DE102011116690A1 - Magnetically suspended axial flow generator for use in wind-power plant for generating electricity, has component arranged as Halbach arrays that appear on operating conditions to convert flux of another component into low electric current - Google Patents

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Abstract

The generator has a rotor disk (1) or stator disk (2) formed as a full- or part circle and mounted at a component. Automatic compensation of effect of faults in a rotation plane of generator voltage is taken place to an opposite side of a rotor circuit. Annular arrangements of magnets or induction coils (3) are utilized to Halbach arrays to form another component. The former component comprises an induction ring or arrangement of coils, and is arranged as the Halbach arrays that appear on operating conditions to convert generated magnetic flux of the latter component into low electric current. The coils are designed as Zigzag coils. The components are designed as gear boxes, clutches or output regulators.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Generator zur Stromerzeugung, mit einem durch axiale Anordnung von Spulen oder Permanentmagneten zum Schweben gebrachten Rotor oder Stator. Das schwebende Bauteil erzeugt dabei nach dem als Inductrack bekannten Prinzip der Magnetschwebebahn, durch Induktion in kurzgeschlossenen Spulenkreisen, bei Bewegung ein Magnetfeld, welches entgegengesetzt zum zweiten, mit einem oder mehreren, als Halbach Array orientierten, Magnetfeldern versehenem Bauteil wirkt. Rotor und Stator sind dabei mit Magnetpolen derart belegt, dass axial die Anordnung zu einem Halbach-Array auf der Wirkseite zu einer Feldüberlagerung und auf der Rückseite zu einer Aufhebung führt. Die Verstärkung des gerichteten Magnetfeldes erlaubt eine hohe Ausnutzung des Magnetflusses. Dies führt zu einem geringen Gewicht der erregenden Spulen oder Permanentmagnete. Ein Teil der Feldkräfte steht für die Lagerung und ein Teil für die Umwandlung in elektrischen Strom zur Verfügung. Dadurch lassen sich Fluchtungsfehler, Winkelabweichungen und Drehmomentstöße des Antriebs dynamisch kompensieren. Mechanische Reibungsverluste durch Klemmen, Stöße, Schwingungen und Lagerverluste werden minimiert. Zu diesem Zweck wird für die Herstellung einer gleichmäßigen und ausreichend starken magnetischen Lagerung, über eine Last- und Leistungsregelung gesteuert, nur ein Teil des induzierten, magnetischen Flusses des Generators als Leistung abgegeben.The invention describes a generator for power generation, with a rotor or stator levitated by axial arrangement of coils or permanent magnets. In this case, the floating component generates, according to the principle of the maglev train known as the Inductrack, by induction in short-circuited coil circuits, a magnetic field which acts opposite to the second one with one or more magnetic field-oriented components oriented as a Halbach array. Rotor and stator are so covered with magnetic poles that axially the arrangement leads to a Halbach array on the active side to a field overlay and on the back to a repeal. The amplification of the directional magnetic field allows a high utilization of the magnetic flux. This leads to a low weight of the exciting coils or permanent magnets. Part of the field forces is available for storage and part for conversion into electricity. As a result, alignment errors, angular deviations and torque shocks of the drive can be dynamically compensated. Mechanical friction losses due to jamming, shocks, vibrations and bearing losses are minimized. For this purpose, only a part of the induced magnetic flux of the generator is delivered as power for the production of a uniform and sufficiently strong magnetic bearing, controlled by a load and power control.

Die Magnetpole des Rotors oder Stators können derart räumlich zueinander angeordnet werden, so dass sich im Magnetfeld des Stators stabile Ruhelagen ausbilden. Die räumliche Gestaltung des Magnetfeldes ist geeignet, Bewegungen in allen gewünschten Freiheitsgraden, abhängig von der Magnetfeldstärke mit einem regulierbaren oder fest bestimmbaren Dämpfungsgrad, in der gewünschten räumlichen Richtung, zu verhindern. Lediglich die Rotation um eine raumfeste Achse bleibt für den Antrieb frei. Die Ausführung kann wellenlos auf dem Ring des Rotors erfolgen. Der Generator kann dabei mit einem oder einer Vielzahl an Spulenkreisen belegt werden. Unterschiedliche Arbeitsprinzipien wie Synchron- oder Asynchronmaschinen können hergestellt werden und verschiedene Anforderungen an die dynamischen Dämpfungseigenschaften der Lagerung können so über eine Regelung der Spulen realisiert werden. Das System kann so mit ungeregeltem oder geregeltem Spaltmaß ausgeführt werden. Eine Leistungsregelung kann entweder in den levitierenden Spulenkreisen die abgegebene Leistung abzweigen und das Spaltmaß direkt regulieren oder die Regelung wird derart ausgeführt, dass die Spulenkreise der Lagerung separat von den Polen des Generators geregelt werden. Die Ausführung kann dabei permanenterregt, fremderregt oder gemischt für unterschiedliche Ausrichtungen der Magnetpole ausgeführt werden. Eine ein- oder mehrphasige Ausführung ist abhängig von der Gestaltung als Axial- oder Radialflussmaschine möglich.The magnetic poles of the rotor or stator can be arranged spatially relative to one another such that stable rest positions are formed in the magnetic field of the stator. The spatial design of the magnetic field is suitable to prevent movements in all desired degrees of freedom, depending on the magnetic field strength with a controllable or fixed degree of damping, in the desired spatial direction. Only the rotation around a fixed axis remains free for the drive. The design can be done without a shaft on the ring of the rotor. The generator can be occupied with one or a plurality of coil circuits. Different working principles such as synchronous or asynchronous machines can be produced and various requirements for the dynamic damping properties of the storage can be realized by a control of the coils. The system can be executed with unregulated or controlled gap. A power control can either divert the output power in the levitating coil circuits and regulate the gap directly, or the control is carried out such that the coil circuits of the bearing are regulated separately from the poles of the generator. The design can be carried out permanently excited, foreign-excited or mixed for different orientations of the magnetic poles. A single or multi-phase design is possible depending on the design as axial or radial flow machine.

Stand der TechnikState of the art

Die Ausgestaltung von „Serpentine Coils” bei Axialflussmaschinen wurde von Hugh Piggot ohne Anmeldung von Schutzrechten veröffentlicht und gibt den aktuellen Stand der Technik für Generatoren für niedrige Drehzahlbereiche wieder. Damit ist die Gestaltung der Spulenanordnung über einen ring- oder scheibenförmigen Rotor oder Stator mit einer hohen Massebelegung der Spulen als Axialflussmaschine weitgehend frei gestaltbar.The design of "Serpentine Coils" in axial flow machines has been published by Hugh Piggot without filing any trademark rights and reflects the current state of the art for low-speed generators. Thus, the design of the coil assembly via a ring-shaped or disc-shaped rotor or stator with a high mass assignment of the coils as Axialflussmaschine is largely freely designable.

Die folgende Patente geben den Stand der Inductrack Magnetschwebetechnik wieder.

  • US patent 5722326 : Magnetic levitation system for moving objects
  • US patent 6664880 : Inductrack magnet configuration
  • US patent 6758146 : Laminated track design for Inductrack maglev systems
  • • US patent application 20050204948: Inductrack configuration
The following patents reflect the state of the art of Inductrack Magnetic Levitation.
  • US patent 5722326 : Magnetic levitation system for moving objects
  • US patent 6664880 : Inductrack magnet configuration
  • US patent 6758146 : Laminated track design for Inductrack maglev systems
  • • US patent application 20050204948: Inductrack configuration

Dabei wird auf die Ausbildung des Halbach Arrays für die Anwendung als Magnetschwebebahn und als Linearmotor für diese Anwendung Bezug genommen.In this case, reference is made to the formation of the Halbach array for use as a maglev train and as a linear motor for this application.

Die Anwendung als integrierte Lösung von Lager und Generatorwicklungen für Scheiben- oder Ringgeneratoren wird nicht dargestellt. Diese Patente beziehen sich auf Magnetschwebebahnen für Transportzwecke und eine explizite Anwendung zur Stromerzeugung ist nicht vorgesehen. Auf die zusätzlich notwendigen Komponenten wird hier nicht eingegangen. Die Abgrenzung der englischen Bezeichnung „track” als Fahrweg, Schiene oder Gleis trifft letztlich auf die Kombination von Rotor und Stator eines Stromerzeugers nicht zu. Diese bezieht sich im Zusammenhang der US Patente stets auf Magnetschwebebahnen, Fahrzeuge und Antriebe. Besonders hervorzuheben ist hier, dass eine Bewegung entlang eines Fahrweges eine gerichtete, translatorische Bewegung darstellt, während die hier vorgestellte Lösung, durch das induzierte Magnetfeld, technisch eine rotatorische Bewegung um eine explizit raumfeste Achse in einem fixen Punkt realisiert. An dieser Stelle erfolgt somit aus technischer Sicht eine klare, funktionale Abgrenzung von einem als Kreisbahn gestalteten Fahrweg zu einem ringfömigen Rotor.The application as an integrated solution of bearings and generator windings for disc or ring generators is not shown. These patents relate to magnetic levitation railways for transportation and an explicit application for power generation is not provided. On the additional necessary components will not be discussed here. The demarcation of the English term "track" as a track, rail or track ultimately does not apply to the combination of rotor and stator of a power generator. This refers in the context of US patents always magnetic levitation railways, vehicles and drives. Particularly noteworthy here is that a movement along a guideway represents a directed, translational movement, while the solution presented here, realized by the induced magnetic field, technically a rotational movement about an explicitly space-fixed axis at a fixed point. At this point, therefore, from a technical point of view, a clear, functional demarcation of a designed as a circular path track to a ringfömigen rotor.

Der Bereich integrierte mechanische Lagerung stellt heute Halbach-Arrays für die Lagerung von Wellen, etwa für Schwungräder, zur Verfügung. US Pat. 7,303,369 B2 zeigt die Anwendung einer magnetischen Lagerung und separat davon einen ringförmigen Generator in einer Windkraftanlage. Eine Zusammenfassung der Bauteile erfolgt hier nicht.The field of integrated mechanical storage today provides Halbach arrays for the storage of waves, such as flywheels. US Pat. 7,303,369 B2 shows the use of a magnetic bearing and separately an annular generator in a wind turbine. A summary of the components does not take place here.

In der Generatortechnik werden Halbach Arrays derzeit nur zur Optimierung des Magnetflusses eingesetzt. Hier wird eine Optimierung von Materialeinsatz, Rastmoment oder Wirkungsgrad angestrebt. Eine magnetische Lagerung ist hier nicht vorgesehen.In generator technology, Halbach arrays are currently only used to optimize the magnetic flux. Here an optimization of material use, cogging torque or efficiency is sought. A magnetic storage is not provided here.

Bezogen auf die Anwendung als magnetische Lagerung durch Halbach Arrays wurde bisher die Lagerung von Wellen durch ringförmige Arrays demonstriert. Eine erste Anmeldung dieser Lösung für ein Schwungrad wurde vom Anmelder og. Inductrack Patente, Herrn Post, in den USA zum Patent angemeldet und technisch umgesetzt. Hierbei erfolgt die Lagerung der Welle unabhängig vom Generator und das Magnetfeld des Arrays steht für die Stromerzeugung nicht zur Verfügung. Weiter ist hier die Welle aus wirtschaftlichen Gründen stets horizontal gelagert, während ein Generator zum Abfangen horizontaler Störungen der Antriebswelle hier ein stärkeres Magnetfeld erfordern kann, als zum Levitieren des Rotors erforderlich ist.With regard to the use as magnetic storage by Halbach arrays, the storage of waves by ring-shaped arrays has been demonstrated to date. A first application of this solution for a flywheel has been mentioned by the Applicant. Inductrack patents, Mr. Post, patent pending in the US and technically implemented. Here, the bearing of the shaft is independent of the generator and the magnetic field of the array is not available for power generation. Further, here the shaft is always stored horizontally for economic reasons, while a generator for intercepting horizontal disturbances of the drive shaft may require a stronger magnetic field here than is required for levitating the rotor.

Die Verwendung von Serpentine Coils als Anordnung der Spulen für einen Fahrweg ist bisher nicht bekannt. Diese Spulenanordnung wurde bisher für langsam laufende Generatoren als vorteilhaft frei verfügbar veröffentlicht. Die Serpentine Coil kann vorteilhaft sein bei der Ausbildung der Magnetpolanordnung gegenüber dem Halbach Array, die Verwendung stellt jedoch nur eine Ausführungsvariante von Rotor oder Stator dar. Grundsätzlich kann der Generator auch mit kurzgeschlossenen Spulenringen als Radialflußmachine ausgeführt werden.The use of serpentine coils as an arrangement of the coils for a track is not yet known. This coil arrangement has so far been published as freely available for low-speed generators. The coil Serpentine may be advantageous in the formation of the magnetic pole with respect to the Halbach array, but the use is only one embodiment of rotor or stator. In principle, the generator can be performed with shorted coil rings as Radialflußmachine.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Funktionen von Welle, Kupplung, Getriebe, Rotor, Leistungsregelung und Lagerung eines Generators in einem Bauteil zu vereinen ist technisch neu und in ihrer Toleranz gegenüber äußeren Störungen des Antriebs einzigartig.Combining the functions of shaft, coupling, gear, rotor, power control and bearing of a generator in one component is technically new and unique in their tolerance to external disturbances of the drive.

Die magnetische Lagerung erlaubt bei entsprechender Regelung der Magnetfeldstärken in den Spulenkreisen eine vollständige Dämpfung aller Störungen der Bewegungen des Rotors. Dadurch können, in Kombination aller Elemente, mechanische Leistung abgebende Aggregate direkt an den Generator angeschlossen werden. Schwingungen, Stöße, an- und abschwellende Momente und Fluchtungsfehler von Rotor und Stator werden gedämpft.The magnetic bearing allows with appropriate control of the magnetic field strengths in the coil circuits complete damping of all disturbances of the movements of the rotor. This allows, in combination of all elements, mechanical power-dissipating units are connected directly to the generator. Vibrations, shocks, swelling and decaying moments and misalignment of rotor and stator are damped.

Hauptvorteil ist, dass hier die strukturellen Belastungen des Rotors und Aggregates sowie der Tragstruktur des Stators wegfallen. Die Vorteile der reduzierten Laufreibung sind gegenüber einem Rad-Schiene System wirtschaftlich durch das teurere Generatormaterial kaum relevant. Erhebliche Vorteile für den Betrieb ergeben sich hingegen durch den Wegfall von Klemmwirkungen bei Aufbringen von Kräften unter einem Winkel auf die Welle. So lassen sich Strömungskraftmaschinen bereits bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten zur Stromerzeugung einsetzen, da Getriebeverluste wegfallen.The main advantage is that here the structural loads of the rotor and aggregate as well as the support structure of the stator are eliminated. The advantages of reduced running friction are hardly relevant to a wheel-rail system economically due to the more expensive generator material. Significant advantages for the operation, however, result from the elimination of clamping effects when applying forces at an angle to the shaft. Thus, turbomachines can be used even at lower flow rates for power generation, since transmission losses are eliminated.

Die Kombination aller Elemente zu einem vereinfachten, effizienten Generator zur Stromerzeugung ist neu. Hier wird zunächst gegen den Widerstand der Lagerung eine Rotation der Welle um einen zentralen, ortsfesten Punkt hergestellt. Die dämpfende Trägheit der Verlagerung des Rotormagnetfeldes im induzierten Statormagnetfeld hat explizit den besonderen Nutzen, radialen, axialen und winkelbehafteten Wellenverlagerungen sowie Drehmomentstößen entgegenzuwirken.The combination of all elements into a simplified, efficient generator for power generation is new. Here, first against the resistance of the bearing, a rotation of the shaft is made around a central, fixed point. The damping inertia of the displacement of the rotor magnetic field in the induced stator magnetic field has the particular advantage of counteracting radial, axial and angular shaft displacements as well as torque surges.

Hervorzuheben ist, dass bei ringförmiger Anordnung der Dämpfung die Verstärkung des induktiven Flusses zu einer Abschwächung auf der gegenüberliegenden Seite führt. Daraus resultiert die Abgabe eines gleichmäßigen, weitgehend schwankungsfreien Stroms. Dies ist nur durch eine explizite ringförmige Anordnung auf einer Scheibe oder mit einer durchbohrten Scheibe als Ring zu erreichen und stellt an Regelung und Leistungsentnahme der Anlage grundsätzlich andere Anforderungen, als es bei der Regelung einer translatorischen Bewegung mit Brems-, Beschleunigungs- und Richtungsänderungsvorgängen bedeutet.It should be emphasized that with an annular arrangement of the attenuation, the amplification of the inductive flux leads to a weakening on the opposite side. This results in the delivery of a uniform, largely fluctuation-free stream. This can only be achieved by an explicit ring-shaped arrangement on a disk or with a perforated disk as a ring and places fundamentally different requirements on the regulation and power take-off of the system than it does in the regulation of a translatory movement with braking, acceleration and direction change processes.

Durch Zusammenschaltung verschiedener Spulenkreise lässt sich zudem die Leistung des Generators regulieren und die Funktion eines Getriebes und der zugehörigen Kupplung integrieren. Ebenso kann durch die Steuerung der Leistungsaufnahme der Spulen von Stator- und ggf. auch Rotorschaltkreisen ein hohes Maß an integrierter Leistungsregelung für die Stromabgabe direkt als Teil des Generators kostengünstig realisiert werden.By interconnecting different coil circuits, it is also possible to regulate the power of the generator and integrate the function of a transmission and the associated clutch. Likewise, by controlling the power consumption of the coils of the stator and optionally also rotor circuits, a high degree of integrated power control for the current output can be implemented cost-effectively directly as part of the generator.

In dieser Weise sind ein- und mehrphasige, Gleich- und Wechselstrom-, Radial- und Axialflss-Generatoren realisierbar.In this way, single and multi-phase, DC and AC, radial and Axialflss generators can be realized.

Durch elektronische Steuerung kann ein Teil des Rotorrings bei Bedarf ausgekoppelt oder auf Erhaltung des Feldes geschaltet werden. So ist es möglich, sehr große ringförmige Generatoren mit einer lediglich virtuellen Welle zu bauen, bei denen die Antriebsleistung direkt auf den Rotor aufgebracht wird. Durch den Bau von gekoppelten Trägern mit Halbach Arrays kann der Rotor auf einen Rotorstern als Teilkreisabschnitt reduziert werden, um teures Material für Spulen oder Permanentmagnete einzusparen. Durch geeignete Schaltung von Segmenten des Stators kann das Verhältnis von Magnetfluss zum Widerstand des Induktonskreises konstant gehalten und eine effiziente Leistungsabgabe erreicht werden.By electronic control, a part of the rotor ring can be disconnected if necessary or switched to conservation of the field. So it is possible to build very large annular generators with a merely virtual wave, in which the drive power is applied directly to the rotor. By building coupled carriers with Halbach arrays, the rotor can be reduced to a rotor star as a pitch circle section to save expensive material for coils or permanent magnets. By appropriate switching of segments of the stator, the ratio of magnetic flux to the resistance of the inductor can be kept constant and an efficient power output can be achieved.

Die vorgestellte Lösung beschreibt die grundsätzliche Möglichkeit, einen wellenlosen Generator zu bauen, welcher insbesondere für den Antrieb durch Strömungskraftmaschinen mit schwankender Leistungsabgabe geeignet ist. Dies ist insbesondere bei natürlichen Wind- und Wasserströmungen der Fall. Durch das hohe Maß an Integration steht erstmalig ein Aggregat ohne wartungsaufwändige mechanische Bauteile zur Verfügung. Die Wartungsfreiheit eines Systems ohne zusätzliche mechanische Bauteile ist insbesondere für die Offshore-Anwendung in der Stromerzeugung aus Wind- und Wasserkraft bei Großanlagen von Interesse.The presented solution describes the fundamental possibility to build a shaftless generator, which is suitable in particular for the drive by flow engines with fluctuating power output. This is the case in particular with natural wind and water currents. Due to the high degree of integration, an aggregate without maintenance-consuming mechanical components is available for the first time. The freedom from maintenance of a system without additional mechanical components is of particular interest for offshore use in power generation from wind and hydro power in large-scale systems of interest.

Als Anwendungsfall ist hier die Integration des Ringgenerators in einem Vertikalachsrotor zur Erzeugung von elektrischem Strom dargestellt.As an application, the integration of the ring generator in a vertical axis rotor for generating electric current is shown here.

Von besonderem Interesse sind die Anwendungsfälle a) mit in den Stator integrierten, normal ausgerichteten Spulenkreisen als Radialflussmaschine analog zum Inductrack und b) mit der Ausführung der Spulen des Stators als Serpentine Coil als Axialflussmaschine. Besonders die dichte Spulenbelegung der Serpentine Coil ist für bestimmte Anwendungsfälle von Interesse, bei denen ein hohes, jedoch langsames Drehmoment in elektrischen Strom gewandelt werden soll. Dies trifft vor allem auf einige Windkraftanlagentypen und deren Lastgänge zu.Of particular interest are the applications a) with integrated in the stator, normally oriented coil circuits as a radial flux machine analogous to Inductrack and b) with the execution of the coils of the stator as Serpentine coil as Axialflussmaschine. Especially the dense coil assignment of the Serpentine Coil is of interest for certain applications in which a high, but slow torque is to be converted into electrical current. This applies especially to some wind turbine types and their load gears.

Auf die Ausführung von Typ a) wird hier wegen der ausführlichen Literatur zur Inductrack-Magnetschwebebahntechnik nicht weiter eingegangen. 1 zeigt exemplarisch die integrierte Ausführung eines magnetisch gelagerten Generators als Axialflußmaschine von Typ b) aus Rotor (1) und Stator (2). Zunächst lagert der Rotor auf Hilfsrollen (7) und erzeugt bei Überwindung des Anlaufwiderstandes durch die Halbach-Arrays für Schweben (4) und Lagerung (5) im Induktionsring (3) ein Magnetfeld, welches den Rotor bei Rotation zum Schweben bringt. Übersteigt die Rotation die für Lagerung und Schwebezustand notwendige Spannung, gibt die Leistungsregelung (6) Strom ab.On the execution of type a) is not discussed here because of the detailed literature on Inductrack magnetic levitation technology. 1 shows an example of the integrated design of a magnetically mounted generator as Axialflußmaschine type b) from rotor ( 1 ) and stator ( 2 ). First, the rotor is stored on auxiliary rollers ( 7 ) and, when the starting resistance is overcome by the Halbach arrays for levitation (FIG. 4 ) and storage ( 5 ) in the induction ring ( 3 ) a magnetic field which causes the rotor to float during rotation. If the rotation exceeds the voltage required for storage and suspension, the capacity control ( 6 ) Power off.

Wesentlich erweitert wird hier die Anwendung des Inductrack-Prinzips um den automatischen Ausgleich der Lagerung durch die ringförmige Bauweise. Dadurch wird eine schwer herzustellende Sensorik für Schwankungen der Antriebsleistung in der Rotationsebene überflüssig. Es kann auch aus einer unrund laufenden Welle ein weitgehend sauberer, netzkonformer Strom gewonnen werden bei einem gleichzeitigen Verzicht einer vor- und nachgelagerten Leistungsregelung. Dies ist mit keinem bisher vorgeschlagenen elektrischen Generator für solche Anwendungsfälle möglich.The application of the Inductrack principle for the automatic compensation of the bearing by the annular design is significantly expanded here. As a result, a difficult-to-manufacture sensors for fluctuations in the drive power in the plane of rotation superfluous. It can also be obtained from a rough running wave a largely clean, grid-compliant power at a simultaneous waiver of upstream and downstream power control. This is not possible with any previously proposed electric generator for such applications.

Weiterhin ist die in 2 gezeigte Ausgestaltung der Induktionsspule als axiale Spule nicht vorgesehen. Die Axialflussmaschine weist jedoch bei langsam laufenden Generatoren erhebliche Vorteile auf. Die Sequenz (8) zeigt das Flechtmuster, mit der eine axial umlaufende Wicklung der Rotorrings belegt werden kann. Stellvertretend für ein-, zwei-, drei oder mehradrige Wicklung ist hier ein 4-adriges Geflecht dargestellt, welches einfach maschinell geflochten und gewickelt werden kann.Furthermore, the in 2 shown embodiment of the induction coil is not provided as an axial coil. However, the axial flow machine has significant advantages in low-speed generators. The sequence ( 8th ) shows the braiding pattern with which an axially encircling winding of the rotor ring can be covered. Representing one-, two-, three- or multi-wire winding, a 4-core braid is shown here, which can be easily braided and wound by machine.

Durch die Wechselschaltung (9) ist die Zusammenschaltung von Spulen möglich. So wird Länge und Wicklungzahl der Spulen verdoppelt und durch die Veränderung der Leistungscharakteristik entweder die Wirkung eines Getriebes oder einer Leistungsregelung für die Netzeinspeisung erreicht. Besonders ist hierbei die Möglichkeit, Segmente zu überbrücken und bei einer höheren Anzahl an Adern sind entsprechend feine Abstufungen der Regelung möglich.Through the changeover circuit ( 9 ) the interconnection of coils is possible. Thus, the length and winding number of the coils is doubled and achieved by the change in the performance either the effect of a transmission or a power control for the grid feed. Especially here is the ability to bridge segments and with a higher number of wires correspondingly fine gradations of control are possible.

Grundsätzlich ist es möglich, sowohl im Rotor als auch im Stator Spulen einzusetzen und in ihrer Leistung zu regeln. Dies ist insbesondere bei der Gestaltung als Radialflussmaschine einfach umsetzbar. Damit kann das System auf rythmische Störungen, beispielweise bei einem regelmäßig im Rotorumlauf auftretenden Stoß auf die Welle durch die Strömungsrichtung, in seiner Dynamik abgestimmt werden. Diese Eigenschaft einer im Rotorumlauf veränderlichen Dämpfungswirkungweist kein heute bekannter Generatortyp oder eine daran angeschlossene Lagerung auf.In principle, it is possible to use coils both in the rotor and in the stator and to regulate their performance. This is easy to implement, especially in the design as a radial flux machine. Thus, the system can be tuned to rhythmic disturbances, for example in a regularly occurring in the rotor circulation shock to the shaft through the flow direction, in its dynamics. This characteristic of a variable in the rotor circulation damping effect has no known generator type or a storage connected thereto.

Die zusätzliche Lagerung der Rollen fängt den Rotor bei Anfahren und Abschalten ab, da hier das stützende Magnetfeld des Inductrack wegfällt. Diese Funktion sorgt für Betriebssicherheit bei Lastabwurf des Generators oder anderen Störungen. Durch mechanische Bremsen an den Rollen ist ein sicheres Stoppen des Generators gewährleistet.The additional bearing of the rollers catches the rotor when starting and stopping, since the supporting magnetic field of the Inductrack is omitted. This function ensures operational safety when load shedding the generator or other faults. Mechanical braking on the rollers ensures safe stopping of the generator.

Durch Pufferung mit elektrischen Speichern, etwa Kondensatoren, kann ein ruhiges Laufverhalten der dynamischen Dämpfung erreicht werden. Die Pufferung kann durch die Leistungsregelung genutzt werden, um den Generator abzubremsen und so in einer bestimmten Position für eine mechanische Arretierung zu stoppen. Die Leistungregelung kann so ausgeführt werden, daß ein Anlaufvorgang aus elektrischen Speichern oder dem Netz gespeist wird. Dadurch kann der Generator bereits vor Anlaauf zum Schweben gebracht und so der Anlaufwiderstand erheblich reduziert werden. Ebenso ist es möglich durch Schaltung der Spulenkreise den angeschlossenen Antrieb als Motor auf Betriebsdrehzahl zu bringen und dann auf Generatorbetrieb zu wechseln.By buffering with electrical storage, such as capacitors, a smooth running behavior of the dynamic damping can be achieved. The buffering can be used by the power control to decelerate the generator and thus stop in a certain position for mechanical locking. The power control can be carried out so that a startup process from electrical storage or the grid is fed. As a result, the generator can be levitated even before the start and so the starting resistance can be significantly reduced. It is also possible by switching the coil circuits the connected drive as a motor to operating speed and then to switch to generator mode.

Weiter erlaubt der ringförmige Aufbau eine einfache Integration von Kühlkreisläufen in unmittelbarer Nähe der Induktionsspulen. Damit können effektive Kühlungen realisiert werden, die eine hohe Leistungsausbeute und den Betrieb über ein breites Drehzahlspektrum ermöglichen. Ebenso kann hier eine hohe Sicherheit bei Lastabwurf erreicht werden und das Aggregat gut vor Überhitzung geschützt werden.Furthermore, the annular structure allows a simple integration of cooling circuits in the immediate vicinity of the induction coils. Thus, effective cooling can be realized, which allow a high power output and operation over a wide speed range. Likewise, a high level of safety during load shedding can be achieved here and the unit can be well protected against overheating.

Insgesamt weist die Erfindung eine Kombination und Integration von Bauelementen auf, die für die Anwendung von Generatoren bei der Erzeugung von elektrischem Strom einzigartig und neu ist. Dies eröffnet für Strömungskraftmaschinen in Wind- und Wasserströmungen neue Möglichkeiten der Generatorkopplung unter Verzicht auf teure und anfällige Komponenten wie Getriebe, Kupplungen oder Leistungsregler zur Netzeinspeisung.Overall, the invention has a combination and integration of components, which is unique and new for the application of generators in the generation of electric power. This opens up new possibilities of generator coupling for flow engines in wind and water currents, dispensing with expensive and vulnerable components such as gearboxes, couplings or power regulators for feeding in the grid.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Fig. 1

1
Rotorscheibe
2
Statorscheibe
3
Induktionsspule
4
magnetisches Schwebe-Array
5
magnetisches Lager-Array
6
Leistungsregler
7
Hilfsrollen
Fig. 2
8
Sequenz eines mehrphasigen Axialflußspulengeflechts
9
gekoppelte Wechselschalter zur Zusammenfassung von Spulenkreisen
Fig. 1
1
rotor disc
2
stator
3
induction coil
4
magnetic levitation array
5
magnetic bearing array
6
power controller
7
auxiliary rollers
Fig. 2
8th
Sequence of a multi-phase Axialflußspulengeflechts
9
coupled changeover switch for combining coil circuits

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (5)

Ein Generator zur Stromerzeugung dadurch gekennzeichnet, dass ein scheiben- oder ringförmiger, als Voll- oder Teilkreis ausgebildeter Rotor oder Stator zum jeweils anderen Bauteil auf diesem schwebend gelagert ist und die Position der Rotorwelle gegenüber dem Stator in 3 Achsen translatorisch und 2 Achsen rotatorisch, dynamisch magnetisch gedämpft fixiert ist, so dass nur eine freie rotatorische Bewegung in der Ebene des Rotors möglich ist. Es erfolgt ein automatischer Ausgleich der Auswirkung von Störungen in der Rotationsebene auf die Generatorspannung auf der gegenüberliegenden Seite des Rotorkreises. Dabei werden ein oder mehrere ringförmige Anordnungen von Magneten oder Spulen zu Halbach-Arrays genutzt, um das eine Bauelement zu bilden. Das jeweils andere Bauelement kann aus einem Induktionsring oder einer Anordnung von Spulen, ggf. ebenfalls, jedoch nicht notwendigerweise, als Halbach-Array angeordnet, bestehen, welche geeignet erscheint unter den Einsatzbedingungen den erzeugten magnetischen Fluß des gegenüberliegenden Bauteils günstig in elektrischen Strom zu wandeln.A generator for generating electricity characterized in that a disk-shaped or annular, designed as a full or partial circle rotor or stator to the other component is mounted floating on this and the position of the rotor shaft relative to the stator in 3 axes translationally and 2 axes rotational, is dynamically magnetically damped, so that only a free rotational movement in the plane of the rotor is possible. There is an automatic compensation of the effect of disturbances in the plane of rotation on the generator voltage on the opposite side of the rotor circuit. In this case, one or more annular arrangements of magnets or coils are used to Halbach arrays to form the one component. The respective other component may consist of an induction ring or an arrangement of coils, possibly also, but not necessarily, arranged as Halbach array, which appears suitable under the conditions of use to convert the generated magnetic flux of the opposite component low in electricity. Generator zur Stromerzeugung nach 1.) dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen des Generators a) als Serpentine Coils und/oder b) zwischen den Spulen des Inductrack und/oder c) in oder in einem Winkel zu den Spulen des Inductrack und/oder d) identisch zu den Spulen des Inductracks und/oder e) elektrisch oder induktiv, gff. über eine Regelung, mit den Spulen des Inductrack gekoppelt f) ein- oder mehrphasig ausgebildet ausgeführt sind und ein Gleich- oder Wechselstrom erzeugenden Radial- oder Axialfluss-Generator gebildet wird.Generator for generating electricity according to 1.) characterized in that the coils of the generator a) as serpentine coils and / or b) between the coils of the Inductrack and / or c) at or at an angle to the coils of the Inductrack and / or d) identical to the coils of the Inductracks and / or e) electrical or inductive, gff. via a scheme, coupled with the coils of the Inductrack f) one or more phases are executed and a DC or AC generating radial or axial flow generator is formed. Generator zur Stromerzeugung nach 1.) und 2.) dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke von Schwebezustand, dynamischer Dämpfung und/oder Leistungsabgabe reguliert wird. Der Eingriff der Regelung kann über den Stromfluss in Spulen oder sensorgesteuert erfolgen. Eine Sensorik kann an Hand der Leistungsabgabe oder durch Einsatz von Abstands-, Schwingungs- oder anderen geeigneten Sensoren erfolgen. Dazu kann durch Veränderung des Widerstandes von Spulenkreisen oder einzelnen Spulen oder kapazitiv durch Zuschaltung Energie speichernder Puffer, Steuerung von in den magnetischen Fluss eintauchenden Regelungsstäben, kapazitiven Spulen, Kondensatoren, Batterien, zum Zweck der Regelung angeschlossene Aggregate, etwa Schwungräder, oder ähnlichem, die Stärke der Magnetfelder an gewünschten Stellen des Generators verändert werden. Ebenso kann durch Überbrückung von Spulensegmenten oder Zusammenschaltung von Spulenkreisen die Leistungs- oder Stromabgabe des Generators verändert werden oder die Leistungsabgabe des Generators nach außen erhöht- oder vermindert werden. Dadurch kann sowohl ein Getriebe für den Antrieb als auch eine Leistungsregelung zur Abgabe an Aggregate oder für eine Netzeinspeisung des erzeugten elektrischen Stromes beabsichtigt werden und auch der Schwebezustand und die Lagerung sichergestellt werden.Generator for power generation according to 1) and 2), characterized in that the strength of floating state, dynamic damping and / or power output is regulated. The intervention of the control can take place via the current flow in coils or sensor-controlled. A sensor can be done on the basis of the power output or by using distance, vibration or other suitable sensors. This can be done by changing the resistance of coil circuits or individual coils or capacitive by connecting energy-storing buffer, control of immersed in the magnetic flux control rods, capacitive coils, capacitors, batteries, connected for the purpose of control units, such as flywheels, or the like, the strength the magnetic fields are changed at desired locations of the generator. Likewise, by bridging coil segments or interconnection of coil circuits, the power or current output of the generator can be changed or the power output of the generator can be increased or decreased to the outside. As a result, both a transmission for the drive and a power control for delivery to aggregates or for a network feed of the generated electric current can be intended and also the limbo state and the storage can be ensured. Generator nach 1.) dadurch gekennzeichnet, dass in den Ring oder die Scheibe des Generators eine Kühlung, Brandschutzmaßnahmen oder Feuerlöscheinrichtungen integriert werden.Generator according to 1.), characterized in that in the ring or the disc of the generator cooling, fire protection measures or fire extinguishing devices are integrated. Generator nach 1.) dadurch gekennzeichnet, dass der Generator mit einer Anlaufhilfe bei Start zum Schweben gebracht wird, etwa durch Einspeisung von Netzstrom oder aus einem Speicher.Generator according to 1.), characterized in that the generator is made to float with a start-up aid at start, such as by feeding power or from a memory.
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