Generator einer getriebelosen Windenergieanlage Generator of a gearless wind turbine
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator einer getriebelosen Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage mit einem solchen Generator und ein Verfahren zum Errichten einer Windenergieanlage. The present invention relates to a generator of a gearless wind turbine and a wind turbine with such a generator and a method for building a wind turbine.
Getriebelose Windenergieanlagen sind allgemein bekannt. Sie weisen einen aerodyna- mischen Rotor auf, der angetrieben durch den Wind unmittelbar einen elektrodynamischen Rotor, der zur Vermeidung von Verwechslungen auch als Läufer bezeichnet wird, dreht. Der aerodynamische Rotor und der Läufer sind hierbei starr gekoppelt und weisen dieselbe Drehzahl auf. Da der aerodynamische Rotor bei modernen Windenergieanlagen verhältnismäßig langsam dreht, beispielsweise im Bereich zwischen 5 und 25 Umdre- hungen pro Minute, dreht auch der Läufer entsprechend langsam. Aus diesem Grunde ist ein Generator einer modernen getriebelosen Windenergieanlage ein Vielpolgenerator mit großem Durchmesser. Gearless wind turbines are well known. They have an aerodynamic rotor which, driven by the wind, directly rotates an electrodynamic rotor, which is also called a rotor to avoid confusion. The aerodynamic rotor and the rotor are rigidly coupled and have the same speed. Since the aerodynamic rotor rotates relatively slowly in modern wind turbines, for example in the range between 5 and 25 revolutions per minute, the rotor also turns correspondingly slowly. For this reason, a generator of a modern gearless wind turbine is a Vielpolgenerator large diameter.
Solche großen Generatoren haben somit den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer Größe schwer zu handhaben, insbesondere schwer zu montieren sind und Probleme beim Transport aufgrund ihrer Größe bereiten können. Sie weisen Kupferwicklungen in großem Umfang auf und sind auch deshalb sehr schwer. Entsprechend aufwändig müssen Tragstrukturen ausgebildet sein. Thus, such large generators have the disadvantage that they are difficult to handle due to their size, in particular are difficult to assemble and can cause problems during transport due to their size. They have copper windings on a large scale and are therefore very difficult. Accordingly complex support structures must be formed.
Kupfer ist allerdings als Material für elektrische Leitungen in einem Generator aufgrund seiner guten elektrischen Eigenschaften konkurrenzlos. Insbesondere gibt es bisher kein anderes, in ausreichender Menge vorhandenes Material, das eine so hohe Leitfähigkeit wie Kupfer aufweist und dabei gleichzeitig verhältnismäßig unproblematisch verarbeitbar ist und dabei seine Eigenschaften im Grunde über den gesamten Temperaturbereich aufweist, der auf der Erde natürlicherweise dort vorkommt, wo Windenergieanlagen aufgestellt werden können. Durch die hohe Leitfähigkeit ist es somit möglich, Generato- ren an entsprechender Stelle entsprechend klein zu bauen. However, copper is unrivaled as a material for electrical wiring in a generator due to its good electrical properties. In particular, there is so far no other, in sufficient amount existing material that has as high a conductivity as copper and at the same time relatively unproblematic processable and thereby has its properties basically over the entire temperature range, which naturally occurs on Earth, where wind turbines can be set up. Due to the high conductivity, it is thus possible to build generators at the appropriate place correspondingly small.
Die Baugröße bei Generatoren wird heutzutage insbesondere durch den Transport begrenzt. So ist insbesondere ein Generatordurchmesser, also ein Außendurchmesser des Generators, von 5 m eine kritische Größe für den Transport von Generatoren. Entspre-
chend ist der Luftspaltdurchmesser, also der Durchmesser des Generators im Bereich des Luftspalts, entsprechend klein. Der Luftspalt befindet sich zwischen Stator und Läufer und sein Durchmesser ist um die doppelte Dicke des Stators - im Falle eines Innenläufers - oder um die doppelte Dicke des Rotors - im Falle eines Außenläufers - kleiner als der Gesamtdurchmesser des Generators. Dabei bestimmt der Luftspaltdurchmesser ganz maßgeblich die Effizienz und elektrische Leistungsfähigkeit des Generators. Mit anderen Worten ist ein möglichst großer Luftspaltdurchmesser anzustreben. Entsprechend ist ein außen liegender Stator bzw. ein außen liegender Rotor so schlank wie möglich auszugestalten, damit der Luftspaltdurchmesser bei gegebenem Außendurchmesser von etwa 5 m so groß wie möglich ausgestaltet werden kann. The size of generators is limited today especially by the transport. For example, a generator diameter, ie an external diameter of the generator, of 5 m is a critical quantity for the transport of generators. correspond Accordingly, the air gap diameter, ie the diameter of the generator in the region of the air gap, is correspondingly small. The air gap is between the stator and rotor and its diameter is twice the thickness of the stator - in the case of an internal rotor - or twice the thickness of the rotor - in the case of an external rotor - smaller than the total diameter of the generator. The air gap diameter decisively determines the efficiency and electrical performance of the generator. In other words, the largest possible air gap diameter should be sought. Accordingly, an external stator or an external rotor is to be made as slim as possible, so that the air gap diameter can be made as large as possible for a given outside diameter of about 5 m.
Eine Möglichkeit besteht darin, den Generator in axialer Richtung zu erweitern, also länger zu machen. Hierdurch kann im Grunde bei gleichem Luftspaltdurchmesser der Generator in seiner Nennleistung erhöht werden. Allerdings weisen solche Verlängerungen in axialer Richtung Stabilitätsprobleme auf. Insbesondere wenn der außerhalb des Luftspalts liegende Teil des Generators möglichst schlank auszubilden ist, kann ein solcher länger ausgestalteter Generator schnell an seine Stabilitätsgrenzen stoßen. Es kommt hierbei hinzu, dass die Wicklungen ein großes Gewicht haben, aber im Grunde nicht zur mechanischen Stabilität beitragen können. One possibility is to expand the generator in the axial direction, ie to make it longer. As a result, the generator can be increased in its nominal power basically at the same air gap diameter. However, such extensions have stability problems in the axial direction. In particular, if the lying outside of the air gap part of the generator is to be formed as slim as possible, such a generator longer ausgestalteter quickly come to its stability limits. It adds that the windings have a large weight, but basically can not contribute to the mechanical stability.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der oben genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll ein Generator einer getriebelosen Windenergieanlage hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Stabilität und/oder Gewicht verbessert werden. Zumindest soll eine alternative Ausgestaltung gegenüber bisherigen Lösungen vorgeschlagen werden. The present invention is therefore based on the object to address at least one of the above problems. In particular, a generator of a gearless wind turbine is to be improved in terms of performance, stability and / or weight. At least an alternative embodiment to previous solutions to be proposed.
Erfindungsgemäß wird ein Generator nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein solcher Gene- rator einer getriebelosen Windenergieanlage weist einen Stator und einen Läufer auf. Der Stator und/oder der Läufer weist Wicklungen aus Aluminium auf. According to the invention, a generator according to claim 1 is proposed. Such a generator of a gearless wind turbine has a stator and a rotor. The stator and / or the rotor has windings made of aluminum.
Es wurde erfindungsgemäß nämlich erkannt, dass Aluminium zwar eine schlechtere Leitfähigkeit als Kupfer aufweist, aber aufgrund seines vergleichsweise geringen Gewichts in dem Gesamtkonzept für den Generator dennoch von Vorteil sein kann. Der schlechteren Leitfähigkeit des Aluminiums gegenüber Kupfer muss zunächst mit einem größeren Querschnitt der betreffenden Wicklungen begegnet werden, was zunächst zu einem höheren Volumenbedarf führt. Dem entgegen ist Aluminium aber deut-
lieh leichter als Kupfer, so dass der Generator in seiner Gesamtheit trotzdem leichter wird. Durch das geringere Gewicht können ggf. auch die Anforderungen an die Tragstrukturen, also den mechanischen Aufbau der Windenergieanlage insgesamt und auch an den mechanischen Aufbau des Generators geringer ausfallen. Hierdurch kann wiederum Gewicht eingespart und ggf. Volumen zurückgewonnen werden. It was inventively namely recognized that although aluminum has a lower conductivity than copper, but due to its relatively low weight in the overall concept for the generator can still be beneficial. The poorer conductivity of the aluminum compared to copper must first be met with a larger cross section of the respective windings, which initially leads to a higher volume requirement. In contrast to this, however, aluminum is Lighter than copper, so that the generator in its entirety is still lighter. As a result of the lower weight, the requirements for the supporting structures, that is to say the mechanical construction of the wind energy plant as a whole and also for the mechanical structure of the generator, may possibly be lower. As a result, weight can again be saved and, if necessary, volume recovered.
Unter der Verwendung von Wicklungen aus Aluminium ist insbesondere zu verstehen, dass die Wicklungen aus Aluminium bestehen und natürlich Isolierungen aufweisen, insbesondere Isolationslack o.dgl. Es kommen grundsätzlich aber auch Legierungen für das Aluminium in Betracht, die beispielsweise einige Eigenschaften des Aluminiums beeinflussen können wie beispielsweise seine Verarbeitbarkeit, insbesondere Biegsamkeit. Entscheidend ist, dass Aluminium als leichtgewichtiger elektrischer Leiter zur Verfügung steht und einen Großteil der jeweiligen Wicklung bildet. Auf einige Beimengungen, die an der grundsätzlichen Leitfähigkeit und an dem grundsätzlichen spezifischen Gewicht des Aluminiums kaum etwas ändern, kommt es nicht an. Das Aluminium sollte für Gewicht und Leitfähigkeit der Wicklungen bestimmend sein. The use of aluminum windings means, in particular, that the windings are made of aluminum and, of course, have insulation, in particular insulating varnish or the like. In principle, however, alloys are also suitable for the aluminum, which can influence, for example, some properties of aluminum, such as its processability, in particular flexibility. It is crucial that aluminum is available as a lightweight electrical conductor and forms a majority of the respective winding. It does not matter for some admixtures, which hardly change anything at the basic conductivity and at the basic specific weight of the aluminum. The aluminum should be decisive for the weight and conductivity of the windings.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Generator ein Außenläufer ist. Somit ist der Stator, nämlich der stehende Teil, innen und um diesen herum dreht sich der Läufer. Dies hat zunächst den Vorteil, dass der Luftspaltdurchmesser grundsätzlich erhöht werden kann, weil der Läufer grundsätzlich eine geringere Dicke benötigt als der Stator. Entspre- chend benötigt der Läufer zwischen dem Luftspalt und einem maximalen Außendurchmesser weniger Platz, so dass der Luftspaltdurchmesser bei gegebenem Außendurchmesser erhöht werden kann. It is preferably proposed that the generator is an external rotor. Thus, the stator, namely the standing part, is inside and around this the runner rotates. This initially has the advantage that the air gap diameter can be increased in principle, because the rotor basically requires a smaller thickness than the stator. Correspondingly, the rotor requires less space between the air gap and a maximum outer diameter, so that the air gap diameter can be increased for a given outer diameter.
Weiterhin ist zu beachten, dass bei einem Stator häufig Blechpakete vorgesehen sind, die luftspaltseitig mit Wicklungen versehen werden. Ein solches Statorblechpaket kann im Falle eines Außenläufers nach innen hin, also zur Mittelachse des Generators hin im Grunde beliebig verstärkt und mit Kühlkanälen u.dgl. versehen werden. Hier ist im Falle eines Außenläufers reichlich Platz für den Stator, so dass durch das Vorsehen eines Generators vom Typ Außenläufer de facto viel Platz für den Stator geschaffen wird. Furthermore, it should be noted that in a stator often laminated cores are provided, which are provided on the air gap side with windings. In the case of an external rotor, such a laminated stator core can be reinforced inwardly, ie, in any way, to the central axis of the generator and can be reinforced with cooling channels and the like. be provided. Here is in the case of an external rotor plenty of space for the stator, so that the provision of a generator of the outer rotor type de facto much space for the stator is created.
Der Läufer, jedenfalls wenn dieser fremderregt ist, ist gänzlich anders aufgebaut, nämlich regelmäßig zusammengesetzt aus mit Wicklungen fertig bestückten Läuferpolen, die an ihrer dem Luftspalt abgewandten Seite an einer Tragkonstruktion, nämlich einem Zylindermantel, verbunden sind. Im Falle eines Generators vom Typ Außenläufer erstrecken sich somit die Polschuhkörper vom Luftspalt aus im Grunde leicht sternförmig nach
außen. Mit anderen Worten nimmt der verfügbare Raum vom Luftspalt zur Tragkonstruktion hin zu. Das Unterbringen von Wicklungen für die Fremderregung wird somit erleichtert, weil im Falle eines Außenläufers hier mehr Platz zur Verfügung steht. The rotor, at least if this is foreign-excited, is constructed entirely differently, namely regularly composed of rotor poles equipped with windings, which are connected at their side facing away from the air gap on a supporting structure, namely a cylinder jacket. In the case of a generator of the external rotor type, the pole shoe bodies therefore basically extend slightly from the air gap in a star shape Outside. In other words, the available space increases from the air gap to the supporting structure. The accommodation of windings for the external excitation is thus facilitated because in the case of an external rotor here more space is available.
Somit wirkt die Verwendung von Aluminium jedenfalls für die Erregerwicklungen des Läufers positiv mit dem zusätzlichen Raumvolumen zusammen, das sich für den Außenläufertyp ergibt. Thus, the use of aluminum in any case positively affects the exciter windings of the rotor with the additional volume of space that results for the external rotor type.
Die Aluminiumwicklungen können somit in vorteilhafter Weise für den Läufer vorgesehen sein. Das beschriebene zusätzliche Platzangebot zum Stützen des Stators kann ebenfalls auch dazu genutzt werden, Aluminiumwicklungen in dem Stator vorzusehen. Der Stator kann hierfür beispielsweise zusätzlichen Wickelraum durch eine Vergrößerung in radialer Richtung schaffen. Der Luftspaltdurchmesser ist hiervon unbeeinflusst. Auch eine etwaige Zunahme des magnetischen Widerstandes im Stator dürfte im Vergleich zum magnetischen Widerstand des Luftspalts vernachlässigbar sein. Gegebenenfalls ist mit einem leichteren Läufer, der aufgrund der Verwendung des leichten Aluminiums gegenüber einem Kupferläufer leichter geworden ist, eine starrere Struktur für den Läufer erreichbar, was eine Verringerung der Luftspaltdicke ermöglichen könnte, wodurch der magnetische Widerstand verringert werden könnte. The aluminum windings can thus be provided in an advantageous manner for the runner. The described additional space for supporting the stator can also be used to provide aluminum windings in the stator. For this purpose, the stator can provide, for example, additional winding space through an enlargement in the radial direction. The air gap diameter is unaffected. Also, any increase in the magnetic resistance in the stator is likely to be negligible compared to the magnetic resistance of the air gap. Optionally, with a lighter rotor that has become lighter due to the use of light aluminum over a copper rotor, a more rigid structure for the rotor can be achieved, which could allow a reduction in the air gap thickness, which could reduce the magnetic resistance.
Vorzugsweise wird ein Generator mit einem Luftspaltdurchmesser von über 4,3 m vorgeschlagen. Hierdurch wird manifestiert, dass die vorliegende Erfindung Generatoren großer getriebeloser Windenergieanlagen betrifft. Die vorliegende Erfindung beansprucht nicht die Erfindung eines Generators mit Aluminiumwicklungen zu sein. Die Verwendung von Aluminiumwicklungen für einen großen Generator einer modernen getriebelosen Windenergieanlage ist für die Fachwelt bisher aber abwegig gewesen, weil stattdessen versucht wurde, Generatoren anderweitig zu optimieren. Dazu gehört ein möglichst geringes Volumen zu schaffen, was wiederum für den Fachmann bisher die Verwendung von Aluminium als Wicklungsmaterial ausgeschlossen hat. Preferably, a generator is proposed with an air gap diameter of over 4.3 m. This manifests that the present invention relates to generators of large gearless wind turbines. The present invention does not claim to be the invention of a generator with aluminum windings. The use of aluminum windings for a large generator of a modern gearless wind turbine has so far been out of the art, however, because it was trying instead to optimize generators elsewhere. This involves creating the lowest possible volume, which has hitherto excluded the use of aluminum as the winding material for the skilled person.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Außenläufer als Generatortyp verwendet wird, wobei der Läufer in Umfangsrichtung aus mehreren Läufersegmenten, insbesondere aus zwei, drei oder vier Läufersegmenten zusammengesetzt ist. Insbesondere sind die Läufersegmente dazu vorbereitet, beim Aufstellen der Windenergieanlage vor Ort zusammengesetzt zu werden. Vorzugsweise ist der Stator jedoch einstückig ausgebildet, insbesondere verfügt er über eine durchgängige Wicklung für jede Phase.
Durch die Verwendung von Aluminium als Wicklungsmaterial können Läufer, jedenfalls solche eines fremderregten Synchrongenerators, weniger Gewicht aufweisen und damit eine Konstruktion begünstigen, bei der der Rotor zusammengesetzt wird. Bereits bei der Verwendung von zwei im Grund jeweils halbkreisförmigen Läufersegmenten kann ein Generator mit einem Durchmesser von mehr als 5 m geschaffen werden, ohne dass die kritische Transportgröße von 5 m überschritten wird. Bei Verwendung eines einstückigen Stators eines solchen Außenläufers kann der Außendurchmesser des Stators, der etwa dem Luftspaltdurchmesser entspricht, etwa die kritische Transportgröße, insbesondere 5 m betragen. Der Läufer wird dann vor Ort zusammengesetzt, wenn ein Straßentrans- port nicht mehr erforderlich ist. In diesem Fall stellt die exakte Größe des Generators, nämlich des Läufersegments nur noch ein geringeres Problem dar. Nun ist viel entscheidender das Gewicht der Elemente. Das Gewicht kann jedoch durch die Verwendung von Aluminium reduziert werden. Um die gleiche absolute Leitfähigkeit statt mit Kupfer mit Aluminium zu realisieren, benötigt man etwa 50% mehr Wicklungsvolumen, das aber noch immer nur die Hälfte der entsprechenden Kupferwicklung wiegt. Trotz einer Volumenzunahme kann somit das Gewicht drastisch reduziert werden, wenn Aluminium verwendet wird. Durch die Verwendung eines geteilten Läufers besteht aber die Obergrenze für das Volumen nicht mehr, der Läufer kann etwas größer gestaltet werden und das führt - paradoxerweise - zu einem leichteren Läufer, weil nun Aluminium verwendet werden kann. According to a further embodiment, it is proposed that an external rotor is used as a generator type, wherein the rotor is composed in the circumferential direction of a plurality of rotor segments, in particular of two, three or four rotor segments. In particular, the rotor segments are prepared to be assembled on site when setting up the wind turbine. Preferably, however, the stator is formed in one piece, in particular it has a continuous winding for each phase. By using aluminum as a winding material runners, at least those of a separately excited synchronous generator, have less weight and thus favor a construction in which the rotor is assembled. Already with the use of two in the reason each semi-circular rotor segments, a generator can be created with a diameter of more than 5 m, without the critical transport size of 5 m is exceeded. When using a one-piece stator of such an external rotor, the outer diameter of the stator, which corresponds approximately to the air gap diameter, about the critical transport size, in particular 5 m. The runner is then assembled on the spot when road transport is no longer required. In this case, the exact size of the generator, namely the rotor segment is only a minor problem. Now much more decisive is the weight of the elements. However, the weight can be reduced by the use of aluminum. To achieve the same absolute conductivity instead of copper with aluminum, you need about 50% more winding volume, but still weighs only half of the corresponding copper winding. Despite an increase in volume, therefore, the weight can be drastically reduced when aluminum is used. By using a split runner, however, the upper limit for the volume is no longer, the runner can be made slightly larger and this leads - paradoxically - to a lighter runner, because now aluminum can be used.
Entsprechend ist es vorteilhaft, dass der Generator als fremderregter Synchrongenerator ausgebildet ist und der Läufer Erregerwicklungen aus Aluminium aufweist. Dies ist wie beschrieben für einen Außenläufer, insbesondere geteilten Außenläufer, besonders vorteilhaft, kann aber auch für einen Innenläufer günstig sein. Vorzugsweise weist der Generator eine Nennleistung von wenigstens 1 MW, insbesondere wenigstens 2 MW auf. Diese Ausführungsform unterstreicht zudem, dass die Erfindung insbesondere einen Generator einer getriebelosen Windenergieanlage der Megawattklasse betrifft. Solche Generatoren werden heutzutage optimiert und daher kam bisher Aluminium als Material für die Wicklungen nicht in Betracht. Es wurde aber erkannt, dass die Verwendung von Aluminium doch von Vorteil sein kann und keine Beschränkung oder Verschlechterung gegenüber Kupfer sein muss. Selbst wenn es bereits Generatoren mit Aluminiumwicklungen gibt, die möglicherweise auch in bestimmten Ländern zu bestimmten Zeiten aus Gründen von Rohstoffknappheit entwickelt wurden, so kann dies keinerlei Hinweis oder Anregung geben, einen Generator einer getriebelosen Windenergieanlagen der Megawattklasse mit Aluminiumwicklungen auszurüsten.
Vorzugsweise ist der Generator als Ringgenerator ausgebildet. Ein Ringgenerator beschreibt eine Bauform eines Generators, bei der der magnetisch wirksame Bereich im Wesentlichen auf einem Ringbereich konzentrisch um die Drehachse des Generators angeordnet ist. Insbesondere ist der magnetisch wirksame Bereich, nämlich vom Läufer und vom Stator nur im radial äußeren Viertel des Generators angeordnet. Accordingly, it is advantageous that the generator is designed as a third-excited synchronous generator and the rotor comprises excitation windings made of aluminum. This is as described for an external rotor, in particular split external rotor, particularly advantageous, but may also be favorable for an internal rotor. Preferably, the generator has a nominal power of at least 1 MW, in particular at least 2 MW. This embodiment also emphasizes that the invention relates in particular to a generator of a gearless wind turbine of the megawatt class. Such generators are being optimized today, and so far aluminum has not been considered as material for the windings. However, it has been recognized that the use of aluminum can be beneficial and must not be a limitation or degradation to copper. Even if there are already generators with aluminum windings that may have been developed in certain countries due to shortage of raw materials at certain times, there can be no indication or suggestion to equip a generator of a gearless wind turbines of the megawatt class with aluminum windings. Preferably, the generator is designed as a ring generator. A ring generator describes a construction of a generator, in which the magnetically active region is arranged substantially on an annular region concentrically around the axis of rotation of the generator. In particular, the magnetically active region, namely of the rotor and the stator is arranged only in the radially outer quarter of the generator.
Eine bevorzugte Ausführungsform schlägt vor, dass der Generator als langsam laufender Generator oder als vielpoliger Generator mit wenigstens 48, wenigstens 72, insbesondere wenigstens 192 Statorpolen ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ ist es günstig, den Generator als sechsphasigen Generator auszubilden. Ein solcher Generator ist insbesondere für die Verwendung in modernen Windenergieanlagen vorzusehen. Durch seine Vielpoligkeit gestattet er einen sehr langsam laufenden Betrieb des Läufers, der sich aufgrund der Getriebelosigkeit an einen langsam drehenden aerodynamischen Rotor anpasst und mit diesem besonders gut zu verwenden ist. Dabei ist zu beachten, dass bei 48, 72, 192 oder noch mehr Statorpolen ein entsprechend hoher Wicklungsaufwand vorhanden ist. Insbesondere wenn eine solche Wicklung phasenweise durchgängig ist, ist eine Umstellung auf Aluminiumwicklungen ein riesiger Entwicklungsschritt. Bereits der zu bewickelnde Statorkörper, nämlich die Blechpakte sind an den geänderten Platzbedarf anzupassen. Ebenfalls ist die Handhabbarkeit des Aluminiums für solche Wicklungen neu zu lernen und ggf. sind Aluminiumlegierungen vorzusehen, die eine solche geänderte Wicklung erleichtern. Ein geänderter Stator ist auch hinsichtlich seiner Befestigung in der Windenergieanlage, insbesondere an einem entsprechenden Statorträger neu zu berücksichtigen. Dabei können sich Anschlusspunkte verändern, sowohl mechanische als auch elektrische, und es wird die Möglichkeit eröffnet, die gesamte Tragkonstruktion an das verringerte Gewicht anzupassen. Insbe- sondere die Verwendung einer Windenergieanlage, bei der der Generator also nicht auf einem Maschinenboden oder eigenem Fundament steht, führt bei einer grundlegenden Generatoränderung grundsätzlich zu der Notwendigkeit einer kompletten Überarbeitung der Gondelkonstruktion der Windenergieanlage, oder hat noch weitreichendere Konsequenzen. Ebenfalls wird eine Windenergieanlage vorgeschlagen, die einen Generator verwendet, wie er zumindest gemäß einer der obigen Ausführungsformen beschrieben wurde. A preferred embodiment proposes that the generator is designed as a slow-running generator or as a multi-pole generator with at least 48, at least 72, in particular at least 192 stator poles. Additionally or alternatively, it is advantageous to form the generator as a six-phase generator. Such a generator is to be provided in particular for use in modern wind turbines. Due to its multipolarity, it allows a very slow running operation of the rotor, which adapts due to the gearlessness of a slowly rotating aerodynamic rotor and is particularly good to use with this. It should be noted that at 48, 72, 192 or even more stator poles a correspondingly high winding effort is available. In particular, if such a winding is phased throughout, a conversion to aluminum windings is a huge development step. Already the stator body to be wound, namely the Blechpakte are adapted to the changed space requirements. Also, the handling of the aluminum for such windings is to be re-learned and, if necessary, aluminum alloys should be provided to facilitate such a changed winding. A changed stator is also to be taken into account with regard to its attachment in the wind turbine, in particular on a corresponding stator. This can change connection points, both mechanical and electrical, and it opens the possibility to adapt the entire support structure to the reduced weight. In particular, the use of a wind turbine, in which the generator is thus not on a machine floor or its own foundation, basically leads to a fundamental generator change to the need for a complete overhaul of the nacelle construction of the wind turbine, or has even far-reaching consequences. Also, a wind turbine is proposed, which uses a generator, as has been described at least according to one of the above embodiments.
Ebenfalls wird ein Verfahren zum Errichten einer solchen Windenergieanlage vorgeschlagen. Vorzugsweise beinhaltet das das Montieren einer Windenergieanlage mit
einem Generator mit teilbarem Außenläufer. Hierfür wird vorgeschlagen, zunächst den Stator des Generators auf einem Turm, nämlich an einer Gondel bzw. dem ersten Teil der Gondel zu montieren. Also, a method for building such a wind turbine is proposed. Preferably, this includes the mounting of a wind turbine with a generator with divisible external rotor. For this purpose, it is proposed to first mount the stator of the generator on a tower, namely on a nacelle or the first part of the nacelle.
Der Läufer wird dann vor Ort bzw. parallel dazu vor Ort am Aufstellungsort oder in dessen Nähe, wie beispielsweise in einer Minifabrik, zusammengesetzt. Der so zusammengesetzte Läufer wird dann auf dem Turm zusammen mit dem bereits montierten Stator montiert, so dass der zusammengesetzte Läufer zusammen mit dem Stator im Wesentlichen den Generator bildet. The runner is then assembled on-site or in parallel at the site or in the vicinity thereof, such as in a mini factory. The thus assembled rotor is then mounted on the tower together with the already mounted stator, so that the composite rotor together with the stator essentially forms the generator.
Die Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will now be explained in more detail by way of example with reference to exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Ansicht. Fig. 1 shows a wind turbine in a perspective view.
Fig. 2 zeigt einen Generator vom Typ Innenläufer in einer seitlichen Schnittansicht. Fig. 2 shows a generator of the internal rotor type in a side sectional view.
Fig. 3 zeigt einen Generator vom Typ Außenläufer in einer seitlichen Schnittansicht. Fig. 3 shows a generator of the outer rotor type in a side sectional view.
Fig. 4 zeigt schematisch zwei Polschuhe eines Läufers eines Generators vom Typ Innenläufer. Fig. 4 shows schematically two pole pieces of a rotor of an internal rotor type generator.
Fig. 5 zeigt schematisch zwei Polschuhkörper eines Läufers eines Generators vom Typ Außenläufer. Fig. 5 shows schematically two pole pieces of a rotor of a generator of the external rotor type.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an. FIG. 1 shows a wind energy plant 100 with a tower 102 and a nacelle 104. A rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is arranged on the nacelle 104. The rotor 106 is set in rotation by the wind in rotation and thereby drives a generator in the nacelle 104 at.
Fig. 2 zeigt einen Generator 1 vom Typ Innenläufer und damit einen außen liegenden Stator 2 und einen dazu innen liegenden Läufer 4. Zwischen dem Stator 2 und dem Läufer 4 befindet sich der Luftspalt 6. Der Stator 2 wird über eine Statorglocke 8 auf einem Statorträger 10 getragen. Der Stator 2 weist Blechpakete 12 auf, die Wicklungen aufnehmen, von denen Wickelköpfe 14 gezeigt sind. Die Wickelköpfe 14 zeigen im Grunde die aus einer Statornut heraus in die nächste Statornut hinein gelegten Wicklungsdrähte. Die Blechpakete 12 des Stators 2 sind an einem Tragring 16 befestigt, der auch
als Teil des Stators 2 angesehen werden kann. Mittels dieses Tragrings 16 ist der Stator 2 an einem Statorflansch 18 der Statorglocke 8 befestigt. Hierüber trägt die Statorglocke 8 den Stator 2. Darüber hinaus kann die Statorglocke 8 Gebläse zum Kühlen vorsehen, die in der Statorglocke 8 angeordnet sind. Hierdurch kann Luft zum Kühlen auch durch den Luftspalt 6 gedrückt werden, um dadurch im Bereich des Luftspalts zu kühlen. Fig. 2 shows a generator 1 of the internal rotor type and thus an external stator 2 and a rotor lying inside 4 between the stator 2 and the rotor 4 is the air gap 6. The stator 2 is a stator 8 on a stator 10 worn. The stator 2 has laminated cores 12 which receive windings, of which windings 14 are shown. The winding heads 14 basically show the winding wires laid out of a stator slot into the next stator slot. The laminated cores 12 of the stator 2 are attached to a support ring 16, which also can be regarded as part of the stator 2. By means of this support ring 16, the stator 2 is fixed to a stator flange 18 of the stator 8. In addition, the stator bell 8 carries the stator 2. In addition, the stator bell 8 can provide fans for cooling, which are arranged in the stator bell 8. As a result, air for cooling can also be pressed through the air gap 6, thereby cooling in the region of the air gap.
Fig. 2 zeigt zudem den Außenumfang 20 des Generators 1. Lediglich Handhabungslaschen 22 ragen darüber hinaus, was jedoch unproblematisch ist, da diese nicht über den gesamten Umfang vorhanden sind. Fig. 2 also shows the outer periphery 20 of the generator 1. Only handling tabs 22 protrude beyond, but this is not a problem, since they are not present over the entire circumference.
An den Statorträger 10 schließt sich ein nur teilweise dargestellter Achszapfen 24 an. Auf dem Achszapfen 24 ist der Läufer 2 über ein Läuferlager 26 gelagert. Dazu ist der Läufer 2 an einem Nabenabschnitt 28 befestigt, der auch mit Rotorblättern des aerodynamischen Rotors verbunden ist, so dass die Rotorblätter vom Wind bewegt den Läufer 4 über diesen Nabenabschnitt 28 drehen können. At the stator 10 is followed by an only partially shown axle journal 24. On the journal 24 of the rotor 2 is mounted on a rotor bearing 26. For this purpose, the rotor 2 is fixed to a hub portion 28, which is also connected to rotor blades of the aerodynamic rotor, so that the rotor blades moved by the wind can rotate the rotor 4 via this hub portion 28.
Der Läufer 4 weist dabei Polschuhkörper mit Erregerwicklungen 30 auf. Zum Luftspalt 6 hin ist an den Erregerwicklungen 30 noch ein Teil des Polschuhs 32 zu erkennen. Zur dem Luftspalt 6 abgewandten Seite, also nach innen hin ist der Polschuh 32 mit der Erregerwicklung, die er trägt, an einem Läuf ertrag ring 34 befestigt, der wiederum mittels eines Läuferträgers 36 an dem Nabenabschnitt 28 befestigt ist. Der Läufertragring 34 ist im Grund ein zylindermantelförmiger, durchgängiger, massiver Abschnitt. Der Läuferträ- ger 36 weist eine Vielzahl von Verstrebungen auf. The rotor 4 has pole shoe bodies with exciter windings 30. Towards the air gap 6, part of the pole piece 32 can still be seen on the exciter windings 30. To the air gap 6 side facing away, ie inwardly of the pole piece 32 with the excitation winding, which it carries on a run-bearing ring 34 attached, which in turn is secured by a rotor support 36 to the hub portion 28. The rotor support ring 34 is basically a cylinder jacket-shaped, solid, solid section. The rotor carrier 36 has a plurality of struts.
Es ist in der Fig. 2 zu erkennen, dass die radiale Ausdehnung des Läufers 4, nämlich von dem Läuf ertrag ring 34 zum Luftspalt 6 deutlich geringer ist als die radiale Ausdehnung des Stators 2, nämlich vom Luftspalt 6 zum Außenumfang 20. It can be seen in Fig. 2 that the radial extent of the rotor 4, namely from the run-yielding ring 34 to the air gap 6 is significantly less than the radial extent of the stator 2, namely from the air gap 6 to the outer periphery 20th
Darüber hinaus ist eine Traglänge 38 eingezeichnet, die etwa die axiale Ausdehnung von der Statorglocke 8 zum ihr abgewandten Ende des Stators 2, nämlich des Wickelkopfes 14 dort beschreibt. Bei dieser Konstruktion ist diese axiale Traglänge verhältnismäßig lang und sie zeigt wie weit der Stator 2 von der Statorglocke 8 aus frei tragen muss. Aufgrund des innen liegenden Läufers 4 ist nämlich auf der der Statorglocke 8 abgewandten Seite keine weitere Stütz- oder Lagermöglichkeit für den Stator 2 vorhanden. Der Generator 301 der Fig. 3 ist vom Typ Außenläufer. Entsprechend liegt der Stator 302 innen und der Läufer 304 außen. Der Stator 302 wird durch eine zentrale Statortrag-
konstruktion 308 auf dem Statorträger 310 getragen. Zur Kühlung ist in der Statortragkonstruktion 308 ein Gebläse 309 eingezeichnet. Der Stator 302 wird somit mittig getragen, was die Stabilität sehr erhöhen kann. Weiterhin kann er von innen her durch das Gebläse 309, das nur charakteristisch für weitere Gebläse steht, gekühlt werden. Der Stator 302 ist bei dieser Konstruktion von innen her zugänglich. In addition, a support length 38 is shown, which describes approximately the axial extent of the stator 8 to the end facing away from the stator 2, namely the winding head 14 there. In this construction, this axial length of support is relatively long and it shows how far the stator 2 from the stator bell 8 must be free. Because of the inner rotor 4 namely on the side facing away from the stator 8 no further support or storage facility for the stator 2 is present. The generator 301 of FIG. 3 is of the external rotor type. Accordingly, the stator 302 is inside and the rotor 304 outside. The stator 302 is supported by a central stator support construction 308 carried on the stator support 310. For cooling, a fan 309 is shown in the stator support structure 308. The stator 302 is thus carried centrally, which can greatly increase the stability. Furthermore, it can be cooled from the inside by the blower 309, which is only characteristic of other blowers. The stator 302 is accessible from the inside in this construction.
Der Läufer 304 weist einen außen liegenden Läufertrag ring 334 auf, der an einem Läuferträger 336 befestigt ist und von diesem auf dem Nabenabschnitt 328 getragen wird, der wiederum über ein Läuferlager 326 auf einem Achszapfen 324 gelagert wird. The rotor 304 has an outer rotor support ring 334 which is fixed to a rotor carrier 336 and is supported by this on the hub portion 328, which in turn is supported via a rotor bearing 326 on a journal 324.
Aufgrund der im Grunde vertauschten Anordnung von Stator 302 und Läufer 304 ergibt sich ein Luftspalt 306, der einen größeren Durchmesser aufweist als der Luftspalt 6 der Fig. 2 des Generators 1 vom Typ Innenläufer. Due to the basically reversed arrangement of stator 302 and rotor 304 results in an air gap 306 having a larger diameter than the air gap 6 of FIG. 2 of the generator 1 of the internal rotor type.
Fig. 3 zeigt zudem noch eine günstige Anordnung einer Bremse 340, die über eine mit dem Läufer 304 verbundene Bremsscheibe 342 den Läufer 304 bei Bedarf festsetzen kann. In diesem Fall der angezogenen Bremse 340 ergibt sich ein stabiler Zustand, bei dem der Läufer 304 in axialer Richtung an zwei Seiten gehalten wird, nämlich an einer Seite letztlich über das Lager 326 und auf der anderen Seite über die festgezogene Bremse 340. FIG. 3 also shows a favorable arrangement of a brake 340, which can fix the rotor 304 if required via a brake disk 342 connected to the rotor 304. In this case, the tightened brake 340 results in a stable state in which the rotor 304 is held in an axial direction on two sides, namely on one side ultimately via the bearing 326 and on the other side via the tightened brake 340.
In Fig. 3 ist ebenfalls eine axiale Traglänge 338 eingezeichnet, die ebenfalls einen mittleren Abstand der Statortrag konstruktion 308 zum Läuferträger 336 zeigt. Hier ist der Abstand zwischen den beiden Tragkonstruktionen des Stators 302 und Läufers 304 deutlich verringert gegenüber der axialen Traglänge 38, die bei dem Generator vom Typ Innenläufer in der Fig. 2 gezeigt ist. Auch die axialen Traglänge 38 der Fig. 2 gibt einen mittleren Abstand zwischen den beiden Tragkonstruktionen für den Stator 2 einerseits und den Läufer 4 andererseits an. Je kleiner eine solche axiale Traglänge 38 bzw. 338 ist, umso höher ist die Stabilität, die erreicht werden kann, insbesondere auch eine Kippstabilität zwischen Stator und Läufer. In Fig. 3, an axial support length 338 is also shown, which also shows a mean distance of the Statortrag construction 308 to the rotor carrier 336. Here, the distance between the two support structures of the stator 302 and rotor 304 is significantly reduced from the axial support length 38 shown in the internal rotor type generator in FIG. Also, the axial length of support 38 of FIG. 2 indicates an average distance between the two supporting structures for the stator 2 on the one hand and the rotor 4 on the other. The smaller such an axial length of support 38 or 338, the higher the stability that can be achieved, in particular also a tilting stability between stator and rotor.
Der Außendurchmesser 344 des Außenumfangs 320 ist bei beiden gezeigten Generatoren der Fig. 2 und 3 identisch. Der Außenumfang 20 des Generators 1 der Fig. 2 weist somit ebenfalls den Außendurchmesser 344 auf. Trotz gleicher Außendurchmesser 344 ist es bei der Konstruktion der Fig. 3, die den Generator 301 des Typs Außenläufer zeigt, möglich, einen größeren Luftspaltdurchmesser für den Luftspalt 306 gegenüber dem Luftspalt 6 der Fig. 2 zu erreichen.
In Fig. 4 ist ein außen liegender Stator 402 und ein innen liegender Läufer 404 dargestellt. Fig. 4 zeigt sehr schematisch zwei Polschuhkörper 432 mit einem Schaft 450 und einem Polschuh 452. zwischen den beiden Polschuhkörpern 432, insbesondere zwischen den beiden Schäften 450 ist ein Wickelraum 454 ausgebildet. Hierin sind die Leitungen von Erregerwicklungen 430 anzuordnen. Da jeder Polschuhkörper 432 Erregerwicklungen 430 trägt, muss der Wickelraum 454 im Grund elektrische Leitungen von zwei Erregerwicklungen 430 aufnehmen. The outer diameter 344 of the outer periphery 320 is identical in both shown generators of FIGS. 2 and 3. The outer circumference 20 of the generator 1 of FIG. 2 thus also has the outer diameter 344. Despite the same outer diameter 344, it is possible in the construction of FIG. 3, which shows the outer rotor type generator 301, to achieve a larger air gap diameter for the air gap 306 than the air gap 6 of FIG. FIG. 4 shows an external stator 402 and an internal rotor 404. FIG. 4 shows very diagrammatically two pole shoe bodies 432 with a shaft 450 and a pole shoe 452. Between the two pole shoe bodies 432, in particular between the two shafts 450, a winding space 454 is formed. Herein, the lines of excitation windings 430 are to be arranged. Since each pole piece body 432 carries excitation windings 430, the winding space 454 must basically receive electrical leads from two exciter windings 430.
Aufgrund der Tatsache, dass die Polschuhkörper 432 der Fig. 4 zu einem Innenläufer gehören, laufen die Schäfte 450 von den Polschuhen 452 aus zusammen, wodurch der Wickelraum 454 sich verengt. Dadurch können Probleme beim Unterbringen der Erregerwicklungen 430 entstehen. Due to the fact that the pole shoe bodies 432 of FIG. 4 belong to an inner rotor, the shanks 450 converge from the pole shoes 452, as a result of which the winding space 454 narrows. This may cause problems in housing the field windings 430.
In Fig. 5 ist ein innen liegender Stator 502 und ein außen liegender Läufer 504 gezeigt. Fig. 5 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung von zwei Polschuhkörpern 532 jedoch von einem Außenläufer. Hier ist zu erkennen, dass sich die Schäfte 550 von den Polschuhen 552 aus entfernen, so dass sich ein Wickelraum 554 aufweitet und damit viel Raum für Leitungen von Erregerwicklungen 530 schafft. In Fig. 5, an inner stator 502 and an outer rotor 504 are shown. Fig. 5 shows a similar schematic representation of two Polschuhkörpern 532 but of an external rotor. Here, it can be seen that the shanks 550 move away from the pole shoes 552, so that a winding space 554 widens and thus creates a lot of space for lines of exciter windings 530.
Durch die Fig. 5, insbesondere im Vergleich zu der Fig. 4 wird veranschaulicht, dass allein durch die Verwendung eines Außenläufers ein deutlich erhöhter Wickelraum 554 geschaffen werden kann, was die Verwendung von Aluminium als Material für die Wick- lungen begünstigt. Über die veranschaulichte Zunahme des absoluten Wickelraums 554 gegenüber dem absoluten Wickelraum 454 kann sich bei dem Außenläufer, der in Fig. 5 veranschaulicht ist, zudem die Handhabung und insbesondere Montage verbessern. By means of FIG. 5, in particular in comparison to FIG. 4, it is illustrated that solely by the use of an external rotor a significantly increased winding space 554 can be created, which favors the use of aluminum as material for the windings. In addition, the illustrated increase in the absolute winding space 554 versus the absolute winding space 454 in the external rotor illustrated in FIG. 5 can improve the handling and in particular the assembly.
Darüber hinaus ist gemäß der Fig. 4 auch der sich anschließende Anschlussraum 456, der sich an die Schäfte 450 anschließt, verengt. Zur Veranschaulichung sind die Schäfte 450 gestrichelt weiter gezeichnet. Problematisch ist insbesondere, wie die Polschuhkörper und somit die Pole des Läufers insgesamt im Grunde einzeln vorgesehen und installiert werden. Der im Grunde vorhandene Platz im Anschlussraum 456 kann somit schwierig genutzt werden. In addition, according to FIG. 4, the adjoining connection space 456, which adjoins the shanks 450, is narrowed. By way of illustration, the shafts 450 are further drawn by dashed lines. In particular, it is problematic how the pole shoe bodies and thus the poles of the rotor as a whole are basically provided and installed individually. The basically existing space in the connection space 456 can thus be difficult to use.
Dem entgegen vergrößert sich ein entsprechender Anschlussraum 556 gemäß der Fig. 5 aufgrund der Anordnung als Außenläufer.
Somit wird eine Lösung geschaffen, die vorschlägt, Aluminium in Generatoren einzusetzen. Was zunächst als antiquierte Notlösung erscheint, die ein Fachmann zum Konstruieren eines modernen Generators einer Windenergieanlage verwerfen würde, wenn er Kupfer zur Verfügung hat, stellt sich als eine vorteilhafte Lösung heraus. Der Einsatz von Aluminium in Generatoren mag weniger vorteilhaft sein, wenn es sich um einen Innenläufer handelt. Innenläufergeneratoren sind durch ihre Bauform konstruktiv begrenzt. Bei Außenläufergeneratoren jedoch werden die Generatoren anders definiert bzw. grundsätzlich anders konstruiert, was die Anwendung von Aluminium ermöglicht und sogar vorteilhaft werden lässt. Es ist auch zu erwähnen, dass sich bei der Berechnung eines Läufers dieser üblicherweise an einem vorgegebenen Luftspaltradius r orientieren muss. Ausgehend von diesem Luftspaltradius ist der Innenläufer nach innen begrenzt, weil sich die Schäfte der Pole, deren Verlängerung durch die Hilfslinien 457 in Fig. 4 veranschaulicht wird, sonst an einem in Figur 4 gezeigten Punkt P treffen würden. Hierdurch ist die radiale Ausdeh- nung eines Innenläufers begrenzt. Im Falle eines Außenläufers ergibt sich diese Grenze nicht, weil die Schäfte nach außen auseinander laufen, was durch die Hilfslinien 557 veranschaulicht wird, sich daher nicht treffen und daher in ihrer radialen Ausdehnung nicht begrenzt sind. Hierdurch eignet sich ein Außenläufer besonders gut zur Verwendung mit Aluminium-Wicklungen, die mehr Wickelraum benötigen. Es wird vorgeschlagen, Aluminium für den Stator oder für den Läufer oder für beide einzusetzen. Bei der Konstruktion eines Außenläufers ist ein größerer Luftspaltdurchmesser erreichbar, was den Einsatz von Aluminium erlaubt bzw. begünstigt. In contrast, a corresponding terminal space 556 increases according to FIG. 5 due to the arrangement as an external rotor. Thus, a solution is provided which proposes to use aluminum in generators. What initially appears to be an antiquated stopgap solution that a person skilled in the art would have to reject for designing a modern generator of a wind turbine if he has copper available turns out to be an advantageous solution. The use of aluminum in generators may be less advantageous if it is an internal rotor. Internal rotor generators are structurally limited by their design. In external rotor generators, however, the generators are defined differently or constructed fundamentally different, which allows the use of aluminum and even be beneficial. It is also to be mentioned that in the calculation of a rotor this usually has to be based on a predetermined air gap radius r. Starting from this air gap radius, the inner rotor is limited inwards, because the shafts of the poles, the extension of which is illustrated by the auxiliary lines 457 in Fig. 4, would otherwise meet at a point P shown in FIG. As a result, the radial extent of an internal rotor is limited. In the case of an external rotor, this limit does not arise because the shafts diverge outwards, as illustrated by the auxiliary lines 557, therefore do not meet and are therefore not limited in their radial extent. As a result, an external rotor is particularly well suited for use with aluminum windings that require more winding space. It is proposed to use aluminum for the stator or for the rotor or both. When constructing an external rotor, a larger air gap diameter can be achieved, which allows or favors the use of aluminum.
Als weitere Vorteile ergeben sich, dass die Kosten für Aluminium geringer sind und mitunter auch eine bessere Materialzugänglichkeit gegeben ist, jedenfalls bei einer Kon- struktion des Außenläufers. Es wird somit Kupfer vermieden, zumindest in dem Stator oder dem Läufer. Zwar kann grundsätzlich mit Kupfer eine höhere Volumeneffizienz erreicht werden, dies verlangt aber einen höheren Preis, sowohl bei den direkten Kosten für das Material Kupfer als auch ggf. im Sinne eines Aufwandes der Konstruktion und der notwendigen Tragkonstruktion für das schwere Kupfer.
Further advantages are that the costs for aluminum are lower and sometimes also better material accessibility is given, at least in the case of a construction of the external rotor. It is thus avoided copper, at least in the stator or the rotor. Although a higher volume efficiency can be achieved with copper in principle, but this requires a higher price, both in the direct cost of the material copper and possibly in the sense of a cost of construction and the necessary supporting structure for the heavy copper.