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Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator für eine Windturbine, der einen Stator und einen Rotor beinhaltet, wobei der Rotor drehbar im Verhältnis zum Stator mithilfe von mindestens einem Generatorlager getragen wird.
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Der allgemeine konstruktive Aufbau einer Windturbine, insbesondere einer getriebelosen Windturbine, die einen Generator beinhaltet, ist allgemein bekannt. Dabei wird der Rotor des Generators, der mit der drehbar gelagerten Rotornabe, d. h. der Antriebsseite der Windturbine, verbunden ist, in der Regel auf dem Außenring von mindestens einem Generatorlager gelagert. Der Stator des Generators ist in der Regel auf dem Innenring des Generatorlagers gelagert, wobei der Innenring auf der antriebslosen Seite der Windturbine, d. h. an der nicht drehenden Komponente der Windturbine, befestigt ist.
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Insbesondere bei getriebelosen Windturbinen muss das Generatorlager mechanisch steif sein, um den Luftspalt zwischen Rotor und Stator aufrechtzuerhalten. Demzufolge muss das Generatorlager Lasten, insbesondere Biegelasten, widerstehen können, die von den an der Rotornabe befestigten Rotorblättern und/oder von den magnetischen Interaktionen zwischen Rotor und Stator ausgehen. Die konstante Beibehaltung des Luftspalts ist häufig problembehaftet.
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Damit der Rotor des Generators besser gelagert wird, wurde vorgeschlagen, ein weiteres tragendes Generatorlager bereitzustellen, das axial in einem Abstand zum Hauptgeneratorlager auf einer im Wesentlichen nicht drehenden Welle angeordnet ist, d. h. auf der antriebslosen Seite der Windturbine. Dabei werden in der Regel Gleitlager verwendet. Dieser Ansatz gilt als konstruktiv komplex und kostspielig.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Verbesserung eines entsprechenden Generators für eine Windturbine im Hinblick auf eine mechanisch stabile Konstruktion.
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Erreicht wird dies durch einen Generator gemäß vorstehenden Angaben, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das mindestens eine Generatorlager innerhalb eines radialen Spalts zwischen Stator und Rotor angeordnet ist, wobei das Generatorlager Magnetfluss-Leiteigenschaften besitzt.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, dass das mindestens eine Generatorlager direkt zwischen Rotor und Stator des betreffenden Generators der betreffenden Windturbine angeordnet wird. So wird der ringförmige Zwischenraum, d. h. der Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei herkömmlichen Generatoreinrichtungen, erfindungsgemäß zur Aufnahme von mindestens einem Generatorlager genutzt. Auf diese Weise wird der ringförmige Zwischenraum zwischen Rotor und Stator mit mindestens einem Generatorlager ausgestattet. Herkömmlich genutzte Generatorlagereinrichtungen, bei denen die entsprechenden Generatorlager auf der Antriebsseite und der antriebslosen Seite der Windturbine angeordnet sind, werden durch das Prinzip der Erfindung überwunden.
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Das Prinzip der Erfindung stattet den Generator und die gesamte Windturbine mit mechanischer Stabilität aus, sodass hohe Lasten auf den Lagern im Wesentlichen vermindert werden können. Insbesondere Biegemomente, die auf das Generatorlager einwirken und die von den Rotorblättern der Windturbine ausgehen, können in signifikanter Weise reduziert werden.
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Dabei wird die mechanische Stabilität des Generatorlagers vor allem durch seine axialen Abmessungen definiert. Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Außenfläche des Generatorlagers stark im Vergleich zu herkömmlichen Einrichtungen vergrößert werden, sodass die betreffenden Lasten auf eine größere Fläche verteilt werden können, was eine Reduzierung der Beanspruchung und daher eine höhere Zuverlässigkeit des Generatorlagers mit sich bringt.
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Allgemein wird bevorzugt, dass sich das betreffende Generatorlager längs der gesamten axialen Länge des Spalts zwischen Rotor und Stator erstreckt. Doch in bestimmten Ausführungsformen kann die axiale Länge des Lagers, d. h. die Breite des Lagerrings, kleiner oder größer als die Länge des axialen Spalts zwischen Rotor und Stator sein.
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Weiterhin bietet das Prinzip der Erfindung ein einfaches Verfahren, um sowohl den Rotor als auch den Stator konstant in radialen Positionen zu halten, d. h. es gibt keine Probleme bezüglich der Aufrechterhaltung eines jeweiligen radialen Abstands in Form eines Luftspalts zwischen Rotor und Stator. Dagegen wird der radiale Abstand zwischen Rotor und Stator einfach durch den radialen Abstand zwischen dem Innen- und dem Außenring des bzw. der betreffenden Generatorlager definiert.
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Daneben können die axialen Abmessungen sowohl des Rotors als auch des Stators reduziert werden, da das Prinzip der Erfindung die Effizienz des Generators steigert. Daher ist die Konstruktion des Generators kompakt, was auch eine Material- und Kostenreduzierung bedingt.
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Es wird davon ausgegangen, dass das bzw. die betreffenden Generatorlager aus einem Material gefertigt werden oder ein Material beinhalten, das Magnetfluss-Leiteigenschaften hat, sodass das bzw. die betreffenden Generatorlager keinen negativen Einfluss auf den Betrieb des Generators haben.
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Es gibt zwei mögliche Einrichtungen für den erfindungsgemäßen Generator, wobei die erste Einrichtung den Innenring des Lagers bereitstellt, der an einem Statorjoch befestigt ist, sowie den Außenring des Lagers, der an einem Rotorjoch befestigt ist. Diese Einrichtung bezieht sich auf Generatoren, die eine Konfiguration des Typs „Außenrotor/Innenstator“ aufweisen. Alternativ ist denkbar, dass der Innenring des Lagers an einem Rotorjoch befestigt ist und der Außenring des Lagers an einem Statorjoch befestigt ist. Diese Einrichtung bezieht sich auf Generatoren, die eine Konfiguration des Typs „Außenstator/Innenrotor“ aufweisen. Daher ist das Prinzip der Erfindung auf beide allgemein möglichen Konfigurationen der betreffenden Generatoren bzw. Elektromaschinen anwendbar.
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Um die betreffenden Generatorlager sicher zu fixieren, beinhaltet der Außenring oder der Innenring des Lagers vorzugsweise mindestens eine Aussparung, die so angepasst ist, dass sie die betreffenden Permanentmagneten des Rotors aufnehmen kann. Die Abmessungen der Aussparung sind im Wesentlichen den Abmessungen der betreffenden Permanentmagneten angepasst. Diese Ausführungsform bezieht sich in der Regel auf einen Formschluss des Lagers, d. h. die betreffende Aussparung des Innen- oder Außenrings und die Permanentmagneten des Rotors hindern das betreffende Lager an axialen Bewegungen.
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Bei dem Generatorlager kann es sich um ein Wälzlager oder ein Gleitlager handeln. Infolgedessen kann das Generatorlager die betreffenden Wälzelemente, wie Kugeln, Zylinder oder Nadeln, z. B. im Fall von Wälzlagern, beinhalten. Alternativ können der betreffende Außenring und der Innenring des Lagers in direktem Kontakt miteinander sein, wobei bei Bedarf eine entsprechende Schmierschicht zwischen dem Außenring und dem Innenring des Lagers vorgesehen wird. Allgemein können alle Arten von Lagern für das Prinzip der Erfindung verwendet werden.
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Es ist von Vorteil, dass der Außenring und/oder der Innenring und/oder mindestens ein Wälzelement und/oder ein Schmiermittel des Lagers aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material besteht/bestehen. Durch Verstärkung der magnetischen Eigenschaften, d. h. der Magnetfluss-Leiteigenschaften des Lagers oder der betreffenden Komponenten des Lagers, können die axialen Abmessungen sowohl des Rotors als auch des Stators, d. h. des gesamten Generators, reduziert werden, da die Effizienz des Generators wie oben erwähnt gesteigert werden kann.
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Neben dem Fall, dass das Lager die gleiche axiale Länge wie der radiale Spalt zwischen Rotor und Stator hat, ist es weiterhin möglich, dass mindestens zwei axial benachbart angeordnete Lager innerhalb des radialen Spalts angeordnet werden, d. h. eine Anzahl entsprechender axial ausgerichteter oder aneinander stoßender Generatorlager kann innerhalb des radialen Spalts oder des ringförmigen Zwischenraums zwischen Rotor und Stator angeordnet werden. Dabei ist es möglich, dass sich ein axialer Spalt zwischen mindestens zwei Lagern erstreckt, sodass ein freier ringförmiger Zwischenraum zwischen den betreffenden Lagern definiert wird, d. h. ein ringförmiger Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator, der nicht durch die betreffenden Lager eingenommen wird. Auf diese Weise können die magnetischen Interaktionen zwischen dem Rotor und dem Stator reguliert werden.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Windturbine, insbesondere eine getriebelose Windturbine, die einen Generator beinhaltet, wie er zuvor beschrieben wurde. Der Generator beinhaltet einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor mit der Antriebsseite der Windturbine verbunden ist, während der Stator mit der antriebslosen Seite der Windturbine verbunden ist. Der Rotor wird drehbar im Verhältnis zum Stator mithilfe von mindestens einem Generatorlager gelagert, wobei dieses Generatorlager innerhalb eines radialen Spalts zwischen Stator und Rotor angeordnet ist.
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Nachstehend wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei:
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1 eine schematische Längsschnitt-Ansicht eines Generators für eine Windturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 eine schematische Querschnitt-Teilansicht eines Generators für eine Windturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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3 eine schematische Querschnitt-Teilansicht eines Generators für eine Windturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
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4 eine schematische Längsschnitt-Teilansicht eines Generators für eine Windturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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1 zeigt eine schematische Längsschnitt-Ansicht eines Generators 1 für eine Windturbine 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Windturbine 2 ist eine getriebelose Windturbine, d. h. der Rotor 3 des Generators 1 ist direkt mit einer Rotornabe 4 verbunden, die die betreffenden Rotorblätter (nicht dargestellt) trägt, d. h. es handelt sich um die Antriebsseite der Windturbine 2. Der Stator 5 wird von einer nicht drehbaren Welle 6 oder einer sonstigen nicht drehbaren Komponente der Windturbine 2 getragen. Die Mittelachse der Windturbine ist mit „A“ bezeichnet.
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Der Rotor 3 wird drehbar im Verhältnis zum Stator 5 mithilfe von mindestens einem Generatorlager 7 gelagert, das direkt innerhalb eines radialen Spalts 8 oder eines ringförmigen Zwischenraums zwischen Rotor 3 und Stator 5 angeordnet ist. Das Generatorlager 7 hat Magnetfluss-Leiteigenschaften, sodass der ordnungsgemäße Betrieb des Generators 1 immer sichergestellt ist. Wie sich erkennen lässt, hat das Generatorlager 7 die gleiche axiale Länge wie der radiale Spalt 8 zwischen Rotor 3 und Stator 5.
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Infolgedessen ist ein Luftspalt, der sich zwischen Rotor und Stator herkömmlicher Generatoren erstreckt, im Prinzip der Erfindung nicht vorgesehen. Neben den betreffenden Generatorlagern auf der Antriebsseite der Windturbine sind mögliche zusätzliche Lager auf der antriebslosen Seite der Windturbine nicht erforderlich.
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Das Prinzip der Erfindung erlaubt eine Reduzierung der mechanischen Last auf dem Generatorlager 7, da das Generatorlager 7 eine vergrößerte Außenfläche hat, sodass einwirkende Lasten über eine vergrößerte Fläche verteilt werden können, was zu einer Reduzierung der Belastung je Lagerflächenbereich und zu weiterer erhöhter Zuverlässigkeit führt.
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Weiterhin sind die radialen Positionen sowohl des Rotors 3 als auch des Stators 5 klar durch den radialen Abstand zwischen dem betreffenden Außenring und dem betreffenden Innenring des Generatorlagers 7 definiert, sodass der ordnungsgemäße Betrieb des Generator 2 selbst in Situationen mit hohen Lasten gewährleistet wird. Abweichungen der magnetischen Interaktionen zwischen Rotor 3 und Stator 5 werden verhindert, da das Prinzip der Erfindung keine entsprechenden Änderungen des radialen Abstands zwischen Rotor 3 und Stator 5 zulässt.
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2 zeigt eine schematische Längsschnitt-Teilansicht eines Generators 1 für eine Windturbine 2 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Dabei besteht das Generatorlager 7 aus einem Gleitlager, wobei der Außenring 9 des Generatorlagers 7 am Rotorjoch 10 befestigt ist, sodass die Permanentmagneten 11 des Rotors 3 eingeschlossen werden, d. h. der Außenring 9 ist mit einer Aussparung ausgestattet, die der Form der Permanentmagneten 11 entsprechen. Daher wird der Außenring 9 des Generatorlagers 7 fixiert, indem er die Permanentmagneten 11 des Rotors 3 umschließt.
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Der Innenring 12 des Generatorlagers 7 ist am Statorjoch 13 befestigt, d. h. an sich relativ dazu radial erstreckenden Statorzähnen 14. In bekannter Weise sind die betreffenden Statorwicklungen 15 zwischen den Statorzähnen 14 untergebracht. Um die Standzeit des Generatorlagers 7 zu verbessern, kann eine Schmierschicht 16 zwischen dem Außenring 9 und dem Innenring 12 des Generatorlagers 7 vorgesehen werden, sodass Reibungs- und Verschleißeffekte verhindert oder zumindest reduziert werden.
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Alle betreffenden Komponenten des Generatorlagers 7, d. h. der betreffende Außen- und Innenring 9, 12 sowie die Schmierschicht 16, weisen Magnetfluss-Leiteigenschaften auf, d. h. sie bestehen aus oder beinhalten ein magnetisches oder magnetisierbares Material, wie beispielsweise ferromagnetische Legierungen oder entsprechende ferromagnetische Partikel.
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3 zeigt eine schematische Längsschnitt-Teilansicht eines Generators 1 für eine Windturbine 2 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Dabei besteht das Generatorlager 7 aus einem Wälzlager, d. h. eine Anzahl von Wälzelementen 17 in Form von Kugeln ist zwischen dem Außenring 9 und dem Innenring 12 des Generatorlagers 7 angeordnet. Die Wälzelemente 17 bestehen aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material. Das Generatorlager 7 ist außerdem mit einer Schmierschicht 16 ausgestattet, die Magnetfluss-Leiteigenschaften aufweist.
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Die in 1–3 dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich ein einziges Generatorlager 7 innerhalb des radialen Spalts 8 zwischen Rotor 3 und Stator 5. Im Gegensatz dazu zeigt die Ausführungsform in 4 zwei entsprechende axial benachbart zueinander angeordnete Generatorlager 7, die zwischen Rotor 3 und Stator 5 des Generators 2 angeordnet sind. Dabei erstreckt sich ein ringförmiger Zwischenraum 18 zwischen den betreffenden Generatorlagern 7, d. h. dem linken und dem rechten Generatorlager 7. Auf diese Weise ist es möglich, die magnetischen Interaktionen zwischen den betreffenden Permanentmagneten 11 des Rotor 3 und dem Stator 5, d. h. den Permanentmagneten 11 und den Statorwicklungen 15, zu beeinflussen. Natürlich ist es möglich, mehr als die beiden betreffenden Generatorlager 7 innerhalb des radialen Spalts 8 zwischen Rotor 3 und Stator 5 anzuordnen.
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Die vorstehenden Ausführungsformen zeigen eine Generatoreinrichtung, die einen Innenring 12 des Rotors 3 hat, der am Rotorjoch 10 befestigt ist, während der Außenring 9 des Generatorlagers 7 am Statorjoch 13 befestigt ist. Daher zeigen die betreffenden Ausführungsformen Generatoreinrichtungen, die eine Konfiguration des Typs „Außenrotor 3/Innenstator 5“ aufweisen. Das Prinzip der Erfindung gilt jedoch auch für Generatoren 2, die eine Konfiguration des Typs „Außenstator 5/Innenrotor 3“ aufweisen, d. h. in diesem Fall, dass der Innenring 12 des Generatorlagers 7 am Rotorjoch 10 und der Außenring 12 des Generatorlagers 7 am Statorjoch 13 befestigt sind.
