DE19636591C2 - Synchrongenerator für einen getriebelosen Windenergiekonverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Synchrongenerator für einen ge­ triebelosen Windenergiekonverter, der einen Turmkopf auf­ weist, mit einem Außenläufer mit Permanentmagneten hoher Pol­ zahl, mit einem Ständer mit innenliegendem Ständerpaket und einer Ständerwicklung, mit einer zwischen dem Ständer und dem Außenläufer angeordneten Lagerung und mit einem eine Kühlung bewirkenden, außerhalb des Turmkopfes angeordneten Mittel, auf dem das Ständerpaket sitzt und das mit dem Turm­ kopf verbunden ist.

Bekannte Vielpol-Synchrongeneratoren für getriebelose Wind­ kraftanlagen haben Nachteile bei der Kühlung der aktiven Ge­ neratorteile. Insbesondere Permanentmagnete sind sehr tempe­ raturempfindlich und kostenintensiv.

Zwangskühlung ist bei dem eingangs genannten, aus DE 44 02 184 C2 bekannten Synchrongenerator vorgesehen, welcher zwar Kühlrippen aufweist, die die Oberfläche des innen lie­ genden Ständers vergrößern, die Kühlrippen aber nicht im di­ rekten Kühlluftstrom liegen: Das Ständerpaket, in dem der größte Teil der Verlustwärme des Generators entsteht, sitzt auf dem Ständer. Beide Teile sind rotationssymmetrisch. Die Kühlrippen sind radial angeordnet. Die Verlustwärme gelangt durch Wärmeleitung vom Ständerpaket über die Wand des Stän­ ders in die Kühlrippen. Hier wird durch Verwirbelung der Luft im Windschatten des Generators zwar eine Kühlwirkung er­ zielt. Diese Wirkung ist aufgrund der fehlenden Durchströ­ mung jedoch gering.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Synchrongenerator der eingangs genann­ ten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau eine besonders zuverlässige und wirkungsvolle Außenkühlung aller aktiven Ge­ neratorteile aufweist.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mit­ tel.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Maßnahmen nach den Ansprüchen 2 bis 5.

Wesen der Erfindung ist, daß das die Kühlung bewirkende Mit­ tel aus ersten Kühlrippen besteht, die axiale Kühlkanäle bil­ den, daß die Lagerung zwischen einer Welle und dem Ständer angeordnet ist und daß der Außenläufer eine Beschaufelung trägt, die gleichzeitig die im Generatorluftspalt erzeugten Generatorlasten auf die Welle überträgt und die Kühlluft in die Kühlkanäle fördert.

Insbesondere ist der Außenläufer als dünnwandiges, rohrförmi­ ges Joch ausgebildet, das auf seiner Innenseite die Perma­ nentmagnete trägt und auf der Außenseite mit zweiten Kühlrip­ pen versehen ist.

Die Lagerung des Synchrongenerators kann in einer Ausfüh­ rungsvariante gleichzeitig die Wind- und Gewichtskräfte der Rotorblätter aufnehmen und auf den Turmkopf übertragen.

Der Synchrongenerator kann mit einem aus dünnen Segmentble­ chen zusammengesetzten Ständerpaket versehen sein, wobei die ersten Kühlrippen wie Speichen nahezu radial angeordnet sind, so daß ein tragfähiges Gewölbe entsteht.

Ferner können dritte, an der inneren Oberfläche des Ständer­ paketes ausgestanzte Kühlrippen vorgesehen sein.

Bei der Erfindung wird also mit besonders einfachen Mitteln für eine effektive Kühlung der Staudruck der anströmenden Luft ohne Hindernisse wirkungsvoll ausgenutzt.

Im Gegensatz zum bekannten Synchrongenerator gemäß DE 44 02 184 C2 wird nämlich bei der Erfindung die anströmende Luft durch Läufer und Ständer geleitet, wobei der Läufer einen Lufteinlaß ähnlich wie bei Strahltriebwerken aufweist, der mit Schaufeln besetzt ist. Die Schaufeln stellen die mechani­ sche Verbindung zwischen der Welle und dem drehenden Läufer­ joch her. Sie sind schräg angeordnet, sodaß die Strömungs­ richtung durch die Schaufelkanäle der geometrischen Addition der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers und der axialen An­ strömgeschwindkeit des Windes entspricht. Insofern erreicht die anströmende Kühlluft weitgehend ungehindert die Kühlkanä­ le unterhalb des Ständerpakets und durchströmt die Kühlkanä­ le mit einer Geschwindigkeit, die sich mit zunehmender äuße­ rer Windgeschwindkeit noch erhöht. Da sich mit zunehmender Windgeschwindigkeit auch die Generatorleistung und mit ihr die Verlustleistung erhöht, ist eine damit einhergehende er­ höhte Kühlleistung durch höhere Strömungsgeschwindigkeiten auch in den Kühlkanälen erreichbar.

Es wird also bei besonders einfachem mechanischen Aufbau ei­ nes (großen) Vielpolgenerators mit Permanent-Magnet-Erregung eine effektive Kühlung von Ständer und magnetbestücktem Läu­ fer erreicht.

Dabei wird die bei kleinen Ventilatoren bekannte Bauform des Außenläufers benutzt. Das ergibt bei Vielpolmaschinen mit Permanentmagneterregung einen kleinen Außendurchmesser bei vorgegebenem Durchmesser des Luftspaltes der Maschine.

Alle bisher gefertigten Vielpolgeneratoren für Windkraftanlagen sind als Innenläufer konzipiert.

Bei getriebelosen Windkraftanlagen ist das vom Generator aufzunehmende Drehmoment sehr goß und entspricht dem von den Rotorblättern abgegebenen Drehmoment von z. B. 200 kNm bei einer Windkraftanlage mit einer Nennleistung von 600 kW. Um ein so großes Drehmoment zu erreichen, muß die elektrische Maschine mit hoher Polzahl und einem entsprechend großen Luftspaltdurchmesser D_L versehen sein und eine entsprechende Paketlänge B_L aufweisen, wobei das Drehmoment dem Produkt B_L × D_L ² etwa proportional ist.

Daraus geht hervor, daß eine Vergrößerung von D_L besonders vorteilhaft ist, weil dadurch die Paketlänge B_L und damit die Länge der Leiter in der Kupferwicklung reduziert wird. Andererseits ist der Außendurchmesser D_A des Generators aus Transportgründen zu begrenzen, z. B. unter 3,5 m für den Straßentransport.

Die Wahl des Außenläuferkonzeptes bei permanentmagnetischer Erregung entsprechend dem Erfindungsgedanken führt zu besonders vorteilhaften Durchmesserverhältnissen mit einem Außendurchmesser D_A, der nur um einige Zentimeter größer baut, als der Luftspaltdurchmesser D_L und völlig unabhängig von der Höhe H_S des Ständerpaketes und der Höhe H_K der Kühlkanäle:

D_A = D_L+ 2H

mit

H = H_R + H_J + H_M + H_L

Gegenüber heute üblichen Großgeneratoren führt die hier vorgeschlagene Kombination von außenliegendem gut kühlbarem Läufer mit darin befestigten Erregermagneten aus hochwirksamen Permanentmagnetmaterial wie Eisen-Neodynium-Bor und einem auf Kühlrippen aufgesetzten innenliegenden Ständerpaket zu einer einfachen kompakten Generatorkonstruktion mit der Möglichkeit der Kühlung von Läufer und Ständer durch die anströmende Außenluft und ohne zusätzliche Kühlgebläse. Weiter ist diese Bauart den außengekühlten elektrischen Maschinen zuzuordnen, da die aktiven Generatorteile wie Wicklung, Erregermagnete und Luftspalt nicht von der Außenluft durchströmt werden. Der Aufbau eines Generators nach diesen Merkmalen ist einfach und führt zu geringen Massen und zu einem relativ kleinen Außendurchmesser (z. B. 3,4 m bei 600 kW).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Windenergieanlage in der Seitenansicht

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Generator

Fig. 3 einen Querschnitt durch die aktiven Generatorteile.

Getriebelose Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse gemäß Fig. 1 haben einen langsamlaufenden Vielpolgenerator (1), der direkt mit dem Rotor (3) gekoppelt ist. Die von den Rotorblättern (2) erzeugten Drehmomente werden vom Rotor auf das drehende Teil des Generators, den Läufer, ohne Zwischenschaltung von Getrieben übertragen.

Zwischen Generator (1) und Turm (5) ist ein Turmkopf (4) angeordnet, in dem auch eine Einrichtung zum Drehen des Rotors in die jeweilige Windrichtung untergebracht ist.

Ein Ausführungsbeispiel für den Vielpolgenerator ist in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellt. Sein Ständer (7) ist am Turmkopf (4) befestigt und beinhaltet die Lagerung (15) in Form einer üblichen Wälzlageranordnung, die ihrerseits die Weile (16), den Läufer (6) und den Rotor (3) tragen.

Zum Ständer gehört auch das Ständerpaket (8), in dem die Wicklung (9) untergebracht ist.

Das Joch (12) des Läufers umschließt den Ständer. Es ist als dünnwandiges Stahlrohr ausgeführt und trägt auf der Innenseite Pole (10) aus einzelnen Permanentelementen, die mit dem Joch verklebt sind. Im Luftspalt zwischen Ständerpaket und Läuferjoch sind große magnetische Kräfte in radialer und axialer Richtung wirksam. Diese Kräfte werden von Kühlrippen (11) auf das Ständergehäuse übertragen.

Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt AB der aktiven Generatorteile und der Kühlkanäle, die durch das geblechte Ständerpaket (8), die Kühlrippen (9) und das Ständergehäuse (7) gebildet werden.

Durch geeignete Wahl der Abstände und Höhen der Kühlrippen (11) können die Querschnittsflächen der Kühlkanäle optimiert werden. Insbesondere lassen sich weitere kleine Kühlrippen (17) am Blechpaket kostengünstig durch Ausstanzen anbringen.

Die Kühloberfläche für das Ständerpaket läßt sich durch die Gestalt der kleinen Kühlrippen (17) und der großen Kühlrippen (11) leicht an den Bedarf anpassen, ohne daß die Maschine im Außendurchmesser vergrößert werden müßte.

Die Anordnung der Kühlrippen (11) unter einem leichten Winkelversatz (18) zur radialen Richtung von 5° bis 10° ergibt eine besonders tragfähige Gewölbestruktur, bestehend aus dem Ständerpaket (8), dem Ständergehäuse (7) und den Kühlrippen (11). Besonders auch für Drehmomentübertragung ist diese Anordnung günstig.

Ersichtlich ermöglicht die Erfindung einen besonders einfach aufgebauten Vielpolsynchrongenerator mit Permanentmagneten als Erregung, bei dem durch die Führung der Außenluft um das Joch und durch Kühlkanäle eine optimale Kürzung erreicht wird bei einem Außendurchmesser, der nur um einige Zentimeter größer ist als der Luftspaltdurchmesser.

Claims (5)

1. Synchrongenerator für einen getriebelosen Windenergiekon­ verter, der einen Turmkopf aufweist, mit einem Außenläu­ fer mit Permanentmagneten hoher Polzahl, mit einem Stän­ der mit innenliegendem Ständerpaket und einer Ständerwic­ klung, mit einer zwischen dem Ständer und dem Außenläu­ fer angeordneten Lagerung und mit einem eine Kühlung be­ wirkenden, außerhalb des Turmkopfes angeordneten Mittel, auf dem das Ständerpaket sitzt und das mit dem Turmkopf verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kühlung bewirkende Mittel aus ersten Kühlrip­ pen (11) besteht, die axiale Kühlkanäle bilden, daß die Lagerung (15) zwischen einer Welle (16) und dem Ständer angeordnet ist und daß der Außenläufer (6) eine Beschauf­ elung (14) trägt, die gleichzeitig die im Generatorluft­ spalt erzeugten Generatorlasten auf die Welle (16) über­ trägt und die Kühlluft in die Kühlkanäle fördert.

2. Synchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenläufer (6) als dünnwandiges, rohrförmiges Joch (12) ausgebildet ist, das auf seiner Innenseite die Permanentmagnete (10) trägt und auf der Außenseite mit zweiten Kühlrippen (13) versehen ist.

3. Synchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (15) des Synchrongenerators gleichzei­ tig die Wind- und Gewichtskräfte der Rotorblätter auf­ nimmt und auf den Turmkopf überträgt.

4. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem aus dünnen Segmentblechen zusammengesetzten Ständerpaket (8), dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kühlrippen (11) wie Speichen nahezu ra­ dial angeordnet sind, so daß ein tragfähiges Gewölbe ent­ steht.

5. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dritte, an der inneren Oberfläche des Ständerpaketes (8) ausgestanzte Kühlrippen (17) vorgesehen sind.