DE202008010748U1

DE202008010748U1 - Verstelleinrichtung für eine Windenergieanlage

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Publication number: DE202008010748U1
Application number: DE202008010748U
Authority: DE
Original assignee: Stromag GmbH
Current assignee: Stromag GmbH
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2018-08-09

Abstract

Verstelleinrichtung für eine Windenergieanlage (1) zum Einstellen einer Azimutausrichtung und/oder einer Pitchausrichtung umfassend mindestens einen Antriebsmotor (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (2) weiter mindestens eine mit dem Antriebsmotor (20) wirkverbundene Induktionsbremse (3) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für eine Windenergieanlage zum Einstellen einer Azimutausrichtung und/oder einer Pitchausrichtung umfassend mindestens einen Antriebsmotor.
Windenergieanlagen umfassend einen Turm und einen an dem Turm angeordneten Rotor mit mindestens einem verstellbaren Rotorblatt sind beispielsweise aus der EP 1 882 852 A1 bekannt. Der Rotor ist in einem Maschinenhaus an der Spitze des Turms gelagert. Bei derartigen Windenergieanlagen ist üblicherweise eine Windrichtungsnachführung zur Ausrichtung des Rotors in Richtung des Windes vorgesehen. Durch einen sogenannten Azimutantrieb, welcher üblicherweise zwischen der Spitze des Turmes und dem Maschinenhaus angeordnet ist, ist dabei eine Azimutposition des Maschinenhauses einstellbar. Weiter ist es bekannt, sogenannte Pitchantriebe vorzusehen, durch welche ein Anströmwinkel eines Rotorblatts durch eine Drehung des Rotorblatts um seine Längsachse verstellbar ist. Der Azimutantrieb und der Pitchantrieb weisen jeweils eine Verstelleinrichtung auf.
Um eine notwendige Auslegung der Verstelleinrichtung für hohe Drehmomente zu vermeiden, ist es aus der EP 1 882 852 A1 bekannt, eine Steuerung für den Motor vorzusehen, die das auftretende Drehmoment an dem Motor auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt. Zum Halten des Maschinenhauses oder des Rotorblattes in einer bestimmten Position ist eine hydraulische Bremse und/oder eine Elektrobremse vorgesehen. Ein zum Halten durch die Elektrobremse erzeugtes Drehmoment ist auf ein vorbestimmtes Drehmoment begrenzt.
Im Betrieb einer Windenergieanlage können aufgrund von Windböen oder dergleichen hohe Kräfte in der Verstelleinrichtung auftreten. Dabei ist es bekannt, durch den Motor eine Bremskraft aufzubringen. Bei hohen Drehzahlen kann es jedoch vorkommen, dass durch den Motor keine ausreichenden Bremsmomente mehr aufbringbar sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verstelleinrichtung zu schaffen, die auch bei zeitweise hohen Belastungen sicher arbeitet und nur geringe Verschleißerscheinungen aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verstelleinrichtung für eine Windenergieanlage zum Einstellen einer Azimutausrichtung und/oder einer Pitchausrichtung umfassend mindestens einen Antriebsmotor und mindestens eine mit dem Antriebsmotor wirkverbundene Induktionsbremse.
Induktionsbremsen übertragen ein Drehmoment ohne mechanische Berührung zwischen Antrieb und Abtrieb. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt dabei induktiv. Ein maximal übertragbares Drehmoment ist von der Stärke eines Magnetfelds und bei Elektromagnetfeldern damit von einem Erreger- oder Spulenstrom abhängig. Die Induktionsbremse ist kann sowohl dynamisch als auch statisch ein Drehmoment aufbringen. Im Stillstand der Verstelleinrichtung und/oder nach einem Verstellvorgang wird ein statisches Drehmoment aufgebracht. Ein zwischen Antrieb und Abtrieb ausgebildeter Magnetkreis nimmt dabei eine Stellung ein, in welcher ein magnetischer Fluss seinen Höchstwert erreicht, d. h. in welcher an Antrieb und Abtrieb ausgebildete Pole sich gegenüber stehen. Bei einer Belastung der Induktionsbremse durch ein äußeres Drehmoment können sich die Pole zueinander verschieben bis ein Kippmoment erreicht wird, ab welchem keine statische Drehmomentenübertragung mehr möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verstelleinrichtung weiter ein Getriebe, wobei die Induktionsbremse zwischen dem Antriebsmotor und dem Getriebe angeordnet ist. Die Induktionsbremse ist dabei in einer Ausgestaltung auf bekannte Weise mit einer Abtriebswelle des Antriebsmotor und/oder einer Eingangswelle des Getriebes wirkverbunden.
Der Antriebsmotor ist vorzugsweise als Asynchronmotor ausgebildet. Dabei sind in einer Ausgestaltung der Erfindung mehrere Antriebsmotoren zur Verstellung oder Einstellung einer Azimutausrichtung vorgesehen.
In einer Ausgestaltung ist der Abtrieb als feststehender Ankerring und der Antrieb als ein in dem Ankerring rotierend gelagerter Rotor ausgebildet. Der Rotor und der Ankerring sind konzentrisch angeordnet. Zwischen dem Rotor und dem Ankerring ist ein Luftspalt ausgebildet, so dass sich der Rotor und der Ankerring nicht berühren.
Vorzugsweise umfasst der Rotor eine Spule. Die Spule ist vorzugsweise auf bekannte Weise zwischen zwei Klauenelementen gehalten, wobei beim Bestromen der Spule an den Klauen magnetische Nord- und Südpolen erzeugt werden. Eine Stromversorgung der Spule erfolgt auf bekannte Weise mittels mindestens einer Bürste und mindestens einem Schleifring.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Ankerring Ausnehmungen, vorzugsweise Ausfräsungen, in Axialrichtung auf, so dass Pole und Pollücken gebildet sind. Die Pollücken sind in einer Ausgestaltung mit Aluminium gefüllt.
In einer weiteren Ausgestaltung sind Mittel vorgesehen, durch welche die Induktionsbremse im dynamischen Betrieb zum Aufbringen eines Bremsmomentes betreibbar ist. Unter einem dynamischen Betrieb wird in diesem Zusammenhang ein Einsatz bezeichnet, bei welchem ein Antrieb der Induktionsbremse eine Sollbewegung durchführt. Ohne Bestromung wird dabei kein Bremsmoment durch die Induktionsbremse aufgebracht. Durch den Einfluss einer Windböe oder dergleichen kann es im dynamischen Betrieb der Verstelleinrichtung zu einer sogenannten Übersynchronisation des Antriebsmotors kommen, d. h. einer Drehzahl oberhalb eines Kipppunktes des Antriebsmotors. Oberhalb des Kipppunktes fällt ein von dem Motor aufbringbares Moment stark ab. Der Kipppunkt liegt beispielsweise bei einer Drehzahl von ca. 1000 U/min. Durch die erfindungsgemäßen Mittel wird mittels der Induktionsbremse ein Bremsmoment aufgebracht, so dass dieser Effekt ausgleichbar ist. Vorzugsweise sind Mittel derart gestaltet, dass durch Regeln des Erregerstroms ein benötigtes Antriebsmoment konstant gehalten ist. Die Induktionsbremse ist hierfür in einer Ausgestaltung durch einen Impuls des Drehzahlgebers betätigbar.
Alternativ oder zusätzlich sind Mittel vorgesehen, um die Induktionsbremse im statischen Betrieb als Haltebremse zu betreiben. Durch die Haltebremse wird die Verstelleinrichtung im Stillstand in einer gewünschten Position gehalten. Vorzugsweise wirkt die Haltebremse nur kurzfristig beim Übergang zwischen einer Windnachführung und einem Stillstand, wobei anschließend eine weitere Feststelleinrichtung ein Bremsmoment aufbringt. Im Betrieb als Haltebremse wird durch Bestromen der Induktionsbremse im Stillstand oder Quasi-Stillstand ein Haltemoment aufgebracht. Das maximale Haltemoment der Haltebremse kann dabei durch einen geeigneten Erregerstrom eingestellt werden. Bei Überschreiten des maximalen Drehmoments kommt es zu einem Schlupf („Überratschen"), wobei nach der Schlupfbewegung die Induktionsbremse im dynamischen Bereich arbeitet, d. h. dass Wirbelstromeffekte durch ständige Flussänderungen aufgrund der sich verändernden Überdeckung der Pole von Antrieb und Abtrieb auftreten. Eine derartige Haltebremse zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Haltebremsen durch die erhöhte Sicherheit aus.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Azimutantrieb und/oder einen Pitchantrieb mit einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung. Der Azimutantrieb umfasst vorzugsweise ein Planetengetriebe, wobei die Induktionsbremse zwischen dem Antriebsmotor und dem Planetengetriebe angeordnet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Die Figuren zeigen schematisch:
1: eine geschnittene Seitenansicht eines Ausschnitts einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Azimutantrieb,
2: eine Draufsicht auf eine Induktionsbremse einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung und
3: eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Induktionsbremse gemäß 2.
1 zeigt die Spitze einer Windenergieanlage 1 umfassend einen nur abschnittsweise dargestellten Turm 10 und ein daran drehbar gelagertes, ebenfalls nur abschnittsweise dargestelltes Maschinenhaus 11. An dem Maschinenhaus 11 ist ein nicht dargestellter Rotor gelagert. Das Maschinenhaus 11 ist über ein Azimutlager umfassend einen mit dem Maschinenhaus 11 drehfest verbundenen Lagerring 12 und einen mit dem Turm 10 verbundenen feststehenden Zahnkranz 13 drehbar gelagert. Durch einen feststehenden Bremsring 14 und zwei mit diesem zusammenwirkenden Bremsbacken 15 kann das Maschinenhaus 11 in einer bestimmten Azimutausrichtung gehalten werden. Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 2 ist die Azimutausrichtung durch Drehung des Maschinenhauses um eine Achse A veränderbar.
Die Verstelleinrichtung 2 umfasst einen Antriebsmotor 20, insbesondere einen Drehstrom-Asynchronmotor, und ein Getriebe 21, wobei zwischen dem Antriebsmotor 20 und dem Getriebe 21 eine Induktionsbremse 3 vorgesehen ist. Das Getriebe 21 ist beispielsweise als Planetengetriebe ausgeführt. Auf einer Abtriebswelle 23 des Getriebes 21 ist ein Ritzel 13a angeordnet, das mit dem Zahnkranz 13 kämmt, um eine Azimutausrichtung zu verändern.
Erfindungsgemäß wirkt die Induktionsbremse 3 als dynamische Kupplung oder Schlupfkupplung, um den Einfluss von Windböen auszugleichen. Windböen, die an dem Maschinenhaus 11 während einer Windnachführung angreifen, können hohe Drehzahlschwankung an dem Antriebsmotor 20 verursachen. Dieser Effekt ist durch die hohen Übersetzungen verstärkt. Anregungen durch Windböen oder ähnliches können daher als Folge haben, dass der Antriebsmotor 20 zumindest kurzfristig oberhalb seines Kipppunktes läuft. Oberhalb des Kipppunktes, welcher beispielsweise bei einer Drehzahl von ca. 1000 U/min erreicht wird, fällt ein maximales Moment des Antriebsmotors 20 ab. Die Induktionsbremse 3 wird daher erfindungsgemäß ab einer Drehzahl oberhalb oder im Bereich des Kipppunktes, beispielsweise oberhalb ca. 1000 U/min, betätigt. Dadurch kommt es zu einer weichen Abbremsung. Die Induktionsbremse 3 wird dafür entsprechend bestromt. Ohne anliegenden Erregerstrom wird durch die Induktionsbremse 3 kein Bremsmoment aufgebracht. Durch geeignete Stromzufuhr kann ein Abtriebsmoment im Wesentlichen konstant gehalten werden, so dass der Einfluss von Windböen minimiert wird. Die Drehzahl ist in einer Ausgestaltung durch einen Drehzahlgeber 5 erfassbar.
An einem dem Getriebe 21 abgewandten Ende des Motors 20 sind in der dargestellten Ausführungsform eine Haltebremse 4 und der Drehzahlgeber 5 vorgesehen. Die Haltebremse 4 wirkt im Stillstand und/oder im Übergang zu einem Stillstand der Versteileinrichtung nach einer Windnachführung. Die Haltebremse 4 dient vorwiegend dazu, das Maschinenhaus 11 nach einem Verstellvorgang in einer Ausrichtung zu halten, bis die Bremsbacken 15 ihre volle Wirkung erbringen. Die Funktion der Haltebremse 4 wird in anderen Ausgestaltungen durch die Induktionsbremse 3 zumindest teilweise übernommen, so dass die Haltebremse 4 entfallen kann. Die Induktionsbremse 3 wird zu diesem Zweck im Stillstand betrieben, d. h. eine Drehzahl eines Rotors der Induktionsbremse 3 ist in etwa Null. In Abhängigkeit eines anliegenden Erregerstroms ist dabei ein Haltemoment der Induktionsbremse 3 einstellbar. Nachdem die Bremsbacken 15 ihre volle Wirkung aufbringen, kann der Erregerstrom abgeschaltet werden.
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Induktionsbremse 3 gemäß 1, wobei in 2 eine Bürste 30 zur Versorgung der Induktionsbremse 3 mit einem Erregerstrom sichtbar ist.
3 zeigt schematisch in einer teilweise freigeschnittenen Seitenansicht die Induktionsbremse 3 gemäß 2. Die dargestellte Induktionsbremse 3 umfasst einen Spulenträger 31 und einen Spulendeckel 32, zwischen welchen auf bekannte Weise eine Spule 33 klauenartig gehalten wird. Die Spule 33 liegt einem feststehenden Ankerring 34 gegenüber. Zur Stromversorgung der Spule 33 ist ein Schleifring 35 vorgesehen, welcher mit der Bürste 30 zusammenwirkt. Der Schleifring 35 ist auf einem Schleifringträger 36 angeordnet. Durch die Stromversorgung der Spule 3 werden an Klauen des Spulenträgers 31 und des Spulendeckels 32 magnetische Nord- und Südpole erzeugt. Der Ankerring 34 weist sich in Axialrichtung erstreckende, nicht sichtbare Ausnehmungen auf, so dass sich abwechselnde Pole und Pollücken gebildet werden.
Wie durch gestrichelte Linien dargestellt, ist an den Stirnseiten des Ankerrings 34 jeweils ein Flansch oder dergleichen zur Anbindung an den Motor 20 und das Getriebe 21 gemäß 1 vorgesehen.
Zur besseren Kühlung der Induktionsbremse 3 sind Kühlrippen 37 und Durchbrüche 38 vorgesehen.
Wie oben beschrieben, wirkt die Induktionsbremse 3 sowohl dynamisch als auch statisch. Im statischen Betrieb wird ein Haltemoment aufgebracht, wobei in Abhängigkeit eines anliegenden Erregerstroms ein Haltemoment der Induktionsbremse 3 einstellbar. Wird das eingestellte Haltemoment überschritten, so kommt es zu einem sogenannten Überratschen. Nach dem Überratschen der Pole arbeitet die Induktionsbremse 3 im dynamischen Bereich, wobei sich die Position der aufgrund des Erregerstroms ausgebildeten magnetischen Polen relativ zu den Polen und Pollücken des Ankerrings 34 verändert. Durch die wechselnde Überdeckung der Pole kommt es zu einer ständigen Flussänderung und damit zu einem Wirbelstromeffekt, welcher ebenfalls ein Abbremsen bewirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1882852 A1 [0002, 0003]

Claims

Verstelleinrichtung für eine Windenergieanlage (1) zum Einstellen einer Azimutausrichtung und/oder einer Pitchausrichtung umfassend mindestens einen Antriebsmotor (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (2) weiter mindestens eine mit dem Antriebsmotor (20) wirkverbundene Induktionsbremse (3) umfasst.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (2) weiter ein Getriebe (21) umfasst, wobei die Induktionsbremse (3) zwischen dem Antriebsmotor (20) und dem Getriebe (21) angeordnet ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (20) als Asynchronmotor ausgebildet ist.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb als feststehender Ankerring (34) und der Antrieb als in dem Ankerring (34) gelagerter Rotor ausgebildet ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine Spule (33) umfasst.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerring (34) Ausnehmungen in Axialrichtung aufweist, so dass Pole und Pollücken gebildet sind.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pollücken mit einem Material, insbesondere Aluminium, gefüllt sind.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, so dass die mindestens eine Induktionsbremse (3) im dynamischen Betrieb zum Aufbringen eines Bremsmomentes betreibbar ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Induktionsbremse durch einen Impuls eines Drehzahlgebers (5) betätigbar ist.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen, um die Induktionsbremse (3) im statischen Betrieb als Haltebremse zu betreiben.
Azimutantrieb mit einer Verstelleinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Pitchantrieb mit einer Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.