Permanenterregter Ringgenerator für kleine Windkraftanlagen

Es ist eine wichtige Aufgabe der Industrieländer, leistungsfähige Windkraftanlagen zu entwickeln, die sich insbesondere für den Einsatz in Entwicklungsländern eignen, da gerade diese Länder durch die Knappheit und die Preissteigerungen bei fossilen Energieträgern aufgrund ihrer wirtschaftlichen Gegebenheiten am empfindlichsten getroffen werden. Eines der wichtigsten Ziele, das heute bei der Entwicklung von Windkraftanlagen verfolgt wird, ist die Reduzierung der spezifischen Energieerzeugungskosten. Dabei sollen diese Kosten so reduziert werden, daß sie nahe bei denen der vorherrschenden Energieträger liegen. Zur Reduzierung dieser Kosten sind u. a. die in Windkraftanlagen verwendeten elektrischen Generatoren zu optimieren. Zu den Zielen der Optimierung gehören vor allem eine hohe Leistungsdichte sowie ein guter Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Hierzu soll auf das Getriebe zwischen Windturbine und Generator verzichtet werden. Der Einsatz direktbetriebener Generatoren in Windkraftanlagen scheiterte bisher an deren Größe und Gewicht, wenn sie nach konventioneller Bauweise für den üblichen Frequenzbereich (50-60 Hz) ausgelegt wurden. Mit der Entwicklung neuer Magnetwerkstoffe wurde die Realisierung neuartiger Maschinenkonzepte möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde eine vorteilhafte neuartige Ausführung mit integriertem Generator- und Rotorkonzept entworfen, gebaut und untersucht. Es wurde im Hinblick auf den direkten Betrieb der Windkraftanlage eine Axialfeldmaschine gewählt, in der zwei Magneträder einen Ringanker umfassen. Die entwickelte Maschine zeichnet sich durch einfache Konstruktion und vertretbaren Materialaufwand aus. Windturbine und Ringgenerator bilden eine integrierte Einheit, bei der die Magnetscheiben innerhalb eines Alu-Gehäuses liegen, an dem die Flügel des Windrotors befestigt sind. Mit Hilfe verschiedener analytischer Rechenverfahren wurde ein Entwurfsschema entwickelt mit dem Ziel, die Maschinenabmessungen zu optimieren. Dabei konnten das Luftspaltfeld, die Streuverhältnisse, die Kräfte zwischen Erregermagneten und Ringkern, die induzierte Spannung, die Wirbelstromverluste im Magnetmaterial, das Ankerfeld sowie die Reaktanzen und weitere Größen der Maschine vorausberechnet werden. Das Maschinenverhalten wurde im stationären und im dynamischen Betrieb simuliert. In dieser Publikation werden außerdem die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen dargestellt. Nach Integration des Generators mit dem Windrotor wurde die Gesamtanlage unter realistischen Windverhältnissen einem Freifeldtest unterzogen. Die praktischen Messungen haben die vorausberechneten Eigenschaften bestätigt und die Erwartungen erfüllt. Somit ist der entwickelte Synchrongenerator mit Ringwicklung für Direktbetrieb eine geeignete Lösung für Windkraftanlagen kleiner Leistung zur dezentralen Energieversorgung.