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Die
Erfindung betrifft einen Energiewandler nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Ein
solcher Energiewandler wandelt mechanische Energie von einer Eingangswelle
unter Zwischenschaltung eines Generators in elektrische Energie
um. Ein solche Energiewandler kann zum Beispiel an einer Turbine
oder an einer Anlage zur Umwandlung von Naturkräften, insbesondere
von Strömungskräften, wie zum Beispiel an einer
Windenergieanlage, vorgesehen sein. Die Eingangswelle steht mit
mindestens einem Getriebemittel in Wirkverbindung, wobei das Getriebemittel
mindestens zwei Abtriebswellen hat, die jeweils mit einem Generator
zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie verbunden
sind. Das Getriebe übersetzt – insbesondere einer
Windenergieanlage mit einem Rotor, das heißt insbesondere
bei einer Windenergieanlage mit einer großen, elektrischen
Leistung, insbesondere bei einer Windenergieanlage mit einer Leistung
von über 1 bis 2 MW – insbesondere vom Langsamen
ins Schnelle.
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Ein
solcher Energiewandler ist beispielsweise aus der
WO2000/65708 bekannt. Es handelt
sich dabei um einen Antriebsstrang für Windturbinen oder Turbinen
für Meeresströmungen. Dabei sind abtriebsseitig
mehrere, einzelne Getriebeeinheiten vorgesehen, die konzentrisch
zwischen einem Innen- und einem Außenring angeordnet sind.
An diesen einzelnen, „kleinen” Getrieben ist jeweils
ein Generator angebracht.
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Solch
ein Energiewandler benötigt eine Vielzahl von einzelnen,
kleinen Getrieben und ist daher aufbaumäßig aufwändig.
Des weiteren hat er nur ein relativ geringes Maß an Integration,
eine verbesserungsfähige Raumausnutzung und ist insgesamt
hinsichtlich mit kurz- und/oder langfristig schwankender Betriebzustände,
wie diese beispielsweise bei Windenergieanlagen auftreten, wenig
flexibel.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und/oder
integrierte Bauform anzugeben, die insbesondere flexibel ist, insbesondere flexibel
im Hinblick auf schwankende Betriebszustände/Betriebsbedingungen
z. B. schwankende Windlage bei einer Windenergieanlage oder schwankende Strömungen
bei Wind oder Wasser.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die technische Lehre gemäß Anspruch
1 und für eine Windenergieanlage durch Anspruch 15.
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Die
Erfindung bietet die Möglichkeit, zwei hinsichtlich ihrer Übersetzungsverhältnisse
in Bezug auf die Eingangswelle unterschiedliche, mechanische Schnittstellen
mit jeweils einem Generator zu versehen. Dadurch wird eine integrierte
Bauform ermöglicht, indem auch unterschiedlich schnell
drehende Anschlussmöglichkeiten für den Anschluss
eines Generators verwendet werden. Im Stand der Technik ist dagegen
bei herkömmlichen Bauformen lediglich ein Anschluss für
ein Generator vorgesehen. Bei dem eingangs genannten Stand der Technik
sind eigens fünf kleinere, vollwertige Getriebe vorgesehen,
um möglichst viele Anschlussstellen vorzusehen und die elektrische
Leistung auf möglichst viele Generatoren gleichmäßig
zu verteilen. Dies löst die Erfindung auf einfachere Weise,
indem sie auch unterschiedliche Schnittstellen mit Generatoren bestückt,
die entweder explizit vorgesehen sind oder die bei einem bestimmten
Getriebetyp ohnehin vorhanden wären.
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Damit
besteht auch die Möglichkeit, eine integrierte Bauform
einfach dadurch zu erreichen, dass ohnehin vorhandene, unterschiedlich
schnell drehende Abtriebswellen bzw. Abtriebssellen für
den Anschluss, insbesondere Direktanschluss, eines Generators verwendet
werden können.
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Dies
gibt sowohl bei der baulichen Auslegung als auch bei der Integration
als auch bei der Flexibilität des Betriebes neue Freiheitsgrade.
Bei der baulichen Auslegung muss nicht mehr darauf geachtet werden,
dass möglichst gleich schnell drehende Abtriebswellen vorgesehen
sind. Dadurch können vorhandene Schnittstellen ohne weiteres
verwendet werden. Im Hinblick auf den Betrieb bietet die Erfindung
den zusätzlichem Vorteil, dass gerade bei schwankenden
Betriebsbedingungen, wie diese z. B. bei der Umwandlung von Naturkräften,
z. B. für Anlagen für regenerative Energieerzeugung
auftreten, flexibel reagiert werden kann. Zum Beispiel können
bei starker Wind unterschiedlich schnell drehende Generatoren, einzeln
und/oder individuell und/oder komplett oder selektiv, insbesondere
hinsichtlich deren Betriebspunkten bzw. Betriebsintervallen, zu-
oder abgeschaltet werden. Bei sehr starker oder starker Wind könnte
auch lediglich ein langsam drehender Generator an einem (vergelichsweise)
langsam drehenden Ausgang (Abtriebswelle) zugeschaltet sein und
ein schnell drehender Generator abgeschaltet sein. Bei langsamem,
schwachen Wind könnte z. B. nur ein kleiner, schnell drehender
Generator vorgesehen sein. Selbstverständlich sind auch
die jeweils umgekehrten Zu- und Abschaltkonfigurationen bei den
angegebenen Einsatzbedingungen denkbar. Auch müssen die
Einsatzbedingungen nicht direkt in der angegebenen Weise von der
Windstärke beziehungsweise Windgeschwindigkeit abhängig sein;
unter Berücksichtigung der Stuerung einer z. B. Windkraftanlage
ergeben sich Hauptrotor-Drehzahlen innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches,
z. B. 2 bis 20, bevorzugt 4 bis 16 U/min. Auch bei einer pitchgesteuerten
Windenergieanlage sind daher Schwankungen innerhalb dieses Bereiches
zugelassen und treten auch regelmäßig auf, um
die Windernte möglichst zu optimieren. Dabei wird durch
die Erfindung ein neuer Freiheitsgrad eingeführt, indem durch
Zu- oder Abschalten von einzelnen Generatoren unterschiedlicher
Drehzahl und unterschiedlich optimierter Betriebszustände
der Betriebszustand optimal angepasst werden kann, und auch wenn
alle Generatoren praktisch immer zugeschaltet sind diese immer in über
alle Generatoren gesehen günstigen Betriebspunkten und
günstigem Gesamternteertrag arbeiten.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindungen sind in den Unteransprüchen
näher beschrieben.
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Wenn
das Getriebemittel mindestens ein Planetengetriebe aufweist, ist
eine insgesamt hohe Steifigkeit und mechanische Festigkeit des Gesamtsystems
gewährleistet. Darüber hinaus ist es von Vorteil,
wenn die zumindest zwei Abtriebswellen des Getriebemittels Abtriebswellen
des Planetengetriebes sind mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen
bezüglich der Eingangswelle. Dies kann beispielsweise dadurch
realisiert werden, dass ein Generator an einem oder an jedem der
Planeten vorgesehen ist und ein anderer Generator – vorzugsweise mit
anderer Bauform und anderer Auslegung – an der Sonnenwelle
des Planetengetriebes vorgesehen ist. Dabei bedeutet, dass ein Generator
an einer Welle vorgesehen ist, dass dieser mit der Welle in Wirkverbindung
steht. In Wirkverbindung stehen kann wiederum bedeuten, dass der
Generator von der genannten Welle direkt oder indirekt angetrieben
ist und/oder direkt oder indirekt mit dieser Welle verbunden ist.
Insbesondere ist der Rotor des jeweiligen Generators direkt und/oder
indirekt mit der Welle verbunden beziehungsweise steht mit dieser
in Wirkverbindung.
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Das
Getriebemittel kann auch ein Stirnradgetriebe sein; dann ist der
mechanische Aufbau relativ einfach und kostengünstig zu
realisieren und bei einfacher und kostengünstiger Realisierung
stehen automatisch zumindest zwei (oder mehr) Anschlussmöglichkeiten
zur Verfügung, nämlich an jedem lasttragenden
Zahnrad eines z. B. ein- oder mehrstufigen Stirnradgetriebes.
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Wenn
das Getriebemittel eine Kombination von einem oder mehreren Planetengetrieben und/oder
einem oder mehreren Stirnradgetrieben aufweist, welche zueinander
parallel und/oder in Reihe geschaltet sind, wobei insbesondere lediglich
teilweise Reihen- oder Parallelschaltungen vorgesehen sind, hat
das den Vorteil, dass eine mechanisch und z. B. hinsichtlich einer
Leistungsaufteilung oder Leistungsverzweigung günstige
Kombination verwendet werden kann, die ein insgesamt günstigeres Übersetzungsverhältnis
erlaubt, sodass die einzelnen Generatoren kleiner und/oder einfacher
bauen können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
das Getriebemittel mindestens zwei Getriebestufen (mehrstufiges
Getriebemittel) hat, welche insbesondere miteinander mechanisch
derart verschaltet sind, dass die über das Getriebemittel übertragene
Leistung zwischen den mindestens zwei Getriebestufen, insbesondere im
Verhältnis 50:50 bis 75:25, aufgeteilt ist, wobei bei asymmetrischer
Leistungsverzweigung, die von 50:50 abweicht, insbesondere eine
Eingangsstufe den höheren Leistungsanteil überträgt.
Dadurch werden Übersetzungsverhältnisse, insbesondere
größere Übersetzungsverhältnisse,
ermöglicht, die für die Auslegung der Generatoren
Vereinfachungen bedeuten und/oder es wird eine Leistungsverzweigung
erreicht, die die Lebensdauer des Getriebes erhöht, sodass
sich insgesamt eine Lebensdauererhöhung der gesamten Anlage
mit der Erfindung ergibt. Auch die Lebensdauer der Generatoren geht
in diese Gesamtlebensdauerbetrachtung ein, so dass, wenn diese flexibler
und einfacher und integrierter ausgelegt werden können
und damit auch eine höhere Lebensdauer erreichen können,
das gesamte System verbessert wird. Des weiteren wird dadurch auch
die Anzahl möglicher Anschlussstellen für Generatoren
gesteigert, sodass sich insgesamt der Vorteil der Erfindung erhöht.
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Dabei
können die zwei Abtriebswellen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen
mit jeweils einem Zahnrad und/oder einer Welle und/oder einer Zwischenwelle
eines Stirnradgetriebes in Wirkverbindung stehen. Bei dieser konstruktiven
Ausgestaltung können die Getriebekomponenten erfindungsgemäß eine
Doppelfunktion haben. Besonders hervorzuheben ist dabei, dass vorzugsweise
alle Zahnrad-Komponenten eines Stirnradgetriebes (also z. B. zwei
Hauptzahnräder) diese Doppelfunktion aufweisen.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Abtriebswellen mit
jeweils einem Zahnrad und/oder einer Welle und/oder einer Zwischenwelle
eines Planetengetriebes in Wirkverbindung stehen. Durch das Planetengetriebe
erhöht sich pro Getriebe die Anzahl der Anschlussstellen
für Generatoren und damit auch der Integrationsfaktor und/oder
die Flexibilität der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der vorgenannten Ausgestaltung wird insbesondere vorgeschlagen,
dass eine der Abtriebswellen mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes
und mindestens eine der Abtriebswellen mit einem Planetenrad in
Wirkverbindung steht. Das Sonnenrad hat dann in natürlicher
Verschaltung des Planetengetriebes eine langsam laufende Übersetzung,
wohingegen die Abtriebswellen, die mit einem Planetenrad in Wirkverbindung
stehen, eine schnellere Drehung zur Folge haben. Dadurch werden
die erfindungsgemäßen Vorteile bei mechanisch
starrer und solider Konstruktion und Aufbau erreicht. Das Planetengetriebe
ist dann vorzugsweise so aufgebaut, dass die Planeten „stehen” oder,
anders ausgedrückt, dass die Planetenträger bezüglich
der Sonnenachse fest gehalten sind und sich lediglich die Planeten-Einzelzahnräder
um die jeweilige Planetenachse drehen. Um andere Übersetzungsverhältnisse und/oder
andere mechanische Verhältnisse insgesamt und damit eine
höhere Auslegungsflexibilität zu erreichen, können
die Generatoren aber auch um die Achse des Sonnenrades mitgedreht
werden. Dann wären die Planeten nicht fest gehalten und
der Planetenträger würde sich um die Achse des
Sonnenrades mitdrehen.
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Eine
konstruktive Ausführungsform sieht vor, dass 3, 4 oder
5 Planeten vorhanden sind, wobei jeweils ein Generator je Planet
vorgesehen ist, der mit dem Planeten in Wirkverbindung steht. Damit
wären bei einem Planetengetriebe – als erfindungsgemäßes
Getriebemittel – die entsprechende Anzahl von Anschlussstellen
für z. B. relativ schnell drehende Anschlüsse
vorhanden und zumindest ein weiterer, langsamer drehender Anschluss
am Sonnenrad. Selbstverständlich kann auch bei allen Ausgestaltungen
das Hohlrad drehbar ausgeführt sein und direkt oder indirekt
in Wirkverbindung mit einem dem Hohlrad zugeordneten Generator stehen.
Das Gleiche gilt sinngemäß für den Planetenträger.
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Durch
unterschiedliche Auslegung der jeweiligen Generatoren wird eine
weitere Optimierung des Betriebes des Energiewandlers erreicht.
Vorzugsweise sind daher zumindest zwei der Generatoren elektrisch
und/oder mechanisch unterschiedlich ausgelegt, wobei der jeweilige
Generator bezüglich des Betriebsbereichs, insbesondere
Eingangsdrehzahlbereichs, des Energiewandlers im Hinblick auf das
aus dem Betriebsbereich resultierende Übersetzungsverhältnis
seiner Abtriebswelle ausgelegt ist.
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Die
Freiheitsgrade und die Optimierung der gesamten Anlage kann dadurch
weiter optimiert werden, dass die Auslegung zumindest eines Generators
durch folgende Eigenschaften bestimmt ist:
- – Prinzip
der elektrischen Maschine (z. B. Synchron-, Asynchron-, Reluktanzmaschine)
- – Anzahl der Pole, insbesondere höhere Polzahl bei
schneller laufender Abtriebswelle und/oder
- – Wicklungs-Layout des Ständers und/oder
- – Länge und Durchmesser der Wicklungsdrähte und/oder
- – Läufer- und/oder Ständerdurchmesser
und -Breite.
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Aufgrund
der mechanischen Flexibilität, der Anschlussflexibilität
und der Möglichkeit, die Anschlüsse und Getriebeübersetzungen
gut auszunutzen, können viele unterschiedliche Generatoren
für die Erfindung vorgesehen werden, insbesondere ein permanentmagneterregter
und/oder ein elektrisch erregter Generator und/oder ein Axialflussgenerator und/oder
ein Transverssalflussgenerator und/oder ein Generator mit Durchmesserwicklung.
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Elektrisch
sind die zumindest zwei und insbesondere alle vorhandenen Generatoren
parallel geschaltet.
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Die
Eingangswelle des Energiewandler s ist insbesondere durch eine Naturkraft,
insbesondere Wind und/oder Wasser (jeweils insbesondere Strömung)
angetrieben.
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Die
Erfindung wird anhand von in den den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Energiewandler 1 mit einem Getriebemittel 3,
bei dem drei Generatoren 7, 8, 9 zu sehen
sind, wobei zwei der gezeigten Generatoren 7, 8 an
einem bezogen auf die Zentralachse radial äußeren
Getrieberad 10, 11 des Getriebemittels 3 angeschlossen
sind und ein Generator 9 – größerer
Bauart – direkt an Zentralwelle 6 des Getriebemittels
angeschlossen ist.
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Das
Eingangsmoment wird über die Eingangswelle 2 – beispielsweise
der Rotorwelle einer Windenergieanlage oder der Ausgangswelle eines weiteren,
hier nicht gezeigten, vorgeschalteten Getriebemittels – an
das Getriebemittel 3 übertragen. Das Getriebemittel 3 hat
eine Zentralwelle 18, die sich mit der Drehzahl der Eingangswelle 2 oder
mit einer demgegenüber ins Schnelle oder ins Langsame übersetzten
Drehzahl dreht. Mit dieser Drehzahl wird der – insbesondere
relativ groß ausgelegte – Generator 9 betätigt.
Diese Zentralwelle 18 dreht ein zentrales Getrieberad 12 mit.
Das Getrieberad 12 steht in Wirkverbindung mit den radial äußeren
Getrieberädern 10, 11. Diese stehen jeweils
in Wirkverbindung mit den jeweils ihnen zugeordneten Generatoren 7,8,
insbesondere relativ kleinerer Bauart und/oder Auslegung für
relativ geringere Leistungen. Die jeweiligen Wellen 16, 17, 18 sind über
Lager 13, 14, 15 gelagert. Anstelle der
hier gezeigten 2 oder 4 oder 6 radial äußeren
Generatoren 7, 8 können auch 3 oder 5 oder 7 radial äußere
Generatoren und dazu gehörige Wellen vorgesehen sein.
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- 1
- Energiewandler
- 2
- Eigangswelle
- 3
- Getriebemittel
- 4
- Abtriebswelle
- 5
- Abtriebswelle
- 6
- Abtriebswelle
- 7
- Generator
- 8
- Generator
- 9
- Generator
- 10
- Getrieberad
- 11
- Getrieberad
- 12
- Getrieberad
- 13
- Lager
- 14
- Lager
- 15
- Lager
- 16
- Welle
- 17
- Welle
- 18
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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