Generatoren für Windkraftwerke

IBeitrag von Manfred Binder:

ich wurde von zwei Tüftlern für Windkraftwerke darum gebeten, dazu passende Generatoren zu entwerfen, zeichnen und berechnen.

Der Erste Tüftler mit dieser Bitte baute/baut an einem Windrad, das sehr langsam dreht, 10 U/min. Da war seine Orientierung schon richtig, daß das nur eine recht hochpolige Maschine sein kann. Seit einigen Jahren steht von mir die ‚Ringförmige Induktionsmaschine’ im Net.

Aber da lagen die Schwerpunkte wo anders. Die Drehzahlen lagen im normalen technischen Bereich, und durch die hochpolige Konstruktion kommt man bei normalen Drehzahlen in einen hochfrequenten Bereich. Das ermöglicht eine hohe Leistungsdichte und als Induktionsmaschine einen einfachen Aufbau.

Wenn man nun auf langsame Drehzahl geht, muß am Aufbau und der Dimensionierung einiges geändert werden.

So ist die wirksame Polfläche nicht mehr auf der Stirnseite. Sonst müßten magnetische Zugkräfte gestützt werden mit entsprechenden Stützlagern, das gibt Reibung.

Dann strebten wir eine Bauweise an, die weitgehend selbst zu bewerkstelligen ist. Die Richtigkeit dieser Denkweise sollte sich bewahrheiten ……..

Zunächst machte ich Vorschläge entsprechend dem Bild rechts. Es zeigt einen Reif aus Flacheisen, dient als Läufer, der mit einer Vielzahl von Magneten bestückt ist. Außen sind anstelle eines kompletten Ringes einzelne Ständerteile, mit Wicklung dargestell. Im unteren Teil des Bildes habe ich nur wenige Ständerteile gezeichnet. Das wird zum Nachteil haben, daß magnetische Zugkräfte den Reif durchwalken. Es kommt dann darauf an, wie man den Reif aufhängt. Eine Vielzahl von Speichen verhindert das Durchwalken.

Vorteil der Bauweise:

– Wenig Maschinenmasse

– Die Elektrobleche lassen sich handwerklich im Selbstbau fertigen (?)

Nachteil:

– man bekommt das Teil schwerlich gewickelt

– viel Streuung der magnetischen Induktion.

Aus dem Grund haben wir auch diese Bauweise verworfen.

Eine andere Bauweise:

Eine Magnetscheibe bekommt im Umfang mehrere Magnete gesetzt, 32 stück.

Auch die Bauweise mußten wir verwerfen. Die Polfläche müßte deutlich größer sein. Eine Vergrößerung der Polfläche hätte zur Folge, daß die Polzahl kleiner wird oder der erforderliche Durchmesser der Maschine wird größer. Dann ist es die Frage, ob die dargestellte Dicke der Magnete ausreicht.

Ein Dauermagnet hat vom Hersteller technische Angaben, Remanenz und Feldstärke (Induktion). Die Remanenz ist wichtig, damit die Magnete im Dauerbetrieb nicht kaputtgehen. So sendete ich gezielte Fragen an den Hersteller von Neodym-Magneten. Auf die Antwort warte ich noch heute.

Die Magnete ersetzen mit Elektromagneten? In der Vielzahl verbrauchen die zu viel Strom. Und ein Klauenrad wäre hier schwierig zu konstruieren gewesen, die Klauen müßten diagonal angeordnet sein, so daß diese sich jeweils zwischen zwei Elektromagneten befänden – der Materialquerschnitt würde zu klein werden –

Dann habe ich noch ein Patent aufgefunden, das eigentlich für einen Motor vorgesehen war, aber zu viele Gleichheiten aufwies: DE 102011013384 A1

http://www.google.com/patents/DE102011013384A1?cl=de.

So sahen wir auch von der Bauweise ab. Im Bereich 100 – 200 U/min könnte das funktionieren.

Eine weitere Bauweise:

Bei dem Eisenpaket links ist jeder Quader aus Transformatorblechen zusammengesetzt.  Der Läufer ist aus Vollmaterial Eisen, aus ensprechenden Teilen zusammengesetzt. So einen Läufer nennt man Klauenrad. Es ist nur eine Magnetspule nötig. Bei genauem Hinsehen fällt auf, daß der Läufer eine kleinere Polzahl hat als der Ständer.

Verzahnungsdrehmoment

Verzahnungsmoment

Es ist ein störender Effekt bekannt, man bezeichnet ihn als Verzahnungsdrehmoment. Der tritt insbesondere bei Maschinen mit Dauermagnererregung auf. Die Magnete versuchen, den Läufer in der für die Feldlinien günstigsten Stellung festzuhalten. Bei einem Elektromotor für Spielzeuge/Modellbau ist das spürbar, wenn man da an der Achse dreht. Die Drehung ist spürbar ‚ruckweise’. Das hat Einfluß auf das Drehmoment, es ist wellenförmig.

Das Bild links zeigt bei meiner Konstruktion, daß sich diese störenden Drehmomente im Umfang insgesamt aufheben. Man erreicht das mit einer minimalen Poldifferenz.

Der zuletzt abgebildete Generator hätte bei einer Drehzahl von 150 U/min ganz locker eine Leistung von 2 kW abgegeben, ohne Verzahnungsdrehmoment und ohne wellenförmiges Drehmoment.

Hinzu kommt ein sehr positives Verhalten in Bezug zu der Spannung, die gleichgerichtet ein recht neuartiges Verhalten zeigt. Der leichte Versatz Läuferpol gegen Ständerpol infolge der Differenz in der Anzahl hat eine ganz leichte Phasenverschiebung zur Folge. Infolge dieser Phasenverschiebung jeder Ständerspule gegeneinander decken sich die gleichgerichteten Halbwellen entsprechend dem Bild rechts gegenseitig ab, günstiger geht das nicht mehr.

Dahingehend habe ich in den letzten Wochen ein Patent angemeldet, das Aktenzeichen 10 2014 004 967.1 kam zurück.

Leider habe ich für elektrische Maschinen keine Fertigungswerkstatt. So kann man Konstruktionen derart nur vorschlagen. Eine Firma in Giessen schickte mir die Nachricht zu:

„Sehr geehrter Herr Binder,

vielen Dank für Ihre Informationen. An Ihrer Konstruktion wären wir interessiert und wir wären auch in der Lage eine Maschine dieser Bauart herzustellen.

Wenn Sie uns die Konstruktionen zukommen lassen, können wir Ihnen ein Angebot für einen solche Maschine ausarbeiten.

Gerne hören wir von Ihnen.“

Als ich zusammen mit dem Tüftler der Windkraftanlage bei dieser Firma eintraf, so klärte man uns auf, der Prototyp müsse noch durch die eigene Konstruktionsabteilung, und mit den und den Auflagen würde der ca. 40000 € kosten ………..

Statt dessen bekommt man dann deren Schrott aufgeschwatzt, der nicht passend ist.

Was soll man darüber denken?

Das ist auch eine gut funktionierende Art, den Erfinder auszubooten.

So darf man sich nicht wundern, wenn Erfindungen, die sogar punktgenau an die Notwendigkeit angeglichen sind, nicht durchkommen. Solche Methoden funktionieren besser als im Kommunismus.

Dann werden soche Ideen noch schlechtgeredet, schlechtgemacht. Auf meine Ausführung hin, wie sich das in der Praxis verhalten müßte, wird man dazu aufgefordert, mal so ein Ding zu bauen. Ohne Werkstatt?

Weitere Bauweise, 10 U/min:

Bei einer Polzahl von 60, das sind 30 Polpaare, komme ich bei 10 U/min gerade mal auf eine Frequenz von 5 Hz. Dann muß die Maschinenmasse ordentlich zunehmen. Die Bleche, aus denen die Quader vom Ständer zusammengesetzt sind, müssen bei der kleinen Frequenz nicht mehr aus Elektroblech/Transformatorblech sein. Es reicht kaltgewalztes Blech. Das hat da seine Vorteile, wenn man einiges selbst fertigen will. Hersteller für Elektrobleche beliefern einen nur noch, wenn man tonnenweise Material abnimmt. Kaltgewalzte Blechtafeln bekommt man. Es reicht, wenn die Bleche 1 mm dick sind, dünner brauchen die nicht zu sein. Man kann sie gegenseitig isolieren, wenn man sie in Phosphorsäure liegen läßt. Dann entsteht eine Phosphatschicht.

Den roten Maßstab (Bild links oben) habe ich mit Absicht in´s Bild projiziert. Dann bekommt man ein Maß dafür, wie viel Maschinenmasse das wird. Die Bilder links und rechts zeigen den Läufer. Die Achse habe ich nicht gezeichnet, nur mit einer Bohrung angedeutet. Bei dem Drehmoment, das zu erwarten ist, tritt ein sehr großes Drehmoment auf. Die Achse wird im Durchmesser vermutlich 7 – 10 cm haben, bei weniger bricht sie.

Bei dem Entwurf hat der Ständer 62 Pole, der Läufer 60. Dann ist das Verzahnungsdrehmoment weitgehend aufgehoben. Man kann nun auch eine Mehrphasensternschaltung anwenden. Mit dem Vorteil, daß sich auch hier die gleichgerichteten Halbwellen optimal überdecken. Die große Maschinenmasse hatte ich bereits angesprochen. Demnach ist so eine Bauart nur zu empfehlen, wenn der Generator stationär auf dem Boden installiert wird. Handelt sich es um ein leichtes Windrad, so läßt sich das Verzahnungsdrehmoment nur mit eisenlosen Scheibenläufern vermeiden. Es gibt dauermagneterregte Generatoren, deren Läufer ist in Kunststoff oder Kunstharz eisenlos eingegossen

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