AT512853B1 - Differential drive for an energy recovery plant - Google Patents
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- AT512853B1 AT512853B1 ATA559/2012A AT5592012A AT512853B1 AT 512853 B1 AT512853 B1 AT 512853B1 AT 5592012 A AT5592012 A AT 5592012A AT 512853 B1 AT512853 B1 AT 512853B1
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Abstract
Eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator weistim Rotor (32) axial ausgerichtete Lüftungskanäle (26) auf. Aneinem Gehäuse ist wenigstens ein Kühlkanal angeordnet. DieLüftungskanäle (26) des Rotors (32) sind mit dem wenigstens einenKühlkanal (30) am Gehäuse verbunden. Der Flächenanteil derLüftungskanäle (26) an der Querschnittsfläche des Rotors (32)beträgt wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 15%, besondersbevorzugt wenigstens 30%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 45%und insbesondere wenigstens 60%. Damit weist der Rotor sowohleine gute Kühlung als auch ein kleines Massenträgheitsmoment auf.An electric machine having a rotor and a stator has axially aligned ventilation channels (26) in the rotor (32). At least one cooling channel is arranged on a housing. The ventilation channels (26) of the rotor (32) are connected to the at least one cooling channel (30) on the housing. The area fraction of the ventilation channels (26) at the cross-sectional area of the rotor (32) is at least 5%, preferably at least 15%, more preferably at least 30%, most preferably at least 45% and most preferably at least 60%. Thus, the rotor has both good cooling and a small mass moment of inertia.
Description
österreichisches Patentamt AT512 853B1 2014-08-15Austrian Patent Office AT512 853B1 2014-08-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, in dem axial ausgerichtete Lüftungskanäle angeordnet sind, einem Stator und einem Gehäuse, an dem wenigstens ein Kühlkanal angeordnet ist.Description: The invention relates to an electric machine having a rotor, in which axially aligned ventilation channels are arranged, a stator and a housing, on which at least one cooling channel is arranged.
[0002] Aus der DE 101 22 425 A1 ist eine derartige elektrische Maschine bekannt, die einen luftgekühlten Läufer und einen wassergekühlten Stator aufweist.From DE 101 22 425 A1, such an electric machine is known which has an air-cooled rotor and a water-cooled stator.
[0003] Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator und mit einem Differentialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit dem Generator und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb verbunden ist und wobei das Differentialgetriebe ein Planetengetriebe ist.The invention further relates to an energy production plant, in particular wind turbine, with a drive shaft, a generator and a differential gear with three inputs or outputs, with a first drive with the drive shaft, an output to the generator and a second drive with a differential drive is connected and wherein the differential gear is a planetary gear.
[0004] Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Antriebseinheit mit einer Antriebswelle, einem Hauptantrieb und mit einem Differentialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit dem Hauptantrieb und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb verbunden ist und wobei das Differentialgetriebe ein Planetengetriebe ist.Finally, the invention relates to a drive unit with a drive shaft, a main drive and a differential gear with three inputs and outputs, with a first drive to the drive shaft, an output to the main drive and a second drive with a differential drive is connected and wherein the differential gear is a planetary gear.
[0005] Drehzahlvariable Antriebe, wie z.B. für Energiegewinnungsanlagen oder industrielle Anwendungen, erfordern in vielen Fällen den Einsatz einer variablen Drehzahl, einerseits zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Teillastbereich und andererseits zur Regelung des Drehmomentes bzw. der Drehzahl im Triebstrang der Anlage.Variable speed drives, e.g. for power generation plants or industrial applications, in many cases require the use of a variable speed, on the one hand to increase the efficiency in the partial load range and on the other hand to control the torque or the speed in the drive train of the system.
[0006] Derzeit sind Anlagen im Einsatz, welche diese Forderung durch Einsatz von drehzahlvariablen Generator-Lösungen, zunehmend in der Form von sogenannten permanentmagneterregten Niederspannungs-Synchrongeneratoren in Kombination mit IGBT-Frequenzumrichtern, erfüllen. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass die Anlagen mittels Transformatoren an das Mittelspannungsnetz anzuschließen sind und die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter entsprechend leistungsstark und daher eine Quelle für Wirkungsgradverluste und ungewollte Ausfälle sind. Alternativ werden daher auch sogenannte Differenzialantriebe eingesetzt, welche direkt an das Mittelspannungsnetz angeschlossene fremderregte Mittelspannungsgeneratoren in Kombination mit einem Differenzialgetriebe und einem Hilfsantrieb, welcher vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Kombination mit einem IGBT-Frequenzumrichter kleinerer Leistung vorsieht, verwenden. Dieser sogenannte Servomotor ist aufgrund der meist hohen Getriebeübersetzung sehr hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt.Currently systems are in use, which meet this requirement by using variable speed generator solutions, increasingly in the form of so-called permanent magnet-excited low-voltage synchronous generators in combination with IGBT frequency converters. However, these solutions have the disadvantage that the plants are to be connected by means of transformers to the medium-voltage network and the necessary for the variable speed frequency correspondingly powerful and therefore a source of efficiency losses and unwanted failures. Alternatively, therefore, so-called differential drives are used, which directly connected to the medium-voltage network externally-excited medium voltage generators in combination with a differential gear and an auxiliary drive, which preferably provides a permanent magnet synchronous machine in combination with an IGBT frequency converter smaller power use. This so-called servomotor is exposed due to the usually high gear ratio very high dynamic loads.
[0007] Die hohe dynamische Beanspruchung führt wiederum zu einer entsprechend großen thermischen Belastung des Servomotors, was in weiterer Folge ein über dem Standard dimensioniertes Kühlsystem erfordert. Darüber hinaus schlägt die WO 2010/108209 ein möglichst kleines Massenträgheitsmoment vor, um das Regelungsverhalten für eine Anlage mit Differenzialantrieb zu optimieren.The high dynamic stress in turn leads to a correspondingly large thermal load of the servomotor, which subsequently requires a dimensioned above the standard cooling system. In addition, WO 2010/108209 proposes the smallest possible moment of inertia in order to optimize the control behavior for a plant with differential drive.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine zur Verwendung als Servomotor so auszulegen, dass die Forderungen nach einer ausreichenden Kühlung und einem kleinen Massenträgheitsmoment in ausreichendem Maße gleichzeitig erfüllt werden.The object of the invention is therefore to be interpreted as an electric machine for use as a servomotor so that the demands for adequate cooling and a small moment of inertia are sufficiently satisfied simultaneously.
[0009] Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Servomotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved with a servomotor with the features of claim 1.
[0010] Diese Aufgabe wird des Weiteren gelöst mit einer Energiegewinnungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und einer Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 15.This object is further achieved with an energy recovery system having the features of claim 14 and a drive unit having the features of claim 15.
[0011] Damit kann die Forderung nach einer langen Lebensdauer bei hochdynamischer Beanspruchung, wie dies z.B. für Energiegewinnungsanlagen typisch ist, sowie einem kleinen Trägheitsmoment in ausreichendem Maße erfüllt werden.Thus, the requirement for a long life under high dynamic stress, as e.g. for energy recovery plants is typical, and a small moment of inertia are sufficiently satisfied.
[0012] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. 1 /11 österreichisches Patentamt AT512 853B1 2014-08-15 [0013] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt: [0014] Fig. 1 [0015] Fig. 2 [0016] Fig. 3 [0017] Fig. 4 [0018] Fig. 5 das Prinzip eines elektromechanischen Differenzialsystems mit einem Servomotor gemäß Stand der Technik, den typischen Aufbau eines Servomotors gemäß Stand der Technik, eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Servomotors, einen Querschnitt des Servomotors gemäß Fig. 3 und den Einfluss der Größe der Lüftungskanäle auf das Massenträgheitsmoment des Rotors des Servomotors.Preferred embodiments of the invention are subject of the dependent claims. [0013] Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the drawings: Fig. 4 Fig. 4 shows the principle of an electromechanical differential system with a servo motor according to the prior art, the typical structure of a Servo motor according to the prior art, an embodiment of a servomotor according to the invention, a cross section of the servo motor according to FIG. 3 and the influence of the size of the ventilation ducts on the moment of inertia of the rotor of the servomotor.
[0019] Im Folgenden wird das Prinzip eines Differenzialantriebes am Beispiel einer Windkraftanlage beschrieben. Die Leistung des Rotors einer Windkraftanlage errechnet sich aus der FormelIn the following the principle of a differential drive using the example of a wind turbine is described. The power of the rotor of a wind turbine is calculated from the formula
Rotor-Leistung = Rotorfläche * Leistungsbeiwert * Luftdichte/2 * Windgeschwindigkeit3, wobei der Leistungsbeiwert abhängig von der Schnelllaufzahl (= Verhältnis Blattspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) des Rotors der Windkraftanlage ist. Der Rotor einer Windkraftanlage ist für einen optimalen Leistungsbeiwert basierend auf einer im Zuge der Entwicklung festzulegenden Schnelllaufzahl (meist ein Wert zw. 7 und 9) ausgelegt. Aus diesem Grund ist beim Betrieb der Windkraftanlage im Teillastbereich eine entsprechend kleine Drehzahl einzustellen, um einen optimalen aerodynamischen Wirkungsgrad zu gewährleisten.Rotor power = Rotor area * Power coefficient * Air density / 2 * Wind speed3, whereby the power coefficient depends on the speed of rotation (= ratio of blade tip speed to wind speed) of the rotor of the wind turbine. The rotor of a wind turbine is designed for an optimal power coefficient based on a fast running speed to be determined in the course of the development (usually a value between 7 and 9). For this reason, when operating the wind turbine in the partial load range, a correspondingly low speed must be set in order to ensure optimum aerodynamic efficiency.
[0020] Fig. 1 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialantriebes für eine Windkraftanlage bestehend aus einer Differenzialstufe 4 als Differentialgetriebe 11 bis 13, einer Anpassungs-Getriebestufe 5, einem elektrischen Servomotor 6 und einem Frequenzumrichter 7. Der Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf einer Antriebswelle 2 sitzt, treibt ein Hauptgetriebe 3 an. Das Hauptgetriebe 3 ist meist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe, kann aber auch, vor allem bei Einsatz von höherpoligen Generatoren, mit weniger Stufen, unter anderem auch in Kombination mit sogenannten Stufenplaneten oder sogenannten leistungsverzweigten Getriebestufen, ausgeführt sein. Zwischen dem Hauptgetriebe 3 und dem Generator 8 befindet sich die Differenzialstufe 4, welche vom Hauptgetriebe 3 über einen Planetenträger 12 der Differenzialstufe 4 angetrieben wird. Der Generator 8, vorzugsweise ein fremderregter Mittelspannungs-Synchrongenerator, ist mit einem Hohlrad 13 der Differenzialstufe 4 verbunden und wird von diesem angetrieben. Ein Ritzel 11 der Differenzialstufe 4 ist mit dem Servomotor 6 verbunden. Die Drehzahl des Servomotors 6 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im Antriebsstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangsdrehzahl für den Servomotor 6 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein mehrstufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 5 in Form einer Stirnradstufe zwischen der Differenzialstufe 4 und dem Servomotor 6 vorsieht. Da im Bereich des Differenzialantriebes 6 auch eine massive Kupplung 14 als Verbindungselement zwischen Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe liegt, ist unter Umständen ein entsprechend großer Achsversatz für den Servomotor 6 erforderlich. In diesem Falle kann dies für die Anpassungsgetriebestufe 5 entweder durch große Zahnraddurchmesser oder eine mehrstufige Ausführung dieser Anpassungsgetriebestufe 5 realisiert werden. Der Servomotor 6 ist eine Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 7 und einen Transformator 9 mit dem Netz verbunden wird. Aufgrund der hohen dynamischen Anforderungen wird als Servomotor 6 vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine gewählt. Der Servomotor kann jedoch prinzipiell jede denkbare Art von elektrischer Maschine sein.Fig. 1 shows a possible principle of a differential drive for a wind turbine consisting of a differential stage 4 as a differential gear 11 to 13, a matching gear stage 5, an electric servomotor 6 and a frequency converter 7. The rotor 1 of the wind turbine, the on a Drive shaft 2 is seated, drives a main transmission 3 at. The main transmission 3 is usually a 3-stage transmission with two planetary stages and a spur gear, but can also, especially when using higher-pole generators, with fewer stages, including in combination with so-called stepped planets or so-called power-split gear stages executed. Between the main gear 3 and the generator 8 is the differential stage 4, which is driven by the main gear 3 via a planet carrier 12 of the differential stage 4. The generator 8, preferably a third-excited medium-voltage synchronous generator, is connected to a ring gear 13 of the differential stage 4 and is driven by this. A pinion 11 of the differential stage 4 is connected to the servo motor 6. The speed of the servomotor 6 is controlled to ensure a constant speed of the generator 8 at a variable speed of the rotor 1 and to regulate the torque in the drive train of the wind turbine. In order to increase the input speed for the servo motor 6, a multi-stage differential gear is selected in the case shown, which provides an adjustment gear stage 5 in the form of a spur gear between the differential stage 4 and the servo motor 6. Since in the range of the differential drive 6 is also a massive clutch 14 as a connecting element between the main transmission and differential gear, under certain circumstances, a correspondingly large axial offset for the servomotor 6 is required. In this case, this can be realized for the adjustment gear stage 5 either by large gear diameter or a multi-stage version of this adaptation gear stage 5. The servo motor 6 is a three-phase machine, which is connected via a frequency converter 7 and a transformer 9 to the network. Due to the high dynamic requirements, a permanent-magnet synchronous machine is preferably selected as servomotor 6. However, the servomotor can in principle be any conceivable type of electrical machine.
[0021] Die Drehzahlgleichung für das Differenzialgetriebe lautet:The speed equation for the differential gear is:
Drehzahlöenerator = x * DrehzahlRotor + y * DrehzahlServomotor, wobei die DrehzahlGenerator konstant ist und sich die Faktoren x und y aus den gewählten Getrie- 2/11Speed generator = x * SpeedRotor + y * Speed servomotor, where the speed generator is constant and the factors x and y are selected from the selected gearbox
österreichisches Patentamt AT512 853B1 2014-08-15 beübersetzungen von Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe ableiten lassen. Das Drehmoment am Rotor wird durch das anstehende Windangebot und den aerodynamischen Wirkungsgrad des Rotors bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment an der Rotorwelle und dem am Servomotor ist konstant, wodurch sich das Drehmoment im Antriebsstrang durch den Servomotor regeln lässt. Die Drehmomentgleichung für den Servomotor lautet:Austrian Patent Office AT512 853B1 2014-08-15 Transmission of main gearbox and differential gear can be derived. The torque on the rotor is determined by the upcoming wind supply and the aerodynamic efficiency of the rotor. The ratio between the torque on the rotor shaft and that on the servo motor is constant, which allows the torque in the drive train to be controlled by the servo motor. The torque equation for the servomotor is:
Drehmomentservomotor = DrehmomentRo,or * y / x , wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für das notwendige Auslegungs-Drehmoment des Servomotors ist. Die Leistung des Servomotors ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Rotordrehzahl von dessen Grunddrehzahl mal Rotor-Leistung. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Servomotors. Das heißt, je kleiner der notwendige Drehzahlbereich an der Antriebswelle ist, desto kleiner kann der erforderliche Servomotor und demzufolge auch der Aufwand für dessen Herstellung und Betrieb sein. Andererseits erfordert ein kleiner Drehzahlbereich ein entsprechend großes Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes, um den Servomotor mit typischen Nenndrehzahlen - vorzugsweise zw. 1 .OOOrpm und 1.500rpm - auslegen zu können. Ein großes Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes führt jedoch andererseits zu einer großen dynamischen Belastung des Servomotors, da eine Drehzahländerung am Rotor eine entsprechend große Änderung am Servomotor bedingt. Dies ist der Grund für die eingangs erwähnten Forderungen nach verbesserter Kühlung und kleinem Massenträgheitsmoment des Servomotors.Torque servomotor = torque Ro, or * y / x, where the size factor y / x is a measure of the necessary design torque of the servomotor. The power of the servomotor is essentially proportional to the product of percent deviation of the rotor speed from its base speed times rotor power. Accordingly, a large speed range basically requires a correspondingly large dimensioning of the servomotor. That is, the smaller the necessary speed range on the drive shaft, the smaller can be the required servomotor and consequently also the cost of its production and operation. On the other hand, a small speed range requires a correspondingly large gear ratio of the differential gear in order to interpret the servomotor with typical rated speeds - preferably between 1 .OOOrpm and 1,500 rpm. However, a large gear ratio of the differential gear on the other hand leads to a large dynamic load of the servomotor, since a speed change on the rotor causes a correspondingly large change in the servo motor. This is the reason for the above-mentioned demands for improved cooling and low mass moment of inertia of the servomotor.
[0022] Um den Differentialantrieb entsprechend gut ausnutzen zu können, wird dieser sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben. Das führt dazu, dass im motorischen Betrieb Leistung in die Differentialstufe 4 eingespeist wird und im generatorischen Betrieb Leistung der Differentialstufe 4 entnommen wird. Diese Leistung wird im Falle eines elektrischen Differential-Antriebes vorzugsweise in das Netz eingespeist bzw. diesem entnommen. Das heißt, dass die als Servomotor 6 bezeichnete elektrische Maschine sowohl als Motor als auch als Generator betrieben wird.In order to make good use of the differential drive, this is operated both motor and generator. As a result, power is fed into the differential stage 4 during engine operation, and power is taken from the differential stage 4 during regenerative operation. In the case of an electric differential drive, this power is preferably fed into the network or taken from it. That is, the electric machine referred to as a servomotor 6 is operated both as a motor and as a generator.
[0023] Die beschriebene Ausführungsform ist nur ein Beispiel und ist bei technisch ähnlichen Anwendungen ebenfalls umsetzbar. Dies betrifft v.a. Wasserturbinen bzw. Pumpen und Anlagen zur Gewinnung von Energie aus Meeresströmungen. Für diese Anwendungen gelten die gleichen Grundvoraussetzungen wie für Windkraftanlagen, nämlich variable Strömungsgeschwindigkeit. Die Antriebswelle wird jeweils von der vom Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, angetriebenen Einrichtung direkt oder indirekt angetrieben.The embodiment described is only an example and is also feasible in technically similar applications. This concerns v.a. Hydro turbines and pumps and installations for the production of energy from ocean currents. For these applications, the same basic conditions apply as for wind turbines, namely variable flow rate. The drive shaft is in each case driven directly or indirectly by the device driven by the flow medium, for example water.
[0024] Darüber hinaus gilt das Gesagte auch für jede Art von Anlagen, welche aufgrund der Rahmenbedingungen Differenzialantriebe zur Realisierung variabler Drehzahl an der Antriebswelle einsetzen, das heißt jede Art von Antrieben für (Industrie)Anlagen, welche mit eingeschränktem Drehzahlbereich betrieben werden.In addition, the above also applies to any type of systems, which use differential drives for realizing variable speed on the drive shaft due to the conditions, that is, any type of drives for (industrial) systems, which are operated with limited speed range.
[0025] Der am Beispiel der Windkraftanlage genannte Generator 6 ist bei z.B. Industrie- oder Pump-antrieben ein Motor, wobei sich in diesem Fall der zu Fig. 1 beschrieben Leistungsfluss umdreht. Ebenso ist es naheliegend, dass ein Antrieb anwendungsspezifisch sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben wird.The example of the wind turbine called generator 6 is at, for. Industrial or pump drives a motor, in which case the power flow described in FIG. 1 turns over. Likewise, it is obvious that a drive is operated application-specific both motor and generator.
[0026] Die WO2010/108209 empfiehlt für ein gutes Regelungsverhalten einer Windkraftanlage mit elektrischem Differenzial-Antrieb ein maximales Massenträgheitsmoment für den Differenzial-Antrieb JDA, max, welches sich nach folgender Formel berechnen lässt:WO2010 / 108209 recommends for a good control behavior of a wind turbine with electric differential drive a maximum moment of inertia for the differential drive JDA, max, which can be calculated according to the following formula:
wobei fA ein Applikationsfaktor ist, welcher ein Maß für das zu erzielende Regelungsverhalten der Windkraftanlage ist. Die Variable sges ist das Verhältnis des Drehzahlbereiches des Differenzial-Antriebes zum Drehzahlbereich des Rotors der Windkraftanlage (sges = Drehzahlbereich Differenzial-Antrieb / Drehzahlbereich Rotor) und JR ist das Massenträgheitsmoment des Rotors der Windkraf tan läge. Mit einem Applikationsfaktor von fA = 0,2 können laut WO 2010/108209 3/11 österreichisches Patentamt AT512 853B1 2014-08-15 bereits gute Ergebnisse bezüglich Regelungsverhalten erzielt werden. Grundsätzlich wird jedoch festgestellt, dass mit kleiner werdendem fA noch bessere Resultate erzielt werden können, wobei für Anwendungen mit kleinerem fA ein Mehraufwand zur Reduktion der Masse des Rotors des Differenzial-Antriebes notwendig wird.where fA is an application factor, which is a measure of the control behavior of the wind turbine to be achieved. The variable sges is the ratio of the speed range of the differential drive to the speed range of the rotor of the wind turbine (sges = speed range differential drive / speed range rotor) and JR is the mass moment of inertia of the rotor of the wind turbine tan. With an application factor of fA = 0.2, according to WO 2010/108209 3/11 Austrian Patent Office AT512 853B1 2014-08-15, good results regarding control behavior can already be achieved. Basically, however, it is found that with decreasing fA even better results can be achieved, for applications with smaller fA additional effort to reduce the mass of the rotor of the differential drive is necessary.
[0027] Gemäß WO 2010/108209 ist eine Verringerung des Applikationsfaktors auf z.B. fA = 0,10 eine weitere, für hochdynamische Anwendungen notwendige Verbesserung. Dies ist jedoch mit zunehmenden Fertigungskosten für den Rotor des Differenzial-Antriebes verbunden.According to WO 2010/108209, a reduction of the application factor to e.g. fA = 0.10 a further improvement necessary for highly dynamic applications. However, this is associated with increasing manufacturing costs for the rotor of the differential drive.
[0028] Fig. 2 zeigt eine typische Bauform eines Servomotors gemäß Stand der Technik. Auf einer Rotorwelle 21 sitzt das Rotor-Blechpaket 22 mit vorzugsweise sogenannten eingebetteten Permanentmagneten. Diese Bauart wird bevorzugt für Servomotore verwendet, welche auch im sogenannten Feldschwächebereich arbeiten. Eine alternative, massenträgheitsmomentarme Bauweise wäre, die Permanentmagnete direkt am Umfang der Rotorwelle 21 zu befestigen, was jedoch zu wesentlichen Einschränkungen der Leistungsfähigkeit (Feldschwächbarkeit, Dynamik, Wirkungsgrad, etc.) des Servomotors führen kann. Im Gehäuse 20 befindet sich der gewickelte Stator 23. Dieses Gehäuse 20 hat z.B. einen integrierten Wassermantel, welcher die Aufgabe hat, die durch die Verlustleistung bedingte Abwärme des Stators abzuführen. Da der permanent-magneterregte Rotor 22 oft nur sehr geringe Verluste hat, wird darauf verzichtet, diesen separat zu kühlen.Fig. 2 shows a typical configuration of a servomotor according to the prior art. On a rotor shaft 21, the rotor laminated core 22 is seated with preferably so-called embedded permanent magnet. This design is preferably used for servomotors, which also work in the so-called field weakening range. An alternative design with low mass moment of inertia would be to attach the permanent magnets directly to the circumference of the rotor shaft 21, which, however, can lead to significant limitations of the performance (field weakenability, dynamics, efficiency, etc.) of the servomotor. Housed in the housing 20 is the wound stator 23. This housing 20 has e.g. an integrated water jacket, which has the task to dissipate due to the power dissipation waste heat of the stator. Since the permanently magnetically excited rotor 22 often has only very low losses, it is not necessary to cool it separately.
[0029] Geht man davon aus, dass für eine gute Regelbarkeit der Applikationsfaktor fA <0,15 ist, so benötigt man für eine typische 3MW Windkraf tan läge einen Servomotor mit eingebetteten Permanentmagneten und einem Massenträgheitsmoment von <1,6kgm2. Dies lässt sich mit einem Servomotor gern. Fig. 2 zwar realisieren, erfordert jedoch besondere Maßnahmen in der Konstruktion.Assuming that for a good controllability of the application factor fA <0.15, so you would need for a typical 3MW Windkraf tan lays a servo motor with embedded permanent magnets and a moment of inertia of < 1.6kgm2. This can be with a servo motor like. Although realize, but requires special measures in the design.
[0030] Darüber hinaus darf man im Falle hochdynamischer Belastungen und bei Betrieb im Feldschwächebereich die thermische Belastung des Rotors 22 nicht vernachlässigen. Erschwerend wirkt der Umstand, dass Permanentmagnete sehr temperaturempfindlich sind und bei Temperaturen über 160°C schnell die Magnetisierung verlieren. Diese Tatsache erfordert eine leistungsstarke Rotorkühlung, um die Lebensdauer des Servomotors in der Höhe von beispielsweise in der Windenergie geforderten 175.000 Betriebsstunden zu gewährleisten.In addition, one must not neglect the thermal load of the rotor 22 in the case of highly dynamic loads and operation in the field weakening range. An aggravating factor is the fact that permanent magnets are very sensitive to temperature and rapidly lose their magnetization at temperatures above 160 ° C. This fact requires a powerful rotor cooling to ensure the life of the servo motor in the amount of, for example, in the wind energy required 175,000 operating hours.
[0031] Fig. 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines Servomotors, welcher oben genannte Voraussetzungen erfüllt. Auf der Rotorwelle 21, welche zur Reduktion des Massenträgheitsmomentes auch als Hohlwelle ausgeführt sein kann, sitzt ein Blechpaket 25, welches Lüftungskanäle 26 hat. Somit wird der Rotor 33 im Wesentlichen von der Rotorwelle 21 und dem Blechpaket 25 gebildet. Ein Gehäuse weist Lagerschilde 27, einen wassergekühlten Mantel 28 und optional einen oder mehrere Anbauteile 29 auf, welche Kühlkanäle 30 aufnehmen und entweder mit dem wassergekühlten Mantel 28 mitgegossen bzw. an diesen angegossen sind oder als separate Anbauteile befestigt werden. Durch die Lüftungskanäle 26 und die Kühlkanäle 30 kann ein Luftstrom zirkulieren, welcher ermöglicht, dass die vom Rotor erhitzte Luft die Wärme beim Durchströmen der Kühlkanäle 30 in den wassergekühlten Mantel 28 des Gehäuses abgibt. Alternativ kann ein separater Wärmetauscher in den Kühlluft-Kreislauf integriert werden. Der Rotor 32 wird beispielsweise so konstruiert, dass bei dessen Drehbewegung die Luft automatisch in den Kühlluft-Kanälen 26 und 30 zirkuliert. Um jedoch die Zirkulation zu verbessern, kann ein Lüfterrad 24 an der Rotorwelle 21 angebracht werden. Alternativ bietet sich an, einen separat (mechanisch oder elektrisch) angetriebenen Lüfter in den Kühlluft-Kreislauf zu integrieren, womit die Kühlung von der Drehzahl und der Drehrichtung der Rotorwelle unabhängig wird. Entscheidet man sich für den Einsatz eines Lüfterrades 24 mit variablem Luftdurchsatz bei verschiedenen Drehrichtungen bzw. Drehzahlen, so ist darauf Augenmerk zu legen, dass die Drehrichtung mit höherem Kühlluft-Durchsatz die Drehrichtung des Servomotors ist, bei der die höheren Rotorverluste entstehen.3 and 4 show an embodiment of a servo motor according to the invention, which fulfills the above requirements. On the rotor shaft 21, which can be designed to reduce the mass moment of inertia as a hollow shaft, sits a laminated core 25, which has ventilation ducts 26. Thus, the rotor 33 is essentially formed by the rotor shaft 21 and the laminated core 25. A housing has bearing plates 27, a water-cooled jacket 28 and optionally one or more attachments 29, which receive cooling channels 30 and either mitgegossen with the water-cooled jacket 28 or are cast on these or attached as separate attachments. Through the ventilation channels 26 and the cooling channels 30, an air flow can circulate, which allows the heated air from the rotor heat dissipates the heat when flowing through the cooling channels 30 in the water-cooled jacket 28 of the housing. Alternatively, a separate heat exchanger can be integrated into the cooling air circuit. The rotor 32 is constructed, for example, so that during its rotational movement, the air is automatically circulated in the cooling air passages 26 and 30. However, to improve the circulation, a fan 24 may be attached to the rotor shaft 21. Alternatively, it is advisable to integrate a separately (mechanically or electrically) driven fan in the cooling air circuit, whereby the cooling of the speed and the direction of rotation of the rotor shaft is independent. If you decide to use a fan 24 with variable air flow at different directions of rotation or speeds, it is important to note that the direction of rotation with higher cooling air flow rate is the direction of rotation of the servomotor, resulting in the higher rotor losses.
[0032] Um ein optimales Gesamtergebnis zu erhalten, werden die Kühlluft-Kanäle für die Führung der Kühlluft bzw. das Lüfterrad 24 bevorzugt so gestaltet, dass auch der Luftspalt zwischen dem Blechpaket 25 und dem Stator 23 durchlüftet und somit gekühlt wird. 4/11 österreichisches Patentamt AT512 853B1 2014-08-15 [0033] Eine weitere Verbesserungsmaßnahme ist, in den Rotor-Blechpaketen 25 im Wesentlichen radiale Lüftungskanäle vorzusehen, in denen die Kühlluft vom Lüftungskanal 26 im Wesentlichen radial nach außen in den Luftspalt zwischen dem Blechpaket 25 und dem Stator 23 strömen kann. Damit wird, u.a. auch durch die fliehkraftbedingte Beschleunigung der Kühlluft in den radialen Lüftungskanälen, eine zusätzliche Verbesserung der Kühlung des Rotors 32 erzielt.In order to obtain an optimum overall result, the cooling air channels for the guidance of the cooling air or the fan 24 are preferably designed so that the air gap between the laminated core 25 and the stator 23 is vented and thus cooled. Another improvement measure is to provide substantially radial ventilation ducts in the rotor laminations 25, in which the cooling air from the ventilation duct 26 extends substantially radially outward into the air gap between the laminated core 25 and the stator 23 can flow. This will, i.a. also achieved by the centrifugal force-induced acceleration of the cooling air in the radial ventilation ducts, an additional improvement in the cooling of the rotor 32.
[0034] Zusätzlich bietet sich der Einsatz von zwei oder mehreren Lüfterrädern 24, z.B. auf beiden Seiten des Blechpaketes 25, an. Dabei ist als Ausführungsvariante die Drehrichtung für optimalen Luftdurchsatz für die beiden Lüfter gegensinnig auszulegen. Mit diesem Ansatz erreicht man in beide Drehrichtung des Servomotors annähernd gleichen Luftdurchsatz.In addition, the use of two or more fan wheels 24, e.g. on both sides of the laminated core 25, to. In this case, as a variant embodiment, the direction of rotation for optimal air flow for the two fans interpreted in opposite directions. This approach achieves approximately the same air throughput in both directions of rotation of the servomotor.
[0035] Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Servomotors gemäß Fig. 3. Im Schnitt erkennt man beispielhaft zwei Anbauteile 29, welche die Kühlkanäle 30 aufnehmen. Das Gehäuse kann jedoch auch nur mit einem oder mehr als zwei Anbauteilen 29 ausgeführt werden. Die Anzahl der Anbauteile 29 hängt letztendlich vom Ausmaß der zu kühlenden Verluste und den Fertigungsmöglichkeiten ab. Alternativ können die Angüsse 29 auch entfallen und es kann die durch die Lüftungskanäle 26 strömende Luft auch in einer separaten Rückkühleinheit gekühlt werden. In Fig. 4 sind in den Kühlkanälen 30 Kühlrippen 31 angeordnet, welche einen verbesserten Wärmeübergang in den wassergekühlten Mantel 28 des Gehäuses gewährleisten. Zusätzlich oder alternativ kann ein Wärmetauscher in den Kühlluft-Kreislauf integriert werden.Fig. 4 shows the cross section of the servo motor according to FIG. 3. In section can be seen by way of example two attachments 29, which receive the cooling channels 30. However, the housing can also be carried out with only one or more than two attachments 29. The number of attachments 29 ultimately depends on the extent of the losses to be cooled and the manufacturing capabilities. Alternatively, the sprues 29 can also be omitted and the air flowing through the ventilation ducts 26 can also be cooled in a separate recooling unit. In Fig. 4, cooling fins 31 are arranged in the cooling channels 30, which ensure improved heat transfer into the water-cooled jacket 28 of the housing. Additionally or alternatively, a heat exchanger can be integrated into the cooling air circuit.
[0036] In dieser Schnitt-Darstellung des Servomotors ist ein mögliches, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Lüftungskanäle 26 dargestellt. Anzahl, Form und Position dieser Lüftungskanäle 26 hängen von der Polpaarzahl des Servomotors und der Ausbildung der Permanentmagnete 34 im Rotor des Servomotors 6 ab. In Fig. 4 sind die Permanentmagnete 34 nur für einen Pol dargestellt, sind jedoch in der realen Ausführung am ganzen Umfang, entsprechend der Polpaarzahl des Rotors 32 des Servomotors, verteilt. Die Lüftungskanäle 26 sollen dabei radial möglichst weit außen liegen, um ein möglichst geringes Massenträgheitsmoment bzw. eine optimale Kühlung zu realisieren. Die Permanentmagnete 34 werden vorzugsweise im Bereich der Außenkontur des Rotors angebracht. Die Lüftungskanäle sind dann zwischen den Permanentmagneten 34 zu positionieren. Die Permanentmagnete 34 sind pro Pol einfach oder mehrfach ausgeführt und können einschichtig oder auch mehrschichtig gepackt sein. Weitere Konfigurationsmöglichkeiten sind z.B. V-förmige Anordnung (wie in Fig. 4 einschichtig dargestellt), eingebettet oder am Umfang des Rotors befestigt. Hier sind alle technisch realisierbaren Varianten umsetzbar. Die Größe, Anzahl und Lage der Lüftungskanäle 26 wird vorzugsweise so gewählt, dass die im Rotor durch die Permanentmagnete 34 entstehenden Feldstromlinien nicht oder nur im wirtschaftlich/technisch optimalen Ausmaß unterbrochen werden. Dies wird z.B. durch die im Wesentlichen parallele Anordnung der Wandabschnitte, die den Permanentmagneten 34 benachbart liegen, erreicht. Eine weitere zu erfüllende Rahmenbedingung für die Dimensionierung der Lüftungskanäle 26 ist, dass die mechanische Anbindung an die Rotorwelle 21 und das Rotor-Blechpaket 25 selbst mechanisch und elektrisch ausreichend dimensioniert sind.In this sectional view of the servomotor, a possible embodiment of the invention for the ventilation ducts 26 is shown. Number, shape and position of these ventilation channels 26 depend on the number of pole pairs of the servo motor and the formation of the permanent magnets 34 in the rotor of the servomotor 6 from. In Fig. 4, the permanent magnets 34 are shown only for one pole, but in the real version on the entire circumference, according to the number of pole pairs of the rotor 32 of the servomotor, distributed. The ventilation channels 26 should be radially as far outside as possible in order to realize the lowest possible moment of inertia or optimal cooling. The permanent magnets 34 are preferably mounted in the region of the outer contour of the rotor. The ventilation channels are then to be positioned between the permanent magnets 34. The permanent magnets 34 are designed once or several times per pole and can be packed in a single-layered or multi-layered manner. Further configuration options are e.g. V-shaped arrangement (as shown in Fig. 4 single layer), embedded or attached to the circumference of the rotor. Here, all technically feasible variants can be implemented. The size, number and location of the ventilation channels 26 is preferably selected so that the field current lines produced in the rotor by the permanent magnets 34 are not interrupted or only in the economically / technically optimal extent. This is e.g. achieved by the substantially parallel arrangement of the wall portions adjacent to the permanent magnet 34. Another framework condition to be fulfilled for the dimensioning of the ventilation ducts 26 is that the mechanical connection to the rotor shaft 21 and the rotor laminated core 25 itself are sufficiently mechanically and electrically dimensioned.
[0037] Die Variation des Querschnittes und der Lage der Lüftungskanäle 26 bewirkt eine entsprechend veränderbare Massenträgheit des Rotors 32 des Servomotors 6. Fig. 5 zeigt den Einfluss der Größe der Lüftungskanäle auf das Massenträgheitsmoment des Rotors 32 des Servomotors 6. So ist bei dem gewählten Ausführungsbeispiel, welches ein auf ein kleines Massenträgheitsmoment ausgelegtes Rotordesign unterstellt (wie z.B. ein langgestreckter Rotor 32), die Forderung nach einem Massenträgheitsmoment von <1,6kgm2, um einen Applikationsfaktor fA <0,15 zu erreichen, zu erfüllen.The variation of the cross section and the position of the ventilation ducts 26 causes a correspondingly variable inertia of the rotor 32 of the servomotor 6. Fig. 5 shows the influence of the size of the ventilation ducts on the moment of inertia of the rotor 32 of the servomotor 6. So is in the selected Embodiment, which assumes a rotor design designed for a small mass moment of inertia (such as an elongate rotor 32) to meet the requirement for a moment of inertia of <1.6kgm2 to achieve an application factor fA <0.15.
[0038] Zur Realisierung eines Massenträgheitsmomentes von 1,1 kgm2, um einen Applikationsfaktor fA <0,1 zu erreichen, sind erfindungsgemäß Lüftungskanäle im Ausmaß von rund 60% des Blechquerschnittes vorgesehen.To achieve an inertia of 1.1 kgm2 in order to achieve an application factor fA <0.1, according to the invention ventilation ducts in the amount of about 60% of the sheet metal cross-section are provided.
[0039] Die zusätzliche Forderung nach einer ausreichenden Kühlung des Rotors wird im Normalfall durch Lüftungskanäle im Ausmaß von insgesamt rund >5% des Blechquerschnittes 5/11 österreichisches Patentamt AT 512 853 B1 2014-08-15 erfüllt. Bei hoher thermischer Belastung des Rotors müssen diese jedoch größer dimensioniert oder deren Anzahl erhöht werden.The additional requirement for a sufficient cooling of the rotor is normally fulfilled by ventilation ducts in the amount of a total of approximately> 5% of the sheet metal cross section AT 512 853 B1 2014-08-15. At high thermal load of the rotor, however, they must be sized larger or increased their number.
[0040] Ein guter Kompromiss zwischen mechanischen Festigkeitserfordernissen und optimalem magnetischem Fluss im Rotor der Servomotors kann durch optimal dimensionierte Lüftungskanäle 26 im Ausmaß von insgesamt rund 15% bis 30% des Blechquerschnittes erreicht werden. Treten dynamische Anforderungen stärker in den Vordergrund, ist es empfehlenswert, optimal dimensionierte Lüftungskanäle 26 im Ausmaß von insgesamt rund 45% bis 75% des Blechquerschnittes zu realisieren. 6/11A good compromise between mechanical strength requirements and optimum magnetic flux in the rotor of the servomotor can be achieved by optimally dimensioned ventilation channels 26 in the extent of a total of about 15% to 30% of the sheet metal cross-section. If dynamic requirements come more to the fore, it is advisable to realize optimally dimensioned ventilation ducts 26 in the total amount of around 45% to 75% of the sheet metal cross-section. 6/11
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