DE102008064245A1 - Energiewandler mit Generatorenausgangswellen unterschiedlicher Übersetzungen - Google Patents

Energiewandler mit Generatorenausgangswellen unterschiedlicher Übersetzungen Download PDF

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Abstract

Um einen Energiewandler, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, mit einer Eingangswelle, die mit mindestens einem Getriebemittel in Wirkverbindung steht, wobei das, insbesondere von kleiner Drehzahl zu hoher Drehzahl übersetzende, Getriebemittel mindestens zwei Abtriebswellen hat, so weiterzubilden, dass eine einfache und/oder integrierte Bauform erreicht wird, 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, wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei Abtriebswellen des Getriebemittels, aufgrund ihrer getriebemechanischen Ankopplung und/oder Verschaltung, unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse in Bezug auf die Eingangswelle aufweisen und mit jeder der zwei Abtriebswellen jeweils ein Generator in Wirkverbindung steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Energiewandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die technische Lehre gemäß Anspruch 1 und für eine Windenergieanlage durch Anspruch 15.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindungen sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Elektrisch sind die zumindest zwei und insbesondere alle vorhandenen Generatoren parallel geschaltet.
  • Die Eingangswelle des Energiewandler s ist insbesondere durch eine Naturkraft, insbesondere Wind und/oder Wasser (jeweils insbesondere Strömung) angetrieben.
  • Die Erfindung wird anhand von in den den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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
    • - WO 2000/65708 [0003]

Claims (15)

  1. Energiewandler (1), der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, mit einer Eingangswelle (2), die mit mindestens einem Getriebemittel (3) in Wirkverbindung steht, wobei das, insbesondere von kleiner Drehzahl zu hoher Drehzahl übersetzende, Getriebemittel (3) mindestens zwei Abtriebswellen (4, 5, 6) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Abtriebswellen (4, 5, 6) des Getriebemittels (3), aufgrund ihrer getriebemechanischen Ankopplung und/oder Verschaltung, unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse in Bezug auf die Eingangswelle (2) aufweisen und mit jeder der mindestens zwei Abtriebswellen (4, 5, 6) jeweils ein Generator (7, 8, 9) in Wirkverbindung steht.
  2. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemittel (3) mindestens ein Planetengetriebe aufweist.
  3. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemittel (3) mindestens ein Stirnradgetriebe aufweist.
  4. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemittel (3) eine Kombination von einem oder mehreren Planetengetrieben und/oder einem oder mehreren Stirnradgetrieben aufweist, welche zueinander parallel und/oder in Reihe verschaltet sind, wobei insbesondere lediglich teilweise Reihen- oder Parallelschaltungen vorgesehen sind.
  5. Energiewandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 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.
  6. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Abtriebswellen mit jeweils einem Zahnrad und/oder einer Welle und/oder einer Zwischenwelle eines Stirnradgetriebes in Wirkverbindung stehen.
  7. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Abtriebswellen mit jeweils einem Zahnrad (10, 11, 12) und/oder einer Welle (16, 17, 18) und/oder einer Zwischenwelle eines Planetengetriebes in Wirkverbindung stehen.
  8. Energiewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Abtriebswellen mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes und mindestens eine der Abtriebswellen mit einem Planetenrad in Wirkverbindung steht.
  9. Energiewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass drei, vier oder fünf Planeten vorgesehen sind, wobei jeweils ein Generator je Planet vorgesehen ist, der mit dem Planeten in Wirkverbindung steht.
  10. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Generatoren (7, 8; 9) elektrisch und/oder mechanisch unterschiedlich ausgelegt sind, wobei der jeweilige Generator bezüglich des Betriebsbereichs, insbesondere Eingangsdrehzahlbereichs, des Energiewandlers im Hinblick auf das aus dem Betriebsbereich resultierende Übersetzungsverhältnis seiner Abtriebswelle ausgelegt ist.
  11. Energiewandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung eines Generators durch folgende Eigenschaften bestimmt ist: – Prinzip der elektrischen Maschine und/oder – Anzahl der Pole, insbesondere höhere Polzahl bei schneller laufender Abtriebswelle und/oder – Wicklungs-Layout des Ständers und/oder – Länge und/oder Durchmesser der Wicklungsdrähte und/oder – Läufer- und/oder Ständerdurchmesser und/oder -Breite.
  12. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein permanentmagneterregter und/oder ein elektrisch erregter Generator vorgesehen sind/ist und/oder ein Axialflussgenerator und/oder ein Transversalflussgenerator und/oder ein Generator mit Durchmesserwicklung.
  13. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, insbesondere alle, Generatoren (7, 8, 9) parallel geschaltet sind.
  14. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle durch eine Naturkraft, insbesondere Wind und/oder Wasser, angetrieben ist.
  15. Windenergieanlage mit einem Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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