Entwicklung eines getriebelosen Generators mit Luftspaltwicklung für den Betrieb bei extrem niedrigen Drehzahlen

Transkript

1 Entwicklung eines getriebelosen Generators mit Luftspaltwicklung für den Betrieb bei extrem niedrigen Drehzahlen Dipl.-Ing. Ralf Hinzelmann Dr.-Ing. Norman Borchardt Prof. Dr.-Ing. Roland Kasper

2 Gliederung 1. Anforderungen 2. Technologie 3. Kombinationswicklung 4. Steuerung 5. Kühlungskonzepte 6. Konstruktionswerkzeug 7. Generatorentwurf 8. Zeitplan 2

3 Anforderungen Projektziel Elektrische Leistung = 10 kw Nenndrehzahl = 30 U/min Wirkungsgrad = 90% G Anforderungen der Projektpartner: Fischfreundliches Wehr Fischfreundliches Wehr Mechanische Leistung Nenndrehzahl Staudruckwasserkraftwerk = 5 kw = 30 U/min G 3 Mechanische Leistung Nenndrehzahl = kw = 20 U/min Staudruckwasserkraftwerk

4 Vorgelege Getriebe Generator Vorgelege Generator Generator Anforderungen U/min U/min U/min Drehzahl Moment 4

5 Vorgelege Getriebe Generator Vorgelege Generator Generator Technologie Stufe I Eisenlose Wicklung 1.0 Stufe II Eisenlose Wicklung 2.0 Stufe III Kombinationswicklung Drehzahl Moment 5

6 Kombinationswicklung Ansatz ist ein permanenterregter magnetischer Kreis: Zwei separate Wicklungen Luftspaltwicklung Nutenwicklung Zwei elektromechanische Wandlungsprinzipien Luftspaltwicklung Lorentzkraft Nutenwicklung Magnetkraft 6

7 U V W Kombinationswicklung Luftspaltwicklung Kombinationswicklung Rotor Rotor U V W Magnete U V W Magnete Stator Stator Wesentliche Vorteile der Weiterentwicklung: Doppeltes Drehmoment Höhere Induktivität Größere Leistungsdichte 7

8 Steuerung 3 Phasen: Blockschaltbild 8

9 Steuerung 3 Phasen: Blockschaltbild Generator 9

10 Steuerung 3 Phasen: Parameter n=60 U/min M=750 Nm P E =4 kw U B =295 V I B =13,6 A η=86% 10

11 Steuerung 3 Phasen: Zeitverläufe 11

12 Kühlungskonzepte Luftkühlung mit IP 55-Gehäuse Innenliegender Wärmetauscher (IC 5A1) Umlaufende Lüfterhaube (IC 4A1) 12 Ringgenerator mit direkter Kühlung (IC0A2 ) Generator mit Heatpipes (IC 6A0)

13 Kühlungskonzepte Wasserkühlung Offener Kühlkreislauf (IC 0-3W0): Nutzen des Staudruckes der Anlage zum durchspülen des Stators mit Wasser Generator wird unter Wasser betrieben Geschlossener Kühlkreislauf (IC 4-9W0-1): 13 Kühlmedium wird durch Wärmeunterschiede transportiert (Konvektion) Wasser wird mit Hilfe einer Pumpe im Generator umgewälzt Externer Wärmetauscher wird an den wasserführenden Komponenten montiert Bsp.: Schlauchpumpe zur Umwälzung des Kühlmediums

14 Konstruktionswerkzeug Nutzen für die Generatorauslegung und Konstruktion: schnelle Berücksichtig von Änderungen thermische, mechanische, kinematische und elektrische Parameter können zusammen betrachtet werden Designparameter können an externe Berechnungsprogramme übergeben werden alle Ergebnisse sind in einer Datenbank abgelegt (Excel-Dokument) Ablaufschema der Generatorgestaltung unter Nutzung des Konstruktionswerkzeugs 14

15 Generatorentwurf Mechanische Eigenschaften: Generator ist als Außenläufer ausgeführt Luftgekühlter Aluminium-Stator Generator ist mit IP-55 Gehäuse ausgeführt welches aber bei Überhitzung geöffnet werden kann Anschlusswellen sind normgerecht ausgeführt Anschluss des Generator erfolgt durch die Befestigungswelle die als Hohlwelle ausgeführt ist 15

16 Generatorentwurf Elektrische Eigenschaften: intelligente Verschaltung der Wicklungen ermöglicht zwei verschiedene Ausführungen bei einer Bauform Ausführung 1 5 kw Ausführung 2 10 kw 16

17 3 Jahre Projektlaufzeit Freigabe Steuerungsentwicklung Abstimmung Konstruktion Übergabe Konstruktion Fertigungsplanung Wicklung Start Stufe III Start Entwurf und Vorauslegung Projektberatung IMS Auslegung Wicklung Freigabe Sicherheitskonzept Zeichnungserstellung Fertigungsfreigabe Fertigung Metall Wickeln Metall Wickeln Messung am Prüfstand IMS IMS Ende Erprobung Konstruktion IMS Vorbereitung Wicklung IMS Ematik GmbH Ablauf analog zu Stufe II Steuerung - Entwurf und Realisierung Ematik GmbH 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Ralf Hinzelmann Adresse: Institut für Mobile Systeme (IMS) Lehrstuhl Mechatronik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Postfach Magdeburg Telefon: 0391/ Fax: 0391/ URL: