DE102018114768A1 - Electric machine assembly for a wind turbine - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Elektromaschinenbaugruppe für eine Windkraftanlage offenbart. Die Elektromaschinenbaugruppe umfasst eine Rotorwelle und mit zumindest eine, einen Drehkörper aufweisenden Elektromaschine, wobei Kopplungsmittel vorgesehen sind, die die Rotorwelle und den Drehkörper der jeweiligen Elektromaschine in einer ersten Position zur Übertragung einer Drehbewegung mechanisch miteinander koppeln, wobei mindestens ein ortsfest angeordnetes Gestell vorgesehen ist, wobei jedes Gestell eine Mehrzahl von Elektromaschinen, bevorzugt mehr als 5, noch mehr bevorzugt mehr als 15 aufnimmt, und wobei jede vom Gestell aufgenommene Elektromaschine um die Rotorwelle herum positioniert angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Windkraftanlage mit einer Elektromaschinenbaugruppe. An electric machine assembly for a wind turbine is disclosed. The electric machine assembly comprises a rotor shaft and at least one electric machine having a rotary body, wherein coupling means are provided which mechanically couple the rotor shaft and the rotary body of the respective electric machine in a first position for transmitting a rotational movement, wherein at least one stationary arranged frame is provided, wherein each rack accommodates a plurality of electric machines, preferably more than 5, more preferably more than 15, and wherein each electric machine received by the rack is positioned around the rotor shaft. Furthermore, the invention relates to a wind turbine with an electric machine assembly.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschinenbaugruppe, insbesondere für eine Windkraftanlage, sowie eine Windkraftanlage mit einer Elektromaschinenbaugruppe.The present invention relates to an electric machine assembly, in particular for a wind power plant, as well as a wind turbine with an electric machine assembly.
Aus dem Stand der Technik sind Windkraftanlagen mit Triebsträngen nach beispielsweise folgenden Prinzipien bekannt:
- 1) Zum einen ist es bekannt, dass eine Rotornabe auf ein Getriebe mit einer Eingangs- und einer Ausgangswelle einwirkt, wobei die Ausgangswelle des Getriebes mit der Eingangswelle eines Generators bzw. einer Elektromaschine verbunden ist. Aufgrund der sehr hohen Eingangsmomente sind die Belastungen auf die einzelnen Zähne, die die Kräfte zwischen der Rotornabe und dem Getriebe übertragen, sehr hoch, so dass diese sehr massiv ausgeführt werden müssen. Weiterhin führen die Verformungen der Zähne während des Eingriffs zu Schwingungsanregungen. Diese Getriebe sind deswegen mehrstufig ausgeführt, da die Übersetzungsverhältnisse zur Ausgangswelle in der Größenordnung von 1 zu 50 liegen. Jedoch verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Triebstranges aufgrund der Mehrstufigkeit des Getriebes und der damit verbundenen Reibung. Beide Faktoren (Übersetzungsverhältnis und Mehrstufigkeit) resultieren in schweren und aufwendigen Getrieben, so dass für große Windräder bzw. Windkraftanlagen diese Ausführung rückläufig ist.
- 2) Zum anderen ist es bekannt, dass bei verschiedenen Ausführungen, bei denen die Rotornabe direkt mit dem Generator bzw. mit einer Elektromaschine verbunden ist, Nabe und Generator mit gleicher Drehzahl drehen. Für die hohen Eingangsdrehmomente müssen diese Generatoren mit einem großen Durchmesser ausgeführt werden (zum Beispiel Größenordnung 12 m). Aufgrund des großen Durchmessers der Direktgeneratoren muss der Luftspalt groß (in der Größenordnung mehrerer cm) ausgeführt werden, wodurch sich ein hoher magnetischer Widerstand und eine geringe Nutzung der magnetischen Erregung ergibt. Im Ergebnis wird beim Einsatz bzw. im Falle von Permanentmagneten für die Erregung viel magnetisches Material mit entsprechend hohen Kosten benötigt. Hinzu kommt, dass aufgrund der Abmessungen diese Generatoren masseintensiv sind.
- 1) First, it is known that a rotor hub acts on a transmission having an input and an output shaft, wherein the output shaft of the transmission is connected to the input shaft of a generator or an electric machine. Due to the very high input torques are the loads on the individual teeth that transmit the forces between the rotor hub and the gearbox, very high, so they must be made very solid. Furthermore, the deformations of the teeth during the procedure lead to vibration excitations. These transmissions are therefore designed in several stages, since the gear ratios to the output shaft in the order of 1 to 50. However, the efficiency of the drive train deteriorates due to the multi-stage transmission and the associated friction. Both factors (gear ratio and multistage) result in heavy and expensive gearboxes, so that this design is declining for large wind turbines or wind turbines.
- 2) On the other hand, it is known that in various embodiments, in which the rotor hub is connected directly to the generator or to an electric machine, hub and generator rotate at the same speed. For the high input torques, these generators must be designed with a large diameter (for example, 12 m). Due to the large diameter of the direct generators, the air gap must be made large (on the order of several cm), resulting in a high magnetic resistance and little use of the magnetic excitation. As a result, in the use or in the case of permanent magnets for the excitation much magnetic material is required at a correspondingly high cost. In addition, due to the dimensions of these generators are mass-intensive.
Es ist demgemäß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektromaschinenbaugruppe sowie eine Windkraftanlage anzugeben, welche die Gesamtmasse und Gesamtkosten, zusammengesetzt aus Generator bzw. Elektromaschine und Getriebe, verringert und/oder Drehmomentschwankungen, welche störende Schwingungen anregen können, verringert bzw. vermeidet.It is accordingly the object of the present invention to provide an electric machine assembly and a wind turbine, which reduces the total mass and total costs, composed of generator or electric machine and transmission, and / or reduces or avoids torque fluctuations that can stimulate disturbing vibrations.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is achieved by the features of the independent claims.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß umfasst bei einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Elektromaschinenbaugruppe, insbesondere für eine Windkraftanlage, eine Rotorwelle und zumindest eine, einen Drehkörper aufweisende Elektromaschine, wobei vorzugsweise Kopplungsmittel vorgesehen sind, die die Rotorwelle und den Drehkörper der jeweiligen Elektromaschine in einer ersten Position zur Übertragung einer Drehbewegung mechanisch miteinander koppeln.According to the invention comprises in a first aspect of the present invention, an electric machine assembly, in particular for a wind turbine, a rotor shaft and at least one rotary body having electric machine, wherein preferably coupling means are provided, the rotor shaft and the rotary body of the respective electric machine in a first position for transmitting a Mechanically couple rotary motion with each other.
Bevorzugterweise ist mindestens ein ortsfest angeordnetes Gestell vorgesehen. Dieses dient der Aufnahme und Weiterleitung von einwirkenden Kräften und Momenten.Preferably, at least one stationary arranged frame is provided. This is used to receive and forward of acting forces and moments.
Ferner ist es bevorzugt, dass jedes Gestell eine Mehrzahl von Elektromaschinen, bevorzugt mehr als 5, noch mehr bevorzugt mehr als 15 aufnimmt, wobei jede vom Gestell aufgenommene Elektromaschine um die Rotorwelle herum positioniert angeordnet ist.Further, it is preferred that each rack house a plurality of electric machines, preferably more than 5, more preferably more than 15, each of the electric machines picked up by the rack being positioned around the rotor shaft.
Mithilfe einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, beispielsweise Elektromaschinen aus dem Bereich der Kraftfahrzeuge bei zum Beispiel einer Windkraftanlage einzusetzen. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Elektromaschinen aus dem Bereich der Kraftfahrzeuge und zur Energieerzeugung aus Windkraft wird die Möglichkeit geschaffen, zum einen eine kostengünstige Alternative zu den bereits bestehenden Elektromaschinen bei Windkraftanlagen einzusetzen und zum anderen durch die modulare Bauweise eine Wartung und Instandhaltung einfacher zu realisieren.By means of such a configuration, it is possible to use, for example, electric machines from the field of motor vehicles in, for example, a wind turbine. The use of a variety of electric machines in the field of motor vehicles and power generation from wind power creates the opportunity to use a cost-effective alternative to the existing electric machines in wind turbines and on the other by the modular design maintenance and repair easier to implement.
Elektromaschinen aus dem Bereich der Kraftfahrzeuge weisen vorzugsweise ein Gewicht von 100 kg, bevorzugt ein Gewicht von 80 kg, vorzugsweise ein Gewicht von 60 kg, günstigerweise ein Gewicht von 40 kg oder bevorzugt ein Gewicht von 20 kg auf.Automobile electric machines preferably have a weight of 100 kg, preferably a weight of 80 kg, preferably a weight of 60 kg, favorably a weight of 40 kg or preferably a weight of 20 kg.
Auch ist es von Vorteil, wenn das jeweilige Kopplungsmittel zwischen Rotorwelle und Drehkörper entweder ein drehkörperseitig vorgesehenes, an der Rotorwelle abrollendes Reibrad oder ein rotorseitig vorgesehenes Zahnrad und ein drehkörperseitig vorgesehenes, mit dem Zahnrad in kämmender Verbindung stehendes Ritzel umfasst. Dadurch, dass das Ritzel mit einem Zahnrad im Eingriff steht oder das Reibrad auf der Rotorwelle abrollt, können mechanische Kräfte und Momente von der Rotorwelle abgenommen und einer Elektromaschine, z. B. ausgebildet als Generator, zugeführt werden. It is also advantageous if the respective coupling means between the rotor shaft and the rotary body comprises either a rotating body side provided, rolling on the rotor shaft friction wheel or a rotor side provided gear and a rotating body side provided, standing in mesh with the gear pinion. Due to the fact that the pinion meshes with a gear wheel or rolls off the friction wheel on the rotor shaft, mechanical forces and moments can be removed from the rotor shaft and fed to an electric machine, e.g. B. designed as a generator supplied.
Ferner ist es bevorzugt, dass jede Elektromaschine einen Momenteneingang umfasst, um ein Drehmoment von der Rotorwelle aufzunehmen.Further, it is preferable that each electric machine includes a torque input to receive a torque from the rotor shaft.
Günstigerweise weist der Momenteneingang das Ritzel bzw. ein Generatorritzel und/oder eine Eingangswelle und/oder ein Distanzelement auf.The torque input advantageously has the pinion or a generator pinion and / or an input shaft and / or a spacer element.
Günstigerweise dient das Distanzelement, insbesondere ausgebildet als Distanzrad, dazu, den optimalen Abstand zwischen Ritzel bzw. Reibrad und Rotorwelle einzustellen. Denn ein Über- oder Unterschreiten des Abstandes, der von dem Distanzelement gewährleistet werden soll, kann zu Beschädigungen der Elektromaschine und/oder der Rotorwelle führen. Dieses Distanzelement kann als Führungsgröße wirken, um zusammen mit einer Anpresskraft den Abstand der Verzahnungen in der Nähe eines gewünschten Sollwertes zu halten.The spacer element, in particular designed as a spacer wheel, expediently serves to set the optimum distance between pinion or friction wheel and rotor shaft. For an exceeding or falling below the distance to be ensured by the spacer can lead to damage to the electric machine and / or the rotor shaft. This spacer can act as a reference variable to hold together with a contact force the distance of the teeth in the vicinity of a desired setpoint.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Distanzelement als Gleitlager oder als Kugellager ausgebildet ist, insbesondere mit einem Außen- und einem Innenring und dazwischen angeordneten Wälzkörpern. Eine derartige Ausbildung reduziert die Reibung zwischen dem Distanzelement und der Rotorwelle bzw. dessen Zahnrad.Furthermore, it is advantageous if the spacer element is designed as a sliding bearing or as a ball bearing, in particular with an outer and an inner ring and arranged therebetween rolling elements. Such a design reduces the friction between the spacer element and the rotor shaft or its gear.
Ferner ist es vorgesehen, dass die Rotorwelle unter einer axialen Last steht oder stehen kann.Furthermore, it is provided that the rotor shaft is or can be under an axial load.
Vorzugsweise ist die jeweils kämmende Verbindung zwischen Ritzel und Zahnrad als Schrägverzahnungspaarung ausgebildet.Preferably, the respective meshing connection between the pinion and gear is formed as a helical gear pairing.
Auch ist es günstig, wenn jede Schrägverzahnungspaarung zwischen Ritzel und Zahnrad eine axiale Kraft entlang der Drehachse der Rotorwelle erzeugt, wobei vorzugsweise alle von den Schrägverzahnungspaarungen erzeugten, auf die Rotorwelle wirkenden axialen Kräfte sich entweder gegenseitig aufheben oder der axialen Last entgegenwirken. Somit kann die einwirkende, mechanische Belastung auf einfache Weise kompensiert bzw. zwischen Rotorwelle und Elektromaschine ausgeglichen / kompensiert werden.It is also advantageous if each helical gear pairing between the pinion and the gear generates an axial force along the axis of rotation of the rotor shaft, wherein preferably all the axial forces generated by the helical gear pairings acting on the rotor shaft either cancel each other out or counteract the axial load. Thus, the acting, mechanical load can be easily compensated or compensated / compensated between rotor shaft and electric machine.
Auch ist es günstig, wenn elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch wirkende Mittel vorgesehen sind, welche zumindest auf die Kopplungsmittel wirken und diese einzeln oder in Gruppen zwischen der ersten Position und einer zweiten, die Kopplung zur Rotorwelle beseitigenden Position hin- und herbewegen. Somit ist eine geregelte relative Bewegung einer Elektromaschine zu der Rotorwelle realisierbar.It is also advantageous if electrically, pneumatically, hydraulically and / or mechanically acting means are provided, which act at least on the coupling means and reciprocate them individually or in groups between the first position and a second, the coupling to the rotor shaft eliminating position , Thus, a controlled relative movement of an electric machine to the rotor shaft can be realized.
Bevorzugterweise umfasst das elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch wirkende Mittel wenigstens einen Aktor, um den Abstand zwischen einer Elektromaschine und der Drehachse der Rotorwelle aktiv zu variieren. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, einzelne Elektromaschinen zu Wartungszwecken während des Betriebs einer gesamten Windkraftanlage zu warten, ohne dass die Windkraftanlage stillstehen muss. Auch ist es mithilfe des Mittels möglich, zum Beispiel entsprechend der Windleistung, die auf eine Windkraftanlage einwirkt, einzelne Elektromaschinen zu- oder wegzuschalten. Somit kann also eine Windkraftanlage entsprechend der Windleistung optimal eingestellt werden, sodass im Ergebnis stets ein Maximum an elektrischer Energie aus der einwirkenden Windkraft bzw. aus der einwirkenden Windleistung gewonnen werden kann.Preferably, the electrically, pneumatically, hydraulically and / or mechanically acting means comprises at least one actuator to actively vary the distance between an electric machine and the axis of rotation of the rotor shaft. In this way it is possible, for example, to maintain individual electric machines for maintenance purposes during the operation of an entire wind turbine without the wind turbine having to stand still. It is also possible by means of the means, for example, according to the wind power, which acts on a wind turbine, to switch on or off individual electric machines. Thus, therefore, a wind turbine can be optimally adjusted according to the wind power, so that in the result always a maximum of electrical energy from the acting wind force or from the acting wind power can be obtained.
Vorteilhafterweise ist die Übersetzungsstufe bzw. das Übersetzungsverhältnis zwischen Rotorwelle und den jeweiligen Drehkörpern größer 20, größer 50, größer 100 oder größer 200. Somit weist vorteilhafterweise also z. B. die Rotorwelle um den Faktor größer 20, größer 50, größer 100 oder größer 200 mehr Zähne auf als das Ritzel einer Elektromaschine.Advantageously, the translation stage or the transmission ratio between the rotor shaft and the respective rotary bodies is greater than 20, greater than 50, greater than 100 or greater than 200. Thus advantageously z. B. the rotor shaft by a factor greater than 20, greater than 50, greater 100 or greater 200 more teeth than the pinion of an electric machine.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn eine Nachführanordnung vorgesehen ist, welche vorzugsweise in der ersten Position von Rotorwelle und Kopplungsmittel auf die jeweiligen Kopplungsmittel wirkt und diese in einem konstanten Radialabstand zur Mantelfläche der Rotorwelle hält, mit welcher die Kopplungsmittel gekoppelt sind.Furthermore, it is advantageous if a Nachführanordnung is provided, which preferably acts in the first position of the rotor shaft and coupling means on the respective coupling means and holds them at a constant radial distance to the lateral surface of the rotor shaft, with which the coupling means are coupled.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Nachführanordnung als Drehaufhängung zur drehbeweglichen Anordnung einer Elektromaschine ausgebildet ist.Furthermore, it is advantageous if the tracking arrangement is designed as a rotary suspension for the rotatable arrangement of an electric machine.
Des Weiteren ist es günstig, wenn die Drehaufhängung ein Drehgelenk aufweist, um welches eine Elektromaschine relativ zum Gestell dreh- bzw. schwenkbar ist.Furthermore, it is advantageous if the rotary suspension has a pivot about which an electric machine is rotatable or pivotable relative to the frame.
Vorzugsweise ist das Drehgelenk der Drehaufhängung bzw. der Nachführanordnung um eine Achse drehbar, die zur Drehachse der Rotorwelle einer Windkraftanlage gleichorientiert ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird es also der Drehaufhängung ermöglicht, radial nach innen und/oder radial nach außen zur Drehachse der Rotorwelle zu schwenken. Konkret ausgeführt bedeutet dies, dass es einer Elektromaschine der Elektromaschinenbaugruppe ermöglicht wird, den Abstand zwischen der Drehachse der Rotorwelle und einem Momenteneingang der Elektromaschine zu variieren. Dadurch können auf einfache Weise Toleranzen beim Zusammenbau einer Windkraftanlage ausgeglichen werden und Spiel zwischen einzelnen Teilen, insbesondere zwischen einer Elektromaschine und der Rotorwelle, eliminiert werden.Preferably, the rotary joint of the rotary suspension or the Nachführanordnung is rotatable about an axis which is the same orientation to the axis of rotation of the rotor shaft of a wind turbine. In other words, it is thus possible for the rotary suspension, radially inward and / or to pivot radially outward to the axis of rotation of the rotor shaft. Concretely, this means that an electric machine of the electric machine module is made possible to vary the distance between the axis of rotation of the rotor shaft and a torque input of the electric machine. As a result, tolerances in the assembly of a wind turbine can be compensated in a simple manner and clearance between individual parts, in particular between an electric machine and the rotor shaft, are eliminated.
Auch ist es günstig, wenn die Drehaufhängung bzw. die Nachführanordnung eine Vorspannfeder umfasst, mit deren Hilfe eine Elektromaschine in eine Richtung, insbesondere in Richtung einer Rotorwelle, vorspannbar ist. Mit anderen Worten, wird die Drehaufhängung mithilfe einer Vorspannfeder in die Lage versetzt, den Abstand zwischen der Drehachse der Rotorwelle und einem Momenteneingang der Elektromaschine bzw. dem Ritzel / Reibrad dynamisch zu verkleinern bzw. zu variieren um so immer einen konstanten Abstand zur Mantelfläche der Rotorwelle zu halten. Auf diese Weise kann eine optimale Übertragung von Kräften von der Rotorwelle zu einer Elektromaschine gewährleistet werden.It is also advantageous if the rotary suspension or the tracking arrangement comprises a biasing spring by means of which an electric machine can be prestressed in one direction, in particular in the direction of a rotor shaft. In other words, the rotary suspension is enabled by means of a biasing spring to dynamically reduce or vary the distance between the axis of rotation of the rotor shaft and a torque input of the electric machine or the pinion / friction so always a constant distance from the lateral surface of the rotor shaft to keep. In this way, an optimal transmission of forces from the rotor shaft to an electric machine can be ensured.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Nachführanordnung als Linearaufhängung zur linearbeweglichen Anordnung einer Elektromaschine ausgebildet ist. So ist es also möglich, eine Elektromaschine entlang einer geraden Strecke oder einer Kurvenbahn zu verfahren.It is also advantageous if the Nachführanordnung is designed as a linear suspension for linearly movable arrangement of an electric machine. So it is possible to move an electric machine along a straight line or a curved path.
Vorzugsweise umfasst die Linearaufhängung ein Feder- und/oder Dämpferelement, entlang welchem eine Elektromaschine relativ zum Gestell oder relativ zur Drehachse der Rotorwelle linear beweglich ist. Günstigerweise ist mit Hilfe der Linearaufhängung eine Elektromaschine in eine Richtung, insbesondere in Richtung der Rotorwelle, vorspannbar. Mit anderen Worten ausgedrückt, versetzt die Linearaufhängung eine Elektromaschine in die Lage, den Abstand zwischen der Drehachse der Rotorwelle und einem Momenteneingang der Elektromaschine bzw. dem Ritzel / Reibrad dynamisch zu variieren.Preferably, the linear suspension comprises a spring and / or damper element, along which an electric machine is linearly movable relative to the frame or relative to the axis of rotation of the rotor shaft. Conveniently, with the help of the linear suspension, an electric machine in one direction, in particular in the direction of the rotor shaft, can be prestressed. In other words, the linear suspension enables an electric machine to dynamically vary the distance between the rotational axis of the rotor shaft and a torque input of the electric machine or the pinion / friction wheel.
Günstigerweise ist die Linearaufhängung entlang einer Achse oder Kurvenbahn verschiebbar, die bevorzugterweise senkrecht zur Drehachse der Rotorwelle orientiert ist. Somit ist es auf einfache Weise möglich, den Abstand zwischen einer Elektromaschine und der Drehachse der Rotorwelle zu variieren.Conveniently, the linear suspension is displaceable along an axis or curved track, which is preferably oriented perpendicular to the axis of rotation of the rotor shaft. Thus, it is easily possible to vary the distance between an electric machine and the axis of rotation of the rotor shaft.
Auch kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Gestell eine erste Reihe und eine zweite Reihe Elektromaschinen aufweist.It can also be provided that at least one frame has a first row and a second row of electric machines.
Vorteilhafterweise sind die Drehkörper der Elektromaschinen, welche in der ersten Reihe zusammengefasst sind, zu den Drehkörpern der Elektromaschinen, welche in der zweiten Reihe zusammengefasst sind, in Umfangsrichtung der Rotorwelle um einen Winkelbetrag versetzt angeordnet.Advantageously, the rotary bodies of the electric machines, which are combined in the first row, are arranged offset in the circumferential direction of the rotor shaft by an angular amount to the rotary bodies of the electric machines, which are summarized in the second row.
Auch können die Drehkörper der Elektromaschinen der beiden Reihen unversetzt zueinander angeordnet sein, wenn die Anbindung zwischen Drehkörper und Momenteneingang mittels eines achsenversetzenden Getriebes oder eine Kardanwelle erfolgt.Also, the rotary body of the electric machines of the two rows can be arranged without displacement to each other, if the connection between the rotary body and torque input by means of an off-axis gearbox or a propeller shaft.
Ferner ist es von Vorteil, wenn ein Gestell mindestens zwei Verstrebungen zum Halten der Elektromaschinen umfasst, wobei vorzugsweise die mindestens zwei Verstrebungen die mechanischen Kräfte und Momente der Elektromaschinen aufnehmen und weiterleiten.Furthermore, it is advantageous if a frame comprises at least two struts for holding the electric machines, wherein preferably the at least two struts receive and relay the mechanical forces and moments of the electric machines.
Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens zwei Verstrebungen mindestens zwei Elektromaschinen aufnehmen.It is also advantageous if at least two struts accommodate at least two electric machines.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Gestell vier Verstrebungen zum Halten der Elektromaschinen umfasst. Diese Verstrebungen bilden ein ausreichend stabiles mechanisches Grundgerüst zur Aufnahme und Weiterleitung von mechanischen Kräften.Furthermore, it can be provided that a frame comprises four struts for holding the electric machines. These struts form a sufficiently stable mechanical framework for receiving and transmitting mechanical forces.
Vorteilhafterweise nehmen jeweils zwei Verstrebungen jeweils mindestens zwei Elektromaschinen auf. Somit ist es also günstig, wenn pro Gestell zwei Verstrebungen jeweils mindestens zwei Elektromaschinen aufnehmen.Advantageously, two struts each receive at least two electric machines. Thus, it is advantageous if per rack two struts each accommodate at least two electric machines.
Günstigerweise weist das Gestell eine erste und eine zweite Verstrebung sowie eine dritte und vierte Verstrebung jeweils zur Aufnahme von Elektromaschinen auf.Conveniently, the frame has a first and a second strut and a third and fourth struts each for receiving electric machines.
Bevorzugterweise sind die Elektromaschinen Generatoren, die von der Rotorwelle angetrieben werden.Preferably, the electric machines are generators that are driven by the rotor shaft.
Auch ist es bevorzugt, dass die Elektromaschinen Elektromotoren sind, die die Rotorwelle antreiben.It is also preferable that the electric machines are electric motors that drive the rotor shaft.
Ferner ist es günstig, dass die Elektromaschinen einzeln oder in Gruppen zueinander bezüglich ihrer Drehmomentwelligkeit phasenverschoben auf die Rotorwelle wirken. Dadurch kann das Anregen des Turms einer Windkraftanlage gemindert werden, was wiederum vorteilhaft in Bezug auf eine Geräuschminderung ist.Furthermore, it is favorable that the electric machines act individually or in groups with respect to each other with respect to their torque ripple phase-shifted on the rotor shaft. As a result, the excitation of the tower of a wind turbine can be reduced, which in turn is advantageous in terms of noise reduction.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Windkraftanlage.A second aspect of the present invention includes a wind turbine.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Elektromaschinenbaugruppe, wie sie unter dem ersten Aspekt erwähnt werden, einzeln oder miteinander kombinierbar bei der Windkraftanlage Anwendung finden können. It is expressly understood that the features of the electric machine assembly as mentioned in the first aspect can be used individually or in combination with each other in the wind turbine application.
Anders ausgedrückt, die oben unter dem ersten Aspekt der Erfindung genannten Merkmale betreffend die Elektromaschinenbaugruppe können auch hier unter dem zweiten Aspekt der Erfindung mit weiteren Merkmalen kombiniert werden.In other words, the features mentioned above under the first aspect of the invention relating to the electric machine assembly can also be combined here with further features in the second aspect of the invention.
Selbstverständlich ist es auch möglich, Merkmale der Windkraftanlage mit Merkmalen der Elektromaschinenbaugruppe zu kombinieren.Of course, it is also possible to combine features of the wind turbine with features of the electric machine assembly.
Vorteilhaftweise umfasst eine Windkraftanlage eine Elektromaschinenbaugruppe nach dem ersten Aspekt.Advantageously, a wind turbine comprises an electric machine assembly according to the first aspect.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Rotorwelle einen Flansch zur Anbindung einer Rotornabe umfasst.Furthermore, it is preferred that the rotor shaft comprises a flange for connecting a rotor hub.
Günstigerweise ist die Rotorwelle mit der Rotornabe der Windkraftanlage verbindbar.Conveniently, the rotor shaft is connectable to the rotor hub of the wind turbine.
Ferner ist es günstig, wenn die Rotorwelle Versteifungsringe, insbesondere an ihren axialen Enden, aufweist. Somit können auf einfache und gewichtssparende Weise mechanische Kräfte aufgenommen und weitergeleitet werden, ohne dass sich die Rotorwelle verformt.Furthermore, it is favorable if the rotor shaft has stiffening rings, in particular at their axial ends. Thus, mechanical forces can be absorbed and relayed in a simple and weight-saving manner without the rotor shaft deforming.
Bevorzugterweise ist die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet.Preferably, the rotor shaft is designed as a hollow shaft.
Auch ist es bevorzugt, dass die Rotorwelle mindestens ein Zentralzahnrad bzw. ein rotorseitig vorgesehenes Zahnrad bzw. ein Zahnrad umfasst. Mithilfe des Zentralzahnrads bzw. des Zahnrades kann das Drehmoment, das auf die Rotorwelle einwirkt, an die Elektromaschinen übertragen werden.It is also preferred that the rotor shaft comprises at least one central gear or a gear or gear provided on the rotor side. By means of the central gear or the gear wheel, the torque acting on the rotor shaft can be transmitted to the electric machines.
Ferner ist es möglich, dass pro Gestell außenseitig auf der Rotorwelle ein Zentralzahnrad / Zahnrad angeordnet ist.Furthermore, it is possible for a central gearwheel to be arranged on the outside of the rotor shaft per frame.
Günstigerweise ist das mindestens eine Zentralzahnrad bzw. das rotorseitig vorgesehene Zahnrad / Zahnrad im Querschnitt T-förmig ausgebildet.Conveniently, the at least one central gear or the rotor side provided gear / gear in cross-section T-shaped.
Auch kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Zentralzahnrad eine Verzahnung zum Kämmen mit einem Momenteneingang einer Elektromaschine bzw. mit einem Ritzel einer Elektromaschine umfasst. Auf diese Weise kann ein Drehmoment von der Rotorwelle auf die Elektromaschinen der Elektromaschinenbaugruppe übertragen werden, um mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln.It can also be provided that the at least one central gear comprises a toothing for combing with a torque input of an electric machine or with a pinion of an electric machine. In this way, torque can be transmitted from the rotor shaft to the electric machines of the electric machine assembly to convert mechanical energy into electrical energy.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das mindestens eine Zentralzahnrad ein horizontales Teilelement umfasst, das an seinen Enden jeweils eine Verzahnung zur Kraftweitergabe an Elektromaschinen aufweist. Mithilfe der Verzahnung ist es möglich, ein Drehmoment von der Rotorwelle zu den Elektromaschinen zu übertragen.Furthermore, it is preferred that the at least one central gear comprises a horizontal sub-element which has at its ends in each case a toothing for the power transmission to electric machines. By means of the toothing, it is possible to transmit a torque from the rotor shaft to the electric machines.
Vorzugsweise weist das horizontale Teilelement des Zentralzahnrads eine linke Verzahnung für eine erste Elektromaschine auf und eine rechte Verzahnung für eine zweite Elektromaschine. Auf diese Weise können Elektromaschinen, die links- und rechtsseitig des Zentralzahnrads angeordnet sind, das Drehmoment der Rotorwelle abgreifen. Bei Verwendung einer Schrägverzahnung und einer entgegengesetzten Schrägung der linken und rechten Verzahnung können sich die axialen Kräfte der Elektromaschinen auf der linken und der rechten Seite gegenseitig kompensieren. Oder bei geeigneter Wahl der Schrägungen ergibt sich eine resultierende axiale Kraft auf die Rotorwelle, welche entgegen der axialen Kraft auf die Rotorwelle an einem Flansch der rotorwelle wirkt. Ferner ist bevorzugt, dass die Momenteneingänge der Elektromaschinen, die an der ersten und zweiten Verstrebung angeordnet sind, auf der einen Seite des Zentralzahnrads angeordnet sind, und vorzugsweise die Momenteneingänge der Elektromaschinen, die an der dritten und vierten Verstrebung angeordnet sind, auf der anderen Seite des Zentralzahnrads angeordnet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt ist es günstig, wenn sich die Momenteneingänge bzw. das Ritzel/Reibrad der Elektromaschinen der ersten/zweiten Verstrebung und der dritten/vierten Verstrebung an jeweils unterschiedlichen Seiten des Zentralzahnrads angeordnet sind. Im Ergebnis ergeben sich somit vorzugsweise Elektromaschinen, deren Momenteneingang jeweils mit dem Zentralzahnrad interagiert, wobei beispielsweise mindestens zwei Elektromaschinen auf der rechten Seite des Zentralzahnrads und zwei Elektromaschinen auf der linken Seite des Zentralzahnrads angeordnet sind. Hierbei ist günstigerweise die Angabe „linke Seite“ und „rechte Seite“ auf das Zentralzahnrad bezogen, das sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt und um eine Drehachse dreht, die in axialer Richtung orientiert ist.Preferably, the horizontal sub-element of the central gear on a left-hand toothing for a first electric machine and a right-hand toothing for a second electric machine. In this way, electric machines, which are arranged on the left and right sides of the central gear, pick up the torque of the rotor shaft. When using a helical toothing and an opposite skew of the left and right teeth, the axial forces of the electric machines on the left and right sides can compensate each other. Or with a suitable choice of the bevels results in a resulting axial force on the rotor shaft, which acts against the axial force on the rotor shaft on a flange of the rotor shaft. Further, it is preferable that the torque inputs of the electric machines arranged on the first and second braces are arranged on the one side of the central gear, and preferably the torque inputs of the electric machines arranged on the third and fourth braces on the other side of the central gear are arranged. In other words, it is favorable when the torque inputs or the pinion / friction wheel of the electric machines of the first / second strut and the third / fourth strut are arranged on respectively different sides of the central gear. As a result, thus preferably result in electric machines whose torque input interacts with the central gear, for example, at least two electric machines are arranged on the right side of the central gear and two electric machines on the left side of the central gear. Here, the term "left side" and "right side" is favorably referred to the central gear, which extends substantially in the radial direction and rotates about a rotation axis which is oriented in the axial direction.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Zentralzahnrad eine Lauffläche für ein Distanzelement einer Elektromaschine umfasst. Das Distanzelement hilft dabei, Temperaturausdehnungen, Elastizitäten, Fertigungs- und Montagetoleranzen zwischen der Rotorwelle der Elektromaschinenbaugruppe und einer einzelnen Elektromaschine bzw. deren Momenteneingang derart zu kompensieren, dass eine Verzahnung an einem Zentralzahnrad und/oder an einem Momenteneingang einer Elektromaschine unter gutem Wirkungsgrad wirkverbunden sind und nicht beschädigt wird. Mittels des Distanzelements und der Anpresskraft wird vorzugsweise eine gewünscht Eingriffstiefe der Verzahnungen weitgehend eingehalten.Furthermore, it is advantageous if the at least one central gear wheel comprises a running surface for a spacer element of an electric machine. The spacer element helps to compensate for temperature expansions, elasticities, manufacturing and assembly tolerances between the rotor shaft of the electric machine assembly and a single electric machine or their torque input such that a toothing on a central gear and / or are operatively connected to a torque input of an electric machine with good efficiency and is not damaged. By means of the spacer element and the contact pressure, a desired engagement depth of the teeth is preferably largely maintained.
Vorzugsweise ist zwischen den beiden Verzahnungen (linke und rechte Verzahnung) eine Lauffläche für ein Distanzelement angeordnet. Somit stellt also das Zentralzahnrad mit der Lauffläche eine Auflagefläche für ein Distanzelement zur Verfügung, wobei sich das Distanzelement an der Auflagefläche abstützen kann.Preferably, a running surface for a spacer element is arranged between the two toothings (left and right toothing). Thus, therefore, the central gear with the tread a support surface for a spacer available, with the spacer can be supported on the support surface.
Ferner ist bevorzugt, dass das mindestens eine Zentralzahnrad bzw. das mindestens eine rotorseitig vorgesehene Zahnrad ein vertikales Teilelement zur Anbindung an die Rotorwelle umfasst. Mithilfe des vertikalen Teilelements kann auf einfache Weise ein Drehmoment der Rotorwelle zu den Elektromaschinen übertragen werden.It is further preferred that the at least one central gear or the at least one gear provided on the rotor side comprises a vertical subelement for connection to the rotor shaft. By means of the vertical sub-element, a torque of the rotor shaft can be transmitted to the electric machines in a simple manner.
Auch ist es möglich, dass die Nachführanordnung auf das Zentralzahnrad derart einwirkt, dass das Drehmoment der Rotorwelle über das Zentralzahnrad auf die Elektromaschinen übertragen wird, um mechanische Energie und elektrische Energie umzuwandeln. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es von Vorteil, wenn die Nachführanordnung bzw. die Vorspannfeder der Nachführanordnung die Elektromaschine in Richtung des Zentralzahnrads bewegt bzw. drückt bzw. presst. Somit kann stets eine Verbindung zwischen der Rotorwelle und den einzelnen Elektromaschinen geschaffen werden, sodass zu jedem Zeitpunkt ein Maximum an elektrischer Energie gewonnen werden kann.It is also possible that the Nachführanordnung acts on the central gear such that the torque of the rotor shaft is transmitted via the central gear to the electric machines to convert mechanical energy and electrical energy. In other words, it is advantageous if the Nachführanordnung or the biasing spring of the Nachführanordnung moves the electric machine in the direction of the central gear or presses or pressed. Thus, a connection between the rotor shaft and the individual electric machines can always be created, so that at any time a maximum of electrical energy can be obtained.
Vorteilhafterweise umfasst jede Elektromaschine einen Momenteneingang, der mit der Verzahnung des Zentralzahnrads kämmt, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.Advantageously, each electric machine includes a torque input that meshes with the teeth of the central gear to convert mechanical energy into electrical energy.
Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.Hereinafter, the inventive idea presented above is expressed in other words in addition.
Dieser Gedanke betrifft vorzugsweise - vereinfacht dargestellt - eine Elektromaschinenbaugruppe für eine Windkraftanlage, bei der mehrere Elektromaschinen auf einem Umfang von Zentralzahnrädern vorgesehen sind, die günstigerweise an einer Rotorwelle vorgesehen und vorzugsweise mit einer Rotornabe gekoppelt sind.This idea preferably relates - in simplified form - to an electric machine assembly for a wind power plant, in which a plurality of electric machines are provided on a circumference of central gears, which are advantageously provided on a rotor shaft and preferably coupled to a rotor hub.
Vorteilhafterweise sind die Elektromaschinen unter Verwendung von kleinen Ritzeln bzw. Momenteneingängen mit jeweiligen Zentralzahnrädern gekoppelt.Advantageously, the electric machines are coupled to respective central gears using small pinions or torque inputs.
Anders ausgedrückt wird vorzugsweise eine Windkraftanlage mit einem Triebstrang nach folgendem Prinzip geschaffen:
- a) Vorteilhafterweise ist eine Rotornabe mit einer Rotorwelle verbunden und treibt diese an, so dass vorzugsweise Rotornabe und Rotorwelle mit gleicher Drehzahl drehen.
- b) Auf der Rotorwelle ist vorzugsweise mindestens ein Zentralzahnrad / Zahnrad mit großem Außendurchmesser (z.B. ca. 3 m) und hoher Zähnezahl (z.B. 3163) angeordnet, welches günstigerweise von der Rotorwelle angetrieben werden.
- c) Auf dem Umfang des mindestens einen Zentralzahnrads bzw. des mindestens einen Zahnrades ist vorzugsweise eine Vielzahl kleiner elektrischer Maschinen bzw. Elektromaschinen (z.B. aus E-Mobility Anwendungen) angeordnet, welche mittels eines Momenteneingangs bzw. mittels kleiner Ritzel (z. B. 31 Zähne) an das zugehörige Zentralzahnrad bzw. an das rotorseitig vorgesehene Zahnrad angebunden und als elektrischer Generator betreibbar sind.
- d) Die einzelnen E-Maschinen bzw. jede Elektromaschine ist elastisch montiert, so dass diese einen radialen Positionsfehler der Verzahnung auf dem Zentralzahnrad ausgleichen können. Axiale Positionsfehler werden vorzugsweise mittels breiter Verzahnungen ausgeglichen.
- e) Eine Anpassung an diverse Leistungen kann mittels Variation der Länge der Rotorwelle und Variation der Anzahl der Zentralzahnräder sowie Anzahl der E-Maschinen bzw. Elektromaschinen je Zentralzahnrad erfolgen.
- f) Vorzugsweise hat die Zentralverzahnung eine Referenzkontur bzw. eine Referenzfläche bzw. eine Lauffläche für ein Distanzelement, welche in radialer Richtung zur Verzahnung auf dem Zentralzahnrad bemaßt ist.
- g) Mittels eines Distanzelementes wird vorzugsweise auf Basis der Referenzkontur der Abstand zwischen den Verzahnungen bzw. die Eingriffstiefe der Verzahnungen nahe einem Sollwert gehalten, wobei vorzugsweise ein kleines Verzahnungsmodul verwendet werden kann, so dass das Verzahnungsmodul günstigerweise klein im Verhältnis zum Durchmesser des Zentralzahnrades gewählt werden kann, insbesondere in einer Größenordnung kleiner 1/50, kleiner 1/100, kleiner 1/200, kleiner 1/500, kleiner 1/1000, kleiner 1/2000.
- h) In der Folge kann dann zusammen mit dem Generatorritzel mit nur einer Übersetzungsstufe eine Übersetzung größer 20, größer 50, größer 100 oder größer 200 erreicht werden kann.
- a) Advantageously, a rotor hub is connected to a rotor shaft and drives it, so that preferably rotor hub and rotor shaft rotate at the same speed.
- b) On the rotor shaft is preferably at least one central gear / gear with a large outer diameter (eg, about 3 m) and a high number of teeth (eg 3163) are arranged, which are favorably driven by the rotor shaft.
- c) on the circumference of the at least one central gear or the at least one gear is preferably a plurality of small electric machines or electric machines (eg from e-mobility applications) arranged, which by means of a torque input or by means of small pinion (eg 31 Teeth) connected to the associated central gear or to the rotor-side provided gear and are operable as an electric generator.
- d) The individual electric machines or each electric machine is elastically mounted so that they can compensate for a radial position error of the toothing on the central gear. Axial position errors are preferably compensated by means of wide teeth.
- e) An adaptation to various services can be done by varying the length of the rotor shaft and variation of the number of central gears and number of E-machines or electric machines per central gear.
- f) Preferably, the central toothing has a reference contour or a reference surface or a running surface for a spacer element, which is dimensioned in the radial direction to the toothing on the central gear.
- g) By means of a spacer element is preferably kept based on the reference contour of the distance between the teeth or the depth of engagement of the teeth near a desired value, preferably a small toothing module can be used, so that the toothed module are favorably chosen small in relation to the diameter of the central gear can, in particular in the order of less than 1/50, less than 1/100, less than 1/200, less than 1/500, less than 1/1000, less than 1/2000.
- h) As a result, together with the generator pinion with only one gear ratio, a ratio greater than 20, greater than 50, greater than 100 or greater than 200 can be achieved.
Aufgrund des großen Durchmessers eines Zentralzahnrads und der kleinen Ritzel eines Momenteneingangs der einzelnen elektrischen Maschinen bzw. Elektromaschinen wird günstigerweise in nur einer Stufe eine sehr hohe Übersetzung ins Schnelle erzielt, so dass vorzugsweise die kleinen elektrischen Maschinen viel schneller drehen (ca. Faktor
Aufgrund der Vielzahl der kleinen Elektromaschinen mit jeweils einer eigenen Verzahnungsanbindung an das jeweilige Zentralzahnrad, muss vorzugsweise jede Verzahnungsanbindung nur ein Bruchteil des Drehmomentes von der Rotornabe übertragen, so dass die einzelnen Zähne nur geringen Belastungen ausgesetzt werden.Due to the large number of small electrical machines, each with its own tooth connection to the respective central gear, preferably each tooth connection only a fraction of the torque transmitted from the rotor hub, so that the individual teeth are exposed to only low loads.
Indem bevorzugterweise die Phasen der Drehmomentwelligkeiten der einzelnen Elektromaschinen gezielt zueinander versetzt angeordnet werden, ergibt sich vorzugsweise eine Gesamtanregung mit äußerst geringer Erregungsamplitude und sehr hoher Ordnung. Diese sind leichter zu beherrschen.By preferably the phases of the torque ripples of the individual electric machines are arranged offset from each other selectively, preferably results in a total excitation with extremely low excitation amplitude and very high order. These are easier to control.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch:
-
1 eine 3-D-Ansicht einer Elektromaschinenbaugruppe; -
2 einen Schnitt der Elektromaschinenbaugruppe; -
3 ein Teil der Elektromaschinenbaugruppe ohne Rotorwelle; -
4 einen Teilbereich der Elektromaschinenbaugruppe; -
4a einen Schnitt durch eine Elektromaschine; -
5 die Elektromaschinen einer Elektromaschinenbaugruppe ohne Rotorwelle und ohne Abstützungen; -
6 einen umrandeten Ausschnitt aus6 vergrößert; -
7 einen Schnitt entlang eines Ritzels einer der Elektromaschinen; -
8 einen Schnitt entlang eines Ritzels einer der Elektromaschinen ohne Halterung; -
9 ein Detail Ritzel und Distanzrad; und -
10 Prinzip einer Kompensation der abweisenden Verzahnungskräfte.
-
1 a 3-D view of an electrical machine assembly; -
2 a section of the electric machine assembly; -
3 a part of the electric machine assembly without rotor shaft; -
4 a portion of the electric machine assembly; -
4a a section through an electric machine; -
5 the electric machines of an electric machine assembly without rotor shaft and without supports; -
6 an outlinedsection 6 increased; -
7 a section along a pinion of one of the electrical machines; -
8th a section along a pinion of one of the electric machines without a holder; -
9 a detail pinion and spacer wheel; and -
10 Principle of compensation of the repulsive toothing forces.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.Below is the description of an embodiment.
Es wird auf
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.In the following description, like reference characters will be used for like items.
Genauer dargestellt, zeigt
Hierbei weisen die Elektromaschinen
Auch hat die Elektromaschinenbaugruppe
In
Nachstehend wird
Die Elektromaschinenbaugruppe
Entlang dieser Hauptwelle
Die einzelnen Gestelle
In der nach
Es wird darauf hingewiesen, dass dies nur eine beispielhafte Ausführung ist und die Anzahl der Gestelle
An einem Flansch
Genauer dargestellt, ist in
Hierbei ist zu erkennen, dass die Rotorwelle
Ferner zeigt
Zwischen den beiden Enden der Rotorwelle
Gemäß
Die Elektromaschinen
Des Weiteren geht aus
Genauer geschildert, weist jedes Gestell
Dabei nehmen - wie bereits erwähnt -jeweils zwei Verstrebungen
Die Verstrebungen
Nachstehend wird
Sichtbar ist in
Weiterhin ist beispielhaft die Lagerung der Rotorwelle
In der Nähe zum Flansch
In der Nähe des entgegengesetzten Endes treten deutlich geringere radiale Kräfte auf, weiterhin müssen noch die axialen Kräfte aufgenommen werden. Dies erfolgt z. B. mittels zweier Schrägkugellager
Im Bereich der Lager
Bei den sechs Gestellen
Ein Teil der Elektromaschinen
Der Bereich „A“ ist in
Das Gestell
Die Elektromaschinen
An der Rotorwelle
Ferner ist in
Des Weiteren ist in
Nachstehend wird
Jedem Gestell
Rechts und links des Zentralzahnrades
Die einzelnen Elektromaschinen
In der genannten Figur ist sowie auch in
Hierbei geht aus
Im konkreten Fall nach
Genauer geschildert, hat die Nachführanordnung
Die Dreh- bzw. Schwenkbewegung einer Elektromaschine ist beispielhaft bei einer der Elektromaschinen
Das Drehgelenk
Wie
Zwar nicht in den Figuren gezeigt, wird jedoch der Vollständigkeit halber erwähnt, dass elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch wirkende Mittel vorgesehen sein können, welche zumindest auf die Kopplungsmittel
Somit kann also der Abstand zwischen einer elektrischen Maschine bzw. einer Elektromaschine
Alternativ zu einem Drehgelenk der Nachführanordnung
In einem solchen Fall hat günstigerweise die Linearaufhängung ein Feder- und/oder Dämpferelement, entlang welchem eine Elektromaschine
Auch ist bevorzugt, wenn die Linearaufhängung entlang einer Achse verschiebbar ist, die bevorzugterweise senkrecht zur Drehachse
Nachstehend wird
Sichtbar ist in
Die einzelnen Elektromaschinen
Die Ursachen für diese Positionsfehler können z. B. sein: Rundlauffehler, Wärmeausdehnungen der Verzahnung auf dem Zentralzahnrad
In der hier dargestellten Ausführung ist dies beispielhaft realisiert, indem jede Elektromaschine
Eine Drehung im Drehgelenk
Mittels einer Abstützung (in dieser Figur nicht sichtbar) vorzugsweise koaxial zur Eingangswelle bzw. zum Momenteneingang (nicht in
Das Drehgelenk zusammen mit der Abstützung am Zentralzahnrad
Mittels der Federkraft der Vorspannfedern
Aufgrund der Schwerkraft ist für eine ähnliche Anpresskraft der einzelnen Elektromaschine
Alternativ zu den Vorspannfedern
Dies ergibt weiterhin die Möglichkeit einzelne Elektromaschinen
Dies ist z. B. zwecks Anpassung der Anzahl der aktiven Elektromaschinen in Abhängigkeit der aktuell benötigten Generatorleistung bzw. in Abhängigkeit der aktuellen Windverhältnisse notwendig. Weiterhin ermöglicht eine gezielte Abkopplung einzelner Elektromaschinen
Im Falle einer aktiven Abstandspositionierung bzw. einer Bewegungsvorrichtung mit einem Aktor bzw. mit einem elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch wirkende Mittel pro Elektromaschine ergibt sich die Möglichkeit mittels Sensoren die aktuelle Verzahnungsposition zu erkennen und die Elektromaschinen
Eine aktive Anpressung / Vorspannung kann z. B. mittels eines pneumatischen oder hydraulischen Zylinders bzw. mittels eines elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch wirkenden Mittels unterstützend parallel oder alternativ zur Vorspannfeder
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorspannfeder
Ein erneutes Einspuren während des Betriebes kann erreicht werden, indem die Elektromaschine zuerst auf eine synchrone Drehzahl beschleunigt wird (so dass die Verzahnung des Ritzels bzw. des Momenteneingangs und die Verzahnung des Zentralzahnrades
Zusammengefasst zeigen also
Auch sind Kopplungsmittel
Auch umfasst die Elektromaschinenbaugruppe
Zwecks Darstellung sind also die Zentralwelle
Ansonsten sind die gleichen Elemente sichtbar, welche bereits in den vorhergehenden Figuren beschrieben wurden.Otherwise, the same elements are visible, which have already been described in the preceding figures.
Mehr Details zur Ausführung werden in
Wie zu erkennen, hat jede Elektromaschine
Ferner hat - wie bereits erwähnt - die Elektromaschinenbaugruppe
Gemäß
Anders ausgedrückt, umfasst der Momenteneingang
Hierbei ist das Distanzelement
Das Distanzelement
Alternativ ist es möglich, dass das Distanzelement
Auch ist in
Die Nachführanordnung
Hierbei kämmt der Momenteneingang
Nochmals mit anderen Worten beschrieben, zeigt
Ferner ist bei der Zusammenschau der
Nachstehend wird
Die Elektromaschinen
Das Zentralzahnrad
Die einzelnen Ritzel
Die Distanzräder bzw. Distanzelemente
Die Lauffläche
Indem die Distanzräder
Die Kraft, mit der sich die Distanzräder
Die Ausführungen betreffend die
So ist
Hierbei hat das Zentralzahnrad
Das horizontale Teilelement des Zentralzahnrads
Genannte Verzahnung
Ferner erstreckt sich die Verzahnung
Auch hat das Zentralzahnrad
Des Weiteren ist zu erwähnen, was jedoch nicht
Jede Schrägverzahnungspaarung zwischen Ritzel
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach
Nachstehend wird
Der in
Die Elektromaschine
Insbesondere kann die hier als Elektromaschine
Bei einer Ausführung mit integriertem Getriebe müssen die Eingangswelle zur Elektromaschine
Das Zentralzahnrad
Diese Referenzfläche
Die Verzahnung des Ritzels
Das breite Ritzel
Wie
Die Lauffläche
Bei entsprechender Ausführung der Verzahnung, so dass diese auch radiale Kräfte abstützen kann, kann auf ein Distanzrad bzw. Distanzelement
Ferner zeigt
Der Bereich „c“ wird in
Sichtbar sind in einer weiteren Perspektive verschiedene Elemente, welche bereits in einigen der vorherigen Figuren erläutert wurden. Es wird daher der Einfachheit und Kürze halber auf die Ausführungen betreffend die vorangehenden Figuren verwiesen.Visible are in a further perspective various elements, which have already been explained in some of the previous figures. It is therefore for the sake of simplicity and brevity on the References to the previous figures.
In dieser Figur ist der Ausschnitt „c“ aus der
In der hier gezeigten Ausführung ist das Distanzrad bzw. das Distanzelement
Der Außenring
Das Kugellager muss somit nur noch geringe Drehzahlunterschiede zwischen dem Innenring
Je nach Auslegung des Durchmessers des Laufrades im Verhältnis zum Abrolldurchmesser des Ritzels
Bei geeigneter Wahl der Abmessungen, kann die relative Drehzahl größer, kleiner oder gleich null abgestimmt werden. Bei einer Abstimmung mit nur noch sehr kleinen Relativdrehzahlen, kann das Kugellager auch durch ein Gleitlager ersetzt werden. Im Extremfall bei einer Abstimmung auf eine Relativdrehzahl nahe „null“ kann das Lager komplett entfallen, so dass das Distanzrad
Die Vorspannfeder
Unter Drehmomentbelastung der Verzahnung des Ritzels
Ohne Gegenmaßnahmen würden die abweisenden Kräfte
Um einen sicheren Zahneingriff auch ohne sehr starker Vorspannfeder
In
Die abweisende Verzahnungskraft
Da das abweisende
Es sei noch erwähnt, dass mit dem Bezugszeichen
Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel weist vorzugsweise die folgenden Eigenschaften auf:
- - vorzugsweise Verwenden einer Vielzahl kleiner Generatoren bzw. Elektromaschinen aus Serienfertigung (z. B. Automobilbereich - E-Mobility), welche zusammen die geforderte Gesamtleistung ergeben.
- - vorzugsweise Anbindung der einzelnen Generatoren bzw.
Elektromaschinen 3 andie Rotorwelle 2 mittels eines großen Zentralzahnrades5 auf der Rotorwelle2 und kleine Ritzel 6 auf der Generatorwelle17 bzw. auf der Eingangswelle17 , wobei das Modul der Verzahnung an die geringen Momente eines einzelnenGenerators 3 angepasst ist. Dies ergibt vorzugsweise ein kleines Verzahnungsmodul (z. B. in der Größenordnung2 ) im Verhältnis zum Durchmesser desZentralzahnrades 5 . Daraus folgt eine hohe Zähneanzahl (Größenordnung1000 Zähne und mehr) des Zentralzahnrades5 , welche in Kombination mit dem kleinenRitzel 6 ander Generatorwelle 17 eine einstufige Übersetzung in der Größenordnung von z. B.50 bis mehreren100 ermöglicht. Falls dieÜbersetzung vom Zentralzahnrad 5 auf das Ritzel 6 des Generators bzw.der Elektromaschine 3 nicht ausreichend ist, kann für eine weitere Drehzahlanpassung, vorden einzelnen Generatoren 3 eine dedizierte Getriebestufe je Generator /Elektromaschine 3 ergänzt werden.
- - vorzugsweise Aufhängung des
Generators 3 bzw.der Elektromaschine 3 mittels eines Gelenkes bzw. eines Drehgelenks, so dass der Generator bzw. die Elektromaschine radiale Fehler (radiale Bewegungen) mittels einer Bewegung im Gelenk bzw. im Drehgelenk ausgleichen kann. - - vorzugsweise stellt ein Distanzrad bzw.
ein Distanzelement 18 sicher, dass der Achsabstand (Abstand der Verzahnungen) konstant bleibt. Dieses kann z. B. als Kugellager ausgeführt sein. Je nach Auslegung erfolgt nur eine geringe Dreharbeit über dieses Lager, so dass auch auf Gleitlager ausgewichen werden kann. - - vorzugsweise erfolgt die Aufhängung des
Generators 3 mittels Gelenk so, dass die abweisenden Verzahnungskräfte drehmomentabhängig kompensiert werden können. - - vorzugsweise wird mittels einer Feder bzw. einer
Vorspannfeder 15 eine ausreichende Vorspannung erzeugt und eventuell die Gewichtskraft kompensiert, so dass eine Abstützung über das Distanzrad bzw.das Distanzelement 18 gewährleistet ist. - - vorzugsweise werden, zum Ausgleich axialer Positionsfehler zwischen
Ritzel 6 und Zahnrad 5 , die beispielsweise durch Fertigungsungenauigkeiten oder unterschiedliche Wärmeausdehnungen hervorgerufen werden, besonders breiteRitzel 6 eingesetzt. - - vorzugsweise sind die Verzahnungen für die rechte und linke Hälfte der Generatorkränze eines Zentralzahnrades
1x rechts und 1x links schrägverzahnt, so dass die axialen Kräfte aufgrund der Schrägverzahnung entgegengesetzt wirken.Auf das Zentralzahnrad 5 wirken somit nur minimale axiale Kräfte. Die Motorkränze rechts und links einesZentralzahnrades 5 stützen sich gegenseitig in axialer RichtungA ab. - - vorzugsweise Phasenversatz zwischen den einzelnen Generatoren bzw.
Elektromaschinen 3 , so dass die Restwelligkeiten des Drehmomentes der einzelnen Generatoren3 zueinander phasenverschoben aufdas Zentralzahnrad 5 wirken. Ggf. sind rotationssymmetrisch einzelne Generatoren bzw.Elektromaschinen 3 auch in Phase zueinander, so dass radiale Kräfte auf dieZentralwelle 2 bzw.Rotorwelle 2 minimiert werden. - - vorzugsweise kann ein Zugang zum Innenbereich der Rotornabe für Zuleitungen und Wartungsarbeiten durch den
Innendurchmesser der Hauptwelle 2 bzw.Rotorwelle 2 erfolgen, welche vorzugsweise aus Gewichtsgründen hohl ausgeführt ist.
- preferably using a large number of small generators or electric machines from mass production (eg automobile sector - e-mobility), which together result in the required overall performance.
- - preferably connection of the individual generators or
electric machines 3 to therotor shaft 2 by means of a largecentral gear 5 on therotor shaft 2 andsmall sprockets 6 on thegenerator shaft 17 or on theinput shaft 17 , where the modulus of gearing to the low moments of asingle generator 3 is adjusted. This preferably results in a small gearing module (eg of the order of magnitude2 ) in relation to the diameter of thecentral gear 5 , This results in a high number of teeth (order of magnitude1000 Teeth and more) of thecentral gear 5 , which in combination with thesmall pinion 6 at the generator shaft17 a one-step translation of the order of z. B.50 to several100 allows. If the translation from thecentral gear 5 on thepinion 6 of the generator or theelectric machine 3 is not sufficient, for another speed adjustment, before the individual generators3 a dedicated gear stage per generator /electric machine 3 be supplemented.
- - Preferably suspension of the
generator 3 or theelectric machine 3 by means of a joint or a swivel joint, so that the generator or the electric machine can compensate for radial errors (radial movements) by means of a movement in the joint or in the swivel joint. - - Preferably, a spacer or a
spacer element 18 sure that the center distance (spacing of the gears) remains constant. This can be z. B. be designed as a ball bearing. Depending on the design, only a small amount of turning work takes place via this bearing, so that it is also possible to avoid sliding bearings. - - Preferably, the suspension of the
generator 3 by means of a joint so that the repellent toothing forces can be compensated depending on the torque. - - Is preferably by means of a spring or a biasing
spring 15 generates a sufficient bias voltage and possibly compensates the weight, so that a support via the spacer or thespacer element 18 is guaranteed. - - Preferably, to compensate for axial position error between
pinion 6 andgear 5 , which are caused for example by manufacturing inaccuracies or different thermal expansions, especiallywide pinion 6 used. - - Preferably, the teeth for the right and left half of the generator rings of a central gear
1x right and 1x left helical teeth, so that the axial forces act in opposite directions due to the helical gearing. On thecentral gear 5 Thus, only minimal axial forces act. The engine wreaths right and left of acentral gear 5 support each other in the axial directionA from. - - Preferably phase offset between the individual generators or
electric machines 3 , so that the residual ripples of the torque of eachgenerator 3 out of phase with each other on thecentral gear 5 Act. Possibly. Are rotationally symmetrical individual generators orelectric machines 3 also in phase with each other, allowing radial forces on thecentral shaft 2 orrotor shaft 2 be minimized. - - Preferably, access to the interior of the rotor hub for leads and maintenance through the inner diameter of the
main shaft 2 orrotor shaft 2 take place, which is preferably made hollow for weight reasons.
Mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden günstigerweise die folgenden Vorteile erzielt:
- - vorzugsweise geringeres Gesamtgewicht (ca. 100 To statt ca. 220 To).
- - vorzugsweise modularer Aufbau, so dass eine einfache Skalierung der Leistung möglich ist.
- - vorzugsweise hohe Wiederverwendbarkeit der komplexen Bauteile (Generatoren, Leistungselektronik), Anpassungen an Leistung, etc. erfolgt mittels relativ einfachem Maschinenbau.
- - vorzugsweise geringer bzw. dünner magnetischer Luftspalt, geringe Magnetische Widerstände im Generator/Elektromaschine => Hohe Leistungsdichte, bei reduziertem Aufwand zur magnetischen Erregung.
- - vorzugsweise geringerer Materialeinsatz für Elektromaschine, da nur auf dem Umfang verteilt (innerer Bereich „Hohl“)
- - vorzugsweise verwenden von E-Motoren bzw. Elektromaschinen aus der Serie. Hohe Stückzahlen des einzelnen E-Motors (Skaleneffekte bei der Herstellung). => Geringere Gesamtkosten als für einen großen Generator in Sonderfertigung.
- - vorzugsweise ist der Motor für das E-Wheel-Drive ist bereits für flexible Aufhängung ausgelegt.
- - vorzugsweise Modularität / Fehlertoleranz bei Ausfall einzelner E-Motoren bzw. einzelner Elektromaschinen.
- - vorzugsweise Verteilung der Zahnbelastung auf viele kleine Kontakte (Zahnräder müssen nicht so massiv ausgeführt werden wie bei einem zentralen Getriebe).
- - vorzugsweise Schwingungen mit nur geringer Amplitude und hoher Frequenz aufgrund der Vielzahl der Quellen (leichter zu isolieren / teilweise gegenseitige Auslöschung).
- - vorzugsweise Dank der vielen Generatoren viele Freiheitsgrade um Schwingungen aktiv zu dämpfen.
- - vorzugsweise mögliche weitere Gewichtsreduzierung in der Gondel, indem die Hauptwelle bzw. die
Rotorwelle 2 aus Verbund-Werkstoff hergestellt wird. - - vorzugsweise mehr Freiheitsgrade zur Lagerung der Hauptnabe der Windkraftanlage.
Die lange Hauptwelle 2 ermöglicht z. B. die Lagerung auf zwei relativ weit auseinanderliegender Lager aufzuteilen. Z.B. vorne in der Nähe der Nabe ein Lager spezialisiert auf hohe radiale Kräfte. Am anderen Ende günstigerweise ein Lager für axiale Kräfte und nur geringere radiale Kräfte.
- - Preferably lower total weight (about 100 To instead of about 220 To).
- - Preferably modular design, so that a simple scaling of performance is possible.
- - Preferably high reusability of the complex components (generators, power electronics), adjustments to performance, etc. takes place by means of relatively simple engineering.
- - Preferably low or thin magnetic air gap, low magnetic resistance in the generator / electric machine => High power density, with reduced effort for magnetic excitation.
- - Preferably less material used for electric machine, as distributed only on the circumference (inner area "hollow")
- - preferably using electric motors or electric machines from the series. High quantities of the individual electric motor (economies of scale in production). => Lower overall costs than for a large generator in special production.
- - Preferably, the engine for the E-Wheel-Drive is already designed for flexible suspension.
- - Preferably modularity / fault tolerance in case of failure of individual electric motors or individual electric machines.
- - Preferably distribution of tooth load on many small contacts (gears do not need to be as massive as a central gear).
- preferably low amplitude, high frequency vibrations due to the multiplicity of sources (easier to isolate / partially cancel each other out).
- - Thanks to the many generators many degrees of freedom to actively damp vibrations.
- - Preferably possible further weight reduction in the nacelle, by the main shaft or the
rotor shaft 2 made of composite material. - - Preferably more degrees of freedom for storage of the main hub of the wind turbine. The long
main shaft 2 allows z. B. divide the storage on two relatively widely spaced bearings. For example, in the front near the hub a bearing specializing in high radial forces. At the other end favorably a bearing for axial forces and only lower radial forces.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorhergehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.Although the present invention has been described above with reference to an embodiment, it should be understood that various embodiments and changes can be made without departing from the scope of the present invention as defined in the appended claims.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Offenbarung der Zeichnung verweisen.With regard to further features and advantages of the present invention, reference is expressly made to the disclosure of the drawing.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abtrieb einer WindkraftanlageOutput of a wind turbine
- 22
- Rotorwellerotor shaft
- 33
- Elektromaschineelectric machine
- 3.13.1
- Gehäusecasing
- 3A3A
- Elektromaschine linksElectric machine on the left
- 3B3B
- Elektromaschine rechtsElectric machine on the right
- 44
- Drehkörperrotating body
- 4.14.1
- Rotorrotor
- 4.24.2
- Wellewave
- 55
- Zahnradgear
- 5A5A
- Verzahnung linksToothing left
- 5B5B
- Verzahnung rechtsToothing right
- 66
- Ritzelpinion
- 77
- Gestellframe
- 88th
- elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch wirkendes Mittelelectrically, pneumatically, hydraulically and / or mechanically acting means
- 99
- Nachführanordnungtracking array
- 9.19.1
- Drehgelenkswivel
- 1010
- Flanschflange
- 1111
- Versteifungsringstiffening ring
- 12A12A
- Verstrebungbrace
- 12B12B
- Verstrebungbrace
- 12C12C
- Verstrebungbrace
- 12D12D
- Verstrebungbrace
- 13A13A
- RadiallageranordnungRadial bearing arrangement
- 13B13B
- SchrägkugellageranordnungAngular contact ball bearing assembly
- 1414
- Versteifungskranzstiffening ring
- 1515
- Vorspannfederbiasing spring
- 1616
- Momenteneingangmoment input
- 1717
- Eingangswelleinput shaft
- 1818
- Distanzelementspacer
- 18A18A
- Außenringouter ring
- 18B18B
- Innenringinner ring
- 1919
- Lauffläche für DistanzelementTread for spacer
- 2020
- Verbindung elektrische Maschine an Drehgelenk Connection electric machine to swivel
- AFAF
- abweisende Verzahnungskraftrepellent toothing force
- TFTF
- tangentiale Kraft aufgrund des übertragenen Drehmoments tangential force due to the transmitted torque
- M1M1
- abweisendes Drehmomentrepellent torque
- M2M2
- anpressendes Drehmoment pressing torque
- D1D1
- Abstand Drehachse des Drehgelenks zur tangentialen KraftDistance of the rotary axis of the rotary joint to the tangential force
- D2D2
- Abstand Drehachse des Drehgelenks zum Angriffspunkt der Verzahnung parallel zur tangentialen Kraft Distance of rotation axis of the swivel joint to the point of application of the toothing parallel to the tangential force
- DD
- Drehachseaxis of rotation
- UU
- Umfangsrichtungcircumferentially
- AA
- axiale Richtungaxial direction
- RR
- radiale Richtungradial direction
- SS
- Doppelpfeildouble arrow
Claims (10)
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DE102017129918 | 2017-12-14 |
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-
2018
- 2018-06-20 DE DE102018114768.6A patent/DE102018114768A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |