Derartige Windgeneratoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt. Meist ist auf der Turmfassung ein um eine vertikale Drehachse drehbares Maschinenhaus angeordnet. Das Maschinen- haus hat eine im wesentlichen horizontal gelagerte Welle, an der der Rotor befestigt ist. Der Rotor ist meist 3-flügelig ausgebildet. Die vom Wind hervor- gerufene Drehbewegung des Rotors treibt über die Welle und ggf. ein Über- setzungsgetriebe einen im Maschinenhaus untergebrachten Generator an, der elektrischen Strom erzeugt.

Nachteilig ist, daß diese bekannten Windgeneratoren bei geringen Windge- schwindigkeiten noch keinen Strom erzeugen können. Demgegenüber werden bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten die Flügel des Rotors in Neutral- stellung verstellt und der Rotor aus Sicherheitsgründen abgebremst. Mithin ist eine Stromerzeugung nur in einem begrenzten mittleren Windstärken- bereich möglich.

Ferner ist bei den bekannten Windgeneratoren nachteilig, daß der Rotor eine aufwendige Steuerungsmechanik zur Anstellung der Flügel und ein ferti- gungstechnisch sehr aufwendiges Flügelprofil aufweist. Zudem sind die bekannten Windgeneratoren optisch und akustisch wenig ansprechend.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung einen Windgenerator anzugeben, der eine Stromerzeugung über einen breiteren Windstärkenbereich erlaubt und folglich eine höhere Energieausbeute ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Windgenerator gemäß Anspruch 1.

Dadurch, daß der mit vertikaler Drehachse ausgerüstete, topfförmige Rotor in seiner Mantelfläche eine Mehrzahl von schraubenförmig angeordneten äußeren Flügeln aufweist, wird der Rotor windrichtungsunabhängig vom Wind in Drehbewegung versetzt. Ein Ausrichten des Rotors zur jeweiligen Windrichtung ist daher nicht erforderlich. Bevorzugt ist die Topfform des Rotors zylinderförmig oder trapezoidförmig. Das Profil der schraubenförmig auf der Mantelfläche angeordneten Flügel ist einfacher als bei herkömmlichen Rotoren aufgebaut, da die Umfangsgeschwindigkeit über den gesamten Flügel im wesentlichen gleich ist. Auch bei einer trapezoidförmigen Topfform sind die Unterschiede in der Umfangsgeschwindigkeit von äußerer Kreisbahn zur inneren Kreisbahn geringer als bei herkömmlichen Rotoren. Das aero- dynamische Profil der Flügel kann somit über den gesamten aerodynamisch wirksamen Flügel im wesentlichen gleich gestaltet werden.

Wenn eine den Rotor teilweise abdeckende Haube vorgesehen ist, können beispielsweise die Teile des Rotors abgedeckt werden, die sich entgegen der Windrichtung drehen. Gleichzeitig kann mit der Haube bei sehr starkem Wind eine Teilabdeckung des Anströmungsbereichs des Rotors zur Begrenzung der Drehzahl des Rotors erreicht werden.

Um eine variabel veränderbare Abdeckung zu erhalten, ist die Haube koaxial zur Drehachse des Rotors drehbar gelagert. Die Haube kann nun je nach Anwendung frei auf die jeweilige Windrichtung, zur Drosselung der Drehzahl und/oder zum Abstellen der Anlage verstellt werden.

Dadurch, daß die Haube etwa ein Halbkreissegment ist, das die Flügel des Rotors überdeckt, die sich entgegen einer Windrichtung bewegen, wird ein unerwünschter Luftwiderstand bzw. Verwirbelungen an den gegen die Windrichtung rückdrehenden Flügeln vermieden.

Wenn die Haube auf einem horizontal angeordneten äußeren Kreisring auf der Turmfassung drehbar gelagert ist und im Haubendeckel koaxial zur Drehachse des Rotors ein Lager zur oberen Drehlagerung des Rotors hat, wird eine ferti- gungstechnisch relativ einfach zu realisierende drehbare Halterung der Haube erreicht. Ferner dient die Haube im Haubendeckel als Widerlager für den Rotor, um an den Rotor angreifende Kippkräfte aufzufangen.

Dadurch, daß eine wenigstens zweiteilige Haube vorgesehen ist, deren Haubenteile einerseits schuppenförmig übereinander zusammenschiebbar und andererseits den Rotor vollständig abdeckend ausgebildet sind, kann zum bedarfsweisen Abstellen des Windgenerators der Rotor vollständig abgedeckt werden.

Wenn der Rotor auf einem horizontalen, inneren Kreisring mit einer mag- netischen Schwebelagerung abgestützt ist, wird die durch das Gewicht des Rotos hervorgerufene Reibungskraft in der Drehlagerung des Rotors erheblich verringert. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung um auch bei sehr geringen Windstärken eine Rotation und somit eine Stromerzeugung zu ermöglichen.

Zum Abgreifen der Drehbewegung des Rotors können beispielsweise ein oder mehrere Generatoren an einem am inneren Kreisring befestigten Zahn- stangenkreis angeordnet werden, wobei die Generatorenachsen mit kleinen Zahnrädern versehen sind und mit dem Zahnstangenkreis des Rotors in Ein- griff stehen. Bei dieser Konstruktion kann durch die Vorauswahl der einge- setzten Generatoren die Leistungsfähigkeit des Windgenerators angepaßt

werden. Gleichzeitig wird dabei eine hohe Übersetzung der langsamen Dreh- bewegung des Rotors auf die erwünschte schnellere Drehbewegung des Generators erreicht.

Alternativ ist zum Abgreifen der Drehbewegung des Rotors am inneren Kreis- ring zwischen Rotor und Generator ein magnetisches Getriebe vorgesehen.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist im Bereich des inneren Kreisrings eine kreisringförmige Generatoranordnung zur Stromerzeugung vorgesehen. Damit wird der Generator unmittelbar in dem Kreisring im Bereich der Lagerung des Rotors integriert. Durch eine fehlende mechanische Übersetzungen wird der Reibungswiderstand weiter verringert.

Dadurch, daß auf einer Zylindermantelfläche mehrere übereinander ange- ordnete Generatoranordnungen vorgesehen sind, wobei die Ausrichtung von Läufer und Stator wenigstens einer Generatoranordnung veränderbar ist, um diese Generatoranordnung bedarfsweise außer Funktion zu setzen, kann die Leistung des Windgenerators im Betrieb an die jeweilige Windstärke angepaßt werden. Beispielsweise ist bei geringer Windstärke nur eine Generatoranord- nung in Betrieb. Sobald die Windstärke dauerhaft einen ersten Schwellwert übersteigt, wird eine zweite Generatoranordnung, beispielsweise durch An- heben des Stators auf die gleiche Höhe des zugehörigen Läufers, aktiviert.

Entsprechend produziert der Windgenerator mehr elektrische Energie, ohne daß die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors übermäßig ansteigt. Bei einer weiteren dauerhauften Erhöhung der Windstärke über einen zweiten Schwell- wert wird dann entsprechend eine dritte Generatoranordnung aktiviert.

Dadurch, daß der Rotor innerhalb eines mit den äußeren Flügeln gebildeten, zylinderförmigen, äußeren Rotorteils ein inneres Rotorteil mit großflächigen inneren Flügeln aufweist, wobei die inneren, eine Schraubenform auf- weisenden Flügel, die von den äußeren Flügeln durchgreifende Luftströmung

nach oben leiten und einen zusätzlichen Drehimpuls auf den Rotor über- tragen, wird die durch die äußeren Flügel durchgreifende Luftströmung zusätzlich zur Stromerzeugung genutzt.

Insbesondere, wenn der Turm im wesentlichen hohl ausgebildet ist, am Fuße des Turms Öffnungen vorgesehen sind und der Rotor im Bereich der inneren Flügel von unten durch die hohle Turmfassung im wesentlichen frei anström- bar ausgebildet ist, wobei über die Öffnungen Luft in den hohlen Turm ein- strömt, thermisch bedingt aufsteigt und über die inneren Flügel des inneren Rotorteils einen zusätzlichen Drehimpuls auf den Rotor überträgt, kann auch ein Kamineffekt zur Stromerzeugung ausgenutzt werden. Zur Steigerung des Kamineffekts kann die Turmfassung Sonnenstrahlen absorbierend ausge- staltet sein.

In weiterer Ausgestaltung können mehrere Windgeneratoren übereinander in einem Turm angeordnet sein. Bevorzugt ist der Turm durchgehend hohl ausgebildet und der oberste Windgenerator der Gesamtanordnung weist einen Rotor mit inneren Flügeln zur Ausnutzung des Kamineffekts auf.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.

Darin zeigt : Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Windgenerator in Seitenansicht in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Windgenerator in Draufsicht, Fig. 3 eine räumliche Detailansicht, teils geschnitten, einer Rotorlage- rung,

Fig. 4 eine räumliche, teils geschnittene Detailansicht einer zur Fig. 3 alternativen Generatoranordnung, Fig. 5 im Querschnitt einen Windgenerator in einer zweiten Ausführungs- form und Fig. 6 eine Gesamtanordnung von drei Windgeneratoren gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein Windgenerator 10 in Seitenansicht dargestellt. Einige konstruktive Details vom Innenleben sind gestrichelt wiedergegeben.

Der Windgenerator 100 weist einen Turm 1 auf, der auf einem nicht darge- stellten Fundament aufgebaut ist. Der Turm 1 weist einen Fußbereich 11, einen im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Mittelbereich 12 und eine Turmfassung 13 zur Aufnahme eines Rotors 2 auf. Der zylinderförmige Mittelbereich 12 des Turms 1 ist in der Zeichnung verkürzt dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Turm 1 im wesentlichen hohl aus- gebildet. Die Wandstärke des Fußbereichs 11, des Mittelbereichs 12 und der Turmfassung 13 sind mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Unmittelbar über dem Fußbereich 11 sind am unteren Ende des Mittelbereichs 12 Öff- nungen 14 vorgesehen, die einen Lufteintritt in den hohl ausgebildeten Turm 1 ermöglichen.

Auf der Turmfassung 13 ist ein Rotor 2 drehbar um eine vertikale Dreh- achse Z aufgesetzt. Der Rotor 2 weist zwei koaxial zueinander angeordnete Rotorteile 21,22 auf, wobei der äußere Rotorteil 21 auf einer äußeren Mantelfläche eine Vielzahl von schraubenförmig ausgebildeten Flügeln zeigt.

In Fig. 1 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Flügel 211 dargestellt. In der Draufsicht der Fig. 2 entspricht dieser Flügel dem dort im Mittel auf seiner Neun-Uhr-Stellung befindlichen. Wie weiter aus Fig. 2 ersichtlich ist,

ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der äußere Rotorteil 21 mit zwölf äußeren Flügeln 211 ausgestattet.

Ferner ist in Fig. 1 ein innerer Rotorteil 22, der Übersichtlichkeit halber eben- falls nur mit einem inneren Flügel 221 dargestellt. Wie aus der Draufsicht in Fig. 2 hervorgeht, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel am inneren Rotorteil 22 vier innere Flügel 221 vorgesehen. Die inneren Flügel 221 sind ebenfalls schraubenförmig ausgebildet, weisen jedoch gegenüber den äußeren Flügeln 211 erheblich größere Oberfläche auf. Im dargestellten Aus- führungsbeispiel der Figuren 1 und 2 sind der äußere Rotorteil 21 und der innere Rotorteil 22 miteinander verbunden. Ggf. könnte zwischen dem äußeren Rotorteil 21 und dem inneren Rotorteil 22 auch ein Freilauf vorge- sehen sein.

Ferner ist in Fig. 1 eine den Rotor 2 teilweise abdeckende Haube 3 darge- stellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist die Haube 3 ein Haubensegment 31 in Halbkreisform sowie einen über den nicht abgedeckten Bereich des Rotors 2 übergreifenden Stützarm 32 auf. Das Haubenhalbkreissegment 31 überdeckt 180° des äußeren Rotorteils 21. Oberhalb des inneren Rotorteils 22 weist das Haubensegment 31 große Luftdurchtrittsöffnungen 34 auf.

Die Haube 3 ist auf der Turmfassung 13 auf einem äußeren, horizontalen Kreisring 131 drehbar gelagert. Die Haube 3 wird über einen am äußeren Kreisring 131 angreifenden, nicht dargestellten Antrieb, bevorzugt elektro- mechanisch, verstellt. Dabei können beispielsweise über Sensoren ermittelte Werte der Windrichtung und Windstärke ausgewertet und die Haube 3 entsprechend angesteuert werden.

Innerhalb des äußeren Kreisrings 131 ist ein innerer Kreisring 132 zur freien Drehlagerung des Rotors 2 angeordnet. Um die Reibung dieser Lagerung zu minimieren, ist der innere Kreisring 132 als magnetische Schwebelagerung 4

ausgebildet, wie dies in Fig. 3 in räumlicher, teils geschnittener Detailansicht dargestellt ist. Die magnetische Schwebelagerung 4 des inneren Kreis- rings 132 weist eine lagefest Kreisringscheibe 41 auf, die an der Turm- fassung 13 befestigt ist. Diese lagefest Kreisringscheibe 41 trägt außerdem einen Halter 42 für einen zylinderumfänglich angeordneten Generator- stator 43. Der Generatorstator 43 hat in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Polen 431, denen jeweils Spulen 432 zur Induktion der zu generierenden Wechselspannung zugeordnet sind.

Der lagefesten Kreisringscheibe 41 ist eine drehbare Kreisringscheibe 45 zugeordnet. Dabei ist die Oberseite der lagefesten Kreisringscheibe 41 magnetisiert bzw. mit einem Magneten 44 belegt. Darüber ist die drehbare Kreisringscheibe 45 angeordnet, die ebenfalls magnetisiert bzw. mit einem zum Magneten 44 der lagefesten Kreisringscheibe 41 gegenüberstehend ausgerichteten Magneten 46 ausgestattet ist. Die Magneten 44,46 weisen einander abstoßende Magnetisierung auf. Die Abstoßungskräfte tragen dabei das Gewicht eines auf der drehbaren Kreisringscheibe 45 auflagernden, in Fig. 3 nicht dargestellten Rotors 2.

Ferner ist an der drehbaren Kreisringscheibe 45 ein Halter 47 angeordnet, der Erregerwicklungen oder Magnete 481 trägt, die den Generatorläufer 48 bilden.

Mit dieser Konstruktion wird eine reibungsarme Lagerung des Rotors 2 im Bereich des inneren Kreisrings 132 durch die magnetische Schwebelage- rung 4 erreicht. Die Gewichtskräfte des Rotors 2 werden von den einander abstoßenden Magneten 44 und 46 aufgefangen. Zusätzliche Quer-und Kippkräfte werden durch herkömmliche Lager, beispielsweise Kugellager, aufgenommen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine zentrale Rotorwelle 23 größtenteils gestrichelt dargestellt. Die Welle 23 ist einmal am unteren Ende in der Turmfassung 13 in einem unteren Lager 231 und im Haubendeckel 33 mit einem oberen Lager 232 geführt. In dieser Figur ist auch die Lage der magnetischen Schwebelagerung 4 im Bereich der Turmfassung 13 gestrichelt angedeutet.

In Fig. 4 ist eine alternative Ankopplung eines oder mehrerer Generatoren an den Rotor 2 des Windgenerators 10 in einer räumlichen, teils geschnittenen Detailansicht dargestellt. Dabei sind Bauteile gleicher Funktion mit den Be- zugszeichen zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bezeichnet. Eine Generatoreinheit 5 greift dabei die vom Wind hervorgerufene Drehbewegung des Rotors 2 am inneren Kreisring 132 ab.

Die drehbare Kreisringscheibe 45 des inneren Kreisrings 132 ist über eine magnetische Schwebelagerung 4 auf der lagefesten Kreisringscheibe 41 magnetisch schwebend abgestützt. Dabei ist an einem an der drehbaren Kreisringscheibe 45 angesetzten Halter 47 ein magnetisches Topfrad 52 ausgebildet. An dem Topfrad 52 liegt berührungsfrei in magnetischer Wirk- verbindung ein erstes Rad 53 an, das seine Drehbewegung über eine Neben- welle 54 auf ein damit verbundenes zweites Rad 55 überträgt. An dem zweiten Rad 55 liegt ebenfalls berührungsfrei mit magnetischer Wirkver- bindung ein drittes Rad 56 an, das mit einer Generatorwelle 57 verbunden ist und den Generator 51 antreibt. Der Übersichtlichkeit halber sind in der Fig. 4 die Lagerungen der Nebenwelle 54 und der Generatorwelle 57 nicht darge- stellt. Die Wellen sind jedoch mit dem Halter 42 der lagefesten Kreisring- scheibe 41 verbunden.

Die gesamte Anordnung der Generatoreinheit 5 bildet somit eine kompakte Stromerzeugungseinheit, die entsprechend der Leistungsfähigkeit des an- treibenden Rotors 2 mehrfach am Bereich des inneren Kreisrings 132

angeordnet werden kann. Die Räder 52,53, 55 und 56 sind an den Um- fangsflächen mit achsparallel angeordneten Stabmagneten belegt. Die Orientierung der Stabmagneten ist alternierend parallel und antiparallel zueinander ausgerichtet. Damit bildet sich eine magnetische Verzahnung, die eine reibungsarme Übersetzung erlaubt. Zudem kann die jeweilige Generator- einheit 5 axial verschiebbar ausgebildet sein, um bedarfsweise bei stärkerem Wind weitere Generatoren zuzuschalten bzw. bei abnehmendem Wind Generatoren auszukoppeln.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Windgenerator 101 in Fig. 5 dargestellt, der in beliebiger Höhenlage in einem Turm, also nicht aus- schließlich an der Turmspitze, angeordnet werden kann. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der Turm 1 weist bei diesem Ausführungsbeispiel ein durchgehendes Turm- segment 15 auf. Am Turmsegment 15 ist die lagefest Kreisringscheibe 41 für die magnetische Schwebelagerung 4 befestigt. Ebenso sind am Turm- segment 15 Halterungen für den äußeren Kreisring 131 zur drehbaren Lage- rung der Haube 3 befestigt. Die Haube 3 ist in der Ansicht der Fig. 5 den rechten Teil des Rotors abdeckend dargestellt. Der Rotor 2 ist im linken Teil der Fig. 5 erkennbar. Der Rotor 2 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine Trapezoidform. Die vom Wind angeströmten äußeren Flügel 211 liegen ent- sprechend auf einer geneigten Mantelfläche. Der Rotor 2 weist bei diesem Windgenerator 101 lediglich einen äußeren Rotorteil 21 auf, der direkt vom an den äußeren Flügeln 211 anströmenden Wind in Drehbewegung versetzt wird.

Ein unmittelbar am inneren Kreisring 132 angeordneter Generator gemäß der Ausführungsform, die in Fig. 3 beschrieben ist, besteht aus dem Generator- läufer 48 und zugeordneten Generatorstatoren 43 und 43'. Die beiden über-

einander angeordneten Generatorstatoren 43, 43'erlauben eine Anpassung der Generatorleistung an die Windstärke. Dabei wird die untere Generator- statoranordnung 43'durch nicht dargestellte Einrichtungen bedarfsweise axial zur Drehachse Z gemäß Pfeil ZZ nach unten verschoben und somit aus dem Wirkbereich des Generatorläufers 48 gebracht. Diese Einrichtung kann beispielsweise hydraulisch in Abhängigkeit der gemessenen Windstärke ange- steuert werden.

In Fig. 6 ist zum vorgenannten Ausführungsbeispiel eine Gesamtanordnung von drei übereinander angebrachten Windgeneratoren an einem Turm 1 dar- gestellt. Die beiden unteren Windgeneratoren 101 und 102 entsprechen dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel. Der in der Turmspitze ange- ordnete dritte Windgenerator 103 weist zusätzlich einen inneren Rotorteil 22 an seinem Rotor 2 auf, der die in dem hohl ausgebildeten Turm 1 nach dem Kamineffekt aufsteigende Luft zur Erzeugung einer Drehbewegung zur Strom- erzeugung ausnutzt.

Bezugzeichenliste 1 Turm 100 Windgenerator 101 erster Windgenerator 102 zweiter Windgenerator 103 dritter Windgenerator 11 Fußbereich 12 Mittelbereich 13 Turmfassung 131 äußerer Kreisring 132 innerer Kreisring 14 Öffnungen 15 Turmsegment 2 Rotor 21 äußerer Rotorteil 211 äußerer Flügel 22 innerer Rotorteil 221 innerer Flügel 23 Rotorwelle 231 unteres Lager 232 oberes Lager 3 Haube 31 Haubensegment 32 Stützarm 33 Haubendeckel 34 Luftdurchtrittsöffnung 4 magnetische Schwebelagerung

41 lagefest Kreisringscheibe 42 Halter 43 Generatorstator 43'Generatorstator 431 Pol 432 Spule 44 Magnet 45 drehbare Kreisringscheibe 46 Magnet 47 Halter 48 Generatorläufer 481 Erregerwicklung, Magnet 5 Generatoreinheit 51 Generator 52 Topfrad 53 erstes Rad 54 Nebenwelle 55 zweites Rad 56 drittes Rad 57 Generatorwelle Z Drehachse ZZ Pfeil