Schneider, H: Direktangetriebene permanenterregte Synchronge

Schnellläufer verwendbar ist. Es lassen sich hohe Leistungsdichten und damit geringe Bauvolumen sowie sehr gute Wirkungsgrade erreichen. Der große Vorteil des Konzepts liegt in dem verlustarmen Rotor, der ohne Wicklung auskommt, da die Erregung durch die Permanentmagnete erfolgt. In Bezug auf Windenergieanlagen ermöglicht dies einen direktangetriebenen Langsamläufer, sodass das Getriebe und damit auch die Getriebeverluste entfallen können. Hochpolige permanenterregte Synchrongeneratoren sind darüber hinaus in der Lage, sehr große Drehmomente pro Volumeneinheit bei geringer Drehzahl abzugeben.Die Auslegung derartig hochausgenutzter Generatoren für Windenergieanlagen im Leistungsbereich von mehreren Megawatt erfordert nicht nur eine exakte elektromagnetische Berechnung des Magnetkreises sondern auch eine detaillierte thermische Berechnung zur Beherrschung der Verluste, die selbst bei hohen Wirkungsgraden von 97% in der Größenordnung von hundert Kilowatt liegen. Weiterhin stellen Dimensionen, Massen und daraus resultierende Kräfte dieser Generatoren besondere Anforderungen bezüglich Fertigung und Prüfung. Diese müssen schon in der Auslegungsphase berücksichtigt werden.Moderne Magnetmaterialien mit Remanenzflussdichten bis 1,3 T ermöglichen hohe Luftspaltinduktionen, sodass im Elektroblech Flussdichten bis ca. 2 T auftreten können. Sättigungserscheinungen und Streufelder sind deshalb nicht zu vernachlässigende Effekte. Analytische Berechnungsmethoden stoßen hier an ihre Grenzen. Durch numerische Feldberechnung, insbesondere nach der Methode der Finiten Elemente (FE), lässt sich der magnetische Kreis unter Einbeziehung nichtlinearer Materialeigenschaften sehr genau berechnen. Pendel- und Rastmomente sind ebenfalls präzise bestimmbar.Die thermischen Verhältnisse in einer elektrischen Maschine sind für deren Betriebsverhalten und -eigenschaften von großer Bedeutung. Schon geringe Überschreitungen der zulässigen Grenztemperatur der Wicklung sowie der Magnete können zur Verkürzung der Lebensdauer bzw. Zerstörung der Maschine beitragen. Im Gegensatz zum Magnetfeld existiert das Temperaturfeld im gesamten Generator. Werkstoffe haben unterschiedliche thermische Eigenschaften, dazu kommen noch Strömungsvorgänge in Luft oder Kühlflüssigkeit. Die vollständige thermische Beschreibung eines Generators ist daher sehr aufwendig und mit analytischen Mitteln nicht mehr möglich. Auch hier ist der Einsatz numerischer Berechnung nach der Methode der Finiten Elemente unumgänglich, um zu verlässlichen Ergebnissen des dreidimensionalen Temperaturfeldes zu kommen.Die von Windenergieanlagen verlangten Anforderungen sind nur mit optimal konstruierten Generatoren realisierbar. Hohe Kosten der Magnete erfordern deren sparsamen Einsatz; Drehmoment, Leistung und Wirkungsgrad müssen erbracht werden. Eine Vielzahl von Konstruktionsparametern, deren funktionaler Zusammenhang schwer erfassbar ist, beeinflussen die Qualität eines Generators. Ziel dieser Arbeit ist es jedoch nicht, bessere, zuverlässigere und leistungsstärkere "Allround"-Optimierungsverfahren für permanenterregte Synchrongeneratoren zu entwickeln [Rus91, Boc01]. Ziel ist vielmehr, durch eine Vielzahl verschiedenster FE-Berechnungen die schwer zu erfassenden funktionalen Zusammenhänge der Konstruktionsparameter darzustellen und somit aktiven Einfluss auf den Optimierungsprozess zu ermöglichen. Dabei werden die Berechnungsmethoden am Beispiel einer Generatorauslegung für eine Nennleistung von 1,5 MW beschrieben und letztendlich mit zwei anderen Auslegungen verglichen.In Kapitel 2 werden die Charakteristika der Leistungsgewinnung aus dem Wind und die daraus resultierenden Anlagen- und Generatorsysteme mit Schwerpunkt auf den permanenterregten Synchrongenerator dargestellt.Das Prinzip der permanenterregten Synchronmaschine wird in Kapitel 3 vorgestellt. Die Notwendigkeit von Finite Elemente Berechnungen wird anhand von analytischen elektromagnetischen Berechnungsmethoden dargestellt. Weiterhin bilden diese analytischen Berechnungen die Grundlagen der Validierung der FE-Berechnungen.In Kapitel 4 wird das thermische Modell des Synchrongenerators ausgearbeitet. Basierend auf zweidimensionalen FE-Modellen der Nut werden komplexe dreidimensionale Modelle aufgebaut. Einflüsse von Kühlsystemen, Wicklungsarten und Geometrie werden dargestellt.Kapitel 5 und 6 befassen sich mit der numerischen elektromagnetischen Berechnung von Synchrongeneratoren. Die Bestimmung des Drehmoments sowie der Ersatzschaltbild-Parameter wird diskutiert und daraus resultierend eine Optimierung des Aktivteils vorgenommen.In Kapitel 7 wird abschließend ein Vergleich zwischen drei verschiedenen Konzepten (wassergekühlter Außenrotor, luftgekühlter Außenrotor sowie luftgekühlter Innenrotor) für permanenterregte Synchrongeneratoren durchgeführt und die Ergebnisse zusammengefasst.Exemplarisch werden im Anhang A ausgewählte FE-Berechnungen dargestellt, mit denen im Laufe der Entwicklung eines 1,5 MW Synchrongenerators aufgetretene Fragestellungen für die Fertigung beantwortet wurden.