WO2005075822A1 - Windkraftanlage mit einem im generator integrierten getriebe - Google Patents

Windkraftanlage mit einem im generator integrierten getriebe Download PDF

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Manfred KRÜGER-GOTZMANN
Christian Schiller
Günter Zwarg
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind power plant with at least one drive train driven by wind power, a transmission and a generator.
  • Wind turbines generate electrical energy by rotating their rotor-blade hub via a downstream gearbox that is mechanically connected to a generator.
  • These are combinations of individual elements, such as gears, clutches and generators, which are arranged axially one behind the other and have a correspondingly high weight and corresponding space requirement.
  • the invention is therefore based on the object of creating a wind power installation in which the weight of the generator and transmission and their space requirement is reduced compared to conventional installations and can be operated almost maintenance-free. Furthermore, such a gear generator unit should also be usable for offshore systems.
  • the task is solved by integrating the transmission in the generator.
  • the output of the gearbox is thus mechanically coupled to the rotor of the generator.
  • the rotor which can preferably be a permanent magnet excited rotor or also an electrically excited rotor, is designed as an internal or external rotor.
  • the external rotor is supported on one or both sides on the fixed gear stage.
  • This bearing is integrated in the stator structure.
  • the bearing is preferably insulated and thus suppresses any circulating currents. A small and even air gap is also achieved.
  • the gearbox output stage can be designed as a planet carrier or as an internal toothing.
  • the gear drive stage that is to say the drive train, has internal teeth or a pinion carrier.
  • the arrangement of the gear stages can lie within the stator structure when supported on one side and in front of the stator structure when supported on both sides.
  • the bearings themselves are designed as conventional roller or plain bearings. However, they can also be designed as magnetic or hydrostatic bearings with the system components required for this, such as electrical control and regulation technology, possibly pumps and the necessary monitoring technology.
  • the fixed stator structure on the one hand carries the electrically relevant generator components and on the other hand it is designed to accommodate one or more fixed gear stages.
  • Monitoring devices of braking devices and corresponding control devices for rotating the rotor blades Other monitoring devices such as e.g. Sensors for structure-borne noise measurement of the gearbox, detection of the wind speed and the angle of the rotor blades.
  • the existing operating data now enable automatic or manual interventions in the wind turbine on site or from a central control room.
  • This data transfer which takes place as bidirectional communication, can advantageously be used wirelessly, particularly in off-shore systems.
  • FIG. 1 and 2 each show a wind power plant 1, not shown, in which the wind energy is converted into rotation of a drive train 2, which is rotatably mounted in a housing structure, not shown.
  • the housing structure advantageously has air or liquid cooling devices, not shown, in particular of the electrical equipment.
  • the drive train 2 is hollow at least where there is an internal toothing 12.
  • the teeth can be oblique or straight.
  • By rotating the Drive train 2 is also set in rotation via one or more gear output stages 4, a fixed gear 3 and a mechanical connection 9 of the external rotor 8.
  • the part of the external rotor 8 opposite a stator 5, that is to say the rotor 7 with its permanent magnets 6, forms a generator.
  • the external rotor 8 is understood to mean the mechanical structure that contains the part that interacts electromagnetically with the stator 5, ie the rotor 7, and transmits the drive torque from the drive train 2 to the generator.
  • the stator 5 itself is integrated in the housing structure, not shown in detail.
  • the external rotor 8 is offset from the housing structure 10 via a bearing 11.
  • the bearing 11 is carried out on both sides in both embodiments; however, as indicated in Fig.l, it can also be carried out on one side. This leads to to further reduce assembly and maintenance work.
  • the storage is advantageously carried out in isolation.
  • the gear stages are arranged depending on the electrical design of the generator with one-sided mounting within the stator structure and with double-sided mounting essentially in front of the stator structure.
  • a very compact wind turbine 1 can thus be set up, since the integrated construction of a transmission with the transmission output stages 4, a fixed gear 3 and • a generator enables a compact construction.
  • the wind turbine can be extensively equipped with internal runners.
  • External and internal rotors can also be electrically excited.

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Abstract

Um eine kompakte und wartungsfreundliche Windkraftanlage (1) zu schaffen, die auch für den Off-shore-Betrieb geeignet ist, wird bei einem Windkraftanlage mit einem durch windkraft angetrieben Antriebsstrang (2), einem Getriebe und einem Generator das Getriebe im Generator integriert.

Description

WINDKRAFTANLAGE MIT EINEM IM GENERATOR INTEGRIERTEN GETRIEBE
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit zumindest einem durch Windkraft angetriebenen Antriebsstrang, einem Getriebe und einem Generator.
Windkraftanlagen erzeugen durch Rotationen ihrer mit Rotor- blätter versehenen Nabe über ein nachgeschaltetes Getriebe, das mit einem Generator mechanisch verbunden ist, elektrische Energie. Dabei handelt es sich um eine Kombinationen von Einzelelementen, wie Getriebe, Kupplung und Generator die axial hintereinander angeordnet sind und ein entsprechend hohes Ge- wicht und dementsprechenden Platzbedarf aufweisen.
Der Erfindung liegt, demnach die Aufgabe zugrunde eine Windkraftanlage zu schaffen, bei der das Gewicht von Generator und Getriebe als auch deren Platzbedarf reduziert ist gegen- über herkömmlichen Anlagen und nahezu wartungsfrei betreibbar ist. Des weiteren soll eine derartige Getriebe-Generator- Einheit auch für Off-shore-Anlagen einsetzbar sein.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass das Getriebe im Generator integriert ist.
Damit ist der Abtrieb des Getriebes direkt mit dem Läufer des Generators mechan±sch gekoppelt . Durch den erfindungsgemäßen Entfall der Kupplung ist die gesamte Getriebe-Generator-Ein- heit kompakter, benötigt weniger Bauvolumen und ist damit, dies ist für den Off-shore-Einsatz relevant, einfacher abzudichten. Der Läufer, der vorzugsweise ein permanentmagneterregter Läufer oder aber auch ein elektrisch erregter Läufer sein kann, wird dabei als Innen- oder auch als Außenläufer ausgeführt . Der Außenläufer wird dabei auf der feststehenden Getriebestufe einseitig oder beidseitig gelagert. Diese Lagerung ist in die Statorstruktur integriert. Die Lagerung ist vorzugsweise isoliert ausgeführt und unterdrückt damit ev. Kreisströme. Es wird außerdem ein kleiner und gleichmäßiger Luftspalt erreicht.
Je nach Auslegung des Getriebes kann die Getriebeabtriebsstufe als Planetenträger oder auch als Innenverzahnung ausge- führt sein. Dementsprechend weist die Getriebeantriebsstufe, also der Antriebsstrang eine Innenverzahnung bzw. einen Pia— netenträger auf. Die Anordnung der Getriebestufen kann in Abhängigkeit der elektrischen Auslegung des Generators bei einseitiger Lagerung innerhalb der Statorstruktur und bei beid- seitiger Lagerung vor der Statorstruktur liegen.
Die Lager selbst sind dabei als konventionelle Wälz- oder Gleitlager ausgeführt. Sie können aber ebenso als magnetische oder hydrostatische Lager ausgeführt sein mit den dafür je— weils erforderlichen Systemkomponenten wie elektrische Steuer- und Regelungstechnik, ggf. Pumpen und der notwendigen Ü- berwachungstechnik.
Die feststehende StatorStruktur trägt zum einen die elek— trisch relevanten Generatorkomponenten und zum anderen ist sie derart ausgeführt, um eine oder mehrere feststehende Getriebestufen aufnehmen zu können.
Damit wird das gesamte Anlagengewicht von Getriebe und Gene- rator gegenüber herkömmlichen Anlagen reduziert, der Gesamtwirkungsgrad wird erhöht und die Anzahl der Lagerungen reduziert. Außerdem werden Ausrichtfehler bei der Montage verringert und die Länge des Antriebsstranges erheblich verkürzt.
Durch Verwendung eines permanentmagneterregten Läufers wird vorteilhafterweise die Wartung gegenüber herkömmlichen elektrisch erregten Läufern weiter reduziert. An wartungsbedürftigen Funkitionselementen verbleiben damit lediglich eine zentrale Steuerung eines Schmiermittelkreislaufes, die Steuerungs- und Regelungsorgane des Generators, gegebenenfalls Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen ei- nes Kühlmittelkreislaufs des Generators, Steuerungs- und
Überwachungsorgane von Bremseinrichtungen und entsprechende Steuerungsorgane zur Drehung der Rotorblätter. Vorteilhaft sind weitere Überwachungsorrgane wie z.B. Sensoren zur Körperschallmessung des Getriebes, Erfassung der Windgeschwindig- keit und der Winkel der Rotorblätter.
Die vorliegenden Betriebsdaten ermöglichen nun vor Ort oder von einer zentralen Warte aus automatische oder manuelle Eingriffe in die Windkraftanlage. Dieser Datentransfer, der als bidirektionale Kommunikation stattfindet, ist vorteilhafterweise insbesondere bei Off—shore-Anlagen drahtlos einsetzbar.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden in sche- matisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen: >;τ
FIG 1, 2 Ausführungsformen einer Windkraftanlage mit integrierten Getriebe und einen permanentmagneterregten Außenläu- fer mit Planetenträger.
FIG 1 und 2 zeigen jeweils eine nicht näher dargestellte Windkraftanlage 1, bei der die Windenergie in Rotation eines Antriebsstranges 2 umgesetzt wird, der in einer nicht näher dargestellten Gehäusestruktur drehbar gelagert ist. Die Gehäusestruktur weist vorteilhafterweise nicht näher dargestellte Luft- oder Flüssigkieitskühleinrichtungen insbesondere der elektrischen Betriebsmittel auf.
Der Antriebsstrang 2 ist zumindest dort hohl ausgeführt, wo sich eine Innenverzahnung 12 befindet. Die Verzahnung kann dabei schräg oder gerade ausgeführt sein. Durch Rotation des Antriebsstranges 2 wird über eine oder mehrere Getriebeabtriebsstufen 4, ein feststehendes Zahnrad 3 und eine mechanische Verbindung 9 der Außenläufer 8 ebenfalls in Rotation versetzt. Dabei bildet der einem Stator 5 gegenüberliegende Teil des Außenläufers 8, also der Rotor 7 mit seinen Permanentmagneten 6 einen Generator. Unter dem Außenläufer 8 wird dabei die mechanische Struktur verstanden, die den mit dem Stator 5 elektromagnetisch wechselwirkenden Teil also den Rotor 7 beinhaltet und das Antriebsmoment vom Antriebstrang 2 an den Generator weiterleitet.
Der Stator 5 selbst ist in der nicht näher dargestellten Gehäusestruktur integriert . Der Außenläufer 8 ist über eine Lagerung 11 von der Gehäusestruktur 10 abgesetzt. Die Lagerung 11 ist bei beiden Ausführungsformen beidseitig ausgeführt; sie kann aber, wie dies in Fig.l angedeutet ist auch einseitig ausgeführt werden. Dies führt u.a. zu einer weiteren Reduzierung von Montage- und Wartungsarbeiten. Die Lagerung ist vorteilhafterweise isoliert ausgeführt .
Die Anordnung der Getriebe stufen erfolgt in Abhängigkeit der .. elektrischen Auslegung des Generators bei einseitiger Lagerung innerhalb der Statorstruktur und bei beidseitiger Lagerung im wesentlichen vor der Statorstruktur.
Damit lässt sich eine sehr kompakte Windkraftanlage 1 aufstellen, da die integrierte Bauweise eines Getriebes mit den Getriebeabtriebsstufen 4, einem feststehenden Zahnrad 3 und • einem Generator eine kompakte Bauweise ermöglicht .
Die Windkraftanlage kann extenso mit innenliegenden Läufern ausgestattet werden.
Außen- und Innenläufer können ebenso elektrisch erregt ausge- führt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage (1) mit einem durch Windkraft angetriebenen Antriebsstrang (2) , einem Getriebe und einem Generator, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Getriebe im Generator integriert ist.
2. Windkraftanlage (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 der Läufer (8) des Gene- rators direkt mit der Getriebeabtriebsstufe (4) des Getriebes verbunden ist .
3. Windkraftanlage (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 als Getriebeabtriebsstu- fe (4) ein Planetenträger oder eine Innenverzahnung vorgesehen ist, so dass dementsprechend der Antriebsstrang (2) mit Innenverzahnung (12) bzw. als Planetenträger ausgelegt ist.
4. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich.- das Getriebe in einem hohl ausgebildeten Läufer (8) oder Stator (5) befindet.
5. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator als Außen- oder Innenläufer ausgeführt ist .
6. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 5, d a d 'r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Läufer (8) als per- manentmagneterregter Läufer oder elektrisch erregter Läufer ausgelegt ist .
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