DE10255745A1 - Directly driven wind power system with bearing integrated in generator has generator rotor or hub radially between and/or axially adjacent to generator stator and rotor and supported on stator housing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine direkt angetriebene und damit getriebelose Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates directly to one driven and thus gearless wind turbine according to the generic term of claim 1.
Derartige direkt angetriebene Windenergieanlagen haben den Vorteil, dass durch vergleichsweise kurze Lastpfade zwischen deren Rotorblätter und dem Windkraftanlagenturm ein Leichtbau der lastaufnehmenden Bauteile möglich ist, die die Rotorblätter sowie die Generatorteile tragenden.Such directly driven wind turbines have the advantage that due to comparatively short load paths between their rotor blades and the wind turbine tower a lightweight construction of the load-bearing components possible which is the rotor blades as well as the generator parts.
Bei bisher bekannten Windenergieanlagen stellt das zwischen der Rotornabe und dem Generator angeordnete Getriebe eine ganz erhebliche Fehlerquelle dar. Getriebelose Anlagen gewinnen daher zunehmend an Interesse. Ein Nachteil bisher bekannter direkt angetriebener Windenergieanlagen ist ihr gegenüber anderen Windenergieanlagen mit Getriebe deutlich größeres Gondelgewicht, das zudem mit zunehmender Anlagengröße auch noch überproportional zunimmt. Bei sehr großen Anlagen der 5 MW Klasse ist dieses z.B. um etwa den Faktor zwei größer als bei sogenannten Hybridanlagen mit nur einer Getriebestufe. Die Reduktion des Gondelgewichts ist für die wirtschaftliche Realisierung von großen direkt angetriebenen Anlagen daher von entscheidender Bedeutung.In previously known wind turbines the gear arranged between the rotor hub and the generator a very significant source of errors. Gearless systems win therefore increasingly interested. A disadvantage of previously known direct powered wind turbines compared to other wind turbines with gearbox significantly larger gondola weight, this also disproportionately with increasing plant size increases. With very large ones Plants in the 5 MW class are e.g. greater than by a factor of two in so-called hybrid systems with only one gear stage. The reduction of the gondola weight is for the economical implementation of large, directly driven systems therefore crucial.
Hinsichtlich des Gondelgewichts sind im wesentlichen die drei Baugruppen Rotorblätter, Generator und Kraftübertragungselemente wie Rotornabe, Lagerung und Maschinenträger zu optimieren.With regard to the gondola weight essentially the three assemblies rotor blades, generator and power transmission elements such as optimizing the rotor hub, bearing and machine carrier.
Zur Reduzierung des Rotorblattgewichts und damit auch der in Kraftflussrichtung nachfolgenden Komponenten bieten sich auf neueren Werkstofftechnologien basierende Leichtbautechniken an. Dieser Ansatz wird z.B. mit dem gezielten Einsatz von Kohlefasern umgesetzt, hier aber nicht weiter betrachtet.To reduce the rotor blade weight and thus also the components that follow in the direction of force flow offer lightweight construction techniques based on newer material technologies on. This approach is e.g. with the targeted use of carbon fibers implemented, but not considered here.
Hinsichtlich des Generators lassen sich Gewichtsersparnisse zunächst durch Erhöhung der Kraftdichten erzielen. Neben einer geeigneten Auslegung des magnetischen Kreises können die Kraftdichten aber auch mechanisch durch Verringerung des Luftspalts erhöht werden. Dieser Ansatz wird im folgenden zusammen mit einer Optimierung des Lastpfades von den Rotorblättern zum Turm weiterverfolgt.Let go of the generator weight savings first by increasing of the force densities. In addition to a suitable interpretation of the magnetic circuit can the force densities but also mechanically by reducing the air gap elevated become. This approach is followed along with an optimization the load path from the rotor blades pursued to the tower.
Deutliche Gewichtsersparnisse lassen
sich durch eine verbesserte Ankopplung der Rotornabe an den Generator
bzw. der Einkopplung der Rotorblattkräfte in den Generator erzielen.
Eine Möglichkeit
ist hier durch den Einsatz von Hohlwellen gegeben. Auf zwei Lagern
beruhende Hohlwellen-Lösungen sind
in
Um den Aufwand für die Lagerung weiter zu reduzieren, wurden auch vermehrt sogenannte Einlagerkonzepte realisiert, bei denen ein einziges Lager die von den Rotorblät tern kommenden Kräfte und Kippmomente aufnimmt. Hierzu sind Windenergieanlagen mit Getrieben bekannt, bei denen dieses Lager als Hauptlager der ersten Getriebestufe ausgebildet ist.To further reduce storage effort, So-called storage concepts were also increasingly implemented, at which a single bearing the forces and tilting moments coming from the rotor blades receives. For this purpose, wind turbines with gears are known in which this bearing is designed as the main bearing of the first gear stage.
Bei direkt angetriebenen Anlagen
muss dieses Lager zusätzlich
noch die vom Generator herrührenden
Kräfte
und Momente aufnehmen. In diesem Zusammenhang wird auf die WO 01/98655
A1 für Außenläufer-Generatoren
mit axialem Feld und auf die
Weiterhin kommt bei Scheibenläufern erschwerend hinzu, dass hohe axiale Kräfte im Fall einer unsymmetrischen Läuferposition abgefangen werden müssen. Dies erfordert eine sehr steife und damit auch schwere Bauweise des Generatorläufers.Furthermore, disc rotors make things more difficult added high axial forces in the case of an asymmetrical rotor position must be intercepted. This requires a very rigid and therefore heavy construction of the generator rotor.
Da sich die beiden zuletzt genannten
Windenergieanlagen prinzipiell nur dadurch unterscheiden, dass in
der WO 01/98655 A1 eine Einlagerlösung für einen Außenläufer und in der
Bei der in der
Verbesserungen an dieser aus der
Wie
In Kenntnis dieses Standes der Technik und seiner Nachteile ist es die Aufgabe der Erfindung, mittels einer Verkürzung der mechanischen Lastpfade zu einer deutlichen Gewichtsreduktion einer Windenergieanlage im Bereich der Anlagengondel am Turmkopf zu gelangen.Knowing this state of the art and its disadvantages, it is the object of the invention, by means of a shortening the mechanical load paths to a significant weight reduction a wind turbine in the area of the turbine nacelle on the tower head to get.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.The solution to this problem results derive from the features of the main claim, while advantageous embodiments and developments of the invention can be found in the subclaims.
Demnach ist bei der erfindungsgemäßen Windenergieanlage vorgesehen, dass an der Spitze eines Windenergieanlagenturms ein Maschinenträger angeordnet ist, bei dem eine Maschinenträgerkonstruktion einen Generatorstator trägt. Darüber hinaus ist am Turmkopf eine die Rotorblätter tragende Nabe angeordnet, die an dem Generatorläufer befestigt ist. Diese Windenergieanlage ist des weiteren so ausgebildet, dass der Generatorläufer oder die mit dem Generatorläufer verbundene Nabe radial zwischen und/oder in unmittelbarer Nähe axial neben dem Generatorstator und dem Generatorläufer gelagert ist, wobei sich dieses Lager auf dem Statorgehäuse abstützt.Accordingly, in the wind power installation according to the invention provided that at the top of a wind turbine tower machine support is arranged, in which a machine support structure a generator stator wearing. About that in addition, a hub carrying the rotor blades is arranged on the tower head, the on the generator runner is attached. This wind turbine is further designed that the generator runner or the one with the generator rotor connected hub radially between and / or axially in the immediate vicinity is mounted next to the generator stator and the generator rotor, whereby this bearing on the stator housing supported.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, dass der Generatorläufer im Generatorstator besser als bisher möglich zentriert wird, so dass große, durch Unsymmetrien bedingte Kräfte nicht mehr auftreten können und zudem der Luftspalt zur Erhöhung der Kraftdichte verringerbar ist.With this structure it is possible that the generator runner is centered better than previously possible in the generator stator, so that size, forces caused by asymmetries can no longer occur and also the air gap to increase the force density can be reduced.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Lagerung der Nabe oder des Generatorläufers mit nur einem einzigen Lager, das als Wälzlager oder Gleitlager ausgebildet sein kann. Sofern das Lager ein Wälzlager ist, sollte dieses als Schrägrollenlager, vorzugsweise als zweireihiges Schrägrollenlager ausgebildet sein.In a preferred embodiment the bearing of the hub or the generator rotor takes place with only a single bearing, which is designed as a roller bearing or plain bearing can be. If the bearing is a roller bearing, this should as an inclined roller bearing, preferably be designed as a double-row inclined roller bearing.
In einer anderen Variante der Erfindung sind wenigstens zwei Lager zur Lagerung des Generatorläufers vorgesehen, die seitlich neben den Wicklungen des Generatorstators und den Erregerpolen des Generatorläufer angeordnet sind.In another variant of the invention at least two bearings are provided for mounting the generator rotor, the side next to the windings of the generator stator and the excitation poles of the generator runner are arranged.
Sofern die Wahl für die Lagerung der Nabe oder des Generatorläufers auf ein Gleitlager fällt, wird einhydrostatisch ausgebildetes Gleitlager als geeignet angesehen. Dieses Gleitlager kann als segmentiertes Gleitlager ausgebildet sein, das die Polschuhe des Generators integriert ist. Darüber hinaus kann in dem Generator oder neben dem Generator ein trockenes Gleitlager als Notlager zwischen dem Statorgehäuse und dem Generatorläufer angeordnet sein.If the choice for the storage of the hub or of the generator rotor falls on a plain bearing, a hydrostatic slide bearing is considered suitable. This plain bearing can be designed as a segmented plain bearing be that the pole shoes of the generator is integrated. Furthermore can a dry plain bearing in the generator or next to the generator arranged as an emergency camp between the stator housing and the generator rotor his.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass der Generatorläufer durch eine elektrische Segmentierung des Generatorstators oder bei elektrischer Erregung durch eine sich auf dem Generatorläufer befindliche Erregerwicklung magnetisch gelagert ist. Dabei ist die erforderliche Regelleistung durch Veränderung der Position des Generatorläufers gegenüber dem Generatorstator minimierbar.In another embodiment of the However, the invention can also provide that the generator rotor runs through electrical segmentation of the generator stator or electrical Excitation from an excitation winding located on the generator rotor is magnetically mounted. Thereby is the required control power by changing the Position of the generator rotor across from the generator stator can be minimized.
Zum einfacheren Transport der Bauteile der erfindungsgemäßen Windenergieanlage ist diese in einer Weiterbildung der Erfindung zumindest hinsichtlich des Generators, der Lager und der Nabe segmentiert aufgebaut.For easier transport of the components the wind turbine according to the invention is this in a further development of the invention at least with regard of the generator, the bearings and the hub are segmented.
Eine leichtere Zusammenbaubarkeit
am Aufstellort der Windenergieanlage wird in einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung dadurch erreicht, dass die Rotorblätter in der Nabe
Durch diesen Aufbau ist es möglich, dass mit Hilfe von in der Nabe und/oder in dem Statorgehäuse angeordneten Zug- und Umlenkvorrichtungen, wie beispielsweise Seilwinden und Umlenkrollen, die konischen Rotorblattholme zur Montage der jeweiligen Rotorblätter an der Nabe in diese hineinziehbar sind. Hierdurch wird eine einfache, kostengünstige und schnelle Montage der Rotorblätter durch „Hineinziehen" der Anschlüsse in die Nabe auch ohne externen Kran möglich, so dass auch unter widrigen Umgebungseinflüssen eine Rotorblattmontage realisierbar ist.With this structure it is possible that with the help of arranged in the hub and / or in the stator housing Traction and deflection devices, such as winches and pulleys, the conical rotor blade spars can be pulled into the hub for mounting the respective rotor blades are. This makes installation simple, inexpensive and quick of the rotor blades by "pulling" the connections into the Hub also possible without an external crane so that even under adverse environmental influences, rotor blade assembly is feasible.
Diese Befestigungs- und Montageform
verringert zudem die Kraftdichte insbesondere bei größeren Generator-
bzw. Nabendurchmessern und spart zusätzlich Gewicht ein, da die
Rotorblätter
nun nicht wie bei dem bisher üblichen
sogenannten „IKEA-Rotorblattanschluss" an der Nabe befestigt werden,
bei dem das Rotorblatt stumpf auf die Nabe aufgesetzt wird. Im Gegensatz
zu der in
Die eine Windkraftanlage nach dem Stand der Technik sowie zwei erfindungsgemäße Windkraftanlagen sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt. Darin zeigenThe one wind turbine after the State of the art and two wind turbines according to the invention are in the attached Drawing shown. Show in it
Bei der in
Darüber hinaus sind Rotorblätter
Diese Nabe
Da der Maschinenträger
Der Abstand zwischen dem Generatorläufer
Es ist nahe liegend, dass der Generator
nach dem selben Schema auch als Außenläufer realisiert werden kann.
Die Anbindung über
den Maschinenträger
Bei der in
Ein segmentiertes (hydrostatisches)
Gleitlager kann so in die Polschuhe des Generators integriert sein,
dass der Luftspalt gegenüber
der in
Während
ein Gleitlager wie das Lager
Da auch beim Rusregeln von Böen auch nur ein Bruchteil der normalen Erregerleistung erforderlich ist, ist eine wirtschaftliche Realisierung dieser technischen Lösung mög lich. Die Auslegung der Segmentierung und Regelung erfolgt entsprechend dem Können eines diesbezüglichen Fachmanns.Since also with the gust rules only a fraction of the normal excitation power is required an economical implementation of this technical solution is possible. The The segmentation and control are interpreted accordingly Can of a related one Expert.
Genauso wie der Leistungsbedarf des Magnetlagers durch eine nicht zentrische Ausrichtung der Rotordrehachse gegenüber dem Generatorstator reduziert werden kann, kann auch ein mechanisches Lager entlastet werden. Dazu wird die Rotordrehachse gegenüber dem Generatorstator so justiert, dass die Generatornormalkräfte im Mittel typische Betriebslasten zumindest teilweise kompensieren. Eine geeignete Ausrichtung der Normalkräfte relativ zur Drehachse kann hier naturgemäß unterstützend wirken.Just like the power requirement of the Magnetic bearing through a non-centric alignment of the rotor axis of rotation across from the generator stator can be reduced, a mechanical bearing be relieved. To do this, the rotor axis of rotation is compared to the Generator stator adjusted so that the generator normal forces on average at least partially compensate for typical operating loads. A suitable one Alignment of normal forces relative to the axis of rotation can naturally have a supporting effect here.
Der Vorteil der Gleit- und Magnetlager ist zunächst in der gegenüber Wälzlagern vergrößerten bzw. annähernd unbegrenzten Lebensdauer zu sehen. Zudem ist beim Einsatz eines Wälzlagers die Generatorgröße bei dem hier vorgestellten Konzept transportbedingt auf ca. 4 m begrenzt. Bei einer Gleit- oder Magnetlagerung kann hingegen der Generator zusammen mit dem Lager geteilt werden und somit der Straßentransport und die Montage vereinfacht werden.The advantage of plain and magnetic bearings is first in the opposite roller bearings enlarged or nearly see unlimited lifespan. In addition, when using a roller bearing the generator size at the The concept presented here is limited to approx. 4 m due to transport. In the case of plain or magnetic bearings, however, the generator can work together to be shared with the warehouse and thus the road transport and assembly be simplified.
Weiterhin ist in
Nicht weiter betrachtet wird hier
die Anbindung des Generators an den Turm
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass eine günstige und den jeweiligen Randbedingungen angepasste Ausgestaltung der Windenergieanlage durch eine beliebige Kombination der oben beschriebenen Merkmale gefunden werden kann. Die vorgeschlagenen Lösungen sind zudem auf jede Generatoranordnung wie auch Scheibenläufer etc. anwendbar. Ein Konzept für eine wirtschaftliche Anlage ist durch eine Optimierung des Gesamtsystems entwickelbar.It is apparent to the person skilled in the art that a favorable and the respective boundary conditions adapted design of the wind turbine can be found by any combination of the features described above. The proposed solutions can also be applied to any generator arrangement, such as disc rotors, etc. A concept for an economical system can be developed by optimizing the overall system.
- 11
- Rotorblattrotor blade
- 22
- Nabehub
- 33
- Generatorläufergenerator rotor
- 44
- Lagercamp
- 55
- Hohlachsehollow shaft
- 66
- Erregerpolexciter
- 77
- Generatorstatorgenerator stator
- 88th
- Statorgehäusestator
- 99
- Maschinenträgermachine support
- 1010
- Turmtower
- 1111
- RotorblattholmRotor blade spar
- 1212
- Nabehub
- 1313
- Generatorläufergenerator rotor
- 1414
- Luftspaltair gap
- 1515
- Zugvorrichtunghitch
- 1616
- Generatorstatorgenerator stator
- 1717
- Erregerpolexciter
- 1818
- RotorblattlagerRotor blade bearings
- 1919
- RotorblattlagerRotor blade bearings
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