DE4402184A1 - Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontalachsen-Windkraftanlagen mit Nennleistungen bis zu mehreren Megawatt - Google Patents

Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontalachsen-Windkraftanlagen mit Nennleistungen bis zu mehreren Megawatt

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Description

Die Erfindung betrifft einen Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontalachsen-Windkraftanlagen der im Patent­ anspruch 1 angegebenen Art mit Nennleistungen bis zu mehre­ ren Megawatt.
Stand der Technik sind Konzepte für getriebelose Windkraft­ anlagen mit permanentmagneterregtem Synchrongenerator, wie sie in Vortrag L4 der "European Community Wind Energy Conference" 1993 in Travemünde mit dem Titel "Multipole, permanent magnet generator studies and planed prototypes" oder in der Fachzeitschrift Windenergie Aktuell, Heft 7/1992 in dem Bericht "Konzepte für getriebelose WKA" vorgestellt wurden. Ausgeführt ist in der obengenannten Leistungsklasse und Bauart bisher eine Anlage mit Synchrongenerator und Erregerwicklung der Firma ENERCON, siehe Produktbeschreibung zur ENERCON E40, mit einer Nennleistung von 500 kW.
Die heute existierenden Anlagen und Konzepte haben folgende Nachteile: So sind die Generatoren entweder in herkömmlicher Bauweise mit mehrfach geteiltem Gehäuse ausgeführt, wobei der Rotor meist auf einer durch Umlaufbiegung belasteten Welle sitzt, was für die Einhaltung des Luftspaltes ein zu­ sätzliches Problem darstellt, oder der Generator ist einfach geteilt in Stator und Rotor, wobei jedes dieser Teile unter­ schiedlichen Baugruppen der Windkraftanlage zugeordnet ist. Insbesondere ist der Rotor an der Nabe der Windkraftanlage und der Stator an den Turmkopf bzw. die Achse der Windkraft­ anlage angeflanscht. In der zuletzt genannten Bauform kann der Generator nur bei einer bestimmten Windkraftanlage in einer Sonderanfertigung verwendet werden.
Die bekannte Situation ist aus der Sicht der Generatorher­ steller und der Hersteller der Windkraftanlagen in mehr­ facher Hinsicht unbefriedigend. So kann ein bekannter Genera­ tor der vorgenannten, letztgenannten Bauweise nicht fertig montiert und funktionsgeprüft ausgeliefert werden. Der Generatorhersteller muß Einfluß nehmen auf die Konstruktion des Windkraftanlagenherstellers, da die Einhaltung des Luft­ spaltes unbedingt gewährleistet sein muß. Der Generator muß schließlich in seiner Bauform an die von jedem Windkraft­ anlagenhersteller gewünschte Einbausituation angepaßt wer den. Bei den zu erwartenden relativ geringen Stückzahlen ist diese Bauart für einen Generatorhersteller unwirtschaftlich.
Aufbauend auf dem vorgenannten Stand der Technik ist es Auf­ gabe der Erfindung, einen Vielpol-Synchrongenerator der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, der sehr einfach aufgebaut und zuverlässig im Betrieb ist und insbesondere in unter­ schiedlich konzipierte Windkraftanlagen problemlos eingebaut werden kann.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 6.
Wesen der Erfindung ist die Zusammenfassung der bisher ge­ trennten Komponenten Generator und Nabenlagerung zu einer einzigen Baugruppe, die im Gegensatz zu herkömmlichen Genera­ torkonzepten vorzugsweise aus lediglich zwei tragenden Bau­ teilen besteht. Die Anordnung ermöglicht den Einbau der Generator-Baugruppe in unterschiedliche Anlagenkonzepte, z. B. in Anlagen mit Blattverstellung (Pitch-geregelt) und Anlagen mit Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriß (Stall-geregelt). Die Baugruppe stellt somit keine anlagenspezifi­ sche Sonderbauform dar und kann von verschiedenen Herstel­ lern von Windkraftanlagen als Zukaufteil geordert werden.
Aufgrund der Bauausführung kann auf eine zusätzliche Lage­ rung der Nabe mit den Rotorblättern verzichtet werden.
Die Generator-Baugruppe weist vorzugsweise integrierte wichtige Baukomponenten auf wie Kühlung, Generatordichtung, Bremse und/oder Feststellvorrichtung, Klemmenkasten sowie Schnittstellen zur Signalübertragung und Lagerschmierung.
Insbesondere durch die O-Anordnung der Lagerung mit kleinem Lagerabstand und verformungssteifem Stator und Rotor wird die Einhaltung des Generatorluftspaltes unter allen Belastungszuständen gewährleistet.
Der Synchrongenerator besitzt vorzugsweise einen zentralen Durchgang, so daß die Nabe vom Innern des Turmkopfs aus im eingebauten Zustand des Generators in einer Windkraftanlage zugänglich ist.
Zur Integration in eine Windkraftanlage sind insbesondere Anschlußflansche zur Nabe und zum Turmkopf der Windkraft­ anlage vorgesehen, die eine problemlose, einfache und siche­ re Montage an einer Windkraftanlage vor Ort ermöglichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung mit Bezug auf den derzeitigen Stand der Technik näher beschrieben, es zeigen
Fig. 1 einen Vielpol-Synchrongenerator in eingebautem Zu­ stand in einer Windkraftanlage in einem schemati­ schen Vertikalschnitt,
Fig. 2 einen Halbschnitt durch die Generatorbaugruppe gemäß Fig. 1 in größerer Einzelheit,
Fig. 3 eine Variante der Generatorbaugruppe ähnlich Fig. 2, und
Fig. 4 eine Ausführungsweise nach dem Stand der Technik, bei der der Generator einfach in Stator und Rotor geteilt ist, wobei jedes dieser Teile unterschied­ lichen Baugruppen der Windkraftanlage zugeordnet ist und der Generator in dieser Ausführungsvariante keine eigene Lagerung besitzt.
In Fig. 1 ist in einem schematischen Halbschnitt ein Vielpol-Synchrongenerator 1 im eingebauten Zustand einer getriebelosen Horizontalachsen-Windkraftanlage gezeigt, wobei in Fig. 2 die Einzelheit der Generatorbaugruppe in einem Halbschnitt besonders herausgestellt ist.
Es handelt sich dabei um einen permanenterregten Synchron­ generator mit hoher Polzahl in einer Ausführung als Außen­ läufer. An den Rotor 11 des Generators ist die Nabe 2 ange­ flanscht. Der Generator ist über den Anschlußflansch 14 mit dem Turmkopf 3 der Windkraftanlage verbunden. Der Turmkopf 3 ist seinerseits auf dem Turm 4 der Windkraftanlage drehbar gelagert.
Der Vielpol-Synchrongenerator 1 besitzt einen verformungs­ steif ausgebildeten Stator 8 und einen verformungssteif aus­ gebildeten Rotor 11, die ihrerseits über eine fliegende Lage­ rung 15 innerhalb des Generators miteinander verbunden sind, die sowohl die Drehbewegung des Rotors abstützt als auch zur Aufnahme extern eingeleiteter Kräfte und Momente dient und dadurch eine zusätzliche Lagerung der Nabe mit den Rotorblät­ tern überflüssig macht. Die Konstruktion, besonders die der Lagerung, ist so ausgelegt, daß der Vielpol-Synchrongenera­ tor als Baueinheit oder Verbindungselement zwischen Turmkopf 3 und Nabe 2 problemlos vor Ort einer Windkraftanlage inte­ griert werden kann. Im Betrieb werden alle vom Wind über die Rotorblätter in die Nabe eingeleiteten Kräfte und Momente aufgenommen und in den Turmkopf 3 weitergeleitet.
Wie insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen ist, ist der Rotor 11 mit Permanentmagneten 10 bestückt. Die Dreiphasenwicklung mit Blechpaketen 9 sitzt auf dem Stator 8. Die fliegende Lagerung 15 zwischen Rotor und Stator ist hier durch zwei räumlich getrennte Kegellager in O-Anordnung ausgeführt. Die Ausführung der Lagerung 15 in O-Anordnung mit kleinem Lager­ abstand verhindert große Durchbiegungen bei großer Steifig­ keit, was die Einhaltung des Luftspaltes unter höchsten Bean­ spruchungen ermöglicht.
In Fig. 3 ist die Lagerung 15 als einteiliges Lager ausge­ führt, wobei in dieser Darstellung auch ein Klemmenkasten 7 angedeutet ist, welcher in den Vielpol-Synchrongenerator 1 integriert ist.
Die Baugruppe des Vielpol-Synchrongenerators 1 besteht im wesentlichen aus zwei tragenden Teilen, dem Rotor 8 und dem Rotor 11, und es sind in die Baugruppe Kühlung 12, Generator­ dichtung 5, Bremse und/oder Feststellvorrichtung 6, sowie vorgenannte Klemmenkasten 7 und auch Schnittstellen zur Signalübertragung und Lagerschmierung integriert.
Der Vielpol-Synchrongenerator weist einen zentralen Durch­ gang 20 mit einem vergleichsweise großen Durchmesser auf. Die Ausführung des Stators 8 mit großem Innendurchmesser läßt eine Wartung von Nabe 2, Rotorblättern 15 und eventuell in die Nabe 2 integrierte Blattverstelleinrichtungen und Meß­ vorrichtung vom Innern des Turmkopfes 3 aus zu.
Durch die ungeteilte Ausführung von Stator 8 und Rotor 11 ist gegenüber herkömmlichen elektrischen Generatoren ein vereinfachter Zusammenbau gewährleistet.
Da die gesamte Windkraftanlage im mechanischen Antriebs­ strang nur noch eine Lagerung besitzt, scheiden Fluchtungs­ fehler aus, wie sie bei Anlagen herkömmlicher Bauart auftre­ ten.
Der Einbau der Baugruppe in eine Windkraftanlage wird insbe­ sondere durch die zwei klar definierten Anschlußflansche 13 und 14 zur Nabe 2 bzw. zum Turmkopf 3 erleichtert.
Ersichtlich ermöglicht die Erfindung es Generatorherstel­ lern, einen Vielpol-Synchrongenerator - permanentmagneterregt oder fremderregt - als abgeschlossene und getestete Bau­ gruppe für eine Montage einer Windkraftanlage zu liefern. Die Windkraftanlage kann grundsätzlich unterschiedlich konzi­ piert sein, sofern die Anschlußflansche 13 und 14 klar defi­ niert sind.

Claims (6)

1. Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontal­ achsenwindkraftanlagen, als Innen- oder Außenläufer, mit einem Stator (8) und einem Rotor (11), dadurch gekennzeichnet, daß Stator (8) und Rotor (11) über eine fliegende, so­ wohl die Drehbewegung des Rotors abstützende als auch extern eingeleitete Kräfte und Momente aufnehmende Lage­ rung (15) innerhalb des Generators (1) miteinander ver­ bunden sind.
2. Vielpol-Synchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) aus nur zwei tragenden Teilen be­ steht.
3. Vielpol-Synchrongenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der nachfolgenden Komponenten wie
  • - Kühlung des Generators (12),
  • - Abdichtung des Generators und der Nabe (5),
  • - Bremse/Feststellvorrichtung (6),
  • - Klemmenkasten (7)
  • - Schnitt stellen für Signalübertragung, und
  • - Lagerschmierung in den Generator (1) integriert ist/sind.
4. Vielpol-Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stator (8) und Rotor (11) verformungssteif ausgebil­ det sind und die Lagerung (15) zwischen Stator (8) und Rotor (11) in O-Anordnung mit kleinem Lagerabstand ausge­ führt ist.
5. Vielpol-Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentraler Generator-Durchgang (20) vorgesehen und die Nabe (2) vom Innern des Turmkopfs (3) der Wind­ kraftanlage aus zugänglich ist.
6. Vielpol-Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8) über einen Flansch (14) mit dem Turm­ kopf (3) und der Rotor (11) über einen Flansch (13) mit der Nabe (2) verbunden sind.
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