DE102011053967B4 - Kompakter Antriebsstrang mit Getriebe - Google Patents

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Abstract

Antriebsstrang für eine Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage (100) eine Rotornabe (140) und ein oder mehrere Blätter (130) aufweist, wobei der Antriebsstrang aufweist:
einen Träger (306) einer ersten Stufe, der mit der Rotornabe verbunden ist, wobei der Träger der ersten Stufe ein oder mehrere Planetenräder (310) der ersten Stufe enthält, wobei das eine oder die mehreren Planetenräder der ersten Stufe mit einem feststehenden Hohlrad (312) der ersten Stufe und einem umlaufenden Sonnenrad (314) der ersten Stufe zusammenwirken;
einen Planetenträger (326) einer zweiten Stufe, der ein oder mehrere Planetenräder (320) der zweiten Stufe enthält, wobei der Planetenträger der zweiten Stufe mit dem Sonnenrad (314) der ersten Stufe starr verbunden ist, wobei das eine oder die mehreren Planetenräder (320) der zweiten Stufe mit einem umlaufenden Hohlrad (322) der zweiten Stufe und einem nicht umlaufenden Sonnenrad (324) der zweiten Stufe zusammenwirken;
einen Generator (304), der einen Generatorrotor (330) und einen Generatorstator (335) enthält, wobei der Generatorrotor (330) mit dem Hohlrad (322) der zweiten Stufe fest verbunden ist, so dass der Generatorrotor und das Hohlrad der zweiten Stufe beide gemeinsam rotieren.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Die hierin beschriebene Vorrichtung betrifft allgemein einen kompakten Antriebsstrang. Insbesondere betrifft die Vorrichtung einen kompakten Antriebsstrang mit Getriebe für eine Windkraftanlage.
  • In letzter Zeit haben Windkraftanlagen als umweltverträgliche und relativ kostengünstige alternative Energiequellen zunehmend Aufmerksamkeit erlangt. Windkraftanlagen emittieren keine Treibhausgase (THG) und tragen folglich nicht zur globalen Erwärmung bei. Mit dem steigenden Interesse an Windstromproduktion wurde beträchtlicher Aufwand betrieben, um Windkraftanlagen zu entwickeln, die zuverlässig und effizient arbeiten.
  • Wind wird gewöhnlich als eine Form von Solarenergie betrachtet, die durch ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne, Unregelmäßigkeiten der Erdoberfläche und die Erddrehung verursacht ist. Windströmungsmuster werden durch das Erdgelände, Gewässer und die Vegetation beeinflusst. Die Ausdrücke Windenergie und Windkraft beschreiben den Prozess, durch den der Wind verwendet wird, um eine Welle zu drehen und nachfolgend mechanische Leistung oder Elektrizität zu erzeugen.
  • Gewöhnlich werden Windkraftanlagen dazu verwendet, die in dem Wind enthaltene kinetische Energie in mechanische Leistung umzuwandeln. Diese mechanische Leistung kann für spezielle Aufgaben (wie beispielsweise zum Malen von Korn oder zum Pumpen von Wasser) verwendet werden, oder ein Generator kann diese mechanische Leistung (d.h. die Drehung einer Welle) in Elektrizität umsetzen. Eine Windkraftanlage enthält gewöhnlich einen aerodynamischen Mechanismus (z.B. Blätter) zur Umwandlung der Luftbewegung in eine mechanische Bewegung (z.B. Drehung), die anschließend mit einem Generator in elektrische Leistung umgewandelt wird. Die Leistungsausgabe aus dem Generator ist zu der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit proportional. Wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, steigt die Kapazität von Windgeneratoren fast auf das Achtfache.
  • Die Mehrheit von kommerziell verfügbaren Windkraftanlagen verwenden mit Getriebe versehene Antriebsstränge, um die Turbinenblätter mit den elektrischen Generatoren zu verbinden. Der Wind dreht die Turbinenblätter, die eine langsam drehende Welle in Drehung versetzen, die in ein Getriebe führt, das eine schneller drehende Ausgangswelle aufweist. Diese schneller drehende Ausgangswelle ist mit einem Generator verbunden und erzeugt Elektrizität. Der Getriebeantrieb soll die Geschwindigkeit der mechanischen Bewegung erhöhen.
  • Der industriestandardgemäße Antriebsstrang für gro-ße Windkraftanlagen (z.B. > 1,5 MW) besteht aus diskreten Getriebe- und Generatoreinheiten, die gesondert an einem Hauptrahmen (der gewöhnlich auch als Fundamentrahmen oder Fundamentplatte bezeichnet wird) montiert sind. Leistung wird von dem Getriebe zu dem Generator über eine flexible „Hochgeschwindigkeits“-Wellenkupplung übertragen. Diese Anordnung erzwingt, dass das Getriebe und der Generator physisch von einander beabstandet sind, und erfordert es, dass sowohl die Ausgangswelle des Getriebes als auch die Eingangswelle des Generators durch Getriebelager bzw. Generatorlager gesondert gelagert sind.
  • DE 10 2007 012 408 A1 betrifft eine Windenergieanlage mit einem kompakt ausgebildeten Antriebsstrang. EP 2 385 612 A1 betrifft eine elektromechanische Vorrichtung, die eine Kombination aus einer oder mehreren Getriebestufen und einer rotierenden elektrischen Maschine ist. EP 0811 764 A1 betrifft eine Getriebe-Generator-Kombination für Windkraftanlagen im Megawatt-Bereich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Antriebsstrang für eine Windkraftanlage geschaffen. Die Windkraftanlage enthält eine Rotornabe und ein oder mehrere Blätter. Der Antriebsstrang enthält einen Träger einer ersten Stufe, der mit der Rotornabe verbunden ist. Der Träger der ersten Stufe enthält ein oder mehrere Planetenräder der ersten Stufe, die mit einem feststehenden Hohlrad der ersten Stufe und einem umlaufenden Sonnenrad der ersten Stufe wechselwirken. Ein Planetenträger einer zweiten Stufe enthält einen oder mehrere Planetenräder der zweiten Stufe. Der Planetenträger der zweiten Stufe ist mit dem Sonnenrad der ersten Stufe starr verbunden. Die Planetenräder der zweiten Stufe wirken mit einem umlaufenden Hohlrad der zweiten Stufe und einem nicht umlaufenden Sonnenrad der zweiten Stufe zusammen. Ein Generator enthält einen Generatorrotor und einen Generatorstator, wobei der Generatorrotor mit dem Hohlrad der zweiten Stufe fest verbunden ist, so dass sowohl der Generatorrotor als auch das Hohlrad der zweiten Stufe gemeinsam umlaufen.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Windkraftanlage geschaffen. Die Windkraftanlage enthält einen Turm, eine durch den Turm getragene Gondel, eine Rotornabe mit einem oder mehreren Blättern und einen Antriebsstrang. Der Antriebsstrang enthält einen Träger der ersten Stufe, der mit der Rotornabe verbunden ist. Der Träger der ersten Stufe enthält ein oder mehrere Planetenräder der ersten Stufe, die mit einem feststehenden Hohlrad der ersten Stufe und einem umlaufenden Sonnenrad der ersten Stufe zusammenwirken. Ein Planetenträger der zweiten Stufe enthält ein oder mehrere Planetenräder der zweiten Stufe. Der Planetenträger der zweiten Stufe ist mit dem Sonnenrad der ersten Stufe starr verbunden. Die Planetenräder der zweiten Stufe wirken mit einem umlaufenden Hohlrad der zweiten Stufe und einem nicht umlaufenden Sonnenrad der zweiten Stufe zusammen. Ein Generator enthält einen Generatorrotor und einen Generatorstator, wobei der Generatorrotor mit dem Hohlrad der zweiten Stufe fest verbunden ist, so dass der Generatorrotor und das Hohlrad der zweiten Stufe beide gemeinsam umlaufen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Windkraftanlage;
    • 2 zeigt eine aufgeschnittene perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform eines Antriebsstrangs, der in der Windkraftanlage nach 1 eingesetzt werden kann;
    • 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Antriebsstrangs, der in der Windkraftanlage nach 1 eingesetzt werden könnte, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
    • 4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Antriebsstrangs, der in der Windkraftanlage nach 1 eingesetzt werden könnte, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In 1 ist eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse (HAWT) 100 veranschaulicht. Die Windkraftanlage 100 kann einen im Wesentlichen rohrförmigen Turm 110 enthalten, der aus Stahl, Beton oder Kombinationen hiervor hergestellt sein kann. Der Turm 110 kann durch Stapelung mehrerer Turmsegmente übereinander errichtet werden. Der Turm 110 trägt das Gewicht der Gondel 120, der Blätter 130 und der Nabe 140. Die Türme können auch von der Bauart eines Gittermastes (oder verstrebten Trägers) sein, und die Türme können alternativ aus Beton oder Betonabschnitten hergestellt sein. Die Gondel 120 nimmt gewöhnlich den Antriebsstrang (z.B. Getriebe, Wellen, Kupplungen, Generator, etc.) sowie den Hauptrahmen (der auch als Fundamentplatte oder Grundplatte bezeichnet wird) sowie Gierantriebe auf. Weitere Elemente, wie beispielsweise die Steuerungselektronik, können auch in der Gondel 120 untergebracht werden. Gewöhnlich weist die Gondel 120 eine Außenhaut auf, die aus einem leichtgewichtigen Material, wie beispielsweise Glasfaser oder einem Grafit-Verbundwerkstoff, besteht. Die Hauptfunktion der Gondelhaut besteht darin, den Inhalt gegen die Elemente (z.B. Regen, Eis, Schnee, etc.) zu schützen.
  • Die Blätter 130 sind mit der Nabe 140 verbunden, und die Nabe kann einen Blattverstell- bzw. Anstellwinkelsteuermechanismus zur Steuerung des Anstellwinkels jedes Blattes enthalten. Gewöhnlich werden in den meisten kommerziellen Windkraftanlagen drei Blätter verwendet, wobei jedoch auch ein, zwei oder vier oder mehrere Blätter verwendet werden könnten. Die Blätter wandeln die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie durch Drehen einer langsam umlaufenden Welle um. Die Blätter können aus Glasfaser oder Grafit-Verbundwerkstoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen oder Holz/Epoxid-Laminaten oder aus sonstigen geeigneten Materialien hergestellt sein. Die langsam drehende Welle ist gewöhnlich über eine verschraubte Flanschverbindung mit der Nabe 140 verbunden.
  • Generatoren werden dazu verwendet, die Drehung einer Welle in elektrische Energie umzuwandeln. Gewöhnlich wird ein Getriebe dazu verwendet, die Drehzahl der Eingangswelle zu dem Generator zu erhöhen. Das Getriebe weist die langsam drehende Welle als seinen Eingang auf, und der Ausgang ist eine schneller drehende Welle, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung unmittelbar in den Generator hineinführen kann.
  • 2 veranschaulicht einen bekannten Antriebsstrang, der ein Planetengetriebe und einen Generator in Verbundbauweise aufweist. Die langsam drehende Welle 210 ist durch zwei gesonderte und axial voneinander beabstandete Hauptlager 215 gelagert. Die langsam drehende Welle 210 ist über eine Nabenflanschhalterung 220 mit der Nabe 140 und den Blättern 130 der Windkraftanlage 100 verbunden. Demgemäß wird die langsam drehende Welle 210 durch die durch den Wind gedrehten Blätter 130 angetrieben. Die langsam drehende Welle 210 ist über eine Drehmomentübertragungskupplung 230 mit einem Planetenträger 240 verbunden. Der Planetenträger 240 trägt die Planetenräder 242 und Planetenritzel 244, die eine gemeinsame Welle verwenden. Ein Hohlrad 246 ist an einem Getriebegehäuse 248 starr befestigt und kämmt mit den Planetenritzeln 244. Ein Sonnenrad 250 ist durch die Planetenräder 242 angetrieben, wobei der Ausgang des Sonnenrads 250 unmittelbar in einen Generator 260 hinein geführt ist.
  • Der Generator 260 weist einen Stator 262 und einen Rotor 264 auf. Der Rotor 264 ist durch Rotorlager 266 gelagert, die in dem Generator 260 eingeschlossen sind. Ein Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass die Rotorlager 266 von dem Getriebe getrennt sind. Wenn auf die Rotorlager zugegriffen werden muss, muss der gesamte Generator 260 entfernt werden. Dies kann einen sehr zeitaufwendigen und arbeitsintensiven Prozess an einer Windkraftanlage, die an einer entfernten Stelle aufgebaut ist, darstellen.
  • 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines kompakten Antriebsstrangs 300 mit Getriebe gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung. Ein Planetengetriebe 302 mit zwei Stufen ist mit einem Generator 304 gekoppelt, was einen Antriebsstrang mit einer kompakten Größe und einem geringen Gewicht ergibt. Das Getriebe 302 enthält eine Nabenverbindung und einen Träger 306. Die Rotornabe 140 ist mit dem Träger 306 verbunden. Der Träger 306 trägt auch Planetenradlager 308 und Planetenräder 310 einer ersten Stufe. Die Planetenradlager 308 könnten Wälzlager oder beliebige sonstige geeignete Lager sein, wie sie in der speziellen Anwendung erwünscht sind. Die Planetenräder 310 wirken mit einem stationären Hohlrad 312 und einem umlaufenden Sonnenrad 314 der ersten Stufe zusammen.
  • Das Sonnenrad 314 der ersten Stufe ist mit einem Planetenträger 326 einer zweiten Stufe verbunden und treibt diesen an. Die Planetenräder 320 der zweiten Stufe laufen um ein feststehendes (d.h. nicht umlaufendes) Sonnenrad 324 der zweiten Stufe herum. Die Planetenräder 320 dienen als Zwischenräder. Das Hohlrad 322 der zweiten Stufe ist in einer schwimmenden Anordnung konfiguriert und ermöglicht die Kopplung des Rotors 330 des Generators 304 mit dem Hohlrad 322. Das Hohlrad der zweiten Stufe 322 kann durch ein Paar Wälzlager 328 gelagert sein und ist mit dem Generatorrotor 330 gekoppelt. In einigen Anwendungen können die Wälzlager 328 Schrägrollenlager sein. Der Stator 335 kann mit dem Generatorgehäuse verbunden sein. In dieser Konfiguration treibt das Hohlrad 322 der zweiten Stufe den Generatorrotor 330 an, da beide fest oder starr miteinander verbunden sind.
  • Der Träger 326 kann mit einer Bremsanordnung 340 gekoppelt sein. Da die Sonnenradwelle 325 fest eingespannt ist, kann der Träger 326 durch die Bremsanordnung 340 gebremst bzw. gestoppt werden. Für die Bremsanordnung 340 könnte eine Trommelbremse, eine Backenbremse oder eine Felgenbremse verwendet werden. Diese Anordnung reduziert die gesamte Abmessung des Antriebsstrangs und bietet eine größere Kompaktheit im Vergleich zu existierenden bekannten Antriebssträngen.
  • 4 veranschaulicht eine Perspektivansicht der Gehäuseelemente für den kompakten Getriebeantriebsstrang 300. Das Hohlrad 312 der ersten Stufe bildet sein eigenes Außengehäuse und ist mit einer Abdeckung oder einem Gehäuse 420 der ersten Stufe verbunden. Das Gehäuse 420 der ersten Stufe ist mit einem Gehäuse 430 der zweiten Stufe verbunden, das wiederum mit einem Generatorgehäuse 440 verbunden ist. Das Gehäuse 450 der Bremsanordnung ist mit dem Generatorgehäuse 440 verbunden.
  • Eine bevorzugte Bauart eines Generators 300 ist ein Permanentmagnet(PM)-Synchrongenerator, wobei jedoch auch Asynchrongeneratoren, gewickelte synchrone Feldgeneratoren oder doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren verwendet werden könnten. Es ist eine Windkraftanlage beschrieben worden, die einen einzigen Generator verwendet, wobei jedoch verständlich ist, dass bei Modifikationen des Getriebes auch mehrere Generatoren verwendet werden könnten.
  • Wenngleich verschiedene Ausführungsformen hierin beschrieben sind, ist aus der Beschreibung erkennbar, dass verschiedene Kombinationen von Elementen, Veränderungen oder Verbesserungen daran vorgenommen werden können und diese in dem Umfang der Erfindung liegen.
  • Es ist ein Antriebsstrang 300 für eine Windkraftanlage 100 geschaffen. Die Windkraftanlage enthält eine Rotornabe 140 und ein oder mehrere Blätter 130. Der Antriebsstrang enthält einen Träger 306 einer ersten Stufe, der mit der Rotornabe verbunden ist. Der Träger der ersten Stufe enthält ein oder mehrere Planetenräder 310 der ersten Stufe, die mit einem feststehenden Hohlrad 312 der ersten Stufe und einem umlaufenden Sonnenrad 314 der ersten Stufe zusammenwirken. Ein Planetenträger 326 einer zweiten Stufe enthält ein oder mehrere Planetenräder 320 der zweiten Stufe. Der Planetenträger der zweiten Stufe ist mit dem Sonnenrad 314 der ersten Stufe starr verbunden. Die Planetenräder der zweiten Stufe wirken mit einem umlaufenden Hohlrad 322 der zweiten Stufe und einem nicht umlaufenden Sonnenrad 324 der zweiten Stufe zusammen. Ein Generator 304 enthält einen Generatorrotor 330 und einen Generatorstator 335, wobei der Generatorrotor mit dem Hohlrad der zweiten Stufe fest verbunden ist, so dass der Generatorrotor und das Hohlrad der zweiten Stufe beide gemeinsam umlaufen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Windkraftanlage
    110
    Turm
    120
    Gondel
    130
    Blätter
    140
    Nabe
    210
    Langsam drehende Welle
    215
    Lager
    220
    Nabenflanschhalterung
    230
    Kupplung
    240
    Planetenträger
    242
    Planetenräder
    244
    Planetenritzel
    246
    Hohlrad
    248
    Getriebegehäuse
    250
    Sonnenrad
    260
    Generator
    262
    Stator
    264
    Generatorrotor
    266
    Lager
    300
    Antriebsstrang
    302
    Getriebe
    304
    Generator
    306
    Träger
    308
    Lager
    310
    Planetenräder
    312
    Stationäres Hohlrad
    314
    Sonnerad der ersten Stufe
    320
    Planetenräder der zweiten Stufe
    322
    Hohlrad der zweiten Stufe
    324
    Sonnenrad der zweiten Stufe
    326
    Planetenträger der zweiten Stufe
    328
    Wälzlager
    330
    Generatorrotor
    335
    Stator
    420
    Gehäuse
    430
    Gehäuse
    440
    Gehäuse
    450
    Gehäuse

Claims (11)

  1. Antriebsstrang für eine Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage (100) eine Rotornabe (140) und ein oder mehrere Blätter (130) aufweist, wobei der Antriebsstrang aufweist: einen Träger (306) einer ersten Stufe, der mit der Rotornabe verbunden ist, wobei der Träger der ersten Stufe ein oder mehrere Planetenräder (310) der ersten Stufe enthält, wobei das eine oder die mehreren Planetenräder der ersten Stufe mit einem feststehenden Hohlrad (312) der ersten Stufe und einem umlaufenden Sonnenrad (314) der ersten Stufe zusammenwirken; einen Planetenträger (326) einer zweiten Stufe, der ein oder mehrere Planetenräder (320) der zweiten Stufe enthält, wobei der Planetenträger der zweiten Stufe mit dem Sonnenrad (314) der ersten Stufe starr verbunden ist, wobei das eine oder die mehreren Planetenräder (320) der zweiten Stufe mit einem umlaufenden Hohlrad (322) der zweiten Stufe und einem nicht umlaufenden Sonnenrad (324) der zweiten Stufe zusammenwirken; einen Generator (304), der einen Generatorrotor (330) und einen Generatorstator (335) enthält, wobei der Generatorrotor (330) mit dem Hohlrad (322) der zweiten Stufe fest verbunden ist, so dass der Generatorrotor und das Hohlrad der zweiten Stufe beide gemeinsam rotieren.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, der ferner ein oder mehrere Lager (308) aufweist, die zwischen dem Träger der ersten Stufe und dem einen oder den mehreren Planetenrädern der ersten Stufe angeordnet sind.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 2, wobei das eine oder die mehreren Lager (308) Wälzlager sind.
  4. Antriebsstrang nach Anspruch 1, der ferner eine Bremsanordnung (340) aufweist, die eingerichtet ist, um mit dem Planetenträger (326) der zweiten Stufe zusammenzuwirken.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Hohlrad (312) der ersten Stufe einen Teil eines Außengehäuses für den Antriebsstrang bildet.
  6. Antriebsstrang nach Anspruch 5, der ferner ein Gehäuse (420) der ersten Stufe aufweist, das mit dem Hohlrad der ersten Stufe verbunden ist.
  7. Antriebsstrang nach Anspruch 6, der ferner ein Gehäuse (430) der zweiten Stufe aufweist, das mit dem Gehäuse der ersten Stufe verbunden ist.
  8. Antriebsstrang nach Anspruch 7, der ferner ein Generatorgehäuse (440) aufweist, das mit dem Gehäuse der zweiten Stufe verbunden ist.
  9. Antriebsstrang nach Anspruch 8, der ferner ein Bremsanordnungsgehäuse (450) aufweist, das mit dem Generatorgehäuse verbunden ist.
  10. Antriebsstrang nach Anspruch 1, der ferner ein oder mehrere Wälzlager (328) aufweist, die das Hohlrad der zweiten Stufe lagern.
  11. Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei das eine oder die mehreren Wälzlager Schrägrollenlager sind.
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