DE102015222948A1

DE102015222948A1 - Planetengetriebeanordnung einer Windkraftanlage mit einer unterschiedlichen Anzahl an Planetenrädern

Info

Publication number: DE102015222948A1
Application number: DE102015222948.3A
Authority: DE
Inventors: Paul Philip Hepermann; Christian Lohmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Planetengetriebeanordnung einer Windkraftanlage, mit einem getriebeeingangsseitig verbindbaren Rotor (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung infolge Windbeaufschlagung sowie einem getriebeausgangsseitig verbindbaren Generator (4) zur Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das Planetengetriebe (2) mindestens eine Planetenstufe (3a, 3b) zur Übersetzung ins Schnelle umfasst, deren Hohlrad (5) per Zahneingriff über drei oder vier an einem Planetenträger (8; 8‘) angeordnete Planetenräder (6a–6c; 6a–6d) mit einem ausgangsseitigen Sonnenrad (7) der Planetenstufe (3a; 3b) zusammenwirkt, wobei eine modulare Planetenstufe (3a, 3a‘) derart ausgelegt ist, dass die Zähnezahl des Hohlrades (5) und des Sonnenrades (7) jeweils durch die Zahl zwölf ganzzahlig teilbar ist, so dass die modulare Planetenstufe (3a, 3a‘) unter Beibehaltung eines parallelen Zahneingriffs wahlweise für eine geringe Belastung mit drei Planetenrädern (6a–6c) und für eine hohe Belastung mit vier Planetenrädern (6a–6d) ausrüstbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Planetengetriebeanordnung einer Windkraftanlage, mit einem getriebeeingangsseitig verbindbaren Rotor zur Erzeugung einer Drehbewegung infolge Windbeaufschlagung sowie einem getriebeausgangsseitig verbindbaren Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das Planetengetriebe mindestens eine Planetenstufe zur Übersetzung ins Schnelle umfasst, deren Hohlrad per Zahneingriff über drei oder vier an einem Planetenträger angeordnete Planetenräder mit einem ausgangsseitigen Sonnenrad der Planetenstufe zusammenwirkt.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die spezielle Getriebetechnik für Windkraftanlagen. Zur Übersetzung der Drehbewegung eines windbeaufschlagten Rotors ins Schnelle für die Anpassung an einen hochdrehenden elektrischen Generator kommen vornehmlich raumsparende Planetengetriebe zur Anwendung, welche in höheren Leistungsklassen mehrere Planetenstufen umfassen. Innerhalb einer Planetenstufe findet der Leistungsfluss über die Planetenräder statt und bei höheren Belastungen kommen mehr Planentenräder zum Einsatz, als bei geringeren Belastungen, da sich der Leistungsfluss durch die Planetenstufe auf die Anzahl der Planetenräder aufteilt.
Die EP 2 554 839 A1 offenbart eine Planentengetriebeanordnung für eine Windkraftanlage, die je nach Leistungsklasse modular aus verschiedenen Getriebeteilen zusammensetzbar ist. Dafür verfügt eine Planetenstufe über ein Hohlrad und ein Sonnenrad mit vorgegebener Gesamtzähnezahl. Durch eine Variation der Anzahl an Planetenrädern erfolgt eine Anpassung an unterschiedliche Drehmoment- oder Leistungsklassen in der Planetenstufe unter Beibehaltung möglichst vieler Gleichteile. Eine Planetenstufe für eine geringere Leistungsklasse bedarf demnach weniger Planetenrädern aus als eine Planetenstufe mit einer höheren Leistungsklasse.
Jedoch kann mit dieser modularen technischen Lösung nicht stets ein paralleler Zahneingriff sichergestellt werden. Bei einem parallelen Zahneingriff kommen die Zähne der unterschiedlichen Planetenräder immer gleichzeitig in Eingriff mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad, und nicht nacheinander. Ein nacheinander stattfindender Zahneingriff wird auch als sequenzieller Zahneingriff bezeichnet. Wird beispielsweise auf ein im vorgenannten Stand der Technik als bevorzugte Ausführungsform genanntes Sonnenrad mit 27 Zähnen zurückgegriffen, so kann bei Verwendung von vier Planetenrädern kein paralleler Zahneingriff erzielt werden, da aus dem Quotienten 27:4 kein geradzahliges Ergebnis resultiert. Beim Einsatz von drei Planetenrädern lässt sich aus dem Quotienten 27:3 allerdings ein geradzahliges Ergebnis errechnen, das in diesem Fall einen parallelen Zahneingriff kennzeichnet.
Bei einem sequenziellen Zahneingriff kann es durch die sich ändernde Anregung zu einem unerwünschten Schwingungsverhalten der Planetenstufe kommen. Daher wird ein paralleler Zahneingriff als prinzipiell vorteilhaft erachtet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Planetengetriebeanordnung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass trotz Einsatz einer unterschiedlichen Anzahl an Planetenrädern zur Leistungsanpassung bei einer modular aufgebauten Planetenstufe ein paralleler Zahneingriff sichergestellt ist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Planetengetriebeanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine modulare Planetenstufe derart ausgelegt ist, dass die Zähnezahl des Hohlrades und des Sonnenrades jeweils durch die Zahl zwölf teilbar ist, so dass die Planetenstufe unter Beibehaltung eines parallelen Zahneingriffs wahlweise für eine geringe Belastung mit drei Planetenrädern und für eine hohe Belastung mit vier Planetenrädern ausrüstbar ist.
Der Vorteil einer Beibehaltung eines parallelen Zahneingriffs trotz drei oder vier Planetenrädern ergibt sich daraus, dass das 12-fache der Zähnezahl des Hohlrades und des Sonnenrades stets sowohl durch die Zahl 3 als auch durch die Zahl 4 ganzzahlig teilbar sind. Der Quotient 12 und sein Vielffaches zur Bemessung der Zähnezahl des Sonnenrades und des Hohlrades stellt das kleinste gemeinsame Vielfache der Zahlen 3 und 4, welche die Anzahl der Planetenräder repräsentieren, dar. Somit ist sowohl bei der Bestückung mit drei Planetenrädern als auch bei der Bestückung mit vier Planetenrädern ein paralleler Eingriff der Verzahnungen innerhalb der Planetenstufe gewährleistet. Hieraus ergibt sich ein optimales Anregungsverhalten der Planetenstufe bei maximaler Anzahl von Gleichteilen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine modular aufgebaute Planetenstufe mit einem Planetenträger einer ersten Variante für drei Planetenräder und einem dagegen austauschbaren Planetenträger einer zweiten Variante für vier Planetenräder ausrüstbar. Außer dem Planetenträger können die übrigen Getriebeteile der Planetenstufe zur Anpassung an ein anderes Drehmoment identisch bleiben, insbesondere können die Planetenräder wiederverwendet werden. In der Variante für vier Planetenräder ist lediglich ein identisches Planetenrad hinzuzufügen.
Als eindeutige und einfache Bemessungsgrundlage zur Auswahl der Anzahl der Planetenräder gilt vorzugsweise, dass dann vier Planetenräder zum Einsatz kommen, falls eine für drei Planetenräder ausgelegte Planetenstufe tatsächlich einer um 20–25% höheren Belastung ausgesetzt ist. Die optimale Grenze bildet einen Unterschiedswert von ca. 23%. Umgekehrt wird vorgeschlagen, dass dann drei Planetenräder zum Einsatz kommen, falls eine für vier Planetenräder ausgelegte Planetenstufe einer um 15–20% geringeren Belastung ausgesetzt ist. Der optimale Unterschiedswert liegt bei ca. 19%.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Planetenstufe über den Planetenträger angetrieben wird, wobei das Hohlrad ortsfest zu einem Getriebegehäuse des Planetengetriebes angeordnet ist. Diese Antriebsart einer Planetenstufe wird vorzugsweise bei der getriebeeingangsseitigen ersten Getriebestufe eingesetzt. Daneben ist es jedoch auch denkbar, dass die Planetenstufe über das Hohlrad angetrieben wird, wobei der Planetenträger ortsfest zu einem Getriebegehäuse des Planetengetriebes angeordnet ist. Diese Variante kommt vorzugsweise bei nachgeordneten Getriebestufen zum Einsatz.
Im Falle eines mehrstufigen Planetengetriebes wird vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäß ausgebildete Planetenstufe als getriebeeingangsseitige erste Getriebestufe zum Einsatz kommt. Nachgeordnet kann für eine niedrige Leistungsklasse eine Stirnradstufe folgen. Für eine höhere Leistungsklasse kann auf mehrere hintereinander geschaltete Planetenradstufen zurückgegriffen werden.
Um eine günstige Laufeigenschaft der Planetenstufe zu gewährleisten, werden vorzugsweise schräg verzahnte Zahnräder verwendet.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen gehen nachstehend aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren hervor.
Es zeigt:
1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer Getriebeanordnung für eine Windkraftanlage,
2 eine schematische Seitenansicht einer modularen Planetenstufe mit vier Planetenrädern, und
3 eine schematische Seitenansicht einer modularen Planetenstufe mit drei Planetenrädern.
Gemäß 1 besteht eine schematisch dargestellte Windkraftanlage im Wesentlichen aus einem Rotor 1, dessen Drehbewegung getriebeeingangsseitig einem Planetengetriebe 2 mit zwei Planetenstufen 3a und 3b zugeht. Das Planetengetriebe 2 vollzieht eine Übersetzung ins Schnelle. Getriebeausgangsseitig ist ein Generator 4 zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen.
Gemäß 2 besteht die getriebeeingangsseitige Planetenstufe 3a in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Hohlrad 5, dessen Innenverzahnung über vier Planetenräder 6a bis 6d mit einem Sonnenrad 7 zusammenwirkt. Die vier Planetenräder 6a bis 6d sind an einem gemeinsamen Planetenträger 8 angebracht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Planetenstufe 3a über den Planetenträger 8 angetrieben, wobei das Hohlrad 5 ortsfest zu einem Getriebegehäuse 9 des – hier nicht weiter dargestellten – Planetengetriebes 2 angeordnet ist. Der Abtrieb erfolgt über das Sonnenrad 7.
Die Planetenstufe 3a ist hinsichtlich der Verzahnung derart ausgelegt, dass die Zähnezahl des Hohlrades 5 und des Sonnenrades 7 jeweils durch die Zahl 12 teilbar ist. Hieraus ergibt sich, dass bei einem Einsatz von vier Planetenrädern 6a bis 6d ein paralleler Zahneingriff innerhalb der Planetenstufe 3a sichergestellt ist. Die Planetenstufe 3a ist modular aufgebaut und gestattet insoweit einen Austausch des Planetenträgers 8 mit den vier Planetenrädern 6a bis 6d.
In 3 ist ein solcher Austausch durch einen Planetenträger 8‘ mit drei Planetenrädern 6a bis 6c dargestellt. Diese drei Planetenräder 6a bis 6c können dann zum Einsatz kommen, falls eine für vier Planetenräder 6a bis 6d ausgelegte Planetenstufe 3a tatsächlich einer um 15 bis 20% geringeren Belastung ausgesetzt ist. Da die Anzahl drei der Planetenräder 6a bis 6c ebenfalls durch die Zähnezahl 12 des Hohlrades 5 und des Sonnenrades 7 ganzzahlig teilbar ist, kann hier – wie auch bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach 2 – ein paralleler Zahneingriff sichergestellt werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die exemplarische Planetenstufe 3a über das Hohlrad angetrieben wird, wobei der Planetenträger ortsfest zum Getriebegehäuse gesetzt ist. Vorzugsweise weisen die Planetenstufen 3a und 3b eine Schrägverzahnung auf. Je nach Belastung und Anwendungsfall ist jedoch auch eine Geradverzahnung möglich.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Planetengetriebe
3: Planetenstufe
4: Generator
5: Hohlrad
6: Planetenrad
7: Sonnenrad
8: Planetenträger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2554839 A1 [0003]

Claims

Planetengetriebeanordnung einer Windkraftanlage, mit einem getriebeeingangsseitig verbindbaren Rotor (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung infolge Windbeaufschlagung sowie einem getriebeausgangsseitig verbindbaren Generator (4) zur Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das Planetengetriebe (2) mindestens eine Planetenstufe (3a, 3b) zur Übersetzung ins Schnelle umfasst, deren Hohlrad (5) per Zahneingriff über drei oder vier an einem Planetenträger (8; 8‘) angeordnete Planetenräder (6a–6c; 6a–6d) mit einem ausgangsseitigen Sonnenrad (7) der Planetenstufe (3a; 3b) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die modulare Planetenstufe (3a, 3a‘) derart ausgelegt ist, dass die Zähnezahl des Hohlrades (5) und des Sonnenrades (7) jeweils durch die Zahl zwölf ganzzahlig teilbar ist, so dass die modulare Planetenstufe (3a, 3a‘) unter Beibehaltung eines parallelen Zahneingriffs wahlweise für eine geringe Belastung mit drei Planetenrädern (6a–6c) und für eine hohe Belastung mit vier Planetenrädern (6a–6d) ausrüstbar ist.
Planetengetriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modulare Planetenstufe (3a; 3a‘) mit einem Planetenträger (8‘) einer ersten Variante für drei Planetenräder (6a–6c) und einem dagegen austauschbaren Planetenträger (8) einer zweiten Variante für vier Planetenräder (6a–6d) ausrüstbar ist.
Planetengetriebeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Planetenräder (6a–6d) zum Einsatz kommen, falls eine für drei Planetenräder (6a–6c) ausgelegte Planetenstufe (3a‘) einer um 20–25% höheren tatsächlichen Belastung ausgesetzt ist.
Planetengetriebeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Planetenräder (6a–6c) zum Einsatz kommen, falls eine für vier Planetenräder (6a–6d) ausgelegte Planetenstufe (3a) einer um 15–20% geringeren tatsächlichen Belastung ausgesetzt ist.
Planetengetriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenstufe (3a; 3a‘) über den Planetenträger (8; 8‘) angetrieben ist, wobei das Hohlrad (5) ortsfest zu einem Getriebegehäuse (9) des Planetengetriebes (2) angeordnet ist.
Planetengetriebeanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrstufigen Planetengetriebe (2) die Planetenstufe (3a; 3a‘) als getriebeeingangsseitige erste Getriebestufe ausgebildet ist.
Planetengetriebeanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Planetenstufe (3a; 3a‘, 3b) aus schrägverzahnten Zahnrädern aufgebaut ist.
Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit einem im Leistungsfluss zwischen Rotor (1) und Generator (4) angeordneten Planetengetriebe (2) einer Planetengetriebeanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche.