DE102012013152A1

DE102012013152A1 - Energiewandler zur Wandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102012013152A1
Application number: DE201210013152
Authority: DE
Inventors: Yukio Kamizuru
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler (100) zur Wandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie, mit einer Wandlereingangswelle (110), einem hydrostatischen Variator (120) mit einer Variatoreingangswelle (123) und einer Variatorausgangswelle (126), einer elektrischen Maschine (130) mit einem drehbar gelagerten Rotor (131) und einem drehbar gelagerten Stator (132), wobei die Wandlereingangswelle (110) mit der Variatoreingangswelle (123) und dem drehbar gelagerten Rotor (131) antreibend verbunden ist und die Variatorausgangswelle (126) mit dem drehbar gelagerten Stator (132) antreibend verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiewandler zur Wandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie.
Stand der Technik
Derartige Energiewandler sind beispielsweise aus Wind-, Wellen- und Wasserkraftanlagen bekannt, wobei eine elektrische Maschine (”Stromgenerator”) von einer Wandlereingangswelle (welche z. B. mit einem Windrotor oder einer Turbine verbunden ist) angetrieben wird. Es ist erwünscht, sog. Direktantriebe ohne Getriebe zwischen der Wandlereingangswelle und der elektrischen Maschine einzusetzen, um so z. B. Getriebeverluste zu vermeiden und den baulichen Aufwand gering zu halten. Direktantriebe weisen jedoch bei geringer Leistungsklasse (im Bereich einiger 100 kW bis 1 MW) und geringen Drehzahlen (z. B. 10–20 min^–1) Nachteile auf, da sie insbesondere sehr voluminös und schwer sind und somit zu hohen Grundkosten je kW führen. Je geringer die Drehzahl, desto größer muss der Durchmesser sein, damit die Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator ausreichend hoch ist. Eine geringere Drehzahl bei einer gleichen Leistungsklasse bedeutet gleichzeitig die Notwendigkeit, ein größeres Moment bereitzustellen. Ein Anstieg des Drehmoments bedarf eines größeren Stroms, was zusätzlichen Konstruktiven und finanziellen Aufwand darstellt.
Die vorliegende Erfindung sucht nach einer Möglichkeit, auch langsam rotierende Energiewandler bei großem Drehmoment mit ausreichend hohem Wirkungsgrad bei geringem baulichem Aufwand zu betreiben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Energiewandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, auch langsam rotierende Energiewandler bei höheren Drehmomenten mit ausreichend hohem Wirkungsgrad bei geringem baulichem Aufwand zu betreiben. Eine effiziente Wandlung von insbesondere wechselnden mechanischen Drehmomenten an einer rotierenden Welle in elektrischen Strom und andersherum wird möglich. Ein erfindungsgemäßer Energiewandler eignet sich besonders zur Verwendung in rotierenden Wellenenergiekonvertern, Windkraftanlagen, Strömungskraftwerken (z. B. Meer, Fluss), Schiffen, mobile Anwendungen usw., da hier häufig mit geringen Drehzahlen gearbeitet werden muss. Ein wirtschaftlicher Einsatz wird bei Leistungsklassen bis 1 MW auch für geringe Drehzahlen von z. B. 10 min^–1 möglich.
Die Erfindung schafft die Möglichkeit, mit einfachen Mitteln eine variable Drehzahl zwischen rotierendem Rotor und gegensinnig rotierendem Stator der elektrischen Maschine bereitzustellen, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator erhöht und das Drehmoment entsprechend reduziert werden. Dazu wird eine mechanisch-hydraulische Leistungsverzweigung eingesetzt, wobei zweckmäßigerweise über den mechanischen Zweig der Rotor und über den hydraulischen Zweig der Stator der elektrischen Maschine angetrieben werden.
Ein bevorzugtes Leistungsverzweigungsgetriebe mit Variator weist neben einem mechanischen Leistungszweig, welcher vorzugsweise mit einer festen Übersetzung arbeitet, einen hydrostatischen Variator-Leistungszweig mit variabler Übersetzung auf. Dieser Variator-Leistungszweig erlaubt es, das gesamte Übersetzungsverhältnis (d. h. zwischen Rotor und Stator) des Leistungsverzweigungsgetriebes stufenlos zu variieren. Ein hydrostatischer Variator ist üblicherweise als Hydraulikpumpe/Hydraulikmotor-Anordnung (”Hydrostatgetriebe”) realisiert. Es können auch mehrere Verdrängereinheiten (Pumpen/Motoren) mit unterschiedlichen Schluck- bzw. Fördervolumina in Tandemanordnung eingesetzt werden.
Die Erfindung führt zu einer Erhöhung der Generatordrehzahl, was eine Verminderung der Drehmomente und Massen erlaubt und damit Kosten reduziert und zu höheren Wirkungsgraden führt. Der Einsatz von hydraulischen Triebstrangkomponenten führt zu Dämpfung von Drehmomentstößen und somit zum sicheren Betrieb des Generators und der Leistungselektronik. Durch die Leistungsverzweigung wird ein Anteil mechanischer Energie direkt zum Generator geführt und unterliegt so keinen Verlusten durch den hydraulischen Kreis. Bei ausreichend hoher Drehzahl kann auch der Variator vom System entkoppelt, der Stator durch eine Haltevorrichtung arretiert und somit ein herkömmlicher Generatorbetrieb ermöglicht werden.
Durch Verwendung von Druckbegrenzungsventilen im Hydraulikkreis kann ein Überlastschutz auf einfache Weise implementiert werden. Auch hydraulische Zusatzantriebe können leicht aus dem Hydraulikkreis versorgt werden. Dies führt ebenfalls zu geringerem konstruktivem Aufwand im elektrischen Kreis. Beispielsweise kann eine verstellbare Pumpe an die Maschine angeschlossen sein, um so als Primärregelung die Hilfsantriebe mit Energie zu versorgen.
Durch Verwendung von wenigstens einem Hydraulikspeicher kann Antriebsenergie einfach, robust und kostengünstig gespeichert werden. Ein Hydraulikspeicher trägt auch vorteilhaft zu einer Leitungsglättung bei. Es können Schaltventile eingesetzt werden, um mehrere Druckstufen zu ermöglichen oder die Speicher vom Hauptkreis zu trennen, damit eine dynamische Druckregelung gewährleistet werden kann. Alternativ kann der Speicher mit einem Hydrotransformator an den Hauptkreis gekoppelt sein. Auch kann ein Antreiben des Rotors über die im Hydraulikspeicher enthaltene Energie geschehen. Somit muss das elektrische Netz nicht belastet werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiewandlers.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiewandlers in einem Blockdiagramm schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Der Energiewandler 100 verfügt über eine Wandlereingangswelle 110, die mit einer Variatoreingangswelle 123 eines hydrostatischen Variators 120 antreibend verbunden ist. Der hydrostatische Variator 120 verfügt über eine erste Hydraulikmaschine 121 sowie eine zweite Hydraulikmaschine 122, die über Hydraulikleitungen 124 verbunden sind. Gemäß der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Hydraulikleitungen 124 auch mit Hydraulikspeichern 125 verbunden. Durch die Hydraulikspeicher kann eine Speicherung von Energie und Glättung der Leistung vorgenommen werden.
Der hydrostatische Variator 120 verfügt weiterhin über eine Variatorausgangswelle 126, deren Drehzahl relativ zur Variatoreingangswelle 123 über ein Übersetzungsverhältnis des Variators 120 gesteuert werden kann. Die Hydraulikmaschinen 121, 122 können beispielsweise als verstellbare Axialkolbenmaschinen ausgebildet sein und als Pumpe oder Motor betrieben werden.
Die Wandlereingangswelle 110 ist mit der ersten Hydraulikmaschine 121 des hydrostatischen Variators 120 direkt, d. h. ohne zwischengeschaltetes Getriebe, verbunden. Die Wandlereingangswelle 110 stellt somit gleichzeitig die Variatoreingangswelle 123 dar. Eine Umdrehung der Wandlereingangswelle 110 entspricht somit einer Umdrehung der ersten Hydraulikmaschine 121.
Der Energiewandler 100 weist weiterhin eine elektrische Maschine 130 mit zwei drehbar gelagerten Elementen 131, 132 auf, die die Funktion eines Rotors 131 sowie Stators 132 (wenngleich der ”Stator” auch gedreht werden kann) erfüllen. Durch Drehung eines oder beider Elemente kann eine Relativdrehung zwischen Rotor 131 und Stator 132 vorgegeben werden. Die Wandlereingangswelle 110 ist direkt mit dem drehbar gelagerten Rotor 131, die Variatorausgangswelle 125 ist direkt mit dem drehbar gelagerten Stator 132 der elektrischen Maschine 130 verbunden.
Der Energiewandler 100 kann vorteilhaft eingesetzt werden, um mechanische Energie, die als Rotationsenergie (z. B. bei einer Windenergieanlage) an der Wandlereingangswelle 110 anliegt, durch die elektrische Maschine 130 in elektrische Energie zu wandeln und bspw. an ein Stromnetz abzugeben.
Der hydrostatische Variator 120 kann entweder als offener oder geschlossener Kreis ausgeführt werden. Ein geschlossener Kreis hat jedoch den Vorteil, dass eine Änderung der Drehrichtung der Wandlereingangswelle 110 ohne zusätzliche Ventiltechnik erreicht werden kann. Ein offener Kreis ermöglicht z. B. die Installation eines Kühlsystems im Niederdruckbereich.
Die Beeinflussung der Relativdrehzahl zwischen Rotor 131 und Stator 132 kann einerseits über verschiedene Schluckvolumina erreicht werden. Im Fall von Verstelleinheiten kann dies stufenlos erfolgen. Bei dem Einsatz von Konstanteinheiten, welcher Vorteile im Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit birgt, kann eine Drehzahlübersetzung durch eine Differenz im Schluckvolumen zwischen erster Hydraulikmaschine (für Rotor) (V₁₂₁) und zweiter Hydraulikmaschine (für Stator) (V₁₂₂) erzielt werden. Die Relativdrehzahl n_r zwischen Rotor 131 und Stator 132 verhält sich dann zur Drehzahl n₁₂₃ der Variatoreingangswelle 123 gemäß
Eine Halbierung des Schluckvolumens der zweiten Hydraulikmaschine 122 im Vergleich zur ersten Hydraulikmaschine 121 führt so zu einer Drehzahlübersetzung von 3. Im Falle von Wellenenergiekonvertern mit einem relevanten Drehzahlbereich von z. B. 6 min^–1 bis 10 min^–1 führt das zu Generatordrehzahlen von 18 min^–1 bis 30 min^–1. Diese Drehzahlen könnten ausreichen, um die bisherigen Baugrößen (und damit Massen, Kosten, etc.) für Direktantriebe in Leistungsklassen von bis zu 1 MW nicht zu überschreiten.
Ausgehend von der Leistungsbilanz an der Variatoreingangswelle 123 (eingehende mechanische Leistung P₁₂₃) kann das Momentengleichgewicht (unter Vernachlässigung von Wirkungsgraden) ermittelt werden.
Das Rotormoment M₁₃₁ ist identisch zum Generatormoment M₁₃₀ und dem Statormoment M₁₃₂ (oder Moment zweite Hydraulikmaschine M₁₂₂). Somit ergibt sich
Mit dem Drehzahl- oder Schluckvolumenverhältnis x
folgt
So können bei gegebenem Maximaldruck Δp_max, maximalem Drehmoment an der Welle M_123,max und dem gewünschten Drehzahlverhältnis x die Schluckvolumina der ersten Hydraulikmaschine V₁₂₁ und zweiten Hydraulikmaschine V₁₂₂ ermittelt werden.
Bei einer hinreichend hohen Eingangsdrehzahl der Variatoreingangswelle 123 kann bei Bedarf das hydraulische System durch eine geeignete Verschaltung entkoppelt oder in einen drucklosen Umlauf gebracht werden. Zusätzlich kann eine Haltebremse an die Variatorausgangswelle 126 integriert werden. Dadurch wird ein herkömmlicher Direktantrieb möglich. Ebenfalls denkbar ist ein Entkoppeln und Festhalten des Rotors 131 für einen rein hydrostatischen Betrieb.

Claims

Energiewandler (100) zur Wandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie, mit einer Wandlereingangswelle (110), einem hydrostatischen Variator (120) mit einer Variatoreingangswelle (123) und einer Variatorausgangswelle (126), einer elektrischen Maschine (130) mit einem drehbar gelagerten Rotor (131) und einem drehbar gelagerten Stator (132), wobei die Wandlereingangswelle (110) mit der Variatoreingangswelle (123) und dem drehbar gelagerten Rotor (131) antreibend verbunden ist und die Variatorausgangswelle (126) mit dem drehbar gelagerten Stator (132) antreibend verbunden ist.
Energiewandler (100) nach Anspruch 1, wobei der hydrostatischen Variator (120) mindestens eine erste Hydraulikmaschine (121) aufweist, die mit der Variatoreingangswelle (123) antreibend verbunden ist, und mindestens eine zweite Hydraulikmaschine (122) aufweist, die mit der Variatorausgangswelle (126) antreibend verbunden ist.
Energiewandler (100) nach Anspruch 2, wobei die erste Hydraulikmaschine (121) und die zweite Hydraulikmaschine (122) hydraulisch über wenigstens eine Hydraulikleitung (124) verbunden sind.
Energiewandler (100) nach Anspruch 3, wobei wenigstens eine Hydraulikleitung (124) hydraulisch mit wenigstens einem Hydraulikspeicher (125), einem Hydraulikschaltventil und/oder einem Hydrotransformator verbunden ist.
Energiewandler (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die wenigstens eine Hydraulikleitung (124) hydraulisch mitwenigstens einem Druckbegrenzungsventil verbunden ist.
Energiewandler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Variatorausgangswelle (126) mit einer Bremsanlage verbunden, die dazu ausgebildet ist, die Variatorausgangswelle (126) anzuhalten.
Energiewandler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotor (131) von der Wandlereingangswelle (110) entkoppelbar ist.
Energiewandler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Variator (120) als offener oder als geschlossener Hydraulikkreis ausgebildet ist.
Wind-, Wasser- oder Wellenenergieanlage mit einem Energiewandler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche.