DER PERMANENTERREGTE ASYNCHRONGENERATOR ...

DER PERMANENTERREGTE ASYNCHRONGENERATOR: FUNKTION, EFFIZIENZ, KOSTEN
Zusammenfassung
Bert Hagenkort, Thomas Hartkopf, Stephan Jöckel
Institut für Elektrische Energiewandlung, Technische Universität Darmstadt
Landgraf-Georg-Str. 4, D-64283 Darmstadt
In dem Beitrag wird eine permanentmagneterregte Asynchronmaschine als Generator für getriebelose,
drehzahlstarre WKA vorgeschlagen. Ein zwischen Ständer und Läufer angeordneter, frei drehbar gelagerter
Permanentmagnetring ermöglicht die asynchrone Funktionsweise der Maschine. Erste Berechnungsergebnisse
zeigen, dass mit diesem Generator durch den Wegfall der Verluste in Getriebe und Umrichter hohe Teillastwirkungsgrade
(ausgeprägtes Maximum bei etwa 30 - 40 % Belastung) bei weicher Netzkopplung (2 - 4 %
Nennschlupf) erreichbar sind. Da weder Getriebe noch Umrichter erforderlich sind, könnte der permanenterregte
Asynchrongenerator besonders vorteilhaft in drehzahlstarren Offshore-WKA eingesetzt werden.
1 Problematik
Die Asynchronmaschine besitzt eine Reihe von Vorteilen
wie Wartungsarmut, einfache Netzkopplung
und stabiler Betrieb des Käfigläufers sowie die
Möglichkeit der Läuferspeisung beim Schleifringläufer
[1]. Bei Anwendungen in der Windenergie ist
jedoch ein Getriebe unbedingt erforderlich, da langsamlaufende
Asynchronmaschinen unterhalb einer
bestimmten Drehzahl nicht mehr ausführbar sind:
bei hochpoligen elektrischen Maschinen mit großem
Durchmesser muss zum einen der Luftspalt aus
mechanischen Gründen recht groß gewählt werden,
zum anderen verringert sich aufgrund der hohen
Polzahl die Polteilung, so dass das Verhältnis von
Luftspalt zu Polteilung mit abnehmender Drehzahl
immer größer wird. Der zur Erregung erforderliche
Magnetisierungsstrom steigt mit diesem Verhältnis
stark an, was Leistungsfaktor und Wirkungsgrad
verschlechtert und eine niedrige Ausnutzung
hochpoliger Asynchronmaschinen zur Folge hat.
Demgegenüber erreicht die permanentmagneterregte
Synchronmaschine hohes Drehmoment und
guten Wirkungsgrad auch bei großem Luftspalt/
Polteilung-Verhältnis, kann in der Windenergie
jedoch nicht direkt mit einem starren Netz
verbunden werden, da starke Leistungsschwankungen
und möglicherweise sogar Instabilitäten die
Folge wären. Drehzahlvariabler Betrieb mit Hilfe
eines Frequenzumrichters beseitigt diese Probleme,
erfordert allerdings teure Umrichter, da die gesamte
Scheinleistung über den Umrichter fließen muss.
Dies führt zu hohen Kosten und verringerter
Effizienz [2].
2 Problemlösung
Die hier vorgeschlagene und zum Patent
angemeldete Lösung hat zum Ziel, die Vorteile von
Asynchronmaschine und permanentmagneterregter
Synchronmaschine zu vereinen.
2.1 Funktionsprinzip
Der Asynchrongenerator wird durch einen zwischen
Ständer und Läufer angeordneten beweglichen Ring
erregt, der Erregerpole aus Permanentmagnet-
Material trägt. Dieser separat drehbar gelagerte
Permanentmagnetring ermöglicht eine Relativbewegung
der Permanentmagnete sowohl relativ
zum Ständer als auch relativ zum Läufer (Abb. 1).
Im Betrieb rotiert der Permanentmagnetring synchron
mit dem Ständerdrehfeld und trägt damit zum
Aufbau des magnetischen Flusses im Asynchrongenerator
bei. Dadurch wird der Magnetisierungsstrom
reduziert, was zu einer Erhöhung von
Leistungsfaktor und Wirkungsgrad führt. Derartige
permanenterregte Asynchronmaschinen (PMASM)
lassen sich auch bei großen Bohrungsdurchmessern
und kleinen Polteilungen ausführen.
Ständer mit
Drehstromwicklung
Läufer mit
Käfigwicklung
Drehender Ring mit
Permanentmagneten
Abb. 1: Prinzipskizze des Generators
2.2 Variante mit Kurzschlussläufer
Diese Variante bietet durch die bekannte unisolierte
Stabwicklung mit angelöteten Kurzschlussringen
einen einfachen und kostengünstigen Läuferaufbau.
Abgesehen von der wesentlich höheren Nutzahl

unterscheidet sich die hier vorausgesetzte Kurzschlussläuferwicklung
nicht von der üblicher
Asynchronmaschinen. Diese Variante könnte ohne
Leistungselektronik wie üblich direkt in ein starres
Netz einspeisen. Die bekannte Polumschaltung zur
Realisierung von zwei Drehzahlen ist infolge der
extrem kleinen Polteilung hier jedoch ausgeschlossen.
Da weder Getriebe noch Umrichter
erforderlich sind, könnte der permanenterregte Kurzschlussläufer-Asynchrongenerator
besonders
vorteilhaft in drehzahlstarren Offshore-Windkraftanlagen
(WKA) eingesetzt werden.
2.3 Variante mit Schleifringläufer
Eine Ausführung als Schleifringläufer mit gewickeltem
Läufer ermöglicht die bekannte Doppelspeisung
des Asynchrongenerators, besitzt jedoch im Vergleich
zum Kurzschlussläufer den Nachteil der
wesentlich teureren Läuferwicklung. Vorteilhaft wäre
die Möglichkeit eines drehzahlvariablen Betriebs mit
geringerer Umrichter-Bemessungsleistung, was (im
Vergleich zum Synchrongenerator) zu niedrigeren
Leistungselektronik-Kosten und zu einer Reduktion
der Umrichterverluste beitragen würde. Der Verschleiß
der zur Speisung des Läufers erforderlichen
Bürsten dürfte durch die niedrige Schleifringdrehzahl
erheblich geringer als bei den bekannten doppeltgespeisten
Maschinen sein. Zusammen mit dem
Wegfall des Getriebes könnte der Wartungsaufwand
für den Triebstrang von drehzahlvariablen WKA
beträchtlich gesenkt werden.
Im folgenden geht es nur um die Kurzschlussläufer-
Variante, da diese am ehesten dazu geeignet
scheint, die Wirkungsweise dieser neuen Maschine
zu vermitteln.
3 Berechnung des PM-Asynchrongenerators
3.1 Ersatzschaltbild und dessen Parameter
Von Aufbau und Gleichungen der konventionellen
Asynchronmaschine ausgehend lässt sich deren
allgemein bekanntes T-Ersatzschaltbild ableiten. Bei
Vernachlässigung des Eisenverlustwiderstandes
enthält es Ständer- und Läuferwiderstand R1 und R2,
Hauptreaktanz Xh, sowie Ständer- und Läuferstreureaktanz
X1σ und X2σ. Bei der hier vorgeschlagenen
PMASM ist der Luftspalt durch den
Permanentmagnetring zwischen Ständer und Läufer
ungewöhnlich groß, was eine sehr kleine Hauptreaktanz
zur Folge hat. Dagegen spielen die
Streureaktanzen für das Betriebsverhalten der
Maschine eine wichtige Rolle.
Der magnetische Fluss des Permanentmagnetrings
induziert in den Wicklungen eine „Polradspannung“
Up analog zur Synchronmaschine. Zur Berechnung
der Maschine wird daher im Ersatzschaltbild eine
Spannungsquelle Up in Reihe zur Hauptreaktanz
eingeführt (Abb. 2).
U 1
I 1
R 1
jX 1σ
jX h
jX ’ 2σ
U p
R’
2
s
Abb. 2: Einphasiges Ersatzschaltbild der PMASM
Die Maschinengleichungen lauten nun:
U1= R1I1+ jX1σ I1 + jXh( I1+ I’ 2 ) + U p (1)
R’
2 0 = I’ 2
s
+ jX’ 2 I’ 2+ jXh( I1+ I’ 2 ) + U (2)
σ
p
3.2 Stromortskurve
Aus dem einphasigen Ersatzschaltbild lassen sich
Spannungs- und Stromzeigerdiagramme der
PMASM ableiten. Vorgabe ist hier, dass im Leerlauf
kein Magnetisierungstrom fließt, d.h. Up = U1. Aus
der Verbindung aller Endpunkte des Ständerstromzeigers
für feste Magnetisierung entsteht die
Stromortskurve. Mit Hilfe der Stromortskurve lassen
sich Aussagen über wichtige Betriebspunkte, etwa
Leerlauf, Nenn-, Kipp- oder Anlaufpunkt gewinnen.
Re {I 1 }
-500
-1000
-1500
-2000
0 -500 -1000 -1500 -2000
0
cos(φ Ν )=0.91
Im{I 1 }
I 1N s=0.03
I 1K s=0.07
Abb. 3: Spannungszeigerdiagramm und Stromorts
kurve im Netzbetrieb (U1, f1 = konst.)
3.3 Feldberechnungen mit einem FEM-Programm
Wie bereits erwähnt, wird der Betrieb der PMASM
stark von den magnetischen Streufeldern beeinflusst.
Deren genaue Berechnung ist für die
Vorhersage des Drehmoments von entscheidender
Bedeutung. Die bekannte analytische Abschätzung
von Ständer- und Läuferstreuung über eine Addition
der verschiedenen Anteile (Nut- und Zahnkopfstreuung,
etc.) ist jedoch mit Unsicherheiten behaftet.
Aus diesem Grund wurden mit Hilfe des Finite-
Element-Programms ANSYS numerische Berechnungen
des magnetischen Feldes in einer PMASM
vorgenommen (Abb. 3).
I ’ 2

4 Auslegung der Generatoren
4.1 Randbedingungen
Die Vorteile der PMASM kommen dann zum Tragen,
wenn der Ständer des Generators über einen
Transformator direkt ein elektrisches Versorgungsnetz
speist. Eine der wichtigsten Randbedingungen
ist daher eine Ständerfrequenz von 50 Hz. Drehzahlstarre
1.5 MW-WKA, um die es im folgenden gehen
soll, besitzen üblicherweise eine Drehzahl von etwa
20 /min. Daraus ergibt sich eine erforderliche
Polzahl von 300 Polen für die direkt angetriebenen
Generatoren.
Eine weitere wichtige Randbedingung ist die
Luftspaltweite, die sowohl die erforderliche
Permanentmagnetmasse als auch die erreichbaren
Ausnutzungsziffern stark beeinflusst. Hier wurde von
ein Luftspalt von 5.5 mm zwischen Ständer und
Magnetring und ein Wert von 2.5 mm zwischen
Läufer und Magnetring zugrunde gelegt. Das
Magnetmaterial ist Neodym-Eisen-Bor mit einer
Remanenz von 1.1 T bei Raumtemperatur.
4.2 Ständer- und Läuferwicklung
Der Ständerinnendurchmesser wurde bei den
Auslegungen auf 5.5 m festgelegt, damit die
Generatoren noch ungeteilt zum Aufstellungsort
transportiert werden können. Aus diesen Randbedingungen
ergibt sich eine Polteilung von 58 mm,
woraus eine Nutteilung von lediglich 19 mm folgt,
falls eine dreisträngige Wicklung mit q = 1 zugrunde
gelegt wird (q ist die Anzahl der Nuten je Pol und
Phase). Das Verhältnis aus Nuthöhe zu Nutbreite
sollte kleiner als 6 sein, um eine kostengünstige
Bewicklung des Ständers zu ermöglichen. Der
Nutfüllfaktor der Läuferwicklung ist bei unisolierter
Stabwicklung gleich 1 und damit deutlich höher als
im Ständer, der hier zu 0.45 angesetzt wurde.
Dadurch können Stromdichte und Verluste im Läufer
bei gleicher Nuthöhe wie im Ständer halbiert
werden.
Alle hier präsentierten Ergebnisse beruhen auf
vereinfachten Auslegungen mit einer Nut je Pol und
Phase, und zwar sowohl für die Drahtwicklung des
Ständers als auch für die Käfigwicklung des Läufers.
Bei realen Ausführungen sollte man jedoch hiervon
abgehen und die aus der Wasserkraft bekannten
Bruchlochwicklungen einsetzen, um einerseits die
Spannungsform zu verbessern und andererseits die
Nutteilung zu vergrößern [3].
5 Ergebnisse
5.1 Erreichbare Ausnutzungsziffern
Die Ausnutzungsziffern werden mit numerischer
Feldberechnung ermittelt. Da Polteilung, Luftspalte
und maximale Nuthöhe festliegen, verbleiben als
einzige variable Parameter Ständer- und Läuferstromdichte
und Magnethöhe. Die in der Praxis
zulässigen Stromdichten sind stark von der zur
Verfügung stehenden Kühlung abhängig und werden
hier zwischen 2 und 8 A/mm 2 variiert. Als Maß für
die erzielbare Ausnutzung wird der magnetische
Drehschub am Generatorumfang (τ in kN/m 2 )
errechnet, der folgendermaßen definiert ist:
F
2 M
τ = =
D 2M =
(3)
2
A π ⋅D⋅L π ⋅D ⋅L
Mit dem Drehschub τ kann bei Vorgabe des Durchmessers
D die zur Übertragung des Drehmoments
M erforderliche Blechpaketlänge L ermittelt werden.
Verglichen mit der permanenterregten Synchronmaschine
(PMSM) liegt die Ausnutzung durchweg
niedriger, was auf die kleine Polteilung und den
doppelten Luftspalt zurückzuführen sein dürfte
(PMSM erreicht über 40 kN/m 2 bei einer Stromdichte
von 4 A/mm 2 ). Verglichen mit der konventionellen
gleichstromerregten Synchronmaschine (DCSM) am
Diodengleichrichter (am Markt erhältliche Variante
mit τ ≈ 25 kN/m 2 ) liegt die Ausnutzung in der
gleichen Größenordnung und darüber.
τ
50
40
30
kN/m 2
20
10
J 1 =8 A/mm 2 ; J 2 =4 A/mm 2
J=6/3 A/mm 2
J=4/2 A/mm 2
J 1 =2 A/mm 2 ; J 2 =1 A/mm 2
0
0 3 6 9 12
Magnethöhe in mm
Abb. 4: Ausnutzungsziffern über der Magnethöhe
für verschiedene Stromdichten
5.2 Wirkungsgrade und Energieertrag
Ein auf der klassischen Theorie elektrischer
Maschinen beruhendes Berechnungsprogramm
dient zur Berechnung von Betriebspunkt, Verlusten
und Wirkungsgraden. Die Stromwärmeverluste im
Nennpunkt spielen mit über 80 % Anteil eine überragende
Rolle, was auch in den Wirkungsgrad-
Verläufen (ausgeprägtes Maximum bei 30 - 40 %
Last) zum Ausdruck kommt. Durch die hohe
Kupfermasse entstehen auch bei kleiner
Stromdichte im Läufer etwa 2 - 4 % Verluste, d.h. 2
- 4 % Nennschlupf, was eine relativ weiche
Netzkopplung ohne zusätzlichen Aufwand bedeutet.

η
1,00
0,95
0,90
0,85
0,80
PMASM: D = 5.5 m;
L = 0.65 m; 2p = 300
zweipoliger ASG-KL
+ Getriebe, i = 90
0,75
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
P mech / MW
Abb. 5: Wirkungsgrade über der Belastung
Abb. 6 zeigt als Beispiel den Wirkungsgrad einer
Generatorvariante mit einer Stromdichte 4 A/mm 2
im Ständer, 2 A/mm 2 im Läufer und einer
Magnetmasse von 530 kg. Zum Vergleich ist der
berechnete Wirkungsgradverlauf eines konventionellen
Triebstrangs mit Getriebe eingezeichnet,
wenn von 3.5 % Getriebeverlusten im Nennpunkt
ausgegangen wird.
4.4 Kostenbetrachtung
Bei dem derzeitigen Stand des Projekts ist eine
Kostenabschätzung naturgemäß sehr schwierig. Bei
der hier untersuchten drehzahlstarren Variante
entfallen im Vergleich zu anderen getriebelosen
WKA die Umrichterkosten, dafür fallen Kosten für
den Permanentmagnetring und dessen Lagerung
an. Eine entscheidende Rolle spielen sicher die
aufzuwendenden Kosten für die Permanentmagnete.
Bei sinnvollen Auslegungen ist mit Massen zwischen
400 und 800 kg zu rechnen, was bei Preisen von
etwa 150 DM/kg zu Kosten zwischen 60 und 120
TDM führt. Eine Angabe von Kosten für die
Lagerung des Magnetrings wären an dieser Stelle
reine Spekulation.
Die Wartungskosten der drehzahlstarren Variante
dürften jedoch im Vergleich sehr niedrig liegen, da
kein Getriebe, kein Umrichter und keine Schleifringe
erforderlich sind.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen eines kürzlich gestarteten Projekts
wurde der durch einen rotierenden Permanentmagnetring
erregte Asynchrongenerator zunächst
theoretisch untersucht. Verschiedene Käfigläufer-
Varianten für getriebelose drehzahlstarre 1,5 MW-
WKA wurden ausgelegt und sowohl analytisch als
auch numerisch nachgerechnet. Erste Berechnungsergebnisse
zeigen, dass mit diesem Generator trotz
der extrem ungünstigen elektromagnetischen Rand-
bedingungen (sehr kleine Polteilungen von weniger
als 60 mm bei Luftspalten von fast 6 mm) vielversprechende
Ausnutzungsfaktoren erreichbar sind.
Durch den Wegfall der Getriebe- und Erregerverluste
verbleiben die Ummagnetisierungsverluste
als einzige lastunabhängige Verluste. Dadurch
werden hohe Teillastwirkungsgrade (ausgeprägtes
Maximum bei etwa 30 - 40 % Belastung) bei weicher
Netzkopplung (2 - 4 % Nennschlupf) erreicht. Da
weder Getriebe noch Umrichter erforderlich sind,
könnte der permanenterregte Asynchrongenerator
mit Käfigläufer besonders vorteilhaft in drehzahlstarren
Offshore-WKA eingesetzt werden.
In einem zweiten Schritt des Projekts soll die
Variante mit Schleifringläufer und gewickeltem
Läufer durchgerechnet werden, die in doppeltgespeisten
getriebelosen WKA eingesetzt werden
könnte. Das neue Generatorkonzept ist eingehend
mit dem Stand der Technik bezüglich Energieertrag,
aktiver Masse und geschätzten Kosten zu vergleichen.
Entscheidend dürfte sein, welche Kosten
die mechanischen Probleme (Lagerung des Magnetrings,
Realisierung der erforderlichen Luftspalte,
Montage, etc.) verursachen.
In einem dritten Schritt ist der Bau eines Prototypen
im kleinen Maßstab geplant, um die theoretischen
Ergebnisse im Labor zu verifizieren. Die Resultate
sollen zeigen, ob das neue Konzept des permanenterregten
Asynchrongenerators dazu beitragen kann,
Strom aus Wind noch konkurrenzfähiger zu
machen.
7 Literatur
[1] GARDNER, P.: „Wind Turbine Generators and
Drive Systems“, p. 16-18, Wind Directions, Oct. 97.
[2] HARTKOPF, T.; HOFMANN, M.; JÖCKEL, S.:
„Direct-Drive Generators for Megawatt Wind Turbines“,
Proc. of EWEC’97, Dublin, in Druck.
[3] SPOONER, E.; WILLIAMSON, A.C.: „Direct
Coupled, Permanent Magnet Generators for Wind
Turbine Applications“, IEE Proc.-Electr. Power
Appl., Vol. 143, No. 1, Jan. 1996.