Permanentmagnet-Rotoren, erklärt

Die meisten Erklärungen einer Windturbine hören bei den Flügeln auf. Doch die Flügel bestimmen nur, wie viel Energie verfügbar ist — was damit geschieht, entscheidet der Generator, und zwar konkret die Anordnung seiner Magnete. Hier ein Blick in den Permanentmagnet-Generator, den TESUP für Atlas und Magnum baut, und auf die eine Eigenschaft, die darüber entscheidet, ob sich eine Turbine bei wenig Wind dreht oder einfach stehen bleibt.

Was ist ein Permanentmagnet-Generator?

Ein Permanentmagnet-Generator erzeugt Strom mit festen Magneten statt mit Elektromagneten, die erst erregt werden müssen. Weil das Magnetfeld immer vorhanden ist, erzeugt die Maschine ab der ersten Umdrehung Strom und benötigt weder Erregerstrom noch Schleifringe noch Fremdenergie zum Anlaufen.

Der Generator von TESUP ist eine 24-polige Permanentmagnetmaschine mit NdFeB-N42-Magneten (Neodym-Eisen-Bor), je 60 × 25 × 5 mm, vernickelt und brotförmig. Es sind 24 Stück, insgesamt 180 cm³ Magnetmaterial, die sich in einem Stator von 16 cm × 12 cm drehen.

Warum 24 Pole, und warum kein Getriebe?

Die Polzahl bestimmt das Verhältnis zwischen Drehzahl und Ausgangsfrequenz. Ein Generator mit wenigen Polen muss schnell drehen, um nutzbar zu sein — deshalb sitzt bei vielen Turbinen ein Getriebe zwischen Rotor und Generator. Das Getriebe ist zugleich das Bauteil, das am ehesten ausfällt, das Ölwechsel braucht und das Geräusche macht.

Vierundzwanzig Pole liefern bereits bei niedriger Drehzahl nutzbare Spannung, sodass der Rotor den Generator direkt antreiben kann. Kein Getriebe heißt: kein Getriebeöl, kein Zahnradverschleiß und ein Bauteil weniger, das im Februar auf dem Dach festgehen kann.

Was ist Rastmoment?

Rastmoment ist der Widerstand, den man spürt, wenn man einen Permanentmagnetmotor von Hand dreht — dieses ruckartige, schrittweise Sperren, als wolle sich die Welle in feste Positionen setzen. Ursache ist die Anziehung der Magnete zu den Statorzähnen aus Stahl. Jeder Zahn ist eine bevorzugte Parkposition, aus der der Rotor herausgedrückt werden muss.

In einem Ventilator oder Elektrowerkzeug ist Rasten eine Kleinigkeit. In einer Kleinwindanlage ist es das größte Hindernis für den Betrieb bei schwachem Wind, denn das Rastmoment ist eine feste Schwelle, die der Wind überwinden muss, bevor sich überhaupt etwas dreht. Darunter ist der Ertrag nicht klein — er ist null.

Deshalb zählt die Anlaufwindgeschwindigkeit bei einer Hausturbine weit mehr als die Nennleistung. Die Nennleistung beschreibt einen windigen Tag. Die Anlaufgeschwindigkeit beschreibt alle anderen.

Wie senkt die schräge Magnetanordnung das Rastmoment?

Sitzt jeder Magnet exakt parallel zu den Statorzähnen, erreichen alle 24 Pole ihr Anziehungsmaximum im selben Augenblick. Diese Spitzen addieren sich, und das Ergebnis ist ein kräftiger, ruckartiger Impuls, den der Wind bei jedem Schritt durchbrechen muss.

Schrägstellung bedeutet, die Magnete leicht schräg zur Drehachse zu montieren, sodass jeder Magnet einen Statorzahn allmählich statt schlagartig erfasst. Die Spitzen fallen nicht mehr zusammen — sie verteilen sich und heben sich teilweise auf. Das insgesamt erzeugte Moment bleibt gleich; verschwunden ist die Welligkeit.

TESUP verwendet genau dafür eine schräge Magnetmontage. Weniger Rastmoment bedeutet eine niedrigere Losbrechschwelle, und eine niedrigere Losbrechschwelle ist es, die den Atlas mit dem Schwachwind-Flügelsatz bei 2 m/s selbst anlaufen lässt — etwa ein Drittel der Anlaufgeschwindigkeit einer üblichen Horizontalachsen-Turbine.

Die Schrägstellung ist nicht umsonst: Sie verringert die maximale Flussverkettung leicht, eine schräge Maschine gibt also etwas Spitzenleistung zugunsten des früheren Anlaufens ab. Für eine Hausturbine, bei der schwacher Wind der Normalfall und Sturm die Ausnahme ist, ist das der richtige Handel.

Warum das Werkzeug über das Rastmoment entscheidet

Die Schrägstellung hebt das Rastmoment nur dann auf, wenn jeder Magnet exakt dort sitzt, wo die Konstruktion es vorsieht. Die Aufhebung ist ein geometrischer Effekt: 24 Magnete, jeder um einen präzisen Winkel versetzt, sodass ihre Anziehungsspitzen zeitlich auseinanderfallen. Schwanken die Sitze dieser Magnete von Rotor zu Rotor, schwankt der Schrägungswinkel mit — die Spitzen rücken wieder zusammen, das Rastmoment steigt, und mit ihm die Windgeschwindigkeit, die den Rotor losreißen muss.

Deshalb sind ±0,05 mm über alle spanend gefertigten Bauteile keine Prahlerei auf einem Datenblatt. Es ist die Toleranz, die die Physik verlangt. Ein locker tolerierter Rotor kann exakt dieselben Magnete, dieselbe Polzahl und dasselbe Kupfer tragen und trotzdem später anlaufen.

Diese Toleranz an einem Prototyp zu halten, ist unkompliziert. Sie über Jahre an jeder einzelnen Einheit zu halten, ist eine Werkzeugfrage — deshalb kam dieses Werkzeug in unser Werk:

Ein solches Presswerkzeug kauft man nicht wegen der Geschwindigkeit, obwohl es schneller ist. Man kauft es wegen der Wiederholgenauigkeit. Der erste darauf geformte Rotor und der zehntausendste kommen aus demselben Stahl, geführt von denselben Säulen, in denselben Maßen. Nur so bedeutet eine Toleranzangabe überhaupt etwas, sobald man in Serie statt in Einzelstücken fertigt.

Und es heißt: ein Bauteil mehr, das nicht mehr von der Qualitätskontrolle anderer abhängt. Unsere europäischen Werke fertigen bereits über 270 Komponenten im Haus — Generatoren, Elektronikkarten, Flügel und Montagematerial. Jedes Werkzeug, das ankommt, verlängert diese Liste um einen Punkt.

Warum steckt in einer Turbine mit rund 1 kW ein 15-kW-Motor?

Weil die Angabe eines Generators eine thermische Grenze ist und kein Ertragsversprechen. Die 15 kW Dauerleistung sind das, was die Maschine unbegrenzt ohne Überhitzen halten kann, und sie ergeben sich aus drei Dingen: der Lackdrahtisolierung der Klasse 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, dieselbe Güte wie in Industrie-Servomotoren und E-Auto-Antrieben), den 4 kg Kupferwicklung als thermische Masse und der passiven Kühlung über das Gehäuse.

Bei der typischen Abgabe des Atlas von rund 1 kW läuft der Motor mit unter 7 % seiner Dauerleistung. Er läuft kalt. Kupferverluste steigen quadratisch mit dem Strom, eine Maschine weit unterhalb ihrer Grenze verheizt also sehr wenig — und Wärme ist es, die Isolierungen altern lässt und am Ende das Motorleben beendet.

Die 22 kW Spitze sind die kurzzeitige Überlastreserve für Böen. Sie wird von zwei physikalischen Grenzen bestimmt: der Entmagnetisierungsschwelle der N42-Magnete und der Sättigung des Statoreisens.

Woher die Energie tatsächlich kommt

Die im Wind verfügbare Leistung folgt:

P = ½ · ρ · A · V³ · C_p · η

Dabei ist ρ die Luftdichte, A die überstrichene Fläche, V die Windgeschwindigkeit, C_p der Leistungsbeiwert und η der elektrische Wirkungsgrad. Der Atlas-Rotor überstreicht 1,035 m² (1030 mm Durchmesser × 1005 mm Höhe), erreicht bei gutem Wind einen C_p von 0,28 und wandelt mit 92 % elektrischem Wirkungsgrad um.

Der dominierende Term ist V³. Die Windgeschwindigkeit geht in der dritten Potenz ein: Ein Standort mit 30 % mehr Wind liefert etwa die doppelte Energie, nicht 30 % mehr. Deshalb verändern Masthöhe und Standort das Ergebnis stärker als jede Angabe auf dieser Seite — und deshalb beginnt eine ehrliche Antwort auf „Wie viel bekomme ich?“ immer mit einer Frage nach Ihrem Standort statt mit einer Zahl.

Vollständige Generatorspezifikation

Was das aussagt — und was nicht

Jede Angabe oben ist eine Eigenschaft der Maschine, und Maschineneigenschaften sind der Teil, den wir kontrollieren. Rastmoment, Polzahl, Magnetgüte, Isolierklasse und Fertigungstoleranz sind in jeder ausgelieferten Einheit gleich.

Der Jahresertrag ist es nicht. Er hängt von Ihrem Wind ab, und der veröffentlichte Ertrag des Atlas reicht von 180 bis 2.900 kWh pro Jahr — genau weil die Spanne zwischen einem geschützten Vorstadtgarten und einem freien Küstenstandort so groß ist. Nennen Sie uns Standort und Masthöhe, dann geben wir Ihnen eine realistische Spanne statt eines Bestwerts.

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