SYNCHRONMASCHINE MIT PΞRMANENTERREGTEM AXIALFELD IN WINDKRAFTANLAGESYNCHRONIZED MACHINE WITH POMERANT SURGICAL AXIAL FIELD IN WIND POWER PLANT
BESCHREIBUNG Vor allem Windkraftanlagen haben in den letzten zwei Dekaden im Bereiche der alternativen, bzw. erneuerbaren Energie einen enormen Auftrieb erfahren und eine Trendwende zeichnet sich auch in der nahen Zukunft nicht ab. Auch die Grossen der Anlagen mit Bezug auf die zu erbringende Leistung dürften noch nicht an die Grenzen gestossen sein. Während für die kleinen LeistungenDESCRIPTION Wind turbines in particular have enjoyed a tremendous boost over the last two decades in the field of alternative or renewable energy, and a turnaround will not be apparent in the near future. Also, the size of the facilities with regard to the service to be provided may not yet have reached their limits. While for the small achievements
Synchrongeneratoren verwendet werden, werden in der Regel für Anlagen im Leistungsbereich von mehr als 5 - 10 kW Asynchrongeneratoren eingesetzt mit dem Nachteil ihrer leistungsabhängigen Grosse und ihrer aufwändigen Regelungstechnik. Entsprechend ihren äusseren Dimensionen sind die Gondelgrössen zu bemessen, so dass am Ende ein Gebilde mit der Ausdehnung eines kleineren Einfamilienhauses zur Aufnahme von Generator und der Technik notwendig wird. Hinzu kommt, dass die Asynchrongeneratoren eine schlechtere Energiebilanz aufweisen und weniger verschleissfest sind als Synchrongeneratoren. Sie sind zudem auch anfälliger gegen Korrosion, z.B. salzhaltige Luft bei den Offshore- Anlagen.Synchronous generators are used, as a rule for systems in the power range of more than 5 - 10 kW asynchronous generators used with the disadvantage of their performance-dependent size and their complex control technology. According to their outer dimensions, the gondola sizes are to be dimensioned, so that in the end a structure with the extension of a smaller family home to accommodate the generator and the technology is necessary. In addition, the asynchronous generators have a lower energy balance and are less resistant to wear than synchronous generators. They are also more susceptible to corrosion, e.g. saline air in offshore installations.
Bei den Synchrongeneratoren kann das Erregerfeld durch Elektromagnete oder durch Permanentmagnete erzeugt werden, wobei die permanent erregten Generatoren gegenüber den elektrisch erregten Magneten wiederum den Vorteil bieten, dass Schleifringe, Bürsten und Hilfswicklungen entfallen und sie aus diesem Grunde auch viel weniger Wartungsaufwand erfordern. Bei den konventionellen Permanentmagneten wirkt sich das grössere
Anlαufmoment (durch das „Zusammenkleben" von den Polen der Magnete mit dem Anker) nachteilig auf. Auch bei diesen sind die extensiven Wicklungsköpfe an den Enden räumlich ungünstig, die ausserdem noch durch den zusätzlichen elektrischen Widerstand die Verluste vergrössern. Bei einer neuartige Generation von permanent erregten Synchrongeneratoren handelt es sich um eine sog. SPARK (Synchronmaschine mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung). Die Permanentmagnete in der SPARK bestehen aus NdFeB und zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Sie haben zudem eine geringere (Material-) Dichte und sind weniger spröde als die üblichen SmCo-Magnete. Die generellen Vorteile der Verwendung von Synchronmaschinen mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung sind: a) die alternierende, axiale Anordnung von Rotoren und Statoren hintereinander auf einer Welle; b) das Fehlen eines „Initialstosses" zum Anlaufen des Rotors, so dass auch geringere Windstärken den Rotor in Drehung versetzen können; c) das Fehlen eines periodisch variierenden Drehmomentes durch Fehlen des magnetischen Widerstandes, der bei konventionellen Generatoren durch die Dreiphasenwicklungen auftritt; d) die durch das Fehlen der endständigen Wickelköpfe bestehende Möglichkeit die Anzahl von Rotoren und Statoren beliebig zu verändern, i.e. den Generator an die geforderteIn synchronous generators, the exciter field can be generated by electromagnets or by permanent magnets, the permanently excited generators again provide the advantage over the electrically excited magnets that slip rings, brushes and auxiliary windings omitted and they require much less maintenance for this reason. In the case of conventional permanent magnets, the larger one has an effect Anlαufmoment (by the "sticking together" of the poles of the magnets with the armature) disadvantageous.Also, the extensive winding heads at the ends are spatially unfavorable, which also further increase the losses by the additional electrical resistance Synchronous synchronous generators are a so-called SPARK (synchronous machine with permanently excited axial field and toroidal winding) The permanent magnets in the SPARK are made of NdFeB and are characterized by a high energy density, they also have a lower (material) density and are less brittle The general advantages of using synchronous machines with permanently excited axial field and toroidal core winding are: a) the alternating, axial arrangement of rotors and stators one behind the other on a shaft, b) the absence of an "initial kick" for starting the rotor, so that even lower wind forces the red or can set in rotation; c) the absence of a periodically varying torque due to the absence of the magnetic resistance which occurs in conventional generators by the three-phase windings; d) the possibility of changing the number of rotors and stators as a result of the absence of the end windings, ie the generator to the required
Leistung anzupassen, bzw. e) eine beliebige Anzahl von SPARK-Einheiten seriell hintereinander zu schalten (modulare Bauweise), so dass eine Aufrüstung zu
grösserer Leistung durch Zuschαltung eines Moduls bei gleichzeitiger Verlängerung der Rotorblätter auch nachträglich möglich ist; f) durch die Zuschaltung eines Moduls in Umkehrschaltung kann die Drehgeschwindigkeit der Generatorwelle auf einfache Weise konstant gehalten werden; dieses zugeschaltete Modul funktioniert so als Bremse; g) dass bei geeigneter Anordnung der Energiezusammenführung von den einzelnen Elemente (z.B. SPARK) durch einen einfachen Umrichter auch mehrere Element als Bremse genutzt werden können. h) Windkraftanlagen, die mit Synchronmaschinen mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung ausgestattet sind, sind zudem praktisch wartungsfrei, weil der Generaforfeil ein in sich geschlossenes System darstellt. Die Erfindung besteht in der Konstruktion von Windkraffanlagen, in welchen die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mittels einer (oder mehreren) Synchronmaschine(n) mit permanent-erregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK) erfolgt, gemäss Figur 1. Die SPARK's (2,3 und 4) werden dabei als Einheiten (Module) gebaut, so dass die Welle (5) an einem Ende mit Nocken versehen ist und am anderen mit Nuten. Diese Einheiten werden auf der drehbaren Tragbühne (6) in einem Abstand hintereinander fixiert, so dass die durch klimatische oder betriebsabhängige Temperaturveränderungen bedingten Verlängerungen oder Verkürzungen der Welle (5) kompensiert werden. Der Rotor (1 ) wird mit der ersten Einheit (4) fest verbunden. Die Energieleitungen (8) werden von jedem einzelnen SPARK in die Energiezentrale (9) geleitet, in der auch die entsprechenden Steuerungen angebracht sind, die die Energie in der vom Anwender gewünschten Form verfügbar machen.
To adapt power, or e) any number of SPARK units serially in series (modular design), so that an upgrade to greater performance by adding a module while simultaneously extending the rotor blades is also possible later; f) by the connection of a module in reverse circuit, the rotational speed of the generator shaft can be kept constant in a simple manner; this connected module works as a brake; g) that with a suitable arrangement of energy reunification of the individual elements (eg SPARK) by a simple inverter and several elements can be used as a brake. h) Wind turbines, which are equipped with synchronous machines with permanent-excited axial field and toroidal winding, are also virtually maintenance-free, because the Generaforfeil represents a self-contained system. The invention consists in the construction of wind power plants, in which the conversion of mechanical energy into electrical energy by means of one (or more) synchronous machine (s) with permanently-excited axial field and ring core winding (SPARK), according to Figure 1. The SPARK's (2, 3 and 4) are built as units (modules), so that the shaft (5) is provided at one end with cams and at the other with grooves. These units are fixed on the rotatable supporting platform (6) at a distance one behind the other, so that due to climatic or operationally dependent temperature changes extensions or shortenings of the shaft (5) can be compensated. The rotor (1) is firmly connected to the first unit (4). The power lines (8) are routed from each SPARK to the power station (9), which also houses the appropriate controls that provide the power in the form desired by the user.