in die ebenfalls
gestrichelte Lage 27" bewegt werden. Am Gehäuse 25 ist hinten ein rohrförmiger Windfahnenträger
36 angeschlossen.The wind turbine shaft 15 is in the two ball bearings 24, 24 'in the housing
25 stored, which at the same time the stationary windings 26 of the generator with relatively
large diameter. The generator designed as an external rotor is through
Permanent magnets 27 excited. These can either be according to the drawing on
be attached rotating hub housing and on the stationary main winding
act or - when attached to the stationary housing - on special, only for
Generation of the excitation current for the coils serving the main machine on the hub housing
act, of which the main machine via a circulating dry rectifier
is excited. One pole of the induced in the stationary winding 26 of the main machine
Alternating current is preferably carried out by a holder for the swivel head at the same time
serving insulated tip storage 29, 30 on an insulated cable 31 and the other
Pole transferred to the mast tube 34 in a support bearing 32, 33. To convert the
Alternating current in direct current is expediently a. not shown in the drawing
Dry rectifier of known design used, which, at the same time acting as a flow valve,
an accumulator battery that works together with the wind turbine in the event of failure
the charging voltage protects against discharge via the generator. The permanent magnets
27 are arranged on the hub housing 6 so as to be adjustable in the axial direction. They stand
while z. B. over bumpers 35 with the handlebars. 4 in such a connection,
that they are in the dashed position 27 'when the wings are in start-up position A,
in the operating position of the wings in the extended position for full excitation and
when pivoting the wing in the direction of the throttle position in the also
dashed position 27 ". At the rear of the housing 25 is a tubular wind vane carrier
36 connected.