DE102010017222A1

DE102010017222A1 - Elektrische Antriebsanordnung

Info

Publication number: DE102010017222A1
Application number: DE102010017222A
Authority: DE
Inventors: Norbert Wibben; Norbert Kötting; Karl Stermann; Dr. Bertolotti Fabio
Original assignee: SSB Wind Systems GmbH and Co KG
Current assignee: SSB Wind Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US20130076174A1; CN102270895A; DE202010018108U1; CN202127321U; EP2577850A2; WO2011151106A3; WO2011151106A2

Abstract

Elektrische Antriebsanordnung mit einem Elektromotor (19), der in einem Motorgehäuse (20) angeordnet ist, einer an einer Stirnseite des Motorgehäuses (20) angeordneten und einen Lüfter (23) umfassenden Lüfteranordnung (22), mittels welcher ein Verlustwärme des Elektromotors (19) abführender Kühlluftstrom (53) erzeugbar ist, elektronischen Bauelementen (33), mittels welchen der Elektromotor (19) steuerbar oder regelbar ist, und wenigstens einem die elektronischen Bauelemente (33) aufnehmenden, auf dem Motorgehäuse (20) aufsitzenden, kastenförmigen Motor-Panel (30), wobei mittels des Motor-Panels (30) beim Betrieb der elektronischen Bauelemente (33) entstehende Wärme an einen mit dem Motor-Panel (30) in wärmeleitendem Kontakt stehenden Kühlkörper (32) abgebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung mit einem Elektromotor, der in einem Motorgehäuse angeordnet ist, einer an einer Stirnseite des Motorgehäuses angeordneten und einen Lüfter umfassenden Lüfteranordnung, mittels welcher ein Verlustwärme des Elektromotors abführender Kühlluftstrom erzeugbar ist, elektronischen Bauelementen, mittels welchen der Elektromotor steuerbar oder regelbar ist, und wenigstens einem die elektronischen Bauelemente aufnehmenden, auf dem Motorgehäuse aufsitzenden, kastenförmigen Motor-Panel. Die Erfindung betrifft ferner eine Kühlvorrichtung für eine Antriebsanordnung sowie einen elektrischen Blattwinkelverstellantrieb mit einer Antriebsanordnung.
Moderne Windenergieanlagen umfassen drehbar an einem Rotor gelagerte Rotorblätter, wobei durch eine individuelle Änderung des Blattwinkels relativ für jedes Rotorblatt ein Anströmwinkel des Windes variiert werden kann. Ein zugehöriger Blattwinkelverstellantrieb (Pitchantrieb) ist meist in der Nähe oder direkt am Lager des zu verstellenden Rotorblattes oder im Rotor selbst angeordnet und umfasst einen Elektromotor mit mechanischen Verstellelementen für das jeweilige Rotorblatt.
Dem Motor sind elektronische Bauelemente zugeordnet, mit denen eine Steuerung und/oder Regelung des Motors, insbesondere eine winkelgerechte Steuerung und/oder Regelung der Motorwelle erfolgt. Diese elektronischen Bauelemente sind in einem kastenförmigen Gehäuse oder Schaltkasten, der hier als Motor-Panel oder kastenförmiges Motor-Panel bezeichnet wird, untergebracht, wobei das Motor-Panel meist direkt am Motorgehäuse angebracht ist, entweder auf die Mantelfläche des Motorgehäuses aufgesetzt (axiale Anordnung) oder an einer Stirnseite des Motorgehäuses befestigt (radiale Anordnung).
Die axiale Anordnung des Motor-Panels hat den Vorteil, dass sie bezüglich der mechanischen Konstruktion einfacher ist, eine gleichmäßigere und schnellere Luftströmung sicherstellt, keine Einbußen bezüglich der Gesamtlänge und eine einfachere Befestigung am Motor beinhaltet. Motor und Motor-Panel benötigen beim Betrieb eine Kühlvorrichtung, um die im Betrieb anfallende Wärme abzuführen. Hierzu wird üblicherweise für den Motor eine Lüfteranordnung verwendet, die entweder an einer Stirnseite des Motorgehäuses oder quer dazu angeordnet ist.
Die Erfindung geht bevorzugt von der stirnseitigen Anordnung des Lüfters und der axialen Anordnung des Motor-Panels am Motor aus, da diese Konstruktion eine optimale und effektive Führung des Kühlluftstromes sicherstellt. Der Kühlluftstrom kann entlang der gesamten Motoroberfläche geführt werden, ohne dass aufwendige Umlenkelemente erforderlich sind. Die im Motor-Panel angeordneten elektronischen Bauelemente werden durch Kühlelemente oder separate Lüfter gekühlt, die entweder direkt oder indirekt mit der Motorlüftung kombiniert sind.
Die DE 196 18 996 A1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem stirnseitig angeordneten Lüftergebläse und einem an dem Maschinengehäuse angeordneten aufsitzenden Klemmkasten, in dem Elektronikbauelemente untergebracht sind. Der Klemmkasten weist in Richtung des Lüftergebläses eine Öffnung auf. Ein Teilluftstrom des Gebläses wird mittels eines über das Lüftergehäuse angeordneten Abzweigkanals gezielt über die offene Seite zum Klemmkasten geführt, um somit die Verlustwärme der Bauelemente im Kasten abzuführen. Der Klemmkasten ist fest mit dem Maschinengehäuse verbunden.
Die DE 197 03 655 C2 zeigt einen elektrischen Antrieb mit einem Motor und mit am Motorumfang in axialer Richtung angeordneter Leistungselektronik. An einer Stirnseite des Motors ist ein Lüfter vorgesehen, wobei ein Teilluftstrom des Lüfterstromes in einem Ringraum zwischen Motorgehäuse und einem äußeren Gehäusemantel geleitet wird.
Die EP 1 511 156 A2 zeigt eine optimierte Kühlluftzuführung für einen Elektromotor mit einem auf der Motoraußenwand aufgesetzten Kasten für die Leistungselektronik und einem an der Stirnseite des Motors angebrachten Lüfter. Die in Richtung des Motors weisende Auflagefläche des Kastens weist auf einer Teilfläche Kühlrippen für die Leistungselektronik auf mit einer Öffnung im Kastenboden in Richtung zum Motorgehäuse. Zwischen Motorgehäuse und dem Kastenboden ist ein ringförmig angebrachter Lüfterkanal vorgesehen, in dem Vorrichtungen zum Verteilen der Kühlluft des Lüfters zur Leistungselektronik vorgesehen sind, die den Kühlluftstrom in den Bereich der Leistungselektronik leiten.
Die US 5 763 969 A zeigt einen Elektromotor mit aufgesetzter Leistungselektronik und einer an der Stirnseite des Motors angeordneten Lüfteranordnung. Die Leistungselektronik ist in einem Kasten angeordnet, der an seinem zum Motorgehäuse zugewandten Boden offen ist und dort mit Kühlrippen versehen ist, die eine thermische Trennung zwischen Motorgehäuse und Leistungselektronik sicherstellen. Zwischen den Rippen strömt ein Teil des Lüfterstromes des Motorlüfters.
Für die Anwendung bei Pitchantrieben in Windenergieanlagen sind die aus dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen für die Motoren nachteilig, da sie – bedingt durch die beengten Platzverhältnisse in der Rotornabe der Windenergieanlage – keine optimale Wärmeabführung des Motors und des am Motor angebrachten Motor-Panels mit seinen dort angeordneten elektronischen Bauelementen sicherstellen. Die direkte Kühlung der Kühlrippen der elektronischen Bauteile durch einen Teilluftstrom des Lüfters bedingt eine nahezu direkte Übertragung von Vibrationen des Motors im Betrieb auf die im Motor-Panel angeordneten, teilweise empfindlichen elektronischen Bauelemente. Dieser Effekt tritt insbesondere bei Durchführung eines Bremsvorganges eines winkelgesteuerten elektrischen Antriebes in Windenergieanlagen auf, wie dies bei Pitchsystemen der Fall ist. Die Antriebswelle des Elektromotors wird dabei mittels einer Bremsvorrichtung gebremst und/oder festgehalten und anschließend wieder gelöst. Diese Vorgänge erzeugen im Motor und im Motor-Panel jeweils starke Vibrationen, die insbesondere bei denen im Motor-Panel angeordneten elektronischen Bauelementen zu Fehlfunktionen führen können.
Die DE 197 04 226 B4 zeigt einen Elektromotor mit einem an der Motorlängswand axial angeordneten Motor-Panel, in dem Signal- und Leistungselektronik untergebracht ist. Der Motor weist stirnseitig einen Lüfter auf, dessen Kühlluft lediglich den Motor kühlt. Zwischen Motorgehäuse und Motor-Panel ist ein sich axial erstreckendes Zwischenteil vorgesehen, das direkt auf dem Motorgehäuse befestigt ist und auf der dem Motor-Panel zugewandten Seite thermisch isoliert ist. Das Motor-Panel überragt das Zwischenteil seitlich. Nur an der zum Motor hinweisenden Überragfläche des Motor-Panels ist ein durch Kühlrippen gebildeter Kühlkörper vorgesehen, der in einem engen thermischen Kontakt zu der Leistungselektronik steht und gegenüber dem Motor-Panel durch eine Wärmesperre thermisch getrennt ist.
Sind mehrere elektronische Leistungsbauelemente zu kühlen, die einen Abstand zueinander aufweisen, so müssen diese jeweils mit dem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden. Hierzu ist für jedes der zu kühlenden Bauelemente ein Loch in der Wärmesperre und ein Loch in dem Motor-Panel vorzusehen, wobei letzteres Loch zusätzlich abzudichten ist, damit ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das Motor-Panel verhindert werden kann. Dies ist mit einem relativ hohen Fertigungsaufwand verbunden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass mehrere elektronische Bauelemente mit einem geringeren Fertigungsaufwand gekühlt werden können. Bevorzugt soll ferner bei einer guten oder verbesserten Kühlung eine Übertragung von schädlichen Vibrationen auf das Motor-Panel verhindert oder zumindest reduziert werden können. Vorzugsweise besteht darüber hinaus hinsichtlich des bevorzugten Einsatzes des eingangs genannten Gegenstands das Bedürfnis, das Motor-Panel leicht und einfach vom Motorgehäuse lösen und auswechseln zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Antriebsanordnung nach Anspruch 1 und mit einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 26 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Die erfindungsgemäße elektrische Antriebsanordnung umfasst einen Elektromotor, der in einem Motorgehäuse angeordnet ist, eine an einer Stirnseite des Motorgehäuses angeordnete und einen Lüfter aufweisende Lüfteranordnung, mittels welcher ein Verlustwärme des Elektromotors abführender Kühlluftstrom erzeugbar ist, elektronische Bauelemente, mittels welchen der Elektromotor steuerbar und/oder regelbar ist, und wenigstens ein die elektronischen Bauelemente aufnehmendes, auf dem Motorgehäuse aufsitzendes, kastenförmiges Motor-Panel, wobei mittels des Motor-Panels beim Betrieb der elektronischen Bauelemente entstehende Wärme an einen mit dem Motor-Panel in wärmeleitenden Kontakt stehenden Kühlkörper abgebbar ist.
Die Abgabe von beim Betrieb der elektronischen Bauelemente auftretender Wärme an den Kühlkörper erfolgt somit unter Zwischenschaltung des Motor-Panels, sodass kein direkter Kontakt der zu kühlenden Bauelemente mit dem Kühlkörper erforderlich ist. Der Fertigungsaufwand für das Vorsehen von Löchern, für das Abdichten derselben und für das Vorsehen einer Wärmesperre können somit vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gleichwohl ist es auch bei der Erfindung möglich, für wenigstens eines der Bauelemente zumindest einen zusätzlichen Kühlkörper vorzusehen, wenn das wenigstens eine Bauelement relativ viel Wärme abgibt. Das wenigstens eine Bauelement steht mit dem zumindest einen zusätzlichen Kühlkörper bevorzugt mittelbar oder unmittelbar in wärmeleitendem Kontakt, wobei der zumindest eine zusätzliche Kühlkörper z. B. aus dem Motor-Panel herausragt oder außerhalb oder an einer Außenwand desselben angeordnet ist. Dennoch ist der Fertigungsaufwand weiterhin reduziert, da für die anderen Bauelemente keine Löcher in dem Motor-Panel vorzusehen und abzudichten sind. Der zumindest eine zusätzliche Kühlkörper kann z. B. Kühlrippen umfassen oder durch diese gebildet sein.
Die Abfuhr von beim Betrieb der in dem Motor-Panel vorgesehenen elektronischen Bauelemente auftretender Wärme zu dem Kühlkörper erfolgt bevorzugt über Konvektion, vorzugsweise ausschließlich über Konvektion. Eine bei einer direkten Kühlung der elektronischen Bauelemente mit dem Kühlluftstrom verbundene Übertragung von Vibrationen kann somit vermieden oder zumindest reduziert werden.
Der Kühlkörper ist bevorzugt fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Insbesondere ist das Motor-Panel lösbar an dem Kühlkörper befestigt. Vorzugsweise ist das Motor-Panel unter Zwischenschaltung des Kühlkörpers trennbar mit dem Motorgehäuse verbunden. Die Kühlung des Motor-Panels und somit auch die Abfuhr von beim Betrieb der elektronischen Bauelemente auftretender Wärme erfolgt somit durch wärmeleitenden Kontakt des Motor-Panels mit dem fest mit dem Motorgehäuse verbundenen Kühlkörper, der vorzugsweise durch den von dem an der Stirnseite des Motorgehäuses vorgesehenen Lüfter hervorgerufenen Kühlluftstrom gekühlt wird. Bevorzugt kühlt der Kühlluftstrom das Motorgehäuse, welches den Kühlkörper kühlt, sodass der Kühlkörper insbesondere mittelbar durch den Kühlluftstrom gekühlt wird. Da das Motor-Panel bevorzugt von dem Kühlkörper und somit insbesondere auch von dem Motorgehäuse getrennt werden kann, ist ferner ein einfacher Austausch des Motor-Panels möglich.
Die vorgeschlagene indirekte Kühlungsart des Motor-Panels in Verbindung mit dessen Lagerung auf dem Motorgehäuse erzeugt nicht nur einen optimalen Hitzeschutz, sondern reduziert auch die Übertragung von Motorvibrationen auf die im Motor-Panel angeordneten elektronischen Bauelemente. Das Motor-Panel ist somit thermisch mit dem Motorgehäuse gekoppelt und gleichzeitig optimal gelagert. Die Erfindung bietet daher eine optimale Kombination eines Hitze- und Vibrationsschutzes für die elektrische Antriebsanordnung.
Bevorzugt ist durch die lösbare Verbindung zwischen dem Motor-Panel und dem Kühlkörper ein Öffnen des Motor-Panels am Einbauort nicht mehr erforderlich. Das Motor-Panel ist vorzugsweise vom Motorgehäuse und dem Kühlkörper lösbar, ohne dass das Motor-Panel geöffnet werden muss. Insbesondere sind Vorrichtungen zum Öffnen des Motor-Panels nicht mehr erforderlich. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung und eine fertigungstechnisch einfache Bestückung der elektronischen Bauelemente innerhalb des Motor-Panels. Es kann somit allseitig verschlossen ausgeführt werden, wodurch ein Eindringen von Nässe und Schmutz weitgehend verhinderbar ist. Bei Entfernung des Motor-Panels verbleibt der Kühlkörper am Motorgehäuse. Wird von einer zentralen Überwachungsstelle ein Defekt oder eine Fehlfunktion gemeldet, kann das Motor-Panel einfach ausgetauscht werden. Die Gefahr einer Vertauschung einer internen und externen Verdrahtung des Motor-Panels während des Austausches wird verringert. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die beengten Platzverhältnisse am Einbauort der Antriebsanordnung in einer Rotornabe einer Windenergieanlage von Bedeutung.
Bevorzugt ist der Kühlkörper dauerhaft fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Vorzugsweise ist der Kühlkörper starr mit dem Motorgehäuse verbunden. Beispielsweise ist der Kühlkörper kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Motorgehäuse verbunden. Insbesondere ist der Kühlkörper einstückig mit dem Motorgehäuse ausgebildet. Bevorzugt bildet der Kühlkörper mit dem Motorgehäuse oder mit einer äußeren Gehäusewand des Motorgehäuses eine Materialeinheit.
Der Kühlkörper weist bevorzugt eine dem Motor-Panel zugewandte Auflagefläche auf und steht über diese mit dem Motor-Panel in wärmeleitendem Kontakt. Die Auflagefläche des Kühlkörpers ist vorzugsweise eben ausgebildet. Das Motor-Panel weist bevorzugt eine dem Kühlkörper zugewandte Auflagefläche auf, die insbesondere mit der Auflagefläche des Kühlkörpers in wärmeleitendem Kontakt steht. Die Auflagefläche des Motor-Panels ist vorzugsweise eben ausgebildet. Bevorzugt bildet die Auflagefläche des Motor-Panels eine Bodenfläche des Motor-Panels oder einen Teil derselben. Der Boden des Motor-Panels ist, insbesondere geschlossen ausgebildet.
Vorzugsweise besteht das Motor-Panel ganz oder teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material. Insbesondere besteht das Motor-Panel zumindest im Bereich seiner Auflagefläche aus einem wärmeleitfähigen Material. Bevorzugt besteht der Boden des Motor-Panels, vorzugsweise zumindest im Bereich seiner Auflagefläche, aus einem wärmeleitfähigen Material.
Die stirnseitig angeordnete Lüfteranordnung ist vorteilhaft unabhängig oder separat vom Motor betreibbar. Damit ist sichergestellt, dass ein kontinuierlicher Kühlluftstrom am Gehäuse auch bei niedrigeren Motordrehzahlen aufrecht erhalten werden kann.
Die Lüfteranordnung und/oder der Motor sind vorteilhaft von dem Motorgehäuse lösbar. Dies erleichtert die Montage und die Demontage der Antriebsanordnung. Insbesondere ist die Kühlung oder Kühlvorrichtung für die Antriebsanordnung somit unabhängig vom eingesetzten Motor.
Das Motorgehäuse ist vorteilhaft an seiner einen (ersten) Stirnseite mit der Lüfteranordnung lösbar verbunden. An seiner anderen Stirnseite ist das Motorgehäuse bevorzugt mit einem Motorflansch des Motors verbunden, wobei die Verbindung zwischen dem Motorgehäuse und dem Motorflansch insbesondere lösbar ist. Bevorzugt erfolgt die mechanische Verbindung zwischen dem Motor und dem Motorgehäuse und/oder die mechanische Lagerung des Motors an dem Motorgehäuse nur durch die Verbindung des Motorflansches mit dem Motorgehäuse, sodass eine Übertragung von beim Motorbetrieb auftretenden Vibrationen auf die im Motor-Panel angeordneten elektronischen Bauelemente reduzierbar ist. Solche Vibrationen treten beispielsweise bei einer Betätigung und/oder einem Lösen einer Bremsvorrichtung für die Motorwelle auf. Der Motorflansch ist bevorzugt ein radialer Motorflansch.
Der Elektromotor umfasst insbesondere eine um eine Drehachse drehbare Motorwelle, die vorzugsweise an oder in dem Motorflansch um die Drehachse drehbar gelagert ist. Ferner weist der Elektromotor einen Stator, der vorzugsweise fest mit dem Motorflansch verbunden ist, und einen Läufer auf, der vorzugsweise um die Drehachse drehbar ist und insbesondere die Motorwelle umfasst. Bevorzugt weist der Elektromotor ein Lagerschild auf, an oder in dem die Motorwelle im axialen Abstand zum Motorflansch um die Drehachse drehbar gelagert ist. Das Lagerschild ist vorzugsweise fest mit dem Stator verbunden, der sich insbesondere in axialer Richtung von dem Motorflansch bis zu dem Lagerschild erstreckt. Bevorzugt stehen der Läufer, der Stator und das Lagerschild nicht im direkten mechanischen Kontakt mit dem Motorgehäuse, sodass die Übertragung von Vibrationen von dem Motor auf das Motorgehäuse reduzierbar ist. Vorzugsweise ist der Elektromotor mittels des Motorflansches somit lediglich einseitig an dem Motorgehäuse gelagert und/oder aufgehängt.
Die Drehachse der Motorwelle definiert insbesondere die axiale Richtung. Die radiale Richtung verläuft insbesondere senkrecht zur axialen Richtung.
Das Motorgehäuse weist bevorzugt eine ausgezeichnete Längsrichtung auf, die insbesondere in axialer Richtung verläuft oder diese definiert. Bevorzugt ist das Motorgehäuse als oder im Wesentlichen als Rotationskörper ausgebildet. Insbesondere ist das Motorgehäuse hohlzylindrisch oder im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in dem Motorgehäuse ein den Elektromotor umringender Ringraum vorgesehen, der von dem Kühlluftstrom durchströmbar ist. Damit wird sichergestellt, dass der Ort der größten Wärmequelle, nämlich das Motorgehäuse, gezielt und kanalisiert getroffen wird, was zu einer optimierten Kühlung führt. Der Ringraum ist vorzugsweise geschlossen oder im Wesentlichen geschlossen ausgebildet, insbesondere hinsichtlich seiner radial inneren und/oder radial äußeren Umfangfläche. Bevorzugt sind aber Luftaustrittsöffnungen im Motorgehäuse vorgesehen, insbesondere im Bereich des Motorflansches. Vorzugsweise umfasst das Motorgehäuse wenigstens eine den Elektromotor im radialen Abstand umringende Wandung, wobei der Ringraum zwischen dem Elektromotor und der Wandung vorgesehen ist. Die Wandung ist bevorzugt durch die äußere Gehäusewand des Motorgehäuses gebildet. Vorzugsweise bildet die Wandung die radial äußere Umfangsfläche des Ringraums. Die Luftaustrittsöffnungen sind bevorzugt in der Wandung vorgesehen.
In dem Ringraum sind vorteilhaft sich in radialer und/oder in axialer Richtung erstreckende Stege vorgesehen, die seitliche Begrenzungen von Strömungskanälen bilden. Insbesondere verläuft zwischen zwei benachbarten der Stege jeweils einer der Strömungskanäle. Die Strömungskanäle erstrecken sich vorzugsweise in axialer Richtung. Bevorzugt umfasst das Motorgehäuse die Stege. Ergänzend oder alternativ können die Stege aber auch an der Außenseite des Motors oder Stators angeordnete, abstehende Kühlrippen umfassen, die insbesondere radial oder schräg abstehen. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bildet das Motorgehäuse somit eine äußere, die Kühlrippen abdeckende Ummantelung. Das Motorgehäuse kann somit als Lüftergehäuse ausgeführt sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Motorgehäuse eine Doppelwand mit im radialen Abstand zueinander angeordneten und den Elektromotor umringenden Wandungen, zwischen denen der Ringraum verläuft, der vorzugsweise durch die Stege in die Strömungskanäle unterteilt ist. Bevorzugt ist das Motorgehäuse hierfür als oder zumindest bereichsweise als doppelwandiger Hohlzylinder ausgeführt. Vorzugsweise erstrecken sich die Stege in radialer Richtung zwischen den beiden Wandungen. Die radial äußere der Wandungen der Doppelwand ist bevorzugt durch die äußere Gehäusewand des Motorgehäuses gebildet, und die radial innere der Wandungen der Doppelwand bildet bevorzugt eine innere Gehäusewand des Motorgehäuses. Die beiden Wandungen der Doppelwand sind bevorzugt koaxial angeordnet. Innerhalb des doppelwandigen Hohlzylinders oder der radial inneren Wandung der Doppelwand ist bei dieser Anordnung insbesondere die Ständer-Läufer-Anordnung des Elektromotors vorgesehen, vorzugsweise ohne Zwischenschaltung eines weiteren Gehäuses. Gleichwohl kann ein weiteres Gehäuse, wie z. B. ein Elektromotorgehäuse, zwischengeschaltet sein. Die radial äußere. Wandung der Doppelwand umfasst oder bildet bevorzugt die radial äußere Umfangsfläche des Ringraums. Die radial innere Wandung der Doppelwand umfasst oder bildet bevorzugt die radial innere Umfangsfläche des Ringraums.
Bei der doppelwandigen Ausführung des Motorgehäuses kann der radiale Abstand zwischen den beiden Wandungen der Doppelwand in axialer Richtung variieren. Vorzugsweise reduziert sich der radiale Abstand zwischen den beiden Wandungen der Doppelwand mit zunehmendem axialem Abstand vom Lüfter, sodass der radiale Abstand zwischen den beiden Wandungen im Bereich des Lüfters bevorzugt am größten ist. Durch diese spezielle Strömungsführung wird die durchströmte Fläche mit wachsendem Abstand vom Lüfter kleiner, wobei der Druck jedoch trotz abnehmender Geschwindigkeit aufrecht erhalten bleibt. Der aerodynamische Druckverlust, der beim Strömen der Kühlluft in dem Ringraum und zwischen den Stegen auftritt, wird somit möglichst klein gehalten. Die Reduzierung des radialen Abstands zwischen den beiden Wandungen der Doppelwand mit zunehmendem axialem Abstand vom Lüfter kann kontinuierlich oder nicht kontinuierlich sein. Insbesondere erfolgt die Reduzierung des radialen Abstands entlang einer in Richtung der äußeren Gehäusewand oder der radial äußeren Wandung der Doppelwand steigenden Längskontur, die bevorzugt durch die radial innere Doppelwandwandung gebildet oder an dieser vorgesehen ist. Der Innendurchmesser der äußeren Gehäusewand oder der radial äußeren Wandung der Doppelwand ändert sich vorzugsweise in axialer Richtung nicht. Bevorzugt ändert sich der Außendurchmesser der inneren Gehäusewand oder der radial inneren Wandung der Doppelwand in axialer Richtung, vorzugsweise gemäß der Längskontur.
Der Kühlkörper ist vorteilhaft als flanschartige, in axialer Richtung sich erstreckende, radiale Erhebung mit der vorzugsweise ebenen Auflagefläche für das Motor-Panel ausgeführt. Das Motorgehäuse besteht bevorzugt aus einem wärmeleitfähigen Material. Insbesondere besteht das Motorgehäuse aus Metall, wie z. B. aus Stahl, Aluminium oder Grauguss. Ferner besteht der Kühlkörper bevorzugt aus einem wärmeleitfähigen Material. Insbesondere besteht der Kühlkörper aus Metall, wie z. B. aus Stahl, Aluminium oder Grauguss. Das Motorgehäuse und der Kühlkörper können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Vorzugsweise sind das Motorgehäuse und der Kühlkörper aber aus dem gleichen Material gefertigt. Besonders vorteilhaft sind das Motorgehäuse und der Kühlkörper als ein einziges Teil, vorzugsweise als Gussteil hergestellt, was kostengünstig realisierbar ist. Diese Ausbildung bietet sich insbesondere bei der doppelwandigen Ausführung des Motorgehäuses an.
Bevorzugt umfasst die lösbare Verbindung zwischen dem Motor-Panel und dem Kühlkörper sowohl eine oder wenigstens, eine mechanische als auch eine oder wenigstens eine elektrische Verbindung. Die mechanische Verbindung weist vorteilhaft wenigstens eine Schraubverbindung und/oder eine Steckverbindung und/oder eine Einrastverbindung auf. Die elektrische Verbindung, welche vorzugsweise elektrische Verbindungsleitungen zwischen dem Motor-Panel und dem Elektromotor aufweist, ist vorteilhaft als elektrische Steckverbindung ausgeführt. Die elektrische Verbindung umfasst vorzugsweise auch elektrische Verbindungsleitungen zwischen einer übergeordneten Steuereinrichtung der Antriebsanordnung und dem Elektromotor und/oder dem Motor-Panel. Die Steuereinrichtung kann eine Versorgungseinrichtung umfassen, die vorzugsweise die elektrischen Komponenten der Antriebsanordnung mit elektrischem Strom versorgt. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung entfernt vom Motor-Panel angeordnet.
Zur besseren Wärmeabführung der Verlustwärme im Motor-Panel weist die Auflagefläche des Motor-Panels und/oder die Auflagefläche des Kühlkörpers bevorzugt eine wärmeleitfähige Beschichtung auf. Als wärmeleitfähige Beschichtung kann z. B. Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie eingesetzt werden.
Bei den elektronischen Bauelementen handelt es sich bevorzugt um elektrische Leistungs- und/oder Steuerbauelemente. Insbesondere umfassen die elektronischen Bauelemente elektrische Kondensatoren und Transistoren, die vorzugsweise thermisch voneinander zu trennen sind. Die Trennung kann z. B. durch eine Isolationsschicht oder noch vorteilhafter durch einen verlängerten räumlichen Abstand zwischen den Bauelementen, insbesondere zwischen den Kondensatoren und den Transistoren realisiert werden. Die Kondensatoren sind vorzugsweise durch Elektrolytkondensatoren (ELKOS) gebildet. Die Transistoren sind vorzugsweise Leistungstransitoren. Insbesondere sind die Transistoren durch IGBTs gebildet.
Der verlängerte Abstand zwischen den elektronischen Bauelementen oder der verlängerte Abstand zwischen den Kondensatoren und den Transistoren, womit ein längerer Wärmeflussweg verbunden ist, wird vorteilhaft über eine oder wenigstens eine Erhebung und Absenkung des Bodens des Motor-Panels realisiert. Ergänzend oder alternativ weist der Boden des Motor-Panels bevorzugt mehrere Erhebungen auf, die durch ein wärmeleitfähiges Material gebildet sind und sich insbesondere bis zu der vorzugsweise ebenen Auflagefläche des Motor-Panels hin erstrecken. Diese Erhebungen bilden bevorzugt Kühlelemente für zumindest einen Teil der elektronischen Bauelemente, insbesondere für die Transistoren, und stehen vorzugsweise im wärmeleitenden Kontakt mit diesen. Die ebene (planare) Auflagefläche des Motor-Panels ermöglicht dabei einen optimalen Wärmeübergang auf den Kühlkörper. Bevorzugt sind zwischen den Erhebungen Absenkungen des Motor-Panelbodens vorgesehen. Die Erhebungen und/oder Absenkungen sind insbesondere auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite des Motor-Panelbodens angeordnet oder vorgesehen. Die Auflagefläche des Motor-Panels ist insbesondere auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Motor-Panelbodens vorgesehen. Vorzugsweise bildet der Motor-Panelboden mit den Erhebungen eine Materialeinheit. Bei der Erhebung oder den Erhebungen handelt es sich vorzugsweise um horizontale Erhebungen. Bei der Absenkung oder den Absenkungen handelt es sich vorzugsweise um horizontale Absenkungen.
Die Kondensatoren, die sehr viel Wärme produzieren können, sind vorteilhaft mit einer oder mehreren zusätzlichen Kühleinrichtungen versehen. Die Kondensatoren werden bevorzugt am Seitenrand des Motor-Panels in einer taschenförmigen Ausbuchtung des Motor-Panelbodens in Richtung des Motorgehäuses angeordnet. Die Ausbuchtung dient vorzugsweise gleichzeitig als weiterer Kühlkörper. Am Seitenrand des Motor-Panels, am Einbauort der Kondensatoren, können noch zusätzliche, von der seitlichen Motor-Panelwand weg gerichtete Kühlkörper, z. B. in Form von Kühlrippen, vorgesehen sein. Ergänzend können zwischen den Kühlkörpern und den Kondensatoren aktive Kühlelemente, wie z. B. Peltier-Elemente oder andere aktivierbare Kühlelemente, vorgesehen sein.
Ein nach innen gerichteter Seitenrand der Ausbuchtung bildet mit einem gegenüberliegenden Seitenrand der oder einer der Erhebungen einen Kanal, der gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur Wärmeabfuhr verwendbar ist. Dieser Kanal kann vorteilhaft mit einem Teilluftstrom der Lüfteranordnung für das Motorgehäuse gekühlt werden. Hierzu weist das Motorgehäuse im Bereich des Kühlkörpers und der Kondensatoren bevorzugt eine radiale Öffnung auf, durch die, ggf. über geeignete Umlenkelemente, ein Teilluftstrom des Lüfters nach außen zu der Ausbuchtung und dem Kanal im Motor-Panelboden geleitet wird. Es erfolgt somit eine lokale konvektive Kühlung der Kondensatoren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Antriebsanordnung ist ein zweites Motor-Panel mit einem zweiten Kühlkörper vorgesehen, wobei sowohl die beiden Motor-Panel als auch die beiden Kühlkörper bevorzugt jeweils einander diametral gegen überliegend angeordnet sind. Der zweite Kühlkörper ist fest mit dem Motorgehäuse, und das zweite Motor-Panel lösbar mit dem zweiten Kühlkörper verbunden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass eine Redundanz bei Ausfall von einem der Motor-Panels gegeben ist. Der zweite Kühlkörper ist z. B. kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Motorgehäuse verbunden. Bevorzugt bildet der zweite Kühlkörper mit dem Motorgehäuse eine Materialeinheit.
Die Antriebsanordnung ist bevorzugt an oder in einem um eine Rotorachse drehbaren Rotor einer Windenergieanlage angeordnet. Insbesondere umfasst der Rotor eine Rotornabe und wenigstens ein Rotorblatt, welches sich entlang einer quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufenden Blattachse von der Rotornabe wegerstreckt. Das Rotorblatt ist bevorzugt mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mechanisch gekoppelt und mittels dieser um die Blattachse drehbar. Der Rotor ist insbesondere durch Windkraft um die Rotorachse drehbar.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kühlvorrichtung für eine erfindungsgemäße elektrische Antriebsanordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kühlvorrichtung für eine einen Elektromotor und elektronische Bauelemente zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors umfassende elektrische Antriebsanordnung, mit einem Motorgehäuse, in dem der Elektromotor angeordnet ist, einer an einer Stirnseite des Motorgehäuses angeordneten und einen Lüfter umfassenden Lüfteranordnung, mittels welcher ein Verlustwärme des Elektromotors abführender Kühlluftstrom erzeugbar ist, und wenigstens einem, die elektronischen Bauelemente aufnehmenden, auf dem Motorgehäuse aufsitzenden, kastenförmigen Motor-Panel, wobei mittels des Motor-Panels beim Betrieb der elektronischen Bauelemente entstehende Wärme an einen mit dem Motor-Panel in wärmeleitendem Kontakt stehenden Kühlkörper abgebbar ist. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann gemäß allen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsanordnung erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein. Insbesondere ist das Motor-Panel lösbar an dem Kühlkörper befestigt ist, der vorzugsweise fest mit dem Motorgehäuse verbunden ist, sodass das Motor-Panel bevorzugt unter Zwischenschaltung des Kühlkörpers trennbar mit dem Motorgehäuse verbunden ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße elektrische Antriebsanordnung für einen Blattwinkelverstellantrieb (Pitchantrieb) einer Windenergieanlage vorgesehen. Die Erfindung betrifft somit auch einen Blattwinkelverstellantrieb zur Verstellung, insbesondere zur winkelgerechten Verstellung eines oder mehrerer Rotorblätter um die jeweilige Blattachse für eine Windenergieanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei das oder die Rotorblätter sich quer zur Rotorachse erstrecken, und wobei der Blattwinkelverstellantrieb eine, wenigstens eine oder mehrere erfindungsgemäße elektrische Antriebsanordnungen umfasst. Das oder die Rotorblätter sind vorzugsweise mittels des Elektromotors der oder der jeweiligen elektrischen Antriebsanordnung um ihre jeweilige Blattachse drehbar. Der erfindungsgemäße Blattwinkelverstellantrieb kann gemäß allen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsanordnung erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein.
Unter winkelgerechter Verstellung ist insbesondere zu verstehen, dass das oder die Rotorblätter um ihre jeweilige Blattachse verstellt, d. h. gedreht werden, vorzugsweise entsprechend einem jeweils vorgegebenen Winkel oder Anstellwinkel.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einer elektrischen Antriebsanordnung zur Blattwinkelverstellung eines Rotorblattes,
2a: einen Querschnitt durch eine Antriebsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit aufgesetztem Motor-Panel,
2b: einen Querschnitt durch die Antriebsanordnung nach 2a mit losgelöstem Motor-Panel,
3: einen Längsschnitt durch die Antriebsanordnung nach 2a,
4: einen Ausschnitt aus 2a in vergrößerter Darstellung und
5: eine Alternative zu der aus 4 ersichtlichen Kondensatorkühlung.
Aus 1 ist eine Windenergieanlage 1 ersichtlich, wobei ein auf einem Fundament 2 aufstehender Turm 3 an seinem dem Fundament 2 abgewandten Ende mit einem Maschinenhaus 4 verbunden ist. In dem Maschinenhaus 4 ist ein Maschinenträger 5 angeordnet, an dem ein Rotor 6 um eine Rotorachse 7 drehbar gelagert ist, der eine Rotornabe 8 und damit verbundene Rotorblätter 9 und 10 aufweist, die jeweils um ihre Blattachse 11, 12 relativ zur Rotornabe 8 drehbar sind. Jedes Rotorblatt 9, 10 ist mit einem Verstellantrieb 13, 14 mechanisch gekoppelt, mittels welchem das jeweilige Rotorblatt 9, 10 um die zugehörige Blattachse 11, 12 drehbar ist. Der Rotor 6 ist mechanisch mit einem elektrischen Generator 16 gekoppelt, der in dem Maschinenhaus 4 angeordnet und an dem Maschinenträger 5 befestigt ist und die auf die einzelnen Rotorblätter wirkende Windkraft 15 zum größten Teil in elektrische Energie umwandelt. Für den kontrollierten Betrieb der Windenergieanlage 1 ist eine Windenergieanlagensteuerung 17 vorgesehen, mittels welcher unter anderem die Verstellantriebe 13 und 14 gesteuert werden.
Jeder der Verstellantriebe 13, 14 umfasst als wesentliches Bauteil eine elektrische Antriebsanordnung 18, die als Querschnittzeichnung aus den 2a und 2b und als Längsschnittdarstellung aus 3 ersichtlich ist.
Die Antriebsanordnung 18 umfasst einen Elektromotor 19, der koaxial von einem Motorgehäuse 20 umgeben ist. Wie aus 3 ersichtlich, ist an einer Stirnseite des Motorgehäuses 20 eine Lüfteranordnung 22 vorgesehen, die unabhängig vom Motor 19 betrieben wird und nicht mit der Motorwelle 21 verknüpft ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die erforderliche Kühlwirkung für die Antriebsanordnung 18 auch bei niedriger Drehzahl der Motorwelle 21 aufrechterhalten bleibt. Ein durch den Lüfter 23 der Lüfteranordnung 22 erzeugter Kühlluftstrom führt die Verlustwärme des Motors 19 über das Motorgehäuse 20 ab. Der Kühlluftstrom wird durch den Pfeil 53 repräsentiert und kann in Richtung oder in Gegenrichtung dieses Pfeils strömen. Gemäß der Ausführungsform strömt der Kühlluftstrom aber in Richtung des Pfeils 53. Im Bereich des dem Lüfter 23 abgewandten Endes des Motorgehäuses 20 sind Austrittsöffnungen 63 vorgesehen, durch welche hindurch der Kühlluftstrom 53 aus dem Motorgehäuses 20 austritt. Die Lüfteranordnung 22 und der Motor 19 sind voneinander getrennt angeordnet. Der Motor 19 ist in das Motorgehäuse 20 eingeschoben und insbesondere auswechselbar, sodass der Motor 19 zur Demontage aus dem Gehäuse 20 herausgeschoben werden kann. Das Motorgehäuse 20 bildet somit bevorzugt ein Lüftergehäuse.
Das Motorgehäuse 20 ist in der Darstellung von 2a und 2b als doppelwandiger Hohlzylinder mit im radialen Abstand zueinander angeordneten Wandungen 24 und 25 ausgeführt, wobei die Wandung 24 eine äußere Gehäusewand und die Wandung 25 eine innere Gehäusewand bildet. Zwischen den beiden Wandungen 24 und 25 sind sich in radialer Richtung und in axialer Richtung erstreckende Stege 26 vorgesehen, die gegenüber der radialen Richtung geneigt sind. Durch die Stege 26 ist der Ringraum 60 zwischen den Wandungen 24 und 25 in mehrere Strömungskanäle 27 unterteilt, wobei jeweils zwei benachbarte der Stege 26 Seitenabgrenzungen für einen der Strömungskanäle 27 bilden. Der Neigungswinkel der Stege 26 gegenüber der radialen Richtung ist entgegengesetzt der Drehrichtung des Lüfters 23, sodass die durch die Drehung des Lüfters 23 zirkulierende Luft optimal in die Strömungskanäle 27 eingeleitet werden kann.
Aus 3 ist ersichtlich, dass sich der radiale Abstand zwischen den beiden Wandungen 23, 24 des Gehäuses 20 in axialer Richtung ändert. Im Bereich der Lüfteranordnung 22 weist der radiale Abstand seinen größten Wert auf, um dann, einer radial ansteigenden Längskontur 28 der inneren Gehäusewand 25 folgend, am Motorflansch 29 der gegenüberliegenden Stirnseite der Antriebsanordnung 18 seinen kleinsten Wert anzunehmen. Durch diese spezielle Strömungsführung wird die durchströmte Fläche mit wachsendem Abstand vom Lüfter 23 kleiner, wobei der Druck, insbesondere auch bei abnehmender Strömungsgeschwindigkeit, im Wesentlichen aufrecht erhalten bleibt. Der aerodynamische Druckverlust, der beim Strömen der Kühlluft in den Strömungskanälen 27 auftritt, wird somit möglichst klein gehalten.
Für die elektrischen Steuerung und/oder Regelung sowie die Energieversorgung der Antriebsanordnung 18 sind elektronische Leistungs- und Steuerbauelemente 33 vorgesehen, die in einem Schaltkasten 30 angeordnet sind, der im Folgenden als Motor-Panel bezeichnet wird. Wie insbesondere aus 2a ersichtlich, sitzt das Motor-Panel 30 auf der äußeren Gehäusewand 24 des Gehäuses 20 auf, und zwar auf einer Auflagefläche 31 eines Kühlkörpers 32 zur Abführung der beim Betrieb der Elektronikbauelemente 33 entstandenen Wärme. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Motor-Panel 30 und dem Kühlkörper 32 ist dessen Auflagefläche 31 bevorzugt mit einer wärmeleitenden Beschichtung 51 versehen, die z. B. durch eine Wärmeleitpaste oder eine Wärmeleitfolie gebildet sein kann. Der Kühlkörper 32 ist mit dem Gehäuse 20 dauerhaft fest verbunden. Gemäß der Ausführungsform ist der Kühlkörper 32 integraler Bestandteil des Gehäuses 20 und bildet eine flanschartige, in axialer Richtung des Gehäuses 20 sich erstreckende, radiale Erhebung mit der ebenen Auflagefläche 31 für das Motor-Panel 30.
Wie aus 2b ersichtlich, ist das Motor-Panel 30 von dem Kühlkörper 32 mechanisch lösbar, wobei die Verbindung zwischen dem Motor-Panel 30 und dem Kühlkörper 32 durch eine lösbare Schraubverbindung 34 gebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann die Verbindung aber auch durch mechanische Steck- und/oder Einrastverbindungen gebildet sein.
Der Motor 19 umfasst einen Motorflansch 29, ein Lagerschild 38, einen Stator 61 und einen Läufer 62 mit einer Motorwelle 21, die an dem Lagerschild 38 an einer Lagerstelle 36 und an dem Motorflansch 29 an einer Lagerstelle 37 um eine Drehachse 57 drehbar gelagert ist. Der Stator 61 erstreckt sich in axialer Richtung zwischen dem Motorflansch 29 und dem Lagerschild 38 und ist sowohl mit dem Motorflansch 29 als auch mit dem Lagerschild 38 fest verbunden. Dabei ist das Lagerschild 38 an einer der Lüfteranordnung 22 zugewandten Stirnseite des Motors 19 bzw. Stators 61 angeordnet, an dessen anderer Stirnseite der Motorflansch 29 angeordnet ist. Die Drehachse 57 der Motorwelle 21 definiert die axiale Richtung x. Die radiale Richtung verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
Das Motorgehäuse 20 ist an seiner ersten Stirnseite mit der Lüfteranordnung 22 und an seiner anderen Stirnseite mit dem Motorflansch 29 des Motors 19 insbesondere lösbar verbunden. Dabei ist der Motor 19 in mechanischer Hinsicht nur über die Verbindung zwischen dem Motorgehäuse 20 und dem Motorflansch 29 mit dem Motorgehäuse 20 verbunden oder an diesem gelagert, sodass weder der Stator 61 noch das Lagerschild 38 einen direkten Kontakt zu dem Motorgehäuse 20 aufweisen.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Motor-Panel 30 und dem Motor 19 ist als elektrische Steckverbindung 35 realisiert. In 3 ist diese Steckerverbindung 35 im Bereich des Motorflansches 29 vorgesehen. Diese Verbindung umfasst auch die Verbindung zu einer übergeordneten und lediglich schematisch angedeuteten Steuer- und Regeleinrichtung 54, die bevorzugt durch die Windenergieanlagensteuerung 17 gebildet ist.
Das Motor-Panel 30 ist durch einen Deckel 39, auf dem Kühlrippen angeordnet sind, verschlossen. Insbesondere ist Motor-Panel 30 allseitig verschlossen. Durch eine zwischen dem kastenförmigen Motor-Panel 30 und seinem Deckel 39 angeordnete Dichtung 40 wird das Eindringen von Nässe und Schmutz weitgehend verhindert. Das Panel 30 ist somit als „Blackbox” zu betrachten, die bei Funktionsfehlern oder Ausfall ausgetauscht wird.
Durch die lösbare Verbindung zum Gehäuse 20 ist ein Öffnen des Motor-Panels 30 nicht mehr erforderlich. Dadurch kann die Bestückung mit den elektronischen Bauelementen 33 sehr kompakt und kostengünstig erfolgen, ohne die Zugänglichkeit bei Funktionsausfall zu berücksichtigen. Wie aus 2a ersichtlich, sind die Bauelemente 33 invertiert auf einer Platine 41 angeordnet. Insbesondere werden die Bauelemente 33 vorab vollautomatisch auf die Platine aufgebracht, die dann invertiert in das Motor-Panel 30 eingeführt wird. Vorzugsweise sind die Bauelemente 33 auf mehreren, parallel übereinander angeordneten Platinen angeordnet.
Die elektronischen Bauelemente 33 umfassen insbesondere Transistoren 42, die hier als IGBTs ausgebildet sind, und Kondensatoren 43, die hier als Elektrolytkondensatoren (ELKOS) ausgebildet sind, wobei insbesondere letztere einen hohen Wärmeverlust im Betrieb aufweisen und daher zusätzliche Kühlvorrichtungen zweckdienlich sind. Der Boden 59 des Motor-Panels 30 ist nicht eben, sondern weist auf seiner dem Kühlkörper 32 abgewandten Seite, also innerhalb des Motor-Panels 30, Absenkungen 58 und Erhebungen 50 auf, wobei die Erhebungen 50 aus einem wärmeleitfähigen und/oder wärmeaufnehmbaren Material 45 bestehen. Auf seiner dem Kühlkörper 32 zugewandten Seite weist der Boden 59 eine ebene Auflagefläche 44 auf, die mit der ebenen Auflagefläche 31 des Kühlkörpers 32 wärmeleitend verbunden ist. Gemäß der Ausführungsform bilden die Erhebungen 50 mit dem Boden 59 eine Materialeinheit, sodass der Boden 59 aus dem Material 45 besteht. Die Erhebungen 50 sind direkt unter den Transistoren 42 angeordnet, die vorzugsweise mit den Erhebungen 50 in wärmeleitenden Kontakt stehen, sodass die Verlustwärme der Transistoren 42 über das Material 45 auf den Kühlkörper 32 geleitet wird.
4 zeigt in einer Detaildarstellung des rechten Seitenrandes von 2a oder 2b, dass die elektronischen Leistungs- und Steuerbauelemente 33 thermisch voneinander getrennt sind. Die Trennung erfolgt über einen verlängerten räumlichen Abstand zwischen den Kondensatoren 43 und den Transistoren 42, wobei innerhalb dieses Abstands der Boden 59 eine horizontale Erhebung 55 aufweist. Der verlängerte räumliche Abstand wird durch den Pfeil 56 verdeutlicht. Für die Kondensatoren 43 ist auf Grund ihrer hohen Verlustwärme eine zusätzliche separate Kühlung vorgesehen. Die Kondensatoren 43 sind dazu am rechten Seitenrand des Motor-Panels 30 in einer nach unten gerichteten, taschenförmigen Ausbuchtung 48 des Motor-Panelbodens 59 angeordnet. Die Ausbuchtung 48 dient nicht nur zur Aufnahme der Kondensatoren 43, sondern auch zur passiven Kühlung derselben und bildet somit eine zusätzliche separate Kühlvorrichtung für die Kondensatoren 43. Die Kühlwirkung wird noch durch abragende Kühlrippen 46 am Seitenrand des Motor-Panels 30 verbessert, welche der zusätzlichen separaten Kühlvorrichtung zugerechnet werden. Die horizontale Erhebung 55 ist zwischen der Ausbuchtung 48 und der Auflagefläche 44 vorgesehen, über der die Erhebungen 50 angeordnet sind. Ferner grenzt die Erhebung 55 an eine der Absenkungen 58 an.
Die Kühlung der Kondensatoren 43 kann, wie aus 2a ersichtlich, zusätzlich oder alternativ, je nach anfallender Verlustwärme, über einen abgezweigten Teilluftstrom 64 der Lüfteranordnung 22 des Motors 19 erfolgen. Die äußere Gehäusewand 24 des Motorgehäuses 20 weist hierzu eine radiale Öffnung 47 im Bereich des Kühlkörpers 32 und der Ausbuchtung 48 bzw. der Kondensatoren 43 auf. Die Öffnung 47 mündet in den Ringraum 60, insbesondere in einen der Strömungskanäle 27 ein, sodass ein Teilluftstrom 64 von dem Kühlluftstrom 53 abgezweigt werden kann. Seitenwände der Ausbuchtung 48 und der horizontalen Erhebung 55 begrenzen einen zum Motorgehäuse 20 hin offenen und in axialer Richtung sich erstreckenden Kanal 49, in den der aus der Öffnung 47 austretende Teilluftstrom 64 eingeleitet wird und somit Verlustwärme der Kondensatoren 43 abführt.
5 zeigt eine Alternativausführung für eine zusätzliche Kühlung der Kondensatoren 43 über aktive Kühlelemente 52, die in der seitlichen Außenwand des Motor-Panels 30 zwischen der Lagerung der Kondensatoren 43 und den seitlich abragenden Kühlrippen 46 vorgesehen sind. Die aktiven Kühlelemente 52 können z. B. Peltier-Elemente umfassen.
Bezugszeichenliste

1: Windenergieanlage
2: Fundament
3: Turm
4: Maschinenhaus
5: Maschinenträger
6: Rotor
7: Rotorachse
8: Rotornabe
9: Rotorblatt
10: Rotorblatt
11: Blattachse
12: Blattachse
13: Verstellantrieb
14: Verstellantrieb
15: Windkraft
16: Generator
17: Windenergieanlagensteuerung
18: Antriebsanordnung
19: Elektromotor
20: Gehäuse
21: Motorwelle
22: Lüfteranordnung
23: Lüfter
24: äußere Gehäusewand
25: innere Gehäusewand
26: Steg
27: Strömungskanal
28: Längskontur
29: Motorflansch
30: Motor-Panel
31: Auflagefläche
32: Kühlkörper
33: elektronische Bauelemente
34: Schraubverbindung
35: elektrische Steckverbindung
36: Lagerstelle
37: Lagerstelle
38: Lagerschild
39: Deckel
40: Dichtung
41: Platine
42: Transistor (IGBT)
43: Kondensator (ELKO)
44: Auflagefläche
45: wärmeleitfähiges Material
46: Kühlrippen
47: radiale Öffnung
48: Ausbuchtung
49: Kanal
50: Erhebung
51: wärmeleitfähige Beschichtung
52: Kühlelement
53: Kühlluftstrom
54: Steuer- und Regeleinrichtung
55: horizontale Erhebung der Bodenfläche
56: Pfeil
57: Drehachse der Motorwelle
58: Absenkung
59: Boden des Motor-Panels
60: Ringraum
61: Stator des Motors
62: Läufer des Motors
63: Austrittsöffnung für den Kühlluftstrom
64: Teilluftstrom
x: axiale Richtung

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 19618996 A1 [0006]
DE 19703655 C2 [0007]
EP 1511156 A2 [0008]
US 5763969 A [0009]
DE 19704226 B4 [0011]

Claims

Elektrische Antriebsanordnung mit – einem Elektromotor (19), der in einem Motorgehäuse (20) angeordnet ist, – einer an einer Stirnseite des Motorgehäuses (20) angeordneten und einen Lüfter (23) umfassenden Lüfteranordnung (22), mittels welcher ein Verlustwärme des Elektromotors (19) abführender Kühlluftstrom (53) erzeugbar ist, – elektronischen Bauelementen (33), mittels welchen der Elektromotor (19) steuerbar oder regelbar ist, – wenigstens einem die elektronischen Bauelemente (33) aufnehmenden, auf dem Motorgehäuse (20) aufsitzenden, kastenförmigen Motor-Panel (30), dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Motor-Panels (30) beim Betrieb der elektronischen Bauelemente (33) entstehende Wärme an einen mit dem Motor-Panel (30) in wärmeleitendem Kontakt stehenden Kühlkörper (32) abgebbar ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motor-Panel (30) lösbar an dem Kühlkörper (32) befestigt ist, der fest mit dem Motorgehäuse (20) verbunden ist, sodass das Motor-Panel (30) unter Zwischenschaltung des Kühlkörpers (32) trennbar mit dem Motorgehäuse (20) verbunden ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Motor-Panel (30) allseitig verschlossen ist, sodass ein Eindringen von Nässe und Schmutz in das Motor-Panel (30) weitgehend verhinderbar ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfteranordnung (22) separat von dem Elektromotor (19) betreibbar und von dem Motorgehäuse (20) lösbar ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (20) an seiner einen Stirnseite mit der Lüfteranordnung (22) und an seiner anderen Stirnseiten mit einem Motorflansch (29) des Elektromotors (19) lösbar verbunden ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Motorgehäuse (20) ein den Elektromotor (19) umringender Ringraum (60) vorgesehen ist, der von dem Kühlluftstrom (53) durchströmbar ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (20) eine Ummantelung von an der Außenseite des Elektromotors (19) angeordneten, abstehenden Kühlrippen des Motors (19) bildet.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (20) eine Doppelwand mit im radialen Abstand zueinander angeordneten und den Elektromotor (19) umringenden Wandungen (24, 25) aufweist, zwischen denen der Ringraum (6) verläuft.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringraum (60) sich in radialer und in axialer Richtung erstreckende Stege (26) vorgesehen sind, die seitliche Begrenzungen von Strömungskanälen (27) bilden.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (26) bezüglich der radialen Richtung gekrümmt oder geneigt verlaufen.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausdehnung der Stege (26) mit zunehmendem axialem Abstand zur Lüfteranordnung (22) abnimmt.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (32) als flanschartige, in axialer Richtung des Gehäuses (20) sich erstreckende, radiale Erhebung mit einer ebenen Fläche ausgeführt ist, welche eine Auflagefläche (31) für das Motor-Panel (30) bildet.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (32) mit einer äußeren Gehäusewand (24) des Motorgehäuses (20) eine Materialeinheit bildet.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motor-Panel (30) mit dem Kühlkörper (32) sowohl mechanisch als auch elektrisch trennbar verbunden ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die trennbare mechanische Verbindung eine Schraubverbindung (34) oder eine Steck- und Einrastverbindung umfasst.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die trennbare elektrische Verbindung (35) sowohl eine Verbindung zwischen dem Motor-Panel (30) und dem Motorgehäuse (20) als auch eine Verbindung zu einer entfernt angeordneten, übergeordneten Steuereinrichtung (54) umfasst.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Motor-Panel (30) wärmeleitend in Kontakt stehende Auflagefläche (31) des Kühlkörpers (32) eine wärmeleitfähige Beschichtung (51) umfasst.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauelemente (33) elektrische Kondensatoren (43) und Transistoren (42) umfassen, die thermisch voneinander getrennt sind.
Elektrische Antriebsanordnung nach. Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Trennung über einen verlängerten räumlichen Abstand zwischen den Kondensatoren (43) und den Transistoren (42) erfolgt.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (43) in einer am Motor-Panelseitenrand angeordneten, zum Motorgehäuse (20) gerichteten, taschenförmigen Ausbuchtung (48) des Motor-Panelbodens (59) angeordnet sind, die als zusätzlicher Kühlkörper für die Kondensatoren (43) vorgesehen ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der taschenförmigen Ausbuchtung (48) aktive Kühlelemente (52) an der Außenseite der Seitenwand des Motor-Panels (30) im Bereich der Lagerung der Kondensatoren (43) vorgesehen sind.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Kondensatoren (43) zusätzlich oder alternativ durch einen Teilstrom des Kühlluftstromes (53) der Lüfteranordnung (22) erfolgt.
Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung des Teilluftstroms vom Kühlluftstrom (53) durch eine radiale Austrittsöffnung (47) in der äußeren Gehäusewand (24) des Motorgehäuses (20) im Bereich des Kühlkörpers (32) erfolgt, wobei der Teilluftstrom in einen Kanal (49) geleitet wird, der durch Seitenwände der taschenförmigen Ausbuchtung (48) und einer Erhebung (55) des Gehäuse-Panelbodens (59) begrenzt ist.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (59) des Motor-Panels (30) Erhebungen (50) aufweist, die durch ein wärmeleitfähiges Material (45) gebildet sind und sich bis zu einer ebenen Auflagefläche (44) des Motor-Panels (30) hin erstrecken.
Elektrische Antriebsanordnung nach einem vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen fest mit dem Motorgehäuse (20) verbundenen zweiten Kühlkörper und ein wärmeleitend und lösbar mit diesem verbundenes zweites Motor-Panel, wobei sowohl die beiden Motor-Panel als auch die beiden Kühlkörper jeweils einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Kühlvorrichtung für eine einen Elektromotor (19) und elektronische Bauelemente (33) zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors (19) umfassende elektrische Antriebsanordnung (18), mit – einem Motorgehäuse (20), in dem der Elektromotor (19) angeordnet ist, – einer an einer Stirnseite des Motorgehäuses (20) angeordneten und einen Lüfter (23) umfassenden Lüfteranordnung (22), mittels welcher ein Verlustwärme des Elektromotors (19) abführender Kühlluftstrom (53) erzeugbar ist, und – wenigstens einem, die elektronischen Bauelemente (33) aufnehmenden, auf dem Motorgehäuse (20) aufsitzenden, kastenförmigen Motor-Panel (30), dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Motor-Panels (30) beim Betrieb der elektronischen Bauelemente (33) entstehende Wärme an einen mit dem Motor-Panel (30) in wärmeleitendem Kontakt stehenden Kühlkörper (32) abgebbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Motor-Panel (30) lösbar an dem Kühlkörper (32) befestigt ist, der fest mit dem Motorgehäuse (20) verbunden ist, sodass das Motor-Panel (30) unter Zwischenschaltung des Kühlkörpers (32) trennbar mit dem Motorgehäuse (20) verbunden ist.
Blattwinkelverstellantrieb zur Verstellung eines oder mehrerer Rotorblätter (9, 10) um die jeweilige Blattachse (7, 8) für eine Windenergieanlage (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Rotorblätter (9, 10) sich quer zur Rotorachse (11, 12) erstrecken, gekennzeichnet durch eine elektrische Antriebsanordnung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 25.