Windkraftanlagen setzen sich zur gewerblichen Stromerzeugung oder gegebenenfalls zur Eigenversorgung von Unternehmen immer mehr durch, da diese eine kostengünstige Stromerzeugung ermöglichen. Im Jahr 2001 wurden in Deutschland beispielsweise insgesamt 2.079 Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 2,659 Megawatt neu errichtet. Die Windkraftanlagen bestehen in der Regel aus einem um 360° verschwenkbaren Gehäuse, welches zur Aufnahme und Lagerung eines Rotors vorgesehen und auf einem Mast angeordnet ist. Der Rotor ist über eine Antriebswelle entweder mit einem Getriebe oder direkt mit einem Generator gekoppelt. Aufgrund der geringen Rotordrehzahlen wird bevorzugt ein Getriebe verwendet, um eine höhere Ausgangsdrehzahl zum Antrieb des Generators zu erhalten. Die Anpassung der üblichen niedrigen Drehzahl des Rotors an die höhere Generatordrehzahl über ein mechanisches Getriebe ist jedoch mit wesentlichen Nachteilen verbunden, beispielsweise unterliegt das Getriebe einem erhöhten Verschleiß und einem verminderten Wirkungsgrad sowie einem erhöhten Wartungsaufwand. Ferner ist das zusätzliche Gewicht zu berücksichtigen und die durch den Einsatz des Getriebes entstehenden Kosten.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 37 972 ist beispielsweise ein permanentmagneterregter Windkraftgenerator bekannt, und zwar für Leistun- gen von 500 bis 1000 kW, der getriebelos und mit einem statischen Umrichter arbeitend ausgebildet ist, wobei die Generatorwelle als Welle für den Windkraft- rotor dient und der Läufer ein Längen-Breitenverhältnis größer 1 aufweist.

Obwohl eine direkte Koppelung zwischen Rotor und Windkraftgenerator vorliegt ist durch die standardmäßig vorgegebene Bauweise des Generators eine Verbesserung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung der üblichen

Gehäuseabmessungen einer Windkraftanlage nicht möglich, da der Generator nicht für eine Leistungs-und Wirkungsgradverbesserung optimiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Generator dahingehend zu verbessern, dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann und eine größere Leistungsbandbreite möglich ist.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass die korrespon- dierenden Magnete und bewickelten Ringkerne in Axialrichtung auf jeweils einem Kreisring liegend angeordnet sind, deren mittlerer Radius annähernd gleich gehalten ist. Bei herkömmlichen Generatoranordnungen, wie sie beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 37 972 bekannt sind, wird eine Anordnung von Magneten, insbesondere Permanentmagneten in Radialrichtung zu den bewickelten Ringkernen gewählt. Demgegenüber zeigt die vorliegende Erfindung eine konstruktive Lösung auf, bei der die Magnete und bewickelten Ringkerne in vorteilhafter Weise in Axialrichtung liegend angeordnet sind. Sowohl die Permanentmagnete als auch die Ringkerne sind hierbei auf einem Kreisring angeordnet, deren mittlerer Radius annähernd gleichgehalten ist, um einen guten Wirkungsgrad ohne magnetische Verluste zu erzielen. Durch diese Lageanordnung der Ringkerne und Magnete zueinander, und zwar in der Form eines Scheibenläufers, können die einzelnen Ringkerne und deren Spulen den jeweiligen Anforderungen unproblematisch angepasst werden und ebenso besteht die Möglichkeit eine Anpassung der Permanent- magnete vorzunehmen. Ein besonderer Vorteil entsteht hierbei durch die Ausbildung von mehreren in Axialrichtung angeordneten Rotorscheiben, wobei zwischen jeweils zwei Rotorscheiben eine Statoranordnung mit gewickelten Ringkernen liegt. Jeweils zwei Rotorscheiben und die mittig zwischen den Rotorscheiben angeordneten Ringkerne bilden eine Generatoranordnung, wobei in vorteilhafter Weise auf der vorhandenen Antriebswelle des'Rotors mehrere derartige Generatoranordnungen ausgebildet sein können.

Unter Berücksichtigung der Form des Gehäuses der Windkraftanlage besteht ferner die Möglichkeit, dass die benachbarten Generatoranordnungen prinzipiell gleiche aber auch unterschiedliche mittlere Radien aufweisen können und somit eine aerodynamische Form des Gehäuses wählbar ist. Bereits durch die mehrfache Anordnung der Generatoren mit mehreren nebeneinander liegenden Rotorscheiben und entsprechenden Ringkernen kann auch bei niedrig

drehenden Rotorblättern unter Ausnutzung eines hohen Wirkungsgrades und Wegfall einer Getriebeanordnung eine hohe Stromleistung erzielt werden.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass entsprechend der Größe des Rotorblattes und dem vorgesehenen Standort die Größe der Windkraftanlage und damit die des Generators variiert werden kann, welche beispielsweise durch einfache Änderungen des mittleren Radius der Wickelanordnung und der Rotorscheiben des Generators möglich wird. Die Leistung des Generators ist insofern weniger von seinem Durchmesser abhängig, da eine längliche Bauweise für größere leistungsfähige Generatoren in vorteilhafter Weise gewählt werden kann.

Besonders bei niedrigen Drehzahlen erhält man auf diese Weise bei mehrpoli- gen und mehrphasigen Ringgeneratoren eine höhere Leistung und einen verbesserten Wirkungsgrad.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Generator besteht darin, dass dieser kein Rastmoment, wie zum Beispiel bei herkömmlichen Permanentmagnet-Generatoren, aufweist. Aus diesem Grunde kann das Rotorblatt aufgrund des fehlenden Rastmomentes bereits durch geringe Windgeschwindigkeiten in Betrieb gesetzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Generator handelt es sich um eine Zwischenstän- derversion, mit einem Eisen behafteten Stator und mehreren Ringwicklungen.

Hierdurch werden die bereits unerwünschten Rastmomente vermieden und darüber hinaus eine einfache Montage und Demontage einzelner Generatorkomponenten ermöglicht. Der Induktor weist hierzu zwei Eisenscheiben auf, die entsprechend der gewählten Polzahl mit Seltenen- Erdenmagneten Neodym bestückt sind. Die Magnetisierung ist mit abwechseln- der Polarität axial gerichtet. Aufgrund des Getriebeverzichtes ist der Generator hochpolig und als Scheibenläufermaschine ausgebildet. Der in den radialen Leiterteilen der gewickelten Ringkerne fließende Strom bewirkt zusammen mit dem axialen magnetischen Fluss d. ie Entstehung von tangentialen Kräften, sodass ein elektromagnetisches Drehmoment auf beiden Seiten des Stators entsteht. Um eine größere Leistung zu erzielen können hierbei einzelne Ringwicklungen und Scheibenläufer hintereinander angeordnet werden, wobei die einzelnen axialen Ringwicklungen jeweils parallel geschaltet werden.

In weiterer Ausgestaltung des Generators ist hierbei vorgesehen, dass der magnetische Fluss von einem ersten Magneten in Axialrichtung ausgehend

durch den Luftspalt zum bewickelten Ringkern und dann in tangentialer Richtung durch diesen hindurch über den weiteren Luftspalt in den gegenüber liegenden Magneten verläuft und über die Rotorscheibe als Eisenrückfluss geschlossen ist.

Der erfindungsgemäße Scheibenläufer-Generator weist somit einen axialen Feldverlauf im Luftspalt auf, gegenüber einem herkömmlichen radialen Feldverlauf im Luftspalt, wobei die Ringwicklungen mit einzelpoligen Dynamo- blechpaketen zur Aufnahme von drei Spulen oder gegebenenfalls für eine Spule vorgesehen sind.

In weiterer besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magnete aus einzelnen beabstandeten Kreisringsegmenten bestehen, die entsprechend der gewünschten Polzahl unterteilt und alternierend zu einem Kreisring auf der Rotorscheibe zusammengesetzt sind. Durch die Anordnung der Magnete auf der Rotorscheibe kann die Polzahl dem jeweiligen Verwen- dungszweck angepasst und in ausreichender Form variiert werden, sodass für den speziellen Einsatzfall konstruierte Generatoren ohne größeren Mehrauf- wand kostengünstig hergestellt werden können. Der Anker des Scheibenläufer- Generators besteht hierbei aus zwei Eisenscheiben, die rechts und links vor der Ringwicklung angeordnet sind und mit einer entsprechenden Anzahl von Seltenen Erdenmagneten Neodym bestückt sind, um eine optimale Verbesse- rung des Wirkungsgrades zu erzielen. Die Rotorscheibe ist als Eisenrückfluss- scheibe ausgebildet, um den Magnetfluss von den Magneten über die Ringwicklungen optimal zu beeinflussen.

In weiterer besonderer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Statorbleche mit Wicklungen koaxial in einem Statorgehäuse aufgenommen sind und dass die Statorbleche über radial ausgerichtete Schraubbolzen in dem Statorgehäuse befestigt sind. Die einzelnen Statorbleche mit Wicklungen werden innerhalb des Statorgehäuses ringförmig angeordnet und mit dem Statorgehäuse verschraubt, wobei durch die modulartige'Bauweise der Statorbleche im Falle eines technischen Defektes ein schneller Austausch einzelner'Statorbleche mit Wicklungen erfolgen kann. Zu diesem Zweck sind die Statorbleche in einzelne austauschbare Kreisringsegmente unterteilt, die wie besagt ringförmig innerhalb des Statorgehäuses nebeneinanderliegend befestigt sind. Hierbei weisen die Kreisringsegmente Kammern für eine oder drei Wicklungen entsprechend

einem einphasigen oder dreiphasigen Generator auf. Besonders vorteilhaft bei der konstruktiven Ausgestaltung des Generators ist, dass die Kreisringsegmen- te entsprechend der ausgewählten Polzahl in der Breite und Höhe sowie ihrem mittleren Radius variierbar sind und somit unter Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums innerhalb des Statorgehäuses optimal gestaltet werden können. Dies bedeutet beispielsweise, dass unter Beibehaltung eines äußeren Durchmessers, der in der Regel durch die Gehäuseform der Windkraftanlage vorgegeben ist, jede beliebige Polzahl und Wicklungsanordnung zur Erzielung einer hohen Leistung wählbar ist. Eine Magnetisierung erfolgt hierbei in Axialrichtung mit abwechselnder Polarität.

Die erfindungsgemäße Ausführung eines Generators eignet sich daher besonders für Windkraftanlagen und Wasserkrafträder, da er kein Getriebe benötigt und auch bei niedriger Drehzahl aufgrund der hochpoligen Ausbildung eingesetzt werden kann. Eine Leistungssteigerung kann hierbei durch einfachen Austausch einzelner Ringwicklungen und Scheibenläufer erfolgen.

Durch die vorgesehenen Maßnahmen werden hierbei die Herstellungskosten deutlich reduziert und der Wirkungsgrad verbessert, wobei insbesondere durch die konstruktive Ausbildung die einzelnen Blechpakete einzeln auswechselbar sind und damit die Kosten in einem'Reparaturfålle erheblich herabgesetzt werden. Besonders erwähnenswert ist hierbei das fehlende Rastmoment, sodass die Windkraftanlagen auch bei niedriger Windgeschwindigkeiten in Gang gesetzt werden können.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt Fig. 1 einen in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellten erfindungsgemäßen Generator, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Rotorscheibe, Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht des Statorgehäuses mit gewickelten Ringkernen,

Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht ein einzelnes Blechpaket mit Spulenwicklung zur Aufnahme in dem Statorgehäuse und Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht ein weiteres Blechpaket zur Aufnahme dreier Spulenwicklungen.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Generator 1 in einer geschnittenen Seitenansicht, bestehend aus mehreren Rotorscheiben 2, die auf einer Antriebswelle 3 drehfest gehalten sind und Ringkernen 4, welche zusammen mit der Antriebswelle 3 und den Rotorscheiben 2 in einem Generatorgehäuse 5 aufgenommen sind. Die Antriebswelle 3 ist über entsprechende nicht gezeigte Lager gegenüber dem Generatorgehäuse 5 abgestützt und einenends unmittelbar mit dem sie antreibenden und nicht dargestellten Rotor der Windkraftanlage verbunden, während das gegenüberliegende Ende der Antriebswelle 5 als Wellenstummel herausragt. Im gezeigten Ausführungsbei- spiel ist das Generatorgehäuse 5 ringförmig mit einem gleichbleibenden Durchmesser gezeigt, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass hiervon abweichende Bauformen eingesetzt werden. Die einzelnen Ringkerne 4 bestehen aus Kreisringssegmenten, wie insbesondere aus Figur 3 ersichtlich, die ringförmig aneinandergefügt und durch Schraubbolzen 6 mit dem Generatorgehäuse 5 verschraubt werden, sodass einzelne Kreisringsegmente jederzeit ausgetauscht werden können. Auf den Rotorscheiben 2 sind umfangsverteilte Magnete 7, insbesondere Permanentmagnete, befestigt, und zwar in der Weise, dass der mittlere Radius annähernd identisch, wie der der Ringkerne 4 ausgebildet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 5 Rotorscheiben 2 eingesetzt worden, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Anzahl verringert oder gegebenenfalls je nach Baulänge des Generatorgehäu- ses 5 vergrößert wird. Ebenso besteht die Möglichkeit, um eine aerodynami- sche Form des Generatorgehäuses 5 zu erzielen, dass ein Teil der Rotorschei- ben 2 und Ringkerne 4 einen von den übrigen Ringkernen 4 und Rotorscheiben 2 abweichenden Durchmesser aufweist und somit ebenfalls einen abweichen- den mittleren Radius. Die Magnete 7 einer Rotorscheibe 2 sind jeweils auf deren Radialflächen 8,9 befestigt, sodass der gesamte Generator 1 als Scheibenläufergenerator ausgebildet ist und die Magnete 7 mit ihren Radialflä- chen 10 den Radialflächen 11 der Ringkerne 4 mit einem ausreichenden Luftspalt 12 gegenüberliegen. Der magnetische Fluss des erfindungsgemäßen

Generators 1 verläuft zwischen den Magneten 7 und Ringkernen 4 somit in Axialrichtung, wobei über die als Eisenscheiben ausgebildeten Rotorscheiben 2 ein Eisenrückschluss erfolgt. Die einzelnen Magnete 7 zu beiden Seiten der Rotorscheibe sind mit wechselnder Polarität angeordnet.

Figur 2 zeigt in einer Seitenansicht eine einzelne Rotorscheibe 2 mit mehreren umfangsverteilten Magneten 7, die ebenfalls zueinander eine wechselnde Polarität aufweisen. Die Rotorscheibe 2 ist, wie bereits aus Figur 1 ersichtlich, drehfest auf einer Antriebswelle 3 für den Antrieb durch das nicht gezeigte Rotorblatt befestigt. Die Einzelmagnete 7 sind beabstandet zueinander auf der Rotorscheibe 2 befestigt und weisen einen mittleren Radius auf, der weitestge- hend dem Radius der Wicklungen innerhalb des Generatorgehäuses 5 entspricht. Als Material werden bevorzugt Permanentmagnete aus Seltenen Erdenmagneten Neodym verwendet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine sechspolige Rotorscheibe 2. Es besteht jedoch die Möglichkeit die Anzahl der Pole an die benötigte Leistung und Drehzahl des Generators 1 anzupassen. Die Magnete 7 können besonders einfach und montagefreundlich auf den Rotorscheiben 2 befestigt werden, welche darüber hinaus bei der Montage des Generators 1 problemlos auf der Antriebswelle 3 befestigt und leicht austauschbar ausgebildet sind. Durch Variation der Polzahl und der Anzahl der Ringkerne, wie sie beispielsweise aus Figur 3 ersichtlich sind, kann somit der Generator 1 in vorteilhafter Weise an die Anforderung angepasst werden.

Figur 3 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Generatorgehäuse 5 mit koaxial innenliegenden Ringkernen 4, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Ringkernsegmenten bestehen und jeweils 3 Wicklungen 13,14, 15 tragen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um 9 Ringkernsegmente zu je drei Wicklungen 13,14, 15. Der gezeigte Generator 1 ist somit als Drehstrom- generator vorgesehen, es besteht jedoch ohne Weiteres die Möglichkeit ein Einphasengenerator in der gleichen Bauart herzustellen. Die einzelnen Ringkernsegmente werden durch vorhandenen Bohrungen 16 des Generator- gehäuses 5 mittels Schraubbolzen 17 befestigt, welche in eine Gewindeboh- rung 18 der Ringkerne 4 eingedreht sind. Hierdurch besteht in einfachster Weise die Möglichkeit eines Austausches eines einzelnen Ringkernsegmentes im Falle eines technischen Defektes. Darüber hinaus werden die Ringkerne 4

unter Berücksichtigung der entstehenden magnetischen Kräfte sicher innerhalb des Generatorgehäuses 5 gehalten.

Figur 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht beispielsweise einen einzelnen Ringkern 4, der aus Dynamoelektroblechen besteht und zu einem Blechpaket zusammengefügt ist, welches H-förmig ausgebildet ist und eine obere und untere Ausnehmung 20 zur Aufnahme der Wicklungen 21 aufweist. In der leicht abgerundeten Stirnfläche 22 sind Gewindebohrungen 18 vorgesehen, in die die Schraubbolzen 17 zur Befestigung mit dem Generatorgehäuse 5 eingeschraubt werden. Eine Vielzahl diese Ringkerne wird zu einem Kreis zusammengefügt und innerhalb des Generatorgehäuses 5, wie aus Figur 3 ersichtlich, befestigt.

Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ebenfalls ein Ringkernsegment 23, welches jedoch insgesamt sechs Ausnehmungen 24 zur Aufnahme der Wicklungen aufweist und demzufolge für einen Drehstromgenerator vorgesehen ist. Das Kreisringsegment 23 besteht ebenfalls a' Dynamoelektroblechen, die zu einem Blechpaket zusammengefügt sind.

Aufgrund der Größe des Kreisringsegmentes 23 ist dieses im Außenbereich stärker abgerundet und somit an den Innendurchmesser des Generatorgehäu- ses 5 angepasst. Die Kreisringsegment 23 weisen in ihren Stirnflächen 25 ebenfalls Gewindebohrungen 18 auf, in die die Schraubbolzen 17 zur Befestigung mit dem Generatorgehäuse 5 eingeschraubt werden. Die Befestigung und Anordnung der Kreisringsegment 23 innerhalb des Generator- gehäuses 5 ist aus Figur 3 ersichtlich : Bezugszeichenliste 1 Generator 2 Rotorscheibe 3 Antriebswelle 4 Ringkern 5 Generatorgehäuse 6 Schraubbolzen 7 Magnet 8 Radialfläche 9 Radialfläche 10 Radialfläche 1 1 Rådialfläche 12 Luftspalte 13 Wicklung 14 Wicklung 15 Wicklung 16 Bohrung 17 Schraubbolzen 18 Gewindebohrung 19 Ringkernsegment 20 Ausnehmung 21 Wicklung 22 Stirnfläche 23 Kreisringsegment 24 Ausnehmung 25 Stirnfläche