DE102007047317A1

DE102007047317A1 - Entkopplung der Antriebswelle von der Abtriebswelle durch ein zweistufiges Getriebe bei einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102007047317A1
Application number: DE102007047317A
Authority: DE
Inventors: Sönke PAULSEN
Original assignee: INNOVATIVE WINDPOWER AG
Current assignee: INNOVATIVE WINDPOWER AG
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-09
Also published as: EP2207984A2; WO2009043330A2; WO2009043330A3; DE112008002664A5

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Leistungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer Energie bei einer Windkraftanlage, umfassend ein Getriebe und einen Generator, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor, wenigstens einen Stator und ein den Rotor und Stator umfassendes Generatorgehäuse umfasst, wobei das Getriebe eine Abtriebsstufe, eine Antriebsstufe und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebegehäuse aufweist, wobei die Antriebsstufe ein Antriebshohlrad mit Stirnseite, welches im Getriebegehäuse gelagert ist, wenigstens ein Antriebsplanetenrad, welches im Getriebehäuse mittels eines flexiblen Lagersystems gelagert ist, und eine Antriebshohlsonne umfasst, wobei die Abtriebsstufe ein Abtriebshohlrad, welches mit der Antriebshohlsonne drehfest verbunden ist, wenigstens ein Abtriebsplanetenrad, welche in der Stirnseite des Antriebshohlrades mittels eines flexiblen Lagersystems gelagert ist, und eine Abtriebssonne, die drehfest mit der abtreibenden Welle des Getriebes verbunden ist, umfasst, wobei die abtreibende Welle am Getriebehäuse bzw. am Generatorgehäuse gelagert ist.

Description

Die Erfindung offenbart eine Leistungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer Energie bei einer Windkraftanlage umfassend ein Getriebe und einen Generator, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor, wenigstens einen Stator und ein den Rotor und Stator umfassendes Generatorgehäuse umfasst, wobei das Getriebe eine Abtriebsstufe, eine Antriebsstufe und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebgehäuse aufweist, wobei die Antriebsstufe ein Antriebshohlrad mit Stirnseite, welches im Getriebegehäuse gelagert ist, wenigstens ein Antriebsplanetenrad, welches im Getriebegehäuse mittels eines flexiblen Lagersystems gelagert ist, und eine Antriebshohlsonne umfasst, wobei die Abtriebsstufe ein Abtriebshohlrad, welches mit der Antriebshohlsonne drehfest verbunden ist, wenigstens ein Abtriebsplanetenrad, welches in der Stirnseite des Antriebshohlrades mittels eines flexiblen Lagersystems gelagert ist, und eine Abtriebssonne, die drehfest mit der abtreibenden Welle des Getriebes verbunden ist, umfasst, wobei die abtreibende Welle am Getriebegehäuse bzw. am Geratorgehäuse gelagert ist.
Bei Windkraftanlagen wird der Antriebsstrang bestehend aus Rotorblättern, Nabe, Welle und Getriebe mit Drei- bzw. Vierpunktlagerungen versehen. Bei der Dreipunktlagerung werden die Welle und das Getriebegehäuse an zwei Seiten mit Lagern versehen. Bei Vierpunktlagern wird die Welle mit einem zusätzlichen Lager versehen.
Insbesondere Windkraftanlagen mit großen Rotordurchmessern, und somit auch der Antriebsstrang, werden durch unterschiedlichste Umweltbedingungen, wie turbulente Winde oder auch inhomogene Belastungen der Rotorblätter, stark beansprucht (siehe z. B. Windkraftanlagen; 4. Auflage; von Gasch/Twele; Kapitel 4.3). Dies führt dazu, dass die Lagerung des Antriebsstrangs starken Belastungen ausgesetzt ist. Insbesondere über die Welle, welche beispielsweise in das Getriebe bzw. in einen Generator führt, werden das Getriebe und/oder der Generator mechanisch bzw. elektrisch durch Abweichungen vom Gleichlaufverhalten des Rotors belastet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Belastungen für das Getriebe bzw. für den Generator zu reduzieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer Energie bei einer Windkraftanlage umfassend ein Getriebe und einen Generator, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor, wenigstens einen Stator und ein den Rotor und Stator umfassendes Generatorgehäuse umfasst, wobei das Getriebe eine Abtriebsstufe, eine Antriebsstufe und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebgehäuse aufweist, wobei die Antriebsstufe ein Antriebshohlrad mit Stirnseite, welches im Getriebegehäuse gelagert ist, wenigstens ein Antriebsplanetenrad, welches im Getriebegehäuse mittels eines flexiblen Lagersystems gelagert ist, und eine Antriebshohlsonne umfasst, wobei die Abtriebsstufe ein Antriebshohlrad, welches mit der Antriebshohlsonne drehfest verbunden ist, wenigstens ein Abtriebsplanetenrad, welches in der Stirnseite des Antriebshohlrades mittels eines flexiblen Lagersystems gelagert ist, und eine Abtriebssonne, die drehfest mit der abtreibenden Welle des Getriebes verbunden ist, umfasst, wobei die abtreibende Welle am Getriebegehäuse bzw. am Geratorgehäuse gelagert ist.
Als flexibles Lagersystem sind insbesondere Lagersysteme umfasst, wie sie in DE 10 2004 023 151 beschrieben sind, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil dieser Schrift ist. Solche flexiblen Lagersysteme sind insbesondere als FlexPin (TM) Lagerung bekannt und erwerbbar. Bei dem flexiblen Lagersystem werden insbesondere Seitenkräfte durch eine im Wesentlichen achsparallele Verschiebung des auf dem Lager aufgebrachten Rads ausgeglichen. Dies führt dazu, dass ein System von mit flexiblen Lagern gelagerter Räder eines Getriebes Belastungskräfte, welche beispielsweise durch Antriebswellen in das Getriebe übertragen werden, so ausgleicht, dass eine gleichmäßige Belastung der Räder des Getriebes erreicht wird.
Die feste Verbindung zwischen Getriebe und Generator kann dadurch erfolgen, dass das Generatorgehäuse an das Getriebegehäuse angeflanscht wird. Somit bilden die aneinander geflanschten Gehäuse von Generator und Getriebe ein Gehäuse für die Leistungseinheit. Durch das Anflanschen können Generatorgehäuse und Getriebegehäuse zu Wartungszwecken voneinander gelöst und wieder zusammengefügt werden.
Weiterhin kann an die Stirnseite des Antriebshohlrads eine Nabe angeflanscht sein, wobei die Nabe ein, zwei oder mehr Rotorblätter aufnehmen kann, wobei bevorzugter Weise drei Rotorblätter verwendet werden. Trifft nun der Wind auf die Rotorblätter kann die Nabe und somit das Antriebshohlrad über die Rotorblätter in Rotation versetzt werden. Somit hat das Antriebshohlrad auch die Funktion einer Antriebswelle.
Das Antriebshohlrad kann in die Antriebsplaneten so eingreifen, dass die Rotationenergie an die Antriebsplaneten zumindest teilweise übertragen wird. Diese Antriebsplaneten können mit dem flexiblen Lagersystem gelagert werden, wobei die flexiblen Lagersysteme fest mit dem Gehäuse der Leistungseinheit verbunden sind. Im Gegensatz dazu können die flexiblen Lager für die Abtriebsplaneten der Abtriebsstufe so ausgestaltet sein, dass diese nicht statisch am Gehäuse der Leistungseinheit angebracht sind, sondern mit der Antriebswelle rotieren. Dabei kann die Stirnseite des Antriebshohlrads sowohl als Bestandteil des Antriebshohlrads ausgeführt sein als auch indirekt über die Nabe oder mit sonstigen mit der Antriebshohlwelle rotierenden Teilen fest verbunden bzw. an diesen angeflanscht sein.
Insbesondere kann durch die kombinierte Rotationsenergieübertragung, welche zum einen durch das Antriebshohlrad auf die Antriebsplaneten und zum anderen durch die Rotation der Abtriebsplaneten mit dem Antriebshohlrad erfolgt, die Leistung auf die Abtriebsstufe und die Antriebsstufe verteilt werden. In einer besonderen Ausführungsform beträgt die Verteilung 6:4, wobei dieses Verhältnis insbesondere durch die Anzahl von Antriebsplaneten zu Abtriebsplaneten bzw. der Verhältnisse der Zähne erfolgen kann. Nach der Übertragung kann die Energie, welche an die Abtriebsstufe übertragen wurde, über die Antriebshohlsonne an die Abtriebsstufe übertragen werden. Dies kann in einer äußerst bevorzugten Ausführungsform dadurch erfolgen, dass die Antriebshohlsonne einstückig als Abtriebshohlrad ausgestaltet ist und das Abtriebshohlrad über die Abtriebsplaneten und Antriebshohlsonne die Energie an die abtreibende Welle überträgt.
Insbesondere kann die flexible Lagerung der Planetenträger im Gehäuse und in der Stirnseite mit der separaten Lagerung der abtreibenden Welle im Gehäuse zur Entkopplung von Antriebshohlwelle und abtreibender Welle führen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Getriebe und Generator so ausgelegt, dass die abtreibende Welle mit 250 bis 350 Umdrehungen pro Minute rotiert.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform kann der Generator als Doppelstator und Monorotor ausgeführt sein.
In einer weiteren äußerst bevorzugten Ausführungsform können die flexiblen Lagersysteme in separaten Planetenträgern gelagert sein. Diese Planetenträger können sowohl für die Antriebsplaneten als auch für die Abtriebsplaneten eingesetzt werden. Dadurch können in vorteilhafter Weise die flexiblen Lagersysteme an dem Planetenträger angebracht werden, wobei der Planetenträger selbst wiederum an die Stirnseite des Antriebhohlrads bzw. an das Gehäuse anflanschbar ist. Dies kann zu einer leichteren Wartung und Ersetzbarkeit führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Abtriebssonne an die abtreibende Welle drehfest angeflanscht sein. Wobei die Zähne der Abtriebssonne in die Zähne der Abtriebsplanetenräder eingreifen. Durch die Rotation des Antriebshohlrades werden die Abtriebsplaneten und somit die abtreibende Welle in Rotation versetzt. Dabei kann in einer bevorzugten Ausführungsform die abtreibende Welle im Wesentlichen um die Rotationsachse der Antriebshohlwelle, welche somit auch die Rotationsache des Nabe/Rotorblättersystems ist, rotieren. Dies kann insbesondere durch die Lagerung der abtreibenden Welle am Generatorgehäuse bzw. Getriebegehäuse erreicht werden.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform kann an die abtreibende Welle der Rotor des Generators angeflanscht sein. Dabei kann insbesondere eine gleichmäßige Rotation des Rotors erlangt werden, damit die Luftspalte zwischen den Magneten minimal auslegbar sind. Insbesondere können die Luftspalte zwischen 2 und 6 mm betragen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Anzahl der Antriebsplanetenräder und/oder der Abtriebsplanetenräder zwischen drei und zehn liegen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren erläutert. Dabei stellt
1 eine Leistungseinheit mit einem Getriebe und einem Generator und
2 die flexible Lagerung mittels FlexPin (TM) dar.
In 1 ist die Leistungseinheit, aufweisend ein Getriebe und einen Generator, in einem Schnitt dargestellt. Die Rotationsachse 100 teilt die Leistungseinheit symmetrisch, so dass die Betrachtung einer Hälfte ausreicht, wobei zur Verdeutlichung auch die zweite Hälfte (unterhalb der Rotationsachse 100) dargestellt ist. Die Nabe 101 nimmt drei Rotorblätter (hier nicht dargestellt) auf. Wind, der auf die Rotorblätter trifft, versetzt die Nabe 101 in Rotation. Diese Rotation versetzt das Antriebshohlrad 103 mit ausgeführter Stirnseite in Rotation. Dieses Antriebshohlrad 103 ist über die Lager 105 im Getriebegehäuse 107 gelagert. Die Zähne des Antriebshohlrads 103 greifen in die Zähne der Antriebsplanetenräder 110 so ein, dass diese zumindest einen Teil der Rotationsenergie des Antriebshohlrads 103 an die Antriebsplaneten 110 übertragen. Ein weiterer Teil der Rotationsenergie des Antriebshohlrads 103 wird über die in der Stirnseite des Antriebshohlrads 103 gelagerten Abtriebsplaneten 111 übertragen.
Die Zusammenführung der aufgeteilten Energie erfolgt über die Antriebshohlsonne 115, welche zugleich als Abtriebshohlrad 115 ausgestaltet ist, wobei die Antriebshohlsonne 115 durch die Antriebsplanetenräder 110 einen Teil der Rotationsenergie durch Eingreifen der Zähne der Antriebsplanetenräder 110 in die Zähne der Antriebshohlsonne 115 überträgt. Die so in Rotation versetzt Antriebshohlsonne 115 überträgt ihrerseits diese Energie durch die Funktion als Abtriebshohlrad 115 an die Abtriebsplanetenräder 111.
Die Zähne der Abtriebsplanetenräder 111 greifen in die Zähne der Abtriebssonne 113, welche auf die abtreibende Welle 117 geflanscht ist, ein und übertragen so die Rotationsenergie auf die abtreibende Welle 117. Auf die abtreibende Welle 117 ist der Rotor 131 des Generators mittels Spannwerkzeug 133 geflanscht. Auf bzw. in dem Rotor 131 des Generators sind Permanentmagnete 135 angebracht, welche bei der Rotation des Rotors 131 in den Spulen 129 des Generators eine Spannung induzieren.
Weiterhin zeigt 1, dass das Getriebegehäuse 107 und das Generatorgehäuse 127 über eine Verbindungsplatte 123 aneinander geflanscht sind und somit ein Leistungseinheitsgehäuse bilden. Durch dieses Anflanschen ist das Leistungseinheitsgehäuse biege- und verwindungssteif.
In 2 ist das flexible Lagersystem dargestellt. Dabei ist 204 der Planetenträger (in 1 kann dies 135 bzw. 130 sein), in dem der Lagerbolzen 203 gelagert ist. Am Ende des Lagerbolzens 203 ist dieser verdickt. Über diese Verdickung 202 ist eine Hülse 201 gepresst. Die Hülse 201 ragt über den verdickten Teil in Richtung Planetenträger 204 hinaus, so dass ein Raum zwischen Hülse 201 und Lagerbolzen 203 entsteht. Auf die Hülse 201 ist beispielsweise ein Kugellager (hier nicht dargestellt) und auf diesem das Planetenrad 111/110 mit entsprechenden Zähnen 205 aufgebracht. Dabei ist die Breite des Planetenrads so ausgelegt, dass der Raum zwischen Hülse 201 und Lagerbolzen 203 nicht überschritten wird. Somit führen Kräfte, welche senkrecht zur Rotationsachse 200 am Planetenrad 111/110 auftreten im Wesentlichen zu einer Parallelverschiebung des Planetenrads 111/110. Somit werden inhomogene Belastungen der Zähne 205 und daraus resultierende Schäden verringert.
In 1 ist die „quasi" Entkopplung der abtreibenden Welle 117 von der Antriebshohlwelle 103 dargestellt. Über die in der Nabe 101 angebrachten Rotorblätter können Kräfte auftreten, die senkrecht zur Rotationsachse 100 auftreten. Diese Kräfte werden durch die Lager 105 und die flexiblen Lagerungssysteme 109/119, welche die „Störkräfte" in eine Parallelverschiebung der Planetenräder umsetzen, kompensiert. Insbesondere wird eine Seite der abtreibenden Welle 117 durch die flexiblen Lagersysteme 109 mit den entsprechenden Planetenräder 111 frei gelagert. Durch die flexiblen Lagersysteme werden die Kräfte, die auf die abtreibende Welle 117 wirken, reduziert. Auf der anderen Seite der abtreibenden Welle 117 kann die abtreibende Welle 117 in einem Lager 121 und/oder in einem weiteren Lager 122 gelagert sein, wobei diese Lager 121/122 am Getriebegehäuse 107 und/oder am Generatorgehäuse 127 angebracht sein können. Insbesondere können Lager 121 vor und nach dem Rotor 131 des Generators angebracht sein. Dadurch wird die Auslenkung des Rotors 131 und entsprechend die vertikale Auslenkung der Permanentmagneten 135 eingeschränkt.
Mit der hier dargestellten Ausführungsform wird Getriebe und Generator zu einer Einheit. An den Rotorblättern auftretende Kräfte werden über das Gehäuse der Leistungseinheit und dem dazugehörigen „elastischen" Halter, welcher Kräfte in Form von „elastischer" Verformung aufnimmt, an den Turm und somit an das Fundament abgegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004023151 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Windkraftanlagen; 4. Auflage; von Gasch/Twele; Kapitel 4.3 [0003]

Claims

Leistungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer Energie bei einer Windkraftanlage umfassend ein Getriebe und einen Generator, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor (131), wenigstens einen Statur (129) und ein den Rotor (131) und Statur (129) umfassendes Generatorgehäuse (127) umfasst, wobei das Getriebe eine Abtriebsstufe, eine Antriebsstufe und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebgehäuse (107) aufweist, wobei die Antriebsstufe ein Antriebshohlrad (103) mit Stirnseite, welches im Getriebegehäuse (107) gelagert ist und im Wesentlichen um eine Rotationsachse (100) rotiert, wenigstens ein Antriebsplanetenrad (110), welches im Getriebegehäuse (107) mittels eines flexiblen Lagersystems (119) gelagert ist, und eine Antriebshohlsonne (115) umfasst, wobei die Abtriebsstufe ein Abtriebshohlrad (115), welches mit der Antriebshohlsonne (115) drehfest verbunden ist, wenigstens ein Abtriebsplanetenrad (111), welches in der Stirnseite des Antriebshohlrades (103) mittels eines flexiblen Lagersystems (109) gelagert ist, und eine Abtriebssonne (113), die mit der abtreibenden Welle (117) des Getriebes verbunden ist, umfasst, wobei die abtreibende Welle (117) am Getriebegehäuse (107) bzw. am Geratorgehäuse (127) gelagert ist.
Leistungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Getriebes mit dem Generator dadurch realisiert ist, dass das Getriebegehäuse (107) an das Generatorgehäuse (127) angeflanscht ist.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator zwei oder mehr Staturen (129) aufweist.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebsplanetenrad (111) mittels des flexiblen Lagersystems (109) in einem Abtriebsplanetenträger (130) gelagert ist und dieser Abtriebsplanetenträger (130) an der Stirnseite des Antriebshohlrades (103) angeflanscht ist.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsplanetenrad (110) mittels des flexiblen Lagersystems (119) in einem Antriebsplanetenträger (135) gelagert ist und dieser Antriebsplanetenträger (135) an das Getriebegehäuse (107) angeflanscht ist.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebssonne (113) an die abtreibende Welle (117) angeflanscht ist.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (131) des Generators an die abtreibende Welle (117) angeflanscht ist.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Antriebsplanetenräder (110) und/oder der Abtriebsplanetenräder (111) zwischen drei und zehn liegt.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abtreibende Welle (117) im Wesentlichen um die Rotationsachse (100) des Antriebshohlrads (103) rotiert.
Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe drei, vier oder mehr Stufen mit entsprechender Leistungsaufteilung aufweist.