DE3244719A1

DE3244719A1 - Windgenerator

Info

Publication number: DE3244719A1
Application number: DE19823244719
Authority: DE
Inventors: Michael 4730 Ahlen Schwarte
Original assignee: Systemtechnik GmbH
Current assignee: Systemtechnik GmbH
Priority date: 1982-12-03
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1984-06-07

Description

Windgenerator
Die Erfindung betrifft einen Windgenerator mit einem zu Antriebszwecken dienenden Rotor mit Flügeln, deren Blattverwindung dem Strömungsfeld des anströmenden Windes angepaßt ist. Dieser Windgenerator ist insbesondere zum Einsatz auf einem vom Wind anströmbaren Deltaflügel mit schräg gegen den Wind anstellbaren scharfen Kanten, um die herum ein einen Wirbel bildender Druckausgleich erfolgt, geeignet. Hierbei befindet sich die Rotorachse im Bereich des jeweiligen Wirbelkernes der Windströmung. Ein Windgenerator dieser Art ist z. B. in dem deutschen Gebrauchsmuster 80 16 968.2 beschrieben.
Das genannte Gebrauchsmuster betrifft im wesentlichen die Ausbildung des Deltaflügels,der mit seiner über die gesamte Länge in Wirbelrichtung gekrümmten Randbiegung für eine große Windenergiekonzentration bei hoher Wirbelstabilität sprgt. Die auf Deltaflügeln bisher montierten Rotoren mit kleinen Abmessungen werden mit sehr hohen Drehzahlen gefahren, wobei die Rotationsenergie über Nabe, Kupplung und Getriebe auf einen Generator übertragen wird. Bei dieser Form der Energieumwandlung wirken sich die Reibungsverluste bei der Transformation nachteilig aus.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Windgenerator anzugeben, der eine weitgehend energieverlustfreie Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie ohne großen apparativen Aufwand ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch einen Windgenerator gelöst, dessen Rotorflügel an ihrem freien Ende senkrecht zu ihrer Längsachse und im wesentlichen parallel zur Rotationsachse stehende, permanentmagnetische oder magnetisch erregbare Flachkörper tragen, die als elektrischer Rotor Bestandteil eines Generators sind. Die nach dem Stand der Technik bekannten Flachkörper, die auch bisweilen als sogenannte Tip-vanes bezeichnet werden, sorgen somit nicht nur für günstige Strömungsverhältnisse des Windes im Bereich der Rotorflügel, sondern dienen als elektrischer Rotor unmittelbar zur Stromerzeugung, ohne daß energieverzehrende Maschinen, wie Kupplung und Getriebe, zwischengeschaltet werden müssen.
Prinzipell ist es zwar möglich, den elektrischen Rotoren einen ringförmigen, geschlossenen Stator gegenüberzusetzen, jedoch wird die aerodynamische Wirkung der Flachkörper optimaler genutzt, wenn lediglich ein langgestreckter oder kreissegmentförmiger Stator verwendet wird.
Wird der Windgenerator in Verbindung mit einem Deltaflügel genutzt, wird vorteilhafterweise der Stator der Form des Deltaflügels angepaßt. Die Spaltbreite zwischen elektrischem Rotor und Stator wird bevorzugt zwischen 20 und 30 mm gewählt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Flachkörper nur im Bereich der Deltafläche, wo sie in jedem Falle mit einem beschränkten Luftspalt zur Deltaflügelfläche operieren müssen, in ihrer freien Drehbarkeit beeinträchtigt werden.
Bevorzugt werden Flachkörper verwendet, die ganz aus Permanentmagneten der Sorte SmCoS bestehen oder mit solchen Permanentmagneten bestückt sind. Die Flachkörper besitzen nach einer Weiterbildung der Erfindung eine ihrem Rotationskreis angepaßte, leicht gebogene Form und haben eine Länge von 250 bis 350 mm.
Jeder der Flachkörper trägt nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwei in Rotationsrichtung gesehen nebeneinanderliegende Permanentmagnete mit entgegengesetzter Polstellung, wobei im Stator ein Spulenkörper mit zwei nebeneinanderliegenden Wicklungen entsprechender Größenordnungen vorgesehen ist. Die Wicklungen sind so angeordnet, daß die magnetischen Feldlinien des Spulenkörpers senkrecht zu den Leiterbahnen der Wicklungen verlaufen. Durch die Bewegung der Flachkörper wird in dem Spulenkörper eine Spannung induziert, wobei durch die unterschiedlichen Wicklungsrichtungen nebeneinander der um 1800 abweichenden Richtung der Feldlinien Rechnung getragen wird.
Vorteilhafterweise sind die Rotorflügel durch Versteifungselemente miteinander verbunden. Da die Rotorflügel an der Energieumwandlung der erfindungsgemäßen Ausführungsform unmittelbar teilnehmen, werden sie einer höheren Wechselbiegebeanspruchung ausgesetzt und/oder zu Biegeschwingungen angeregt. Um zu verhindern, daß die auf alle Rotorblätter wirkende Windenergie nur von einem oder wenigen Rotorblättern zur weiteren Wandlung geleitet werden, wodurch das gesamte Drehmoment durch die Rotornabe von den einzelnen Rotor lagerungen übertragen werden muß, werden die Flügel durch Versteifungselemente miteinander verbunden, womit die vorerwähnten Probleme auf einfachste konstruktive Art gelöst sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen vierflügeligen Rotor auf einer mit Spulenkörper ausgestatteten Deltafläche in schematischer Darstellung, Fig. 2 das Funktionsprinzip des Lineargenerators gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Flachkörper und einen gegenüberliegenden Spulenkörper, Fig. 4 einen Spulenkörper von oben, Fig. 5 einen Längsschnitt durch Flachkörper und Spulenkörper, Fig. 6 eine Perspektivansicht des mittels Blechpakets gehaltenen Spulenkörpers in schematischer Darstellung und Fig. 7 einen Deltaflügel mit aufgesetzten Rotoren gemäß Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform besteht im wesentlichen aus Flügeln 1, die an ihrem freien Ende jeweils einen mit einem Permanentmagneten 3 bestückten Flachkörper 2 tragen. Die Flachkörper, deren Längsebene senkrecht zum Rotorflügel 1 und deren jeweils größte Flächen im wesentlichen parallel zu der Rotationsachse stehen, besitzen in Richtung der Drehachse eine Länge von etwa 300 mm. Die Permanentmagnete 3 bestehen aus SmCo5 und sind so im Flachkörper eingesetzt, daß ihre freie Polfläche am äußeren Rand des durch die Flachkörper bei Rotation der Flügel 1 erzeugten Kreises liegen. Die Permanentmagnete 3 dienen als elektrische Rotoren, denen ein der Form des Deltaflügels 4, auf dem der Windgenerator befestigt ist, angepaßter Spulenkörper 5 gegenübersteht. Der Spulenkörper bildet einen Viertelkreis, so daß der elektrische Rotor und der Spulenkörper nach dem in Fig. 2 dargestellten Prinzip als Lineargenerator dienen können. Dem elektrischen Rotor 6 stehen Statorspulen 5 in langgestreckter oder kreissegmentförmiger Form gegenüber, in denen eine Wechselspannung induziert wird, die ggf. durch einen Gleichrichter 7 gleichgerichtet wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beträgt die Breite des zwischen dem durch die Rotation der Permanentmagnete beschriebenen Kreis und dem Spulenkörper gebildeten Spaltes 8 25 mm.
Bewegen sich die Erregermagnete, im vorliegenden Fall die Permanentmagnete 3 mit relativ kleinem Luftspalt und hoher Geschwindigkeit an dem Spulenkörper 5 vorbei, wird bei geeigneter Polung und Führung des Magnetfeldes sowie geeigneter Anbringung der Spulen in diesen eine Spannung induziert, die z. B. in gleichgerichteter Form als Nutzenergie verwendet werden kann.
Die in Fig. 3 dargestellten Permanentmagnete 9, 9' sind in einem Polschuh 10 und dieser wiederum in einem Flachkörper 11 befestigt. Die Permanentmagnete 9 und 9' sind so in den Polschuh eingesetzt, daß sie nebeneinanderliegend eine entgegengesetzte Polarität aufweisen. Den Permanentmagneten gegenüberliegend befindet sich der Spulenkörper 12, der aus zwei nebeneinanderliegenden Wicklungen 13, 13' besteht, die durch ein Blechpaket 14 verbunden sind, das die magnetischen Feldlinien sammelt und das Feld schließt. Auf diese Weise verlaufen die Feldlinien senkrecht zu den Leiterbahnen der Wicklungen.
Infolge der Bewegung der Permanentmagnete senkrecht zur Bildfläche schneiden die Feldlinien die Leiterbahnen und induzieren so eine Spannung. Durch die unterschiedlichen Wicklungsrichtungen nebeneinander wird der um 1800 abweichenden Richtung der Feldlinien Rechnung getragen.
Fig. 4 und 5 zeigen den Spulenkörper mit Blechpaketen von oben, d. h. in radialer Richtung vom Flachkörper aus betrachtet,bzw. einen Längsschnitt des Spulenkörpers mit parallel zur Rotorebene liegender Schnittebene.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Wicklungen und des Blechpakets.
Der in Fig. 1 dargestellte Stator 5, der nur ein Kreis-Viertel des/Umfangs einnimmt, bewirkt, daß jeweils ein Flügel an der Energiewandlung teilnimmt. Das hat zur Folge, daß einerseits die Rotorblätter einer Wechselbiegebeanspruchung ausgesetzt und/oder zu Biegeschwingungen angeregt werden, andererseits, daß die auf vier Rotorblätter wirkende Windenergie nur von einem zur weiteren Wandlung geleitet werden muß, wodurch das gesamte Drehmoment durch die Rotornabe 16 von den einzelnen Rotorlagerungen übertragen werden muß. Abhilfe schafft die Verbindung der Flügel 1 untereinander mittels Verstärkungselementen 15.
Der Luftspalt zwischen den rotierenden Permanentmagneten3, 9, 9' und dem Spulenkörper ist mit 25 mm bei einem Gesamtrotordurchmesser von 27 m verhältnismäßig klein. Muß mit Biegungen infolge des Windruckes auf die Rotorfläche gerechnet werden, wird der Luftspalt geringer, jedoch könnte auch der magnetische Fluß ungünstiger werden.
Prinzipiell ist auch ein größerer Luftspalt möglich, jedoch verschlechtert sich bei mehr als 30 mm der Wirkungsgrad, womit sich der Erregermagnetbedarf erhöht.
Werden vorteilhafterweise bei dem dargestellten Lineargenerator alle spannungsführenden Teile isoliert, ist der Lineargenerator elektrisch völlig unempfindlich gegen über Wasser im Luftspalt.
Die Leistung des Lineargenerators hängt vom Quadrat der .lt ordri za.zl ab, so daß er sich in der erfindungsgellläBen Form hervorragend als Windenergiewandler anbietet.
Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform besteht im wesentlichen aus einem Deltaflügel 17 mit aufgesetzten Rotoren 18, die mit Flachkörpern 19 und diese wiederum mit Permanentmagneten 20 ausgestattet sind. Der Deltaflügel 17 läßt sich wiederum in zwei Halbflügel 21, 21' aufteilen, die jeweils an ihrem Basisende, der Basiskante 22,einen Rotor aufweisen. Die den Deltaflügel 17 bildenden Halbflügel 21, 21'sind in bezug auf ihre Verbindungslinie 23 achsensymmetrisch ausgestaltet. Jeder der Halbflügel 21, 21' weist an seinen Kanten, nämlich der gegen den Wind anstellbaren Kante und der die Verbindungslinie bildenden Kanten Wirbelrichtung gekrümmte Randbiegungen auf, die sich mit stetiger Krümmung tangential an die Flügelfläche anschließen und zur Basiskante 22 stärker ausgebildet sind. Der Spitzenwinkels des Deltaflügels beträgt etwa 10 bis 300, im 0 vorliegenden Fall 30 . Der Deltaflügel besitzt zudem im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Streckung 1, d. h. eine doppelt so große Länge von 122 m wie Breite von 61 m.
Beim Auftreffen des Windes auf die schräg gegen den Wind anstellbaren Kanten 24, 24' erfolgt um diese herum ein einen Wirbel bildender Druckausgleich, wobei der Wirbel sowohl eine Rotationsbewegung als auch eine Translationsbewegung in Richtung der Windrichtung ausführt. Hierzu ist die Randbiegung der Halbflügel 21, 21' so ausgespaltet, daß eine in einem Flügelguerschnitt an die r.ung in der Kante 24, 2-;;' angelegte Tangente mit der Flügelfläche einen Winkel von ca. 20 bis 500 bildet.
Die auf die Halbflügel 21, 21' aufgesetzten Spulenkörper 25, 25' sind der Halbflügelform in diesem Bereich angetSt .
Die Rotoren 18 sind so angeordnet, daß sie genau im Kern des jeweils durch die Halbflügel des Deltaflügels 1 erzeugten Wirbels angeordnet sind. Die Flügel 26 sind in nach dem Stand der Technik bekannten Weise trapezähnlich gestaltet und weisen eine Verwindung auf. Insgesamt hat sich die Kombination der erfindungsgemäßen Windgeneratoren mit dem zuvor beschriebenen und in Fig. 7 dargestellten Deltaflügel als mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitend erwiesen.
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Claims

Ansprüche Windgenerator mit einem zu Antriebszwecken dienenden Rotor mit Flügeln, deren Blattverwindung dem Strömungsfeld des anströmenden Windes angepaßt ist, insbesondere zum Einsatz auf einem vom Wind anströmbaren Deltaflügel mit schräg gegen den Wind anstellbaren Kanten, um die herum ein einen Wirbel bildender Druckausgleich erfolgt, wobei die Rotorachse im Bereich des jeweiligen Wirbelkernes liegt, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeder der Flügel (1, 26) an seinem Ende einen senkrecht zu seiner Längsachse und im wesentlichen parallel zur Rotationsachse stehenden, permanentmagnetischen oder magnetisch erregbaren Flachkörper (2, 11, 19) trägt, der als elektrischer Rotor (6) des Generators (Fig. 2) betreibbar ist.
2. Windgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flachkörper (2, 11, 19) als Rotor ein langgestreckter oder kreissegmentförmiger Stator (5) gegenübersteht.
3. Windgenerator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (5) der Form des Deltaflügels (4, 17) angepaßt ist.
4. Windgenerator nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt d zwischen. Rotor (6) und Stator (5) 20 bis 30 mm beträgt.
5. Windgenerator nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Flachkörper (2, 19) ganz oder teilweise aus Permanentmagneten (3, 9, 9', 20) der Sorte SmCo5 besteht.
6. Windgenerator nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachkörper (2, 11, 19) eine ihrem Rotationskreis angepaßte, leicht gebogene Form haben, die eine konzentrierende Wirkung für die Wirbel haben.
7. Windgenerator nach Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachkörper (2, 19) eine Länge von 250 bis 350 mm besitzen.
8. Windgenerator nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flachkörper (2, 11, 19) zwei in Rotationsrichtung gesehen nebeneinanderliegende Permanentmagnete (9, 9') mit entgegengesetzter Polstellung trägt und daß ein Spulenkörper (12, 25, 25') im Stator (5) mit zwei nebeneinanderliegenden Wicklungen (13, 13') vorgesehen ist, die so angeordnet sind, daß die magnetischen Feldlinien des Spulenkörpers (12, 25, 25') senkrecht zu den Leiterbahnen der Wicklungen (13, 13') verlaufen.
9. Windgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (1, 26) durch Versteifungselemente (15) miteinander verbunden sind.
10. Windgenerator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle spannungsführenden Teile des Generators (Fig. 2) isoliert sind.