Wissenswert:

01.10.2017
» Info 04/2017

01.10.2017
» Anträge

Förderkennzeichen:
A 317 16
Auslegung von Flux-Switching-Maschinen zum Einsatz in Windkraftanlagen
TU Darmstadt

Laufzeit

01.11.2016 - 31.10.2018

Getriebelose Windkraftanlagen werden speziell im Bereich von Off-Shore Windparks in den letzten Jahren vermehrt eingesetzt, da diese wartungsarm sind. Die direkte Verbindung von Turbine und Generator erfordert allerdings Generatoren, welche hohe Drehmomente aufweisen. Um dies zu realisieren, werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit Magneten hoher Energiedichte benötigt. Neodym-Eisen-Bor-Magnete weisen die höchsten Energiedichten zurzeit auf und werden daher vermehrt verwendet. Allerdings entmagnetisieren Magnete, die nur aus Neodym (Nd), Eisen (Fe) und Bor (B) bestehen, im Gegenfeld bereits bei niedrigen Temperaturen unter 100 °C. Durch Zusätze anderer Seltenerdelemente, insbesondere Dysprosium, können höhere Temperaturen bis ca. 200 °C erreicht werden, was für den Einsatz solcher Magnete auf dem Rotor konventioneller permanentmagneterregter Synchronmaschinen wichtig ist, da der Rotor einer elektrischen Maschine nur bedingt gekühlt werden kann. Dysprosium ist allerdings selten und somit teuer, wodurch der Preis solcher NdFeB-Magnete deutlich steigt (um ca. 25…30 %).

Eine Alternative, um die Betriebstemperatur in den Magneten zu reduzieren, ist die Anordnung der Magnete im Stator der Maschine, da der Stator deutlich besser gekühlt werden kann. Durch die kühleren Magnete können daher Magnete mit einem geringen Dysprosium-Gehalt oder Dysprosium-freie Magnete, welche somit kostengünstiger sind, verwendet werden. Die vielversprechendste Anordnung der Magnete im Stator zeigt die sogenannte Flux-Switching-Maschine (FSPM), bei welcher die Magnete in den Statorzähnen angeordnet werden.

Ziele des Projekts sind die Auslegungen der FSPM-Maschine als segmentierter 3 MW- sowie 5 MW- Windkraftgenerator bei Drehzahlen von 10…15 /min. Diese Auslegungen werden anschließend mit bereits ausgelegten konventionellen permanentmagneterregten Windkraft-Synchrongeneratoren verglichen (siehe Vorgängerprojekt Förderkennzeichen A 284 09), um die Leistungsfähigkeit der Flux-Switching-Maschine festzustellen. Dabei soll neben dem elektromagnetischen, thermischen und mechanischen Verhalten auch die mögliche Einsparung an Magnetmaterialkosten abgeschätzt werden. Abschließend wird ein Prototyp einer Flux-Switching-Maschine mit reduzierter Leistung (ca. 50 kW) und modularem, also segmentiertem Stator für leichtere Reparatur einzelner Teile gefertigt, um die Simulationsergebnisse zu verifizieren und die Fertigung einer solchen Maschine zu erproben.