DK2683934T3 - Energigenereringsanlæg - Google Patents

Description

Beskrivelse Nærværende opfindelse angår et energigenereringsanlæg, især et vindkraftanlæg, med en drivaksel, en generator og med et differentialgear med tre indgange hhv. udgange, idet en første indgang er forbundet med drivakslen, en udgang er forbundet med generatoren og en anden indgang er forbundet med et differentialdrev, idet en ringhjulsbærer er forbundet med generatorakslen.

Vindkraftanlæg vinder stigende betydning som elektricitetsgenereringsanlæg. Dette og en på grund af den stigende anlægsstørrelse nødvendig mellemspændingseffektelektronik gør anvendelsen af direkte med nettet forbundne fremmedmagnetiserede mellemspændingssynkrongeneratorer nærliggende. Med henblik på at kompensere for ulempen ved det faste omdrejningstal for direkte netkoblede synkrongeneratorer, foreligger muligheden for at anvende diffentialdrev.

Ulemperne ved kendte udførelsesformer er imidlertid en for det meste kompleks mekanik og dermed forhøjede komponent- hhv. vedligeholdelsesomkostninger. Et yderligere vigtigt punkt er et kompakt totaldesign af systemet, med henblik på at udforme maskinhuset så lille som muligt. WO 2010/135754 A viser, hvorledes et differentialgear kan forbindes så pladsbesparende som muligt til en generator. Den deri beskrevne tekniske løsning tillader nok en kompakt tilslutning af ringhjulet på differentialtrinnet til generatorakslen, men ulemperne er, at masse- og magnetiseringsbetingede deformationer af generatorakslen overføres til differentialgearet og der bevirker uønskede deformationer af de involverede komponenter i differentialtrinnet. Derved opstår en aksehældning for differentialtrinnet, som påvirker bærebilledet i negativ retning. En pålidelig og vibrations- hhv. støjoptimeret varig drift er dermed ikke længere sikret, hhv. der opstår fare for massivt slid i tandhjulstænderne.

Hensigten med opfindelsen er at undgå de ovenfor nævnte ulemper så vidt som muligt, og stille et differentialdrev til rådighed, som udover ringe dimensioner også sikrer en pålidelig og formstabil forbindelse af differentialgearet til akslen på generatoren.

Dette opnås ved et energigenereringsanlæg af den indledningsvis nævnte art ifølge opfindelsen ved, at generatorakslen via ringhjulsbæreren er lejret i et hus for generatoren.

Derved muliggøres en meget kompakt og effektiv konstruktionsmåde for anlægget, hvormed desuden også ikke nogen væsentlige negative påvirkninger forårsages på bærebilledet for differentialtrinnet i energigenereringsanlægget, især vindkraftanlægget.

Foretrukne udførelsesformer for opfindelsen er genstand for de øvrige underkrav. I det følgende beskrives detaljeret foretrukne udførelsesformer i overensstemmelse med opfindelsen under henvisning til de vedhæftede tegninger. fig. 1 viser princippet for et differentialgear med et elektrisk differentialdrev i overensstemmelse med den kendte teknik, fig. 2 viser en udførelsesform i overensstemmelse med opfindelsen for et differentialtrin i sammenhæng med nærværende opfindelse, fig. 3 viser en udførelsesform i overensstemmelse med opfindelsen af lejringen af ringhjulet for differentialtrinnet.

Effekten for rotoren i et vindkraftanlæg beregnes af formlen rotoreffekt = rotorfladen * effektkoefficient * vindhastighed3 * luftvægtfylde/2 hvor effektkoefficienten er afhængig af hurtigløbstallet (= forholdet imellem vingespidshastighed og vindhastighed) for rotoren i vindkraftanlægget. Rotoren i et vindkraftanlæg er dimensioneret til en optimal effektkoefficient baseret på et hurtigløbstal, som skal fastlægges under udviklingen (for det meste en værdi imellem 7 og 9). Af denne grund indstiller der sig ved drift af vindkraftanlægget i dellastområdet et tilsvarende lille omdrejningstal, med henblik på at sikre en optimal aerodynamisk virkningsgrad.

Fig. 1 viser et muligt princip for et elektromekanisk differentialsystem med et differentialgeartrin 11 til 13, et tilpasningsgeartrin 3 og et differentialdrev 6. Differential- drevet 6 kan valgfrit være et elektrisk eller hydrodynamisk eller hydrostatisk drev. Rotoren 1 i vindkraftanlægget driver hovedgearet 2. Hovedgearet 2 er for det meste et tretrinsgear med to planettrin og et cylindrisk tandhjulstrin. Imellem hovedgearet 2 og en generator 8 befinder der sig et differentialtrin 11 til 13, som drives af hovedgearet 2 via planetbæreren 12 i differentialtrinnet. Imellem hovedgearet 2 og differentialtrinnet 11 til 13 befinder der sig for det meste en kobling 14 og en hovedbremse 15. Generatoren 8 - fortrinsvis en synkrongenerator - er forbundet med ringhjulet 13 i differentialtrinnet 11 til 13 og drives af dette. Solhjulet 11 i differentialtrinnet 11 til 13 er via ét eller flere tilpasningsgeartrin 3 forbundet med differentialdrevet 6. Omdrejningstallet for differentialdrevet 6 reguleres for på den ene side ved variabelt omdrejningstal for rotoren 1 at sikre et konstant omdrejningstal for generatoren 8, og på den anden side for at regulere drejningsmomentet i hele drivstrengen for vindkraftanlægget. Differentialdrevet 6 er fortrinsvis en lavspændings-vekselstrømsmaskine, som via en frekvensomformer 7 og en transformator 8 er tilsluttet til et net.

Med henblik på at kunne drive differentialdrevet 6 med optimalt omdrejningstal hhv. drejningsmoment, er det muligt at udforme tilpasningsgeartrinnet 3 imellem differentialtrinnet 11 til 13 og differentialdrevet 6, som vist i WO 2008/061263 A, som justeringsgear med et eller alternativt også med adskillige koblingstrin, og dermed at realisere forskellige omsætningsforhold. I den forbindelse er, ved anvendelse af et elektromekanisk differentialsystem, forbindelsen af det i WO 2008/061263 A nævnte "trinløst regulerbare gear" med generatorsidens udgang på differentialgearet ikke nødvendig, eftersom det elektriske differentialdrev 6 modtager sin energi fra nettet hhv. afgiver denne til dette. Ved omkobling fra et omsætningsforhold til et andet er det fornuftigt, at gennemføre omkoblingen belastningsfrit, idet man eksempelvis regulerer drejningsmomentet i differentialdrevet og dermed i hele drivstrengen til omtrent nul.

Som alternativ til omkoblingstrinnene i justeringsgearet ville det også være muligt at anvende et polomkobleligt differentialdrev 6. WO 2010/135754 A viser en konstruktion hvormed et differentialgear pladsbesparende kan forbindes med en generator. I den forbindelse bliver (a) lejringen af planetbæreren, (b) forbindelsen af bærekonstruktionen for ringhjulet (ringhjulsbæreren) med generatorakslen og (c) lejringen af generatoren, anbragt efter hinanden på indgangssideenden af generatorakslen. Den anden planetbærerlejring er via generatorlejet og generator-/gearhuset forbundet med generatorakslen og følgelig også med ringhjulet og den første planetbærerlejring.

Generatorakslen er på grund af den store vægt og magnetkræfterne på rotoren i generatoren 8 udsat for tilsvarende store tværkræfter, som nok kan optages af generatorlejerne, men alligevel bevirker en udbøjning af rotorakslen. Som følgeresultat har akselenden på generatorakslen i forhold til omdrejningsaksen en vinkelhældning. For udformningen i overensstemmelse med WO 2010/135754 A betyder dette, at lejringen af planetbæreren, ringhjulbæreren og lejringen af generatoren indtager forskellige vinkelstillinger og derved, som følgeresultat for fortandingsgeometrien i differentialtrinnet, kan den ønskede positionsnøjagtighed med hensyn til aksehældning ikke opnås. Sammen med fremstillingstolerancerne fører dette til forhøjet slid og uønskede svingninger hhv. støjemission.

Fig. 2 viser en udførelsesform i overensstemmelse med opfindelsen af forbindelsen af differentialgearet 11 til 13 med generatorakslen 24. Den med rotoren 1 forbundne drivaksel 16 driver planetbæreren 19, som ved hjælp af en planetbærerlejring 17 er lejret i ringhjulsbæreren 18. I planetbæreren 19 er planethjulene 20 lejrede og disse driver i sin tur solhjulet 21 og ringhjulet 22. Ringhjulsbæreren 18 er på den ene side ved hjælp af en aksel-navforbindelse 23, som fortrinsvis er en formbetinget aksel-navforbindelse hhv. en mangenotakselforbindelse i overensstemmelse med DIN 5480, forbundet med generatorakslen 24 og bærer på den anden side drivsidegeneratorlejet 25, som optages af lejedækslet 26 på huset for generatoren 8. I stedet for en to- eller flerdelt udformning af ringhjulsbæreren 18 med ringhjulet 22 kan denne også være udformet i ét stykke.

En væsentlig fordel ved denne konstruktion er, at ved den optrædende vinkelforskydning kan denne ikke overføres til det foran koblede differentialtrin, eftersom den udformede aksel-navforbindelse 23 kun kan overføre drejningsmomenter og ikke nogen bøjningsmomenter. Aksel-navforbindelsen 23 bliver fortrinsvis udformet med blot en centrering 27 som ledforbindelse. Ringhjulet 22 og planetbæreren 18 bliver derved via tandhjulsfortandingen i differentialtrinnet og generatorlejet 25 tilnærmelsesvis ført uafhængigt af generatorakselbøjningen. Dette fører til et optimalt bærebillede i differentialtrinnet.

Som allerede ovenfor beskrevet bliver også planetbæreren 19 lejret ved hjælp af planetbærerlejringen 17 i ringhjulsbæreren 18, hvorved også på denne en vinkelforskydning af generatorakslen ikke har nogen direkte indflydelse, og derved er en optimal positionsnøjagtighed forfortandingsdelene sikret.

Udover den positive virkning for fortandingen har denne konstruktion den supplerende fordel, at forbindelsen af differentialtrinnet til generatorakslen 24 er meget kort, eftersom generatorlejet 25 og aksel-navforbindelsen 23 fortrinsvis ligger over hinanden, dvs. i et radialplan, eller i det mindste meget tæt på hinanden. Generatorlejet 25 og aksel-navforbindelsen 23 ligger i nærværende opfindelses betydning så i et radialplan, når afsnit, elementer eller komponenter i generatorlejet 25 på den ene side og aksel-navforbindelsen 23 på den anden side ligger i et fælles radialplan.

Fig. 3 viser en yderligere mulighed for en forbindelse imellem ringhjulsbæreren 18 og ringhjulet 22. I modsætning til den form- hhv. kraftbetingede i overensstemmelse med fig. 2 blev her valgt en forbindelse med en aksel-navforbindelse 28, fortrinsvis også her en formbetinget mangenotakselforbindelse i overensstemmelse med DIN 5480. Denne type af forbindelsen har den fordel, at ringhjulet 22 på grund af tandkræfterne bedre deformeres og derved kan en bedre lastfordeling på planethjulene 20 hhv. på tandhjulsfortandingen opnås.

Claims (10)

1. Energigenereringsanlæg, især vindkraftanlæg, med en drivaksel, en generator (8) og med et differentialgear (11 til 13), med tre indgange hhv. udgange, idet en første indgang er forbundet med drivakslen, en udgang er forbundet med generatoren og en anden indgang er forbundet med differentialdrevet (6), hvor en ringhjulsbærer (18) er forbundet med generatorakslen (24), kendetegnet ved, at generatorakslen (24) via ringhjulsbæreren (18) er lejret (25) på et hus (26) for generatoren (8).

2. Energigenereringsanlæg ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forbindelsen imellem ringhjulsbæreren (18) og generatorakslen (24) er en formbetinget aksel-navforbindelse (23), fortrinsvis en mangenotakselforbindelse i overensstemmelse med DIN 5480.

3. Energigenereringsanlæg ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forbindelsen imellem ringhjulsbæreren (18) og generatorakslen (24) er en kraftbetinget aksel-navforbindelse.

4. Energigenereringsanlæg ifølge ethvert af kravene 1 til 3, kendetegnet ved, at en planetbærer (12, 19) er lejret på ringhjulsbæreren (18) ved hjælp af et leje (17).

5. Energigenereringsanlæg ifølge ethvert af kravene krav 2 til 4, kendetegnet ved, at den formbetingede aksel-navforbindelse (23), især mangenotakselforbindelsen, har en kun ensidig centrering (27).

6. Energigenereringsanlæg ifølge krav 5, kendetegnet ved, at centreringen (27) er anbragt på den fra differentialgearet (11 til 13) bortvendende side af den formbetingede aksel-navforbindelse (23).

7. Energigenereringsanlæg ifølge ethvert af kravene krav 1 til 6, kendetegnet ved, at forbindelsen (23) imellem ringhjulsbæreren (18) og generatorakslen (24) på den ene side og lejet (25) imellem ringhjulsbæreren (18) og huset (26) for generatoren (8) på den anden side ligger i et radialplan.

8. Energigenereringsanlæg ifølge ethvert af kravene krav 1 til 7, kendetegnet ved, at forbindelsen imellem ringhjulsbærer (18) og ringhjul (22) er en formbetinget aksel- navforbindelse (28), fortrinsvis en mangenotakselforbindelse i overensstemmelse med DIN 5480.

9. Energigenereringsanlæg ifølge ethvert af kravene krav 1 til 8, kendetegnet ved, at differentialdrevet (6) er en elektrisk maskine.

10. Energigenereringsanlæg ifølge krav 9, kendetegnet ved, at den elektriske maskine er en permanentmagnetmagnetiseret synkronmaskine.