EP2497184A2 - Windkraftgenerator mit innenkühlkreislauf - Google Patents

Windkraftgenerator mit innenkühlkreislauf

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Publication number
EP2497184A2
EP2497184A2 EP10775764A EP10775764A EP2497184A2 EP 2497184 A2 EP2497184 A2 EP 2497184A2 EP 10775764 A EP10775764 A EP 10775764A EP 10775764 A EP10775764 A EP 10775764A EP 2497184 A2 EP2497184 A2 EP 2497184A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wind power
power generator
rotor
cooling
hollow shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10775764A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Balzer
Karsten Brach
Christian Meyer
Axel MÖHLE
Andre Schlawitz
Frank Seibicke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2497184A2 publication Critical patent/EP2497184A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/10—Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
    • H02K7/1838—Generators mounted in a nacelle or similar structure of a horizontal axis wind turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind power generator with an internal cooling circuit with a laminated stator, which has a winding system which forms winding heads on the front sides of the stator, wherein the stator is surrounded at least in the region of its laminated core by a cooling jacket, wherein permanent magnets of a rotor on a Arranged as a hollow ⁇ wave Polradmantel are arranged.
  • Wind power generators like other dynamo-electric machines, require cooling of their active parts.
  • the interior of the wind power generator ie the electrical area is endangered by foreign bodies or aggressive media, which inter alia attack the insulation or affect the elekt ⁇ cal strength. This leads to Radiobe ⁇ impairments or failure of the wind power generator. Therefore, it is common in dynamoelectric machines in such an environment to provide a closed internal cooling circuit, which is optionally recooled by external coolers.
  • This Maschi ⁇ ne has a stator and a rotor, wherein the stator and rotor each have cooling channels, which are arranged as part of a cooling circuit for a cooling medium for cooling of the stator and rotor.
  • the stator channels are formed as recesses in the stator from ⁇ with the stator channels limiting ridge on the outer periphery of the stator and schrau ⁇ benförmig and more consistently out cooling channels for a further cooling medium in a stator housing to the stator housing.
  • cooling medium increases in the Läu ⁇ ferkanäle heat from the rotor and outputs it in the rack channels on the stand.
  • DE 101 07 298 Cl a closed electric machine with surface cooling with a closed inner cooling medium circuit over the rotor body is known.
  • cooling medium channels are present in the rotor on different pitch circles of the rotor body cross section for different flow directions.
  • a wind power generator with a closed internal cooling circuit, with a laminated runner having a winding system which forms on the front sides of the stator winding ⁇ heads, the stator at least in the range of his laminated core of a Cooling jacket is surrounded, with Per ⁇ manentmagnete a rotor are arranged on a hollow shaft
  • the Polradmantel is rotatably connected via support members at its ends with a shaft or stub shafts, the hollow shaft having in its interior at least one tube whose Mantelflä ⁇ che in equidistant distance to the Polradmantel runs, and wherein on the front sides of the rotor fans are mounted.
  • the fans on the front sides of the rotor are not only designed as pure radial fan, the fan blades are attached only to a hub, but the fan blades or blades are connected to one another at one axial end by a support disc.
  • a support disc To avoid this supporting discs of the respective fans take over air control functions within the closed interior of the Windkraftgenera ⁇ tors so fluidic "short circuits".
  • ⁇ tet In order for a prescribed cooling current profile is provided leis ⁇ tet.
  • Advantageous ⁇ adhesive enough is at an axial end of the wind power generator is attached to the B-side of an external, in particular decreasing ⁇ Barer heat exchanger, in particular a ring radiator and integrated into the flow of coolant such that the coolant flow of the internal cooling circuit is recooled there.
  • FIG. 2 shows a cross section of a wind generator.
  • FIG. 1 shows, in a basic representation, a longitudinal section of a wind power generator 1 with a side A and a side B, the side A of the wind turbine of a wind turbine not shown in more detail. turned wind turbine is facing.
  • the mechanical coupling to the wind turbine itself takes place via a shaft or at least one stub shaft 7 directly or via a transmission.
  • the wind power generator 1 is housed in a housing 2, which has an inlet and an outlet opening 14, 15, which serve for the coolant supply and removal of a cooling jacket 3, which is arranged between the housing 2 and the stator 4.
  • a cooling jacket 3 and flowing in the cooling channels 17 cooling medium the losses are removed from the laminated core of the stator 4.
  • Wi ⁇ ckelkexcellent 10 are formed on the end faces of the laminated core of the stator 4, which are to be fixed by stiffening elements 16 due to their axial projection, so that movements of the winding head 10 are excluded, for example due to elektrody ⁇ namischer balancing operations.
  • a rotor 5, which has a Polradmantel 6 is rotatably connected by means of support elements 28, in particular at the axial ends of the Polradmantels 6 with a shaft or stub shafts 7.
  • the Polradmantel 6 has poles, the insbesonde ⁇ re are formed by permanent magnets 18. Each pole has, depending on the axial length of the rotor 5 and Polumble a plurality of successively and / or juxtaposed permanent magnets 18.
  • the Polradmantel 6 of the rotor 5 together with the support members 28 is a hollow shaft which is according to the invention to be ⁇ uses to create an opposite flow direction of a gasför ⁇ -shaped coolant of the wind power generator 1 in the closed interior. This is achieved in that within the hollow shaft, so ra ⁇ dial within the Polradmantels 6 tubes 29, 33 are arranged to create the predeterminable spaces within the hollow shaft. Furthermore, these tubes serve 29, 33 together with the support elements 28 of the stiffening of the entire hollow shaft, so that in this way also mechanical vibrations or impermissible torsional movements are suppressed.
  • fans 24, 25 are arranged, which give the cooling air flow within the closed dynamoelectric machine sufficient flow velocity.
  • an A-side fan 24 and a B-side fan 25 are provided.
  • the A-side fan 24 is advantageously attached to the Polradmantel 6 radially next lying tube 29 and thus creates in addition to a ra ⁇ Dialen promotion of passing from the hollow shaft cooling air flow at the same time a separation of the opposing ver ⁇ running cooling air streams at the beginning of the hollow shaft. This is achieved in particular in that the A-side fan 24 has a support plate 13 which faces the rotor 5.
  • the B-side fan 25 is also attached to the tube 29 and / or to the existing support member 28 there. Also, the Lüf ⁇ tereriel this fan 25 is moun- ted on a supporting plate 12, so that in addition to promoting the cooling air flow in the radial direction and flowing back to the partitioning of the cooling air flow is ensured from a heat exchanger.
  • the A-side fan 24 now sucks a cooling air flow 30 from the inner region of the hollow shaft, this cooling air flow has already been pre-cooled by a heat exchanger 9.
  • the heat exchanger 9 is mounted on a housing plate 27, which is supported via a bearing 19 on the shaft or a stub shaft 7. Through openings 20 of the housing shield 27 and further openings 23 in the support elements 28, the A-side fan 24 suck this cooling air flow through the inner part of the hollow shaft.
  • the A-side fan 24 now pushes the pre-cooled cooling air flow 30 radially in the direction of the winding Kopf 10, who strokes there over the winding head 10 and absorbs heat there.
  • the cooling air stream 30 splits into two partial streams.
  • a partial flow 31 flows through the active part of the rotor 5 by possibly existing substantially axially extending Pol ⁇ gaps and / or the air gap 8.
  • the other partial stream 32 is via the support plate 13 of the A-side fan 24 in a radially extending inside the pole jacket 6 axial cooling duct between Polradmantel and pipe 29 is directed and sucked in there via the B-side fan 25.
  • the two partial streams 31 and 32 unite and are amplified by this B-side fan 25 in its flow velocity and deflected to the second winding head 10.
  • the ⁇ ser now flows through guide elements 11 and ring lines and is directed after passing through the housing 27 by an air guide hood 26 mounted on the housing plate 27 heat exchanger 9. After passing through the heat exchanger 9, the cooling air is sucked in again by the A-side fan 24 through the air duct formed by the tubes 29 and 33 within the hollow shaft. In this way, this inner cooling circuit closes.
  • cooling jacket 3 in a further embodiment axially even further than in FIG 1 protrudes beyond the winding heads 10, insbe ⁇ special adapted to the length of the housing 2, in addition to the circulating cooling air inside the winding heads are additionally cooled, resulting in a discharge of the heat exchanger 9 leads.
  • FIG. 2 shows a cross section of a wind power generator, with respect. of the stator 4, the housing 2, the cooling jacket 3 and the coolant course within the wind power generator 1, as shown in FIG.
  • the cooling channel design on the axial length of the rotor 5 is now ensured by the openings 40 between the struts 38, the Polradmantel 6 and the tube 29.
  • the one cooling channel is formed by the surface 41 of the shaft 39 and the inside of the tube 29.
  • the flow in the opposite direction of this cooling channel during operation other cooling channel is formed by the inside of the Polradmantels 6 and the outer ⁇ side of the tube 29.
  • the struts 38 are designed in the respective cooling channel so that during operation of the Windkraftgenera ⁇ sector 1, the coolant flow is supported.
  • these struts 38 have a ventilator-wing-shaped construction which supports the axial flow. That is, at least some struts 38 have radially under half of the tube 29 has a different shape than radially above the tube 29.
  • the inside of the rotor 5, ie radially inside the Polradmantels 6 opposite direction coolant flow is supported.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator (1) mit einem geschlossenen Innenkühlkreislauf, mit einem geblecht ausgeführten Ständer (4), der ein Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Ständers Wickelköpfe (10) ausbildet, wobei der Ständer (4) zumindest im Bereich seines Blechpakets von einem Kühlmantel (3) umgeben ist, wobei Permanentmagnete (18) eines Läufers (5) auf einem als Hohlwelle ausgebildeten Polradmantel (6) angeordnet sind, wobei der Polradmantel (6) über Tragelemente (28) an seinen Stirnseiten mit einer Welle (7) oder Wellenstummeln drehfest verbunden ist, wobei die Hohlwelle in ihrem Inneren zumindest ein Rohr (29, 33) aufweist, dessen Mantelfläche in äquidistantem Abstand zum Polradmantel (6) verläuft, und wobei an den Stirnseiten des Läufers (5) Lüfter (24, 25) angebracht sind.

Description

Beschreibung
Windkraftgenerator mit Innenkühlkreislauf Die Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator mit Innenkühlkreislauf mit einem geblecht ausgeführten Ständer, der ein Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Ständers Wickelköpfe ausbildet, wobei der Ständer zumindest im Bereich seines Blechpakets von einem Kühlmantel umgeben ist, wobei Permanentmagnete eines Läufers auf einem als Hohl¬ welle ausgebildeten Polradmantel angeordnet sind.
Windkraftgeneratoren benötigen ebenso wie andere dynamoelektrische Maschinen eine Kühlung ihrer Aktivteile. Dabei ist insbesondere der Innenraum des Windkraftgenerators, also der elektrische Bereich durch Fremdkörper oder aggressive Medien gefährdet, die u.a. die Isolierung angreifen oder die elekt¬ rische Festigkeit beeinträchtigen. Dies führt zu Betriebsbe¬ einträchtigungen oder zum Ausfall des Windkraftgenerators. Deshalb ist es bei dynamoelektrischen Maschinen in einem derartigen Umfeld üblich, einen geschlossenen Innenkühlkreislauf vorzusehen, der ggf. durch externe Kühler rückgekühlt wird.
Aus der DE 199 19 040 C2 ist eine Synchronmaschine mit Schen- kelpolläufern oder Vollpolläufern für große Windenergieanlagen, insbesondere im Off-shore-Bereich bekannt. Diese Maschi¬ ne weist einen Ständer und einen Läufer auf, wobei Ständer und Läufer jeweils Kühlkanäle aufweisen, die als Teil eines Kühlkreislaufs für ein Kühlmedium zum Kühlen von Ständer und Läufer angeordnet sind. Dabei sind die Ständerkanäle als Aus¬ nehmungen im Ständer mit einem die Ständerkanäle begrenzenden Steg am Außenumfang des Ständers ausgebildet und Kühlkanäle für ein weiteres Kühlmedium in einem Ständergehäuse schrau¬ benförmig und mehrgängig um das Ständergehäuse geführt. Auf diese Art und Weise nimmt das Kühlmedium im Bereich der Läu¬ ferkanäle Wärme aus dem Läufer auf und gibt diese im Bereich der Ständerkanäle an den Ständer ab. Aus der DE 101 07 298 Cl ist eine geschlossene elektrische Maschine mit Oberflächenkühlung mit einem geschlossenen inneren Kühlmedienkreislauf über den Rotorkörper bekannt. Dabei sind im Läufer Kühlmedienkanäle auf unterschiedlichen Teil- kreisen des Rotorkörperquerschnitts für unterschiedliche Strömungsrichtungen vorhanden.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei¬ ne dynamoelektrische Maschine, insbesondere einen Windkraft- generator zu schaffen, dessen Innenraum abgeschlossen ist, und der dennoch eine ausreichende effiziente Kühlung auf¬ weist. Dabei soll insbesondere für langsam laufende Wind- kraftgeneratoren eine ausreichende Kühlung vorgesehen werden. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Wind- kraftgenerator mit einem geschlossenen Innenkühlkreislauf, mit einem geblecht ausgeführten Ständer, der ein Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Ständers Wickel¬ köpfe ausbildet, wobei der Ständer zumindest im Bereich sei- nes Blechpakets von einem Kühlmantel umgeben ist, wobei Per¬ manentmagnete eines Läufers auf einem als Hohlwelle ausgebil¬ deten Polradmantel angeordnet sind, wobei der Polradmantel über Tragelemente an seinen Stirnseiten mit einer Welle oder Wellenstummeln drehfest verbunden ist, wobei die Hohlwelle in ihrem Inneren zumindest ein Rohr aufweist, dessen Mantelflä¬ che in äquidistantem Abstand zum Polradmantel verläuft, und wobei an den Stirnseiten des Läufers Lüfter angebracht sind.
Vorteilhafterweise wird dabei der Windkraftgenerator mit nur einer Getriebestufe bei mittlerer Drehzahl angetrieben. Dies hat den großen Vorteil, dass er gegenüber der komplett ge¬ triebelosen Generatorvariante den Einsatz von direkt am Läu¬ fer angeordneten Lüftern ermöglicht, so dass auf zusätzlich anzutreibende und zu regelnde Fremdlüfter verzichtet werden kann.
Durch zusätzlich innerhalb des Polradmantels angeordnete Roh¬ re werden Kühlkanäle geschaffen, die die Kühleffizienz und den Strömungsverlauf im Innenraum des Windkraftgenerators strukturieren und so zu einer effizienten Kühlung im Innenraum des Windkraftgenerators führen. Vorteilhafterweise sind die Lüfter an den Stirnseiten des Läufers nicht nur als reine Radiallüfter ausgeführt, deren Lüfterschaufeln nur an einer Nabe befestigt sind, vielmehr sind die Lüfterschaufeln bzw. -flügel an einem axialen Ende durch eine Tragscheibe miteinander verbunden. Diese Trag- Scheiben der jeweiligen Lüfter übernehmen Luftleitfunktionen innerhalb des geschlossenen Innenraums des Windkraftgenera¬ tors, so strömungstechnische "Kurzschlüsse" vermieden werden. Damit wird ein vorgeschriebener Kühlstromverlauf gewährleis¬ tet .
An einem axialen Ende des Windkraftgenerators ist, vorteil¬ hafterweise an der B-Seite ein externer, insbesondere abnehm¬ barer Wärmetauscher, insbesondere ein Ringkühler angebracht und in den Kühlmittelstrom derart integriert, dass der Kühl- mittelstrom des Innenkühlkreislaufs dort rückgekühlt wird.
Durch diese Art der Platzierung ist eine leichte Zugänglichkeit gewährleistet, so dass ein Austausch oder Wartungsarbei¬ ten an diesem Wärmetauscher leicht vorzunehmen sind. Die Zugänglichkeit einzelner Komponenten des Windkraftgenera¬ tors und/oder dessen Funktionstüchtigkeit ist insbesondere im Off-shore-Bereich von außerordentlicher Bedeutung.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 einen Längsschnitt eines Windgenerators,
FIG 2 einen Querschnitt eines Windgenerators.
Figur 1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen Längsschnitt eines Windkraftgenerators 1 mit einer Seite A und einer Seite B, wobei die Seite A der Windturbine einer nicht näher darge- stellten Windkraftanlage zugewandt ist. Die mechanische An- kopplung zur Windturbine selbst, geschieht über eine Welle oder zumindest einen Wellenstummel 7 direkt oder aber über ein Getriebe. Der Windkraftgenerator 1 ist in einem Gehäuse 2 untergebracht, das einen Ein- und eine Auslassöffnung 14, 15 aufweist, die zur Kühlmittelzufuhr bzw. -abfuhr eines Kühlmantels 3 dienen, der zwischen Gehäuse 2 und dem Ständer 4 angeordnet ist. Durch diesen Kühlmantel 3 und das in den Kühlkanälen 17 fließende Kühlmedium werden aus dem Blechpaket des Ständers 4 die Verluste abtransportiert werden.
An den Stirnseiten des Blechpakets des Ständers 4 sind Wi¬ ckelköpfe 10 angeformt, die aufgrund ihrer axialen Ausladung durch Versteifungselemente 16 zu fixieren sind, so dass Bewe- gungen des Wickelkopfes 10 beispielsweise aufgrund elektrody¬ namischer Ausgleichsvorgänge ausgeschlossen sind.
Ein Läufer 5, der einen Polradmantel 6 aufweist, ist mittels Tragelementen 28, insbesondere an den axialen Enden des Pol- radmantels 6 mit einer Welle oder Wellenstummeln 7 drehfest verbunden. Der Polradmantel 6 weist Pole auf, die insbesonde¬ re durch Permanentmagnete 18 ausgebildet werden. Dabei weist jeder Pol je nach axialer Länge des Läufers 5 und Polbreite mehrere hintereinander und/oder nebeneinander angeordnete Permanentmagnete 18 auf. Außerdem sind die Permanentmagnete
18 in Taschen des Polradmantels 6, oder auf seiner Oberfläche angeordnet und in diesem Fall durch eine geeignete Vorrich¬ tung, beispielsweise eine Bandage gehalten. Durch elektromagnetische Wechselwirkungen mit dem Wicklungs¬ system des Ständers 4 wird die rotatorische Energie der Wind¬ turbine in elektrische Energie umformt.
Der Polradmantel 6 des Läufers 5 bildet zusammen mit den Tragelementen 28 eine Hohlwelle, die erfindungsgemäß dazu be¬ nutzt wird, eine gegensinnige Strömungsrichtung eines gasför¬ migen Kühlmittels im geschlossenen Innenraum des Windkraftgenerators 1 zu schaffen. Dies gelingt dadurch, dass innerhalb der Hohlwelle, also ra¬ dial innerhalb des Polradmantels 6 Rohre 29, 33 angeordnet sind, die vorgebbare Zwischenräume innerhalb der Hohlwelle schaffen. Des Weiteren dienen diese Rohre 29, 33 zusammen mit den Tragelementen 28 der Versteifung der gesamten Hohlwelle, so dass auf diese Art und Weise auch mechanische Schwingungen oder unzulässige Torsionsbewegungen unterdrückt werden.
An den Stirnseiten des Läufers 5 sind Lüfter 24, 25 angeord- net, die dem Kühlluftstrom innerhalb der geschlossenen dynamoelektrischen Maschine eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit verleihen. So ist ein A-seitiger Lüfter 24 und ein B-seitiger Lüfter 25 vorgesehen. Der A-seitige Lüfter 24 ist vorteilhafterweise an dem dem Polradmantel 6 radial nächst- liegenden Rohr 29 befestigt und schafft somit neben einer ra¬ dialen Förderung eines aus der Hohlwelle tretenden Kühlluftstroms gleichzeitig eine Trennung der dort gegensinnig ver¬ laufenden Kühlluftströme zu Beginn der Hohlwelle. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der A-seitige Lüfter 24 eine Tragscheibe 13 aufweist, die dem Läufer 5 zugewandt ist.
Der B-seitige Lüfter 25 ist ebenfalls am Rohr 29 und/oder an dem dort vorhandenen Tragelement 28 angebracht. Auch die Lüf¬ terflügel dieses Lüfters 25 sind an einer Tragscheibe 12 be- festigt, so dass neben einer Förderung des Kühlluftstroms in radialer Richtung auch eine Abschottung des rückströmenden Kühlluftstroms aus einem Wärmetauscher 9 gewährleistet ist.
Der A-seitige Lüfter 24 saugt nun einen Kühlluftstrom 30 aus dem inneren Bereich der Hohlwelle, wobei dieser Kühlluftstrom bereits durch einen Wärmetauscher 9 vorgekühlt wurde. Der Wärmetauscher 9 ist an einem Gehäuseschild 27, das über ein Lager 19 an der Welle oder einem Wellenstummel 7 abgestützt ist, angebracht. Durch Öffnungen 20 des Gehäuseschilds 27 und weiteren Öffnungen 23 in den Tragelementen 28 kann der A-seitige Lüfter 24 diesen Kühlluftstrom über den inneren Teil der Hohlwelle ansaugen. Der A-seitige Lüfter 24 schiebt nunmehr den vorgekühlten Kühlluftstrom 30 radial in Richtung Wickel- köpf 10, der dort über den Wickelkopf 10 streicht und dort Wärme aufnimmt.
Danach spaltet sich der Kühlluftstrom 30 in zwei Teilströme auf. Ein Teilstrom 31 durchströmt das Aktivteil des Läufers 5 durch ggf. vorhandene im Wesentlichen axial verlaufende Pol¬ lücken und/oder den Luftspalt 8. Der andere Teilstrom 32 wird über die Tragscheibe 13 des A-seitigen Lüfters 24 in einen radial innerhalb des Polmantels 6 verlaufenden axialen Kühl- kanal zwischen Polradmantel und Rohr 29 gelenkt und dort über den B-seitigen Lüfter 25 angesogen. Am Ende des Aktivteils des Läufers 5 vereinigen sich die beiden Teilströme 31 und 32 und werden durch diesen B-seitigen Lüfter 25 in ihrer Strömungsgeschwindigkeit verstärkt und auf den zweiten Wickelkopf 10 umgelenkt.
Im weiteren Verlauf dieses Kühlmittelstroms durchströmt die¬ ser nun Leitelemente 11 bzw. Ringleitungen und wird nach Passieren des Gehäuses 27 durch eine Luftführungshaube 26 auf den im Gehäuseschild 27 montierten Wärmetauscher 9 gelenkt. Nach Passieren des Wärmetauschers 9 wird die Kühlluft durch den durch die Rohre 29 und 33 gebildeten Luftkanal innerhalb der Hohlwelle wieder vom A-seitigen Lüfter 24 angesaugt. Auf diese Art und Weise schließt sich dieser innere Kühlkreis- lauf.
Durch Einsatz der Wellenlüfter 24, 25 wird der Gesamtwirkungsgrad des Windkraftgenerators 1 erhöht, da keine Energie¬ versorgung für den Betrieb eines Fremdlüfters bereitgestellt werden muss.
Durch die am Polradmantel 6 befestigte Tragelemente 28 der Wellenstummel 7 ist eine vereinfachte Luftführung mittels eingeschweißter 21 oder verschraubter Rohre 29, 33 möglich, die an den Tragelementen 28 zentriert werden. Außerdem entsteht so ein Bypass, wodurch die Wärmeverluste auch durch Konvektion des Polrades abgeführt werden können. Die Tragele- mente 28 sind zur Kühlluftdurchströmung mit Öffnungen 23 versehen .
Falls der Kühlmantel 3 in einer weiteren Ausgestaltung axial noch weiter als in FIG 1 über die Wickelköpfe 10 ragt, insbe¬ sondere der Länge des Gehäuses 2 angepasst, werden neben der umströmenden Kühlluft im Inneren auch die Wickelköpfe zusätzlich gekühlt, was zu einer Entlastung des Wärmetauschers 9 führt .
FIG 2 zeigt einen Querschnitt eines Windkraftgenerators, der bzgl . des Ständers 4, des Gehäuses 2, des Kühlmantels 3 und des Kühlmittelsverlauf innerhalb des Windkraftgenerators 1 wie in FIG 1 ausgeführt ist.
Unterschiede ergeben sich lediglich in dem Aufbau des Läufers 5, der aber auch den grundsätzlichen erfinderischen Gedanken des Kühlmittelsumlaufs beinhaltet. In FIG 1 weisen die dort aufgeführten Tragelemente 28 Öffnun¬ gen 23 auf, die den erfindungsgemäßen Kühlmittelumlauf ges¬ tatten. In FIG 2 wird der Polradmantel 6, also das Läufer¬ blechpaket und das Rohr 29 durch sternförmige Streben 38 gehalten, die sich auf einer Welle 39 abstützen, die vorteil- hafterweise aus Gewichtsgründen auch hohl ausgeführt ist.
Der Kühlkanalgestaltung auf der axialen Länge des Läufers 5 wird nunmehr durch die Öffnungen 40 zwischen den Streben 38, dem Polradmantel 6 und dem Rohr 29 gewährleistet. Dabei wird der eine Kühlkanal durch die Oberfläche 41 der Welle 39 und der Innenseite des Rohres 29 gebildet. Der in Gegenrichtung dieses Kühlkanals im Betrieb durchströmte andere Kühlkanal wird durch die Innenseite des Polradmantels 6 und der Außen¬ seite des Rohres 29 gebildet.
Vorteilhafterweise sind die Streben 38 in dem jeweiligen Kühlkanal so gestaltet, dass im Betrieb des Windkraftgenera¬ tors 1 die Kühlmittelströmung unterstützt wird. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass diese Streben 38 einen lüfterflü- gelförmigen Aufbau aufweisen, der die axiale Strömung unterstützt. D.h. zumindest einige Streben 38 weisen radial unter halb des Rohres 29 eine andere Form auf, als radial oberhalb des Rohres 29. Damit wird die innerhalb des Läufers 5, also radial innerhalb des Polradmantels 6 gegensinnige Kühlmittel Strömung unterstützt.

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftgenerator (1) mit einem geschlossenen Innenkühl- kreislauf, mit einem geblecht ausgeführten Ständer (4), der ein Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Ständers Wickelköpfe (10) ausbildet, wobei der Ständer (4) zumindest im Bereich seines Blechpakets von einem Kühlmantel (3) umgeben ist, wobei Permanentmagnete (18) eines Läufers (5) auf einem als Hohlwelle ausgebildeten Polradmantel (6) angeordnet sind, wobei der Polradmantel (6) über Tragelemente (28) an seinen Stirnseiten mit einer Welle (7) oder Wellenstummeln drehfest verbunden ist, wobei die Hohlwelle in ihrem Inneren zumindest ein Rohr (29,33) aufweist, dessen Mantelfläche in äquidistantem Abstand zum Polradmantel (6) verläuft, und wobei an den Stirnseiten des Läufers (5) Lüfter (24, 25) angebracht sind.
2. Windkraftgenerator (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Rohr (29) innerhalb der Hohlwelle derart angeordnet ist, dass sich innerhalb der Hohlwelle Kühlkanäle ergeben, die eine gegensinnige Strö¬ mungsrichtung eines Kühlluftstromes innerhalb der Hohlwelle gestattet .
3. Windkraftgenerator (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Lüfter (24,25) auf der jeweiligen Stirnseite des Läufers (5) Lüfter¬ flügel aufweisen, die jeweils an einer Tragscheibe (12,13) befestigt sind, wobei die Tragscheibe (12,13) zugleich Luft- leitfunktion übernimmt.
4. Windkraftgenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein weiteres Rohr (33) sich innerhalb der Hohlwelle be- findet, das zur Versteifung des Läufers (5) und/oder weiteren Kühlkanalgestaltung beiträgt.
5. Windkraftgenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich an einer Seite des Windkraftgenerators (1) ein ins¬ besondere abnehmbarer Wärmetauscher (9) befindet, der das im Innenraum befindliche gasförmige Medium des geschlossenen Kühlkreislaufes rückkühlt.
EP10775764A 2009-11-02 2010-10-25 Windkraftgenerator mit innenkühlkreislauf Withdrawn EP2497184A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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