DE102006023891A1

DE102006023891A1 - Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Kurven

Info

Publication number: DE102006023891A1
Application number: DE102006023891A
Authority: DE
Inventors: Stefan Haag; Sonja Klingler; Jakob Sum; Markus Dr. Ziegler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: DE102006023891B4

Abstract

Die mechanische Realisierung wegabhängiger Kräfte (Kennlinien) ist bisher nur sehr ungenau möglich gewesen. Erfindungsgemäß kann jede stetige Kennlinie umgesetzt werden. Des Weiteren ist unsere Konstruktion robust und einfach. Ein am festen Punkt 202 befestigtes Seil 204 über eine bewegliche Rolle 203, welche mit den Gewichten 206a und 206b versehen ist, und über eine feste Rolle 205 zu einem beweglichen Punkt 201 geführt wird, wobei die Rolle 203 durch den zylinderförmigen Bolzen 209 auf einer Bahn 208, die durch die Kulisse 207 erzeugt wird, zwangsgeführt wird. Die Erfindung kann als Steuerung einer Windkraftanlage nach Horst Crome ("Handbuch Windenergie Technik") verwendet werden. Hierbei steuert sie die wegabhängigen Rückstellkräfte für die Steuerfahne.

Description

Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Kurven.
Es ist bekannt, dass Kraft-Weg-Funktionen (so genannte Kennlinien) mithilfe einer Feder erzeugt werden können. 1 zeigt die Realisierung von wegabhängigen Kräften. Hierbei wird eine Feder 003 an einem festen Punkt 002 angebracht mit einem horizontal beweglichen Punkt 001 über ein Seil 004 bestimmter Länge verbunden. Durch die Ausdehnung der Feder 003 (und damit mit einer Wegänderung) erhöht sich nach dem Hookschen Gesetz auch die von Feder 003 erzeugte Spannkraft („Handbuch Windenergie Technik" von Horst Crome, Seite 79). Es ist außerdem bekannt, dass Kraft-Weg-Kennlinien über ein v-förmig aufgehängtes Regelgewicht realisiert werden können. 2 zeigt diesen Lösungsansatz. Ein Seil 104 mit einer bestimmten Gesamtlänge wird vom beweglichen Punkt 101 über eine feste Rolle 105 und eine vertikal verschiebbare Rolle 103, welche mit dem Regelgewicht 106 versehen ist, zum festen Punkt 102 geführt. Wird der Weg nun verändert, wird Rolle 103 nach oben gezogen, wodurch sich die durch das Regelgewicht 106 verursachten Rückstellkräfte vergrößern („Handbuch Windenergie Technik" von Horst Crome, Seite 79).
Der "Federlösung" liegt allerdings das Problem zugrunde, dass nur lineare Kennlinien realisiert werden können. Des Weiteren altert eine Feder ziemlich schnell, wodurch die Kraft-Weg-Funktion verfälscht wird. Der zweite beschriebene Lösungsansatz erlaubt zwar auch nicht-lineare Kennlinien, jedoch müssen diese trotzdem progressiv, und damit streng monoton steigend sein.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beide Lösungsansätze die Parameter und Variabilität der geforderten Kennlinien stark einschränken, beziehungsweise nicht alle wegabhängigen Kräfte beliebig genau verwirklicht werden können.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere dann, dass jede stetige Kraft-Weg-Kennlinie beliebig genau umgesetzt und die Kraft in alle Richtungen weitergeleitet werden kann. Des Weiteren ist unsere Konstruktion sehr robust.
Die Anlage ist außerdem sehr einfach zu justieren und für die Umsetzung einer neuen Kennlinie werden lediglich eine neue Kulisse mit der modifizierten Bahn und gegebenenfalls neue Gewichte benötigt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach den Patentansprüchen 3 und 4 soll im Folgenden mit Hilfe von 3 und 4 näher erklärt werden. Hierbei zeigt 3 die Erfindung von der Seite, während in 4 die Konstruktion von oben dargestellt ist (Aus Gründen der Übersicht sind der Bolzen 209 und die Gewichte 206a und 206b in 3 nicht eingezeichnet.).
Nach Patentanspruch 1 wird das Seil 204 am festen Punkt 202 und beweglichen Punkt 201 befestigt. Hierbei wird es über eine bewegliche Rolle 203 und eine feste Rolle 205 geführt. Letztere dient nach Patentanspruch 4 als Umlenkrolle für die Seilkräfte in eine beliebige Richtung. Die bewegliche Rolle 203 ist mit den Gewichten 206a und 206b versehen und wird durch den zylinderförmigen Bolzen 209 in einer bestimmten Bahn 208 zwangsgeführt, welche in die Kulisse 207 gefräst wird.
Der genaue Führungsmechanismus des Seils 204 um Rolle 203 soll in 4 verdeutlicht werden. Die Kulisse 207 besteht aus zwei Metallplatten 207a und 207b, in welche die gewünschte Bahn 208 gefräst wird. Nach dem Fräsvorgang müssen beide Platten immer noch deckungsgleich sein. Die beiden Platten werden in einem bestimmten Abstand miteinander verschraubt. Für diesen Abstand sorgen die Abstandshülsen 210. Sie bestehen aus hohlen Zylindern und werden mit den Gewindeschrauben 211 in den dafür vorgesehenen Löchern der Kulisse 207 verschraubt. Hierfür wird noch in den Kulissenteil 207a ein Gewinde gedreht, in welches dann die Gewindeschrauben 211 verankert werden. Dabei gilt es zu beachten, dass die Platzierung der Abstandshülsen stets so gewählt wird, dass die Köpfe der Gewindeschrauben 211 nicht mit dem Gewicht 206b in Berührung kommen, da sonst die Führung des Bolzens 209 blockiert werden würde.
Wie in 4 zu erkennen ist, wird die Rolle 203 auf dem Bolzen 209 zwischen den Kulisseteilen 207a und 207b angebracht. Der Innendurchmesser der Rolle 203 sollte denselben haben wie der des Bolzens 209, sodass jene Rolle 203 fest auf dem Bolzen 209 sitzt und sich nur schwer bewegen lässt. Des Weiteren wird außerhalb von den Kulissenteilen 207a und 207b die Madenschrauben 212a und 212b angebracht. Es folgen dann – wie in 4 zu erkennen ist – jeweils die Unterlagsscheiben 213a und 213b, die Gewichte 206a und 206b und die Unterlagsscheiben 214a und 214b. Die Gewichte 206a und 206b sind zylinderförmig beschaffen und besitzen in der Mitte ein Loch mit dem Durchmesser des Bolzens 209. Die Enden des Bolzens 209 müssen mit Gewinden versehen werden, damit die Gewichte 206a und 206b durch die Sicherungsmuttern 215a und 215b fixiert werden können. Beide Gewichte 206a und 206b sollten die gleiche Masse haben, damit einem Verkanten des Bolzens 209 vorgebeugt wird. Aus diesem Grund sollten auch auf beiden Seiten der Kulissenteile 207a und 207b die Aufsatzbauteile 212, 213, 206, 214 und 215 symmetrisch zur Rolle 203 angebracht werden.
Für eine saubere und nahezu reibungsfreie Führung des Bolzens 203 kann an den Seiten der Kulissenteile 207a und 207b eine Kombination aus radialem Nadel- und axialem Kugellager angebracht werden.
Nachdem der Aufbau der Konstruktion in den vorherigen Abschnitten beschrieben wurde, soll im Folgenden die Wirkungsweise der dargestellten Erfindung erläutert werden.
Durch die Gewichtskräfte der Gewichte 206 und die Stützkräfte der Bahn 208 muss eine bestimmte Kraft am Punkt 201 aufgebracht werden, um die Rolle 203 an der momentanen Position zu halten. Durch eine Positionsänderung von Punkt 201 (und damit einer Wegänderung) verändert sich auch die Position von Rolle 203, wodurch sich dann auch die Gewichts- und Stützkräfte ändern. Erfindungsgemäß kann durch geschickte Wahl der Bahnsteigung für jede Position des Punkts 201 jede Rückstellkraft umgesetzt werden.
Der letzte Teil beschäftigt sich mit einem Anwendungsbeispiel der Erfindung. Sie kann als Steuerung für eine kleine, selbstregelnde Windkraftanlage benutzt werden. Hierbei soll sich die Anlage (und damit der Rotor 326) bei zunehmender Windbelastung automatisch aus dem Wind herausdrehen, jedoch nur soviel, dass immer noch eine maximale Leistungsausbeute erreicht werden kann.
Der schematische Aufbau einer solchen Windkraftanlage ist in 5 dargestellt („Handbuch Windenergie Technik" von Horst Crome). Eine solche Windkraftanlage besteht aus zwei starren Systemen. In einem System lässt sich die Steuerfahne 323 um das Gelenk 324 frei drehen. Das zweite System besteht aus der Querfahne 325, dem Rotor 326, der Generatorplatte 325, dem Generator 326 und der so genannten Trägerkonstruktionen nach den Patentansprüchen 6 bis 8. Letzt genannte Bauteile sind miteinander verschraubt und können sich um das Lager 329 frei drehen. Beide Systeme werden durch das Seil 304, welches in einem System am Holepunkt 301 der Steuerfahne befestigt ist und im anderen System über die Umlenkrolle 317 geführt wird, miteinander gekoppelt.
6 soll nun die Wirkungsweise der oben beschriebenen Windkraftanlage verdeutlichen. Dabei soll die Pfeilrichtung stets die Windrichtung darstellen.
6a–6c veranschaulichen den Mechanismus bei einer Windzunahme: Sobald sich die Windgeschwindigkeit vergrößert, wird die Kraft auf die Steuerfahne 323 und auf das Seil 304 größer. Somit dreht sich die Steuerfahne 323 im Uhrzeigersinn aus dem Wind heraus, gleichzeitig verlängert sich das Seil 304 zwischen der Umlenkrolle 317 und dem Holepunkt 301. Dabei nimmt die effektive Windquerschnittsfläche der Steuerfahne 323 ab und das Drehmoment auf die Querfahne überwiegt, wodurch sich letzt genannte und damit auch die ganze Anlage gegen den Uhrzeigersinn aus dem Wind herausdreht.
Sobald aber der Wind wieder abschwächt (6d–6f), wird auch die Seilkraft geringer, wodurch sich das Seil 304 durch die Rückstellkräfte wieder zu verkürzen beginnt und die Steuerfahne 323 sich wieder in den Wind dreht. Ihre effektive Windquerschnittsfläche nimmt wieder zu und deren Drehmoment beginnt zu dominieren. Die Anlage dreht sich wieder im Uhrzeigersinn in den Wind hinein („Handbuch Windenergie Technik" von Horst Crome, Seite 76–78).
Diese Sturmsicherung ist einfach und robust, erfordert aber eine gute Steuerung für die Seilkräfte, sodass zu jeder Seillänge die gewünschten Rückstellkräfte wirken, um die Windkräfte auszugleichen.
Erfindungsgemäß nach Patentanspruch 9 kann die zuvor beschriebene Erfindung als Steuerung für eine Windkraftanlage nach Horst Crome eingesetzt werden.
Mit Hilfe von 8 soll die Wirkungsweise der Erfindung in einer Windkraftanlage näher erläutert werden. Hierbei stellen die schwarz gezeichneten Bauteile die Erfindung nach Patentansprüchen 1–9 dar; die grauen Bauteile repräsentieren schemenhaft die für die Anbringung der Steuerung relevanten Teile der Windkraftanlage. Die Bauteile 301–316 sind mit den jeweiligen Teilen aus den 3 und 4 gleichzusetzen. An dieser Stelle soll lediglich die Wirkungsweise, nicht aber die genaue Verschraubung und Justierung der Bauteile beschrieben werden, da diese aus bautechnischen Gründen (Wahl der Gewichte 306a und 306b, Ausmaße der Bahnkurve 308, ...) differieren kann.
Das Seil 304 wird von Umlenkrolle 305 nach den Patentansprüchen 5 und 7 über die beiden horizontal angebrachten Umlenkrollen 316 und 317 zum Holepunkt 301 der Steuerfahne 323 geführt. Gegebenenfalls müssen diese Umlenkrollen unterlegt werden, damit sich das Seil 304 in einer Ebene bewegen kann und somit die Reibung verringert wird. Umlenkrolle 317 wird auf der so genannten „Trägerkonstruktion" montiert. Das Loch 319 muss nach Patentanspruch 8 auf einer Linie mit den beiden Umlenkrollen 316 und 317 liegen, damit eine widerstandsfreie Seilführung gewährleistet werden kann. Die L-Profile 318a, 318b und 318c werden nach Patentanspruch 6 zu einem rechtwinkligen Dreieck verschraubt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die resultierenden Seilkräfte der eigentlichen Erfindung durch die neuen Bauteile gemäß 8 nur ihre Richtung ändern, ihren Kraftbetrag jedoch stets behalten.

Claims

Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Kurven, dadurch gekennzeichnet, dass ein am festen Punkt 202 befestigtes Seil 204 über eine bewegliche Rolle 203, welche mit den Gewichten 206a und 206b versehen ist, und über eine feste Rolle 205 zu einem beweglichen Punkt 201 geführt wird, wobei Rolle 203 durch den zylinderförmigen Bolzen 209 auf einer Bahn 208 zwangsgeführt wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch Variation der Bahnsteigung die gewünschten Seilkräfte, die durch das Seil 204 übertragen werden, einstellen lassen.
Vorrichtung nach Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn 208 durch eine Kulisse 207 erzeugt wird.
Vorrichtung nach Patentansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil über eine Umlenkrolle 205 geführt wird und somit die Seilkraft in jede beliebige Richtung gelenkt werden kann.
Vorrichtung nach Patentansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine horizontal ausgerichtete Umlenkrolle 316 so angebracht wird, dass das Seil 304 beliebig in der horizontalen Ebene weitergeführt werden kann.
Vorrichtung („Trägerkonstruktion"), dadurch gekennzeichnet, dass die L-Profile 318a, 318b und 318c gemäß 7 an den Stellen 321, 322 und 323 zu einem rechtwinkligen Dreieck verschraubt werden.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine horizontal ausgerichtete Umlenkrolle 317 auf dem L-Profil 318a befestigt wird.
Vorrichtung nach Patentansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Loch 320 so in das L-Profil 318b gebohrt wird, dass eine Weiterführung des Seils 304 von Umlenkrolle 316 zu Umlenkrolle 317 gewährleistet wird.
Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Kurven, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorrichtung die Steuerfahne einer Windkraftanlage (gemäß Horst Crome: Handbuch Windenergie Technik") gesteuert wird, wobei die Seilkräfte über den Seilweg derart vorgesehen werden, dass die Windkraftanlage bei Windzunahme aus der Windrichtung herausgedreht und bei Windabnahme wieder in die Windrichtung hineingedreht wird.