DE3244719A1 - Wind generator - Google Patents
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Abstract
Description
WindgeneratorWind generator
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.The invention relates to a wind generator with one for driving purposes Serving rotor with wings, the blade twisting of the flow field of the oncoming Is adapted to the wind. This wind generator is in particular for use on a Delta wings that can be approached by the wind with sharp blades that can be tilted against the wind Edges around which there is a pressure equalization forming a vortex, suitable. The rotor axis is located in the area of the respective vortex core Wind flow. A wind generator of this type is z. B. in the German utility model 80 16 968.2.
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.The utility model mentioned essentially relates to training of the delta wing, which is curved over the entire length in the direction of the vortex Edge bend for a large wind energy concentration with high vortex stability jumps. The rotors with small dimensions that have been mounted on delta wings up to now are also included very high speeds driven, with the rotational energy via the hub, coupling and Transmission is transmitted to a generator. With this form of energy conversion the frictional losses during the transformation have a detrimental effect.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Windgenerator anzugeben, der eine weitgehend energieverlustfreie Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie ohne großen apparativen Aufwand ermöglicht.It is the object of the present invention to specify a wind generator, the conversion of wind energy into electrical energy largely without any energy loss energy made possible without a large outlay in terms of equipment.
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.The task is solved by a wind generator, its rotor blades at its free end perpendicular to its longitudinal axis and essentially parallel Permanent magnetic or magnetically excitable flat bodies standing to the axis of rotation wear, which are part of a generator as an electric rotor. The after Flat bodies known from the prior art, which are sometimes also known as tip vanes are designated, thus not only ensure favorable flow conditions of the Wind in the area of the rotor blades, but serve as an electric rotor directly to generate electricity without using energy-consuming machines such as clutches and gears, must be interposed.
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.In principle it is possible to give the electric rotors an annular, opposed to closed stator, however, the aerodynamic effect of the Flat body used more optimally if only an elongated or circular segment-shaped one Stator is used.
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.If the wind generator is used in conjunction with a delta wing, the stator is advantageously adapted to the shape of the delta wing. The gap width between 20 and 30 mm is preferably chosen between the electric rotor and stator. This arrangement has the advantage that the flat bodies only in the area of the delta area, where they operate in any case with a limited air gap to the delta wing surface must be impaired in their free rotation.
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.Flat bodies are preferably used which are made entirely of permanent magnets of the type SmCoS exist or are equipped with such permanent magnets. The flat body have, according to a further development of the invention, an adapted to their rotation circle, slightly curved shape and have a length of 250 to 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.According to a further embodiment, each of the flat bodies carries Invention of two permanent magnets lying next to one another as seen in the direction of rotation with opposite pole position, with a coil body with two adjacent ones in the stator Windings of corresponding orders of magnitude is provided. The windings are like this arranged that the magnetic field lines of the coil body perpendicular to the conductor tracks the windings run. The movement of the flat body causes the coil body a voltage is induced, whereby by the different winding directions next to each other the direction of the field lines, which deviates around 1800, is taken into account.
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.The rotor blades are advantageously provided with stiffening elements connected with each other. Since the rotor blades in the energy conversion of the invention Embodiment participate directly, they are subject to a higher alternating bending stress exposed and / or excited to flexural vibrations. To prevent the on all rotor blades have wind energy from only one or a few rotor blades be passed for further conversion, whereby the entire torque through the The rotor hub must be transferred from the individual rotor bearings, the wings connected by stiffening elements, thus eliminating the aforementioned problems are solved in the simplest constructive way.
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.An embodiment of the invention is shown in the drawings. They show: FIG. 1 a four-blade rotor on a rotor equipped with a coil body Delta area in a schematic representation, Fig. 2 shows the principle of operation of the linear generator according to FIG. 1, FIG. 3 shows a cross section through a flat body and an opposing bobbin, FIG. 4 a bobbin from above, FIG. 5 shows a longitudinal section through the flat body and coil body, FIG. 6 shows a perspective view of the coil body held by means of a laminated core in a schematic representation and 7 shows a delta wing with attached rotors according to 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.The embodiment shown in Fig. 1 consists essentially of wings 1, each one with a permanent magnet at its free end 3 equipped flat body 2 carry. The flat bodies, the longitudinal plane of which is perpendicular to the Rotor blades 1 and their respective largest surfaces essentially parallel to the axis of rotation stand, have a length of about 300 mm in the direction of the axis of rotation. The permanent magnets 3 consist of SmCo5 and are inserted in the flat body in such a way that their free pole face at the outer edge of the circle generated by the flat body when the blades 1 rotate lie. The permanent magnets 3 serve as electric rotors, which one of the form of the delta wing 4, on which the wind generator is attached, adapted bobbin 5 faces. The bobbin forms a quarter circle, so that the electrical The rotor and the coil body according to the principle shown in FIG. 2 as a linear generator can serve. The electric one Rotor 6 are stator coils 5 in elongated or circular segment-shaped form, in which an alternating voltage is induced, which is possibly rectified by a rectifier 7. In the In Fig. 1 embodiment shown is the width of the between the through the rotation of the permanent magnets described circle and the bobbin formed Gap 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.Do the exciter magnets move, in this case the permanent magnets 3 with a relatively small air gap and high speed on the bobbin 5 over, with suitable polarity and guidance of the magnetic field as well as more suitable Attachment of the coils in this induces a voltage which z. B. in the same direction Form can be used as useful energy.
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.The permanent magnets 9, 9 'shown in Fig. 3 are in a pole piece 10 and this in turn is fastened in a flat body 11. The permanent magnets 9 and 9 'are inserted into the pole piece in such a way that they lie next to one another and are opposite one another Have polarity. The coil body is located opposite the permanent magnets 12, which consists of two adjacent windings 13, 13 ', which by a Laminated core 14 are connected, which collects the magnetic field lines and the field closes. In this way, the field lines run perpendicular to the conductor tracks of the windings.
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.As a result of the movement of the permanent magnets perpendicular to the image surface the field lines cut the conductor tracks and thus induce a voltage. By the different winding directions next to each other will differ by 1800 Direction of the field lines taken into account.
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.4 and 5 show the bobbin with laminated cores from above, i. H. in the radial direction from the flat body considered, or. a Longitudinal section of the coil body with the cutting plane lying parallel to the plane of the rotor.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Wicklungen und des Blechpakets.Fig. 6 shows a schematic representation of the windings and the Sheet metal stacks.
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.The stator 5 shown in Fig. 1, which is only a quarter of the / circumference occupies, causes that each wing takes part in the energy conversion. That has the consequence that, on the one hand, the rotor blades are exposed to alternating bending stress and / or are excited to flexural vibrations, on the other hand that the on four rotor blades Acting wind energy only has to be conducted by one for further conversion, whereby the entire torque through the rotor hub 16 from the individual rotor bearings must be transferred. This can be remedied by connecting the wings 1 to one another by means of reinforcement elements 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.The air gap between the rotating permanent magnets 3, 9, 9 'and the bobbin is proportionate with 25 mm with a total rotor diameter of 27 m small. Bends as a result of the wind pressure on the rotor surface must be expected, the air gap becomes smaller, but the magnetic flux could also be less favorable will.
Prinzipiell ist auch ein größerer Luftspalt möglich, jedoch verschlechtert sich bei mehr als 30 mm der Wirkungsgrad, womit sich der Erregermagnetbedarf erhöht.In principle, a larger air gap is also possible, but this is worsened the efficiency increases at more than 30 mm, which increases the excitation magnet requirement.
Werden vorteilhafterweise bei dem dargestellten Lineargenerator alle spannungsführenden Teile isoliert, ist der Lineargenerator elektrisch völlig unempfindlich gegen über Wasser im Luftspalt.Are advantageously all in the illustrated linear generator insulated live parts, the linear generator is electrically completely insensitive against water in the air gap.
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.The power of the linear generator depends on the square of the .lt ordri za.zl, so that it is excellent as a wind energy converter in the form of the invention offers.
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.The embodiment shown in Fig. 7 consists essentially from a delta wing 17 with attached rotors 18, which with flat bodies 19 and these in turn are equipped with permanent magnets 20. The delta wing 17 can are in turn divided into two half-wings 21, 21 ', each of which at its base end, the base edge 22 have a rotor. The half-wing forming the delta wing 17 21, 21 'are designed to be axially symmetrical with respect to their connecting line 23. Each of the half-wings 21, 21 'has its edges, namely the one against the wind adjustable edge and the edges forming the connecting line vortex direction curved edge bends, which are tangential to the wing surface with constant curvature connect and to the base edge 22 are formed stronger. The apex angle of the Delta wing is about 10 to 300, in the present case 30. The delta wing also has an extension 1 in the present exemplary embodiment, i. H. one double as great a length of 122 m as width of 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.When the wind hits the tiltable against the wind Edges 24, 24 'there is a pressure equalization around them, forming a vortex, wherein the vortex has both a rotational movement and a translational movement in the direction of the wind. For this purpose, the edge bend of the half-wing is necessary 21, 21 'split out so that one in a wing cross-section is attached to the r.ung in the Edge 24, 2- ;; ' applied tangent with the wing surface an angle of approx. 20 up to 500 forms.
Die auf die Halbflügel 21, 21' aufgesetzten Spulenkörper 25, 25' sind der Halbflügelform in diesem Bereich angetSt .The coil formers 25, 25 'placed on the half-wings 21, 21' are the half-wing shape in this area.
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.The rotors 18 are arranged so that they are exactly in the core of each vortices generated by the half-wing of the delta wing 1 are arranged. The wings 26 are designed and trapezoidal in a manner known from the prior art show a twist. Overall, the combination of the invention Wind generators with the delta wing described above and shown in FIG. 7 has been shown to work with a high degree of efficiency.
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1982
- 1982-12-03 DE DE19823244719 patent/DE3244719A1/en not_active Withdrawn
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